TW201628810A - 機械臂機構及直動伸縮機構 - Google Patents

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Woo-Keun Yoon
Shinji Kurihara
Hikaru Sano
Masateru Kawaguchi
Sosuke Takase
Amy MAEDA
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Life Robotics Inc
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Abstract

提高直動伸縮機構之移動特性。機械臂機構係具有旋轉關節部和直動伸縮關節部。直動伸縮關節部係具有複數個第1連結鏈節(23)和複數個第2連結鏈節(22)，上述複數個第1連結鏈節(23)於底板側具有可彎曲地連結之剖面□字形狀，上述複數個第2連結鏈節(22)具有可彎曲地連結之平板形狀。複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接。藉由第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體。藉由第1、第2連結鏈節之分離，柱狀體被解除。射出部(32)將第1、第2連結鏈節接合而構成柱狀體，同時支持柱狀體。於第1連結鏈節各者之底板表面形成線性齒輪(30)。驅動齒輪(29)於射出部內與和第2連結鏈節接合之第1連結鏈節之線性齒輪嚙合。

Description

機械臂機構及直動伸縮機構
本發明之實施方式係關於一種機械臂機構及直動伸縮機構。
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(，θ，ψ)。末端之並進移動係對關節部J1、J2、J3要求其連動旋轉，因此，尤其係被稱為肘部之關節部J2之移動非常大且無法預測，尤其係於臨界點附近肘部之移動非常快之情形不可避免。作為用於除去肘關節，且確保6自由度之有效對策之一，採用直動伸縮機構。直動伸縮機構之特徵在於較以往之直動機構，直動可動區域大。直動伸縮機構之實用化中與直動伸縮部分之機構一併提高其移動特性很重要。
目的在於提高直動伸縮機構之移動特性。
本實施方式之機械臂機構係具有旋轉關節部和直動伸縮關節部。直動伸縮關節部於底板側包含具有可彎曲地連結的剖面字形狀之複數個第1連結鏈節和具有可彎曲地連結的平板形狀之複數個第2連結鏈節。複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接。藉由第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體。藉由第1、第2連結鏈節之分離，柱狀體被解除。射出部係將第1、第2連結鏈節接合而構成柱狀體，同時支持柱狀體。移動部係將第1、第2連結鏈節向射出方向移動。於第1連結鏈節之各者之底板表面形成線性齒輪。移動部之驅動齒輪於射出部內與和第2連結鏈節接合之第1連結鏈節之線性齒輪嚙合。
1‧‧‧基部
2‧‧‧臂部
3‧‧‧末端效應器
4‧‧‧腕部
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
29‧‧‧驅動齒輪
30‧‧‧線性齒輪
200‧‧‧機械臂機構
圖1係本實施方式之機械臂機構之外觀立體圖。
圖2係藉由圖記號表現來表示圖1之機械臂機構之圖。
圖3係表示使圖1之機械臂機構之臂部移動之驅動齒輪的側視圖。
圖4係圖3之字形鏈節之立體圖。
圖5係表示使圖1之機械臂機構之臂部移動之驅動齒輪之另一例之側視圖。
圖6係表示使圖1之機械臂機構之臂部移動之驅動齒 輪之另一例之側視圖。
圖7係圖6之字形鏈節之立體圖。
圖8係圖6之字形鏈節之另一例。
以下，一面參照圖式一面說明本實施方式之機械臂機構。
如圖1所示，機械臂機構200係構成為所謂之垂直多關節臂機構，由大致圓筒形狀之基部1和支持於基部1上之臂部2構成。於臂部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。
如圖2所示，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被稱為腕部3軸。構成腕部3軸之關節部J4、J5、J6收容於腕部4。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直動伸縮關節。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。藉由第1關節部J1之扭轉旋轉，臂部2與手部3一併迴旋。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。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。
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。當第1關節部J1旋轉時，第1支持體11a係與臂部2之迴旋一併進行軸旋轉。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獨立迴旋之構造。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係以第2關節部J2之旋轉軸RA2為中心起伏自如地嵌入。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，固定部係固定於未圖示之基座。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3一併迴旋。
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。
如上述般，作為關節部之第3關節部J3係構成臂部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。由於不存在肘關節，因此本實施方式之直動伸縮機構之臂部2之可動區域可簡化為以基於直動關節部J3之直動伸縮性之臂2的 最大長度為半徑之扇形狀。
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。直動伸縮臂機構具有第1連結鏈節排21及第2連結鏈節排20。第1連結鏈節排21由複數個第1連結鏈節23構成。第1連結鏈節23係形成為剖面字形狀之短槽狀體。前後之第1連結鏈節23彼此係於底板端部藉由銷而排狀地連結。由於第1連結鏈節23之剖面形狀及連結位置，第1連結鏈節排21係可於其底板表面方向彎曲，於相反方向無法彎曲。第2連結鏈節排20係由具有與第1連結鏈節23大致相等之寬度、且具有大致平板形狀之複數個第2連結鏈節22構成。複數個第2連結鏈節22以可彎曲之狀態藉由銷而排狀地連結。第2連結鏈節22具有與第1連結鏈節23相等之長度。第1連結鏈節排21中前端之第1連結鏈節23與第2連結鏈節排20中前端之第2連結鏈節22係與結合鏈節26(參照圖3)連接。結合鏈節26為了將接合的第1連結鏈節23之連結位置與第2連結鏈節排20之連結位置各位移其長度之1/2，而具有直方體之上部只突出該長度之1/2之形狀。結合鏈節26為始端，第1、第2連結鏈節排20、21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係處於接合狀態時，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處於分離狀態時，柱狀體被解除，分別恢復成可彎曲之狀態。
