JPH07214482A - 多関節アーム機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アクチュエータの自重やケーブルによる負荷
を軽減させ、アクチュエータのパワーの減少と作業ロボ
ットの小型化、軽量化及び制御性の向上を目的とする。 【構成】 ４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸によ
り回動自在に連結してなる平行リンクの組み合わせによ
る片持ち式の多関節アーム機構において、平行リンク手
段を、並列的に二組設けることにより、特異点を回避す
る。また、平行リンク手段を作動させるアクチュエータ
１９を、最も基端部側に位置する枢軸上に配置する。さ
らに、平行リンク手段を作動させるアクチュエータ２
９、３０を、自由端（グリップ３１）側に対してカウン
タバランスとして作用するように、平行リンク手段の枢
軸のうちの一の枢軸上に配置する。一方、アームに沿っ
て配線されるケーブルは、関節部分において平行リンク
手段の枢軸と同軸上に形成された貫通穴を貫通させて配
線する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作業ロボット等に採用
される多関節アーム機構に関する。宇宙空間や原子力施
設等の人間にとって危険な環境下で作業を行う場合、人
間が直接的に作業を行うことが困難であるので、マスタ
ー・スレーブ遠隔操作による作業ロボットが使用されて
いる。

【０００２】この作業ロボットは、例えば、図１０に示
されているように、極限環境下に配置される多関節ロボ
ットであるスレーブアーム（装置）１と、安全環境下に
配置される多関節ロボットであるマスターアーム（装
置）２とを通信回線等３で接続して構成され、マスター
アーム２をオペレータ（人間）４が操作することによ
り、その動きをトレースしてスレーブアーム１を動作さ
せることにより、作業を行うロボットである。

【０００３】これらの多関節ロボット（スレーブアー
ム、マスターアーム）は、実現すべき作業に要求される
自由度に応じて、複数のアームを適宜に枢軸（関節）を
介して回動自在に連結し、該関節に駆動モータ等のアク
チュエータを配置して構成され、一般に片持ち式の構造
をとっている。本発明はこの種の作業ロボットに採用さ
れる多関節アーム機構に関するものである。

【０００４】

【従来の技術】従来の片持ち式の多関節ロボットにおい
ては、動作させるべきアームが連結された関節（アーム
の連結部分）に直接的にアクチュエータを設置するよう
にしている。また、アクチュエータやその他の装置のた
めの配線は、アームに沿って行われ、関節部分において
は、関節の回動になるべく支障がないように遊び（余
裕）を設けていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、片持ち式のロ
ボットでは、支持されている基端部側と反対側の自由端
側にもアクチュエータが配置されるから、自由端側の重
量が大きく、慣性モーメントの増大による応答速度の低
下を招いていた。

【０００６】また同様の理由により、アームの剛性や基
端部側に配置されるアクチュエータのパワーを増す等の
必要があり、重量の増大や作業ロボットの大型化を招い
ていた。

【０００７】なお、この対策として、アクチュエータを
なるべく基端部側に配置して、該アクチュエータと作動
させるべきアーム間を歯車等の動力伝達機構により連絡
するようにしたものが用いられる場合があったが、歯車
等の動力伝達機構では、バックラッシ等により振動が発
生し、制御性の低下を招くという欠点があり、有効な対
策ではない。

【０００８】さらに、アームに沿って配線されるケーブ
ルの影響により、アーム回動の際にケーブルの弾性力が
アームに作用し、この力はアームの回転角度により異な
るから、その角度により制御特性が異なり、制御性を低
下させていた。

【０００９】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、アクチュエータの
自重やケーブルによるアクチュエータへの負荷を軽減さ
せ、アクチュエータのパワーの減少と作業ロボットの小
型化、軽量化を目的とする。また、作業ロボットの制御
性の向上も目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、以下のような多関節アーム機構を提供する。 （１）即ち、４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸に
より回動自在に連結してなる複数の平行リンク手段を備
えて構成された片持ち式の多関節アーム機構において、
前記平行リンク手段を、並列的に二組設けるとともに、
一方の平行リンク手段の各アームが一直線上に位置した
ときに、他方の平行リンク手段の各アームが一直線上に
位置しない状態で互いに一体的に連動するように構成す
る。

