球面連鎖を用いた高負荷用関節機構の開発

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10555082
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Sendai National College of Technology
• Principal Investigator: 大泉 哲哉 仙台電波工業高等専門学校, 教授 (70152048)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 服部 正行 仙台電波工業高等専門学校, 教授 (00007022) ; 熊谷 和志 仙台電波工業高等専門学校, 助教授 (40270201)
• Keywords: マニピュレータ / ロボット / 関節機構 / 等速自在継手 / フックス継手 / 低次対偶 / 3Dモデラ / 機構解析

Research Abstract

ロボットの手首関節機構は、作業確角度を自在に実現するために、立体角で2π[str]以上の可動範囲を付与することが普通である。本研究は、変形フックス継手を2つ連結し、その連鎖を3重にした等速自在継手を利用した関節機構を提案している。入力軸を固定節リンクAとし、B、C、D、そして出力軸を先端節Eとしたとき、リンクBにアクチュエータを付け、リンクBの揺動によって、先端部を駆動する。これまで、試作第3号機まで製作した。試作機では、2自由度の駆動に3つのアクチュエータを用い、パラレル機構の特長を生かして、力を分散させ同時に対偶負荷を軽減させ軽量な機構を実現した。しかし、連鎖が3重であるため、アクチュエータの適切な出力を算出するのが複雑である。直交座標系の工作機械での加工精度の確保がむずかしい。各リンクの対偶部を大きくできず、先端負荷を大きくできなかった。これらの解決のために、本研究では、二つの方法を検討した。一つは対偶部を滑り軸受に変更し、リンク形状を大幅に変えて先端負荷を増大させる方法。もう一つは4重連鎖に変更し、相対する連鎖のリンクBを同じ大きさで向きの異なる駆動力で揺動させ、負荷容量を増大させる方法である。得られた結果を列記すると、(1)機構を同型で大型化しても、同じ先端負荷に対し対偶力は変化しない。(2)ボールベアリングの負荷容量はその外径の2. 3乗に比例する。(3)結果として、寸法を3倍で負荷容量10倍に耐える機構が作れる。(4)さらなる負荷容量向上のために滑り軸受を利用する。(5)直径70mm、長さ50mm程度の滑り軸受で、先端荷重を10kNに嗣えることが可能である。などを今年度導入した3D-CADと機構解析ソフトならびに構造解析ソフトを駆使して確認した。また、(6)4重連鎖について、同ソフトで機構学的に考察し、実現可能性を確認した。

Research Products

• [Publications] 大泉、高橋、小杉、熊谷、服部: "四重球面連鎖を用いた関節機構に関する研究(第1報:機構学的考察)" 日本機械学会第76期秋期全国大会講演論文集. 98-3(V). 147-148 (1998)
• [Publications] 高橋、佐藤、大泉、熊谷: "球面連鎖を4重に用いた関節機構に関する研究" 日本機械学会東北支部第34期総会・講演会. 991-1. 49-50 (1999)
• [Publications] 小杉、佐藤、大泉、熊谷: "球面連鎖を用いた高負荷用関節機構の開発(第1報:対偶軸受の負荷容量からの検討)" 日本機械学会東北支部第34期総会・講演会. 991-1. 51-52 (1999)