JP2007136601A - Moving method for gripping member, and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ひもやロープ、ワイヤのような柔らかい連鎖(以下「線状柔軟リンク」という。)とその先端に装着された把持部材を持つロボット機構を用いて、線状柔軟リンクの張力により把持部材を移動させる方法及び装置に関するものである。この方法及び装置により、物体を把握した把持部材の運動を制御して物体を移動させることが可能となる。 The present invention uses a robot mechanism having a soft chain (hereinafter referred to as “linear flexible link”) such as a string, a rope, and a wire and a gripping member attached to the tip of the chain, and grips it by the tension of the linear flexible link. The present invention relates to a method and an apparatus for moving a member. With this method and apparatus, the object can be moved by controlling the movement of the gripping member that grasps the object.
機械システムを用いて対象物体をある任意の位置から他の目標位置まで自動的に移動させる有効な手段としてロボットを用いる方法が注目されている。また、ロボットが対象物体を操作することのできる幾何学的な領域(作業領域)の大きさは、ロボットの性能を示す基本的な指標の一つと考えられ、とりわけ野外作業などの大空間における作業では、作業領域のより広いロボットが求められている。 Attention has been focused on a method using a robot as an effective means for automatically moving a target object from a certain arbitrary position to another target position using a mechanical system. In addition, the size of the geometric area (work area) where the robot can operate the target object is considered as one of the basic indicators of robot performance, especially in large spaces such as outdoor work. Then, a robot with a wider work area is required.
ロボットの到達領域をできるだけ広くするために、まずアームを構成するリンクの長さをできるだけ長くした機構が考えられる。しかし、従来技術では剛体のリンクを用いているため、リンクが長くなる程、アーム重量の増加が駆動源の出力に対してより大きな負荷となる。したがって、リンクの長さを長くするほどより大きな駆動源が必要になりロボット全体の重量がより大きくなったり、リンクの慣性が大きくなるためにアームの運動速度がより低く制限されたり、作業に対するエネルギー効率がより低下するという問題が生ずる。現在、野外で作業するために開発されたロボットアームの長さは高々数メートルである(図1のa参照。)。 In order to make the reach area of the robot as wide as possible, a mechanism in which the length of the link constituting the arm is made as long as possible is conceivable. However, since the conventional technique uses a rigid link, the longer the link, the larger the arm weight increases the load on the output of the drive source. Therefore, the longer the length of the link, the larger the drive source is required, which increases the weight of the entire robot, the higher the inertia of the link, the lower the movement speed of the arm, and the energy for the work. The problem arises that the efficiency is further reduced. Currently, the length of a robot arm developed for working outdoors is at most several meters (see a in FIG. 1).
次に、ロボットアームを移動機構に搭載してロボットの到達領域を拡大する方法がある。移動機構として、地表に接して移動する車輪、クローラ、脚などの機構が開発され、これらの移動機構にロボットアームを搭載した従来技術がある(図1のb及びc参照。)。 しかし、地表に接する移動機構は地表面の形状や性質に影響されるため、急斜面、窪地、沼地などの荒れ地における移動は従来技術では非常に困難であるという問題がある。 Next, there is a method in which a robot arm is mounted on a moving mechanism to expand the reach area of the robot. As a moving mechanism, mechanisms such as wheels, crawlers, and legs that move in contact with the ground surface have been developed, and there is a conventional technique in which a robot arm is mounted on these moving mechanisms (see b and c in FIG. 1). However, since the movement mechanism in contact with the ground surface is affected by the shape and properties of the ground surface, there is a problem that movement in rough areas such as steep slopes, depressions, and swamps is very difficult in the prior art.
また、地表に接しないで移動するヘリコプター、飛行機、飛行船などの無人機を代表とする移動機構が開発されているが、この移動機構にロボットアームを搭載した実用機は存在しない。地表に接しないで移動する機構にロボットアームを搭載しても、この移動機構では可搬重量が小さいこと、機体の姿勢制御が困難なこと、墜落などに代表されるように環境との接触によりシステム全体が容易にダウンしてしまうことなどの問題がある。 In addition, a moving mechanism represented by unmanned aircraft such as helicopters, airplanes, and airships that move without touching the surface of the earth has been developed. However, there is no practical machine that has a robot arm on this moving mechanism. Even if a robot arm is mounted on a mechanism that moves without touching the ground surface, the weight of the moving mechanism is small, the attitude control of the aircraft is difficult, and contact with the environment as represented by a crash. There are problems such as the entire system going down easily.
そこで、ロボットアーム機構において、一部の剛体アームの代わりに線状で可変長の軽量・柔軟なリンクを用いる方法が考えられる。これは、例えば図1のd及び図2に示すように、剛体アーム14を繰り返しスイングして運動エネルギーを蓄積した後に、ロボット本体10から線状柔軟リンク11の長さを伸ばしながら、その先にある把持部材12を対象物体13へ投射(キャスティング)し、線状のリンク11の張力によって空中で把持部材12の運動を制御し、対象物体13を把持する方法である(本明細書において、この種の方法を実現する機械システムのタイプを「キャスティングマニピュレータ」という。)。この方法を用いると、簡便な機構かつコンパクトなサイズで、非常に広い到達領域をもつことができるうえに、エネルギー効率が高く、高速な搬送作業を繰り返し行うことが可能で、耐故障性に優れているという利点がある。
Therefore, in the robot arm mechanism, a method of using a linear, variable-length, lightweight and flexible link in place of some rigid arms can be considered. For example, as shown in FIG. 1d and FIG. 2, after the
今、図3に示す従来のキャスティングマニピュレータに装着された線状柔軟リンク繰り出し・巻き取り機構を用いて、可変長の線状柔軟リンクの先端に装着された把持部材によって把握された物体を回収する場合、以下の問題が生ずることが考えられる。
(1)把持部材を引きずった状態で線状柔軟リンクを巻き取ると、把持部材や線状柔軟リンクが環境と接触する問題が生じる。例えば、床に穴や段差がある場合、把持部材が引っかかったり、線状柔軟リンクが段差の角などで擦れて切れてしまったりする。
(2)遠方の物体13を把握した把持部材12を回収するとき、把持部材12が床に接しないように空中を移動させるためには、床に接することのない十分な上向きの速度ならびに把持部材12が遠方からロボット本体まで到達できる十分な運動エネルギーを把持部材12に与える必要がある。したがって、線状柔軟リンク巻き取り装置のみで回収を行う場合、その巻き取り装置には短時間で非常に大きな力を発生できることが要求されるため、装置の大規模化、重量・サイズの増加、エネルギー消費の増加などの問題がある。また、ロボット本体10に装着される線状柔軟リンク巻き取り装置では把持部材12に十分な上向きの速度を与えることが難しい。
(3)剛体アーム14を振ることによって線状柔軟リンク11を引き、物体を把握した把持部材12を移動させる場合、物体の重さや剛体アームの姿勢により剛体アームを駆動する駆動源の出力が飽和する問題が生ずる。
(4)伸縮の小さい線状柔軟リンクを介して把持部材を瞬間的な力で引く場合、線状柔軟リンクの粘性特性による減衰効果によってエネルギー損失が生ずるため、線状柔軟リンクを介して把持部材に効果的にエネルギーを与えられない。
Now, using the linear flexible link feeding and winding mechanism mounted on the conventional casting manipulator shown in FIG. 3, the object grasped by the gripping member mounted on the tip of the variable length linear flexible link is collected. In this case, the following problems may occur.
(1) When the linear flexible link is wound in a state where the gripping member is dragged, there arises a problem that the gripping member or the linear flexible link comes into contact with the environment. For example, when there is a hole or a step on the floor, the gripping member may be caught or the linear flexible link may be rubbed and cut at the corner of the step.
