JPH11267987A

JPH11267987A - 関節機構

Info

Publication number: JPH11267987A
Application number: JP10074637A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kawauchi; 直人川内; Koji Okimura; 浩司沖村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05
Anticipated expiration: 2018-03-23
Also published as: JP3442993B2

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物をなじみ動作により安定して固定し且
つ保持することが出来る関節機構を提供する。【解決手段】本発明の関節機構は、前段の関節から伸
びる第１リンク(2,4,6,8) に固定された回転軸(26)と、
後段の関節へ伸びる第２リンク(4,6,8,10)に固定され且
つ回転軸の回りを回転可能なプーリ(16)と、このプーリ
を回転させる駆動手段(18,20) と、オン・オフ動作によ
りプーリの回転を停止・許容する電磁カップリング(36)
と、この電磁カップリングのオン・オフ動作のタイミン
グを検出する検出手段(44,50) と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、関節機構に係り、
特に、複雑な形状の対象物に対してなじみ動作を行なっ
て対象物を把持する多関節指等に適用される関節機構に
関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物の形状が複雑であってもその形状
になじんで確実に対象物を把持するために、多関節指、
産業用ロボットの多機能グリップ、産業用ロボットの腕
等が、使用されている。従来から、これらの多関節指等
に適用可能な以下のような関節機構が開発されている。
先ず、図８に示すように、特開平5-301191号公報には、
対象物に対してなじみ動作を行なう多関節ロボットハン
ドが開示されている。この多関節ロボットハンドにおい
ては、基台101 に対し、複数のリンク171,172・・・,175が
互いに関節121,122・・・,125を介して直列に連結され、各
関節には、各リンクの基端部に固定されたシャフト106
に対し、プーリ161 が回転可能に嵌合されている。ま
た、各シャフト106 とプーリ161 の間には、クラッチ機
構105 が介在し、このクラッチ機構105 はシャフト106
の回転駆動負荷が所定トルク以下のときは係合し、所定
トルクを上回るときは離脱するようになっている。さら
に、各関節のプーリ161 は互いにベルト164 によって連
結されると共に、基台101 に最も近い第１関節121 のプ
ーリ161 に駆動モータ104 がベルト164 を介して連結さ
れている。

【０００３】このように構成された多関節ロボットハン
ドにおいては、駆動モータ104 の回転トルクは、基台10
1 に最も近い第１関節121 のプーリ161 からハンドの先
端の第５関節125 のプーリ161 へ順次伝達される。ロボ
ットハンドが対象物に接触するまでの無負荷状態では、
各関節のクラッチ機構105 は係合状態にあり、基台101
に最も近い第１関節121 のプーリ161 が回転駆動される
ことによって、この第１関節121 より先端側の各リンク
が一体となって回転する。次に、例えば第１関節121 に
連結された第１リンク171 が対象物に接触すると、第１
関節121 のプーリ161 に対する駆動負荷が増大して、こ
の第１関節121 のクラッチ機構105 が離脱し、次は第２
関節122 のプーリ161 の回転によって第２リンク172 が
対象物表面へ向かって駆動される。この結果、第２リン
ク172 は対象物表面に接触し、第２関節122 のプーリ16
1 に対する駆動負荷が増大して、この第２関節122 のク
ラッチ機構105 が離脱し、次は第３関節123 のプーリ16
1 の回転によって第３リンク173 が対象物表面へ向かっ
て駆動される。以下、同様にして先端側のリンクが順次
駆動されて、最終的に全てのリンクが対象物表面に接触
することになる。

【０００４】次に、図９及び図10に示すように、特開平
7-96485 号公報には、ワイヤー駆動多関節マニピュレー
タが開示されている。この多関節マニピュレータにおい
ては、複数の関節201,202,203,204 が設けられ、これら
の各関節は、電磁クラッチ／ブレーキ206 及びこの電磁
クラッチ／ブレーキ206 の両側に取り付けられた第１プ
ーリ208 と第２プーリ210 を備えている。電磁クラッチ
／ブレーキ206 のコイルを励磁すると両側の第１プーリ
208 と第２プーリ210 は接続され、励磁を解くと両側の
プーリ208,210 は離脱するようになっている。また、リ
ンク220,221,222,223,224 が設けられ、これらのリンク
221,222,223,224 の基端部が第２プーリ210 に固定され
ている。各関節の各第１プーリ208 には、駆動ワイヤ22
6 が巻回され、この駆動ワイヤ226 の一端は駆動モータ
228 に接続されている。各第２プーリ210 には、ワイヤ
230 が巻回され、このワイヤ230 の一端はリターンスプ
リング232 を介して固定され、これにより、ワイヤ230
にはマニピュレータを常に直線に保つような引張力が作
用している。

