JP4512194B2 - Robot arm - Google Patents
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Description
本発明は、例えばヒューマノイド型ロボットに用いられる、リンク部材を折りたたむように屈曲する関節機構を備えるロボットアームに関する。 The present invention relates to a robot arm provided with a joint mechanism that bends so that a link member is folded, for example, used in a humanoid robot.
回転自由に連結されたリンク部材を折りたたむように動作する屈曲関節機構の例として、例えば特許文献1に示されるロボット関節構造がある。ここでは、ナットとネジのリンク部材を用いた屈曲関節構造が示されている。 As an example of the bending joint mechanism that operates to fold the link members that are freely connected to each other, there is a robot joint structure disclosed in Patent Document 1, for example. Here, a bent joint structure using a link member of a nut and a screw is shown.
ロボットアームは、複数のリンク部材および可動部を直列に連結した構造である。そのため、ある可動部を駆動するアクチュエータは、隣接した先端側の可動部およびアクチュエータを含めて駆動する構造となる。従って、先端から根元に近づくにつれ、累乗的に大きい駆動力を有するアクチュエータが要求される。一方、可動部におけるガタつきは、各可動部を経るごとに、先端側で累積的に増大される。また、可動部には動作のための機構部品が集中するが、これらへの人体の巻き込み等の事故にも注意を払う必要がある。 The robot arm has a structure in which a plurality of link members and a movable part are connected in series. For this reason, an actuator that drives a certain movable part has a structure that includes the movable part and the actuator on the adjacent tip side. Therefore, an actuator having a driving force that is progressively larger is required as it approaches the root from the tip. On the other hand, the backlash at the movable part increases cumulatively on the tip side as it passes through each movable part. In addition, mechanical parts for operation are concentrated on the movable part, but it is necessary to pay attention to accidents such as the human body being caught in these parts.
上記の課題を解決するため、回転自由な関節部で連結されたリンク部材で屈曲動作する構造を含むロボットアームにおいて、前記関節部を挟んで駆動モータと被駆動関節部を配置し、前記駆動モータと前記被駆動関節部はワイヤで連結され、前記関節部の屈曲軸に前記ワイヤを案内するワイヤガイドプーリを2個備え、前記ワイヤを屈曲内側と外側に振り分けて巻きつけてある関節部として、先端側の慣性重量を低減した。 In order to solve the above problems, in a robot arm including a structure that bends with a link member connected by a freely rotatable joint, a drive motor and a driven joint are arranged with the joint interposed therebetween, and the drive motor And the driven joint portion are connected by a wire, and include two wire guide pulleys for guiding the wire to the bending axis of the joint portion, and the wire is divided into a bent inner side and an outer side and wound as a joint portion, The inertia weight on the tip side was reduced.
また、前記関節部は互いに歯車で回転拘束された2つの屈曲軸で回転屈曲し、前記2つの屈曲軸はプレートで連結され、前記プレートは一方の前記屈曲軸の中心は固定であり、他方の前記屈曲軸を貫通する穴に、前記一方の屈曲軸の反対側へスリットを備え、前記スリットを閉じるように閉めることによって、前記一方の屈曲軸へ前記他方の屈曲軸を近接するプレートである関節部として、ガタを低減した。 In addition, the joint portion is rotated and bent by two bending shafts that are rotationally constrained by a gear, the two bending shafts are connected by a plate, and the center of one bending shaft of the plate is fixed, and the other A joint that is a plate that has a slit on the opposite side of the one bending axis in a hole that penetrates the bending axis and closes the other bending axis to the one bending axis by closing the slit. As part, backlash was reduced.
さらに、前記関節部の屈曲の内側と外側にカバーシートを備え、前記カバーシートは一端が前記リンク部材に固定され、他端が互いに連結されているカバーシートである関節部として、人体の巻き込み等の事故を防止する。 Furthermore, a cover sheet is provided inside and outside the bent portion of the joint, and the cover sheet is a cover sheet in which one end is fixed to the link member and the other end is connected to each other. Prevent accidents.
