JPH04502584A

JPH04502584A - ロボット式マニプレータ

Info

Publication number: JPH04502584A
Application number: JP2502813A
Authority: JP
Inventors: ロスハイム，マーク・イー; トレックセル，ハンス・ダブリュー
Original assignee: ロス―ハイム・デザインズ・インコーポレーテッド
Priority date: 1989-01-03
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1992-05-14
Also published as: EP0452415A1; US4911033A; WO1990007403A1; CA2045487A1; KR910700129A; EP0452415A4

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ロボー　エマニ　レー光朋Ω茸景本発明は機械的マニプレータとして使用される制御された運動機械的部材に関し且つ特に人間の腕の能力の若干を提供する運動制御可能な擬人化された機械的マニプレータに関する。

そのような機械的マニプレータを制御するための増加された能力と一緒に、仕事場での増加された自動化に対する強い要求、及び遠隔操作可能な機械的アクチュエータに対する要求がロボット工学の開発でかなりの努力を行っている。その結果として、ロボット工学の多くの局面でがなりの進歩が起こっている。

ロボット工学を普及させる１つの局面は、選択された対象物の位置又は配向を変えるために使用されるロボットの部分である機械的マニプレータの＃御である。

究極的に、そのようなマニプレータは人間の腕、手首及び手、又はその部分と同様な能力をもつことが望まれる。

人間の腕を擬態化する機械的マニプレータを提供することは困難な設計問題を提供する８人間の肩及び人間の手首はそれぞれがそれへ利用し得る運動可能性で３つの自由度をもつと考えられることができ、肘はその可能な運動で単一の自由度をもつと考えられることができる。３つの自由度を示すことを試みる機械的マニブレ・−夕月の多数の機械的関節が提案されており、それらの幾つかは実際にそのような能力を達成している。そのような関節は典型的には基部を有し、その上に関節の一方の側が締着され、その基部から力を伝える構造が、関節の締着部分の可動な部材を動作させるために設けられている。機械的伝達構造は、次に関節のこの締着された側でのこの運動を関節の制Ｊ’Ｈされた側へ加え、その部分を対応して動かす、関節の制御卸された側をそのように操作する機械的伝達構造は歯車を含む多くの種類を有している。

しかしながら、そのような関節はしばしばかなりの費用を生ずるかなり多くの部品を用いて構成されており、関節はしばしば組立が困難である。更に、装置のような関節はしばしばそのＭｊＢされた部分が望まれる運動の器用さ及び範囲を示すことを欠いている。加えて、そのような関節の「剛性」、即ち制御Ｂされた部分が特別の位置を保ち、この制？■された部分の出力端に生しるがなりの力にもかがねらずそれから殆ど変位しないその能力はしばしばひどく不足している。このため、そのような不足を克服し、それにより腕状の機械的マニプレータが人間の鋺の運動とほぼ同等の運動能力を備えることができ且つその制御された部分がその上に生じるかなりの力にもかかわらず選択された位置に維持し得る関節が望まれる。

発所凶概要本発明は、基部支持体と操作可能な又は制御可能な出力支持体とを有し、そのそれぞれが１つの軸線にあるそれらを直交軸線にある共通の結合構造へ連結する直交ピポッ）・連結構造を有し、２つの直交連結手段がこの結合手段を通して互いに移動可能に結合された機械的マニプレータを提供する。一対の案内手段が設けられ、それぞれは支持体の１つへ回転可能に連結され且つ互いに移動可能に結合され、これらの案内手段はそれぞれが直交連結手段の対応する１つの周りに位置決めされる。直交連結手段は案内手段のように歯車歯の使用によって互いに移動可能に結合されることができる。互いに結合された複数個のそのような関節は２つの回転インタフェイスの間に設けられることができる。

凹皿Ω簡単ｌ置所第１図は本発明を具現化する機械的マニプレータを示し、第２Ａ図及び第２Ｂ図は第１図の装置の部分を示し、第３図は第１図の装置の部分の分解図を示し、第４図は第１図の装置の部分の破断絵画図を示し、第５図は第２Ａ図に示した装置の断面図を示し、第６図は第５図に示した装置の断面図を示し、第７図は第５図に示した装置の断面図を示し、第８Ａ図及び第８Ｂ図は異なる位置における第２Ｂ図に示した装置の断面図を示し、第９Ａ図及び第９Ｂ図は第１図の装置の部分を示し、第１０図は第９Ａ図に示した装置の断面図を示し、第１１図は第９Ｂ図に示した装置の断面図を示し、第１２図は第１図に示した装置の断面図を示し、第１３図は第１２図に示した装置の断面図を示し、第１４図は第１図に示した装置の断面図を示し、第１５図は第１４図に示した装置の断面図を示し、第１６図は第１図の装置を示し、その上に重畳されたグラフはその垂直方向運動範囲を示し、そして第１７図は第１図の装置を示し、その上に重畳されたグラフはその水平方向運動範囲を示す。

好適μｍ施土９許膳水朋第１図は人間の肩、上方腕、肘、前腕及び手首にいくらか類似性をもつ機械的操作系１０の部分を示す、操作系１０は操作基部又は支持構造１１から延び、該操作基部又は支持構造へ扇状間′Ｍ１２が回転可能に取付けられている。関節１２の他方の側に上方腕状部分即ち第Ｊの延長部１３があり、それはアクチュエータ作動関節１２を通して基部１１に関して角度方向へ移動するようにされることができる。肘状関節１４は延長部１３と前腕状部公理ぢ第２の延長部１５との間に取付けられる。延長部１５はアクチュエータ作動量！１ｆｆ２４によって単一の軸線の周りに回転するようにされることができる。

手首状関節１６は第２の延長部１５の他端へ取付けられる。関節１６の反対側は関節１６へ連結された作動アクチュエータによって延長部１５に関して選択された角度方向位置へ再び操作されることができる。

