JPH0657394B2 - ア−ム装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、１つの基部に対し、自由な位置決めができる
他の基部を有するアーム装置に関する。

〔従来の技術〕

すなわち、このアーム装置は、伸縮自在に制御される少
なくとも３本のアームを有し、各アームは、第２基部と
回動自在な継手で結合し、１つのアームは、第１基部と
は固定されている。また、１つのアームは、ほぼ、ねじ
りに対し剛性になっている。

このような構成のアーム装置は、ノルウェーの公告公報
第１４８２１６号に開示されている。そして、装置の利
用例としては、工業ロボット、トンネルや鉱山における
穿孔リグ、空中線の位置調整用装置等が記載されてい
る。

別の公知例としては、米国特許第３２１５３９１号があ
る。該公報には、空中線の位置調節用等に使用可能なア
ーム装置が記載されている。この例においては、空中線
が基部の１つを構成し、アームの他端は、たとえば、自
動車等に取付けられる板ないし同様のものに固定され
る。アームは、中央部に自在継手を設けた伸縮自在アー
ムで、各基部にしっかりと固定される。これにより、基
部の１つは、第２基部に対して自在継手の内の２個の中
心に枢軸可能であり、その枢軸運動は、自在継手が枢動
軸線に沿って配置されないアームの伸縮によって制御さ
れる。さらに、アームの伸縮によって、二つの基部を平
行状態に保ったままで、その間隔を変更することができ
るが、基部を相互に移動できる範囲は、非常に制限を受
ける。

米国特許第３３７４９７７号は、空中線の位置調整に利
用される同様の装置を開示している。この装置は、二つ
の基部に各端部を結合される四個のアームを有する。こ
れら四個のアームは伸縮自在で、各端部に自在継手を有
し、同じ大きさの方形の隅に取付け部を有する。そし
て、長さを一定に固定され、両端に自在継手を有する第
５のアームが、前記各方形の中心に固定される。

両基部は、相互の角度は自由に調節できるが、第５のア
ームが基部の中央部にあって、基部相互間の距離を一定
に保っているから、基部間の距離の調節は制限される。
少なくとも、長さ可変の二本のアームが協調してその長
さを変化させなければならない。さらに加えて、このア
ーム装置は、静止状態では不安定で、各アームの長さが
等しい状態では、ねじりに対する抵抗が低い。

米国特許第３２８８４２１号も、また、一つの基部が他
方に対して移動するようにされたアーム装置を開示し、
両者は相互に角度調整と平行移動が可能である。該装置
は、６本のアームを有し、２本づつのアームの末端部
が、同一点で枢動自在に軸支され、これによって、アー
ムは基部相互間にてジグザグ型に配置される。該装置
は、両方の基部が比較的広い面積を有し、アームの数が
かなり多くなるということを前提としている。

前記ノルウェー公告公報１４８２１６号には、アーム装
置の自由端に工具を設ける例が記載されている。この工
具は、当然ながら、公報に記載されたものと相違しても
よいのであるが、第１基部にしっかりと固定されるの
で、この第１基部の運動によって決定される動きしかで
きない。使用の態様によっては、この工具の動きはさら
に限定される。工具を固定した第１基部は、一本のアー
ムの端末にしっかりと連結されるので、該アームがその
基部に枢動結合された範囲での枢動しかできない。すな
わち、前記他の基部の方向への、又は、前記他の基部か
らの運動と組み合わせることのできる運動のみが可能で
ある。言い換えれば、工具は第１基部の全ての運動に常
時追従していなければならない。

他の公知例として、特開昭５５−４８５９６号公報に記
載のロボットの腕機構が知られている。これは、平板状
のベースに対しスプライン軸とまわり対偶とを介して腕
を連結し、該スプライン軸を中心としたベース上の同一
円周上に等間隔に３本のシリンダを配置し、各シリンダ
と腕とを各２個の球対偶とリンクを介して連結し、これ
らシリンダを作動することにより腕をベースに対して位
置決めさせるようにしたものである。この構成によれ
ば、腕はシリンダロッドの進退によってベースに対して
の間隔及び角度を変化させることができる。

