関節駆動装置、および多関節アーム装置
【課題】作動ロッドに作用する横荷重を受ける構造とすることによって円滑な作動を確保し、さらには、小型化を図り得る、関節駆動装置を提供する。
【解決手段】関節駆動装置１０は、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２に回動自在に接続されたアーム部材４０と、アーム部材を揺動させるアクチュエータ７０と、を含んでいる。アクチュエータは、アーム部材に取り付けられるシリンダチューブ７１を備える駆動部Ｄと、駆動部によってシリンダチューブの軸線方向に沿って移動するシリンダロッド７３と、基端部が第１のフレームに回動自在に接続され、シリンダロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材８０と、シリンダロッドに連結されるとともにリンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材９０と、を有している。駆動部は、流体圧によってピストン７２を移動し、ピストンに取り付けたシリンダロッドを移動させている。
【解決手段】関節駆動装置１０は、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２に回動自在に接続されたアーム部材４０と、アーム部材を揺動させるアクチュエータ７０と、を含んでいる。アクチュエータは、アーム部材に取り付けられるシリンダチューブ７１を備える駆動部Ｄと、駆動部によってシリンダチューブの軸線方向に沿って移動するシリンダロッド７３と、基端部が第１のフレームに回動自在に接続され、シリンダロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材８０と、シリンダロッドに連結されるとともにリンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材９０と、を有している。駆動部は、流体圧によってピストン７２を移動し、ピストンに取り付けたシリンダロッドを移動させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動装置、および多関節アーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
比較的重い部品や荷物などを移動するときには、例えば、アーム型の助力装置を使用し、作業者の負荷を軽減している。アーム型の助力装置は、重量をバランスするために、関節のように駆動される関節駆動装置を備えている（特許文献１を参照）。関節駆動装置は、アーム部材を揺動させるためのアクチュエータを有している。関節駆動装置には、大きい作動範囲を確保するために、関節的に動いたときに周辺設備と干渉することがないように小型化を図ることが要請されている。
【０００３】
特許文献１に記載された関節駆動装置にあっては、アクチュエータとしてガススプリングを使用している。アーム部材は、基台に回動自在に接続してある。アーム部材には、スライド部材を摺動自在に保持する長孔を形成してある。ガススプリングにおける作動ロッドとしてのシリンダロッドの先端は、基台に回動自在に接続してある。ガススプリングにおけるシリンダチューブの端部は、長孔内のスライド部材に回動自在に接続してある。また、スライド部材には、一端を基台に回動自在に接続したリンク部材の他端を回動自在に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２１８５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された関節駆動装置にあっては、ガススプリングの両端、つまり、シリンダロッドの先端およびシリンダチューブの端部を回動自在に支持している。このため、アクチュエータが作動したときに、シリンダロッドに横荷重が作用し、アーム部材を円滑に揺動させることができない虞がある。また、基台、リンク部材およびアクチュエータによって三角形状をなすリンクを構成しており、関節駆動装置の小型化を図る上での制約となっている。
【０００６】
本発明の目的は、作動ロッドに作用する横荷重を受ける構造とすることによって円滑な作動を確保し、さらには、小型化および軽量化を図り得る、関節駆動装置を提供することにある。また、この関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成され、円滑な作動、小型化および軽量化を図り得る多関節アーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る関節駆動装置は、対をなす第１と第２のフレームと、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続されたアーム部材と、前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させることによって前記第２のフレームを移動させるアクチュエータと、を含んでいる。前記アクチュエータは、前記アーム部材に取り付けられるケーシングを備える駆動部と、前記駆動部によって前記ケーシングの軸線方向に沿って移動する作動ロッドと、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、前記作動ロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材と、前記作動ロッドに連結されるとともに前記リンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材と、を有している。
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る多関節アーム装置は、上記の関節駆動装置における前記第１のフレームと、上記の関節駆動装置における前記第２のフレームとを回転自在に連結するための連結部材を有し、前記関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、作動ロッドに作用する横荷重をガイド部材によって受ける構造とすることによって円滑な作動を確保し、さらには、小型化および軽量化を図り得る、関節駆動装置を提供することができる。
【００１０】
また、関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成され、円滑な作動、小型化および軽量化を図り得る多関節アーム装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る多関節アーム装置を適用した、アーム型の助力装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示される多関節アーム装置を拡げた状態で示す図である。
【図３】図１に示される多関節アーム装置を閉じた状態で示す図である。
【図４】多関節アーム装置を構成する１つの関節駆動装置を示す斜視図である。
【図５】関節駆動装置の内部構造を示す断面図である。
【図６】初期位置における関節駆動装置を模式的に示す図である。
【図７】アーム部材を揺動させた作動位置における関節駆動装置を模式的に示す図である。
【図８】作動位置における関節駆動装置の説明に供する図である。
【図９】図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、関節駆動装置の大きさに関する考察の説明に供する図であって、図９（Ａ）は、実施形態の構成の場合、図９（Ｂ）（Ｃ）は、対比例の構成の場合を示している。
【図１０】ガイド部材を改変した第１の改変例に係る関節駆動装置の内部構造を示す断面図である。
【図１１】関節駆動装置の第２の改変例を、初期位置において模式的に示す図である。
【図１２】関節駆動装置の第２の改変例を、アーム部材を揺動させた作動位置において模式的に示す図である。
【図１３】関節駆動装置の第３の改変例を、初期位置において模式的に示す図である。
【図１４】関節駆動装置の第３の改変例を、アーム部材を揺動させた作動位置において模式的に示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、アーム部材の基端部を回動自在に接続する回動軸とリンク部材の基端部を回動自在に接続する回動軸との位置関係が可搬重量に与える影響の理論計算に用いる各種パラメータの説明に供する概念図、図１５（Ｂ）は、関節駆動装置が関節角度θ駆動したときの各角度の導出の説明に供する図、図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）における符号１５Ｃを付した部分の拡大図である。
【図１６】関節角度とアクチュエータ出力との関係を示すグラフである。
【図１７】軸間水平距離を変化させたときのアクチュエータ出力幅の変化を示す図である。
【図１８】軸の位置パラメータ（軸間水平距離、軸間垂直距離）を変更した場合におけるアクチュエータ出力幅をマッピングする手順を示す概略フローチャートである。
【図１９】軸の位置パラメータ（軸間水平距離、軸間垂直距離）とアクチュエータ出力幅の大きさとの組み合わせ分布図を示している。
【図２０】第４の改変例に係る多関節アーム装置を、拡げた状態で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１を参照して、車体１０１の組み立てラインでは、搬送装置１０２によって搬送されてくる車体１０１に、ワーク１０３としての車体構成部品を組み付けている。車体１０１の組み立てラインには、アーム型の助力装置１００を設置している。助力装置１００に設けたハンド２１によって比較的重いワーク１０３を保持しながら作業点まで移動し、作業者の負荷を軽減している。助力装置１００には、多関節アーム装置２０を組み込んでいる。図２および図３にも示すように、多関節アーム装置２０は、複数個（図示例では４個）の関節駆動装置１０を有している。なお、説明の便宜上、４個の関節駆動装置１０を、ベース１０４に取り付けた基端側からハンド２１を取り付けた先端側に向けて順に、第１の関節駆動装置１０、第２の関節駆動装置１０、第３の関節駆動装置１０、および第４の関節駆動装置１０という。
【００１４】
関節駆動装置１０のそれぞれは、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２と、第１と第２のフレーム３１、３２を接続するとともに揺動自在なアーム部材４０とを有し、第２のフレーム３２を第１のフレーム３１に対して鉛直面に関して円運動自在に構成している。作業者がワーク１０３を作業点に向けて移動すると、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれは、重量をバランスするために、ワーク１０３の高さに合わせて作動する。図１には、実線および二点鎖線によって、第１〜第４の関節駆動装置１０が２つの形態に作動した状態を示している。実線によって示される形態は、第１と第２の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第１と第２のフレーム３１、３２がほぼ水平位置にあり、第３と第４の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第２のフレーム３２が第１のフレーム３１に対して鉛直上方向に移動している。一方、二点鎖線によって示される形態は、第１と第２の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第２のフレーム３２が第１のフレーム３１に対して鉛直上方向に移動し、第３と第４の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第１と第２のフレーム３１、３２がほぼ水平位置にある。関節駆動装置１０の作動は、圧縮したエアや作動油などの圧縮流体の流体圧を用いている。関節駆動装置１０のそれぞれには、空圧機器１１０を介して圧縮流体が供給される。空圧機器１１０は、コンプレッサ１１１に接続してある。また、空圧機器１１０は、コントローラ１２０に接続してある（図１を参照）。コントローラ１２０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成しており、空圧機器１１０のオンオフ制御や、流体圧の調整などを行う。コントローラ１２０は、重量をバランスするために、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれに供給すべき流体圧などを算出し、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれに流体圧を供給する。
