JP3375202B2 - ２関節同時駆動源を装備した２関節アーム機構とその動作制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、種々の負荷を持上げて
支持した姿勢でその負荷を進退させ位置決めする動作に
おいて剛性制御を必要とするロボットやマニュピレー
タ、或は、パワーショベルのアーム等に適用して好適な
２関節アーム機構及びその動作制御方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ロボットやマニュピレータ、
或は、パワーショベルのアーム等において、２関節アー
ム機構を用いたものは、種々のものが提案されている。
例えば、図５，図６に模式的に示すように、後端を軸P1
により枢着した第一アームA1の先端に第二アームA2の後
端を軸P2により枢着し、該第二アームA2の先端にグリッ
プやバケット等による荷重の負荷部Ｗを設ける一方、前
記第一アームA1と第二アームA2とを、その枢着点の軸P
1，P2において任意の方向へ旋回可能にしたものがあ
る。なお、軸P1，P2の向きは、水平，垂直いずれかの向
きである。従って、軸P1，P2の向きにより、アーム機構
は垂直面内、或は、水平面内において姿勢変形されるこ
ととなる。

【０００３】図６に例示したものは、２本のアームA1，
A2をそれぞれの枢着点の軸P1，P2において任意の方向に
旋回させる駆動機構として、夫々の軸P1，P2にモータM
1，M2を設け、各モータM1，M2による正，逆方向の回転
力を選択的に前記アームA1，A2に伝達することにより、
当該両アームA1，A2を任意の方向に回転させ、負荷部W1
の位置を自由に変えることができるようにしたものであ
る。

【０００４】また、図５に例示したものは２本のアーム
A1，A2に対し、油圧シリンダ等の伸縮アクチュエータC
1，C2を架設し、各アクチュエータC1，C2の夫々の伸縮
動作によって、各アームA1，A2をその枢着点の軸P1，P2
において旋回させ、先端のバケット等の負荷部W2に掘削
等の仕事をさせるようにしたものである。なお、C3は負
荷部W2の姿勢制御用のアクチュエータである。

【０００５】しかし乍ら、上記のような公知の２関節ア
ーム機構では、第一アームA1の後端に対して、第二アー
ムA2先端の負荷部W1又はW2の位置と力及び剛性の独立し
た制御が制御理論的にきわめて困難なため、近似的に制
御されているのが現状である。

【０００６】ところが、公知の２関節アーム機構におい
て、負荷部Ｗに対して近似的に位置と力及び剛性の制御
を行うと、該負荷部Ｗに支持した荷重が大きい場合に、
正確かつ迅速な位置決め制御が行い難いという問題があ
る。このため、現状のロボットやマニュピレータ、或
は、パワーショベルのアームでは、駆動源に負荷部Ｗに
許容される負荷からみれば過大ともいえる出力及び制動
力をもち、かつその制御が可能な駆動源が使用されてい
る。しかし、このような過大出力，制動力の駆動源や制
動機構を、パワーショベルのアームやロボット、或は、
マニュピレータに組込むことは、構造的には勿論のこ
と、経済性の面からみても無駄が多く、また、操作しに
くかったり、制御部に大容量のものを必要とするという
難点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明が解決
しようとする課題は、２関節アーム機構において、第二
アームの先端に形成された負荷点の位置と力及び剛性と
を独立して正確、かつ簡単に制御することが可能となる
２関節同時駆動源を装備した２関節アーム機構とその制
御方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的としてなされた本発明の構成は、基底となるベー
スに後端を回転可能に枢着支持した第一アームの先端
に、第二アームの後端を回転可能に枢着し、該第二アー
ムの先端を負荷点とする２関節アーム機構に於て、前記
第一アームと第二アームとを夫々の枢着軸において独立
して回転させこのアーム機構に伸展動作又は屈曲動作を
させるため、前記両アームに独立して回転力を作用させ
る２つの駆動源を前記第一アームと第二アームとに夫々
に連結して設けると共に、前記両アームに同時に作用す
る１つの駆動源を前記ベースと第二アームとの間に跨設
して連結し、前記第一アームと第二アームの駆動源を駆
動して当該第一と第二のアームを回転させるとき、前記
両アームに同時に作用する駆動源の出力を、前記第一ア
ームと第二アームの回転に協働する側と拮抗する側に制
御することにより、前記両アームの回転を制御して前記
第二アーム先端の負荷点を第一アームの後端に対し進出
又は後退させると共に、当該第二アーム先端の負荷点の
位置決めをするようにしたことを特徴とするものであ
る。

