関節駆動装置及び多軸マニピュレータ
【課題】関節駆動装置の数を関節の数と等しくすることができ、駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を各関節部で解消することができるとともに、駆動力伝達用の線状部材の交換を短時間で容易に行うことができ、利便性を高めることができるようにする。
【解決手段】所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有する。
【解決手段】所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動装置及び多軸マニピュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、多関節マニピュレータ、すなわち、多軸マニピュレータは、産業、医療福祉、娯楽等の広い分野で利用される機械であって、多彩な姿勢と広い可動範囲とを実現するために複数の関節を有する。しかし、各関節を駆動するための駆動装置を各関節の近傍に配設すると、駆動装置の重量を各関節の近傍で支えなければならず、マニピュレータの先端での可搬重量が著しく減少するという問題がある。
【０００３】
そこで、重い駆動装置をマニピュレータの土台部分に配設し、軽量で高剛性なワイヤを介して各関節を駆動する多軸マニピュレータが提案されている。これにより、マニピュレータの先端の運動性能を向上させることができるとともに、駆動装置を小型化することができる。
【０００４】
しかし、ワイヤの経路をマニピュレータの内部に設定すると、マニピュレータの姿勢変化に応じてワイヤの経路長が変化するといった問題がある。これにより、ある関節の動作が他の関節の動作に干渉してしまう。
【０００５】
そこで、マニピュレータの先端に取り付けられたエンドエフェクタを駆動するワイヤをマニピュレータの土台部分まで沿わせ、マニピュレータの駆動中は干渉を回避するためにクラッチ機構を備え、さらに、エンドエフェクタの駆動装置が経路長の変化量や延び量を制御する技術が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、ワイヤ駆動による関節間の干渉の効率化を実現するための経路を設定し、各ワイヤの張力を制御することによって、それぞれの駆動装置単体で複数の関節を駆動するため駆動負荷の偏在を解消し、均一化する技術が提供されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１７９６７６号公報
【特許文献２】特開平４−３００１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の多軸マニピュレータにおいては、経路長が変化するワイヤの長さを調節するために、関節の屈曲及び伸展のそれぞれに駆動装置が必要となり、関節数以上の駆動装置が必要となってしまう。
【０００９】
また、ワイヤの経路が複雑かつ長距離であるので、破断又は寿命によってワイヤを交換する際に、多大な労力が必要となる。そのため、駆動装置の維持管理に多大の時間及び費用がかかってしまう。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、関節駆動装置の数を関節の数と等しくすることができ、駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を各関節部で解消することができるとともに、駆動力伝達用の線状部材の交換を短時間で容易に行うことができる利便性の高い関節駆動装置及び多軸マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのために、本発明の関節駆動装置においては、隣接するリンク部材同士を接続する関節部を駆動する関節駆動装置であって、所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有する。
【００１２】
本発明の他の関節駆動装置においては、さらに、前記経路長補償ユニットは差動機構を備える。
【００１３】
本発明の更に他の関節駆動装置においては、さらに、前記差動機構は遊星歯車機構である。
【００１４】
本発明の更に他の関節駆動装置においては、さらに、前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩（ねじ）れを吸収する。
【００１５】
本発明の多軸マニピュレータにおいては、複数のリンク部材と、隣接するリンク部材同士を接続する関節部とを有する多軸マニピュレータであって、各関節部は、所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを備え、前記リンク部材のうちのマニピュレータ支持部材に固定されたリンク部材には、それぞれが各関節部を個別に駆動するための駆動源が配設されている。
【００１６】
本発明の他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、各関節部を駆動するための駆動力伝達経路は、各リンク部材に対応して配設された駆動用の線状部材を含み、相互に独立している。
【００１７】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記経路長補償ユニットは差動機構を備える。
【００１８】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記差動機構は遊星歯車機構である。
【００１９】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、関節駆動装置においては、その数を関節の数と等しくすることができ、駆動用の線状部材の経路長の変化を各関節部で解消することができるとともに、駆動用の線状部材の交換を短時間で容易に行うことができ、利便性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における多軸マニピュレータの模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における関節部の動作を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータの構造を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータのワイヤの経路を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態における多軸マニピュレータの模式図である。
【００２４】
図において、１０は本実施の形態における多関節マニピュレータ、すなわち、多軸マニピュレータであって、例えば、溶接ロボット、組立搬送ロボット、ヒューマノイド型ロボット等の指、腕、脚等として、産業、医療福祉、娯楽等の広い分野で利用されるものであり、いかなる種類の装置においても使用することができるものである。なお、ここでは、説明の都合上、前記多軸マニピュレータ１０が物品を把持して搬送する組立搬送ロボットの一部として使用される場合について説明する。
【００２５】
本実施の形態において、多軸マニピュレータ１０は、マニピュレータ基部である第１リンク部材としての台座１１、第２リンク部材としての上腕部１２、第３リンク部材としての前腕部１３、及び、第４リンク部材としてのエンドエフェクタ１４を有する。前記台座１１は、多軸マニピュレータ１０を支持する土台、装置本体等のマニピュレータ支持部材に固定された部材であり、図において左方に向けて突出する台座凸部１１ａを備える。
【００２６】
そして、前記上腕部１２は、その基部が前記台座凸部１１ａの先端部に第１関節部２１を介して回転可能に接続されている。また、前記前腕部１３は、その基部が前記上腕部１２の先端部に第２関節部２２を介して回転可能に接続されている。さらに、前記エンドエフェクタ１４は、その基部が前記前腕部１３の先端部に第３関節部２３を介して回転可能に接続されている。
【００２７】
また、前記エンドエフェクタ１４は、その先端部から図において左方に向けて突出する一対の把持部材１４ａを備える。該一対の把持部材１４ａは、エンドエフェクタ１４が備える第４関節部としての把持用駆動部２４によって、相互の間隔を変更するように変位させられ、これにより、図示されない物品の把持及び把持解除を行う。なお、前記第１〜第３関節部２１〜２３及び把持用駆動部２４を統合的に説明する場合には、関節部として説明する。また、各関節部は、関節駆動装置によって駆動される。
【００２８】
そして、前記台座１１と第１関節部２１とは、各関節部の駆動用の線状部材、すなわち、駆動力伝達用の線状部材としての第１ワイヤ３１１、第２ワイヤ３１２、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４によって接続されている。また、前記第１関節部２１と第２関節部２２とは、駆動力伝達用の線状部材としての第２−２ワイヤ３２２、第２−３ワイヤ３２３及び第２−４ワイヤ３２４によって接続されている。さらに、前記第２関節部２２と第３関節部２３とは、駆動力伝達用の線状部材としての第３−３ワイヤ３３３及び第３−４ワイヤ３３４によって接続されている。さらに、前記第３関節部２３と把持用駆動部２４とは、駆動力伝達用の線状部材としての第４−４ワイヤ３４４によって接続されている。
【００２９】
次に、前記多軸マニピュレータ１０の関節部を駆動する関節駆動装置の構成について詳細に説明する。ここでは、第１関節部２１を例に説明する。
【００３０】
図２は本発明の第１の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【００３１】
図において、２１ａは、第１関節部２１の関節軸としての第１関節軸であり、次のリンク部材としての上腕部１２は、第１関節軸２１ａを中心にして、所定のリンク部材としての台座凸部１１ａに対して回転する。なお、第１関節部２１は、前記第１関節軸２１ａと平行な回転軸２１ｂも備える。
【００３２】
そして、４１は、第１関節部２１が備える駆動力伝達用の線状部材の経路長補償ユニットとしての第１経路長補償ユニットであり、前記第１関節軸２１ａと同軸上に配設され、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とが接続されている。つまり、前記第１経路長補償ユニット４１は、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットである。
【００３３】
なお、第１関節部２１は、前記第１経路長補償ユニット４１に加えて、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットを備えるものであるが、第１経路長補償ユニット４１以外の経路長補償ユニットについては、図示が省略されている。また、他の経路長補償ユニットについては、第１経路長補償ユニット４１と同様の構成を有するので、その説明も省略することとする。なお、他の経路長補償ユニットも、第１経路長補償ユニット４１と同様に、第１関節軸２１ａと同軸上に配設されている。つまり、第１関節部２１は、第１関節軸２１ａと同軸上に並列に配設された３つの経路長補償ユニットを備える。
【００３４】
