關節構造體及機器人手臂的製作方法

2023-06-01 07:21:36

專利名稱：關節構造體及機器人手臂的製作方法
技術領域：
本發明涉及可以應用於機器人手臂等機械裝置的關節機構中的關節構造體及具備該關節構造體的機器人手臂。
背景技術：
以往，在多關節的機器人手臂中，通常為將驅動關節的促動器配設於關節部或其附近的構造，然而此種構造中，由於在人形手臂的手腕等靠近手指的部分配設重量大的電動機等，因此手指的慣性變大，成為手指的位置控制性能提高的阻礙，或在碰撞時帶來很大的衝擊，在安全方面是必須考慮的。
針對此種問題，開發出如下的金屬線驅動方式的機器人手臂，即，在遠離所要驅動的關節而靠近基部的部分配設促動器，利用金屬線來傳遞驅動力。金屬線驅動方式的機器人手臂由於可以將手指輕量化地構成，因此具有能夠高速驅動等優良的特徵。
但是，金屬線驅動方式的機器人手臂中，為了進一步減小手指側的慣性，在安裝了手臂的作為底座部的軀體部上配設促動器，在驅動手腕部等時，增長金屬線的纏繞距離的情況下，就需要在途中跨越人形手臂的肘等關節而配設金屬線。該情況下，當位於途中的關節的運動被驅動時，則會產生如下等問題，即，金屬線的路徑長度發生變化，由金屬線驅動的手腕等的末梢的部分的關節的運動受到影響。
針對該問題，在專利文獻1(專利第3290709號公報)中，公布了具有以偏離關節的旋轉中心的方式配設的一對導輪的構成。另外，專利文獻2(特公平6-77914號公報)中，公布了具有旋轉中心伴隨著關節的運動而旋轉運動的金屬線導輪的構成。
但是，所述專利文獻1的構成中，無法完全地去除由關節的運動造成的金屬線的路徑長度的變化，途中的關節的旋轉角度越大，則路徑長度的變化就越大。另外，所述專利文獻2的構成中，由於當伴隨著關節的旋轉，產生金屬線導輪的旋轉運動時，則在將關節彎曲的狀態下，在金屬線被向頭端側手臂構件的方向彎曲之前，金屬線的路徑被金屬線導輪向與頭端側手臂構件相反的方向彎曲，因此就無法使得無論關節如何運動，都將金屬線的路徑保持一定。

發明內容
本發明的目的在於，解決所述以往的關節機構的問題，提供能夠完全不受關節的運動的影響地傳遞驅動力的關節構造體及具備該關節構造體的機器人手臂。
為了達成所述目的，本發明如下所示地構成。
根據本發明的第一方式，提供一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪；配設於所述第一構造體上，並且具有圓弧部分的固定導引；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；以所述旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述固定導引的順序跨設的金屬線；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
根據本發明，可以不受所述旋轉關節的旋轉運動影響，將配設於第一構造體上的第二驅動裝置(例如直動式促動器)的驅動力跨越旋轉關節向手腕等的末梢部分(例如手)傳遞。
所以，可以將驅動機器人手臂的手腕等的運動的促動器之類的第二驅動裝置配設於機器人手臂的基部側，從而能夠使機器人手臂的頭端側的慣性變小，對於位置控制或力控制的控制性能提高，並且能夠使其高速地動作。另外，由於慣性小，因此動能也變小，碰撞時的安全性也會提高。


本發明的這些以及其他目的和特徵將由有關針對附圖的優選的實施方式的如下的記述來闡明。該附圖中，圖1A是表示將本發明的第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的俯視圖。
圖1B是表示將本發明的第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的仰視圖。
圖2是表示本發明的第一實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖3是表示作為本發明的第一實施方式的關節構造體的驅動裝置的一個例子可以構成直動式促動器組的氣動人造肌肉的構造的圖。
圖4是表示用於驅動所述氣動人造肌肉的壓縮氣供給驅動系統的構成的圖。
圖5A是表示將本發明的第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的動作的側視圖。
圖5B是表示將本發明的第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的動作的側視圖。
圖6A是表示第一直動式促動器動作時的本發明的第一實施方式的關節構造體的金屬線引導動作的圖。
圖6B是表示第二直動式促動器動作時的本發明的第一實施方式的關節構造體的金屬線引導動作的圖。
圖7是表示本發明的第二實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖8是表示本發明的第三實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖9A是表示將本發明的第四實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的側視圖。
圖9B是表示將本發明的第四實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的側視圖。
圖10是表示本發明的第四實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖11是表示本發明的第四實施方式的關節構造體的動作的圖。
圖12是表示將本發明的第五實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的俯視圖。
圖13是表示本發明的第五實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖14是表示本發明的第五實施方式的關節構造體的動作的圖。
圖15是表示將本發明的第六實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的俯視圖。
圖16是表示本發明的第六實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。
圖17是表示本發明的第六實施方式的關節構造體的動作的圖。
圖18A是表示將本發明的其他實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的側視圖。
圖18B是表示將本發明的其他實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的大致整體的仰視圖。
圖19A是本發明的第七實施方式的關節機構的金屬線引導機構的構造，是夾子打開狀態的整體圖。
圖19B是本發明的第七實施方式的關節機構的金屬線引導機構的構造，是夾子關閉狀態的整體圖。
圖19C是本發明的第七實施方式的關節機構的金屬線引導機構的構造，是夾子擺動狀態的整體圖。
圖20是表示本發明的第七實施方式的關節機構的金屬線引導機構的構造的立體圖。
具體實施例方式
在繼續本發明的記述之前，在附圖中對相同部件使用相同的參照符號。
以下，在基於附圖對本發明的實施方式進行詳細說明之前，對本發明的各種方式進行說明。
根據本發明的第一方式，提供一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪；配設於所述第一構造體上，並且具有圓弧部分的固定導引；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；以所述旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述固定導引的順序跨設的金屬線；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