【００１１】なお、この構成において、前記平行リンク
手段を作動させるアクチュエータを、該平行リンク手段
の枢軸のうち、最も基端部側に位置する枢軸と同軸上に
配置するように構成することができる。 （２）また、４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸に
より回動自在に連結してなる平行リンク手段を備えて構
成された片持ち式の多関節アーム機構において、アーム
機構の自由端側に対してカウンタバランスとして作用す
るように、平行リンク手段の枢軸のうちの一の枢軸上に
アクチュエータを配置する。 （３）さらに、４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸
により回動自在に連結してなる平行リンク手段を備えて
構成された片持ち式の多関節アーム機構において、前記
平行リンク手段の枢軸に貫通穴を形成し、前記アームに
沿って配線されるケーブルを、該貫通穴を貫通するよう
に配線する。

【００１２】

【作用】

（１）本発明によると、平行リンク手段により、アクチ
ュエータによる動力の伝達がなされるから、従来の歯車
等の動力伝達機構と比較してバックラッシ等による振動
が無く、制御性が向上する。

【００１３】また、平行リンク手段は、各アームが一直
線に配置された状態のときに特異点となり、この状態で
停止すると、その後の運動の開始ができなくなる場合が
ある。これを回避するため、本発明では、平行リンク手
段を並列的に二組設けて互いの位相を異ならせて一体的
に連動させるようにすることにより、一方の平行リンク
手段が特異点となっても、他方の平行リンク手段が特異
点とならないようにして、この特異点における問題を解
消している。

【００１４】そして、アクチュエータを最も基端部側に
位置する枢軸と同軸上に配置すれば、アーム機構の自由
端側の重量を低減でき、慣性モーメントによる応答特性
の低下が防止されるとともに、アームの剛性の向上やア
クチュエータのパワーを低下させることができるから、
作業ロボット全体としての重量の低減や小型化を図るこ
とができる。 （２）また、アーム機構の自由端側に対してカウンタバ
ランスとして作用するように、平行リンク手段の枢軸の
うちの一の枢軸と同軸上にアクチュエータを配置したか
ら、作業ロボットの全体としてのバランスを向上させる
ことができ、応答特性の低下が防止されるとともに、ア
クチュエータのパワーを低下させることができ、作業ロ
ボット全体としての重量の低減や小型化を図ることがで
きる。 （３）さらに、アーム機構の自由端側に配置される各種
の装置に対するケーブルは、一般にアームに沿って配線
され、これらのケーブルによりアームの関節（枢軸）部
分に不要が力が作用し、この力はアームの回転角度によ
って変化するため、アームの制御性を低下させていた
が、これに対しては、平行リンク手段の枢軸と同軸上に
貫通穴を形成し、この貫通穴を貫通するようにケーブル
を配線するようにしたから、アームが回動してもケーブ
ルによる影響は少なくなり、制御性が向上する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図面を参照して
説明する。 （１）図１及び図２は本発明の第１実施例を説明するた
めの図である。

【００１６】図１（Ａ）において、１１は支柱であり、
支柱１１の頂部近傍には、第１主アーム１２が水平枢軸
θ１を介して回動自在に取り付けられ、さらに第１主ア
ーム１２の先端近傍には第２主アーム１３が水平枢軸θ
２を介して回動自在に取り付けられている。

【００１７】第２主アーム１３の先端近傍には、第１副
アーム１４ａの一端が枢軸θ３を介して回動自在に取り
付けられている。第１副アーム１４ａの他端には第２副
アーム１５ａの一端が枢軸を介して回動自在に取り付け
られており、この第２副アーム１５ａは第２主アーム１
３と平行に配置されている。

