JPH064230B2 - ワイヤ駆動腕における非干渉２軸関節 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ロボットアームの肘関節等として用いるのに
適したワイヤ駆動腕における非干渉２軸関節に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来、ロボットアームの肘関節等として用いられるワイ
ヤ駆動方式の腕の関節においては、回転運動と回旋運動
の２自由度の運動を実現可能にすることが要求されてい
る。上記「回転運動」とは、腕の基端側の第１のリンク
の軸線と実質的に直交する方向の回転軸廻りに起こる第
２のリンクの屈伸運動であり、上記「回旋運動」とは、
第１のリンクに対する第２のリンクのねじれ運動であ
る。

関節において、このような回転と回旋の２自由度の運動
を実現するため、従来のワイヤ駆動腕においては、通
常、回転と回旋の駆動部をそれぞれ別々に配するか、あ
るいは差動歯車機構を用いて機構の干渉を考慮しながら
回転と回旋を制御する方式（例えば、特公昭61-53199号
公報参照）が用いられている。

しかしながら、前者の方式では二つの駆動部が必要にな
って、必然的に機構が複雑になり、さらにワイヤの配置
が問題となる。一方、後者の方式では、二つのワイヤを
同方向に駆動するか相対的に異方向に駆動するかによっ
て回転と回旋を制御し、従って回転と回旋のための機構
の干渉を考慮して駆動を制御しなければならず、それぞ
れの運動を独立のワイヤ駆動で制御することはできな
い。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上述の差動歯車機構を用いたワ
イヤ駆動腕の２軸関節において、回転と回旋の運動のた
めの機構の干渉をなくし、それぞれを独立のワイヤで駆
動制御できるようにした非干渉２軸関節を得ることにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の差動歯車型非干渉２
軸関節は、基端側の第１のリンクに対する先端側の第２
のリンクの回転軸線上に設けた回転用と回旋用のそれぞ
れのプーリをワイヤ駆動で回転することにより、第２リ
ンクを回転方向と回旋方向に駆動するようにした関節に
おいて、上記回転用のプーリと第２リンクとの間に、そ
のプーリの回転を1/2の減速比で中間部材を介して第２
のリンクに伝達する歯車列を設け、上記回転用のプーリ
及び回旋用のプーリと同軸上に設けたベベルギヤの間
に、両ベベルギヤに噛合する差動ギヤを設け、この差動
ギヤの軸を、上記ベベルギヤと同軸上に回転自在に支持
された回旋軸駆動用のベベルギヤ上の軸受部によって回
転自在に支持させ、上記回旋軸駆動用のベベルギヤを、
第２のリンクに取付けられて上記中間部材に回転自在に
支持された回旋軸上のベベルギヤに噛合させた、ことを
特徴とするものである。

［作用］ 第２のリンクに回転運動のみを行わせる場合には、ワイ
ヤによって回転用のプーリを回転させる。このプーリの
回転は、歯車列を介し、さらに中間部材を介して第２の
リンクに伝達され、第２のリンクに回転運動が与えられ
るが、歯車列における減速比を1/2に設定しているの
で、その回転角度はプーリの回転角度の1/2である。こ
の場合は、回旋用のプーリが固定されていると、上記回
転運動に際して差動ギヤにより回旋軸駆動用のベベルギ
ヤがプーリの回転角度の1/2だけ回転することになる。
そのため、上記第２リクの回転に伴って回旋軸上のベベ
ルギヤが回転することはなく、第２のリンクの回旋運動
は起こらない。

第２のリンクに回旋運動のみを行なわせる場合には、ワ
イヤによって回旋用のプーリ回転させる。このプーリの
回転は、差動ギヤを介し、さらに回旋軸駆動用のベベル
ギヤを介して、回旋軸上のベベルギヤに伝達され、回旋
軸により第２のリンクに回旋運動が与えられる。この場
合に、回転用のプーリが固定されていると、中間部材の
回転が拘束されるため、第２のリンクは回転運動しな
い。

従って、上記非干渉２軸関節によれば、回転と回旋の運
動のための機構の干渉をなくし、それぞれを独立のワイ
ヤで駆動制御することができる。

［実施例］ 第１図は、本発明に係る非干渉２軸関節の実施例を示す
もので、ロボットアームの肘関節等として有効に利用す
ることができる。

この関節は、基本的には、差動歯車機構を用い、蛇管に
挿通したワイヤにより差動歯車機構に取付けたプーリを
回転駆動する方式を採用し、前述した回転方向（関節を
曲げたり伸ばしたりする方向）と回旋方向（ねじる方
向）の運動を非干渉で可能にしたものである。従って、
回転方向と回旋方向の運動をそれぞれ別のワイヤで独立
に駆動することができる。

