JPS60155391A - マニプレ−タ等の関節 - 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】 発明の技術分野 本発明は、マニプレータ等の関節に関するつ従来技俯と
問題点 マニプレータ、産業用ロボット、義手又は義足その他こ
几に鶏するもの（以下「マニプレータ等」という。）に
おける肩、上腕、前腕、牛若しくば腰、大腿、縞、足そ
の他の瞬接する′オ材ｒ相対的なＯＴ勧性を待たせて連
結する関節ａ、一つの関節で相隣る一万の骨材を他方の
骨材に対し＋Ｉ月２＠方方向動作可ｎヒとする２自白度
を有することが望ましい。

従来、マニプレータ等においてば、相隣る骨材？同−Ｉ
１１］線上において相対的に接近離反する直動関節、相
隣る骨材ケ同−Ｔａ線回りに相対的に回転する回転関節
及び相−る骨材ｒ七の一方の骨材と直角方向の軸Ｉ腺回
りにイ目対的１ｃ旋回する旋回関節の王者を適宜に組合
せ所宅の自由度を１得ている。

しかし、従来のマニプレータ等においては、内接する骨
材の間に一つの関節のみｒ弁衾した１自由度となってい
るため、一本の骨材の内端に直動関節と回転関節とを装
着する場合には、骨材の長上寸法？大きくしなけｎばな
らない四組があるとともに、旋回関節？用いる場合ｖｒ
−は、そのアクチュエータが疎林の使手方向と直角の方
向へ突出するため、関節部分の外径寸法が人となる問題
がある。

また、一つの関節に２自由度ケ持たせるべく、直動関節
又は回転関節と旋回関節と紫組合せて襟合関節とする場
合Ｋに、構造が岬雑となるとともに、旋回関節のアクチ
ュエータが片材の使手方向とｌＩ！月の方向へ突出する
こと等ＶＣニジ媚曾関節目体の外形寸法が大きくなる等
の問題がある。

発明の目的 本発明は、上述した問題に之み、単体で多自由度ｒ有す
るマニプレータ等の関節の提供ケ目的とする。

発明の構成 本発明に、上記目的Ｘ＝成すべく、第１骨材と第２骨材
ＶＣＶｉ層したガイド杆の一端とｒボールジヨイントを
弁し相対的に揺動自在に連結し、前記ガイド杆に第１移
動体及び第２移動体？移動自在に装着するとともに、こ
ｒしら第１、セ２移動体を第２ｉｉ材に装着した小軸装
置と連動連結し、前記第１移動庫に４１リンクの一端に
枢渚するとともに、この第１リンクの他端ｋＡ１才材と
ホールショイントケ弁して連・后し、自１１６己第２移
動体に第２１＋　７りの一ゾ１ｔｌｉｋ枢着するととも
に、この第２リン゛りのｉｌＥ　端ｋ、ガイド什と第１
リンクとのなす＋闇と頁ダする平面内に泣直せしめ−Ｃ
第１宣材とボール・ンヨイント？弁して連結し、第１ｉ
′１′制と第２沖材とｒ２目ｌ’ｉ３　ｆ及？侍たセて
連結するようにしたものである、 実施例 以下、ｔＪ　＋ｆｉ＋τヶ照してこの発明の友細例ご６
兄明する。

第１図及び第２　ＩＪぽ、不発明の第１実施例τ７ドす
正圓図及び１１１１１１１１図で、この実施例の）Ａ節
においてぼ、根状の第１骨材１と同様に走形叡状の第２
骨材２に被層したボールねじＢの一端（各図において上
１４）とτボールジヨイント４ヶ弁し相対的Ｋｌ感動自
在［（目＋ｅ複８に狩たくて）連結しである。

ボールねじ３は、波述の回鴨躯拗装置の伝達効出τ尚め
るとともに、同−ＩＭ線上を往復移動する汝述の第１．
第２移祷体ｔく内ｒるガイド杆となるもので、第２汁材
２のｒｔ１＋＋−郁付近に・ｍｌ有したブラケット５．
５τ弁し、第２律材２にその一方（第２図において右方
）の珈ｌと平行ｖｃ固定支持しである。ボールねじ８ｉ
Ｃｉｄ、円面状の、；ｌ’、　１ナツト部材（＄及び第
２ナツト部材７を魂廿してあり、各ナツト部材６，７σ
）外周にノエ、円面状の第１移動体８及び第２移動体９
τそｊＬぞｎラジアルボールベアリングの々［ｌき俵数
の軸承部材１０？弁し回転目在りこ汀火装しである。

