JP2012056045A - ５軸を有する力覚提示マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】エンドエフェクタがマニピュレータのベースに対して、３自由度の並進運動および２自由度の回転動作を出力可能であり、小型で、広い範囲の回転動作が可能な力覚提示マニピュレータを提供する。
【解決手段】力覚提示マニピュレータは、マニピュレータのベース１０と、エンドエフェクタ６０と、エンドエフェクタ６０を支持する３本のアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、エンドエフェクタ６０と３本のアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃを連結する３本の連結リンク２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、３本のアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃを駆動する駆動手段と、を備える冗長パラレルメカニズムを用いた構成となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、５軸を有する力覚提示マニピュレータに関する。

バーチャル・リアリティを用いた訓練システムにおいて臨場感を高めるためには力覚の提示が重要である。また、ロボットの遠隔操作においても微細作業や、繊細で複雑な作業を必要とする場合には、作業ロボットから操縦桿へ力覚の帰還を行うことで作業効率を向上することが知られている。このように力覚を表現する装置として力覚提示装置が用いられる。

本発明では、力覚提示装置にパラレルメカニズムを応用してマニピュレータを構成している。パラレルメカニズムは高剛性、終端部が軽量であることから力覚提示マニピュレータへ応用されている。パラレルメカニズムとは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタとを、複数のリンク機構により支持する機構の呼称である。パラレルメカニズムでは、構成するアームの関節配置などにより、異なる種類の機構が存在する（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１）。

特開２００１−２９３６７６号公報

Clavel R. , "Conception d’un robot parallele rapide a 4 degres de liberte", Ph.D. Thesis, EPFL, Lausanne,1991,No925. Stewart D., "A Platform with Six Degrees of Freedom", Proc. of the Institution of Mechanical Engineers 1965-1966, 180(1)15 pp. 371-386, 1965. 内山勝、飯村憲一、多羅尾進、フランソワ・ピエロ、外山修、"6自由 度高速パラレルロボットHEXAの開発、"日本ロボット学会誌, vol.12, No.3, pp.451-458, 1994.

しかしながら、従来のパラレルメカニズムでは動作可能な空間に対して装置体積が大きくなるという問題点がある。また、非特許文献２、非特許文献３の回転動作のように、動作可能な角度が小さいという問題点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型で、高い自由度で移動可能であり、広い範囲の回転動作が可能な力覚提示マニピュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の力覚提示マニピュレータは、駆動手段により駆動される３本のアームをそれぞれ３本の連結リンクによりエンドエフェクタへ接続することにより、力覚提示マニピュレータを構成することを特徴とする。この構成の力覚提示マニピュレータにより、多自由度であり、広い範囲の回転動作が可能となる。

具体的には、本発明の力覚提示マニピュレータは、駆動手段によって駆動される５軸を有し、ベースと、エンドエフェクタと、ベースからエンドエフェクタを支持する３本のアームと、エンドエフェクタと３本のアームを連結する３本の連結リンクと、アームを駆動する駆動手段と、を備え、駆動手段の動力と、３本のアームと、３本の連結リンクと、によってエンドエフェクタがベースに対して、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の並進動作および２軸の回転動作（α軸、β軸）を行うことを特徴とする。

３本のアームはそれぞれ第１平行四節リンク機構と、第２平行四節リンク機構と、から構成される。また、駆動手段は、２つの駆動手段で構成される。

第１平行四節リンク機構は、力覚提示マニピュレータのベースに固定された第１駆動手段の駆動軸である第１軸に固定された第１リンクと、同じく第１軸と同軸上に存在する第２駆動手段の駆動軸に固定された第２リンクと、第１リンクに平行で長さが等しく、第２リンクと回転自在で連結する第３リンクと、第２リンクと平行で長さが等しく、一方を第１リンクと回転自在に連結し、他方を第３リンクと回転自在に連結する第４リンクと、を備える。なお、第１リンクと第４リンクを回転自在により連結する回転軸を第２軸とする。

