JPH09364U - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンピュータ制御プログラムが適用できて、
端作動具が機構全体を動かす必要なしに主軸線の方向に
動くことができる型式のマニピュレータを提供する。 【解決手段】 マニピュレータが端作動具２７と４つの
アーム１１，１３，１５，１７をもつロッド機構とを含
み、４つのアームのうちの第１と第２のアーム１１，１
５は同じ長さで、第３と第４のアーム１３，１７）が同
じ長さであり、第３と第４のアームは第１と第２のアー
ム１１，１５に夫々一端で連結されかつ端作動具２７を
支持する他端で互いに回動可能に連結されており、端作
動具は、前記４つのアームの任意のものの任意の運動と
は独立して第３と第４のアームの共通の回動軸線２３の
方向と同じ方向に４つのアーム１１，１３，１５，１７
に対して相対的に可動である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、端作動具と４つのアームをもつロッド機構とを含み、前記アームは 複数の軸線の回りで互いに可動可能であり、前記４つのアームのうちの第１と第 ２のアームは同じ長さであり、個別の駆動手段がその関連するアームを主軸線の 回りに回転させるために前記第１と第２アームの各々に備えられ、前記主軸線は 前記アームが回動可能である軸線と平行にかつ前記アームの各々が回動する平面 に対して直角に延在し、更に、前記４つのアームのうちの第３と第４のアームが 同じ長さであり、前記第３と第４のアームは前記第１と第２のアームに夫々一端 で連結されかつ前記端作動具（２７）を支持する他端で互いに回動可能に連結さ れてなるマニピュレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

上記の如き型式のマニピュレータは特開昭５９−９７８６１号から既知である 。この既知の端作動具は、機械的クランピングハンドであり、前記ハンドは特開 昭５９−９７８６１号の図には詳細に示されておらず、またそのハンドは特開昭 ５９−９７８６１号の説明中には詳細に説明されていない。特に、特開昭５９− ９７８６１号はアーム５と７の継手９の共通の回動軸線に対するクランピングハ ンドの正確な位置を説明もまた図示もしていない。それ故、継手２と４の主軸線 に対するクランピングハンドの位置がロッド１と３の夫々の角度θ₁ とθ₂ の関 数としてどのように変化するかその方法が不明である。更に、特開昭５９−９７ ８６１号はクランピングハンドがアーム５と７に対してどのようにして移動する かその方法が記載されておらず、また図示されてもいない。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の目的は、コンピュータ制御プログラムが適用でき、このプログラムは ４つのアームをもつロッド機構の円筒座標に基づくものであり、前記プログラム では、端作動具は、機構全体を動かす必要なしに、主軸線の方向に動くことがで きる如きマニピュレータを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

前記目的を達成するため、本考案のマニピュレータは、前記端作動具が、前記 ４つのアームの任意のものの任意の運動とは独立して第３と第４のアームの共通 の回動軸線の方向と同じ方向に４つのアームに対して相対的に可動であることを 特徴とする。

【０００５】 本考案のマニピュレータは、主軸線に対する端作動具の位置を計算するために 円筒座標ｒ，θ，ｚを有効に使用でき、かくして高い機械的安定性と精度をもつ と同時に計算能力を節約することができる。

【０００６】 最適質量分布と比較的低いモータ動力をもつマニピュレータの特別の実施例は 、第１と第２のアームの駆動手段が二重駆動機構の一部であることを特徴とする 。

【０００７】 比較的単純な手法で制御でき、かつ妨害に鈍感な駆動装置をもつマニピュレー タの他の実施例は、二重駆動機構は同じ電気的及び機械的動力をもつ２つの同時 に制御可能の電気モータを含み、一方のモータはロッド機構の第１アームに機械 的に連結されると共に、ロッド機構の第２アームは他方のモータに機械的に連結 されることを特徴とする。

【０００８】 比較的単純なかつ安価な二重駆動装置をもつマニピュレータの他の実施例は、 モータは同じ直流モータであり、前記モータは同じ電源から個別の切替えスイッ チを経て給電され、それによって、端作動具の角度変位のために、前記切替えス イッチは前記モータが直流の異なった極性で付勢される位置にあり、その結果モ ータが反対向きに作動されると共に、端作動具の径方向変位のために、前記切替 えスイッチはモータが直流の等しい極性で付勢される位置にあり、その結果前記 モータが同じ向きに作動されることを特徴とする。

