JP3290709B2

JP3290709B2 - ワイヤ駆動多関節装置

Info

Publication number: JP3290709B2
Application number: JP24507692A
Authority: JP
Inventors: 浜政夫小
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 2002-06-10
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JPH0691579A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ワイヤ駆動多関節装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、産業用ロボットのハンド部等を多
関節装置を有する複数の指によって構成し、人間の手と
類似した動きをさせるようにしたものが開発されてい
る。このような多関節装置の関節を独立して動かす手段
としては、構造の簡略化・小型化を図れるといった点か
ら、各関節をワイヤにより駆動する手段が注目されてい
る。

【０００３】このワイヤ駆動の多関節装置として、図３
及び図４に示すものが開発されている（特願平３−３０
９３２４号）。この多関節装置は、ベース１とその先端
に順次連結された複数のフレーム２，３，４，５によっ
て構成されている。即ち、ベース１の先端には第１関節
６によって第１フレーム２が連結され、第１フレーム２
の先端には第１関節６と直交する軸線回りに回動する第
２関節７によって第２のフレーム３が連結されている。
同様にして第３及び第４フレーム４，５も順次第２関節
７と平行な軸線回りに回動する第３関節８及び第４関節
９によって連結されている。

【０００４】ベース１には、各フレームを各関節の回り
に回動駆動するためのモータ１０ａ〜１０ｄが設けられ
ている。先ず、第１フレーム２を回動するための構成と
しては、図４に示すように、モータ１０ａの駆動プーリ
１１ａに巻き付け固定されたワイヤ１２の一端が、第１
関節６の軸１３のガイドプーリ１４に巻回された後第１
フレーム２に固着されたピン１５ａに止着され、また、
ワイヤ１２の他端もガイドプーリ１４に巻回された後ピ
ン１５ｂに止着されている。したがって、モータ１０ａ
により駆動プーリ１１ａが例えばＰ方向に回動される
と、ワイヤ１２が引っ張られ、第１のフレーム２が軸１
３を中心として矢印Ｑの方向に回動駆動される。また、
駆動プーリ１１ａが矢印Ｐと反対方向に回転すると、第
１フレーム２は矢印Ｑと反対方向に回動する。

【０００５】また、第３フレーム４を回動駆動する構成
としては、図３に示すように、モータ１０ｃの駆動プー
リー１１ｃに巻き付け固定したワイヤ１６は、その一端
がガイドローラ１７、軸１８上のガイドローラ１９を通
り、第１フレーム２に軸装されたガイドローラ２０で方
向転回され、第２関節７の軸２１上のガイドローラ２２
に一回転巻装された後第２フレーム３に軸装されたガイ
ドローラ２３を経て、第３関節８の軸２４上で自由に回
転可能なプーリ２５に巻回され、第３フレーム４に固設
されたピン２６ａに固定されている。また、上記ワイヤ
１６の他端も同様に各ガイドローラ等を経てプーリ２５
に巻回された後、第３フレーム４に固設されたピン２６
ｂに固定されている。したがって、モータ１０ｃが駆動
されると、ワイヤ１６が引っ張られて、第３フレーム４
が第３関節８の軸２４を中心として図３において上下に
回動される。

【０００６】このように、多関節装置では、各フレーム
に止着された複数のワイヤが順次複数のフレーム内を延
設され、これらのワイヤの各々に独立して張力が付与さ
れて各フレームが独立して回動駆動されるように構成さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この多関節
装置のワイヤを案内するワイヤガイド機構には、任意の
フレームがこれの支持側の関節の回りに回動するとき、
このフレームより先端側のフレームが回動する干渉型
と、支持側のフレームが回動するとき、このフレームよ
り先端側のフレームが回動する干渉量（即ち、回動量）
を小さくした非干渉型とがある。

【０００８】干渉型のワイヤガイド機構としては、例え
ば、図５に示すものがある。この機構では、任意のフレ
ーム３０の支持側にフレーム３１が支持側関節３２によ
り連結され、フレーム３０の先端側にフレーム３３が先
端側関節３４により連結されている。このフレーム３０
より先端側フレーム３３を回動駆動するためのワイヤ３
５が各フレームに沿って延設されており、支持側関節３
２のガイドプーリ３６に巻回され、さらに、一対のガイ
ドプーリ３７により案内されている。干渉型では、支持
側関節３２の回転中心（Ｏ）がガイドプーリ３６の回転
中心と同軸に設けられている。また、ワイヤ３５がガイ
ドプーリ３６，３７に支持される点を各々Ｔ点、Ｐ点と
する。