操作系１０の部分はスタンド１７を形成する台及び垂直支持体構造上に支持される。操作基部１１はスタンド１７の垂直支持体上に取付けられ、それをスタンド１７の台部分より上の所望の高さに支持する。

肩関Ｗ１１２は第２Ａ図及び第２Ｂ図により詳細に示される。そこには基部１１の一部分及び延長部１３の一部分がそれらの間に位置決めされた関ｗ１２と共に示されている。また、関節１２は第３図の分解図及び第４図の一部破断絵画図により詳細に示されており、同し表示がこれらの図のそれぞれで同し関節」２の構成要素に用いされている。第２Ａ図及び第２Ｂ図では延長部１３及び基部１１は互いに整列されるように示されているが、第４図は、延長部１３が取付けられた部分が基部１１に取付けられた部分に関して角度をなすように作動された関節１２を示す。

第３図はマニプレータ支持体１１へ軸線の周りに回転可能に取付けられた基部支持体１８を示し、この軸線は第２Ａ図及び第２Ｂ図に示した関ｖ１１２及び支持体１８の表示では垂直軸線である。基部支持体１８は第４図でも見られるが、その図に示したマニプレータ基部１】の部分はない、第２Ａ図、第２Ｂ図、第３図及び第４図に示した補助基部支持体１９Ａ及び１９Ｂは、基部支持体１８に固定されており、延長された基部支持体を形成する。

これらの図で関節Ｉ２の基部側のために設けられた案内手段２０は玉軸受構造２１中で基部延長部１．９Ａ及び１９Ｂの間に取付けられる。これにより、案内手段２０が軸受構造２１の軸受レースの中心によって画定された軸線の周りを回転することができる。円筒形８案内手段２０は第３図でその上方端表面上に２Ｍｉのはすば歯車歯２２を有する。これらのはすば歯車は２組の歯車歯が一緒にやまば歯車と同様に動作する歯車組を形成するように表面に関して対角線方向に設定される。出張りによって形成された連結点２３は、その図で図示されないアクチュエータ手段が案内手段２０へ枢動可能に又は回転可能に連結されるために設けられている。歯車両組２２がそれに形成された端表面は、一方が案内手段２０によって画成され且つ他方がそれに対して垂直に配向された２つの円筒形表面の交点で形成される曲線、即ち第１の円筒形表面上へ突出した円弧に従う。

部分球形殻部材２４が第３図及び第４図に示され、それはジンバルリングとして並びに駆動部材として作用し、且つその取付部分の上に高くされた基部支持体１８の截頭球形部分２５の上に嵌合する。截頭球形部分２５は開口２６を有し、該開口は第３図でそれを垂直方向に貫通し且つ基部１８の残りの部分を貫通して連続している。開口２６の軸線に対して垂直な軸線の周りに共通に中心を置いた一対の別の開口２７が截頭球形部分２５中でその両側に位置決めされる。開口２７はそれを通るねし２８をもちいて軸受構造２９を取付けることを可能にするように截頭球形部分２５中に設けられ、これらの−組のねし２８と軸受構造２９は球形殻２４中の対応する一対の開口３０の各１つで使用される。−組の軸受及びねじの配置は球形殻２４を截頭球形部分２５の周りに回転可能に締着するために使用され、それにより球形殻２４は開口３ｏの中心と共通に開口２７の中心によって画成された軸線の周りに回転することができる。

球形殻２４は別の開口３１を存し、それを通して球形部分２５の開口２６へ接近することができる。開口３１の各側に、互いに平行であり且つ球形ｆｉ２４の開口３０の中心によって画定された軸線とも平行である軌道に従う歯車歯３２の二組の１つがある。これらの歯車歯ははすば歯車であり、且つこれらの軌道の方向に対して対角線方向に斜めにされてやまば歯車と同様に動作する歯車両組を一緒に形成する。

ねし山付側部を存する球形殻２４中の別の一対の開口３３が第３図に示され、該開口はその殻中の開口３０の中心によって画定された軸線に対して垂直な又は直交する軸線を画定する中心を有する。開口３３は後述するように関節作動アクチュエータを連結するために使用されるように出張り３４の間に設けられる。開口３３は第２Ａ図、第２Ｂ図、第３図及び第４図に示したジンバルコネクタ３５を一対のねじ３６を用いて球形殻２４へ取付けるために使用され、該ねじのそれぞれはヘッド部近くのその細部に沿って支持表面を存するが、その他端にねじ山を付けている。各ねじ３６はコネクタ３５の一端を形成する部分球形殻中の一対の開口３７を通して取付け、それにより開口３７の側部はねじ３６の支持表面と結合される。ねし３６のねし山付部分はねし山付開口３３中へねし込まれ、コネクタ３５を球形殻２４と結合する。このため、球形殻２４が基部支持体１８の截頭球形部分２５の周りに回転し得る軸線に対して直交する軸線の周りに、コネクタ３５は回転することができる。

関節１２の基部側を形成する第２Ａ図、第２Ｂ図、第３図及び第４図でいま説明した構成要素は、各側に共通のコネクタ３５を有する関節１２の操作可能な側を形成するほぼ同一の対応部を有する。従って、コネクタ３５は、球形殻２４へ取付けるその一端上の部分球形殻に加えて、その他端上に部分球形殻をその一体部分として有する。この他端の部分球形殻は開口３８を有し、間！Ｉ’ｌ１２の操作可能な信士のジンバルとして作用する別の部分球形殻をコネクタ３５へ取付けるねじ３９が、開口３８中に設けられる。ねし３９はそのへ２ド部近くに支持表面を存し且つねし山付他端を有する。

コネクタ３５はその中心に開口４０を有し、その方へコネクタ３５の下方部分球形殻端に位置決めされた第１の対の平行なスロット４１が通じる。別の対の平行なスロット４２ばそのコネクタの上方部分球形殻端の開口４ｏへ通しる。スロット４１はこれらの図では見られないが、後の図で見られることができる。スロット４１はその中に２つの軌道の歯車両組３２を対応して収容する。

