JPH10249777A - ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド - Google Patents
ロボットアーム駆動装置およびロボットハンドInfo
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- JPH10249777A JPH10249777A JP6366897A JP6366897A JPH10249777A JP H10249777 A JPH10249777 A JP H10249777A JP 6366897 A JP6366897 A JP 6366897A JP 6366897 A JP6366897 A JP 6366897A JP H10249777 A JPH10249777 A JP H10249777A
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Abstract
も、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作するロボ
ットアームのワイヤ駆動装置を提供する。 【解決手段】 n個の関節J1,J2,J3を有するロ
ボットアームを駆動するワイヤ駆動方式のロボットアー
ム駆動装置において、リンク固定プーリPT1,PT
2,PT3と対をなすプーリP11,P12,P21と
の間にテンションプーリ18、トルクセンサ13,1
4,15及びテンション調整機構4,5,6を配置し、
各関節J1,J2,J3において1個のプーリPT1,
PT2,PT3をリンク1,2,3と固定し、n本のワ
イヤWをリンク固定プーリPT1,PT2,PT3に固
定し、リンク固定プーリPT1,PT2,PT3と対を
なすプーリP11,P12,P21にはワイヤWを固定
せず1回転以上巻き付けることにより、ロボットアーム
が外部環境と接触した際に、プーリP11,P12,P
21と各ワイヤWが滑りを生じ、外部環境に過大な力を
加えないようにロボットアームが外力に倣うようにし
た。
Description
動装置及びロボットハンドに関する。
そのリンクを結合する関節部、関節部を駆動するアクチ
ュエータ部からなる。しかし、関節を駆動するアクチュ
エータは重量が大きいため、関節に直接取り付けたので
は出力重量比の面から不利である。従ってアクチュエー
タを目標関節部より駆動系に近い位置に取り付けて、何
らかの手段によってアクチュエータから目標関節部に駆
動力を伝達する必要がある。
は、作業従事者の負担を軽減するために、ワークとし
て、食事トレイを把持するロボットを用いることが検討
されている。このような用途に用いるロボットハンドを
先端に持つロボットアームの駆動方式としては、人間と
の接触においても危害を加えないという理由により、ワ
イヤ駆動式が好ましい。
ーム(広瀬、馬、“ワイヤ干渉駆動型多関節マニピュレ
ータの開発″、計測自動制御学会論文集、Vol.2
6、No.11)やワイヤ干渉駆動アーム(横井、小森
谷、谷江ら、“7自由度ワイヤ干渉駆動アームの機構と
制御”、日本機械学会論文集、Vol.59、No.5
58)によって提案されている。
用ワイヤの一端がモータもしくはモータに接続されたプ
ーリに、他端が駆動する目的のリンクに固着されてい
る。従って、ロボットアームが外部環境と干渉した場
合、外部環境に過大な力を加えてしまうといった問題が
生じる。
レータにおいては、プーリとワイヤ間の摩擦トルクの調
整方法は図8のように固定式のテンション調整機構を取
り付けあらかじめテンションプーリ18の間隔を固定し
てテンションを一定に保ち、プーリとワイヤ間の摩擦ト
ルクを一定に設定しておく方法が一般的である。また、
ワイヤのテンションを調整する方法としては、図9のよ
うな拮抗筋方式として2つのアクチュエータ25で互い
に引っ張りあうことでテンションを調整し、プーリとワ
イヤ間の摩擦トルクを可変にする方法(小金、“拮抗筋
構造を持つアクチュエータ”、第12回ロボット学会学
術講演会)がある。
ーリ間の摩擦トルクは一定であり可変にすることができ
ず、障害物と接触した場合にはあらかじめ設定されたテ
ンションにより設定されたワイヤとプーリ間の摩擦力に
相当する反力が障害物にかかることになり、摩擦力の設
定によっては障害物に過大な衝撃を与えることがあっ
た。また、図9に示した方法では、制御方法によっては
障害物に過大な衝撃を与えることは防げるが、アクチュ
