JPS6215094A - 関節機構 - 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」 本発明は多数の関節を直列的に接続して、柔軟な可撓性
を得るための関節機構にかかり、特に任意の方向に撓み
得ると共に、関節先端部の位置決めを高精度に行うこと
ができ、且つ耐久性、柔軟性、剛性に優れ、ロボットや
マニプレータ等のアームや手首部等に好適な関節機構に
関するものである。

「従来技術とその問題点」 このような柔軟な関節機構の一例としては、特開昭５８
−７１０９２号公報に記載されたロボット用アームが知
られている。

このロボット用アームは同公報に記載されている如く、
多数の屈曲関節を備えるロボットアームにおいて、保持
枠と、この保持枠に回転可能に支持され、かつ回転駆動
手段に連結した軸体と、楔状に連結された複数個のリン
ク部材と、このリンク部材間の重なり合う部分を枢動可
能に連結する自在継手と、前記リンク部材における保持
枠側に近接するリンク部材と軸体とを枢動可能に連結す
る自在継手と、前記リンク部材および回転軸の対向する
端部を連結する点およびすべり対偶手段と、前記保持枠
側に最も近い自在継手に連結され、かつリンク部材に傾
動入力を加える傾動駆動手段とを備えたことを特徴とす
るもので、リンク部材の対向する端部を直線的に配列し
た点対偶手段と、すべり対偶手段とによって連結してい
る。この場合点対偶は一般にボール継手により実現され
、すべり対偶はスライダ状のすべり軸受によって実現さ
れるが、これらはいずれも摺動部分を有するものである
ため、ガタや遊びの発生する原因となっている。

そして上記のようなロボットアームは通常多数のリンク
部材を連結して用いるものであり、その結合部に用いら
れるボール継手やすべり軸受も多数用いられるものであ
るため、これらのガタや遊びが蓄積されて手首先端では
大きい位置ずれを生じることになる。

「発明の目的」 したがって本発明の目的は、上記のようなリンク間の結
合部におけるガタを減少させてロボット手首先端の位置
決め精度の向上を図ることである。

「発明の構成」 上記目的を達成するため本発明が採用する主たる手段は
、その要旨とするところが、鎖状に繋絡された複数の中
間リンクを自在継手を介して相互に任意の方向へ揺動可
能に連結すると共に、１つ置きの中間リンクを円筒部材
とこの円筒部材に装着されたポール部材よりなる回転摺
動継手を介して連結した点であり、中間リンクの連結部
には１つの摺動部しか有さない回転摺動継手が用いられ
るので、ガタの蓄積が少なくロボット手首先端の位置決
めネｎ度が向上するものである。

「実施例」 続いて添付図面を参照して本発明を具体化した実施例を
説明し、本発明の理解に供する。

ここに第１図は本発明の一実施例である４関節形の関節
機構の斜視図、第２図は同関節機構の伸張した状態を示
す平断面図、第３図は同関節機構の屈曲した状態を示す
平断面図である。

以下の説明中、水平、垂直の語は単に上記第１図乃至第
３図の図面上における概念を表し、ロボットアームを旋
回、揺動させることにより任意の方向へ傾斜するロボッ
トアームに直角の方向を示すものである。

手首関節機構の伸張状態を示す第１図及び第２図におい
て、部材２はロボットアームの先端ハウジング１に回転
可能に取り付けられた軸であり、この部材２を回転させ
ることにり手首関節機構３全体を回転させることができ
る。また部材２は、手首関節機構３の根元部分に設けた
自在継手Ｕ。

をその先端部に有している。

自在継手Ｕ０は種々の構造が考えられるが、いずれもそ
の基本的な構造は周知のものであり、例えば図に示した
ような揺動軸４とこれに直角の揺動軸５とを、円環状の
継手環Ｃ０にそれぞれ回転自在に取り付けた如き構造の
ものが考えられ、この場合揺動軸４を第１図示のように
部材２に水平方向に固定した状態では、継手ｆＪｌｃ０
はこの揺動軸４の周りに垂直面内において回転自在であ
り、且つ揺動軸５は上記継手環Ｃ０に対して、該揺動軸
５の軸芯に直角の面（水平面）内において回動自在であ
るから、結局揺動軸５に取り付けた枠体６は両揺動軸４
及び５の交叉する自在継手Ｕ０の中心０゜の周りに、任
意の方向に揺動自在に部材２によって支持されることに
なる。

