JPH0540955Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本考案はマスターアームに関し、作業者の複雑
な動きに追従できるようにしたものである。

Ｂ 考案の概要 本考案は、多数の関節を有機的に組み合わせる
ことにより、従来のマスターアームでは採り得な
かつた複雑な姿勢が採れる姿勢可変形マスターア
ームである。

Ｃ 従来の技術 各種環境において作業するのにマニピユレータ
が多用されている。このようなマニピユレータの
操作方式は種々あるが、その１つに作業者が操作
するマスターアームの動作によりマニピユレータ
を操作するマスタースレーブ式の操作方式があ
る。

マスタースレーブ式マニピユレータに用いられ
るマスターアーム１は、第４図ａ及び第４図ｂに
示すように、関節を介して連結された上腕２と前
腕３とを有し、前腕３の先端に設けられたグリツ
プ４を作業者Ｐが把持して操作することにより作
業者Ｐの腕の動きに応じて動作する。

Ｄ 考案が解決しようとする問題点 ところで第４図に示す従来技術では、作業者Ｐ
の採り得る姿勢が規制され、複雑な各種姿勢を容
易にとることはできなかつた。

姿勢の代表的なものとしては、エルボーダウン
やエルボーサイドやエルボーアツプというものが
あげられる。エルボーダウンとは、肩関節に対し
て肘関節が下部にあり、例えば人間の机の下に手
を入れるような作業時にとる姿勢である。また、
エルボーサイドとは、例えば机の上で右腕で字を
書くときに左腕がとるような肘を横に張つた姿勢
である。エルボーアツプとは、肩と肘とが同じ高
さで肘より真下に手先を伸ばした姿勢である。も
ちろん、実際には、上記三姿勢が組み合わさつた
姿勢もある。

一般に、マスタースレーブマニピユレータにお
いて、マスターアームの関節構成として重要なの
は第一に操作が軽く操作が楽でなければならい。
しかも器用な作業をするマニピユレータは多関節
を備えていないと多用な作業をすることができな
い。この場合、多関節の操作をマスターアームの
グリツプ部だけで意のままに操作することが望ま
しく例えば、その他の肘や肩などをマスターと連
結することは非常にきゆうくつとなり人のつかれ
も多く好ましくない。さらにマスターアーム自身
の自重が作業者の負担になつてはならないため自
重のバランスした方式がよい。この自重バランス
をモータ及び関節角から演算して電気的に制御す
ることも可能であるが、できるかぎり機械的にバ
ランスをとつてある方が、装置の小形化及び軽快
な操作をするためには望ましい。

本考案は、上記従来技術ならびに一般的な要請
に鑑み、姿勢が作業によつて変えられて、しかも
いずれの姿勢にも自重バランスのとれるマスター
アームを提供するものである。

Ｅ 問題点を解決するための手段 上記問題を解決する本考案の構成は、三自由度
を持つた肩部と、基準姿勢時において外方に張り
出す腕部と、三自由度を持つた手首部と、マスタ
ーアームを機械的にバランスさせるバランスウエ
イトとでなることを特徴とする。

Ｆ 実施例 以下本考案の実施例を図面に基づき詳細に説明
する。

第１図は本考案の実施例を示す平面図、第２図
はその正面図である。同図に示すように支柱１０
に支持されて前方に突出した第１肩関節２１は矢
印Ａのように鉛直面内で回動する。第１肩関節２
１の先には、矢印Ｂのように水平面内で回動する
第２肩関節２２が備えられており、第２肩関節２
２の先の斜め外方には、矢印Ｃのように鉛直面内
で回動する第３肩関節２３が備えられている。こ
れら３つの肩関節２１，２２，２３により肩部２
０が形成されている。そして肩関節２１，２３は
同時に回動することなく、必要に応じてどちらか
一方にブレーキを掛けられるようにしている。詳
細は後述するように、これにより、グリツプ操作
だけで安定して肩部２０を操作することができ
る。