スロット４２は、ジンバルリングとして作用し且つ第３図及び第４図に示した前述した別の部分球形殻４３と関連してコネクタ３５中に設けられる０球形殻４　。

３がピボットねじ３９によってコネクタ３５中で連結されること及び球形殻２４がピボットねじ３６によってコネクタ３５中で連結されることは一方の運動が他方をも運動さセることを導く、これは、別の歯車両組４４と球形殻２４上の歯車歯＆１３２との噛合いによって起こる。歯車両組４４は、部分球形殻４３上で、軌道の方向に関して対角線方向にあるはすばの両組を有する２つの分離した平行な軌道に設けられている。再び、この構成は殆どやまば歯車として作動する歯車両組を形成する。従って、ねじ３６によってコネクタ３５へ締着された部分球形殻２４が配置されている開口３３の中心によって画定された軸線の周りに部分球形殻２４の運動があるならば、歯車＆ｌｌ３２は、コネクタ３５中の開口４０を通して歯車組４４へ伝達される力によって、部分球形殻４３の対応した運動を強制する。

球形殻４３のこの運動は、球形殻４３中にねし山付側部を存する別の一対の開口４５の中心によって画定された軸線の周りに生じる。そのような運動中、軌道中の歯車歯ｌｌ３２の部分はコネクタ３５のスロット４１中を移動し、歯車両組４４の部分はコネクタ３５のスロット４２中を移動する。

球形殻４３は、そのねじ山付開口４５中ヘコ不クタ３５中の開口３日を通して延びるねじ３９によって、コネクタ３５の第２の部分球形殻中に連結される。

部分球形殻４３中の別の一組の開口４６ば、開口４５の中心によって画定された軸線に対して横断方間の別の軸線を画定する中心を有する。−組の出張り４７が開口４５の両側に設けられ、それは力センサ又は他の部品の運動を関節１２の操作可能な側へ連結するために使用されることができる。開口４８は歯車両組４４の平行な軌道の間で球形殻４３を通して設けられる。

はすばの歯Ａ９は、関ｗ５１２の操作可能な側のために設けられ且つ第２Ａ図、第２Ｂ図、第３図及び第４図に示した別の案内手段５０の端表面上に二組設けられる。歯車歯４９はコネクタ３５の両側の各場所で端表面の方向に関して対角線方向に設定され設けられる。−緒に、それらは殆どやまば歯車と同様に動作する構造を形成する。案内手段５０は、延長された操作可能な支持体への取付のために設けられた玉軸受構造５１の一部分を有する。連結点５２のための出張りはその上に設けられるが、それらは関節１２の操作可能な側への力センサ又は他の部品の運動の連結を許すために必要ではない（それ故破線の形で図示される）、軸受構造５１の他の部分は、操作可能な延長された支持体を一緒に形成づ−るように操作可能な支持体５４へ堅く締着された操作可能な支持延長部５３Ａ及び５３Ｂ中に示される。

操作可能な支持体５４は、部分球形殻４３の内部へ嵌合し、ねじ５６によってその開口４６中に締着される取付部分の上に設けられた支持体５４の一部分として截頭球形部分５５を有し、この截頭球形部分５５は、操作可能な支持体５４の截頭球形部分５５にある開口５８を通して、対応する軸受レース５７の一部を保持する。ねじ５６は開口５日を通して部分球形殻４３の開口４６中へ延び、殻４３の支持体５４への支持及び連結を完成する。開口５９ば截頭球形部分５５を貫通し、支持体５４を通って連続する。

第４図の破断図は第３図に示した別々の部品がいかに組立てられるかに関する絵画図を提供する。アクチュエータ６０の端部分が第４図に追加して図示されている。アクチュエータ部分６０は部分球形殻２４の出張り３４へ回転可能に又は枢動可能に連結され、力がそれを通して球形殻２４、コネクタ３５、球形８４３へ伝達され、案内手段５０へ伝達されるのを可能にし、それを動かすことができる。従って、第４図で、案内部材５０は第４図で下方へ力を受けたアクチェエータ部分５８によって案内手段２０に関して回転されて図示されている０部分球形殻２４及び４３上に歯車両組３２及び４４をそれぞれ存する軌道間の分離、並びに部分球形ＷＲ２４及び４３０間のコふフタ３５によって提供されたこの軸線での堅い連結は間＃１２がこの軸線の周りで力に関して非常にｒｌＩｉ１直Ｊであることを可能にする６コネクタ３５は、歯車歯ｋＩＬ３２及び４４で対角線方向の歯車歯の使用を省くことを可能にし且つ妥当な剛直性を保持しながら真直ぐに横切る経済的な平歯車歯の使用を可能にする。やまば噛合いは回転の円滑性を向上し且つねし３６の周りに回転するコネクタ３５での軸受バンクラノシの作用を制限することによって関節の「剛直性」を向上することができる。

関節１２の２つの側面図が第２Ａ図及び第２Ｂ図で互いに直交する側面で示される。それ故、ｍ２Ｂ図では、別のアクチュエータ６１の別の部分が図示されており、それによって関節１２の操作可能な側は部分球形殻４３を部分球形殻２４に関して回転させることによって直交軸線でその他方の側に関して回転されることができる。このため、力はアクチュエータ６１の部分を通して案内手段２０へ伝達され、次に案内手段５０へ伝達され、コネクタ３５を通して球形殻４３を球形殻２４に関して回転させる。歯車は２２及び４９をそれぞれ上に有する案内手段２０及び５０の端表面の間の分離は先に説明した軸線に対して直交する軸線の周りの力に関して非常に［剛直Ｊであることを可能にし、その直交する軸線の周りにアクチュエータ６０上の力に対して応答が生しる。やまばの噛合いは案内手段２０及び５０が互いに側方への変動するのを妨げる。

関Ｗｉ１２の種々の構成要素の関係は関節の断面図によってよりよく理解されることができる。そのような断面は第２Ａ図及び第２Ｂ図で指示されており、これらの断面図の最初の図は第２Ａ図からとった第５図に示される。関！ｆｆ１２の特別の構成要素についてそれが図示された先の図で用いたものと同じ表示が第５図で用いられる。

