JPS6195892A - 関節装置 - Google Patents

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】 （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する
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動を動き、かつ前記軸端
が姿勢を保つ九めには、＠１４図に示すように、第１軸
１の回転人、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った。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によって、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Ｃｆｒ：させなければならなかった。

この関係を示す次めに第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１１−第１軸ｌ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ｌ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ｌ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った。

従って、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、装置が犬きくなる欠点及
び軸端の位置及び向きがら各軸の回転角を決定する座標
変換が複雑になる欠点が有った。

（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） 本発明の関節装置は、互いの交点を中心としてそＡ（’
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および第２の軸と、そ
ｎぞれがこの第１または第２−の軸の延長上に設けられ
相互の捩り方向の回転が防止嘔几た第３および第４の軸
と、前記第１の軸と前記第２の軸がなす交差角に対応し
て前記第３ま次は第４の軸に対し前記第１および第２の
軸が回転する共通角度を求める第１の回路と、この共通
角度と前記第１の軸が前記第２の軸に対して傾く向きで
ある方位角との加算および減算を行う第２の回路とを含
んで構成される。

（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
度に依って第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って定まる速度と回転角
に依っ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
っ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図は本発明の詳細な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ゅ
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Ｐｙｋ中心とするベアリング６でしゅう動板４０
，５（１結合する。ま几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
してしゅう動板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
める方位角が変化する。

第４図は本発明の一実施例の機構部の側面図である。第
４図を参照すれば、回転軸４．５のしゅう動板４０，５
０が取り付けられていない軸端に各々モータ７．８０出
力軸７０．８０を結合し、さらに全体の結合手段として
のユニバーサルジヨイント９がモータ７．８の出力側の
モータフレームに固定されている。

今、モータ７．８の出力軸７０，８０１−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に取り付けたしゅう動板４０゜５０の取り付は角ｆ
ａに依って、回転軸４，５の中心線の交点Ｐを中心とし
かつ回転軸４の長ざとモータ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
回転速度に依って定まる速度で回転角に依って定まる軌
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５ｔ−垂直にたて、第６図に示す交点Ｐを中心と
し、Ｚ軸？垂直とするｘｔ　）’　＋　”の３次元の座
標系の中に回転軸４があるとする。そして、しゅう動板
５０の向１座標軸Ｘの方向から見光ときに第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７．８ｔ−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４１を描く。またモ
ータ７の先端部がある角度傾いてい九として回転軸４．
５を同方向に回転すると、常に２軸を中心とし次軌跡４
２を描く。こルは第７図に示す回転軸５だけを回転嘔せ
九場合のモータ７の先端部の軌跡５１と、第８図Ｃ（示
す回転軸４だけを回転させ穴場合のモータ７の先端部の
軌跡５２（この軌跡５２は第７図の軌跡５１とＸ−２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）１１ｔｇ度だけｘ−ｚ面上に傾けた状態
（この状態の回転軸４の方位角すを０とする。）ｔ−示
す。この時、回転軸４の先端は２軸上の点Ｐ０から点Ｐ
２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゜５ｔ−同じ方向に同じたけ回転さ
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Ｐ。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Ｐ工から点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Ｐｏ
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ＰＯｒ点Ｐｉ　ｓ点Ｐ２と
移動し九時に、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２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Ｐ、は線Ｐ　３−Ｐ　
、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２軸のなす交差角ｆｔｇとする。

第１１図’ｔＺ軸方向から見た場合の軌跡４２内を第１
２図に示す。このとき、線Ｐ２−Ｐ３と線ＰニーＰ、は
平行であり、線Ｐ、−Ｐ、と線Ｐ３−Ｐ４とは直角であ
る。そこで点Ｐ□１点Ｐ３゜点Ｐ２の成す角Ｘは点Ｐ３
　ｒ点Ｐ１１点Ｐ１１の成す角と同じになる。線Ｐ　２
−Ｐ　３を線分子ｇとし線Ｐ３−Ｐ、全線分子ｘとする
。ゆえに角Ｘは、ｚ＝ｓｉｎ″″１（ｒｘ／ｒｇ） 線分子ｇは軌跡４２のテ径で、線分Ｐ−Ｐｏ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−ｐ　ｏ−
ｐ　、とＰ−Ｐ、−Ｐ４）に注目すると、線分子ｘは、 ｒｘ＝（Ｒ−Ｒｃｏｓ（ｇ））／　ｔａｎ（９０°−ａ
）角９０°−ａは点Ｐｏ１点Ｐ２点Ｐ、＋２）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−ｃｏｓ（ｇ））／　ｓｉｎ（
ｇ）　ｔａｎ　（９０°−ａ））となり、回転軸４をＸ
度１回転軸５ｔ−−ｘ度各々回転させると、回転軸４の
先端は点Ｐｏから点Ｐ２に移動する。

さらに、回転軸４，５ｔ−同じ方向に任意の同じ方位角
すだけ回転させ、回転軸４の先端を第１１図に示す位置
から２軸を中心に方位角すだけ回転させれば、回転軸５
の回転角［Ｍｌ及び回転軸４の回転角度Ｍ２は Ｍｌ＝−ｘ＋ｂ Ｍ２＝　　ｘ＋ｂ となり、回転軸４の先端は２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によって定まる範
囲内で任意の動作が出来る。

第１図は本発明の一笑施例の電気回路のブロック図で、
前述した式に基づいて交差角ｇ及び方位角すから回転角
度Ｍ１及びＭ２を求めるものである。図において回路２
００は交差角ｇから共通の角ｘＩ求める回路であす、回
路３００は共通の角Ｘと方位角すとを加算及び減算する
ことによりて、回転角［Ｍｌ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ｊａｎ　（ａ）
の計算回路、１２０は１−ｃｏｓ（ｇ）の計算回路、１
３０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１
２０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　）　ｆ
ｔ求める計算回路、１６０は回路１５０からのデータに
方位角すを加える加算回路、及び１７０は回路１５０か
らのデータを方位角す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
プロセッサ上のソフトウェ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。

【図面の簡単な説明】

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
九時のモータ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ｔ−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２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−Ｐ　０−Ｐ　、と
三角形Ｐ−Ｐ３−Ｐ、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の姿勢を保つ友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・・・・・・ペアリノグ、７゜８・・・・・・モータ
、９・・・・・・ユニバーサルジョイ７ト、１０・・・
・・・球状動作範囲、４Ｃ，４Ｃ’　　、５ｃ・・・・
・・中心線、４０．５０・・・・・・しゅう動板、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としゅう動板
４０．５０の成す角、Ｆ・・・・・・目印％　ｘＩ　Ｙ
　＋、”・・・・・・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、Ｍｌ　、Ｍ２・・・・・・回転軸５，
４の回転角度、凡・・・・・・交点Ｐからモータ７の先
端までの長さ、１００゜１１０．１２０．１３０．１４
０．１５０．１６０　。 １７０・・・・・・各演算ブロック、２００・・・・・
・共通の角Ｘを求める回路ブロック、３００・・・・・
・回転角度Ｍ１゜Ｍ２ｔ−求める回路ブロック。 ８／ム図

Claims (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および第２の軸と、それぞれがこの第１または
   第２の軸の延長上に設けられ相互の捩り方向の回転が防
   止された第３および第４の軸と、前記第１の軸と前記第
   ２の軸がなす交差角に対応して前記第３または第４の軸
   に対し前記第１および第２の軸が回転する共通角度を求
   める第１の回路と、この共通角度と前記第１の軸が前記
   第２の軸に対して傾く向きである方位角との加算および
   減算を行う第２の回路とを含むことを特徴とする関節装
   置。