また、台座１１には、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５が配設されている。そして、該第１駆動モータ１５の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第１駆動モータプーリ５１の外周には第１ワイヤ３１１の一端側の部分が巻き付けられて接続され、第１関節軸２１ａに取り付けられた第１関節部側伝達部としての第１関節被駆動プーリ５２の外周には第１ワイヤ３１１の他端側の部分が巻き付けられて接続されている。なお、第１関節被駆動プーリ５２は上腕部１２と一体的に回転する。これにより、第１駆動モータ１５の駆動力が上腕部１２に伝達され、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させることができる。
【００３５】
そして、第１関節軸２１ａには、台座凸部１１ａと一体的に回転する台座側伝達部としての台座側プーリ５３が回転可能に配設されている。また、回転軸２１ｂには回転軸側伝達部としての回転軸第１プーリ５４が固定されている。そして、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは、ワイヤ、タイミングベルト（コッグドベルト）、チェーン等の駆動力伝達用の線状部材によって、駆動力伝達可能に連結されている。
【００３６】
また、第１経路長補償ユニット４１は、回転軸２１ｂに固定され、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する回転軸側伝達部としての回転軸第２プーリ５５を備える。さらに、第１経路長補償ユニット４１は、差動機構として機能する遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を備える。
【００３７】
遊星機構第１伝達部５６は、遊星キャリアとして機能するとともに、プーリとしても機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設されている。そして、遊星機構第１伝達部５６と回転軸第２プーリ５５とは、ワイヤ、タイミングベルト、チェーン等の駆動力伝達用の線状部材によって、駆動力伝達可能に連結されている。
【００３８】
また、遊星機構第２伝達部５７は、遊星歯車として機能する部材であり、複数個が、遊星機構第１伝達部５６に回転可能に取り付けられている。さらに、遊星機構第３伝達部５８は、太陽歯車として機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と噛（か）み合っている。さらに、遊星機構第４伝達部５９は、内歯車として機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と噛み合っている。
【００３９】
そして、６１は、第２ワイヤ３１２からの駆動力を第２−２ワイヤ３２２へ伝達する第２駆動力伝達部としての第２駆動力用第１プーリであって、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と一体的に回転する。また、第２駆動力用第１プーリ６１の外周には第２ワイヤ３１２が巻き付けられて接続されている。なお、第２ワイヤ３１２は、図示されない第２駆動モータの回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第２駆動モータプーリの外周に、巻き付けられて接続されている。これにより、第２駆動力用第１プーリ６１は、第２ワイヤ３１２によって、第２駆動モータプーリと駆動力伝達可能に連結される。前記第２駆動モータは、上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための第２駆動源であり、台座１１に配設されている。
【００４０】
また、６２は、第２ワイヤ３１２からの駆動力を第２−２ワイヤ３２２へ伝達する第２駆動力伝達部としての第２駆動力用第２プーリであって、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する。また、第２駆動力用第２プーリ６２の外周には第２−２ワイヤ３２２が巻き付けられて接続されている。これにより、第２ワイヤ３１２によって伝達された第２駆動源の駆動力は、遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を介して、第２−２ワイヤ３２２へ伝達される。なお、第２−２ワイヤ３２２は、第２関節部２２のプーリの外周に巻き付けられて接続されている。これにより、第２駆動力用第２プーリ６２は、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリと駆動力伝達可能に連結される。
【００４１】
なお、他の経路長補償ユニットも、前述のように第１経路長補償ユニット４１と同様の構成を備えるので、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４によって伝達された第３駆動源及び第４駆動源の駆動力も、それぞれ同様に、他の経路長補償ユニットの遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を介して、第２−３ワイヤ３２３及び第２−４ワイヤ３２４へ伝達される。
【００４２】
次に、前記構成の多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。ここでは、第１関節部２１での第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２の動作を例に説明する。
【００４３】
図３は本発明の第１の実施の形態における関節部の動作を示す図である。なお、図において、（ａ）は関節部が伸展している状態、（ｂ）は関節部が屈曲している状態を示す図である。
【００４４】
上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための駆動力は、第２駆動モータによって発生し、第２駆動モータプーリから第２ワイヤ３１２を介して、第２駆動力用第１プーリ６１へ伝達される。そして、該第２駆動力用第１プーリ６１が回転すると、該第２駆動力用第１プーリ６１と一体的に遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８が回転し、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７を逆方向に回転させる。すると、内歯車である遊星機構第４伝達部５９が回転し、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２が前記第２駆動力用第１プーリ６１と逆方向に回転する。そして、第２駆動力用第２プーリ６２の駆動力が、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリに伝達される。
【００４５】
一方、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための駆動力は、第１駆動モータ１５によって発生し、第１駆動モータプーリ５１から第１ワイヤ３１１を介して、第１関節被駆動プーリ５２へ伝達される。そして、該第１関節被駆動プーリ５２が回転すると、上腕部１２も一体的に、第１関節軸２１ａを中心として回転する。ここでは、上腕部１２が、図３（ａ）において、矢印Ｒ０で示される方向に回転するものとする。これにより、第１関節部２１は屈曲して、図３（ｂ）に示されるような状態になる。なお、第２関節部２２を駆動するための第２駆動モータは停止しているものとする。
【００４６】
上腕部１２が回転すると、第１関節軸２１ａ上で、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間に角度変化が生じる。これにより、回転軸２１ｂに固定された回転軸第１プーリ５４は、第１関節軸２１ａ上の台座側プーリ５３の周囲を弧を描くように変位する。ここで、台座側プーリ５３は台座凸部１１ａと一体的であり、かつ、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、回転軸第１プーリ５４は、図３（ｂ）において、矢印Ｒ１で示される方向に回転する。
【００４７】
すると、回転軸第２プーリ５５は、回転軸２１ｂに固定されているので、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する。そして、該回転軸第１プーリ５４と遊星機構第１伝達部５６とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、遊星機構第１伝達部５６は、図３（ｂ）において、矢印Ｒ３で示される方向に回転する。遊星歯車機構の遊星キャリアである遊星機構第１伝達部５６が回転すると、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７は、第１関節軸２１ａの周囲を矢印Ｒ３で示される方向に公転する。
【００４８】
この場合、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８は、第２駆動力用第１プーリ６１と一体的であり、かつ、該第２駆動力用第１プーリ６１が第２ワイヤ３１２を介して第２駆動モータプーリに連結されて拘束されているので、回転しない。そのため、遊星機構第２伝達部５７の矢印Ｒ３で示される方向への公転と、上腕部１２の矢印Ｒ０で示される方向への回転との差分として、図３（ｂ）において、矢印Ｒ２で示される方向の回転が内歯車である遊星機構第４伝達部５９に生じる。すると、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２にも、矢印Ｒ２で示される方向の回転が生じる。
【００４９】
このように、本実施の形態においては、第２関節部２２を駆動するための第２駆動モータの駆動力は、第２ワイヤ３１２から、遊星歯車機構を備える第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２に伝達される。
【００５０】
ここで、第２駆動力用第１プーリ６１のピッチ円半径、すなわち、回転半径をＺ６１とし、第２駆動力用第２プーリ６２の回転半径をＺ６２とし、遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径をＺ５８とし、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径をＺ５９とすると、第２ワイヤ３１２から第１関節部２１に入力される引張量Ｉｉｎ２と、第１関節部２１から第２−２ワイヤ３２２に出力される引張量Ｉｏｕｔ２との関係は、次の式（１）で表される。
【００５１】
Ｉｏｕｔ２＝−Ｉｉｎ２＊Ｚ６２＊Ｚ５８／（Ｚ６１＊Ｚ５９） ・・・式（１）
そして、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で解消するためには、第２駆動モータが駆動することによって第２ワイヤ３１２が引っ張られる量と、第２ワイヤ３１２が引っ張られることによって、第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２が引っ張られる量とを等しくする必要がある。つまり、Ｉｏｕｔ２＝−Ｉｉｎ２という関係を満足する必要がある。そのためには、前記式（１）から、各伝達部の回転半径が次の式（２）を満足する必要がある。
【００５２】