エータが2つ必要なためマニピュレータアームの関節部
分の体積が大きくなるという問題があった。
図7に示すようになっている。(特開昭52−2048
2号公報、特開昭52−25364号公報、特開昭52
−51661号公報参照)。図において、400はワー
ク、401はロボットハンド、402は上顎部、403
は下顎部を示す。これは指の回転運動によりハンドの開
閉動作を行う。この型のロボットハンドを用いて、平坦
な場所に置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワー
ク400を把持する動作を行った場合の動作シーケンス
を、図7に基づいて以下に示す。
400の位置を認識する。 2)マニピュレータにて、ロボットハンド401の下顎
部403がワーク400の縁部とワーク400設置面の
間に入るように、ロボットハンド401を移動する。 3)マニピュレータにてロボットハンド401を前進さ
せて下顎部403をワーク400に当てる。 4)上顎部402を回転してロボットハンド401を閉
じる。 5)把持状態を確認する。 6)ワークの把持を完了する。
ク設置面の間の狭い空間に下顎部を差し込まなくてはな
らないため、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度
が要求されるという問題があった。
ボットアームの軽量化が行えるワイヤもしくはスティー
ルベルト駆動方式を用いた上で、ロボットアームが外部
環境と干渉した場合にも、外部環境に過大な力を加え
ず、安全に動作するロボットアームの駆動装置を提供す
ることを第1の目的とする。また、本発明は、ワイヤで
駆動するマニピュレータにおいて、障害物と接触した場
合の安全確保のためにプーリとワイヤもしくはスティー
ルベルト間の摩擦トルクを調整しアームを駆動するロボ
ットアームの駆動装置を提供することを第2の目的とす
る。さらに、本発明は視覚センサ、マニピュレータ動作
に高精度を要求しないロボットハンドを提供することを
第3の目的とする。
るため、本発明の第1の手段のロボットアーム駆動装置
は、n個の関節を有するロボットアームを駆動するワイ
ヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボットアーム
駆動装置であって、リンク固定プーリと対をなすプーリ
との間にテンションプーリ、トルクセンサ及びテンショ
ン調整機構を配置し、各関節において1個のプーリをリ
ンクと固定し、n本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記
リンク固定プーリに固定し、リンク固定プーリと対をな
すプーリにはワイヤを固定せず1回転以上巻き付けるこ
とにより、ロボットアームが外部環境と接触した際に、
プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を
加えないようにロボットアームが外力に倣うようにした
ものである。また前記第2の目的を達成するため、本発
明の第2の手段のロボットアーム駆動装置は、ロボット
ハンドの各アームを駆動するための動力伝達ワイヤに1
個もしくは複数のソレノイドコイルとテンションプーリ
を組み合わせたテンション調整機構を設け、ワイヤアー
ムの駆動トルク伝達ワイヤのテンションを可変にしたも
のである。さらに前記第3の目的を達成するため、本発
明の第3の手段のロボットハンドは、平坦な場所に置か
れている、辺縁部を有する浅い箱状のワークに対して上
方から近づいて、ワークに触れた後に水平方向に物体を
挟み込む挟着部からなるものである。
いて説明する。図1はロボットハンドを搭載するロボッ
トアームの実施例を示すものであり、本発明を3自由度
の水平アームモデルで示したロボットアーム100が示
されている。ロボットアーム100は、駆動系側の根元
部から手先側の先端部にかけてリンク1〜3を備えてお
り、各リンク1〜3は隣り合うリンクと関節J1〜J3
で連結している。一番根元の駆動部には駆動用アクチュ
エータに固定されたプーリPd1〜Pd3が設置され、
関節J1〜J3の関節軸R1〜R3には、そこを経由す
るワイヤWの本数と同数のプーリを独立して回転が可能
に設置している。さらにワイヤ張力およびワイヤ巻き掛
け角度の調整を兼用したテンションプーリ18が設置さ
れている。
が固着されており、他のプーリはPT1と独立して回転
可能に設置している。関節J2の関節軸R2には、プー
