TW201618912A - 機械臂機構 - Google Patents

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TW201618912A
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distance
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尹祐根
川口順央
佐野光
栗原眞二
髙瀨宗祐
前田摩美
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生活機器人學股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種於可動範圍內能够自構造上消除或減少臨界點姿勢之機械臂機構。機械臂機構具有複數個關節部(J1-J6)。複數個關節部中，第1關節部(J1)係以第1軸(RA1)為中心之旋轉關節，第2關節部(J2)係以第2軸(RA2)為中心之旋轉關節，第3關節部(J3)係以第3軸(RA3)為中心之直動關節。第2軸(RA2)係相對於第1軸(RA1)垂直設置，且配置於與第1軸(RA1)隔開第1距離(L1)之位置。第3軸(RA3)相對於第2軸(RA2)垂直設置，且配置於與第2軸(RA2)隔開第2距離(L2)之位置。

Description

機械臂機構
本發明之實施形態涉及一種機械臂機構。
圖14中表示先前之垂直多關節部臂機構。垂直多關節部臂機構針對位置要求3自由度(x、y、z)、針對姿勢要求3自由度(φ、θ、ψ)，通常係利用被稱為根部3軸之旋轉關節部J1、J2、J3及被稱為腕部3軸之旋轉關節部J4、J5、J6而實現。例如關節部J1、J4、J6應用扭轉關節部，關節部J2、J3、J5應用彎曲關節部。
此種多關節臂機構中，即便為可動範圍內亦存在無數臨界點姿勢，失去某個特定方向之自由度。臨界點姿勢下，正交座標與關節部角度之組之間的座標轉換運算存在無數個解(滿足某個座標位置之關節部角度之組)而無法控制，且關節部要求無限大之角速度，臨界點附近關節部之活動急速加快而產生「失控」。因此，現狀之應對方法為避開臨界點使用、或者犧牲末端移動速度等。作為臨界點，例如如圖15(a)所示，藉由將彎曲關節部J2、J3、 J5全部設為零度而扭轉關節部J1、J4、J6之旋轉軸RA1、RA4、RA6變得同軸，於該被稱為腕部臨界點之狀况下，無法唯一地決定該等扭轉關節部J1、J4、J6之旋轉角。該事態於至少2個扭轉關節部變得同軸之狀况下同樣會發生。作為其他臨界點姿勢，已知有：如圖15(b)所示，腕部3軸之關節部J4、J5、J6之旋轉軸RA4、RA5、RA6之交點位於形成臂基部之扭轉關節部J1之旋轉軸RA1上的所謂肩臨界點；如圖15(c)所示，腕部3軸之關節部J4、J5、J6之旋轉軸RA4、RA5、RA6之交點位於包含根部3軸之彎曲關節部J2、J3之旋轉軸RA2、RA3之平面上的所謂肘臨界點等。
本發明之目的在於提供一種於可動範圍內能够自構造上消除或減少臨界點姿勢之機械臂機構。
本實施形態之機械臂機構具有複數個關節部。複數個關節部中，第1關節部係以第1軸為中心之旋轉關節，複數個關節部中，第2關節部係以第2軸為中心之旋轉關節，複數個關節部中，第3關節部係以第3軸為中心之直動關節。第2軸係設於與第1軸垂直之方向，且配置於與第1軸隔開第1距離之位置。第3軸係設為與第2軸垂直 之朝向，且配置於與第2軸隔開第2距離之位置。
1‧‧‧基部
2‧‧‧臂部
3‧‧‧末端效應器
J1、J2、J4、J5、J6‧‧‧旋轉關節部
J3‧‧‧直動關節部
11a‧‧‧第1支持體
11b‧‧‧第2支持體
11c‧‧‧第3支持體
20‧‧‧第2連結鏈節排
21‧‧‧第1連結鏈節排
22‧‧‧第2連結鏈節
23‧‧‧第1連結鏈節
26‧‧‧結合鏈節
L1、L2、L3‧‧‧偏移距離
圖1係本實施形態之機械臂機構之外觀立體圖。
圖2係表示圖1之機械臂機構之內部構造之立體圖。
圖3係自剖面方向觀察圖1之機械臂機構之內部構造之圖。
圖4係藉由圖記號表現來表示圖1之機械臂機構之圖。
圖5係表示圖4之偏移距離L1、L2之一例之圖。
圖6係表示圖4之偏移距離L1、L2之另一例之圖。
圖7係表示藉由本實施形態使特定之姿勢不變成臨界點姿勢之圖。
圖8係表示圖4之偏移距離L1、L2、L3之一例之圖。
圖9係表示圖8之偏移距離L1、L2、L3之另一例之圖。
圖10係表示圖8之偏移距離L1、L2、L3之又一例之圖。
圖11係表示本實施形態之不產生臨界點之構造之圖。
圖12係表示本實施形態之機械臂機構之鏈路長之圖。