上腕３１はその基端が第３肩関節２３で支持さ
れており、上腕３１と第３肩関節２３の回転軸と
でなす角αは鋭角となつている。角αは約45°と
しており、用途により±50％の範囲で最適値を選
ぶ。このように角αをとつているため、上腕３１
は、作業者Ｐから見て外方に張り出していること
となる。これが本案の大きな特徴である。上腕３
１の先端には、矢印Ｄのように水平面内で回動す
る肘関節３２が備えられている。また、前腕３３
の基端は肘関節３２で支持されている。そして、
上腕３１と肘関節３２と前腕３３により、腕部３
０が形成されている。

前腕３３の先端には、矢印Ｅのように鉛直面内
で回動する第１手首関節４１が備えられている。
第１手首関節４１の先には、矢印Ｆのような水平
面内で回動する第２手首関節４２が備えられてお
り、第２手首関節４２の先には、矢印Ｇのように
鉛直面内で回動する第３手首関節４３が備えられ
ている。３つの手首関節４１，４２，４３は、第
３図に示すように、各関節の回転軸心の延長線が
空間の一点Ｈで交差するよう配置されている。グ
リツプ４４は第３手首関節４３により回動自在に
支持されており、グリツプ４４にはスイツチ４
５，４６がつけられている。実際の操作時には、
作業者Ｐの指でグリツプ４４を握ると作業者Ｐの
手首のくるぶしが点Ｈ付近に位置する。このため
グリツプ４４を、上下・左右・斜め等、人間の手
先で張り回すことのできるすべての方向に向ける
ことができる。

本実施例のマスターアームでは、基準姿勢（第
１図、第２図に示す姿勢）にしたとき、関節３
２，４２を結ぶラインと上腕３１とでなる角γが
80°〜120°となるようにしている。このため、肩
部２０の関節と肘関節３２との作動により、グリ
ツプ４４を前方へも肩に近づく方向へも容易に移
動させることができる。また基準姿勢にしたと
き、点Ｈと肘関節３２とを結ぶラインと第１手首
関節４１の軸心とでなる角θが、約45°としてお
り、用途により±50％の範囲で選ぶことができ
る。また角γを基準角度としたとき、第３肩関節
２３と第１手首関節４１との軸心がほぼ平行とな
る。なお、α＋β＋γ≒180°ときをこのマスター
アームの基準姿勢として設定する。

更に本実施例には３つのバランスウエイト５
１，５２，５３を備えている。第１バランスウエ
イト５１は、肘関節３２に備えられており、前腕
３３や手首部４０など肘関節３２よりも先の部分
の重量（その重心はＷ）とバランスするものであ
り、重心Ｗに対する位置にある。この第１バラン
スウエイト５１は、第２図でわかるように、上腕
３１との干渉を避けるため、二分割した上下二枚
の板部材５１ａ，５１ｂで形成している。第２バ
ランスウイエト５２は、第３肩関節２３に備えら
れており、腕部３０、手首部４０及び第１バラン
スウエイト５１など第３肩関節２３よりも先にあ
る部分の重量とバランスする。この場合、第３肩
関節２３が第２肩関節２２に対し斜め前方に位置
し、しかも角αをとつているため、第２バランス
ウエイト５２は、上腕３１や肩関節２１，２２と
干渉することはない。第３バランスウエイト５３
は、第２肩関節２２に備えられており、第２肩関
節２２よりも先の部分の重量とバランスする。こ
の第３バランスウエイト５３は、第２図でわかる
ように、第１肩関節２１との干渉を避けるため、
二分割した上下二枚の板部材５３ａ，５３ｂで形
成している。

上記構成のマスターアームにおいて、各関節に
は、少なくとも作動角センサ（ポテンシヨメータ
又はエンコーダ等）を備え、必要に応じて反力や
自重バランスの補助用のモータ及び減速機等の駆
動機構を付設する。これらは公知の技術をそのま
ま用いればよい。さらに、必要によりトルク検出
器をつけ、操作力軽減の制御や、過負荷保護等も
適宜選択し採用できる。

