JP2004520176A - ２つのブランチを備えた並列型制御アーム - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの平行ブランチ（２，３）を備えて構成されたロボットアームに関するものである。２つの平行ブランチ（２，３）は、複数の軽量セグメント（５，６，７）から形成されているとともに、リストホルダ（８）を介することによってリスト部（４）により互いに連結されている。リストホルダ（８）の配向は、駆動トレイン（１２〜１６）によって実質的に一定に維持されるようになっている。この制御アームの動作空間は、広いものであり、極端な配置にしない限りにおいては運動不規則性を引き起こすことがない。並進移動と回転移動との良好な結合解除性がもたらされている。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の目的は、互いに平行とされた２つのブランチを備えた制御アームである。
【０００２】
この制御アームの機能は、通常は従動アーム（スレーブアーム）と称されるような遠隔ロボットとされる装置またはシステムのための制御命令内においてまたはコンピュータシミュレーションの制御命令内において操作者によって印加された動きを転送することである。制御アームに十分な数の自由度が付与されている場合には、操作者は、空間内において並進移動可能かつ回転移動可能であるようにして、制御アームを制御することができる。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ロボット工学においては、様々な形態のアームが使用されている。最も旧来的な形態においては、アームは、関節結合によってあるいは場合によっては他のタイプのジョイントによって互いに連結された複数のセグメントからなる１つのチェインから構成される。この構成は、『直列型』と称される。しかしながら、このタイプのアームにおいては、セグメントの数が多い場合には常に、欠点が存在する。つまり、各ジョイント機構のところに遊びが存在し、それら遊びが加算されることで、最終的には、アームの自由端の位置において、かなりの不正確さが引き起こされる。さらに、アームの姿勢を変更し得るようまたアームに対して外力が加えられたにしても所定位置にアームを保持し得るよう各ジョイントの状態を制御するためにアームに対して通常は付設される必要があるモータは、ほとんどの場合、アームの中でも最も重い部材であって、かなりの曲げモーメントを引き起こす。そのために、セグメントの構造を補強する必要が生じる。その結果、アームの重量がさらに増大し、操作が困難となる。アームが設置されている固定ベース上へと、各モータを移すことが提案された。しかしながら、この手法のためには、各モータとそのモータによって制御されているジョイントとの間にトランスミッションを設置する必要があって、常に実施可能なわけではない。そのような手法では、すべての場合において、アームを複雑なものとしてしまう。
【０００４】
このことが、近年のロボット工学において、並列型とされかつ先端どうしが互いに連結されている複数の（２つ以上の）ブランチを使用した構成に興味が持たれている理由である。同等の自由度において、このような並列型に形成されたアームのブランチは、直列型のロボットにおけるブランチよりも、構成が単純である。これにより、アーム位置に関しての不正確さという欠点が大幅に低減されるとともに、ブランチの重量が大きいという欠点が大幅に低減される。しかしながら、このタイプのロボットには、特有の限界がある。つまり、運動の複雑さが大きいことにより；また、並列構成をなす様々なブランチ動作範囲により制限されまた様々なブランチのセグメントどうしの間の衝突により制限されることのために、動作範囲が通常は直列型アームの動作範囲よりも小さいことにより；さらに、動作範囲の小ささに基づき、そのような姿勢においてはロボットが制御不可能な移動を受けかねないことのために避けるべきであるような特異姿勢の数が、全体的に多いことにより、与えられた状態への制御が困難となり得る。
【０００５】