圖13係表示藉由本實施形態消除之臨界點姿勢之 圖。
圖14係藉由圖記號表現來表示先前之典型的垂直多關節部機械臂機構之圖。
圖15係表示先前之典型的臨界點姿勢之圖。
以下，一面參照圖式一面對本實施形態之機械臂機構進行說明。於以下之說明中，對具有大致相同功能及構成之構成要素附加相同符號，僅於必要情形時進行重複說明。
圖1係本實施形態之機械臂機構之外觀立體圖。圖2、圖3表示圖1之機械臂機構之內部構造。圖4藉由圖記號表現來表示圖1之機械臂機構。機械臂機構具有大致圓筒形狀之基部1及與基部1連接之臂部2。於機械臂部2之前端安裝有被稱為末端執行器之末端效應器3。圖1圖示可固持對象物之手部作為末端效應器3。末端效應器3並不限定於手部，亦可為其他工具、或相機、顯示器。亦可於機械臂部2之前端設置可更換為任意種類之末端效應器3之轉接器。
機械臂部2具有複數個、此處為6個關節部J1、J2、J3、J4、J5、J6。複數個關節部J1、J2、J3、J4、J5、J6係自基部1依序配設。一般而言，第1、第2、第3軸RA1、RA2、RA3被稱為根部3軸，第4、第5、第6軸RA4、RA5、RA6被稱為改變手部3之姿勢之腕部3軸。 構成根部3軸之關節部J1、J2、J3之至少一者為直動關節。此處，第3關節部J3構成為直動關節、尤其係伸縮距離相對較長之關節部。第1關節部J1係以例如被基座面垂直支持之第1旋轉軸RA1為中心之扭轉關節。第2關節部J2係以與第1旋轉軸RA1垂直配置之第2旋轉軸RA2為中心之彎曲關節。第3關節部J3係以與第2旋轉軸RA2垂直配置之第3軸(移動軸)RA3為中心而直線伸縮之關節。第4關節部J4係以與第3移動軸RA3一致之第4旋轉軸RA4為中心之扭轉關節，第5關節部J5係以與第4旋轉軸RA4正交之第5旋轉軸RA5為中心之彎曲關節。第6關節部J6係以與第4旋轉軸RA4正交、且與第5旋轉軸RA5垂直配置之第6旋轉軸RA6為中心之彎曲關節。
藉由第1關節部J1之扭動旋轉，臂部2與手部3一併回旋。藉由第2關節部J2之彎曲旋轉，臂部2與手部3一併以第2關節部J2之第2旋轉軸RA2為中心進行起伏移動。形成基部1之臂支持體(第1支持體)11a具有以第1關節部J1之旋轉軸RA1為中心形成之圓筒形狀之中空構造。第1關節部J1係安裝於未圖示之固定台。當第1關節部J1旋轉時，第1支持體11a係與臂部2之回旋一併進行軸旋轉。另，第1支持體11a亦可固定於接地面。於此情形時，係設為與第1支持體11a分開而臂部2獨立回旋之構造。於第1支持體11a之上部連接有第2支持部11b。
第2支持部11b具有與第1支持部11a連續之中空構造。第2支持部11b之一端係安裝於第1關節部J1之旋轉部。第2支持部11b之另一端開放，第3支持部11c係於第2關節部J2之旋轉軸RA2轉動自如地嵌入。第3支持部11c具有與第1支持部11a及第2支持部連通之鱗片狀之中空構造。第3支持部11c係伴隨第2關節部J2之彎曲旋轉而其後部收容或送出至第2支持部11b。構成臂部2之直動關節部之第3關節部J3之後部係藉由其收縮而被收納於第1支持部11a與第2支持部11b連續之中空構造之內部。
第1關節部J1包含圓環形狀之固定部及旋轉部，固定部係固定於基座。於旋轉部安裝有第1支持部11a及第2支持部11b。當第1關節部J1旋轉時，第1、第2、第3支持體11a、11b、11c以第1旋轉軸RA1為中心而與臂部2及手部3一併回旋。
第3支持部11c係其後端下部以旋轉軸RA2為中心轉動自如地嵌入至第2支持部11b之開放端下部。藉此，構成作為以旋轉軸RA2為中心之彎曲關節部之第2關節部J2。當第2關節部J2轉動時，臂部2與手部3一併以第2關節部J2之旋轉軸RA2為中心朝垂直方向轉動、即起伏動作。第2關節部J2之旋轉軸RA2係設為與作為扭轉關節部之第1關節部J1之第1旋轉軸RA1垂直。
如上述般，作為關節部之第3關節部J3構成臂部2之主要構成物。於臂部2之前端設有上述手部3。藉由第 1至第6關節部J1-J6之轉動、彎曲、伸縮，可將手部3之2指手16配置為任意之位置‧姿勢。尤其係，第3關節部J3之直動伸縮距離之長度可實現手部3對基部1之近接位置至遠隔位置之廣範圍之對象的作用。
第3關節部J3之特徵為藉由構成其之直動伸縮臂機構而實現之直動伸縮距離之長度。直動伸縮距離之長度係藉由圖2、圖3所示之構造達成。直動伸縮臂機構具有第1連結鏈節排21及第2連結鏈節排20。於臂部2水平配置之基準姿勢下，第1連結鏈節排21位於第2連結鏈節排20之下部，第2連結鏈節排20位於第1連結鏈節排21之上部。
