JPH042399B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、軸端が球面上を移動する関節装置に
関し、ロボツト関節、パラボラアンテナの回転駆
動等に用いるものである。

（従来技術とその問題点） 従来、軸端が球面上の任意の軌道を動き、かつ
前記軸端が姿勢を保つためには、第１４図に示す
ように、第１軸１の回転Ａ、第２軸２の回転Ｂ、
及び第３軸３の回転Ｃをモータ等の駆動装置を用
いて動作するように組合せて実現するのが一般的
であつた。すなわち、第１４図における第１軸１
と第２軸２の回転Ａ，Ｂによつて、第３軸３の軸
端が球面上の任意の軌動を動くようにしていた。

しかし第３軸３の軸端の姿勢を保つには第３軸
３についても回転Ｃをさせなければならなかつ
た。この関係を示すために第３軸３と第２軸２を
回転させず、第１軸１のみを回転させ第３軸３の
先端に付けた目印Ｆの動きを第１軸１上の方向か
ら見た状態を第１５図に示す。そこで点線は第１
軸１が回転した場合の目印Ｆと目印Ｆの軌道F′の
状態を示す。なお第２軸２のみの回転に対して
は、第２軸２が第１軸１に対して一直線上になる
までの回転については、目印Ｆの方向は第１５図
のように変化しない。第１軸１の回転に対し、第
１６図に示すように目印Ｆの姿勢を保つには、第
３軸３も回転Ｃを行わせる必要が有つた。

従つて、このような従来の構造においては、３
自由度の回転軸が必要であり、回転軸の自由度に
応じた数のモータ等の駆動装置も必要であり、装
置が大きくなる欠点及び軸端の位置及び向きから
各軸の回転角を決定する座標交換が複雑になる欠
点が有つた。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような従来の欠点を除去
せしめて、２軸による自由度において、軸端が球
面上の任意の軌動を動き、かつ軸端の姿勢を保
つ、構造が簡単でかつ小型で、しかも関節座標変
換が容易に行える関節装置を提供することにあ
る。

（発明の構成） 本願の第１の発明は、互いの交点を中心として
それぞれに対し、一定の角度をなす平面からなる
摺動面で互いに摺動するようにして回転する第１
及び第２の軸と、前記第１の軸の延長上に設けら
れかつ前記第１の軸を回転駆動する第３の軸と、
前記第２の軸の延長上に設けられかつ前記第２の
軸を回転駆動する第４の軸からなり、かつ前記第
１の軸は前記第３の軸に対し回転可能とするよう
に保持され、前記第２の軸は前記第４の軸に対し
回転可能とするように保持され、さらに前記摺動
面の中心とその中心を一致させるよう設置した環
状接続手段に対し前記環状接続手段の第１の直径
となる軸の回りに回転可能とするよう取り付けら
れた第１の固定手段により前記第３の軸が、前記
環状接続手段と接続される一方、前記第１の直径
と直交し前記環状接続手段の第２の直径となる軸
の回りに回転可能とするよう取り付けられた第２
の固定手段により前記第４の軸が前記環状接続手
段と接続のされることを特徴とする関節装置であ
る。

本願第２の発明は、互いの交点を中心としてそ
れぞれに対し一定の角度ａをなす平面からなる摺
動面で互いに摺動するようにして回転する第１及
び第２の軸と、前記第１の軸の延長上に設けられ
かつ前記第１の軸を回転駆動する第３の軸と、前
記第２の軸の延長上に設けられかつ前記第２の軸
を回転駆動する第４の軸からなり、かつ前記第１
の軸は前記第３の軸に対し回転可能とするように
保持され、前記第２の軸は前記第４の軸に対し回
転可能とするように保持され、さらに前記摺動面
の中心とその中心を一致させるよう設置した環状
接続手段に対し前記環状接続手段の第１の直径と
なる軸の回りに回転可能とするよう取り付けられ
た第１の固定手段により前記第３の軸が、前記環
状接続手段と接続される一方、前記第１の直径と
直交し前記環状接続手段の第２の直径となる軸の
回りに回転可能とするよう取り付けられた第２の
固定手段により前記第４の軸が前記環状接続手段
と接続されると共に、前記第２の軸の延長線と前
記第１の軸が互いになす角を交差角ｇとし、前記
第１の軸と第２の軸の交差点を通りかつ前記第２
の軸をｚ軸としたときこれと直交するｘ−ｙ平面
への前記第１の軸の射影がｘ軸となす角を方位角
ｂとして、前記交差角ｇおよび前記方位角ｂを入
力とし、前記交差角入力から前記第１及び第２の
軸を回転駆動するための共通角度Ｘを 式Ｘ＝sin^-1（（１−cos（ｇ）） ／（sin（ｇ）tan（90°−ａ））） から求める回路と、得られた前記共通角度に対し
て前記方位角を加算することにより前記第１の軸
に対する回転駆動出力を得る回路と、前記共通角
度に対して減算することにより前記第２の軸に対
する回転駆動出力を得る回路とからなることを特
徴とする関節装置である。

