JPH0985653A - Robot manipulator - Google Patents
Robot manipulatorInfo
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- JPH0985653A JPH0985653A JP25119195A JP25119195A JPH0985653A JP H0985653 A JPH0985653 A JP H0985653A JP 25119195 A JP25119195 A JP 25119195A JP 25119195 A JP25119195 A JP 25119195A JP H0985653 A JPH0985653 A JP H0985653A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ロボットマニピュレー
タに関し、特にコンプライアンスを有するアクチュエー
タを備えたものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a robot manipulator, and more particularly to a robot manipulator provided with a compliant actuator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来この種の装置としては、図６に示さ
れるアクチュエータ拮抗型１自由度機構を組合わせてな
るマニピュレータが知られている。すなわち、図６にお
いて、１は基板で、支柱２の下端で植立されており、支
柱２の上端には軸受３が固着され、この軸受３に歯車４
が回動自在に取付けられる。歯車４には出力軸５が固定
される。６Ａ，６Ｂは直動型アクチュエータで、下端は
いずれもロッド７を介して基板１に固着され、上端はチ
ェーン８の両端が固着される。このチェーン８はピスト
ン９に接続され、かつ歯車４に係止しており、直動型ア
クチュエータ６Ａの駆動部材であるピストン９が下方に
移動し、直動型アクチュエータ６Ｂの駆動部材であるピ
ストン９が上方に移動したときは歯車４は矢印Ａ方向に
回動し、両直動式アクチュエータ６Ａ，６Ｂの駆動状態
が上述と反対になると、歯車４は矢印Ｂ方向に回動す
る。このようにして出力軸５を矢印ＡまたはＢの方向に
回動駆動する。2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of device, a manipulator is known which is a combination of an actuator antagonistic type one-degree-of-freedom mechanism shown in FIG. That is, in FIG. 6, reference numeral 1 denotes a substrate, which is erected at the lower end of the column 2, and a bearing 3 is fixedly attached to the upper end of the column 2, and a gear 4 is attached to the bearing 3.
Is rotatably attached. An output shaft 5 is fixed to the gear 4. Reference numerals 6A and 6B denote direct-acting actuators, both lower ends of which are fixed to the substrate 1 via rods 7, and upper ends of which are attached to both ends of a chain 8. The chain 8 is connected to the piston 9 and is locked to the gear 4, so that the piston 9 which is the driving member of the linear actuator 6A moves downward and the piston 9 which is the driving member of the linear actuator 6B is moved. Is moved upwards, the gear 4 rotates in the direction of arrow A. When the driving states of the double-acting actuators 6A and 6B are opposite to those described above, the gear 4 rotates in the direction of arrow B. In this way, the output shaft 5 is rotationally driven in the direction of arrow A or B.
【０００３】また、ロボットマニピュレータのモジュー
ルを構成するのに、油圧シリンダを２個と、支柱１本を
用いて２自由度としたものは知られている。すなわち、
２自由度を確保する手段として差動ギヤーを使用する装
置や、両側に１自由度を設けた歯車装置がある。Further, it is known that a robot manipulator module is configured to have two degrees of freedom by using two hydraulic cylinders and one support column. That is,
As a means for ensuring two degrees of freedom, there are a device using a differential gear and a gear device having one degree of freedom on both sides.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】前者の従来例では、マ
ニピュレータの関節の自由度を増すためにモジュールを
接続しようとすると、機構が複雑になるという欠点があ
った。The former conventional example has a drawback in that the mechanism becomes complicated when modules are connected to increase the degree of freedom of the joints of the manipulator.
【０００５】また、後者の従来例では、パルス変調コン
トローラを用いることで油圧剛性を高めることを可能と
し、ペイロードの大きなマニピュレータを構成できる利
点を有してはいるが、しかし、壊れやすいものや柔らか
いものをソフトウェアフィードバックなしにはハンドリ
ングすることができないという欠点があった。Further, the latter conventional example has an advantage that it is possible to increase hydraulic rigidity by using a pulse modulation controller and to construct a manipulator having a large payload, but it is fragile or soft. It had the drawback of not being able to handle things without software feedback.