根據本發明的第二方式，提供如下的第一方式中所述的關節構造體，其特徵是，所述固定導引是作為固定於所述第一構造體上的構件的一部分而構成的。
根據本發明的第三方式，提供如下的第一方式中所述的關節構造體，其特徵是，所述可動旋轉導輪是將導引槽位於與包含所述旋轉導輪的導引槽的平面相同面內的第一可動旋轉導輪、導引槽位於與包含所述固定導引的導引槽的平面相同面內的第二可動旋轉導輪一體化構成的構造。
根據本發明的第四方式，提供如下的第一方式中所述的關節構造體，其特徵是，所述可動旋轉導輪具有位於與包含所述旋轉導輪的導引槽的平面相同面內的第一導引槽、位於與包含所述固定導引的導引槽的平面相同面內的第二導引槽。
根據本發明的第五方式，提供一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；第一旋轉導輪和第二旋轉導輪，其被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地分別配設於所述第一構造體或第二構造體上，並且可以相互相對地旋轉；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；被可以自由旋轉地配設於所述第二構造體上的輔助旋轉導輪；金屬線，其被以所述第一旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述第二旋轉導輪、所述輔助旋轉導輪的順序跨設，並且將兩個端部固定於所述第二驅動裝置上；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
根據本發明的第六方式，提供一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的第三旋轉導輪；被可以自由旋轉地配設於所述第二構造體上的第四旋轉導輪；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離；金屬線，其被以所述第三旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述第四旋轉導輪的順序跨設，並且將一個端部固定於所述第二驅動裝置上，將另一個端部固定於所述第四旋轉導輪上，並且具備第一平行連杆，其一個端部由所述第一構造體自由旋轉地支承；第二平行連杆，其一個端部與所述第一平行連杆的另一個端部自由旋轉地連結，另一個端部被固定於所述第四旋轉導輪上，構成以所述第一平行連杆的所述一個端部被支承在所述第一構造體上的部分、所述第一平行連杆的所述另一個端部與所述第二平行連杆的所述一個端部所被連結的部分、所述第二平行連杆的所述另一個端部與所述第四旋轉導輪所被固定的部分、所述第四旋轉導輪的自由旋轉地配設於所述第二構造體上的部分作為四個支點的四節平行連杆構造，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第三旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
根據本發明的第七方式，提供一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離；金屬線，其被以所述旋轉導輪、所述可動旋轉導輪的順序跨設，並且將一個端部固定於所述第二驅動裝置上，將另一個端部固定於所述可動旋轉導輪上，並且具備第一平行連杆，其一個端部由所述第一構造體自由旋轉地支承；第二平行連杆，其一個端部與所述第一平行連杆的另一個端部自由旋轉並且自由滑動地連結，另一個端部被固定於所述可動旋轉導輪上，構成以所述第一平行連杆的所述一個端部被支承在所述第一構造體上的部分、所述第一平行連杆的所述另一個端部與所述第二平行連杆的所述一個端部所被連結的部分、所述第二平行連杆的所述另一個端部與所述可動旋轉導輪所被固定的部分、所述旋轉導輪的自由旋轉地配設於所述第二構造體上的部分作為四個支點的四節平行連杆構造，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
根據本發明的第八方式，提供一種機器人手臂，其特徵是，具備第一～第七方式的任意一項中所述的關節構造體、配置於所述第二構造體的與所述旋轉關節側相反一側的頭端的手、將所述可動旋轉導輪與所述手連結的手驅動用金屬線，通過使所述可動旋轉導輪在所述第二構造體上相對地可動，而利用所述手驅動用金屬線將所述手相對於所述第二構造體旋轉驅動。
以下，將基於附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。
(第一實施方式)
圖1A及圖1B是表示本發明的第一實施方式的關節構造體的整體圖。圖1A及圖1B中，以將第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂100中的情況為例而表示了構造。
圖1A及圖1B中，1為棒狀的第一構造體，形成機器人手臂100的上臂部。2為棒狀的第二構造體，形成機器人手臂100的前臂部。第一構造體1和第二構造體2由第一旋轉關節3連接，第一構造體1和第二構造體2能夠以第一旋轉關節3的旋轉軸3a為中心進行正反旋轉。作為一個例子，如圖1B所示，第二構造體2的第一旋轉關節側端部被製成分支為兩股的分支部2a，在該分支部2a內夾入第一構造體1的下端部，從而與關節軸3a相對自由旋轉地連接。
4-1、4-2分別作為第一驅動裝置的一個例子，是能夠構成第一直動式促動器的例如氣動人造肌肉等2條第一直動式促動器，在固定於第一構造體1的上端部的支承板1a上分別固定2條第一直動式促動器4-1、4-2的上端部。通過將2條第一直動式促動器4-1、4-2的下端部分別自由旋轉地連接在將各自的基端部固定於第二構造體2上的旋轉接頭5-1、5-2的轉動端，而將2條第一直動式促動器4-1、4-2與第一構造體和第二構造體連接，驅動第一構造體1與第二構造體2在第一旋轉關節3中的正反旋轉運動。即，棒狀的旋轉接頭5-1、5-2的基端部被固定於第二構造體2上，在該接頭5-1、5-2的頭端部自由旋轉地連結第一直動式促動器4-1、4-2的下端部。旋轉接頭5-1和接頭5-2被相對於第一旋轉關節3的旋轉軸3a對稱地配置，其結果是，當第一直動式促動器4-1的下端部上升，並且第一直動式促動器4-2的下端部下降時，則第二構造體2就會繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a順時針轉動。另一方面，與之相反，當第一直動式促動器4-1的下端部下降，並且第一直動式促動器4-2的下端部上升時，則第二構造體2就會繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a逆時針轉動。
6-1、6-2(圖1A中雖然因重合而未圖示，然而將眼前側的第二直動式促動器設為6-1，將裡側的第二直動式促動器設為6-2)分別作為第二驅動裝置的一個例子，是能夠構成第二直動式促動器的例如氣動人造肌肉或電動機、氣缸等2條直動式促動器，利用2條第二直動式促動器6-1、6-2，來拉伸驅動將各自的端部固定於第二直動式促動器6-1、6-2的下端的手臂彎曲用金屬線7-1、7-2。