（構成の詳細な説明） 本発明の関節装置では、第１および第３の二つ
の軸の長さ及び前記第１の軸および第２の軸に対
する摺動板の角度に依つて第４の軸に対して定ま
る球状運動範囲内を、前記第３の軸の前記摺動面
側ではない軸端が前記第１および第２の軸の交点
を中心としかつ前記第１および第２の軸の長さを
半径とした球面上の任意の軌動を前記第１および
第２の軸の回転速度に依つて定まる速度と回転角
に依つて定まる方向に運動することが出来る。す
なわち、前記軸端の前記球面上の位置、言い換え
れば前記第１および第３の軸が前記第２および第
４の軸に対し交差する角度と方向を前記第１およ
び第２の軸の回転角度に依つて決めることができ
る。

（実施例） 以下実施例に基づいて図面を参照して、本発明
を説明する。

第２図は本発明の原理を説明するための図であ
る。二つの回転軸４，５の各々の一方の軸端に一
定の角度でしゆう動板４０，５０が取り付けられ
ている。第３図は第２図の一部を断面とした側面
図で、その動作を説明するための図である。二つ
の回転軸４，５の中心線４Ｃ，５Ｃの交点Ｐを中
心とするベアリング６でしゆう動板４０，５０を
結合する。また同図において回転軸４が回転した
場合の回転軸４′と中心線４′Ｃの状態を２点鎖線
でしめす。第３図から明らかなように、回転軸
４，５に対してしゆう動板４０，５０が角度ａを
有しているため、各々の回転軸４，５の回転角度
により、回転軸の中心線４Ｃと５Ｃが交差する交
差角及び回転軸４が傾く方向である方位角が変化
する。

第４図は本発明の一実施例を示す機構部の側面
図である。第４図を参照すれば本機構部は、互い
の交点を中心としてそれぞれに対し、一定の角度
をなす平面からなる摺動面を構成する摺動板４０
及び５０と、前記摺動板により互いに摺動するよ
うにして回転する第１の軸を構成する回転軸４お
よび第２の軸を構成する回転軸５と、前記第１の
軸の延長上に設けられかつ前記第１の軸を構成す
る回転軸４を回転駆動する第３の軸を構成するモ
ータ７及び前記第２の軸の延長上に設けられかつ
前記第２の軸を構成する回転軸５を回転駆動する
第４の軸を構成するモータ８からなる。前記第１
の軸は出力軸７０を用いて前記第３の軸を構成す
るモータ７に対して回転可能とするよう保持さ
れ、同様に前記第２の軸は出力軸８０を用いて前
記第４の軸を構成するモータ８に対して回転可能
とするよう保持される。

さらに、前記摺動面の中心とその中心を一致さ
せるよう設備した環状接続手段９Ａを用意すると
共に、前記環状手段９Ａの第１の直径となる軸９
１の回りに回転可能とするよう取り付けられた第
１の固定手段９Ｂおよび前記第１の直径となる軸
９１と直交し前記環状手段９Ａの第２の直径とな
る軸９２の回りに回転可能とするよう取り付けら
れた第２の固定手段９Ｃを用意する。本発明に従
う機構では前記第３の軸を構成するモータ７は前
記第１の固定手段９Ｂに取り付けられることによ
り、前記環状接続手段９Ａに対して前記第１の直
径となる軸９１の回りに回転可能とするよう固定
される。同様にして前記第４の軸を構成するモー
タ８は前記第２の固定手段９Ｃに取り付けること
により、前記環状接続手段９Ａに対して前記第２
の直径となる軸９２の回りに回転可能とするよう
固定される。

前記環状接続手段９Ａ及び第１、第２の固定手
段９Ｂ，９Ｃは一体として従来種々の分野で用い
られているユニバーサルジヨイントと類似の構成
を取つており、以後ユニバーサルジヨイント９と
呼ぶことにする。