特異姿勢は、自由度の局所的消失または制御不可能な移動に対応する。制御不可能な移動に対応した特異姿勢は、並列型ロボットに特有のものであり、すべての特異姿勢は、アームの使用範囲を制限する。この欠点は、マスターアームが、繰返し移動や事前に既知の移動であるとともに特異姿勢に配慮することなく手動で制御される移動を適用するようには構成されていない場合には、より深刻である。そのため、特異姿勢が突発的に発生する可能性がある。このため、動作範囲の限界に移送されたときに、並列型ロボットは、制限されなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の説明からの結論としては、並列型アームは、操作の便利さのためにマスターアームとして魅力的ではあるものの、実際には、並列型アームに特有の欠点のために、大部分の用途に不適切なものとなってしまう。本発明は、並列型とされたアームに関しての格別の構成に関するものであって、その主要な利点は、特異姿勢の大幅な減少と、制御の顕著な容易さと、である。このことは、所望状態へと到達するのに必要な移動を困難なく行うことができることを意味している。
【０００７】
上記目的は、共通のベースと共通のリスト部との間にわたって延在する２つのブランチを具備している制御アームであって、リスト部とブランチとの間に配置された複数のリストホルダと、リストホルダと固定平面との間の角度を一定に維持するための手段と、を具備することを特徴とし、これにより、リストホルダが、２つのブランチの各々に関して、並進制御に関連する部材と、回転自由度の制御に関連する部材と、を機能分離（あるいは、分離、隔離、絶縁、区別化）し得るようになっている制御アームによって達成される。この機能分離自体が、特異姿勢の低減化に寄与する。本発明によるこの基本思想に最も近い文献は、おそらく、Ｉｗａｔａ 氏による“Ｐｅｎ−ｂａｓｅｄ ｈａｐｔｉｃ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”（ＩＥＥＥ−ＩＣＲＡ １９９３， ｐ． ２８７−２９２）である。この文献には、リスト部において互いに連結された２つのブランチを備えた並列型ロボットが開示されている。しかしながら、この文献には、本発明におけるリストホルダに対応する部材は、一切開示されていない。この文献におけるアームは、複数の特異姿勢を有している。
【０００８】
ブランチは、有利には、互いに関節結合されたおよびそれぞれ対応するリストホルダに対して関節結合されたおよび３つの平行軸を介してベースの一部に対して関節結合された複数のセグメントを備えている。その場合、固定ベースの一部は、有利には、固定ベースの固定部分に対して、前述した３つの平行軸に対して直交した軸回りに回転自由として設置される。これにより、ブランチに対し、リストホルダのところにおける３個の並進自由度が付与される。その場合、リスト部は、２個または３個の回転自由度を有するようにして、関節結合部分を備えている。
【０００９】
上述したようなリストホルダと固定平面との間の角度を一定に維持するための手段は、ブランチ上に延在する複数のトランスミッションを備えている。より詳細には、ブランチのセグメントにおいて連続した複数の関節結合軸上に配置された複数のプーリと、互いに隣接する関節結合軸がなす複数の対にわたって直列的に張られた複数のベルトと、を有している。複数のプーリは、通常、リストホルダに対して固定されたプーリと固定ベースに対しての固定構造または各ブランチの第１ボディのいずれかに対して固定されたプーリとという末端の２つのプーリを除いては、回転自由とされている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２を参照して本発明について説明する。
【００１１】
本発明によるアームは、固定ベース（１）に対して設置されるものであって、２つのブランチ（２，３）を備えている。２つのブランチ（２，３）は、ベース（１）と、これらブランチが互いに連結されるリスト部（手首部）（４）と、の間において適切な態様で配置されている。有利には、これら２つのブランチ（２，３）は、重ね合わせることができる。有利には、これら２つのブランチ（２，３）は、また、互いに同様のものとすることができる。リスト部（４）が２つのブランチに対して垂直とされている図示の構成においては、２つのブランチ（２，３）は、互いに平行な平面内にそれぞれ位置している。ブランチの各々は、アームセグメント（５）と、前方側アームセグメント（６）と、固定ベース（１）に対して連結される可動ベースを構成する取付ボディ（７）と、リスト部（４）に対して連結されるリストホルダ（８）と、を備えている。