JP2002536196A

JP2002536196A - ロボットマニピュレータ及び方法

Info

Publication number: JP2002536196A
Application number: JP2000598316A
Authority: JP
Inventors: パーリン，ケネス
Original assignee: ニューヨークユニバーシティ
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2002-10-29
Also published as: EP1165293A1; AU2752000A; WO2000047373A1; EP1165293A4; US6263755B1

Abstract

(57)【要約】ロボットマニピュレータ１０は、先端部１２を有する。マニピュレータは、入れ子式に収容されたＮ個(Ｎは２以上の整数)のチューブ１６から構成される駆動アーム部１４を具えている。アーム部は、頂部と底部を有し、アーム部の頂部が先端部１２に接続される。マニピュレータは、アーム部及び先端部１２を動作させるための駆動機構２２を具え、該駆動機構は駆動アーム部１４の底部で駆動アーム部１４に接続される。ロボットマニピュレータを動作させる方法は、駆動アーム部１４の外側の同心チューブ１６を回転させる工程を含んでいる。次に、ジョイントの支持構造に接する外側チューブ１６により、支持構造を回転させる工程がある。次に、第２アーム部２６と支持構造を繋ぐ軸３４により、第２アーム部２６をギア２８の周りで回転させる工程がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、複数のアーム部(limbs)がジョイントによって接続されたロボット
マニピュレータに関するものである。より具体的には、本発明は、複数のアーム
部がジョイントによって接続され、該アーム部は入れ子式に収容されるチューブ
から構成されるロボットマニピュレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

ロボットマニピュレータには、次の如く、所望される特性が数多くあるが、こ
れらのすべてを同時に満足することは困難であった。・バックスリップしないこと・直接駆動できること・剛性を有する構造であること・配管や電気ケーブルを通すための中空の孔を有すること・軽量であること・モータを固定して取り付けられること・簡単な機構であること・拡張性(scalability)が高いこと

【０００３】本発明は、これらすべての条件を充足するものである。本発明は、新規な駆動
機構を用いることによって実施することができ、該駆動機構は同心に配置された
Ｎ個の中空チューブを通じて自由度の多い動きを伝達する。１つの区間(stage)
における機械的な動きはすべて、これらチューブの共通中心軸の周りの相対的な
回転において行われ、機械的に支持することもできる。どのチューブの駆動力も
、次の区間を回転させるために或いは曲げるために用いられるか、または次の区
間を形成する同心チューブの系へ伝達される。このプロセスは、Ｎの自由度がすべて用いられるまで、各区間で引き続いて行
なわれる。

【発明の要旨】

本発明は、ロボットマニピュレータに関するものである。マニピュレータは、
先端部(end)を有する。マニピュレータは、入れ子式に収容されたＮ個(Ｎは２以
上の整数)のチューブから構成される駆動アームを具えている。アーム部は、頂
部と底部を有し、アーム部の頂部で前記先端部に接続される。マニピュレータは
、アーム部及び先端部を動作させるための駆動機構を具え、該駆動機構は駆動ア
ーム部の底部で駆動アーム部と接続されている。

【０００４】本発明は、ロボットマニピュレータを動かす方法に関するものである。本発明
の方法は、駆動アーム部の外側同心チューブを回転させる工程を有する。次に、
ジョイントの支持構造に接する外側チューブにより、ジョイントの支持構造を回
転させる工程を有する。次に、第２アーム部と支持構造を繋ぐ軸により、第２ア
ーム部をギアの周りで回転させる工程を有する。

【０００５】

【詳細な説明】

図面を参照すると、幾つかの図面の中で用いる同じ符号は、同様の又は同一の
部品を示しており、より具体的には、図１では、ロボットマニピュレータが符号
(10)で示される。マニピュレータ(10)は、先端部(12)を有する。マニピュレータ
(10)は、入れ子式に収容されたＮ個(Ｎは２以上の整数)のチューブ(16)から構成
される駆動アーム(14)を具えている。アーム部は、頂部と底部を有し、アーム部
の頂部が前記先端部(12)に接続される。マニピュレータ(10)は、アーム部及び先
端部(12)を動かすための駆動機構(22)を具え、該駆動機構は駆動アーム部(14)の
底部にて駆動アーム部(14)と接続されている。

