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JOINT MECHANISM, ARTICULATED MANIPULATOR USING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING THEM

Patent code P190015866
File No. S2017-0611-N0
Posted date Feb 25, 2019
Application number P2017-093787
Publication number P2018-187733A
Date of filing May 10, 2017
Date of publication of application Nov 29, 2018
Inventor
  • (In Japanese)遠藤 玄
  • (In Japanese)堀米 篤史
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人東京工業大学
Title JOINT MECHANISM, ARTICULATED MANIPULATOR USING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING THEM
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint mechanism decreased in weight, an articulated manipulator using the same, and a method of manufacturing them.
SOLUTION: A joint mechanism has a base 1; a joint (shaft) 2; and links 3-1 and 3-2 which are coupled to a serial by the joint 2, and are united with the base 1. A pulley 4 having a groove is slidably journaled to the joint 2. The link 3-2 is driven by the driving of an actuator 6 provided with a high intensity chemical fiber wire 5 wound around the pulley 4 having the groove on the base 1. A fixed end portion 5a of the high intensity chemical fiber wire 5 is fixed to the link 3-2 on the outermost side.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

過酷事故後の原子力発電所において溶融した核燃料を取り出すための遠隔操作用マニピュレータとして、超長尺超多自由度の多関節マニピュレータが必要である。

従来の多関節マニピュレータは、基台と、複数の関節と、関節によってシリアルに連結され、基台に結合された複数のリンクと、関節に軸着された複数のプーリと、プーリに少なくとも1回転して巻き架された複数の金属ワイヤと、金属ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータ(モータ)とによって構成されている(参照:非特許文献1、2、特許文献1)。たとえば、図15に示すごとく、多数のリンク101-1、101-2、…(3つのみ図示)は各関節(軸)102-1、102-2、…によってシリアルに回転可能に連結されて基台103に固定リンク101-0を介して結合されている。関節102-1にはプーリ104(1、1)、104(1、2)、104(1、3)が摺動自在に軸着され、関節102-2にはプーリ104(2、2)、104(2、3)が摺動自在に軸着され、関節102-3にはプーリ104(3、3)が摺動自在に軸着されている。金属ワイヤ105-1はプーリ104(1、1)に1回転巻き架され、金属ワイヤ105-1の固定端部105-1aはリンク101-1に固定されている。つまり、プーリ104(1、1)の回転と共にリンク101-1も回転するようになっている。また、金属ワイヤ105-2はプーリ104(1、2)、104(2、2)に1回転巻き架され、金属ワイヤ105-2の固定端部105-2aはリンク101-2に固定されている。つまり、プーリ104(2、2)の回転と共にリンク101-2も回転するようになっている。さらに、ワイヤ105-3はプーリ104(1、3)、104(2、3)、104(3、3)に1回転巻き架され、金属ワイヤ105-3の固定端部105-3aはリンク101-3に固定されている。つまり、プーリ104(3、3)の回転と共にリンク101-3も回転するようになっている。尚、多数のリンク101-1、101-2、…の重量の増加を抑制するために、金属ワイヤ105-1、105-2、…を介して各リンク101-1、101-2、…を駆動するためのアクチュエータ(モータ)106-1、106-2、…は多関節マニピュレータの基台103内に設けている。

図15において、たとえば、アクチュエータ106-3を金属ワイヤ105-3を巻き取るように駆動させると、リンク101-1、101-2、101-3は同時に上昇する。また、さらにアクチュエータ106-1を金属ワイヤ105-1を巻き取るように駆動させると、リンク101-1のみが上昇する。

金属ワイヤ105-1、105-2、105-3の固定端部105-1a、105-2a、105-3aのリンク101-1、101-2、101-3への固定法は図16に示すごとく、クランプ法、カシメ加工法等で行われるが、金属ワイヤ105-1、105-2、105-3(たとえばステンレス)の摩擦係数は大きいので、固定端部105-1a、105-2a、105-3aの強度効率を95~100%と大きくできる(参照:機械設計便覧、金属ワイヤロープの端部処理法)。従って、固定端部105-1a、105-2a、105-3aが破断、滑り抜ける等の恐れは少ない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は手先出力が大きく細長いアームの超長尺超多自由度の多関節マニピュレータ及びその製造方法、特に、関節機構及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
基台と、
複数の関節と、
前記関節によってシリアルに連結され、前記基台に結合された複数のリンクと、
前記関節に摺動可能に軸着された複数のプーリと、
前記プーリに巻き架された複数の軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤと、
前記各高強度化学繊維ワイヤの張力を調整するための複数のアクチュエータと
を具備し、
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤが巻き架された最外側のプーリは溝付きプーリとし、
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部は前記最外側のリンクに固定されている多関節マニピュレータ。

【請求項2】
 
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤは高強度化学繊維よりなる請求項1に記載の多関節マニピュレータ。

【請求項3】
 
前記高強度化学繊維は高強度ポリエチレン、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、PBO繊維及び炭素繊維のいずれか1つである請求項2に記載の多関節マニピュレータ。

【請求項4】
 
前記溝付きプーリは溝角度及び溝底径によって定義された溝を有する請求項1に記載の多関節マニピュレータ。

【請求項5】
 
溝付きプーリと、
前記溝付きプーリに巻き架された軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤと
前記溝付きプーリに回転可能に結合され、前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部が固定されたリンクと
を具備する関節機構。

【請求項6】
 
前記各軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤは高強度化学繊維よりなる請求項5に記載の関節機構。

【請求項7】
 
前記高強度化学繊維は高強度ポリエチレン、パラ系アラミド繊維、ポリアリレート繊維、PBO繊維及び炭素繊維のいずれか1つである請求項6に記載の関節機構。

【請求項8】
 
前記溝付きプーリは溝角度及び溝底径によって定義された溝を有する請求項5に記載の関節機構。

【請求項9】
 
請求項1に記載の多関節マニピュレータの製造方法であって、
前記溝付きプーリの直径Dと前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dとの比D/dが所定値以上である前記溝付きプーリの直径D及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dを決定するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部の強度効率を評価するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤを前記溝付きプーリに巻き付けた場合の強度効率に応じて前記溝付きプーリの溝構造を決定するための工程と、
前記溝構造が決定された前記溝付きプーリに対する前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの疑似摩擦係数を測定するための工程と、
前記疑似摩擦係数及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤによる摩擦力による前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの張力減衰率に応じて前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの前記溝付きプーリの巻き付け角度を演算するための工程と
を具備する多関節マニピュレータの製造方法。

【請求項10】
 
請求項5に記載の関節機構の製造方法であって、
前記溝付きプーリの直径Dと前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dとの比D/dが所定値以上である前記溝付きプーリの直径D及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの直径dを決定するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの固定端部の強度効率を評価するための工程と、
前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤを前記溝付きプーリに巻き付けた場合の強度効率に応じて前記溝付きプーリの溝構造を決定するための工程と、
前記溝構造が決定された前記溝付きプーリに対する前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの疑似摩擦係数を測定するための工程と、
前記疑似摩擦係数及び前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤによる摩擦力による前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの張力減衰率に応じて前記軽量高強度低摩擦係数材料ワイヤの前記溝付きプーリの巻き付け角度を演算するための工程と
を具備する関節機構の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017093787thum.jpg
State of application right Published
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