【００１５】
図２および図３を参照して、多関節アーム装置２０は、一の関節駆動装置１０における第１のフレーム３１と、他の関節駆動装置１０における第２のフレーム３２とを回転自在に連結するための回転ジョイント５０（連結部材に相当する）を有している。多関節アーム装置２０は、関節駆動装置１０を１つのユニットとして複数個（図示例では４個）連結することによって構成している。回転ジョイント５０は、関節駆動装置１０同士を連結した連結面に対して直交する鉛直軸５１（図２を参照）の回りに関節駆動装置１０のそれぞれを回転自在に保持している。回転ジョイント５０は、後述するが、ベアリング５２、フランジ５３、およびハウジング５４によって構成している（図５をも参照）。図２および図３の符号「２２」は、第２のフレーム３２のハウジング５４とハンド２１とを回転自在に連結するためのベアリングを示している。ハンド２１用のベアリング２２は、回転ジョイント５０のベアリング５２と共通した構造を有し、ハウジング５４に取り付けている。
【００１６】
多関節アーム装置２０は、回転ジョイント５０を介して４個の関節駆動装置１０を拡げると、図２に示す状態となる。一方、多関節アーム装置２０は、回転ジョイント５０を介して４個の関節駆動装置１０を閉じると、図３に示す状態となる。閉じた状態では、多関節アーム装置２０は、４個の関節駆動装置１０を積み重ねたような姿勢を取る。
【００１７】
多関節アーム装置２０は、リーチつまり作業点までの到達距離を長くとれることができ（図２を参照）、使わないときには小さくできる（図３を参照）。さらに、多関節であることから、ワーク１０３を移動するときの姿勢を複数とることができる（図１を参照）。
このため、周辺設備と干渉することなくワーク１０３を作業点に到達させることができる。また、使用する環境が変化し、ワーク１０３を移動した後の姿勢が異なっても、改造等を行う必要がなく、コストの増加を抑えることができる。
【００１８】
なお、図１に示した多関節アーム装置２０は、第１のフレーム３１を基端側とし、第２のフレーム３２を先端側として、第４の関節駆動装置１０における第２のフレーム３２にハンド２１を取り付けている。この形態とは逆に、第２のフレーム３２を基端側とし、第１のフレーム３１を先端側として、第４の関節駆動装置１０における第１のフレーム３１にハンド２１を取り付ける構成とすることもできる。
【００１９】
図４および図５を参照して、本実施形態の関節駆動装置１０は、概説すれば、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２と、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、先端部が第２のフレーム３２に回動自在に接続されたアーム部材４０と、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０を揺動させることによって第２のフレーム３２を移動させるアクチュエータ７０と、を含んでいる。アクチュエータ７０は、アーム部材４０に取り付けられるシリンダチューブ７１（ケーシングに相当する）を備える駆動部Ｄと、駆動部Ｄによってシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って移動するシリンダロッド７３（作動ロッドに相当する）と、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、シリンダロッド７３に対して傾斜して伸びるリンク部材８０と、シリンダロッド７３に連結されるとともにリンク部材８０の先端部が回動自在に接続されたガイド部材９０と、を有している。本実施形態における駆動部Ｄは、流体圧によってシリンダロッド７３を移動させている。シリンダチューブ７１内には、このシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って進退移動自在にピストン７２を配置している。シリンダロッド７３は、ピストン７２に取り付けてあり、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って第１のフレーム３１に向けて伸びている。以下、詳述する。
【００２０】
第１と第２のフレーム３１、３２のそれぞれは、相互に向かい合う面が開口した略箱形状を有している。図４において左手側に示されるフレームを第１のフレーム３１と言い、右手側に示されるフレームを第２のフレーム３２と言う。
【００２１】
第１のフレーム３１における図５中下端部には、ベアリング５２を取り付けたフランジ５３を設けている。第２のフレーム３２における図５中上端部には、ベアリング５２を保持自在なハウジング５４を設けている。ベアリング５２、フランジ５３、およびハウジング５４によって前述した回転ジョイント５０を構成している。符号５５は、回転ジョイント５０を介して関節駆動装置１０同士を相対的に回転させるときの回転負荷を付与するバネ部材を示している。バネ部材５５が回転負荷として付与する弾発力の大きさは、図示しないねじ部材によって調節自在となっている。多関節アーム装置２０の使用者は、回転負荷を調節することによって、関節駆動装置１０同士を回転させるときの好みの重さを設定することができ、良好な操作感を得る。
【００２２】
アーム部材４０は、上壁４１と、一対の側壁４２と、底壁４３とを備える略箱形状を有している。側壁４２における図４において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸４４を介して回動自在に接続し、右手側に示される先端部は、第２のフレーム３２に回動軸４５を介して回動自在に接続してある。側壁４２には、回動軸４４、４５との接続部分を補強するための補強部材４６を取り付けている（図４を参照）。底壁４３と第１のフレーム３１との間には、リンク部材８０が挿通する開口４７を形成している。なお、アーム部材４０に補強部材４６を取り付けているが、この補強部材４６を取り付けても、厚さが厚い素材からアーム部材を形成する場合に比較して、小型化および軽量化が図られている。
【００２３】
関節駆動装置１０はさらに、アーム部材４０に対して間隔を隔てて平行に伸び、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、先端部が第２のフレーム３２に回動自在に接続された平行アーム部材６０を有している。平行アーム部材６０は、角棒形状を有している。平行アーム部材６０における図４において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸６１を介して回動自在に接続し、右手側に示される先端部は、第２のフレーム３２に回動軸６２を介して回動自在に接続してある。第１のフレーム３１、第２のフレーム３２、アーム部材４０、および平行アーム部材６０によって、平行リンクを構成する。この平行リンクによって、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０および平行アーム部材６０を揺動させると、第２のフレーム３２を平行移動させることができる。
【００２４】
図５を参照して、シリンダチューブ７１は、アーム部材４０の内部空間に取り付けている。シリンダチューブ７１は、軸直交断面が例えば矩形形状を有し、アーム部材４０における上壁４１および一対の側壁４２に接触している。シリンダチューブ７１の軸直交断面は矩形形状に限られず、適宜の形状を採用し得る。シリンダチューブ７１の軸線方向は、アーム部材４０の上壁４１が伸びる方向と平行をなしている。シリンダチューブ７１内には、圧縮流体を供給する圧力室７４を、ピストン７２との間に区画形成している。圧力室７４は、配管７５を介して、空圧機器１１０に接続している。図１にも示したように、空圧機器１１０は、コンプレッサ１１１およびコントローラ１２０に接続してある。
【００２５】
ピストン７２は、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って進退移動自在に、シリンダチューブ７１内に収容している。ピストン７２は、圧力室７４に供給された圧縮流体の流体圧によって、第１のフレーム３１に向けて前進移動する。
【００２６】
シリンダロッド７３は、ピストン７２と一体的に形成され、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って、つまりアーム部材４０の上壁４１が伸びる方向と平行をなして伸びている。シリンダロッド７３は、シリンダチューブ７１を越えて、第１のフレーム３１に向けて伸びている。
【００２７】
リンク部材８０は、直線のロッド形状を有している。リンク部材８０における図５において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸６１を介して回動自在に接続してある。リンク部材８０は、シリンダロッド７３が伸びる方向に対して傾斜して伸びている。図示例では、リンク部材８０の基端部および平行アーム部材６０の基端部は、同じ回動軸６１を中心にして、第１のフレーム３１に回動自在に接続してある。
【００２８】
ガイド部材９０は、転がり自在なローラ９１を含んでいる。シリンダロッド７３は、ローラ９１の回転中心に回動軸９２を介して回動自在に接続してある。リンク部材８０における図５において右手側に示される先端部も、ローラ９１の回転中心に回動軸９２を介して回動自在に接続してある。アクチュエータ７０を作動すると、ローラ９１は、アーム部材４０の上壁４１の内面に押付けられながら回転する。
【００２９】
本実施形態にあっては、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成し、アーム部材４０の強度を高めるための構造体としてシリンダチューブ７１を利用している。アーム部材４０の構造体としてシリンダチューブ７１を有効活用することによって、アーム部材４０自体の剛性、強度を必要以上に高めたり、大型化および重量化を招いてしまう他の強度部材を取り付けたりする必要がない。したがって、関節駆動装置１０の全体として、一層の軽量化および小型化を図ることができる。
【００３０】
なお、本発明は、市販されている一般的な流体圧シリンダを用いることを排除するものではない。必要な推力を有する流体圧シリンダを関節駆動装置１０に適用することもできるが、アーム部材４０の剛性、強度を確保するために、他の構造体（リンク、ビーム、カバーなど）を必要とし、その結果、アーム部材４０の重量が重くなり、大きさも大きくなる虞がある。したがって、一層の軽量化および小型化を図るためには、本実施形態のように、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成することが好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を図６〜図８を参照しつつ説明する。なお、図６〜図８においては、第１のフレーム３１の位置を固定した場合において、第２のフレーム３２が変位する様子を示している。第２のフレーム３２の位置を固定して第１のフレーム３１を変位させることもできることは言うまでもない。
【００３２】
図６に示すように、初期位置においては、関節駆動装置１０は、圧力室７４に圧縮流体が供給されて重量をバランスし、第１と第２のフレーム３１、３２をほぼ同じ高さ位置に保持している。
【００３３】
図６に示す状態から圧力室７４に圧縮流体をさらに供給してアクチュエータ７０を作動させると、ピストン７２が、流体圧によってシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って、第１のフレーム３１に向けて前進移動する。アクチュエータ７０の推力は、シリンダロッド７３、ガイド部材９０、およびリンク部材８０を介して伝達され、アーム部材４０を揺動させる。
【００３４】
図７に示すように、関節駆動装置１０は、アーム部材４０を揺動させた作動位置において、圧力室７４に圧縮流体が供給されて重量をバランスし、第２のフレーム３２を第１のフレーム３１よりも高い位置に保持している。
【００３５】
