JP2005014156A - Modularization system multi-articulated robot and its electric actuator - Google Patents

Modularization system multi-articulated robot and its electric actuator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical system for shortening joints, and further enhancing safety, by simplifying complexity on a constitution and complexity on control as a multi-articulated robot caused by having a large number of driving members for performing different control with respective joint units. <P>SOLUTION: This multi-articulated robot adopts a combination of a rotation correcting mechanism and an offset rotary mechanism for the respective joint units; and uses the modularized same system electric actuator for the rotation correcting mechanism and the offset rotary mechanism of the respective joints; and adopts a worm gear mechanism having the reverse rotation preventing function composed of a worm and a worm wheel for a speed reduction mechanism used for the electric actuator. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はモジュール化したオフセット型関節ユニットと、それを用いたオフセット型関節ロボットの制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】本出願人は先にオフセット型関節ユニットを用いたロボットに関する基本技術について出願(特許文献1)し、特許第3326472号として登録された。この発明の多関節ロボットは、図9に示すように駆動側アーム106と従動側アーム107がアーム軸線に対して傾斜したオフセット回転軸線回りに回転駆動されるオフセット回転関節を少なくとも複数個有する多関節ロボットにおいて、前記駆動側アーム106先端に高減速比の関節回転伝動機構部109が所定のオフセット角度γで傾斜して固定され、該関節回転伝動機構109は駆動側であるステータ部と従動側であるロータ部とで構成され、前記ステータ部がステータハウジング120、該ステータハウジング120に回転自在に固定され外周面にカム面が形成され、モータ110で回転駆動される中空回転軸、内周面が前記中空回転軸のカム面131と係合するカム作動面で外周面が歯面となって弾性変形可能に固定されてなる入力ギア部材132からなり、前記ロータ部材が、ロータハウジング130、該ロータハウジング130に固定され、前記ステータ部の入力ギア部材132と噛合い前記中空軸と同一回転軸心で回転する出力ギア部材137からなり、前記ロータハウジング130に従動側アーム107を固定してオフセット回転関節を構成してなることを特徴とするものである。
【0003】
上記のような構成を持つことにより、この発明のオフセット回転関節は、従動側リンクがリンク軸線とオフセット回転軸線との交点を頂点として、オフセット角度の円錐回転運動するので、該オフセット回転関節を複数設けることによって、回転運動のみの簡単な機構で、エンドエフェクタの広可動範囲での精密な三次元位置決めができる。しかも、各関節は、関節内の関節回転伝動機構部が高減速比伝動・トルク増加機構となっているので、小型の駆動モータを採用してより強い回転トルクを伝えることができ、関節を小型軽量に形成することができる。このことは、多連の多関節ロボットにとって非常に有利であり、小型軽量でよりペイロードの高いオフセット回転関節を得ることができ、且つ精密な位置決め制御が可能な高機能な多関節ロボットを得ることができる。
【0004】
図11は特許文献1の多関節ロボットの制御方法の基本的構成を示すブロック線図である。このロボットシステムは、作業計画系A、マニピュレータ系(アーム、関節、エンドエフェクタ、及びこれらを直接コントロールする制御部を含む駆動作業部を指す)B、画像認識系Cで構成されている。作業計画系Aは、各種データベース170、作業計画手段171、軌道生成手段172、又必要に応じてリモート教示用又は手動操作用としてジョイスティック又はキーボード等の手動制御入力機器173から構成されている。各種データベース170にはロボットに必要な作業を行わせるための作業計画に必要なあらゆる情報・データを決定して入力しておく。作業計画に必要な情報・データとしては、多関節ロボット本体の形態情報(例えば各関節の機能構成、エンドエフェクタの機能構成等)、多関節ロボット本体の設置情報(多関節ロボット本体と画像認識用カメラと対象物等の固定位置座標、多関節ロボットの動作範囲等)、多関節ロボットの操作方法(手動操作モード、プログラム操作モード、自動操作モード等の決定情報)がある。そして、予めブロック教示されたブロック毎のブロック領域データも格納しておく。また、各種の作業対象物の形状等をデータベース化した対象物形状データベース、組立法、加工法等の各種基本作業内容をデータベース化した各種作業データベースをROM化しておくことによって、種々の形状の対象物に種々の作業をデータベースから呼び出して行うことができる。
【0005】
マニピュレータ系Bは,軌道生成手段172からの手先トルク指令に応じて各関節の関節トルクを決定する関節トルク分配手段175、手先角や手先位置指令に基づいて各関節の関節角度を計算する関節角度計算手段176、及び各関節179に設けられたサーボモータ180、回転速度計181、エンコーダ182等からなる関節単位手段、及びエンドエフェクタ186に設けられた力/トルクセンサ187、角度センサ188、重力センサ189等から構成されている。各関節には、通信インターフェース、前記関節トルク分配手段175及び関節角度計算手段176を兼ね、コマンドの実行と報告を行うCPU、及び関節データベースも備えている。
【0006】
この多関節ロボットのオフセット回転関節は、回転機構のみで関節を構成することができるので、比較的小型のアームで高負荷に対応できるが、筒体軸に対してオフセット角(斜交角)を持たせた軸を円錐状に回転させることで、筒体軸に対する曲げ角度をとる構造となっているために、途中の曲げ角度の方向が定まらない欠点がある。そのため、例えば、指関節のような単純な二次元的な曲げ動作を行うことが困難である等の問題点があった。そこで、本出願人は、回転機構のみで二次元動作ができ且つ小型から大型まで対応でき、高負荷加重を支持できる回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット(特許文献2)を先に提示した。この回転修正機構付きオフセット回転関節ユニットは、図10に示すように第1アーム、該第1アームの軸線を中心として回転駆動される回転修正アーム、該回転修正アームと斜交する軸線を中心として回転駆動される第2アームとで1組のオフセット回転関節ユニットを構成し、前記第1アームと前記回転修正アームとが回転修正関節機構部を介して連結され、前記回転修正アームと前記第2アームがオフセット回転関節機構部を介して連結されていることを特徴とするものである。前記回転修正関節機構部及び前記オフセット回転関節機構部が同一駆動源により、2軸反転機構部を介して駆動されることにより、制御が容易になり、微小な動作遅れを解消することができ、且つ組合せ関節の小型化ができる利点がある。前記オフセット回転関節機構部の回転に伴って、前記回転修正関節機構部が逆回転することによって、回転機構のみで前記第2アームが前記第1アームに対して、2次元曲げ動作を可能にする。
【0007】
このように改良が加えられた多関節ロボットは、生産ライン系の産業ロボット(溶接、搬送、組立等)や癒し系のロボット(人型ロボット、アミューズメント・ロボット、動物型ロボット等)に広く適用が期待されている。しかし、従来の試作開発済みのオフセット型多関節ロボットの関節機構の技術では、各関節毎にモータ、高減速比の歯車列、エンコーダ、ブレーキ等をアーム内に内蔵させるため、どうしても軸方向に長い構造となってしまう。そのため、オフセット回転関節と修正関節機構とが機構上、離れた構成となり一体化、小型化が難しく、各関節毎に細かい2次元曲げ動作(指の折り曲げ動作)をスムーズに行うことが不可能である。また、生産性(組立・調整・修理)も難しく、ユーザとのギャップ(価格、量産化、操作の利便性等)が大きく、なかなか市場への投入まで至らなかった。また、駆動系の高減速比伝動機構として、ハーモニックドライブ機構が用いられてきたが、一般に平歯車列からなるため、制御系の故障時など駆動電源が落ちたとき、姿勢保持機能が無くアームが自重などにより勝手に動き始め人や物に衝突してしまうという事故を起こす危険があり、安全上の問題もあった。また、制御系の構成として各関節ユニットの各アクチュエータ毎にコントローラを個別に設置する等、構造的に複雑でコストの面でも実用化の妨げとなっている。
【0008】
【特許文献1】特開2001−138279号公報「多関節ロボットとその制御方法」 平成13年5月22日公開 図1,図2
【特許文献2】特開2003−25269号公報「回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット」 平成15年1月29日公開