第５図の断面図は第２Ａ図からとられたが、関Ｍ１２の操作可能な側は、第５図で案内手段２０の歯車両組２２及び案内手段５０の歯車両組４９に沿って同図でアクチェエータ６０を左方へ押すことによって回転されている。前述した回転は既に起こったものとして第５図で示されているが、完全に開いた制御通路が関１！ｆｆ１２を通して残っていることに注目されいた。この通路は截頭球形部分２５を通ることを含む基部支持体１８中の開口２６を通って延び、部分球形殻２４の開口３１及び部分球形殻４３の開口４８を通って延び、これらの最後の２つの開口はコネクタ３５の開口４０内に生じる９通路は次に操作可能な支持体５４の開口５９を通して連続し、その截頭球形部分５５を通過することを含む、このため、関節１２を通り過ぎて第１図のマニブレーク系１０の別の部分を制御するための電気配線ハーネス又は他の制御信号伝達手段は回転がそこで起こるにもかかわらず開！ｆｆ１２を通過してそれらの他の部分へ達することができる。

マニプレータ基部１１の部分も第５図の断面図で示されている。マニプレータ基部１１は軸受及びシール構造を通して互いに連結された２つの主シリンダ状部分６２及び６３からなる。その結果として、関節１２へ堅く取付けられた内方シリンダ状部分６２は外方シリンダ状部分６３に関して回転するように強制されることができる。

部分球形殻２４の出張り３４へ連結されたアクチュエータ部分６０ば、ねじ６４によるねし山付スリーブ６５へ取付けるために、内方シリンダ状部分６２中へ延びる。スリーブ６５は直線アクチュエータを形成するようにそのねじ山ど噛合うモータ軸上のねじ山によって回転可能に作動され、スリーブ６５のこの部分及び軸は第５図に図示されない、そのモータ軸は、アクチュエータ６０に押す力又は引く力のいずれかを提供するように、作動モータ６６の部分であり且つ該作動モータによって回転可能に作動される。押す力及び引く力の両方を、第５図に示した破線のアクチュエータを代替的に加えることによって、部分球形殻２４へ同時に加えることができる。

同様な構成が第５図で大部分が見えないがアクチュエータ６１のために設けられ、それはねし山付スリーブ６７へ連結され、該スリーブは直線アクチュエータを形成するように別のモータ６８から延び且つそれによって回転可能に作動されるモータ軸上のねし山によって回転可能に作動される。モータ６６は内方シリンダ状部分６２へ締着されたビボフｈｉ造６９によって連結される。モータ６８は同様にピボット構造中に連結される。この構造の利点は、アクチュエータ６０及び６１がその軸線に沿った力の作用だけを受けることを必要とし、関節１２の操作可能な側がその可能な位置のどれかをとるように強制されることを可能にすることである。枢動、膨張及び収縮を越えたねしり、曲げ又は他のそのような作用が、関節１２の操作可能な側を作動する際に、モータ、その中のねし山付軸、ねし山付スリーブ又はアクチュユータ延長部分のどの部分にも必要とされない。

別のモータ７０が内方シリンダ状部分６２を外方シリンダ状部分６３に関して回転状態に駆動するために使用される。モータ７０は出力軸７Ｉを有し、その上の歯車歯は遊星歯車列で内方平歯車７２と噛合うビニオン歯車を形成する。内方歯車７２はそれへ堅く取付けられた３つのフランジ７３を有し、該フランジはそれへ堅（取付けられた軸７６上に取付けられた軸受７５上の対応する遊星歯車７４を担持し、遊星歯車系を形成する。

ビニオン歯車７４は２つの外方リング歯車７７及び７８と噛合う、モータ７０は内方シリンダ状部分６２中に取付けられ、該内方シリンダ状部分は外方リング歯車７８へ堅（取付けられる。外方リング歯車７８及び内方シリンダ状部分６２は第］の対の玉軸受７９、第２の対の玉軸受８０及びシール８１によって外方シリンダ状部分６３へ一緒に回転可能に連結される。外方リング歯車７７は外方シリンダ状部分６３へ堅く取付けられる。

第５図に示した構成はそれからとった第６図を含む断面図で更に理解されることができる。このように、モータ６６は第６図の上方部分に示され、モータ７０は第６図の下方部分に示される。モータ６８は第６図の左側部分にある。モータ６６．６８及び７０のそれぞれは内方シリンダ状部分６２中に取付けられて図示されている。モータ自体の細部は第６図に図示されない。

第５図からとった断面図である第７図は外方シリンダ状部分６３に関する内方シリンダ状部分６２の回転に減速を提供するために使用される遊里歯車構造の部分の破断断面図であり、外方シリンダ状部分６３はスタンド１７の垂直柱へ取付けられる。モータ７０の軸２１の回転は内方歯車７２を駆動し、該内方歯車は遊星歯車７４を外方リング歯車７７に沿って駆動する。リング歯車７７に沿う遊星歯車７４の回転はリング歯車７８を回転させ、その結果としてモータ７０が取付けられた内方シリンダ杖部分６２をそれと共に回転する。軸７１及び歯車７２上の歯数の差及びリング歯車７７及び７８０間の歯数の差は、モータの軸の回転角速度と外方シリンダ状部分６３に関する内方シリンダ状部分６２上のモータの回転速度との間に提供されることができる減速量を決定する。

第８Ａ図及び第８Ｂ図は第２Ｂ図からとった同じ断面図であるが、関！ｆｆ］２の繰作可能な側は第２Ｂ図及び第８Ａ図で真直ぐであるのと対照的に第８Ｂ図では基部支持体に関して角度をもっている。再び、先の図で同し構成要素を識別するために用いたのと同し表示がこれらの図で構成要素を識別するためにここで用いられる。これは、アクチュエータ６１が部分球形殻２４に関して部分球形殻４３の回転を生しるように第８Ｂ図でそれへ加えられた力を右へ向けているので起こる。アクチュエータ６】は押す力又は引く力がそのような回転を行うために加えられることを可能にする。代替的に、案内手段２０は第８Ａ図及び第８Ｂ図に破線で示した別のアクチュエータ手段を加えることによって押す力及び引く力をそれへ同時に加えることができる。