【０００５】このように構成された多関節マニピュレー
タにおいては、全ての電磁クラッチ／ブレーキ206 を励
磁して第１プーリ208 と第２プーリ210 を接続した状態
で駆動ワイヤ226 を巻き取ると、各関節は同じ割合で曲
がっていく。一方、例えば、第２関節202 の励磁を解い
て第１プーリ208 と第２プーリ210 を離脱させると、リ
ンク221 及びリンク222 がワイヤ230 の引張力により常
に一直線状となる。このとき、他の関節は同じ割合で曲
がっていく。このようにして、この多関節マニピュレー
タにおいては、マニピュレータの先端（リンク224 の先
端）の任意の位置決めを行なうことが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平5-301191号公報
に開示された多関節ロボットハンドにおいては、各関節
に設けたクラッチ機構により、各関節の回転角度が対象
物表面の凹凸に応じて自動的に可変設定されるため、対
象物の種々な形状へのなじみ性は良いが、重量物を把持
して持ち上げようとするときには、各関節のプーリに大
きなトルクが加わり、このトルクがクラッチ機構の許容
値以上であるとクラッチ機構が自動的に離脱してしま
い、重量物が保持できなくなる。また、このようなハン
ド構造であると、関節毎にベルト・プーリ系がクラッチ
機構により分離されているため、１台の駆動モータのパ
ーワのみで重量物を保持することができない。特開平7-
96485 号公報に開示されたワイヤー駆動多関節マニピュ
レータにおいても、同様に、重量物を把持して持ち上げ
ようとすると、駆動ワイヤの強度、駆動モータのパワー
等を増大させる必要があり、重量物に応じた駆動部の大
型化及び駆動ワイヤの太線化が必要となり、好ましくな
い。さらに、電磁クラッチ／ブレーキにより両側のプー
リを接続するようにしているため、電磁クラッチ／ブレ
ーキをプーリ回転中に励磁すると、関節に巻取りのため
の多大なトルクが直接的に作用し、このため、電磁クラ
ッチ／ブレーキも大型化となり、ひいては機構的に成り
立たないことも考えられる。

【０００７】そこで、本発明は、従来技術の持つ問題点
を解決するためになされたものであり、対象物をなじみ
動作により安定して固定し且つ保持することが出来る関
節機構を提供することを目的としている。また、本発明
は、電磁クラッチをオン・オフ動作させる際に多大なト
ルクが作用することがなく確実に動作させることができ
る関節機構を提供することを目的としている。また、本
発明は、重量物を容易にハンドリンクすることができる
関節機構を提供することを目的としている。さらに、本
発明は、関節角度の制御即ち位置決め精度を向上させた
関節機構を提供することを目的としている。

【０００８】

【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、本発明の関節機構は、前段の関節から伸びる第１
リンクに固定された回転軸と、後段の関節へ伸びる第２
リンクに固定され且つ回転軸の回りを回転可能なプーリ
と、このプーリを回転させる駆動手段と、オン・オフ動
作によりプーリの回転を停止・許容する電磁カップリン
グと、この電磁カップリングのオン・オフ動作のタイミ
ングを検出する検出手段と、を有することを特徴として
いる。このように構成された本発明の関節機構において
は、電磁カップリングがオンのときは、プーリの回転軸
回りの回転が停止され、これにより、前段の関節から伸
びる第１リンク、プーリ及び後段の関節へ伸びる第２リ
ンクの動きが固定され、一方、電磁カップリングがオフ
のときは、プーリの回転軸回りの回転が許容され、これ
により、前段の関節から伸びる第１リンクに対してプー
リ及び後段の関節へ伸びる第２リンクが回転し、このよ
うにして、自在な関節の動きが実現できる。また、電磁
カップリングのオン・オフ動作は、検出手段からの信号
に基づいて行われるため、電磁クラッチをオン・オフ動
作させる際に多大なトルクが作用することがなく、確実
に動作させることができる。