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性と制御上の複雑性を単純化すると共に、より細かな作業を可能とすべく関節間隔を短くし、かつ安全性を高めた実用的なシステムを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用した多関節ロボットにおいて、本発明は、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するようにした。
【0011】
本発明の電動アクチュエータは、回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納め外付けとし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態でモジュール化されている。
【0012】
本発明の関節ユニットは、回転修正機構として上記モジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部には上記モジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態とする。
更に、本発明の関節ユニットは、モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通軸に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態とする。
本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした。
【0013】
本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御するようにし、更にコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定する。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明では、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性については、基本的に各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用し、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ電動アクチュエータを用いることで、機構の単純化とコストの削減を図るようにした。また、駆動電源が落ちたとき、姿勢保持機能が無くアームが自重などにより勝手に動き始めて人や物に衝突してしまうという事故を防止する、安全上の問題対策としては、該電動アクチュエータに用いる減速機構にウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するようにした。
【0015】
また、本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、機械的な機構を用いずにエンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角を制御系にフィードバックし、その分の回転修正を、制御動作として行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした。そして、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材がある多関節ロボットの動作制御については、個々の関節ユニット当たり1組の電動アクチュエータに別々のコントローラを備え、それぞれを制御コンピュータによって駆動することに替え、複数組の関節ユニットの電動アクチュエータの制御を共通したコントローラを時系列的に切換使用することで部品数の削減を図って省エネ型でコストの安いシステムを提供する。
【0016】
【実施例1】以下に本発明のモジュール化した電動アクチュエータの実施例の構成について図1を参照しながら説明する。図中Aは側面図、Bは正面図である。1は電動アクチュエータで、2はサーボモータ、ステッピングモータあるいはパルスモータといった回転量を制御できる小型モータ、3は歯車列、4は該歯車列の出力歯車とウオーム軸と一体の手動回転軸5とを回転伝達するベルト、6はウオーム、7は該ウオーム6の回転速度をモニタするエンコーダ、8は前記ウオーム6と噛合するウオームホイール、9は固定側フランジ、10は出力側フランジ、11は隣接する回動機構間の信号を伝達するスリップリングであり12は固定側フランジ9に対する出力側フランジ10の角度を検出するエンコーダである。モータ2とウオーム6の回転軸はケーシング内でコンパクトに平行に配置されている。固定側フランジ9の固定系にモータ2とウオーム6を内蔵したケーシングが固定され、この固定系に対してベアリングを介してウオームホイール8が回転自在に支承されている。該ウオームホイール8はその固定側フランジ9と反対側に出力側フランジ10が、一体構造となって形成されている。固定側フランジ9の貫通孔内にはスリップリング11と角度エンコーダ12がウオームホイール8に固定されている。また、前記の手動回動軸5の端部には6角穴が空けられており、故障等により電動アクチュエータ1の駆動が停止した場合に、6角ハンドルを嵌合して手動で駆動できるようにしてある。
【0017】
以上のような構成の電動アクチュエータ1はモータ2が回転駆動されると歯車列3、ベルト4を介してウオーム6が回転させられる。この回転の状態(回転速度)はエンコーダ7でパイロット表示的にモニタすることができる。このウオームの回転は噛合関係にあるウオームホイール8を回転させるが、この歯車の回転比は1/10〜1/30程度とされる。このウオームギヤー関係によりウオーム6の回転はウオームホイール8に回転を伝えるが、ウオームホイール8の回転はウオーム6に回転を伝えることはない、所謂一方向伝達機構を構成する。これが本発明の電動アクチュエータの特徴点の1つである。ウオームホイール8の回転は出力側フランジ10と、スリップリング11並びに角度エンコーダ12とを回動させ、固定側フランジ9と出力側フランジ10との角度差を角度エンコーダ12が検出する。
以上のようなモジュール化された電動アクチュエータは、モータ2からウオーム6とエンコーダ7までの部材を収納するケーシングを、固定側フランジ9と出力側フランジ10とを有する回転機構部に対して図2に示すようにモータ部を立てた状態Bに限らず固定側A或いは出力側に寝かせた状態Cで取り付けることが可能である。実際の関節部に組み込む場合にはコンパクトに収まる取り付け形態を採用することができる。
【0018】
【実施例2】次に本発明のモジュール化した電動アクチュエータの実施例の構成について図3を参照しながら説明する。図中Aは下半分を断面図とした側面図、Bは図A中のa−a断面図、Cは図A中のb−b断面図である。1’は電動アクチュエータで、2は回転量を制御できる小型モータ、3は歯車列、4は該歯車列の出力歯車とウオーム軸と一体の手動回転軸5とを回転伝達するベルト、5aは手動回転軸5に一体的に取り付けられた伝達歯車、6a,6bは同軸に固定された伝達歯車6c,6dを介して伝達歯車5aに回転される2つのウオーム、7は前記伝達歯車5aの回転速度をモニタするエンコーダ、8a,8bは前記ウオーム6a,6bとそれぞれ噛合するウオーム歯車でありウオームホイール8の円周面に2列に形成されている。9は固定側フランジ、10は出力側フランジ、11は隣接する回動機構間の信号を伝達するスリップリングであり12は固定側フランジ9に対する出力側フランジ10の角度を検出するエンコーダである。先の実施例と異なるのはモータ2と伝達歯車5aの回転軸と更に2つのウオーム6a,6bがケーシング内でコンパクトに平行に配置されている点と、前記2つのウオーム6a,6bと噛合するウオームホイール8の円周面に2列に形成されている点である。そしてこの例ではウオーム6aと6bはピッチは同じであるが歯形は逆傾斜角になっておりこれと噛合するウオーム歯車8a,8bも同じ関係にある。固定側フランジ9にモータ2と伝達歯車5aの回転軸と更に2つのウオーム6a,6bを内蔵したケーシングが固定され、この固定系に対してベアリングを介してウオームホイール8が回転自在に支承されている。該ウオームホイール8はその固定側フランジ9と反対側に出力側フランジ10が、一体構造となって形成されている。固定側フランジ9の貫通孔内にはスリップリング11と角度エンコーダ12がウオームホイール8に固定されている点、及び手動回転軸5に手動用ハンドルが取り付けられるようになっている点は先の例と変わりはない。
【0019】
以上のような構成の電動アクチュエータ1’はモータ2が回転駆動されると歯車列3、ベルト4、伝達歯車5aを介してウオーム6a,6bが同方向に回転させられる。この回転の状態は伝達歯車5aの回転軸に取り付けられているエンコーダ7でパイロット表示的にモニタすることができる。このウオーム6a,6bの回転は噛合関係にあるウオーム歯車8a,8bに回転力を与えるが共にウオームホイール8を同じ方向に回転させる。この歯車の回転比はやはり1/10〜1/30程度とされる。このウオームギヤー関係によりウオーム6a,6bの回転はウオームホイール8に回転を伝えるが、所謂一方向伝達機構としてウオームホイール8の回転はウオーム6に回転を伝えることはなく、しかも噛合する歯形が異なるようにしているため逆転時には1組のウオーム歯車が噛み込む関係になり強い逆転防止機能を持つ。これが本実施例の電動アクチュエータ1’の特徴点の1つである。ウオームホイール8の回転は出力側フランジ10と、スリップリング11並びに角度エンコーダ12とを回動させ、固定側フランジ9と出力側フランジ10との角度差を角度エンコーダ12が検出する点は先の実施例と同様である。以上のようなモジュール化された電動アクチュエータ1’も、モータ2からウオーム6a,6bとエンコーダ7までの部材を収納するケーシングを、固定側フランジ9と出力側フランジ10とを有する回転機構部に対して固定側或いは出力側に寝かせた状態で取り付けることが可能である。ウオーム歯車機構が逆歯形の1組によって構成されている点で異なる他、駆動動作については先の実施例と大きく異なるところはない。
【0020】
