JPH0246357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は無人装置、特に無人位置決め等のため
の無人操作装置に関する。

無人位置決め機は典型的には、所定量を移動
し、各種装置の部品を取扱つたり組立てたりする
関節接合式のアームを具えている。これらの機械
は、例えば自動組立てや数値制御による機械加工
等、多種多様の目的に使用されている。そして、
この種の機械を、アームに装着された操作素子の
位置と向きを制御する、デイジタルコンピユータ
等の装置の制御下におく傾向が強まつている。そ
のような機械は、米国特許第3985238号（K.
Nakura他、1976年、10月12日）、米国特許第
4068536号（T.H.Stackhaus、1978年１月17日）
等に例示されている。これらの操作装置は、空間
内で所期の動作を生じさせるため、多数の関節接
合継手や摺動継手を含む実質的に片持ち式のアー
ムである。

この種の機械の更に重要な特性としては、それ
らの荷重支持能力、最大作動速度（概ね、機械の
慣性の関数）、及び使用の容易性のみならず直接
価格をも左右する簡単さが含まれる。しかし現段
階では、多くの操作装置の荷重支持能力、特に片
持ちアーム式の荷重支持能力は、装置自身の質量
との関連で極めて限られたものである場合が多
い。またこれら操作装置は、大きな直動及び回転
の慣性モーメントを生じるように構成されている
ため、操作ヘツドの加速性、従つて操作装置自体
の最大速度が不必要に限定されている。加えて、
構成が複雑であるため、高価になるとともに、信
頼性が低下して中断時間の増大を招くことも多
く、しばしば上記機械を駆動する制御装置を更に
複雑化することにもなる。

従つて本発明は、改良された無人操作装置を提
供することを目的とする。

本発明はまた、構成が簡単で効率的な無人操作
装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、可動部分の慣性が、それ
らが支持し得る荷重に関して比較的小さい無人操
作装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、操作ヘツドを所望位
置に位置決めするために必要な演算を最少限とす
るような構成の無人操作装置を提供することにあ
る。

本発明によれば、無人組立て等のための関節構
造に３本のアームを設け、各アームを、対応する
アームに対して横方向の平面内の第１軸線及び第
２軸線、並びに同アームの長手方向軸線と一致す
る第３軸線を中心として（フレームに対して）回
転するように、上記フレームに取付ける。これら
各アームは連結装置を終端とし、該連結装置は、
対応するアームに対して横方向の第２平面内の２
本の軸線を中心に（各アームに対して）回転する
一方、各アームの長手方向軸線と一致する軸線を
中心として同アームと一体的に回転させられるよ
うに取付けられたコネクタを支持している。この
コネクタの位置と向き（従つてコネクタに支持さ
れた工具或は部品の位置と向き）は、各アームの
長手方向の伸張と、それ自身の長手方向軸線を中
心とした回転により決定される。

好適な実施例においては、コネクタを、各アー
ムに対するその回転軸線が共通の一点で交差する
ことにより、装置の直動位置方程式と回転位置方
程式を相互から分離するように取付け、これによ
り、コネクタの位置が各アームの長手方向の伸張
のみにより決定される一方、向きが主として各ア
ームの角度的向きにより決定されるようにする。
その結果、アームの伸張と回転及びそれらの速度
を、コネクタの位置と向き及びそれらの速度に関
連させる運動方程式を、著しく分離したものにす
ることができる。これにより、装置の制御に要す
る演算、従つて装置のコスト及び複雑さを減少さ
せ得る。例えば、コネクタの位置と向きの速度
を、対応するアームの速度から算出する場合（コ
ネクタの移動中に繰返し行なわなければならない
演算）、６×６の行列の反転から３個の３×３の
行列の反転に演算を簡略化する。

各アームのフレームへの結合側には駆動用モー
タが設けられ、各アームを長手方向に伸張させる
とともに回転させ、コネクタを所望の向きで所望
の位置に位置決めする。モータによるこの位置決
めは、装置の慣性を大幅に減少させ、従つて応答
時間を短縮する。

