JP2013107155A - Small-sized multi-freedom kinesthetic sense display manipulator - Google Patents

Small-sized multi-freedom kinesthetic sense display manipulator Download PDF

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Junpei Arata
純平 荒田
Motoki Takagi
基樹 高木
Hideo Fujimoto
英雄 藤本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a kinesthetic sense display manipulator which has high-quality kinesthetic sense display performance, is small in size and has a wide work area.SOLUTION: The kinesthetic sense display manipulator includes a manipulator base, an end effector, a driving means, and a parallel link mechanism for converting the motive force of the driving means into a three-freedom translational motion of the end effector. The end effector maintains a posture by the mechanical binding of the parallel link mechanism irrespective of a spatial position. By using the parallel link mechanism in the kinesthetic sense display device, high rigidity, a high output, high drivability, and low inertia are achieved. Thus, high-quality kinesthetic sense display can be obtained. In the parallel link mechanism, the mechanism and the driving means are arranged at one side. Thus, a small-sized multi-freedom kinesthetic sense display manipulator having a rotational freedom where two parallel link mechanisms are connected by a gimbals mechanisms is obtained.

Description

本発明は、小型多自由度の力覚提示マニピュレータに関するものである。   The present invention relates to a small and multi-degree-of-freedom force sense manipulator.

バーチャル・リアリティを用いた訓練システムにおいて臨場感を高めるためには力覚の提示が重要である。また、ロボットの遠隔操作においても微細作業や、繊細で複雑な作業を必要とする場合には、作業ロボットから操縦桿へ力覚の帰還を行うことで作業効率を向上することが知られている。このように力覚を表現する装置として力覚提示装置が用いられる。   In order to enhance the sense of reality in a training system using virtual reality, it is important to present a sense of force. It is also known to improve work efficiency by performing force feedback from the work robot to the control stick when remote operation of the robot requires fine work or delicate and complicated work. . Thus, a force sense presentation device is used as a device that expresses a force sense.

本発明では、力覚提示装置にパラレルリンク機構を応用してマニピュレータを構成している。ここで、「パラレルリンク機構」とは、マニピュレータのベースと、エンドエフェクタとを、複数のリンク機構により支持する機構の呼称である。従来のパラレルリンク機構を用いた力覚提示装置には特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、及び、非特許文献4のようなものが知られている。   In the present invention, a manipulator is configured by applying a parallel link mechanism to the force sense presentation device. Here, the “parallel link mechanism” is a name of a mechanism that supports the base of the manipulator and the end effector by a plurality of link mechanisms. Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document include conventional force sense presentation devices using a parallel link mechanism. Something like 4 is known.

特開2000−148382JP 2000-148382 A 特開2001−293676JP2001-293676 特開2010−099403JP2010-099403 特開2010−146307JP2010-146307

Jumpei Arata, Hiroyuki Kondo, Norio Ikedo, Hideo Fujimoto, 「Haptic Device using a newly developed Redundant Parallel Mechanism」 IEEE Trans. on Robotics, Vol.27(2), pp.201-214, 2011.Jumpei Arata, Hiroyuki Kondo, Norio Ikedo, Hideo Fujimoto, `` Haptic Device using a newly developed Redundant Parallel Mechanism '' IEEE Trans. On Robotics, Vol.27 (2), pp.201-214, 2011. Clavel R. , “Conception d’un robot parallele rapide a 4 degres de liberte”, Ph.D. Thesis, EPFL, Lausanne,1991,No925Clavel R., “Conception d’ un robot parallele rapide a 4 degres de liberte”, Ph.D. Thesis, EPFL, Lausanne, 1991, No925 岩田洋夫、外2名、「フォースディスプレイを用いた仮想環境における手術シミュレーションの要素技術開発」、日本VR学会第1回大会論文集、pp.95−98,1996Hiroo Iwata and 2 others, “Development of elemental technology for surgical simulation in a virtual environment using force display”, Proceedings of the 1st Annual Meeting of the VR Society of Japan, pp. 95-98, 1996 Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev and M. Uchiyama,"Design of a Compact 6-DOF Haptic Interface", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, 2580-2585Y. Tsumaki, H. Naruse, D. N. Nenchev and M. Uchiyama, "Design of a Compact 6-DOF Haptic Interface", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, 2580-2585

力覚提示マニピュレータの機構において求められる要件に、高品質な力覚提示性能を有すること、小型でありながら広い作業領域を有すること、が挙げられる。高品質な力覚提示性能を有するためには、高剛性、高出力、高バックドライバビリティ、低慣性を実現する機構であることが望ましい。以上の性能を実現するためにはパラレルリンク機構を用いることが有効な手段であるが、一般に従来のパラレルリンク機構は小型でありながら広い作業領域を確保することは、難しい。   Requirements required in the mechanism of the haptic presentation manipulator include having high-quality haptic presentation performance and having a large work area while being small. In order to have high-quality force sense presentation performance, a mechanism that achieves high rigidity, high output, high back drivability, and low inertia is desirable. In order to realize the above performance, it is effective to use a parallel link mechanism. However, it is generally difficult to secure a wide working area while a conventional parallel link mechanism is small.