上記したようなモジュール化された電動アクチュエータ1(又は1’)をオフセット型関節ロボットの関節ユニットに組み込む実施形態について説明する。図4と図5に示すように本発明の関節ユニット20は基部側の基筒体に接続される回転修正関節機構部21と、先端側オフセット回転関節機構部22から構成されるもので、2つの回転機構部に同じ上記したモジュール化された電動アクチュエータ1をそれぞれに組み込む。このオフセット回転関節機構部22は基部側部材22aと従筒体と一体の先端側部材22bがオフセット角γの関係で回転自在に支承されている。すなわち、回転修正関節機構部21では1つの電動アクチュエータAがそのまま基部側の回転修正関節機構部21として用いられ、その固定側フランジ9は基部又は隣接する基部側関節ユニットのオフセット回転関節の出力端に固定され、出力側フランジ10は自らのオフセット回転関節の基部側部材22aに固定される。オフセット回転関節機構部22ではその基部側部材22a内に貫通孔が形成されており、その空洞部に1つの電動アクチュエータBが装填されその固定側フランジ9がこのオフセット回転関節の基部側部材22aにオフセット角γで固定され、出力側フランジ11は自らのオフセット回転関節22の先端側部材22bの回転面に固定される。電動アクチュエータAと電動アクチュエータBに同じモジュール化された電動アクチュエータ1(又は1’)を採用できる点が本発明の1つのメリットである。
【0021】
図4に示した状態は関節ユニット20において基部側の回転修正関節機構部21の基部側固定端と、先端側オフセット回転関節機構部22の先端側出力端とが一直線状にある所謂変角0のときのものである。この状態から関節をα角曲げようとする際には、まず、オフセット回転関節機構部22内の電動アクチュエータ1を回転駆動させ、基部側部材22aと先端側部材22bの軸のなす角αとなるようにその電動アクチュエータをβ角回転駆動させる。ただし、αとβとの関係はオフセット角γに依存するため、オフセット角γが決まればαとβは一義的に対応する関係にある。この駆動によって、この関節ユニット20における基部側固定端と先端側出力端とは変角αの状態になるが、その角度は図4の紙面上の角ではなくβ角回転した面における角度となる。そこで、この変角αを図4の紙面上における角度にするため、本発明では該関節ユニット22の基部側にある回転修正関節機構部21においてこのβ角を修正するべく−β角の駆動をさせて回転修正を施す。この基部側の回転修正関節機構部21の基部側固定端と、先端側オフセット回転関節機構部22との双方の動作によって、関節ユニット20において2次元平面内での変角制御が可能となる。図5に示した状態はオフセット角γが30度である関節ユニット20において最大変角2γすなわち、この場合60°の曲げを二次元空間において行った結果を示している。ここに示した例では余分な突部を少なくしコンパクト化を図るため、電動アクチュエータAも電動アクチュエータBも共にモータ部のケーシングを固定側に倒した形態で組み込むようにした。
【0022】
図7を参照しながら、本発明の多関節ロボットの構成とその動作を説明する。ここに示した例は基部に対して5個の関節ユニットを連接設置し、先端部にエンドエフェクタEを取り付けた多関節ロボットである。関節の数は5に限られず一般数Nであってよい。基部RBから先端部にかけての各腕は徐々に細くなる構成がとられているが、各関節ユニットにはそれぞれ回転修正関節用の電動アクチュエータAとオフセット回転関節用の電動アクチュエータBとして全く同じモジュール化された電動アクチュエータが組み込まれている。なお、この電動アクチュエータの大きさはすべて同じということではなく、基部側では大きくエンドエフェクト側が小型のものとなるのが一般的である。この多関節ロボットシステムには制御部として基部RBの回転コントローラCRとエンドエフェクターEのコントローラCEと、5つの関節ユニットの電動アクチュエータA1乃至A5と電動アクチュエータB1乃至B5のコントローラCA1〜CA5とCB1からCB5が備えられ、各コントローラに対する制御信号が制御用コンピュータCCから送信され、インターフェースを介して入力される。ロボットの基本的な動きはパターン化され、各電動アクチュエータを駆動させるためのコントローラへ出力する制御信号の情報は、それぞれのパターンに対応して記憶装置にルックアップテーブルとして蓄積されている。ルーティン動作であればその基本パターンに対応した記憶情報をそのまま利用して動作できるが、オリジナルの動作についてはコンピュータが類似パターン情報を読み出すと共に、各アクチュエータに対する補正分を演算して制御信号を出力する。また、各電動アクチュエータA1〜A5とB1〜B5の駆動がエンコーダ7によって速度モニターされて信号MA1〜MA5とMB1〜MB5として出力されると共に、駆動された各関節ユニット20の回転修正関節機構部21と、先端側オフセット回転関節機構部22の角度情報はそれぞれの角度エンコーダ12から出力され、角度検出信号EA1〜EA5とEB1〜EB5として対応するそれぞれのコントローラCA1〜CA5とCB1〜CB5へ送り返される。
【0023】
図7に示した多関節ロボットの動作とその制御信号について図6を参照しながら詳しく説明する。まず各関節ユニット20と基部RB及びエンドエフェクタEのコントローラの電源をON状態とする信号D0が制御コンピュータCCから出され、各アクチュエータがON状態となる。続いて制御コンピュータCCにおいて指定されたロボットの動作に対応した各アクチュエータA,Bへの駆動制御信号MCA1〜MCA5とMCB1〜MCB5が制御コンピュータCCにおいて演算され、各アクチュエータA,BのコントローラA1〜A5とB1〜B5へ出力される。駆動制御信号MCB1〜MCB5はオフセット関節の角度を指定されたα°とするためのものであり、各関節ユニットのアクチュエータBをそのように駆動制御する。その動作結果として該関節が角度βだけ回動してしまうため、そのβ°分を撚り戻すために回転修正機構部21のアクチュエータAを駆動させる必要がある。そこで本発明ではオフセット回転関節機構部22の駆動によって変位した角度情報である、アクチュエータBの角度エンコーダ12の検出信号EB1〜EB5を制御コンピュータCCにフィードバックし、回転修正機構部21のアクチュエータAを駆動制御することにより回転修正する。回転修正機構部21のアクチュエータAへの駆動制御信号MCA1〜MCA5は、各関節の本来の回転駆動制御信号にこの回転修正分の信号が重畳され制御コンピュータCCから各アクチュエータAに出力している。この結果当該関節は指定された方向で指定された曲げ角度の状態となるべく3次元で駆動制御される。
【0024】
図6を基に説明した本発明の多関節ロボットとその制御方式は、多関節ロボットのシステム中に取り付けられた多数のモジュール化された電動アクチュエータに対して1対1に対応するコントローラを備え、同時並列的に駆動を行うことができるものであるため、応答性の速いシステムとなるが、コントローラを電動アクチュエータの数だけ必要とするため、コスト的には高価となってしまうデメリットがある。そこで、本発明の変形例では図8に示すようなアクチュエータAとアクチュエータBを含むN(図ではN=5)組の関節ユニットに対し、アクチュエータAとアクチュエータBのコントローラを含むM(MはNより小さい整数)個のコントローラだけを備え、時系列的に切換使用して1つのコントローラが複数の関節ユニットを制御する制御方式を提示する。図示の例では各関節ユニットのアクチュエータA,Bを切換接続するスイッチ群に対してスキャニイング動作で選択的にコントローラと接続する形態となっている。現在コントローラと接続されているものは実線で、非接続状態のものは一点鎖線で表示している。この方式を採用することにより、作動時間が余計にかかるというデメリットを生じるが、コントローラの数を削減したデメリットを小さくするため、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定すれば、制御時間に大きな遅れを出すことなく、この方式でロボットの駆動制御を行うことが可能となる。大きな動作は多くの作動時間を要し、小さな動作は作動時間は短いからである。なお、制御速度を要求されないロボットにおいては究極的には1つのコントローラだけを備え、各関節ユニットを順次切換制御するシステムでもよく、その分廉価に提供できる。
【0025】
本発明の関節ユニットは上記のような連接設置した多関節ロボット用に限らず、ディスプレイや照明器具といった機器を取り付け載置するステージ駆動用に単一ユニットで使用することもできる。制御角度が小さいものの場合には速度モニター用エンコーダ7の検出速度を積分して角度検出するようにしてもよく、その場合には角度エンコーダ12の設置は省略してもよい。
【0026】
【発明の効果】本発明のモジュール化方式の多関節ロボットは、各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用したものにおいて、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するものであるから、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性と制御上の複雑性を単純化することができた上に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときでも、姿勢保持機能を備えており、アームが自重などにより勝手に動き始め人や物に衝突する事故を起こす危険性を排除し安全性を高めることができた。
【0027】
また、本発明のモジュール化された電動アクチュエータは、回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納めて外付けし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態となっているので、構造的にコンパクトであり、固定端と出力端間の距離を短くして細かい作業対応できる。
【0028】
本発明の関節ユニットは、回転修正機構として請求項2に記載のモジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部にも請求項2に記載のモジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態であるから、構成上の単純化を図れると共に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときにも姿勢保持機能を備えており、安全性を高めた。