【０００９】 ロッド機構に対して端作動具の回転又は並進が、オペレータを危険に曝す駆動 機構を用いずに、簡単な手法で得られる如きマニピュレータの他の実施例は、第 １と第２のアームのうちの一方は電気モータを固着され、前記モータの出力シャ フトは、第１管状アーム内に配置した第１歯付きベルトと第２管状アーム内に配 置した第２歯付きベルトとを経て端作動具に連結され、第１アームは回動シャフ トによって第２アームに対して回転可能であり、前記回動シャフトの軸線は主軸 線に対して平行でありかつ前記シャフト上に第１と第２のプーリが第１と第２の 歯付きベルトの運動を連結するために固着されることを特徴とする。

【００１０】 全体で２πラジアン（時計回り方向のπラジアンと反時計回り方向のπラジア ンの合計）の主軸線の回りのロッド機構の回転を許し、従って駆動装置用に必要 な接続によって妨害されることなしに、管状の動作スペースの使用を許すマニピ ュレータの特別の実施例は、第１と第２のアームの駆動手段の各々は、電気モー タを含み、前記モータは主軸線の回りに回転可能でありかつピニオンを経て固定 配置された歯付きリングに連結され、前記リングの軸線は主軸線と一致すること を特徴とする。 以下、本考案を図について説明する。

【００１１】

【考案の実施の形態】

図１に示すマニピュレータは垂直支持コラム１をもち、このコラムの中心線は 垂直主軸線３を成す。コラム１のもつ台５によってマニピュレータは図１に示し ていない普通の支持材に固定される。コラム１に主軸線３に対して直角を成す水 平面内に固定配置した第一の歯付リング７を固着している。第一の歯付リング７ の下に或る一定距離をおいて第二の固定した歯付リング９をコラム１に固定する 。歯付リング９は歯付リング７と同形とし、主軸線３に対して直角を成した水平 面内に位置する。マニピュレータはロッド機構をもち、この機構は管状アーム11 ，13，15，17の形状の４個の回動自在のロッドから構成する（図２も参照）。ア ーム13は垂直の回動軸線19の回りにアーム11に対して回動し、アーム11は後述す る方法で主軸線３の回りに回動する。またアーム17は垂直回動軸線21の回りにア ーム15に対して回動し、アーム15は後述する方法で主軸線３の回りに回動する。 アーム13は垂直回動軸線23の回りにアーム17に対して回動する。４個のアーム11 ，13，15，17から成るロード機構のうちアーム11と15（後アーム）は同じ長さを もち、比較的長いアーム13と17（前アーム）より短い。これらの長い方のアーム もまた同じ長さをもつ。水平面内にあると共に主軸線３に対して径方向にあるロ ッド機構の対角線25は点Ｐにおいて主軸線３と交差する。すべてのアーム11，13 ，15，17は主軸線３と直角を成す水平面内にあって、移動できる。図１に示す端 作動具27（例えばグリップ）はアーム13，17から下がる。端作動具27は回動軸線 23の回りに回動（φ）し、後述する方法で主軸線３に対して平行なアーム13，17 に対して垂直（Ｚ）に変位する。

【００１２】 アーム11は機械的電動装置31をもつ直流モータ29を固着されており、この電動 装置のピニオン33は固定した歯付リング７と噛合う。アーム15には機械的電動装 置37をもつ直流モータ35を固着しており、この電動装置37のピニオン39は固定し た歯付リング９と噛合う。モータ29と35は同形であり、機械的伝動装置31と37、 ピニオン33と39も同形である。アーム11はこれに固定した管形のプラットフォー ム44によって回転し、コラム１と主軸線３の回りに玉軸受40，42によって支持さ れる（図３参照）。モータ29はプラットフォーム44上に設ける。モータ35は主軸 線３の回りにモータ29と同様に回動する。図３に示すように、機械的電動装置43 をもつ電気モータ41がアーム11に固定される。モータ41は、質量慣性とコラム１ に加わる曲げモーメントを減らすためにできるだけ主軸線３に接近させて配置す る。ロッド機構は図２の位置に対して角度αだけ円形経路に沿って図３において 回動する（図２参照）。伝動装置43は駆動シャフト47をもち、このシャフトは玉 軸受45によってアーム11に軸支され、このシャフトに歯付プーリ49を固定する。 第一歯付ベルト51はプーリ49を歯付プーリ53に連結し、このプーリ53は中空の旋 回シャフト55上に固着し、このシャフト55は夫々玉軸受57，59と玉軸受61，63に よってアーム11と13に回動自在に軸支する。旋回シャフト55に固定した他の歯付 プーリ65は第二の歯付ベルト67によって歯付プーリ69に連結する（図４参照）。 従って旋回シャフト55は一方ではアーム11と13間の回動自在の連結部として、他 方では第一歯付ベルト51と第二歯付ベルト67間の連結部として作用する。第二歯 付ベルト67は歯付プーリ69と噛合い、このプーリ69は玉軸受71と73によって支持 され、ナット75と一緒にプーリ69は軸線23の回りにアーム13に対して回転する（ 第４図参照）。玉軸受71と73はアーム13に支持される。内ねじ山77によってナッ ト75は外ねじ山付の中空ロッド79と噛合い、このロッド79は回動軸線23に沿って 軸線方向に直線移動する。ロッド79の直線移動中ナット75は垂直方向に動かない 。このためモータ41は端作動具27を回動軸線23に沿って直線移動させる。前記端 作動具はロッド79に固定している。