さらに具体的に説明すると、第１図に示すように、この
関節は、ワイヤ駆動腕における基端側の第１のリンクL₁
と、先端側の第２のリンクL₂との間に設けられる。

第１のリンクL₁の先端には、そのリンクL₁の軸線の実質
的に直交する方向の回転軸10,20,30を、同一軸線（以
下、これを回転軸線Ａという。）上において回転自在に
支持させている。回転軸10には、ワイヤ11を巻き掛けた
回転用のプーリ12、そのプーリ12と一体のギヤ13及びベ
ベルギヤ14を取付け、回転軸20には、ワイヤ21を巻き掛
けた回旋用のプーリ22及びベベルギヤ23を取付けると共
に、第１のリンクL₁と第２のリンクL₂との間に介在させ
る中間部材40及び回旋軸駆動用のベベルギヤ24を回転自
在に支持されている。また、回転軸30には、中間部材40
と一体的に固定したヘリカルギヤ31を取付けている。こ
れらの回転軸10,20,30によって与えられる回転軸線Ａ
は、第１のリンクL₁に対して第２のリンクL₂が回転する
回転中心軸線になる。

上記回転用のプーリ12に巻き掛けたワイヤ11は、プーリ
12に対して逆方向に巻き掛けた２本のワイヤからなり、
それらの２本のワイヤはそれぞれ先端をプーリ12の表面
に固定している。従って、一方のワイヤを牽引すること
によりプーリ12が１方向に回転し、他方のワイヤを牽引
することによりプーリ12が逆回転することになる。回転
軸20上の回旋用プーリ22に巻き掛けたワイヤ21について
も同様である。上記各ワイヤ11,21は、第１のリンクL₁
内を通してそのリンクの基端側に導出される。

また、上記回転軸10上の取付けたギヤ13は、第１のリン
クL₁に回転自在に支持させた軸41上のギヤ42に噛合さ
せ、上記ギヤ42と同軸に固定して第１のリンクL₁に回転
自在に支持させたヘリカルギヤ43を、回転軸30上に固定
したヘリカルギヤ31に噛合させている。ギヤ13及びギヤ
42の歯数は同一であるため、回転軸10から軸41へは同速
の回転が伝達されるが、ヘリカルギヤ43からヘリカルギ
ヤ31への回転の伝達は、減速比を1/2に設定しているの
で、回転軸10がＮ回転したとき、上記歯車列を介して回
転駆動される回転軸30は、N/2回転することになる。

回転軸10に取付けたベベルギヤ14及び回転軸20に取付け
たベベルギヤ23には、共通の差動ギヤ51,51を噛合させ
ている。これらの差動ギヤ51,51は、それらの軸52,52を
回転軸20上に回転自在に支持させた回旋軸駆動用ベベル
ギヤ24上の軸受部53に回転自在に支持させたものであ
る。

さらに、上記中間部材40には、第２のリンクL₂の基端に
固定した回旋軸54を回転自在に支持させ、この回旋軸54
に、前記回転軸20上において回転自在のベベルギヤ24と
噛合するベベルギヤ55を取付けている。上記回旋軸54の
軸線（以下、これを回旋軸線Ｂという。）は、第１のリ
ンクL₁に対して第２のリンクL₂が回旋（ねじれ運動）す
る中心軸線を与えるものである。

次に、上記構成を有する非若干２軸関節の動作、即ち第
２のリンクＬ_２を回転運動及び回旋運動させる場合の動
作について説明する。

回転運動： 第２のリンクL₂に回旋運動をさせることなく、回転軸線
Ａの回りの回転運動のみを行わせる場合には、ワイヤ11
によって回転用のプーリ12を回転させる。この場合に、
回旋用のプーリ22はワイヤ21によって固定しておく。上
記プーリ12の回転は、歯車列を介して、即ち、プーリ12
→ギヤ13→ギヤ42→軸41→ヘリカルギヤ43→ヘリカルギ
ヤ31→中間部材40→第２のリンクL₂の順に伝達され、そ
れによって第２のリンクL₂に回転軸線Ａの回りの回転運
動が与えられる。