力覚提示マニュピレータの作業領域が小さい場合、操作者の自由な操作や、操作対象への動作指令が、力覚提示マニピュレータの作業領域に制限される可能性があるため、望ましくない。   When the work area of the haptic presentation manipulator is small, it is not desirable because an operator's free operation and an operation command to the operation target may be limited to the work area of the haptic presentation manipulator.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高品質な力覚提示性能を有し、小型であり、かつ広い作業領域を有する力覚提示マニピュレータを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a force sense presentation manipulator having high-quality force sense presentation performance, a small size, and a wide work area. There is.

本発明は、駆動手段によって駆動される多自由度の力覚提示マニピュレータであり、パラレルリンク機構により、直交する3軸(X軸、Y軸、Z軸)を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、X軸方向の並進運動、Y軸方向の並進運動、Z軸方向の並進運動、の3自由度を有し、駆動手段の動力が、リンク機構によって、X軸方向の並進、Y軸方向の並進、Z軸方向の並進、の各運動に変換されることを特徴とする。   The present invention is a multi-degree-of-freedom force sense manipulator that is driven by a driving means, and is a manipulator fixed to a reference coordinate system having three orthogonal axes (X axis, Y axis, and Z axis) by a parallel link mechanism. The end effector has three degrees of freedom of translation in the X-axis direction, translation in the Y-axis direction, and translation in the Z-axis direction with respect to the base. It is converted into motions of direction translation, translation in the Y-axis direction, and translation in the Z-axis direction.

ここで、パラレルリンク機構は、第1アームと、第2アームと、エンドエフェクタと、から構成されている。さらに第1アームは、第1平行四節リンク機構と、第2平行四節リンク機構と、第1駆動手段と、第2駆動手段と、から構成され、第2アームは、第1単独リンクと、第3平行四節リンク機構と、第3駆動手段と、から構成されている。   Here, the parallel link mechanism includes a first arm, a second arm, and an end effector. Further, the first arm is composed of a first parallel four-bar link mechanism, a second parallel four-bar link mechanism, a first drive means, and a second drive means. The second arm is a first single link. , A third parallel four-bar linkage mechanism and a third drive means.

具体的には、第1平行四節リンク機構は、ベースに備えた第1軸を回転軸とする第1リンクと、第1軸を回転軸とする第2リンクと、第2リンクに備えた第1軸と平行な第2軸に回転自在に連結する第3リンクと、第1リンクおよび前記第3リンクのそれぞれに備えた第1軸と平行な第3軸および第4軸に回転自在で連結する第4リンクから構成されている。第1リンクに第1軸まわりの回転運動を与える第1駆動手段と、第2リンクに第2軸まわりの回転運動を与える第2駆動手段と、が連結され、第1、第2、第3、第4リンクは平行四辺形をなしている。   Specifically, the first parallel four-joint link mechanism includes a first link having a first axis provided on the base as a rotation axis, a second link having the first axis as a rotation axis, and a second link. A third link rotatably connected to a second axis parallel to the first axis, and a third axis and a fourth axis parallel to the first axis provided in each of the first link and the third link are rotatable. It is comprised from the 4th link to connect. First driving means for applying a rotational motion about the first axis to the first link and second driving means for applying a rotational motion about the second axis to the second link are connected, and the first, second, and third are connected. The fourth link has a parallelogram shape.

第2平行四節リンク機構は、一対の第5軸を備える第5リンクと、第6軸および第6軸に直交する一対の第7軸を備える第6リンクと、第5、第6リンクを第5、第7軸で回転自在に連結する一対の第7リンクから構成されている。第5、第6、第7リンクは平行四辺形をなしており、第2平行四節リンク機構の第5軸が第1平行四節リンク機構の第3軸と直交するよう第5リンクが第4リンクに固定されている。   The second parallel four-bar linkage mechanism includes a fifth link having a pair of fifth axes, a sixth link having a pair of seventh axes orthogonal to the sixth axis and the sixth axis, and fifth and sixth links. It is composed of a pair of seventh links that are rotatably connected by fifth and seventh shafts. The fifth, sixth, and seventh links are parallelograms, and the fifth link is arranged so that the fifth axis of the second parallel four-bar linkage mechanism is orthogonal to the third axis of the first parallel four-bar linkage mechanism. It is fixed to 4 links.

第1単独リンクは、前記ベースに備えた第1単独リンク軸を回転軸とし、第1単独軸と平行な第2単独リンク軸を備えている。第1単独リンク軸は、第3駆動手段と連結され、回転運動を与えられる。   The first single link includes a second single link shaft parallel to the first single shaft, with the first single link shaft provided in the base as a rotation axis. The first single link shaft is connected to the third drive means and is given a rotational motion.

第3平行四節リンク機構は、一対の第8軸を備える第8リンクと、第9軸および第9軸に直交する一対の第10軸を備える第9リンクと、第8、第9リンクを第8、第10軸で回転自在に連結する一対の第10リンクから構成されている。第8、第9、第10リンクは平行四辺形をなしており、第3平行四節リンク機構の第8軸が単独リンクの前記第2単独リンク軸と直交するように回転自在に連結されている。   The third parallel four-bar linkage mechanism includes an eighth link including a pair of eighth axes, a ninth link including a pair of tenth axes orthogonal to the ninth axis and the ninth axis, and eighth and ninth links. It is composed of a pair of tenth links rotatably connected by the eighth and tenth shafts. The eighth, ninth, and tenth links form a parallelogram, and are rotatably coupled so that the eighth axis of the third parallel four-bar linkage mechanism is perpendicular to the second single link axis of the single link. Yes.