【０００６】望ましくは、アーム部の各チューブ(16)は入れ子式に収容され、内側のチュー
ブ(16)は外側のチューブよりも長く形成される。マニピュレータ(10)は、頂部と
底部を有する第１ジョイント(24)を有することが望ましい。ジョイントの頂部は
、駆動アーム部(14)の底部に接続されている。マニピュレータ(10)は、同心に配
置された(Ｎ−２)個のチューブ(16)から構成される第２アーム部(26)を具えるこ
とが望ましい。第２アーム部(26)の頂部は、先端部(12)と繋がっており、第２ア
ーム部(26)の底部は、ジョイントの頂部に接続されている。

【０００７】望ましくは、駆動アーム部(14)は、第２アーム部(26)を回転させることもでき
るし、曲げることもできる。第１ジョイント(24)は、駆動アーム部(14)の各チュ
ーブ(16)(但し、最も外側のチューブ(16)を除く)及び第２アーム部(26)の各チュ
ーブ(16)に接する複数のギア(28)を有することが望ましい。駆動アーム部(14)の
各チューブ(16)が回転すると、各ギアが回転し、次に、第２アーム部(26)の各チ
ューブ(16)を駆動する。

【０００８】第１ジョイントは、第１自由度がねじり回転、第２自由度は曲げ回転である２
自由度を有することが望ましい。２自由度は、駆動アーム部(14)の最も外側の２
つのチューブ(16)によって駆動されることが望ましい。

【０００９】マニピュレータは、Ｎ／２(Ｎは４以上)個のアーム部(30)を含んでおり、該ア
ーム部(30)は駆動アーム部(14)に接続され、夫々が２自由度を有する合計Ｎ／２
個のジョイント(32)により、互いに接続されることが望ましい。各ジョイントは
、支持構造と、該支持構造に取り付けられた軸(34)を具えることが望ましい。望
ましくは、２つのアーム部(30)が繋がれて一組のアーム部(30)を形成し、繋がれ
たチューブ(16)とチューブ(16)との間にはベアリングを含んでいる。

【００１０】駆動機構(22)は、Ｎ個の外部駆動モータ(36)を具え、各モータは、駆動アーム
部(14)の対応するチューブ(16)に接続されることが望ましい。

【００１１】駆動モータ(36)は、駆動アーム部(14)の底部に固定して配置されることが望ま
しい。駆動アーム部(14)は、駆動モータ(36)を支持しないことが望ましい。チュ
ーブ(16)は、中空に形成されることが望ましい。マニピュレータ(10)は、アーム
部(30)の中を通るケーブル(38)を含むことが望ましく、該ケーブル(38)は先端部
(12)に接続される。

【００１２】本発明は、ロボットマニピュレータ(10)を動作させる方法に関する。本発明の
方法は、駆動アーム部(14)の外側の同心チューブ(16)を回転させる工程を有する
。次に、ジョイントの支持構造に接する外側チューブ(16)により、ジョイントの
支持構造を回転させる工程を有する。次に、第２アーム部(26)と支持構造を繋ぐ
軸(34)により、第２アーム部(26)をギアの周りで回転させる工程を有する。

【００１３】望ましくは、駆動アーム部(14)の外側チューブ(16)を回転する工程の後、駆動
アーム部(14)の外側チューブ(16)に囲まれて入れ子式に収容された同心チューブ
(16)を回転する工程を有している。次に、ギアに接触するチューブ(16)により、
ギアを回転させる工程がある。次に、第２チューブ(16)に接触するギアにより、
第２アーム部(26)の同心チューブ(16)を回転させ、収容されたチューブ(16)をギ
アの周りで方向を変える工程を有する。

【００１４】望ましい実施例において、マニピュレータ(10)は、各々が同心チューブ群から
構成されるアーム部(30)が、ジョイント(32)によって互いに接続される。

【００１５】図１は、本発明のマニピュレータ(10)の斜視図である。図１において、次の要素が示されている。・一組の外部駆動モータ(36)、・一組のアーム部(30)、即ち、中空で剛性の同心チューブ(16)群、・隣り合うアーム部(30)の間に１個ずつ配備された低摩擦ベアリング、・各ジョイントの支持構造、・各支持構造に取り付けられた軸(34)、・各ジョイントに配備された、バックスリップしないギア(28)の列。幾つかの他のチューブ(16)の中に収容されたジョイントよりも前にあるアーム
部の各チューブ(16)には、対応するギアがある。

【００１６】各チューブ(16)は、入れ子式に収容されており、内側のチューブは外側のチュ
ーブよりも僅かに長く形成されている。この長さの違いにより、入れ子式に収容
されたチューブ(16)とそれに対応するギアとの間で接触領域が作られる。

【００１７】各ジョイント部は２自由度があり、ねじれ回転とその後の曲がり回転が可能で
ある。これらの動きは、そのジョイントの前にあるアーム部の最も外側の２つの
チューブ(16)によって駆動される。このため、どのアーム部も入れ子式に収容さ
れたｎ個のチューブ(16)を有していれば、次のアーム部では、入れ子式に収容さ
れたチューブ(16)は(ｎ−２)個であり、各チューブ(16)は、それより前にあるア
ーム部の最も内側の(ｎ−２)個のチューブ(16)の１つに対応する。

【００１８】それに基づいて、マニピュレータ(10)は、入れ子式に収容されたＮ個のチュー
ブ(16)を含んでおり、機構全体としては、各々が２自由度で回転可能なＮ／２個
の連結アーム部(30)から構成される。

【００１９】最後のアーム部を除く各アーム部では、外側のチューブ(16)は支持構造を回転
させ、該支持構造は軸(34)をアーム部の中心軸の周りで回転させる。外側チュー
ブ(16)以外のチューブ(16)は全て、１つのギアを駆動する。

【００２０】入れ子式に収容された最も外側のチューブ(16)(つまり、最も外側のチューブ(
16)の直ぐ内側に収容されたチューブ(16))は、次のアーム部を囲むスリーブにし
っかりと接続されたギアを駆動する。このチューブ(16)が回転すると、その回転
によってギアが回転し、次のアーム部はジョイントの軸(34)の周りで回転するこ
とができる。

【００２１】継続して収容されたその他全てのチューブ(16)は、それらに対応するギア(28)
を回転させ、そのギアの回転により、収容されたチューブ(16)は次のジョイント
で回転する。

【００２２】使用者の立場から見たマニピュレータ(10)の重要な特徴は、次のとおりである
。・リンクは、極めて正確に制御されることができ、バックドライブ可能である。
すなわち、エンドエフェクタに力が加えられると、その力はモータ(36)に直接戻
るように伝達される。これまでのギアリンクでは、このようなことはない。これ
は、フィンガーが、印加する圧力の大きさを変えて、異なる材料(より柔らかい
材料又はより硬い材料)を操作できることを意味する。・モータ(36)はすべて、機構のベースに固定された状態で配置されるので、駆動
モータ(36)は移動の必要がない。この結果、可動部品は、負荷のかかる部品とし
てモータ(36)を支える必要がないから、機構の剛性を非常に高くし、慣性を非常
に小さくできる。また、モータ(36)に、軽量化を考慮する必要はないから、より
強力でより安価なモータを用いることができる。・機構は中空構造である。従って、所望により、機構の内部に種々のケーブル(3
8)や配管を通して、エンドエフェクタと繋ぐことができる。

【００２３】望ましい実施例において、エフェクタは、夫々が２自由度を有する３つの区間
から構成され、６自由度を有している。これらの自由度を１ａ、１ｂ、２ａ、２
ｂ、３ａ及び３ｂと称することにする。各区間では、中心軸の周りでねじる動き
と、次に、中心軸に対して直角に曲がる動きを有する。