【０００６】本発明は、上述した従来のマニピュレータ
の機構が複雑になるという欠点や、アクチュエータとア
ームとのバックラッシュが存在するという欠点を克服
し、柔らかいマニピュレーションを実現するロボットマ
ニピュレータを得ることを目的とするものである。An object of the present invention is to overcome the drawbacks that the mechanism of the conventional manipulator described above is complicated and the drawback that there is backlash between the actuator and the arm, and obtain a robot manipulator that realizes a soft manipulation. It is what
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記従来の
課題について鋭意研究を重ねた結果、２自由度モジュー
ルを直列に結合する機構をとり、駆動力として空気圧を
利用すれば課題を解決しうることを見いだし、この知見
に基づいて本発明をなすに至った。As a result of intensive studies on the above-mentioned conventional problems, the present inventor has solved the problems by adopting a mechanism for connecting two-degree-of-freedom modules in series and utilizing air pressure as a driving force. Therefore, the present invention has been completed based on this finding.
【０００８】すなわち、支柱の一端面に基板を固着し、
他端面に２自由度のジョイントを介して他の基板を取付
け、前記両基板間に直動式空気圧シリンダを２個前記支
柱と平行に配置し、これらの直動式空気圧シリンダの両
端をそれぞれ２自由度のジョイントを介して前記両基板
に取付けてモジュールを構成し、このモジュールを複数
個直列に接続したものである。That is, the substrate is fixed to one end surface of the support,
Another board is attached to the other end surface via a joint having two degrees of freedom, two direct acting pneumatic cylinders are arranged in parallel with the support between the two boards, and both ends of these direct acting pneumatic cylinders are 2 respectively. A module is constructed by attaching to both substrates via a joint having a degree of freedom, and a plurality of the modules are connected in series.
【０００９】[0009]
【作用】本発明によれば、マニピュレータがモジュール
化されているため、このモジュールを必要な数だけ直列
接続するだけで、必要な自由度を容易に確保することが
実現可能である。また、駆動源が直動式空気圧シリンダ
となっているため、その圧力を制御しアクチュエータそ
のもののコンプライアンスを変化させることにより、セ
ンサを用いたソフトウェアサーボでは制御不可能な高周
波数の外乱を吸収することが実現可能となる。According to the present invention, since the manipulator is modularized, it is possible to easily secure the required degree of freedom by connecting the required number of modules in series. In addition, since the drive source is a direct-acting pneumatic cylinder, by controlling the pressure and changing the compliance of the actuator itself, it is possible to absorb high-frequency disturbances that cannot be controlled by software servos using sensors. Can be realized.
【００１０】[0010]
【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す外観図であ
る。この図において、１０は２自由度のモジュールを示
し、この実施例は３個のモジュール１０を直列に接続し
て、６自由度のロボットマニピュレータとしたものであ
り、下端はロボットが作業対象に直接働きかける機能を
有するクリッパ，ハンド等の末端効果機へ接続され、上
端はマニピュレータを固定する本体部分に接続される。1 is an external view showing an embodiment of the present invention. In this figure, reference numeral 10 denotes a module having two degrees of freedom. In this embodiment, three modules 10 are connected in series to form a robot manipulator having six degrees of freedom. It is connected to an end effector such as a clipper, hand, etc. that has a function to work, and the upper end is connected to the main body part that fixes the manipulator.