【０００９】また、上記アーム機構の動作を制御する方
法の構成は、ベースに後端を回転可能に枢着支持した第
一アームの先端に、第二アームの後端を回転可能に枢着
し、該第二アームの先端を負荷点とする２関節アーム機
構に於て、前記第一アームと第二アームとを夫々の枢着
軸において独立して回転させこのアーム機構に伸展動作
又は屈曲動作をさせるため、前記両アームに独立して回
転力を作用させる２つの駆動源を前記第一アームと第二
アームとに夫々に連結して設けると共に、前記両アーム
の旋回転方向に対し同時に作用する１つの駆動源を前記
ベースと第二アームとの間に跨設して連結し、前記各駆
動源を同時に駆動してこの２関節アーム機構全体を伸展
或いは屈曲させるとき、前記両アームに回転力として伝
達される夫々の駆動源の出力のうち、該２関節アーム機
構全体の伸展或いは屈曲動作に対して協働的となる出力
と拮抗的となる出力との差、並びに、前記両出力の和を
制御することにより、前記負荷点の位置と負荷点の力及
び負荷点の剛性とを夫々に制御することを特徴とするも
のである。

【００１０】

【作用】第一アームと第二アームの二本のアームを、夫
々に独立して回転させることによりアーム機構全体が伸
展、又は、屈曲させられるようにした２関節アーム機構
において、このアーム機構を伸展、又は、屈曲させるた
め、前記各アームの回転動作に対して協働的に作用する
２つの駆動源と、拮抗的に作用する１つの駆動源とを設
け、各駆動源を同時に作動させることにより、第二アー
ムの先端に形成した負荷部の位置と力及び剛性とを、別
個に制御する。

【００１１】

【実施例】次に本発明アーム機構の実施例を図１〜図４
により説明する。図１において、１は第一アームで、そ
の後端1aの水平な軸２が、固定されたベース３の軸受４
に回転可能に枢着支持されている。５は第二アームで、
その後端5aの水平な軸６が第一アーム１の先端1bに形成
した軸受７に回転自在に枢着されている。８は第二アー
ム５の先端5bに形成した掴み具やバケット等による負荷
部で、上記第一アームから負荷部８までの各部材により
軸２，６を関節とする２関節アームを形成している。

【００１２】上記２関節アームは、第一アーム１の中間
部とベース３の間に架設したアクチュエータ、例えば、
油圧シリンダ９、及び、第一アーム１の先端側と第二ア
ーム５の中間部との間に架設した油圧シリンダ10の夫々
の進退動作によって、夫々のアーム１，５が独立してそ
の軸２，６を中心に時計方向，反時計方向に回転自在で
あり、ここまでの構成は、図５に示した従来公知の２関
節アーム機構と機構的に等価であり実質上同一である。
なお、油圧シリンダ９，10において、9a，10aはピスト
ンロッド、9b，10bはシリンダ本体、9c，10cはピスト
ン、9d，10d、9e，10eは圧油給排口である。

【００１３】しかし乍ら、この２関節アーム機構である
と、第二アーム５の先端に設けた負荷部８について、ベ
ース３から見た力，剛性を正確かつ迅速に制御できない
ことは先に述べた通りである。