このような自在継手Ｕ０の構造は、後続する自在継手Ｕ
ｌ　、Ｕ２　＋　・・・・・・についても全く同様であ
るが、これは自在継手の一例を示すのみで、本発明にお
ける自在継手はこのような構造に限定されず、その他種
々の周知の構造のものを用いることが可能である。

上記したように枠体６は、自在継手Ｕ０の揺動軸５に取
り付けられ、揺動軸５の周りに回動自在であり、該枠体
６の外周部には、その軸芯のまわりに回動自在に取り付
けた環状体Ｒが摺接している。この環状体Ｒには部材２
の軸方向に往復運動可能の駆動杆７．及び？＋、がボー
ル継手（不図示）によって揺動自在に連結されており、
この連結杆７ａ及び７しを部材２の軸方向に同時にまた
は交互に進退させることにより、枠体６を揺動軸５又は
４の周りに任意の角度揺動させ、任意の方向に指向させ
得るものである。

こうして任意の方向に指向する枠体６には、前方に向か
って伸びる左右の部材９１．９＋、及びその前端を連結
する部材９Ｃよりなる口字状のリンク９が固着されてお
り、この部材９１及び９トには、それぞれ前記自在継手
Ｕ０に隣接する自在継手Ｕ１の水平方向の揺動軸１０が
回動可能に取り付けられており、更にこの部材９ａ、９
ｔ、の先端部材９ｃには部材２の軸芯Ｊ０上に設けた回
転摺動継手８区が取り付けられている。

回転摺動継手Ｓ１は、シリンダ１１とこのシリンダｌｌ
内に軸方向に摺動自在で且つ回転自在に挿入されたボー
ル部材Ｂｌ　とより構成されており、ボール部材Ｂ、は
、更にその前方に延びる軸１２を有している。

向後記する回転摺動継手ｓｏ　ｌ　　Ｓ２．ｓ３．・・
・・・・の構造はそれぞれ上記回転摺動継手Ｓ、の構造
と同一のものを使用することができる。

第１の中間リンクＬ１は、第１図に示した状態において
垂直方向の後端側の部材１５□と前端側にあって水平方
向の部材１５Ｉ、と、両部材１５゜及び１５ｂを閉塞環
状に連結する部材１５ｅ及び１５ｊとより構成され、前
記コ字状のリンク９に対して鎖状に繋絡されている。

かかるリンク同志の関係は、後続する第２．第３・・・
・・・の中間リンクＬ２＋Ｌ３・・・・・・についても
同様で（但しこの実施例では第２の中間リンクＬ２まで
が設けられている）、Ｌ、はＬｌに対して、Ｌ３はＬ２
に対してそれぞれ鎖状に繋絡されており、且つ総ての中
間リンクは第１の中間リンクＬ１と同様に第１図におけ
る後端側の垂直方向の部材と、前端側の水平方向の部材
と、この両部材を連結する２個の部材とを閉塞環状に連
結して構成されている。

そして中間リンクは、それぞれその前端部及び、後端部
に回転摺動継手を有しており、これらの回転摺動継手を
介して１１［１置きの中間リンクを連結して関節の屈曲
部が構成されている。

例えば第１図における部材２の先端には、回転摺動継手
Ｓ０のボール部材Ｂ０と一体の軸１３が固着され、ボー
ル部材Ｂ０は中間リンクＬ、の後端部に設けた部材１５
．に固着した円筒部材の一種であるシリンダ１４に摺動
自在で且つ、回転自在に摺接し且つ、中間リンクＬ１の
前端に設けた部材１５ｔ、に固着した軸１６に一体のボ
ール部材Ｂ２は後端軸１７の後端に固設した円筒部材の
一例であるシリンダ１８内に摺動自在で且つ回転自在に
収容されている。