【００１８】第２副アーム１５ａの他端には、第３副ア
ーム１６ａの一端が枢軸を介して回動自在に取り付けら
れており、第３副アーム１６ａの他端は、第２主アーム
１３の枢軸θ２と同軸上に第１主アーム１２及び第２主
アーム１３の回動とは無関係に回動自在に取り付けられ
ている。この第３副アーム１６ａは第１副アーム１４ａ
に対して平行に配置されている。

【００１９】また、第２副アーム１５ａと第３副アーム
１６ａとの枢軸上には、第４副アーム１７ａの一端が回
動自在に取り付けられており、この第４副アーム１７ａ
は第１主アーム１２と平行に配置されている。

【００２０】第４副アーム１７ａの他端には、第５副ア
ーム１８ａの一端が枢軸を介して回動自在に取り付けら
れており、第５副アーム１８ａの他端は、第１主アーム
１２に枢軸を介して回動自在に取り付けられている。こ
の第５副アーム１８ａは第３副アーム１６ａに対して平
行に配置されている。

【００２１】第１主アーム１２、第５副アーム１８ａ、
第４副アーム１７ａ及び第３副アーム１６ａにより第１
平行リンクが構成され、第２主アーム１３、第３副アー
ム１６ａ、第２副アーム１５ａ及び第１副アーム１４ａ
により第２平行リンクが構成されている。

【００２２】一方、第２主アーム１３の先端近傍には、
第１副アーム１４ｂの一端が枢軸θ３を介して回動自在
に取り付けられている。第１副アーム１４ｂの他端には
第２副アーム１５ｂの一端が枢軸を介して回動自在に取
り付けられており、この第２副アーム１５ｂは第２主ア
ーム１３と平行に配置されている。

【００２３】第２副アーム１５ｂの他端には、第３副ア
ーム１６ｂの一端が枢軸を介して回動自在に取り付けら
れており、第３副アーム１６ｂの他端は、第２主アーム
１３の枢軸θ２と同軸上に第１主アーム１２及び第２主
アーム１３の回動とは無関係に回動自在に取り付けられ
ている。この第３副アーム１６ｂは第１副アーム１４ｂ
に対して平行に配置されている。

【００２４】また、第２副アーム１５ｂと第３副アーム
１６ｂとの枢軸上には、第４副アーム１７ｂの一端が回
動自在に取り付けられており、この第４副アーム１７ｂ
は第１主アーム１２と平行に配置されている。

【００２５】第４副アーム１７ｂの他端には、第５副ア
ーム１８ｂの一端が枢軸を介して回動自在に取り付けら
れており、第５副アーム１８ｂの他端は、第１主アーム
１２に第５副アーム１８ａの第１主アーム１２に対する
枢軸を介して回動自在に取り付けられている。この第５
副アーム１８ｂは第３副アーム１６ｂに対して平行に配
置されている。

【００２６】第１主アーム１２、第５副アーム１８ｂ、
第４副アーム１７ｂ及び第３副アーム１６ｂにより第３
平行リンクが構成され、第２主アーム１３、第３副アー
ム１６ｂ、第２副アーム１５ｂ及び第１副アーム１４ｂ
により第４平行リンクが構成されている。

【００２７】そして、これらの第３平行リンク及び第４
平行リンクは、上述の第１平行リンク及び第２平行リン
クと所定の位相差をもって連動するように、主アーム１
１、１２に対する枢軸部分にて一体的に連結されてい
る。即ち、第１又は第２平行リンクがそのアームが一直
線上に位置したときに、対応する第３又は第４平行リン
クはそのアームが一直線上に位置しないように、第１副
アーム１４ａと第１副アーム１４ｂとのなす角度は常に
一定となっている。

【００２８】また、第２主アーム１３の先端（このアー
ム機構の自由端）θ３における１自由度のアクチュエー
タ１９は、この実施例では、第４副アーム１７ａと第５
副アーム１８ａとの枢軸上に設けられている。