第1連結鏈節排21具有相同之剖面字形狀，包含藉由銷而於背面部位排狀連結之複數個第1連結鏈節23。具備如下性質：因利用第1連結鏈節23之剖面形狀及銷實現之連結位置，而第1連結鏈節排21可向其背面方向BD彎曲但無法反過來朝表面方向FD彎曲。第2連結鏈節排20具有寬度與第1連結鏈節23大致相等之大致平板形狀，包含以於背面方向及表面方向均可彎曲之狀態利用銷排狀連結之複數個第2連結鏈節22。第1連結鏈節排21係藉由結合鏈節26而與第2連結鏈節排20於前端部結合。結合鏈節26具有第1連結鏈節23與第2連結鏈節22成為一體之形狀。結合鏈節26為始端，第2連結鏈節排20與第1連結鏈節排21一併自第3支持部11c送出時，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20相互接 合。第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係藉由結合鏈節26而於前端部結合，各自之後部被保持於第3支持體11c之內部防止脫出，藉此保持接合狀態。當第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20保持接合狀態時，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20之彎曲被限制，藉此由第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20構成具備一定剛性之柱狀體。當第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20相互分離時，彎曲限制被解除，分別恢復成可彎曲之狀態。第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係於第3支持體11c之開口附近接合並被送出。第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係於第3支持體11c之內部分離，分別變成可彎曲之狀態。第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20單獨地彎曲，且於第1支持體11a之內部單獨地收容。
如圖2所示，於第2連結鏈節22之內側分別形成有線性齒輪22a。線性齒輪22a於第2連結鏈節22成直線狀時連結，而構成連續之線性齒輪。如圖3所示，第2連結鏈節22於第3支持體11c內係被夾持於輥R1與驅動齒輪24a之間。線性齒輪22a嚙合於驅動齒輪24a。驅動齒輪24a藉由馬達M1而正向旋轉，藉此第2連結鏈節排20與第1連結鏈節排21一併自第3支持體11c被送出。此時，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係被設於第3支持體11c之開口附近之一對上下輥R2、R4夾持，相互擠壓而接合，於該狀態下沿著第3移動軸RA3直線地 被送出。驅動齒輪24a藉由馬達M1而逆向旋轉，藉此第2連結鏈節排20與第1連結鏈節排21於第3支持體11c之內部於上下輥R2、R4之後方解除接合狀態而相互分離。分離後之第2連結鏈節排20與第1連結鏈節排21分別恢復為可彎曲之狀態，被設於第2、第3支持體11b、11c之內部之導軌引導，朝沿著第1旋轉軸RA1之方向彎曲，並收容至第1支持體11a之內部。
如圖1所示，手部3係裝配於臂部2之前端。手部3係藉由第1、第2、第3關節部J1、J2、J3而移動至任意位置，藉由第4、第5、第6關節部J4、J5、J6而配置成任意姿勢。手部3具有開閉之2個指部16a、16b。第4關節部J4係具有與沿著臂部2之伸縮方向之臂部2之中心軸、即第3關節部J3之移動軸RA3典型一致之旋轉軸RA4的扭轉關節。若第4關節部J4旋轉，則手部3自第4關節部J4朝前端以旋轉軸RA4為中心旋轉。
第5關節部J5係具有與第4關節部J4之移動軸RA4正交之旋轉軸RA5之彎曲關節部。若第5關節部旋轉，則手部16自第5關節部J5朝前端上下轉動。第6關節部J6係具有與第4關節部J4之旋轉軸RA4正交、與第5關節部J5之旋轉軸RA5垂直之旋轉軸RA6的彎曲關節。若第6關節部J6旋轉則手部16左右回旋。
圖4利用圖記號表現來表示圖1之機械臂機構。機械臂機構藉由構成根部3軸之第1關節部J1、第2關節部J2及第3關節部J3、以及構成腕部3軸之第4關節部 J4、第5關節部J5及第6關節部J6，實現3個位置自由度及3個姿勢自由度。第1關節部J1係配設於第1支持部11a與第2支持部11b之間，構成為以旋轉軸RA1為中心之扭轉關節。旋轉軸RA1係與設置有第1關節部J1之固定部之基座之基準面BP垂直地配置。與旋轉軸RA1平行地規定Z軸。為了便於說明，規定與以Z軸為中心之第1關節部J1之旋轉一併旋轉之旋轉座標系(XYZ)。
