JPH035438Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本考案はロボツト，マニピユレータ等の関節構
造に係り、特に肩部と肘部を駆動する関節構造に
関する。

Ｂ 考案の概要 ロボツト，マニピユレータ等において、上腕の
前後振りとねじり及び肘の折曲げの３自由度を駆
動する駆動モータ部を肩より上部に集中配置する
とともに、前記各３自由度の動きの中心となる軸
心を交差させかつ各駆動系は相互に干渉がない構
造とすることにより、 上腕部に関するバランスウエイトを必要としな
いとともに、人間の腕に近い作動形態とし、さら
に構造が簡潔でスムーズな動きを行なわせること
ができるものである。

Ｃ 従来の技術と問題点 ロボツト，マニピユレータ等において、肩部自
身の関節を駆動する機構及び肩部からの動力伝達
を受けて駆動する肘部関節の駆動機構は大きく分
けてアクチユエータの集中配置方式とアクチユエ
ータの分散方式とがあるが、いずれにもそれぞれ
問題があつた。

すなわち、アクチユエータ集中配置方式のマニ
ピユレータは肘部や肩部を動かす駆動部を一個所
に配置して、そこから各関節を経由して先端側の
関節を駆動するのであるが、前記肘部と肩部の動
きに３自由度程度の動きを与える場合は駆動系の
干渉を起していた。すなわち、一つの関節軸を駆
動すると機構上他の関節軸も動いてしまうか、又
は一つの関節軸を駆動するには他の関節軸も共調
して動かさなければならず、任意の一関節のみを
他と関係なく駆動することができなかつた。

これに対し、アクチユエータ分散方式は、関節
駆動モータなどを各関節毎にそれぞれ配置する方
式であるが、腕の自重バランスに対してモータ重
量が負荷となるという欠点があり、さらに、機械
的バランスウエイトも大きくなるなど全体の寸
法，自重が大となるという欠点があつた。

その他、肩関節に単に自由度のみを与えるよる
に機械的に作動軸を偏心させて構成することもあ
るが、特に遠隔操縦形のマニピユレータにおいて
は、肩関節における上腕部の軸線に沿つた回動と
前後方向の振りのときにおける支点が別の位置に
あり、力帰環制御など操縦桿の場合には人間が扱
いにくい。つまり、関節の構成は極力人間と同じ
ように作動することが望まれるが、これを肩関節
についてみれば、肘（つまり、腕）の旋回軸と肘
を伸したときの手先の位置が一直線上にあつて、
その軸と直交するような水平軸で肘部を前後に振
るような肩の関節が理想的であり、このような構
成がマニピユレータを扱う人間にとつても操作し
易いのであるが、従来の関節はそのような構造と
なつていなかつた。

本考案はマニピユレータの肩部に駆動部を配設
し、各関節部の動きは他の駆動系と独立していて
干渉せず、また人間の肩部関節に近した構成とす
ることによつて従来の欠点を解決したものであ
る。

Ｄ 問題点を解決するための手段 すなわち、本考案に係るマニピユレータ等の関
節構造は基台に固定してあり、上腕の横振り運動
の中心となる固定軸に、肩部枠を揺動自在に支持
するとともに、歯車機構を介して横振り駆動用モ
ータ部により前記中心軸を支点とする横振り運動
を与えられる中心軸を直角に固定し、肩部枠に上
腕をねじり回転自在に支持し、かつ該肩部枠の前
記中心軸を支点とする回転中心より上部に、上腕
の前後振り、上腕のねじり回転モータ部を設け前
腕の折り曲げ駆動用モータ部は上腕の上端に取付
け、その出力軸は上腕内を挿通して肘関節部まで
導き、前記出力軸に設けた傘歯車を介して前腕に
連動させてあり、バランスウエイトは、その回転
中心軸が肩部に設けた歯車と、該上腕ねじり駆動
用のモータ部の出力歯車とを噛合せたことを特徴
とする。

Ｅ 作用 上記構成において、前後方向に向けて水平に配
設した固定軸を支軸として上腕は肩部枠と一体に
揺動して左右に振られ、また固定軸と直角に設け
られ中心軸を支軸として上腕は肩部枠と一体に揺
動して前後に振られ、そして、上腕の左右，前後
振りの時、該腕部は肩部枠に設けたモータ部の自
重及びバランスウエイトとの関係で平衡を保つて
振られ、また上腕の左右の振りと、前後の振り
と、腕部の旋回の中心軸が直交していて共通の回
動中心を持つており、さらに肘関節を中心に前腕
を折曲げるときもバランスウエイトが連動して動
き、前腕はバランスされて動作する。