延長部１３の他端に、対状関節１４がある。第９Ａ図及び第９Ｂ図は関節１４の側面図及び上面図をそれぞれ示ｔ、カバー及び支持ブラケットへ取付けられた内方平歯車９０は関節１４の基部側を形成し、それ故この構造は延長部１３へ締着される１間節１４の操作可能な側は、延長部１５へ締着され、且・つ内方平歯車９０のカバ一部分中にある開口９Ｊ内で動作可能なことがように第９Ｂ図で見られる。延長部１５は特に外方リング歯車９２の外側へ結合され、該外方リング歯車は内方平歯車９０と一緒に別の遊星歯車列の一部分となる。この歯車列は、関節１４を作動するために使用される直線アクチュエータの比較的短い利用可能な直線運動が、延長部１３に関して延長部１５の比較的大きい角度位置を生しることを可能とするために必要とされる。

関節１４の断面図は第９Ａ図からとった第】０図に示される。関節】４の別の断面図は第９Ｂ図からとった第１１図に示される。理解され得るように、内方平歯車９０は外方リング歯車９２と３つの方法で結合される。第一に、３つの遊星歯車９３が内方平歯車９０と外方リング歯車９２との間に設４（られる。内方平歯車９０、遊湿歯車９３及び外方リング歯車９２の歯数の選択は、アクチュエータ部分９４へ連結された第１１図の選択された遊星歯車９３が延長部１３に関する延長部１５の所望の角度変化を提供するために移動しなければならない距離の量を決定する。

アクチュエータ部分９４は、上に示した及び第１Ｉ図に示した延長部１５を角度方向に位置決めするための基準として、遊星歯車９３の選択された１つの軸へ枢動可能に連結される。アクチュエータ９４の他端はねし山付スリーブ９５へ連結され、咳ねじ山付スリーブはそのねじ山と噛合うモータ軸９６上のねし山によって回転可能に作動される。軸９６はモータアクチュエータ９７から延び、スリーブ９５が加わって直線アクチュエータを形成する。モータ９６は、延長部１３へ枢動可能に連結され、延長部１３に対して延長部１５を角度方向に位置決めするために、ねじり運動を伴わずに伸縮することだけを必要とする。

また１、内方平歯車９０は２つの別の構造で外方リング歯車９２と接触状態にある。２つの軸受９８は、外方リング歯車９２が遊星歯車９３の１つに加えられた力によって駆動される時に内方平歯車９０の周りを回転することを可能とするように設けられる。加えて、一対のシール９９が内方平歯車９０及び外方リング歯車９２０部分の間に空間を包囲するために使用される。再び、配線ハーネス又は他の制御信号手段が貫通する開口が関！ｆｆ１４を通しである。ハーネスはこの開口を通過するようにアクチュエータ部分９４に沿って従うことだけを必要とする。

延長部１５はその他端へ取付けられた別の関節、手首状関節１６を有する。関節１６は関節１２と同し構造を有するが、これら２つの関節の間の異なる構造は第１図のマニプレータにおいて除外されない６関節１６のためのアクチュエータは延長部１５中に取付けられ、そこからアクチュエータは関節１６へ延びる。延長部１５の断面図は第１図からとった第１２図に示される。延長部１５の別の断面図は第１２図からとった第１３図に示される。関節１６は第１４図に示される。

第１２図は延長部１５中にある４つの直線アクチュエータのうち３つを示しており、これら３つだけが見られることができ、他のアクチュエータは選択した断面によって排除されている。これらの直線アクチュエータは３つのモータによって作動され、これらのモータは］００．１０１及び１０２である。モータ１００及び１０２の部分は断面図で示され、モータ１０１については外側だけが示される。モータ１０１はそれから延びる軸１０３を有し、リング歯車及びねし構造１０４と係合する歯がその上に設けられる。この構造のリング歯車は一組の軸受１０５内で回転する。リング歯車及びねし構造１０４中のねし山付軸はねじ山付スリーブ１０６へ連結され、それによりモータの回転は軸を回転可能に作動し、回転方向に依存してスリーブをモータ１００から離れる方へ移動させ又はモータ１００の方へ移動させる。ねじ山付スリーブ１０６の他端は、第１４図で理解され得るように関！！ｆｆ１６へ連結されたアクチュエータ部分１０７へ連結される。

同し構成がモータ１０２に対して使用されており、該モータ１０２はそれから延び且つ端部にねし山を有する軸１０Ｂを有する。同様なリンク歯車及びねじ構造１０９は同様な軸受１１０の内側で作動するリング歯車を有する。ねし山付軸部分は同様なねし山付スリーブ１１１を回転可能に作動する。ねし山付スリーブ１１１は第１４ｉで理解され得るように関節１６へ連結されたアクチュエータ部分】１２へ連結される。

モータ１００．１０１及び１０２の相対的位置は第１２図の断面図からはずれたモータである別のモータ１１３が見える第１３図で理解されることができる。

モータ１００及び１０２は部分球形殻２４°の両側へ連結されたアクチュエータ部分１０６及び１１２へ通じ、該部分球形殻２４′は第１４図で関節ｌＧの基部側のジンバルリング及び駆動要素として作用し且つ関節１２の部分球形殻２４に対応する。第１４図に示した構成要素は先の図で関！１１１１２の対応する構成要素に用いたのと同し表示を概ね有するが、若干の例外はあるがプライム記号をそれらが付加されて関節１２の構成要素から関節Ｉ６の構成要素を区別している。これらの例外の１つは第５図で用いた表示６０と対照的に第１４１ｆｆｌでアクチュエータ部分に表示１０６を用いたことである。