(2) When the gripping
(3) When the linear
(4) When a gripping member is pulled with a momentary force through a linear flexible link with small expansion and contraction, energy loss occurs due to a damping effect due to the viscous characteristics of the linear flexible link. Can't give energy effectively.
本発明は、従来の技術によると、把持部材を床の段差等に引っかからないようにするためには線状柔軟リンク巻き取り駆動装置に大きな力(瞬発力)を発生させる必要があり、そのため装置の大規模化につながることに鑑み、線状柔軟リンクの巻き取りと剛体アームの振りを協調して動作させることにより、装置を大型化することなく把持部材に大きな瞬発力を与えることのでき、さらに把持部材の落下を抑制する上向きの速度を把持部材に与えることのできる把持部材移動方法及び装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を可変とする装置を提供することを目的とする。なお、線状柔軟リンクを引くとき、線状柔軟リンクそのものの剛性を変えずに、弾性を有する機構を用いて線状柔軟リンクの運動を操作することによって、線状柔軟リンクがあたかも弾性体のように伸びるようになる場合、線状柔軟リンクの外から見た剛性を「見かけ上の剛性」と呼ぶ。
According to the present invention, according to the prior art, it is necessary to generate a large force (instantaneous force) in the linear flexible link take-up drive device in order to prevent the gripping member from being caught by a step or the like on the floor. In view of the fact that it leads to an increase in scale, by operating the winding of the linear flexible link and the swing of the rigid arm in cooperation, it is possible to give a large instantaneous force to the gripping member without increasing the size of the device, Furthermore, it aims at providing the holding member moving method and apparatus which can give the upward speed which suppresses the fall of a holding member to a holding member.
Another object of the present invention is to provide an apparatus that can change the apparent rigidity of a linear flexible link. In addition, when pulling the linear flexible link, the linear flexible link is operated as if it is an elastic body by manipulating the movement of the linear flexible link using an elastic mechanism without changing the rigidity of the linear flexible link itself. In this case, the rigidity seen from the outside of the linear flexible link is called “apparent rigidity”.
(1)上記目的を達成するため本発明の把持部材移動方法は、線状柔軟リンクとその先端に装着された把持部材を持つロボット機構を用いて線状柔軟リンクの張力により把持部材を移動させる把持部材移動方法において、線状柔軟リンクの引っ張り動作と線状柔軟リンクの巻き取り動作を協調して行うことにより、先端の把持部材や把持部材で把握された物体を移動させることを特徴としている。
(2)また、上記(1)の線状柔軟リンクの引っ張り動作を効果的に行うために、引っ張り動作を行う前に線状柔軟リンクが弛んだ状態で剛体アームのスイング動作を行い、剛体アームの十分な運動エネルギーを生成した後のスイング動作中に、急に線状柔軟リンクを引くことによって剛体アームの慣性を利用して線状柔軟リンクを介した撃力を把持部材や把持部材で把握された物体に与えることを特徴としている。
(3)また、本発明の把持部材移動方法は、線状柔軟リンクとその先端に装着された把持部材を持つロボット機構を用いて線状柔軟リンクの張力により把持部材を移動させる把持部材移動方法において、線状柔軟リンクの引っ張り動作と線状柔軟リンクの巻き取り動作の協調動作を繰り返すことにより、線状柔軟リンクの先端の把持部材や把持部材に把握された物体を移動させることを特徴としている。
(4)また、本発明の把持部材移動装置は、線状柔軟リンクとその先端に装着された把持部材を持つロボット機構を用いて線状柔軟リンクの張力により把持部材を移動させる把持部材移動装置において、ロボット本体に設置された駆動関節に剛体アームを装着し、該剛体アームには線状柔軟リンクの繰り出し・巻き取り手段及び案内手段を設け、剛体アームの揺動と線状柔軟リンクの巻き取りとを協調して行う制御手段を設けたことを特徴としている。
(5)また、本発明の把持部材移動装置は、上記(4)において、剛体アームに対して相対運動可能となるように装着されたブレーキ台座スライダーと剛体アームに固定された固定支柱との間にバネ等の弾性部材を装着し、ブレーキ台座スライダーには剛体アームとの相対運動を停止するスライド停止手段及び線状柔軟リンクの運動を停止させる繰り出し停止手段を装着することにより、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を段階的に可変とすることを特徴としている。
(6)また、本発明の把持部材移動装置は、上記(4)において、剛体アームに対して相対的に自由にスライド運動するブレーキ台座スライダーと剛体アームに対して相対的にスライド運動する並進駆動部を装着し、並進駆動部に固定された支柱とブレーキ台座スライダーとの間にバネ等の弾性部材を装着し、ブレーキ台座スライダーには剛体アームとの相対運動を停止するスライド停止手段及び線状柔軟リンクの運動を停止させる繰り出し停止手段を装着し、並進駆動部を用いて弾性部材の変位を制御することによって、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に可変とすることを特徴としている。
(7)また、本発明の把持部材移動装置は、上記(4)において、剛体アームに対して相対的にスライド運動可能なブレーキ台座スライダーを装着し、ブレーキ台座スライダーには剛体アームとの相対運動を停止するスライド停止手段及び線状柔軟リンクの運動を停止させる繰り出し停止手段を装着し、剛体アームに設けられた固定支柱と回転関節を有する回転支柱に対して各支柱上をスライドするように駆動される支持点を設け該支持点間をバネ等の弾性部材で結合し、回転支柱とブレーキ台座スライダーとを伸縮しないリンクで結合し、該支持点同士の相対位置を変えて弾性部材の変位を制御することによって、てこの原理により線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に可変とすることを特徴としている。
(1) In order to achieve the above object, the gripping member moving method of the present invention moves the gripping member by the tension of the linear flexible link using a robot mechanism having a linear flexible link and a gripping member attached to the tip of the linear flexible link. The gripping member moving method is characterized in that the pulling operation of the linear flexible link and the winding operation of the linear flexible link are performed in a coordinated manner to move the gripping member at the tip or the object grasped by the gripping member. .
(2) Further, in order to effectively perform the pulling operation of the linear flexible link of (1) above, the rigid arm is swung in a state where the linear flexible link is slackened before performing the pulling operation. During the swing operation after generating sufficient kinetic energy, grasp the striking force through the linear flexible link with the gripping member or gripping member using the inertia of the rigid arm by suddenly pulling the linear flexible link It is characterized by giving to the object which is done.
(3) Further, the gripping member moving method of the present invention is a gripping member moving method in which a gripping member is moved by the tension of the linear flexible link using a robot mechanism having a linear flexible link and a gripping member attached to the tip of the linear flexible link. In this case, the gripping member at the tip of the linear flexible link or the object grasped by the gripping member is moved by repeating the cooperative operation of the pulling operation of the linear flexible link and the winding operation of the linear flexible link. Yes.
(4) Moreover, the gripping member moving device of the present invention is a gripping member moving device that moves the gripping member by the tension of the linear flexible link using a robot mechanism having a linear flexible link and a gripping member attached to the tip of the linear flexible link. , A rigid arm is attached to the drive joint installed in the robot body, and the rigid arm is provided with a linear flexible link feeding / winding means and a guiding means to swing the rigid arm and wind the linear flexible link. It is characterized by providing a control means for cooperatively performing taking.
(5) In addition, the gripping member moving device according to the present invention includes a brake pedestal slider mounted so as to be capable of relative movement with respect to the rigid arm and a fixed support fixed to the rigid arm in (4). An elastic member such as a spring is attached to the brake base slider, and a slide stop means for stopping the relative movement with the rigid arm and a feeding stop means for stopping the movement of the linear flexible link are attached to the brake pedestal slider. It is characterized by making the apparent rigidity of the step variable.