アクチュエータ７０を作動させるときには、ガイド部材９０のローラ９１は、アーム部材４０の上壁４１の内面に押付けられながら回転している。図８を参照して、本実施形態の関節駆動装置１０にあっては、リンク部材８０からの支持力ｆｓによってシリンダロッド７３に作用する横荷重ｗを、ガイド部材９０によって受け、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散する構造としてある。このため、シリンダロッド７３は、過大な曲げモーメントがかかることなく、進退移動する。したがって、アーム部材４０を円滑に揺動させることができ、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能となる。なお、図８において符号Ｆはシリンダ推力、ｆはガイド部材９０に作用するシリンダ推力Ｆの反作用の力を表している。
【００３６】
次に、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を参照して、関節駆動装置の大きさに関して考察する。
【００３７】
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のそれぞれにおいて、アクチュエータ７０、１３０におけるシリンダチューブ７１、１３１の大きさは同じ大きさで表している。また、シリンダチューブ７１、１３１が図中水平方向に位置する状態を平行リンクの初期位置とし、シリンダチューブ７１、１３１が傾斜した状態を平行リンクの作動位置とする。理解の容易のために、シリンダチューブ１３１のうち平行リンクが占める領域を超えて存在する部位にハッチングを付してある。
【００３８】
図９（Ｂ）を参照して、平行リンクの対角線上にアクチュエータ１３０を配置した場合には、シリンダチューブ１３１の一部は、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、平行リンクが占める領域を超えて存在する。
【００３９】
図９（Ｃ）を参照して、特許文献１に記載された技術と同様に、リンク部材１３２およびアクチュエータ１３０によってリンクを構成した場合には、リンク部材１３２の一部は、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、平行リンクが占める領域を超えて存在する。図示のとおり平行リンク自体が大きいため、関節駆動装置も大きい。
【００４０】
一方、図９（Ａ）を参照して、本実施形態の場合には、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、シリンダチューブ７１やリンク部材８０の一部が、平行リンクが占める領域を超えて存在することがない。したがって、図９（Ａ）に示される本実施形態の関節駆動装置１０は、図９（Ｂ）（Ｃ）に示される対比例に比べて、小型化を図る上で有利な構成を有している。さらに、関節駆動装置１０の小型化を通して、軽量化を図ることもできる。
【００４１】
さらに、本実施形態にあっては、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成し、アーム部材４０の構造体としてシリンダチューブ７１を有効活用している。この点からも、関節駆動装置１０の全体として、一層の軽量化および小型化を図ることができる。
【００４２】
多関節アーム装置２０には、その使用者の側から、リーチつまり作業点までの到達距離を長くとれること、周辺設備と干渉することなく作業点に到達できること、使わないときに小さくできること、などが要求されている。アームを多関節化することによって、上記の項目を達成できる。ただし、そのためには、個々の関節駆動装置１０の小型化および軽量化を図る必要がある。個々の関節駆動装置１０が大型かつ重いと、多関節化したアームも、強度を高めるためにさらに大型になり、重くなってしまうからである。
【００４３】
本実施形態では、上述したように、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能であり、関節駆動装置１０の小型化および軽量化を図ることができる。したがって、関節駆動装置１０を１つのユニットとして複数個連結することによって構成される多関節アーム装置２０の円滑な作動を確保することも可能であり、多関節アーム装置２０の小型化および軽量化を図ることができる。よって、多関節アーム装置２０に要求されている、リーチを長くとれること、周辺設備と干渉することなく作業点に到達できること、使わないときに小さくできること、などを容易に満足することができる。
【００４４】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、適宜改変して実施することができる。例えば、複数個の関節駆動装置１０を連結して多関節アーム装置２０とした実施形態について説明したが、１個の関節駆動装置１０のみを用いても良い。この場合には、平行アーム部材６０および連結部材５０は必ずしても必要ではない。また、リンク部材８０は、直線形状を有する場合に限定されず、湾曲した部位を備える形状でも良い。シリンダチューブ７１内のピストン７２を流体圧によって移動し、ピストン７２に取り付けたシリンダロッド７３を移動させる形態を示したが、これとは逆の形態でも良い。つまり、シリンダチューブを可動側とし、ピストンを固定側とし、シリンダチューブに取り付けた作動ロッドを移動させる形態でも良い。さらに、駆動部Ｄは、作動ロッドとしてのシリンダロッド７３を流体圧によって移動させる場合に限定されない。駆動部Ｄは、例えば、電磁駆動プランジャーなどによって作動ロッドを直動する形態でも良い。この形態のケーシング内には、プランジャーや、電磁力を生成する電磁コイルなどを収納している。その他の改変例について以下に説明する。
【００４５】
（第１の改変例）
図１０は、ガイド部材９０を改変した第１の改変例に係る関節駆動装置１０の内部構造を示す断面図である。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００４６】
ガイド部材９０が転がり自在なローラ９１を含んでいる実施形態について説明したが（図５を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。ガイド部材９０は、シリンダロッド７３に作用する横荷重を受けることによって、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散し得る限りにおいて、適宜の構成を採用することができる。図１０に示す関節駆動装置１０は、ガイド部材９０が、スライド移動自在なスライダ９５を含んでいる。ガイド部材９０は、一般的なＬＭガイドから構成され、スライダ９５と、スライダ９５の直線移動をガイドする保持ブロック９６とを有している。保持ブロック９６は、アーム部材４０の上壁４１の内面に設けている。シリンダロッド７３は、スライダ９５に連結してある。
リンク部材８０における先端部は、スライダ９５に回動軸９７を介して回動自在に接続してある。アクチュエータ７０を作動すると、スライダ９５は、保持ブロック９６にガイドされて直線移動する。第１の改変例においても、実施形態と同様に、シリンダロッド７３に作用する横荷重を、ガイド部材９０によって受け、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散している。このため、シリンダロッド７３は、曲げモーメントがかかることなく、進退移動する。したがって、アーム部材４０を円滑に揺動させることができ、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能となる。
【００４７】
（第２の改変例）
図１１および図１２を参照して、関節駆動装置１０の第２の改変例を説明する。図１１には、関節駆動装置１０の第２の改変例を、初期位置において模式的に示し、図１２には、関節駆動装置１０の第２の改変例を、アーム部材４０を揺動させた作動位置において模式的に示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００４８】
第１と第２のフレーム３１、３２が相対的に変位する鉛直面において見た場合に、回動軸４４と回動軸６１とを同じ鉛直軸上に位置するように第１のフレーム３１に配置し、回動軸４５と回動軸６２とを同じ鉛直軸上に位置するように第２のフレーム３２に配置した実施形態について説明したが（図６および図７を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。図１１および図１２に示すように、第１と第２のフレーム３１、３２が相対的に変位する鉛直面において見た場合に、回動軸４４と回動軸６１とを異なる鉛直軸上に位置するように第１のフレーム３１に配置し、回動軸４５と回動軸６２とを異なる鉛直軸上に位置するように第２のフレーム３２に配置してもよい。このような配置形態は、第１のフレーム３１の限られた大きさの範囲内で、回動軸４４と回動軸６１とを可能な限り離間させて配置し、回動軸４４と回動軸６１との間の距離を可能な限り大きくした配置形態である。同様に、第２のフレーム３２の限られた大きさの範囲内で、回動軸４５と回動軸６２とを可能な限り離間させて配置し、回動軸４５と回動軸６２との間の距離を可能な限り大きくした配置形態である。実施形態では、初期位置から作動位置までアーム部材４０を揺動させると、アーム部材４０の上壁４１と平行アーム部材６０との間隔は比較的狭くなる（図６および図７を参照）。これに対して、第２の改変例における回動軸４４と回動軸６１との位置関係、および回動軸４５と回動軸６２との位置関係では、初期位置から作動位置までアーム部材４０を揺動させても、アーム部材４０の上壁４１と平行アーム部材６０との間隔は比較的広く、空間部４８を確保することができる。この空間部４８は、圧縮流体を圧力室７４に供給する配管７５や、電気的な配線などを収納する空間として用いることができる。配管７５や電気的な配線などが外部に露出しないので、配管７５などの破損を低減することができる。
【００４９】
（第３の改変例）
図１３および図１４を参照して、関節駆動装置１０の第３の改変例を説明する。図１３には、関節駆動装置１０の第３の改変例を、初期位置において模式的に示し、図１４には、関節駆動装置１０の第３の改変例を、アーム部材４０を揺動させた作動位置において模式的に示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００５０】
リンク部材８０の基端部および平行アーム部材６０の基端部を同じ回動軸６１を中心にして第１のフレーム３１に回動自在に接続した実施形態について説明したが（図６および図７を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。図１３および図１４に示すように、リンク部材８０の基端部を回動自在に接続する回動軸８１と、平行アーム部材６０の基端部を回動自在に接続する回動軸６１とが異なってもよい。第２の改変例において説明したように、回動軸４４と回動軸６１との位置関係は、空間部４８を確保する観点から定まっている。一方、回動軸４４と回動軸８１との位置関係は、空間部４８を確保する観点からではなく、可搬重量を増加させる観点から定め得るからである。
【００５１】
アーム部材４０の基端部を第１のフレーム３１に回動自在に接続する回動軸４４（第１の回動軸に相当する）に対する、リンク部材８０の基端部を第１のフレーム３１に回動自在に接続する回動軸８１（第２の回動軸に相当する）の相対的な位置は、回動軸４４と回動軸８１との間の距離が第１のフレーム３１の大きさの範囲内で許容される最大長さとなる位置に、設定するのが好ましい。回動軸４４と回動軸８１との位置関係のみで、関節駆動装置１０における可搬重量を増加させることが可能となるからである。
【００５２】
回動軸４４と回動軸８１との位置関係が可搬重量に与える影響を、理論計算結果に基づいて説明する。
【００５３】
図１５（Ａ）を参照して、理論計算に用いる各種パラメータは次のとおりである。
【００５４】
ａ ：回動軸４４と回動軸８１との軸間水平距離
ｂ ：回動軸４４と回動軸８１との軸間垂直距離
θ ：関節駆動装置の関節角度（平行アーム部材６０の水平位置からの傾斜角度）
φ ：リンク部材８０の延長線とアクチュエータ７０のシリンダロッド７３とがなす角度
ψ ：リンク部材８０の水平位置からの傾斜角度
Ｌ ：アーム部材４０を回動自在に接続するための、回動軸４４と回動軸４５との間の距離
Ｌａ：回動軸４４と関節駆動装置全体の重心との間の距離
Ｌ１：リンク部材８０の長さ
