JP2005040919A - Motion base - Google Patents

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Keisuke Kato
恵輔 加藤
Yoshihiro Kuroki
義博 黒木
Shinji Ishii
眞二 石井
Hiroaki Morikawa
浩昭 森川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motion base which affects kinesthetic sense of a leg type moving robot in a wide movable scope. <P>SOLUTION: This motion base is composed of a base, a table, and a plurality of arms connecting them. The arm is a serial arm having a two link configuration. A lower part link is connected with the base through an actuator having a predetermined rotary shaft at its lower end and a passive joint crossing the actuator orthogonally and having degree of freedom in rotation. An upper end of the lower part link is connected with an upper part link through the actuator, and an upper end of the upper part link is connected with the table through a passive joint having three degrees of freedom. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、サージ(前後)並びにヒーブ(上下)、ロール、ピッチの各方向にそれぞれ作動して、搭載された物体の運動感覚に影響を与えるモーション・ベースに係り、特に、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を行なわせることができるモーション・ベースに関する。   The present invention relates to a motion base that operates in each direction of surge (front and rear) and heave (up and down), roll, and pitch, and affects the kinesthetic sense of the mounted object, in particular, the mounted leg type The present invention relates to a motion base that allows a mobile robot to have a simulated experience of receiving disturbance in an upright state or walking state.

さらに詳しくは、本発明は、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を行なうモーション・ベースに係り、特に、より広い可動範囲で脚式移動ロボットへの運動感覚への影響を与えるモーション・ベースに関する。   More specifically, the present invention relates to a motion base in which a pedestal and an upper structure are connected by a plurality of legs, and the upper structure is displaced in each direction by the operation of each leg. It is related to the motion base that affects the sense of movement to the legged mobile robot.

電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBOTA(奴隷機械)"に由来すると言われている。   A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”.

わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。   In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met. Recently, research and development on legged mobile robots has progressed, and expectations for practical use have also increased. A legged mobile robot modeled on human movement is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”.

2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。   Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.

2足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。機体の転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険がある。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の一つに位置付けられている。   Many techniques relating to posture control and stable walking related to a biped legged mobile robot have already been proposed. Stable “walking” as used herein is defined as “moving with legs without falling down”. The overturning of the airframe means that the robot is interrupting the work being executed, and considerable effort and time are spent to get up from the overturned state and resume the work. In addition, there is a risk that the robot body itself or the object on the other side colliding with the falling robot may be fatally damaged by the fall. For this reason, posture stability control for avoiding falls is positioned as one of the most important issues in the development of legged mobile robots.

直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ZMP(Zero Moment Point)が歩行の安定度判別の規範として用いられている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する(例えば、非特許文献1を参照のこと)。   In a robot that performs upright walking, the normal upright posture as a basic posture is unstable in the first place. In many cases, ZMP (Zero Moment Point) is used as a norm for determining the stability of walking for posture stability control of a legged mobile robot. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of d'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of dynamic reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP, on or inside the side of the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface (ie, ZMP) ( For example, see Non-Patent Document 1.)

他方、脚式移動ロボットの開発の途上において、歩行やその他の脚式作業中に予期しない外乱を受けても機体が姿勢の安定性を保つことができるかどうか、シミュレーションを行なう必要がある。このシミュレーションは、計算上だけでなく、床面の変動など現実の外乱を印加してロボットが模擬体験を行なう必要がある。   On the other hand, in the course of developing legged mobile robots, it is necessary to perform simulations to determine whether the aircraft can maintain posture stability even when it receives unexpected disturbances during walking or other legged work. In this simulation, it is necessary for the robot to perform a simulation experience by applying an actual disturbance such as a fluctuation of the floor surface in addition to the calculation.