エンドエフェクタは第1アームと第2アームの末端部である第6軸と第9軸と回転自在で連結されている。   The end effector is rotatably connected to the sixth and ninth axes, which are the end portions of the first arm and the second arm.

本発明は、駆動手段によって駆動されるパラレルリンク機構を用いた力覚提示マニピュレータを対象とし、3自由度の並進動作を出力する力覚提示マニピュレータを対象とする。本発明の駆動手段には、回転運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータを用いることができる。   The present invention is directed to a haptic presentation manipulator that uses a parallel link mechanism driven by driving means, and is directed to a haptic presentation manipulator that outputs a translational motion with three degrees of freedom. For the drive means of the present invention, a drive device having an output shaft that outputs rotational motion, for example, a motor can be used.

本発明である2つのパラレルリンク機構をジンバル機構により連結して用いることで、X軸方向の並進運動、Y軸方向の並進運動、Z軸方向の並進運動、X軸方向に平行な軸についての回転運動、Y軸方向に平行な軸についての回転運動の少なくとも5自由度を有する、回転自由度を有する力覚提示マニピュレータを提供することができる。   By using the two parallel link mechanisms of the present invention connected by a gimbal mechanism, translational motion in the X-axis direction, translational motion in the Y-axis direction, translational motion in the Z-axis direction, and an axis parallel to the X-axis direction. It is possible to provide a haptic manipulator having a rotational degree of freedom having at least 5 degrees of freedom of a rotational movement and a rotational movement about an axis parallel to the Y-axis direction.

回転自由度を有する多自由度の力覚提示マニピュレータは、一対のパラレルリンク機構と、一対のパラレルリンク機構のそれぞれのエンドエフェクタを連結する一対の回転2軸を有するジンバル機構と、多自由度エンドエフェクタと、から構成される。   A multi-degree-of-freedom force sense manipulator having rotational degrees of freedom includes a pair of parallel link mechanisms, a gimbal mechanism having a pair of rotating two axes that connect the respective end effectors of the pair of parallel link mechanisms, and a multi-degree-of-freedom end. And an effector.

一対のジンバル機構のそれぞれは、一対のパラレルリンク機構のエンドエフェクタに備えた第1ジンバル軸と、回転自在に連結する第1ジンバル軸と直交する第2ジンバル軸を備える第11リンクと、第11リンクと第2ジンバル軸と回転自在で連結する第12リンクと、から構成されている。一対のジンバル機構のそれぞれの第12リンクは、第11軸を備える多自由度エンドエフェクタに、それぞれの第1、第2ジンバル軸の交点であるジンバル回転中心を第11軸が通るように回転自在に連結される。   Each of the pair of gimbal mechanisms includes a first gimbal shaft provided in an end effector of the pair of parallel link mechanisms, an eleventh link including a second gimbal shaft orthogonal to the first gimbal shaft that is rotatably connected, The twelfth link is rotatably connected to the link and the second gimbal shaft. Each twelfth link of the pair of gimbal mechanisms is freely rotatable so that the eleventh axis passes through the gimbal rotation center that is the intersection of the first and second gimbal axes to the multi-degree-of-freedom end effector having the eleventh axis. Connected to

本発明によれば、力覚提示装置にパラレルリンク機構を用いることにより、高剛性、高出力、高バックドライバビリティ、低慣性を実現可能なため、高品質な力覚提示が可能である。また、本発明の構成要素であるパラレルリンク機構は、従来機構と異なり、機構の一側へ機構本体および駆動手段を配置できるため、従来のパラレルリンク機構と比較して広い作業領域を得ることが可能である。また、冗長自由度を有していないため、製作コスト面においても従来機構と比して不利はない。さらに、機構の一側へ機構本体および駆動手段を配置できる特徴により、2つのパラレルリンク機構を連結して配置することで、小型でありながら、広い動作域を有し、回転自由度を有する多自由度の力覚提示マニピュレータを提供できる。   According to the present invention, since a high rigidity, high output, high back drivability, and low inertia can be realized by using a parallel link mechanism in the force sense presentation device, high quality force sense presentation is possible. Further, unlike the conventional mechanism, the parallel link mechanism, which is a component of the present invention, can arrange the mechanism main body and the driving means on one side of the mechanism, so that a wider work area can be obtained compared to the conventional parallel link mechanism. Is possible. Moreover, since it does not have a redundancy degree of freedom, there is no disadvantage in terms of manufacturing cost as compared with the conventional mechanism. In addition, due to the feature that the mechanism main body and the driving means can be arranged on one side of the mechanism, the two parallel link mechanisms are connected and arranged, thereby having a large operating range and a high degree of rotational freedom while being small. A haptic manipulator with a degree of freedom can be provided.

本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータのシステムを示す図である。It is a figure which shows the system of the force sense presentation manipulator which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータの斜視図である。It is a perspective view of a force sense presentation manipulator concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る力覚提示マニピュレータを構成する一対のパラレルリンク機構20の機構モデル図である。It is a mechanism model figure of a pair of parallel link mechanism 20 which constitutes a force sense presentation manipulator concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る回転自由度を有する力覚提示マニピュレータの斜視図である。It is a perspective view of a force sense presentation manipulator which has a degree of freedom of rotation concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る回転自由度を有する力覚提示マニピュレータを構成する一対のジンバル機構70の機構モデル図である。It is a mechanism model figure of a pair of gimbal mechanism 70 which constitutes a force sense presentation manipulator which has a degree of freedom of rotation concerning one embodiment of the present invention.