ｓ ：回動軸４４と回動軸４５とを結んだ直線と、アクチュエータ７０のシリンダロッド７３との間の距離
Ｗ ：関節駆動装置の先端に掛かる荷重
Ｗａ：関節駆動装置の自重
なお、アクチュエータ７０の直径は、空圧シリンダの場合のボア径を想定した。
【００５５】
アクチュエータ７０の駆動部Ｄの出力Ｆ（以下、単に、「アクチュエータ出力Ｆ」という）は、下記の式（１）から求まる。
【００５６】
【数１】
【００５７】
図１５（Ｂ）（Ｃ）を参照して、関節駆動装置が関節角度θ駆動したときのφは、次のように導出される。回動軸４４と回動軸８１とを結ぶ線分と、シリンダロッド７３の延長線とが交わる交点を点Ａとする。点Ａ、回動軸８１、および回動軸９２によって形成される三角形において、正弦定理から下記の式（２）の関係がある。式（２）より、角度φが式（３）のように導き出される。
【００５８】
【数２】
【００５９】
また、式（３）の角度αは、下記の式（４）から求められる。また、角度θ、角度φ、および角度ψは、下記の式（５）の関係がある。
【００６０】
【数３】
【００６１】
式（１）から、軸間水平距離ａおよび軸間垂直距離ｂが可能な限り大きくなるように回動軸４４と回動軸８１との位置関係を定めることによって、すなわち、回動軸４４と回動軸８１との間の距離が第１のフレーム３１の大きさの範囲内で許容される最大長さとなるように回動軸４４と回動軸８１との位置関係を定めることによって、アクチュエータ出力Ｆを小さくでき、大きな荷重Ｗに対してもバランスをとることができる。つまり、同じ能力のアクチュエータ７０を用いても、回動軸４４と回動軸８１との位置関係のみで、関節駆動装置１０における可搬重量を増加させることが可能となる
リンク部材８０をその長さＬ１が長い構造とすることによっても、また距離ｓを長い構造とすることによっても、同様に、関節駆動装置における可搬重量を増加させることが可能となる。
【００６２】
理論計算によって求めた、関節角度θとアクチュエータ出力Ｆとの関係を図１６に示す。図中のΔＦは、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０を揺動させる範囲内において、揺動させたアーム部材４０の姿勢をバランスするために必要なアクチュエータ７０の駆動部Ｄの出力の最大値と最小値との差である出力幅を示している。以下、単に、「アクチュエータ出力幅ΔＦ」という。
【００６３】
アクチュエータ出力幅ΔＦは、回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置（軸間水平距離ａ、軸間垂直距離ｂ）や、リンク部材８０の長さＬ１やアクチュエータ７０の相対的な位置（距離ｓ）などの条件を変更することによって変更することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくなる条件（回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置や、リンク部材８０の長さＬ１やアクチュエータ７０の相対的な位置（距離ｓ）など）を計算によって導出することができる。同様に、アクチュエータ出力幅ΔＦが大きくなる条件を計算によって導出することもできる。
【００６４】
回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置は、アクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせにおいて設定することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦを小さくする組み合わせにおいて回動軸４４に対する回動軸８１の位置を設定すると、アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくてよいことから、アクチュエータや空圧機器１１０に接続するコンプレッサ１１１は能力的に小型のものでもよく、コントローラ１２０による空圧機器１１０のオンオフ制御や流体圧の調整も容易になる。これらを通して、関節駆動装置の制御系を簡素化することが可能となる。また、関節駆動装置のコストの低減を図ることができる。一方、アクチュエータ出力幅ΔＦを大きくする組み合わせにおいて回動軸４４に対する回動軸８１の位置を設定すると、関節角度θの単位角度当たりの出力幅ΔＦを大きくできることから、関節駆動装置の関節角度などを調整する位置決め時における制御分解能を高めることができる。
【００６５】
図１７は、軸間水平距離ａを変化させたときのアクチュエータ出力幅ΔＦの変化を示している。
【００６６】
軸間水平距離ａ＝０ｍｍのときと、回動軸８１の軸位置を水平方向に２０ｍｍ移動させたとき（ａ＝２０ｍｍ）とのそれぞれについて、アクチュエータ出力Ｆを式（１）から求めた。回動軸８１の軸位置を水平方向に例えば２０ｍｍ移動させることによって（ａ＝２０ｍｍ）、関節駆動装置のバランス性能として、アクチュエータ出力幅ΔＦが約半分になる。また、荷重Ｗに対してバランスするためのアクチュエータ出力Ｆを小さくでき、関節駆動装置における可搬重量を増加させることができる。
【００６７】
次に、図１８および図１９を参照して、回動軸４４と回動軸８１との軸間水平距離ａ、回動軸４４と回動軸８１との軸間垂直距離ｂ、つまり回動軸４４、８１の位置パラメータ（ａ、ｂ）を変更した場合における、アクチュエータの出力幅ΔＦのマッピングについて説明する。
【００６８】
回動軸４４および回動軸８１を配置する位置は、第１のフレーム３１の寸法によって制限を受ける。したがって、位置パラメータ（ａ、ｂ）の範囲は、関節駆動装置の仕様（寸法）によって決まる。
【００６９】
決定された範囲内における位置パラメータ（ａ、ｂ）の組み合わせについて、アクチュエータ出力Ｆを式（１）から求める。併せて、アクチュエータ出力幅ΔＦを求める。関節駆動装置の先端に掛かる荷重Ｗ、関節駆動装置の自重Ｗａ、リンク部材８０の長さＬ１などの寸法は、関節駆動装置の仕様にしたがう。
【００７０】
そして、位置パラメータ（ａ、ｂ）の組み合わせに対して、アクチュエータ出力幅ΔＦをマッピングする。
【００７１】
図１９には、位置パラメータ（ａ、ｂ）とアクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせ分布図を示している。アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくなる回動軸８１の相対的な位置を決定する場合には、分布図を参照することによって、設計可能な寸法値の範囲から、位置パラメータ（ａ、ｂ）を導出することができる。アクチュエータの出力幅ΔＦが大きくなる回動軸８１の相対的な位置を決定する場合にも同様に、分布図を参照することによって、設計可能な寸法値の範囲から、位置パラメータ（ａ、ｂ）を導出することができる。
【００７２】
なお、リンク部材８０の長さＬ１および距離ｓについても、同様に、アクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせにおいて設定することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦを小さくする組み合わせにおいてリンク部材８０の長さＬ１と距離ｓを設定すると、関節駆動装置の制御系を簡素化することが可能となり、関節駆動装置のコストの低減を図ることができる。一方、アクチュエータ出力幅ΔＦを大きくする組み合わせにおいてリンク部材８０の長さＬ１および距離ｓを設定すると、関節駆動装置の関節角度などを調整する位置決め時における制御分解能を高めることができる。
【００７３】
また、回動軸８１を回動軸４４に対して回動軸６１よりも近い位置に配置した例を示したが（図１３および図１４を参照）、空間部４８を確保でき、第１と第２のフレーム３１、３２の大きさに余裕がある場合には、回動軸８１を回動軸４４に対して回動軸６１からさらに離した位置に配置してもよい。
【００７４】
（第４の改変例）
図２０を参照して、第４の改変例に係る多関節アーム装置２０を説明する。図２０には、第４の改変例に係る多関節アーム装置２０を拡げた状態で示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００７５】
関節駆動装置１０における第１のフレーム３１の下端部にベアリング５２を配置し、第２のフレーム３２の上端部にハウジング５４を配置した実施形態について説明したが（図２を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。関節駆動装置１０における第１のフレーム３１の上端部にもベアリング５２をさらに配置し、第２のフレーム３２の下端部にもハウジング５４をさらに配置してもよい。多関節アーム装置２０における関節駆動装置１０同士の連結形態を多様化でき、助力装置１００の設置場所との関係、周辺設備との干渉を回避する関係、作業点の位置との関係などにおいて、最適な連結形態を選択する際の自由度を高めることができる。図示例では、第２の関節駆動装置１０が、第１と第３の駆動装置の下側に連結されている。さらに詳しくは、第１の関節駆動装置１０の第２のフレーム３２の下側に、第２の関節駆動装置１０の第１のフレーム３１の上側を接続し、第３の関節駆動装置１０の第１のフレーム３１の下側に、第２の関節駆動装置１０の第２のフレーム３２の上側を接続している。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 関節駆動装置、
２０ 多関節アーム装置、
２１ ハンド、
３１ 第１のフレーム、
３２ 第２のフレーム、
４０ アーム部材、
４１ 上壁、
４２ 側壁、
４３ 底壁、
４４ 回動軸（第１の回動軸）、
４５ 回動軸、
５０ 回転ジョイント（連結部材）、
５２ ベアリング、
５３ フランジ、
５４ ハウジング、
６０ 平行アーム部材、
６１ 回動軸、
６２ 回動軸、
７０ アクチュエータ、
７１ シリンダチューブ（ケーシング）、
７２ ピストン、
７３ シリンダロッド（作動ロッド）、
７４ 圧力室、
８０ リンク部材、
８１ 回動軸（第２の回動軸）、
９０ ガイド部材、
９１ ローラ、
９５ スライダ、
９６ 保持ブロック、
１００ アーム型の助力装置、
１０１ 車体、
１０２ 搬送装置、
１０３ ワーク、
１１０ 空圧機器、
１１１ コンプレッサ、
１２０ コントローラ、
Ｄ 駆動部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動装置、および多関節アーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
比較的重い部品や荷物などを移動するときには、例えば、アーム型の助力装置を使用し、作業者の負荷を軽減している。アーム型の助力装置は、重量をバランスするために、関節のように駆動される関節駆動装置を備えている（特許文献１を参照）。関節駆動装置は、アーム部材を揺動させるためのアクチュエータを有している。関節駆動装置には、大きい作動範囲を確保するために、関節的に動いたときに周辺設備と干渉することがないように小型化を図ることが要請されている。
【０００３】
特許文献１に記載された関節駆動装置にあっては、アクチュエータとしてガススプリングを使用している。アーム部材は、基台に回動自在に接続してある。アーム部材には、スライド部材を摺動自在に保持する長孔を形成してある。ガススプリングにおける作動ロッドとしてのシリンダロッドの先端は、基台に回動自在に接続してある。ガススプリングにおけるシリンダチューブの端部は、長孔内のスライド部材に回動自在に接続してある。また、スライド部材には、一端を基台に回動自在に接続したリンク部材の他端を回動自在に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２１８５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された関節駆動装置にあっては、ガススプリングの両端、つまり、シリンダロッドの先端およびシリンダチューブの端部を回動自在に支持している。このため、アクチュエータが作動したときに、シリンダロッドに横荷重が作用し、アーム部材を円滑に揺動させることができない虞がある。また、基台、リンク部材およびアクチュエータによって三角形状をなすリンクを構成しており、関節駆動装置の小型化を図る上での制約となっている。
【０００６】