今、モータ７，８の出力軸７０，８０を各々回
転させると、第５図に示すようにモータ７の先端
は、回転軸４，５に取り付けたしゆう動板４０，
５０の取り付け角度ａに依つて、回転軸４，５の
中心線の交点Ｐを中心としかつ回転軸４の長さと
モータ７の長さの和を半径とした、球状運動範囲
１０内の球面上を二つの回転軸４，５の回転速度
に依つて定まる速度で回転角に依つて定まる軌動
を描いて運動することが出来る。

次に、モータ７の先端部のみに注目し、第３図
における回転軸５を垂直にたて、第６図に示す交
点Ｐを中心とし、Ｚ軸を垂直とするｘ，ｙ，ｚの
３次元の座標系の中に回転軸４があるとする。そ
して、しゆう動板５０の向きを座標軸ｘの方向か
ら見たときに第３図の状態になるように決める。
回転軸４が垂直な状態から回転軸４，５を逆回転
するようにモータ７，８を同じ回転数だけ回転さ
せると、モータ７の先端部は常にｘ軸上の軌跡４
１を描く。またモータ７の先端部がある角度傾い
ていたとして回転軸４，，５を同方向に回転する
と、常にｚ軸を中心とした軌跡４２を描く。これ
は第７図に示す回転軸５だけを回転させた場合の
モータ７の先端部の軌跡５１と、第８図に示す回
転軸４だけを回転させた場合のモータ７の先端部
の軌跡５２（この軌跡５２は第７図の軌跡５１と
ｘ−ｚ面で対称となる。）との組み合わせで実現
出来る。

そこで、第９図に回転軸４の先端（以下、モー
タ７の先端部と同じ意）をｇ度だけｘ−ｚ面上に
傾けた状態（この状態の回転軸４の方位角ｂを０
とする。）を示す。この時、回転軸４の先端はｚ
軸上の点P₀から点P₂まで移動する。この動作は
第７図に示した回転軸５だけの回転と回転軸４，
５を同じ方向に同じだけ回転させた動作とに分解
できる。この様に二つの動作に分解した時の回転
軸４の先端の軌跡の状態を第１０図に示す。回転
軸４の先端は第７図のように回転軸５だけの回転
により点P₀から点P₁まで移動し、回転軸４と回
転軸５を逆方向に共通の回転角度ｘ度だけ、ｚ軸
を中心に回転させると第９図と同じ点P₂まで移
動する。このことにより、回転軸４の先端を点
P₁から点P₂に移動させるための回転軸４の回転
角度が回転軸４の先端を点P₀から点P₂に移動す
るための回転軸４，５の回転角度であることがわ
かる。

これは、回転軸４の先端を点P₀、点P₁、点P₂
と移動した時に、回転軸４は点P₁から点P₂へ移
動する時だけ回転するために判る。

そこで、第１１図において点P₃は点P₂からｚ
軸におろした垂線の交点、点P₄は点P₃からｙ軸
に平行に下ろした線と軌跡４２との交点、点P₅
は線P₃−P₄と点P₂から第７図に示す軌跡５１の
中心線５１Ｃに下ろす垂線と交わる点、点P₆は
前記垂線が前記中心線５１Ｃに交じわる点およ
び、線Ｐ−P₂（回転軸４に相当する）とｚ軸のな
す交差角をｇとする。

第１１図をｚ軸方向から見た場合の軌跡４２内
を第１２図に示す。このとき、線P₂−P₃と線P₁
−P₅は平行であり、線P₂−P₃と線P₃−P₄とは直
角である。そこで点P₁、点P₃、点P₂の成す角ｘ
は点P₃、点P₁、点P₅の成す角と同じになる。線
P₂−P₃を線分rgとし線P₃−P₅を線分rxとする。
ゆえに角ｘは、 ｘ＝sin^-1（rx／rg） 線分rgは軌跡４２の半径で、線分Ｐ−P₀をＲ
とすると、 rg＝Rsin（ｇ） 次に、第１３図のように二種類の三角形（Ｐ−
P₀−P₆とＰ−P₃−P₄）に注目すると、線分rxは、 rx＝（Ｒ−Rcos(g)）／tan（90°−ａ） 角90°−ａは点P₀、点Ｐ、点P₆の成す角で第３
図に示す回転軸４としゆう動板４０の成す角90°
−ａに相当する。ゆえに、 ｘ＝sin^-1（（１−cos(g)）／（sin(g)tan（90°−
ａ））） となり、回転軸４をｘ度、回転軸５を−ｘ度
各々回転させると、回転軸４の先端は点P₀から
点P₂に移動する。