【０００９】本発明において、上記検出手段は、プーリ
の回転角を検出する回転角検出手段、又はプーリの回転
状態を検出するリミットスイッチであることが好まし
い。本発明において、上記プーリは、転がり軸受を介し
て回転軸の回りを回転することが好ましい。これによ
り、関節角度の制御即ち位置決め精度が向上する。本発
明において、上記プーリは、滑り軸受を介して回転軸の
回りを回転することが好ましい。これにより、外力等の
外乱に対して強度が増大した関節機構となる。本発明の
関節機構は、対象物になじみ動作を行なう多関節指の関
節機構、産業用ロボットの多機能グリッパの関節機構、
及び、産業用ロボットの腕の関節機構等に適用可能であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。図１乃至図５により本発
明の一実施形態を説明する。図１は本発明の関節機構の
一実施形態を備えた多関節指を示す斜視図、図２は駆動
ワイヤのプーリへの巻き付け方を示す斜視図、図３は図
１に示す多関節指を示す正面断面図、図４は本発明の関
節機構の一実施形態を示す正面断面図、図５は図１に示
す多関節指の動作を示す概略平面図である。図１乃至図
３に示すように、符号１は多関節指を示し、この多関節
指１は、基端部から、平行に伸びる５組のリンク2,4,6,
8,10を備え、これらのリンク2,4,6,8,10は、多関節指１
の基端から先端に向けて設けられた第１関節11、第２関
節12、第３関節13、第４関節14によりそれぞれ回転自在
且つ固定可能なように接続されている。各関節11,12,1
3,14 には、それぞれプーリ16が設けられ、このプーリ1
6には、図２に示すように、駆動ワイヤ18が巻き付けら
れ、この駆動ワイヤ18の基端には、駆動ワイヤ18を巻き
取るための駆動モータ20が接続されている。また駆動ワ
イヤ18の先端は第４関節14のプーリ16に固定されてい
る。この駆動ワイヤ18を駆動モータ20により巻き取るこ
とにより、各関節のプーリ16が回転して各リンク2,4,6,
8,10が曲がっていく。多関節指１の外部側には、戻しワ
イヤ22が設けられ、この戻しワイヤ22の先端はリンク10
の先端に固定され、基端は戻しバネ24に接続されてい
る。駆動ワイヤ18が緩められると、戻しワイヤ22が戻し
バネ24により戻され各リンク2,4,6,8,10がまっすぐに伸
びる。

【００１１】次に、図４により本発明の実施形態に係る
関節機構を説明する。各関節11,12,13,14 の構造は同様
であるため、ここでは、図４により、第３関節13を例に
取り説明する。第２関節12から伸びるリンク６の先端に
はプーリ回転軸26が固定して接続されている。このプー
リ回転軸26の回りには、軸受28を介してプーリ16が回転
可能に取り付けられている。このプーリ１６の両側に
は、第４関節14に伸びる一組のリンク８の基端が固定さ
れている。リンク８の一方（図４において下側のリン
ク）には、カップリング入力回転軸30が固定されてい
る。このように、プーリ１６、リンク８及びカップリン
グ入力回転軸30は、プーリ回転軸26の回りを一体的に回
転可能となっている。プーリ回転軸26の一端（図４では
下端）には、滑り軸受32が設けられており、プーリ回転
軸26を支持すると共にリンク８を回転可能としている。
同様に、カップリング入力回転軸30の一端にも、滑り軸
受34が設けられており、カップリング入力回転軸30をリ
ンク６により支持すると共に回転可能としている。

