JPS6141716B2

JPS6141716B2 -

Info

Publication number: JPS6141716B2
Application number: JP1143884A
Authority: JP
Inventors: Yukio Saito; Takanori Higashihara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1986-09-17
Also published as: JPS60155391A

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は、マニプレータ等の関節に関する。

従来技術と問題点マニプレータ、産業上ロボツト、義手又は義
足、その他建関節機構を有するもの（以下「マニ
プレータ等」という。）における肩、上腕、前
腕、手若しくは腰、大腿、臑、足その他の隣接す
る骨材を相対的な可動性を持たせて連結する関節
は、一つの関節で相隣る一方の骨材を他方の骨材
に対し直角２軸方向へ動作可能とする２自由度を
有することが望ましい。

従来、マニプレータ等においては、相隣る骨材
を同一軸線上において相対的に接近離反する直動
関節、相隣る骨材を同一軸線回りに相対的に回転
する回転関節及び相隣る骨材を闘その一方の骨材
と直角方向の軸線回りに相対的に旋回する旋回関
節の三者を適宜に組合せ所望の自由度を得てい
る。

しかし、従来のマニプレータ等においては、隣
接する骨材の間に一つの関節のみを介装した１自
由度となつているため、一本の骨材の両端に直動
関節と回転関節とを装着する場合には、骨材の長
さ寸法を大きくしなければならない問題があると
ともに、旋回関節を用いる場合筏には、そのアク
チユエータが骨材の長手方向と直角の方向へ突出
するためめ、関節部分の外径寸法が大となる問題
がある。

また、一つの関節に２自由度を持たせるべく、
直動関節又は回転関節と旋回関節とを組合せて複
合関節僧とする場合には、構造が複雑となるとと
もに、旋回関節のアクチユエータが骨材の長手方
向と直角の方向へ突出すること等により複合関節
自体の外形寸法が大きくなる等の問題がある。

発明の目的本発明は、上述した問題に鑑み、単体で多自由
度を有するマニプレータ等の関節の提供を目的と
する。

発明の構成本発明は、上記目的を達成すべく、第１骨材と
第２骨材に装着したガイド杆の一端とを相対的に
スウイベル運動自在に連結し、前記ガイド杆に第
１移動体及び第２移動体を移動自在に装着すると
ともに、これら第１、第２移動体を第２骨材に装
着した駆動装置と連動連結し、前記第１移動体に
第１リンクの一端を枢着するとともに、この第１
リンクの他端を第１骨材と相対的にスウイベル運
動自在に連結し、前記第２移動体に第２リンクの
一端を枢着するとともに、この第２リンクの他端
を、ガイド杆と第１リンクとのなす平面と直交す
る平面内に位置せしめて第１骨材と相対的にスウ
イベル運動自在に連結し、第１骨材と第２骨材と
を２自由度を持たせて連結するようにしたもので
ある。

実施列以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明
する。

第１図及び第２図は、本発明の第１実施例を示
す正面図及び側面図で、この実施例の関節におい
ては、板状の第１骨材１と同様に矩形板状の第２
骨材２に装着したボールねじ３の一端（各図にお
いて上端）とをボールジヨイント４や自在継手等
により相対的にスウイベル運動自在に（自由度３
を持たせて）に連結してある。

ボールねじ３は、後述の回転駆動装置の伝達効
率を高めるとともに、同一直線上を往復移動する
後述の第１、第２移動体を案内するガイド杆とな
るもので、第２骨材２の両端部付近に固着したブ
ラケツト５，５を介し、第２骨材２にその一方
（第２図において右方）の板面と平行に固定支持
してある。ボールねじ３には、円筒状の第１ナツ
ト部材６及び第２ナツト部材７を螺合してあり、
各ナツト部材６，７の外周には、円筒状の第１移
動体８及び第２移動体９をそれぞれラジアルボー
ルベアリングの如き複数の軸承部材１０を介し回
転自在に嵌装してある。

各移動体８，９は、後述の回転駆動装置及び回
転伝達機構を介して回動される第１、第２ナツト
部材６，７のボールねじ３に沿つた軸方向への移
動に伴つて軸方向へ移動するもので、それぞれの
外周の対称位置に径方向（第１図、第２図におい
て左右方向）へ突出したピン部８ａ，９ａを設け
てある。