Ｚ６２＊Ｚ５８／（Ｚ６１＊Ｚ５９）＝１ ・・・式（２）
例えば、第２駆動力用第１プーリ６１の回転半径Ｚ６１と第２駆動力用第２プーリ６２の回転半径Ｚ６２との比をＺ６１：Ｚ６２＝１：２とし、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径Ｚ５８と、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径Ｚ５９との比をＺ５８：Ｚ５９＝１：２とする必要がある。
【００５３】
また、第１関節部２１が屈曲して、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間の角度がＱ１になる場合、台座凸部１１ａの長軸に対する遊星機構第４伝達部５９の角度変化をＱ５９とし、台座側プーリ５３のピッチ円半径、すなわち、回転半径をＺ５３とし、回転軸第１プーリ５４の回転半径をＺ５４とし、回転軸第２プーリ５５の回転半径をＺ５５とし、遊星機構第１伝達部５６の回転半径をＺ５６とすると、台座凸部１１ａの長軸に対する上腕部１２の長軸の角度変化Ｑ１と台座凸部１１ａの長軸に対する遊星機構第４伝達部５９の角度変化Ｑ５９との関係は、次の式（３）で表される。
【００５４】
Ｑ５９
＝Ｑ１＊（１−Ｚ５３＊Ｚ５５／（Ｚ５４＊Ｚ５６））＊（Ｚ５８＋Ｚ５９）／Ｚ５９
・・・式（３）
そして、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で解消するためには、外周に第２−２ワイヤ３２２が巻き付けられて接続されている第２駆動力用第２プーリ６２の角度変化と、台座凸部１１ａの長軸に対する上腕部１２の長軸の角度変化Ｑ１とを等しくする必要がある。すなわち、第２駆動力用第２プーリ６２と一体的に回転する遊星機構第４伝達部５９の台座凸部１１ａの長軸に対する角度変化Ｑ５９と、上腕部１２の長軸の台座凸部１１ａの長軸に対する角度変化Ｑ１とを等しくする必要がある。そのためには、前記式（３）から、各伝達部の回転半径が次の式（４）を満足する必要がある。
【００５５】
（１−Ｚ５３＊Ｚ５５／（Ｚ５４＊Ｚ５６））＊（Ｚ５８＋Ｚ５９）／Ｚ５９＝１
・・・式（４）
例えば、台座側プーリ５３の回転半径Ｚ５３と遊星機構第１伝達部５６の回転半径Ｚ５６との比をＺ５３：Ｚ５６＝１：３とし、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径Ｚ５８と、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径Ｚ５９との比をＺ５８：Ｚ５９＝１：２とし、回転軸第１プーリ５４の回転半径Ｚ５４と回転軸第２プーリ５５の回転半径Ｚ５５との比をＺ５４：Ｚ５５＝１：１とする必要がある。
【００５６】
このように、本実施の形態においては、前記式（２）及び（４）をともに満足するように各伝達部の回転半径を設定することによって、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で吸収して解消することができる。すなわち、第１関節部２１が屈曲して、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間の角度が変化しても、第２駆動モータが駆動することによって第２ワイヤ３１２が引っ張られる量と、第２ワイヤ３１２が引っ張られることによって、第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２が引っ張られる量とが等しくなる。
【００５７】
同様にして、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で吸収して解消することができる。さらに、同様にして、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第２関節部２２で吸収して解消することができる。さらに、同様にして、把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第３関節部２３で吸収して解消することができる。
【００５８】
「背景技術」の項で説明したような従来の多軸マニピュレータにおいては、関節の角度変化によって、関節を経由して拮（きっ）抗するワイヤの経路長が変化し、一方のワイヤが弛（ゆる）み、他方のワイヤが突っ張るようになる。そして、このようなワイヤの弛みや突っ張りを防止するために、各ワイヤの終端を巻き取る機構が必要となる。
【００５９】
これに対して、本実施の形態においては、関節部における各伝達部の回転半径を適切に設定することによって駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を吸収して解消することができる。したがって、各線状部材の終端を巻き取る機構が不要である。その結果、線状部材の経路長の変化を考慮する必要がなく、関節数以上の余分な駆動装置を配設する必要もない。
【００６０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６１】
図４は本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータの構造を示す模式図、図５は本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータのワイヤの経路を示す図である。
【００６２】
図４に示されるように、第１関節部２１には、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長を補償するための第１経路長補償ユニット４１に加えて、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第１関節部２１は、第１関節軸２１ａと同軸上に並列に配設された３つの経路長補償ユニットを備える。
【００６３】
また、第２関節部２２には、第２−３ワイヤ３２３と第３−３ワイヤ３３３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第２−４ワイヤ３２４と第３−４ワイヤ３３４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第２関節部２２は、その関節軸と同軸上に並列に配設された２つの経路長補償ユニットを備える。
【００６４】
さらに、第３関節部２３には、第３−４ワイヤ３３４と第４−４ワイヤ３４４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第３関節部２３は、その関節軸と同軸上に配設された１つの経路長補償ユニットを備える。
【００６５】
そして、図５には、各ワイヤの経路が示されている。なお、第１ワイヤ３１１の図５に示されない両下端は、前記第１の実施の形態において説明したように、台座１１に配設された第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第１駆動モータプーリ５１の外周に巻き付けられて接続されている。
【００６６】
同様に、第２ワイヤ３１２、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４の両下端は、台座１１に配設された第２関節部２２、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための第２〜４駆動源の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部の外周に、それぞれ、巻き付けられて接続されている。
【００６７】
また、第２−２ワイヤ３２２、第２−３ワイヤ３２３、第２−４ワイヤ３２４、第３−３ワイヤ３３３、第３−４ワイヤ３３４及び第４−４ワイヤ３４４は、それぞれ、独立した環状の線状部材である。すなわち、駆動力伝達用の線状部材は、各リンク部材に対応して分割されている。
【００６８】
次に、本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。
【００６９】
まず、第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５が作動すると、第１ワイヤ３１１が作動し、第１関節部２１が屈曲又は伸展して台座凸部１１ａに対して上腕部１２が回転する。
【００７０】
この場合、前記第１の実施の形態において説明したように、第１経路長補償ユニット４１によって、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長は変化しない。同様に、第１関節部２１に配設された他の経路長補償ユニットによって、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７１】
そして、第２関節部２２を駆動するための第２駆動源が作動すると、第２ワイヤ３１２が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第２ワイヤ３１２に接続された第２−２ワイヤ３２２が作動し、第２関節部２２が屈曲又は伸展して上腕部１２に対して前腕部１３が回転する。
【００７２】
この場合、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットによって、第２−３ワイヤ３２３と第３−３ワイヤ３３３とから成る組の経路長、及び、第２−４ワイヤ３２４と第３−４ワイヤ３３４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７３】
また、第３関節部２３を駆動するための第３駆動源が作動すると、第３ワイヤ３１３が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第３ワイヤ３１３に接続された第２−３ワイヤ３２３が作動し、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットを介して第２−３ワイヤ３２３に接続された第３−３ワイヤ３３３が作動し、第３関節部２３が屈曲又は伸展して上腕部１２に対してエンドエフェクタ１４が回転する。
【００７４】
この場合、第３関節部２３に配設された経路長補償ユニットにより、第３−４ワイヤ３３４と第４−４ワイヤ３４４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７５】
さらに、把持用駆動部２４を駆動するための第４駆動源が作動すると、第４ワイヤ３１４が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第４ワイヤ３１４に接続された第２−４ワイヤ３２４が作動し、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットを介して第２−４ワイヤ３２４に接続された第３−４ワイヤ３３４が作動し、第３関節部２３に配設された経路長補償ユニットを介して第３−４ワイヤ３３４に接続された第４−４ワイヤ３４４が作動し、把持用駆動部２４が駆動され、一対の把持部材１４ａが相互の間隔を変更するように変位して物品の把持及び把持解除を行う。
【００７６】
このように、本実施の形態においては、台座１１に配設された第１〜第４駆動源が発生する駆動力をエンドエフェクタ１４まで伝達して、第１〜第３関節部２１〜２３及び把持用駆動部２４を作動させることができる。そして、駆動力伝達用の線状部材は、各リンク部材に対応して分割されている。
