JP2014054705A - マルチジョイント機構及びマルチジョイント機構による配置パターン生成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マルチジョイント機構1において、回転軸20は、本体10の基端側に、回転自在に支持され、駆動プーリ30は、回転軸20に固定され、摩擦部材40は、本体10に固定され、回転軸20の外周面20aに接し、外周面20aとの間における所定の摩擦力により、回転軸20に追随して回転し、基端側回転軸受け部111cは、本体10の先端側に、先端側において連結されたユニットの回転軸20を回転自在に支持し、伝達プーリ60は、回転軸20に固定され、ベルト70は、変形自在に形成され、伝達プーリ60と、先端側において連結されたユニットの駆動プーリ30と、に巻き回され、回転して駆動力を伝達する。
【選択図】図6
Description
このロボットアームによれば、各関節部のプーリに設けたピエゾ素子をコントローラにより制御することで、各関節部の動作を制御する。これにより、形状や質量の異なる対象の特徴に応じた態様で、各関節部を動作させることができる。
また、各関節部を対象の特徴に応じた態様で動作させるために、予め対象の特徴に応じたプログラム等をコントローラに記憶していない場合は、例えば、各プーリ毎に、荷重を検知するセンサ等を設け、このセンサからの信号に基づき、ピエゾ素子を制御する必要がある。
本体は、ユニットの外形を形成する。回転軸は、本体の基端側に、回転自在に支持されている。駆動プーリは、回転軸に固定され、基端側からの駆動力により回転する。摩擦部材は、本体に固定され、回転軸の外周面に接し、外周面との間における所定の摩擦力により、回転軸に追随して回転する。
最先端に配置されるユニットの基端側に連結されるユニットは、更に、回転軸受け部と、伝達プーリと、環状部材と、を備える。回転軸受け部は、本体の先端側に、先端側において連結されたユニットの回転軸を回転自在に支持する。伝達プーリは、回転軸に固定され、先端側において連結されたユニットに駆動力を伝達する。環状部材は、変形自在に形成され、伝達プーリと、先端側において連結されたユニットの駆動プーリと、に巻き回され、回転して駆動力を伝達する。
まず、マルチジョイント機構の最も基端側に配置されたユニットの駆動プーリに、例えば、モータ等からの駆動力が伝達され、駆動プーリが回転する。これに伴い、この駆動プーリが固定された回転軸が回転し、更に、この回転軸に固定された伝達プーリが回転する。そして、この伝達プーリの回転力は、この伝達プーリに巻き回された環状部材を回転する駆動力となり、この駆動力は、この環状部材が巻き回された、先端側において連結されたユニットの駆動プーリに伝達される。この伝達された駆動力により、先端側において連結されたユニットの駆動プーリが回転する。これに伴い、この駆動プーリが固定された回転軸が回転する。このように、基端側のユニットから、このユニットの先端側に連結されたユニットに駆動力が伝達される。
ここで、例えば、本体がものに当接し、これにより発生した外力は、回転軸と摩擦部材との間の摩擦力の反力となる。そして、外力の大きさが、所定の摩擦力を越えると、摩擦部材は回転軸の回転に追随できなくなり、回転軸は空転することとなる。即ち、本体に当接したものに対して、所定の摩擦力と相殺される以上の負荷を掛けることはない。
本願発明によれば、あるユニットにおいて、本体に生じた外力によって、摩擦部材が回転軸の回転に追随できなくなったとしても、回転軸は回転しているので、当該ユニットの先端側のユニットには駆動力を伝達することができる。
これにより、例えば、あるユニットの本体がある角度まで回転したところで、摩擦部材は回転軸の回転に追随できなくなったとしても、駆動力は先端側にユニットに伝達されるので、先端側のユニットの本体は更に、所定位置まで回転する。
したがって、各ユニットを個別に制御することなく、センサを使用せずとも様々な形状や質量の異なる対象の特徴に応じた態様で各ユニットを動作させることができるマルチジョイント機構を提供できる。
これにより、環状部材は、伝達プーリと、先端側において連結されたユニットの駆動プーリと、の間において、調整部材により押圧されている。これにより、例えば、経年劣化により、環状部材が延びたりした場合でも、調整部材をより押圧する方向に移動することで、環状部材の張力を維持することができる。よって、経年により、駆動力が低下するのを防止できる。
これにより、一方の側面部の先端の位置と、他方の側面部の基端及び先端の位置とにより、各ユニットの回転可能範囲を規定できる。