(6) In addition, the gripping member moving device of the present invention according to the above (4), wherein the brake pedestal slider that slides relatively freely with respect to the rigid arm and the translation drive that slides relatively with respect to the rigid arm. A slide stopping means and a linear stop for stopping relative movement with the rigid arm is mounted on the brake pedestal slider by attaching an elastic member such as a spring between the support fixed to the translation drive unit and the brake pedestal slider. It is characterized in that the apparent rigidity of the linear flexible link is made continuously variable by installing a feeding stop means for stopping the movement of the flexible link and controlling the displacement of the elastic member using the translation drive unit. Yes.
(7) The gripping member moving device according to the present invention is the above (4), wherein the brake pedestal slider capable of sliding relative to the rigid arm is mounted, and the brake pedestal slider is moved relative to the rigid arm. Equipped with slide stop means to stop the movement and feeding stop means to stop the movement of the linear flexible link, and it is driven to slide on each strut with respect to the rotating strut having the fixed strut and rotating joint provided on the rigid arm The supporting points are connected by an elastic member such as a spring, and the rotary support and the brake pedestal slider are connected by a non-expandable link, and the relative position between the supporting points is changed to change the displacement of the elastic member. By controlling, the apparent rigidity of the linear flexible link is made variable continuously by the lever principle.
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
(1)把持部材を対象物体へ投射し、把握した対象物体を回収するにあたり、線状柔軟リンクを巻き取る際に、把持部材が確実に空中を移動可能としたため、把持部材と環境との接触を回避することが可能となる。例えば、床面を引きずるように把持部材を移動させる方法に比べると、床に穴や段差などがある場合に対して、把持部材が引っかかったり線状柔軟リンクが擦り切れたりしてしまうという問題を解消できる。
(2)把持部材を対象物体へ投射し、把握した対象物体を回収するにあたり、線状柔軟リンクの巻き取りと剛体アームの振りの協調動作を繰り返し、断続的に把持部材に瞬発力を与え続けることにより、装置の大規模化、重量・サイズの増加、エネルギー消費の増加を招くことなく把持部材に大きな運動エネルギーを与えることができ、把持部材の空中移動を確実なものとすることができる。
(3)上記(2)において線状柔軟リンクを引っ張ることにより把持部材を空中移動させるにあたり、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を可変とすることによって、把持部材に効率よく運動エネルギーを与えることができる。
(4)上記(2)における線状柔軟リンクの見かけ上の剛性の切り替えを、剛体アームにバネ等の弾性部材を介して線状柔軟リンクの繰り出し・巻き取り方向にスライド可能なブレーキ台座スライダーを設けるという簡便な手段で実現することができる。
(5)上記(2)における線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を、剛体アームに固定支柱と回転支柱を設け、固定支柱と線状柔軟リンクに繋がる回転支柱との間にバネ等の弾性部材を各支柱のそれぞれの弾性部材結合点がスライド可能となるように設けるという簡便な手段で可変にすることができる。
(6)ロボットにより重量物体を静的に持ち上げる際、アクチュエータの出力が限界に達してしまう出力飽和領域が存在する場合がある。キャスティングマニピュレータで重量物体を静的に持ち上げる際も、図4(a)に示すように駆動関節18の出力が飽和する領域である出力飽和領域ならびに出力が飽和しない領域である出力非飽和領域が存在する場合がある。しかし、キャスティングマニピュレータでは同図(b)のように、出力非飽和領域Aにおいて線状柔軟リンクの張力を零にした負荷の小さい状態で剛体アームをスイングして運動エネルギーを蓄積することができるので、その後に、出力飽和領域との境界付近において線状柔軟リンクの張力を正となるようにすることによって、線状柔軟リンクを介して重量物体に撃力を与えることができる。したがって、同図(c)に示すように撃力により生じた把持部材の速度・角速度によって出力非飽和領域Aから出力飽和領域を越えて他の出力非飽和領域Bまで剛体アームを持ち上げることが可能となる。このような効果は把持部材が空中移動する上記(2)においても応用可能で、線状柔軟リンクを引く前に線状柔軟リンクを弛ませた状態で剛体アームの運動を生成し、その後、剛体アームの運動中に駆動関節の出力が飽和しない領域において線状柔軟リンクを急に引くことにより線状柔軟リンクを介して撃力を把持部材あるいは把持部材に把握された物体に与え、撃力により生じた把持部材の速度・角速度によって出力が飽和しない状態で線状柔軟リンクを引いて把持部材あるいは把持部材に把握された物体を移動させることが可能となる。
(7)キャスティングマニピュレータで重量物体を静的に持ち上げる際、図5(a)に示すように駆動関節18の出力が飽和する領域である出力飽和領域ならびに出力が飽和しない領域である出力非飽和領域が存在する場合、線状柔軟リンクに弾性体と同様の伸縮特性を持たせることにより、同図(b)に示すように出力非飽和領域Aから出力飽和領域を越えて他の出力非飽和領域Bまで負荷の小さい状態で剛体アームを移動させることができる。したがって、同図(c)に示すように剛体アームを出力非飽和領域Bに留めた状態で伸びた弾性体の復元力により、静的には持ち上げることのできない把持部材に把握された物体を引き上げることが可能となる。このような効果は把持部材が空中移動する上記(2)においても応用可能で、線状柔軟リンクを引く前に弾性体と同様の伸縮特性を線状柔軟リンクに持たせることにより、剛体アームの負荷が小さい状態で把持部材を引く方向に剛体アームを振って駆動関節の出力が飽和しない領域まで剛体アームを移動させることができ、それにより伸びた弾性体の復元力によって把持部材あるいは把持部材に把握された物体を移動させることが可能となる。
(8)図24に示すように、回収ばかりでなく、把持部材を高速に往復運動させて移動させることが可能となる。また、この繰り返し運動により、把持部材の速度を増加させることが可能なので、より遠方への把持部材の投射動作へ応用することも可能となる。さらに、図25に示すように、移動機構に線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を可変とする機能を有するキャスティングマニピュレータを搭載し、把持部材が環境に固定された物体を把握した状態で、上記(2)に示す線状柔軟リンクの巻き取り動作と剛体アームの振り動作ならびに移動機構によるロボット本体の移動・停止を協調させることにより、ロボット本体が斜面を押す力を保ちつつ上記(6)及び(7)で示す効果を利用して駆動源の出力飽和を抑制しながら斜面を移動することが可能となる。
The present invention has the following excellent effects.
(1) When the gripping member is projected onto the target object and the grasped target object is collected, when the linear flexible link is wound up, the gripping member is surely movable in the air, so that the gripping member and the environment are in contact with each other. Can be avoided. For example, compared to the method of moving the gripping member so as to drag the floor surface, the problem that the gripping member is caught or the linear flexible link is worn out when there is a hole or a step in the floor is solved. it can.
(2) When projecting the gripping member onto the target object and collecting the grasped target object, the cooperative operation of winding the linear flexible link and the swinging of the rigid arm is repeated, and the instantaneous force is continuously applied to the gripping member. Thus, a large kinetic energy can be given to the gripping member without causing an increase in the scale of the apparatus, an increase in weight / size, and an increase in energy consumption, and the air movement of the gripping member can be ensured.
(3) When the gripping member is moved in the air by pulling the linear flexible link in (2) above, the kinetic energy is efficiently given to the gripping member by changing the apparent rigidity of the linear flexible link. Can do.
(4) The switching of the apparent rigidity of the linear flexible link in (2) above is performed by using a brake pedestal slider that is slidable in the extending / winding direction of the linear flexible link to the rigid arm via an elastic member such as a spring. It can be realized by a simple means of providing.
