(57)【要約】【課題】積極的に入力トルクと出力リンクの比を変化させ得るアーム装置を提供する。【解決手段】アーム装置１０であって、第一アーム１と、第一アーム１に対して第一軸１１ａを中心に回転可能に連結される第二アーム２と、第二アーム２に対して第二軸１２ａを中心に回転可能に連結されるリンク３と、リンク３に対して第三軸１３ａを中心に回転可能に連結されかつ第一アーム１に対して第四軸１４ａを中心に回転可能に連結されかつ第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離を伸縮可能に連結する入力機構４と、第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を伸縮させ得る伸縮源９と、第一アーム１に対して入力機構４を回転させることで第二アーム２を第一アーム１に対して回転させ得る動力源１８とを有する。【選択図】図２
2011218476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム装置であって、
第一アームと、前記第一アームに対して第一軸を中心に回転可能に連結される第二アームと、前記第二アームに対して第二軸を中心に回転可能に連結されるリンクと、前記リンクに対して第三軸を中心に回転可能に連結されかつ前記第一アームに対して第四軸を中心に回転可能に連結されかつ前記第三軸と前記第四軸との連結距離を伸縮可能に連結する入力機構と、前記第三軸と前記第四軸との連結距離を伸縮させ得る伸縮源と、前記第一アームに対して前記入力機構を回転させることで前記第二アームを前記第一アームに対して回転させ得る動力源とを有するアーム装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアーム装置であって、
前記入力機構は、前記第一アームに対して前記第四軸を中心に回転可能に連結される第一入力部材と、前記リンクに対して前記第三軸を中心に回転可能に連結される第二入力部材を有し、
前記第一入力部材と前記第二入力部材のいずれか一つの部材には、前記伸縮源によって軸回転され得るねじが軸回転可能に取付けられ、前記第一入力部材と前記第二入力部材のいずれか他の一つの部材には、前記ねじに螺合されて前記ねじに沿って移動し得るナットが取付けられるアーム装置。
【請求項３】
請求項２に記載のアーム装置であって、
前記ねじと前記伸縮源は、前記第一入力部材と一体に設けられているアーム装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のアーム装置であって、
前記第二アームは、前記第一アームの下部に回転可能に連結される関節部と、前記関節部から延出する本体部と、前記関節部から前記本体部と反対側に延出する作用部とを一体に有し、
前記リンクは、前記作用部に回転可能に連結されかつ上方に延出し、上部に前記入力機構が連結されるアーム装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のアーム装置であって、
前記第二アームの前記第一アームに対する角度を検出する検出器と、前記検出器からの検知信号に基づいて前記伸縮源を制御して前記第三軸と前記第四軸との前記連結距離を変更させる制御装置を有するアーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットなどに設けられるアーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のアーム装置は、平行四辺形になるようにそれぞれが回転可能に連結される第一〜第四リンクと、第一リンクに対して第二リンクを回転させる駆動源を有する。動力源によって第二リンクを第一リンクに対して回転させることで、第三リンクが第一リンクに対して回転して、第三リンクが物を持上げる（特許文献１の図１等参照）。
【０００３】
アーム装置ではないが、ロボットハンドも従来知られている（特許文献２の図５等参照）。ロボットハンドは、ベースリンクと、ベースリンクの一端部に回転可能に連結される入力リンク機構と、ベースリンクの他端部に連結される出力リンクと、入力リンク機構と出力リンクとを連結する中間リンクを有する。入力リンク機構は、一端部がベースリンクに回転可能に連結される第一要素と、第一要素の他端部に回転可能に一端部が連結されかつ他端部が中間リンクに回転可能に連結される第二要素と、第一要素と第二要素の間の角度を大きくする方向に付勢するばねとを有する。したがって、ばねが弾性変形することで、第一要素と第二要素の間の角度が変化し、ベースリンクと中間リンクの連結距離が変化する。これにより第一要素をベース部材に対して回転させ得る入力トルクと、出力リンクをベース部材に対して回転させ得る出力トルクとの比が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８９０９０号公報