谷？ｇ頓体８．Ｗ、！ユ、佐述の回転、°・駆動装置及
び回転伝達偉１カ゛（τ弁して回動濾ｎる第１、・窮２
す゛ノドｔＪ材６　、　’ｒ　ｑｖボールねじ３Ｖこ山
った軸方向への４４勘に伴って軸方向へ移動するもので
、そｒしぞｒしの外周の対称＋’ｊ′Ｌ＋吐に径方向（
框１図、第２図において左右方間）へ≠出したピン部８
ａ、＋４ａｋｉｉｊｆけである。

嘱り搦＋１ｆＩＩ体８Ｖこは、第１１１ンク１１がぞの
一潜に設けた二叉状の連結部１１ａの廟部の孔ｒピンす
化８ａと１糸合して１区層してあり、この第１リンク１
１の他端に、巣Ｊ−目・材１とボールジヨイント１２才
弁して連結しである。

又、第２移動体９には、第２リンク１３かその一端に設
けた二叉状の連結部１３ａの端部０孔？ヒ′ン耶９ａと
１系会して七区看してあり、この第２１ノンク１８の他
ＩＩ品は、ボールねじ３と＄１１ｊンク１１のなす平ｌ
とｌｉｊダする平面内に立直ゼしめ、與１骨材１とボー
ルジョイン）１４に弁して連結しである。

Ｈ１１５己第１ナツト部材６の一端（第１．２図１ｃ　
５６いて下端）Ｋｌｒｉ、この第１ナツト部材６↓り過
亘人径の外径ｒ百する円輪板状の平歯車１５勿泄設して
める。平困皿１５は、仮述の回転駆動装置の回転カケ第
ｌナツト部材６へ１大違する第１回転区達磯猶１６の一
部ｔ１廊１反するもので、軸線τボールねじ３と平行に
して配置した比較的長い源１ｋｌｌｔｄ＋車１７と噛付
してあり、源身幼歯軍１７は、一端を第２骨材２に固着
した佃１受プラグット１８１７？：工９支承しであると
ともに、他端ｘ第２骨材２に固着した正逆回転自在の′
電動モータの如き回転部ｄ（ＩＩ表直重９の出力軸１９
ａと適宜に連動連結しである。

又、第２ナツト、’Ａ月７の一端には、第１ナツト部材
６の」扉付と同鎌、この第２ナツト部材７Ｌ９４１Ｔ、
大径の外径？有する円輪板状の平歯車２０τ連設しであ
る。平歯車２０は、第２回転区達機構２１の一部ヶ猶成
するもので、・ｍｌ線ｔボール・ユじ３と平行Ｖこして
、かつボールねじ：うの軸編上の点紫対称点とし第１回
転阪達機構１６のＷ動菌車１７と対称配置した比較的長
い！Ｈ動岨足２２と−合しである。

そして、源動歯車１７は、一端を第２骨材２に固着した
軸受ブラケット２８に↓９支承してめるとともに、他端
を正逆回転自在の１励モータの如き回転駆動装置２４の
出力軸２４ａと適宜に連動連結しである。

次に、上記構成の関節の作用について第８図（ｄ）。

ｔｈ＋、５１１４図及び第５図ｒ用いて説明するう今、
第１骨材１を−足し、第２叶材２ｔその根囲が存在する
平１１０（以下、ｒｘ　−ｚ４囲」という。）内におい
て４１助するには、回転駆動表置１９（］１−鈎ぼ方間
へ作動し、第］　ＬＬＩ帖云かＨ４４１６ｆ弁し第１ナ
ツト部材６を回転して第１移動湊８イ、汐１１えば第３
図ｆａｔにおいて実線でボす位ｌＩｔθ）ち二点禎線で
示す位ｄへ移動する。

第１ｒＫＩＭｈ体８の上占己移動にエリ、ボールねじＢ
は、第１骨材１と第ｌ移動体８とが第１リンク１１に↓
つで連結さｌしているため、−ν精のボールジョインド
４の中心Ａｒ中心とし、鉛直位置から所定の角度０Ｉで
イ頃科する。

又、算２骨材２ｒぞの＆面が存在する平面と直円な平面
（以下、ｒｘ　−Ｙ４１ｆＯＪという。）内において移
動するには、Ｘ−２平面内の＃動の場合と同様に、ＩＣ
！Ｊ転駆動装置２４及び第２回・獣云達１幾５博２１ｉ
弁し単２ナツト部材７（］ｌ−回転して第２移ポｈ体９
（＋−移動して行う。