如圖3所示，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係被安裝於第3支持體11c之開口附近之射出部32接合。射出部32係將複數個上部輥33和複數個下部輥34、及未圖示之側面輥支持於錐筒形狀之框35上。複數個上部輥33間隔與第2連結鏈節22之長度大致相等之間隔而沿臂中心軸來排列。同樣地，複數個下部輥34間隔與第1連結鏈節23之長度大致相等之間隔而沿臂中心軸排列。第2連結鏈節排20藉由配置於射出部32之後方之一對導輥27，28以與臂中心軸平行的姿勢向射出部32引導。未圖示之馬達之驅動軸藉由減速器與驅動齒輪29連接。
第1連結鏈節排21係藉由配置於射出部32之後方之未圖示的導軌而向射出部32引導。第1連結鏈節排21和第2連結鏈節排20以於上部輥33與下部輥34之間相互擠壓之狀態來插入。射出部32將第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20接合而構成柱狀體，同時上下左右支持其柱狀體。藉由第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20之接合而構成之柱狀體係沿第3移動軸RA3而被直線地送出。
如圖4所示，於第1連結鏈節23之各者之底板表面，即寬度中央與臂中心軸平行地形成線性齒輪30。當第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20藉由射出部32 接合而構成為柱狀體時，線性齒輪30直線狀排列。於射出部32之底板後方之寬度中央，即欠缺與線性齒輪30對應之一部分，於該缺口部分插入驅動齒輪29。驅動齒輪29係藉由未圖示之減速器而與馬達M連接。驅動齒輪29係與直線狀地排列之線性齒輪30嚙合。驅動齒輪29作為齒條與線性齒輪30一併構成齒條與齒輪機構。馬達M進行正旋轉，藉此，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20一併自射出部32作為柱狀體被送出。馬達M進行反旋轉，藉此，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20一併被自射出部32拉回且收納於支持體11b。於射出部32之後方，第2連結鏈節排20係被導輥27、28支持，第1連結鏈節排21例如藉由重力而向下拉，藉此，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20分離。
如上述般，於第1連結鏈節23之底板上形成線性齒輪30，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係藉由射出部32而接合，構成柱狀體，於線性齒輪30直線狀地排列之位置配置驅動齒輪29，於該射出部32內之位置，將驅動齒輪29與線性齒輪30嚙合，藉此作為現有之直動機構可最有效地實現實用性高的齒條與齒輪機構。即，亦可不採用蝸輪機構等其他的直動機構，再者，不於其他任意之位置，而於構成柱狀體之射出部32內成立齒條與齒輪機構，藉此可提高直動伸縮機構之移動機構之實用性。
圖5圖示出上述圖3所示之移動機構之發展例。如上述般，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係藉由射 出部32而接合，構成柱狀體，於線性齒輪30直線狀地排列之位置將驅動齒輪29與線性齒輪30嚙合，同時於第2連結鏈節22之背面形成線性齒輪，於第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20處於分離狀態之射出部32之後方，即，於藉由導輥27與臂中心軸處於平行之姿勢之位置，使驅動齒輪41與該第2連結鏈節22之線性齒輪嚙合，藉此可裝備兩個系统之齒條與齒輪機構，可進一步提高直動伸縮機構之移動特性。
再者，於上述之說明中，於第1連結鏈節23之底板上形成有線性齒輪30，如圖6、圖7所示，亦可於第1連結鏈節23之側板上形成線性齒輪43。於第1連結鏈節23之各者之側板表面，即於寬度中央與臂中心軸平行地形成線性齒輪43。當第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20藉由射出部32而接合，構成柱狀體時，線性齒輪43係直線狀地排列。於射出部32之側板後方之寬度中央，即欠缺與線性齒輪43對應之一部分，於該缺口部分插入驅動齒輪44。驅動齒輪44係藉由未圖示之減速器而與馬達M連接。驅動齒輪44係與直線狀地排列之線性齒輪43嚙合。驅動齒輪44係與線性齒輪43一併構成齒條與齒輪機構。
如上述般，於第1連結鏈節23之側板上形成線性齒輪43，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係藉由射出部32而接合，構成柱狀體，於線性齒輪43直線狀地排列之位置配置驅動齒輪44，於該射出部32內之位置， 驅動齒輪44與線性齒輪43嚙合，藉此，可與上述相同地實現齒條與齒輪機構。
圖8圖示出上述圖7所示之移動機構之發展例。於第2連結鏈節22之兩側板表面上形成線性齒輪43、45。線性齒輪43、45形成於第1連結鏈節23之各者之側板表面，即寬度中央，對置之位置。於射出部32之兩側板後方之寬度中央，即欠缺分別與線性齒輪43、45對應之一部分，於這些缺口部分分別插入相同的歯數之驅動齒輪。於一對驅動齒輪上分別連接具有相同的減速比之一對減速器。於這些減速器上共同地連接同一馬達M。馬達M進行旋轉，藉此一對驅動齒輪以完全相同之角速度進行旋轉。於一對驅動齒輪上，第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20係藉由射出部32而接合，構成柱狀體，與直線狀地排列之線性齒輪43、45嚙合。馬達M進行旋轉，藉此一對驅動齒輪以相同的角速度進行旋轉。藉此，第1連結鏈節排21與被接合之第2連結鏈節排22一併，自兩側等速地進行移動驅動。
於該例子中，除藉由裝備兩個系统之齒條與齒輪機構，提高作為直動伸縮機構之移動特性，亦可藉由一對驅動齒輪於對置位置完全同步地驅動，因此可提高其移動之平滑特性。再者，藉由該一對驅動齒輪自其左右擠壓第1連結鏈節排21，因此可有效減小第1連結鏈節排21與第2連結鏈節排20之接合而造成的柱狀體左右之剝落。
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各種省略、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
4‧‧‧腕部
11b‧‧‧第2支持體
11c‧‧‧第3支持體
22‧‧‧第2連結鏈節
23‧‧‧第1連結鏈節
26‧‧‧結合鏈節
27、28‧‧‧導輥
29‧‧‧驅動齒輪
32‧‧‧射出部
33‧‧‧上部輥
34‧‧‧下部輥
35‧‧‧框
J4、J5、J6‧‧‧旋轉關節部
M‧‧‧馬達
RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6‧‧‧旋轉軸