更に、モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通孔に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態をとった本発明の関節ユニットは、貫通孔を有効利用するものであるから、構造の単純化とコンパクト化が図れ、特に連接設置された多関節ロボット用に適する。
【0029】
本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとしたものであるから、2軸反転機構部のような回転修正用の機械的機構を備える必要が無く、制御信号の上で本来の回転制御動作に重畳させて容易に実行することができる。
【0030】
本発明の多関節ロボットは、基部に請求項4に記載の関節ユニットを複数個連接して取り付けると共に、先端部にエンドエフェクタを取り付けてなるものであるから、構成上の単純化を図れると共に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときにも姿勢保持機能を備えており、安全性を高いロボットが提供できる。更に、貫通孔を有効利用して角度エンコーダや信号伝達を行うものであるから、関節ユニットを連接設置された多関節ロボットとして単純化とコンパクト化が図る。
【0031】
本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、基本動作についての情報を蓄積したルックアップテーブルと指定動作の制御信号を演算する手段とを備えた制御コンピュータと、各関節ユニットの駆動を制御するコントローラとを備えたものであるから、多関節ロボットの駆動制御を容易に演算処理時間も短く実行することができる。
また、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御する構成を採用した本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、少ない構成部品でロボットの駆動制御ができるためシステムの簡素化とコスト面で有利なシステムを提供できる。
更に、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するようにコントローラの使用条件を設定した本発明の多関節ロボットを制御するシステムの使用方法は、一部の制御を時系列的に順次実行するものでありながら、時間遅れを最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のモジュール化された電動アクチュエータの1実施例を示す図である。
【図2】本発明のモジュール化された電動アクチュエータにおけるモータ固定形態のバリエーションを示す図である。
【図3】本発明のモジュール化された電動アクチュエータの異なる実施例を示す図である。
【図4】変角0時の態様を示す本発明の関節ユニットの図である。
【図5】最大変角時の態様を示す本発明の関節ユニットの図である。
【図6】本発明の多関節ロボット制御動作を説明する図である。
【図7】本発明の多関節ロボットの構造とその基本システムを説明する図である。
【図8】本発明の多関節ロボットの構造と合理化したシステムを説明する図である。
【図9】本発明の基礎となるオフセット型多関節ロボット用関節ユニットの従来構造を示す図である。
【図10】回転修正機構を備えたオフセット型多関節ロボット用関節ユニットの従来構造を示す図である。
【図11】本発明の基礎となるオフセット型多関節ロボットの制御技術を説明する図である。
【符号の説明】
1,1’ モジュール化された電動アクチュエータ
2 モータ 11 スリップリング
3 歯車列 12 角度エンコーダ
4 ベルト 20 関節ユニット
5 手動回動軸 21 回転修正機構部
6,6a,6b ウオーム 22 オフセット関節機構
7 回転速度エンコーダ 22a 基部側部材
8 ウオームホイール 22b 先端側部材
8a,8b ウオーム歯車 CC 制御コンピュータ
9 固定側フランジ RB 基部
10 出力側フランジ E エンド・エフェクタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a modular offset joint unit and a control technique for an offset joint robot using the same.
[0002]
2. Description of the Related Art The present applicant has filed an application (Patent Document 1) for a basic technique related to a robot using an offset joint unit and has been registered as Japanese Patent No. 3326472. As shown in FIG. 9, the multi-joint robot of the present invention has a multi-joint having at least a plurality of offset rotary joints in which the drive side arm 106 and the driven side arm 107 are rotationally driven around an offset rotary axis inclined with respect to the arm axis. In the robot, a joint rotation transmission mechanism 109 with a high reduction ratio is fixed to the front end of the driving side arm 106 at a predetermined offset angle γ, and the joint rotation transmission mechanism 109 is provided on the driving side stator portion and the driven side. A rotor portion, the stator portion is rotatably fixed to the stator housing 120, a cam surface is formed on the outer peripheral surface, a hollow rotary shaft that is driven to rotate by the motor 110, and an inner peripheral surface The cam operating surface that engages with the cam surface 131 of the hollow rotary shaft is fixed to be elastically deformable with the outer peripheral surface being a tooth surface. The rotor member is fixed to the rotor housing 130, is engaged with the input gear member 132 of the stator portion, and rotates with the same rotational axis as the hollow shaft. Thus, the driven arm 107 is fixed to the rotor housing 130 to constitute an offset rotary joint.
[0003]
With the above-described configuration, the offset rotary joint of the present invention has a conical rotational movement at an offset angle with the driven side link as a vertex at the intersection of the link axis and the offset rotary axis. By providing it, it is possible to perform precise three-dimensional positioning in a wide range of movement of the end effector with a simple mechanism only of rotational movement. In addition, each joint has a high reduction ratio transmission / torque increase mechanism in the joint rotation transmission mechanism in the joint, so a small drive motor can be used to transmit stronger rotational torque, and the joint can be made smaller. It can be formed lightweight. This is very advantageous for a multi-joint multi-joint robot, and it is possible to obtain an offset rotary joint with a small size and light weight and higher payload, and a highly functional multi-joint robot capable of precise positioning control. Can do.