リPT2が固着されており、他のプーリはPT2と独立
して回転可能に設置している。関節J3の関節軸R3に
は、プーリPT3が固着されている。各ワイヤ駆動経路
は以下の通りである。図1には各関節軸R1〜R3を駆
動するためのワイヤの駆動経路が示されている。
固定されたプーリPd1に1周半以上巻き付け、一番根
元側のテンションプーリ18を通過し、関節軸R1に固
着されたプーリPT1に両端とも半周以上巻き付けられ
固定される。 (ワイヤ2)駆動用アクチュエータ11に固定されたプ
ーリPd2に1周半以上巻き付け、関節軸R1に回転可
能に設置されたプーリP12に両端とも1周以上巻き付
け、二番目に根元にあるテンションプーリを通過し、関
節軸R2に固着されたプーリPT2に両端とも半周以上
巻き付けられ固定される。 (ワイヤ3)駆動用アクチュエータ12に固定されたプ
ーリPd3に1周半以上巻き付け、関節軸R1に回転が
可能に設置されたプーリP11に両端とも1周以上巻き
付け、関節軸R2に回転が可能に設置されたプーリP2
1に両端とも1周以上巻き付け、三番目に根元にあるテ
ンションプーリ18を通過し、関節軸R3に固着された
プーリPT3に両端とも半周以上巻き付けられ固定され
る。
ットアームに過大な力が加わった際に、各アームに固定
されたプーリーの反対側のプーリと各ワイヤは固定され
ていないため、滑りを生じ、外部環境に過大な力が働く
のを防ぐ。
力、ワイヤ巻き掛け角度の関係は下記の式1の通りであ
る。 Flim i=FI iA(φi) 式(1) ここで、 Flim i:関節Jiの滑りトルク FI i:ワイヤWiの初期張力 φi:駆動用アクチュエータに固定されたプーリPdi
に対するワイヤWiの巻き掛け角 A:駆動用アクチュエータに固定されたプーリPdiに
対するワイヤWiの巻き掛け角で決まる関数 なお、テンションプーリ18をワイヤ張力およびワイヤ
巻き掛け角度調整用プーリとして別々のプーリとするこ
とで、各関節における滑りトルクを細かく調整すること
も可能である。
部材をn個の関節で連結し、各関節には先端の関節から
順に1〜n個のプーリを互いに独立して回転が可能に設
置し、各関節において1個のプーリをリンクと固定し、
n本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記リンク固定プー
リに固定し、前記各関節軸に掛かるワイヤはプーリに1
回転以上巻き付いてその関節軸を経由し、一番根元に配
置された駆動部においてワイヤ張力調整用プーリとワイ
ヤ巻き掛け角度調整用プーリを経由し、駆動用アクチュ
エータに固定されたn個のプーリには1回転以上巻き付
けるだけで固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボ
ットアームを駆動するので、ロボットアームが外部環境
と接触した際に、駆動用アクチュエータに固定されたプ
ーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を加
えないようにロボットアームが外力に倣う。
1において1、2、3はリンク、4、5、6はそれぞれ
リンク1、2、3用のソレノイドであり、各リンクヘ駆
動力を伝達するワイヤの間に取り付けられ衝突監視装置
16の指令に基づいてワイヤの間隔を変更することがで
きる。7、8、9はそれぞれリンク1、2、3の表面に
取り付けられた接触センサであり、接触力と接触位置を
測定することができ、それらの信号は衝突監視装置16
に伝達されている。10、11、12はそれぞれリンク
1、2、3を駆動するモータに取り付けられたエンコー
ダであり、それらの位置信号、速度信号、回転方向信号
は衝突監視装置16に伝達されている。13、14、1
5はそれぞれリンク1、2、3のトルクセンサであり、
各リンクのトルクを監視しており、その信号は衝突監視
装置16に伝達されている。衝突監視装置16は、接触
センサ、エンコーダ、トルクセンサの信号をもとに衝突
の状態を監視し、状態に応じてソレノイドを通してワイ
ヤのテンションを調整することにより、アームの各関節
のリミットトルクを変更する。
アームにアーム駆動方向と反対の方向に移動する障害物
22がリンク2に衝突した場合の説明図である。この場
合、衝突監視装置16は、駆動しているアームの移動方
向とリンクの位置、速度及び接触センサからの接触力と
接触位置及びトルクセンサからの各軸トルクから衝突状
態を判定し、リンク2のワイヤテンションをソレノイド
