JPS6311294A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、ロボットの手首部、アーム部等に用いること
のできる小刻みに屈曲する所謂フレキシブル関節機構に
関するものである。

従来技術及びその問題点 従来、上記のような多数のリンク等を組み合わせてなる
フレキシブル関節機構は、リンク等の回動部が多く、摩
擦に頼っているため、先端部分にかかった荷重が各関節
においてほぼ指数関数的に増幅され、根元の駆動源にお
いてｉｔ荷が非常に大きくなる欠点がある。

また、リンクの回動部における継手の連結部や歯車の噛
合部等のガタが累積され、手首先端部での位置決め精度
が低いと言う欠点を存している。

例えば、特開昭５２−１１１１５８号公報に記載された
フレキシブル関節機構では、回転トルクの伝達が自在継
手により行われており、同時に関節にかかった曲げモー
メントによって生じる反力もこの自在継手が受けること
になっている。しかしながら、自在継手の場合、自在継
手を構成する各ピンにラジアル荷重のみがかかっている
場合は、あまり大きなガタを生じないが、同時にピンの
軸方向へのスラスト荷重がかかるとガタや弾性変形の原
因となり、これらの誤差が根元部分から先端部分にかけ
て累積され、先端部分における大きな位置の誤差となっ
て現れる。

また、実開昭５３−１０４７６８号公報に記載されたフ
レキシブル手首においても、各関節の連結部に自在継手
が用いられているため、同様の問題を生じる。このよう
な問題点は特開昭５８−７１０９２号公報に記載された
フレキシブル手首においても同様である。

また、特開昭５７−８３３９２号公報には、フレキシブ
ルに連結された多数の関節部間にローブやワイヤ等をさ
しわたし、これらのローブやワイヤ等を適宜引っ張るこ
とにより関節部に撓みを与える機構が開示されているが
、上記のようなローブやワイヤ等は長時間の使用により
、永久変形を生じるため、手首先端の位置決め誤差が非
常に大きくなるという欠点を有するものであった。

発明の目的 従って、本発明が目的とするところは、ガタが非常に少
なく、しかも簡単な構成により大きな折曲角度を得るこ
とのできるフレキシブルな関節機構を提供することであ
る。

発明の構成 上記目的を達成するために、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、回転駆動源側に連結さ
れた第１の球面体と、被駆動部材が固着された第２の球
面体と、上記第１の球面体と第２の球面体とをそれぞれ
回転自在に保持し、且つ両球面体を常時接触させるべく
両球面体の中心間距離を一定に保持する球面体保持部材
と、上記球面体保持部材を第１の球面体の中心のまわり
に揺動駆動する球面体保持部材駆動手段と、上記第１の
球面体と第２の球面体との接触部に形成され、両球面体
相互のスリップを防止する噛合手段を具備してなる点に
係る関節機構である。

上記構成要素中、第１の球面体と第２の球面体とは、以
下の実施例のように同じ外径でも良いが、径を異ならせ
ることにより球面体保持部材の揺動角度に対する第２の
球面体及びこれに取り付けた被駆動部材の揺動角度を調
整することが可能である。また、噛合手段は、後記の実
施例のように同芯円上に放射状に配列した多数のピンと
、このピンを挿入するための上記ピンと同じンピソチで
穿設したビン孔とにより構成されるピン継手により構成
することができる一方、例えば同芯円歯車と緯線歯車の
組合せによって両球面体をスリップなしに常時接触させ
るもの、その他が選ばれる。

また、球面体保持部材は、通常、例えば概略円柱状に形
成され、その中心部に！Ｉ菫型の球面体収容部を形成し
、収容された両球面体をそれぞれ回転自在に保持すると
共に、両球面体が常時、点接触するように両球面体の中
心間距離を一定に保持する機能ををするものである。

