JPS61230879A - 多関節マニピユレ−タ - 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、狭隘な空間における計測や研削などの作業に
威力を発揮する多関節マニピュレータに係り、特にその
関節部分が改良された多関節マニピュレータに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

狭隘な空間に入って作業をするマニピュレータは、その
作業環境から多関節の構造となる。従来の多関節マニピ
ュレータの場合、その各関節の基本構成は、同軸回転節
と垂直回転節とが交互に組合されて構成されている。

第６図および第７図は、従来から知られているマニピュ
レータの関節を示すものであり、第６図は同軸回転節を
、また第７図は垂直旋回節をそれぞれ示している。第６
図において第１アーム１１と第２アーム１２とは軸受１
３を介して両アームの軸線を一致させるように配設され
ている。また、前記第１アーム１１の端部にはモータ１
４が取付けられでおり、このモータ１４の回転軸１５は
、両アーム１１．１２の軸線と平行に第２アーム１２方
向に突出し、ビニオン１６が嵌着されている。

一方、前記第２アーム１２内には、前記ビニオン１６に
噛合し得る内歯車１７が固設されている。

このような構成によれば、モータ１４の駆動により第２
アーム１２は第６図に矢印で示すように回転するが、第
１アーム１１に対して第２アーム１２を揺動することは
できない。そこで、この第６図の同軸回転節には、第７
図の垂直旋回節を組合せる必要がある。

第７図において、第１アーム２１の端面には端板２８が
張設されており、この端板２８には第２アーム２２方向
に突出する箱状のブラケット２９が一体に突設されてい
る。このブラケット２９の底面２９ａには、第１アーム
２１の軸線と直交する軸線の円形孔２９ｂが形成されて
いる。

一方、前記第１アーム２１と軸線を一致するように配設
された第２アーム２２の端面には端板２４が張設されて
おり、この端板２４には前記円形孔２９ｂを挿通して先
端部が前記ブラケット２９内に臨むＬ字状の支持アーム
２５が一体に突設されている。この支持アーム２５は前
記円形孔２９ｂに設けられた軸受２３を介して回転可能
に保持されている。

第１アーム２１の端板２８にはモータ２６が取付けられ
ており、このモータ２６の回転軸２６ａには、前記ブラ
ケット２９内に臨む小径の傘歯車２７ａが嵌着されてい
る。一方、前記支持アーム２５の先端部には、前記傘歯
車２７ａが噛合する大径の傘歯車２７ｂが一体に形成さ
れている。

このような構成によれば、モータ２６の駆動により第２
アーム２２は第７図に矢印で示すように第１アーム２１
と直交する軸線を中心に揺動する。

しかしながら、この第７図の垂直旋回軸は、第１アーム
２１に突設したブラケット２９により支持アーム２５を
介して第２アーム２２を支持するようになっているため
、ブラケツ１−２９に大きな剛性を持たせなければなら
ず、関節部分の小型化および軽ａ化がはかれなかった。

また、このような垂直旋回節の場合、傘歯車２７ｂの軸
線が垂直になった場合と水平になった場合とで、モータ
２６に生ずる動的トルクが大きく変化し、効率的にモー
タ２６の選択使用をすることができず、結果的にモータ
２６の大型化を生じていた。すなわち、軸線が垂直時の
モータ２６の駆動トルクは、第２アーム２２側の重力モ
ーメントを第１アーム２１のブラケット２９が軸受２３
を介して支持する為、第２アーム２２を旋回させるに必
要な起動時の加速トルクと走行時の走行トルクを満足す
るものであれば良い。ところが軸線が水平時のモータ２
６の駆動トルクは、第２アーム２２側の重力モーメント
がブラケット２９ではなく、直接モータ２６の回転軸２
６ａに加わる為、垂直時よりこの重力モーメント分だけ
トルクを大きくすることが必要となる。

つまり、垂直旋回節のモータ２６は、水平時も考慮して
本来不必要な重力モーメント分を加えた出力トルクを有
する大きなモータ２６を用意するか、逆に水平時には重
力モータメント分だけ減らした旋回トルクで動かすこと
になる。

このような従来の関節構造における欠点を除去するもの
として第８図に示す斜旋回の関節が開発されている。

第８図の関節は、第６図のモータ１４、歯車１６．１７
などをそれぞれ第１アーム１１および第２アーム１２の
軸線に対しである傾斜角α（例えばα≦３０”　’）傾
斜させたものである。