[0004]
FIG. 11 is a block diagram showing the basic configuration of the articulated robot control method disclosed in Patent Document 1. In FIG. This robot system includes a work planning system A, a manipulator system (pointing to a driving work unit including an arm, a joint, an end effector, and a control unit that directly controls them) B, and an image recognition system C. The work planning system A includes various databases 170, work planning means 171, trajectory generation means 172, and manual control input equipment 173 such as a joystick or keyboard for remote teaching or manual operation as necessary. In the various databases 170, all information and data necessary for work planning for causing the robot to perform necessary work are determined and input. Information and data necessary for the work plan include configuration information of the articulated robot main body (for example, functional configuration of each joint, functional configuration of the end effector, etc.), installation information of the articulated robot main body (for articulated robot main body and image recognition) There are fixed position coordinates of a camera and an object, an operation range of an articulated robot, etc.) and an operation method of the articulated robot (determined information such as a manual operation mode, a program operation mode, and an automatic operation mode). Then, block area data for each block taught in advance is also stored. In addition, the object shape database in which the shapes of various work objects are databased, and various work databases in which various basic work contents such as assembly methods and processing methods are databased are stored in ROM so that objects of various shapes can be obtained. Various tasks can be performed on objects by calling them from the database.
[0005]
The manipulator system B includes a joint torque distribution unit 175 that determines the joint torque of each joint according to the hand torque command from the trajectory generation unit 172, and a joint angle that calculates the joint angle of each joint based on the hand angle and the hand position command. Calculation unit 176, joint unit means including servo motor 180 provided at each joint 179, tachometer 181 and encoder 182, etc., force / torque sensor 187 provided at end effector 186, angle sensor 188, gravity sensor 189 and the like. Each joint also includes a communication interface, a joint torque distribution unit 175 and a joint angle calculation unit 176, a CPU for executing and reporting commands, and a joint database.
[0006]
The offset rotary joint of this multi-joint robot can be constructed with only a rotary mechanism, so it can handle high loads with a relatively small arm, but has an offset angle (oblique angle) with respect to the cylinder axis. Since the bent shaft is rotated in a conical shape, the bending angle with respect to the cylindrical shaft is taken, and thus there is a drawback that the direction of the bending angle is not determined. Therefore, for example, there is a problem that it is difficult to perform a simple two-dimensional bending operation such as a finger joint. Therefore, the present applicant has previously presented an offset rotary joint unit with a rotation correction mechanism (Patent Document 2) that can perform a two-dimensional operation only by a rotation mechanism, can cope with a small size to a large size, and can support a high load load. As shown in FIG. 10, the offset rotary joint unit with the rotation correction mechanism includes a first arm, a rotation correction arm that is driven to rotate about the axis of the first arm, and an axis that obliquely intersects the rotation correction arm. The second arm that is rotationally driven constitutes a set of offset rotary joint units, and the first arm and the rotation correction arm are connected via a rotation correction joint mechanism, and the rotation correction arm and the second arm The arms are connected via an offset rotary joint mechanism. The rotation correction joint mechanism and the offset rotation joint mechanism are driven by the same drive source via the biaxial reversal mechanism, thereby facilitating control and eliminating minute operation delays. In addition, there is an advantage that the combination joint can be reduced in size. With the rotation of the offset rotation joint mechanism, the rotation correction joint mechanism rotates in the reverse direction, so that the second arm can perform a two-dimensional bending operation with respect to the first arm only by the rotation mechanism. .
[0007]
The articulated robots that have been improved in this way are widely applied to industrial robots in production lines (welding, transport, assembly, etc.) and healing robots (humanoid robots, amusement robots, animal robots, etc.). Expected. However, in the joint mechanism technology of the conventional offset-type articulated robot that has been developed for trial purposes, a motor, a gear train with a high reduction ratio, an encoder, a brake, etc. are built in the arm for each joint. It becomes a structure. For this reason, the offset rotary joint and the correction joint mechanism are structurally separated from each other and are difficult to integrate and miniaturize, and it is impossible to smoothly perform a fine two-dimensional bending operation (finger bending operation) for each joint. is there. Moreover, productivity (assembly / adjustment / repair) is also difficult, and there are large gaps with users (price, mass production, convenience of operation, etc.), and it has been difficult to get to market. In addition, the harmonic drive mechanism has been used as a high reduction ratio transmission mechanism for the drive system, but it is generally composed of a spur gear train, so when the drive power is turned off, such as when the control system fails, the arm does not hold the posture. There was a danger of causing an accident in which it started to move on its own due to its own weight and collided with people and things, and there was also a safety problem. Further, as a control system configuration, a controller is individually installed for each actuator of each joint unit, which is structurally complicated and impedes practical use in terms of cost.
[0008]
[Patent Document 1] Japanese Patent Laid-Open No. 2001-138279 “Articulated Robot and its Control Method” Published May 22, 2001 FIG.
[Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-25269 “Offset rotary joint unit with rotation correction mechanism” published on January 29, 2003
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to reduce the structural complexity and control complexity of an articulated robot associated with a large number of drive members that perform different control for each joint unit. The object is to provide a practical system that simplifies and shortens the joint interval so as to enable finer work, and also increases safety.
[0010]
In an articulated robot employing a combination of a rotation correction mechanism and an offset rotation mechanism for each joint unit, the present invention is modularized in the rotation correction mechanism and the offset rotation mechanism for each joint. An electric actuator of the same system is used, and a worm gear mechanism having a reverse rotation prevention function consisting of a worm and a worm wheel is adopted as a speed reduction mechanism used for the electric actuator.
[0011]
An electric actuator according to the present invention includes a small motor having a rotation amount adjusting function, a worm in which rotation of the motor is coupled through a transmission mechanism, and an encoder for detecting the rotation amount of the worm. The worm is meshed with a worm wheel rotatably supported via a bearing mechanism with respect to the fixed flange, and the worm wheel is modularized in such a manner that an output flange is integrated. ing.
[0012]
The joint unit of the present invention uses the modularized electric actuator as it is as a rotation correction mechanism, and fixes the base side of the offset rotation mechanism to the output side flange. The fixing flange of the electric actuator is fixed by inclining the γ angle, and the output side member of the offset rotation mechanism is fixed to the output side flange.
Furthermore, the joint unit of the present invention includes a slip ring that transmits electric power and signals between rotation mechanisms adjacent to the through shaft to a fixed flange of the modularized electric actuator, and a rotation angle of a worm wheel in the electric actuator. It is assumed that the angle encoder for detecting the is fixed.
In the rotation correction method in the joint unit of the present invention, the electric actuator of the rotation correction mechanism is driven and controlled so that the rotation is corrected by an amount corresponding to the rotation angle of the offset rotation mechanism detected by the encoder.
[0013]
The system for controlling an articulated robot according to the present invention includes a controller and switching means smaller than the number of actuators incorporated in the system, and controls and controls each joint unit by switching over time. In addition, the controller switching condition is set so that the priority is increased for a joint that requires a large motion, and the switching is used only for a joint that has a small motion.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, regarding the complexity of construction as an articulated robot due to the presence of a large number of drive members that perform different control for each joint unit, basically, each joint unit is rotated. A combination of a correction mechanism and an offset rotation mechanism is used, and the same electric actuator that is modularized is used for the rotation correction mechanism and offset rotation mechanism of each joint, thereby simplifying the mechanism and reducing costs. . In addition, when the drive power is turned off, there is no posture maintenance function, and the arm starts to move freely due to its own weight, etc., and prevents accidents where it collides with people or objects. A worm gear mechanism with a reverse rotation prevention function consisting of a worm and a worm wheel is adopted as the speed reduction mechanism.