【００１４】そこで、本発明アーム機構では、前記両ア
ーム１，５の回転時に、これらのアーム１，５に同時に
作用する一つの駆動源となる油圧シリンダを設けること
によって、負荷部８のベース３に対する力と剛性を、第
一アーム１，第二アーム５とは別個に制御できるように
したものである。

【００１５】即ち、ここでは、第二アーム５の後端側と
ベース３の間に油圧シリンダ11をそのピストンロッド11
aの先端と、シリンダ本体11bの後端から延長して形成し
た連結ロッド11b′の延長後端とを連結することによっ
て設け、アーム１，５の双方又は一方の回転時に、この
シリンダ11におけるピストン11cの前，後面に作用する
前記アーム１，５の回転による力に対して、このシリン
ダ11の圧油給排口11d，11eに給，排される圧油の圧力P1
又はP2を制御するようにしたのである。

【００１６】しかして、前記シリンダ９，10の圧油給排
口9d，9eと、同じく給排口10d，10eとのそれぞれの一方
の口に圧油が供給されることにより、両シリンダ９と10
は、そのロッド9a，10aを進出又は後退させ、アーム
１，５を時計方向か反時計方向に回転させる。ここで
は、説明の便宜上、圧油給排口9d，10dに圧油が供給さ
れることにより両シリンダ９，10のロッド9a，10aがと
もに進出し、又は、シリンダ本体9b，10bが後退し、両
アーム１，５はいずれも反時計方向（実線矢印側）に回
転されているものとする。

【００１７】上記両アーム１，５の回転によって、シリ
ンダ11はピストン11cが後退する側の力を受けるが、本
発明では上記両アーム１，５の回転時に、シリンダ11の
圧油給排口11d，11eに圧力P1とP2の圧油を供給すること
により、このシリンダ11の出力が両アーム１，５に同時
に作用するようにしている。

【００１８】ここでは、ピストン11cの前面にかかる圧
油の圧力P1は、アーム１，５の回転力に協働する力とな
り、ピストン11cの背面にかかる圧油の圧力P2は拮抗す
る力となるので、圧力がP1＞P2の関係にあれば、アーム
１，５はそのまま回転する。しかし、両圧力の差P2−P1
がアーム１，５の回転によりピストン11cに加わる力と
等しくなると、アーム１，５の回転は止まり、前記圧力
の差が大きくなるとアーム１，５は逆転する。

【００１９】本発明は２本のアーム１，５の夫々の回転
力に対して上記１本のシリンダ11が同時に作用すること
を利用し、第二アーム５の先端の負荷部８のベース３に
対する力と剛性を制御するために、この１本のシリンダ
11の圧油給排口11d，11eに供給される圧油の圧力P1とP2
の大きさを制御するようにしたのである。

【００２０】図２は、図１の本発明２関節アーム機構
を、いわゆるパワーショベルに適用した概念的側面図で
ある。図２の例では、図１のベース３をパワーショベル
の車輌本体31に形成すると共に、図１の第一アーム１の
軸受７と第二アーム後端5aの軸６とを設置する部材（ア
ーム１，５）を、図１の例とは逆にしているが、他の構
成は図１のアーム機構と等価である。図２において、32
はクローラ、8aは負荷部の姿勢変形，保持用のシリンダ
等の駆動源である。

【００２１】図２において、シリンダ９の作用で第一ア
ーム１が時計方向に回転すると共に、シリンダ10の作用
で第二アーム５が反時計方向に回転することにより、両
アーム１，５は、図のアーム1′，5′の位置に、負荷部
８は負荷部8′の位置に、それぞれ変位する。このアー
ム１の時計方向回転は、シリンダ11にそれを伸長させる
側に作用するが、第二アーム５の反時計方向回転はシリ
ンダ11を縮小させる側に作用する。従って、このとき、
シリンダ11のピストン11cの前後にかける圧力P1とP2と
を制御することにより、このシリンダ11の出力をアーム
１，５の回転に協働する側に作用させたり、拮抗する側
に作用させることができるから、第二アーム５の先端の
負荷部８の本体31に対する位置，力，剛性を制御できる
こととなるのである。図２において、1″，5″，8″は
第一アーム１，第二アーム５，負荷部８を、変位させた
別の例における前記各部材１，５，８の位置を示したも
のである。