このような構成によれば、モータ１４を駆動することに
より第２アーム１２は、その中心線の軌跡が点０を頂点
とする頂角２αの円錐を描くように回転する。

この斜旋回節の旋回により得られる第１アーム１１に対
する第２アーム１２の傾斜角度と同軸回転節の回転を組
合わせることにより、垂直旋回節と同様の旋回動作を得
ることができる。

また、斜旋回節とすることにより、垂直旋回節の前記の
例で言えば傘歯車２７ｂの軸線が水平時の重力モーメン
ト分を５ｉｎａ分（例えばα＝１５°時、ｓｉｎα＝　
０　、２６　）に抑え、モータ１４の負荷トルクを少な
くすることができる。

しかしながら、この第８図に示した構造の斜旋回節は、
モータ１４が普通のタイプであり、しかもモータ１４の
回転を平歯車１６および内歯歯車１７を介して第２アー
ム１２に伝達しているため、第２アーム１２に大きなト
ルクを伝達しようとすると、モータ１４を大型にしなけ
ればならないし、また、両歯車のギヤ比も大きくしなけ
ればならず、関節全体が大型化する。また斜旋回節に組
合される同軸回転節も同様のモータ１４及び歯車構成の
為、第２アーム１２に大きなトルクを伝達しようとする
と関節全体が大型化するという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
小型、軽量で大ぎなトルクを伝達することのできる関節
を備えた多関節マニピュレータを提供することを目的と
する。　　　　　　　−〔発明の概要〕 本発明は、第１アームに対し第２アームを回動可能に接
続する関節を備えた多関節マニピュレータであって、前
記関節は、前記第２アームを回転駆動するトルクモータ
と、前記トルクモータの回転数を減速するカップ形ハー
モニックドライブ機構を備え、前記トルクモータは、前
記ハーモニックドライブ機構のカップ形フレクスブライ
ン内に配設されていることを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下、第１図乃至第４図を参照して本発明の一実施例に
ついて説明する。

第１図は斜旋回節を示す断面図であり、符号３１および
５１は、それぞれマニピュレータの第１アームおよび第
２アームである。第１アーム３１に対し第２アーム５１
は、［ｉ３０により回転可能に接続されている。符号３
２はほぼ中空円筒形状に形成された関節３ｏのケーシン
グであり、このケーシング３２の一端は、第１アーム３
１の端部に固着された傾斜７ランジ３３を介して第１ア
ーム３１に接続されている。傾斜フランジ３３のケーシ
ング３２取付側面３３ａの軸線は、第１アーム３１の軸
線に対し、ある傾斜角αをもって傾斜しており、その結
果、ケーシング３２の軸線も第１アーム３１の軸線に対
し、傾斜角αをもって傾斜している。ケーシング３２の
他端は、第２アーム５１の端部に固着されたブラケット
５２に対し、軸受５３を介して回転可能に接続されてい
る。この軸受５３の内周部を嵌合保持するブラケット５
２の軸受面５２ａは、傾斜フランジ３３と同一角度αだ
け第２アーム５１の軸線に対し傾斜した傾斜円周面にな
っており、またブラケット５２の先端面５２ｂは軸受面
５２ａに直角に形成され、内周面５２ｃは、その軸線が
第２アーム５１の軸線に対し角度αだけ傾斜している。

ケーシング３２の内周面３２ａも、第１アーム３１の軸
線に対し角度αだけ傾斜しており、第１アーム３１側の
端部に、第１アーム３１の軸線に対し角度αだけ傾斜し
て、カップ形ハーモニックドライブ（株式会社ハーモニ
ツクドライブシステムズの商標名）機構４０のサーキュ
ラスブライン４１が固着されている。また、ケーシング
３２の第２アーム５１側の内端部に、ブラケット５２の
軸受面５２ａと平行な軸受面３２ｂが形成され、軸受５
３の外周部が嵌合保持されている。

サーキュラスブライン４１の内歯４１ａに噛合係合し、
この内歯４１ａより歯数が少ない（例えば２枚少ない）
外歯４２ａの設けられたカップ形フレクスブライン４２
が、ケーシング３２内にケーシング３２と同軸に配設さ
れている。カップ形フレクスブライン４２は、可撓性の
薄肉中空円筒状をしており、その基端部４２ｂが、ブラ
ケット５２の先端面５２ｂに固着されている。

カップ形フレクスブライン４２の内部には、フレクスブ
ライン４２と同軸にトルクモータが配設されている。こ
のトルクモータはいわゆるビルドインタイブのモータで
あり、その固定子６１が、フレクスブライン４２の内側
に配設され、基端部がブラケット５２の先端面５２ｂに
固着されたモ−タ保持環６２内に収納保持されている。

