JPWO2014103550A1

JPWO2014103550A1 - マニピュレータ

Info

Publication number: JPWO2014103550A1
Application number: JP2014554228A
Authority: JP
Inventors: 徳和佐藤
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2017-01-12
Also published as: EP2939800A1; US20150352727A1; EP2939800A4; WO2014103550A1

Abstract

【課題】簡素な構造で高精度な制御が可能な上、耐久性にも優れたマニピュレータを提供する。【解決手段】第１アーム１０と、第１アーム１０の一端側に回動可能に支持された中間部材３０と、該中間部材３０に支持された第２アーム２０と、基端側が第１アーム１０によって支持されるとともに、その先端側のロッド部４２を前記中間部材３０における第１アーム１０の回動支点の周囲に係合した送りねじ機構４０とを備え、前記送りねじ機構４０のロッド部４２を進退させて前記中間部材３０を第１アーム１０に対し回動させるようにした。【選択図】図６

Description

本発明は、産業用ロボットや医療用ロボット、その他のロボット等に用いられるマニピュレータに関するものである。

従来、この種の発明には、特許文献１に記載されるもののように、屈伸運動が可能なフィンガー（１４）と、このフィンガーに一端側を止着した可撓性紐状のテンドン（５０）と、このテンドンの他端側を引っ張るリニアアクチュエータ（４８）とを備え、リニアアクチュエータ（４８）によりフィンガー（１４）を引っ張って屈曲させるようにしたものが知られている。

しかしながら、上記従来技術では、可撓性紐状のテンドン（５０）を引っ張ってフィンガー（１４）を曲げるようにしているため、フィンガー（１４）を逆方向へ曲げるためには、そのための別の１組以上のテンドン及びリニアアクチュエータ、あるいはバネ等が必要であり、機構が複雑になる要因となっていた。
また、テンドン（５０）を引っ張る構造であるため、テンドン（５０）の伸びのばらつきによって、フィンガー（１４）を屈曲させた際の角度がばらつく場合がある。さらに、テンドン（５０）に繰り返し加わる引張荷重により、テンドン（５０）が伸び切ってしまったり破断したりするおそれもある。そして、これらの問題は、特に使用期間が比較的長い場合に、伸びや経年劣化等に起因して顕著になる傾向がある。

特開２０１２−１５２８８９号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、簡素な構造で高精度な制御が可能な上、耐久性にも優れたマニピュレータを提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、第１アームと、第１アームの一端側に回動可能に支持された中間部材と、該中間部材に支持された第２アームと、基端側が第１アームによって支持されるとともに、その先端側のロッド部を前記中間部材における第１アームの回動支点の周囲に係合した送りねじ機構とを備え、前記送りねじ機構のロッド部を進退させて前記中間部材を第１アームに対し回動させるようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、簡素な構造で高精度な制御が可能な上、耐久性にも優れている。

本発明に係るマニピュレータの一例を示す斜視図である。同マニピュレータの他の屈曲態様を示す斜視図である。同マニピュレータの要部斜視図である。同マニピュレータの要部斜視図であり、一方のアームを二点鎖線で表現し、その内部を視えるようにしている。同マニピュレータの要部斜視図であり、一方のアームを二点鎖線で表現し、その内部を視えるようにしている。同マニピュレータの要部斜視図であり、双方のアームを二点鎖線で表現し、その内部を視えるようにしている。図６の（VII）−（VII）線に沿う縦断面図である。同マニピュレータの要部横断面図であり、中間部材を省いた状態を示す。同マニピュレータの要部斜視図であり、（ａ）は第２アームを一方へ回動させた状態を示す。同マニピュレータの要部斜視図であり、（ｂ）は第２アームを第１アームと直線状に配置した状態を示す。同マニピュレータの要部斜視図であり、（ｃ）は第２アームを他方へ回動させた状態を示す。