Ｆ 実施例 本考案を第１図〜第３図に示す実施例にもとづ
いて説明する。

第１図に示すマニピユレータにおいて、６は上
腕、７は前腕である。これら各腕とその関節の駆
動機構は基台１を中心としてその左右側に対称的
に、あたかも人間の両腕の配置と相似の関係に設
けられている。図ではその片側を切断してその機
構を示すので、以下ではこの切断された部分につ
いて説明する。

本実施例に係るマニピユレータの腕は４つの自
由度を有する。すなわち、第１図に示す固定軸２
２を中心とする上腕６の左右Ａ−A′方向の横振
りと、中心軸２４を中心とする上腕６の前後方向
Ｂ−B′の振りと、肘部回動軸７２を中心とする
前腕７のＣ−C′方向の動きと、上腕６と前腕７の
それぞれの軸線を中心とするＤ−D′方向の旋回
である。前記Ａ−A′方向と、Ｂ−B′方向と、Ｃ
−C′方向の４つの動きを行なわせる手段としてそ
れぞれモータ及び減速機などから構成される駆動
部２，３，４，５が基台１と肩部枠９にそれぞれ
配置され、さらにバランスウエイト８が肩部枠９
の側方に配設される。

以下順に各部の構造と動きを説明する。駆動部
２は上腕６にＡ−A′方向の動きを行なわせるた
めのものであり、基台１上に取付けてある。駆動
部２の出力軸に固着した傘歯車２１が、前後方向
に水平に設けた固定軸２２に取付けた傘歯車２３
と噛合している。前記固定軸２２には水平横方向
に設けた中心軸２４の先端が固着してある。中心
軸２４は、軸受２６，２６を介して肩部枠９に取
付けられる。したがつて、駆動部２の出力は、傘
歯車２１を駆動し、第１図では紙面と垂直に立つ
ている固定軸２２に設けられた傘歯車２３を駆動
することによつて、固定軸２２に固定した中心軸
２４，この中心軸２４に支持する肩部枠９と、こ
の肩部枠９に支持される駆動部３，４，５と、上
腕６、前腕７とを、前記固定軸２２を中心に回動
し、腕部をＡ−A′方向に横振り動作させること
ができる。

つぎに、駆動部３は上腕５にＢ−B′方向の動
き、つまり前後方向の振り動作を行なわせるため
のものであり、肩部枠９上に取付けてある。駆動
部３の出力軸に固着した傘歯車３１は前記中心軸
２４に取付けた傘歯車２５と噛合している。した
がつて、駆動部３の出力は、傘車３１を駆動し、
傘歯車３１は傘歯車２５の周囲を周回し、肩部枠
９も中心軸２４を中心に回動する。この結果、上
腕６は前後方向（第２図Ｂ−B′方向）に振れる。

駆動部４も肩部枠９上部に固定されていて、そ
の出力歯車４１は、上腕６の腕枠に取付けた歯車
５１と噛合している。したがつて、駆動部４の出
力は、歯車４１を介して上腕６をその軸線に沿つ
てＤ−D′方向に回動させる。これによつて、前
腕７が真直ぐな状態で、または上腕６に対し所定
の角度曲つた状態で肘を旋回することができる。
なお、この上腕６の回動は上部軸受５２，５３に
より受けられている。つまり、この軸受５２，５
３は、歯車５１と駆動部５とを肩部枠９に対して
一体に設けているものである。

駆動部５は歯車５１の上側において上腕６の腕
枠と一体に設けられているが、その出力軸５４は
歯車５１の中央穴を貫通しているだけで、該歯車
５１と上腕６に対してはフリーである。この出力
軸５４は、上腕６の中空部を貫通し、先端に設け
た傘歯車５５が、肘部回動軸７２に設けた傘歯車
７１と噛合つている。したがつて、駆動部５の出
力は、出力軸５４、傘歯車５５，７１を介して肘
部回動軸７２を中心に前腕７を第２図Ｃ−C′方向
に振り動かす。

つぎに、前腕７を第２図のように振り上げると、
腕の自重によつてC′方向に下げるモーメントが発
生するが、力制御されたマニピユレータでは、自
重力はバランスさせておくことが望ましい。その
ために、駆動部５の出力軸５４に傘歯車５６が固
定されており、この傘歯車５６には肘部回動軸７
２と平行に設けた軸８２に固定してある傘歯車８
１が噛合している。軸８２は上腕６から側方に突
出した軸受枠８４に軸受６１を介して支持されて
おり、かつ軸８２の端部にはウエイト棒８３が設
けてあつて、このウエイト棒８３が取付けられて
いる。

これによつてバランスウエイト８のウエイト棒
８３の作動角は常に前腕７と第２図に示すように
平行状態を保つて動くため、前腕７の姿勢如何に
かかわらず、前腕の自重分については、常にバラ
ンスウエイト８で平衡される。第３図は上腕６は
垂直なままで約45゜E方向にねじつた場合を示す
が、当然ながらこのような作動を組合せて前腕７
を作動させてもバランスウエイト８の効果は適切
な状態に保たれる。