[0015]
Further, the rotation correction method in the joint unit of the present invention feeds back the rotation angle of the offset rotation mechanism detected by the encoder without using a mechanical mechanism to the control system, and performs the rotation correction as a control operation. Thus, the electric actuator of the rotation correction mechanism is driven and controlled. For the operation control of an articulated robot having a large number of drive members that perform different control for each joint unit, a set of electric actuators is provided for each joint unit, and each controller is driven by a control computer. Instead, a controller that shares the control of the electric actuators of a plurality of joint units is used in a time-series manner to reduce the number of parts and provide an energy saving and low cost system.
[0016]
[Embodiment 1] The configuration of an embodiment of a modular electric actuator according to the present invention will be described below with reference to FIG. In the figure, A is a side view and B is a front view. 1 is an electric actuator, 2 is a small motor capable of controlling the amount of rotation such as a servo motor, a stepping motor or a pulse motor, 3 is a gear train, 4 is an output gear of the gear train and a manual rotary shaft 5 integrated with a worm shaft. Belt for transmitting rotation, 6 is a worm, 7 is an encoder for monitoring the rotation speed of the worm 6, 8 is a worm wheel meshing with the worm 6, 9 is a fixed flange, 10 is an output flange, and 11 is an adjacent rotation. A slip ring 12 transmits a signal between the moving mechanisms. An encoder 12 detects an angle of the output side flange 10 with respect to the fixed side flange 9. The rotating shafts of the motor 2 and the worm 6 are arranged in a compact and parallel manner in the casing. A casing containing the motor 2 and the worm 6 is fixed to a fixed system of the fixed flange 9, and a worm wheel 8 is rotatably supported on the fixed system via a bearing. The worm wheel 8 is formed with an output side flange 10 as an integral structure on the opposite side of the fixed side flange 9. A slip ring 11 and an angle encoder 12 are fixed to the worm wheel 8 in the through hole of the fixed flange 9. Further, a hexagonal hole is formed at the end of the manual rotation shaft 5 so that when the driving of the electric actuator 1 is stopped due to a failure or the like, the hexagonal handle can be fitted and driven manually. It is.
[0017]
In the electric actuator 1 configured as described above, when the motor 2 is driven to rotate, the worm 6 is rotated via the gear train 3 and the belt 4. The state of rotation (rotational speed) can be monitored by the encoder 7 in a pilot display. The rotation of the worm causes the worm wheel 8 in meshing relation to rotate, and the rotation ratio of the gear is set to about 1/10 to 1/30. Due to this worm gear relationship, the rotation of the worm 6 transmits the rotation to the worm wheel 8, but the rotation of the worm wheel 8 does not transmit the rotation to the worm 6, thereby forming a so-called one-way transmission mechanism. This is one of the features of the electric actuator of the present invention. The rotation of the worm wheel 8 rotates the output side flange 10, the slip ring 11 and the angle encoder 12, and the angle encoder 12 detects the angle difference between the fixed side flange 9 and the output side flange 10.
The modular electric actuator as described above has a casing for housing members from the motor 2 to the worm 6 and the encoder 7 as shown in FIG. 2 with respect to the rotating mechanism portion having the fixed side flange 9 and the output side flange 10. As shown, it is possible to attach not only in the state B in which the motor unit is erected, but also in the state C in which the motor part is laid on the fixed side A or the output side. When incorporated in an actual joint, an installation form that fits in a compact manner can be employed.
[0018]
[Embodiment 2] Next, the construction of an embodiment of the modular electric actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, A is a side view in which the lower half is a sectional view, B is a sectional view taken along the line aa in FIG. A, and C is a sectional view taken along the line bb in FIG. 1 'is an electric actuator, 2 is a small motor that can control the amount of rotation, 3 is a gear train, 4 is a belt that rotates and transmits an output gear of the gear train and a manual rotation shaft 5 integrated with a worm shaft, and 5a is a manual A transmission gear integrally attached to the rotary shaft 5, 6 a and 6 b are two worms rotated by the transmission gear 5 a via transmission gears 6 c and 6 d fixed coaxially, and 7 is a rotational speed of the transmission gear 5 a. The encoders 8a and 8b for monitoring the worm are worm gears that mesh with the worms 6a and 6b, respectively, and are formed in two rows on the circumferential surface of the worm wheel 8. Reference numeral 9 denotes a fixed side flange, 10 denotes an output side flange, 11 denotes a slip ring that transmits a signal between adjacent rotating mechanisms, and 12 denotes an encoder that detects an angle of the output side flange 10 with respect to the fixed side flange 9. The difference from the previous embodiment is that the rotating shaft of the motor 2 and the transmission gear 5a and two worms 6a and 6b are arranged in a compact and parallel manner in the casing, and meshes with the two worms 6a and 6b. This is a point formed on the circumferential surface of the worm wheel 8 in two rows. In this example, the worms 6a and 6b have the same pitch but the tooth profile has a reverse inclination angle, and the worm gears 8a and 8b meshing therewith have the same relationship. A casing containing a rotating shaft of the motor 2 and the transmission gear 5a and two worms 6a and 6b is fixed to the fixed flange 9, and a worm wheel 8 is rotatably supported via a bearing with respect to this fixed system. Yes. The worm wheel 8 is formed with an output side flange 10 as an integral structure on the opposite side of the fixed side flange 9. The point that the slip ring 11 and the angle encoder 12 are fixed to the worm wheel 8 in the through hole of the fixed side flange 9 and the point that the manual handle is attached to the manual rotating shaft 5 are the previous examples. And there is no difference.
[0019]
When the motor 2 is driven to rotate, the electric actuator 1 ′ having the above-described configuration causes the worms 6a and 6b to rotate in the same direction via the gear train 3, the belt 4, and the transmission gear 5a. The state of this rotation can be monitored in a pilot display by an encoder 7 attached to the rotation shaft of the transmission gear 5a. The rotation of the worms 6a and 6b gives a rotational force to the meshing worm gears 8a and 8b, but both rotate the worm wheel 8 in the same direction. The rotation ratio of this gear is also about 1/10 to 1/30. The rotation of the worms 6a and 6b transmits the rotation to the worm wheel 8 due to this worm gear relationship, but as a so-called one-way transmission mechanism, the rotation of the worm wheel 8 does not transmit the rotation to the worm 6, and the meshing tooth shapes are different. Therefore, a pair of worm gears are engaged during reverse rotation, thus providing a strong reverse rotation prevention function. This is one of the characteristic points of the electric actuator 1 ′ of this embodiment. The rotation of the worm wheel 8 rotates the output side flange 10, the slip ring 11 and the angle encoder 12, and the angle encoder 12 detects the angle difference between the fixed side flange 9 and the output side flange 10. Similar to the example. The modularized electric actuator 1 ′ described above also has a casing for housing members from the motor 2 to the worms 6 a and 6 b and the encoder 7 with respect to the rotating mechanism unit having the fixed side flange 9 and the output side flange 10. It is possible to attach it to the fixed side or the output side. In addition to the difference that the worm gear mechanism is constituted by a set of inverted teeth, there is no significant difference in driving operation from the previous embodiment.
[0020]
An embodiment in which the modular electric actuator 1 (or 1 ′) as described above is incorporated in a joint unit of an offset joint robot will be described. As shown in FIGS. 4 and 5, the joint unit 20 of the present invention includes a rotation correction joint mechanism 21 connected to the base cylinder on the base side and a tip-side offset rotary joint mechanism 22. The same modularized electric actuator 1 described above is incorporated in each of the two rotation mechanisms. In the offset rotary joint mechanism 22, a base side member 22a and a distal end side member 22b integral with the sub-cylinder are rotatably supported with an offset angle γ. That is, in the rotation correction joint mechanism portion 21, one electric actuator A is used as it is as the rotation correction joint mechanism portion 21 on the base side, and the fixed side flange 9 is the output end of the offset rotation joint of the base portion or the adjacent base side joint unit. The output side flange 10 is fixed to the base side member 22a of its own offset rotary joint. In the offset rotary joint mechanism portion 22, a through hole is formed in the base side member 22a, and one electric actuator B is loaded in the hollow portion, and the fixed side flange 9 is attached to the base side member 22a of the offset rotary joint. The output side flange 11 is fixed to the rotation surface of the tip end side member 22b of the offset rotation joint 22 of itself. One of the merits of the present invention is that the electric actuator 1 (or 1 ′) that is modularized in the electric actuator A and the electric actuator B can be adopted.