しかし、このロボットの腕機構に工具を取り付けて、ワ
ークに対して加工作業をしようとすると、シリンダがベ
ースに固定されているので、加工の際に工具に加わる力
がシリンダのロッドに曲げモーメントとして加わり、そ
の結果、ロッドが曲がって工具の位置ずれが、精度のよ
い加工ができなくなってしまう。

さらに別の公知例として、特開昭５９−２０５２９２号
公報記載のアーム装置がある。これは、相対的に動く二
つの基部を、複数の対を成すシャフトで結合した構成を
採用している。各対を成すシャフトは、その一方が延び
れば、他方が同量だけ縮むようになっており、その結
果、二つの基部は、自在継手で接続されたような動き方
をするが、二つの基部間の間隔を変化させることはでき
ない。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の事実に鑑み、本発明は、４ないし５自由度、でき
れば６自由度の運動ができるアーム装置であって、工具
を有し、支持アームが加工時の力で曲ることがなく、高
精度の加工ができるアーム装置を提供することを目的と
している。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明は、第１基部を第２
基部に対し相対的に移動し、位置決めをするアーム装置
において、 伸縮自在に制御される少なくとも３本のアームを設け、
そのうち一のアームをねじりに対しほぼ剛性に形成して
その一端を前記第１基部に固定すると共にその他端と前
記第２基部とを回動自在な継手で結合し、その他のアー
ムを該ねじりに対しほぼ剛性なアームの周りに離間した
状態で配置して各端部を前記第１基部と第２基部とに回
動自在な継手で接続し、 前記第１基部に継手で接続され、工具を保持する第３基
部を設け、伸縮自在に制御される１以上の補助アームを
第１基部と第３基部とに回動自在な継手で接続した構成
を特徴としている。

そして、上記三本のアームが別々に伸縮することによ
り、第１基部が第２基部に対して任意の角度に傾斜して
第１，第２の自由度が得られる。上記三本のアームが一
斉に伸縮すれば、第１基部と第２基部とが接近または離
反するので、第３の自由度が得られる。また、補助アー
ムが伸縮することにより、第３基部が第１基部に対して
傾斜し、補助アームが一本であれば第４の自由度が、二
本であれば第５の自由度が得られる。さらに、第３基部
に取り付けられた工具が回転すれば、第６の自由度を得
ることができる。従って、アーム装置の寸法によって決
定される限界内で、アームおよび補助アームの運動可能
な範囲内であれば、工具はいかなる位置や方向をもとる
ことができる。こうして、理論的には、無制限に工具の
位置決めが可能なアーム装置が得られることになる。

このアーム装置が使用される場合であって、各基部相互
の位置をできるだけ正確に決める必要がある場合には、
このアーム装置に、各アームの実際の長さを測定する手
段、すなわち、各アームが相互に及ぼす力によって伸縮
する分を含む長さを測定する手段を設けることができ
る。こうすることによって、測定した長さと所望の長さ
とを比較して、修正することが可能になる。

これらのアームは、たとえば、液圧シリンダからなり、
公知のロボットのように、プログラム化した制御をする
ことも可能である。

また、アーム装置を３本の主アームのみで構成してもよ
いが、その場合、その内の一本は曲げモーメントを伝達
可能で、かつ、同一のアーム乃至他の一本のアームは、
トルクを伝達可能でなければならない。

すなわち、１本のアームは第１基部としっかり連結さ
せ、アームの長さを変えるために、相互に変位可能なア
ームの２つの部分を相互回転しないようにすることもで
きる。アームが第２基部に対して回転することなく、あ
らゆる平面において、枢動可能なようにアームは第２基
部に固着される。別の構成として、トルクを別のアーム
を介して伝達するようにして、該アームは曲げモーメン
トのみを伝達するようにしてもよい。

アームは、シリンダとピストンロッドの組み合わせ以外
の他の構成としてもよい。たとえば、ソレノイドの原理
を利用したものや、ねじを利用した電動アームを利用す
ることもできる。

アームの伸縮が一定の限度内で制御されるべき必要はな
い。また、本発明によるアーム装置では、１本以上のア
ームが、延びた状態と縮んだ状態の何れか一方しか取れ
ないような構成、すなわち、それらのアームを、中間位
置では停止できない構成とすることもできる。こうする
ことにより、本発明のアーム装置を、固定相互間に品物
を移動させるために使用でき、その場合、アームの最長
位置と最短位置により上記固定点が決定されることにな
る。