さらに、回転軸４，５を同じ方向に任意の同じ
方位角ｂだけ回転させ、回転軸４の先端を第１１
図に示す位置からｚ軸を中心に方位角ｂだけ回転
させれば、回転軸５の回転角度Ｍ１及び回転軸４
の回転角度Ｍ２は Ｍ１＝−Ｘ＋ｂ Ｍ２＝Ｘ＋ｂ となり、回転軸４の先端はｚ軸を中心に第３図
にしめす回転軸４としゆう動板４０の成す角ａに
よつて定まる範囲内で任意の動作が出来る。

第１図は本発明の一実施例の電気回路のブロツ
ク図で、前述した式に基づいて交差角ｇ及び方位
角ｂから回転角度Ｍ１及びＭ２を求めるものであ
る。図において回路２００は交差角ｇから共通の
角ｘを求める回路であり、回路３００は共通の角
ｘと方位角ｂとを加算及び減算することによつ
て、回転角度Ｍ１とＭ２を求める回路である。回
路１００は交差角ｇの正弦を求めるsin(g)の計算
回路、１１０は角ａの正接を求めるtan(a)の計算
回路、１２０は１−cos(g)の計算回路、１３０は
回路１００と回路１１０からのデータの積を求め
る乗算回路、１４０は回路１３０からのデータで
回路１２０からのデータを割る割算回路、１５０
は回路１４０からのデータのアークサイン
（arcsin）を求める計算回路、１６０は回路１５
０からのデータを方位角ｂを加える加算回路、及
び１７０は回路１５０からのデータを方位角ｂか
ら引く減算回路である。前記回路１００〜１７０
は市販の論理集積回路又はマイクロプロセツサ上
のソフトウエアで簡単に実現することが出来、高
速性を要求される場合は、テーブル交換の方式を
使うことも可能である。

（発明の効果） 本発明の関節装置は、以上説明したように第２
および第４の軸に対し第１および第３の軸を任意
の交差角および方位角で傾けることができしかも
第３の軸の軸端の姿勢を常に一定に保つことがで
き、さらに前記交差角および方位角に対応する第
３または第４の軸に対する第１および第２の軸の
回転角を求める関節座標変換が容易に得られる効
果がある。