本発明の目的は、作動ロッドに作用する横荷重を受ける構造とすることによって円滑な作動を確保し、さらには、小型化および軽量化を図り得る、関節駆動装置を提供することにある。また、この関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成され、円滑な作動、小型化および軽量化を図り得る多関節アーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る関節駆動装置は、対をなす第１と第２のフレームと、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続されたアーム部材と、前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させることによって前記第２のフレームを移動させるアクチュエータと、を含んでいる。前記アクチュエータは、前記アーム部材に取り付けられるケーシングを備える駆動部と、前記駆動部によって前記ケーシングの軸線方向に沿って移動する作動ロッドと、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、前記作動ロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材と、前記作動ロッドに連結されるとともに前記リンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材と、を有している。
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る多関節アーム装置は、上記の関節駆動装置における前記第１のフレームと、上記の関節駆動装置における前記第２のフレームとを回転自在に連結するための連結部材を有し、前記関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、作動ロッドに作用する横荷重をガイド部材によって受ける構造とすることによって円滑な作動を確保し、さらには、小型化および軽量化を図り得る、関節駆動装置を提供することができる。
【００１０】
また、関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成され、円滑な作動、小型化および軽量化を図り得る多関節アーム装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る多関節アーム装置を適用した、アーム型の助力装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示される多関節アーム装置を拡げた状態で示す図である。
【図３】図１に示される多関節アーム装置を閉じた状態で示す図である。
【図４】多関節アーム装置を構成する１つの関節駆動装置を示す斜視図である。
【図５】関節駆動装置の内部構造を示す断面図である。
【図６】初期位置における関節駆動装置を模式的に示す図である。
【図７】アーム部材を揺動させた作動位置における関節駆動装置を模式的に示す図である。
【図８】作動位置における関節駆動装置の説明に供する図である。
【図９】図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、関節駆動装置の大きさに関する考察の説明に供する図であって、図９（Ａ）は、実施形態の構成の場合、図９（Ｂ）（Ｃ）は、対比例の構成の場合を示している。
【図１０】ガイド部材を改変した第１の改変例に係る関節駆動装置の内部構造を示す断面図である。
【図１１】関節駆動装置の第２の改変例を、初期位置において模式的に示す図である。
【図１２】関節駆動装置の第２の改変例を、アーム部材を揺動させた作動位置において模式的に示す図である。
【図１３】関節駆動装置の第３の改変例を、初期位置において模式的に示す図である。
【図１４】関節駆動装置の第３の改変例を、アーム部材を揺動させた作動位置において模式的に示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、アーム部材の基端部を回動自在に接続する回動軸とリンク部材の基端部を回動自在に接続する回動軸との位置関係が可搬重量に与える影響の理論計算に用いる各種パラメータの説明に供する概念図、図１５（Ｂ）は、関節駆動装置が関節角度θ駆動したときの各角度の導出の説明に供する図、図１５（Ｃ）は、図１５（Ｂ）における符号１５Ｃを付した部分の拡大図である。
【図１６】関節角度とアクチュエータ出力との関係を示すグラフである。
【図１７】軸間水平距離を変化させたときのアクチュエータ出力幅の変化を示す図である。
【図１８】軸の位置パラメータ（軸間水平距離、軸間垂直距離）を変更した場合におけるアクチュエータ出力幅をマッピングする手順を示す概略フローチャートである。
【図１９】軸の位置パラメータ（軸間水平距離、軸間垂直距離）とアクチュエータ出力幅の大きさとの組み合わせ分布図を示している。
【図２０】第４の改変例に係る多関節アーム装置を、拡げた状態で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１を参照して、車体１０１の組み立てラインでは、搬送装置１０２によって搬送されてくる車体１０１に、ワーク１０３としての車体構成部品を組み付けている。車体１０１の組み立てラインには、アーム型の助力装置１００を設置している。助力装置１００に設けたハンド２１によって比較的重いワーク１０３を保持しながら作業点まで移動し、作業者の負荷を軽減している。助力装置１００には、多関節アーム装置２０を組み込んでいる。図２および図３にも示すように、多関節アーム装置２０は、複数個（図示例では４個）の関節駆動装置１０を有している。なお、説明の便宜上、４個の関節駆動装置１０を、ベース１０４に取り付けた基端側からハンド２１を取り付けた先端側に向けて順に、第１の関節駆動装置１０、第２の関節駆動装置１０、第３の関節駆動装置１０、および第４の関節駆動装置１０という。
【００１４】
関節駆動装置１０のそれぞれは、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２と、第１と第２のフレーム３１、３２を接続するとともに揺動自在なアーム部材４０とを有し、第２のフレーム３２を第１のフレーム３１に対して鉛直面に関して円運動自在に構成している。作業者がワーク１０３を作業点に向けて移動すると、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれは、重量をバランスするために、ワーク１０３の高さに合わせて作動する。図１には、実線および二点鎖線によって、第１〜第４の関節駆動装置１０が２つの形態に作動した状態を示している。実線によって示される形態は、第１と第２の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第１と第２のフレーム３１、３２がほぼ水平位置にあり、第３と第４の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第２のフレーム３２が第１のフレーム３１に対して鉛直上方向に移動している。一方、二点鎖線によって示される形態は、第１と第２の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第２のフレーム３２が第１のフレーム３１に対して鉛直上方向に移動し、第３と第４の関節駆動装置１０のそれぞれにおける第１と第２のフレーム３１、３２がほぼ水平位置にある。関節駆動装置１０の作動は、圧縮したエアや作動油などの圧縮流体の流体圧を用いている。関節駆動装置１０のそれぞれには、空圧機器１１０を介して圧縮流体が供給される。空圧機器１１０は、コンプレッサ１１１に接続してある。また、空圧機器１１０は、コントローラ１２０に接続してある（図１を参照）。コントローラ１２０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成しており、空圧機器１１０のオンオフ制御や、流体圧の調整などを行う。コントローラ１２０は、重量をバランスするために、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれに供給すべき流体圧などを算出し、第１〜第４の関節駆動装置１０のそれぞれに流体圧を供給する。
【００１５】
図２および図３を参照して、多関節アーム装置２０は、一の関節駆動装置１０における第１のフレーム３１と、他の関節駆動装置１０における第２のフレーム３２とを回転自在に連結するための回転ジョイント５０（連結部材に相当する）を有している。多関節アーム装置２０は、関節駆動装置１０を１つのユニットとして複数個（図示例では４個）連結することによって構成している。回転ジョイント５０は、関節駆動装置１０同士を連結した連結面に対して直交する鉛直軸５１（図２を参照）の回りに関節駆動装置１０のそれぞれを回転自在に保持している。回転ジョイント５０は、後述するが、ベアリング５２、フランジ５３、およびハウジング５４によって構成している（図５をも参照）。図２および図３の符号「２２」は、第２のフレーム３２のハウジング５４とハンド２１とを回転自在に連結するためのベアリングを示している。ハンド２１用のベアリング２２は、回転ジョイント５０のベアリング５２と共通した構造を有し、ハウジング５４に取り付けている。
【００１６】
多関節アーム装置２０は、回転ジョイント５０を介して４個の関節駆動装置１０を拡げると、図２に示す状態となる。一方、多関節アーム装置２０は、回転ジョイント５０を介して４個の関節駆動装置１０を閉じると、図３に示す状態となる。閉じた状態では、多関節アーム装置２０は、４個の関節駆動装置１０を積み重ねたような姿勢を取る。
【００１７】
多関節アーム装置２０は、リーチつまり作業点までの到達距離を長くとれることができ（図２を参照）、使わないときには小さくできる（図３を参照）。さらに、多関節であることから、ワーク１０３を移動するときの姿勢を複数とることができる（図１を参照）。
このため、周辺設備と干渉することなくワーク１０３を作業点に到達させることができる。また、使用する環境が変化し、ワーク１０３を移動した後の姿勢が異なっても、改造等を行う必要がなく、コストの増加を抑えることができる。
【００１８】
なお、図１に示した多関節アーム装置２０は、第１のフレーム３１を基端側とし、第２のフレーム３２を先端側として、第４の関節駆動装置１０における第２のフレーム３２にハンド２１を取り付けている。この形態とは逆に、第２のフレーム３２を基端側とし、第１のフレーム３１を先端側として、第４の関節駆動装置１０における第１のフレーム３１にハンド２１を取り付ける構成とすることもできる。
【００１９】
図４および図５を参照して、本実施形態の関節駆動装置１０は、概説すれば、対をなす第１と第２のフレーム３１、３２と、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、先端部が第２のフレーム３２に回動自在に接続されたアーム部材４０と、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０を揺動させることによって第２のフレーム３２を移動させるアクチュエータ７０と、を含んでいる。アクチュエータ７０は、アーム部材４０に取り付けられるシリンダチューブ７１（ケーシングに相当する）を備える駆動部Ｄと、駆動部Ｄによってシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って移動するシリンダロッド７３（作動ロッドに相当する）と、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、シリンダロッド７３に対して傾斜して伸びるリンク部材８０と、シリンダロッド７３に連結されるとともにリンク部材８０の先端部が回動自在に接続されたガイド部材９０と、を有している。本実施形態における駆動部Ｄは、流体圧によってシリンダロッド７３を移動させている。シリンダチューブ７１内には、このシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って進退移動自在にピストン７２を配置している。シリンダロッド７３は、ピストン７２に取り付けてあり、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って第１のフレーム３１に向けて伸びている。以下、詳述する。
【００２０】
第１と第２のフレーム３１、３２のそれぞれは、相互に向かい合う面が開口した略箱形状を有している。図４において左手側に示されるフレームを第１のフレーム３１と言い、右手側に示されるフレームを第２のフレーム３２と言う。
【００２１】
第１のフレーム３１における図５中下端部には、ベアリング５２を取り付けたフランジ５３を設けている。第２のフレーム３２における図５中上端部には、ベアリング５２を保持自在なハウジング５４を設けている。ベアリング５２、フランジ５３、およびハウジング５４によって前述した回転ジョイント５０を構成している。符号５５は、回転ジョイント５０を介して関節駆動装置１０同士を相対的に回転させるときの回転負荷を付与するバネ部材を示している。バネ部材５５が回転負荷として付与する弾発力の大きさは、図示しないねじ部材によって調節自在となっている。多関節アーム装置２０の使用者は、回転負荷を調節することによって、関節駆動装置１０同士を回転させるときの好みの重さを設定することができ、良好な操作感を得る。
【００２２】
アーム部材４０は、上壁４１と、一対の側壁４２と、底壁４３とを備える略箱形状を有している。側壁４２における図４において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸４４を介して回動自在に接続し、右手側に示される先端部は、第２のフレーム３２に回動軸４５を介して回動自在に接続してある。側壁４２には、回動軸４４、４５との接続部分を補強するための補強部材４６を取り付けている（図４を参照）。底壁４３と第１のフレーム３１との間には、リンク部材８０が挿通する開口４７を形成している。なお、アーム部材４０に補強部材４６を取り付けているが、この補強部材４６を取り付けても、厚さが厚い素材からアーム部材を形成する場合に比較して、小型化および軽量化が図られている。
【００２３】
関節駆動装置１０はさらに、アーム部材４０に対して間隔を隔てて平行に伸び、基端部が第１のフレーム３１に回動自在に接続され、先端部が第２のフレーム３２に回動自在に接続された平行アーム部材６０を有している。平行アーム部材６０は、角棒形状を有している。平行アーム部材６０における図４において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸６１を介して回動自在に接続し、右手側に示される先端部は、第２のフレーム３２に回動軸６２を介して回動自在に接続してある。第１のフレーム３１、第２のフレーム３２、アーム部材４０、および平行アーム部材６０によって、平行リンクを構成する。この平行リンクによって、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０および平行アーム部材６０を揺動させると、第２のフレーム３２を平行移動させることができる。
【００２４】
図５を参照して、シリンダチューブ７１は、アーム部材４０の内部空間に取り付けている。シリンダチューブ７１は、軸直交断面が例えば矩形形状を有し、アーム部材４０における上壁４１および一対の側壁４２に接触している。シリンダチューブ７１の軸直交断面は矩形形状に限られず、適宜の形状を採用し得る。シリンダチューブ７１の軸線方向は、アーム部材４０の上壁４１が伸びる方向と平行をなしている。シリンダチューブ７１内には、圧縮流体を供給する圧力室７４を、ピストン７２との間に区画形成している。圧力室７４は、配管７５を介して、空圧機器１１０に接続している。図１にも示したように、空圧機器１１０は、コンプレッサ１１１およびコントローラ１２０に接続してある。
【００２５】
ピストン７２は、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って進退移動自在に、シリンダチューブ７１内に収容している。ピストン７２は、圧力室７４に供給された圧縮流体の流体圧によって、第１のフレーム３１に向けて前進移動する。
【００２６】
シリンダロッド７３は、ピストン７２と一体的に形成され、シリンダチューブ７１の軸線方向に沿って、つまりアーム部材４０の上壁４１が伸びる方向と平行をなして伸びている。シリンダロッド７３は、シリンダチューブ７１を越えて、第１のフレーム３１に向けて伸びている。
【００２７】
リンク部材８０は、直線のロッド形状を有している。リンク部材８０における図５において左手側に示される基端部は、第１のフレーム３１に回動軸６１を介して回動自在に接続してある。リンク部材８０は、シリンダロッド７３が伸びる方向に対して傾斜して伸びている。図示例では、リンク部材８０の基端部および平行アーム部材６０の基端部は、同じ回動軸６１を中心にして、第１のフレーム３１に回動自在に接続してある。
【００２８】
ガイド部材９０は、転がり自在なローラ９１を含んでいる。シリンダロッド７３は、ローラ９１の回転中心に回動軸９２を介して回動自在に接続してある。リンク部材８０における図５において右手側に示される先端部も、ローラ９１の回転中心に回動軸９２を介して回動自在に接続してある。アクチュエータ７０を作動すると、ローラ９１は、アーム部材４０の上壁４１の内面に押付けられながら回転する。
【００２９】
本実施形態にあっては、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成し、アーム部材４０の強度を高めるための構造体としてシリンダチューブ７１を利用している。アーム部材４０の構造体としてシリンダチューブ７１を有効活用することによって、アーム部材４０自体の剛性、強度を必要以上に高めたり、大型化および重量化を招いてしまう他の強度部材を取り付けたりする必要がない。したがって、関節駆動装置１０の全体として、一層の軽量化および小型化を図ることができる。
【００３０】
なお、本発明は、市販されている一般的な流体圧シリンダを用いることを排除するものではない。必要な推力を有する流体圧シリンダを関節駆動装置１０に適用することもできるが、アーム部材４０の剛性、強度を確保するために、他の構造体（リンク、ビーム、カバーなど）を必要とし、その結果、アーム部材４０の重量が重くなり、大きさも大きくなる虞がある。したがって、一層の軽量化および小型化を図るためには、本実施形態のように、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成することが好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を図６〜図８を参照しつつ説明する。なお、図６〜図８においては、第１のフレーム３１の位置を固定した場合において、第２のフレーム３２が変位する様子を示している。第２のフレーム３２の位置を固定して第１のフレーム３１を変位させることもできることは言うまでもない。
【００３２】
図６に示すように、初期位置においては、関節駆動装置１０は、圧力室７４に圧縮流体が供給されて重量をバランスし、第１と第２のフレーム３１、３２をほぼ同じ高さ位置に保持している。
【００３３】
図６に示す状態から圧力室７４に圧縮流体をさらに供給してアクチュエータ７０を作動させると、ピストン７２が、流体圧によってシリンダチューブ７１の軸線方向に沿って、第１のフレーム３１に向けて前進移動する。アクチュエータ７０の推力は、シリンダロッド７３、ガイド部材９０、およびリンク部材８０を介して伝達され、アーム部材４０を揺動させる。
【００３４】
図７に示すように、関節駆動装置１０は、アーム部材４０を揺動させた作動位置において、圧力室７４に圧縮流体が供給されて重量をバランスし、第２のフレーム３２を第１のフレーム３１よりも高い位置に保持している。
【００３５】
アクチュエータ７０を作動させるときには、ガイド部材９０のローラ９１は、アーム部材４０の上壁４１の内面に押付けられながら回転している。図８を参照して、本実施形態の関節駆動装置１０にあっては、リンク部材８０からの支持力ｆｓによってシリンダロッド７３に作用する横荷重ｗを、ガイド部材９０によって受け、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散する構造としてある。このため、シリンダロッド７３は、過大な曲げモーメントがかかることなく、進退移動する。したがって、アーム部材４０を円滑に揺動させることができ、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能となる。なお、図８において符号Ｆはシリンダ推力、ｆはガイド部材９０に作用するシリンダ推力Ｆの反作用の力を表している。
【００３６】
次に、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を参照して、関節駆動装置の大きさに関して考察する。
【００３７】
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のそれぞれにおいて、アクチュエータ７０、１３０におけるシリンダチューブ７１、１３１の大きさは同じ大きさで表している。また、シリンダチューブ７１、１３１が図中水平方向に位置する状態を平行リンクの初期位置とし、シリンダチューブ７１、１３１が傾斜した状態を平行リンクの作動位置とする。理解の容易のために、シリンダチューブ１３１のうち平行リンクが占める領域を超えて存在する部位にハッチングを付してある。
【００３８】
図９（Ｂ）を参照して、平行リンクの対角線上にアクチュエータ１３０を配置した場合には、シリンダチューブ１３１の一部は、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、平行リンクが占める領域を超えて存在する。
【００３９】
図９（Ｃ）を参照して、特許文献１に記載された技術と同様に、リンク部材１３２およびアクチュエータ１３０によってリンクを構成した場合には、リンク部材１３２の一部は、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、平行リンクが占める領域を超えて存在する。図示のとおり平行リンク自体が大きいため、関節駆動装置も大きい。
【００４０】
一方、図９（Ａ）を参照して、本実施形態の場合には、平行リンクの初期位置または作動位置のいずれの位置においても、シリンダチューブ７１やリンク部材８０の一部が、平行リンクが占める領域を超えて存在することがない。したがって、図９（Ａ）に示される本実施形態の関節駆動装置１０は、図９（Ｂ）（Ｃ）に示される対比例に比べて、小型化を図る上で有利な構成を有している。さらに、関節駆動装置１０の小型化を通して、軽量化を図ることもできる。
【００４１】
さらに、本実施形態にあっては、アーム部材４０とシリンダチューブ７１とを一体的に形成し、アーム部材４０の構造体としてシリンダチューブ７１を有効活用している。この点からも、関節駆動装置１０の全体として、一層の軽量化および小型化を図ることができる。
【００４２】
多関節アーム装置２０には、その使用者の側から、リーチつまり作業点までの到達距離を長くとれること、周辺設備と干渉することなく作業点に到達できること、使わないときに小さくできること、などが要求されている。アームを多関節化することによって、上記の項目を達成できる。ただし、そのためには、個々の関節駆動装置１０の小型化および軽量化を図る必要がある。個々の関節駆動装置１０が大型かつ重いと、多関節化したアームも、強度を高めるためにさらに大型になり、重くなってしまうからである。
【００４３】
本実施形態では、上述したように、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能であり、関節駆動装置１０の小型化および軽量化を図ることができる。したがって、関節駆動装置１０を１つのユニットとして複数個連結することによって構成される多関節アーム装置２０の円滑な作動を確保することも可能であり、多関節アーム装置２０の小型化および軽量化を図ることができる。よって、多関節アーム装置２０に要求されている、リーチを長くとれること、周辺設備と干渉することなく作業点に到達できること、使わないときに小さくできること、などを容易に満足することができる。
【００４４】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、適宜改変して実施することができる。例えば、複数個の関節駆動装置１０を連結して多関節アーム装置２０とした実施形態について説明したが、１個の関節駆動装置１０のみを用いても良い。この場合には、平行アーム部材６０および連結部材５０は必ずしても必要ではない。また、リンク部材８０は、直線形状を有する場合に限定されず、湾曲した部位を備える形状でも良い。シリンダチューブ７１内のピストン７２を流体圧によって移動し、ピストン７２に取り付けたシリンダロッド７３を移動させる形態を示したが、これとは逆の形態でも良い。つまり、シリンダチューブを可動側とし、ピストンを固定側とし、シリンダチューブに取り付けた作動ロッドを移動させる形態でも良い。さらに、駆動部Ｄは、作動ロッドとしてのシリンダロッド７３を流体圧によって移動させる場合に限定されない。駆動部Ｄは、例えば、電磁駆動プランジャーなどによって作動ロッドを直動する形態でも良い。この形態のケーシング内には、プランジャーや、電磁力を生成する電磁コイルなどを収納している。その他の改変例について以下に説明する。
【００４５】
（第１の改変例）
図１０は、ガイド部材９０を改変した第１の改変例に係る関節駆動装置１０の内部構造を示す断面図である。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００４６】
ガイド部材９０が転がり自在なローラ９１を含んでいる実施形態について説明したが（図５を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。ガイド部材９０は、シリンダロッド７３に作用する横荷重を受けることによって、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散し得る限りにおいて、適宜の構成を採用することができる。図１０に示す関節駆動装置１０は、ガイド部材９０が、スライド移動自在なスライダ９５を含んでいる。ガイド部材９０は、一般的なＬＭガイドから構成され、スライダ９５と、スライダ９５の直線移動をガイドする保持ブロック９６とを有している。保持ブロック９６は、アーム部材４０の上壁４１の内面に設けている。シリンダロッド７３は、スライダ９５に連結してある。
リンク部材８０における先端部は、スライダ９５に回動軸９７を介して回動自在に接続してある。アクチュエータ７０を作動すると、スライダ９５は、保持ブロック９６にガイドされて直線移動する。第１の改変例においても、実施形態と同様に、シリンダロッド７３に作用する横荷重を、ガイド部材９０によって受け、シリンダロッド７３にかかる負荷を分散している。このため、シリンダロッド７３は、曲げモーメントがかかることなく、進退移動する。したがって、アーム部材４０を円滑に揺動させることができ、関節駆動装置１０の円滑な作動を確保することが可能となる。
【００４７】
（第２の改変例）
図１１および図１２を参照して、関節駆動装置１０の第２の改変例を説明する。図１１には、関節駆動装置１０の第２の改変例を、初期位置において模式的に示し、図１２には、関節駆動装置１０の第２の改変例を、アーム部材４０を揺動させた作動位置において模式的に示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００４８】
第１と第２のフレーム３１、３２が相対的に変位する鉛直面において見た場合に、回動軸４４と回動軸６１とを同じ鉛直軸上に位置するように第１のフレーム３１に配置し、回動軸４５と回動軸６２とを同じ鉛直軸上に位置するように第２のフレーム３２に配置した実施形態について説明したが（図６および図７を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。図１１および図１２に示すように、第１と第２のフレーム３１、３２が相対的に変位する鉛直面において見た場合に、回動軸４４と回動軸６１とを異なる鉛直軸上に位置するように第１のフレーム３１に配置し、回動軸４５と回動軸６２とを異なる鉛直軸上に位置するように第２のフレーム３２に配置してもよい。このような配置形態は、第１のフレーム３１の限られた大きさの範囲内で、回動軸４４と回動軸６１とを可能な限り離間させて配置し、回動軸４４と回動軸６１との間の距離を可能な限り大きくした配置形態である。同様に、第２のフレーム３２の限られた大きさの範囲内で、回動軸４５と回動軸６２とを可能な限り離間させて配置し、回動軸４５と回動軸６２との間の距離を可能な限り大きくした配置形態である。実施形態では、初期位置から作動位置までアーム部材４０を揺動させると、アーム部材４０の上壁４１と平行アーム部材６０との間隔は比較的狭くなる（図６および図７を参照）。これに対して、第２の改変例における回動軸４４と回動軸６１との位置関係、および回動軸４５と回動軸６２との位置関係では、初期位置から作動位置までアーム部材４０を揺動させても、アーム部材４０の上壁４１と平行アーム部材６０との間隔は比較的広く、空間部４８を確保することができる。この空間部４８は、圧縮流体を圧力室７４に供給する配管７５や、電気的な配線などを収納する空間として用いることができる。配管７５や電気的な配線などが外部に露出しないので、配管７５などの破損を低減することができる。
【００４９】
（第３の改変例）
図１３および図１４を参照して、関節駆動装置１０の第３の改変例を説明する。図１３には、関節駆動装置１０の第３の改変例を、初期位置において模式的に示し、図１４には、関節駆動装置１０の第３の改変例を、アーム部材４０を揺動させた作動位置において模式的に示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００５０】
リンク部材８０の基端部および平行アーム部材６０の基端部を同じ回動軸６１を中心にして第１のフレーム３１に回動自在に接続した実施形態について説明したが（図６および図７を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。図１３および図１４に示すように、リンク部材８０の基端部を回動自在に接続する回動軸８１と、平行アーム部材６０の基端部を回動自在に接続する回動軸６１とが異なってもよい。第２の改変例において説明したように、回動軸４４と回動軸６１との位置関係は、空間部４８を確保する観点から定まっている。一方、回動軸４４と回動軸８１との位置関係は、空間部４８を確保する観点からではなく、可搬重量を増加させる観点から定め得るからである。
【００５１】
アーム部材４０の基端部を第１のフレーム３１に回動自在に接続する回動軸４４（第１の回動軸に相当する）に対する、リンク部材８０の基端部を第１のフレーム３１に回動自在に接続する回動軸８１（第２の回動軸に相当する）の相対的な位置は、回動軸４４と回動軸８１との間の距離が第１のフレーム３１の大きさの範囲内で許容される最大長さとなる位置に、設定するのが好ましい。回動軸４４と回動軸８１との位置関係のみで、関節駆動装置１０における可搬重量を増加させることが可能となるからである。
【００５２】
回動軸４４と回動軸８１との位置関係が可搬重量に与える影響を、理論計算結果に基づいて説明する。
【００５３】
図１５（Ａ）を参照して、理論計算に用いる各種パラメータは次のとおりである。
【００５４】
ａ ：回動軸４４と回動軸８１との軸間水平距離
ｂ ：回動軸４４と回動軸８１との軸間垂直距離
θ ：関節駆動装置の関節角度（平行アーム部材６０の水平位置からの傾斜角度）
φ ：リンク部材８０の延長線とアクチュエータ７０のシリンダロッド７３とがなす角度
ψ ：リンク部材８０の水平位置からの傾斜角度
Ｌ ：アーム部材４０を回動自在に接続するための、回動軸４４と回動軸４５との間の距離
Ｌａ：回動軸４４と関節駆動装置全体の重心との間の距離
Ｌ１：リンク部材８０の長さ
ｓ ：回動軸４４と回動軸４５とを結んだ直線と、アクチュエータ７０のシリンダロッド７３との間の距離
Ｗ ：関節駆動装置の先端に掛かる荷重
Ｗａ：関節駆動装置の自重
なお、アクチュエータ７０の直径は、空圧シリンダの場合のボア径を想定した。
【００５５】
アクチュエータ７０の駆動部Ｄの出力Ｆ（以下、単に、「アクチュエータ出力Ｆ」という）は、下記の式（１）から求まる。
【００５６】
【数１】
【００５７】
図１５（Ｂ）（Ｃ）を参照して、関節駆動装置が関節角度θ駆動したときのφは、次のように導出される。回動軸４４と回動軸８１とを結ぶ線分と、シリンダロッド７３の延長線とが交わる交点を点Ａとする。点Ａ、回動軸８１、および回動軸９２によって形成される三角形において、正弦定理から下記の式（２）の関係がある。式（２）より、角度φが式（３）のように導き出される。
【００５８】
【数２】
【００５９】
また、式（３）の角度αは、下記の式（４）から求められる。また、角度θ、角度φ、および角度ψは、下記の式（５）の関係がある。
【００６０】
【数３】
【００６１】
式（１）から、軸間水平距離ａおよび軸間垂直距離ｂが可能な限り大きくなるように回動軸４４と回動軸８１との位置関係を定めることによって、すなわち、回動軸４４と回動軸８１との間の距離が第１のフレーム３１の大きさの範囲内で許容される最大長さとなるように回動軸４４と回動軸８１との位置関係を定めることによって、アクチュエータ出力Ｆを小さくでき、大きな荷重Ｗに対してもバランスをとることができる。つまり、同じ能力のアクチュエータ７０を用いても、回動軸４４と回動軸８１との位置関係のみで、関節駆動装置１０における可搬重量を増加させることが可能となる
リンク部材８０をその長さＬ１が長い構造とすることによっても、また距離ｓを長い構造とすることによっても、同様に、関節駆動装置における可搬重量を増加させることが可能となる。
【００６２】
理論計算によって求めた、関節角度θとアクチュエータ出力Ｆとの関係を図１６に示す。図中のΔＦは、第１のフレーム３１に対してアーム部材４０を揺動させる範囲内において、揺動させたアーム部材４０の姿勢をバランスするために必要なアクチュエータ７０の駆動部Ｄの出力の最大値と最小値との差である出力幅を示している。以下、単に、「アクチュエータ出力幅ΔＦ」という。
【００６３】
アクチュエータ出力幅ΔＦは、回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置（軸間水平距離ａ、軸間垂直距離ｂ）や、リンク部材８０の長さＬ１やアクチュエータ７０の相対的な位置（距離ｓ）などの条件を変更することによって変更することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくなる条件（回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置や、リンク部材８０の長さＬ１やアクチュエータ７０の相対的な位置（距離ｓ）など）を計算によって導出することができる。同様に、アクチュエータ出力幅ΔＦが大きくなる条件を計算によって導出することもできる。
【００６４】
回動軸４４に対する回動軸８１の相対的な位置は、アクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせにおいて設定することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦを小さくする組み合わせにおいて回動軸４４に対する回動軸８１の位置を設定すると、アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくてよいことから、アクチュエータや空圧機器１１０に接続するコンプレッサ１１１は能力的に小型のものでもよく、コントローラ１２０による空圧機器１１０のオンオフ制御や流体圧の調整も容易になる。これらを通して、関節駆動装置の制御系を簡素化することが可能となる。また、関節駆動装置のコストの低減を図ることができる。一方、アクチュエータ出力幅ΔＦを大きくする組み合わせにおいて回動軸４４に対する回動軸８１の位置を設定すると、関節角度θの単位角度当たりの出力幅ΔＦを大きくできることから、関節駆動装置の関節角度などを調整する位置決め時における制御分解能を高めることができる。
【００６５】
図１７は、軸間水平距離ａを変化させたときのアクチュエータ出力幅ΔＦの変化を示している。
【００６６】
軸間水平距離ａ＝０ｍｍのときと、回動軸８１の軸位置を水平方向に２０ｍｍ移動させたとき（ａ＝２０ｍｍ）とのそれぞれについて、アクチュエータ出力Ｆを式（１）から求めた。回動軸８１の軸位置を水平方向に例えば２０ｍｍ移動させることによって（ａ＝２０ｍｍ）、関節駆動装置のバランス性能として、アクチュエータ出力幅ΔＦが約半分になる。また、荷重Ｗに対してバランスするためのアクチュエータ出力Ｆを小さくでき、関節駆動装置における可搬重量を増加させることができる。
【００６７】
次に、図１８および図１９を参照して、回動軸４４と回動軸８１との軸間水平距離ａ、回動軸４４と回動軸８１との軸間垂直距離ｂ、つまり回動軸４４、８１の位置パラメータ（ａ、ｂ）を変更した場合における、アクチュエータの出力幅ΔＦのマッピングについて説明する。