〔実施例〕

以下に、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳述す
る。この実施例においては、伸縮可能なアームを、ピス
トン棒を備えるシリンダとして図示しているが、前述の
ようにこれらのアームを全く別の構成で伸縮させること
もできる。

図は、２つの基部相互間に、４本のアーム１，２，３及
び７を有する実施例を示す。これらのアームの内の３本
１，２及び３は、伸縮可能であるが、基部の１つとしっ
かり連結する第４のアーム７の長さは、他の３本のアー
ムの長さによって決定され、強制的に変化させる装置を
有していない。さらにこの第４のアーム７は、ねじりに
対しほぼ剛性である。

図示のアーム装置は、主としてピラミッドの隅縁に３本
のアーム１，２，３を備えている。これら３本のアーム
は、玉継手又は自在継手５等の回動自在な継手５によっ
て、第１の基部６と第２の基部４とに、各端部が固定さ
れ、各アームは伸縮可能である。このアーム装置には、
さらに、第４のアーム７がある。アーム７は、自在継手
を介して基部４に固着され、アーム７の他端は、基部６
に固着される。さらに、このアーム７は、ねじりに対し
て剛性であり、トルクを伝達できる。そのため、たとえ
ば、アーム７のロッドにはスプラインが形成され、シリ
ンダに対応して形成された溝に嵌合してガイドされるよ
うになっている。アーム７は長さを強制的に変化させる
ためのいかなるシステムとも連結しておらず、その長さ
は、他のアーム１，２，３の長さの変化に追従する。

図示は省略するが、このアーム装置には、アーム１，
２，３の実際の長さを示す装置を設けることもできる。

アーム７は、曲げモーメントとトルクの双方を伝達でき
る。アーム１，２及び３は、引張力と圧縮力のみを受け
ること可能であるから、実際のアームの長さの測定また
は表示は、第２の基部４に対する工具の位置または第
１、第２の基部４，６の相対位置を明確に表すことにな
る。

アーム１，２，３を伸縮させても、それだけでは基部４
と６との間には相対的な回転運動は起こらない。しか
し、アーム１，２，３の両端が基部４と６とにそれぞれ
玉継手５で接続されているので、アーム７がモータ等で
回転されるとすれば、基部４と６との間に、相対的な回
転をさせることが可能となる。基部４と基部６とが相対
回転すると、アーム１，２，３は斜めになって全体がね
じれたようになり、アーム１，２，３同志、或いは、こ
れらのアームとアーム７とがぶつかり合う位置で回転が
阻止される。逆方向の回転は、上記と同様にアーム１，
２，３が逆向きにねじれてぶつかり合うまで可能にな
る。そして、これらの間の回転角は非常に大きい。ま
た、この回転中におけるアーム１，２，３の長さが一定
であれば、基部４，６間の距離は変化する。一方、アー
ム１，２，３はこの回転中でも伸縮自在なので、アーム
１，２，３の長さを適宜伸長、収縮させることにより、
回転中の基部４，６間の距離を一定に保つことも可能で
ある。

このような回転に必要なトルクを伝達するには、数種類
の方法がある。たとえば、アーム７の厚肉部にサーボモ
ータを設け、このサーボモータにアーム７の薄肉部を回
転させることによって、第１基部６を第２基部４に対し
て回転することができる。

図示の実施例の場合、前述のような回転は、たとえば、
アーム７の肉厚部にサーボモータを設け、このサーボモ
ータにアーム７の薄肉部を回転させることにより与えら
れ、第１の基部６が第２の基部４に対して回転すること
ができる。

上記アーム装置は、ノルウェー公告公報１４８２１６号
に記載されたアーム装置に適している。

図示の実施例では、第１の基部６の上方に継手１６で接
続された第３の基部１５が設けられ、アーム７と第３の
基部１５との間には、支持体８，９および１０，１１を
介して補助アーム１２，１３が設けられている。

第３の基部１５は、シリンダの形式でのみ図示してあ
り、継手１６には、ヒンジ、玉継手または自在継手が使
用される。アーム７と第１の基部６とは固定されている
ので、上記補助アーム１２，１３は、第１の基部６と第
３の基部１５との間に取付けられていると考えることも
できる。