(5) The apparent rigidity of the linear flexible link in (2) above is determined by providing an elastic member such as a spring between the fixed column and the rotating column connected to the linear flexible link. Can be made variable by a simple means of providing each elastic member coupling point of each column so as to be slidable.
(6) When a heavy object is lifted statically by a robot, there may be an output saturation region where the output of the actuator reaches a limit. Even when a heavy object is lifted statically by a casting manipulator, as shown in FIG. 4A, there are an output saturation region where the output of the drive joint 18 is saturated and an output non-saturation region where the output is not saturated. There is a case. However, in the casting manipulator, the kinetic energy can be accumulated by swinging the rigid arm with a small load in which the tension of the linear flexible link is zero in the output non-saturation region A as shown in FIG. After that, by making the tension of the linear flexible link in the vicinity of the boundary with the output saturation region positive, it is possible to apply a striking force to the heavy object through the linear flexible link. Therefore, the rigid arm can be lifted from the output non-saturation region A to the other output non-saturation region B from the output non-saturation region A by the speed / angular velocity of the gripping member generated by the striking force as shown in FIG. It becomes. Such an effect can also be applied to the above (2) in which the gripping member moves in the air, and the motion of the rigid arm is generated with the linear flexible link slackened before the linear flexible link is pulled. By suddenly pulling the linear flexible link in the region where the output of the driving joint is not saturated during the movement of the arm, the impact force is applied to the gripping member or the object grasped by the gripping member via the linear flexible link. It is possible to move the gripping member or the object grasped by the gripping member by pulling the linear flexible link in a state where the output is not saturated due to the generated speed and angular velocity of the gripping member.
(7) When a heavy object is lifted statically with a casting manipulator, as shown in FIG. 5A, an output saturation region where the output of the drive joint 18 is saturated and an output unsaturation region where the output is not saturated If the linear flexible link has the same expansion and contraction characteristics as the elastic body, the output non-saturation region A extends beyond the output saturation region to another output non-saturation region as shown in FIG. The rigid arm can be moved to B with a small load. Therefore, the object grasped by the gripping member that cannot be lifted statically is lifted by the restoring force of the elastic body that is stretched in a state where the rigid arm is held in the output non-saturation region B as shown in FIG. It becomes possible. Such an effect can also be applied in the above (2) in which the gripping member moves in the air. By giving the linear flexible link the same elastic property as that of the elastic body before pulling the linear flexible link, the rigid arm The rigid arm can be moved to a region where the output of the drive joint is not saturated by pulling the gripping member in a direction in which the gripping member is pulled in a state where the load is small. It becomes possible to move the grasped object.
(8) As shown in FIG. 24, not only the recovery but also the gripping member can be moved by reciprocating at high speed. Moreover, since the speed of the gripping member can be increased by this repetitive motion, it can be applied to a projecting operation of the gripping member further away. Furthermore, as shown in FIG. 25, in the state where the moving mechanism is equipped with a casting manipulator having a function of changing the apparent rigidity of the linear flexible link, and the gripping member grasps the object fixed to the environment, By coordinating the winding operation of the linear flexible link shown in (2), the swinging motion of the rigid arm, and the movement / stopping of the robot body by the moving mechanism, the above-mentioned (6) and It is possible to move the slope while suppressing the output saturation of the drive source using the effect shown in (7).
本発明に係る把持部材移動方法及び装置を実施するための最良の形態について図面を参照して以下に説明する。 A best mode for carrying out a gripping member moving method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図6は、キャスティングマニピュレータによる把持部材の操作(キャスティングマニピュレーション)における対象物体の把持・回収に関する基本動作を示すものであり、次の5つの動作に分割される。
(a)回転動作:マニピュレータ全体をスイングさせ、把持部材が対象物体へ到達するのに必要な運動を与える。
(b)投射動作:適切なタイミングで線状柔軟リンクの拘束を解放し、線状柔軟リンクを繰り出しながら把持部材を目標に向けて投射する。
(c)軌道制御動作:対象物体を把握できるように投射中の把持部材の位置・姿勢を制御する。
(d)把持動作:対象物体を掴む。
(e)回収動作:把握した対象物体を回収するために、線状柔軟リンクの巻き取りと剛体アームの運動を協調して行う。
FIG. 6 shows a basic operation related to gripping / recovering the target object in the operation (casting manipulation) of the gripping member by the casting manipulator, which is divided into the following five operations.
(A) Rotating operation: The entire manipulator is swung, and the movement necessary for the gripping member to reach the target object is given.
(B) Projection operation: The restraint of the linear flexible link is released at an appropriate timing, and the gripping member is projected toward the target while the linear flexible link is fed out.
(C) Trajectory control operation: Controls the position / posture of the gripping member being projected so that the target object can be grasped.
(D) Grasping operation: Grasping the target object.
(E) Recovery operation: In order to recover the grasped target object, the winding of the linear flexible link and the movement of the rigid arm are performed in cooperation.
本発明は、上記(e)の回収動作に焦点をあて、把握した対象物体13を回収するために、線状柔軟リンク11の巻き取りと剛体アーム14の運動を協調して行う際の把持部材12の運動制御を行う方法及び装置と線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を可変にする装置に関するものである。以下、実施例に基づいて詳細に説明する。
The present invention focuses on the recovery operation (e) above, and in order to recover the grasped
把握した対象物体を回収するための線状柔軟リンクの巻き取りと剛体アームの運動の協調動作は、図6の(e)に示すように、線状柔軟リンク11の巻き取りと剛体アーム14の振りを同時に行って把持部材12に瞬発力を与えることが基本である。
図7に示すキャスティングマニピュレータの巻き取り装置ならびに関節1を駆動する駆動源を用いて、図8に示すような剛体アームの振りによる線状柔軟リンクの引っ張り動作と線状柔軟リンクの巻き取り動作を協調させて大きな力を瞬間的に発生させることにより、移動に必要な速度を把持部材に生成させて把持部材を空中移動させる。ただし、把持部材12を引っ張るときに巻き取り装置の駆動源にかかる負荷が駆動源の出力を越える場合、図7に示すブレーキなどにより線状柔軟リンク11を拘束することによって、巻き取り用の駆動源にかかる負荷を低減することが可能である。
As shown in FIG. 6E, the cooperative operation of winding the linear flexible link and the rigid arm movement for collecting the grasped target object is performed by winding the linear
Using the winding device for the casting manipulator shown in FIG. 7 and the drive source for driving the
上記図8に示す動作でも十分な移動速度を生成できない場合は、図8で示す動作を繰り返し、断続的に力を把持部材に与えて移動速度を生成する。例えば、遠方にある物体や重い物体などの回収においては、図9に示すように、線状柔軟リンク11の巻き取りと剛体アーム14の振りの協調動作を繰り返し、断続的に把持部材12に瞬発力を与え続けることにより、把持部材12は空中を移動しながら物体13を回収するものである。前記協調動作の繰り返し回数は、物体の回収距離と1回の協調動作による物体13の移動距離との関係で決まる。
If sufficient movement speed cannot be generated even by the operation shown in FIG. 8, the operation shown in FIG. 8 is repeated, and force is intermittently applied to the gripping member to generate the movement speed. For example, when collecting a distant object or a heavy object, as shown in FIG. 9, the cooperative operation of winding the linear
次に、線状柔軟リンクを引っ張る方法を示す。
線状柔軟リンクの引っ張り方法は、引っ張り動作のために駆動源に接続されたリンクの「運動方式」と「運動方向」によって分類することができる。
「運動方式」として並進と回転、「運動方向」として往復型と一方向型を考えると、図10のように分類される。
図10(a)、(b)に示す往復型は断続的に線状柔軟リンクを引っ張ることができ、同図(c)、(d)に示す一方向型は連続的に引っ張ることができる。
Next, a method for pulling the linear flexible link will be described.