作用 球面体保持部材駆動手段により球面体保持部材を第１の
球面体のまわりに揺動させると、この球面体保持部材に
保持された第２の球面体が第１の球面体のまわりに公転
する。これよにり第２の球面体と第１の球面体との噛み
合い位置がずれて第２の球面体が自転し、第２の球面体
に取り付けられた被駆動部材の方向が決定される。

一方、第１の球面体を回転駆動するとこの回転は第２の
球面体に伝達され、第１の球面体と同じ角度分だけ第２
の球面体及びこれに取り付けた被駆動部材が回動する。

実方缶イクリ 続いて、添付した図面を参照して本発明を具体化した実
施例につき説明し、本発明の理解に供する。

ここに第１ＴＩ！Ｊは本発明の一実施例に係る関節機構
をガイド部材の部分で切断した側断面図、第２図は同関
節機構を球面体保持部材駆動手段の部分で切断した側断
面図、第３図は第２図におけるＡ矢視図、第４図は第３
図におけるＢ矢視図、第５図（ａｌ及び（ｂｌは、上記
実施例に用いることができるピン継手の雄部側の構造を
示すもので、同図（ａｌはその正面図、同図中）は側断
面図、第６図は上記ピ　−ン継手の雌部側を示すもので
、同図（ａｔはその正面図、同図中）はその側断面図で
ある。

尚、以下の実施例は、本発明の一員体例に過ぎず、本発
明の技術的範囲を雨足する性格のものではない。

第１ｖＩＪにおいて、ロボットアームｌは、その先端に
軸受３によって回転自在に支承された駆動軸４を具備し
ている。上記駆動軸４は図示せぬ種々の連結部材を介し
て、モータ等の駆動源によって駆動される減速機に連結
されている。また、上記駆動軸４の先端には、第１の球
面体５が固着されている。従って駆動軸４が図示せぬモ
ータにより矢印６で示すようにその軸芯まわりに回転さ
れると、これと共に、第１の球面体５が上記駆動軸４の
軸芯のまわりに回転駆動されることになる。

上記第１の球面体５は略円筒状の球面体保持部材７の中
空部に穿った第１の球面体装着部８に装着されている。

上記第１の球面体装着部８は、上記第１の球面体５の外
径と同じ内径を有する球状曲面により構成されている。

従って第１の球面体５は、上記球面体装着部８内におい
て、遊び（ガタ）のない状態で回転自在に保持されてい
る。

また、上記球面体保持部材７には、上記第１の球面体装
着部８と全く等しい形状の第２の球面体装着部９が形成
され、この第２の球面体装着部９に前記第１の球面体５
と同じ形状の第２の球面体１０が遊び（ガタ）のない状
態で、回転自在に装着されている。

上記第２の球面体１０には、被駆動部材の一例である取
付軸１１が固着されている。この取付軸１１には、第３
図に示す如く、塗装ガン等の工具を取り付けるための工
具取付軸１２が固着されている。

上記第１及び第２の球面体５及び１０の表面には、両球
面体相互のスリップを防止するための噛合手段が形成さ
れている。この噛合手段の一例を第４図及び第５図に示
したピン継手により説明する。

このピン継手は、図に示す如く、球面歯車の構造となっ
ており、第５図Ｔａｌ及び（ｂｌに示すように仮想球面
ｐ、をピッチ面とし、上記第１の球面体５の中心点を中
心として放射状等ピツチ間隔で同一歯形の凸歯１４を複
数植設した雄側噛合部１３゜を一方の継手部材（雄側）
として有している。このような凸歯１４は、その断面を
示す第５図山）よりわかる如く、通常の平歯車等と同様
の断面形状をなし、その側面１５は、例えばインボリュ
ート曲線又はこれに近い曲線に形成されている。

また、上記雄側噛合部１３１と噛み合う第２の球面体１
０例の１１側噛合部１３ｂには、第６図＋ａ）及びＱ）
ｌに示すように仮想球面Ｐ２をピッチ面として、第２の
球面体１０の中心のまわりに放射伏等ピッチ間隔で同一
形状の凹穴１６が複数凹設されている。