【００１１】図２は、図１の実施例におけるモジュール
１０の詳細構成を示す図である。この図において、１１
Ａ，１１Ｂは上，下の基板、１２は剛体の支柱で、一端
は基板１１Ａに植立され、他端は２自由度のジョイント
１３を介して基板１１Ｂに接続されている。１４Ａ，１
４Ｂはコンプライアンスの調節可能な直動式空気圧シリ
ンダで、支柱１２と平行に配置されており、シリンダ１
４Ａ，１４Ｂ内の圧力差でピストン１５とピストンロッ
ド１６とが直動する。直動式空気圧シリンダ１４Ａ，１
４Ｂの下方はロッド１７を介して基板１１Ａに固着さ
れ、上端は２自由度のジョイント１３を介して基板１１
Ｂに接続される。FIG. 2 is a diagram showing the detailed structure of the module 10 in the embodiment of FIG. In this figure, 11
A and 11B are upper and lower substrates, and 12 is a rigid support, one end of which is erected on the substrate 11A and the other end of which is connected to the substrate 11B via a joint 13 having two degrees of freedom. 14A, 1
4B is a direct-acting pneumatic cylinder with adjustable compliance, which is arranged in parallel with the column 12 and has a cylinder 1
The piston 15 and the piston rod 16 move linearly due to the pressure difference in 4A and 14B. Direct acting pneumatic cylinders 14A, 1
The lower part of 4B is fixed to the substrate 11A via a rod 17, and the upper end is connected to the substrate 11 via a joint 13 having two degrees of freedom.
Connected to B.
【００１２】次に、図２のモジュール１０の動作につい
て説明する。基板１１Ｂは支柱１２の上端のジョイント
１３を支点として、直動式空気圧シリンダ１４Ａ，１４
Ｂのピストン１５の移動によるピストンロッド１６の伸
長と縮小の組合わせにより、Ｘ軸，Ｙ軸に関して所要範
囲で回動可能な２自由度のモジュール１０となる。した
がって、図２のモジュール１０を図１のように３個直列
に、つまり、はじめのモジュール１０の基板１１Ｂと次
のモジュール１０の基板１１Ａとを接続するというよう
に順次接続することにより、所要の自由度をもつロボッ
トマニピュレータが構成される。Next, the operation of the module 10 shown in FIG. 2 will be described. The base plate 11B uses the joint 13 at the upper end of the column 12 as a fulcrum, and the direct acting pneumatic cylinders 14A, 14
The combination of the expansion and contraction of the piston rod 16 by the movement of the B piston 15 provides the module 10 with two degrees of freedom that can rotate about the X axis and the Y axis within a required range. Therefore, by connecting the three modules 10 of FIG. 2 in series as shown in FIG. 1, that is, by sequentially connecting the board 11B of the first module 10 and the board 11A of the next module 10, A robot manipulator with a degree of freedom is constructed.
【００１３】次に、直動式空気圧シリンダ１４Ａ（１４
Ｂ）の空気圧とコンプライアンスとの関係について説明
する。Next, the direct-acting pneumatic cylinder 14A (14
The relationship between air pressure and compliance in B) will be described.
【００１４】図３は、図２の直動式空気圧シリンダ１４
Ａ（１４Ｂ）の側断面略図である。この図において、直
動式空気圧シリンダ１４Ａ（１４Ｂ）内のピストン１５
の左右の圧力をｐi 、体積をＶi 、ピストン１５の断面
積をＡi 、直動式空気圧シリンダ１４Ａ（１４Ｂ）内端
面からピストン１５までの距離をｌi とおき（ｉ＝０，
１）、気体の比熱比をγとすると、幾何学的拘束条件よ
り、下記〔数１〕が得られる。FIG. 3 shows the direct-acting pneumatic cylinder 14 of FIG.
It is a schematic side sectional view of A (14B). In this figure, the piston 15 in the direct-acting pneumatic cylinder 14A (14B) is
The pressures on the left and right of the piston are p i , the volume is V i , the cross-sectional area of the piston 15 is A i , and the distance from the inner end surface of the direct acting pneumatic cylinder 14A (14B) to the piston 15 is l i (i = 0,
1) If the specific heat ratio of the gas is γ, the following [Equation 1] can be obtained from the geometric constraint condition.