第２平行四節リンク機構は、前記第１平行四節リンク機構の各回転軸と平行となるよう前記第４リンクに固定する第５リンクと、第５リンクに平行で長さが等しい第６リンクと、第５及び第６リンクの間を回転自在で結ぶ平行な２つの第７リンクと、を備える。第２平行四節リンク機構は、第２駆動手段の動力により第２軸まわりの回転運動を与えられる。なお、第６リンクの長軸を第３軸とする。

３本の連結リンクはそれぞれ３本のアームの第３軸へ回転自在により連結され、連結リンク長軸の回転自在（第４軸）と、連結リンク終端部であるエンドエフェクタとの連結部に回転自在（第５軸）と、を有する。３本の連結リンクは、終端部の回転自在によりエンドエフェクタ軸上（第６軸）に直列に連結される。

また、この構成の力覚提示マニピュレータでは、アームの配置として、ベースのある点を中心に放射状に１２０°の等間隔に配置しても良い。また、駆動手段として、回転力を駆動するモータを用いても良い。

また、この構成の力覚提示マニピュレータでは、前記駆動手段を制御する制御部を備えてもよい。この構成の力覚提示マニピュレータでは、制御部により前記駆動手段を制御して、エンドエフェクタへ操作力を作用させ、力覚を操作者へ提示することができる。また、駆動手段へ搭載した光学式エンコーダなどの位置測定装置により各駆動手段の位置からエンドエフェクタの位置を運動学から算出することができる。

本発明によれば、エンドエフェクタを３本のアームと３本の連結リンクで支持するパラレルメカニズムにより、機構の剛性を高めることが可能である。そのため、駆動手段の動力を正確にエンドエフェクタに伝達することができ、より正確に剛体や衝撃を表現することが可能である。

この構成の力覚提示マニピュレータによって、駆動手段のすべてを力覚提示マニピュレータのベースに固定することが可能である。そのため、力覚提示マニピュレータを駆動する駆動手段の重量がマニピュレータの操作性に与える影響が小さく、減速機を用いない駆動手段の搭載が容易となるため、機構の可逆動作性を高めることが可能である。従って、外部からマニピュレータを動かした際の操作負荷による影響が低減されるため、繊細な力覚提示が可能となる。

この構成の力覚提示マニピュレータによって、マニピュレータの動作部を軽量なリンク機構とエンドエフェクタのみで構成することが可能なため、マニピュレータの動作部の慣性質量を低減することができる。従って、マニピュレータの慣性力による操作負荷を低減することが可能である。

この構成の力覚提示マニピュレータによって、３軸の並進運動と、従来の手法と比較して広い範囲の２軸の回転動作と、が得られる。

本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータのシステムである。 本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータの斜視図である。 本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータの機構モデル図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成するアーム２０の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成するエンドエフェクタ６０、連結リンク２３の斜視図である。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータを用いた、力覚提示システムを示している。

力覚提示システムは、マニピュレータ１と、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、力覚が取得できるロボット、若しくは、バーチャル・システム等からなる操作対象３から構成される。このシステムは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に用いられる。

次に、図２から図５を参照して、マニピュレータ１の構成について詳しく説明する。図２は本発明の力覚提示マニピュレータの斜視図、図３は力覚提示マニピュレータの機構モデル図、図４は本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成するアーム２０の斜視図、図５は本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成するエンドエフェクタ６０と、連結リンク２３の斜視図である。

マニピュレータ１は、ベース１０と、３本のアーム２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、３本のアームにそれぞれ接続される３本の連結リンク２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、エンドエフェクタ６０と、から構成される。なお、３本のアーム、３本の連結リンクはそれぞれ構造が同一であるため、以降では区別が必要な場合を除いて同一のものとし、符号もａ，ｂ，ｃを付せずに説明する。