なお、第１骨材１？固定し、第２骨材２と空間的に移動
するには、各回転駆動装置１ｔｔｉ＋２４で適宜に作動
し、第１、第２回転伝達機構１　ｔｌ、２１ケ介し第１
、ａシソナツト部材６．７ケ回転して第１、第２移動体
８．９ｆ移動して何うものである。

ここで、第２骨材２のｘ−２４ｍ内の移動に↓る第１移
動体８の＃＠距離ｒＬとし、かつ、ボールねじ８の一端
のボールジヨイント４の中心Ａ１第１リンク１１の他端
のボールジヨイント１２の中心Ｂ及び第１リンク１１の
一端の第１＄ｆｉｌＪ体８との枢看点Ｄ（（頂点とする
△ＡＢＤ　にＢいてＡＢ＝ａ、ＢＤ二すとし、又、中心
Ａと最初の枢庸点りとの間隔勿Ｙ。とじ、更に、ｌ　Ｂ
　Ａ　Ｄ−００とすると、＃動距離りと角度０１等との
間には、仄なる関係かある。

角度θ１の変化に対し、 Ｌつで、 ・・・・・・１３１ となる。構竜上ａ＋ｂｉ’！既知であるから、角度０、
の変化と移動距離の関係は、第４図に示す工うに、逆依
弦の関係となる。

又、ボールねじ８の他端の力Ｕば、第８図１ｈｔに示す
↓うに、乙ＡＤＢ−φ、中心Ａとボールねじ８の他端ｐ
との間ＤＭｋＹｅ　とすると、０ Ｕ＝−Ｗ士、ｈｎφ・・・・・・（４）ｅ が得らｎる。ここでＷは、０！１移動体８の軸方向の力
で、回転駆動装７ｔ９からのｊ大違力である。

したがって、力Ｕｉ大きくするためには、Ｙ０／Ｙθ の値が「１」に近づく工うに間隔Ｙ。を大きくするか、
回転駆動装置１９の駆動力ｒ大きくすｎば工い。

更に、空間中におけるボールねじ６の他端Ｐの位置（Ｐ
（ｘ、ｙ、ｚ））は、第５図に示すように、第１、第２
移動体８，９０位置、すなわちＹｏ　及び中心Ａと第２
移動体９の第２リンク１８の一端との枢庸点Ｅとの１ｉ
ｌｉ１隔？制御することに工り決定上ｎる。

なχ、ボールねじ：５は、第１、第２１１ンク１１゜１
３による支持、すなわち、いわゆるハリの構造となって
いるため、その他端Ｐに大きな外力を付与することがで
きる。また、第６図においてＣぼ、第２リンク１３の他
端におけるボールジヨイント１４の中心である。

第６図に、本発明の第２実施例を示す正１図で、この実
施例の関節は、第１実施例のものが第１、第２移動体８
，９を移動ｔべく第１．４２ナツト部材６．７を回転駆
動装置１９．２４及び第１、第２回転区達機構１８，２
１ｖｒ−エリ回転するものでアルのに対し、ボールねじ
ｔ回転することに工９ナツト部材τ弁し第１、第２移動
体ｔ、移動する点が相違するものである。

なお、以下の説明ｉＣおいて第１図及び第２図に示す部
材等と同一機能【奏する部材等には、同一符号ケ付しそ
の説明ｒ４略する。

すなわち、ボールねじ３ｖ′ｓ、、第２骨材２にプラケ
ツ）５．５（１″弁し回転目在１ｃ支承七ｎかつ一遍ｒ
ボールジヨイント４τ弁し第１骨材ｌと相対的に揺動自
在に連結した第１ねじ８ａと、第１ねじ８ａと同一直線
上に位置せしめて第２骨材２にブラケット５．５’ｉ（
介し回転自在に支承した第２ねじ８ｂとから構成しであ
る。

谷ねじ８ａ、８ｂにぼ、第１、第２ナツト部材８．７に
螺会してあり、そｎぞｎのナツト部材６゜７には、第１
、第２リンク１１．１８の一端と枢涜した第１、第２＃
動体８，９？！″軸受部材（図示省略）を弁し回転自在
に嵌装しである。