【００７７】
したがって、線状部材の点検、交換等の保守管理作業の際には、多軸マニピュレータ１０全体を分解することなく、対象となる線状部材の保守管理作業を行うことができるので、保守管理の労力及び作業時間を低減することができ、多軸マニピュレータ１０の維持コストを低減することができる。
【００７８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７９】
図６は本発明の第３の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【００８０】
本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の関節部の関節軸は、前記第１の実施の形態における多軸マニピュレータ１０の関節部の関節軸に対して、直交する方向に延在する。図において、４２は、本実施の形態における第１関節部２１が備える駆動力伝達用の線状部材の経路長補償ユニットとしての第１経路捩れ解消ユニットであり、第１関節軸２１ａと同軸上に配設され、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とが接続されている。図に示されるように、本実施の形態における第１関節軸２１ａは、中空構造を有するとともに、前記第１の実施の形態における第１関節軸２１ａに対して、直交する方向に延在する。なお、本実施の形態における回転軸２１ｂは第１関節軸２１ａと平行であり、したがって、前記第１の実施の形態における回転軸２１ｂに対して、直交する方向に延在する。
【００８１】
また、本実施の形態においては、第１関節軸２１ａの向きが変更されたことに伴い、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第１プーリ７１が配設され、第１駆動モータプーリ５１からの第１ワイヤ３１１は、前記経路変換第１プーリ７１によって経路の方向が変換され、第１関節軸２１ａに取り付けられた第１関節被駆動プーリ５２に巻き付けられて接続される。
【００８２】
さらに、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第２プーリ７２及び経路変換第３プーリ７３が配設されている。そして、第２ワイヤ３１２は、中空の第１関節軸２１ａの一端から第１関節軸２１ａの内部に進入し、経路変換第２プーリ７２によって経路の方向が変換され、第１関節軸２１ａの側面に穿（せん）設された引出孔（こう）を通過し、経路変換第３プーリ７３によって再度経路の方向が変換され、第２駆動力用第１プーリ６１の外周に巻き付けられて接続される。
【００８３】
さらに、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第４プーリ７４が配設されている。そして、第２駆動力用第２プーリ６２からの第２−２ワイヤ３２２は、前記経路変換第４プーリ７４によって経路の方向が変換され、第２関節部２２のプーリに連結される。
【００８４】
なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８５】
次に、本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。ここでは、第１関節部２１での第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２の動作を例に説明する。
【００８６】
上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための駆動力は、第２駆動モータによって発生し、第２駆動モータプーリから第２ワイヤ３１２を介して、第２駆動力用第１プーリ６１へ伝達される。この場合、第２ワイヤ３１２は、第１関節軸２１ａの内部を通り、経路変換第２プーリ７２及び経路変換第３プーリ７３によって経路の方向が変換されている。
【００８７】
そして、前記第２駆動力用第１プーリ６１が回転すると、該第２駆動力用第１プーリ６１と一体的に遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８が回転し、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７を逆方向に回転させる。
【００８８】
すると、内歯車である遊星機構第４伝達部５９が回転し、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２が前記第２駆動力用第１プーリ６１と逆方向に回転する。そして、第２駆動力用第２プーリ６２の駆動力が、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリに伝達される。この場合、第２−２ワイヤ３２２は、経路変換第４プーリ７４によって経路の方向が変換されている。
【００８９】
一方、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための駆動力は、第１駆動モータ１５によって発生し、第１駆動モータプーリ５１から第１ワイヤ３１１を介して、第１関節被駆動プーリ５２へ伝達される。この場合、第１ワイヤ３１１は、経路変換第１プーリ７１によって経路の方向が変換されている。
【００９０】
上腕部１２が回転すると、第１関節軸２１ａ上で、台座凸部１１ａと上腕部１２との間に角度変化が生じる。これにより、回転軸２１ｂに固定された回転軸第１プーリ５４は、第１関節軸２１ａ上の台座側プーリ５３の周囲を弧を描くように変位する。ここで、台座側プーリ５３は台座凸部１１ａと一体的であり、かつ、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、回転軸第１プーリ５４は回転する。
【００９１】
すると、回転軸第２プーリ５５は、回転軸２１ｂに固定されているので、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する。そして、該回転軸第１プーリ５４と遊星機構第１伝達部５６とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、遊星機構第１伝達部５６は回転する。遊星歯車機構の遊星キャリアである遊星機構第１伝達部５６が回転すると、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７は、第１関節軸２１ａの周囲を公転する。
【００９２】
この場合、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８は、第２駆動力用第１プーリ６１と一体的であり、かつ、該第２駆動力用第１プーリ６１が第２ワイヤ３１２を介して第２駆動モータプーリに連結されて拘束されているので、回転しない。そのため、遊星機構第２伝達部５７の公転と、上腕部１２の回転との差分として、回転が内歯車である遊星機構第４伝達部５９に生じる。すると、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２にも回転が生じる。
【００９３】
このように、本実施の形態において、第２ワイヤ３１２、経路変換第２プーリ７２、経路変換第３プーリ７３及び第１関節軸２１ａは、台座凸部１１ａと一体的になっているので、上腕部１２の台座凸部１１ａに対する回転によっても位置変化が生じることがない。また、第２−２ワイヤ３２２及び経路変換第４プーリ７４は、遊星機構第４伝達部５９及び第２駆動力用第２プーリ６２と一体的になっているので、前記第１の実施の形態において説明した式（２）及び（４）をともに満足するように各伝達部の回転半径が設定されていれば、上腕部１２とともに回転する。
【００９４】
したがって、第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２は、上腕部１２が台座凸部１１ａに対して回転しても捩れることがなく、第２ワイヤ３１２から第１関節部２１に入力される引張量Ｉｉｎ２と、第１関節部２１から第２−２ワイヤ３２２に出力される引張量Ｉｏｕｔ２とが等しくなる。
【００９５】
なお、前記第１〜第３の実施の形態においては、駆動力伝達用の線状部材としてワイヤを使用した例について説明したが、タイミングベルト、ゴムベルト、チェーン等を使用することもできる。
【００９６】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、関節駆動装置及び多軸マニピュレータに適用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 多軸マニピュレータ
１１ 台座
１１ａ 台座凸部
１２ 上腕部
１３ 前腕部
１４ エンドエフェクタ
１５ 第１駆動モータ
２１ 第１関節部
２１ａ 第１関節軸
２２ 第２関節部
２３ 第３関節部
２４ 把持用駆動部
４１ 第１経路長補償ユニット
４２ 第１経路捩れ解消ユニット
５６ 遊星機構第１伝達部
５７ 遊星機構第２伝達部
５８ 遊星機構第３伝達部
５９ 遊星機構第４伝達部
３１１ 第１ワイヤ
３１２ 第２ワイヤ
３１３ 第３ワイヤ
３１４ 第４ワイヤ
３２２ 第２−２ワイヤ
３２３ 第２−３ワイヤ
３２４ 第２−４ワイヤ
３３３ 第３−３ワイヤ
３３４ 第３−４ワイヤ
３４４ 第４−４ワイヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動装置及び多軸マニピュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、多関節マニピュレータ、すなわち、多軸マニピュレータは、産業、医療福祉、娯楽等の広い分野で利用される機械であって、多彩な姿勢と広い可動範囲とを実現するために複数の関節を有する。しかし、各関節を駆動するための駆動装置を各関節の近傍に配設すると、駆動装置の重量を各関節の近傍で支えなければならず、マニピュレータの先端での可搬重量が著しく減少するという問題がある。
【０００３】
そこで、重い駆動装置をマニピュレータの土台部分に配設し、軽量で高剛性なワイヤを介して各関節を駆動する多軸マニピュレータが提案されている。これにより、マニピュレータの先端の運動性能を向上させることができるとともに、駆動装置を小型化することができる。
【０００４】
しかし、ワイヤの経路をマニピュレータの内部に設定すると、マニピュレータの姿勢変化に応じてワイヤの経路長が変化するといった問題がある。これにより、ある関節の動作が他の関節の動作に干渉してしまう。
【０００５】
そこで、マニピュレータの先端に取り付けられたエンドエフェクタを駆動するワイヤをマニピュレータの土台部分まで沿わせ、マニピュレータの駆動中は干渉を回避するためにクラッチ機構を備え、さらに、エンドエフェクタの駆動装置が経路長の変化量や延び量を制御する技術が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、ワイヤ駆動による関節間の干渉の効率化を実現するための経路を設定し、各ワイヤの張力を制御することによって、それぞれの駆動装置単体で複数の関節を駆動するため駆動負荷の偏在を解消し、均一化する技術が提供されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１７９６７６号公報