【０００９】ここで、任意のフレーム３０が回転中心
（Ｏ）を中心として、Ｐ点からＰ₁点まで回動されたと
すると、両支持点ＰＴ間の距離は、回動後にはＰ₁Ｔ₁
間の距離に等しくなる。その結果、円弧ＴＴ₁の距離の
分だけ、ワイヤ３５が引っ張られることになり、ワイヤ
３５により回動駆動されるフレーム３３が回動されるこ
とになる。

【００１０】このような干渉型のワイヤガイド機構で
は、ガイドプーリ３６の径に比例して先端側フレーム３
３への干渉量（即ち、フレーム３３の回動量）が大き
く、また、この干渉型のワイヤガイド機構を制御する場
合には、他の関節への干渉量を保証する演算が必要でも
ある。

【００１１】このような理由から、上述した非干渉型の
ワイヤガイド機構が提案されている。この機構では、任
意のフレームの支持側関節の回動中心（Ｏ）上にワイヤ
が通るように、ワイヤの径と同じ程度の間隙をあけて一
対の案内ピンが設けられ、この間隙をワイヤが通挿され
ている。また、一対の案内ピンに代えて、ワイヤを案内
する長孔が設けられていることもある。

【００１２】しかしながら、このような非干渉型のワイ
ヤガイド機構では、ワイヤの張力によりピンが曲げられ
ることがあり、また、摩擦によりワイヤの痛みが激しく
ワイヤを頻繁に交換する必要があり、機構としての寿命
が短いといった問題がある。

【００１３】本発明の目的は、上述した問題点を解決す
るものであり、ワイヤの寿命を長くし装置自体の寿命を
も長くすると同時に、任意のフレームがこれの支持側の
関節の回りに回動するときでも、このフレームより先端
側のフレームが回動する干渉量（即ち、回動量）を小さ
くした非干渉型であるワイヤ駆動多関節装置を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、関節により順
次連結される複数のフレームと、これら複数のフレーム
内を関節を順次通るように延設されるワイヤと、前記フ
レームの少なくとも一つに設けられ、ワイヤを挟持して
支持する同一半径の一対のガイドプーリと、を有し、ワ
イヤを引張ることによりフレームが関節を介して回動す
るワイヤ駆動多関節装置において、前記関節と前記一対
のガイドプーリとは、前記関節の回転中心と前記一対の
ガイドプーリの回転中心が偏位するように配置されると
ともに、前記一対のガイドプーリの回転中心が前記フレ
ームに対して固定され、一対のガイドプーリの半径と、
前記関節の回転中心からの前記一対のガイドプーリの回
転中心の偏位量との比が０．１５〜０．４であることを
特徴とするワイヤ駆動多関節装置である。

【００１５】

【作用】しかして本願発明によれば、一対のガイドプー
リの回転中心がフレームに対して固定され、かつ一対の
ガイドプーリの半径と、関節の回転中心からの一対のガ
イドプーリの回転中心の偏位置との比を０．１５〜０．
４とすることにより、フレームが回動してもワイヤの長
さの変化を抑えることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例によるワイヤ駆動多
関節装置について図面を参照しつつ説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例によるワイヤ駆
動多関節装置のワイヤガイド機構の模式図である。この
図１では、図５に示すガイド機構と同様に、任意のフレ
ーム３０の支持側にフレーム３１が支持側関節３２によ
り連結され、フレーム３０の先端側にフレーム３３が先
端側関節３４により連結されている。このフレーム３０
より先端側フレーム３３を回動駆動するためのワイヤ３
５が各フレームに沿って延設されており、フレーム３０
には、このワイヤ３５を案内するための一対のガイドプ
ーリ３７，３７が軸装されている。

【００１８】本実施例では、ワイヤ３５を案内するため
の一対のガイドプーリ４０，４０が後述するように偏位
して配置されている。すなわち、先端側のフレーム３３
を回転駆動するためのワイヤ３５は、任意のフレーム３
０の支持側関節３２の回転中心（Ｏ）上を通過できるよ
うになっており、また、回転中心（Ｏ）を通るワイヤ３
５がガイドプーリ４０外周の支持点（Ｒ）で接触するよ
うにが配設されている。すなわち、ガイドプーリ４０の
回転中心（Ｑ）は、これの半径（ｒ）分だけ、支持点
（Ｒ）と支持側関節３２の回転中心（Ｏ）とを結ぶ線分
と直交する方向に偏位されている。