【００２２】本発明２関節アーム機構は、図３，図４に
示すアーム機構としても構成できるので、次に図３，図
４の実施例について説明する。図３，図４において、図
１，図２と同一符号は同一部材を示すものである。

【００２３】図３，図４において、１は第一アームであ
って、その後端が軸２と一体化されていると共に、該軸
２に取付けられ、かつ、外周にピニオン21aを形成した
回転体21が回転力伝達部として設けられ、前記第一アー
ム１と一体化されていることにより、前記軸２を中心と
して、ベース３に設けられた軸受４に回転自在に枢着支
持されている。

【００２４】前記第一アーム１の先端にはそれと一体の
先端ベース1cが形成され、第二アーム５の後端5aが、こ
の後端に一体に固定立設された軸６において、前記第一
アーム１の先端の軸受７に回転可能に枢着されている。
そして、前記軸６には、外周にピニオン61aを形成した
回転体61が回転力伝達部として一体に設けられ前記第二
アーム５と一体化されている。８は第二アーム５の先端
5bに設けたグリップ，フック等の荷重支持手段によって
形成した負荷部である。２本のアーム１，５は両者が先
端と後端とで連結され、かつ、それぞれの後端1a，5aが
それぞれ独立して回転自在に軸２，６を介して支持され
た２関節アーム機構は、前記両アーム１，５とそれぞれ
軸２，６を介して一体の回転体21，61のピニオン21a，6
1aに、それぞれに回転力が与えられることにより独立し
て時計方向又は反時計方向に回転可能である。

【００２５】図３，図４の本発明アーム機構では、前記
の両ピニオン21a，61aに対し、ピストンロッド9a，10a
の先端側にラック12，13を設けた例えば油圧シリンダ
９，10を、それぞれのラック12，13を噛合させて配設す
ることにより、夫々のピニオン21a，61aにそれぞれ独立
して正，逆方向の回転力を伝達する駆動源として配設し
ている。図示した例では、シリンダ９をベース３に、シ
リンダ10を第一アーム１に、夫々に取付け、前記シリン
ダ９，10が、それぞれのピストンロッド9a，10aを互に
進，退方向に作動させることによって、前記ピニオン21
a，61aを時計方向と反時計方向のいずれかに正，逆回転
させ、第一アーム１と第二アーム５とを夫々に独立して
回転させることができるように構成されている。

【００２６】11は、ここでは油圧シリンダによる駆動源
で、そのピストンロッド11aの先端側に設けたラック14
を第二アーム５に軸６を介して一体化した回転体61′の
ピニオン61a′に、前記ラック13とは軸６を挟んだ反対
側において噛合させると共に、シリンダ本体1１bと一体
でシリンダ本体11bの後方側に延出形成されたラック15
を、第一アーム１の軸２に遊挿され、かつ、ベース３の
上に固定した回転体21′のピニオン21a′に、前記ラッ
ク12とは軸２を挟んだ反対側において噛合させ、両ピニ
オン61a′，21a′に対して同時に作用できるように、こ
れら両ピニオン61a′，21a′の間に架設されている。な
お、シリンダ11の架設保持手段は、図示していないが、
当該シリンダ11を進退方向で自由に支持できる適宜手段
によるものとする。