又、各ねじ８ａ、；（ｂＫは、そｎぞ扛の一端に平歯車
１５．２０？！−固層しである。そｎぞｎの乎−車１５
．２０は、第１、第２回転伝達機構１６゜２１の一部？
構成するもので、＃勧ピニオン２５゜２６と噛合してあ
り、谷諒動ビニオン２５　、２６ぼ、そ几ぞｎ第２骨材
２に固盾した回転駆動装置１９．２４の出力軸１９ａ、
２４ａに固盾しである。

したがって、各回転駆動装置ｉ１９，２４の作動１ｃｊ
４１）、第１ねじ８１及びｔｄＬ　２ネジ８ｂ力ｍ　１
、第２回転区達イ幾＃’ｊ　１６　＊　２１　ｋ弁して
回転し、このねじ８ａ、３ｂの回転に工って第１、第２
移動体８，９が第１、第２ナツト部材６．７の作用によ
る各ねじ８ａ　、ａ　ｂａａって移動することに工り、
第２骨材２か第１骨材１に対しｌ［角２＠方回へ移動す
るものである。ために、第２骨材２の他病は、ボールジ
ヨイント４の中心Ａｉ中心とする球面内を移動する。

なお、本発明の実施態様は、上述した各実施例に限らず
、不発明は、以下に述べる棹々のものｒ包含する。

Ｉｌ＋　４１．ｉｌｌ材１，２を軸（ロッド）又ａ筒状
とするとともに、こｎらの形状を適宜Ｋｍ＠せる。

１２１　第１、第２移動体８，９を案内するボールねじ
ａ２．第２骨材２の軸線上に設けた侵孔内に回転自在に
取り付ける。

ｆ３１　第１、第２＃動体８，９を案内する部材會、ロ
ッド又はスプラインとする。

（４１第１、第２移動体８　、９′（ｌ？ジブロック状
形成する。

（５）　第１、第２移動体８．９ｒ移動すべく回転駆動
装置の回転力を伝達する回転云達機構１８，２１ｒウオ
ームとウオームホイールにニジ構成する。

（６）第１、第２移動体８．９ｒ移動する駆動装置ｒリ
ニヤモータ又ホ旧圧シリンダ、望土シリンダ若しくは水
圧シリンダ等の流体圧往復駆動装置と′する。

（７）　回転駆動装置ｔ１個とし、クラッチ及び変速機
等を弁して出力する。

（８１回転駆動装置１９．２４ｉ第２寸材２の両開に取
付ける。

（９）第１、第２リンク１１．１８の長さ＋ｃｆＡ節可
能に設ける。

応用例 第７図、第８図及び第９図は、七ｎぞｎ本発明の応用例
ケ示すスケルトン図で、第７図は、胸と上腕との関節と
して用いた場仕、第８図に、歩行用ロゲット又ａ颯足等
における腰と大腿との関節として用いた場合を示し、第
９図は、多関節ロボットのポストと第１アーム及び第１
アームとこｎに連結する第２アームとの間、並びに相隣
るアー人間邸における関節として用いた場合を示しであ
るＯ 肩戎手の関節として用いる場合には、云−力は、上腕が
水平（前方挙上又は側方挙上が９０°のとき）の位置で
最大となるから、−？ＡＢＤ二、４ＡＣｇ：９０゜とす
ｎば、最も効名工い力伝達を行い得る。

又、歩行用ロボット等の関節として用いる場合には、大
腿の上下連動（２方向）と左右連動（Ｘ方向）？ｒｌｆ
ｆｉ単に得るＣとができる。

四に、多関節ロボットの関節として用いる場合Ｋに、相
隣アーム同士等ケ連結することに工９、象の鼻のＬうな
多関節ロボット２構成することができ、ガイド杆會ボー
ルねじとすることＶＣｌ２、モータｌこ対する負荷を従
来のものの屍〜壜＠程度とすることが可能となる。又、
関節の＠きｆｘ、２万同のみとすることなく、ｙ、ｚ方
向の動自を組セることにＬ９、マニプレータ等の作喚饋
域ｒ（ＶＣ拡大することができる。