上記のように、回旋運動用のプーリ22はワイヤ21によっ
て固定しているので、上記回転運動に際してベベルギヤ
23は回転しない。これに対し、回転運動用のプーリ12を
Ｎ回転させると、その駆動力は、上述したようにギヤ13
から中間部材40に伝達されるが、ヘリカルギヤ43とヘリ
カルギヤ31との間の減速比を1/2に設定しているので、
中間部材40及び第２のリンクL₂は回転軸線Ａの回りにお
いてN/2回転する。この時、ベベルギヤ14も同時にＮ回
転するが、ベベルギヤ23に固定されているため、差動ギ
ヤ51,51によってベベルギヤ24が回転軸20の回りにN/2回
転することになる。一方、ベベルギヤ55を支持する中間
部材40も、上述したように回転軸線Ａの回りにN/2回転
している。そのため、ベベルギヤ55の回旋軸線Ｂの回り
の回転運動は起こらない。

つまり、第２のリンクL₂を回旋させることなく、回転軸
線Ａの回りの回転運動のみを与えることができる。

回旋運動： 第２のリンクL₂に回転運動を起こさせることなく、回旋
運動のみを行わせる場合には、ワイヤ21によって回旋用
のプーリ22を回転させる。この場合に、回転用のプーリ
12はワイヤ11によって固定しておく。上記プーリ22の回
転は、プーリ22→ベベルギヤ23→差動ギヤ51,51→ベベ
ルギヤ24→ベベルギヤ55→回旋軸54→第２のリンクL₂の
順に伝達され、それによって第２のリンクL₂に回旋運動
が与えられる。

上記のように、回転用のプーリ12はワイヤ11によって固
定しているので、上記の回旋運動に際して、ベベルギヤ
14、ギヤ13、ギヤ42、ヘリカルギヤ43、ヘリカルギヤ3
1、中間部材40は回転しない。これに対し、回旋運動用
のプーリ22をＮ回転させると、その駆動力は、上述した
ようにベベルギヤ23から回旋軸54に伝達されるが、ベベ
ルギヤ14が回転しないためベベルギヤ24は回転軸20の回
りにN/2回転する。この時、中間部材４０は回転軸線Ａ
の回りで回転しないため、ベルギヤ55の回転軸線Ａ回り
の回転運動は拘束され、結局、ベベルギヤ24の回転軸線
Ａ回りの運動は、ベベルギヤ55の回旋軸Ｂ回りの運動へ
と変換され、第２のリンクL₂は回転軸線Ａ回りには回転
運動せずにN/2回転の回旋運動のみをすることになる。

このように、上記非干渉２軸関節によれば、回転と回旋
用のそれぞれのプーリ軸を同一の回転軸線Ａ上に配した
にも拘らず、それらの回転の干渉を機構的に補償するこ
とによって、回転方向と回旋方向の運動をそれぞれ別の
ワイヤで独立に駆動することができる。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明によれば、差動歯車機構
を用いたワイヤ駆動腕の２軸関節において、回転と回旋
の運動のための機構の干渉をなくし、第２のリンクの回
転と回旋のための駆動を、それぞれを独立のワイヤで制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る非干渉２軸関節の要部断面図であ
る。 L₁・・第１のリンク、 L₂・・第２のリンク、 10,20,30・・回転軸、 11,21・・ワイヤ、 12・・回転用プーリ、 14,23,55・・ベベルギヤ、 22・・回旋用プーリ、 24・・回旋軸駆動用ベベルギヤ、 40・・中間部材、 51・・差動ギヤ、 52・・軸、 53・・軸受部、 54・・回旋軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基端側の第１のリンクと先端側の第２のリ
   ンクとの間に設けられ、第１のリンクに対する第２のリ
   ンクの回転軸線上に設けた回転用と回旋用のそれぞれの
   プーリをワイヤ駆動で回転することにより、第２リンク
   を回転方向と回旋方向に駆動するようにした関節であっ
   て、 上記回転用のプーリと第２リンクとの間に、そのプーリ
   の回転を1/2の減速比で中間部材を介して第２のリンク
   に伝達する歯車列を設け、 上記回転用のプーリ及び回旋用のプーリと同軸上に設け
   たベベルギヤの間に、両ベベルギヤに噛合する差動ギヤ
   を設け、この差動ギヤの軸を、上記ベベルギヤと同軸上
   に回転自在に支持された回旋軸駆動用のベベルギヤ上の
   軸受部によって回転自在に支持させ、上記回旋軸駆動用
   のベベルギヤを、第２のリンクに取付けられて上記中間
   部材に回転自在に支持された回旋軸上のベベルギヤに噛
   合させた、 ことを特徴とするワイヤ駆動腕における非干渉２軸関
   節。