まず、本発明の力覚提示マニピュレータは、エンドエフェクタがマニピュレータのベースに対して、3自由度の並進動作の回転動作を出力する。   First, in the haptic manipulator of the present invention, the end effector outputs a rotational motion of a translational motion with three degrees of freedom with respect to the base of the manipulator.

以下、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be exemplarily described in detail below with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係わる力覚提示マニピュレータを用いた、力覚提示システムを示している。   FIG. 1 shows a haptic presentation system using a haptic presentation manipulator according to an embodiment of the present invention.

本発明は、力覚提示マニピュレータであるマニピュレータ1と、マニピュレータ1の駆動手段を制御するコントロール部2と、力覚が取得できるロボット、若しくは、バーチャル・システム等からなる操作対象3から構成される。このシステムは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に用いられる。   The present invention includes a manipulator 1 that is a force sense manipulator, a control unit 2 that controls a driving means of the manipulator 1, and an operation target 3 that includes a robot capable of acquiring a force sense, a virtual system, or the like. This system is used for a control stick with force feedback of a remote control robot, a force sense presentation device of a training system using virtual reality, and the like.

次に、図2から図3を参照して、マニピュレータ1の構成について詳しく説明する。図2は本実施形態における機構モデルの斜視図、図3は本実施形態の斜視図である。  Next, the configuration of the manipulator 1 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view of a mechanism model in the present embodiment, and FIG. 3 is a perspective view of the present embodiment.

マニピュレータ1は、パラレルリンク機構20により構成される。パラレルリンク機構20は、ベース10と、駆動手段26、27、28と、各駆動部に連結し、駆動手段の動力をエンドエフェクタの3自由度並進動作に変換する第1アーム21、第2アーム22により構成される。   The manipulator 1 includes a parallel link mechanism 20. The parallel link mechanism 20 is connected to the base 10, the drive means 26, 27, and 28, and the respective drive units, and the first arm 21 and the second arm that convert the power of the drive means into a three-degree-of-freedom translational operation of the end effector. 22.

第1アーム21は、第1平行4節リンク23と、第2平行4節リンク24と、第1駆動手段26と、第2駆動手段27と、から構成される。   The first arm 21 includes a first parallel four-node link 23, a second parallel four-node link 24, a first drive means 26, and a second drive means 27.

第1平行4節リンク機構23は、第1リンク31、第2リンク32、第3リンク34、第4リンク37から構成され、それぞれのリンクは第1軸30、第2軸33、第3軸35、第4軸36により接続されている。これらの軸は回転自在に連結される。   The first parallel four-joint link mechanism 23 includes a first link 31, a second link 32, a third link 34, and a fourth link 37. The links are a first axis 30, a second axis 33, and a third axis. 35 and the fourth shaft 36 are connected. These shafts are rotatably connected.

第1平行4節リンク機構23の第1リンク31と第2リンク32は、第1駆動手段26と第2駆動手段27に接続される。力覚提示マニピュレータに使用する動力伝達手段には、正確な動力伝達を必要とするため、動力伝達手段における摩擦やガタ等による伝達損失を極力抑える必要がある。   The first link 31 and the second link 32 of the first parallel four-joint link mechanism 23 are connected to the first drive means 26 and the second drive means 27. Since the power transmission means used in the force sense manipulator requires accurate power transmission, it is necessary to suppress transmission loss due to friction or play in the power transmission means as much as possible.

第2平行四節リンク機構24は、第5リンク39、第6リンク42、2本の第7リンク43から構成されており、それぞれ第5軸38、第7軸41により接続されている。これらの軸は回転自在に連結される。第2平行四節リンク機構24は、第5リンク39が第1平行四節リンク機構23の第3軸35と固定されている必要がある。   The second parallel four-bar linkage mechanism 24 includes a fifth link 39, a sixth link 42, and two seventh links 43, which are connected by a fifth shaft 38 and a seventh shaft 41, respectively. These shafts are rotatably connected. In the second parallel four-bar linkage mechanism 24, the fifth link 39 needs to be fixed to the third shaft 35 of the first parallel four-bar linkage mechanism 23.

第2アーム22は、第1単独リンク44と、第3平行4節リンク機構25と、第3駆動手段28と、から構成される。   The second arm 22 includes a first single link 44, a third parallel four-joint link mechanism 25, and third drive means 28.

第1単独リンク44は、第1単独リンク軸45により、第3駆動手段28に接続される。力覚提示マニピュレータに使用する動力伝達手段には、正確な動力伝達を必要とするため、動力伝達手段における摩擦やガタ等による伝達損失を極力抑える必要がある。   The first single link 44 is connected to the third drive means 28 by the first single link shaft 45. Since the power transmission means used in the force sense manipulator requires accurate power transmission, it is necessary to suppress transmission loss due to friction or play in the power transmission means as much as possible.