構成所述直動式促動器4-1、4-2、6-1、6-2的各條氣動人造肌肉如圖3所示，形成如下的構造，即，在由橡膠材料構成的管狀彈性體15的外表面，配設由纖維繩構成的束縛構件16，將管狀彈性體15的兩個端部用密封構件17分彆氣密性密封。當通過穿過設於管狀彈性體15的一方的端部的密封構件17上的流體注入流出構件18，將空氣等壓縮性流體向管狀彈性體15內供給，而對管狀彈性體15的內部空間賦予內壓時，則管狀彈性體15就會主要沿半徑方向膨脹，然而因束縛構件16的作用而被變換為管狀彈性體15的中心軸方向的運動，管狀彈性體15的全長收縮。該氣動人造肌肉由於主要由彈性體構成，因此具有如下特徵，即，具有柔軟性，是安全而輕質的促動器。
8-1、8-2是帶有導引槽8a的旋轉導輪，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a同軸，並且藉助軸承等在旋轉軸3a上自由旋轉地配設於第二構造體2上，可以相對於第二構造體2繞著旋轉軸3a自由旋轉運動。圖1A中，裡側的旋轉導輪8-2由於處於眼前側的旋轉導輪8-1的影部而並未圖示，但是被顯示於圖1B中。
9-1、9-2是作為固定導引的一個例子的帶有導引槽9a的固定導輪，半徑與旋轉導輪8-1、8-2相等，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a同軸，並且分別處於旋轉導輪8-1、8-2的外側地配設。該固定導輪9-1、9-2在旋轉軸3a處被固定於第一構造體1上，在固定導輪9-1、9-2與第一構造體1之間不產生相對的旋轉運動。圖1A中，由於裡側的固定導輪9-2處於眼前側的固定導輪9-1的影部，因此並未圖示，但是被顯示於圖1B中。而且，旋轉軸3a分別被固定於第二構造體2上。
10-1、10-2是配置於第二構造體2的中間部分的帶有導引槽10a的可動旋轉導輪，被配設於杆11-1的上端部和杆的下端部11-2，可以繞著旋轉軸10-1a、10-2a旋轉。杆11-1的下端部及杆11-2的上端部被配設於夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，杆11-1的下端部及杆11-2的上端部能夠以支點11-1a、11-2a為中心而進行擺動運動。
12是用於握持物品等的手，由第二旋轉關節13與第二構造體2連接，能夠相對於第二構造體2繞著旋轉軸13a相對地進行擺動運動。
14-1、14-2是手驅動用金屬線，端部分別固定於可動旋轉導輪10-1、10-2的旋轉軸10-1a、10-2a上，另一方的端部被固定於以手12的關節軸13a為中心而對稱的位置上。
下面，使用圖2對經由旋轉導輪8-1、固定導輪9-1、可動旋轉導輪10-1的手臂彎曲用金屬線701的路徑進行說明。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地跨繞(參照圖1B)，但是在以下的說明中，對於導引槽省略說明。
將一端固定於第一直動式促動器6-1的下端的手臂彎曲用金屬線7-1被導向旋轉導輪8-1，在被旋轉導輪8-1將路徑彎曲後(參照箭頭(1))，在圖2的紙面上從第一旋轉關節3的關節軸3a的下方導向可動旋轉導輪10-1和可動旋轉導輪10-1的圖2的紙面上下方側(參照箭頭(2))。其後，手臂彎曲用金屬線7-1被可動旋轉導輪10-1將方向轉換地彎曲(參照箭頭(3))，從可動旋轉導輪10-1的圖2的紙面上上方側導向固定導輪9-1的圖2的紙面上上方側(參照箭頭(4))。其後，在手臂彎曲用金屬線7-1沿著固定導輪9-1的外周行進後(參照箭頭(5))，利用金屬線固定銷栓7p將手臂彎曲用金屬線7-1的端部固定於固定導輪9-1上。
由於經由旋轉導輪8-2、固定導輪9-2、可動旋轉導輪10-2的手臂彎曲用金屬線7-2的路徑也與所述的手臂彎曲用金屬線7-1的路徑相同，因此省略詳細的說明。
圖4是表示用於驅動氣動人造肌肉的壓縮氣供給驅動系統的構成的圖。圖4中，19例如為壓縮機等壓縮氣源，20是氣動過濾器20a、氣動減壓閥20b及氣動用潤滑器20c構成一組的氣動調整組件。21是通過用例如電磁鐵的力驅動滑閥等來控制流量的五埠流量控制電磁閥。22是例如由一般的個人計算機構成的控制計算機，搭載有D/A板22a，通過向五埠流量控制電磁閥21輸出電壓指令值，就能夠控制流過各個流體注入流出構件18的各個空氣的流量。
根據圖4所示的壓縮氣供給驅動系統，由壓縮氣源19生成的高壓空氣被氣動調整組件20減壓，例如被調整為600kPa這樣的一定壓力，向五埠流量控制電磁閥23供給。五埠流量控制電磁閥21的開度被與從控制計算機22經由D/A板22a輸出的電壓指令值成比例地控制。在五埠流量控制電磁閥21上，分別連接有一對氣動人造肌肉201-1、201-2的管狀彈性體15的流體注入流出構件18。一對氣動人造肌肉201-1、201-2被沿著支承棒203大致平行地配置，各自的管狀彈性體15的流體注入流出構件18側的端部被固定在固定於支承棒203的端部的支承板202上。一對氣動人造肌肉201-1、201-2的管狀彈性體15的另一方的端部側，支承有T字形的轉動構件204，其由旋轉關節軸200自由旋轉地支承於支承棒203上，在該轉動構件204上自由旋轉地支承一對氣動人造肌肉201-1、201-2的各自的管狀彈性體15的另一方的端部。所以，通過如下所述那樣，一對氣動人造肌肉201-1、201-2的各自的管狀彈性體15進行伸縮，就可以將轉動構件204繞著旋轉關節軸200正反旋轉驅動。
在由控制計算機22經由D/A板22a向五埠流量控制電磁閥21輸入了正的電壓指令值的情況下，如圖4所示，變為氣動迴路記號的A處所示的狀態，從壓縮氣源21側朝向氣動人造肌肉201-1的管狀彈性體15的流體注入流出構件18側的流路經由五埠流量控制電磁閥21而開通，向氣動人造肌肉201-1側供給與電壓指令值的絕對值成比例的流量的空氣。另外，對於氣動人造肌肉201-2側，從管狀彈性體15的流體注入流出構件18朝向大氣壓側的流路經由五埠流量控制電磁閥21而開通，將與電壓指令值的絕對值成比例的流量的空氣流從氣動人造肌肉201-2側向大氣中排出。所以，如圖4所示，因氣動人造肌肉201-1的全長縮短，氣動人造肌肉201-2的全長伸長，關節軸200就以與電壓指令值的絕對值成比例的速度如箭頭所示地進行右轉運動。
另一方面，在由控制計算機22經由D/A板22a向五埠流量控制電磁閥21輸入了負的電壓指令值的情況下，五埠流量控制電磁閥21被切換，變為氣動迴路記號的B處所示的狀態，氣動人造肌肉201-2的動作反轉，關節軸200進行左轉運動。即，從壓縮氣源19側朝向氣動人造肌肉201-2的管狀彈性體15的流體注入流出構件18側的流路經由五埠流量控制電磁閥21而開通，向氣動人造肌肉201-2側供給與電壓指令值的絕對值成比例的流量的空氣。另外，對於氣動人造肌肉201-1側，從管狀彈性體15的流體注入流出構件18朝向大氣壓側的流路經由五埠流量控制電磁閥21而開通，將與電壓指令值的絕對值成比例的流量的空氣流從氣動人造肌肉201-1側向大氣中排出。所以，因氣動人造肌肉201-2的全長縮短，氣動人造肌肉201-1的全長伸長，關節軸200就以與電壓指令值的絕對值成比例的速度進行與箭頭相反方向所示的左轉運動。
對於具有以上的構成的金屬線引導機構的關節構造體的動作進行說明。
圖5A、圖5B是分別表示將本發明的第一實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的動作的圖。
如上所述，第一直動式促動器4的2條第一直動式促動器4-1、4-2由旋轉接頭5-1、5-2與第二構造體2連接，使得圖1A的左側的第一直動式促動器4-1與圖1A的右側的另一個第一直動式促動器4-2夾隔第一構造體1地在第一旋轉關節3處相面對。所以，如果圖1A的左側的第一直動式促動器4-1伸展，圖1A的右側的另一個第一直動式促動器4-2收縮，則如圖5A所示，產生繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動。相反，如果圖1A的左側的第一直動式促動器4-1收縮，圖1A的右側的另一個第一直動式促動器4-2伸展，則產生繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的順時針方向的旋轉運動。