後者の模擬体験を行なう装置として、モーション・ベースが知られている。モーション・ベースの代表的なものとして、スチュアート・プラットフォーム型と呼ばれるものがある。スチュアート・プラットフォームは、台座と上部の構造物とを複数の脚体で接続して構成され、上部の構造物は台座すなわち床面に対して6自由度を持ち、サージ(前後)並びにヒーブ(上下)、ロール、ピッチの各方向に作動して、搭載された物体の運動感覚に影響を与えることができる(例えば、特許文献1、特許文献2を参照のこと)。   Motion base is known as a device for performing the latter simulated experience. A typical motion base is called the Stuart Platform type. The Stuart platform consists of a pedestal and an upper structure connected by a plurality of legs. The upper structure has six degrees of freedom with respect to the pedestal, that is, the floor, and includes surge (front and rear) and heave (up and down). ), Acting in each direction of roll and pitch, can affect the kinesthetic sense of the mounted object (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

モーション・ベースの大きなものは、乗り物のシミュレータ(フライトやドライビングのシミュレータなど)が挙げられ、小さなものでは光学機器の動的検査用のものがある。大きなもののペイロードは数百kgfから数tオーダーであり、小さなものは数百gfオーダーである。   A large motion base is a vehicle simulator (such as a flight or driving simulator), and a small one is for dynamic inspection of optical equipment. Large payloads are on the order of several hundred kgf to several t, and small payloads are on the order of several hundred gf.

従来のモーション・ベースでは、ベースとテーブルを接続する脚体は、複数(6組が標準)の直動アクチュエータ(ボールねじとモータの組み合わせなど)によって構成され、アクチュエータの駆動によってテーブルの位置並びに姿勢をコントロールするものである。これらの機構は、各アクチュエータの出力が合わさってテーブル側の出力となるので、「パラレル・リンク機構」と呼ばれる。   In the conventional motion base, the legs connecting the base and the table are composed of multiple (6 sets are standard) linear motion actuators (such as a combination of a ball screw and a motor), and the position and orientation of the table are driven by the actuator. Is to control. These mechanisms are called “parallel link mechanisms” because the outputs of the actuators are combined to produce an output on the table side.

図7には、モーション・ベースの一構成例(従来例)を図解している。同図に示す例では、伸縮式の直動アクチュエータを利用して脚体を構成し、ベースとテーブルの各関節間距離を調整して姿勢を決定することができる。   FIG. 7 illustrates a configuration example (conventional example) of the motion base. In the example shown in the figure, the leg can be configured by using an extendable linear actuator, and the posture can be determined by adjusting the distance between each joint of the base and the table.

また、図8には、モーション・ベースについての他の構成例(従来例)を図解している。同図に示す例では、アーム下部(ベース側)を上下することでテーブル姿勢を変化させることができる。   FIG. 8 illustrates another configuration example (conventional example) of the motion base. In the example shown in the figure, the table posture can be changed by moving the arm lower part (base side) up and down.

図7及び図8のいずれに示す例においても、テーブルの3箇所に部位の空間上の位置を決定することでテーブルの位置と姿勢が決定される。このようなスチュアート・プラットフォームに関して、以下の特長が挙げられる   In both the examples shown in FIGS. 7 and 8, the position and orientation of the table are determined by determining the positions in space of the three portions of the table. The following features can be cited for this Stuart platform:

(1)Z軸方向(鉛直方向)のギヤ比が低く、物体の支持に向く。
(2)機構の剛性が高く、位置決め精度に優れる。
(1) The gear ratio in the Z-axis direction (vertical direction) is low and suitable for supporting an object.
(2) The mechanism has high rigidity and excellent positioning accuracy.

その代わりに、以下のような問題点がある。   Instead, there are the following problems.

(1)機構要素の密集のため、可動範囲が限定される。
(2)Z軸方向の速度が出しにくい。
(1) Due to the denseness of the mechanism elements, the movable range is limited.
(2) It is difficult to obtain a speed in the Z-axis direction.

これらの特徴から、従来のスチュアート・プラットフォーム型のモーション・ベースは、まさにフライトシミュレータや光学機器校正などの目的に適合し、一般的に利用されている。   Because of these features, the conventional Stuart platform type motion base is suitable for general purposes such as flight simulators and optical instrument calibration, and is generally used.

しかしながら、数kgfから十数kgfオーダーの製品は実在しないのが現状である。また、ベースに対するテーブルの変位を実現するアームにはパラレル・リンク機構が適用されているため、可動範囲が制約されている。   However, there is currently no product of the order of several kgf to several tens of kgf. Further, since the parallel link mechanism is applied to the arm that realizes the displacement of the table with respect to the base, the movable range is restricted.