【００１２】さらに、リンク６とリンク８の間の空間に
は、電磁カップリング36が取り付けられている。この電
磁カップリング36は、固定部分38と回転部分40と構成さ
れている。電磁カップリング36の固定部分38は、リンク
6 に固定されており、また、回転部分40はカップリング
入力回転軸30の外周面に固定され且つカップリング入力
回転軸30と一体的に回転可能なように軸受42により支持
されている。この電磁カップリング36は、オン・オフ動
作を行なう。即ち、電磁カップリング36がオン動作した
ときには、固定部分38と回転部分40とが電磁石の働きに
より機械的に固定され、その結果、プーリ16、リンク８
及びカップリング入力回転軸30が、電磁カップリング36
を介してリンク6 に固定され、プーリ16の回転が停止さ
れて第３関節13が固定される。オフ動作したときには、
固定部分38と回転部分40との機械的な固定が解除され、
その結果、プーリ16、リンク８及びカップリング入力回
転軸30が、リンク６に対して回転可能となり、プーリ16
の回転が許容される。

【００１３】電磁カップリング36は、固定部分38と回転
部分40とを電磁石の働きにより機械的に固定するため、
従来設けられていたブレーキ／クラッチのように平板の
摩擦を利用して制動して固定するタイプのものと比較す
ると、関節であるプーリが回転中にオン・オフ動作させ
るのは困難である。そのため、本実施形態の関節機構に
は、プーリ16が回転しているか否か及び電磁カップリン
グ36をオン・オフ動作させるのに十分な低速状態かを検
出するための回転角検出器44（ポテンショやエンコーダ
等）が設けられている。なお、プーリ16と回転角検出器
44との間には、歯車46,47,48が設けられており、プーリ
16の回転を回転角検出器44に伝えるようになっている。
次に上記実施形態の動作を説明する。先ず、駆動モータ
20が非作動で駆動ワイヤ18が緩んでいるときには、戻し
ワイヤ22が戻しバネ24により戻され各リンク2,4,6,8,10
がまっすぐに伸びる状態となっている。

【００１４】次に、各関節11,12,13,14 にそれぞれ設け
られた回転角検出器44が、各プーリ16の回転角度を常時
検出し、それにより、プーリ16が回転しているか否か及
び電磁カップリング36をオン・オフ動作させるのに十分
な低速状態かが検出される。ここで、図７に示すよう
に、自由空間において、第３関節13の電磁カップリング
36をオン動作させると、上述したように、プーリ16の回
転が停止されて第３関節13が固定される。この状態で駆
動モータ20を駆動させて駆動ワイヤ18を巻き取ると、駆
動ワイヤ18は、この第３関節13の固定されたプーリ16上
を滑り、電磁カップリング36がオフとなっている他の関
節11,12,14のプーリ16のみを回転させ続ける。このと
き、第３関節13の以外の関節11,12,14は、同じ割合（角
度）で曲がる（回転する）。このようにして、本実施形
態の関節機構を用いた多関節指１によれば、１台の駆動
モータ20により、自在な関節の動きを実現することが出
来る。

【００１５】また、電磁カップリング36のオン・オフ動
作は、検出手段である回転角検出器44にがプーリ16が十
分な低速状態または停止状態であることを検出した場合
にのみ行われるため、電磁クラッチをオン・オフ動作さ
せる際に多大なトルクが作用することがなく、確実に動
作させることができる。また、滑り軸受32,34 を用いて
いるため、その分駆動ワイヤ18に多少の余分な力が必要
となるが、外力であるスラスト力（プーリ回転軸26の軸
方向に作用する力）及びラジアル力（紙面に垂直方向に
作用する力）に対する多関節指１の強度が、滑り軸受3
2,34 に使用されている材質の耐え得る強さまで増大す
る。また、本実施形態の関節機構を産業用ロボットの多
機能グリッパに適用した場合、多関節機構が対象物の形
状になじんで動作すると共に、対象物を把持した状態で
電磁カップリング36をオン動作させることにより、対象
物の安定な固定及び保持ができる。