第１移動体８には、第１リンク１１がその一端
に設けた二又状の連結部１１ａの端部の孔をピン
部８ａと係合して枢着してあり、この第１リンク
１１の他端は、第１骨材１とボールジヨイント１
２を介して相対的にスウイベル運動自在に連結し
てある。

又、第２移動体９には、第２リンク１３がその
一端に設けた二又状の連結部１３ａの端部の孔を
ピン部９ａと係合して枢着してあり、この第２リ
ンク１３の他端は、ボールねじ３と第１リンク１
１のなす平面と直交する平面内に位置せしめ、第
１骨材１とボールジヨイント１４を介して相対的
にスウイベル運動自在に連結してある。

前記第１ナツト部材６の一端（第１、２図にお
いて下端）には、この第１ナツト部材６より適宜
大径の外径を有する円輪板状の平歯車１５を連設
してある。平歯車１５は、後述の回転駆動装置の
回転力を第１ナツト部材６へ伝達する第１回転伝
達機構１６の一部を構成するもので、軸線をボー
ルねじ二３と平行にして配置した比較的長い源動
歯車１７と噛合してあり、源動歯車１７は、一端
を第２骨材２に固着した軸受ブラケツト１８によ
り支承してあるとともに、他端を第２骨材２に固
着した正逆回転自在の電動モータの如き回転駆動
装置１９の出力軸１９ａと適宜に連動連結してあ
る。

又、第２ナツト部材７の一端には、第１ナツト
部材６の場合と同様、この第２ナツト部材７より
適宜大径の外径を有する円輪板状の平歯車２０を
連設してある。平歯車２０は、第２回転伝達機構
２１の一部を構成するもので、軸線をボールねじ
３と平行にして、かつボールねじ３の軸線上の点
を対称点とし第１回転伝達機構１６の源動歯車１
７と対称配置した比較的長い源動歯車２２と噛合
してある。

そして、源動歯車１７は、一端を第２骨材２に
固着した軸受ブラケツト２３により支承してある
とともに、他端を正逆回転自在の電動モータの如
き回転駆動装置２４の出力軸２４ａと適宜に連動
連結してある。

次に、上記構成の関節の作用について第３図
ａ，ｂ、第４図及び第５図を用いて説明する。

今、第１骨材１を固定し、第２骨材２をその板
面が存在する平面（以下、「Ｘ−Ｚ平面」とい
う。）内において移動するには、回転駆動装置１
９を適宜方向へ作動し、第１回転伝達機掃構１６
を介し第１ナツト部材６を回転して第１移動体８
を、例えば第３図ａにおいて実線で示す位置から
二点鎖線で示す位置へ移動する。

第１移動体８の上記移動により、ボールねじ３
は、第１骨材１と第１移動体８とが第１リンク１
１によつて連結されているため、一端のボールジ
ヨイント４の中心Ａを中心とし、鉛直位置から所
定の角度θ_１で傾斜する。

又、第２骨材２をその板面が存在する平面と直
角な平面（以下、「Ｘ−Ｙ平面」という。）内にお
いて移動するには、Ｘ−Ｚ平面内の移動の場合と
同様に、回転駆動装置２４及び第２回転伝達機構
２１を介し第２ナツト部材７を回転して第２移動
体９を移動して行う。

なお、第１骨材１を固定し、第２骨材２を空間
的に移動するには、各回転駆動装置１９，２４を
適宜に作動し、第１、第２回転伝達機構１６，２
１を介し第１、第２ナツト部材６，７を回転して
第１、第２移動体８，９を移動して行うものであ
る。

ここで、第２骨材２のＸ−Ｚ平面内の移動によ
る第１移動体８の移動距離をＬとし、かつ、ボー
ルねじ３の一端のボールジヨイント４の中心Ａ、
第１リンク１１の他端のボールジヨイント１２の
中心Ｂ及び第１リンク１１の一端の第１移動体８
との枢着点Ｄを頂点とする△ABDにおいて＝
ａ、＝ｂとし、又、中心Ａと最初の枢着点Ｄ
との間隔をY₀とし、更に、∠BAD＝θ_０とする
と、移動鉄距離Ｌと角度θ_１等との間には、次な
る関係がある。