【００２４】各区間は、径が次第に小さくなる入れ子式チューブ(16)(１ｂが１ａの内側に
収容され、２ａは１ｂの内側に収容される等)として連結される。チューブ(16)
群どうしの間には、図９に示されるように、低摩擦で回転可能なスライドジョイ
ントが設けられる。そのようなジョイントとして、テフロン（登録商標）コーテ
ィング、環状リングボールベアリングの他を挙げることができる。また、入れ子
式に収容されたチューブ(16)を一方が他方の中で回転自由な状態で支持できるも
のであればその他の標準的な機構であってよい。

【００２５】図２は、機構の全体を示しており、符号で表すと次の通りである。・区間１、自由度１ａのエフェクタ・区間１、自由度１ｂのエフェクタ・区間２、自由度２ａのエフェクタ・区間２、自由度２ｂのエフェクタ・区間３、自由度３ａのエフェクタ・区間３、自由度３ｂのエフェクタ

【００２６】図３は、区間１と区間２を分解して示す図であって、区間１により実行される
２自由度を示している。左側の３つの図は、夫々、これらの三つの要素を示して
いる。右側の図は、これら要素の全てが機構の中に組み立てられた状態を示して
いる。

【００２７】図４は、６自由度を有するフィンガーを示している。図５は、同じフィンガーを９０度回転させたものを示しており、自由度は最後
の２つである。図６は、第１ジョイント(24)の詳細図であり、ニュートラル位置を示している
。

【００２８】図７は、第１ジョイント(24)の詳細図であり、第２の自由度(第１ジョイント(
24)を曲げる)で回転した状態を示している。ねじりの動きは、後段のジョイント
(32)で行われるが、これは、後の自由度で結合された回転によることに留意され
るべきである。

【００２９】図８は、第１ジョイント(24)の詳細図であって、第１の自由度で回転した状態
(第１ジョイントでねじる)を示している。第１ジョイント(24)での曲げの動きは
、第１自由度と第２自由度との結合によるものであることに留意されるべきであ
る。

【００３０】図９は、ジョイントの概要を示す図であり、同心シャフトが収容されている。同心の回転駆動シャフトは各ペアの間には、低摩擦回転ベアリングがある。こ
の一実施例として、２以上のリングジョイントから構成し、各リングジョイント
を、２つの駆動軸の共通中心軸に沿って異なる位置に配置することができる。各リングジョイントは、 (１) 外側の中空シャフトの内壁から内向きに延び、テフロン（登録商標）の
ような低摩擦材料でコーティングされたリングと、 (２) 内側シャフトの外壁から外向きに延び、低摩擦材料でコーティングされ
たリング、の２つの要素を接触させて作ることができる。

【００３１】或いはまた、各リングジョイントは、回転ボールベアリングであってよく、該
ベアリングとして、外側リングと内側リングを有し、各々が両リングと接触する
回転ボールが両リングを分離する円形領域に一定の角度間隔で配置されたもの(
当該分野で周知)を挙げることができる。

【００３２】例示した実施例の中で本発明を詳細に説明したが、それは、説明のためにだけ
になされたものと理解されるべきであり、当該分野の専門家であれば、請求の範
囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、変形をなし得るで
あろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のマニピュレータの斜視図である。

【図２】図２は、本発明のマニピュレータの斜視図である。

【図３】図３は、区間１と、区間２の一部を分解した図であって、区間１で行われる２
自由度を示しており、左側の３つの図は、夫々がこれら三つの要素を示しており
、右側の図は、これら要素のすべてを機構の中に組み立てられた状態を示してい
る。

【図４】図４は、６自由度を有するフィンガーを示している。

【図５】図５は、同じフィンガーを９０度回転させた状態を示しており、自由度は最後
の２つである。

【図６】図６は、第１ジョイントの詳細図であり、ニュートラル位置を示している。

【図７】図７は、第１ジョイントの詳細図であり、第２の自由度(第１ジョイントを曲
げる)で回転した状態を示しており、ねじりの動きは、後段のジョイントで行わ
れるが、これは、後の自由度で結合された回転によるものである。