特開平9−217730号公報JP-A-9-217730 特開2000−140444号公報JP 2000-140444 A ヴコブラトビッチ(Miomir Vukobratovic)著「脚式移動ロボット(LEGGED LOCOMOTION ROBOTS)」(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))"Migir Vokobratovic" "LEGGED LOCATION ROBOTS" (Ichiro Kato's "Walking Robot and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun))

本発明の目的は、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を好適に行なうことができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent motion base in which a pedestal and an upper structure are connected by a plurality of legs, and the displacement of the upper structure can be suitably performed by the operation of each leg. There is to do.

本発明のさらなる目的は、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を好適に行なわせることができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。   It is a further object of the present invention to provide an excellent motion base capable of suitably performing a simulated experience of receiving a disturbance in an upright state or a walking state with respect to a mounted legged mobile robot.

本発明のさらなる目的は、より広い可動範囲で脚式移動ロボットへの運動感覚への影響を与えることができる、優れたモーション・ベースを提供することにある。   It is a further object of the present invention to provide an excellent motion base that can affect the kinematics of a legged mobile robot with a wider range of motion.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、移動ロボットの運動感覚に影響を与えるモーション・ベースであって、
ベースと、
移動ロボットを搭載するテーブルと、
前記ベースと前記テーブルを接続する複数のアームを備え、
前記の各アームは、前記テーブルに連結する上部リンクと前記ベースに連結する下部リンクからなる2リンク構成で、
前記下部リンクの略下端において、前記ベースに対する能動自由度を持つアクチュエータと該アクチュエータの回転軸に直交する回転自由度を持つ受動関節からなる前記ベースとの連結部と、
前記下部リンクの略上端と前記上部リンクの略下端において能動自由度を与えるアクチュエータからなるリンク間連結部と
前記上部リンクの略上端において、前記テーブルに対する少なくとも3自由度を持つ受動関節からなる前記テーブルとの連結部を備える、
ことを特徴とするモーション・ベースである。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a motion base that affects the kinesthetic sense of a mobile robot,
Base and
A table carrying a mobile robot;
A plurality of arms connecting the base and the table;
Each of the arms has a two-link configuration including an upper link connected to the table and a lower link connected to the base.
At a substantially lower end of the lower link, a connecting portion between an actuator having an active degree of freedom with respect to the base and a base having a passive joint having a degree of freedom of rotation perpendicular to the rotation axis of the actuator;
An inter-link connecting portion made of an actuator that gives an active degree of freedom at a substantially upper end of the lower link and a substantially lower end of the upper link; With a connecting part with
It is a motion base characterized by this.

本発明に係るモーション・ベースでは、パラレル・アームの形態を採っており、全部で18関節を装備する。テーブルは最低3箇所で支持する必要があるため、上述したように3組のアームを用いている。また、アームを2リンク式に設定することで、その距離と方向を決定することができる。ベースに対してテーブルの位置と姿勢を任意に決定するためには、ベースの中心に対し6自由度が必要である。そして、この自由度を3組のアームで実現するためには、各アームに均等に2個ずつ能動関節すなわちアクチュエータを配置すればよい。一方、各アームの先端位置を決めるためには、3自由度が必要であり、合計で9自由度となる。ところが、上述したように、テーブルの位置及び姿勢制御には6つの能動自由度で充分であることから、残りの3つの自由度は受動自由度でよいことになる。そこで、ベース側の自由度を受動関節で構成することができる。   The motion base according to the present invention takes the form of a parallel arm and is equipped with a total of 18 joints. Since the table needs to be supported at a minimum of three places, three sets of arms are used as described above. Moreover, the distance and direction can be determined by setting the arm to a two-link type. In order to arbitrarily determine the position and orientation of the table with respect to the base, six degrees of freedom are required with respect to the center of the base. In order to realize this degree of freedom with three pairs of arms, two active joints, that is, actuators may be arranged equally on each arm. On the other hand, in order to determine the position of the tip of each arm, three degrees of freedom are required, for a total of nine degrees of freedom. However, as described above, six active degrees of freedom are sufficient for controlling the position and posture of the table, so the remaining three degrees of freedom may be passive degrees of freedom. Therefore, the degree of freedom on the base side can be configured with a passive joint.