第2關節部J2構成為以旋轉軸RA2為中心之彎曲關節。第2關節部J2之旋轉軸RA2係設為與旋轉座標系上之X軸平行。第2關節部J2之旋轉軸RA2係設為與第1關節部J1之旋轉軸RA1垂直之朝向。再者，第2關節部J2之旋轉軸RA2係配置於相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1而於Y軸方向隔開之位置。即，第2關節部J2係其旋轉軸RA2配置於在與第1關節部J1之旋轉軸RA1及第2關節部J2之旋轉軸RA2正交之方向上和第1關節部J1之旋轉軸RA1隔開之位置。於此方向上第2關節部J2之旋轉軸RA2係與第1關節部J1之旋轉軸RA1隔開既定距離(偏移距離)L1。藉此，第2關節部J2係設為其旋轉軸RA2與第1關節部J1之旋轉軸RA1不交叉(偏移)之狀態。以第2關節部J2之旋轉軸RA2於上述方向以偏移距離L1自第1關節部J1之旋轉軸RA1偏移之方式，將第2支持體11b安裝於第1支持體11a。於第1關節部J1連接第2關節部J2之虛設之臂杆部分(鏈接部分)係具有前端彎成直角之2個鈎形狀體組合而成之曲柄形狀。該 虛設之臂杆部分係由具有中空構造之第1、第2支持體11a、11b構成。
另，以第2關節部J2之旋轉軸RA2如上述般自第1關節部J1之旋轉軸RA1偏移之方式將第2關節部J2配置於第1關節部J1之構造，當然包括使第2關節部J2之構造之中心於Y軸方向僅以偏移距離L1自第1關節部J1之構造的中心偏移而配置，此外亦包含於X軸方向、即沿著第2關節部J2之旋轉軸RA2之方向亦偏移任意距離而配置的構成。
第3關節部J3係構成為以移動軸RA3為中心之直動關節。第3關節部J3之移動軸RA3係設為與第2關節部J2之旋轉軸RA2垂直之朝向。於第2關節部J2之旋轉角為零度、即臂部2之起伏角為零度且臂部2水平之基準姿勢下，第3關節部J3之移動軸RA3係設於與第2關節部J2之旋轉軸RA2及第1關節部J1之旋轉軸RA1同時垂直之方向。於旋轉座標系上，第3關節部J3之移動軸RA3係設為與和X軸及Z軸垂直之Y軸平行。再者，第3關節部J3之移動軸RA3自第2關節部J2之旋轉軸RA2朝與此旋轉軸RA2及移動軸RA3正交之方向隔開。第3關節部J3之移動軸RA3與第2關節部J2之旋轉軸RA2之間之距離(偏移距離)為L2。移動軸RA3與旋轉軸RA2不交叉(偏移)。
如此，第3關節部J3之移動軸RA3係設為與第2關節部J2之旋轉軸RA2垂直，且配置於自第2關節部J2之 旋轉軸RA2僅以偏移距離L2隔開之位置，以第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2設置之方式，於構造上將第3關節部J3配置於第2關節部J2。於第2關節部J2連接第3關節部J3之虛設之臂杆部分(鏈接部分)具有前端垂直彎曲之鈎形狀體。該虛設之臂杆部分係由第2、第3支持體11b、11c構成。
另，以第3關節部J3之移動軸RA3如上述般自第2關節部J2之旋轉軸RA2偏移之方式，將第3關節部J3配置於第2關節部J2之構造上，當然包含使第3關節部J3之中心線(移動軸RA3)僅以偏移距離L2自第2關節部J2之構造至中心偏移而配置，此外亦包含於X軸方向、即沿著第2關節部J2之旋轉軸RA2之方向亦偏移任意距離而配置之構成。
第4關節部J4係構成為以旋轉軸RA4為中心之扭轉關節。第4關節部J4之旋轉軸RA4係以與第3關節部J3之移動軸RA3大致一致之方式配置。第5關節部J5係構成為以旋轉軸RA5為中心之彎曲關節。第5關節部J5之旋轉軸RA5係以與第3關節部J3之移動軸RA3及第4關節部J4之旋轉軸RA4大致正交之方式配置。第6關節部J6係構成為以旋轉軸RA6為中心之扭轉關節。第6關節部J6之旋轉軸RA6係以與第4關節部J4之旋轉軸RA4及第5關節部J5之旋轉軸RA5大致正交之方式配置。第6關節部J6係用於使作為末端效應器之手部3回旋而設置，可作為其旋轉軸RA6與第4關節部J4之旋轉軸RA4 及第5關節部J5之旋轉軸RA5大致正交之彎曲關節而安裝。
如圖5所示，第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1係與第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2之偏移距離L2不同。如圖5(a)所示，第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1係設定為較第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2之偏移距離L2長。如圖5(b)所示，第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1，亦可設定為較第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2之偏移距離L2短。