モータ１０１及び１１３から延びる直線アクチュエータは関節１２の案内手段２０に対応する関節１６の基部側の案内手段２０°へ連結され且つそれを作動する。しかしながら、第１４図では、案内手段２０°への連結は、１つが断面図として選んだ断面で排除されており且つ他の連結はその図に示した構造の後ろに隠れているので見ることができない。

関ｆｆ１６は関節１２と全くその通りの特徴をもって作動する０図示した１つの相違は、部分球形殻２４′をそれが回転し得る軸線の周りに作動するのみならず案内手段２０゛をそれが回転し得る軸線の周りに作動するように、同時の押し及び引き直線アクチュエータ又は一対の直線アクチュエータを関１！ｆｆ１６中で実際に使用することである。関節作動のこの様態は関節１２について示したように選択事項であり、このように且つより経済的なコストで作動される関節により大きな「剛直性」及びよりよい正確性がある。

先の図で関節」２について用いた表示と比較して関節１６についての第１４図での表示法での別の例外は、関節Ｉ６の操作可能な側の支持体と関連して生しる。

先の図で関ｖ１２の操作可能な支持体５４は、その截頭球形部分で始まり且つその支持体の残りの部分を貫通する中央開口を取囲む構造の長さを増すように、第１４図の関節工６では変更されている。このため、第１４図では、操作可能な支持体は５４″で再表示されており、その中の中央開口は５９″で再表示されている。その操作可能な支持体の他の部分の残りの表示はそれについての上の説明があてはまり、単一のプライムを付けられた対応する部分について関８１２に関して用いた数字である。

関’！ｆｆ１２での開口の範囲と比較して第１４図の関＃Ｉ６で右へ更に延びる開口５９”を取囲む追加された管伏部分又は構造は、モータ及び遊星歯車列を取付けるために使用される。これらの追加により、第１４図の関節１６の右側で、すなわち第１図の関節１６を越えたところを回転させることができる。このため、この部分は、腕全体を回転させなければならないこと、即ち第１図の基部１１と関連して第５図及び第７図に示したモータ及び遊星歯車列によって提供された能力を有することとは無関係に、回転させることができる。

第１４図で関節１６の右にあるようにいま述べたモータは巻線１１４°を上に存する極構造１１４を有し、第１の外方リング歯車１１５を含むブラケット上に取付けられ且つ操作可能な支持体５４”の部分へねじ１１６によって取付けられた固定子を形成する。このモータの回転子は、担持体板１１８の延長された中央スリーブ中に取付けられた永久磁石１１１で形成される。担持体板１１８はその中に取付けられた３つの軸１１９を存し、それぞれの軸は遊星歯車１２０を担持する。遊星歯車１２０は、第１のリング歯車ブラケット中の第１の外方リング歯車１１５と、回転可能な端部片又は工具マウント１２２中に取付けられた第２の外方リング歯車１２１との両方と噛合う。

担持体１１Ｂは第１の外方リング歯車ブラケント１１５に関してそれらの間に設けられた軸受１２３を介して回転することができる。また、担持体１１８は別の軸受１２４の故に工具マウント＋２２に関して回転することができる。最後に、端部片１２２は、２つの別の軸受１２５及び１２６の使用によって第１の外方リング歯車ブラケット１１５に関して回転することができる。これらの軸受を支持する端部片１２２の部分はねじ１２７によって端部片】２２の残りの部分へ取付けられる。

この遊星歯車列の断面図が第１４図からとった第１５図に示される。モータの巻線１１４”へ電力を提供することは担持体１１８をして担持歯車１２０をそれと一緒に回転せしめる。歯車１２０はブラケット１１５中の第１の外方リング歯車の歯内で回転し且つ第２の外方リング歯車１２１を工具マウント１２２と一緒に回転させる。いずれかの方向への回転は巻！１１４’へ供給される電流の方向に依存して行われる。工具マウント１２２の位置又は回転速度、又はそれら両方を決定するための位置センサ】２８が図示されている。

コイル１１４゛及び位置センサ１２８への必要な相互連結は、モータ固定子を取囲む構造中に図示された開口を通して操作可能な支持体５４”中の開口５９”中へ通り、次に対応する球形殻４３′中の開口４８′、及び球形殻２４゛中の開口３１′を通り（且つコネクタ３５゛の開口４０”を通り）、最後に関節Ｉ６がどの位置をとっていようと基部支持体１８″中の開口２６゛を通って経由されることができる。これらの相互連結は、前述したように対状関節１４及び屑状関節１２中の開口を通って戻るアクチュエータモータ１００．１０１．１０２からの相互連結と組合わされることができる。このため、機械的マユブレーク１００関節の全て及び追加の軸線方向回転構造の相対的に可動な個性要素の全てのためのアクチュエータ及びセンサの全てに制御信号を提供するための相互連結は容易に装着されることができる。

そのような電気制御のもとで作動する関節１２．１４及び１６は、腕状構造全体をあるいは端部にある工具マウントだけを回転させることを可能にすることに加えて、基部工１に関して機械的マニプレータ１０の非常に広範囲の運動を提供することができる。第１６図及び第１７図のグラフ式の表示は機械的マニプレータ１０に許容された運動をかなりの範囲まで示している。第１６図に示した側面図で見られるように、仰角軸線で許容される運動は円の四分の三のオーダーである。第１７図の上面図で示した方位角平面で工具マウント１２２に許容される運動は伸ばした腕では殆ど半円である。加えて、適当に曲げた腕関節では、マウント１２２に利用し得る運動のローブは頁間＃１２の後ろで基部１１に沿っている。

この運動の異例の範囲は、ひっかかりをその運動中に起こすことなく且つその範囲に特異点をもたずに得られる。

本発明は好適な実施例を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神及び範囲から逸脱せずに形及び細部に変更がなされ得ることを認識するであろう。