第3平行四節リンク機構25は、第8リンク48、第9リンク51、2本の第10リンク52から構成されており、それぞれ第8軸47、第10軸50により接続されている。これらの軸は回転自在に連結される。第3平行四節リンク機構25は、第8リンク48が第1単独リンク44の回転対偶である第2単独リンク軸46と固定されている必要がある。   The third parallel four-bar linkage mechanism 25 includes an eighth link 48, a ninth link 51, and two tenth links 52, which are connected by an eighth shaft 47 and a tenth shaft 50, respectively. These shafts are rotatably connected. In the third parallel four-bar linkage mechanism 25, the eighth link 48 needs to be fixed to the second single link shaft 46 that is the rotational pair of the first single link 44.

第1アーム21と第2アーム22のそれぞれ末端部である第6軸40と、第9軸49より、エンドエフェクタ60へそれぞれ回転自在で連結する。このときのエンドエフェクタ60への接続角度は、アームの設置角度θと同じであることが望ましい。なお、第1アーム21と第2アーム22は、広い動作域と良好な力覚提示機能のため、同一円周上に90度等配であることが望ましく、よってθを90度とすることが望ましい。   The sixth arm 40 and the ninth shaft 49, which are the respective end portions of the first arm 21 and the second arm 22, are rotatably connected to the end effector 60, respectively. The connection angle to the end effector 60 at this time is preferably the same as the arm installation angle θ. Note that the first arm 21 and the second arm 22 are desirably equally spaced by 90 degrees on the same circumference in order to provide a wide operating range and a good force sense presentation function, and therefore θ should be 90 degrees. desirable.

このようにパラレルリンク機構20を構成することにより、エンドエフェクタ60は並進方向への動作拘束を有し、結果として並進移動をベース10に固定した駆動手段により可能とする。このときの運動学は簡便に幾何学的に与えられる。   By configuring the parallel link mechanism 20 in this way, the end effector 60 has an operation constraint in the translation direction, and as a result, translational movement is enabled by the driving means fixed to the base 10. The kinematics at this time is simply given geometrically.

次に、マニピュレータ1の駆動手段を制御するコントロール部2と、マニピュレータ1によって操作する操作対象3について説明する。   Next, the control unit 2 that controls the driving means of the manipulator 1 and the operation target 3 that is operated by the manipulator 1 will be described.

コントロール部2は、例えばモータドライバや制御コンピュータから構成される。コンピュータは、例えばエンコーダなどのセンサから力覚提示マニピュレータの動作を演算し、位置指令として操作対象3へ情報を出力する。また、操作対象3から入力された力情報からモータドライバの制御信号を生成し、モータドライバに出力する。モータドライバは入力された制御信号に基づき駆動手段を駆動する。各駆動手段からの動力はパラレルリンク機構20によってエンドエフェクタ60まで伝達され、エンドエフェクタ60は所望の力を提示する。   The control part 2 is comprised from a motor driver and a control computer, for example. For example, the computer calculates the operation of the force sense presentation manipulator from a sensor such as an encoder, and outputs information to the operation target 3 as a position command. Further, a control signal for the motor driver is generated from the force information input from the operation target 3 and is output to the motor driver. The motor driver drives the driving means based on the input control signal. The power from each driving means is transmitted to the end effector 60 by the parallel link mechanism 20, and the end effector 60 presents a desired force.

操作対象3は、例えば力情報が取得可能な遠隔ロボットで構成される。コントロール部2からの入力情報により遠隔ロボットは駆動され、環境から得た力情報をコントロール部2に出力する。   The operation target 3 is constituted by a remote robot capable of acquiring force information, for example. The remote robot is driven by input information from the control unit 2 and outputs force information obtained from the environment to the control unit 2.

以上に述べた構成によれば、エンドエフェクタ60において姿勢の変化しない、並進3自由度の力覚提示が可能な力覚提示システムを実現することができる。本発明のパラレルリンク機構20は、駆動手段を装置片側へまとめて配置可能であるため、機構の大きさに対して比較的大きな作業領域が得られる。   According to the configuration described above, it is possible to realize a force sense presentation system capable of force sense presentation with three translational degrees of freedom without changing the posture of the end effector 60. Since the parallel link mechanism 20 of the present invention can arrange the driving means collectively on one side of the apparatus, a relatively large work area can be obtained with respect to the size of the mechanism.

本発明のパラレルリンク機構20は、回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータ80へ応用可能である。図4から図5を参照して、回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータ80の構成について詳しく説明する。図4はこの実施形態の斜視図、図5は一対のジンバル機構70周辺部の斜視図である。   The parallel link mechanism 20 of the present invention is applicable to a multi-degree-of-freedom force sense manipulator 80 having a degree of freedom of rotation. The configuration of the multi-degree-of-freedom force sense manipulator 80 having rotational degrees of freedom will be described in detail with reference to FIGS. 4 is a perspective view of this embodiment, and FIG. 5 is a perspective view of the periphery of a pair of gimbal mechanisms 70. FIG.