另，如圖6(a)所示，亦可將第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1維持為既定值，將第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2之偏移距離L2設為零值。即，亦可使第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1偏移，且不使第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2偏移，而是使第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2正交。又，如圖6(b)所示，亦可將第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2之偏移距離L2維持為既定值，將第2關節部J2之旋轉軸RA2 相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1設為零值。即，亦可使第3關節部J3之移動軸RA3相對於第2關節部J2之旋轉軸RA2偏移，且不使第2關節部J2之移動軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1偏移，而是使第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1正交。
根據本實施形態，將複數個關節部J1-J6之尤其根部3軸中之至少一個彎曲關節部更換為直動關節部，進而如圖5所示，使第2關節部J2之旋轉軸RA2僅以偏移距離L1自第1關節部J1之旋轉軸RA1隔開，使第3關節部J3之移動軸RA3以與偏移距離L1不同之偏移距離L2自第2關節部J2之旋轉軸RA2隔開，且如圖6所示，將偏移距離L1與偏移距離L2之一方設為零值，僅使旋轉軸RA1與旋轉軸RA2、旋轉軸RA2與移動軸RA3之一方隔開，藉此如圖5、圖6所示，即便以臂部2最大延伸之方式使彎曲關節部J2、J5旋轉，亦可實現扭轉關節部J1之旋轉軸RA1自其它扭轉關節部J4之旋轉軸RA4僅以偏移距離L1與偏移距離L2之差偏移之配置，故而如圖13(a)、圖13(b)所示，扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J4之旋轉軸RA4不會排成一直線，從而可自構造上消除該臨界點姿勢。
另，如圖7所示，彎曲關節部J2、J5之旋轉軸RA2、RA5係於垂直方向呈一直線狀排列，看上去宛若臨界點姿勢，但本實施形態中，藉由將第3關節部J3設為 直動關節而可利用第3關節部J3之伸縮避免該排列，因此並非臨界點姿勢，當可容易地理解自構造上能有效地消除臨界點姿勢。
再者，於本實施形態中，如圖8所示，於第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1，較第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L2長的情形時，係以第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋轉軸RA6之間之距離L3不同於偏移距離L1與偏移距離L2之差(L1-L2)的方式，配設第5關節部J5及第6關節部J6。如圖8(a)所示，第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋轉軸RA6之距離L3係設為較偏移距離L1與偏移距離L2之差(L1-L2)短，或者如圖8(b)所示，第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋轉軸RA6之間之距離L3，設為較偏移距離L1與偏移距離L2之差(L1-L2)長。