ここで、1アーム当たり6自由度必要になるが、下部リンクの下端にはアーム駆動アクチュエータに直交する受動回転関節を、上部リンクの先端には直交3軸が交差する受動回転関節をそれぞれ配置する。テーブルの位置及び姿勢を任意に決定するためには、理論上、これらの受動回転関節で充分である筈であるが、ジンバル機構(ジョイント)の強度の確保を行なうと、機構干渉し易くなり、テーブルの姿勢によってはあまり可動角を得ることができなくなる。このため、ジョイント部の上下両端にそれぞれ配置されたヨー軸回り(若しくはジョイント部の長手軸回り)の回転自由度を持つ回転支持部を配設する。このような余剰自由度を与えることにより、広い可動範囲を得ることができる。   Here, six degrees of freedom are required per arm. A passive rotary joint perpendicular to the arm drive actuator is arranged at the lower end of the lower link, and a passive rotary joint intersecting three orthogonal axes is arranged at the tip of the upper link. . In order to arbitrarily determine the position and position of the table, these passive rotary joints should theoretically be sufficient, but if the strength of the gimbal mechanism (joint) is ensured, the mechanism will easily interfere. Depending on the position of the table, it is not possible to obtain a movable angle. For this reason, a rotation support portion having a degree of freedom of rotation around the yaw axis (or around the longitudinal axis of the joint portion) is provided at each of the upper and lower ends of the joint portion. A wide movable range can be obtained by giving such an extra degree of freedom.

本発明によれば、台座と上部の構造物が複数の脚体で接続され各脚体の作動により上部構造物の各方向への変位を好適に行なうことができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。   According to the present invention, an excellent motion base is provided in which the base and the upper structure are connected by a plurality of legs, and the upper structure can be suitably displaced in each direction by the operation of each leg. can do.

また、本発明によれば、搭載された脚式移動ロボットに対し直立状態や歩行状態において外乱を受けるという模擬体験を好適に行なわせることができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide an excellent motion base that can favorably perform a simulated experience of receiving a disturbance in an upright state or a walking state with respect to a mounted legged mobile robot.

また、本発明によれば、脚式移動ロボットの運動感覚に対しより広い可動範囲で影響を与えることができる、優れたモーション・ベースを提供することができる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an excellent motion base that can affect the motion sensation of a legged mobile robot in a wider range of motion.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明者らは、従来のパラレル・リンク機構やスチュアート・プラットフォームの特長を充分に吟味した上で、シリアル・リンクとパラレル・リンクのハイブリッド機構からなるモーション・ベースについて提案する。   The inventors propose a motion base comprising a hybrid mechanism of a serial link and a parallel link, after thoroughly examining the features of the conventional parallel link mechanism and the Stuart platform.

図1には、本発明の一実施形態に係るモーション・ベース10の外観構成を示している。   FIG. 1 shows an external configuration of a motion base 10 according to an embodiment of the present invention.

図示の通り、モーション・ベース10は、床面と一体となるベース20と、テーブル30と、これらを接続する複数のアーム40で構成され、各アーム40の作動によりテーブル30はベース20に対し6自由度を持つ。図示の例では、2つのモータすなわち能動関節を備えたアーム3組をパラレルに組み合わせ、その先端にテーブル30を取り付けて動作させる。すなわち、テーブル30上に脚式移動ロボットを載せることにより、サージ(前後)並びにヒーブ(上下)、ロール、ピッチの各方向の運動感覚に影響を与えることができる。   As shown in the figure, the motion base 10 is composed of a base 20 integrated with the floor surface, a table 30 and a plurality of arms 40 connecting them. Has freedom. In the example shown in the figure, two motors, that is, three arms having active joints are combined in parallel, and a table 30 is attached to the tip thereof to operate. That is, by placing the legged mobile robot on the table 30, it is possible to affect the kinesthetic sense in each direction of surge (front and back), heave (up and down), roll, and pitch.

図2には、ベース20とテーブル30を接続するアーム40の機構構成を模式的に示している。   FIG. 2 schematically shows the mechanism configuration of the arm 40 that connects the base 20 and the table 30.