【００１３】 図２に示すように、アーム15上に固定した電気モータ81（図１参照）は、電気 モータ41を歯付プーリ69に連結した方法と同じ方法で２個の歯付ベルトによって 歯付プーリ83に連結する。このために用いる２個の歯付ベルトのうちの１個即ち 歯付ベルト82を図４に示す。軸線23の回りでアーム17に対して回転するようスリ ーブ91は玉軸受85と87によってプーリ83と共に支持される。スリーブ91は３個の ローラを内部に備えるが、第４図にはそのうちの１個のローラ93のみを示す。ロ ーラ93は中空ロッド79の壁の長手方向のみぞ95に掛合する。回動軸線23と直角を なす横断面97で示すように、ロッド79の壁は２個の他の長手方向のみぞ99と101 をもち、これらのみぞにはスリーブ91上の他の２個のローラ（図示せず）が掛合 する。回動軸線23の回りにプーリ83が回転すると、回転運動がローラ93と図示し ていない２個のローラを介してスリーブ91によってロッド79とこれに固定した端 作動具27に伝えられる。ロッド79の回転によってナット75が軸線方向に動くのを 防止するために、モータ81を付勢したときモータ41も付勢されて、ナット75に固 定したプーリ69が歯付ベルト51と67によって回転せしめられる。端作動具27の直 線移動はこの端作動具の回転運動とは無関係である。アーム13は玉軸受89，90に よってアーム17に対して回転する。

【００１４】 図２に矢印で示す端作動具27のいわゆるＲ （径方向）変位とθ（角度）変化 は差動駆動装置によって起こされる。この駆動装置は特にモータ29，35と共に前 述した（電気）機械的部品のほかに、図５に示す制御回路の形をなす電気部品を 含む。モータ29，35，41，81へ電力供給する配線は主としてコラム１内に置くが 、簡単化のためこれは第１〜３図には図示していない。配線はモータ29，41用の ケーブルハーネス103 と、モータ35，81用のケーブルハーネス105 をもつ。ケー ブルハーネス103 と105 はカバー111 の開口107 を通ってコラム１から出てくる 。このカバーは玉軸受109 （図１〜３参照）によってコラム１に対して回転する 。ケーブルハーネス103 はモータ29用の結線113 とモータ41用の結線115 をもつ 。モータ35と81用の結線は同じ構成とする。モータ結線を上記のように配置する ことによって、ロッド機構は電気結線によって妨害されずに時計方向と反時計方 向にπラジアンの角度にわたり変位することができる。これらの結線は更にコラ ム１中の大部分と管状アーム11，15のために配置されている。モータ29，35はア ーム11，15上に設けられていて、ピニオン33，39が互いに向合い、モータの同じ 極性を付勢するとこれらのアームが端作動具27を径方向に変位させるためお互い に近づいたり離れたりする。端作動具27の円形変位はモータ29，35の異なった極 性を付勢することにより得られる。

【００１５】 モータ29，35用の図５に示す制御回路は直流電源117 をもち、この電源は主ス イッチ119 と２個の二極切換スイッチ121 と123 を経てモータ29と35へ接続でき る。モータ29は角度センサー125 を介して比較器127 に接続し、モータ35は角度 センサー129 を介して比較器131 に接続する。プロセス制御器133 を介して比較 器127 は前記切換スイッチ121 に連結する。同様にして比較器131 はプロセス制 御器137 を介して二極切換スイッチ123 に接続する。モータ29用の基準値REF29 を比較器127 に供給し、モータ35用の基準値REF35 を比較器131 に供給する。基 準値REF29 とREF35 は径方向（Ｒ）と円方向（θ）の端作動具27の所望位置を決 める。モータ41（Ｚ方向）と81（φ方向）用の同様の制御回路は簡略化のため説 明を省く。