を使用して緩ませ、リンク2のリミットトルクを小さく
する(図(b)参照)。その結果リンク2はほぼフリー
の状態になり障害物に沿って駆動されることになり障害
物22への衝撃を小さくすることができる。
アームにアーム駆動方向と同方向に移動する障害物22
がリンク1に衝突した場合の説明図である。この場合、
衝突監視装置は、同様にアームの移動方向、リンクの速
度、接触力、接触位置及び各軸トルクから衝突状態を判
定し、リンク1、2のリミットトルクを小さくする。そ
の結果リンク1、2はほぼフリーの状態になり障害物2
2に沿って駆動されることになる(図3(b)参照)。
しかし場合によってはリンク2がまわりすぎ、障害物2
2を挟み込んでしまう場合が発生する可能性がある(図
3(c)参照)。このような場合、衝突監視装置はリン
ク1とリンク2の位置、速度信号から再びアームのリミ
ットトルクを大きくし、モータを停止することにより障
害物の安全を確保できる。
た場合には、接触センサからの接触位置、接触力信号と
エンコーダからのアームの位置、速度、回転方向、トル
クセンサからの軸トルク信号により接触状態を判定しそ
れに応じてワイヤのテンションを切り替えることにより
関節のリミットトルクを切り替え、アームが障害物に与
えるダメージを小さくすることが可能となる。
5はロボットハンドを示す平面図である。図において、
101はロボットハンド、102は上顎部、103は下
顎部、104はスイッチA、105はスイッチB、10
6はスイッチC、107はモータ、108はギヤA、1
09はギヤBであり、110は回転運動を直動運動に換
えるギヤCである。平坦な場所に置かれている、辺縁部
を有する浅い箱状のワークとして食事トレイを挙げる。
図6に、トレイを把持する動作シーケンスを示し、それ
ぞれの説明を以下に示す。図において、200はトレイ
である。
イ200の位置を認識する。 (2)マニピュレータにてトレイ200上にロボットハ
ンド101を移動する。 (3)マニピュレータ上下軸にてスイッチ104が入る
までロボツトハンド101を下降する。 (4)マニピュレータにてロボットハンド101をスイ
ッチ105が入るまで後退させて上顎部102をトレイ
200に当てる。 (5)モータ107を駆動し、ギヤ108、ギヤ10
9、ギヤ110を介してスイッチ106が入るまで下顎
部103を送ってロボットハンド101を閉じる。 (6)すべてのスイッチが入っていることを確認するこ
とで把持状態を確認する。 (7)トレイ把持が完了する。 このようにして、トレイに触れた後に水平方向に物体を
挟み込むようにしたので、視覚センサ、マニピュレータ
動作に高精度を要求せずに把持動作を行える。
によれば、ロボットアームの軽量化が行えるワイヤ駆動
方式を用いた上で、駆動用アクチュエータに固定された
n個のプーリにはワイヤを1回転以上巻き付けるだけで
固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボットアーム
を駆動するので、ロボットアームが外部環境と干渉した
場合にも、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作す
るロボットアームのワイヤ駆動方式を提供することがで
きる。また、各ワイヤの初期張力、アクチュエータに固
定されたプーリに対する巻き掛け角度を調整すること
で、各関節における滑りトルクを調整することができ
る。また、本発明の第2の手段によれば、とアーム内に
取り付けられた各種センサの信号を基に衝突判定装置に
より衝突状態を判定し、その結果をもとにソレノイド機
構を用いた簡単なワイヤテンション調整機構により関節
のリミットトルクを調整することにより、衝突による障
害物への衝撃を小さくすることができる。さらに、本発
明の第3の手段によれば、平坦な場所に置かれている辺
縁部を有す浅い箱状のワークに対して上方から近づい
て、ワークに触れた後に水平方向に物体を挟み込むよう
にしたので、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度
を要求せずに把持動作を行えるという効果がある。
略図である。
ク1用ソレノイド、5リンク2用ソレノイド、6 リン
ク3用ソレノイド、7 リンク1用接触センサ、8 リ
ンク2用接触センサ、9 リンク3用接触センサ、10
リンク1用モータエンコーダ、11 リンク2用モー
タエンコーダ、12 リンク3用モータエンコーダ、1
3 リンク1用トルクセンサ、14 リンク2用トルク