同樣地，如圖9所示，於第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L1，較第2關節部J2之旋轉軸RA2相對於第1關節部J1之旋轉軸RA1之偏移距離L2短的情形時，係以第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋轉軸RA6之間之距離L3不同於偏移距離L1與偏移距離L2之差(L2-L1)的方式，配設第5關節部J5與第6關節部J6。如圖9(a)所示，第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋 轉軸RA6之間之距離L3，係設為較偏移距離L1與偏移距離L2之差(L2-L1)短，或者如圖9(b)所示，第5關節部J5之旋轉軸RA5與第6關節部J6之旋轉軸RA6之距離L3，係設為較偏移距離L1與偏移距離L2之差(L2-L1)長。
當旋轉軸RA5與旋轉軸RA6之距離L3同偏移距離L1與偏移距離L2之差實質上相同時，如圖13(a)所示，自基準姿勢將彎曲關節部J2旋轉90度，將彎曲關節部J5反方向旋轉90度之情形時，且如圖13(b)所示，自基準姿勢將彎曲關節部J2旋轉90度，將彎曲關節部J5同方向旋轉90度之情形時，產生扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6成一直線的臨界點姿勢。然而，如圖8、圖9所示般以旋轉軸RA5與旋轉軸RA6之距離L3不同於偏移距離L1與偏移距離L2之差的方式配設第5關節部J5及第6關節部J6，藉此如圖8(a)、圖9(a)所示，可使扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6，以自偏移距離L1與偏移距離L2之差減去旋轉軸RA5與旋轉軸RA6之距離L3所得的距離偏移，從而可自構造上消除扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6成一直線之臨界點姿勢。同樣地，如圖8(b)、圖9(b)所示，可使扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6，以自偏移距離L1與偏移距離L2之差減去旋轉軸RA5與旋轉軸RA6之距離L3所得的距離偏移，從而可自 構造上消除扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6成一直線之臨界點姿勢。
另，於圖10例示之特定條件下，亦可采用彎曲關節部J5之旋轉軸RA5與彎曲關節部J6之旋轉軸RA6之間之距離L3，同偏移距離L1與偏移距離L2之差(L1-L2)一致的構造。當然，彎曲關節部J2之起伏角(旋轉角)θ 1存在構造上之旋轉極限。另，彎曲關節部J2之起伏角(旋轉角)θ 1係將臂部2為水平姿勢、換言之直動關節部J3之移動軸RA3水平時之角度設為零度，將上方設為正角、下方設為負角而表示者。此外，彎曲關節部J5之旋轉角θ 2係將彎曲關節部J5與扭轉關節部J6之中心點間軸(鏈路軸)LA56和直動關節部J3之移動軸RA3一致時之角度設為零度，將上方設為正角、下方設為負角而表示者。於圖10中將最大起伏角(最大旋轉角)表述為θ 1max。且彎曲關節部J5之旋轉角θ 2亦存在構造上之旋轉極限，將其最大旋轉角表述為θ 2max。於扭轉關節部J4為基準角、即彎曲關節部J5之旋轉軸RA5與彎曲關節部J2之旋轉軸RA2平行之姿勢下，即便具有該等彎曲關節部J2之最大旋轉角θ 1max及彎曲關節部J5之最大旋轉角θ 2max時彎曲關節部J5與扭轉關節部J6之鏈路軸LA56亦不會變得水平的條件下，扭轉關節部J6之旋轉軸RA6不會與扭轉關節部J1之旋轉軸RA1平行，因此可謂該姿勢不會變成臨界點姿勢。典型而言，彎曲關節部J2之最大旋轉角θ 1max未達90°，彎曲關節部J5之最大旋 轉角θ 2max未達(90°+(90°-θ 1max))。於此條件下，本實施形態之機械臂機構中，彎曲關節部J5之旋轉軸RA5與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6之間之距離L3可能和偏移距離L1與偏移距離L2之差(L1-L2)一致。
另，如圖13(c)所示，於自基準姿勢將彎曲關節部J2旋轉90度以外之角度，且旋轉彎曲關節部J5使得扭轉關節部J6之旋轉軸RA6變得垂直的情形時，有可能產生扭轉關節部J1之旋轉軸RA1與扭轉關節部J6之旋轉軸RA6成一直線之臨界點姿勢。