The pulling method of the linear flexible link can be classified according to the “movement method” and “movement direction” of the link connected to the driving source for the pulling operation.
Considering translation and rotation as the “movement method” and reciprocation type and one-way type as the “movement direction”, they are classified as shown in FIG.
The reciprocating type shown in FIGS. 10A and 10B can pull the linear flexible link intermittently, and the one-way type shown in FIGS. 10C and 10D can be pulled continuously.
図10に示す型の特徴を説明する。
(a)回転往復型:前記図4を説明したように、振った剛体アームの慣性を利用して瞬間的に大きな力で引っ張ることが可能である。また、長い剛体アームを使う回転往復型による引っ張り動作では引っ張り力の上方向成分を大幅に拡大できるので、把持部材の上方向の速度を与えることができ、把持部材を空中で移動させるには非常に効果的な引っ張り方法である。ただし、線状柔軟リンクを一回引っ張ることはできるが、引っ張った後に線状柔軟リンクが弛んでしまうと引っ張り動作を繰り返すことができない。
(b)並進往復型:並進駆動型ブレーキ装置により線状柔軟リンクを拘束し、把持部材に対して逆側方向に並進駆動型ブレーキ装置が移動することにより線状柔軟リンクを引っ張り、十分に引いた後に線状柔軟リンクを解放し、並進駆動型ブレーキ装置が把持部材側方向へ移動するという一連の動作を繰り返す方法である。図10(d)に示す並進一方向型に比べて、装置の大型化を回避できる。ただし、一般に回転式のアクチュエータに比べて、市販のリニアアクチュエータの種類は少ない。
(c)回転一方向型:他の方式に比べて構造がシンプルでかつコンパクトに構成できるが、回転部の慣性が小さいので図10(a)の回転往復型などに比べると利用できる慣性力が小さいために、断続的に大きな瞬発力を発生させる動作には向いていない。機構の慣性を効果的に利用できないので、大きな瞬発力を発生させるには大出力の駆動源が必要となり、エネルギー効率の低下や高価格、装置の大規模化などが生ずる。小さな駆動源の場合、把持部材に連続的に小さな力を与え続けることは可能であるが、短時間に大きな力を発生できないため、把持部材がロボット本体に到達するのに必要な速度が生成される前に重力によって把持部材が床面に落下してしまう。
(d)並進一方向型:牽引車の長い移動距離が必要なので、装置が大型化する。一般に回転式のアクチュエータに比べて、市販のリニアアクチュエータの種類は少ない。車輪型の牽引車の場合、スリップなどの問題が生ずる。
The features of the mold shown in FIG. 10 will be described.
(A) Rotating reciprocating type: As described with reference to FIG. 4, it is possible to instantaneously pull with a large force using the inertia of the slid rigid arm. In addition, in the pulling operation by the rotary reciprocating type using a long rigid arm, the upward component of the pulling force can be greatly expanded, so the upward speed of the gripping member can be given, and it is extremely difficult to move the gripping member in the air. This is an effective pulling method. However, although the linear flexible link can be pulled once, the pulling operation cannot be repeated if the linear flexible link is loosened after being pulled.
(B) Translational reciprocating type: The linear flexible link is restrained by a translational drive type brake device, and the linear flexible link is pulled and sufficiently pulled by moving the translational drive type brake device in the direction opposite to the gripping member. After this, the linear flexible link is released, and the translational drive type brake device moves in the direction of the gripping member and repeats a series of operations. Compared with the translational one-way type shown in FIG. However, the number of commercially available linear actuators is generally smaller than that of rotary actuators.
(C) Rotating one-way type: The structure is simple and compact compared to other methods, but the inertial force of the rotating part is small, so that the inertial force that can be used is smaller than the rotating reciprocating type shown in FIG. Since it is small, it is not suitable for an operation that generates a large instantaneous force intermittently. Since the inertia of the mechanism cannot be used effectively, a large output drive source is required to generate a large instantaneous force, resulting in a decrease in energy efficiency, high cost, and a large scale device. In the case of a small drive source, it is possible to continuously apply a small force to the gripping member, but since a large force cannot be generated in a short time, the speed necessary for the gripping member to reach the robot body is generated. Before grabbing, the gripping member falls to the floor.
(D) Translational one-way type: Since a long moving distance of the towing vehicle is necessary, the apparatus becomes large. In general, there are fewer types of commercially available linear actuators than rotary actuators. In the case of a wheel-type tow vehicle, problems such as slip occur.
図10の基本的な4方式を組み合わせて引っ張り動作を行う方法もある。
図11に回転往復型と回転一方向型の組み合わせによる引っ張り動作を示す。引っ張り動作は回転往復型と回転一方向型を協調させて行うことが可能である。また、引っ張り動作による瞬発力によって把持部材に十分な速度が生成された後は、把持部材が自ら近づいて来るので、回転一方向型により無負荷の状態で線状柔軟リンクを巻き取ることができる。線状柔軟リンクの巻き取りを把持部材の接近速度より早く巻き取って再び線状柔軟リンクが張った状態あるいはその状態に近い状態になれば、さらに把持部材の引っ張り動作を繰り返すことができるため、1回のみの引っ張りしかできないという回転往復型の短所を補って図9のような断続的な引っ張り動作による把持部材の回収を行うことができる。
There is also a method of performing a pulling operation by combining the four basic methods shown in FIG.
FIG. 11 shows a pulling operation by a combination of a rotary reciprocating type and a rotary one-way type. The pulling operation can be performed in cooperation with the rotary reciprocating type and the rotary one-way type. In addition, after a sufficient speed is generated in the gripping member due to the instantaneous force generated by the pulling operation, the gripping member approaches itself, so that the linear flexible link can be wound up in an unloaded state by the rotary one-way type. . If the winding of the linear flexible link is wound faster than the approaching speed of the gripping member and the linear flexible link is stretched again or close to the state, the pulling operation of the gripping member can be repeated further. The gripping member can be collected by intermittent pulling operation as shown in FIG. 9 to compensate for the disadvantage of the rotary reciprocating type that can only be pulled once.
次に、引っ張り動作により把持部材に効率よく運動エネルギーを与える方法を考える。
一般に、ワイヤ、ひも、ロープなどの線状柔軟リンクは伸縮方向についてバネ効果とともに減衰効果の性質を持っている。図12に線状柔軟リンクの力学モデルを示す。図12に示すように、線状柔軟リンクにはバネ要素のみならずダンパ要素(減衰要素)が含まれていて、線状柔軟リンクを介して把持部材に与えられたエネルギーの一部はこのダンパ要素によって失われる。
Next, a method for efficiently applying kinetic energy to the gripping member by a pulling operation will be considered.
In general, a linear flexible link such as a wire, string, or rope has a damping effect and a spring effect in the expansion / contraction direction. FIG. 12 shows a dynamic model of the linear flexible link. As shown in FIG. 12, the linear flexible link includes not only a spring element but also a damper element (attenuating element), and part of the energy applied to the gripping member via the linear flexible link is the damper. Lost by element.