まず、前記実施形態に係るマルチジョイント機構1の構成について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るマルチジョイント機構1における、各ユニットの配置パターンの一態様を示す図である。
図2は、前記実施形態に係るマルチジョイント機構1の、図1に示す態様とは異なる、各ユニットの配置パターンの一態様を示す図である。
マルチジョイント機構1は、駆動力を発生する駆動部2と、駆動部2に接続され、駆動部2で発生させた駆動力を先端側に伝達する基端部3と、基端部3から伝達された駆動力を先端側に伝達する複数の中間ユニット4と、最先端に配置される先端ユニット5と、を備える。
マルチジョイント機構1は、例えば、初期態様として、図1に示す各ユニットの配置パターンをとる。そして、この図1に示す態様から、駆動部2で発生した駆動力により、所定方向(例えば、左回り)にプーリを回転させることで、図2に示す各ユニットの配置パターンに変化する。そして、図2に示す配置パターンから、駆動部2で発生した駆動力により、所定方向と反対方向(例えば、右回り)にプーリを回転させることで、図1に示す配置パターンに戻る。即ち、図1及び図2に示す配置パターンは、マルチジョイント機構1における各ユニットの所定位置となる。
ここで、マルチジョイント機構1は、基端部3を配置した方向に応じて、任意の方向に複数の中間ユニット4及び先端ユニット5を回転させることができる。即ち、マルチジョイント機構1は、いずれの面が上面、下面又は側面であるという限定はないが、本実施形態の説明では、説明の便宜のため、図1に表れている面を上面と呼び、図1中左右方向から見た面を側面と呼ぶ。
カバー11は、下面部111と、下面部111と上面部(図示無し)と、下面部111と上面部の左端に配置され、後述する回転軸に平行して配置された左側面部112と、下面部111と上面部の右端に配置された右側面部113と、を備える。
なお、上面部は、下面部111と左右対称の形状で形成され、下面部111と同一の構成であるので、説明を省略する。
また、中間ユニット4の下面部111は、長辺方向(図3中先端基端方向)略中央部分に、後述する調整部材を左右方向に移動可能に支持する調整部材受け部111bを備える。
また、中間ユニット4及び先端ユニット5の下面部111は、基端側に、当該中間ユニット4及び先端ユニット5の、後述する回転軸を回転自在に支持する基端側回転軸受け部111cを備える。
即ち、先端側の中間ユニット4の基端側回転軸受け部111cと、基端側の中間ユニット4の先端側回転軸受け部111aと、は共に、先端側の中間ユニット4の回転軸を回転自在に支持する。これにより、先端側の中間ユニット4と基端側の中間ユニット4とは、先端側の中間ユニット4の回転軸により連結される。
また、先端ユニット5の基端側回転軸受け部111cと、先端側の中間ユニット4の先端側回転軸受け部111aと、は共に、先端ユニット5の回転軸を回転自在に支持する。これにより、先端ユニット5と先端側の中間ユニット4とは、先端ユニット5の回転軸により連結される。
また、中間ユニット4及び先端ユニット5の下面部111及び上面部の基端側の右側は、基端側回転軸受け部111cの中心から右端までの距離から、右側面部113の厚みを減算した寸法の半径により描かれる円弧形状で形成されている。これにより、例えば、先端側の中間ユニット4と基端側の中間ユニット4との連結部分において、先端側の中間ユニット4の下面部111が、基端側の中間ユニット4の右側面部113と接触するのを回避できる。
中間ユニット4の左側面部112の先端は、先端側回転軸受け部111aの中心から、下面部111の左端までの寸法の半径で描かれる円形状の範囲に入らない位置に配置される。これにより、例えば、先端側の中間ユニット4と基端側の中間ユニット4との連結部分において、先端側の中間ユニット4の左側面部112の基端が、基端側の中間ユニット4の左側面部112の先端と接触するのを回避できる。
図4に示すように、中間ユニット4の左側面部112の先端は、当該中間ユニット4の先端側に連結され、左側に回転した中間ユニット4又は先端ユニット5の左側面部112の中央部分と当接する。
即ち、中間ユニット4の左側面部112の先端は、当該中間ユニット4の先端側に連結された中間ユニット4又は先端ユニット5の左側回転限界位置を規定する。
これにより、例えば、中間ユニット4の左側面部112の先端を、より先端側に配置すると、当該中間ユニット4の先端側に連結された中間ユニット4又は先端ユニット5の回転可能範囲が狭くなり、より、基端側に配置すると、当該中間ユニット4の先端側に連結された中間ユニット4又は先端ユニット5の回転可能範囲が広くなる。