以上詳細に説明した関節装置は、ロボツト関
節、パラボラアンテナの回転駆動装置等に適用し
た場合、その特長を最大限に活用することができ
る。ロボツト関節に応用した場合、ロボツト本体
を構成するリンク部分に駆動モータを内蔵するこ
とが可能になるので、突起部がなく狭い部分にお
ける動作に適したロボツトアームを構成すること
ができる。パラボラアンテナの回転駆動に適用し
た場合、アンテナの送受波方向を定める座標系と
して水平面内の方向を示す方位角と鉛直面内での
方向を示す仰角が前記説明に用いた方位角ｂ及び
交差角ｇに直接対応しており、簡単な制御装置構
成にて所望の方向へアンテナを駆動することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電気回路のブロツ
ク図、第２図は本発明の原理を説明するための回
転軸４，５及びしゆう動板４０，５０の斜視図、
第３図は第２図の側面図、第４図は本発明の一実
施例の機構部の側面図。第５図は第４図に示す機
構部の動作を示す図、第６図は第４図のモータ７
の先端部の基本動作を示す図、第７図は第４図の
モータ８のみを回転させた時のモータ７の先端部
の軌跡を示す図、第８図は第４図のモータ７のみ
を回転させた時のモータ７の先端部の軌跡を示す
図、第９図はモータ７の先端部をｘ−ｚ面上で動
作させる為の説明図、第１０図から第１３図は第
９図の動作を詳細に説明する為の図でそれぞれ第
９図に示す動作を回転軸５だけの回転と回転軸
４，５を同じ方向に同じだけ回転させた２つの動
作に分解した図、この２つの動作とｚ軸等との関
係を示す図、第１１図の平面図および第１１図に
おける三角形Ｐ−P₀−P₆と三角形Ｐ−P₃−P₄を
示す図、第１４図は従来の関節装置の一例の斜視
図、第１５図は第１４図に示す第３図３に付けた
目印Ｆの状態を示す平面図、第１６図は目印Ｆの
姿勢を保つた状態を示す図である。 １……第１軸、２……第２軸、３……第３軸、
４，４′，５……回転軸、６……ベアリング、７，
８……モータ、９Ａ……環状接続手段、９Ｂ，９
Ｃ……固定手段、１０……球状動作範囲、４Ｃ，
４C′，５Ｃ……中心線、４０，５０……しゆう動
板、７０，８０……モータ出力軸、Ａ，Ｂ……第
１、２軸の回転方向、Ｐ……回転軸４，５の中心
の交点、ａ……回転軸４，５としゆう動板４０，
５０の成す角、Ｆ……目印、ｘ，ｙ，ｚ……座標
軸、４１，４２，５１，５２……軌跡、５１Ｃ…
…軌跡５１の中心線、ｇ……モータ７の先端部の
傾き、ｘ……回転角度、Ｍ１，Ｍ２……回転軸
５，４の回転角度、Ｒ……交点Ｐからモータ７の
先端までの長さ、１００，１１０，１２０，１３
０，１４０，１５０，１６０，１７０……各演算
ブロツク、２００……共通の角ｘを求める回路ブ
ロツク、３００……回転角度Ｍ１，Ｍ２を求める
回路ブロツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いの交点を中心としてそれぞれに対し一定
   の角度をなす平面からなる摺動面で互いに摺動す
   るようにして回転する第１及び第２の軸と、前記
   第１の軸の延長上に設けられかつ前記第１の軸を
   回転駆動する第３の軸と、前記第２の軸の延長上
   に設けられかつ前記第２の軸を回転駆動する第４
   の軸からなり、かつ前記第１の軸は前記第３の軸
   に対し回転可能とするように保持され、前記第２
   の軸は前記第４の軸に対し回転可能とするように
   保持され、さらに前記摺動面の中心とその中心を
   一致させるよう設置した環状接続手段に対し前記
   環状接続手段の第１の直径となる軸の回りに回転
   可能とするよう取り付けられた第１の固定手段に
   より前記第３の軸が、前記環状接続手段と接続さ
   れる一方、前記第１の直径と直交し前記環状接続
   手段の第２の直径となる軸の回りに回転可能とす
   るよう取り付けられた第２の固定手段により前記
   第４の軸が前記環状接続手段と接続されることを
   特徴とする関節装置。 ２ 互いの交点を中心としてそれぞれに対し一定
   の角度ａをなす平面からなる摺動面で互いに摺動
   するようにして回転する第１及び第２の軸と、前
   記第１の軸の延長上に設けられかつ前記第１の軸
   を回転駆動する第３の軸と、前記第２の軸の延長
   上に設けられかつ前記第２の軸を回転駆動する第
   ４の軸からなり、かつ前記第１の軸は前記第３の
   軸に対し回転可能とするように保持され、前記第
   ２の軸は前記第４の軸に対し回転可能とするよう
   に保持され、さらに前記摺動面の中心とその中心
   を一致させるよう設置した環状接続手段に対し前
   記環状接続手段の第１の直径となる軸の回りに回
   転可能とするよう取り付けられた第１の固定手段
   により前記第３の軸が、前記環状接続手段と接続
   される一方、前記第１の直径と直交し前記環状接
   続手段の第２の直径となる軸の回りに回転可能と
   するよう取り付けられた第２の固定手段により前
   記第４の軸が前記環状接続手段と接続されると共
   に、前記第２の軸の延長線と前記第１の軸が互い
   になす角を交差角ｇとし、前記第１の軸と第２の
   軸の交差点を通りかつ前記第２の軸をｚ軸とした
   ときこれと直交するｘ−ｙ平面への前記第１の軸
   の射影がｘ軸となす角を方位角ｂとして、前記交
   差角ｇおよび前記方位角ｂを入力とし、前記交差
   角入力から前記第１及び第２の軸を回転駆動する
   ための共通角度Ｘを 式Ｘ＝sin^-1（（１−cos（ｇ）） ／（sin（ｇ）tan（90°−ａ））） から求める回路と、得られた前記共通角度に対し
   て前記方位角を加算することにより前記第１の軸
   に対する回転駆動出力を得る回路と、前記共通角
   度に対して減算することにより前記第２の軸に対
   する回転駆動出力を得る回路とからなることを特
   徴とする関節装置。