Claims (8)

  1. 一種機械臂機構，其具有旋轉關節部和直動伸縮關節部，其特徵在於：上述直動伸縮關節部具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中，前端之第2連結鏈節係與上述複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除；射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合而構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，於上述第1連結鏈節之各者之底板表面上形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
  2. 如申請專利範圍第1項之機械臂機構，其中，於上述第2連結鏈節之各者之背面上設置其他的線性齒輪， 上述移動部於上述射出部外具有其他的驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第1連結鏈節分離之上述第2連結鏈節之上述其他的線性齒輪嚙合。
  3. 一種機械臂機構，其具有旋轉關節部和直動伸縮關節部，其特徵在於：上述直動伸縮關節部具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與上述複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除；射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合而構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，於上述第1連結鏈節之各者之側部表面形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
  4. 一種機械臂機構，其具有旋轉關節部和直動伸縮 關節部，其特徵在於：上述直動伸縮關節部具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與上述複數個第1連結鏈節中前端第1連結鏈節之連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除；射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合而構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，分別於上述第1連結鏈節之各者之兩側部表面形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有一對驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
  5. 一種直動伸縮機構，其特徵在於：上述直動伸縮機構具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與 上述複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被約束，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除；射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合而構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，於上述第1連結鏈節之各者之底板表面形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
  6. 如申請專利範圍第5項之直動伸縮機構，其中，於上述第2連結鏈節之各者之背面上設置其他的線性齒輪，上述移動部於上述射出部外具有其他的驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第1連結鏈節分離之上述第2連結鏈節之上述其他的線性齒輪嚙合。
  7. 一種直動伸縮機構，其特徵在於：上述直動伸縮機構具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與 上述複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除，射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合，構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，於上述第1連結鏈節之各者之側部表面形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
  8. 一種直動伸縮機構，其特徵在於：上述直動伸縮機構具備：複數個第1連結鏈節，於底板側具有可彎曲地連結之剖面字形狀；複數個第2連結鏈節，具有可彎曲地連結之平板形狀，且上述複數個第2連結鏈節中前端之第2連結鏈節與上述複數個第1連結鏈節中前端之第1連結鏈節連接，藉由上述第1、第2連結鏈節之接合，彎曲被限制，構成柱狀體，藉由上述第1、第2連結鏈節之分離，上述柱狀體被解除；射出部，將上述第1、第2連結鏈節接合，構成上述柱狀體，同時支持上述柱狀體；及 移動部，將上述第1、第2連結鏈節向射出方向移動，分別於上述第1連結鏈節之各者之兩側部表面上形成線性齒輪，上述移動部於上述射出部內具有一對驅動齒輪，該驅動齒輪與和上述第2連結鏈節接合之上述第1連結鏈節之上述線性齒輪嚙合。
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