アームに対しては、３点（“三脚台”）取付シス
テムを採用し、相当の荷重を高速移動させ得る剛
性に富む構造とする。

本発明は、特定の要求に適合するように、数種
の自由度のいずれによつても容易に実施できる。
以下に説明する好適な実施例においては、この自
由度を６種類（直動３種、回転３種）としている
が、これらのいずれか１種或はそれ以上を、特定
の目的に対して更に適した操作装置を構成すべく
束縛することは容易に行なえる。加えて、各アー
ムは実質的に同一構成であるから、装置を大量生
産により比較的安価に、非常に重大な公差を伴う
ことなく、極く僅かの異る要素だけで構成でき
る。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

第１図において、１０はフレームを示し、この
フレーム１０は、基部１２、垂直の支柱１４，１
６、及び三角形の支持台１８から構成されてい
る。これら支柱１４，１６と支持台１８にはそれ
ぞれ、取付け装置としてジンバルマウント２０，
２２，２４が固定されている。ジンバルマウント
２０は、第１のヨーク２６を具えるとともに、該
ヨーク２６内に第２のヨーク２８を垂直のピボツ
ト３０により枢着されている。上記ヨーク２８内
にはピボツト３４により駆動手段としてのモータ
３２が枢支される一方、第２の駆動手段としての
モータ３６の枠体が上記モータ３２の出力軸に取
付けられて一体的に回転する。各ジンバルマウン
ト２０，２２，２４にはそれぞれアーム５０，５
４，５８が取付けられ、第１図から明らかなよう
に、各アームはフレーム１０に対して３本の軸線
を中心として回転自在である。これら３本の軸線
の第１は、各アーム自体の長手方向の軸線ａ，
ｃ，ｅであり、第２、第３の軸線は、各アームと
交差する平面を画定し、相互に交差するピボツト
３０，３２が画定する軸線である。

上記アーム５４，５８及び５０は、それぞれ伸
縮可能な第１のアーム５６、第２のアーム６０及
び第３のアーム５２を具えている。そして、アー
ム５０について説明すると、該アーム５０は第３
のアーム５２を具えるとともに、前記モータ３６
の出力軸と同心的に取付けられている。第３図に
示すように、上記第３のアーム５２の後部５４に
は、中心部に空洞が形成され、該空洞には内周面
に雌ネジが形成されている。一方、相手方のモー
タ３６の出力軸には、対応して形成されたネジ部
５５があり、このネジ部５５が上記内周面の雌ネ
ジと螺合している。また、アーム５０の内壁には
ピン５７が結合され、このピン５７が第３のアー
ム５２の長手方向の溝５９に係合することによ
り、アーム５０に対する第３のアーム５２の回転
を阻止している。両モータ３２，３６は、望まし
くは各種の位置及び回転に関する駆動指令を出力
するコンピユータを含んでなる制御装置（図示せ
ず）に接続されている。これらモータ３２，３６
は、個別に付勢するのが望ましい。モータ３６は
そのフレームがモータ３２の軸に取付けられてお
り、モータ３２と共に回転する。アーム５０はモ
ータ３６に同軸に取付けられ、第３のアーム５２
とはピン５７で回転しないように取付けられてい
る。したがつて、モータ３６が回転すると、軸心
に設けられたネジ部５５が回転し、この回転によ
つて第３のアーム５２が軸方向に伸縮自在とな
る。すなわち、モータ３２が第３のアーム５２の
回転を制御し、モータ３６がその軸方向の移動を
制御することができる。なお、他のジンバルマウ
ント２２，２４、及びそれらに関連した前記第
１、第２のアーム５６，６０の直動・回転駆動装
置の構成は、前記ジンバルマウント２０とその駆
動装置と同様であり、詳細な説明は省略する。

第１から第３の各アーム５６，６０，５２は、
第２図に詳細を示すように、連結ヘツド６２を頂
点とする四面体を構成するようにフレームに取付
けられている。この連結ヘツド６２は、内側部材
６４、中間部材６６、及び外側部材６８からな
り、内側部材６４と中間部材６６とが玉軸受７０
により分離され、中間部材６６と外側部材６８と
が玉軸受７２により分離されている。内側部材６
４には、他の部材６６，６８から独立して同部材
６４と一体回転するようにコネクタ７４が固着さ
れている。