図示のアーム40は、下部リンク41と上部リンク46の2リンク構成のシリアル・アームである。   The illustrated arm 40 is a serial arm having a two-link configuration including a lower link 41 and an upper link 46.

ベース20と接続する下部リンク41は、その下端において所定の回転軸を持つ能動関節としてのアクチュエータ42と、このアクチュエータ42とは直交する回転自由度を持つ受動関節45を介してベース20に連結されている。また、下部リンク41の上端は、能動関節としてのアクチュエータ43を介して上部リンク46に接続されている。そして、上部リンク46の上端は、3自由度の受動関節(ジョイント)44を介してテーブル30に連結されている。3自由度ジョイント44の構成については、後述に譲る。   The lower link 41 connected to the base 20 is connected to the base 20 via an actuator 42 as an active joint having a predetermined rotation axis at a lower end thereof, and a passive joint 45 having a degree of freedom of rotation orthogonal to the actuator 42. ing. The upper end of the lower link 41 is connected to the upper link 46 via an actuator 43 as an active joint. The upper end of the upper link 46 is connected to the table 30 through a passive joint (joint) 44 having three degrees of freedom. The configuration of the three-degree-of-freedom joint 44 will be described later.

さて、ベース20に対してテーブル30の位置と姿勢を任意に決定するためには、ベース20の中心に対し6自由度が必要である。この自由度を3組のアーム40で実現するためには、各アーム40に均等に2個ずつ能動関節すなわちアクチュエータを配置すればよいことになる。   Now, in order to arbitrarily determine the position and orientation of the table 30 with respect to the base 20, six degrees of freedom are required with respect to the center of the base 20. In order to realize this degree of freedom with the three sets of arms 40, it is only necessary to arrange two active joints, that is, actuators, equally on each arm 40.

すなわち、図2に示した例では、シリアル・アーム40を3つ組み合わせた場合では、合計で6リンク6関節であることから、6自由度すべてを能動関節すなわちアクチュエータ42、43で構成すればよい。   That is, in the example shown in FIG. 2, when three serial arms 40 are combined, there are a total of 6 links and 6 joints, so all 6 degrees of freedom may be configured by active joints, that is, actuators 42 and 43. .

一方、各アーム40の先端位置を決めるためには、3自由度が必要であり、合計で9自由度となる。ところが、上述したように、テーブル30の位置及び姿勢制御には6つの能動自由度で充分であることから、残りの3つの自由度は受動自由度でよいことになる。そこで、ベース20側の自由度を受動関節45で構成するようにした次第である。   On the other hand, in order to determine the tip position of each arm 40, three degrees of freedom are required, and a total of nine degrees of freedom is obtained. However, as described above, six active degrees of freedom are sufficient for the position and posture control of the table 30, so that the remaining three degrees of freedom may be passive degrees of freedom. Therefore, the degree of freedom on the base 20 side is configured by the passive joint 45.

本実施形態では、パラレル・アームの形態を採っているため、全部で18関節を装備する必要がある。テーブル30は最低3箇所で支持する必要がある。このため、上述したように3組のアーム40を用いている。また、アーム40を2リンク式に設定することで、その距離と方向を決定することができる。ここで、1アーム当たり6自由度必要になる。図2に示したように、下部リンク41にはアーム駆動アクチュエータ42に直交する受動回転関節45を、上部リンク45の先端には直交3軸が交差する受動回転関節44を、それぞれ配置する。   In this embodiment, since the form of a parallel arm is taken, it is necessary to equip a total of 18 joints. The table 30 needs to be supported in at least three places. For this reason, as described above, three sets of arms 40 are used. Moreover, the distance and direction can be determined by setting the arm 40 to a two-link type. Here, 6 degrees of freedom are required per arm. As shown in FIG. 2, a passive rotary joint 45 that is orthogonal to the arm drive actuator 42 is disposed on the lower link 41, and a passive rotary joint 44 that intersects three orthogonal axes is disposed on the tip of the upper link 45.