【特許文献２】特開平４−３００１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の多軸マニピュレータにおいては、経路長が変化するワイヤの長さを調節するために、関節の屈曲及び伸展のそれぞれに駆動装置が必要となり、関節数以上の駆動装置が必要となってしまう。
【０００９】
また、ワイヤの経路が複雑かつ長距離であるので、破断又は寿命によってワイヤを交換する際に、多大な労力が必要となる。そのため、駆動装置の維持管理に多大の時間及び費用がかかってしまう。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、関節駆動装置の数を関節の数と等しくすることができ、駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を各関節部で解消することができるとともに、駆動力伝達用の線状部材の交換を短時間で容易に行うことができる利便性の高い関節駆動装置及び多軸マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのために、本発明の関節駆動装置においては、隣接するリンク部材同士を接続する関節部を駆動する関節駆動装置であって、所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有する。
【００１２】
本発明の他の関節駆動装置においては、さらに、前記経路長補償ユニットは差動機構を備える。
【００１３】
本発明の更に他の関節駆動装置においては、さらに、前記差動機構は遊星歯車機構である。
【００１４】
本発明の更に他の関節駆動装置においては、さらに、前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩（ねじ）れを吸収する。
【００１５】
本発明の多軸マニピュレータにおいては、複数のリンク部材と、隣接するリンク部材同士を接続する関節部とを有する多軸マニピュレータであって、各関節部は、所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを備え、前記リンク部材のうちのマニピュレータ支持部材に固定されたリンク部材には、それぞれが各関節部を個別に駆動するための駆動源が配設されている。
【００１６】
本発明の他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、各関節部を駆動するための駆動力伝達経路は、各リンク部材に対応して配設された駆動用の線状部材を含み、相互に独立している。
【００１７】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記経路長補償ユニットは差動機構を備える。
【００１８】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記差動機構は遊星歯車機構である。
【００１９】
本発明の更に他の多軸マニピュレータにおいては、さらに、前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、関節駆動装置においては、その数を関節の数と等しくすることができ、駆動用の線状部材の経路長の変化を各関節部で解消することができるとともに、駆動用の線状部材の交換を短時間で容易に行うことができ、利便性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における多軸マニピュレータの模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における関節部の動作を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータの構造を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータのワイヤの経路を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態における多軸マニピュレータの模式図である。
【００２４】
図において、１０は本実施の形態における多関節マニピュレータ、すなわち、多軸マニピュレータであって、例えば、溶接ロボット、組立搬送ロボット、ヒューマノイド型ロボット等の指、腕、脚等として、産業、医療福祉、娯楽等の広い分野で利用されるものであり、いかなる種類の装置においても使用することができるものである。なお、ここでは、説明の都合上、前記多軸マニピュレータ１０が物品を把持して搬送する組立搬送ロボットの一部として使用される場合について説明する。
【００２５】
本実施の形態において、多軸マニピュレータ１０は、マニピュレータ基部である第１リンク部材としての台座１１、第２リンク部材としての上腕部１２、第３リンク部材としての前腕部１３、及び、第４リンク部材としてのエンドエフェクタ１４を有する。前記台座１１は、多軸マニピュレータ１０を支持する土台、装置本体等のマニピュレータ支持部材に固定された部材であり、図において左方に向けて突出する台座凸部１１ａを備える。
【００２６】
そして、前記上腕部１２は、その基部が前記台座凸部１１ａの先端部に第１関節部２１を介して回転可能に接続されている。また、前記前腕部１３は、その基部が前記上腕部１２の先端部に第２関節部２２を介して回転可能に接続されている。さらに、前記エンドエフェクタ１４は、その基部が前記前腕部１３の先端部に第３関節部２３を介して回転可能に接続されている。
【００２７】
また、前記エンドエフェクタ１４は、その先端部から図において左方に向けて突出する一対の把持部材１４ａを備える。該一対の把持部材１４ａは、エンドエフェクタ１４が備える第４関節部としての把持用駆動部２４によって、相互の間隔を変更するように変位させられ、これにより、図示されない物品の把持及び把持解除を行う。なお、前記第１〜第３関節部２１〜２３及び把持用駆動部２４を統合的に説明する場合には、関節部として説明する。また、各関節部は、関節駆動装置によって駆動される。
【００２８】
そして、前記台座１１と第１関節部２１とは、各関節部の駆動用の線状部材、すなわち、駆動力伝達用の線状部材としての第１ワイヤ３１１、第２ワイヤ３１２、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４によって接続されている。また、前記第１関節部２１と第２関節部２２とは、駆動力伝達用の線状部材としての第２−２ワイヤ３２２、第２−３ワイヤ３２３及び第２−４ワイヤ３２４によって接続されている。さらに、前記第２関節部２２と第３関節部２３とは、駆動力伝達用の線状部材としての第３−３ワイヤ３３３及び第３−４ワイヤ３３４によって接続されている。さらに、前記第３関節部２３と把持用駆動部２４とは、駆動力伝達用の線状部材としての第４−４ワイヤ３４４によって接続されている。
【００２９】
次に、前記多軸マニピュレータ１０の関節部を駆動する関節駆動装置の構成について詳細に説明する。ここでは、第１関節部２１を例に説明する。
【００３０】
図２は本発明の第１の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【００３１】
図において、２１ａは、第１関節部２１の関節軸としての第１関節軸であり、次のリンク部材としての上腕部１２は、第１関節軸２１ａを中心にして、所定のリンク部材としての台座凸部１１ａに対して回転する。なお、第１関節部２１は、前記第１関節軸２１ａと平行な回転軸２１ｂも備える。
【００３２】
そして、４１は、第１関節部２１が備える駆動力伝達用の線状部材の経路長補償ユニットとしての第１経路長補償ユニットであり、前記第１関節軸２１ａと同軸上に配設され、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とが接続されている。つまり、前記第１経路長補償ユニット４１は、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットである。
【００３３】
なお、第１関節部２１は、前記第１経路長補償ユニット４１に加えて、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットを備えるものであるが、第１経路長補償ユニット４１以外の経路長補償ユニットについては、図示が省略されている。また、他の経路長補償ユニットについては、第１経路長補償ユニット４１と同様の構成を有するので、その説明も省略することとする。なお、他の経路長補償ユニットも、第１経路長補償ユニット４１と同様に、第１関節軸２１ａと同軸上に配設されている。つまり、第１関節部２１は、第１関節軸２１ａと同軸上に並列に配設された３つの経路長補償ユニットを備える。
【００３４】
また、台座１１には、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５が配設されている。そして、該第１駆動モータ１５の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第１駆動モータプーリ５１の外周には第１ワイヤ３１１の一端側の部分が巻き付けられて接続され、第１関節軸２１ａに取り付けられた第１関節部側伝達部としての第１関節被駆動プーリ５２の外周には第１ワイヤ３１１の他端側の部分が巻き付けられて接続されている。なお、第１関節被駆動プーリ５２は上腕部１２と一体的に回転する。これにより、第１駆動モータ１５の駆動力が上腕部１２に伝達され、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させることができる。
【００３５】
そして、第１関節軸２１ａには、台座凸部１１ａと一体的に回転する台座側伝達部としての台座側プーリ５３が回転可能に配設されている。また、回転軸２１ｂには回転軸側伝達部としての回転軸第１プーリ５４が固定されている。そして、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは、ワイヤ、タイミングベルト（コッグドベルト）、チェーン等の駆動力伝達用の線状部材によって、駆動力伝達可能に連結されている。
【００３６】
また、第１経路長補償ユニット４１は、回転軸２１ｂに固定され、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する回転軸側伝達部としての回転軸第２プーリ５５を備える。さらに、第１経路長補償ユニット４１は、差動機構として機能する遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を備える。
【００３７】
遊星機構第１伝達部５６は、遊星キャリアとして機能するとともに、プーリとしても機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設されている。そして、遊星機構第１伝達部５６と回転軸第２プーリ５５とは、ワイヤ、タイミングベルト、チェーン等の駆動力伝達用の線状部材によって、駆動力伝達可能に連結されている。
【００３８】
また、遊星機構第２伝達部５７は、遊星歯車として機能する部材であり、複数個が、遊星機構第１伝達部５６に回転可能に取り付けられている。さらに、遊星機構第３伝達部５８は、太陽歯車として機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と噛（か）み合っている。さらに、遊星機構第４伝達部５９は、内歯車として機能する部材であり、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と噛み合っている。