【特許文献２】特開２００５−９０５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、出力リンクに設けられた指先部材が物に当接した状態で第一要素をベース部材に対して回転させると、ばねが弾性変形し、入力トルクと出力リンクとの比が変化する。そのため、状況に応じて入力トルクと出力リンクとの比を積極的に変化させることができない。そのため積極的に入力トルクと出力リンクの比を変化させ得るアーム装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備えるアーム装置であることを特徴とする。一つの特徴によると本発明は、第一アームと、第一アームに対して第一軸を中心に回転可能に連結される第二アームと、第二アームに対して第二軸を中心に回転可能に連結されるリンクと、リンクに対して第三軸を中心に回転可能に連結されかつ第一アームに対して第四軸を中心に回転可能に連結されかつ第三軸と第四軸との連結距離を伸縮可能に連結する入力機構と、第三軸と第四軸との連結距離を伸縮させ得る伸縮源と、第一アームに対して入力機構を回転させることで第二アームを第一アームに対して回転させ得る動力源とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
したがって伸縮源によって第三軸と第四軸との連結距離を伸縮させることができる。これにより第一アームに対して入力機構を回転させる入力トルクと、第一アームに対して第二アームを回転させる出力トルクとの比を所望の比にすることができる。また第一アームに対する入力機構の角速度と、第一アームに対する第二アームの角速度との比を所望の比にすることもできる。かくして所望の出力トルクおよび所望の第二アームの角速度を積極的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アーム装置の側面図である。
【図２】アーム装置の一部拡大側面図である。
【図３】アーム装置の一部拡大側面図である。
【図４】入力機構による連結距離を最短距離にした際のアーム装置の一部拡大側面図である。
【図５】入力機構による連結距離を最短距離にした際のアーム装置の一部拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一つの実施の形態を図１〜５にしたがって説明する。図１に示すようにアーム装置１０は、産業用ロボット、サービスロボット、介護ロボット等のアームを有するロボットに設けられる装置であって、第一アーム１と第二アーム２とリンク３と入力機構４を有する。
【００１０】
第一アーム１は、図１，２に示すように上下に延出しており、上部１ｃと中間部１ｂと下部１ａを有する。下部１ａには、第一軸部材１１によって第二アーム２が回転可能に連結される。中間部１ｂには、入力機構４が第四軸部材１４によって回転可能に連結される。上部１ｃには、モータ等の動力源１８と、複数のギヤを備える伝達機構１９が装着される。動力源１８の出力は、伝達機構１９を経由して第四軸部材１４に伝わり、第四軸部材１４が入力機構４とともに第一アーム１に対して回転する。
【００１１】
なお、明細書と特許請求の範囲に記載する上下方向は、第一アーム１の上部１ｃを上、下部１ａを下となるようにアーム装置１０を設置した図１の状態における図１の上下方向を基準としている。明細書と特許請求の範囲に記載する前方向は、図１の左方向、後方向は、図１の右方向、水平方向は、図１の左右方向を基準としている。また、アーム装置１０は、図１の状態で使用するのみならず、横向き、逆さ向きの他の向きで使用することも可能である。
【００１２】
第二アーム２は、図１，２に示すように長尺棒状であって、関節部２ａと本体部２ｂと作用部２ｃを一体に有する。関節部２ａは、第一軸部材１１によって第一アーム１の下部１ａに回転可能に連結される。本体部２ｂは、関節部２ａから前方に延出し、物Ｗを持上げるように物Ｗに当接され得る。作用部２ｃは、関節部２ａから本体部２ｂと反対側（後方）に延出し、端部にリンク３が連結される。したがって第二アーム２は、作用部２ｃが下方に押されると、第一軸部材１１の軸中心である第一軸１１ａを中心に時計回りに回転する。
【００１３】
リンク３は、図１，２に示すように第一アーム１の後方において上下に延出する。リンク３の下部３ａは、第二軸部材１２によって第二アーム２の作用部２ｃに回転可能に連結される。リンク３の上部３ｂは、第三軸部材１３によって入力機構４の第二入力部材６に回転可能に連結される。したがって、リンク３は、第二アーム２に対して第二軸部材１２の軸中心である第二軸１２ａを中心に回転し、第二入力部材６に対して第三軸部材１３の軸中心である第三軸１３ａを中心に回転する。