そして内側部材６４には第１のアーム５６が連
結され、中間部材には第２のアーム６０が連結さ
れ、外側部材６８には第３のアーム５２が連結さ
れているので、これら三つのアームのさまざまな
運動を連結ヘツド６２に伝達して、これに取付け
られる工具の位置と向きとを決定することがで
き、しかもアームのそれぞれの移動に対して自在
継手を構成する。

第３のアーム５２は第２の連結ブラケツト８０
により前記外側部材６８に連結されている。即
ち、第２の連結ブラケツト８０の一端が第３のア
ーム５２の先端に固定され、他端は軸受ピン８２
を中心として回転するように枢着されている。同
様に第２のアーム６０については、第１の連結ブ
ラケツト８６の一端を同アーム６０に固定し、他
端を軸受ピン８８を中心に回転するように枢着す
ることにより、中間部材６６に連結されている。
したがつて、前記コネクタ７４は、内側部材６４
の回転軸線と同心的な第１軸線ａを中心に第３の
アーム５２に対して回転し得ると同時に、軸受ピ
ン８２の軸線と同一直線上の第２軸線ｂを中心と
しても同アーム５２に対して回転し得る。これら
軸線ａ，ｂにより画定される平面は第３のアーム
５２と交差する（図面では直交している）関係に
ある。コネクタ７４は、連結ブラケツト８０が第
３のアーム５２に固定されているために、この第
３アーム５２の軸線ｃを中心として第３のアーム
５２に対して回転することはできないが、この第
３のアーム５２と一体的にであれば、上記軸線ｃ
を中心に回転可能である。同様に、コネクタ７４
は第２のアーム６０に対しては、第１軸線ａと、
軸受ピン８８の軸線と同一直線上の第２軸線ｄを
中心に回転する。これら軸線ａ−ｄは、第２アー
ム６０の軸線ｅに対して交差する平面を画定す
る。コネクタ７４は第２のアーム６０の軸線ｅを
中心とした回転を行うことはできないが、同第２
のアーム６０と一体的であれば軸線ｅを中心とし
て回転し得る。

前記内側部材６４は第１のアーム５６に対し、
一例として示す、第１のアーム５６下端の溝付き
顎部９２を横断して延びる第１ピン９０と、該ピ
ン９０と直角にコネクタ７４に固定された取付軸
９８の溝付顎部９６に取付けられた第２ピン９４
とで構成された自在継手により連結されている。
これらピン９０，９２は、それらの交差部で相互
に対して枢動可能に取付けられ、コネクタ７４が
それぞれピン９０，９２の軸線ｆ，ｇと一致する
１対の軸線を中心として第１のアーム５６に対し
て回転するようにしている。上記軸線ｆ，ｇは、
第１のアーム５６の軸線ａに対して交差する平面
を画定し、したがつてコネクタ７４は、この平面
内の軸線を中心に第１のアーム５６に対して回転
することになる。逆にコネクタ７４は、第１のア
ーム５６に対するその軸線ａを中心とした回転を
行うことはできないが、同第１のアーム５６と一
体的にであれば同軸線ａを中心に回転し得る。

コネクタ７４の位置と向きは、第１のアーム５
６、第２のアーム６０、第３のアーム５２の長手
方向の位置と角度方向の向きにより決定される。
さらに図示実施例では、第１から第３のアーム５
６，６０，５２に対するコネクタ４の回転軸線を
共通の点（第１図、第２図のＩ点）で交差するよ
うに位置させている。これにより、各第１から第
３のアーム５６，６０，５２の直動及び回転の座
標が、コネクタ７４の位置は第１から第３のアー
ム５６，６０，５２の長手方向の位置のみにより
決定され、同コネクタ７４の角度向きは主として
当初のゼロ基準点に対する第１から第３のアーム
５６，６０，５２の回転状態により決定されるよ
うに、相互から分離される。これにより、コネク
タ７４を特定の向きで所望位置に移動させるため
に、第１から第３のアーム５６，６０，５２の長
手方向の位置と角度的向きを決定する際に必要な
演算が最少限に抑えられ、その結果本発明装置の
ための制御装置が大幅に単純化される。したがつ
て、制御装置の開発が簡単になり、同装置自体の
作用も高速化される。