センサ、15 リンク3用トルクセンサ、16 衝突監
視装置、17 ソレノイド用アンプ、18 テンション
プーリ、19 リンク3用モータコントローラ、20
リンク2用モータコントローラ、21 リンク1用モー
タコントローラ、22 障害物、23 障害物移動方
向、24 アーム移動方向、25 モータ、26 ば
ね、100 ロボットアーム、W ワイヤ、L リンク
部材、J 関節、A 関節軸、P プーリ、101 ロ
ボットハンド、102 上顎部、103 下顎部、10
4 スイッチA、105 スイッチB、106 スイッ
チC、107 モータ、108 ギヤA、109 ギヤ
B、110 ギヤC、200 トレイ、400 ワー
ク、401 ロボットハンド、402 上顎部、403
下顎部
Claims (7)
- 【請求項1】 n個の関節を有するロボットアームを駆
動するワイヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボ
ットアーム駆動装置であって、リンク固定プーリと対を
なすプーリとの間にテンションプーリ、トルクセンサ及
びテンション調整機構を配置し、各関節において1個の
プーリをリンクと固定し、n本のワイヤを準備し、各ワ
イヤは前記リンク固定プーリに固定し、リンク固定プー
リと対をなすプーリにはワイヤを固定せず1回転以上巻
き付けることにより、ロボットアームが外部環境と接触
した際に、プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に
過大な力を加えないようにロボットアームが外力に倣う
ようにしたことを特徴とするロボットアーム駆動装置。 - 【請求項2】 ロボットハンドの各アームを駆動するた
めの動力伝達ワイヤに1個もしくは複数のソレノイドコ
イルとテンションプーリを組み合わせたテンション調整
機構を設け、ワイヤアームの駆動トルク伝達ワイヤのテ
ンションを可変にした請求項1記載のロボットアーム駆
動装置。 - 【請求項3】 アームに取り付けた接触センサによる接
触位置と接触力信号、エンコーダによるアーム位置、速
度、回転方向信号、トルクセンサによる関節負荷トルク
信号を用いて衝突状態を判定する衝突監視装置を持つ請
求項1記載のロボットアーム駆動装置。 - 【請求項4】 前記衝突監視装置からの指令に基づいて
ワイヤのテンションを駆動することによりプーリとワイ
ヤ間の摩擦トルクを調整し、リミットトルクを変化させ
るワイヤテンション調整機構を設け、これにより障害物
に過大な接触反力を与えないようにした請求項1記載の
ロボットアーム駆動装置。 - 【請求項5】 ロボットハンドにおいて、平坦な場所に
置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワークに対し
て上方から近づいて、ワークに触れた後に水平方向に物
体を挟み込む挟着部からなることを特徴とするロボット
ハンド。 - 【請求項6】 ワークは食事トレイである請求項1記載
のロボットハンド。 - 【請求項7】 請求項5または6記載のロボットハンド
を先端に搭載したロボットアームがワイヤもしくはステ
ィールベルト駆動式であるロボットアーム駆動装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06366897A JP3578375B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06366897A JP3578375B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10249777A true JPH10249777A (ja) | 1998-09-22 |
JP3578375B2 JP3578375B2 (ja) | 2004-10-20 |
Family
ID=13235968
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP06366897A Expired - Fee Related JP3578375B2 (ja) | 1997-03-17 | 1997-03-17 | ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3578375B2 (ja) |
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