第２の中間リンクＬ２については、これが第１図に示し
た例の場合、最終の中間リンクであるために、その後端
部の部材１９！は、回転摺動継手Ｓ１によりリンク９の
前端部材１９ｃと連結されているが、その前端部には回
転摺動継手を設ける必要がない、但し中間リンクを更に
前方に連結して（Ｌ３．Ｌｌ・・・）関節の数を増やす
ことも可能であり、その場合には第２の中間リンクＬ２
についてもその前端側に回転摺動継手を配設して更に前
方の中間リンクと連結することになる。

上記のようにして、鎖状に繋絡された相隣合う中間リン
クし、、Ｌ２及び終端軸１７は、それぞれの交叉部分に
設けた第１．第２．第３の自在継手ｕ、、ｕ、、Ｕ、を
介して、相互に任意の方向へ揺動可能に連結されている
。　即ちリンク９と第１の中間リンクＬ１との交叉部分
には、第１の自在継手Ｕ、が介在し、この第１の自在継
手Ｕ１の第１図における水平方向の揺動軸１０．１０は
前記したように、リンク９の部材９１．９＆に直角に取
り付けられており、上記揺動軸１０．１０に対して直角
の揺動軸２０．２０は、それぞれ第１の中間リンクＬ１
の部材１５ｅにそれぞれ直角に連結され、かつ第１の中
間リンクＬ、と第２の中間リンクＬ２を連結する第２の
自在継手Ｕ２の第１図における水平方向の揺動軸２１．
２１は、第１の中間リンクＬ１の前記部材１５ｊにそれ
ぞれ直角に連結され、この揺動輪２１．２１に直角′の
揺動軸２２，２２は、第２の中間リンクＬ２を構成する
部材１９ｃに直角に連結されている。

第３の自在継手Ｕ３についても同様で、第２の中間リン
クＬ、の先端部に設けられた第３の自在継手Ｕ３を構成
する第１図における水平方向の揺動軸２４は、第２の中
間リンクＬ２に直角に固着され、揺動軸２４に直角の揺
動軸２５．２５はそれぞれ終端軸１７に直角に連結され
ている。

この実施例では、前記したように自在継手Ｕ３が最先端
の関節を構成しているため、それより前端へ伸びるべき
最先端の中間リンクＬ３は、上記したように一部分しか
必要でなく、この最先端の自在継手Ｕ３を介して揺動自
在に取り付けた終端軸１７がスプレーガン、溶接トーチ
等を取り付ける工具取付軸を構成している。

以上述べた手首関節機構における各関節の支持機構につ
いて以下に説明する。

即ち駆動杆？、、？、を、所定の位置に固定し、枠体６
を部材２の軸芯Ｊ０に直角に保持すると、揺動軸４．５
が共に軸芯Ｊ０に対して直角に固定されるので、自在継
手Ｕ０のなす平面はロボットアームに固定された部材２
の軸芯Ｊ０に対して、直角に保持される。従ってこの枠
体６より直角に前方へ伸びるリンク９が第１図、第２図
示のように水平面内において支持固定される。

又第１の中間リンクＬ、は、前記のように第１の自在継
手Ｕ１によってリンク９に対して任意の方向に揺動自在
に支障されているが、上記の枠体６が軸芯Ｊ０に同軸に
固定された状態においては回転摺動継手Ｓ０が部材２の
軸芯Ｊ０上に固定点として存在し、且つ自在継手Ｕ０の
中心Ｏ０、回転摺動継手Ｓ、、Ｓ、は軸芯Ｊ０上に一直
線に並び、これにより中間リンクＬＬの軸芯と軸芯Ｊ０
とが一致する。

こうして第１の中間リンクＬ１が水平方向に支持固定さ
れると、第２の自在継手Ｕ２の中心０２も前記軸芯Ｊ０
上に配置され、且つリンク９の部材９１及び９１．の先
端の部材９ｃに固着された回転摺動継手Ｓ１も軸芯Ｊ０
と同軸となるので、回転摺動継手Ｓ１が軸芯Ｊ。上に配
置され、その結果第２の中間リンクＬ２　も水平方向に
支持固定される。

以下同様に第３の中間リンクＬ３も、部材２の軸芯Ｊ０
の方向即ち、水平方向に支持固定され、結局全ての中間
リンクＬ、＋　　１．２及び最先端のリンクＬ３が第１
図及び第２図に示すように一直線上に配置され、この状
態が手首関節機構３のまっすぐに伸びた状態となり、そ
の先端に設けた工具取付用の終端軸１７が部材２の延長
線上に部材２と同軸に支持固定される。