這裡，本發明的第一實施方式的特徵在於以下方面，即，利用旋轉導輪8-1、8-2、固定導輪9-1、9-2、可動旋轉導輪10-1、10-2來引導手臂彎曲用金屬線7-1、7-2。使用圖6A及圖6B來說明其作用。
如上所述，在因第一直動式促動器4-1、4-2的動作，如圖5A所示，產生第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動的情況下，如圖6A的箭頭A所示，產生可動旋轉導輪10-1相對於旋轉導輪8-1、固定導輪9-1的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的相對的旋轉運動。此時，手臂彎曲用金屬線7-1繞在旋轉導輪8-1的圓周部上的量會增加相當於角度α的圓周量，減少相當於角度β的圓周量，然而手臂彎曲用金屬線7-1被箭頭B所示的可動旋轉導輪10-1的繞著旋轉軸10-1a的順時針的旋轉運動所引導，從而使得作為相當於角度α的圓周量的增加量和作為相當於角度β的圓周量的減少量相互抵消掉。另外，由於角度α＝角度β，因此結果旋轉導輪8-1與可動旋轉導輪10-1的距離L不會變化。所以，就不會產生繞著杆11-1的支點11-1a的相對於第二構造體2的相對的旋轉運動。
以上的金屬線引導動作在利用旋轉導輪8-2、固定導輪9-2、可動旋轉導輪10-2實現的手臂彎曲用金屬線7-2的引導中也相同。
所以，就不會因由第一直動式促動器4的動作造成的第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的旋轉運動，而產生利用手驅動用金屬線14-1、手驅動用金屬線14-2與杆11-1、11-2連接了的手12的相對於第二構造體2的繞著第二旋轉關節13的相對的旋轉運動。
另一方面，在使第二直動式促動器6-1收縮，使第二直動式促動器6-2伸展的情況下，手臂彎曲用金屬線7-1被如圖6B的箭頭C所示地拉伸，旋轉導輪8-1如箭頭D所示，繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a進行順時針方向的旋轉運動，將手臂彎曲用金屬線7-1向第二直動式促動器6-1側送出。但是，由於手臂彎曲用金屬線7-1被固定於固定導輪9-1上(參照圖2)，因此可動旋轉導輪10-1就在如箭頭E所示，繞著旋轉軸10-1a進行順時針方向的旋轉運動的同時，如箭頭F所示，進行與旋轉導輪8-1一方靠近的運動，旋轉導輪8-1與可動旋轉導輪10-1的距離L例如被從運動前的距離L1縮短為距離L2(其中，L1＞L2)。所以，如圖5B所示，杆11-1進行繞著支點11-1a的相對於第二構造體2的逆時針的相對的旋轉運動。相反，在利用旋轉導輪8-2、固定導輪9-2、可動旋轉導輪10-2進行的手臂彎曲用金屬線7-2的引導中，如圖5B所示，杆11-2進行繞著支點11-2a的相對於第二構造體2的順時針的相對的旋轉運動。
所以，如圖5B所示，利用手驅動用金屬線14-1、手驅動用金屬線14-2與杆11-1、11-2連接的手12進行相對於第二構造體2的繞著第二旋轉關節13的逆時針的相對旋轉運動。
如上所述，根據本發明的第一實施方式的關節構造體，通過形成利用旋轉導輪8-1、8-2、固定導輪9-1、9-2、可動旋轉導輪10-1、10-2來引導手臂彎曲用金屬線7-1、7-2的構成，就可以不受繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的旋轉運動影響，將配設於第一構造體1上的第二直動式促動器6的驅動力穿過第一旋轉關節3向機器人手臂100的頭端側傳遞。
所以，就可以將驅動繞著第二旋轉關節13的運動的促動器像第二直動式促動器6那樣，配設於機器人手臂100的基部側，使得機器人手臂100的頭端側的慣性變小，對位置控制或力控制的控制性能提高，並且還能夠使之高速地動作。另外，由於慣性小，因此動能也變小，碰撞時的安全性也提高。
而且，該第一實施方式中，作為一個例子，第二構造體2可以相對於第一構造體1，從圖1A的姿勢開始，繞著旋轉軸3a沿順時針方向及逆時針方向各旋轉60度左右，手12也可以相對於第二構造體2，從圖1A的姿勢開始，繞著旋轉軸3a沿順時針方向及逆時針方向各旋轉60度左右。
(第二實施方式)圖7是表示本發明的第二實施方式的關節構造體的構造的立體圖。圖7中僅記載了主要的部分，其他的構成由於與圖1A及圖1B的第一實施方式相同，因此省略。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地(與圖1B相同)跨繞，但是在以下的說明及對應的圖中，為了簡化起見，對於導引槽進行了省略。
圖7中，23-1是第一可動旋轉導輪，24-2是第二可動旋轉導輪。第一可動旋轉導輪23-1與第二可動旋轉導輪24-1為相同半徑，並且被相互固定而一體化地繞著旋轉軸10-1a進行旋轉運動，是取代第一實施方式的可動導輪10-1的構件。另外，第一可動旋轉導輪23-1被配設於與旋轉導輪8-1相同的平面上，第二可動旋轉導輪24-1被配設於與固定導輪9-1相同的平面上。
下面，對第二實施方式的關節構造體的金屬線的路徑進行說明。這裡，第一實施方式的手臂彎曲用金屬線7-1被分為手臂彎曲用第一金屬線27A-1和手臂彎曲用第二金屬線27B-1。即，手臂彎曲用第一金屬線27A-1在被架設於旋轉導輪8-1上(參照箭頭(1))，彎曲了方向後(參照箭頭(2))，被架設於第一可動旋轉導輪23-1上(參照箭頭(3A))，在第一可動旋轉導輪23-1的圓周上的金屬線固定點25-1處將端部固定。
另外，在第二可動旋轉導輪24-1的圓周上的金屬線固定點26-1上，固定手臂彎曲用第二金屬線27B-1的端部，在將手臂彎曲用第二金屬線27B-1跨繞在第二可動旋轉導輪24-1上後(參照箭頭(3B))，導向固定導輪9-1側(參照箭頭(4))，之後被跨繞在固定導輪9-1上(參照箭頭(5))，手臂彎曲用第二金屬線27B-1的另一個端部被固定於固定導輪9-1的金屬線固定點28-1上。
在夾隔第二構造體2處於相反一側的位置上，由第一可動旋轉導輪23-2、第二可動旋轉導輪24-2、手臂彎曲用第一金屬線27A-2和手臂彎曲用第二金屬線27B-2構成與以上的構成相同的構成，是取代第一實施方式的可動旋轉導輪10-2的構件。
根據以上所說明的本發明的第二實施方式的關節構造體，通過配設第一可動旋轉導輪23-1、23-2和第二可動旋轉導輪24-1、24-2，手臂彎曲用第一金屬線27A-1、27A-2和手臂彎曲用第二金屬線27B-1、27B-2的路徑就被分別集中於一個平面內，在導輪間不存在手臂彎曲用金屬線被斜向跨設的部位，可以減少手臂彎曲用金屬線從導輪上脫落的危險性，能夠更為可靠地使機器人手臂100動作。
(第三實施方式)圖8是表示本發明的第三實施方式的關節構造體的構造的立體圖。圖8中僅記載了主要的部分，其他的構成由於與圖1A及圖1B的第一實施方式相同，因此省略。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地(與圖1B相同)跨繞，但是在以下的說明及對應的圖中，為了簡化起見，對於導引槽進行了省略。
第三實施方式的關節構造體與第一實施方式的關節構造體相比，固定導輪29-1的部分的構成不同。固定導輪29-1並不是像第一實施方式的關節構造體的固定導輪9-1、9-2那樣為圓板形狀，而是僅將手臂彎曲用金屬線7-1所接觸的部分附近製成圓弧狀，形成了引導手臂彎曲用金屬線7-1的槽。在該固定導輪29-1的圓弧狀的部分上，與圖2相同，例如以箭頭(1)～(5)的順序跨繞了手臂彎曲用金屬線7-1。