【００１５】[0015]
【数１】 ピストン１５に加わる力をｆとすると、ｆ＝０における
平衡状態では、〔数２〕となる。ただし、ｆ0は平衡力
である。[Equation 1] Assuming that the force applied to the piston 15 is f, [Equation 2] in the equilibrium state at f = 0. However, f 0 is a balance force.
【００１６】[0016]
【数２】 外部からピストン１５に力ｆが加わった時、直動式空気
圧シリンダ１４Ａ（１４Ｂ）内の気体は断熱変化すると
仮定すると、〔数３〕となる。[Equation 2] Assuming that the gas in the direct-acting pneumatic cylinder 14A (14B) adiabatically changes when a force f is applied to the piston 15 from the outside, [Equation 3] is obtained.
【００１７】[0017]
【数３】 Ｖi ＝Ａi ｌi の関係から、〔数４〕が得られる。(Equation 3) [Equation 4] is obtained from the relationship of V i = A i l i .
【００１８】[0018]
【数４】 力が加わった時の変位をΔｌ，圧力変化をΔｐi とすれ
ば、[Equation 4] If the displacement when a force is applied is Δl and the pressure change is Δp i ,
【００１９】[0019]
【数５】 (Equation 5)
【００２０】[0020]
【数６】 となる。ここで、(Equation 6) Becomes here,
【００２１】[0021]
【数７】 である。(Equation 7) It is.
【００２２】〔数５〕，〔数６〕を〔数７〕に代入し、
〔数２〕の関係を用いれば、〔数８〕に示すようにSubstituting [Equation 5] and [Equation 6] into [Equation 7],
If the relationship of [Equation 2] is used, as shown in [Equation 8],
【００２３】[0023]
【数８】 となる。(Equation 8) Becomes
【００２４】例えば、ｌ0 ＝ｌ1 のとき、ｘ＝Δｌ／ｌ
0 とおけば、〔数９〕に示すように、For example, when l 0 = l 1 , x = Δl / l
If you write 0 , as shown in [Equation 9],
【００２５】[0025]
【数９】 となる。これをグラフにすると、図４に示す特性図のよ
うになる。[Equation 9] Becomes When this is made into a graph, the characteristic diagram shown in FIG. 4 is obtained.
【００２６】また、外力による変形が小さい領域（ｘ∈
［０，０．２］）では、〔数１０〕のように直線近似す
ることができ、図５に示すようになる。In addition, a region (xε
[0, 0.2]) can be linearly approximated as shown in [Equation 10], as shown in FIG.
【００２７】[0027]
【数１０】 以上より、外力が加わったとき、ピストン１５の変位が
大きくない場合には、空気の圧縮性によりあたかもばね
のような挙動を示すことがわかる。また、ばね係数は初
期状態での平衡力ｆ0 を変えることで制御することが可
能であることがわかる。(Equation 10) From the above, it can be seen that when the displacement of the piston 15 is not large when an external force is applied, it behaves like a spring due to the compressibility of air. Further, it can be seen that the spring coefficient can be controlled by changing the balance force f 0 in the initial state.
【００２８】次に、コンプライアンスと吸収する外乱の
周波数との関係について説明する。上記では圧縮空気に
よるばねの効果について述べたが、ピストン１５の摺動
部の摩擦、駆動部の質量も無視することはできない。そ
れらをまとめると、〔数１１〕で表される２次システム
で近似できる。Next, the relationship between the compliance and the frequency of the disturbance to be absorbed will be described. Although the effect of the spring by the compressed air has been described above, the friction of the sliding portion of the piston 15 and the mass of the driving portion cannot be ignored. If they are put together, they can be approximated by a quadratic system represented by [Equation 11].
【００２９】[0029]
【数１１】 したがって、パラメタｋを〔数１１〕で導出された方法
で設定することにより、吸収可能な外乱周波数を制御す
ることができる。[Equation 11] Therefore, the disturbance frequency that can be absorbed can be controlled by setting the parameter k by the method derived from [Equation 11].