【００２７】上記各アーム１，５に独立して回転力を作
用させる駆動源のシリンダ９，10は、それらのピストン
9c，10cの前面側又は後面側のいずれかに圧油が供給さ
れることにより、夫々のラック12，13を独立して進，退
させ、各ラック12，13が噛合っているピニオン21a，61a
に、ここでは一例として、互に逆方向の回転力を与える
ので、上記両アーム１，５は夫々のピニオン21a，61aと
一体に同方向に回転するのである。

【００２８】一方、前記２つのピニオン61a′，21a′に
同時に作用する一つの駆動源であるシリンダ11は、その
圧油給排口11eと11dに圧油が供給圧を調整しつつ供給さ
れることにより、そのピストンロッド11aに一体のラッ
ク14と、シリンダ本体11bに一体のラック15とが、相対
的に離反したり、或は、互に接近したり、若しくは、固
定されるように作動させられる。このシリンダ11の作用
によって、前記駆動源のシリンダ９，10の出力により夫
々にピニオン21a，61aに与えられているアームの回転力
に対し拮抗する側、或は、協働する側の回転力が、当該
ピニオン21a′とピニオン61a′を介して上記アーム１，
５に同時に与えられる。前記シリンダ11によりピニオン
21a′とピニオン61a′を介してアーム１，５に同時に与
えられる力は、前記シリンダ９，10により夫々独立して
ピニオン21a，61aを介してアーム１，５に与えられてい
る回転力と等しい力を最大値として制御される。

【００２９】即ち、上記例において、ラック12の後退に
よって第一アーム１が反時計方向に回転し、同時に、ラ
ック13の進出によって第二アーム５が時計方向に回転す
るとき、シリンダ11の圧油給排口11dと11eに、夫々に調
圧制御された圧油P1と圧油P2が供給される。ここで、圧
油の圧力がP2＞P1であると、ラック14とラック15とは互
に離反する方向へ進出し、これによってラック14の進出
は前記回転体61にシリンダ10によって与えられている回
転力に拮抗する側の力として作用し、ラック15の進出は
回転体21に協働する側の力として作用する。圧力がP2＜
P1であるとこれとは逆の作用をする。

【００３０】本発明のアーム機構では、第一アーム１は
シリンダ９の出力によってベース３に対し当該アーム１
の先端の回転力と剛性が制御され、また第二アーム５
は、シリンダ10の出力によって第一アーム１の先端にお
ける当該アーム５の先端の回転力と剛性が制御される。
しかし、これだけでは第二アーム５の先端に形成した負
荷部８をベース３に対してその力と剛性を制御すること
ができないので、本発明では、両アーム１，５の回転時
に両アーム１，５に同時に作用するシリンダ11を設け第
二アーム５の先端における負荷部８のベース３に対する
力と剛性を制御できるようにしたものである。

【００３１】上記のように、本発明の２関節アーム機構
は、各アーム１，５に対する独立した２つの駆動源９，
10の出力によって、第一，第二アーム１，５を夫々に独
立して回転させてアーム機構全体に屈曲と伸展動作をさ
せる一方、このとき前記両アーム１，５に同時に作用す
る１つの駆動源11の出力を制御することにより、前記ア
ーム機構の屈曲，伸展動作時に、第二アーム５の先端に
形成した負荷部８のベース３に対する位置と力と剛性と
を、前記第一アーム１と第二アーム５の回転力と剛性の
制御とは別個に制御することができるのである。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上の通りであって、第一アー
ムと第二アームを有する２関節アーム機構において、第
二アームの先端に形成した負荷点を進退させるため、各
アームに独立して回転力を付与する２つの駆動源と、こ
の２つの駆動源の出力による前記両アームの回転に対し
て作用する別の力を当該両各アームに同時に与える１つ
の駆動源を両アームに跨って設け、前記第一アームと第
二アームの駆動源を駆動して当該第一と第二のアームを
回転させるとき、前記両アームに同時に作用する駆動源
の出力を、前記第一アームと第二アームの回転に協働す
る側と拮抗する側に制御するようにしたので、第二アー
ム先端に形成した負荷部のベース等の固定系に対する移
動，位置決めのための力と剛性を、第一アームと第二ア
ームとは別に制御することができるという、これまでの
２関節アーム機構ではなし得ない格別の効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明アーム機構の一例の側面図。