また、このとき、中間ユニット4及び先端ユニット5の右側面部113の基端は、夫々のユニットの基端側に連結された中間ユニット4の右側面部113の先端に当接する。即ち、中間ユニット4及び先端ユニット5の右側面部113の基端及び先端は、中間ユニット4及び先端ユニット5の右側回転限界位置を規定する。
これにより、例えば、中間ユニット4及び先端ユニット5を左側に回転させた後に、右側に回転させることで、中間ユニット4及び先端ユニット5を直線上に配置した状態にできる。
フレーム12は、下面部111(図3参照)及び上面部の内側に夫々配置されている。
中間ユニット4のフレーム12は、後述する摩擦部材40及び調節部材41を支持する摩擦部材支持部121と、後述する調整部材80を支持する調整部材支持部122と、を備える。
摩擦部材支持部121は、下面部111又は上面部の基端側回転軸受け部111cに面する位置から先端側に向けて形成されている。
調整部材支持部122は、下面部111又は上面部の基端側回転軸受け部111cと先端側回転軸受け部111aとの中間位置であって、下面部111又は上面部の調整部材受け部111bと重なる位置において、基端から先端に向かう方向の直交方向(図5中左右方向)に延びる溝で形成されている。
また、基端部3(図1参照)のフレーム12は、調整部材支持部122を備え、摩擦部材支持部121を備えない。
図7は、前記実施形態に係るマルチジョイント機構1のカバーの右側面部及びフレームを外した状態を示す図である。
また、基端部3は、本体10の内部に、回転軸20と、駆動プーリ30と、摩擦部材40と、伝達プーリ60と、ベルト70と、調整部材80と、を備える。
また、先端ユニット5は、本体10の内部に、回転軸20と、駆動プーリ30と、摩擦部材40と、調節部材41と、を備える。
また、摩擦部材40は、回転軸20に押圧する力を調節する調節部材41を介して本体10に固定されている。
具体的には、摩擦部材40は、本体10のフレーム12の摩擦部材支持部121(図3参照)に、調節部材41と共に、固定されている。
また、本実施形態において、調節部材41は、バネ部材で形成したが、摩擦部材40を回転軸20に押圧できる部材であれば、ゴム等の弾性体等の任意の部材で形成することができる。
図8に示す例では、摩擦部材40は、調節部材41により、回転軸20の外周面20aに、力Fで押しつけられている。これにより、この力Fと摩擦部材40の摩擦係数μとを乗算することで得られる所定の摩擦力Ffが発生する。
これにより、中間ユニット4は、回転軸20の回転方向Lと同一方向に、トルクτfで回転する。
そして、例えば、中間ユニット4の本体10に、ものが接し、このものから外力Fが掛かった場合、摩擦力Ffの反力として、外力Fに、摩擦部材40と回転軸20との接点から外力Fの発生点までの距離dを乗算することで得られる反力Fdが発生する。この時、反力Fdが所定の摩擦力Ffより小さいときには、ものは中間ユニット4と共に移動する。
一方、反力Fdが所定の摩擦力Ffより大きいときには、回転軸20は空転し、中間ユニット4の回転は止まることとなる。なお、このような場合でも、回転軸20が空転することで、駆動力は当該中間ユニット4の先端側に接続された先端ユニット5に伝達される。
まず、マルチジョイント機構1の基端部3の伝達プーリ60が駆動部2により回転する。この回転による駆動力は、基端側の中間ユニット4の駆動プーリ30に伝達され、この駆動プーリ30が回転する。これに伴い、この駆動プーリ30が固定された回転軸20が回転し、更に、この回転軸20に固定された伝達プーリ60が回転する。そして、この伝達プーリ60の回転力は、この伝達プーリ60に巻き回されたベルト70を回転する駆動力となり、この駆動力は、このベルト70が巻き回された、先端側に連結されたユニットの駆動プーリ30に伝達される。この伝達された駆動力により、先端側において連結された中間ユニット4の駆動プーリ30が回転する。これに伴い、この駆動プーリ30が固定された回転軸20が回転する。この回転による駆動力は、同様に、先端ユニット5に伝達される。
ここで、例えば、中間ユニット4の本体10にものが当接したことに起因する外力に基づく反力の大きさが、所定の摩擦力を越えると、摩擦部材40は回転軸20の回転に追随できなくなり、回転軸20は空転し、中間ユニット4の本体10の回転も停止する。即ち、本体10に当接したものに対して、所定の摩擦力と相殺される以上の負荷を掛けることはない。
一方、この場合であっても、回転軸20は回転しているので、駆動力は、先端側の、例えば、先端ユニット5に伝達され、先端ユニット5の本体10は回転し続ける。
