(57)【要約】【課題】所望の出力トルクを得ることができかつアーム装置において好適な構成を備え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に対して本体部２ｂの反対側に延出する作用部２ｃとを一体に備える第二アーム２と、作用部２ｃに回転可能に連結されかつ上方に延出するリンク３と、リンク３の上部に回転可能に連結される第二連結部６ｂと第一アーム１に回転可能に連結される第一連結部５ａとを備えかつ二つの連結部５ａ，６ｂの距離を伸縮可能に連結する入力機構４と、入力機構４を第一アーム１に対して回転させることで第二アーム２を第一アーム１に対して回転させる動力源１８とを有する。【選択図】図１
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【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に対して前記本体部の反対側に延出する作用部とを一体に備える第二アームと、前記作用部に回転可能に連結されかつ上方に延出するリンクと、前記リンクの上部に回転可能に連結される第二連結部と前記第一アームに回転可能に連結される第一連結部とを備えかつ前記二つの連結部の距離を伸縮可能に連結する入力機構と、前記入力機構を前記第一アームに対して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、前記第一アームに一端部が回転可能に連結される第一入力部材と、前記第一入力部材の他端部に一端部が回転可能に連結されかつ他端部が前記リンクに回転可能に連結される第二入力部材と、前記第一入力部材が前記第一アームから下方にかつ前記リンクに向けて延出しかつ前記第二入力部材が前記第一入力部材から上方にかつ前記リンクに向けて延出する状態において前記第一入力部材と前記第一アームの連結位置と前記第二入力部材と前記リンクの連結位置との距離を大きくする方向に前記第二入力部材を前記第一入力部材に対して付勢する付勢部材とを有するアーム装置。
【請求項３】
請求項２に記載のアーム装置であって、
前記入力機構は、前記第一入力部材と前記第二入力部材の両入力部材の一つに回転可能に装着されかつ他の一つが位置する方向と反対方向に延出する装着部材と、前記両入力部材の他の一つに回転可能に取付けられかつ前記装着部材に向けて延出する押圧部材を有し、
前記付勢部材は、圧縮されて弾性変形するばねであり、かつ前記装着部材の端部に形成された当接部と、前記押圧部材に形成された押圧部との間に設置されるアーム装置。
【請求項４】
請求項３に記載のアーム装置であって、
前記装着部材は、前記付勢部材が挿入される筒部を有し、前記筒部の一端部は、前記当接部によって塞がれるアーム装置。
【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動力源を制御して前記入力機構を前記第一アームに対して回転させる入力トルクの大きさを調整す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を有する。入力リンク機構は、第一要素と第二要素の間の角度が変化することで、ベースリンクと中間リンクとの実質的な連結距離を変化させる。連結距離が変化することで、第一要素をベース部材に対して回転させる入力トルクと、出力リンクをベース部材に対して回転させる出力トルクとの比が変化する。これにより出力トルクを変えることができる。出力リンクには、出力リンクの中心部から延出する指先部材が設けられる。
【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、物を持上げるためのアーム装置において、所望の出力トルクを得ることができる技術は従来知られていない。そのため、アーム装置において、所望の出力トルクを得ることができる好適な構成を備えるアーム装置が必要とされている。
【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、第一アームの下部に回転可能に連結される関節部と関節部から延出する本体部と関節部に対して本体部の反対側に延出する作用部とを一体に備える第二アームと、作用部に回転可能に連結されかつ上方に延出するリンクと、リンクの上部に回転可能に連結される連結部と第一アームに回転可能に連結される連結部を備えかつ二つの連結部の距離を伸縮可能に連結する入力機構と、入力機構を第一アームに対して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る動力源とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