また、本実施形態では、直交3軸が交差する受動回転関節44の部位にはジンバル機構を導入している。図3には、直交3軸が交差する受動回転関節44の機構構成を模式的に示している。同図に示す例では、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部が連結されている。但し、ここで言うヨー軸とは、ジンバル機構を伸展させた状態でのヨー軸を意味する。したがって、関節部が屈曲している場合には、ヨー軸回りの回転自由度とはジョイントの長手方向に対する回転事由度に相当する。   In the present embodiment, a gimbal mechanism is introduced at a portion of the passive rotary joint 44 where the three orthogonal axes intersect. FIG. 3 schematically shows a mechanism configuration of the passive rotary joint 44 in which three orthogonal axes intersect. In the example shown in the figure, a rotation support portion that gives a degree of freedom of rotation about the yaw axis is connected to an upper end of the center of the gimbal mechanism that gives a degree of freedom of rotation about the roll axis and the pitch axis. However, the yaw axis here means the yaw axis in a state where the gimbal mechanism is extended. Therefore, when the joint portion is bent, the degree of freedom of rotation about the yaw axis corresponds to the degree of rotation with respect to the longitudinal direction of the joint.

理論上は、テーブル30の位置及び姿勢を任意に決定するためには、アーム40は2つのアクチュエータ42、43以外に受動関節44、45で充分である筈である。ところが、ジンバル機構(ジョイント)の強度の確保を行なうと、機構干渉し易くなり、テーブル30の姿勢によってはあまり可動角を得ることができなくなるという問題がある。ちなみに、一般的なユニバーサル・ジョイントでは大きく取れて±45°位(方向が合えば±90°)の可動範囲となる。   Theoretically, in order to arbitrarily determine the position and posture of the table 30, the arm 40 should be sufficient with the passive joints 44 and 45 in addition to the two actuators 42 and 43. However, if the strength of the gimbal mechanism (joint) is ensured, there is a problem that the mechanism is liable to interfere, and depending on the posture of the table 30, it is difficult to obtain a movable angle. By the way, a general universal joint has a large movable range of about ± 45 ° (± 90 ° if the direction is correct).

図4には、直交3軸が交差する受動回転関節44の機構についての他の構成を示している。同図に示す例では、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端及び下端の両方に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部がそれぞれ連結されている。   FIG. 4 shows another configuration of the mechanism of the passive rotary joint 44 in which three orthogonal axes intersect. In the example shown in the figure, a rotation support portion that gives a degree of freedom of rotation about the yaw axis is connected to both the upper end and the lower end of the center of the gimbal mechanism that gives the degree of freedom of rotation about the roll axis and the pitch axis.

このように1つ余剰な自由度を敢えて加えることにより、コアとなるジョイント部(ジンバル)のフレーム同士が機構干渉しても、余剰自由度がこれを回避するので、事実上ほぼ±90°近くの有効可動角を実現することができる。   By adding one extra degree of freedom in this way, even if the frames of the joint part (gimbals) that are the cores interfere with each other, the extra degree of freedom avoids this, so it is virtually nearly ± 90 °. The effective movable angle can be realized.

本実施形態に係るモーション・ベースの機構構成法によれば、従来のスチュアート・プラットフォーム型に対し、以下のような特徴を付与することができる。   According to the motion-based mechanism configuration method according to the present embodiment, the following features can be imparted to the conventional Stuart platform type.

(1)目的に合わせた軽量なシステムの実現
従来型モーション・ベースの特長は、大変大きな負荷荷重に耐えるか、あるいは高い剛性を活かした精密機器測定用に利用できるというものであり、その中間の利用に耐えるものがなかった。すなわち、ペイロードの割に装置そのもの、システム(制御・駆動系)の規模が大きく、手軽に利用できるものではなかった。これに対し、本実施形態に係るモーション・ベースは、実験対象物の規模に応じて駆動系、機構系を設計でき、構成する要素から軽量にすることができる。
(1) Realization of a lightweight system tailored to the purpose The feature of the conventional motion base is that it can withstand a very large load or can be used for precision instrument measurement utilizing high rigidity. There was nothing to endure use. That is, the scale of the device itself and the system (control / drive system) is large for the payload, and it cannot be used easily. On the other hand, in the motion base according to the present embodiment, the drive system and the mechanism system can be designed according to the scale of the test object, and the components can be reduced in weight.