本発明により、ロボットアームの先端側の重量を削減できアクチュエータの小型化を図ることができる。また、関節機構の駆動負荷とガタ角度を適正化できる。さらに、機構部をカバーで覆うことにより、関節機構への人体の進入事故を防ぐことができる。 According to the present invention, the weight on the tip side of the robot arm can be reduced, and the actuator can be downsized. In addition, the driving load and backlash angle of the joint mechanism can be optimized. Further, by covering the mechanism with a cover, it is possible to prevent a human body from entering the joint mechanism.
以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。図1に、本発明に係るロボットアーム1の正面図を模式的に示す。アームの根元側から先端側に向かって、肩部2と、肩関節3と、上腕部4と、肘関節5と、前腕部6と、手首関節7と、ハンド部8とから構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a front view of a robot arm 1 according to the present invention. From the base side of the arm toward the distal end side, the shoulder portion 2, the shoulder joint 3, the upper arm portion 4, the
肩部2は肩旋回モータ21に駆動され、矢印イで示すように軸cを中心として旋回する。肩関節3は2個の肩関節モータ31に駆動され、矢印ロで示す屈曲動作と、矢印ハで示す旋回動作を行う。肘関節5は肘関節モータ51に駆動され、矢印二で示す屈曲動作を行う。手首関節7は、2個の手首関節モータ71に駆動され、矢印ホで示す屈曲動作と、矢印へで示す旋回動作を行う。なお、肘関節モータ51と手首関節モータ71は上腕部4に内蔵される。
The shoulder 2 is driven by the
具体的なロボットアーム1の肘関節5の例を、図2から図4を用いて説明する。本例に示す肘関節5は第1の屈曲軸56と第2の屈曲軸57の2カ所で屈曲する二重関節構造である。二重関節構造の利点は、肘関節5が90度を越えて屈曲したときに上腕部4と前腕部6との機構的干渉が発生しづらい点である。
A specific example of the
上腕フレーム41には、肘関節モータ51と手首関節モータ71とが固定されている。第1の屈曲軸56は肘フレーム55とは固定され、上腕フレーム41とは軸受等を介して回転自由に連結される。第2の屈曲軸57は、肘フレーム55とは軸受等を介して回転自由に、前腕フレーム61とは固定して連結される。一方、肘関節モータ51は駆動歯車52を介して、第1の歯車53を駆動する。第1の歯車53は第1の屈曲軸56と固定されている。第1の歯車53は第2の歯車54とかみ合って駆動力を伝える。第2の歯車54は第2の屈曲軸57と固定されている。このような構造において肘関節モータ51を回転すると、図4に示すように第1の屈曲軸56が角度α回転駆動されたとき、それに連動して第2の屈曲軸も前腕フレーム61に対して角度α屈曲する。また、肘ストッパ58は、上腕フレーム41と前腕フレーム61とに突き当たり、両者が略直線の関係になる位置で動作を制限する。
An
以上の肘関節5において、第1の屈曲軸56と第2の屈曲軸57とに、回転自在なワイヤガイドプーリ59を設けた。そして、ワイヤ72を介して、上腕部4に設置した手首関節モータ71の駆動力を、肘関節5を通じて手首関節7へ伝達する構造とした。すなわち、図4に示すように、第1の屈曲軸56と第2の屈曲軸57とがそれぞれ角度α屈曲したとき、第1の屈曲軸56に設けたワイヤガイドプーリ59aへのワイヤ72の巻き付き長さは、ワイヤガイドプーリ59の直径をDとしたとき、
Lw=π×D×α/360 (式1)
減少する。一方、第2の屈曲軸57に設けたワイヤガイドプーリ59bの巻き付き長さは長さL分だけ増加する。したがって、肘関節5の屈曲によりワイヤ72は引っ張りや弛みを生じない。そのため、手首関節モータ71の駆動力が肘関節5を通じて手首関節7へ伝達できる。
In the
Lw = π × D × α / 360 (Formula 1)
Decrease. On the other hand, the winding length of the
これにより、手首関節モータ71をロボットアーム1の根元側に配置することができ、ロボットアーム1の慣性重量を低減でき、駆動力の小さい小型で安価なモータを使用することができる。
As a result, the