根據如上所示的構成，由於例如通過將第一構造體1的一部分或固定於第一構造體1上的其他部件的一部分製成圓弧狀，就可以構成固定導輪29-1，因此就不需要用於固定導輪29-1的專用的部件，能夠實現部件數目的削減或小型化。
(第四實施方式)圖9A及圖9B是表示將本發明的第四實施方式的關節機構的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的整體圖。
圖9A及圖9B中，30-1、30-2是第一旋轉導輪，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a同軸地自由旋轉地配設於第一構造體1或第二構造體2上，可以藉助軸承繞著旋轉軸3a自由地旋轉運動。圖9A及圖9B中，裡側的第一旋轉導輪30-2由於處於眼前側的第一旋轉導輪30-1的影部，因此並未圖示。
31-1、31-2為第二旋轉導輪，半徑與第一旋轉導輪30-1、30-2相等，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a及第一旋轉導輪30-1、30-2的旋轉軸同軸地自由旋轉地配設，可以藉助軸承等繞著旋轉軸3a自由地旋轉運動，另外，也可以相對於第一旋轉導輪30-1、30-2相對地旋轉運動。圖9A及圖9B中，由於裡側的第二旋轉導輪31-1、31-2處於眼前側的第二旋轉導輪31-1的影部，因此並未圖示。
32-1、32-2是藉助軸承等相對於旋轉軸32-1a、32-2a自由旋轉地配設於第一構造體1上的輔助旋轉導輪，在第二直動式促動器6-1、6-2的下端與第二旋轉導輪31-1、31-2的大致中間部的夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被相對於第一構造體1自由旋轉地配設，能夠自由地旋轉運動。圖9A及圖9B中，由於裡側的輔助旋轉導輪32-2處於眼前側的輔助旋轉導輪32-1的影部，因此並未圖示。
下面，使用圖10對第四實施方式的關節構造體的金屬線的路徑進行說明。圖10是表示本發明的第四實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地(與圖1B相同)跨繞，但是在以下的說明及對應的圖中，為了簡化起見，對於導引槽進行了省略。
將一個端部固定於第二直動式促動器6-1的下端部的手臂彎曲用金屬線7-1被導向第一旋轉導輪30-1，在被第一旋轉導輪30-1將路徑彎曲後(參照箭頭(11))，從圖10的紙面上第一旋轉關節3的關節軸3a的下方導向可動旋轉導輪10-1(參照箭頭(12))，繼而被導向可動旋轉導輪10-1的圖10的紙面上的下方側。其後，手臂彎曲用金屬線7-1被可動旋轉導輪10-1將方向轉換地彎曲(參照箭頭(13))，從可動旋轉導輪10-1的圖10的紙面上的下方側導向第二旋轉導輪31-1的圖10的紙面上的上方側(參照箭頭(14))。其後，手臂彎曲用金屬線7-1沿著第二旋轉導輪31-1的外周纏繞大致一周(參照箭頭(15))，從圖10的紙面上的上方側導向輔助旋轉導輪32-1的紙面上的下方側(參照箭頭(16))。導向輔助旋轉導輪32-1的手臂彎曲用金屬線7-1因沿著輔助旋轉導輪32-1的外周行進，而被改變了朝向(參照箭頭(17))，導向紙面上的上方，最後，該手臂彎曲用金屬線7-1的另一個端部被固定於與固定了手臂彎曲用金屬線7-1的所述一個端部的第二直動式促動器6-1的下端部大致相同的部位。
在夾隔第二構造體2處於相反一側的位置上，由第一旋轉導輪30-2、第二旋轉導輪31-2、輔助旋轉導輪32-2和手臂彎曲用金屬線7-2構成與以上的構成相同的構成。
對於以上所說明的本發明的第四實施方式的關節構造體的動作，使用圖11進行說明。
對於繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的第一構造體1與第二構造體2的相對的擺動運動，根據與圖6A相同的原理，杆11-1、11-2的運動不會因第一構造體1與第二構造體2的相對的擺動運動而受到影響。
另一方面，當第二直動式促動器6-1收縮時，手臂彎曲用金屬線7-1即沿箭頭A、B所示方向將兩個端部拉伸。為了與之對應，第一旋轉導輪30-1如箭頭C所示進行順時針方向的旋轉，將手臂彎曲用金屬線7-1向上送出。另外，輔助旋轉導輪32-1如箭頭D所示進行順時針方向的旋轉，第二旋轉導輪31-1如箭頭E所示進行逆時針方向的旋轉，分別將手臂彎曲用金屬線7-1送出。結果是，可動旋轉導輪10-1被如箭頭F所示地拉近，從第一旋轉關節3的旋轉軸3a到可動旋轉導輪10-1的旋轉軸10-1a的距離L從運動前的距離L1變化為距離L3。而且，圖11中，以虛線表示的可動旋轉導輪10-1表示第一實施方式的圖6B中的可動旋轉導輪10-1的位置，與該位置上的距離L2相比，圖11中的距離L3更小，可動旋轉導輪10-1的移動距離增大其差值(L2-L3)的量。
根據本發明的第四實施方式的關節構造體，由於通過配設第二旋轉導輪31-1、31-2和輔助旋轉導輪32-1、32-2，手臂彎曲用金屬線7-1、7-2就被第二直動式促動器6-1、6-2分別將兩端拉伸，因此對於作為可動旋轉導輪10-1、10-2的移動量的(L1-L2)的值來說，與第一實施方式的情況相比，相對於第二直動式促動器6-1、6-2的相同的收縮量，作為移動量的(L1-L2)的值變為2倍。所以，就能夠增大機器人手臂的關節的可動範圍。
(第五實施方式)圖12是表示將本發明的第五實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的整體圖。
圖12中，33-1、33-2是第三旋轉導輪，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a同軸地自由旋轉地配設，可以藉助軸承等繞著旋轉軸3a自由地旋轉運動。圖12中，由於裡側的第三旋轉導輪33-2處於眼前側的第三旋轉導輪33-1的影部，因此並未圖示。
34-1、34-2是第四旋轉導輪，半徑與第三旋轉導輪33-1、33-2相等，相對於固定在第二構造體2的上側突出部2c上的旋轉軸34-1a、34-2a，被藉助軸承等在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上自由旋轉地配設於第二構造體2上，能夠以旋轉軸34-1a、34-2a為中心相對於第二構造體2相對地進行旋轉運動。
另外，35-1、35-2是第一平行連杆，各自的一個端部在支點35-1a、35-2a處與第一構造體1連接，能夠以支點35-1a、35-2a為中心相對於第一構造體1相對地進行擺動運動。
36-1、36-2為第二平行連杆，各自的一個端部在支點36-1a、36-2a處與第一平行連杆35-1、35-2的另一個端部連接，能夠以支點36-1a、36-2a為中心相對於第一平行連杆35-1、35-2相對地進行擺動運動。另外，第二平行連杆35-1、35-2的另一個端部分別被固定於第四旋轉導輪34-1、34-2上，因而第二平行連杆35-1、35-2與第四旋轉導輪34-1、34-2分別不能相對地運動。
第一平行連杆35-1、35-2、第二平行連杆36-1、36-2、第一構造體1及第二構造體2構成以支點35-1a、35-2a、支點36-1a、36-2a、第一旋轉關節3的旋轉軸3a及第四旋轉導輪34-1、34-2的旋轉軸34-1a、34-2a作為四個支點的四節連杆構造(平行連杆構造)。