【００１４】
入力機構４は、図１，２に示すように第一入力部材５、第二入力部材６、ねじ８およびナット７を有する。第一入力部材５は、取付部材５ｄ等によって第四軸部材１４に取付けられるベース５ａを有する。したがって第一入力部材５は、第四軸部材１４の軸中心である第四軸１４ａを中心に第四軸部材１４とともに第一アーム１に対して回転する。ベース５ａには、ねじ８を軸回転可能に保持する保持部材５ｂ，５ｃと、ねじ８を軸回転させ得る伸縮源９が取付けられる。
【００１５】
ねじ８は、図２に示すようにねじ本体８ａとねじ端部８ｂを一体に有する。ねじ本体８ａは、保持部材５ｂ，５ｃの間を延出して、保持部材５ｂ，５ｃによって軸方向への移動が規制される。ねじ本体８ａの外周面には、螺旋状の溝が形成される。ねじ端部８ｂは、円柱状であって、ねじ本体８ａから保持部材５ｂを貫通し、該端部に歯車１６が取付けられる。歯車１６は、伸縮源９の出力軸９ａに取付けられた歯車１５に噛合わされる。伸縮源９は、モータ等であって、図示省略の制御装置によって制御されることで出力軸９ａを軸回転させる。出力軸９ａが軸回転すると、歯車１５，１６を介してねじ８が軸回転する。
【００１６】
ナット７は、図２に示すように内周面に螺旋状の溝が形成され、該内周面にねじ本体８ａが螺合される。ナット７の外周面には、第二入力部材６が取付けられる。第二入力部材６は、ナット７の外周面に固着される固着部６ａと、固着部６ａの端部から突出する突出部６ｂを一体に有する。突出部６ｂは、第一入力部材５のベース５ａに形成された長穴５ｅを貫通してリンク３に張出す。
【００１７】
突出部６ｂは、図２に示すように長穴５ｅに沿ってナット７とともにベース５ａに対して移動する。突出部６ｂは、長穴５ｅの構成壁面によってねじ８を中心に回転することが規制される。そのためナット７は、突出部６ｂによってベース５ａに対してねじ８を中心に回転することが規制される。突出部６ｂは、第三軸部材１３によってリンク３の上部３ｂに回転可能に連結される。これにより第二入力部材６は、第三軸部材１３の軸中心である第三軸１３ａを中心にリンク３に対して回転可能に連結される。
【００１８】
第一アーム１と第二アーム２の間には、図２，３に示すように検出器２２が設けられる。検出器２２は、例えばエンコーダまたはポテンショメータであって、第一アーム１に対する第二アーム２の角度を検知して、図示省略の制御装置に検知信号を発信する。
【００１９】
第二アーム２は、図２に示すように第一アーム１から垂下する垂下位置と、図３に示すように第一アーム１から略水平に延出して物Ｗを持上げ得る持上げ位置との間で回転する。第二アーム２を垂下位置から持上げ位置に回転させる場合は、先ず、使用者が図示省略のモード入力装置において速度優先モードまたはトルク優先モードを選択する。モード入力装置は、モードに応じた信号を制御装置に信号を発する。
【００２０】
速度優先モードが選択された場合は、制御装置が伸縮源９を制御してねじ８を回転させ、ナット７を保持部材５ｃの近傍へ移動させる。これにより図２，３に示すように入力機構４による第一アーム１とリンク３の連結距離２０、すなわち第三軸１３ａと第四軸１４ａの距離が最大距離２０ａになる。次に、制御装置は、動力源１８を駆動させる。動力源１８を駆動させると、動力源１８の出力軸が回転し、回転トルクが伝達機構１９を経由して第四軸部材１４に入力トルクとして伝わる。第四軸部材１４は、入力トルクによって入力機構４とともに第一アーム１に対して時計回りに回転する。
【００２１】
入力機構４は、図２，３に示すように時計回りに回転することでリンク３を下方に押し、リンク３は、第二アーム２の作用部２ｃを下方へ押す。第二アーム２は、関節部２ａを中心に時計回りに回転し、本体部２ｂの端部が上方へ移動する。この時、第三軸１３ａと第四軸１４ａの連結距離２０は最大距離２０ａであるために、連結距離２０が最大距離２０ａよりも小さい場合に比べて、第二アーム２の第一アーム１に対する角速度が速い。そのため第二アーム２の本体部２ｂは、短時間で物Ｗに対して当接、あるいは目的位置に到達し得る。
【００２２】
第二アーム２が物Ｗに当接した際、制御装置が検出器２２の検知信号に基づいて、第二アーム２が物Ｗに当接した際の第二アーム２の第一アーム１に対する当接角度を決定する。例えば、第二アーム２の角度が所定時間変化しなかった時の角度、あるいは第二アーム２が垂下位置に向けて逆方向に回転し始めた時の第二アーム２の角度を当接角度として決定する。
【００２３】