訂定子６１の内側には、固定子６１と微小隙間を有して
対向する回転子６３が配設されており、この回転子６３
は、第１アーム３１の軸線に対し角度αだけ傾斜して配
設された回転軸６４に嵌着されている。

回転軸６４の一端には、キー６５を介して、ウェーブジ
ェネレータ４３を構成する楕円状のカム４３８が嵌着さ
れ、このカム４３ａの外周に軸受４３ｂが嵌合されてい
る。この軸受４３ｂの外周囲がフレクスブライン４２の
外歯４２ａ形成部の内側から、フレクスブライン４２に
嵌合されている（第２図参照）。

回転軸６４は、両端が、軸受６６．６７を介して、それ
ぞれ傾斜フランジ３３お、よびブラケット５２に対し回
転支持されている。回転軸６４の一端面、例えば第２ア
ーム５１側の端面には、軸線方向に中心孔６８が穿設さ
れ、この中心孔６８内に、ブラケット５２に固着された
レゾルバ７０の回転子７１が挿嵌されている。

第一３図および第４図は、第１図Ａ部の拡大図である。

ケーシング３２の内周面３２ａには、発光ダイオード（
ＬＥＤ）８１と受光素子８２とがケーシング３２の軸線
に平行に対向配置された検出器８０が取付けられ、この
発光ダイオード８１と受光素子８２との間に、ケーシン
グ３２の軸線と直交して回転板８３が配設されている。

この回転板８３には、第４図に示すように円周方向に等
間隔で放射状に伸びる多数のスリット孔８４が設けられ
ている。回転板８３の基端部は、ブラケット５２に対し
固着されている。

次にこのような構成からなる本実施例の作用について説
明する。

トルクモータを回転駆動すると、その回転子６３が回転
し、この回転子６３の嵌着された回転軸６４が回転する
。回転軸６４の回転によりウェーブジェネレータ４３が
同期回転駆動され、ハーモニックドライブ機構の作動原
理に従い、フレクスブライン４２が低速、高トルクで回
転駆動される。これにより、フレクスブライン４２に連
結されたブラケット５２さらには第２アーム５１が、サ
ーキュラスブライン４１の固定された傾斜フランジ３３
および第１アーム３１に対し自転する。

この場合、回転軸６４が第１アーム３１の軸線に対して
角度αだけ傾斜しているので、第２アーム５１は第１ア
ーム３１に対し頂角２αの円錐を描くように旋回する。

ブラケット５２すなわち第２アーム５１の回転角度θ２
は、トルクモータの回転角度θ１に対して θ２＝１・０１ と表わされ、ここで回転軸６４と第２アーム５１との減
速比ｉは、トルクモータの固定子６１が第２アーム５１
側に固定されているので、同様に第２アーム５１側に固
定されているフレクスブライン４２を固定側と考えるこ
とにより、 Ｚ。

と表わされる。Ｚｏ・・・・・・サーキュラスブライン
の歯数 Ｚ　　・・・フレクスブラインの歯数 ｆ°°。

トルクモータの回転角度θ１は、回転子７１が回転軸６
４に挿嵌されているレゾルバ７０により得ることができ
る。

第２アーム５１の回転角度θ２が所定の値に達すると、
トルクモータが停止され、第２アーム５１の旋回が停止
する。

しかしながら、トルク伝達用のフレクスブライン４２は
、カップ型の薄肉金属弾性体となっているので捩り変形
が起り、この分だけ第２アーム５１に回転角度のズレを
生ずる。

このため本実施例においては、第２アーム５１すなわち
ブラケット５２とともに円周方向に移動する回転板８３
を配設し、この回転板８３に設けられたスリット孔８４
でＬＥＤ８１と受光素子８２との間の光線を投光、しや
光し、受光素子８２から０Ｎ−ＯＦＦ情報として第２ア
ーム５１の回転角度θ２を直接骨ることができる。これ
により、フレクスブライン４２の捩り変形等による影響
を受けることなく、第２アーム５１の高精度の回転角度
情報を得ることができる。そしてこの高精度の回転角度
情報と第２アーム５１の所定位置とのズレ量を、偏差値
としてトルクモータのポジションルーブヘフィードバッ
クすることで、第２アーム５１を所定位置に正確に停止
させることができる。

