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柔軟骨格アーム - 株式会社豊田中央研究所
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発明の名称 柔軟骨格アーム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−118972
公開日 平成10年(1998)5月12日
出願番号 特願平8−301165
出願日 平成8年(1996)10月24日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 覚
発明者 西垣 英一 / 川嶋 紘一郎
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 薄肉円管状部材を基礎に、当該薄肉円管状部材を、複数本円環状に設置するとともに、これら円環状に設置された各薄肉円管状部材の一端側を剛体からなるベース上にカンチレバー状に固定し、更に、これら円環状に設置された各薄肉円管状部材の間を、その長手方向の複数箇所にて、所定の剛性を有する桁状部材にて剛結合状に連結するようにしたことを特徴とする柔軟骨格アーム。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット用アーム等に用いられるものであって、アーム全体としては所定の曲げ剛性を有するとともに、局部的には柔軟性を有する構造からなる柔軟骨格アームに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の、ロボット用アーム等は、所定の力の伝達を行なう必要上、一定の強度・剛性を有するようになっているものである。すなわち、従来のロボット用アーム等は、アルミニウム合金製の部材等を基礎に形成されるようになっているものである。従って、このような構成からなるロボットを、例えば介護用ロボット等として利用しようとする場合には、上記部材(骨格材)の周りにゴム状弾性材からなるクッション材を設ける等して対応しているのが一般的である。また、このような介護用ロボット等においては、関節部にスプリングを設け、当該スプリングの作用により、アーム先端部等が人体と接触する場合に、その作用力を緩和させるようにしているものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記アームの関節部にスプリングを用いることによって、アームの動きに柔軟性を持たせるようにしたものにおいては、当該関節部を効かせた状態でアームが人体と接触する場合には、特に問題はないが、アームの骨格部分が人体と接触(衝突)したようなときには、人体には衝撃力が入力することとなり、人体へのダメージが大きくなるという問題点がある。このような問題点を解決するために、アーム全体の曲げ剛性等は所定の値を有するようにするとともに、一方、局部における衝撃力の入力に対しては、柔軟な特性を発揮させるようにした、柔軟骨格構造のアームを提供しようとするのが、本発明の目的(課題)である。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明においては次のような手段を講ずることとした。すなわち、請求項1記載の発明においては、ロボットアーム等に用いられる柔軟骨格アームに関して、薄肉円管状部材を基礎に、当該薄肉円管状部材を、複数本円環状に設置するとともに、これら円環状に設けられた各薄肉円管状部材の一端側を剛体からなるベース上にカンチレバー状に固定し、更に、これら円環状に設けられた各薄肉円管状部材の間を、その長手方向の複数箇所にて、所定の剛性を有する桁状部材にて剛結合状に連結するようにした構成を採ることとした。
【0005】このような構成を採ることにより、本発明のものにおいては次のような作用を呈することとなる。すなわち、同等の曲げ剛性を有する単純梁と比較した場合、本発明のものにおいては、その局部においては、低い剛性値を有することとなる。具体的には、本発明にかかる柔軟骨格アームは、その構成要素となる部材が薄肉状の円管からなるものであり、これらが複数本円環状に設置された状態において、ある一定の曲げ剛性を有するようになっているものである。従って、構成要素となる各単体の円管状部材そのものは、小さな値の剛性を有するに過ぎない。その結果、このような構成からなる円管状部材のところに人体の接触等による衝撃力が加わったとすると、本円管状部材は容易に弾性変形をすることとなる。すなわち本発明の骨格アームは、その局部的には、小さな剛性値を有するものである。従って、このようなところに人体の衝突による力が加わると、これら柔軟構造からなる薄肉円管状部材は容易に弾性変形をし、人体側へは反力が加わらないようになる。すなわち、人体へのダメージが緩和されることとなる。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図1ないし図5を基に説明する。本発明の実施の形態に関するものの、その構成は、図1に示す如く、薄肉円管状の部材を基礎に形成されるものであって、これら薄肉円管状部材1が複数本円環状に束ねられて、剛体からなるベース5上に、溶接手段等により固定されるとともに、これら薄肉円管状部材1が全体として結合されるようになっていることを基本とするものである。