補助アーム１２，１３は伸縮自在であり、両端の継手
は、継手５と同様に玉継手または自在継手が使用され
る。全ての支持体８，９，１０及び１１は、補助アーム
１２，１３が一定の長さを有する限り、アーム７の運動
に追従する。したがって、第３の基部１５の運動は、ア
ーム１，２，３及び７によってのみ決定されることにな
る。さらに、補助アーム１２，１３の伸縮によって、第
３の基部が継手１６を中心に傾斜運動できる。

補助アームが２つあれば、第３の基部と工具とは、５自
由度の運動が可能である。又、第３の基部１５は、短い
シリンダとして図示し、工具１４は、細長いシリンダと
して図示しているが、工具１４が、第３の基部１５に対
して回転可能になることで、第６番目の自由度が得られ
る。

図示の実施例の場合、アーム７は、アーム１，２，３に
対して逆の構成になっている。これは、単に、アームが
ピストンとロッドを有するシリンダによって構成されて
いるためである。アーム１，２及び３のシリンダを、第
２の基部４の近くに設けるのは、移動部分の質量を小さ
くするためであり、シリンダが大きな部分を占めること
を示唆している。アーム７のシリンダは、第３の基部１
５の近い方に設けられるが、これは、支持体８，９を細
いロッドに設けるよりも、シリンダに設ける方がよいた
めである。

アーム７は、第１の基部６との間には曲げモーメントが
生じるが、第１の基部６の他端が、第３の基部１５との
間に自在継手１６を有しているので、結局、第１の基部
と第３の基部との間に、アームの軸と交叉する方向に力
が作用しても、アーム７には曲げモーメントが発生しな
いことになる。

第３の基部１５は、第１の基部６に対して相対的に自由
に枢動可能であってはならないことから、継手１６はト
ルクを伝達可能でなければならない。

また、本発明のアーム装置を３本の主アームのみで構成
する場合、図のアーム７と、アーム１，２，３のいずれ
か２本を使用した構成とすればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、第３基部を設け工
具に加わる力は、各アームに対して、長手方向の引張応
力又は圧縮応力として伝達され、補助アームを含む各ア
ームには曲げモーメントが加わらなくなる。また、引張
／圧縮応力による変位量は曲げモーメントによる変位量
よりはるかに小さいので、本願発明のアーム装置は、各
アームの長さで正確に位置決めがされると、その位置を
高精度に保持して加工作業ができる。さらに、加工作業
によって工具に大きな力が加わった状態でも、工具を高
精度に移動することができる。

〔図面の簡単な説明〕

図は、本発明のアーム装置の構成を示す斜視図である。

１，２，３，７……アーム、４……第２の基部、５……
回動自在な軸受、６……第１の基部、８，９，１０，１
１……支持体、１２，１３……補助アーム、１４……工
具、１５……第３の基部、１６……回動自在な軸受。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−48596（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−205292（ＪＰ，Ａ) 米国特許3374977（ＵＳ，Ａ) 米国特許3215391（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１基部（６）を第２基部（４）に対し相
   対的に移動し、位置決めをするアーム装置において、 伸縮自在に制御される少なくとも３本のアーム（１，
   ２，３，７）を設け、そのうちの一のアーム（７）をね
   じりに対しほぼ剛性に形成してその一端を前記第１基部
   （６）に固定すると共にその他端と前記第２基部（４）
   とを回動自在な継手（５）で結合し、その他のアーム
   （１，２，３）を該ねじりに対しほぼ剛性なアーム
   （７）の周りに離間した状態で配置して各端部を前記第
   １基部と第２基部とに回動自在な継手（５）で接続し、 前記第１基部（６）に回動自在な継手（１６）で接続さ
   れ、工具（１４）を保持する第３基部（１５）を設け、 伸縮自在に制御される１以上の補助アーム（１２，１
   ３）を第１基部（６）と第３基部（１５）とに回動自在
   な継手で接続したことを特徴とするアーム装置。
2. 【請求項２】前記補助アーム（１２，１３）を二本有
   し、前記回動自在な継手（５）が、玉継手又は自在継手
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のア
   ーム装置。
3. 【請求項３】前記第３基部（１５）に工具（１４）を回
   動自在に軸支したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載のアーム装置。