【００３０】[0030]
【発明の効果】本発明は、以上説明したように支柱の一
端面に基板を固着し、他端面に２自由度のジョイントを
介して他の基板を取付け、前記両基板間に直動式空気圧
シリンダを２個前記支柱と平行に配置し、これらの直動
式空気圧シリンダの両端をそれぞれ２自由度のジョイン
トを介して前記両基板に取付けてモジュールを構成し、
このモジュールを複数個直列に接続したので、シンプル
な機構によりコンプライアンス制御が行えるロボットマ
ニピュレータが得られる。そして、直動式空気圧シリン
ダの空気圧を制御し、そのコンプライアンスを変えるこ
とにより高周波の外乱を吸収することができる。As described above, according to the present invention, a substrate is fixed to one end face of a column, another substrate is attached to the other end face via a joint having two degrees of freedom, and a direct acting pneumatic pressure is provided between the both substrates. Two cylinders are arranged in parallel with the support column, and both ends of these direct-acting pneumatic cylinders are attached to the both substrates through joints having two degrees of freedom to form a module,
Since a plurality of these modules are connected in series, a robot manipulator capable of compliance control with a simple mechanism can be obtained. Then, by controlling the air pressure of the direct-acting pneumatic cylinder and changing its compliance, high-frequency disturbance can be absorbed.
【図１】本発明の一実施例の構成を示す外観斜視図であ
る。FIG. 1 is an external perspective view showing the configuration of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明に用いる基本モジュールの構成を示す斜
視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a basic module used in the present invention.
【図３】図２の直動式空気圧シリンダの側断面図であ
る。3 is a side sectional view of the direct acting pneumatic cylinder of FIG.
【図４】図３の直動式空気圧シリンダの圧力特性を示す
グラフである。FIG. 4 is a graph showing pressure characteristics of the direct-acting pneumatic cylinder of FIG.
【図５】図４において空気圧による変形が小さい領域に
おける特性を示すグラフである。5 is a graph showing characteristics in a region in which deformation by air pressure is small in FIG.
【図６】従来のアクチュエータ拮抗型１自由度のマニピ
ュレータの構成を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a conventional actuator antagonistic type one-degree-of-freedom manipulator.
１０ モジュール １１Ａ 基板 １１Ｂ 基板 １２ 支柱 １３ ジョイント １４Ａ 直動式空気圧シリンダ １４Ｂ 直動式空気圧シリンダ １５ ピストン １６ ピストンロッド １７ ロッド 10 Modules 11A Substrate 11B Substrate 12 Support 13 Joint 14A Direct Acting Pneumatic Cylinder 14B Direct Acting Pneumatic Cylinder 15 Piston 16 Piston Rod 17 Rod
Claims (1)
２自由度のジョイントを介して他の基板を取付け、前記
両基板間に直動式空気圧シリンダを２個前記支柱と平行
に配置し、これらの直動式空気圧シリンダの両端をそれ
ぞれ２自由度のジョイントを介して前記両基板に取付け
てモジュールを構成し、このモジュールを複数個直列に
接続したことを特徴とするロボットマニピュレータ。1. A substrate is fixed to one end surface of a column, another substrate is attached to the other end surface through a joint having two degrees of freedom, and two direct-acting pneumatic cylinders are provided between the two substrates in parallel with the column. A robot manipulator, wherein the robot manipulators are arranged, and both ends of these direct-acting pneumatic cylinders are attached to both the substrates via joints having two degrees of freedom to form a module, and a plurality of the modules are connected in series.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7251191A JP2736327B2 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Robot manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7251191A JP2736327B2 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Robot manipulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0985653A true JPH0985653A (en) | 1997-03-31 |
| JP2736327B2 JP2736327B2 (en) | 1998-04-02 |
Family
ID=17219046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7251191A Expired - Lifetime JP2736327B2 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Robot manipulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2736327B2 (en) |
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Also Published As
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|---|---|
| JP2736327B2 (en) | 1998-04-02 |
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Legal Events
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| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |