JPS58137594A - 彎曲変形を行なう構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、連結された複数の部材のうちｌ＠を固定し、
他の１個を固定部材に対して変位させることにより、全
体をある軌跡に従って自在に彎−変形駆動しうる構造体
に関するものである。

従来から、一般産業機械、産業用口ｌットなどの分野に
おいて、先端に加工具等を備えた「アーム」と称する構
成部品が用いられている。しかし、このアーム自体は一
般的にそれ自体−がることができず固定的に用いられ、
各種の駆動機構により軸方向への移動や回転動作が与え
られて使用されている しかし、被加工物の形状によっては加工個所にアーム先
端が届かず加工できないことがある。例えば第１図に示
すように、先端に加工具（１０１）を取付けたアーム（
１０２）を回転駆動機構（１０３）を介して主軸（１０
４）　Ｋ連結し、この主軸（１０４）を駆動機構（１０
５）で１転や軸方向への移動をさせるものにあっては、
障害物（Ｏｂ）（加工様や被加工物の一部分）のために
０）の位置での加工はできない。そこで、アームを分割
して１転駆動機構を増やすとか、アームや加工具を二系
列設けるとか、被加工物を変位させることが行なわれる
が、いずれも装置を複雑化し、場合によってはどうして
も加工できないこともある。

この問題は、アーム自体が自在に曲がるようにすれば解
消するが、ただ単に曲がるだけでなく、加工具を取付け
た先端部の動きが任意に規制でき、しかも先端部には加
工の丸めかなりの押圧力や引張力が加わるので全体が剛
的な変形をする必要がある。従って、スプリングとかゴ
ムのようなものは勿論、操り人形のように単に部材を変
形自在に連結したものは役に立たない。一方、この操り
人形的な発想で筋肉の役割を果す多数の糸をコンピュー
タで操作し、人間の指や手足の動きを再現すル精功なロ
ボットも開発されているが、ハード。

ソフト共に複雑で上述の目的には用い拳いものである。

そこで本発明者は、種々試作研究した結果、構造及び操
作とも極めて簡単で、且つ全体が、構成部材の寸法や形
状、部材の連結の仕方によって定まる成る様々な彎曲度
合いの変形を確実自在に行なえ、上記アームとしては勿
論のこと、玩具など多くの分野で利用できる構造体を開
発した。。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第２図および第３図は本発明の１例を示すもので、この
構造体Ｔｌ＋は、６個の板状の主部材（２ム）・（２Ｂ
）・・・（２Ｆ）と４個の板状の第二の部材（４ム）・
（４Ｂ）・・・（４Ｄ）とを１３個のピン（３ム）・・
・（３Ｅ）Ｉ（５ム）・・・（ｓＤＬ（６ム）・・・（
６Ｄ）で以下の如く連結したものである。

まず主部材は、両端のもの（２ムＬ（２Ｆ）が一方の突
出部を欠くのみで他は全て同一形状（左前端と右後端が
突出した矩形）をしておシ、夫々端部を一部ずつ重ね、
重なった部分の中央部をピン（３ム）・・・（３名）で
結合して、隣り合う各主部材同志が互いに回動可能な状
態で一連に連結されている。そして、各主部材のうち隣
り合う奇数番目同志（例えば（２ム）と（２Ｃ）および
偶数番目同志（例えば（２Ｂ）と（２Ｄ））を、その突
出部において第二の部材（４ム）・・・（４Ｄ）で連結
する。冑、各主部材と各第二の部材もピン（５ム）・・
・（５１））、（６ム）・・・（６Ｄ）によって互いに
回動可能な状態で連結されている。また、本例のものは
、主部材同志の連結点（これを主連結点とする）を結ぶ
線（仁れを主軸とする）と各第二の部材（４ム）・・・
とが交差している。即ちピン（５ム）と（６ム）。

（５Ｂ）と（６Ｂ）・・・の位置（これを第二連結点と
する）はこの主軸に対して夫々反対側にある。また、上
記各部材の回動中心はあくまでもこれら各連結点（ピン
の中心点）であるが、以下においては便宜上ピンを回動
中心として説明することもある。

しかして、主部材（２ム）を固定し、主部材（２Ｂ）を
ピン（３ム）を回動中心として左右に回動させると、全
体は、紙面を回動平面として第４図および第５図のよう
に彎曲変形する。冑、回転の方向は便宜上紙面の上方向
への回転を左回り、下方への回転を左回りとし、紙面右
方を前方とする。この変形の程度は、各部分の寸法（特
に各連結点の位置関係）が定められていれば、主部材（
２Ｂ）の回転角−（ピン（３Ａ）と（３Ｂ）を結ぶ線分
の回転角）によって決定され、Ｏが大きくなると第４図
、第５図に鎖線で示すように変形の度合いも大きくなる
。

次に、かかる変形が生じる理由（作動原理）を第６図に
おいて説明する。第６図はこの構造体［１１の位置固定
された主部材（２ム）と、第２の中間主部材（２Ｃ）の
位置関係を示す説明図で、両生部材（２ム）・（２Ｃ）
は前端部および後端部においてピン（３ム）・（３Ｂ）
で夫々第１の中間主部材（２Ｂ）（図示略）に連結され
るとともに、ピン（５ム）・（６ム）によって第二の主
部材（４ム）（図丈略）で連結されている。

そして、今第１の中間主部材（２Ｂ）を０だけ右方へ回
転させる（第１図の状態から第５図実線の状態に変位さ
せる）と、ピン（３Ｂ）の中心はＰからＰ′の位置に移
動する。その結果、主部材（２Ｂ）と（２Ｃ）が一体に
なって回転すれば、主部材（２Ｃ）は第６図の実線で示
す状態から鎖線で示す状態に変位し、ピン（６ム）の中
心は凰からｌの位置に移動するはずである。ところが、
ピン（５ム）の中心Ｑは固定点で、しかも点Ｑと８の間
隔は第二の部材（４ム）で規制されていて一定、である
ため、点８は点Ｑを中心とする半１ｔＱｉＬの円弧上の
みしか移動できず、結局ビン（６ム）の中心は、この円
と、点Ｐ′を中心とし半径ＰＲとの交点の１つである８
′の位置に移動する。

その結果主部材（２Ｃ）のみが０１＝乙Ｒ’Ｐ’ｌＬ’
だけ更に右に同転し、破線で示す状態となり、固定され
た主部材（２ム）Ｋ対して−＋−１だけ回転変位する。

このθ１は、当初の各ピン（３ム）・（３Ｂ）・（５ム
）・（６ム）の位置関係と０から求められる。例えばピ
ン（３ム）の中心を原点とし、ピン（３Ｂ）の中心Ｐを
正のＸ軸とにとったＸＹ座標を考え、夫々の点の座標を
Ｑ　（ａ、ｂ）、Ｐ（免、０）、Ｒ（ｅ　、ｄ　）とす
ると、θ宜はａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｉ及び０の関数となる。

もつとも、一旦組み立てられた構造体（１）においては
０以外は定数になるので、この場合０１はＯのみの関数
となる。

ただ、上記８′の座標は前述した如く２つの円の交点の
１つとして求められるので、ａ、ｂ、・・・患の値によ
ってはθのとりうる値が零乃至零に近くて構造物が彎曲
変形しないとか、θのとりうる値の範囲が限定される場
合本ある。また、第６図において点８が点Ｑと点Ｐを結
ぶ線上ないしそれに近い位置にあると、モーメントが小
さくて第二の部材（４ム）による主部材（２Ｃ）の押動
かしくぐいとか、主部材（２Ｃ）への荷１″のががり具
合によっては８′が上記２つの円の交点のうちいずれに
変位するかわからず不安定な動きをすることもある。

更に、点８が主軸に対して点Ｑと同じ側にある場合、即
ちピン（５ム）と（６ム）を止める第二連結点がピン（
３ム）と（３Ｂ）を結ぶ線分に対し同じ側にある場合に
は、−と０１が異符号になり、主部材（２Ｃ）は主部材
（２Ｂ）の回転方向と逆向きに回転する（後述）。

次に、第３中間主部材（２Ｄ）は、前記同様にして第１
中間主部材（２Ｂ）に対して＃ｌ　十＃ｔ　　だけ回転
変位する（第５図）。陶、０！は前記関数において（畠
ｔｂｓ・・・蕗に該当する数値も考慮して）０を０１、
ａｔを＃！と置いて求められ、結局第３中間主部材（２
Ｄ）は固定主部材（２ム）に対してθ十０１＋θ！　だ
け回転変位したことになる。同様に第４中間主部材（２
Ｅ）は＃１、先端主部材（２Ｆ）は０番だけ夫々前のも
のよ抄も大きく回転し、先端主部材（２Ｆ）は第１中間
主部材（２Ｂ）のθなる回転変位に対し、０＋＃１＋θ
！＋＃３十θ番という大きな同転変位を行なう。

しかも、固定主部材（２人）と駆動主部材（２Ｂ）以外
の各主部材（２Ｃ）・・・（２Ｆ）は、手前側２個の主
部材によって二点（主連結点と第二連結点）の位置が決
められるため、上記回転変位は一義的強制的であり、荷
重等によりその変形状態が影響を受けることはない。ま
た、各主部材の変位量も、これらの角度および各部の寸
法から容易に求められ、彎曲変形状態は容易に把握され
る。

このように、固定主部材（２ム）に対する第２の中間主
部材（２Ｃ）の変位の状態や変位のしやすさは（他の主
部材間でも同じであるが）％’ｔｂｌ・・・息の値即ち
各連結点の位置関係によって様々に変化するので、構造
体ｎ＋の用途、要求される先端主部材や全体の動きによ
り各部を決定する必要がある。

そして、図示のものは、駆動が容易確実に行なえ、第１
中間主部材（２Ｂ）のわずかだ変位で全体が大きく彎曲
変形する例の１つである。もつとも、上記ａ、ｂ、・・
・鼠の値を可変に構成し、１つの構造体を様々に変形さ
せるとか、第二の部材として引張力のみに耐える紐状の
ものを用い一方向のみへの彎曲変形をなさしめること４
、用途によっては考えられる。

一方、第１中間主部材（２Ｂ）を左方にθ′だけ回転さ
せると、第２中間主部材（２Ｃ）は第二の部材（４ム）
の押動作用でａ＋だけ余分に回転し、他の主部材（２Ｄ
）・（２Ｅ）・（２Ｆ）も同様にθｉ　、　θ嶋０１　
　ずつ余分に回転し、全体として第４図の如く彎曲変形
する。冑、本例の場合第二の部材は右回転（第５図）の
場合引張作用、左回転（第４図）の場合は押動作用を行
なっており、そのためかθＬ、θｔ、・・・は順次減少
しθζ、θ≦・・・は順次増大する。そこでθ二θ′で
も両者のカーブは異なるが、連結点を工夫するとか、引
張押動作用を混合して行なうよう第二部材の連結を手前
側主部材の左前端からと右前端からのものを混在させて
両カーブを近似させるようにしてもよい。

このように、この構造体（１）は、固定主部材（２ム）
に対して第１中間主部材（２Ｂ）を変位させるという簡
単な操作で、ある定められた彎曲度合いに従ってではあ
るが全体を規制しつつ大きく彎曲変形させることができ
る。

従って、この構造体（１）を第７図に示すようにアーム
として用いると、従来のアーム（第１図）では障害物（
Ｏｂ）のために加工が困拳なｉし不可能で行なうことが
できる。この場合構造体ｆｉｌは自在アームとして主軸
（１０４）に取り付けられ、先端主部材（２Ｆ）に該当
する部分に加工具（１０１）を取に付けるようにし、固
定主部材（２ム）と駆動される第１中間主部材（２Ｂ）
に該当する部分は自在アーム駆動機構（１０６沖に組み
込まれている。主軸（１０４）は駆動磯構（１０５）Ｋ
よって回転変位と二軸ないし三軸方向への移動が行なわ
れることは従来と同様である。陶、自在アーム駆動機構
（１０６）の駆動源にはサーボモータ、パルスモータ、
エアシリンダー、オイルシリンダー等が用いられ、これ
らの制御された動！を直接あるいはネジ、ギヤ等を介し
て駆動主部材（２Ｂ）に伝え、所望の変形をなさしめる
ものである。

第８図は、この自在アーム駆動機構（１０）の１例で駆
動源としてパルスモータ（Ｉｌｌを用いたものを示す。

まず、パルスモータ（■）、駆１１３！１．該駆動−０
２１に螺合されている摺動ナラ）　Ｑ３は一体となって
、構造体（１）の固定主部材（２ム）に揺動可能に取付
けられており、駆動主部材（２Ｂ）Ｋ固定された連結部
材Ｏ→が上記摺動ナラ）ＩＮＫ可回動に連結されている
。

そして、パルスモータ（１りがコンピュータの指令で左
右に回転すると摺動ナツト（Ｉ３１が前後に移動し、そ
の結果駆動主部材（２Ｂ）がビン（３ム）を中心にして
左右Ｋｉ１転して構造体（１）即ちアームを左方及び右
方に入断〈彎曲変形させる。

冑、ここに用いた構造体ｉｌ＋は、第９図に示すように
前記例（第２図）のもの２組を連結組合わせたもので、
各偶数番目の主部材として横断内視Ｕ状のものを用い、
奇数番目のもの（固定主部材を除く）と第二の部材はそ
の内外側にピン連結したものである。また、奇数番目の
ものはその上側を補強用ビン翰・・・で連結されている
。

また第１０図は、同じく第２図に示すもの２組を、各奇
数番目同志、偶数番目同志が一体となるよう連結組合せ
て、両者とも横断内視Ｕ状としたものである。このよう
に一部又は全体にＵ状の主部材を用いると、強度特に曲
は抵抗が大きくな如アームとして好ましいものとなる。

しかもその内側が溝部となるので、この溝部に、加工具
に配線配管される電線や光用グラスファイバー、エアや
オイルの導管を納めることもできる。但し、一方向のみ
の彎曲変形に向く。

このように本発明構造体（１）は、産業機械やロボット
、−膜装置において自在アームとして用いられるほか、
数個組合わせて人間の手指と同様の所作をする装置等多
くの機械及び装置の部品として用いられる。

更にこの構造体（ｌｌｔｉ、玩具の分野においても各種
の用途が考えられる。例えば、人形や動物玩具の手足や
地、蛇、竜、ワニ等の胴体、ロボットオモチャ、その他
の動く玩具の部品や本体に広く用いることができる。こ
の場合において（機械部品として用いる場合も含む）、
固定および駆動する主部材は、端部に限らず用途に応じ
て中央部分のものでもよく、また駆動する部材は離れ九
位置のものでも、２個以上でも、更に＃ｉ第二の部材を
変位駆動させるようにしてもよい。また主部材（２）と
してくり込みを入れた荀パイプ状のものや、オモチャの
骨格など衝動のかからぬ場合第１１図の如〈屈曲した細
巾材からなるようなものも考えられる。

便に、上記各側は、構造体（１）の全体がある平面内に
おいて左右（或は上下）に彎曲変形するものであるが、
主部材や第二の部材に曲げやねじれを与えて、ある曲面
に従って彎曲変形させるようにすることもできる。また
、各部材の連結手段は、ピン以外に、突起と穴（孔）、
その他各部材が連結点を中心にして互いに回動自在に連
結されるものであればその構造は問わないし、各主部材
の端部も、前記各側の如く重ね合わす代りに、凹部と凸
部を嵌め合いにするとか、蝶板状に連結することも考え
られる。このビン孔や突起孔にはミニュチュアベアリン
グを組み込んで摩擦力を減らすようにしてもよい。

次に第１２図は、８字状に彎曲変形する他の例を示す。

これは、第２図に示す構造体ｆｉ＋を２個縦方向に連結
したもので、各構成部材には第２図のものと同じ符号を
付している（但し前方側のものにダッシュを付す）。そ
して、主部材（２Ｅ）と（２ム′）を結ぶ第二部材（４
Ｅ）のみが、主部材（２Ｅ）の右前端と主部材（２ム′
）の右後端に連結され、他の主部材は第２図のものと同
一位置に連結されている。

しかして、この構造体（１１を、主部材（２人）を固定
し主部材（２Ｂ）を左右に回転させると、夫々第１３図
および第１４図の如く主部材（２Ｅ）と（２１′）の部
分で回転方向が逆になって８字状に彎曲変形する。

これは、ピ；／Ｌ５Ｅ）と（６Ｅ）がピン（３Σ）と（
３Ｆ）ｔ−結ぶ線分に対し同じ側にあり、夫々のピンが
概略平行四辺形の頂点となるため、主部材（２Ｆ）が主
部材（２Ｅ）に対しである角度だけ傾いても、両生部材
（２Ｅ）・（２ム′）は平行に近くなり、主部材（２ム
′）は主部材（２Ｆ）に対し逆方向に回転することによ
る。その結果（２ム′）以降の各主部材（２Ｉ）・・・
（２Ｆ’）は主部材（２ム）・・・（２Ｆ）と逆向酉に
彎曲する。同、第１３図、第１４図における鎖線は、当
初の第１中間主部材（２Ｂ）の（ロ）転角が大きい場合
である。