図13にバネの無い線状柔軟リンクと実際のバネが装着された線状柔軟リンクのそれぞれの線状柔軟リンクを用いて質点と固定端とを結び、線状柔軟リンクが弛んだ状態で質点に図13の<1>,<1’>に示す矢印のような方向の速度を与えたときの質点の挙動を示す。線状柔軟リンクにバネが装着されていない場合、図10に示す線状柔軟リンクのダンパ要素の減衰効果によるエネルギーの散逸によって質点は十分に弾まない。
一方、線状柔軟リンク自身のバネ要素に比べて非常に低い剛性のバネを装着した線状柔軟リンクの場合、線状柔軟リンク自身のバネ要素の伸びの変化に比べて装着したバネの伸びの変化ははるかに大きいので、図12に示すダンパ要素の変位速度は小さく減衰効果が現れにくいために、図13の<3’>,<4’>に示すように質点は大きく弾む。線状柔軟リンクを通して把持部材に効果的にエネルギーを与えるには図13に示すバネの効果を線状柔軟リンクに付加することが有効な方法である。
In FIG. 13, the material point and the fixed end are connected to each other using the linear flexible link without the spring and the linear flexible link with the actual spring attached, and the mass point is in a state where the linear flexible link is loosened. Shows the behavior of the mass point when the velocity in the direction indicated by the arrows shown in <1> and <1 '> in FIG. 13 is given. When the spring is not attached to the linear flexible link, the mass does not sufficiently repel due to the dissipation of energy due to the damping effect of the damper element of the linear flexible link shown in FIG.
On the other hand, in the case of a linear flexible link equipped with a spring having a very low rigidity compared to the spring element of the linear flexible link itself, the extension of the attached spring is larger than the change in the elongation of the spring element of the linear flexible link itself. Since the change is much larger, the displacement speed of the damper element shown in FIG. 12 is small and the damping effect is difficult to appear, so that the mass point bounces greatly as shown in <3 ′> and <4 ′> in FIG. In order to effectively give energy to the gripping member through the linear flexible link, it is an effective method to add the effect of the spring shown in FIG. 13 to the linear flexible link.
さらに、線状柔軟リンクの引っ張り動作における駆動源の出力飽和について考える。
前記のとおり図5(a)に示すような静的に出力が飽和する領域に対して、バネの効果を線状柔軟リンクに付加することによって、負荷の小さい状態すなわち出力が飽和しない状態でバネを伸ばしながら剛体アームは出力飽和領域を通過することができ、その結果、伸びたバネの復元力によって物体を移動させることができるので、バネの効果を線状柔軟リンクに付加することは駆動源の出力飽和を抑制する有効な方法である。
Further, consider the output saturation of the drive source in the pulling operation of the linear flexible link.
As described above, by adding the effect of the spring to the linear flexible link in the region where the output is statically saturated as shown in FIG. 5A, the spring is in a state where the load is small, that is, the output is not saturated. Since the rigid arm can pass through the output saturation region while stretching the object, and the object can be moved by the restoring force of the extended spring, adding the spring effect to the linear flexible link is a driving source This is an effective method for suppressing the output saturation of the.
そこで、線状柔軟リンクにバネ効果(弾性)を付加する方法を示す。
(ア)図14のように線状柔軟リンクに弾性部材を直結する方法。
この方法では線状柔軟リンクと弾性部材であるバネとの全体の剛性を可変にできない問題がある。また、図6(a)に示すように把持部材の投射前にマニピュレータ全体をスイングするとき、線状柔軟リンクに結合されたバネの伸縮により把持部材が線状柔軟リンクの延長線上で振動するため、マニピュレータ全体が複雑なスイングとなり投射制御の妨げとなる。さらに、バネの伸びを測定するのが困難であるため、バネの伸縮による把持部材の運動を制御することが困難である。
Therefore, a method of adding a spring effect (elasticity) to the linear flexible link will be described.
(A) A method of directly connecting an elastic member to a linear flexible link as shown in FIG.
This method has a problem that the overall rigidity of the linear flexible link and the spring as the elastic member cannot be made variable. Also, as shown in FIG. 6A, when the entire manipulator is swung before the projection of the gripping member, the gripping member vibrates on the extension line of the linear flexible link due to the expansion and contraction of the spring coupled to the linear flexible link. The whole manipulator becomes a complicated swing and hinders projection control. Furthermore, since it is difficult to measure the elongation of the spring, it is difficult to control the movement of the gripping member due to the expansion and contraction of the spring.
(イ)巻き取り装置と把持部材の間の線状柔軟リンクに弾性部材を間接的に付加する方法。
図15(a)のように、線状柔軟リンクの案内ならびに線状柔軟リンクの引っ張りに用いる剛体アームを釣り竿程度の弾性のあるフレキシブルリンクに置き換え、フレキシブルリンクの弾性を用いて把持部材を移動させる方法である。この方法では、フレキシブルリンクを動的に曲げる制御ならびにフレキシブルリンクのたわみによる振動の制御が一般的に難しいために、把持部材の投射時、線状柔軟リンクのブレーキ時、線状柔軟リンクの巻き取り時などにおいて生ずるフレキシブルリンクの曲げ・たわみが制御誤差や振動を生み、その結果、空中の把持部材の運動制御を困難にする問題がある。
また、図15(b)のようにプーリならびにバネが装着されたプーリを用いる方法では、線状柔軟リンクにバネ効果を付加するために、線状柔軟リンクの張力が零の時にバネが装着されたプーリによって線状柔軟リンクが曲げられた状態にし、張力が増加するほどバネが縮むようにプーリを配置する。この方法では、バネ効果を与えるために線状柔軟リンクがプーリに沿って曲がった状態になる必要があるので、バネの剛性が高くなるほどプーリの摩擦の影響が大きくなる。その結果、線状柔軟リンクに摩擦力が生じ、把持部材の運動制御の妨げとなる。
(A) A method of indirectly adding an elastic member to the linear flexible link between the winding device and the gripping member.
As shown in FIG. 15A, the rigid arm used for guiding the linear flexible link and pulling the linear flexible link is replaced with a flexible link having elasticity equivalent to a fishing rod, and the gripping member is moved using the elasticity of the flexible link. Is the method. In this method, it is generally difficult to control the bending of the flexible link and the vibration due to the deflection of the flexible link. Therefore, when the gripping member is projected, when the linear flexible link is braked, the linear flexible link is wound. The bending / deflection of the flexible link that occurs in some cases causes control errors and vibrations, and as a result, there is a problem that it is difficult to control the movement of the gripping member in the air.
Further, in the method using a pulley and a pulley with a spring attached as shown in FIG. 15B, the spring is attached when the tension of the linear flexible link is zero in order to add a spring effect to the linear flexible link. The linear flexible link is bent by the pulley, and the pulley is arranged so that the spring contracts as the tension increases. In this method, since the linear flexible link needs to be bent along the pulley in order to give a spring effect, the higher the rigidity of the spring, the greater the influence of the friction of the pulley. As a result, a frictional force is generated in the linear flexible link, which hinders the movement control of the gripping member.
(ウ)図16のように巻き取り装置に弾性部材を付加する方法。
一般的にモータなどの駆動源はブレーキ装置などに比べて重いため、巻き取り装置用の駆動部20をバネにより振動させるには慣性力や摩擦力が大きいため剛性の大きいバネが必要となる。また、振動した駆動部をブレーキなどで停止させるとき、慣性力が大きいため、大きなブレーキ力が必要となる。
(C) A method of adding an elastic member to the winding device as shown in FIG.
Since a drive source such as a motor is generally heavier than a brake device or the like, in order to vibrate the drive unit 20 for the winding device with a spring, a spring with high rigidity is required because of a large inertial force and frictional force. Further, when the oscillating drive unit is stopped by a brake or the like, a large braking force is required because the inertial force is large.