したがって第二アームの作用部は、リンクと入力機構を経由して動力源から力を受ける。さらに作用部は、作用部から上方に延出するリンクの自重と、リンクに連結された入力機構の自重を受け得る。そのため動力源の力とリンクの自重と入力機構の自重によって作用部が下方へ押される。これにより第二アームは、関節部を中心に回転して本体部が上方へ移動し、本体部によって物を持上げ得る。また入力機構によるリンクと第一アームの連結距離は、入力機構によって変更され得る。連結距離が変更されることで、入力機構を第一アームに対して回転させ得る入力トルクと、第二アームを第一アームに対して回転させ得る出力トルクとの比が変化する。これにより所望の出力トルクを得ることができる。
【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】付勢部材を弾性変形させた際のアーム装置の一部拡大側面図である。
【図５】図１の一部拡大図である。
【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と第二入力部材６と付勢部材７を有する。第一入力部材５の一端部（第一連結部５ａ）は、第四軸部材１４によって第一アーム１に回転可能に連結される。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を中心に第一アーム１に対して回転する。第一入力部材５の他端部（第二連結部５ｂ）は、第五軸部材１５によって第二入力部材６に回転可能に連結される。
【００１５】
第二入力部材６の一端部（第一連結部６ａ）は、図１，２に示すように第五軸部材１５によって第一入力部材５に回転可能に連結される。したがって第二入力部材６は、第五軸部材１５の軸中心である第五軸１５ａを中心に第一入力部材５に対して回転する。第二入力部材６は、第一入力部材５よりも後方（図右側）に位置し、他端部（第二連結部６ｂ）が第三軸部材１３によってリンク３に回転可能に連結される。
【００１６】
第一入力部材５には、図１，２に示すように付勢部材７が装着される装着部材８が取付けられる。装着部材８は、筒部８ａと当接部８ｂと蓋部８ｃを有する。筒部８ａは、円筒状であって、内部に付勢部材７が設置される。当接部８ｂは、筒部８ａの端部を塞ぎ、付勢部材７の一端部７ａが当接される。蓋部８ｃは、筒部８ａの開口部を覆い、取付部材１６によって第一入力部材５に回転可能に取付けられる。筒部８ａは、蓋部８ｃから第二入力部材６が位置する方向と反対方向に延出する。
【００１７】
第二入力部材６には、図１，２に示すように付勢部材７を押し得る押圧部材９が取付けられる。押圧部材９は、取付部９ａと軸部９ｂと押圧部９ｃを有する。取付部９ａは、取付部材１７によって第二入力部材６に回転可能に取付けられる。軸部９ｂは、取付部９ａから装着部材８に向けて延出し、蓋部８ｃを貫通する。押圧部９ｃは、筒部８ａの筒内において軸部９ｂに取付けられ、付勢部材７の一端部７ｂが当接される。
【００１８】
付勢部材７は、図３〜５に示すように、例えば、圧縮コイルばねであって、当接部８ｂと押圧部９ｃの間に位置する。したがって付勢部材７は、第一入力部材５と第二入力部材６の劣角（角度）２１を大きくする方向に付勢する。その結果、付勢部材７は、第三軸１３ａと第四軸１４ａの連結距離（直線距離）を大きくする方向に付勢する。劣角２１は、第四軸１４ａと第五軸１５ａを結ぶ直線と、第三軸１３ａと第五軸１５ａを結ぶ直線の間の小さい側の角度であって、大きい側の角度（優角２２）よりも上側に位置する。劣角２１と優角２２は、劣角２１＋優角２２＝２πの関係になっている。付勢部材７が弾性変形されていない場合は、劣角２１が初期劣角２１ａ（例えば９０±２０°）に保持され、連結距離２０が初期距離２０ａに保持される。
【００１９】
付勢部材７は、図３，４に示すように押圧部材９の押圧部９ｃが装着部材８の当接部８ｂに近接することで、圧縮されて弾性変形する。これにより劣角２１が初期劣角２１ａから変形後劣角２１ｂ（例えば０±１０°）に小さくなり、第三軸１３ａと第四軸１４ａと第五軸１５ａとが略一直線状に位置する。連結距離２０は、初期距離２０ａから変形後距離２０ｂに小さくなる。
【００２０】
第一アーム１と第二アーム２の間には、図３，４に示すように検出器２３が設けられる。検出器２３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、検知信号を図示省略の制御装置に発信する。
【００２１】
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、図示省略の制御装置によって動力源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第一入力部材５とともに第一アーム１に対して時計回りに回転する。