下面，使用圖13對第五實施方式的關節構造體的金屬線引導機構的金屬線的路徑進行說明。圖13是表示本發明的第五實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地(與圖1B相同)跨繞，但是在以下的說明及對應的圖中，為了簡化起見，對於導引槽進行了省略。
將一端固定於第二直動式促動器6-1上的手臂彎曲用金屬線7-1被導向第三旋轉導輪33-1，在被第三旋轉導輪33-1將路徑彎曲後(參照箭頭(21))，在圖13的紙面上從第一旋轉關節3的關節軸3a下方導向可動旋轉導輪10-1和可動旋轉導輪10-1的圖13的紙面上的下方側(參照箭頭(22))。其後，手臂彎曲用金屬線7-1被可動旋轉導輪10-1將方向轉換地彎曲(參照箭頭(23))，從可動旋轉導輪10-1的圖13的紙面上的上方側導向第二旋轉導輪34-1的圖13的紙面上的上方側(參照箭頭(24))。其後，手臂彎曲用金屬線7-1在沿著第四旋轉導輪34-1的外周行進後(參照箭頭(25))，被金屬線固定銷栓34p將端部固定於第二旋轉導輪34-1上。
由於經由第三旋轉導輪33-2、第四旋轉導輪34-2、可動旋轉導輪10-2的手臂彎曲用金屬線7-2的路徑也與所述的手臂彎曲用金屬線7-1的路徑相同，因此省略詳細的說明。
對於以上所說明的本發明的第五實施方式的關節構造體的動作，使用圖14進行說明。
在利用第一直動式促動器4-1、4-2的動作，產生了第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動的情況下，如圖14的箭頭A所示，產生可動旋轉導輪10-1及第四旋轉導輪34-1相對於第三旋轉導輪33-1的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的相對的旋轉運動。此時，手臂彎曲用金屬線7-1繞在第三旋轉導輪33-1的圓周部上的量會增加相當於角度α的圓周量。
另一方面，當將輔助線Y與垂線Z所成的角度設為β時，其中，輔助線Y是在可動旋轉導輪10-1處於P的位置上的情況下，與跨設在可動旋轉導輪10-1和第四旋轉導輪34-1之間的手臂彎曲用金屬線7-1的垂線X平行的輔助線；垂線Z是在可動旋轉導輪10-1處於Q的位置上的情況下，跨設在可動旋轉導輪10-1和第四旋轉導輪34-1之間的手臂彎曲用金屬線7-1的垂線，則由於第四旋轉導輪34-1被利用所述平行連杆構造與第一構造體1連接，因此不會產生箭頭C所示的旋轉運動(但是，會產生第四旋轉導輪34-1與第二構造體2的相對的旋轉運動。)，所以因第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動，手臂彎曲用金屬線7-1繞在第四旋轉導輪34-1的圓周部上的量會減少相當於角度β的圓周量。
這裡，如果考慮幾何學的關係，則由於角度α＝角度β，因此作為相當於角度α的圓周量的增加量與作為相當於角度β的圓周量的減少量相互抵消掉，結果是，第一旋轉導輪33-1與可動旋轉導輪10-1的距離L不會變化。所以，不會產生繞著杆11-1的支點11-1a的相對於第二構造體2的相對的旋轉運動。
另外，當第二直動式促動器6-1收縮時，根據與圖6B相同的原理，從第一旋轉關節3的旋轉軸3a到可動旋轉導輪10-1的旋轉軸10-1a的距離即發生變化。
根據本發明的第五實施方式的關節構造體，由於可以將連接了平行連杆構造的第四旋轉導輪34-1、34-2配設於與第三旋轉導輪33-1、33-2和可動旋轉導輪10-1、10-2相同的平面內，因此與第一實施方式的情況相比，可以減小沿著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的軸向的厚度。所以，就能夠形成緊湊的關節構造的機器人手臂。另外，由於可以將第四旋轉導輪34-1、34-2配設於第三旋轉導輪33-1、33-2和可動旋轉導輪10-1、10-2相同的平面內，因此手臂彎曲用金屬線7-1、7-2就難以脫離各自的導輪的導引槽，因而適於機器人手臂的高速移動。
(第六實施方式)
圖15是表示將本發明的第六實施方式的關節構造體應用於機器人手臂中的情況的機器人手臂的整體圖。
圖15中，37-1、37-2為旋轉導輪，在夾隔第二構造體2而相面對的各個位置上，被與第一旋轉關節3的旋轉軸3a同軸地藉助軸承等相對於旋轉軸3a自由旋轉地配設，可以繞著旋轉軸3a自由地旋轉運動。圖15中，由於裡側的旋轉導輪37-2處於眼前側的旋轉導輪37-1的影部，因此並未圖示。
38-1、38-2為可動導輪，半徑與旋轉導輪37-1、37-2相等，被自由旋轉地配設於杆11-1的上端部和杆的下端部11-2，能夠以旋轉軸38-1a、38-2a為中心相對於杆11-1、11-2相對地進行旋轉運動。
39-1、39-2為第一平行連杆，各自的一個端部在支點35-1a、35-2a被與第一構造體1自由旋轉地連接，能夠以支點35-1a、35-2a為中心相對於第一構造體1相對地進行擺動運動。
40-1、40-2是第二平行連杆，其將各自的一端自由旋轉地與平移·旋轉接頭41-1、41-2連結，將各自的另一端固定於可動導輪38-1、38-2上，利用平移·旋轉接頭41-1、41-2與第一平行連杆39-1、39-2可以平移·旋轉地連接。平移·旋轉接頭41-1在圖15中沿箭頭A及箭頭B所示的方向在第一平行連杆39-1上自由滑動並且可以被相對地自由旋轉地嵌合或夾持，從而具有平移自由度及旋轉自由度，平移·旋轉接頭41-2也在第一平行連杆39-2上形成相同的構造。所以，第一平行連杆39-1、39-2與第二平行連杆40-1、40-2就可以利用平移·旋轉接頭41-1、41-2相對地進行平移運動，進行擺動運動。另外由於第二平行連杆40-1、40-2的各自的另一端分別被固定於可動導輪38-1、38-2上，第二平行連杆40-1、40-2與可動導輪38-1、38-2分別無法相對地運動，所以第二平行連杆40-1與可動導輪38-1、第二平行連杆40-2與可動導輪38-2就會分別一體化地旋轉。
這樣，第一平行連杆39-1、39-2、第二平行連杆40-1、40-2、第一構造體1及第二構造體2就構成以支點35-1a、35-2a、平移·旋轉接頭41-1、41-2、第一旋轉關節3的旋轉軸3a及可動導輪的旋轉軸38-1a、38-2a作為四個支點的四節連杆構造(平行連杆構造)。
下面，使用圖16對第六實施方式的關節構造體的金屬線的路徑進行說明。圖16是表示本發明的第六實施方式的關節構造體的構造的詳細情況的立體圖。而且，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地(與圖1B相同)跨繞，但是在以下的說明及對應的圖中，為了簡化起見，對於導引槽進行了省略。
將一端固定於第二直動式促動器6-1上的手臂彎曲用金屬線7-1被導向旋轉導輪37-1，在被旋轉導輪37-1將路徑彎曲後，在圖16的紙面上從第一旋轉關節3的關節軸3a下方導向可動旋轉導輪38-1和可動旋轉導輪38-1的圖13的紙面上下方側。其後，在手臂彎曲用金屬線7-1沿著旋轉導輪38-1的外周行進後，被金屬線固定銷栓38p將端部固定於可動導輪38-1上。
由於經由旋轉導輪37-2、可動導輪38-2的手臂彎曲用金屬線7-2的路徑也與所述的手臂彎曲用金屬線7-1的路徑相同，因此省略詳細的說明。
對於以上所說明的本發明的第六實施方式的關節構造體的動作，使用圖17進行說明。
在利用第一直動式促動器4-1、4-2的動作，產生了第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動的情況下，如圖17的箭頭A所示，產生可動旋轉導輪38-1的相對於旋轉導輪37-1的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的相對的旋轉運動。此時，手臂彎曲用金屬線7-1繞在第一旋轉導輪37-1的圓周部上的量會增加相當於角度α的圓周量。