図9乃至図11は、前記実施形態に掛かるマルチジョイント機構1における、中間ユニット4及び先端ユニット5の配置パターンの一例を示す図である。
マルチジョイント機構1は、駆動力が伝達されると、中間ユニット4及び先端ユニット5の動作を遮るものがない場合(動作対象がない場合)には、図2に示すような所定位置の配置パターンとなる。
また、図10は、マルチジョイント機構1の動作対象として、比較的柔らかい物S2があった場合における中間ユニット4及び先端ユニット5の配置パターンを示している。この例の場合も、マルチジョイント機構1は、物S2を掴んでいる。
また、図11、マルチジョイント機構1の動作対象が人Hである場合の配置パターンを示している。この例の場合、マルチジョイント機構1は、横たわった人Hを起こしている。
したがって、各ユニットを個別に制御することなく、センサを使用せずとも様々な形状や質量の異なる対象の特徴に応じた態様で各ユニットを動作させることができるマルチジョイント機構を提供できる。
これにより、例えば、マルチジョイント機構1において扱うものが、壊れやすいものであれば摩擦力を比較的小さくなるように調節し、扱うものが重ければ摩擦力を比較的大きくなるように調節することができる。
これにより、ベルト70は、伝達プーリ60と、先端側に連結された中間ユニット4又は先端ユニット5の駆動プーリ30と、の間において、調整部材80により押圧される。
これにより、左側面部112の先端の位置と、右側面部113の基端及び先端の位置とにより、各ユニットの回転可能範囲を規定できる。
4 中間ユニット
5 先端ユニット
10 本体
20 回転軸
30 駆動プーリ
40 摩擦部材
111c 基端側回転軸受け部
60 伝達プーリ
70 ベルト
Claims (5)
- 複数のユニットが直列に連結され、基端側のユニットから先端側のユニットに駆動力を伝達するマルチジョイント機構であって、
前記ユニットは、
前記ユニットの外形を形成する本体と、
前記本体の基端側に、回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸に固定され、基端側からの駆動力により回転する駆動プーリと、
前記本体に固定され、前記回転軸の外周面に接し、前記外周面との間における所定の摩擦力により、前記回転軸に追随して回転する摩擦部材と、を備え、
最先端に配置されるユニットの基端側に連結されるユニットは、更に、
前記本体の先端側に、先端側において連結された前記ユニットの前記回転軸を回転自在に支持する回転軸受け部と、
前記回転軸に固定され、先端側において連結された前記ユニットに駆動力を伝達する伝達プーリと、
変形自在に形成され、前記伝達プーリと、先端側において連結された前記ユニットの前記駆動プーリと、に巻き回され、回転して駆動力を伝達する環状部材と、を備えるマルチジョイント機構。 - 前記摩擦部材は、前記回転軸に押圧する力を調節する調節部材を介して前記本体に固定される請求項1に記載のマルチジョイント機構。
- 最先端に配置されるユニットの基端側に連結されるユニットは、
前記伝達プーリと、先端側において連結された前記ユニットの前記駆動プーリと、の間に配置され、前記回転軸と同一方向に延びて、前記本体に、回転自在であって、前記環状部材と交差して、前記環状部材を押圧する方向に移動可能に固定された調整部材を、更に備える請求項1又は2に記載のマルチジョイント機構。 - 前記本体は、前記回転軸に平行して配置された、互いに対面する側面部を備え、
一方の側面部の先端は、当該ユニットの先端側に連結され、一方側に回転した前記ユニットの一方の前記側面部の中央部分と当接し、
他方の前記側面部の基端は、当該ユニットの基端側に連結された前記ユニットの他方の前記側面部の先端に当接する請求項1から3のいずれかに記載のマルチジョイント機構。 - 請求項1から4のいずれかに記載のマルチジョイント機構による配置パターン生成方法であって、
基端側の前記ユニットから、先端側の前記ユニットに駆動力が伝達されて、複数の前記ユニットが、所定方向に回転するステップと、
複数の前記ユニットの前記本体の少なくとも1つに、外力が作用するステップと、
複数の前記ユニットのうち、前記摩擦部材と前記回転軸の外周面との間の摩擦力に対する、前記外力に起因する反力の大きさが、前記所定の摩擦力を越えた前記ユニットは回転を停止し、前記外力が作用していない前記ユニット及び前記反力が前記所定の摩擦力を越えていない前記ユニットは所定位置まで回転するステップと、
を含む配置パターン生成方法。
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