取付ボディ（７）は、固定ベース（１）に対して軸（Ｘ１）回りに回転する。アームセグメント（５）は、取付ボディ（７）に対して関節結合軸（Ｘ２）回りに関節結合されているとともに、前方側アームセグメント（６）に対して関節結合軸（Ｘ３）回りに関節結合されている。有利には、これら関節結合軸（Ｘ２，Ｘ３）は、互いに平行であるとともに、軸（Ｘ１）に対して垂直とされている。前方側アームセグメント（６）の先端部は、リストホルダ（８）に対して関節結合軸（Ｘ４）回りに関節結合されている。この関節結合軸（Ｘ４）は、有利には、軸（Ｘ２，Ｘ３）に対して平行とされている。リストホルダ（８）は、リストホルダ（８）の全体的延在方向（長尺方向）と一致する軸（Ｘ５）回りに回転可能とされた端部（９）を有している。端部（９）に対しては、端部ピース（１０）が取り付けられている。端部ピース（１０）は、軸（Ｘ５）に対して垂直とされた軸（Ｘ６）回りに関しての回転可能性を有している。ハンドル（１１）が、端部ピース（１０）どうしを互いに連結しており、それら端部ピース（１０）どうしを互いに軸合わせ状態に維持している。さらに、ハンドル（１１）は、ハンドル自身と同軸をなす軸（Ｘ７）回りに回転することができる。有利には、この軸（Ｘ７）は、図示の例において、先の軸（Ｘ５）とも軸（Ｘ６）とも直交している。ハンドル（１１）は、軸（Ｘ５）どうしの間の距離を変化させることなくつまりリストホルダ（８）どうしの間の距離を変化させることなく、軸（Ｘ７）回りに回転自由とされている。この構成は、特異姿勢を引き起こし得るようなネジ結合を使用しているような従来技術におけるハンドルとは、明確に相違している。
【００１２】
本発明における本質的要件は、各リストホルダ（８）とそれぞれの軸（Ｘ５）とが、固定平面に対して、この場合には軸（Ｘ１）に対して垂直な平面に対して、一定角度を形成していることである。この角度が直角であれば、リストホルダ（８）は、空間内において、固定された配向性（向き）のままに維持される。これは、軸（Ｘ２）と同軸とされかつかつ取付ボディ（７）に対して固定された保持プーリ（１２）と、軸（Ｘ３）と同軸とされかつかつセグメント（５，６）に対して回転自由とされたリターンプーリ（１３）と、軸（Ｘ４）と同軸とされかつかつリストホルダ（８）に対して固定された保持プーリ（１４）と、プーリ（１２，１３）間に張られていて各ブランチ（２，３）に対してのチェインを形成するベルト（１５）と、プーリ（１３，１４）間に張られていて各ブランチ（２，３）に対してのチェインを形成するベルト（１６）と、から構成されたトランスミッションによって得られる。ベルト（１５，１６）の作用により、軸（Ｘ５）は、セグメント（５，６）に対して印加された動きにかかわらず、両セグメント（５，６）によって形成された平面と同じ方向に維持される。それは、プーリ（１２）が固定されているからである。
【００１３】
ハンドル（１１）の動きは、両セグメント（５，６）の動きと取付ボディ（７）の、軸（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）回りの動きによって、引き起こされる。２つのブランチのそれぞれのリストホルダ（８）を互いに同一方向に移動させることにより、並進移動が得られる。２つのブランチのそれぞれのリストホルダ（８）を互いに逆方向に移動させることにより、回転移動（ただし、ハンドル軸回りの回転は、除く）が得られる。その結果、ベース上にまたはベース近傍に設置された複数のモータによって２つのリストホルダ（８）の位置を操作することによって、５個の自由度を制御することができる。両ブランチ（２，３）は、互いに十分に離間されたままであり、ハンドルを極度に大きく傾斜させない限りにおいては衝突することがない。さらに、移動時において、特異姿勢は、リスト部（４）を極端に傾斜させた場合にしか発生しない。
【００１４】