上記凸歯１４同士のピンチＰ１と凹穴１６同士のピッヂ
Ｐトとは、両仮想球面ｐ、、ｐ、が互いに清らかに転が
り接触できるように同一ピッチとされ、且つ凸歯１４が
凹穴１６に噛み合って歯車同様の滑らかな接触を保つよ
うに凹穴１６の側面１７も対応する凸歯１４と同一形状
のインボリュート曲線又はこれに近い曲線の一部により
構成されている。

換言すれば、雄側噛合部１３．と雌側噛合部１３１、と
は共にその中央断面図である第５［！１（ｂｌと第６図
（ｂｌに見る通り、滑らかに噛み合うモジエールの等し
い歯車を形成し、仮想球面ｐ、、ｐ２はこの歯車のピッ
チ面に相当するものである。従って、雄側噛合部１３ａ
と雌側噛合部１３１．とが歯車同様の滑らかな噛み合い
を達成するために、第１の球面体５と第２の球面体１０
の中心間距離は、上記仮想球面ＰＩ（Ｐ２）の直径に等
しく設定されている。

そして、上記凸歯１４（凹穴１６）のピッチＰ。

（Ｐｂ　）が適当に細かく設定されていることにより両
噛合部１３−，１３ｂが噛み合った状態で複数の凸歯１
４と凹穴１６とが同時に噛み合い、従って一方の球面体
が回転すると他方の球面体がこれに従動して回転するこ
ととなり、真球面体相互のスリップが完全に防止される
ことになる。

前記球面体保持部材７には、第４図に示すように９０度
の角度を隔てて２本のピン１８ｍ、１８１゜が植設され
、これらのピン１８ｍ、’１８Ｉ、に球継手１９ｍ、１
９ｈを介して球面体保持部材駆動部材の一例である駆動
杆２０ｍ　＋　　２０ｈが揺動自在に連結されている。

この駆動杆２０ｍ、２０ｂは第２図及び第３図に示す如
く、ロボットアームｌ内に挿入され、ロボットアーム１
内に設けた図示せぬ駆動源に連結され、独立して進退運
動するものである。

以上の構成により、この実施例装置は本発明の目的を達
成するように作動することができる。しかしながらこの
実施例装置では、前記球面体保持部材７を揺動させよう
とした場合、球面体保持部材７と第１の球面体５との摩
擦抵抗により駆動軸４がたわむ可能性がある。そのため
第１の球面体５を常に所定の中心位置に保持する機構と
することが望ましい、そこでこの実施例では、さらに第
１図及び第４図に示す如く、上記球面体保持部材７を揺
動自在に保持するガイド部材が以下に述べる如く設けら
れている。

即ち、第１図及び第４図に示す如（、前記球面体保持部
材７には、前記ピン１８１及び１８％、の中間の位置に
一対のピン２１ｍ　、２１＋、が植設され、このピン２
１１及び２１１．にガイドローラ２２１．２２＋、が取
り付けられ、これらのガイドローラ２２□及び２２Ｉ、
が、前記ロボットアーム１から手首先端側へ突出する円
弧状のガイド樋２３゜、２３１．に摺動自在に嵌入され
ている。上記ガイドＩｉ２３ｍ　、　　２３ｂは、前記
第１の球面体５の中心点を中心とする円弧状に形成され
ている。従って、球面体保持部材７が揺動した場合、何
れかのガイドローラ２２□または２２−が常に上記ガイ
ド樋２３１または２３Ｉ、に嵌入され、球面体保持部材
７の駆動軸４の軸芯まわりに対する回動が規制される。

これにより第１の球面体５が駆動軸４のまわりに回転し
た場合であっても球面体保持部材７は、第１の球面体５
と一緒に共同ねりすることな（前記駆動杆２０．及び２
０Ｉ、の進退運動によってのみ駆動されて、第１の球面
体５のまわりに揺動運動するとになる。また逆に球面体
保持部材７を揺動させても、これにより駆動軸４がたわ
むような不都合が回避される。