(エ)図17のようにブレーキ台座22に弾性部材を付加する方法。
線状柔軟リンクの巻き取り用駆動源などの重量に比べると、図17に示す線状柔軟リンクの繰り出し停止用ブレーキ16の重量は小さいものを選ぶことができるので、ブレーキ時に引っ張られるブレーキ台座22の慣性の影響が小さくて済む。また、バネによるブレーキ台座22の振動(往復運動)を他のブレーキなどにより停止しやすい。さらに、ブレーキ16により線状柔軟リンク11を拘束して線状柔軟リンク11を引っ張ると、線状柔軟リンク11と共にバネが引っ張られ、線状柔軟リンク11はあたかもバネと同様に伸びるように見える。このとき外から見た線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性は、バネ剛性と線状柔軟リンクそのものの剛性の和となり、ブレーキ16により線状柔軟リンク11を解放すると線状柔軟リンクそのものの剛性となる。このように線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性を容易に切り替えることができる。
(D) A method of adding an elastic member to the brake base 22 as shown in FIG.
Compared to the weight of the linear flexible link take-up drive source or the like, the weight of the
線状柔軟リンク11を引くことにより把持部材12に瞬発力を与える場合、線状柔軟リンク11がバネのように伸縮するならば、効率良く把持部材に力を与えることができ、かつ引っ張り動作の繰り返しの周期を長くすることができるので制御が容易になる。しかし、バネのような引っ張り剛性の低い線状柔軟リンクを用いると、前記のとおり図6に示すスイングなどにおいて振り子運動とバネ伸縮運動が合成された複雑な挙動を示すことが知られている。したがって、線状柔軟リンクの引っ張り剛性が調節可能であることが望まれる。また、線状柔軟リンクの引っ張り剛性を可変にするときに、線状柔軟リンクに対する可変装置などの慣性の影響はできるだけ小さいことが望ましい。以上のことにより、線状柔軟リンクにバネ効果を付加する方法として、図17に示すようなバネが繋がったブレーキ台座22上に装着されたブレーキにより線状柔軟リンクを拘束する方法が有効と考えられ、図18のように剛体アーム上をスライドするブレーキ台座スライダー23と剛体アーム14とをバネで結合し、ブレーキ台座スライダーと剛体アームの相対運動を停止できるスライド停止用ブレーキをブレーキ台座スライダーに搭載した機構を考える。ブレーキ16により線状柔軟リンク11を拘束して線状柔軟リンク11を把持部材12の方向へ引っ張る場合、スライド停止用ブレーキをONにしてブレーキ台座スライダー23と剛体アーム14の相対運動を拘束すると、線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性は線状柔軟リンクそのものの剛性であり、スライド停止用ブレーキをOFFにしてブレーキ台座スライダー23と剛体アーム14の相対運動を自由にすると、線状柔軟リンク11と共にバネが引っ張られ、線状柔軟リンク11はあたかもバネと同様に伸びるように見える。このとき、外から見た線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性はバネ剛性と線状柔軟リンクそのものの剛性の和となる。
When an instantaneous force is applied to the gripping
図18に示す機構では線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に変化させることができない。そこで、把持部材の引っ張り動作をよりきめ細かに制御するために、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に変化させる方法を考える。
図18のバネの固定支柱24を図19に示すような剛体アーム上をスライド運動する並進駆動部28に変えると、様々なバネの伸縮状態を作ることができる。
ブレーキ16により線状柔軟リンクを拘束する前に、ブレーキ27によりブレーキ台座スライダーと剛体アームを拘束し、並進駆動部28を所望の位置に移動させて固定することにより、バネを様々に伸びた状態にすることができる。したがって、バネを所望の伸縮状態にして、ブレーキ16により線状柔軟リンクを拘束し、同時にブレーキ27を解放することによって、所望する見かけ上の剛性を離散的に線状柔軟リンクに生成させることが可能となる。また、ブレーキ27を解放状態にして並進駆動部28を固定し、ブレーキ16により線状柔軟リンク11を拘束した後に並進駆動部28の位置を変えても、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に変えることができる。
In the mechanism shown in FIG. 18, the apparent rigidity of the linear flexible link cannot be continuously changed. Therefore, in order to finely control the pulling operation of the gripping member, a method of continuously changing the apparent rigidity of the linear flexible link is considered.
If the fixed post 24 of the spring of FIG. 18 is changed to a
Before the linear flexible link is constrained by the
さらに、バネ剛性を連続的に可変にする方法を示す。
図20(a)に示すように、固定支柱をスライドするように駆動されるスライド支持点(A)29と回転自由な回転支柱26をスライドするように駆動されるスライド支持点(B)30との間にバネを装着すると、各支柱上のそれぞれの支持点の位置を制御することによって、てこの原理により回転支柱26の回転方向の剛性を可変にできる。
したがって、図20(a)の回転支柱26に図20(b)に示すような接合点31を設け、その接合点31とブレーキ台座スライダーとを伸縮しないリンク32でつなぐと、スライド支持点(A)29、(B)30の位置を制御することにより、ブレーキ台座スライダーの並進方向の剛性を可変にできるので、繰り出し停止用ブレーキにより線状柔軟リンクを拘束すると線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に可変とすることができる。図20(a)に示す系全体を可変剛性機構33と呼ぶ。
今、スライド支持点(A)、(B)それぞれをb、b’の位置に設定すると、図17と同様な剛性をブレーキ台座スライダーに生成することができる。次に、スライド支持点(A)、(B)をa、a’に移動させると、てこの原理により接合点31での剛性は大きくなる。逆にスライド支持点(A)、(B)をc、c’に移動させると、接合点31での剛性は小さくなる。この機構での剛性が最小となるのは図20(c)の状態、最大になるのは同図(d)の状態になるようにスライド支持点(A)、(B)を移動させたときである。これは、バネと出力端とを結ぶ力の伝達機構を調整することによって、出力端での剛性を可変にする方法である。従来では、バネが固定端に固定される位置を変えることにより、バネの伸縮部分の長さを変えて剛性を可変にする方法があるが、使用頻度によりバネの特性を部分的に変えてしまう問題がある。本手法ではバネの全ての部分が均一的に伸縮運動に使われるので、このような問題はない。以上より、ブレーキにより線状柔軟リンクを拘束した場合の線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を連続的に可変にできる方法を示した。
なお、線状柔軟リンクの見かけ上の剛性を決める方法の一つとして、剛体アームの姿勢ならびに駆動関節18の出力状態によって決める方法がある。例えば、図5(b)に示すように剛体アームを振って線状柔軟リンクを介して把持部材を引き上げるときバネが伸びるが、図5(c)の上側に示す出力非飽和領域Bに剛体アームが到達したときの張力が、把持部材の重量と把持部材に把握された物体の重量との和より小さくなるようにバネの剛性を設定する方法である。
Furthermore, a method for continuously changing the spring stiffness will be described.
As shown in FIG. 20 (a), a slide support point (A) 29 that is driven to slide the fixed column, and a slide support point (B) 30 that is driven to slide the rotatable column 26 When a spring is mounted between the two, the rigidity of the rotating column 26 in the rotating direction can be made variable by lever principle by controlling the position of each supporting point on each column.
Therefore, when the joint 31 as shown in FIG. 20B is provided on the rotary support 26 in FIG. 20A and the joint 31 and the brake pedestal slider are connected by the link 32 that does not expand and contract, the slide support point (A ) 29 and (B) 30 by controlling the position, the rigidity in the translational direction of the brake pedestal slider can be made variable. Therefore, when the linear flexible link is constrained by the brake for stopping feeding, the apparent rigidity of the linear flexible link is obtained. Can be made continuously variable. The entire system shown in FIG. 20A is called a variable stiffness mechanism 33.
Now, if the slide support points (A) and (B) are set to the positions b and b ′, respectively, the same rigidity as in FIG. 17 can be generated in the brake pedestal slider. Next, when the slide support points (A) and (B) are moved to a and a ′, the rigidity at the joining point 31 is increased by the lever principle. Conversely, when the slide support points (A) and (B) are moved to c and c ′, the rigidity at the joint point 31 is reduced. When the slide support points (A) and (B) are moved so that the rigidity in this mechanism is the minimum as shown in FIG. 20 (c) and the maximum is as shown in FIG. 20 (d). It is. This is a method of making the rigidity at the output end variable by adjusting a force transmission mechanism connecting the spring and the output end. Conventionally, there is a method to change the rigidity of the spring by changing the length of the elastic part of the spring by changing the position where the spring is fixed to the fixed end. However, the characteristics of the spring are partially changed depending on the frequency of use. There's a problem. In this method, all parts of the spring are uniformly used for expansion and contraction, so there is no such problem. From the above, a method has been shown in which the apparent rigidity of the linear flexible link when the linear flexible link is restrained by a brake can be continuously varied.
As one method for determining the apparent rigidity of the linear flexible link, there is a method for determining it according to the posture of the rigid arm and the output state of the drive joint 18. For example, as shown in FIG. 5 (b), when the rigid arm is shaken and the gripping member is pulled up via the linear flexible link, the spring extends, but the rigid arm is in the output non-saturation region B shown in the upper side of FIG. 5 (c). This is a method of setting the rigidity of the spring so that the tension when the tension reaches reaches smaller than the sum of the weight of the gripping member and the weight of the object grasped by the gripping member.
図21は、線状柔軟リンク11の引っ張り剛性を制御するシステムの一例を示したものである。
同図において、ロボット本体10には剛体アーム14が関節18、例えば紙面に垂直な軸18−1の回りに駆動できる関節を介して装着されている。
剛体アーム14の後部には、回転駆動源20及び回転駆動源20の回転力がベルトを介して伝達されるドラム21等からなる繰り出し・巻き取り装置15が装着される。
また、剛体アーム14の前部には回転式ガイダー17が設けられており、ドラム21から引き出された線状柔軟リンク11が案内部材19、後述するブレーキ台座スライダー23及び回転式ガイダー17を介して把持部材12に結合されている。回転式ガイダー17は、線状柔軟リンク11の方向が変化しても柔軟に追従可能とするためのものであり、例えば紙面に垂直な軸17−1の回りに回転自由な構造を有し、線状柔軟リンク11をガイドする構造を有している。
剛体アーム14の関節18より前側には、ブレーキ台座スライダー23が剛体アーム14に対してスライド可能な状態で装着されている。剛体アーム14には図21に示すように固定支柱24と回転自由な回転支柱26が設置され、各支柱上にはスライドするように駆動されるスライド支持点(A)29スライド支持点(B)30が設けられ、両支持点はバネで結合されている。また、回転支柱26とブレーキ台座スライダー23とは伸縮しないリンク32で結合されている。さらに、ブレーキ台座スライダー23上には、線状柔軟リンク11のブレーキ台座スライダー23に対する動きを停止できるブレーキ16及び剛体アーム14に対してブレーキ台座スライダー23の滑動を停止できるブレーキ27が設けられている。
FIG. 21 shows an example of a system for controlling the tensile rigidity of the linear
In the figure, a
At the rear part of the
In addition, a
A
図21において、例えば、ブレーキ27をOFF(ブレーキ非作動。以下同じ。)にし、ブレーキ16をON(ブレーキ作動。以下同じ。)にした状態で剛体アーム14を振って線状柔軟リンク11の先の把持部材12を引っ張ると、バネ25が伸張しブレーキ台座スライダー23が線状柔軟リンク11とともに前方に移動するので、線状柔軟リンク11は見かけ上、引っ張り剛性の低いバネのようになる。さらに、スライド支持点(A)29と(B)30との相対位置を制御することにより、線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性を連続的に変化させることができる。ブレーキ16をOFFにした状態で、巻き取り装置15により線状柔軟リンク11を巻き取ると、もとの線状柔軟リンク11の剛性に戻る。
In FIG. 21, for example, with the
図22を参照しながら、把持部材12の空中回収の状況を以下に説明する。なお、把持部材12による物体13の把持動作の説明はここでは省略する。また、このときの線状柔軟リンク11の見かけ上の剛性を可変にする動作の説明もここでは省略するので、把持部材12の空中回収時におけるバネの伸縮状態が分かりやすく表示されるように、可変剛性機構33の代わりに固定した並進駆動部28を使って図22に表示する。
まず、図22(a)のように線状柔軟リンク11が少し弛んだ状態で、同図(b)、(c)に示すようにブレーキ27をOFF、ブレーキ16をONにし、剛体アーム14を振ると、剛体アーム14の慣性によって生ずる撃力と関節18の回転駆動力との合力により把持部材12が引っ張られ、線状柔軟リンク11を拘束したブレーキ台座スライダー23が回転式ガイダー17の方向へ引っ張られる。剛体アーム14の振りが終わっても、バネ25が伸張した状態となり、剛体アーム14の振りによって与えられたエネルギーがバネ25に蓄積される。
次に、図22(d)に示すように、バネ25の縮みにより把持部材12は引っ張られ、バネ25に蓄えられたエネルギーはその損失が極めて小さい状態で効率よく把持部材12の運動エネルギーに変換される。同図(e)(f)に示すように、バネが縮みきったときにブレーキ16をOFFにし、同図(g)に示すように、バネ25が自然長になったときにブレーキ27をONにする。
次に、同図(h)に示すように、線状柔軟リンク巻き取り装置15を駆動して線状柔軟リンク11を巻き取りながら剛体アーム14を把持部材12の方向に振る。
以上の(a)〜(h)の動作を繰り返すことにより、図9に示すような把持部材12の空中回収を行うことが可能となる。
The situation of air collection of the gripping
First, with the linear
Next, as shown in FIG. 22 (d), the gripping
Next, as shown in FIG. 5H, the linear flexible
By repeating the above operations (a) to (h), it is possible to perform air collection of the gripping
図23の(a)〜(h)は、図22の(a)〜(h)にそれぞれ対応するものであり、各(a)〜(h)における図21に示すブレーキ台座スライダー23、バネ25、ブレーキ16、ブレーキ27及び線状柔軟リンク巻き取り装置15の作動状態を示している。
(A) to (h) in FIG. 23 correspond to (a) to (h) in FIG. 22 respectively, and the
10 ロボット本体
11 線状柔軟リンク
12 把持部材
13 対象物体
14 剛体アーム
15 繰り出し・巻き取り装置
16 繰り出し停止用ブレーキ
17 回転式ガイダー
18 駆動関節
19 案内部材
20 巻き取り装置用駆動源
21 ドラム
22 ブレーキ台座
23 ブレーキ台座スライダー
24 固定支柱
25 バネ
26 回転支柱
27 スライド停止用ブレーキ
28 並進駆動部
29 スライド支持点(A)
30 スライド支持点(B)
31 接合点
32 伸縮しないリンク
33 可変剛性機構
DESCRIPTION OF
30 Slide support point (B)
31 Junction point 32 Non-expandable link 33 Variable stiffness mechanism
Claims (6)
A brake pedestal slider that can freely slide relative to the rigid arm is installed, and the brake pedestal slider has a slide stop means that stops relative movement with the rigid arm and a linear flexible link that stops the movement. A stop means is mounted, and support points that are driven so as to slide on the respective support columns with respect to the fixed support columns provided on the rigid arm and the rotary support columns having a rotary joint are provided, and an elastic member such as a spring is provided between the support points. By connecting the rotating strut and the brake pedestal slider with a link that does not expand and contract, and changing the relative position of the support points to control the displacement of the elastic member, the apparent flexibility of the linear flexible link by the lever principle 4. The gripping member moving device according to claim 3, wherein the rigidity is continuously variable.
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