θ_０＝cos^-1ａ^２＋Ｙ_０ ^２−ｂ^２／２Ｙ_０ａ…………
…(1) 角度θ_１の変化に対し、 θ_０＋θ_１＝cos^-1ａ^２＋（Ｙ_０−Ｌ）^２−ｂ^２／２
（Ｙ_０−Ｌ）ａ…………… (2) よつて、 θ_１＝cos^-1｛ａ^２＋（Ｙ_０−Ｌ）^２−ｂ^２／２（Ｙ_０−Ｌ）ａ｝ −cos^-1（ａ^２＋Ｙ_０ ^２−ｂ^２／２Ｙ_０ａ）…
…(3) となる。構造上ａ，ｂは既知であるから、角度θ
_１の変化と移動距離の関係は、第４図に示すよう
に、逆余弦の関係となる。

又、ボールねじ３の他端の力Ｕは、第３図ｂに
示すように、∠ADB＝φ、中心Ａとボールねじ
３の他端Ｐとの間隔をYeとすると、Ｕ＝Ｙｏ／ＹｅWtanφ …………(4) が得られる。ここでＷは、第１移動体８の軸方向
の力で、回転駆動装置１９からの伝達力である。

したがつて、力Ｕを大きくするためには、
Yo／Yeの値が「１」に近づくように間隔Yoを大
きくするか、回転駆動装置１９の駆動力を大きく
すればよい。

更に、空間中におけるボールねじ３の他端Ｐの
位置｛Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）｝は、第５図に示すよう
に、第１、第２移動体８，９の位置、すなわち
Yo及び中心Ａと第２移動体９の第２リンク１３
の一端との枢着点Ｅとの間隔を制御することによ
り決定される。

なお、ボールねじ３は、第１、第２リンク１
１，１３による支持、すなわち、いわゆるハリの
構造となつているため、その他端Ｐに大きな外力
を付与することができる。また、第５図において
Ｃは、第２リンク１３の他端著におけるボールジ
ヨイント１４の中心である。

第６図は、本発明の第２実施例を示す正面図
で、この実施例の関節は、第１実施例のものが第
１、第２移動体８，９を移動すべく第１、第２ナ
ツト部材６，７を回転駆動装置１９，２４及び第
１、第２回転伝達機構１６，２１により回転する
ものであるのに対し、ボールねじを回転すること
によりナツト部材を介し第１、第２移動体を移動
する点が相違するものである。

なお、以下の説明において第１図及び第２図に
示す部材等と同一機能を奏する部材等には、同一
符号を付しその説明を省略する。

すなわち、ボールねじ３は、第２骨材２にブラ
ケツト５，５を介し回転自在に支承されかつ一端
をボールジヨイント４を介し第１骨材１と相対的
にスウイベル運動自在に連結した第１ねじ３ａ
と、第１ねじ３ａと同一直線上に位置せしめて第
２骨材２にブラケツト５，５を介し回転自在に支
承した第２ねじ３ｂとから構成してある。

各ねじ３ａ，３ｂには、第１、第２ナツト部材
６，７を螺合してあり、それぞれのナツト部材
６，７には、第１、第２リンク１１，１３の一端
と枢着した第１、第２移動体８，９を軸受部材
（図示省略）を介し回転自在に嵌装してある。

又、各ねじ３ａ，３ｂには、それぞれの一端に
平歯車１５，２０を固着してある。それぞれの平
歯車１５，２０は、第１、第２回転伝達機構１
６，２１の一部を構成するもので、源動ピニオン
２５，２６と噛合してあり、各源動ピニオン２
５，２６は、それぞれ第２骨材２に固着した回転
駆動装置１９，２４の出力軸１９ａ，２４ａに固
着してある。

したがつて、各回転駆動装置１９，２４の作動
により、第１ねじ３ａ及び第２ねじ３ｂが第１、
第２回転伝達機構１６，２１を介して回転し、こ
のねじ３ａ，３ｂの回転によつて第１、第２移動
体８，９が第１、第２ナツト部材６，７の作用に
よる各ねじ３ａ，３ｂに沿つて移動することによ
り、第２骨材２が第１骨材１に対し直角２軸方向
へ移動するものである。ために、第２骨材２の他
端は、ボールジヨイント４の中心Ａを中心とする
球面内を移動する。