[0021]
The state shown in FIG. 4 is a so-called variable angle 0 in which the base-side fixed end of the base-side rotation correction joint mechanism 21 and the tip-side output end of the tip-side offset rotary joint mechanism 22 in the joint unit 20 are in a straight line. It is the time. When attempting to bend the joint by α angle from this state, first, the electric actuator 1 in the offset rotary joint mechanism portion 22 is rotationally driven to obtain an angle α formed by the shafts of the base side member 22a and the distal end side member 22b. Thus, the electric actuator is driven to rotate by β angle. However, since the relationship between α and β depends on the offset angle γ, if the offset angle γ is determined, α and β are in a uniquely corresponding relationship. By this driving, the base side fixed end and the distal end side output end of the joint unit 20 are in the state of the variable angle α, but the angle is not the angle on the paper surface of FIG. . Therefore, in order to make this variable angle α an angle on the paper surface of FIG. 4, in the present invention, the rotation correction joint mechanism portion 21 on the base side of the joint unit 22 drives the −β angle to correct the β angle. To correct the rotation. By operating both the base side fixed end of the rotation correction joint mechanism 21 on the base side and the tip side offset rotation joint mechanism 22, the angle change control in the two-dimensional plane can be performed in the joint unit 20. The state shown in FIG. 5 shows the result of bending in the two-dimensional space with a maximum variable angle 2γ, that is, 60 ° in this case, in the joint unit 20 having an offset angle γ of 30 degrees. In the example shown here, both the electric actuator A and the electric actuator B are incorporated in a form in which the casing of the motor portion is tilted to the fixed side in order to reduce the size of the excess protrusion and reduce the size.
[0022]
The configuration and operation of the articulated robot of the present invention will be described with reference to FIG. The example shown here is an articulated robot in which five joint units are connected to the base and an end effector E is attached to the tip. The number of joints is not limited to 5, and may be a general number N. Each arm from the base RB to the tip is gradually narrowed, but each joint unit has the same modularization as the electric actuator A for the rotation correcting joint and the electric actuator B for the offset rotating joint. A built-in electric actuator is incorporated. The sizes of the electric actuators are not all the same. In general, the electric actuator is large on the base side and small on the end effect side. In this multi-joint robot system, the rotation controller CR of the base RB and the controller CE of the end effector E as control units, the electric actuators A1 to A5 of the five joint units, and the controllers CA1 to CA5 and CB1 to CB5 of the electric actuators B1 to B5 And a control signal for each controller is transmitted from the control computer CC and input via an interface. The basic movement of the robot is patterned, and information on the control signal output to the controller for driving each electric actuator is stored as a look-up table in the storage device corresponding to each pattern. If it is a routine operation, the stored information corresponding to the basic pattern can be used as it is. However, for the original operation, the computer reads out the similar pattern information and calculates a correction amount for each actuator and outputs a control signal. . Further, the drive of each of the electric actuators A1 to A5 and B1 to B5 is monitored by the encoder 7 and output as signals MA1 to MA5 and MB1 to MB5, and the rotation correcting joint mechanism 21 of each driven joint unit 20 is output. Then, the angle information of the tip-side offset rotary joint mechanism unit 22 is output from each angle encoder 12 and sent back to the corresponding controllers CA1 to CA5 and CB1 to CB5 as angle detection signals EA1 to EA5 and EB1 to EB5.
[0023]
The operation and control signals of the articulated robot shown in FIG. 7 will be described in detail with reference to FIG. First, a signal D0 for turning on the power of the controllers of the joint units 20, the base RB, and the end effector E is output from the control computer CC, and the actuators are turned on. Subsequently, drive control signals MCA1 to MCA5 and MCB1 to MCB5 to the actuators A and B corresponding to the operation of the robot designated in the control computer CC are calculated in the control computer CC, and the controllers A1 to A5 of the actuators A and B are calculated. And B1 to B5. The drive control signals MCB1 to MCB5 are for setting the angle of the offset joint to a designated α °, and drive control the actuator B of each joint unit in that way. As a result of the operation, the joint is rotated by an angle β. Therefore, it is necessary to drive the actuator A of the rotation correcting mechanism portion 21 in order to twist back the angle β. Therefore, in the present invention, the detection signals EB1 to EB5 of the angle encoder 12 of the actuator B, which is the angle information displaced by driving the offset rotary joint mechanism unit 22, is fed back to the control computer CC, and the actuator A of the rotation correction mechanism unit 21 is driven. The rotation is corrected by controlling. The drive control signals MCA1 to MCA5 to the actuator A of the rotation correction mechanism 21 are output from the control computer CC to each actuator A with the rotation correction signal superimposed on the original rotation drive control signal of each joint. As a result, the joint is driven and controlled in three dimensions as much as possible in a designated bending angle state in a designated direction.
[0024]
The articulated robot of the present invention and its control method described with reference to FIG. 6 includes a controller that has a one-to-one correspondence with a large number of modular electric actuators installed in the system of the articulated robot. Since the system can be driven simultaneously and in parallel, the system is fast in response. However, since the controller is required for the number of electric actuators, there is a demerit that is expensive in terms of cost. Therefore, in the modified example of the present invention, M (M is N) including a controller of actuator A and actuator B for N (N = 5 in the figure) sets of joint units including actuator A and actuator B as shown in FIG. The present invention presents a control method in which only one (smaller integer) number of controllers are provided, and one controller controls a plurality of joint units using switching in time series. In the illustrated example, a switch group for selectively connecting the actuators A and B of each joint unit is selectively connected to the controller by a scanning operation. Those that are currently connected to the controller are indicated by solid lines, and those that are not connected are indicated by dashed lines. By adopting this method, there is a demerit that it takes extra time to operate, but in order to reduce the demerit by reducing the number of controllers, higher priority is given to joints that require large movement, and small movement If the use conditions of the controller are set so that only the joints are switched, it is possible to perform drive control of the robot by this method without causing a large delay in the control time. Large operations require a lot of operating time, and small operations have a short operating time. In the case of a robot that does not require a control speed, a system that ultimately includes only one controller and sequentially switches and controls each joint unit may be provided.
[0025]
The joint unit of the present invention is not limited to the articulated robot as described above, but can be used as a single unit for driving a stage on which a device such as a display or a lighting fixture is mounted. If the control angle is small, the angle may be detected by integrating the detection speed of the speed monitor encoder 7. In this case, the installation of the angle encoder 12 may be omitted.
[0026]
The modular articulated robot of the present invention employs a combination of a rotation correction mechanism and an offset rotation mechanism for each joint unit, and the rotation correction mechanism and the offset rotation mechanism for each joint are modules. The same type of electric actuator is used, and the worm gear mechanism with a reverse rotation prevention function consisting of a worm and a worm wheel is adopted as the speed reduction mechanism used for the electric actuator. In addition to simplifying the configuration complexity and control complexity of an articulated robot due to the presence of a large number of drive members, and when the drive power is turned off, such as when the control system fails However, it has a posture holding function, and the arm starts to move freely due to its own weight, etc. Divided by it is possible to improve the safety.