特表千４−５０２５８４　（７） ’ｆｉ９．２ｄｆ　’ｆｔ３．２Ｂ国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．マニプレータ基部から操作し得るロボット式マニプレータであって、第１関節を含み、該第１関節が、前記マニプレ−タ基部と結合された第１関節基部支持体と、第１軸線の周りで前記第１の関節基部支持体へ回転可能に連結された第１関節基部直交ピボット連結手段と、前記第１軸線に対してほぼ直交する第２軸線の周りで前記第１関節基部直交ピボット連結手段へ回転可能に連結された第１関節ピボットコネクタ結合手段と、前記第２軸線に対してほぼ平行な第３軸線の周りで前記第１関節ピボットコネクタ結合手段へ回転可能に連結され、前記第１関節基部直交ピボット連結手段と移動可能に結合された第１関節操作可能直交ピボット連結手段と、前記第３軸線に対してほぼ直交する第４軸線の周りで前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段へ回転可能に連結された第１関節操作可能支持体と、前記第１関節基部直交ピボット連結手段の周りに位置決めされ且つ前記第２軸線に対してほぼ平行な第５軸線の周りで前記第１関節基部支持体へ回転可能に連結された第１関節基部案内手段と、前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段の周りに位置決めされ且つ前記第３軸線に対してほぼ平行な第６軸線の周りで前記第１関節操作可能支持体へ回転可能に連結され、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側で前記第１関節基部案内手段と結合された第１関節操作可能案内手段とを含むロボット式マニプレータ。
２．前記第１関節操作可能支持体は、第１延長部手段を介して、それに関して移動し得る第２関節へ連結されている請求項１に記載された装置。
３．前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段は、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段中の少なくとも１つの開口を通して、前記したように前記第１関節基部直交ピボット連結手段と移動可能に結合されている請求項１に記載された装置。
４．前記第１関節操作可能案内手段は、前記したように前記第１関節基部案内手段と互いに直接接触状態にすることによって移動可能に結合されている請求項１に記載された装置。
５．前記第１関節基部支持体はほぼ截頭球形として形成された部分を有し、それへ前記第１関節基部直交ピボット連結手段が前記したように回転可能に連結されている請求項１に記載された装置。
６．前記第１関節が第１の関節第１及び第２力付与手段を含み、前記第１関節第１力付与手段は前記第１関節基部直交ピボット連結手段へ回転可能に連結されて力をそれへ選択的に加えることができ、前記第１関節第２力付与手段は前記第１関節基部案内手段へ回転可能に連結されて力をそれへ選択的に加えることができる請求項１に記載された装置。
７．前記第２関節の部分はその他の部分に関して選択された軸線の周りで少なくとも若干の範囲まで回転する自由度を有する請求項２に記載された装置。
８．前記第２関節は第２延長部手段を介して、それに関して移動し得る第３関節へ連結されている請求項２に記載された装置。
９．前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段上の歯車歯を前記第１関節基部直交ピボット連結手段上の歯車歯と噛合わせることによって、前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段は、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段の少なくとも１つの開口を通して前記第１関節基部直交ピボット連結手段と移動可能に結合されている請求項３に記載された装置。
１０．前記第１関節操作可能案内手段上の歯車歯を前記第１関節基部案内手段上の歯車歯と噛合わせることによって、前記第１関節操作可能案内手段は前記第１関節基部案内手段と直接接触状態にある請求項４に記載された装置。
１１．前記第１関節基部直交ピボット連結手段は、前記截頭球形の周りにほぼ同心状に位置決めされたほぼ球形殻の部分として形成された部分を有する請求項５に記載された装置。
１２．前記第１関節基部支持体は、前記したように前記マニプレータ基部と、それらが第１軸受手段の使用によって互いに関して回転することを可能にする関係で結合され、前記第１関節は前記第１関節基部支持体上に取付けられた第１関節第３力付与手段を含み、該第１関節第３力付与手段は、該第１関節第３力付与手段が前記第１関節基部支持体を前記マニプレータ基部に関して回転させることを可能にするように、前記マニプレータ基部と結合されている請求項６に記載された装置。
１３．前記第１関節第１力付与手段は、第１モータ手段と、前記第１関節基部直交ピボット連結手段へ回転可能に連結された第１直線アクチュエータとを含み、前記第１関節第２力付与手段は、第２モータ手段と、前記第１関節基部案内手段へ回転可能に連結された第２直線アクチュエータとを含む請求項６に記載された装置。
１４．前記第１関節は第１関節第３及び第４力付与手段を含み、前記第１関節第３力付与手段は前記第１関節第１力付与手段とほぼ対向して前記第１関節基部直交ピボット連結手段へ回転可能に連結され、前記第１関節第４力付与手段は前記第１関節第２力付与手段とほぼ対向して前記第１関節基部案内手段へ回転可能に連結されている請求項６に記載された装置。
１５．前記第３関節は、前記第２延長部手段へ連結された第３関節基部支持体と、第１軸線の周りで前記第３関節基部支持体へ回転可能に連結された第３関節基部直交ピボット連結手段と、前記第１軸線に対してほぼ直交する第２軸線の周りで前記第３関節基部直交ピボット連結手段へ回転可能に連結された第３関節ピボットコネクタ結合手段と、前記第２軸線に対してほぼ平行な第３軸線の周りで前記第３関節ピボットコネクタ結合手段へ回転可能に連結され、且つ前記第３関節基部直交ピボット連結手段と移動可能に結合された第３関節操作可能直交ピボット連結手段と、前記第３軸線に対してほぼ直交する第４軸線の周りで前記第３関節操作可能直交ピボット連結手段へ回転可能に連結された第３関節操作可能支持体と、前記第３関節基部直交ピボット連結手段の周りに位置決めされ且つ前記第２軸線に対してほぼ平行な第５軸線の周りで前記第３関節基部支持体へ回転可能に連結された第３関節基部案内手段と、前記第３関節操作可能直交ピボット連結手段の周りに位置決めされ且つ前記第３軸線に対してほぼ平行な第６軸線の周りで前記第３関節操作可能支持体へ回転可能に連結され、前記第３関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側で前記第３関節基部案内手段と移動可能に連結された第３関節操作可能案内手段とを含む請求項８に記載された装置。