本実施の形態の第一の特徴は、第１アームと、第１アームの一端側に回動可能に支持された中間部材と、該中間部材に支持された第２アームと、基端側が第１アームによって支持されるとともに、その先端側のロッド部を前記中間部材における第１アームの回動支点の周囲に係合した送りねじ機構とを備え、前記送りねじ機構のロッド部を進退させて前記中間部材を第１アームに対し回動させるようにした。
この構成によれば、送りねじ機構のロッド部を前進させれば、第１アームに対し中間部材が一方へ回動し、この回動に伴って第２アームも一方へ回動する。また、同ロッド部を後退させれば、第１アームに対し中間部材が他方へ回動し、この回動に伴って第２アームも前記一方に対する逆方向へ回動する。

第二の特徴としては、第２アームを前記中間部材に対し前記第１アームの回動方向に対する交差方向へ回動するように支持し、第２アームによって支持されるとともに、進退可能なロッド部を前記中間部材における第２アームの回動支点の周囲に係合した第２の送りねじ機構を備え、第２の送りねじ機構のロッド部を進退させて前記中間部材を第２アームに対し回動させるようにした。
この構成によれば、第２の送りねじ機構のロッド部を進退させれば、中間部材に相対し第２アームが回動する。この際の回動方向は、中間部材に相対し第１アームが回動する方向に対し、交差する方向である。

第三の特徴としては、前記中間部材に対する前記ロッド部の係合箇所が前記ロッド部の進退に伴って前記回動支点に相対的に接近離隔するように、前記ロッド部と前記中間部材の一方に長孔を設けるとともに、その他方には前記長孔内で自在に移動可能な軸を設けた。
この構成によれば、送りねじ機構のロッド部を進退させて中間部材を回動させた際、中間部材に対するロッド部の係合箇所は、中間部材の円運動により、その円運動の回動支点に相対的に接近離隔するが、この接近離隔に伴い、ロッド部側又は中間部材側の軸がその他方側の長孔内で自在に移動するため、ロッド部の進退動作が妨げられるようなことがない。

第四の特徴としては、第１アーム及び第２アームは、それぞれ中空状に形成され、その内部に前記送りねじ機構を支持している。
この構成によれば、第１アーム、中間部材及び第２アームの外部に送りねじ機構等が外部に露出して、当該マニピュレータの外部に凹凸が形成されるのを防ぐことができる。その結果、当該マニピュレータが作業対象物以外の物に不要な干渉をするのを防ぐことができ、特に、人体内に挿入される低侵襲ロボットに適用するのに好適である。

第五の特徴としては、前記送りねじ機構を、電線から供給される電力によって前記ロッド部を進退させるように構成し、前記電線を、第１アーム、前記中間部材及び第２アームの内部に挿通した。
この構成によれば、当該マニピュレータの外部に電線が露出するのを防ぐことができる。その結果、電線が当該マニピュレータの作業対象物以外の物に不要な干渉をするのを防ぐことができる。

第六の特徴としては、第１アーム又は第２アームに相対する前記中間部材の回動を感知する感知部を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、第１アーム又は第２アームに対し中間部材が回動したこと容易に感知することができる。

次に、上記形態の好ましい具体例を、図面に基づいて詳細に説明する。

このマニピュレータ１は、図１〜図９Ｃに示すように、交互に配置された中空状の第１アーム１０及び第２アーム２０と、隣り合う第１アーム１０と第２アーム２０を回動可能に接続する中間部材３０と、第１アーム１０内に支持された第１の送りねじ機構４０と、第２アーム２０内に支持された第２の送りねじ機構５０と、第１アーム１０に対する中間部材３０の回動を感知する第１の感知部６０と、第２アーム２０に対する中間部材３０の回動を感知する第２の感知部７０とを具備している。