また、第1の歯車53と第2の歯車54とバックラッシを調整可能にした。一般的に、歯車のバックラッシは少ない場合に駆動負荷が増大する一方、大きいと空転角度が増えてガタが増大する。この調整を精密かつ安価に行うため、特に図3に示される構造とした。すなわち、第1の屈曲軸56と肘フレーム55とが接触する部分において、第1の屈曲軸56を角柱とし、肘フレーム55を角穴とした。また肘フレーム55には、第2の屈曲軸57とは反対側にスリットSを設け、スリット間隔を縮めるネジ102を設けた。また、肘フレーム55の角穴と第1の屈曲軸56の角柱との間には、調整部材101を設ける構造とした。
Further, the backlash can be adjusted with the
ここで、ネジ102を締めてスリットSを縮めると、矢印トに示す向きに力が発生し、第1の屈曲軸56が第2の屈曲軸57の方向へ押しつけられる。一方、第1の屈曲軸56は調整部材101により、第2の屈曲軸57との最小距離を規制されるため、両者の軸中心距離を正確に設定することができ、第1の歯車53と第2の歯車54のバックラッシ量を適正に与えることができる。
Here, when the
これにより、駆動負荷が増大せず、ガタ角度を適正化した肘関節5を構成することができる。さらに、これらの機構部品に対して、指などの人体を巻き込まないように保護することが重要である。そこで、屈曲の内側と外側を覆うスライドカバーを設けた。なお、図2においては機構構造を示すため、点線で記載してある。
Thereby, the driving load does not increase, and the
肘関節5の屈曲の内側と外側には、プラスチック等の可撓性シート91を設けて、機構部品を覆う。可撓性シート91は前腕フレーム61に対して、固定部材93により固定される。一方、上腕フレーム41に対しては、摺動部材92によって滑らかに案内され、その一端をワイヤ94で引っ張られる。内側の可撓性シート91aと外側の可撓性シート91bとはワイヤ94を介して連結される。ワイヤ94は、上腕フレーム41に設けたシートワイヤプーリ95で滑らかに方向を転換される。
A
ここで、図4に示すように、第1の屈曲軸56および第2の屈曲軸57が角度α屈曲したとき、内側の可撓性シート91aはそれぞれの軸において、
Ls=W×tanα (式2)
の長さを短くする必要がある。一方、外側の可撓性シート91bは、長さLsだけ長くなる必要がある。前述のように、内側の可撓性シート91aと外側の可撓性シート91bとはワイヤ95で連結されているため、内側の可撓性シート91aの短縮長が外側の可撓性シート91bの延伸長に供給されて、可撓性シート91は肘関節5を覆い続けることができる。また、ワイヤ94の途中に、ばね等の弾性体96を挿入することにより、可撓性シート91を適度に張った状態に保つことができる。
Here, as shown in FIG. 4, when the
Ls = W × tan α (Formula 2)
It is necessary to shorten the length. On the other hand, the outer
なお、上記の実施形態において、肘関節5は二重関節構造として説明したが、それに限定されず、屈曲動作を行う関節部に適用可能である。
In the above embodiment, the
1…ロボットアーム、2…肩部、3…肩関節、4…上腕部、5…肘関節、6…前腕部、7…手首関節、8…ハンド部、21…肩旋回モータ、31…肩関節モータ、41…上腕フレーム、51…肘関節モータ、52…駆動歯車、53…第1の歯車、54…第2の歯車、55…肘フレーム、56…第1の屈曲軸、57…第2の屈曲軸、58…肘ストッパ、59…ワイヤガイドプーリ、61…前腕フレーム、71…手首関節モータ、72…ワイヤ、91…可撓性シート、92…摺動部材、93…固定部材、94…シートワイヤ、95…シートワイヤプーリ、96…弾性体、101…調整部材、102…ネジ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Robot arm, 2 ... Shoulder part, 3 ... Shoulder joint, 4 ... Upper arm part, 5 ... Elbow joint, 6 ... Forearm part, 7 ... Wrist joint, 8 ... Hand part, 21 ... Shoulder turning motor, 31 ... Shoulder joint Motor, 41 ... upper arm frame, 51 ... elbow joint motor, 52 ... drive gear, 53 ... first gear, 54 ... second gear, 55 ... elbow frame, 56 ... first bending axis, 57 ... second Bending shaft, 58 ... elbow stopper, 59 ... wire guide pulley, 61 ... forearm frame, 71 ... wrist joint motor, 72 ... wire, 91 ... flexible sheet, 92 ... sliding member, 93 ... fixing member, 94 ...
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