(2)駆動力(トルクの干渉がなく)故障が少ない
図2に示したように、各アームをリンク間の接続部のみに能動関節(アクチュエータ)を配置した2リンク構成により、モーション・ベースを制作することは可能である。但し、この場合、テーブルの姿勢によってはモータの発生する力(トルク)が干渉し合うことがある。こうした機構制御系において、サーボ力が干渉し合うことは、エネルギー効率の低下と過負荷による故障につながり兼ねないものである。これに対し、本実施形態に係るモーション・ベースでは、モータ・トルクが干渉することがなく、何らかのサーボ誤差などによる異常があっても機構や制御系(アクチュエータ、駆動回路など)を故障させることが少ないと考えられる。
(2) Driving force (no torque interference) and few failures As shown in Fig. 2, each arm has a two-link configuration in which active joints (actuators) are arranged only at the connection between links. It is possible to produce. In this case, however, the force (torque) generated by the motor may interfere with the orientation of the table. In such a mechanism control system, the interference of servo forces can lead to a decrease in energy efficiency and failure due to overload. On the other hand, in the motion base according to the present embodiment, the motor torque does not interfere, and the mechanism and control system (actuator, drive circuit, etc.) can be damaged even if there is an abnormality due to some servo error. It is thought that there are few.

(3)可動角を飛躍的に拡大し、利用範囲を拡大する
前述したように、本実施形態では、アーム40の先端とテーブル30を連結する受動関節44において、理論的には必要ないと思われる3自由度を配設している。すなわち、受動関節44には、ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を付与するジンバル機構中心の上端及び下端の両方に、ヨー軸回りの回転自由度を与える回転支持部がそれぞれ連結されている。(図4を参照のこと)。これによって、モーション・ベースは自由自在の姿勢を取ることができ、しかも、並進運動も可能であることから、テーブル30の支持関節付近において、受動関節44のジョイント機構は大きく捩じられることとなる。(但し、ここで言うヨー軸とは、ジンバル機構を伸展させた状態でのヨー軸を意味する。したがって、関節部が屈曲している場合には、ヨー軸回りの回転自由度とはジョイントの長手方向に対する回転事由度に相当する(同上)。)
(3) Dramatically expand the movable angle and expand the range of use As described above, in the present embodiment, the passive joint 44 connecting the tip of the arm 40 and the table 30 is not theoretically necessary. 3 degrees of freedom are provided. That is, the passive joint 44 is connected to both the upper end and the lower end of the center of the gimbal mechanism that gives the degree of freedom of rotation about the roll axis and the pitch axis, respectively, with rotation support portions that give the degree of freedom of rotation about the yaw axis. . (See FIG. 4). As a result, the motion base can take a free posture and can also translate, so that the joint mechanism of the passive joint 44 is largely twisted in the vicinity of the support joint of the table 30. . (However, the yaw axis here means the yaw axis when the gimbal mechanism is extended. Therefore, when the joint portion is bent, the degree of freedom of rotation around the yaw axis is the degree of freedom of rotation of the joint. (This corresponds to the degree of rotation in the longitudinal direction.)

図6に示すような一般的な構成の場合には、2軸の関節軸を含む平面に対し45°をなす軸方向にジョイントが傾くときには、部品同士干渉し、充分な可動角が得られない場合がある。   In the case of a general configuration as shown in FIG. 6, when the joint is inclined in an axial direction that forms 45 ° with respect to a plane including two joint axes, the components interfere with each other and a sufficient movable angle cannot be obtained. There is a case.

(4)異方性コンプライアンスを持った制御系の実現
本実施形態に係るモーション・ベースは、駆動部に用いるアクチュエータの選択の幅が広く、したがって、コンプライアンス性を自由に設定できるという利点がある。但し、3本のアーム40が上向きにパラレルになっているため、Z軸方向の力を発生し易い構成である。Z軸方向には剛性が高く、しかも大きな力が出せることから、脚式移動ロボットなどの実験対象物をテーブル30に載せて動かす装置の特性として優れたものがあると考えられる。
(4) Realization of Control System with Anisotropic Compliance The motion base according to the present embodiment has a wide range of selection of actuators used in the drive unit, and therefore has an advantage that compliance can be freely set. However, since the three arms 40 are parallel in the upward direction, the force in the Z-axis direction is easily generated. Since the rigidity is high in the Z-axis direction and a large force can be generated, it is considered that there is an excellent characteristic of a device for moving an experimental object such as a legged mobile robot on the table 30.