【００３９】
そして、６１は、第２ワイヤ３１２からの駆動力を第２−２ワイヤ３２２へ伝達する第２駆動力伝達部としての第２駆動力用第１プーリであって、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第２伝達部５７と一体的に回転する。また、第２駆動力用第１プーリ６１の外周には第２ワイヤ３１２が巻き付けられて接続されている。なお、第２ワイヤ３１２は、図示されない第２駆動モータの回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第２駆動モータプーリの外周に、巻き付けられて接続されている。これにより、第２駆動力用第１プーリ６１は、第２ワイヤ３１２によって、第２駆動モータプーリと駆動力伝達可能に連結される。前記第２駆動モータは、上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための第２駆動源であり、台座１１に配設されている。
【００４０】
また、６２は、第２ワイヤ３１２からの駆動力を第２−２ワイヤ３２２へ伝達する第２駆動力伝達部としての第２駆動力用第２プーリであって、第１関節軸２１ａと同軸上に回転可能に配設され、遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する。また、第２駆動力用第２プーリ６２の外周には第２−２ワイヤ３２２が巻き付けられて接続されている。これにより、第２ワイヤ３１２によって伝達された第２駆動源の駆動力は、遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を介して、第２−２ワイヤ３２２へ伝達される。なお、第２−２ワイヤ３２２は、第２関節部２２のプーリの外周に巻き付けられて接続されている。これにより、第２駆動力用第２プーリ６２は、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリと駆動力伝達可能に連結される。
【００４１】
なお、他の経路長補償ユニットも、前述のように第１経路長補償ユニット４１と同様の構成を備えるので、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４によって伝達された第３駆動源及び第４駆動源の駆動力も、それぞれ同様に、他の経路長補償ユニットの遊星歯車機構を形成する遊星機構第１〜第４伝達部５６〜５９を介して、第２−３ワイヤ３２３及び第２−４ワイヤ３２４へ伝達される。
【００４２】
次に、前記構成の多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。ここでは、第１関節部２１での第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２の動作を例に説明する。
【００４３】
図３は本発明の第１の実施の形態における関節部の動作を示す図である。なお、図において、（ａ）は関節部が伸展している状態、（ｂ）は関節部が屈曲している状態を示す図である。
【００４４】
上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための駆動力は、第２駆動モータによって発生し、第２駆動モータプーリから第２ワイヤ３１２を介して、第２駆動力用第１プーリ６１へ伝達される。そして、該第２駆動力用第１プーリ６１が回転すると、該第２駆動力用第１プーリ６１と一体的に遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８が回転し、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７を逆方向に回転させる。すると、内歯車である遊星機構第４伝達部５９が回転し、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２が前記第２駆動力用第１プーリ６１と逆方向に回転する。そして、第２駆動力用第２プーリ６２の駆動力が、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリに伝達される。
【００４５】
一方、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための駆動力は、第１駆動モータ１５によって発生し、第１駆動モータプーリ５１から第１ワイヤ３１１を介して、第１関節被駆動プーリ５２へ伝達される。そして、該第１関節被駆動プーリ５２が回転すると、上腕部１２も一体的に、第１関節軸２１ａを中心として回転する。ここでは、上腕部１２が、図３（ａ）において、矢印Ｒ０で示される方向に回転するものとする。これにより、第１関節部２１は屈曲して、図３（ｂ）に示されるような状態になる。なお、第２関節部２２を駆動するための第２駆動モータは停止しているものとする。
【００４６】
上腕部１２が回転すると、第１関節軸２１ａ上で、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間に角度変化が生じる。これにより、回転軸２１ｂに固定された回転軸第１プーリ５４は、第１関節軸２１ａ上の台座側プーリ５３の周囲を弧を描くように変位する。ここで、台座側プーリ５３は台座凸部１１ａと一体的であり、かつ、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、回転軸第１プーリ５４は、図３（ｂ）において、矢印Ｒ１で示される方向に回転する。
【００４７】
すると、回転軸第２プーリ５５は、回転軸２１ｂに固定されているので、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する。そして、該回転軸第１プーリ５４と遊星機構第１伝達部５６とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、遊星機構第１伝達部５６は、図３（ｂ）において、矢印Ｒ３で示される方向に回転する。遊星歯車機構の遊星キャリアである遊星機構第１伝達部５６が回転すると、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７は、第１関節軸２１ａの周囲を矢印Ｒ３で示される方向に公転する。
【００４８】
この場合、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８は、第２駆動力用第１プーリ６１と一体的であり、かつ、該第２駆動力用第１プーリ６１が第２ワイヤ３１２を介して第２駆動モータプーリに連結されて拘束されているので、回転しない。そのため、遊星機構第２伝達部５７の矢印Ｒ３で示される方向への公転と、上腕部１２の矢印Ｒ０で示される方向への回転との差分として、図３（ｂ）において、矢印Ｒ２で示される方向の回転が内歯車である遊星機構第４伝達部５９に生じる。すると、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２にも、矢印Ｒ２で示される方向の回転が生じる。
【００４９】
このように、本実施の形態においては、第２関節部２２を駆動するための第２駆動モータの駆動力は、第２ワイヤ３１２から、遊星歯車機構を備える第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２に伝達される。
【００５０】
ここで、第２駆動力用第１プーリ６１のピッチ円半径、すなわち、回転半径をＺ６１とし、第２駆動力用第２プーリ６２の回転半径をＺ６２とし、遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径をＺ５８とし、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径をＺ５９とすると、第２ワイヤ３１２から第１関節部２１に入力される引張量Ｉｉｎ２と、第１関節部２１から第２−２ワイヤ３２２に出力される引張量Ｉｏｕｔ２との関係は、次の式（１）で表される。
【００５１】
Ｉｏｕｔ２＝−Ｉｉｎ２＊Ｚ６２＊Ｚ５８／（Ｚ６１＊Ｚ５９） ・・・式（１）
そして、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で解消するためには、第２駆動モータが駆動することによって第２ワイヤ３１２が引っ張られる量と、第２ワイヤ３１２が引っ張られることによって、第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２が引っ張られる量とを等しくする必要がある。つまり、Ｉｏｕｔ２＝−Ｉｉｎ２という関係を満足する必要がある。そのためには、前記式（１）から、各伝達部の回転半径が次の式（２）を満足する必要がある。
【００５２】
Ｚ６２＊Ｚ５８／（Ｚ６１＊Ｚ５９）＝１ ・・・式（２）
例えば、第２駆動力用第１プーリ６１の回転半径Ｚ６１と第２駆動力用第２プーリ６２の回転半径Ｚ６２との比をＺ６１：Ｚ６２＝１：２とし、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径Ｚ５８と、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径Ｚ５９との比をＺ５８：Ｚ５９＝１：２とする必要がある。
【００５３】
また、第１関節部２１が屈曲して、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間の角度がＱ１になる場合、台座凸部１１ａの長軸に対する遊星機構第４伝達部５９の角度変化をＱ５９とし、台座側プーリ５３のピッチ円半径、すなわち、回転半径をＺ５３とし、回転軸第１プーリ５４の回転半径をＺ５４とし、回転軸第２プーリ５５の回転半径をＺ５５とし、遊星機構第１伝達部５６の回転半径をＺ５６とすると、台座凸部１１ａの長軸に対する上腕部１２の長軸の角度変化Ｑ１と台座凸部１１ａの長軸に対する遊星機構第４伝達部５９の角度変化Ｑ５９との関係は、次の式（３）で表される。
【００５４】
Ｑ５９
＝Ｑ１＊（１−Ｚ５３＊Ｚ５５／（Ｚ５４＊Ｚ５６））＊（Ｚ５８＋Ｚ５９）／Ｚ５９
・・・式（３）
そして、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で解消するためには、外周に第２−２ワイヤ３２２が巻き付けられて接続されている第２駆動力用第２プーリ６２の角度変化と、台座凸部１１ａの長軸に対する上腕部１２の長軸の角度変化Ｑ１とを等しくする必要がある。すなわち、第２駆動力用第２プーリ６２と一体的に回転する遊星機構第４伝達部５９の台座凸部１１ａの長軸に対する角度変化Ｑ５９と、上腕部１２の長軸の台座凸部１１ａの長軸に対する角度変化Ｑ１とを等しくする必要がある。そのためには、前記式（３）から、各伝達部の回転半径が次の式（４）を満足する必要がある。
【００５５】
（１−Ｚ５３＊Ｚ５５／（Ｚ５４＊Ｚ５６））＊（Ｚ５８＋Ｚ５９）／Ｚ５９＝１
・・・式（４）
例えば、台座側プーリ５３の回転半径Ｚ５３と遊星機構第１伝達部５６の回転半径Ｚ５６との比をＺ５３：Ｚ５６＝１：３とし、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８の回転半径Ｚ５８と、内歯車である遊星機構第４伝達部５９の回転半径Ｚ５９との比をＺ５８：Ｚ５９＝１：２とし、回転軸第１プーリ５４の回転半径Ｚ５４と回転軸第２プーリ５５の回転半径Ｚ５５との比をＺ５４：Ｚ５５＝１：１とする必要がある。
