JPH0819973A - ２関節同時駆動源を装備した２関節ア−ム機構とその動作制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ２関節ア−ム機構において、第二ア−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−ム機構とその制御方法。 【構成】 ベ−ス３に後端を回転可能に枢着支持した第
一ア−ム１の先端に、第二ア−ム５の後端を回転可能に
枢着し、第二ア−ム５の先端を負荷点とする２関節ア−
ム機構に於て、第一ア−ム１と第二ア−ム５とを夫々の
枢着軸において独立して回転させこのア−ム機構に伸展
動作又は屈曲動作をさせるため、両ア−ム１，５に独立
して回転力を作用させる２つの駆動源９，10を第一ア−
ム１と第二ア−ム５とに夫々に連結して設ける。両ア−
ム１，５に同時に作用する１つの駆動源11を両部材３，
５に連結し、各駆動源９，10，11を同時に駆動すること
によって、第二ア−ム５先端の負荷部８を位置決めす
る。

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−
タ、或は、パワ−ショベルのア−ム等に適用して好適な
２関節ア−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−タ、
或は、パワ−ショベルのア−ム等において、２関節ア−
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−ムA1の先端に第二ア−ムA2の後
端を軸P2により枢着し、該第二ア−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−ムA1と第二ア−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−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−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−タM
1，M2を設け、各モ−タM1，M2による正，逆方向の回転
力を選択的に前記ア−ムA1，A2に伝達することにより、
当該両ア−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−ム
A1，A2に対し、油圧シリンダ等の伸縮アクチュエ−タC
1，C2を架設し、各アクチュエ−タC1，C2の夫々の伸縮
動作によって、各ア−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−タである。

【０００５】しかし乍ら、上記のような公知の２関節ア
−ム機構では、第一ア−ムA1の後端に対して、第二ア−
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−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−タ、或
は、パワ−ショベルのア−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−ショベルのア−ムやロボット、或は、
マニュピレ−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−ム機構において、第二
ア−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−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−
スに後端を回転可能に枢着支持した第一ア−ムの先端
に、第二ア−ムの後端を回転可能に枢着し、該第二ア−
ムの先端を負荷点とする２関節ア−ム機構に於て、前記
第一ア−ムと第二ア−ムとを夫々の枢着軸において独立
して回転させこのア−ム機構に伸展動作又は屈曲動作を
させるため、前記両ア−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−ムと第二ア−ムとに夫々
に連結して設けると共に、前記両ア−ムに同時に作用す
る１つの駆動源を前記ベ−スと第二ア−ムとの間に跨設
して連結し、前記各駆動源を同時に駆動することによっ
て、前記両ア−ムを旋回させ前記第二ア−ム先端の負荷
部を第一ア−ムの後端に対し進出又は後退させて第二ア
−ム先端の負荷点を位置決め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−ム機構の動作を制御する方
法の構成は、ベ−スに後端を回転可能に枢着支持した第
一ア−ムの先端に、第二ア−ムの後端を回転可能に枢着
し、該第二ア−ムの先端を負荷点とする２関節ア−ム機
構に於て、前記第一ア−ムと第二ア−ムとを夫々の枢着
軸において独立して回転させこのア−ム機構に伸展動作
又は屈曲動作をさせるため、前記両ア−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−ムと第二
ア−ムとに夫々に連結して設けると共に、前記両ア−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−スと第二ア−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−ム機構全体を伸展
或いは屈曲させるとき、前記両ア−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−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−ムと第二ア−ムの二本のア−ムを、夫
々に独立して回転させることによりア−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−ム機構
において、このア−ム機構を伸展、又は、屈曲させるた
め、前記各ア−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−
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−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−ムで、そ
の後端1aの水平な軸２が、固定されたベ−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−ムで、
その後端5aの水平な軸６が第一ア−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−
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−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−ムを形成している。

【００１２】上記２関節ア−ムは、第一ア−ム１の中間
部とベ−ス３の間に架設したアクチュエ−タ、例えば、
油圧シリンダ９、及び、第一ア−ム１の先端側と第二ア
−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−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−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−ム機構である
と、第二ア−ム５の先端に設けた負荷部８について、ベ
−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−ム機構では、前記両ア
−ム１，５の回転時に、これらのア−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−ス３に対する力と剛性を、第
一ア−ム１，第二ア−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−ム５の後端側と
ベ−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−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−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−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−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−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−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−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−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−ム
１，５はそのまま回転する。しかし、両圧力の差P2−P1
がア−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−ム１，５の回転は止まり、前記圧力
の差が大きくなるとア−ム１，５は逆転する。