第１アーム１０と第２アーム２０は、同一形状の略筒状の部材であり、軸方向に交互に配置される（図１及び図２参照）。

第１アーム１０は、アーム本体１１と、アーム本体１１の軸方向の一端側と他端側にそれぞれ接続された接続部１２とから略一体筒状に形成される。

アーム本体１１は、図８に示すように、略円柱状に形成され、その内部には、軸方向へ連続し貫通する複数（図示例によれば四つ）の中空部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを有する。
これらのうちの一つの中空部１１ａには、第１の送りねじ機構４０が挿入され支持されている。
また、中空部１１ａと同径の中空部１１ｂは、アーム本体１１を第２アーム２０の一部とした場合に、第２の送りねじ機構５０を挿入し支持する。
また、中空部１１ａ，１１ｂよりも内径の小さい他の中空部１１ｃ，１１ｄは、第１の送りねじ機構４０や第２の送りねじ機構５０へ電力を供給する電線や、第１の感知部６０及び第２の感知部７０の信号を伝達する電線等を挿通する。

接続部１２は、アーム本体１１の一端と他端の各々から軸方向へ突出するとともに、径方向へ間隔を置いて配置された一片部１２ａ及び他片部１２ｂからなる。
第１アーム１０の一端側の一片部１２ａ及び他片部１２ｂは、同第１アーム１０の他端側の一片部１２ａ及び他片部１２ｂに対し、周方向へ角度９０°回転した状態で配置される。
一片部１２ａと他片部１２ｂの各々には、軸孔１２ａ１，１２ｂ１が設けられる。そして、各軸孔１２ａ１，１２ｂ１には、後述する中間部材３０の支持軸３１（図６参照）が回転自在に挿通される。

第２アーム２０は、上述したように、第１アーム１０と同一形状である。このため、この第２アーム２０の要部については、第１アーム１０の場合と同一の符号を付け、重複する詳細説明を省略する。

また、中間部材３０は、第１アーム１０又は第２アーム２０における接続部１２に対し回転自在に接続されている。
この中間部材３０は、径方向に間隔を置いて対向し合う第１辺部３０ａ及び第２辺部３０ｂと、これら辺部に直交し且つ径方向に間隔を置いて対向しあう第３辺部３０ｃ及び第４辺部３０ｄとからなる矩形枠状に形成される（図６参照）。

第１辺部３０ａと第２辺部３０ｂには、それぞれ、径方向の外側へ突出する支持軸３１（図６及び図７参照）が設けられる。さらに、第１辺部３０ａには、後述する第１の送りねじ機構４０のロッド部４２に係合する長孔３２を有する。
同様にして、第３辺部３０ｃと第４辺部３０ｄには、それぞれ、径方向の外側へ突出する支持軸３１が設けられ、さらに、第３辺部３０ｃには、後述する第２の送りねじ機構５０のロッド部５２に係合する長孔（図示せず）を有する。

そして、第１辺部３０ａ及び第２辺部３０ｂの各支持軸３１は、第１アーム１０における接続部１２の一片部１２ａと他片部１２ｂに挿通され、第１アーム１０に対して中間部材３０を回動自在に支持する（図６及び図７参照）。
同様に、第３辺部３０ｃ及び第４辺部３０ｄの各支持軸３１は、第２アーム２０における接続部１２の一片部１２ａと他片部１２ｂに挿通され、第２アーム２０に対して中間部材３０を回動自在に支持する。
なお、第１アーム１０に対する中間部材３０の回動方向と、第２アーム２０に対する同中間部材３０の回動方向とは直交する。

また、第１辺部３０ａの長孔３２は、第１アーム１０の回動支点となる支持軸３１の周囲に配置されるとともに、支持軸３１に対し接近離隔する方向へ長く形成されている。

長孔３２と同様に、第３辺部３０ｃの長孔（図示せず）も、第２アーム２０の回動支点となる支持軸３１の周囲に配置され、支持軸３１に対し接近離隔する方向へ長く形成されている（図４及び図６参照）。

また、第１の送りねじ機構４０は、基端側の回転駆動部４１と、該回転駆動部４１の回転運動によって進退するロッド部４２とを具備し、回転駆動部４１が第１アーム１０によって不動に支持されるとともに、ロッド部４２を中間部材３０における回動支点（支持軸３１）の周囲に係合している。