次に本実施例の動作を説明する。作業者Ｐがグ
リツプ４４を握りグリツプ４４を前に押し出した
り手前に引くときには、腕部３０が肘を横に張り
出した形となつているため、容易に操作できる。
作業者Ｐがグリツプ４４を握り手首を上下に振つ
たときは、第１手首関節４１のみが回動し、ふら
つきなく安定して手首の上下振りができる。作業
者Ｐの腕全体を上下に振るときには、第３肩関節
２３のみが回動し、第１、第２の肩関節２１，２
２にはグリツプ４４からの操作モーメントが作用
しないので横ぶれなく安定して作動することがで
きる。作業者Ｐの腕全体を左右に振るときには、
第２肩関節２２のみが回動し、第１、第３の肩関
節２１，２３が作動しないので安定したり横振り
ができる。このように、本マスターアームによれ
ば、多くの姿勢を容易にとることができる。

なお腕を斜め方向に振るときには肩部に付設し
た駆動機構を利用して、肩部２０の各関節がスム
ーズな共調作業ができるよう補助をする。もちろ
ん上述した作業においては、バランスウエイト５
１，５２，５３により自重バランスがとれている
ため、スムーズな操作ができる。

これまでは肘関節３２を横に張つたマスターア
ームの動作であつたが、第１肩関節２１に対して
自重バランスがとれているため、第１肩関節２１
を中心として±90°回動し、肘関節３２が作業者
Ｐの腕の下方にきたときも、逆に肘関節３２が作
業者Ｐの腕の上方にきたときも、バランスをとつ
て極めて容易に操作をすることができる。

なお、上記実施例では片腕形について説明した
が、左腕分を対称形に付加し、両腕形として適用
することもできる。

Ｇ 考案の効果 以上実施例とともに具体的に説明したように本
考案によれば次のような効果を得る。

(イ) 第１肩関節に対して、上腕・前腕がいかに作
動しても自重バランスがとれ、操作が軽くでき
る。

(ロ) 第１肩関節をいかに回動しても自重バランス
がくずれず、したがつて肘を横に張つた代表的
な作業姿勢を中心に、肘を上にしたり下にした
りして、人間のとる多様な腕姿勢に対応でき
る。つまり、人間のいかなる腕動作にも追従で
きる器用なマスターアームとなる。

(ハ) 腕のたて振りや腕の横張りという重要な動作
は、一つの関節の回動のみで安定して行なえ、
作業が円滑になる。

(ニ) 作業者の手首のたて、よこ、斜め振りととい
う器用な作業にも対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す平面図、第２図
は実施例を示す正面図、第３図は実施例の手首部
を示す斜視図、第４図は従来技術を示す説明図で
ある。 図面中、１０は支柱、２０は肩部、２１，２
２，２３は肩関節、３０は腕部、３１は上腕、３
２は肘関節、３３は前腕、４０は手首部、４１，
４２，４３は手首関節、４４はグリツプ、Ｐは作
業者である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 支持部材に支持されて鉛直面内で回動する第１
   肩関節と、第１肩関節の先に備えられて水平面内
   で回動する第２肩関節と、第２肩関節の先の斜め
   外方に備えられて鉛直面内で回動する第３肩関節
   とを有する肩部と、 基端が第３肩関節に支持されており第３肩関節
   の回転軸に対して鋭角をなす上腕と、上腕の先端
   に備えられて水平面内で回動する肘関節と、基端
   が肘関節に支持された前腕とを有する腕部と、 前腕の先端に備えられて鉛直面内で回動する第
   １手首関節と、第１手首関節の先に備えられて水
   平面内で回動する第２手首関節と、第２手首関節
   の先に備えられており鉛直面内で回動する第３手
   首関節とを有し、第１、第２、第３の各手首関節
   の回転軸心の延長線が一点で交差するよう配置し
   た手首部と、 肘関節に備えられており肘関節よりも先の部分
   の重量とバランスする第１のバランスウエイト
   と、第３肩関節に備えられて第３肩関節よりも先
   の部分の重量とバランスする第２のバランスウエ
   イトと、第２肩関節に備えられており第２肩関節
   よりも先の部分の重量とバランスする第３のバラ
   ンスウエイトと、で構成したことを特徴とするマ
   スターアーム。