【００２９】アクチュエータ１９が作動されることによ
り、その回転力が、第３副アーム１６ａ又は１６ｂを共
有する一対の並列的に設けられた第１及び第２平行リン
ク又は第３及び第４平行リンクにより伝達され、図２
（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、基端部（支柱１１）
側に設けたアクチュエータ１９による回転力を第２主ア
ーム１３の先端近傍の枢軸θ３に伝達することができ
る。なお、図１（Ｂ）に示されるように、このアクチュ
エータ１９による回転力の伝達は、第１主アーム１２及
び第２主アーム１３の回転位置にかかわらず行うことが
できる。

【００３０】そして、平行リンクには、平行リンクを構
成するアームが一直線上に重複した位置で停止した場合
に、この位置から再始動してもロックした状態となって
しまうという特異点が存在し、動作の障害となるが、こ
の実施例では、第１及び第２平行リンクと同様の構成の
第３及び第４平行リンクを並列的に設けることにより、
その一方が特異点となった場合であっても、他方は特異
点とならず、従って、アクチュエータ１９による回転力
を常に良好にアーム機構の自由端に伝達することができ
る。

【００３１】また、アクチュエータ１９は平行リンクの
最も基端部（支柱１１）側に位置する枢軸上に配置され
ているから、アーム機構の自由端側の重量を低減でき、
慣性モーメントによる応答特性の低下が防止されるとと
もに、アームの剛性やアクチュエータのパワーを低下さ
せることができるから、全体としての重量の低減や小型
化を図ることができる。 （２）図３及び図４は本発明の第２実施例を説明するた
めの図である。

【００３２】図３（Ａ）において、２１は支柱であり、
支柱２１の頂部には、第１アーム２２の中間部分が水平
枢軸θ４により回動自在に取り付けられている。また、
支柱２１の頂部には、第２アーム２３の一端が一体的に
固定されている。

【００３３】第２アーム２３の他端には、第３アーム２
４の一端が枢軸により回動自在に取り付けられており、
第３アーム２４の他端には、第４アーム２５の一端が枢
軸により回動自在に取り付けられている。

【００３４】第４アーム２５の他端は、第１アーム２２
の一端に枢軸により回動自在に取り付けられているとと
もに、第１アーム２２の一端には、第５アーム２６の一
端が枢軸により取り付けられている。

【００３５】第５アーム２６の他端には、枢軸を介して
第６アーム２７の一端が回動自在に取り付けられてい
る。第６アーム２７の他端には、第７アーム２８の一端
が枢軸により回動自在に取り付けられているとともに、
第７アーム２８の中間部分は、第１アーム２２の他端に
枢軸θ５により回動自在に取り付けられている。

【００３６】第１、第２、第３、第４アーム２２、２
３、２４、２５により、平行リンクが構成され、第１、
第５、第６、第７アーム２２、２６、２７、２８により
他の平行リンクが構成されている。

【００３７】そして、この実施例では、第３アーム２４
と第４アーム２５との枢軸上に第１アクチュエータ２９
を設け、第５アーム２６と第６アーム２７との枢軸上に
第２アクチュエータ３０を設けている。第１アクチュエ
ータ２９を作動させることにより、図３（Ｂ）に示され
るような姿勢とすることができ、第２アクチュエータ３
０を作動させることにより、図４（Ａ）に示されるよう
な姿勢とすることができ、両アクチュエータ２９、２０
の双方を作動させることにより、図４（Ｂ）に示される
ような姿勢とすることができる。これにより、第７アー
ム２８の先端（自由端）にて２自由度の動作を実現す
る。