また、上腕６に関する自重分の平衡は、中心軸
２４の回りについての平衡をとることであり、駆
動部３，４，５及び肩部枠９の重量によつてほと
んどが平衡するように計画，配置することができ
る。

さらに、腕を１図Ａ−A′方向に振る場合の平
衡についても、その回動中心となる固定軸２２が
腕の前後振りの中心軸２４の中心線上にあつて、
上腕６と前腕７の自重分と、反対側にある駆動部
３やその他、肩部枠９、歯車３１，２５などが衡
り合う位置にあり、他にわずかの調整を肩部枠の
一端部９１に追加することで平衡しやすい配置構
造となつていることは第１図に示すとおりであ
る。さらに、前述のように腕部のＡ−A′方向の
振りの中心となる固定軸２２を中心軸２４の中心
線上に置いてあるだけでなく、その延長上にバラ
ンスウエイトの支軸８２と肘関節駆動用の出力軸
５４の中心線の交点もある。

上記の構成によつて、肩と肘関節は全く人間と
同等の作動自由度を構成し、かつ各作動形態も人
間の腕の振りと極力似たものとすることができ
る。すなわち、 腕の横振り 図中Ａ−A′方向 腕の前後振り 図中Ｂ−B′方向 肘の旋回（上腕のねじり） 図中Ｄ−D′方向 肘の曲げ 図中Ｃ−C′方向 の４自由度である。なお、厳密には固定軸２２の
中心が出力軸５４の中心線と交差していないが、
そのずれは極めて僅かであつて、したがつて指先
のそのためのずれもわずかである。したがつて、
本実施例において、４自由度にあつて、いずれの
動きもその中心線が交差し、これは人間の肩部に
おける動きと非常に近い配置である。すなわち、
人間の腕は、肩部を中心に前後に動かし、または
腕を回わすときのいずれにあつても、その可動支
点が１個所であり、これが理想的なであるが、ロ
ボツト，マニピユレータにおいては、このような
複数の動きの支点を１個所にするのはむずかしか
つたのであるが、本実施例では最大限その条件に
近づけている。

Ｇ 考案の効果 本考案に係るマニピユレータの肩及び肘の関節
構造によるとその駆動部を、作業に支障がなく特
に操縦形マニピユレータに最適の肩部に集中した
方式にできるとともに、両腕部を対称的に配設す
るときは、人間と近い作動形態が可能となる。

また、上腕の左右，前後振りと，肘部の旋回と
曲げの合計４自由度が人の作動形態と同じため、
マニピユレータの操縦が直感的に、自然に、特に
制約のない作動が自由にでき、作業性が極めて良
いマニピユレータである。駆動部の重量を腕自身
のバランスウエイトと兼用できるので軽量化が可
能となる。さらに前腕用のバランスウエイトは、
上腕をねじり操作しても影響を受けず（平衡がく
るわない）、しかも作業に支障の少ない肩部に設
けられている。

さらに、腕部の４自由度の駆動には全く干渉が
なく、それぞれの駆動制御が容易であるため、円
滑な作動を各自由度共独立した簡潔な制御で容易
にしかも低いコストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るマニピユレータの一部切
断して示す正面図、第２図は第１図右側面図、第
３図は第１図イ矢視図である。 １…基台、２，３，４，５…モータ駆動部、６
…上腕、７…前腕、８…バランスウエイト、２２
…固定軸、２４…中心軸。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 基台に固定してあり上腕の横振り運動の中心と
   なる固定軸に、肩部枠を揺動自在に支持するとと
   もに、歯車機構を介して横振り駆動用モータ部に
   より前記固定軸を支点とする横振り運動を与えら
   れる中心軸を直角に固定し、肩部枠に上腕をねじ
   り回転自在に支持し、かつ該肩部枠の前記中心軸
   を支点とする回転中心より上部に上腕の前後振
   り、上腕のねじり回転用モータ部を設け前腕の折
   曲げ駆動用モータ部は上腕の上端に取り付け、そ
   の出力軸は上腕内を挿通して肘関節部まで導き、
   前記出力軸に設けた傘歯車を介して前腕に連動さ
   せてあり、バランスウエイトは、その回転中心軸
   が、肩部枠の中心軸と同一線上にあるとともに、
   前腕折曲げ駆動用出力軸と連動させて設け、かつ
   配置位置は、肩部枠の中心軸より上部とし、上腕
   の外周に設けた歯車と、該上腕ねじり駆動用のモ
   ータ部の出力歯車とを噛合せたことを特徴とする
   マニピユレータ等の関節構造。