回転駆動部４１は、第１アーム１０に対し回転不能に支持された本体部４１ａと、該本体部４１ａから前方へ突出する出力軸４１ｂとを有する回転式の駆動モータであり、例えば、インナーローター型のブラシレスＤＣモータや、その他のアクチュエータにより構成される。
本体部４１ａは、円筒状のケーシング内に、固定子及び回転子、該回転子の回転速度を適宜に調整して出力軸４１ｂに伝達するギヤ等を具備している。
出力軸４１ｂは、本体部４１ａ側の前記回転子の回転力により双方向へ回転するように構成され、その先端側の外周面に雄ネジ部を有し、この雄ネジ部を後述するロッド部４２に螺合させている。
前記構成の回転駆動部４１は、出力軸４１ｂを第１アーム１０内の中空部１１ａ内外にわたって前方へ突出させた状態で、本体部４１ａを第１アーム１０内に回転不能に固定している。

回り止め部材４３は、本体部４１ａの中空部１１ａと、ロッド部４２との間に介在して、ロッド部４２を回転不能に保持する部材である（図８参照）。
詳細に説明すれば、この回り止め部材４３は、円柱軸状の部材であり、第１アーム１０に嵌り合うとともに、その外周面の一部分を中空部１１ａ内へ突出させている。一方、ロッド部４２の外周面には、その周方向の一部分に平坦部４２ｅが形成される。ロッド部４２は、平坦部４２ｅを回り止め部材４３の外周面に接触させることで、中空部１１ａ内で回転不能且つ進退可能に保持される。

ロッド部４２は、円筒状のガイド筒部４２ａと、該ガイド筒部４２ａの前側に接続された雌ネジ部４２ｂと、雌ネジ部４２ｂの前方側で中間部材３０に係合する係合軸４２ｃとを一体的に具備してなる。
ガイド筒部４２ａは、回転駆動部４１の本体部４１ａ外周面と、第１アーム１０の中空部１１ａ内周面との間に嵌り合って進退する。
雌ネジ部４２ｂは、回転駆動部４１の出力軸４１ｂ外周の雄ネジ部に螺合している。
係合軸４２ｃは、ロッド部４２の軸方向（図７によれば上下方向）に対し直交する方向へ突出する軸であり、中間部材３０の長孔３２に嵌り合う。なお、図示例によれば、この係合軸４２ｃは、第１アーム１０における接続部１２に形成された貫通孔１２ｂ２（図３参照）に挿通されてロッド部４２先端側に圧入される。

また、第２の送りねじ機構５０は、図６及び図７に示すように、基端側の回転駆動部５１と、該回転駆動部５１の回転運動によって進退するロッド部５２とから構成される。これらの構造は、上記第１の送りねじ機構４０と同一であり、回転駆動部５１を本体部（図示せず）及び出力軸（図示せず）により構成し、ロッド部５２をガイド筒部５２ａ、雌ネジ部５２ｂ及び係合軸５２ｃ等により構成している。
そして、この第２の送りねじ機構５０は、回転駆動部５１が第２アーム２０内に支持されるとともに、第１アーム１０側へ突出するロッド部５２を、第１の送りねじ機構４０の場合と同様にして、中間部材３０における第２アーム２０の回動支点の周囲の長孔（図示せず）に係合している。

なお、図７中、符号５３は、ロッド部５２を回転不能且つ進退可能にする回り止め部材である。この回り止め部材５３の構造も、第１アーム１０側の回り止め部材４３と同様である。

また、第１の感知部６０は、第１アーム１０側に固定された磁石６１と、中間部材３０側に固定されて磁石６１による磁界の変化に応じた電気信号を出力するホールセンサ６２とを具備する。この第１の感知部６０によれば、前記電気信号によって第１アーム１０に対する中間部材３０の回動角度を検出することができる。

同様に、第２の感知部７０は、第２アーム２０側に固定された磁石７１と、中間部材３０側に固定されて磁石７１による磁界の変化に応じた電気信号を出力するホールセンサ７２とを具備する。この第２の感知部７０によれば、前記電気信号によって第２アーム２０に対する中間部材３０の回動角度を検出することができる。なお、図３中、符号７３は、ホールセンサ７２を配設した電子回路基板であり、符号７３ａは、ホールセンサ７２による感知信号を出力する端子である。