上述した無人操作装置の第１から第３のアーム
５６，６０，５２は、空間内で四面体の形状を形
成し、各第１から第３のアーム５６，６０，５２
が四面体の集合する３縁沿いに在り、コネクタ７
４がそれらの頂点にある。これにより、コネクタ
７４とこれに取付けられる工具の支持構造が特に
強度と剛性に富むものとなり、これを比較的急速
に加減速しても、過度の振動を生じたり、安定化
までの時間が延長されたりすることがない。

加えて、上記構造により、コネクタ７４に大き
な荷重を受けさせることが可能となる。したがつ
て、この操作装置はとくに、部品の組み立て、数
値制御による加工、部品の仕分け、部品の移送
等々への応用に適している。

以上の説明から明らかなように、本発明は改良
された無人操作装置を提供するものである。この
操作装置は非カンチレバー型であり、３点支持体
の堅牢なフレームから複数のアームを、それに装
着されて所期の工具乃至部品を支持したコネクタ
に大きな剛性を与えるべく支持してなる。これに
より、大きな荷重を比較的高速に移動させること
が可能となる。更に、位置及び向きを設定する駆
動素子は、上記コネクタの有効回転軸線から離れ
て位置しているため、コネクタ位置での上記構造
の質量、従つて慣性を低減し得る。このため、コ
ネクタ、及びそれに装着された工具を高速で動作
させることができる。駆動装置は、前記アームを
フレームに結合する取付手段の直近に配設するの
が有利であるが、使用者側の必要性に応じて、該
位置から離れた位置に配設し、コネクタに作用す
る荷重を平衡させたりしてもよい。本発明はこの
構成により、駆動素子の位置に大きな柔難性を与
える。一方、前記アームは構造が簡単にして且実
質的に同一構成であり、公差が重大となる部品を
全く使用していないから、安価に大量生産でき、
組立ても容易である。本発明の構成は、アームの
１本またはそれ以上の伸縮位置及び回転位置を規
制するだけで各種の自由度を附与するものであ
る。

最後に、図示実施例では、コネクタと各アーム
を結合する連結構造を、同アームに対するコネク
タの有効回転軸線が共通の一点で相交差するよう
にしている。従つて、各アームの位置座標と回転
座標が分離され、各アームの運動に関して、コネ
クタの運動を描く運動方程式が簡略化される。そ
の結果、コネクタの位置と向きを精確に制御し、
所望の位置と向きを与えるに必要な演算が簡単に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による無人操作装置の一実施例
を示す斜視図、第２図は、説明の都合上、一部を
破断して示す連結ヘツドの斜視図、第３図はアー
ム駆動手段の一例を示す図である。 １０……フレーム、２０，２２，２４……ジン
バルマウント、２６，２８……ヨーク、３０……
ピボット、３２，３６……モータ、３４……ピボ
ット、５２，５６，６０……アーム、５５……ネ
ジ部、５７……ピン、５９……溝、６２……連結
ヘツド、６４……内側部材、６６……中間部材、
６８……外側部材、７４……コネクタ、８０，８
６……連結ブラケツト、８２，８８……軸受ピ
ン、９０，９２……ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ フレーム１０と、 一端を該フレーム１０にジンバルマウント２
   ０，２２，２４を介して四面体の関係で取付けら
   れて、長手方向ａ，ｃ，ｅに伸縮し得るととも
   に、回転可能に枢支された第１のアーム５６、第
   ２のアーム６０および第３のアーム５２と、 同一軸の回りに互いに回転自在に配置された内
   側部材６４、中間部材６６、外側部材６８とを有
   する連結ヘツド６２と、 前記内側部材６４に固設された工具等の装着用
   のコネクタ７４と、 前記第１のアーム５６を前記内側部材６４に連
   結する自在継手と、 一端を前記第２のアーム６０の第２の端に接続
   され、他端を前記中間部材６６に連結された第１
   の連結ブラケツト８６と、 一端を前記第３のアーム５２の第２の端に接続
   され、他端を前記外側部材６８に接続された第２
   の連結ブラケツト８０と、からなることを特徴と
   する無人操作装置。 ２ 各アームの前記第１の端に、アームを伸長さ
   せる駆動手段３６と、アームを回転させる駆動手
   段３２とを設けたことを特徴とする請求項第１に
   記載の無人操作装置。