【図２】図１のアーム機構をパワーショベルに適用した
例の側面図。

【図３】本発明アーム機構の別例の平面図。

【図４】図３のアーム機構の側面図。

【図５】公知アーム機構の一例の側面図。

【図６】公知アーム機構の別例の平面図。

【符号の説明】

１ 第一アーム ２ 第一アームの回転軸 ３ ベース ４ 軸受 ５ 第二アーム ７ 第二アームの回転軸 ８ 負荷部 ９ 第一アームの回転駆動用の油圧シリンダ 10 第二アームの回転駆動用の油圧シリンダ 11 第一，第二両アームに同時に作用する油圧シリン
ダ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基底となるベースに後端を回転可能に枢
   着支持した第一アームの先端に、第二アームの後端を回
   転可能に枢着し、該第二アームの先端を負荷点とする２
   関節アーム機構に於て、前記第一アームと第二アームと
   を夫々の枢着軸において独立して回転させこのアーム機
   構に伸展動作又は屈曲動作をさせるため、前記両アーム
   に独立して回転力を作用させる２つの駆動源を前記第一
   アームと第二アームとに夫々に連結して設けると共に、
   前記両アームに同時に作用する１つの駆動源を前記ベー
   スと第二アームとの間に跨設して連結し、前記第一アー
   ムと第二アームの駆動源を駆動して当該第一と第二のア
   ームを回転させるとき、前記両アームに同時に作用する
   駆動源の出力を、前記第一アームと第二アームの回転に
   協働する側と拮抗する側に制御することにより、前記両
   アームの回転を制御して前記第二アーム先端の負荷点を
   第一アームの後端に対し進出又は後退させると共に、当
   該第二アーム先端の負荷点の位置決めをするようにした
   ことを特徴とする２関節同時駆動源を装備した２関節ア
   ーム機構。
2. 【請求項２】 第一アームと第二アームを夫々に旋回さ
   せる駆動機構は、夫々のアームの回転中心側に各アーム
   と一体のスプロケット等による回転力伝達部を夫々に形
   成すると共に前記の各回転力伝達部に夫々に独立して回
   転力を付与する２つの駆動源を連結する一方、前記２つ
   の回転力伝達部に対し回転力を同時に与える１つの駆動
   源を、前記両アームの回転中心近傍においてベースと第
   二アームの間に跨設して連結した請求項１の２関節同時
   駆動源を装備した２関節アーム機構。
3. 【請求項３】 ベースに後端を回転可能に枢着支持した
   第一アームの先端に、第二アームの後端を回転可能に枢
   着し、該第二アームの先端を負荷点とする２関節アーム
   機構に於て、前記第一アームと第二アームとを夫々の枢
   着軸において独立して回転させこのアーム機構に伸展動
   作又は屈曲動作をさせるため、前記両アームに独立して
   回転力を作用させる２つの駆動源を前記第一アームと第
   二アームとに夫々に連結して設けると共に、前記両アー
   ムの旋回転方向に対し同時に作用する１つの駆動源を前
   記ベースと第二アームとの間に跨設して連結し、前記各
   駆動源を同時に駆動してこの２関節アーム機構全体を伸
   展或いは屈曲させるとき、前記両アームに回転力として
   伝達される夫々の駆動源の出力のうち、該２関節アーム
   機構全体の伸展或いは屈曲動作に対して協働的となる出
   力と拮抗的となる出力との差、並びに、前記両出力の和
   を制御することにより、前記負荷点の位置と負荷点の力
   及び負荷点の剛性とを夫々に制御することを特徴とする
   ２関節同時駆動源を装備した２関節アーム機構の動作制
   御方法。