【００５６】
このように、本実施の形態においては、前記式（２）及び（４）をともに満足するように各伝達部の回転半径を設定することによって、第２関節部２２を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で吸収して解消することができる。すなわち、第１関節部２１が屈曲して、台座凸部１１ａの長軸と上腕部１２の長軸との間の角度が変化しても、第２駆動モータが駆動することによって第２ワイヤ３１２が引っ張られる量と、第２ワイヤ３１２が引っ張られることによって、第１経路長補償ユニット４１を介して、第２−２ワイヤ３２２が引っ張られる量とが等しくなる。
【００５７】
同様にして、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第１関節部２１で吸収して解消することができる。さらに、同様にして、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第２関節部２２で吸収して解消することができる。さらに、同様にして、把持用駆動部２４を駆動するための駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を第３関節部２３で吸収して解消することができる。
【００５８】
「背景技術」の項で説明したような従来の多軸マニピュレータにおいては、関節の角度変化によって、関節を経由して拮（きっ）抗するワイヤの経路長が変化し、一方のワイヤが弛（ゆる）み、他方のワイヤが突っ張るようになる。そして、このようなワイヤの弛みや突っ張りを防止するために、各ワイヤの終端を巻き取る機構が必要となる。
【００５９】
これに対して、本実施の形態においては、関節部における各伝達部の回転半径を適切に設定することによって駆動力伝達用の線状部材の経路長の変化を吸収して解消することができる。したがって、各線状部材の終端を巻き取る機構が不要である。その結果、線状部材の経路長の変化を考慮する必要がなく、関節数以上の余分な駆動装置を配設する必要もない。
【００６０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６１】
図４は本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータの構造を示す模式図、図５は本発明の第２の実施の形態における多軸マニピュレータのワイヤの経路を示す図である。
【００６２】
図４に示されるように、第１関節部２１には、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長を補償するための第１経路長補償ユニット４１に加えて、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第１関節部２１は、第１関節軸２１ａと同軸上に並列に配設された３つの経路長補償ユニットを備える。
【００６３】
また、第２関節部２２には、第２−３ワイヤ３２３と第３−３ワイヤ３３３とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニット、及び、第２−４ワイヤ３２４と第３−４ワイヤ３３４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第２関節部２２は、その関節軸と同軸上に並列に配設された２つの経路長補償ユニットを備える。
【００６４】
さらに、第３関節部２３には、第３−４ワイヤ３３４と第４−４ワイヤ３４４とから成る組の経路長を補償するための経路長補償ユニットが配設されている。つまり、第３関節部２３は、その関節軸と同軸上に配設された１つの経路長補償ユニットを備える。
【００６５】
そして、図５には、各ワイヤの経路が示されている。なお、第１ワイヤ３１１の図５に示されない両下端は、前記第１の実施の形態において説明したように、台座１１に配設された第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部としての第１駆動モータプーリ５１の外周に巻き付けられて接続されている。
【００６６】
同様に、第２ワイヤ３１２、第３ワイヤ３１３及び第４ワイヤ３１４の両下端は、台座１１に配設された第２関節部２２、第３関節部２３及び把持用駆動部２４を駆動するための第２〜４駆動源の回転軸に取り付けられた駆動源側伝達部の外周に、それぞれ、巻き付けられて接続されている。
【００６７】
また、第２−２ワイヤ３２２、第２−３ワイヤ３２３、第２−４ワイヤ３２４、第３−３ワイヤ３３３、第３−４ワイヤ３３４及び第４−４ワイヤ３４４は、それぞれ、独立した環状の線状部材である。すなわち、駆動力伝達用の線状部材は、各リンク部材に対応して分割されている。
【００６８】
次に、本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。
【００６９】
まず、第１関節部２１を駆動するための第１駆動源としての第１駆動モータ１５が作動すると、第１ワイヤ３１１が作動し、第１関節部２１が屈曲又は伸展して台座凸部１１ａに対して上腕部１２が回転する。
【００７０】
この場合、前記第１の実施の形態において説明したように、第１経路長補償ユニット４１によって、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とから成る組の経路長は変化しない。同様に、第１関節部２１に配設された他の経路長補償ユニットによって、第３ワイヤ３１３と第２−３ワイヤ３２３とから成る組の経路長、及び、第４ワイヤ３１４と第２−４ワイヤ３２４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７１】
そして、第２関節部２２を駆動するための第２駆動源が作動すると、第２ワイヤ３１２が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第２ワイヤ３１２に接続された第２−２ワイヤ３２２が作動し、第２関節部２２が屈曲又は伸展して上腕部１２に対して前腕部１３が回転する。
【００７２】
この場合、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットによって、第２−３ワイヤ３２３と第３−３ワイヤ３３３とから成る組の経路長、及び、第２−４ワイヤ３２４と第３−４ワイヤ３３４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７３】
また、第３関節部２３を駆動するための第３駆動源が作動すると、第３ワイヤ３１３が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第３ワイヤ３１３に接続された第２−３ワイヤ３２３が作動し、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットを介して第２−３ワイヤ３２３に接続された第３−３ワイヤ３３３が作動し、第３関節部２３が屈曲又は伸展して上腕部１２に対してエンドエフェクタ１４が回転する。
【００７４】
この場合、第３関節部２３に配設された経路長補償ユニットにより、第３−４ワイヤ３３４と第４−４ワイヤ３４４とから成る組の経路長は変化しない。
【００７５】
さらに、把持用駆動部２４を駆動するための第４駆動源が作動すると、第４ワイヤ３１４が作動し、続いて、第１関節部２１に配設された経路長補償ユニットを介して第４ワイヤ３１４に接続された第２−４ワイヤ３２４が作動し、第２関節部２２に配設された経路長補償ユニットを介して第２−４ワイヤ３２４に接続された第３−４ワイヤ３３４が作動し、第３関節部２３に配設された経路長補償ユニットを介して第３−４ワイヤ３３４に接続された第４−４ワイヤ３４４が作動し、把持用駆動部２４が駆動され、一対の把持部材１４ａが相互の間隔を変更するように変位して物品の把持及び把持解除を行う。
【００７６】
このように、本実施の形態においては、台座１１に配設された第１〜第４駆動源が発生する駆動力をエンドエフェクタ１４まで伝達して、第１〜第３関節部２１〜２３及び把持用駆動部２４を作動させることができる。そして、駆動力伝達用の線状部材は、各リンク部材に対応して分割されている。
【００７７】
したがって、線状部材の点検、交換等の保守管理作業の際には、多軸マニピュレータ１０全体を分解することなく、対象となる線状部材の保守管理作業を行うことができるので、保守管理の労力及び作業時間を低減することができ、多軸マニピュレータ１０の維持コストを低減することができる。
【００７８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７９】
図６は本発明の第３の実施の形態における第１関節部の関節駆動装置の構成を示す概念図である。
【００８０】
本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の関節部の関節軸は、前記第１の実施の形態における多軸マニピュレータ１０の関節部の関節軸に対して、直交する方向に延在する。図において、４２は、本実施の形態における第１関節部２１が備える駆動力伝達用の線状部材の経路長補償ユニットとしての第１経路捩れ解消ユニットであり、第１関節軸２１ａと同軸上に配設され、第２ワイヤ３１２と第２−２ワイヤ３２２とが接続されている。図に示されるように、本実施の形態における第１関節軸２１ａは、中空構造を有するとともに、前記第１の実施の形態における第１関節軸２１ａに対して、直交する方向に延在する。なお、本実施の形態における回転軸２１ｂは第１関節軸２１ａと平行であり、したがって、前記第１の実施の形態における回転軸２１ｂに対して、直交する方向に延在する。
【００８１】
また、本実施の形態においては、第１関節軸２１ａの向きが変更されたことに伴い、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第１プーリ７１が配設され、第１駆動モータプーリ５１からの第１ワイヤ３１１は、前記経路変換第１プーリ７１によって経路の方向が変換され、第１関節軸２１ａに取り付けられた第１関節被駆動プーリ５２に巻き付けられて接続される。
【００８２】
さらに、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第２プーリ７２及び経路変換第３プーリ７３が配設されている。そして、第２ワイヤ３１２は、中空の第１関節軸２１ａの一端から第１関節軸２１ａの内部に進入し、経路変換第２プーリ７２によって経路の方向が変換され、第１関節軸２１ａの側面に穿（せん）設された引出孔（こう）を通過し、経路変換第３プーリ７３によって再度経路の方向が変換され、第２駆動力用第１プーリ６１の外周に巻き付けられて接続される。
【００８３】
さらに、第１関節部２１に経路変換機構としての経路変換第４プーリ７４が配設されている。そして、第２駆動力用第２プーリ６２からの第２−２ワイヤ３２２は、前記経路変換第４プーリ７４によって経路の方向が変換され、第２関節部２２のプーリに連結される。
【００８４】
なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８５】