次に第３図を参照して上記手首関節機構３を水平面内に
おいて屈曲させる場合の動作につき説明する　ここで簡
略化のために自在継手Ｕ０の中心０゜をａとし、ボール
部材Ｂ０の中心をｂ、第１の自在継手Ｕ、の中心をＣ，
ボール部材Ｂ１の中心をｄ、第２の自在継手Ｕ２の中心
０２をｅ、ボール部材Ｂ２の中心をｆ、第３の自在継手
Ｕ、の中心をｇとする。

まず第１図及び第２図に示した全関節の直線状態から、
駆動杆７１を矢印Ｘで示す後方へ、また駆動杆７ｉ、を
矢印Ｙで示す前方へ同し量だけ進退させると、自在継手
Ｕ０の揺動軸５の周りに揺動自在に支持された枠体６が
揺動軸５の周りに角度α０分だけ傾き、この枠体６に直
角に固着されたリンク９も同様に傾斜する。

従ってリンク９に取り付けられた第１の自在継手Ｕｌの
中心Ｃの位置が０１まで変位する一方、ボール部材Ｂ０
の中心すの位置は部材２の延長線上に固定されているた
め、固定の点ａ及びｂと第１の自在継手Ｕ１の中心点Ｃ
Ｉ　とによって三角形が形成される（以下第３図参照）
、この時、点すと０１とを結ぶ直線と点ａ、Ｃ１を結ぶ
直線とのなす角度をβとする。

又第１図に示した直線状態における第１の自在継手Ｕ、
の中心Ｃは、ａｃを半径としてＣＩの点にまで変位する
が、同時にｂｃの距離が不変であると点Ｃは、０１′の
位置まで変位せざるを得す、Ｃｌ　と０１′の位置に差
が生じるためリンク９の上記のような揺動運動は、不可
能となる。しかし本発明においては、ボール部材Ｂ０と
シリンダ１４との間は回転摺動状態で連結されているた
め、ｂｃ間の距離が伸縮自在であり、点Ｃは不変である
半径ａｃに合わせてｃｌの位置に変位することができる
。しかもボール部材Ｂ０と第１の自在継手Ｕ１に連結さ
れた中間リンクＬ１とは、前記回転摺動継手Ｓ０によっ
て連結されているので、回転摺動継手Ｓ０を端部にその
軸芯上に有する第１の中間リンクＬ、も直線ｂｃｌ上に
配置される。

そして第２の自在継手Ｕ、及びボール部材Ｂ。

についても、全て第１の中間リンクＬ、の軸芯上に設け
られているので、ボール部材Ｂａｔ　回転摺動継手Ｓ０
．第１の自在継手Ｕ１の中心、第２の自在継手Ｕ２の中
心、ボール部材Ｂ２が全て第１の中間リンクＬ、の軸芯
上に直線状に配置される。

更に前記した如く点すとＣＩとを結ぶ直線と点ａ、Ｃｌ
を結ぶ直線とのなす角度はβであり、且つ回転摺動継手
Ｓ１はリンク９の軸芯上に配設されているので、第１リ
ンクＬ１と回転摺動継手Ｓ。

の中心も第１リンクＬ１に対して角度βの傾きを有し、
ボール部材Ｂ１はリンク９の軸芯の延長線上にあって、
しかも第２の自在継手Ｕ２に対して一定の距離（ｄｅ）
隔たった位置にあるから、その中心ｄ、の位置は一義的
に決定され、第２の自在継手Ｕ２の中心ｅｌ　と点ＣＩ
＋　　ｄｌによって三角形が形成される。

第１図に示した直線状態では、ボール部材Ｂ。

の中心ｄは、第１の中間リンクＬ１の軸芯上にあったが
、第３図に示した状態では、第１の中間リンクＬ１の軸
芯から偏心してｄ、の位置に変位し、且つ蛸とｄｌとの
距離は不変であるため、点Ｃ１とｄ、との距離が変化せ
ざるを得ない、この距離の変化は、回転摺動継手８重に
よって吸収される。こうして第２の中間リンクＬ２は、
第２の自在継手Ｕ２を中心として、第１の中間リンクＬ
。