次に、アームの駆動手段について説明する。複数のモータを使用することにより、操作者に対して、従動アームにおいて検知された力がフィードバックされる、あるいは、コンピュータシミュレーションによって生成された力がフィードバックされる。これらモータ（１７）は、固定ベース（１）上に設置されており、ギヤやベルトや他のトランスミッションを介して軸（Ｘ１）回りに取付ボディを傾斜させる。モータ（１８）は、軸（Ｘ２）上に設置されており、取付ボディ（７）に対してセグメント（５）を回転させる。また、他のモータ（１９）も、軸（Ｘ２）上に設置されている。これらモータ（１９）は、実際には、これらモータ（１９）の出力スピンドルに対して連結されたプーリ（２０）と、前方側セグメント（６）に対して連結されたプーリ（２１）と、これらプーリ（２０，２１）間に張られたベルト（２２）と、を使用することによって、軸（Ｘ３）とセグメント（５）との間に形成された角度および軸（Ｘ３）と前方側セグメント（６）との間に形成された角度を調節するために、使用される。プーリ（２０，２１）とベルト（２２）とは、アセンブリの平行関係をもたらすデバイスとして当業者に周知である例えば連結ロッドといったような他の任意の適切なデバイスによって、代替することができる。軸（Ｘ４）上にはモータを設置する必要がない。軸（Ｘ４）は、軸（Ｘ５）または軸（Ｘ６）に関連して別の方法で制御される。それは、軸（Ｘ４）回りの回転は、前方側セグメント（６）の端部における動きだけによって決まるからである。しかしながら、ハンドル（１１）による使用のために構成されたモータ（２５）を、軸（Ｘ７）回りの回転自由度を制御するために、設けることができる。有利には、モータ（２５）は、一方の端部ピース（１０）に対してベアリング（２４）回りに回転自由であるようにして設置されているグリップダクト（２３）に対して、固定することができる。ここで、モータ（２５）の出力シャフトは、反対側の端部ピース（１０）に対して連結されている。また、モータ（２５）は、可動ベース（７）上に取り付けることもできる。しかしながら、この場合には、モータ（２５）からハンドルまでにわたって力を伝達するためのデバイスが必要とされる。
【００１５】
例えば角度位置エンコーダといったようなセンサを様々なモータに関連して設けることにより、モータの移動が測定され、これにより、アームの状態が把握されるとともに制御状況が把握される。しかしながら、このような事項は、当該技術分野においては公知であるので、これ以上の説明は省略する。自由度が過剰である場合には、ハンドル（１１）の回転制御を行わずに管理することが有利である。それは、ハンドルの回転制御が、最も正確かつ快適には制御しづらいからである。いずれにしても、他のモータは、固定ベース（１）上に固定されているか、あるいは、固定ベース（１）によって直接的に支持されている取付ボディ（７）上に固定されているか、のいずれかである。よって、それらモータの重量は、セグメント（５，６）によって支持しているわけではない。その結果、セグメント（５，６）を、かなり軽量化することができる。
【００１６】
軸（Ｘ２）上に配置されていてセグメント（５，６）を制御しているモータ（１８，１９）は、減速装置を設置しなければならないときには、軸（Ｘ２）からオフセットすることができる。上記説明においては説明していないものの適切なトランスミッションデバイスが軸（Ｘ２）のところまでにわたって挿入されている場合には、モータ（１８，１９）を、固定ベース（１）上に設置することもできる。
【００１７】
アーム上における端末デバイスは、必ずしもハンドルである必要はなく、例えばゲームやシミュレーションデバイスや遠隔操縦や遠隔操作や様々な産業における遠隔移動といったような想定用途に応じて、ペンやボールやプライヤー等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アームアセンブリを示す図である。
【図２】図１のアームアセンブリにおけるリスト部を詳細に示す図である。
【符号の説明】
１ 固定ベース（共通のベース）
２ ブランチ
３ ブランチ
４ リスト部
５ アームセグメント（セグメント）
６ 前方側アームセグメント（セグメント）
７ 取付ボディ、可動ベース（固定ベースの一部）
８ リストホルダ
９ 端部（関節結合部分）
１０ 端部ピース（関節結合部分）
１１ ハンドル（関節結合部分、リスト部の一部）
１２ 保持プーリ（プーリ、トランスミッション）
１３ リターンプーリ（プーリ、トランスミッション）
１４ 保持プーリ（プーリ、トランスミッション）
１５ ベルト（トランスミッション）
１６ ベルト（トランスミッション）
１７ モータ
１８ モータ
１９ モータ