【００１６】 比較器127 と131 に供給される基準値REF29 とREF35 の記号（正又は負）はス イッチ121 と123 の位置を、従ってモータ29と35の回転方向を決める。基準値RE F29 とREF35 の絶対値はあらゆる状況下において等しい。簡略化のため角度セン サー125 と129 の信号を変換する普通のデータプロセスは図５には示さない。

【００１７】 電気モータ29，35，41，81の代わりに、空気式又は液圧式モータを使ってもよ い。モータ41，81は、もし簡単な使用のために端作動具のＺ及び／又はφ移動を 必要としなければ、省略してもよい。ロッド機構は平行四辺形リンク機構として 構成し、そのすべてのアーム11，13，15，17は同じ長さをもつ。Ｚ軸方向の追加 の変位は便利な手段によって例えば他のコラムによって垂直方向に変位するよう コラム１を配置することによって可能となる。コラム１は前記他のコラムに沿っ て入れ子式に変位自在とする。上記マニピュレータは頭上の支持材から下げられ る。上記説明では作業スペースは常に環状（横断面において）又は管状と仮定し たが、これはリング又は管の一区分から成るものとしてもよい。従って“環状” 又は“管状”という言葉は本文中においては広い意味に解釈するものとする。作 業スペースの形状に因り、マニピュレータの向きはもはやその周囲状況には無関 係となり、マニピュレータの据付けの自由度は大きい。マニピュレータはモータ 41，81をアーム11，15上にコラム１の近くで固着することによってコラム１に対 する質量分布を最適となした特定の実施例につき説明したが、モータ41，81は端 作動具27の上方でアーム13，15の端に配置してもよい。しかしその場合には重量 分布はあまり有利にならない。前記モータ配置はマニピュレータの質量慣性モー メントを比較的小さくする。ロッド機構は二重構造を成すため剛性が比較的高い 。特にこの二重ロッド機構をもつため捩じり剛性が比較的高い。このマニピュレ ータは、アームの回転角度が比較的大きいにも拘らず、配線は大部分が内部に配 置されるため比較的安全である。この実施例の場合、θ（円形）運動のためのア ーム11と15の回転角度は時計方向と反時計方向においてπラジアンに等しく、Ｒ −（径方向）運動のための前記角度は±（π／４）ラジアンに等しい。θ−運動 においてはコラム１中の配線は±πラジアンにわたり回転し、カバー111 を一緒 に連れて行く（第３図参照）。そのとき配線はコラム１内で捩じられる。歯付リ ング７と９はコラム１に対して回転するよう配置する。この場合、アーム11，15 は歯付リング７，９に固定し、モータ29と35はコラム１に固着して、固定状に配 置する。しかしアーム11，15の回転角度は配線のためにそれ程大きくすることは できない。

【００１８】 両モータ29，35でＲ−運動とθ−運動が得られるという事実に因り、要求され る電力は半分になる。それ故モータは軽い構造のものでもよい。モータ29，35は 同形であるから、丈夫なモジュール構造に構成することができる。マニピュレー タは全体として比較的多数の同じ部品を使用するため、高度にモジュール化され る。更にその構造は対称形であるため極めて簡単である。それ故マニピュレータ の製造、据付け、保守はかなり簡単になる。特に組立用の比較的安価なマニピュ レータを量産することができる。最適条件に合う剛性構造に因り、端作動具を位 置決めするための絶対精度と繰り返し精度は比較的高い。最後に、マニピュレー タの制御プロセッサをプログラミングするのに要する円柱座標との座標変換によ って比較的急速で、安価な制御が可能となることは注目すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】マニピュレータの一実施例の側面図である。

【図２】図１のマニピュレータの平面図である。

【図３】図１，２に示すマニピュレータの一部を拡大し
て示す部分断面立面図である。

【図４】図１のマニピュレータの端作動具の駆動装置の
断面図である。

【図５】図１のマニピュレータの差動駆動装置の一部の
ブロック回路図である。

【符号の説明】

１ 垂直支持コラム ３ 主軸線 ５ 台 ７ 第一歯付リング ９ 第二歯付リング １０、１３、１５、１７ 管状アーム １９ 回動軸線 ２１、２３ 垂直回動軸線 ２７ 端作動具 ２９、３５ 直流モータ ３１、３７、４３ 伝動装置 ３３、３９ ピニオン ４０、４２、４５ 玉軸受 ４４ プラットフォーム ４９ 歯付プーリ ５１ 第一歯付ベルト ５３、６５、６９ 歯付プーリ ５５ 旋回シャフト ６７ 第二歯付ベルト ７５ ナット ７９ 中空ロッド ８１ 電気モータ ８２ 歯付ベルト ９１ スリーブ ９３ ローラ ９９、１０１ みぞ １０３、１０５ ケーブルハーネス １１１ カバー １１３、１１５ 結線 １１９ 主スイッチ １２１、１２３ 二極切換スイッチ １２５ 角度センサー １２７、１３１ 比較器 １３３ プロセス制御器