[追補]
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。   The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a movement resembling human movement using electrical or magnetic action, it is a product belonging to another industrial field such as a toy. Even if it exists, this invention can be applied similarly.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.

本発明の一実施形態に係るモーション・ベース10の外観構成を示した図である。It is the figure which showed the external appearance structure of the motion base 10 which concerns on one Embodiment of this invention. ベース20とテーブル30を接続するアーム40の機構構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the mechanism structure of the arm 40 which connects the base 20 and the table 30. FIG. 直交3軸が交差する受動回転関節44に導入されているジンバル機構の構成例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the structural example of the gimbal mechanism introduce | transduced into the passive rotary joint 44 which 3 orthogonal axes cross | intersect. 直交3軸が交差する受動回転関節44に導入されているジンバル機構の他の構成例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the example of another structure of the gimbal mechanism introduce | transduced into the passive rotary joint 44 which 3 orthogonal axes cross | intersect. 各アームをリンク間の接続部のみに能動関節(アクチュエータ)を配置した2リンク構成からなるモーション・ベースの外観を示した図である。It is the figure which showed the external appearance of the motion base which consists of 2 link structure which has arrange | positioned the active joint (actuator) only to the connection part between each arm. 一般的なジョイント機構の可動範囲を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the movable range of a general joint mechanism. モーション・ベースの一構成例(従来例)を示した図である。It is the figure which showed one structural example (conventional example) of the motion base. モーション・ベースの一構成例(従来例)を示した図である。It is the figure which showed one structural example (conventional example) of the motion base.

符号の説明Explanation of symbols

10…モーション・ベース
20…ベース
30…テーブル
40…アーム
41…下部リンク
42…アクチュエータ
43…アクチュエータ
44…受動関節
45…受動関節
46…上部リンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Motion base 20 ... Base 30 ... Table 40 ... Arm 41 ... Lower link 42 ... Actuator 43 ... Actuator 44 ... Passive joint 45 ... Passive joint 46 ... Upper link

Claims (2)

移動ロボットの運動感覚に影響を与えるモーション・ベースであって、
ベースと、
移動ロボットを搭載するテーブルと、
前記ベースと前記テーブルを接続する複数のアームを備え、
前記の各アームは、前記テーブルに連結する上部リンクと前記ベースに連結する下部リンクからなる2リンク構成で、
前記下部リンクの略下端において、前記ベースに対する能動自由度を持つアクチュエータと該アクチュエータの回転軸に直交する回転自由度を持つ受動関節からなる前記ベースとの連結部と、
前記下部リンクの略上端と前記上部リンクの略下端において能動自由度を与えるアクチュエータからなるリンク間連結部と
前記上部リンクの略上端において、前記テーブルに対する少なくとも3自由度を持つ受動関節からなる前記テーブルとの連結部を備える、
ことを特徴とするモーション・ベース。
A motion base that affects the kinesthetic sense of a mobile robot,
Base and
A table carrying a mobile robot;
A plurality of arms connecting the base and the table;
Each of the arms has a two-link configuration including an upper link connected to the table and a lower link connected to the base.
At a substantially lower end of the lower link, a connecting portion between an actuator having an active degree of freedom with respect to the base and a base having a passive joint having a degree of freedom of rotation orthogonal to the rotation axis of the actuator;
An inter-link connecting portion made of an actuator that gives an active degree of freedom at a substantially upper end of the lower link and a substantially lower end of the upper link; With a connecting part with
A motion base characterized by that.
前記テーブルとの連結部における受動関節は、
ロール軸及びピッチ軸回りの回転自由度を持つジョイント部と、
前記ジョイント部の上下両端にそれぞれ配置された前記ジョイント部の長手軸回りの回転自由度を持つ回転支持部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモーション・ベース。
The passive joint at the connection with the table is:
A joint having a degree of freedom of rotation about the roll axis and the pitch axis;
A rotation support portion having a degree of freedom of rotation around the longitudinal axis of the joint portion, which is disposed at both upper and lower ends of the joint portion;
The motion base of claim 1, comprising:
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