【００６８】
回動軸４４および回動軸８１を配置する位置は、第１のフレーム３１の寸法によって制限を受ける。したがって、位置パラメータ（ａ、ｂ）の範囲は、関節駆動装置の仕様（寸法）によって決まる。
【００６９】
決定された範囲内における位置パラメータ（ａ、ｂ）の組み合わせについて、アクチュエータ出力Ｆを式（１）から求める。併せて、アクチュエータ出力幅ΔＦを求める。関節駆動装置の先端に掛かる荷重Ｗ、関節駆動装置の自重Ｗａ、リンク部材８０の長さＬ１などの寸法は、関節駆動装置の仕様にしたがう。
【００７０】
そして、位置パラメータ（ａ、ｂ）の組み合わせに対して、アクチュエータ出力幅ΔＦをマッピングする。
【００７１】
図１９には、位置パラメータ（ａ、ｂ）とアクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせ分布図を示している。アクチュエータ出力幅ΔＦが小さくなる回動軸８１の相対的な位置を決定する場合には、分布図を参照することによって、設計可能な寸法値の範囲から、位置パラメータ（ａ、ｂ）を導出することができる。アクチュエータの出力幅ΔＦが大きくなる回動軸８１の相対的な位置を決定する場合にも同様に、分布図を参照することによって、設計可能な寸法値の範囲から、位置パラメータ（ａ、ｂ）を導出することができる。
【００７２】
なお、リンク部材８０の長さＬ１および距離ｓについても、同様に、アクチュエータ出力幅ΔＦの大きさとの組み合わせにおいて設定することができる。アクチュエータ出力幅ΔＦを小さくする組み合わせにおいてリンク部材８０の長さＬ１と距離ｓを設定すると、関節駆動装置の制御系を簡素化することが可能となり、関節駆動装置のコストの低減を図ることができる。一方、アクチュエータ出力幅ΔＦを大きくする組み合わせにおいてリンク部材８０の長さＬ１および距離ｓを設定すると、関節駆動装置の関節角度などを調整する位置決め時における制御分解能を高めることができる。
【００７３】
また、回動軸８１を回動軸４４に対して回動軸６１よりも近い位置に配置した例を示したが（図１３および図１４を参照）、空間部４８を確保でき、第１と第２のフレーム３１、３２の大きさに余裕がある場合には、回動軸８１を回動軸４４に対して回動軸６１からさらに離した位置に配置してもよい。
【００７４】
（第４の改変例）
図２０を参照して、第４の改変例に係る多関節アーム装置２０を説明する。図２０には、第４の改変例に係る多関節アーム装置２０を拡げた状態で示している。なお、実施形態と共通する部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。
【００７５】
関節駆動装置１０における第１のフレーム３１の下端部にベアリング５２を配置し、第２のフレーム３２の上端部にハウジング５４を配置した実施形態について説明したが（図２を参照）、本発明はこの場合に限定されるものではない。関節駆動装置１０における第１のフレーム３１の上端部にもベアリング５２をさらに配置し、第２のフレーム３２の下端部にもハウジング５４をさらに配置してもよい。多関節アーム装置２０における関節駆動装置１０同士の連結形態を多様化でき、助力装置１００の設置場所との関係、周辺設備との干渉を回避する関係、作業点の位置との関係などにおいて、最適な連結形態を選択する際の自由度を高めることができる。図示例では、第２の関節駆動装置１０が、第１と第３の駆動装置の下側に連結されている。さらに詳しくは、第１の関節駆動装置１０の第２のフレーム３２の下側に、第２の関節駆動装置１０の第１のフレーム３１の上側を接続し、第３の関節駆動装置１０の第１のフレーム３１の下側に、第２の関節駆動装置１０の第２のフレーム３２の上側を接続している。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 関節駆動装置、
２０ 多関節アーム装置、
２１ ハンド、
３１ 第１のフレーム、
３２ 第２のフレーム、
４０ アーム部材、
４１ 上壁、
４２ 側壁、
４３ 底壁、
４４ 回動軸（第１の回動軸）、
４５ 回動軸、
５０ 回転ジョイント（連結部材）、
５２ ベアリング、
５３ フランジ、
５４ ハウジング、
６０ 平行アーム部材、
６１ 回動軸、
６２ 回動軸、
７０ アクチュエータ、
７１ シリンダチューブ（ケーシング）、
７２ ピストン、
７３ シリンダロッド（作動ロッド）、
７４ 圧力室、
８０ リンク部材、
８１ 回動軸（第２の回動軸）、
９０ ガイド部材、
９１ ローラ、
９５ スライダ、
９６ 保持ブロック、
１００ アーム型の助力装置、
１０１ 車体、
１０２ 搬送装置、
１０３ ワーク、
１１０ 空圧機器、
１１１ コンプレッサ、
１２０ コントローラ、
Ｄ 駆動部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対をなす第１と第２のフレームと、
基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続されたアーム部材と、
前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させることによって前記第２のフレームを移動させるアクチュエータと、を含み、
前記アクチュエータが、
前記アーム部材に取り付けられるケーシングを備える駆動部と、
前記駆動部によって前記ケーシングの軸線方向に沿って移動する作動ロッドと、
基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、前記作動ロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材と、
前記作動ロッドに連結されるとともに前記リンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材と、を有してなる関節駆動装置。
【請求項２】
前記アーム部材と前記駆動部の前記ケーシングとが一体的に形成され、前記アーム部材の強度を高めるための構造体として前記ケーシングを利用してなる請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記ガイド部材は、転がり自在なローラ、またはスライド移動自在なスライダを含んでいる請求項１または請求項２に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記アーム部材に対して間隔を隔てて平行に伸び、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続された平行アーム部材をさらに有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項５】
前記アーム部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第１の回動軸に対する、前記リンク部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第２の回動軸の相対的な位置は、前記第１の回動軸と前記第２の回動軸との間の距離が前記第１のフレームの大きさの範囲内で許容される最大長さとなる位置に、設定されている請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記アーム部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第１の回動軸に対する、前記リンク部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第２の回動軸の相対的な位置は、前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させる範囲内において、揺動させた前記アーム部材の姿勢をバランスするために必要な前記アクチュエータの前記駆動部の出力の最大値と最小値との差である出力幅の大きさとの組み合わせにおいて設定されている請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の関節駆動装置における前記第１のフレームと、請求項１〜６のいずれか１つに記載の関節駆動装置における前記第２のフレームとを回転自在に連結するための連結部材を有し、前記関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成される多関節アーム装置。
【請求項１】
対をなす第１と第２のフレームと、
基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続されたアーム部材と、
前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させることによって前記第２のフレームを移動させるアクチュエータと、を含み、
前記アクチュエータが、
前記アーム部材に取り付けられるケーシングを備える駆動部と、
前記駆動部によって前記ケーシングの軸線方向に沿って移動する作動ロッドと、
基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、前記作動ロッドに対して傾斜して伸びるリンク部材と、
前記作動ロッドに連結されるとともに前記リンク部材の先端部が回動自在に接続されたガイド部材と、を有してなる関節駆動装置。
【請求項２】
前記アーム部材と前記駆動部の前記ケーシングとが一体的に形成され、前記アーム部材の強度を高めるための構造体として前記ケーシングを利用してなる請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記ガイド部材は、転がり自在なローラ、またはスライド移動自在なスライダを含んでいる請求項１または請求項２に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記アーム部材に対して間隔を隔てて平行に伸び、基端部が前記第１のフレームに回動自在に接続され、先端部が前記第２のフレームに回動自在に接続された平行アーム部材をさらに有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項５】
前記アーム部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第１の回動軸に対する、前記リンク部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第２の回動軸の相対的な位置は、前記第１の回動軸と前記第２の回動軸との間の距離が前記第１のフレームの大きさの範囲内で許容される最大長さとなる位置に、設定されている請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記アーム部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第１の回動軸に対する、前記リンク部材の前記基端部を前記第１のフレームに回動自在に接続する第２の回動軸の相対的な位置は、前記第１のフレームに対して前記アーム部材を揺動させる範囲内において、揺動させた前記アーム部材の姿勢をバランスするために必要な前記アクチュエータの前記駆動部の出力の最大値と最小値との差である出力幅の大きさとの組み合わせにおいて設定されている請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の関節駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の関節駆動装置における前記第１のフレームと、請求項１〜６のいずれか１つに記載の関節駆動装置における前記第２のフレームとを回転自在に連結するための連結部材を有し、前記関節駆動装置を１つのユニットとして複数個連結することによって構成される多関節アーム装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−７６０８９（Ｐ２０１０−７６０８９Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７０４７７（Ｐ２００９−１７０４７７）
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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