第二アーム２が物Ｗに当たった後は、制御装置が伸縮源９を制御して、ねじ８を回転させてナット７を保持部材５ｂに向けて移動させる。これにより図３，４に示すように入力機構４の連結距離２０が最小距離２０ｂになる。同時に、制御装置は、第二アーム２が第一アーム１に反時計方向に回転しないように動力源１８を制御して入力機構４を時計回りに回転させる。
【００２４】
連結距離２０が最小距離２０ｂになると、図３，４に示すように入力機構４の第一アーム１に対する入力トルクと第二アーム２の第一アーム１に対する出力トルクとの比が変化し、同一入力トルクに対する出力トルクが大きくなる。次に、制御装置は、第二アーム２によって物Ｗを保持するように動力源１８の出力を徐々に大きくする。例えば、制御装置は、検出器２２の検知信号に基づいて、第二アーム２が当接角度よりも時計回りに回転する直前の出力に動力源１８の出力を設定して保持する。
【００２５】
トルク優先モードが選択された場合は、制御装置が伸縮源９を制御してねじ８を回転させ、ナット７を保持部材５ｂの近傍へ移動させる。これにより図５に示すように入力機構４の連結距離２０が最小距離２０ｂになる。次に、制御装置は、動力源１８を制御して、入力機構４を第一アーム１に対して時計回りに回転させる（図４参照）。これにより第二アーム２が第一アーム１に対して時計回りに回転して物Ｗに当接、あるいは目的位置に到達する。
【００２６】
この時、連結距離２０が最小距離２０ｂであるために、第二アーム２の第一アーム１に対する出力トルクが比較的大きい。そのため第二アーム２は、外力によって反時計方向へ回転し難く、反時計方向に回転せずに物Ｗに向けて回転し得る。第二アーム２が物Ｗに当接した後は、制御装置が第二アーム２によって物Ｗを保持するように動力源１８の出力を徐々に大きくする。例えば、制御装置は、検出器２２の検知信号に基づいて、第二アーム２が当接角度よりも時計回りに回転する直前の出力に動力源１８の出力を設定して保持する。
【００２７】
使用者は、モード入力装置において角度保持モードを選択することもできる。角度保持モードが選択された場合には、制御装置が第二アーム２を第一アーム１に対して回転しないように伸縮源９を制御する。すなわち制御装置は、検出器２２の検知信号に基づいて、第二アーム２が第一アーム１に対して所望角度から回転したと判断した際に、伸縮源９を制御してねじ８を回転させる。これにより連結距離２０が調整され、リンク３を介して第二アーム２を第一アーム１に対して所望の角度に戻し得る。
【００２８】
使用者は、角速度モードを選択することもできる。角速度モードでは、制御装置が第二アーム２を第一アーム１に対して所定の角速度で回転するように伸縮源９を制御する。すなわち制御装置は、検出器２２の検知信号に基づいて、第二アーム２が第一アーム１に対して所定の角速度とは異なる角度に回転したと判断した際に、伸縮源９を制御してねじ８を回転させる。これにより連結距離２０が調整され、リンク３を介して第二アーム２を第一アーム１に対して所望の角度に戻し得る。
【００２９】
以上のように、アーム装置１０は、図２に示すようにリンク３に対して第三軸１３ａを中心に回転可能に連結されかつ第一アーム１に対して第四軸１４ａを中心に回転可能に連結されかつ第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を伸縮可能に連結する入力機構４と、第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を伸縮させる伸縮源９と、第一アーム１に対して入力機構４を回転させることで第二アーム２を第一アーム１に対して回転させ得る動力源１８とを有する。
【００３０】
したがって伸縮源９によって第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を伸縮させることができる。これにより第一アーム１に対して入力機構４を回転させる入力トルクと、第一アーム１に対して第二アーム２を回転させる出力トルクとの比を所望の比にすることができる。また第一アーム１に対する入力機構４の角速度と、第一アーム１に対する第二アーム２の角速度との比を所望の比にすることもできる。かくして所望の出力トルクおよび所望の第二アーム２の角速度を積極的に得ることができる。
【００３１】
入力機構４は、図２に示すように第一アーム１に対して第四軸１４ａを中心に回転可能に連結される第一入力部材５と、リンク３に対して第三軸１３ａを中心に回転可能に連結される第二入力部材６を有する。第一入力部材５には、伸縮源９によって軸回転され得るねじ８が軸回転可能に取付けられる。第二入力部材６には、ねじ８に螺合されてねじ８に沿って移動し得るナット７が取付けられる。
【００３２】