【0007】具体的には、円環状に設置された上記複数の薄肉円管状部材1は、その先端部11及び長手方向の適宜中間点12において、小さな剛性値を有する桁状部材(桁)2にて、その全体が一体的に結合されるようになっているものである。このように、円環状に設置された複数の薄肉円管状部材1を桁2を介して結合させることによって、全体として所定の剛性を有する一本のビームが形成されるようになっているものである。
【0008】このような構成からなる本実施の形態にかかるもの、すなわち、柔軟骨格アームの特性について、当該アームを同等の曲げ剛性を有する一体型ビーム材(単純梁)10と比較して説明する。すなわち、図2及び図3に示すようなカンチレバー状のビーム材からなるものであって、その先端部に500Nの力が加わったときに、当該先端部のたわみ量が5.78mmからなるものについて比較する。例えば、人体と等価な物体である50Kgの質量及び400KN/mのばね定数を有するものが、それぞれの部材に衝突した場合について比較すると、そのときの反力は、図2に示す本実施の形態のものにおいては、Fmax=853Nの値であるのに対して、図3に示す一体型ビーム材10においては、Fmax=1141Nの値となる。
【0009】すなわち、本実施の形態のものにおいては、人体が衝突したと仮定した場合における人体側への衝撃力の入力値が、一体型ビーム材10の場合に較べて、約25%低減化されることとなる。このことは、図4に示す如く、人体に衝突する物体9を、本薄肉円管状部材1の円環状集合体からなるビーム材に衝突させたときのシミュレーションモデルからも証明される。すなわち、図4において、人体相当の物体9が本円環状集合体からなるビーム材の一部に衝突すると、衝突瞬間の(A)の状態から、ある一定の時間の経過とともに、(B)の状態へと、上記薄肉円管状部材1の一部が弾性変形をし、これによって、人体相当物体9への反力を弱めている(緩和させている)ことが判る。このように、本実施の形態のものにおいては、円環状集合体を形成する各薄肉円管状部材1の弾性変形によって、人体への衝撃力(反力)の入力が緩和されることとなる。
【0010】また、人体が上記アームに衝突した場合の人体側への傷害の度合を比較するデータとして、変形速度と変形量との積の形で表されるViscous Criteria(VC)という耐性値(SAE paper 861882参照)があるので、このVCの値を基に、本実施の形態にかかる柔軟骨格アームと一体型ビーム材10とについて比較をしてみる。それによると、例えば図5に示す如く、本実施の形態のものにおける柔軟骨格構造のアームにおいては、一体型構造のアームに較べて、その最大値において299×10-62 /sから113×10-62 /sへと約62%も減少していることが判る。すなわち、本実施の形態のものにおいては、一体型ビーム材10に較べて、傷害耐性値において優れており、これによっても衝撃緩和能力において優れていることが判る。
【0011】
【発明の効果】本発明によれば、ロボットアーム等に用いられる柔軟骨格アームに関して、薄肉円管状部材を基礎に、当該薄肉円管状部材を、複数本円環状に設置するとともに、これら円環状に設置された各薄肉円管状部材の一端側を剛体からなるベース上にカンチレバー状に固定し、更に、これら円環状に設けられた各薄肉円管状部材の間を、その長手方向の複数箇所にて、所定の剛性を有する桁状部材にて連結するようにした構成を採ることとしたので、アーム全体の曲げ剛性は、力の伝達に十分なだけのものが確保されたうえで、局部的には、人体の衝突等に対してアームを構成する薄肉円管状部材の一部を弾性変形させて、人体への衝撃力の入力を減少させることができるようになった。その結果、本柔軟骨格構造を有するアームを、介護ロボットのアーム等に利用することができるようになった。また、本柔軟骨格アームの外表面部には、多くの隙間が形成されるようになっているので、この隙間を通じて内部に設置された機能要素部材の調整あるいはメインテナンス等を行なうことができるようになった。




 

 


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