一対のパラレルリンク機構20の末端部であるエンドエフェクタ60に連結される一対のジンバル機構70a、70bは、それぞれエンドエフェクタ60と、エンドエフェクタ60に備えた第1ジンバル軸71a、71bと、回転自在に連結する第1ジンバル軸71a、71bとそれぞれ直交する第2ジンバル軸72a、72bを備える第11リンク73a、73bと、第11リンク73a、73bと第2ジンバル軸72a、72bと回転自在に連結する第12リンク74a、74bと、から構成されている。一対のジンバル機構70a、70bのそれぞれは、第1ジンバル軸71a、71bと第2ジンバル軸72a、72bの交点(ジンバル回転中心75a、75b)まわりに回転2軸を有する。   The pair of gimbal mechanisms 70a and 70b coupled to the end effector 60, which is the end portion of the pair of parallel link mechanisms 20, are respectively rotatable with the end effector 60 and the first gimbal shafts 71a and 71b provided in the end effector 60. Eleventh links 73a and 73b having second gimbal shafts 72a and 72b orthogonal to the first gimbal shafts 71a and 71b connected to each other, and the eleventh links 73a and 73b and the second gimbal shafts 72a and 72b rotatably connected to each other. Twelfth links 74a and 74b. Each of the pair of gimbal mechanisms 70a and 70b has two rotation axes around intersections (gimbal rotation centers 75a and 75b) of the first gimbal shafts 71a and 71b and the second gimbal shafts 72a and 72b.

多自由度エンドエフェクタ76は、一対のジンバル機構70a、70bのジンバル回転中心75a、75bにより、異なる2点で支持されている。多自由度エンドエフェクタ76は、第11軸77を備え、一対のジンバル機構70a、70bのそれぞれの第12リンク74a、74bを第11軸77まわりに回転自在となるよう連結されている。この際、第11軸77がジンバル回転中心75を通るようにする。多自由度エンドエフェクタ76は、異なる2点を一対のジンバル機構70a、70bにより支持し、一対のジンバル機構70a、70bにパラレルリンク機構20から得られる3自由度の並進動作を与えて制御することにより、ベース10に対して3自由度の並進動作および2自由度の回転動作を得る。   The multi-degree-of-freedom end effector 76 is supported at two different points by the gimbal rotation centers 75a and 75b of the pair of gimbal mechanisms 70a and 70b. The multi-degree-of-freedom end effector 76 includes an eleventh shaft 77, and the twelfth links 74 a and 74 b of the pair of gimbal mechanisms 70 a and 70 b are coupled to be rotatable around the eleventh shaft 77. At this time, the eleventh shaft 77 passes through the gimbal rotation center 75. The multi-degree-of-freedom end effector 76 supports two different points by a pair of gimbal mechanisms 70a and 70b, and controls the pair of gimbal mechanisms 70a and 70b by giving a translation operation of three degrees of freedom obtained from the parallel link mechanism 20. Thus, a translational motion with 3 degrees of freedom and a rotational motion with 2 degrees of freedom are obtained with respect to the base 10.

回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータ80を構成する一対のパラレルリンク機構20の配置として、機械的な干渉を避け、小型とするために、Y軸方向へ連続して配置することが望ましい。また、一対のパラレルリンク機構20の第1アーム21と第2アーム22の配置は、それぞれ鏡面対象とすることで、力覚提示機能の空間的偏りを平均化することが可能となるため、望ましい。   As the arrangement of the pair of parallel link mechanisms 20 constituting the multi-degree-of-freedom force sense manipulator 80 having rotational degrees of freedom, it can be arranged continuously in the Y-axis direction in order to avoid mechanical interference and reduce the size. desirable. In addition, the arrangement of the first arm 21 and the second arm 22 of the pair of parallel link mechanisms 20 is preferably a mirror surface, so that it is possible to average the spatial bias of the force sense presentation function. .

次に、回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータの作動について説明する。操作者は多自由度エンドエフェクタ76を、ペンを持つように握る。多自由度エンドエフェクタ76はパラレルリンク機構20のベース10に対して3軸方向の平行移動および、2軸まわりの回転運動が可能であり、操作者が自由に動作させることが可能である。   Next, the operation of the multi-degree-of-freedom force sense manipulator having rotational degrees of freedom will be described. The operator holds the multi-degree-of-freedom end effector 76 as if holding a pen. The multi-degree-of-freedom end effector 76 can be translated in three axes and rotated around two axes with respect to the base 10 of the parallel link mechanism 20, and can be freely operated by an operator.

以上に述べた構成によれば、図1で述べた同様の構成により、マニピュレータ1として回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータを用い、操作者が操作することにより、操作対象3を自由に動作させることが可能であり、操作対象3に加えられた力をマニピュレータ1で実現し、操作者がその力を感じることが可能である。   According to the configuration described above, by using the multi-degree-of-freedom force sense manipulator having a degree of freedom of rotation as the manipulator 1 with the same configuration described in FIG. The force applied to the operation target 3 can be realized by the manipulator 1 and the operator can feel the force.

以上において、本発明を実施形態に則して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   In the above, the present invention has been described according to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof.

本発明の力覚提示マニピュレータは、遠隔操作ロボットの力覚フィードバック付操縦桿、バーチャル・リアリティを用いた訓練システムの力覚提示装置等に利用可能である。   The force sense presentation manipulator of the present invention can be used for a control stick with force feedback of a remote control robot, a force sense presentation device of a training system using virtual reality, and the like.