に対してγの角度だけ傾斜する。

以下同様の作動によって第１の中間リンクＬ。

の先端に設けたボール部材Ｂ２の中心ｒはｆｌまで変位
し、且つ第２の中間リンクし２上には、前記したボール
部材Ｂ、及び第２の自在継手Ｕ、と共に、第３の自在継
手Ｕ３が配設されることになり、第３の自在継手Ｕ３の
中心ｇがｇ＋の位置まで変化してｅＩ＋　　ｒｌ、ｇ＋
によって三角形が形成される。この時のボール部材Ｂ２
と第３の自在継手Ｕ３との間の距離の変化は、回転摺動
継手Ｓ。

によって吸収される。

又ボール部材Ｂ２．摺動継手Ｓ２．第３の自在継手Ｕ３
は、終端軸１７の軸芯上に一直線に並び、第２の中間リ
ンクし２と終端軸１７との間に第３の自在継手Ｕ３を中
心とする屈折角度δが得られることになる。

こうし°ζ枠体６を第１図に示した部材２に直角の状態
からαの角度だけ水平面内において傾けると、リンク９
は、部材２に対してαの角度だけ傾き、第１の中間リン
クＬ１は、リンク９に対してβの角度だけ傾き、又第２
の中間リンクＬ２は第１の中間リンクＬ、に対してγの
角度だけ傾くと共に、終端軸１７は、第２の中間リンク
Ｌ２に対してδの角度だけ揺動する。これらの揺動方向
は、全て同一の水平面内に存在するため、第３図に示し
た如く工具等の取付軸（終端軸１７）が当初軸芯Ｊ０の
方向に指向していたものが前記枠体６の角度α分の傾き
によってα＋β＋γ＋δ−θの分だけ揺動することにな
り、手首が徐々に柔軟に全体として屈折することになる
。

上記した手首関節機構３を垂直面内において揺動させる
場合には、駆動杆７．及び７ｉ、を矢印ＸまたはＹ方向
へ同じ量だけ進退させ、枠体６を揺動軸４の周りに垂直
面内において回動させることにより達成される。この場
合の各関節の屈折状態は、第３図に示したもと全く同様
であるので、ここでは説明を省略する。

上記した実施例においては、本発明を手首の関節機構に
用いた場合について説明したが、本発明にかかる関節機
構は、このような手首機構への通用に限定されるもので
はなく、部材２を固定台。

旋回台又は、他のアームの根元部分に取り付け、全体と
して柔軟に屈曲する腕機構に通用することも可能である
ことは当然である。

「発明の効果」 本発明は以上述べたように、鎮状に繋絡された複数の中
間リンクを自在継手を介して相互に任意の方向へ揺動可
能に連結すると共に、１つ置きの中間リンクを円筒部材
とこの円筒部材に装着されたボール部材よりなる回転摺
動継手を介して連結したことを特徴とする関節機構であ
るから、従来のロボット用アームのように屈折方向が一
方向に限定されることなく、任意の方向へ屈折、揺動す
ることができ、また屈折時に関節部の距離の変化を回転
摺動継手により吸収するものであるから回動部と摺動部
が回転摺動継手の１つの摺接面で実現されるので、ガタ
や遊びが少な（、アーム先端での位置決め精度が著しく
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である４関節形の関節機構の
斜視図、第２図は同関節機構の伸張した状態を示す平断
面図、第３図は同関節機構の屈曲した状態を示す平断面
図である。 （符号の説明） Ｕ、、Ｕ２．Ｕ、・・・自在継手 り、、Ｌ、・・・中間リンク Ｂ、、Ｂ２・・・ボール部材 Ｓ、、Ｓ２・・・回転摺動継手 ３・・・手首関節機構　　　６・・・枠体７１．７＆・
・・駆動杆　　９・・・リンクＪ０・・・部材２の軸芯
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鎖状に繋絡された複数の中間リンクを自在継手を
   介して相互に任意の方向へ揺動可能に連結すると共に、
   １つ置きの中間リンクを円筒部材とこの円筒部材に装着
   されたボール部材よりなる回転摺動継手を介して連結し
   たことを特徴とする関節機構。