【００３８】第１及び第２アクチュエータ２９、３０
を、何故に第３アーム２４と第４アーム２５との枢軸上
及び第５アーム２６と第６アーム２７との枢軸上に設け
たかというと、このような平行リンクの組み合わせによ
る場合、アクチュエータ２９、３０に対する重力が、第
７アーム２８の自由端を上方に持ち上げる方向に作用
し、第７アーム２８の自由端側の自重（アームや付属の
装置等の重量）についての重力に対してカウンタバラン
スとして働くことになるからである。

【００３９】従って、アーム機構の全体としてのバラン
スが向上するから、応答特性が向上するとともに、アク
チュエータのパワーを低下させることができるから、全
体としての重量の低減や小型化を図ることができる。 （３）図５乃至図８は本発明の第３実施例を説明するた
めの図であり、上述した第１及び第２実施例を組み合わ
せて、図１０におけるマスターアームを構成した場合の
概略構成を示す図である。

【００４０】即ち、図３（Ａ）の第６アーム２７を図１
（Ａ）の第１主アーム１２とし、図３（Ａ）の第７アー
ム２８を図１（Ａ）の第２主アーム１３として、図３の
構成に図１の第１乃至第４平行リンクを適用して構成し
たものである。従って、上述の第１又は第２実施例に示
した構成部分と同一の部分については、同一の番号を付
して、その説明は省略する。

【００４１】図５において、３１はオペレータが手動操
作するためのグリップであり、このグリップ３１を把持
して前後、上下に操作することにより、図示は省略して
いるが軸力覚センサ（ひずみゲージ）により加えられて
いる力及び方向が検知され、図示しない制御装置により
アクチュエータ１９、２９、３０が制御されることによ
り、このマスターアームが動作する。尚、同図では支柱
２１と第２アーム２３は枢軸θ４を介して一体的に固定
されている。

【００４２】即ち、図５に示した状態から、グリップ３
１に対して枢軸θ３を中心として回転させるように力を
作用せしめると、この力に応じてアクチュエータ１９が
作動され、図６に示したような姿勢となる。また、図５
に示した状態から、グリップ３１に対して枢軸θ５を中
心として回転させるように力を作用せしめると、この力
に応じてアクチュエータ３０が作動され、図７に示した
ような姿勢となる。さらに、図５に示した状態から、グ
リップ３１に対して枢軸θ４を中心として回転させるよ
うに力を作用せしめると、この力に応じてアクチュエー
タ２９が作動され、図８に示したような姿勢となる。

【００４３】そして、これらの動きは、所定の制御信号
に変換されて、図１０に示されるように、通信回線等３
を介してスレーブアーム１に伝送され、マスターアーム
２と同様の動作をスレーブアーム１がトレースするよう
になっている。

【００４４】アクチュエータ１９、２９、３０は、支柱
２１に対して比較的に近接して設けられているから、ア
ーム機構の自由端（グリップ３１）側の重量を低減する
ことができるとともに、該自由端側とこれに対して反対
側との重量バランスが向上し、制御性を向上させること
ができる。

【００４５】さらに、グリップ３１に対して枢軸θ３を
中心として回転する方向に力を作用させた場合、アクチ
ュエータ１９の回転力は第１〜第４平行リンクを介して
枢軸θ３に伝達されるが、このとき、平行リンクのうち
のいずれかが特異点となった場合であってもこれと並列
的に設けられた他の平行リンクによりこれが解消される
から、良好な動作を実現することができる。

【００４６】なお、この実施例は、マスターアームにつ
いて適用した例を示しているが、本発明はこれに限定さ
れることはなく、スレーブアームについて適用すること
もできることはいうまでもない。 （４）図９は本発明の第４実施例の説明図であり、図５
における第１アーム２２と第７アーム２８の連結部分の
近傍を示している。

【００４７】上述の第３実施例に示したようなマスター
アーム等においては、各アームに沿って電源供給用ある
いは信号伝送用等のケーブルが配線されるが、この実施
例では、枢軸（関節）部分に枢軸の軸線に概略一致する
貫通穴３２が形成されており、止め金具３４等によりア
ーム２２、２８に沿って配線されるケーブル３３は、こ
の貫通穴３２を貫通して配線されている。