1 マニピュレータ
2 コントロール部
3 操作対象
10 ベース
20 パラレルリンク機構
21 第1アーム
22 第2アーム
23 第1平行四節リンク機構
24 第2平行四節リンク機構
25 第3平行四節リンク機構
26 第1駆動手段
27 第2駆動手段
28 第3駆動手段
30 第1軸
31 第1リンク
32 第2リンク
33 第2軸
34 第3リンク
35 第3軸
36 第4軸
37 第4リンク
38 第5軸
39 第5リンク
40 第6軸
41 第7軸
42 第6リンク
43 第7リンク
44 第1単独リンク
45 第1単独リンク軸
46 第2単独リンク軸
47 第8軸
48 第8リンク
49 第9軸
50 第10軸
51 第9リンク
52 第10リンク
60 エンドエフェクタ
70(70a、70b) ジンバル機構
71(71a、71b) 第1ジンバル軸
72(72a、72b) 第2ジンバル軸
73(73a、73b) 第11リンク
74(74a、74b) 第12リンク
75(75a、75b) ジンバル回転中心
76 多自由度エンドエフェクタ
77 第11軸
80 回転自由度を有する多自由度な力覚提示マニピュレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manipulator 2 Control part 3 Operation object 10 Base 20 Parallel link mechanism 21 1st arm 22 2nd arm 23 1st parallel 4 bar link mechanism 24 2nd parallel 4 bar link mechanism 25 3rd parallel 4 bar link mechanism 26 1st drive Means 27 Second drive means 28 Third drive means 30 1st axis 31 1st link 32 2nd link 33 2nd axis 34 3rd link 35 3rd axis 36 4th axis 37 4th link 38 5th axis 39 5th Link 40 6th axis 41 7th axis 42 6th link 43 7th link 44 1st single link 45 1st single link axis 46 2nd single link axis 47 8th axis 48 8th link 49 9th axis 50 10th axis 51 9th link 52 10th link 60 End effector 70 (70a, 70b) Gimbal mechanism 71 (71a, 71b) 1st gin Shaft 72 (72a, 72b) second gimbal shaft 73 (73a, 73b) eleventh link 74 (74a, 74b) twelfth link 75 (75a, 75b) gimbal rotation center 76 multi-degree-of-freedom end effector 77 eleventh shaft 80 Multi-degree-of-freedom force sense manipulator with rotational degrees of freedom

Claims (3)