上記構成のマニピュレータ１の内部には、各第１の送りねじ機構４０及び各第２の送りねじ機構５０へ電力を供給する電線や、ホールセンサ６２，７２の電気信号を出力する電線等が挿通され、これら電線は、図示しない外部の制御装置に接続される。

次に、上記構成のマニピュレータ１について、その作用効果を詳細に説明する。

先ず、図９Ｂ（ｂ）に示すように、第１アーム１０と第２アーム２０が直線状に位置した状態では、第１の送りねじ機構４０のロッド部４２先端側の係合軸４２ｃが、中間部材３０の長孔３２内で、第１アーム１０の回動支点（支持軸３１）に最も近付いた状態となる。

図９Ｂ（ｂ）に示す前記状態から第１の送りねじ機構４０のロッド部４２を後退させた場合、該ロッド部４２によって中間部材３０が引張られ、図９Ｂ（ｂ）に示すように、中間部材３０及び第２アーム２０は、回動支点（支持軸３１）を中心に一方向（図９Ａによれば反時計方向）へ回動する。
この回動の際、ロッド部４２の係合軸４２ｃは、長孔３２内で、前記回動支点（支持軸３１）から離れる方向へ移動する。また、中間部材３０及び第２アーム２０の回動角度は、第１の感知部６０によって検出される。

逆に、図９Ｂ（ｂ）に示す状態から第１の送りねじ機構４０のロッド部４２を前進させた場合には、ロッド部４２によって中間部材３０が押されるため、図９Ｃ（ｃ）に示すように、中間部材３０及び第２アーム２０は、回動支点（支持軸３１）を中心に他方向（図９Ｃによれば時計方向）へ回動する。
この回動の際、ロッド部４２の係合軸４２ｃは、長孔３２内で、回動支点（支持軸３１）から離れる方向へ移動する。また、中間部材３０及び第２アーム２０の回動角度は、第１の感知部６０によって検出される。

また、中間部材３０に対し、第２アーム２０を前記回動方向（図９Ａおよび図９Ｃに示す回動方向）と直交する方向へ回動する場合には、図示を省略するが、第２アーム２０内の第２の送りねじ機構５０を動作させればよい。この際の第２アーム２０の回動方向は、同中間部材３０に相対する第１アーム１０の回動方向に対し直交する方向である。また、この際の回動角度は、第２の感知部７０によって検出される。

よって、本実施の形態のマニピュレータ１によれば、第１の送りねじ機構４０及び第２の送りねじ機構５０を制御することによて、第１アーム１０と第２アーム２０の間の関節部分を、自在に曲げ伸ばしすることができる。
したがって、複数の第１の送りねじ機構４０及び第２の送りねじ機構５０をそれぞれ独立して駆動すれば、複数の前記関節部分をそれぞれ独立して曲げ伸ばしすることができ、例えば、一部の関節部分を同一の方向へ曲げたり、一部の関節部分と他の関節部分とを異なる方向に曲げたり等、様々なパターンの屈伸動作が可能である。
その上、複数のテンドンを用いる従来技術と比較し、各部の伸びや劣化に起因する動作精度の低下が少なく、構造が簡素な上、耐久性にも優れている。
また、第１アーム１０及び第２アーム２０の周囲に突出する部分がないため、第１アーム１０及び第２アーム２０が作業対象物以外の物に対し不要な干渉をするのを防ぐことができる。このため、特に人体内に挿入される低侵襲ロボットに適用するのに好適である。

なお、図示例では、合計７つの第１アーム１０及び第２アーム２０を長さ方向に交互に配置し連結しているが、他例としては、その連結数を適宜に変更することが可能である。

また、図示例では、中間部材３０に対し第１アーム１０と第２アーム２０の双方を回動可能に支持しているが、他例としては、中間部材３０に対し第１アーム１０と第２アーム２０のうちの一方のみを回動可能に支持し、他方を回動不能に固定することも可能である。この他例では、回動不能なアームに対応する送りねじ機構４０（又は５０）を省くことが可能である。