【００４８】このようにすることにより、ケーブル３３
の弾性等によるアーム２２、２８の関節部分に作用する
力が少なくなるとともに、アーム２２、２８の回線角度
による当該力の変化を少なくすることができる。従っ
て、制御性が向上されるとともに、アクチュエータのパ
ワーの低減による低重量化、小型化を図ることができ
る。なお、他の枢軸部分についても同様である。

【００４９】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成したの
で、アクチュエータの自重やケーブルによるアクチュエ
ータに対する負荷を軽減させ、アクチュエータのパワー
の減少と作業ロボットの小型化、軽量化を達成できると
ともに、作業ロボットの制御性を向上することができる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の説明図であり、（Ａ）は
構成を示す図、（Ｂ）はその動作を示す図である。

【図２】本発明の第１実施例の説明図であり、（Ａ）は
図１（Ａ）の他の動作を示す図、（Ｂ）はさらに他の動
作を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例の説明図であり、（Ａ）は
構成を示す図、（Ｂ）はその動作を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例の説明図であり、（Ａ）は
図３（Ａ）の他の動作を示す図、（Ｂ）はさらに他の動
作を示す図である。

【図５】本発明の第３実施例の構成を示す図である。

【図６】本発明の第３実施例の説明図であり、図５の動
作を示す図である。

【図７】本発明の第３実施例の説明図であり、図５の他
の動作を示す図である。

【図８】本発明の第３実施例の説明図であり、図５のさ
らに他の動作を示す図である。

【図９】本発明の第４実施例の説明図である。

【図１０】一般的なマスター・スレーブ構成の作業ロボ
ットの概略を示す図である。

【符号の説明】

１１ 支柱 １２ 第１主アーム １３ 第２主アーム １４ａ、１４ｂ 第１副アーム １５ａ、１５ｂ 第２副アーム １６ａ、１６ｂ 第３副アーム １７ａ、１７ｂ 第４副アーム １８ａ、１８ｂ 第５副アーム １９ アクチュエータ ２１ 支柱 ２２ 第１アーム ２３ 第２アーム ２４ 第３アーム ２５ 第４アーム ２６ 第５アーム ２７ 第６アーム ２８ 第７アーム ２９、３０ アクチュエータ ３１ グリップ ３２ 貫通穴 ３３ ケーブル ３４ 止め金具

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸
   により回動自在に連結してなる平行リンク手段を備えて
   構成された片持ち式の多関節アーム機構において、 前記平行リンク手段を、並列的に二組設けるとともに、
   一方の平行リンク手段の各アームが一直線上に位置した
   ときに、他方の平行リンク手段の各アームが一直線上に
   位置しない状態で互いに一体的に連動するようにしたこ
   とを特徴とする多関節アーム機構。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の多関節アーム機構にお
   いて、 前記平行リンク手段を作動させるアクチュエータを、該
   平行リンク手段の枢軸のうち、最も基端部側に位置する
   枢軸と同軸上に配置したことを特徴とする多関節アーム
   機構。
3. 【請求項３】 ４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸
   により回動自在に連結してなる平行リンク手段を備えて
   構成された片持ち式の多関節アーム機構において、 アーム機構の自由端側に対してカウンタバランスとして
   作用するように、平行リンク手段の枢軸のうちの一の枢
   軸と同軸上にアクチュエータを配置したことを特徴とす
   る多関節アーム機構。
4. 【請求項４】 ４本のアームを平行四辺形状に水平枢軸
   により回動自在に連結してなる平行リンク手段を備えて
   構成された片持ち式の多関節アーム機構において、 前記平行リンク手段の枢軸と同軸上に貫通穴を形成し、
   前記アームに沿って配線されるケーブルを、該貫通穴を
   貫通するように配線したことを特徴とする多関節アーム
   機構。