このように本実施例によれば、ハーモニックドライブ機
構のフレクスブライン４２内にトルクモータを収納しで
あるので、従来例で説明した、一般的なモータとハーモ
ニックドライブ機構とを、軸線方向に横並びに配置連結
したものと比べ、軸線方向の短縮化を図ることができ、
関節部分の小型化を図ることができる。

また、関節３０のケーシング３２、第２アーム５１側の
ブラケット５２等の外周が円筒形であり、剛性の高い関
節とすることができるとともに、外方向に大きく突出す
る部材がないので、マニピュレータとして狭隘な空間に
進入してゆくのに適している。

さらに構成部分が少なく、モジュール化されているため
、信頼性が高く、メンテナンスが容易で、関節の交換、
組立作業が容易である。

第５図は、第１図に示した斜旋回節とともに組合せて用
いられる同軸回転節を示す部分断面図である。この同軸
回転節においてｔよ、回転軸６４が、第１アーム３１と
第２アーム５１の軸線と一致して配置され、関節９０を
構成するケーシング３２、ハーモニックドライブ機構、
トルクモータ等は、第１図に示した斜旋回節と同一であ
り、これら同一構成要素については同一符号を用いて示
しである。

第１アーム３１と関節９０を接続するフランジ９１およ
び第２アーム５１と関節を接続するブラケット９２は、
傾斜７ランジ３３およびブラケット５２と異なり、第１
アーム３１、第２アーム５２へのそれぞれの接続面が回
転軸６４と直交するよう形成されている。

この実施例のように、トルクモータをハーモニックドラ
イブ機構のフレクスブライン４２内に収納して同軸回転
節を構成することにより、前述した斜旋回節と同様、小
型、経通で剛性の高い関節を得ることができる。また、
この実施例の同軸回転節と、前述した斜旋回節とを組合
せることにより、任意の位置に移動することのできる多
関節マニピュレータを得ることができる。

なお、前記した実施例においては、フレクスブラインの
捩り変形による回転角度のズレを、検出器８０と回転板
８３により直接検出補正しているが、この他に、フレク
スブライン４２のカップ形中間部の表面に歪ゲージを貼
り付け、伝達トルクに比例して変化するフレクスブライ
ン４２の歪量と、その時の歪ゲージの値との相関関係よ
り、トルク伝達時のフレクスブライン４２の歪Ｓを求め
、第２アーム５１０回転角度θ２を補正するようにして
もよい。この歪ゲージ方式によれば、検出器および回転
板を設けるための特別のスペースを必要とせず、関節構
造の一層の小型化を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、多関節マニピュ
レータの関節を小型、軽量化することができるとともに
、高精度で大きなトルクを伝達することのできる多関節
マニピュレータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による多関節マニピュレータの斜旋回節
を示す断面図、第２図はハーモニックドライブ機構を示
す第１図Ｉｆ−Ｉ線断面図、第３図は第１図Ａ部拡大図
、第４図は第３図ＩＶ　−ＩＶ線断面図、第５図は本発
明による多関節マニピュレータの同軸回転節を示す断面
図、第６図乃至第８図は従来の多関節マニピュレータに
おける同軸回転節、垂直旋回節および斜旋回節を示す断
面図である。 ３１・・・第１アーム、３２・・・ケーシング、３３・
・・傾斜フランジ、４０・・・ハーモニックドライブ機
構、４１・・・サーキュラスブライン、４２・・・フレ
クスブライン、４３・・・ウェーブジェネレータ、５１
・・・第２アーム、５２・・・ブラケット、６１・・・
固定子、６３・・・回転子、６４・・・回転軸、７０・
・・レゾルバ、８０・・・検出器、８３・・・回転板。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 躬２図 懇３目　　　熱り園

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１アームに対し第２アームを回動可能に接続する
   関節を備えた多関節マニピュレータにおいて、前記関節
   は、前記第２アームを回転駆動するトルクモータと、前
   記トルクモータの回転数を減速するカップ形ハーモニッ
   クドライブ機構を備え、前記トルクモータは、前記ハー
   モニックドライブ機構のカップ形フレクスブライン内に
   配設されていることを特徴とする多関節マニピュレータ
   。 ２、ハーモニックドイラブ機構の、サーキュラスブライ
   ンは第１アームの端部に、フレクスブラインは第２アー
   ムの端部にそれぞれ連結され、ウエーブジエネレータは
   トルクモータの回転子の嵌着された回転軸に取付けられ
   ているとともに、トルクモータの固定子は第２アームに
   固着されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の多関節マニピュレータ。