另一方面，當將輔助線Y與垂線Z所成的角度設為β時，其中，輔助線Y是在可動導輪38-1處於P的位置上的情況下，與跨設在第一旋轉導輪37-1和可動導輪38-1之間的手臂彎曲用金屬線7-1的垂線X平行的輔助線；垂線Z是在可動導輪38-1處於Q的位置上的情況下，跨設在第一旋轉導輪37-1和可動導輪38-1之間的手臂彎曲用金屬線7-1的垂線，則由於可動導輪38-1被利用所述平行連杆構造與第一構造體1連接，因此不會產生箭頭B所示的旋轉運動(但是，會產生可動導輪38-1與杆11-1的相對的旋轉運動。)，所以因第二構造體2的繞著第一旋轉關節3的旋轉軸3a的逆時針方向的旋轉運動，手臂彎曲用金屬線7-1繞在可動導輪38-1的圓周部上的量會減少相當於角度β的圓周量。
這裡，如果考慮幾何學的關係，則由於角度α＝角度β，因此作為相當於角度α的圓周量的增加量與作為相當於角度β的圓周量的減少量相互抵消掉，結果是，可動導輪37-1與可動導輪38-1的距離L不會變化。所以，不會產生繞著杆11-1的支點11-1a的相對於第二構造體2的相對的旋轉運動。
另外，當第二直動式促動器6-1收縮時，手臂彎曲用金屬線7-1即被拉伸，然而由於金屬線7-1的端部被固定於可動導輪38-1上，因此可動導輪38-1就被向旋轉導輪37-1一方拉近，從第一旋轉關節3的旋轉軸3a到可動導輪38-1的旋轉軸38-1a的距離發生變化。此時，平移·旋轉接頭41-1在因第二直動式促動器6-1的收縮而將距離L縮短的情況下，就會沿著第一平行連杆39-1向靠近支點35-1a的方向平移運動，維持平行連杆構造。
本發明的第六實施方式的關節構造體相當於將第五實施方式的第二旋轉導輪34-1、34-2與可動導輪10-1、10-2一體化的情況下的構造。
根據本發明的第六實施方式的關節構造體，作為導輪只要僅有旋轉導輪37-1、37-2和可動導輪38-1、38-2就可以動作，從而能夠減少部件數目。所以，就可以形成部件數目少的簡潔的關節構造的機器人手臂。
(第七實施方式)圖19A、圖19B、圖19C是表示本發明的第七實施方式的關節機構的金屬線引導機構的構造的整體圖。圖19A、圖19B、圖19C所示的本發明的第七實施方式是具備了兩個可動旋轉導輪的情況的例子。
圖19A、圖19B、圖19C中，401為棒狀的第一構造體，402為棒狀的第二構造體，第一構造體401與第二構造體402被利用旋轉關節403連接，第一構造體401與第二構造體402能夠以旋轉關節403的關節軸403a為中心相對地旋轉。
404是帶有導引槽404a的旋轉導輪，被與旋轉關節403的旋轉軸403a同軸地，並且相對於旋轉軸403a藉助軸承等自由旋轉地配設於第二構造體2上，可以繞著旋轉軸403a自由地旋轉運動。
405是作為固定導輪的一個例子的帶有導引槽405a的固定導輪，半徑與旋轉導輪404相等，被與旋轉關節403的旋轉軸403a同軸地配設。另外，固定導輪405被固定於第一構造體401上，從而在固定導輪405與第一構造體401之間不會產生相對的旋轉運動。
406是夾子，由第一手指406a、第二手指406b及合頁406c構成。第一手指406a及第二手指406b可以利用合頁406c進行開閉動作，另外，合頁406c被固定於第二構造體402的端部(不同於與第一構造體401連接的端部的端部)。
407是帶有導引槽407b的第一可動旋轉導輪，被配設於第一手指406a的基端部，可以繞著旋轉軸407a旋轉。
408是帶有導引槽408b的第二可動旋轉導輪，被配設於第二手指406b的基端部，可以繞著旋轉軸408a旋轉。
409是受扭螺旋彈簧，線圈部分繞在合頁406c上，兩個端部分別架在第一可動旋轉導輪407的旋轉軸407a及第二可動旋轉導輪408的旋轉軸408a上，利用螺旋彈簧409的反作用力，就會將夾子406如圖19A所示地保持為開狀態。
410是夾子驅動金屬線，夾子驅動金屬線410的一方的端部被固定於第一驅動促動器(例如圖1A的氣動人造肌肉等2條第一直動式促動器4-1、4-2)上，夾子驅動金屬線410被以旋轉導輪404的導引槽404a、第二可動旋轉導輪408的導引槽408b、第一可動旋轉導輪407的導引槽407b的順序跨設，夾子驅動金屬線410的另一方的端部被利用金屬線固定銷栓410p固定於固定導輪405上。
411是帶有導引槽411a的旋轉關節驅動導輪，被與旋轉關節403的旋轉軸403a同軸地配設。另外，旋轉關節驅動導輪411被固定於第二構造體402上，從而在旋轉關節驅動導輪411與第二構造體402之間不會產生相對的旋轉運動。
412是旋轉關節驅動金屬線，被跨繞在旋轉關節驅動導輪411的導引槽411a上，將兩個端部分別固定於第二驅動促動器及第三驅動促動器(雖然都未圖示，但是為可以構成促動器的例如氣動人造肌肉、電動機或氣缸等)上。
下面，使用圖20，對經由旋轉導輪404、固定導輪405、第一可動旋轉導輪407、第二可動旋轉導輪408的夾子驅動金屬線410的路徑進行說明。而且，如上所述，雖然在各個導輪上，是將金屬線收納於各自的導引槽內地跨繞，但是在以下的說明中，對於導引槽省略了說明。
將一端固定於第一驅動促動器上的夾子驅動金屬線410被導向旋轉導輪404，在旋轉導輪404上繞了大致一周後，從圖20的紙面上旋轉關節403的關節軸403a下方導向第二可動旋轉導輪408和第二可動旋轉導輪408的圖20的紙面上的下方側。其後，夾子驅動金屬線410被利用第二可動旋轉導輪408將方向朝上轉換地彎曲，導向第一可動旋轉導輪407和圖20的紙面上第一可動旋轉導輪407的右側。其後，夾子驅動金屬線410被利用第一可動旋轉導輪407將方向朝左轉換地彎曲，從第一的旋轉導輪407的圖20的紙面上的上方側導向固定導輪405的圖20的紙面上的上方側。其後，夾子驅動金屬線410在沿著固定導輪405的外周行進後，被金屬線固定銷栓410p將端部固定於固定導輪405上。
對以上的構成的金屬線引導機構的動作進行說明。
在如圖19B的箭頭X所示那樣驅動了夾子驅動金屬線410的情況下，根據與所述第一實施方式中用圖6B所說明的情況相同的原理，形成將旋轉導輪404與第一可動旋轉導輪7、第二可動旋轉導輪408的旋轉軸間的距離縮短的動作，從圖19A的狀態變為圖19B的狀態，形成夾子406關閉的動作。另一方面，當沿與箭頭X相反的方向將夾子驅動金屬線410向鬆弛方向驅動時，則因受扭螺旋彈簧409的反作用力，從圖19B的狀態變為圖19A的狀態，形成夾子406打開的動作。
然後，當如圖19C的箭頭Y所示那樣驅動旋轉關節驅動金屬線412時，則旋轉關節驅動金屬線412就被跨繞在旋轉關節驅動導輪411上，由於旋轉關節驅動導輪411被固定於第二構造體2上，因此產生旋轉關節403的旋轉運動，夾子406從圖19A的狀態變為圖19C的狀態，進行左轉的擺動運動。另一方面，在沿與箭頭Y相反的方向驅動旋轉關節驅動金屬線412的情況下，夾子406進行右轉的擺動運動。
在該擺動運動之時，根據與所述第一實施方式中用圖6A所說明的情況相同的原理，形成將旋轉導輪404與第一可動旋轉導輪407、第二可動旋轉導輪408的旋轉軸間的距離保持的動作，夾子406不動作。
如上所述，根據本發明的第七實施方式的金屬線引導機構，通過形成利用旋轉導輪404、固定導輪405、第一可動旋轉導輪407、第二可動旋轉導輪408來引導夾子驅動金屬線410的構成，就可以不受繞著旋轉關節403的旋轉軸403a的旋轉運動影響，獨立地利用夾子驅動金屬線410來驅動夾子406的開閉動作。
如果應用如上所示的夾子驅動機構，則可以實現用於腹腔鏡下手術或遙控手術的機器人鉗子系統等。
而且，本發明並不限定於所述實施方式，可以用其他的各種方式來實施。