フロントページの続き (72)考案者 ヘンリクス ヨハネス ヨセフ ボウエン ス オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)考案者 アントン アドリアン ヨハン ファン タルトウィエク オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)考案者 ウィレム ロウイス ヘルマイン デ ペ ウテル オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １

Claims (6)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 端作動具（２７）と４つのアーム（１
   １，１３，１５，１７）をもつロッド機構とを含み、前
   記アームは複数の軸線（３，１９，２１，２３）の回り
   で互いに回動可能であり、前記４つのアームのうちの第
   １と第２のアーム（１１，１５）は同じ長さであり、個
   別の駆動手段がその関連するアームを主軸線（３）の回
   りに回転させるために前記第１と第２アームの各々に備
   えられ、前記主軸線は前記アームが回動可能である軸線
   と平行にかつ前記アームの各々が回動する平面に対して
   直角に延在し、更に、前記４つのアームのうちの第３と
   第４のアーム（１３，１７）が同じ長さであり、前記第
   ３と第４のアームは前記第１と第２のアーム（１１，１
   ５）に夫々一端で連結されかつ前記端作動具（２７）を
   支持する他端で互いに回動可能に連結されてなるマニピ
   ュレータにおいて、前記端作動具（２７）が、前記４つ
   のアームの任意のものの任意の運動とは独立して第３と
   第４のアームの共通の回動軸線（２３）の方向と同じ方
   向に４つのアーム（１１，１３，１５，１７）に対して
   相対的に可動であることを特徴とするマニピュレータ。
2. 【請求項２】 第１と第２のアームの駆動手段は二重駆
   動機構の一部であることを特徴とする請求項１に記載の
   マニピュレータ。
3. 【請求項３】 前記二重駆動機構は同じ電気的及び機械
   的動力をもつ２つの同時に制御可能の電気モータ（２
   ９，３５）を含み、一方のモータはロッド機構の第１ア
   ーム（１１，１５）に機械的に連結されると共に、ロッ
   ド機構の第２アーム（１１，１５）は他方のモータに機
   械的に連結されることを特徴とする請求項２に記載のマ
   ニピュレータ。
4. 【請求項４】 モータ（２９，３５）は同じ直流モータ
   であり、前記モータは同じ電源から個別の切替えスイッ
   チ（１２１，１２３）を経て給電され、それによって、
   端作動具（２７）の角度変位のために、前記切替えスイ
   ッチは前記モータが直流の異なった極性で付勢される位
   置にあり、その結果モータ（２９，３５）が反対向きに
   作動されると共に、端作動具（２７）の径方向変位のた
   めに、前記切替えスイッチはモータが直流の等しい極性
   で付勢される位置にあり、その結果前記モータ（２９，
   ３５）が同じ向きに作動されることを特徴とする請求項
   ２に記載のマニピュレータ。
5. 【請求項５】 第１と第２のアームのうちの一方は電気
   モータ（４１，８１）を固着され、そのモータの出力シ
   ャフト（４７）は、第１管状アーム（１１）内に配置し
   た第１歯付きベルト（５１）と第２管状アーム（１３）
   内に配置した第２歯付きベルト（６２，８２）とを経て
   端作動具（２７）に連結され、第１アームは回動シャフ
   ト（５５）によって第２アームに対して回転可能であ
   り、前記回動シャフトの軸線は主軸線（３）に対して平
   行でありかつ前記シャフト上に第１と第２のプーリ（５
   ３，６３）が第１と第２の歯付きベルト（５１，６７）
   の運動を連結するために固着されることを特徴とする請
   求項４又は５に記載のマニピュレータ。
6. 【請求項６】 第１と第２のアーム（１１，１５）の駆
   動手段の各々は、電気モータ（２９，３５）を含み、前
   記モータは主軸線（３）の回りに回転可能でありかつピ
   ニオン（３３、３９）を経て固定配置された歯付きリン
   グ（７，９）に連結され、前記リングの軸線は主軸線
   （３）と一致することを特徴とする請求項１に記載のマ
   ニピュレータ。