３本のアーム２０はそれぞれ、第１平行四節リンク機構２１と、第２平行四節機構２２と、から構成される。

第１平行四節リンク機構２１は、ベース１０に設置された第１軸３１へ第１駆動手段５１により駆動する回転軸に連結された第１リンク４１と、同第１軸３１と第２駆動手段５２により駆動する回転軸に連結された第２リンク４２と、第１リンク４１と同じ長さであり、第２リンク４２と回転自在で連結された第３リンク４３と、第２リンク４２と同じ長さであり、第1リンク４１と第３リンク４３とそれぞれ回転自在に連結された第４リンク４４と、から構成され、第１リンク４１、第２リンク４２、第３リンク４３、第４リンク４４は平行四辺形をなす。なお、第１リンク４１及び第２リンク４２にはそれぞれ第１駆動手段５１、第２駆動手段５２が連結され、第１回転軸３１を回転軸として、第１リンク４１及び第２リンク４２にそれぞれ独立した動力が与えられる。

第２平行四節リンク機構２２は、第１平行四節リンク機構２１の各回転軸に平行となるよう第４リンク４４に固定する第５リンク４５と、第５リンク４５に平行で長さが等しい第６リンク４６と、第５リンク４５と第６リンク４６の両端を回転自在に結ぶ２つの平行な第７リンク４７と、から構成され、第５リンク４５、第６リンク４６、２本の第７リンク４７は、平行四辺形をなす。第２平行四節リンク機構２２には、第１平行四節リンク機構２１により、第２駆動手段５２の動力が第２軸３２まわりの回転運動に変換されて与えられる。

マニピュレータ１を構成する３本のアーム２０は、それぞれの第１軸３１が、同一円周上の接線となるよう配置される。各アームの末端部である第６リンク４６は、それぞれ３本の連結リンク２３へ、第３軸３３によりそれぞれ回転自在となるよう連結される。

前記のように構成された３本のアーム２０は、ベース１０上を、ある基点を中心に円周上１２０度等配とすることが好ましい。

連結リンク２３は、アームの第６リンク４６に回転自在に連結され、連結リンク２３に有する第４軸３４により、リンク長軸方向へ回転自在である。連結リンク２３の終端部は第３軸３３と垂直方向に回転自在（第５軸３５）であり、エンドエフェクタ６０に接続される。３本の連結リンクの第５軸３５は、エンドエフェクタ６０の長軸である第６軸３６と一致するよう配置する。

エンドエフェクタ６０は、３本のアーム２０の動作と３本の連結リンク２３の第３軸３３の作用により、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の並進動作ができる。また、３本の連結リンク２３の第５軸３５が受動的に回転することにより、前記並進動作のため生ずる、第２平行四節リンク機構２２における第１平行四節リンク機構２１が存在する面に対して放線方向の移動について、エンドエフェクタ６０の回転動作への影響を消去する。

また、回転動作について、第１平行四節リンク機構２１の存在する面に対してベース１０を基底とした高さ方向への作用力が、エンドエフェクタ６０へ３本のアーム２０と、３本の連結リンク２３により伝達され、第４軸３４が受動的に回転することにより、エンドエフェクタ６０の２軸の回転動作（α軸、β軸）を可能とする。

エンドエフェクタ６０の第６軸３６まわりの回転について、３本の連結リンク２３の直列した３つの回転自在である第５軸３５の効果により、駆動手段の動作にかかわらず、自在に回転できる。

次に、マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２と、マニピュレータ１によって操作する操作対象３について説明する。

コントロール部２は、例えばモータドライバや制御コンピュータから構成される。コンピュータは、例えばエンコーダなどのセンサから力覚提示マニピュレータの動作を演算し、位置指令として操作対象３へ情報を出力する。また、操作対象３から入力された力情報からモータドライバの制御信号を生成し、モータドライバに出力する。モータドライバは入力された制御信号に基づき各駆動手段を駆動する。各駆動手段からの動力は、３本のアーム２０と、３本の連結リンク２３によってエンドエフェクタ６０まで伝達され、エンドエフェクタ６０は所望の力を提示する。

操作対象３は、例えば力情報が取得可能な遠隔ロボットで構成される。コントロール部２からの入力情報により遠隔ロボットは駆動され、環境から得た力情報をコントロール部２に出力する。

以上に述べた構成によれば、エンドエフェクタ６０が、ベース１０に対して並進３自由度と回転２自由度の力覚提示が可能な力覚提示システムを実現することができる。本発明では計５自由度に対して６つの駆動手段を用いた冗長パラレルリンク機構であり、機構の大きさに対して比較的大きな作業領域が得られる。

以上において、本発明を実施例に則して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の力覚提示マニピュレータは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に利用可能である。また、本稿性の力覚マニピュレータの機構は他の産業用ロボットなどへの応用が可能である。

１ マニピュレータ
２ コントロール部
３ 操作対象
１０ ベース
２０ アーム（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）
２１ 第１平行四節リンク機構（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）
２２ 第２平行四節リンク機構（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）
２３ 連結リンク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）
３１ 第１軸（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）
３２ 第２軸（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）
３３ 第３軸（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）
３４ 第４軸（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）
３５ 第５軸（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）
３６ 第６軸（３６）
４１ 第１リンク（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ）
４２ 第２リンク（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）
４３ 第３リンク（４３ａ、４３ｂ、４３ｃ）
４４ 第４リンク（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）
４５ 第５リンク（４５ａ、４５ｂ、４５ｃ）
４６ 第６リンク（４６ａ、４６ｂ、４６ｃ）
４７ 第７リンク（４７ａ、４７ｂ、４７ｃ）
５１ 第１駆動手段（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）
５２ 第２駆動手段（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）
６０ エンドエフェクタ

Claims (3)

1. 駆動手段によって駆動される５軸を有する力覚提示マニピュレータであり、ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースから前記エンドエフェクタを支持する３本のアームと、前記エンドエフェクタと前記３本のアームを連結する連結リンクと、前記３本のアームをそれぞれ駆動する駆動手段と、を備え、前記駆動手段の動力と、前記３本のアームと、前記３本の連結リンクと、によって前記エンドエフェクタが前記ベースに対して、３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の並進動作および２軸の回転動作（α軸、β軸）を行うことを特徴とする力覚提示マニピュレータ。
2. 前記３本のアームは、それぞれ第１平行四節リンク機構と、第２平行四節リンク機構と、から構成され、前記駆動手段は、第１駆動手段と第２駆動手段とを有して構成されており、
   前記第１平行四節リンク機構は、前記ベースに固定された駆動する回転軸を有する前記第１駆動手段で連結された第１リンクと、前記第１駆動手段と同軸上の駆動する回転軸を有する前記第２駆動手段で連結された第２リンクと、前記第１リンクと平行で前記第２リンクと回転自在で連結される第３リンクと、前記第２リンクに平行で、前記第１リンクと前記第３リンクに回転自在で連結される第４リンクと、を備え、
   前記第２平行四節リンク機構は、前記第１平行四節リンク機構の各回転軸と平行となるよう前記第４リンクに固定し、同軸上に前記第１リンクと回転自在に連結する第５リンクと、前記第５リンクに平行な第６リンクと、前記第５、第６リンクの間をそれぞれ平行に回転自在で連結する２つの第７リンクと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示マニピュレータ。
3. 前記３本の連結リンクは、それぞれ前記３本のアームの前記第６リンク軸へ回転自在により連結され、連結リンク長軸における回転自在と、連結リンク終端部である前記エンドエフェクタとの連結部に回転自在と、を有し、前記３本の連結リンクと前記エンドエフェクタとの連結部の回転自在が直列に接続されることを特徴とする請求項２に記載の力覚提示マニピュレータ。