【００１６】本実施形態の関節機構によれば、駆動モー
タ20の動力容量や駆動ワイヤ20の強度に依存することな
く、電磁カップリング36の強度を必要な大きさに設定す
ることにより、重量物ハンドリングが可能となる。即
ち、駆動モータ20の動力容量や駆動ワイヤ20の強度は、
対象物になじむまでの無負荷の自由空間において多関節
指１を動作させるのに必要なものであり、このため、重
量物をハンドリングする場合でもこれらの駆動モータ20
の動力容量や駆動ワイヤ20の強度を大幅に低減させるこ
とができる。次に図６及び図７により、本発明の他の実
施形態を説明する。なお、図１乃至図５に示す実施形態
と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図６及び図７に示すように、この実施形態においては、
回転角検出器44の代わりに、リミットスイッチ50が設け
られている。このリミットスイッチ50も、同様に、プー
リ16が回転しているか否か及び電磁カップリング36をオ
ン・オフ動作させるのに十分な低速状態かを検出するた
めのものである。このリミットスイッチ50は、プーリ16
の外周部に取り付けられた歯車52の回転に応じて、リミ
ットスイッチ50のひげ部54がオン・オフされる機構を備
えている。所定の一定時間において、このリミットスイ
ッチ50のひげ部54からのオン・オフ信号をモニタリング
し、「オン→オフ」及び「オフ→オン」の信号変化がな
い場合には、プーリ16の回転が停止していると判断し、
一方、「オン→オフ」及び「オフ→オン」の信号変化が
ある場合には、プーリ16は動作中であると判断する。こ
のようにして、リミットスイッチ50により、プーリ16の
回転が停止している又は電磁カップリング36をオン・オ
フ動作させるのに十分な低速状態であると判断された場
合にのみ、電磁カップリング36のオン・オフ動作が行わ
れるのである。

【００１７】次に、この実施形態では、滑り軸受32,34
の代わりに、転がり軸受56,58 が設けられている。滑り
軸受32は、プーリ回転軸26の一端（図６では下端）に設
けられており、プーリ回転軸26を支持すると共にリンク
８を回転可能としている。同様に、転がり軸受58は、カ
ップリング入力回転軸30の一端に設けられており、カッ
プリング入力回転軸30をリンク６により支持すると共に
回転可能としている。このような転がり軸受56,58 を設
けたことにより、プーリ16及びリンク８の回転が連続的
且つスムーズとなり、その結果、関節角度の制御即ち位
置決め精度が向上する。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の関節機構
によれば、対象物をなじみ動作により安定して固定し且
つ保持することができ、電磁クラッチをオン・オフ動作
させる際に多大なトルクが作用することがなく確実に動
作させることができ、重量物を容易にハンドリンクする
ことができ、さらに、関節角度の制御即ち位置決め精度
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の関節機構の一実施形態を備えた多関
節指を示す斜視図

【図２】図１の駆動ワイヤのプーリへの巻き付け方を
示す斜視図

【図３】図１の多関節指を示す正面断面図

【図４】本発明の関節機構の一実施形態を示す正面断
面図

【図５】図１に示す多関節指の動作を示す概略平面図

【図６】本発明の関節機構の他の実施形態を示す正面
断面図

【図７】図６のリミットスイッチを示す平面図

【図８】従来の多関節ロボットハンドを示す正面断面
図

【図９】従来のワイヤ駆動多関節マニピュレータを示
す正面図

【図１０】図９のワイヤ駆動多関節マニピュレータを
示す正面図を示す側面図

【符号の説明】

１多関節指 2,4,6,8,10 リンク 11,12,13,14 関節 16 プーリ 18 駆動ワイヤ 20 駆動モータ 22 戻しワイヤ 24 戻しバネ 26 プーリ回転軸 28，42 軸受 30 カップリング入力回転軸 32 滑り軸受 36 電磁カップリング 38 固定部分 40 回転部分 44 回転角検出器 46，47，48，52 歯車 50 リミットスイッチ 54 ひげ部 56，58 転がり軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】前段の関節から伸びる第１リンクに固定
された回転軸と、後段の関節へ伸びる第２リンクに固定
され且つ上記回転軸の回りを回転可能なプーリと、この
プーリを回転させる駆動手段と、オン・オフ動作により
上記プーリの回転を停止・許容する電磁カップリング
と、この電磁カップリングのオン・オフ動作のタイミン
グを検出する検出手段と、を有することを特徴とする関
節機構。
【請求項２】上記検出手段は、上記プーリの回転角を
検出する回転角検出手段、又は上記プーリの回転状態を
検出するリミットスイッチであることを特徴とする請求
項１記載の関節機構。
【請求項３】上記プーリは、転がり軸受を介して上記
回転軸の回りを回転する請求項１記載の関節機構。