発明の効果 以上の如く本発明に工ｎば、従来技術に比して以下に述
べる種々の効果を奏する。

Ｉｌ＋　構造會簡単にすることができる。

１２１　一つの関節１ｃ２自由Ｉ友を持たせることがで
きる。

（３）２自由度を有するにもかかわらず、全体ケスマー
トかつコンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を不す正１図及
び則面図、第８図ｆａｔ　、　（ｂｌ、第４図及び第５
図にそ扛ぞｎ第１実施例の関節の作用説明図、第６図は
本発明の第２実施例を示す正面図％第７図、第８図及び
第９図はそｎぞｎ本発明の応用例ｒ示すスケルトン図で
ある。 １・・・第１骨材、２・・・第２骨材、８・・・ボール
ねじ（ガイド杆）、４・・・ボールジヨイント、８・・
・第１移動体、９・・・第２移動体、１１・・・第１リ
ンク、１２・・・ボールジヨイント、１８・・・第２リ
ンク、１４・・・ボールジヨイント、１日・・・第１回
転云達機構、１９・・・回転駆動装置、２１・・・第２
回転云達戦禰、２４・・・回転駆動釦１ ＄１　図 第２図 第６図 第７日 第９図 て１ 手続補正書輸幻 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第１１４３８号 ２、発明の名称 マニプレータ等の関節 ３、抽圧をする者 ・１９件との関係　出１卯八 斎藤之男 ４、代理人〒１０４ 東上；・都中央１メ明イ１町１番２９号　柘済会ヒル、
Ｌ話０３（５４５）２２５Ｎ代表） ブ１理１：　ｆ６２］９＋志買富１：弥５、　補正の対
象 明細Ｈの「特許請求の範囲」の瀾および「発明の詳細な
説明」の欄。 ａ補正の山谷 （１）別紙のとおシ特許請求の範囲を補正する。 （２１Ｆ＋１　明細＃第２Ｊｉｔ第８行から第９行中に
、「マニプレータ、産業用ロボット、４手又は義足その
他これに類するもの」とあるのを、 「マニプレータ、産業上ロボット、義手又は義足、その
他関節機構を有するもの」と補正する。 （１１）　同第４頁第１３行から第１４行中に、「ボー
ルジヨイントを介し相対的に揺動自在に」とあるのを、 「相対的にスウィベル運動自在に」と補正する。 （１１１１同第５負第４行から第５行中および第８行か
ら第９行中にそれぞれ、 「ボールジヨイントを介して連結し、」とあるのを、 「相対的にスウイペル運動自在に連結し、」とそれぞれ
補正する。 ｔ＋Ｖ＋　同第６頁第４行から第６行中に、「ボールジ
ョイン）Ｕを介し・・・（中略）・・連結しである司と
あるのを、 ［ボールジヨイント’４−？自在継手等により相対的に
スウイベル運動自在に（自由度３を持たせて）連結しで
ある祠と補正する。 （Ｖｌ　同第７頁第１４行から第１５行中に、［ボール
ジヨイント／２を介して連結しであるｄとあるのを、 ［ボールジヨイントノコを介して相対的にスウイベル運
動自在に連結しである−と補正する。 ｆＶｌｌ　同第８頁第６行から第７行中に、「ポールジ
ヨイント／＋を介して連結しである−とあるの金、 「ホールジヨイント７４Ｌを介して相対的にスウィベル
運動自在に連結しである司と補正する。 （■１１）同第１５頁第１０行中に、 「揺動自在に」とあるのを、 「スウイベル運動自在に」と補正する。 以上 〔別　紙〕 ２、特許請求の範囲 （１）　第１骨材と第２骨材に装着したガイド杆の一記
ガイド杆に第１移動本体及び第２移！ＩＩＩ体を移動自
在に装着するとともに、これら第１．第２移動体を第２
骨材に装着した駆動装置と連動連結し、前記第１移動体
に第１リンクの一端を枢着するとともに、この第１リン
クの他端を第１骨材と相対本に第２リンクの一端を枢着
するとともに、この第２リンクの他端を、ガイド杆と第
１リンクとのなす平面と直焚する平面内に位置せしめて
第１骨を特徴とするマニプレータ等の関節。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｉｌ＋　第１骨材と第２骨材に装着したガイド杆の一端
   とｔボールジヨイント２弁し相対的に揺動自在に連結し
   、前記ガイド杆に第１移動体及び＄２＃２＃動移動自在
   に装着するとともに、こｎら第１、第２＃動体勿第２骨
   材に装着した駆動装置と連動連結し、Ａｉｌ記第１移拗
   体に第１リンクの一端ケ枢着するとともに、この第１リ
   ンクの他端を第１骨材とボールジヨイントに介して連結
   し、前記第２移動体に第２リンクの一端を枢着するとと
   もに、この第２リンクの他端ｔ、ガイド杆　と第１リン
   クとのなす平面と１１ｇ：する平面内に位ｌｊｉせしめ
   て第１骨材とボールジョイ。 ントを介して連結したことｔ特徴とするマニプレータ等
   の関節。