【００２２】
第一入力部材５は、図２，３に示すように回転することで第二入力部材６を時計回りに引っ張る。この時、付勢部材７はほとんど変形しないために、第二入力部材６は、第一入力部材５に対して相対角度がほとんど変わらないまま、第一入力部材５とともに時計回りに回転する。第二入力部材６は、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を下方に押す。
【００２３】
第二アーム２は、図２，３に示すように関節部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、図４に示す変形後距離２０ｂよりも大きい初期距離２０ａである。そのため連結距離２０が変形後距離２０ｂの場合に比べて、リンク３の上下速度が速く、第二アーム２の第一アーム１に対する角速度が速い。これにより第二アーム２は、短時間で物Ｗに対して当接し得る。
【００２４】
第二アーム２が物Ｗに当接した際、制御装置が検出器２３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。
【００２５】
図３，４に示すように第二アーム２が物Ｗに当たった後も、第一入力部材５が時計回りに回転する。第一入力部材５は、第二入力部材６を引っ張り、第二入力部材６は、押圧部材９を装着部材８に向けて押す。押圧部材９の押圧部９ｃは、付勢部材７を装着部材８の当接部８ｂに向けて圧縮し、付勢部材７が弾性変形する。これにより第二入力部材６が第一入力部材５に対して反時計回りに回転し、第一入力部材５に近接する。
【００２６】
付勢部材７が弾性変形すると、図３，４に示すように第三軸１３ａと第四軸１４ａの連結距離２０が小さくなる。これにより入力機構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、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２３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】
以上のように、アーム装置１０は、図１に示すように第一アーム１、第二アーム２、リンク３、入力機構４および動力源１８を有する。第二アーム２は、第一アーム１の下部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に対して本体部２ｂの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する。入力機構４は、リンク３の上部３ｂに回転可能に連結される第二連結部６ｂと、第一アーム１に回転可能に連結される第一連結部５ａを備え、かつ二つの連結部５ａ，６ｂの距離を伸縮可能に連結する。動力源１８は、入力機構４を第一アーム１に対して回転させることで第二アーム２を第一アーム１に対して回転させる。
【００２８】
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から力を受ける。さらに作用部２ｃは、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の自重によって作用部２ｃが下方へ押される。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Ｗを持上げ得る。また入力機構４によるリンク３と第一アーム１の連結距離２０は、入力機構４によって変更され得る。連結距離２０が変更されることで、入力機構４を第一アーム１に対して回転させ得る入力トルクと、第二アーム２を第一アーム１に対して回転させ得る出力トルクとの比が変化する。これにより所望の出力トルクを得ることができる。
【００２９】
入力機構４は、図３，４に示すように第一アーム１に一端部が回転可能に連結される第一入力部材５と、第一入力部材５の他端部に一端部が回転可能に連結されかつ他端部がリンク３に回転可能に連結される第二入力部材６と、付勢部材７とを有する。付勢部材７は、第一入力部材５が第一アーム１から下方にかつリンク３に向けて延出し、かつ第二入力部材６が第一入力部材５から上方にかつリンク３に向けて延出する状態において第一入力部材５と第一アーム３の連結位置と第二入力部材６とリンク３の連結位置との距離（連結距離２０）を大きくする方向に第二入力部材６を第一入力部材５に対して付勢する。
【００３０】
したがって付勢部材７が変形する前は、連結距離２０が初期距離２０ａであり、付勢部材７が変形した後は、連結距離２０が初期距離２０ａよりも短い変形後距離２０ｂになる。そのため付勢部材７が変形する前は、連結距離２０が初期距離２０ａであって比較的長いため、リンク３の上下速度および第二アーム２の角速度が、連結距離２０が変形後距離２０ｂの場合に比べて速くなる。これにより第二アーム２は、比較的短い時間で物Ｗに当たり得る。