【図８】図８は、第１ジョイントの詳細図であって、第１の自由度で回転した状態(第
１ジョイントでねじる)を示しており、第１ジョイントでの曲げの動きは、第１
自由度と第２自由度の間での結合によるものである。

【図９】図９は、ジョイントの概要を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットマニピュレータであって、先端部と、入れ子式に収容されたＮ個(Ｎは２以上の整数)のチューブを具えた駆動アーム
部であって、頂部と底部を有し、頂部が前記先端部に接続された駆動アーム部と
、駆動アーム部の底部で接続され、アーム部及び先端部を動作させるための駆動
機構と、を具えているロボットマニピュレータ。
【請求項２】アーム部の各チューブは入れ子式に収容され、内側のチュー
ブは外側のチューブよりも長く形成される請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】頂部と底部を有し、頂部が駆動アーム部の底部に接続された
第１ジョイントと、同心に配置された(Ｎ−２)個のチューブを具える第２アーム
部を含んでおり、第２アーム部は頂部と底部を有し、第２アーム部の頂部は先端
部に繋がり、第２アーム部の底部は第１ジョイントの頂部に接続されている請求
項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】駆動アーム部は、第２アーム部を回転させるか又は曲げる請
求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項５】第１ジョイントは、駆動アーム部の各チューブ(但し、最外
周のチューブを除く)及び第２アーム部の各チューブに接する複数のギアを具え
ており、駆動アーム部の各チューブが回転すると各ギアが回転し、該ギアの回転
によって第２アーム部の各チューブが駆動して回転する請求項４に記載のマニピ
ュレータ。
【請求項６】第１ジョイントは、第１自由度がねじり回転、第２自由度が
曲げ回転である２自由度を有している請求項５に記載のマニピュレータ。
【請求項７】２自由度は、駆動アーム部の最も外側の２つのチューブによ
って駆動される請求項６に記載のマニピュレータ。
【請求項８】駆動アーム部に接続され、Ｎ／２(Ｎは４以上)個のアーム部
と、夫々が２自由度を有し、アーム部を互いに連結する合計Ｎ／２個のジョイン
トを含んでいる請求項７に記載のマニピュレータ。
【請求項９】各ジョイントは、支持構造と、該支持構造に取り付けられた
軸を具えている請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】２つのアーム部が繋がれて一組のアーム部を形成し、繋が
れたチューブとチューブとの間にベアリングを含んでいる請求項９に記載のマニ
ピュレータ。
【請求項１１】駆動機構は、Ｎ個の外部駆動モータを含んでおり、各モー
タは、駆動アーム部の対応するチューブに接続される請求項１０に記載のマニピ
ュレータ。
【請求項１２】駆動モータは、駆動アーム部の底部に固定して配置される
請求項１１に記載のマニピュレータ。
【請求項１３】駆動アーム部は、駆動モータを支持しない請求項１２に記
載のマニピュレータ。
【請求項１４】チューブは中空である請求項１３に記載のマニピュレータ
。
【請求項１５】アーム部の中を通り、先端部に接続されるケーブルを含ん
でいる請求項１４に記載のマニピュレータ。
【請求項１６】ロボットマニピュレータを動作させる方法であって、駆動アーム部の外側の同心チューブを回転させる工程、ジョイントの支持構造に接する外側チューブにより、ジョイントの支持構造を
回転させる工程、第２アーム部と支持構造を繋ぐ軸により、第２アーム部をギアの周りで回転さ
せる工程、を有している方法。
【請求項１７】駆動アーム部の外側チューブを回転する工程の後、駆動ア
ーム部の外側チューブに囲まれて入れ子式に収容された同心チューブを回転する
工程と、ギアに接触するチューブにより、ギアを回転させる工程と、第２チューブに接触するギアにより、第２アーム部の同心チューブを回転させ
、収容されたチューブをギアの周りで曲げる工程、を有している請求項１６に記
載の方法。