また、図示例では、中間部材３０に対するロッド部４２の係合箇所を回動支点（支持軸３１）に相対的に接近離隔させる手段の一例として、中間部材３０側の長孔３２とロッド部４２側の係合軸４２ｃとを嵌め合せたが、他例としては、ロッド部４２側に長孔を設けるとともに、中間部材３０側に係合軸を設けた態様や、前記長孔を溝に置換した態様、ロッド部４２の先端側と中間部材３０とを弾性体を介して接続した態様等とすることも可能である。

また、図示例では、第１アーム１０と第２アーム２０の各々における四つの中空部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに送りねじ機構４０（又は５０）及び電線等を配分して挿通したが、他例としては、単一の中空部に送りねじ機構４０（又は５０）及び電線等をまとめて挿通した態様や、二つ、三つ又は五つ以上の中空部に送りねじ機構４０（又は５０）及び電線等を適宜に配分して挿通した態様等とすることも可能である。

また、図示例では、中間部材３０に相対し第１アーム１０が回動する方向と、同中間部材３０に相対し第２アーム２０が回動する方向とが直交するようにしたが、他例としては、前記二つの方向が直交以外の角度で交差する構成とすることも可能である。

また、図示例では、第１の感知部６０及び第２の感知部７０を、ホールセンサによって構成したが、これら第１の感知部６０及び第２の感知部７０は、ホールセンサ以外の単数もしくは複数の接触式センサ（例えば、リミットスイッチ等）又は非接触式センサ（例えば、光電管スイッチ等）によって構成することも可能である。

また、図示例では、特に当該マニピュレータ１全体を小型化する観点から、第１及び第２の送りねじ機構４０，５０として、送りねじ部分にボールを有しない送りねじ機構を用いているが、他例としては、これら第２の送りねじ機構４０，５０として、送りねじ部分にボールを有する所謂ボールねじ機構を用いることも可能である。

１：マニピュレータ
１０：第１アーム
２０：第２アーム
３０：中間部材
３１：支持軸（回動支点）
３２：長孔
４０：第１の送りねじ機構
４１：回転駆動部
４２：ロッド部
４３：回り止め部材
５０：第２の送りねじ機構
５１：回転駆動部
５２：ロッド部
６０：第１の感知部
７０：第２の感知部

Claims

第１アームと、第１アームの一端側に回動可能に支持された中間部材と、該中間部材に支持された第２アームと、基端側が第１アームによって支持されるとともに、その先端側のロッド部を前記中間部材における第１アームの回動支点の周囲に係合した送りねじ機構とを備え、前記送りねじ機構のロッド部を進退させて前記中間部材を第１アームに対し回動させるようにしたことを特徴とするマニピュレータ。
第２アームを前記中間部材に対し前記第１アームの回動方向に対する交差方向へ回動するように支持し、第２アームによって支持されるとともに、進退可能なロッド部を前記中間部材における第２アームの回動支点の周囲に係合した第２の送りねじ機構を備え、第２の送りねじ機構のロッド部を進退させて前記中間部材を第２アームに対し回動させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
前記中間部材に対する前記ロッド部の係合箇所が前記ロッド部の進退に伴って前記回動支点に相対的に接近離隔するように、前記ロッド部と前記中間部材の一方に長孔を設けるとともに、その他方には前記長孔内で自在に移動可能な軸を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のマニピュレータ。
第１アーム及び第２アームは、それぞれ中空状に形成され、その内部に前記送りねじ機構を支持していることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載のマニピュレータ。
前記送りねじ機構を、電線から供給される電力によって前記ロッド部を進退させるように構成し、前記電線を、第１アーム、前記中間部材及び第２アームの内部に挿通したことを特徴とする請求項４記載のマニピュレータ。
第１アーム又は第２アームに相対する前記中間部材の回動を感知する感知部を設けたことを特徴とする請求項１〜５何れか１項記載のマニピュレータ。