【００１９】本発明は２本のア−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−ム５の先端の負荷部８のベ−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−ム機構
を、いわゆるパワ−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−ス３をパワ−ショベル
の車輌本体31に形成すると共に、図１の第一ア−ム１の
軸受７と第二ア−ム後端5aの軸６とを設置する部材（ア
−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−ム機構と等価である。図２において、32
はクロ−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
−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−ム５が反時計方向に回転することにより、両
ア−ム１，５は、図のア−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−
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−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−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−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−ム１，第二ア−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−ム機構は、図３，図４に
示すア−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−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−
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−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−ム１の先端にはそれと一体の
先端ベ−ス1cが形成され、第二ア−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−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−ム５と一体化されている。８は第二ア−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−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−ム機構は、前記両ア−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−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−ス３に、シ
リンダ10を第一ア−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−ム１と第二ア−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−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−ム１の軸２に遊挿され、かつ、ベ−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−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−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−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−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−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−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−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−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−ム機構では、第一ア−ム１は
シリンダ９の出力によってベ−ス３に対し当該ア−ム１
の先端の回転力と剛性が制御され、また第二ア−ム５
は、シリンダ10の出力によって第一ア−ム１の先端にお
ける当該ア−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−ム５の先端に形成した負
荷部８をベ−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−ム１，５の回転時
に両ア−ム１，５に同時に作用するシリンダ11を設け第
二ア−ム５の先端における負荷部８のベ−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−ム機構
は、各ア−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−ム１，５を夫々に独
立して回転させてア−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−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
−ム機構の屈曲，伸展動作時に、第二ア−ム５の先端に
形成した負荷部８のベ−ス３に対する位置と力と剛性と
を、前記第一ア−ム１と第二ア−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、２関節ア
−ム機構において、第二ア−ムの先端に形成した負荷点
を進退させるため、各ア−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−ムの回転に対して作用する別の力を当該両各ア−
ムに同時に与える１つの駆動源を両ア−ムに跨って設
け、各駆動源を同時に駆動，制御できるようにしたの
で、第二ア−ム先端に形成した負荷部のベ−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
−ムと第二ア−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−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−ム機構の一例の側面図。

【図２】図１のア−ム機構をパワ−ショベルに適用した
例の側面図。

【図３】本発明ア−ム機構の別例の平面図。

【図４】図３のア−ム機構の側面図。

【図５】公知ア−ム機構の一例の側面図。

【図６】公知ア−ム機構の別例の平面図。

【符号の説明】

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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基底となるベ−スに後端を回転可能に枢
   着支持した第一ア−ムの先端に、第二ア−ムの後端を回
   転可能に枢着し、該第二ア−ムの先端を負荷点とする２
   関節ア−ム機構に於て、前記第一ア−ムと第二ア−ムと
   を夫々の枢着軸において独立して回転させこのア−ム機
   構に伸展動作又は屈曲動作をさせるため、前記両ア−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−ムと第二ア−ムとに夫々に連結して設けると共に、
   前記両ア−ムに同時に作用する１つの駆動源を前記ベ−
   スと第二ア−ムとの間に跨設して連結し、前記各駆動源
   を同時に駆動することによって、前記両ア−ムを旋回さ
   せ前記第二ア−ム先端の負荷部を第一ア−ムの後端に対
   し進出又は後退させて第二ア−ム先端の負荷点を位置決
   め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−ム機構。
2. 【請求項２】 第一ア−ムと第二ア−ムを夫々に旋回さ
   せる駆動機構は、夫々のア−ムの回転中心側に各ア−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−ムの回転中心近傍においてベ−スと第
   二ア−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−ム機構。
3. 【請求項３】 ベ−スに後端を回転可能に枢着支持した
   第一ア−ムの先端に、第二ア−ムの後端を回転可能に枢
   着し、該第二ア−ムの先端を負荷点とする２関節ア−ム
   機構に於て、前記第一ア−ムと第二ア−ムとを夫々の枢
   着軸において独立して回転させこのア−ム機構に伸展動
   作又は屈曲動作をさせるため、前記両ア−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−ムと第
   二ア−ムとに夫々に連結して設けると共に、前記両ア−
   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−スと第二ア−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−ム機構全体を伸
   展或いは屈曲させるとき、前記両ア−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−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−ム機構の動作制
   御方法。