[0027]
In addition, the modular electric actuator of the present invention includes a small motor having a rotation amount adjusting function, a worm in which the rotation of the motor is coupled through a transmission mechanism, and an encoder for detecting the rotation amount of the worm. And the worm is meshed with a worm wheel rotatably supported via a bearing mechanism with respect to the fixed flange, and an output side flange is integrated with the worm wheel. Therefore, the structure is compact, and the distance between the fixed end and the output end can be shortened to cope with fine work.
[0028]
The joint unit of the present invention uses the modularized electric actuator according to claim 2 as the rotation correction mechanism as it is, and fixes the base side of the offset rotation mechanism to the output side flange, and also to the base of the offset rotation mechanism. The fixing flange of the modularized electric actuator according to claim 2 is fixed by inclining the γ angle, and the output side member of the offset rotation mechanism is fixed to the output side flange, so that the configuration is simplified. In addition, it is equipped with a posture maintenance function when the drive power is turned off, such as when the control system fails, improving safety.
Furthermore, a slip ring that transmits power and signals between the rotating mechanisms adjacent to the through hole to the fixed flange of the modularized electric actuator, and an angle encoder that detects the rotation angle of the worm wheel in the electric actuator. Since the joint unit of the present invention in the fixed form effectively uses the through-hole, the structure can be simplified and compact, and is particularly suitable for articulated robots that are connected in series.
[0029]
The rotation correction method in the joint unit according to the present invention drives and controls the electric actuator of the rotation correction mechanism so as to correct the rotation according to the rotation angle of the offset rotation mechanism detected by the encoder. There is no need to provide a mechanical mechanism for correcting rotation such as a two-axis reversing mechanism, and it can be easily executed by superimposing it on the original rotation control operation on the control signal.
[0030]
The articulated robot of the present invention is constructed by connecting a plurality of joint units according to claim 4 to the base portion and attaching an end effector to the tip portion, thereby simplifying the configuration. Even when the drive power is turned off, such as when a control system fails, the robot is equipped with a posture maintenance function, which can provide a highly safe robot. Further, since the angle encoder and signal transmission are performed by effectively using the through hole, the joint unit can be simplified and made compact as an articulated robot in which the joint units are connected and installed.
[0031]
A system for controlling an articulated robot according to the present invention includes a control computer having a look-up table storing information on basic motions and means for calculating a control signal for a designated motion, and a controller for controlling driving of each joint unit Therefore, the drive control of the articulated robot can be easily performed with a short calculation processing time.
In addition, the present invention controls a multi-joint robot of the present invention that includes a controller and switching means less than the number of actuators incorporated in the system, and adopts a configuration in which each joint unit is driven and controlled by switching in time series. The system can control the robot with a small number of components, and therefore can provide a system that is advantageous in terms of simplification and cost.
In addition, controller switching that is less than the number of built-in actuators in this system has a higher priority for joints that require large movements, and the controller usage conditions are such that switching is performed only for joints with small movements. The method of using the system for controlling an articulated robot according to the present invention in which the above is set can execute a part of the control sequentially in time series while minimizing the time delay.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a modularized electric actuator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a variation of a motor fixing form in the modularized electric actuator of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing different embodiments of the modularized electric actuator of the present invention.
FIG. 4 is a view of the joint unit of the present invention showing an aspect when the angle of change is zero.
FIG. 5 is a view of the joint unit of the present invention showing a mode at the time of maximum deflection.
FIG. 6 is a diagram illustrating an articulated robot control operation according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining the structure of the articulated robot of the present invention and its basic system.
FIG. 8 is a diagram for explaining the structure and rationalized system of the articulated robot of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a conventional structure of an articulation unit for an offset multi-joint robot as a basis of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a conventional structure of a joint unit for an offset multi-joint robot provided with a rotation correction mechanism.
FIG. 11 is a diagram for explaining a control technique of an offset multi-joint robot as a basis of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,1 'modular actuator
2 Motor 11 Slip ring
3 Gear train 12 Angle encoder
4 belt 20 joint unit
5 Manual rotation shaft 21 Rotation correction mechanism
6, 6a, 6b Warm 22 Offset joint mechanism
7 Rotational speed encoder 22a Base side member
8 Worm wheel 22b Tip side member
8a, 8b Worm gear CC control computer
9 Fixed side flange RB Base
10 Output side flange E End effector

Claims (9)

各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用した多関節ロボットにおいて、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するモジュール化方式の多関節ロボット。In an articulated robot that employs a combination of a rotation correction mechanism and an offset rotation mechanism for each joint unit, a modularized electric actuator is used for the rotation correction mechanism and the offset rotation mechanism for each joint. A modular articulated robot that employs a worm gear mechanism with a reverse rotation prevention function consisting of a worm and a worm wheel. 回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納めて外付けとし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態でモジュール化されている電動アクチュエータ。A small motor having a rotation amount adjusting function, a worm in which the rotation of the motor is coupled through a transmission mechanism, and an encoder for detecting the rotation amount of the worm are placed in a casing and externally attached. An electric actuator that is meshed with a worm wheel that is rotatably supported via a bearing mechanism with respect to a fixed-side flange, and is modularized in such a manner that an output-side flange is integrated with the worm wheel. 回転修正機構として請求項2に記載のモジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部にも請求項2に記載のモジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態とする関節ユニット。The modular electric actuator according to claim 2 is used as it is as a rotation correction mechanism, the base side of the offset rotation mechanism is fixed to the output side flange, and the module according to claim 2 is also installed at the base of the offset rotation mechanism. An articulated unit in which the fixed flange of the electric actuator is fixed by inclining the γ angle, and the output side member of the offset rotation mechanism is fixed to the output side flange. モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通孔に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態とする請求項3に記載の関節ユニット。The fixed ring flange of the modularized electric actuator is fixed with a slip ring that transmits electric power and signals between the rotating mechanisms adjacent to the through hole, and an angle encoder that detects the rotation angle of the worm wheel in the electric actuator. The joint unit according to claim 3 which is made into a form. エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした関節ユニットにおける回転修正方法。A rotation correction method in a joint unit, wherein the electric actuator of the rotation correction mechanism is driven and controlled so that the rotation is corrected by an amount corresponding to the rotation angle of the offset rotation mechanism detected by the encoder. 基部に請求項4に記載の関節ユニットを複数個連接して取り付けると共に、先端部にエンドエフェクタを取り付けてなる多関節ロボット。A multi-joint robot in which a plurality of joint units according to claim 4 are connected and attached to the base, and an end effector is attached to the tip. 基本動作についての情報を蓄積したルックアップテーブルと指定動作の制御信号を演算する手段とを備えた制御コンピュータと、各関節ユニットの駆動を制御するコントローラとを備えた請求項6に記載の多関節ロボットを制御するシステム。The multi-joint according to claim 6, further comprising: a control computer having a look-up table storing information about basic motions, means for calculating a control signal for a designated motion, and a controller for controlling driving of each joint unit. A system that controls a robot. 本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御することを特徴とする請求項7に記載の多関節ロボットを制御するシステム。8. The articulated robot according to claim 7, further comprising a controller and switching means smaller than the number of actuators incorporated in the system, wherein each joint unit is driven and controlled by switching in time series. Control system. 本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定することを特徴とする請求項8に記載の多関節ロボットを制御するシステムの使用方法。Controller switching that is less than the number of built-in actuators in this system has a higher priority for joints that require large motion, and the controller usage conditions are set so that switching is performed only for joints with small motion. The method of using the system for controlling an articulated robot according to claim 8, wherein the system is set.
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