次に、本実施の形態における多軸マニピュレータ１０の動作について説明する。ここでは、第１関節部２１での第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２の動作を例に説明する。
【００８６】
上腕部１２に対して前腕部１３を回転させるための、すなわち、第２関節部２２を駆動するための駆動力は、第２駆動モータによって発生し、第２駆動モータプーリから第２ワイヤ３１２を介して、第２駆動力用第１プーリ６１へ伝達される。この場合、第２ワイヤ３１２は、第１関節軸２１ａの内部を通り、経路変換第２プーリ７２及び経路変換第３プーリ７３によって経路の方向が変換されている。
【００８７】
そして、前記第２駆動力用第１プーリ６１が回転すると、該第２駆動力用第１プーリ６１と一体的に遊星歯車機構の太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８が回転し、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７を逆方向に回転させる。
【００８８】
すると、内歯車である遊星機構第４伝達部５９が回転し、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２が前記第２駆動力用第１プーリ６１と逆方向に回転する。そして、第２駆動力用第２プーリ６２の駆動力が、第２−２ワイヤ３２２によって、第２関節部２２のプーリに伝達される。この場合、第２−２ワイヤ３２２は、経路変換第４プーリ７４によって経路の方向が変換されている。
【００８９】
一方、台座凸部１１ａに対して上腕部１２を回転させるための、すなわち、第１関節部２１を駆動するための駆動力は、第１駆動モータ１５によって発生し、第１駆動モータプーリ５１から第１ワイヤ３１１を介して、第１関節被駆動プーリ５２へ伝達される。この場合、第１ワイヤ３１１は、経路変換第１プーリ７１によって経路の方向が変換されている。
【００９０】
上腕部１２が回転すると、第１関節軸２１ａ上で、台座凸部１１ａと上腕部１２との間に角度変化が生じる。これにより、回転軸２１ｂに固定された回転軸第１プーリ５４は、第１関節軸２１ａ上の台座側プーリ５３の周囲を弧を描くように変位する。ここで、台座側プーリ５３は台座凸部１１ａと一体的であり、かつ、前記台座側プーリ５３と回転軸第１プーリ５４とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、回転軸第１プーリ５４は回転する。
【００９１】
すると、回転軸第２プーリ５５は、回転軸２１ｂに固定されているので、回転軸第１プーリ５４と一体的に回転する。そして、該回転軸第１プーリ５４と遊星機構第１伝達部５６とは線状部材によって駆動力伝達可能に連結されているので、遊星機構第１伝達部５６は回転する。遊星歯車機構の遊星キャリアである遊星機構第１伝達部５６が回転すると、遊星歯車である遊星機構第２伝達部５７は、第１関節軸２１ａの周囲を公転する。
【００９２】
この場合、太陽歯車である遊星機構第３伝達部５８は、第２駆動力用第１プーリ６１と一体的であり、かつ、該第２駆動力用第１プーリ６１が第２ワイヤ３１２を介して第２駆動モータプーリに連結されて拘束されているので、回転しない。そのため、遊星機構第２伝達部５７の公転と、上腕部１２の回転との差分として、回転が内歯車である遊星機構第４伝達部５９に生じる。すると、該遊星機構第４伝達部５９と一体的に回転する第２駆動力用第２プーリ６２にも回転が生じる。
【００９３】
このように、本実施の形態において、第２ワイヤ３１２、経路変換第２プーリ７２、経路変換第３プーリ７３及び第１関節軸２１ａは、台座凸部１１ａと一体的になっているので、上腕部１２の台座凸部１１ａに対する回転によっても位置変化が生じることがない。また、第２−２ワイヤ３２２及び経路変換第４プーリ７４は、遊星機構第４伝達部５９及び第２駆動力用第２プーリ６２と一体的になっているので、前記第１の実施の形態において説明した式（２）及び（４）をともに満足するように各伝達部の回転半径が設定されていれば、上腕部１２とともに回転する。
【００９４】
したがって、第２ワイヤ３１２及び第２−２ワイヤ３２２は、上腕部１２が台座凸部１１ａに対して回転しても捩れることがなく、第２ワイヤ３１２から第１関節部２１に入力される引張量Ｉｉｎ２と、第１関節部２１から第２−２ワイヤ３２２に出力される引張量Ｉｏｕｔ２とが等しくなる。
【００９５】
なお、前記第１〜第３の実施の形態においては、駆動力伝達用の線状部材としてワイヤを使用した例について説明したが、タイミングベルト、ゴムベルト、チェーン等を使用することもできる。
【００９６】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、関節駆動装置及び多軸マニピュレータに適用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１０ 多軸マニピュレータ
１１ 台座
１１ａ 台座凸部
１２ 上腕部
１３ 前腕部
１４ エンドエフェクタ
１５ 第１駆動モータ
２１ 第１関節部
２１ａ 第１関節軸
２２ 第２関節部
２３ 第３関節部
２４ 把持用駆動部
４１ 第１経路長補償ユニット
４２ 第１経路捩れ解消ユニット
５６ 遊星機構第１伝達部
５７ 遊星機構第２伝達部
５８ 遊星機構第３伝達部
５９ 遊星機構第４伝達部
３１１ 第１ワイヤ
３１２ 第２ワイヤ
３１３ 第３ワイヤ
３１４ 第４ワイヤ
３２２ 第２−２ワイヤ
３２３ 第２−３ワイヤ
３２４ 第２−４ワイヤ
３３３ 第３−３ワイヤ
３３４ 第３−４ワイヤ
３４４ 第４−４ワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）隣接するリンク部材同士を接続する関節部を駆動する関節駆動装置であって、
（ｂ）所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、
（ｃ）前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有することを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記経路長補償ユニットは差動機構を備える請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記差動機構は遊星歯車機構である請求項２に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する請求項１〜３のいずれか１項に記載の関節駆動装置。
【請求項５】
（ａ）複数のリンク部材と、隣接するリンク部材同士を接続する関節部とを有する多軸マニピュレータであって、
（ｂ）各関節部は、
（ｂ−１）所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、
（ｂ−２）前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを備え、
（ｃ）前記リンク部材のうちのマニピュレータ支持部材に固定されたリンク部材には、それぞれが各関節部を個別に駆動するための駆動源が配設されていることを特徴とする多軸マニピュレータ。
【請求項６】
各関節部を駆動するための駆動力伝達経路は、各リンク部材に対応して配設された駆動用の線状部材を含み、相互に独立している請求項５に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項７】
前記経路長補償ユニットは差動機構を備える請求項５又は６に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項８】
前記差動機構は遊星歯車機構である請求項７に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項９】
前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する請求項５〜８のいずれか１項に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項１】
（ａ）隣接するリンク部材同士を接続する関節部を駆動する関節駆動装置であって、
（ｂ）所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、
（ｃ）前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを有することを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記経路長補償ユニットは差動機構を備える請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記差動機構は遊星歯車機構である請求項２に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する請求項１〜３のいずれか１項に記載の関節駆動装置。
【請求項５】
（ａ）複数のリンク部材と、隣接するリンク部材同士を接続する関節部とを有する多軸マニピュレータであって、
（ｂ）各関節部は、
（ｂ−１）所定のリンク部材と次のリンク部材とを回転可能に接続する関節軸上に配設された被駆動部材であって、当該関節部の駆動用の線状部材から駆動力を受けて回転することによって所定のリンク部材に対して次のリンク部材を回転させる被駆動部材と、
（ｂ−２）前記関節軸上に配設された経路長補償ユニットであって、所定のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材からの駆動力を、次のリンク部材に対応して配設された他の関節部の駆動用の線状部材に伝達するとともに、前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の変化を吸収する経路長補償ユニットとを備え、
（ｃ）前記リンク部材のうちのマニピュレータ支持部材に固定されたリンク部材には、それぞれが各関節部を個別に駆動するための駆動源が配設されていることを特徴とする多軸マニピュレータ。
【請求項６】
各関節部を駆動するための駆動力伝達経路は、各リンク部材に対応して配設された駆動用の線状部材を含み、相互に独立している請求項５に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項７】
前記経路長補償ユニットは差動機構を備える請求項５又は６に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項８】
前記差動機構は遊星歯車機構である請求項７に記載の多軸マニピュレータ。
【請求項９】
前記経路長補償ユニットは前記他の関節部の駆動用の線状部材の経路長の捩れを吸収する請求項５〜８のいずれか１項に記載の多軸マニピュレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２１８５００（Ｐ２０１１−２１８５００Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１２３７（Ｐ２０１０−９１２３７）
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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