この８字に彎曲変形するものは、特に玩具などに応用で
きる。例えば、中央部分のめる主部材に車輪を固定的に
取シ付け、その近傍の部材を変位させると全体がくねり
ながら前進し、リアルな蛇オモチャなどができる。この
場合他の主部材には方向回転できる車輪をとりつけても
よい。更に、第二の部材（４Ｅ）と同じものを設け、全
体を山形、波形などに変形させることもできる。

また、第１２図の例において、主部材（２Ｅ）上で、ピ
ン（５Ｅ）を取付ける第二連結点をピン（３１）を取付
ける主連結点と一致させると、ピン（３Ｅ）・（３Ｆ）
・（６Σ）の位置が三角形の頂点となって、主部材（２
Ｆ）と主部材（２Ａ’）は固定される。その結果例え主
部材（２Ｆ）までは彎曲していてもそれよシ前方よりの
各主部材（２ム′）・・・（２Ｆ’）はまったく彎曲せ
ず、全体はｒ−状になる。これは主部材（２ム′）・・
・（２Ｆ’）が一体になったものと同じことになるが、
主部材（２Ｅ）七におけるピン（５Ｅ）の取付位置をか
えることにより、単純彎曲、８字彎曲、へ字彎曲等彎曲
の種類をかえられるので彎曲オモチャに応用できる。

−に、これらの各部材をバラバラにブロック化し、孔の
位置なども複数設け、任意に組み合わせて様々な変形状
態がつくれる玩具とすることもできる。

さて、このように本発明の彎曲変形を行なう構造体は、
複数の主部材と複数の第二の部材を夫々回動可能に連結
した簡単な構造でありながら、一つの部材を位置固定し
、他の部材を固定部材に対して回転変位させるという簡
単な操作により、全体を、ある定められた種々な度合の
彎曲変形さすことができる。また、その変形の状態は構
成部材の寸法形状、連結点の位置関係及び駆動部材の回
転角により求められ、しかも変形状態は一義的で且つ外
力に充分抗しつるので産業用ロボットのアーム等に広く
用いることができる。更にその彎曲形状や変形中の動き
を利用して各種玩具の本体や部品にも用いられる等極め
て応用範囲の広いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の産業用ロボットのアーム部分を示す＠
面図、第２図は本発明に係る構造体の１例を示す平面図
、第３図は同じく背面図、第４図および第５図は第２図
の構造体の彎曲変形した状態を示す平面図、第６図は本
発明装置の作動原理の説明図、第７図は本発明構造体を
組み込んだアーム部分を示す概略図、第８図は、自在ア
ーム駆動磯構の１例を示す正面図、第９図、第１０図は
他の実施例を示す部分斜視図、第１１図は主部材の他の
例を示す平面図、第１２図は更に他の実施例を示す平面
図で第１３図第１４図はその彎曲変形した状態を示す平
面図である。 １・１′・・・構造体 ２・２人・２Ｂ・２Ｃ・２１）・２１・２Ｆ・２ム’、
　２Ｂ’−２０’−２Ｄ’−２１’−２Ｆ’・・・主部
材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の主部材を、隣夛合う主部材同志が互いに１動
   可能な状態で順次一連に連結するとともに、各主部材の
   うち隣り合う各奇数番目同志および偶数番目同志を、上
   記連結点以外の両生部材の成る点間の距離が変動しなｉ
   ように第二の部材で夫々連結したことを特徴とする彎−
   変形を行なう構造体。 １　第二０部材で連結される主部材の第二の両連結点は
   、主部材を連結する主連結点を結ぶ線分と反対側にある
   ものである特許請求の範囲第１項記載の彎曲変形を行な
   う構造体。 東　第二の部材で連結されるある主部材の第二の連結点
   同志が、主部材を連結する主連結点を結ぶ一分に対して
   同一側にある個所を含むものである特許請求の範囲第２
   項記載の彎曲ｗｌ形を行なう構造体。 ４、第二の部材で連結されるある中間主部材同志の内、
   固定主部材側に近い方の中間主部材の第二連結点と主連
   結点を一致させ友ものを含むものである特許請求の範囲
   第１項、第２項または第３項記載の彎−変形を行なう構
   造体。 ５、主部材は板状ないしロッド状のものである特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項壕えは第４項記載の彎曲
   変形を行なう構造体。 ６、主部材は、組立後溝郁を形成するように、その全部
   又は一部に横断内視Ｕ状のものを用いてなる特許請求の
   範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の彎−変
   形を行なう構造体。