於本實施形態中，如圖11所示，為了使構造上不產生該臨界點姿勢，係以彎曲關節部J2以其構造上之最大起伏角θ max(該情形時超過90°)旋轉後之狀態下扭轉關節部J6之旋轉軸RA6於扭轉關節部J1之旋轉軸RA1近前停止的方式，調整鏈路長(關節中心點間距離)d0-d5之組合。如圖12所示，d0係第1關節部J1與第2關節部J2之間之鏈路長，d1係第1關節部J1與第2關節部J2之間之鏈路長，d2係第2關節部J2與第3關節部J3之間之鏈路長，d3+△d(△d為直動關節部J3之最大伸長距離)係第2關節部J2與第4關節部J4之間之鏈路長，d4係第4間接部J4與第5關節部J5之間之鏈路長距離，d5係第5間接部J5與第6關節部J6之間之鏈路長。
根據本實施形態，可藉由構造上之處理消除或減少可動範圍內之各種臨界點姿勢之產生。
雖對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施 形態係作為示例而提示者，並不意圖限定發明之範圍。該等實施形態能以其他各種形態實施，且於不脫離發明主旨之範圍內可進行省略、置換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明範圍及主旨，同樣包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等範圍內。
3‧‧‧末端效應器
BP‧‧‧基準面
J1、J2、J4、J5、J6‧‧‧旋轉關節部
J3‧‧‧直動關節部
L1、L2、L3‧‧‧偏移距離
RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6‧‧‧旋轉軸

Claims (13)

  1. 一種機械臂機構，其具有複數個關節部，其特徵在於：上述複數個關節部中，第1關節部係以第1軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第2關節部係以第2軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第3關節部係以第3軸為中心之直動關節，上述第2軸相對於上述第1軸垂直設置，且配置於與上述第1軸隔開第1距離之位置，上述第3軸相對於上述第2軸垂直地設置，且配置於與上述第2軸隔開第2距離之位置。
  2. 如申請專利範圍1之機械臂機構，其中上述第1、第2、第3關節部係自基台依序配置。
  3. 如申請專利範圍1之機械臂機構，其中上述第1距離係與上述第2距離不同。
  4. 如申請專利範圍3之機械臂機構，其中上述第1距離較上述第2距離長。
  5. 如申請專利範圍3之機械臂機構，其中上述第1距離較上述第2距離短。
  6. 如申請專利範圍1之機械臂機構，其中上述第2軸相對於上述第1軸朝與上述第1軸及上述第2軸垂直之方向隔開。
  7. 如申請專利範圍1之機械臂機構，其中上述第3軸相對於上述第2軸朝與上述第2軸及上述第3軸垂直之方向隔開。
  8. 如申請專利範圍2之機械臂機構，其中上述複數個關節部中，第4關節部係以與上述第3軸大致一致之第4軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第5關節部係以與上述第4軸垂直之第5軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第6關節部係以與上述第4軸及上述第5軸垂直之第6軸為中心之旋轉關節，上述第1至第6關節部係自基台依序配置。
  9. 如申請專利範圍8之機械臂機構，其中上述第5軸與上述第6軸之間之距離係和上述第1距離與上述第2距離之差不同。
  10. 如申請專利範圍9之機械臂機構，其中上述第5軸與上述第6軸之間之距離較上述第1距離與上述第2距離之差短。
  11. 如申請專利範圍9之機械臂機構，其中上述第5軸與上述第6軸之間之距離較上述第1距離與上述第2距離之差長。
  12. 一種機械臂機構，其具有複數個關節部，其特徵在於：上述複數個關節部中，第1關節部係以第1軸為中心之旋轉關節， 上述複數個關節部中，第2關節部係以與上述第1軸垂直之第2軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第3關節部係以與上述第2軸垂直之第3軸為中心之直動關節，上述第2軸係配置於與上述第1軸隔開之位置。
  13. 一種機械臂機構，其具有複數個關節部，其特徵在於：上述複數個關節部中，第1關節部係以第1軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第2關節部係以與上述第1軸垂直之第2軸為中心之旋轉關節，上述複數個關節部中，第3關節部係以與上述第2軸垂直之第3軸為中心之直動關節，上述第3軸係配置與上述第2軸隔開之位置。
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