例如，即使如圖18A及圖18B所示，形成如下的構成，即，取代擺動的杆，而沿著第二構造體2的長邊方向設置直線導軌300-1、300-2，從而能夠將可動旋轉導輪10-1、10-2利用手臂彎曲用金屬線7-1、7-2沿著這些直線導軌300-1、300-2在第二構造體2的長邊方向上自由移動，也可以起到與杆相同的作用效果。
另外，所述各種實施方式中，雖然將驅動機器人手臂的促動器設為直動式促動器，但是並非必須限定於此，即使是旋轉型的電動機，例如用將導輪固定於電動機的旋轉軸上，利用電動機的旋轉來卷繞金屬線的構造，也可以發揮相同的效果。
另外，所述各種實施方式中，雖然將直動式促動器設為氣動人造肌肉，但是並非必須限定於此，利用氣動氣缸、液壓缸或電動線性促動器等其他的直動式促動器也可以發揮相同的效果。
而且，通過將所述各種實施方式當中的任意的實施方式適當地組合，也可以起到各自所具有的效果。
本發明的關節構造體作為多關節機器人手臂的關節機構中的關節構造體十分有用。另外，並不限於機器人手臂，可以作為生產設備等中的用於旋轉機構的關節機構等、機械裝置的關節機構中的關節構造體、醫療用遙控手術裝置的多關節機器人手臂的關節機構中的關節構造體來應用。
本發明雖然在參照附圖的同時被與優選的實施方式相關地充分地記載，但是對於熟悉該技術的人員來說，各種變形或修正是顯而易見的。此種變形或修正只要不脫離由附加的技術方案所形成的本發明的範圍，就應當理解為包含於其中。
權利要求
1.一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪；配設於所述第一構造體上，並且具有圓弧部分的固定導引；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；以所述旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述固定導引的順序跨設的金屬線；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
2.根據權利要求1所述的關節構造體，其中，所述固定導引是作為固定於所述第一構造體上的構件的一部分而構成的。
3.根據權利要求1所述的關節構造體，其中，所述可動旋轉導輪是將導引槽位於與包含所述旋轉導輪的導引槽的平面相同面內的第一可動旋轉導輪、導引槽位於與包含所述固定導引的導引槽的平面相同面內的第二可動旋轉導輪一體化構成的構造。
4.根據權利要求1所述的關節構造體，其中，所述可動旋轉導輪具有位於與包含所述旋轉導輪的導引槽的平面相同面內的第一導引槽、位於與包含所述固定導引的導引槽的平面相同面內的第二導引槽。
5.一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；第一旋轉導輪和第二旋轉導輪，其被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地分別配設於所述第一構造體或第二構造體上，並且可以相互相對地旋轉；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；被可以自由旋轉地配設於所述第二構造體上的輔助旋轉導輪；金屬線，其被以所述第一旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述第二旋轉導輪、所述輔助旋轉導輪的順序跨設，並且將兩個端部固定於所述第二驅動裝置上；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第一及第二旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
6.一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；將所述第一構造體與所述第二構造體連接的旋轉關節；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的第三旋轉導輪；被可以自由旋轉地配設於所述第二構造體上的第四旋轉導輪；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離；金屬線，其被以所述第三旋轉導輪、所述可動旋轉導輪、所述第四旋轉導輪的順序跨設，並且將一個端部固定於所述第二驅動裝置上，將另一個端部固定於所述第四旋轉導輪上，並且具備第一平行連杆，其一個端部由所述第一構造體自由旋轉地支承；第二平行連杆，其一個端部與所述第一平行連杆的另一個端部自由旋轉地連結，另一個端部被固定於所述第四旋轉導輪上，構成以所述第一平行連杆的所述一個端部被支承在所述第一構造體上的部分、所述第一平行連杆的所述另一個端部與所述第二平行連杆的所述一個端部所被連結的部分、所述第二平行連杆的所述另一個端部與所述第四旋轉導輪所被固定的部分、所述第四旋轉導輪的自由旋轉地配設於所述第二構造體上的部分作為四個支點的四節平行連杆構造，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述第三旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
7.一種關節構造體，其特徵是，具備第一構造體；第二構造體；被與所述旋轉關節的旋轉軸同軸並且可以繞著所述旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪；被相對地可動地配設於所述第二構造體上的可動旋轉導輪；第一驅動裝置，其被設於所述第一構造體上，能夠不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動；第二驅動裝置，其被設於所述第一構造體上而可以驅動所述金屬線，並且通過驅動所述金屬線，來移動所述可動旋轉導輪，從而改變相對於所述旋轉導輪的距離；金屬線，其被以所述旋轉導輪、所述可動旋轉導輪的順序跨設，並且將一個端部固定於所述第二驅動裝置上，將另一個端部固定於所述可動旋轉導輪上，並且具備第一平行連杆，其一個端部由所述第一構造體自由旋轉地支承；第二平行連杆，其一個端部與所述第一平行連杆的另一個端部自由旋轉並且自由滑動地連結，另一個端部被固定於所述可動旋轉導輪上，構成以所述第一平行連杆的所述一個端部被支承在所述第一構造體上的部分、所述第一平行連杆的所述另一個端部與所述第二平行連杆的所述一個端部所被連結的部分、所述第二平行連杆的所述另一個端部與所述可動旋轉導輪所被固定的部分、所述旋轉導輪的自由旋轉地配設於所述第二構造體上的部分作為四個支點的四節平行連杆構造，利用所述第一驅動裝置的驅動，不改變所述可動旋轉導輪相對於所述旋轉導輪的距離地將所述第二構造體繞著所述旋轉關節旋轉驅動。
8.一種機器人手臂，其特徵是，具備權利要求1～7中任意一項中所述的關節構造體、配置於所述第二構造體的與所述旋轉關節側相反一側的頭端的手、將所述可動旋轉導輪與所述手連結的手驅動用金屬線，通過使所述可動旋轉導輪在所述第二構造體上相對地可動，而利用所述手驅動用金屬線將所述手相對於所述第二構造體旋轉驅動。
全文摘要
本發明提供一種機器人手臂，其具備被與旋轉關節(3)的旋轉軸同軸並且可以繞著旋轉軸旋轉地配設的旋轉導輪(8)；配設於第一構造體(1)上，與旋轉導輪(8)相同半徑並且具有相同中心軸的圓弧部分的固定導引(9)；被相對地可動地配設於第二構造體(2)上的可動旋轉導輪(10)，以旋轉導輪(8)、可動旋轉導輪(10)、固定導引(9)的順序跨設金屬線(7)。
文檔編號B25J17/00GK101039778SQ20058003527
公開日2007年9月19日 申請日期2005年11月18日 優先權日2004年11月22日
發明者岡崎安直, 淺井勝彥 申請人:松下電器產業株式會社