駆動手段によって駆動される多自由度力覚提示マニピュレータであり、直交する3軸(X軸、Y軸、Z軸)を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、X軸方向の並進運動、Y軸方向の並進運動、Z軸方向の並進運動、の3自由度を有し、駆動手段の動力が、リンク機構によって、X軸方向の並進、Y軸方向の並進、Z軸方向の並進、の各運動に変換されるパラレルリンク機構により構成され、パラレルリンク機構は、第1アームと、第2アームと、前記エンドエフェクタと、から構成され、前記第1アームは、第1平行四節リンク機構と、第2平行四節リンク機構と、第1駆動手段と、第2駆動手段と、から構成されており、前記第2アームは、第1単独リンクと、第3平行四節リンク機構と、第3駆動手段と、から構成されていることを特徴とする力覚提示マニピュレータ。   A multi-degree-of-freedom force sense manipulator driven by a driving means, and an end effector is configured to have an X-type end effector with respect to a base of a manipulator fixed to a reference coordinate system having three orthogonal axes (X axis, Y axis, Z axis). It has three degrees of freedom: translation in the axial direction, translation in the Y-axis direction, and translation in the Z-axis direction. The power of the drive means is translated in the X-axis direction, translation in the Y-axis direction by the link mechanism, It is constituted by a parallel link mechanism that is converted into each movement in the Z-axis direction, and the parallel link mechanism is constituted by a first arm, a second arm, and the end effector, and the first arm is The first parallel four-bar link mechanism, the second parallel four-bar link mechanism, the first drive means, and the second drive means, and the second arm includes a first single link and a third link A parallel four-bar linkage mechanism; 3 Force Display manipulator, characterized in that it is constituted by a driving means. 前記第1平行四節リンク機構は、前記ベースに備えた第1軸を回転軸とする第1リンクと、前記第1軸を回転軸とする第2リンクと、前記第2リンクに備えた前記第1軸と平行な第2軸に回転自在に連結する第3リンクと、前記第1リンクおよび前記第3リンクのそれぞれに備えた前記第1軸と平行な第3軸および第4軸に回転自在で連結する第4リンクと、から構成され、前記第1リンクに前記第1軸まわりの回転運動を与える第1駆動手段と、前記第2リンクに前記第2軸まわりの回転運動を与える第2駆動手段と、が連結され、前記第1、第2、第3、第4リンクは平行四辺形をなしており、前記第2平行四節リンク機構は、一対の第5軸を備える第5リンクと、第6軸および前記第6軸に直交する一対の第7軸を備える第6リンクと、前記第5、第6リンクを前記第5、第7軸で回転自在に連結する一対の第7リンクと、から構成され、前記第5、第6、第7リンクは平行四辺形をなしており、前記第2平行四節リンク機構の前記第5軸が前記第1平行四節リンク機構の前記第3軸と直交するよう前記第5リンクが前記第4リンクに固定されており、前記第1単独リンクは、前記ベースに備えた第1単独リンク軸を回転軸とし、前記第1単独軸と平行な第2単独リンク軸をもち、第3駆動手段により前記第1単独リンク軸は回転運動を与えられ、前記第3平行四節リンク機構は、一対の第8軸を備える第8リンクと、第9軸および前記第9軸に直交する一対の第10軸を備える第9リンクと、前記第8リンク、前記第9リンクを前記第8軸、前記第10軸で回転自在に連結する一対の第10リンクと、から構成され、前記第8、第9リンク、第10リンクは平行四辺形をなしており、前記第3平行四節リンク機構の前記第8軸が前記第1単独リンクの前記第2単独リンク軸と直交するように回転自在に連結されており、前記エンドエフェクタは前記第1アームと第2アームの末端部である前記第6軸と前記第9軸と回転自在で連結されていることを特徴とする請求項1に記載の力覚提示マニピュレータ。   The first parallel four-bar linkage mechanism includes a first link having a rotation axis as a first axis provided in the base, a second link having the first axis as a rotation axis, and the second link. A third link rotatably connected to a second axis parallel to the first axis, and a third link and a fourth axis parallel to the first axis provided in each of the first link and the third link; A fourth link that is freely connected, and a first driving means for giving the first link a rotational motion about the first axis; and a second link for giving the second link a rotational motion about the second axis. Two drive means, the first, second, third, and fourth links form a parallelogram, and the second parallel four-bar linkage mechanism includes a fifth shaft having a pair of fifth axes. A sixth link comprising a link and a pair of seventh axes orthogonal to the sixth axis and the sixth axis; And a pair of seventh links rotatably connecting the fifth and sixth links with the fifth and seventh axes, and the fifth, sixth and seventh links form a parallelogram. The fifth link is fixed to the fourth link so that the fifth axis of the second parallel four-bar linkage mechanism is orthogonal to the third axis of the first parallel four-bar linkage mechanism, The single link has a first single link shaft provided in the base as a rotation axis, a second single link shaft parallel to the first single shaft, and the first drive shaft rotates by the third driving means. The third parallel four-bar linkage mechanism includes an eighth link including a pair of eighth axes, a ninth link including a ninth axis and a pair of tenth axes orthogonal to the ninth axis, 8 links and 9th link are connected to the 8th and 10th shafts in a freely rotatable manner A pair of tenth links, wherein the eighth, ninth, and tenth links form a parallelogram, and the eighth axis of the third parallel four-bar link mechanism is the first single unit. The end effector is rotatably connected to the sixth axis and the ninth axis which are the end portions of the first arm and the second arm, and is rotatably connected so as to be orthogonal to the second single link axis of the link. The haptic manipulator according to claim 1, wherein the haptic manipulators are connected with each other. 駆動手段によって駆動される回転自由度を有する多自由度力覚提示マニピュレータであり、直交する3軸(X軸、Y軸、Z軸)を有する基準座標系に固定したマニピュレータのベースに対して、エンドエフェクタが、X軸方向の並進運動、Y軸方向の並進運動、Z軸方向の並進運動、X軸方向に平行な軸についての回転運動、Y軸方向に平行な軸についての回転運動の少なくとも5自由度を有し、駆動手段の動力が、リンク機構によって、X軸方向の並進、Y軸方向の並進、Z軸方向の並進、X軸方向に平行な軸についての回転、Y軸方向に平行な軸についての回転の各運動に変換されるようになっており、一対の前記パラレルリンク機構と、一対の前記パラレルリンク機構のそれぞれの前記エンドエフェクタを連結する一対の回転2軸を有するジンバル機構と、多自由度エンドエフェクタと、から構成され、前記一対のジンバル機構は、前記一対のパラレルリンク機構の前記エンドエフェクタにそれぞれ備えた第1ジンバル軸と、回転自在に連結する第1ジンバル軸と直交する第2ジンバル軸を備える第11リンクと、前記第11リンクと前記第2ジンバル軸と回転自在で連結する第12リンクと、から構成されており、一対のジンバル機構のそれぞれの前記第12リンクは、第11軸を備える前記多自由度エンドエフェクタに、それぞれの第1、第2ジンバル軸の交点であるジンバル回転中心を前記第11軸が通るように回転自在に連結されていることを特徴とする回転自由度を有する多自由度の力覚提示マニピュレータ。   A multi-degree-of-freedom force sense manipulator having a rotational degree of freedom driven by a driving means, and a manipulator base fixed to a reference coordinate system having three orthogonal axes (X axis, Y axis, Z axis) The end effector is at least one of a translational motion in the X-axis direction, a translational motion in the Y-axis direction, a translational motion in the Z-axis direction, a rotational motion about the axis parallel to the X-axis direction, and a rotational motion about the axis parallel to the Y-axis direction. With 5 degrees of freedom, the power of the drive means is translated in the X axis direction, translated in the Y axis direction, translated in the Z axis direction, rotated about the axis parallel to the X axis direction, and rotated in the Y axis direction by the link mechanism. This is converted into each motion of rotation about a parallel axis, and has a pair of two parallel link mechanisms and a pair of two rotation axes connecting the end effectors of the pair of parallel link mechanisms. And a pair of gimbal mechanisms, each of which includes a first gimbal shaft provided on each of the end effectors of the pair of parallel link mechanisms. An eleventh link having a second gimbal shaft orthogonal to the axis, and a twelfth link rotatably connected to the eleventh link and the second gimbal shaft, and each of the pair of gimbal mechanisms The twelfth link is rotatably connected to the multi-degree-of-freedom end effector having the eleventh axis so that the eleventh axis passes through a gimbal rotation center that is an intersection of the first and second gimbal axes. A multi-degree-of-freedom force sense manipulator having rotational degrees of freedom.
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