１６．前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段上の前記歯車歯は、互いに対して且つ前記第４軸線に対してほぼ平行な２つの分離した軌道で、前記第１関節基部直交ピボット連結手段上の前記歯車歯と噛合うように設けられ、前記第１関節基部直交ピボット連結手段は互いに対して且つ前記第１軸線に対してほぼ平行な２つの分離した軌道を設けている請求項９に記載された装置。
１７．前記第１関節操作可能案内手段はほぼ円筒形殻として形成され、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側における第１関節操作可能案内手段の端部の部分は、前記歯車歯の組を前記端部上の２つの場所のそれぞれに設けそこで前記第１関節基部案内手段と直接接触状態にすることによって前記したように前記第１関節基部案内手段と移動可能に結合されており、前記端部はその上のそれら前記２つの場所のそれぞれにおいて前記第６軸線に対してほぼ直交する軸線の周りで円弧に従って湾曲され、前記第１関節基部案内手段はほぼ円筒形殻として形成され、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側における第１関節基部案内手段の端部の部分は、前記歯車歯の組を前記端部上の２つの場所のそれぞれに設けそこで前記第１関節操作可能案内手段と直接接触状態にすることによって前記したように前記第１関節基部案内手段と移動可能に結合されており、前記端部はその上のそれら前記２つの場所のそれぞれにおいて前記第５軸線に対してほぼ直交する軸線の周りで円弧に従って湾曲されている請求項１０に記載された装置。
１８．前記第１関節操作可能支持体はほぼ截頭球形として形成された部分を有し、それへ前記第１関節操作可能直交ピぼット連結手段が前記したように回転可能に連結され、前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段は、前記第１関節操作可能支持体の部分として作用する前記截頭球形とほぼ同心状に位置決めされたほぼ球形殻の部分として形成された部分を有する請求項１１に記載された装置。
１９．前記第１関節基部案内手段はほぼ円筒形殻として形成された部分を有し、前記第１関節操作可能案内手段はほぼ円筒形殻として形成された部分を有する請求項１１に記載された装置。
２０．前記軌道の１つに沿った前記歯車歯ははすば歯車歯である請求項１６に記載された装置。
２１．前記端部の１つの上の前記場所の１つにおける前記歯車歯ははすば歯車歯である請求項１７に記載された装置。
２２．前記第１関節ピボットコネクタ手段は、前記関節基部直交ピボット連結手段として作用する前記球形殻の周りにほぼ同心状に位置決めされほぼ球形殻の部分として形成された前記第１関節基部直交ピボット連結手段へ連結された端部を有し、前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段へ連結された前記第１関節ピボットコネクタ結合手段の他端部は、前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段として作用する前記球形殻の周りでほぼ同心状に位置決めされたほぼ球形殻の部分として形成され、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段中の前記開口はそのいずれかの端部を形成する前記球形部分の間に延びている請求項１８に記載された装置。
２３．前記第１関節基部案内手段を形成する前記円筒形殻は、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側に１つあるその上の２つの場所において、端部が前記第５軸線に対してほぼ直交する軸線の周りで円弧に従ってそこで湾曲されるように端部を有する請求項１９に記載された装置。
２４．前記第１関節基部案内手段の部分として作用する円筒形殻は、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側に１つあるその上の２つの場所において、端部が前記第５軸線に対してほぼ直交する軸線の周りで円弧に従ってそこで湾曲されるように端部を有し、前記第１関節操作可能案内手段の部分として作用する円筒形殻は、前記第１関節ピボットコネクタ結合手段のいずれかの側に１つあるその上の２つの場所において、端部が前記第６軸線に対してほぼ直交する軸線の周りで円弧に従ってそこで湾曲されるように端部を有する請求項１９に記載された装置。
２５．前記第１関節操作可能直交ピボット連結手段上の対及び前記第１関節基部直交ピボット連結手段の対における前記軌道のそれぞれに沿った前記歯車歯は分離したやまば歯車組を形成する請求項２０に記載された装置。
２６．前記第１関節操作可能案内手段の前記端部上の前記２つの場所の両方における前記歯車組の対及び前記第１関節基部案内手段の前記端部上の前記２つの場所の両方における前記歯車組の対は、一対として分離したやまば歯車組を形成する請求項２１に記載された装置。
２７．前記円筒形殻の前記端部は、その上の前記２つの場所の間のその上の別の場所において、前記２つの場所における前記円弧よりもそれら別の場所における他端部により近い前記第１関節基部案内の部分として作用する前記円筒形殻の他端の方へ向かうにしたがって傾斜している請求項２３に記載された装置。
２８．前記２つの場所の間のその上の別の場所において前記第１関節基部案内手段の部分として作用する前記円筒形殻の前記端部はその上の前記２つの場所に置ける円弧よりもそれら別の場所における他端部により近いその他端部に近づくにしたがって傾斜しており、前記第１関節操作可能案内手段の部分として作用する前記円筒形殻の前記端部は前記２つの場所の間のその上の別の場所において前記２つの場所における円弧よりもそれら別の場所における他端部により近いその他端部に近づくにしたがって傾斜している請求項２４に記載された装置。
２９．マニプレータ基部から操作し得るロボット式マニプレータであって、それぞれが少なくとも２つの実質的に異なる軸線の周りで角度方向に移動し得る部分を有することができる複数個の可動関節と、前記関節の２つを結合する延長部手段と、前記マニプレータ基部及び第１関節の間に位置決めされ、前記マニプレータ基部の向かい側でそれへ連結された前記マニプレータの部分が前記マニプレータ基部に関して回転することを可能にすることができる第１回転継手と、前記関節の少なくとも２つ及び前記延長部によって前記第１回転継手から分離され、前記延長部と反対側で連結された構造が前記延長部に関して回転することを可能にすることができる第２回転継手とを含むロボット式マニプレータ。