２５ モータ
Ｘ１ 軸
Ｘ２ 関節結合軸
Ｘ３ 関節結合軸
Ｘ４ 関節結合軸
Ｘ５ 軸
Ｘ６ 軸
Ｘ７ 軸

Claims (14)

1. 共通のベース（１）と共通のリスト部（４）との間にわたって延在する２つのブランチ（２，３）を具備している制御アームであって、
   前記リスト部（４）と前記ブランチ（２，３）との間に配置された複数のリストホルダ（８）と、
   該リストホルダ（８）と固定平面との間の角度を一定に維持するための手段と、
   を具備していることを特徴とする制御アーム。
2. 請求項１記載の制御アームにおいて、
   前記手段が、前記ブランチ上に延在する複数のトランスミッション（１２〜１６）を備えていることを特徴とする制御アーム。
3. 請求項２記載の制御アームにおいて、
   前記トランスミッションが、前記ブランチのセグメント（５，６）において連続した複数の関節結合軸（Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）上に配置された複数のプーリ（１２，１３，１４）と、互いに隣接する関節結合軸がなす対にわたって直列的に張られたベルトと、を有していることを特徴とする制御アーム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記ブランチが前記リストホルダのところにおいて３個の並進自由度を有するよう、前記ブランチが移動自由とされ、
   前記リスト部（４）が、２個または３個の回転自由度を有するよう、関節結合部分（９，１０，１１）を備えていることを特徴とする制御アーム。
5. 請求項４記載の制御アームにおいて、
   前記リスト部（４）の複数の部分が、基準状態において、互いに直交する複数の軸（Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７）回りに関節結合されていることを特徴とする制御アーム。
6. 請求項４または５記載の制御アームにおいて、
   前記リスト部の一部（１１）が、前記リストホルダ（８）どうしの間の間隔を変更することなく回転自由とされていることを特徴とする制御アーム。
7. 請求項４記載の制御アームにおいて、
   さらに、前記リスト部（４）に、力をフィードバックするタイプのモータ（２５）を具備していることを特徴とする制御アーム。
8. 請求項４記載の制御アームにおいて、
   さらに、前記ベースの一部（７）上に設置された力をフィードバックするタイプのモータと、このモータからの力を前記リスト部の一部（１１）に対して伝達するためのデバイスと、を具備していることを特徴とする制御アーム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記ブランチが、互いに関節結合されまた前記リストホルダ（８）に対して関節結合されまた３つの平行軸（Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）を介して前記ベースの一部（７）に対して関節結合された２つのセグメント（５，６）を備えていることを特徴とする制御アーム。
10. 請求項９記載の制御アームにおいて、
    前記セグメント（５，６）が、さらに、前記ベースの一部（７）上に支持された力をフィードバックするタイプのモータ（１８，１９）を備え、
    前記ベースの一部（７）が、前記固定ベース（１）上に支持された力をフィードバックするタイプのモータ（１７）を備えていることを特徴とする制御アーム。
11. 請求項９記載の制御アームにおいて、
    前記ベースの一部（７）が、前記固定ベース（１）の固定部分に対して、前記３つの平行軸に対して直交した軸（Ｘ１）回りに回転自由とされていることを特徴とする制御アーム。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
    前記ブランチの各々が、それぞれ対応する平面内において変形可能とされていることを特徴とする制御アーム。
13. 請求項１２記載の制御アームにおいて、
    前記平面どうしが、基準状態において、互いに平行であることを特徴とする制御アーム。
14. 請求項１２または１３記載の制御アームにおいて、
    前記ブランチどうしが、互いに同様のものとされていることを特徴とする制御アーム。