【００３１】
第二アーム２が物Ｗに当たった後にも第一入力部材５を回転させ続けると、付勢部材７が弾性変形して連結距離２０が変形後距離２０ｂになる。これにより、入力トルクに対して出力トルクが大きくなる。その結果、第二アーム２が物Ｗを持上げる力が大きくなる。
【００３２】
入力機構４は、図３，４に示すように第一入力部材５に回転可能に装着されかつ第二入力部材６が位置する方向と反対方向に延出する装着部材８と、第二入力部材６に回転可能に取付けられかつ装着部材８に向けて延出する押圧部材９を有する。付勢部材７は、圧縮されて弾性変形するばねであり、かつ装着部材８の端部に形成された当接部８ｂと、押圧部材９に形成された押圧部９ｃとの間に設置される。したがって装着部材８は、第一入力部材５と第二入力部材６の両部材間の狭い領域内ではない方向に延出し、該位置に付勢部材７が設置される。そのため付勢部材７を所望の付勢力を奏し得るように大きくすること等ができる。
【００３３】
装着部材８は、図３，４に示すように付勢部材７が挿入される筒部８ａを有し、筒部８ａの一端部は、当接部８ｂによって塞がれる。したがって付勢部材７が筒部８ａによって覆われるために、付勢部材７が筒部８ａによって他の部材と干渉することが防止され得る。また付勢部材７は、筒部８ａによって案内されて弾性変形され得るために、当接部８ｂに対して位置ずれし難く、当接部８ｂに対して確実に当接され得る。
【００３４】
アーム装置１０は、図３，４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２３と、検出器２３からの検知信号に基づいて動力源１８を制御して入力機構４を第一アーム１に対して回転させる入力トルクの大きさを調整す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が物Ｗに当接した当接位置において入力トルクを徐々に大きくし、第二アーム２が当接位置から移動する直前における入力トルクを保持することで、物Ｗを保持することができる。そのため制御装置は、物Ｗの重量を測定することなく、第二アーム２によって物Ｗを保持させることができる。すなわち、トルクセンサをアーム装置１０に設ける必要がない。
【００３５】
（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１に示す入力機構４は、第一入力部材５と第二入力部材６と付勢部材７を有し、付勢部材７を弾性変形させることで連結距離２０を変更し得る。本発明の入力機構は、第一アームに回転可能に連結される第一入力部材と、リンクに回転可能に連結される第二入力部材と、第一入力部材と第二入力部材の両入力部材の一つに軸回転可能に取付けられかつ伸縮源によって軸回転され得るねじと、両入力部材の他の一つに取付けられかつねじに螺合されてねじに沿って移動するナットを有し、ねじを軸回転させることでナットがねじに沿って移動し、これにより第一アームとリンクとの連結距離が変更され得る構成であっても良い。
【００３６】
図１に示す付勢部材７は、圧縮コイルばねである。本発明の付勢部材は、巻きばねであって、第一入力部材に取付けられる一端部と、第二入力部材に取付けられる他端部を有していても良い。
【００３７】
図１に示す付勢部材７は、金属ばねであるが、流体ばねまたはゴムばね等であっても良い。
【００３８】
図２に示す装着部材８は、筒状の筒部８ａと筒部８ａの一端部を塞ぐ当接部８ｂを有する。本発明の装着部材は、板状の延出部と延出部の一端部に設けられた当接部を有していても良い。
【００３９】
図２に示す入力機構４は、第一入力部材５に装着される装着部材８と、第二入力部材６に取付けられる押圧部材９を有する。本発明の入力機構は、第二入力部材に回転可能に装着される装着部材と、第一入力部材に回転可能に取付けらる押圧部材を有していても良い。
【００４０】
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】
【００４１】
１…第一アーム
１ａ…下部
２…第二アーム
２ａ…関節部
２ｂ…本体部
２ｃ…作用部
３…リンク
３ｂ…上部
４…入力機構
５…第一入力部材
５ａ，６ａ…第一連結部
５ｂ，６ｂ…第二連結部
６…第二入力部材
７…付勢部材
８…装着部材
８ａ…筒部
８ｂ…当接部
９…押圧部材
９ｃ…押圧部
１０…アーム装置
１３ａ…第三軸
１８…動力源
２０…連結距離
２１…劣角
２２…優角
２３…検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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