【００１９】さらに、ガイドプーリ４０の回転中心
（Ｑ）は、支持側関節３２の回転中心（Ｏ）より図１の
下方側へ（支持点（Ｒ）と支持側関節３２の回転中心
（Ｏ）とを結ぶ線分方向へ）、ガイドプーリ４０の半径
（ｒ）の範囲内で偏位している。ただし、ここではワイ
ヤ３５の径がガイドプーリ４０の半径に比べて十分に小
さい場合を想定しているが、ワイヤ３５の径が無視でき
ない程度に大きな場合には前記ｒはワイヤ３５の半径と
ガイドプーリ４０の半径の和として考えればよい。

【００２０】このように、支持側関節３２の回転中心
（Ｏ）とガイドプーリ４０の回転中心（Ｑ）とが互いに
一致せずに偏位した構造を採用しているため、フレーム
３０が回転中心（Ｏ）を中心としてＰ点からＰ₁点まで
回転したとき、ワイヤ３５は、ガイドプーリ４０上の弧
ＲＳと線分Ｐ₁Ｓを通る。このとき、非干渉型となる理
想のワイヤ３５の長さは経路ＲＯＰ₁である。したがっ
て、経路ＲＳＰ₁と経路ＲＯＰ₁の差が小さければ小さ
い程、フレーム３０が回動しても先端側フレーム３３が
殆ど回動しない非干渉型となる。

【００２１】そこで、経路ＲＳＰ₁と経路ＲＯＰ₁の差
は、０を減点としたχ−у座標軸を設定して、Ｐ₁点の
座標を（χ₁、у₁）Ｑ点の座標を（Ｘ₂、ｙ）とする
と、

【００２２】

【数１】ここで、

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】として求めることができる。

【００２５】ここでガイドプーリ４０の径（ｒ）と、回
転中心（Ｑ，Ｑ１）が回転中心（Ｏ）から偏位した偏
位量ＯＲとの比ｐを変数として、(1) 式から経路ＲＳＰ
₁と経路ＲＯＰ₁の差△ｄを求める。この結果を図２に
示す。この図２は、(1) 式において、ｒ＝２．５mm、ｑ
＝１（４５度回転）、ｋ＝０．６２５とした場合におけ
る、比ｐと経路差△ｄとの関係を示すものである。この
図から明らかなように、比ｐ＝０．２８付近で経路差△
ｄは零になっており、フレーム３０が回動しても先端側
フレーム３３が回動しない非干渉型のワイヤガイド機構
となっている。したがって、比ｐが０．１５〜０．４の
ときには、フレーム３０が回動しても先端側フレーム３
３が殆ど回動しないと考えられる。

【００２６】これに対して、図５に示す干渉型のワイヤ
ガイド機構での経路差を求めると、ｒ＝２．５mmとし
て、フレーム３０が回転中心（Ｏ）を中心として４５度
回転したときの経路差（即ち、干渉するワイヤの長さ）
は、１．９６mmである。したがって、本発明の効果が顕
著であることは明らかである。

【００２７】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、種々変形可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、フレーム
が回動してもワイヤの長さの変化を抑えることができ
る。このため、ワイヤに加わる張力を小さくすることが
でき、回動するフレームより先端側のフレームの回動を
小さくすることができる。また上述のように、きわめて
簡単な構造で実用上ワイヤの長さの変化を確実に抑える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるワイヤ駆動多関節装置
のワイヤガイド機構の模式図である。

【図２】比ｐと経路差△ｄとの関係を示すグラフであ
る。

【図３】従来のワイヤ駆動多関節装置の一断面側面図で
ある。

【図４】図３に示すワイヤ駆動多関節装置の他の側面図
である。

【図５】干渉型のワイヤ駆動多関節装置のワイヤガイド
機構の模式図である。

【符号の説明】

３０任意のフレーム３２支持側の関節３３先端側のフレーム４０ガイドプーリ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】関節により順次連結される複数のフレーム
と、これら複数のフレーム内を関節を順次通るように延設さ
れるワイヤと、前記フレームの少なくとも一つに設けられ、ワイヤを挟
持して支持する同一半径の一対のガイドプーリと、を有し、ワイヤを引張ることによりフレームが関節を介
して回動するワイヤ駆動多関節装置において、前記関節と前記一対のガイドプーリとは、前記関節の回
転中心と前記一対のガイドプーリの回転中心が偏位する
ように配置されるとともに、前記一対のガイドプーリの
回転中心が前記フレームに対して固定され、一対のガイ
ドプーリの半径と、前記関節の回転中心からの前記一対
のガイドプーリの回転中心の偏位量との比が０．１５〜
０．４であることを特徴とするワイヤ駆動多関節装置。
【請求項２】前記一対のガイドプーリの回転中心は、前
記関節の回転中心に対して支持側に偏位していることを
特徴とする請求項１記載のワイヤ駆動多関節装置。