続いて上記実施例の作用につき図を参照しつつ説明する
。まず、第２図及び第３図で示す状態、部ち取付軸１１
が駆動軸４と同軸の状態において、駆動杆２０ｍ、２０
ｂを同時に同じ量だけロボットアーム１内に引張り込む
と、この駆動杆２０゜、２０しの力は、球継手１９□、
１９し及びピン１８□、１８トを介して球面体保持部材
７に伝えられ、球面体保持部材７が第１の球面体５の中
心点面わりに第２図における反時計方向に回動する。

これにより上記球面体保持部材７に収容された第２の球
面体ｌＯも第１の球面体５の中心点のまわりに公転する
。上記第２の球面体１０は、第１の球面体５と前記した
ようにピン継手１３によりスリップのない状態で接触し
ているので、前記雄側噛合部１３□と雌側噛合部１３Ｉ
、との噛合により第２の球面体１０は、その中心まわり
に自転する。

ここに両球面体５．１０のピッチ円である仮想球面ｐ、
、ｐ２は、同じ直径に形成されているので、第２の球面
体ｌＯは、球面体保持部材７の揺動角度の２倍だけ自転
することになる。こうして第２図における反時計方向に
最も大きく回動した第２の球面体１０及び球面体保持部
材７の位置が二点鎖線（１０’、７’）で示されている
。また駆動杆２０．．２０ｔ、を第２図に実線で示す位
置から同じ量だけ進出させて行くと、球面体保持部材７
が第２図における時計方向に回動していく、このときの
球面体保持部材７及び第２の球面体１０の最も大きく回
動した位置が二点鎖線（７“、１０″）で示されている
。

一方、前記駆動杆２０．．２０ｂを互い違いに進退させ
ると、球面体保持部材７がビン２１１゜２１トのまわり
に回動することになる。第３図に示す如く、駆動杆２０
しを最大限進出させると共に、駆動限２０ｍを最大限後
退させると、球面体保持部材７が第３図に二点鎖線７１
で示す如く、第３図における反時計方向に回動し、これ
に伴って第２の球面体１０も１０１で示す位置まで回動
する。このときの球継手１９ｍ、１９Ｉ、の位置が１９
＊　’　、１９ｂ　’で示されている。また、逆に、駆
動杆２０１を最大限進出させ、駆動杆２０Ｉ。

を最大限後退せさると、球面体保持部材７は第３図にお
ける時計方向に回動し、このときの最大限回動した状態
が７＋、で示されている。またこのとき球継手１９ｍ、
１９６は、１９□”、１９＆“−の位置にまで回動して
いる。こうして駆動杆２０゜、２０しの進退量を適宜設
定することにより第２の球面体１０に一体的に連結した
工具取付軸１２を任意の方向に向けることができる。

次に、第１図に実線で示すように、取付軸１１を駆動軸
４と同軸にした状態、もしくは二点鎖線で示す如く、取
付軸１１を同軸４に対して適当に屈折させた状態におい
て、駆動軸４をその軸芯のまわりに矢印６で示すように
回転させると、駆動軸４と一体の第１の球面体５も駆動
軸４の軸芯まわりに回転し、この回転は、第１の球面体
５に対してスリップのない状態で接触している第２の球
面体１０に伝達され、第２の球面体が取付軸１１の軸芯
のまわりに第２の球面体５と同じ角度だけ回転する。上
記第１の球面体が回転するとこれに伴って球面体保持部
材７も回転しようとするが、球面体保持部材７はビン２
１１または２１１．及びガイドローラ２２ｍ、２２Ｌを
介して、ガイド樋２３、または２３ｂに係着されている
ので、球面体保持部材７の回動は阻止され、例えば第１
１１Ｊに二点鎖線で示す如く、取付軸１１が駆動軸４に
対して傾斜した状態でその傾斜角度を保ったままで取付
軸１１が駆動軸４と同じ回転速度で回転することになる
。

上記のようにこの機構では、取付軸１１のその軸芯まわ
りの回転と揺動とが全く独立して制御されることになり
、両輪が干衝しないので制御演算が簡略化されるという
長所も併せせ持っている。

発明の効果 本発明は以上述べたように、回転駆動源側に連結された
第１の球面体と、被駆動部材が固着された第２の球面体
と、上記第１の球面体と第２の球面体とをそれぞれ回転
自在に保持し、且つ両球面体を常時接触させるべく両球
面体の中心間距離を一定に保持する球面体保持部材と、
上記球面体保持部材を第１の球面体の中心のまわりに揺
動駆動する球面体保持部材駆動手段と、上記第１の球面
体と第２の球面体との接触部に形成され、両球面体相互
のスリップを防止する噛合手段とを具備してなる関節機
構であるから、フレキシブルに回動しあう各関節間に殆
どガタがなく且つ極めて滑らかな接合状態が得られ、手
首先端の位置決め精度が向上する。またガイド部材によ
って球面体保持部材を揺動自在に支持した場合には、第
１の球面体と球面体保持部材との連れ回わりが防止され
手首先端の位置決め精度が更に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る関節機構をガイド部材
の部分で切断した側断面図、第２図は同関節機構を球面
体保持部材駆動手段の部分で切断した側断面図、第３図
は第２図におけるＡ矢視図、第４図は第３図におけるＢ
矢視図、第５図＋ａ＋及び山）は、上記実施例に用いる
ことができるビン継手の雄部側の構造を示すもので、同
図（ａ）はその正面図、同図中）は側断面図、第６図は
上記ビン継手の雌部側を示すもので、同図（ａｌはその
正面図、同ｒＩ！Ｊ（ｂ目よその側断面図である。 （符号の説明） １・・・ロボットアーム　　４・・・駆動軸５・・・第
１の球面体　　　７・・・球面体保持部材８・・・第１
の球面体装着部 ９・・・第２の球面体装着部 ＩＯ・・・第２の球面体 １１・・・取付軸（被駆動部材） Ｐ＋、Ｐ２・・・仮想球面 １３・・・ピン継手 １３１・・・雄側噛合部　　１３ｋ・・・雌側噛合部１
４・・・凸歯　　　　　　１６・・・凹穴Ｐａ−Ｐｋ・
・・ビ、チ １８、．１８ｔ、・・・ピン １９ｍ　、　　１９ｂ・・・球継手 ２０ｈ　、　　２０ｈ・・・駆動杆 ２１ｍ　、　　２　ｌｂ・・・ピン ２２□、２２１．・・・ガイドローラ ２３、．２３ｔ、・・・ガイド樋。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転駆動源側に連結された第１の球面体と、被駆動
   部材が固着された第２の球面体と、 上記第１の球面体と第２の球面体とをそれ ぞれ回転自在に保持し、且つ両球面体を常時接触させる
   べく両球面体の中心間距離を一定に保持する球面体保持
   部材と、 上記球面体保持部材を第１の球面体の中心 のまわりに揺動駆動する球面体保持部材駆動手段と、 上記第１の球面体と第２の球面体との接触 部に形成され、両球面体相互のスリップを防止する噛合
   手段とを具備してなる関節機構。 ２、回転駆動源側に連結された第１の球面体と、被駆動
   部材が固着された第２の球面体と、 上記第１の球面体と第２の球面体とをそれ ぞれ回転自在に保持し、且つ両球面体を常時接触させる
   べく両球面体の中心間距離を一定に保持する球面体保持
   部材と、 上記球面体保持部材を第１の球面体の中心 のまわりに揺動駆動する球面体保持部材駆動手段と、 上記第１の球面体と第２の球面体との接触 部に形成され、両球面体相互のスリップを防止する噛合
   手段と、 上記第１の球面体のまわりに設けられ、上 記球面体保持部材を揺動自在に保持するガイド部材とを
   具備してなる関節機構。