なお、本発明の実施態様は、上述した各実施例
に限らず、本発明は、以下に述べる種々のものを
包含する。

(1) 第１、第２骨材１，２を軸（ロツド）又は筒
状とするとともに、これらの形状を適宜に組合
せる。

(2) 第１、第２移動体８，９を案内するボールね
じ３を、第２骨材２の軸線上に設けた長孔内に
回転自在に取り付ける。

(3) 第１、第２移動体８，９を案内する部材を、
ロツド又はスプラインとする。

(4) 第１、第２移動体８，９をブロツク状に形成
する。

(5) 第１、第２移動体８，９を移動すべく回転駆
動装置の回転力を伝達する回転伝達機構１６，
２１をウオームとウオームホイールにより構成
する。

(6) 第１、第２移動体８，９を移動する駆動装置
をリニヤモータ又は油圧シリンダ、空圧シリン
ダ若しくは水圧シリンダ等の流体圧往復駆動装
置とする。

(7) 回転駆動装置を１個とし、クラツチ及び変速
機等を介して出力する。

(8) 回転駆動装置１９，２４を第２骨材２の両面
に取付ける。

(9) 第１、第２リンク１１，１３の長さを調節可
能に設ける。

応用例第７図、第８図及び第９図は、それぞれ本発明
の応用例を示すスケルトン図で、第７図は、肩と
上腕との関節として用いた場合、第８図は、歩行
用ロボツト又は義足等における腰と大腿との関節
として用いた場合を示し、第９図は、多関節ロボ
ツトのポストと第１アーム及び第１アームとこれ
に連結する第２アームとの間、並びに相隣るアー
ム間等における関節として用いた場合を示してあ
る。

肩義手の関節として用いる場合には、伝達力
は、上腕が水平（前方拳上又は側方挙上が90゜の
とき）の位置で最大となるから、∠ABD＝∠
ACE＝90゜とすれば、最も効率よい力伝達を行
い得る。

又、歩行用ロボツト等の関節として用いる場合
には、大腿の上下運動（Ｚ方向）と左右運動（ｘ
方向）を簡単に得ることができる。

更に、多関節ロボツトの関節として用いる場合
には、相隣アーム同士等を連結することにより、
象の鼻のような多関節ロボツトを構成することが
でき、ガイド杆をボールねじとすることにより、
モータに対する負荷を従来のものの1/2〜1/3倍程
度とすることが可能となる。又、関節の動きを
ｘ，ｚ方向のみとすることなく、ｙ，ｚ方向の動
きを組せることにより、マニプレータ等の作業領
域を更に拡大することができる。

発明の効果以上の如く本発明によれば、従来技術に比して
以下に述べる種々の効果を奏する。

(1) 構造を簡単にすることができる。

(2) 一つの関節に２自由度を持たせることができ
る。

(3) ２自由度を有するにもかかわらず、全体をス
マートかつコンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す
正面図及び側面図、第３図ａ，ｂ、第４図及び第
５図はそれぞれ第１実施例の関節の作用説明図、
第６図は本発明の第２実施例を示す正面図、第７
図、第８図及び第９図はそれぞれ本発明の応用例
を示すスケルトン図である。１……第１骨材、２……第２骨材、３……ボー
ルねじ（ガイド杆）、４……ボールジヨイント、
８……第１移動体、９……第２移動体、１１……
第１リンク、１２……ボールジヨイント、１３…
…第２リンク、１４……ボールジヨイント、１６
……第１回転伝達機構、１９……回転駆動装置、
２１……第２回転伝達機構、２４……回転駆動装
置。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１骨材と第２骨材に装着したガイド杆の一
端とを相対的にスウイベル運動自在に連結し、前
記ガイド杆に第１移動本体及び第２移動体を移動
自在に装着するとともに、これら第１、第２移動
体を第２骨材に装着した駆動装置と連動連結し、
前記第１移動体に第１リンクの一端を枢着すると
ともに、この第１リンクの他端を第１骨材と相対
的にスウイベル運動自在に連結し、前記第２移動
体に第２リンクの一端を枢着するとともに、この
第２リンクの他端を、ガイド杆と第１リンクとの
なす平面と直交する平面内に位置せしめて第１骨
材と相対的にスウイベル運動自在に連結したこと
を特徴とするマニプレータ等の関節。