したがって、ねじ８を第一入力部材５に対して軸回転させることで、ナット７がねじ８に沿って移動し、これにより第三軸１３ａと第四軸１４ａの連結距離２０が伸縮する。また入力機構４は、ねじ８とナット７を有するために、ラックとピニオンを有する構成等に比べて、リンク３側からの力によって第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０が伸縮することが容易でない。そのため第二アーム２が外力によって不意に第一アーム１に対して回転することが抑制され得る。
【００３３】
ねじ８と伸縮源９は、図２に示すように第一入力部材５に一体に設けられている。したがってこれらが第二入力部材６に設けられる構成に比べて、入力機構４は、第一入力部材５側が重くなる。そのため入力機構４を第一アーム１に対して回転させる入力トルクを前記構成に比べて小さくすることができる。
【００３４】
第二アーム２は、図１に示すように第一アーム１の下部１ａに回転可能に連結される関節部２ａと、関節部２ａから延出する本体部２ｂと、関節部２ａから本体部２ｂと反対側に延出する作用部２ｃとを一体に有する。リンク３は、作用部２ｃに回転可能に連結されかつ上方に延出し、上部３ｂに入力機構４が連結される。したがって第二アーム２の作用部２ｃは、リンク３と入力機構４を経由して動力源１８から力を受け、かつ作用部２ｃから上方に延出するリンク３の自重と、リンク３に連結された入力機構４の自重とを受け得る。そのため動力源１８の力とリンク３の自重と入力機構４の自重とによって作用部２ｃが下方へ押され、これにより第二アーム２は、関節部２ａを中心に回転して本体部２ｂが上方へ移動し、本体部２ｂによって物を持上げ得る。
【００３５】
アーム装置１０は、図１に示すように第二アーム２の第一アーム１に対する角度を検出する検出器２２と、検出器２２からの検知信号に基づいて伸縮源９を制御して第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を変更させる制御装置を有する。したがって制御装置は、第二アーム２に負荷が加わって第二アーム２が第一アーム１に対して所望の角度に対して回転したことを検出器２２からの検知信号に基づいて判断した際に、伸縮源９を制御することで第三軸１３ａと第四軸１４ａとの連結距離２０を変更させ得る。これにより制御装置は、リンク３を介して第二アーム２を第一アーム１に対して所望の角度に戻し得る。
【００３６】
アーム装置１０は、速度優先モードとトルク優先モードを選択することができる。したがって第二アーム２に負荷が加わらないと想定し得る場合は、速度優先モードを選択することで第二アーム２を第一アーム１に対して速く回転させることができる。一方、第二アーム２に負荷が加わると想定し得る場合は、トルク優先モードを選択することで第二アーム２を第一アーム１に対して大きなトルクで移動させ、これにより第二アーム２を確実に所望位置へ移動させ得る。
【００３７】
（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。例えば、図２に示す入力機構４は、ねじ８とナット７を有する。本発明の入力機構は、ねじ８とナット７に代えて、ラックとラックに対して移動するピニオンギア、またはシリンダとシリンダに対して移動するピストン、またはベースに対して電磁力等によって移動する移動体と前記ベースとを有していても良い。
【００３８】
図２に示す伸縮源９は、モータであるが、シリンダに対してピストンを移動させる油圧装置、またはベースに対して移動体を移動させる移動装置などであっても良い。
【００３９】
図２に示す入力機構４は、第一入力部材５に軸回転可能に取付けられるねじ８と、第二入力部材６に取付けられるナット７を有する。本発明の入力機構は、第二入力部材に軸回転可能に取付けられるねじと、第一入力部材に取付けられるナットを有していても良い。
【００４０】
図２に示すリンク３は、第二アーム２の作用部２ｃに回転可能に連結される。本発明のリンクは、第二アームの本体部に回転可能に連結されても良い。
【００４１】
アーム装置１０は、図１に示す向きで使用しても良いが、横向き、逆さ向き等の他の向きで使用しても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１…第一アーム
２…第二アーム
３…リンク
４…入力機構
５…第一入力部材
６…第二入力部材
７…ナット
８…ねじ
９…伸縮源
１０…アーム装置
１１ａ…第一軸
１２ａ…第二軸
１３ａ…第三軸
１４ａ…第四軸
１８…動力源
２０…連結距離
２２…検出器
【図１】
2011218476.tif 000003
【図２】
2011218476.tif 000004
【図３】
2011218476.tif 000005
【図４】
2011218476.tif 000006
【図５】
2011218476.tif 000007