JP2022503853A - 多関節アームを備えるロボットシステム - Google Patents
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Abstract
Description
* 貯蔵コンテナ内の製品をサンプリングすることによる注文品の用意: オペレータ(またはオートマトン、すなわちロボット)は、出荷されるべき荷物(出荷用コンテナとも呼ばれる)ごとに、出荷用コンテナ内に集めかつ出荷されるべき荷物の中に一纏めにして入れなければならない製品タイプごとの数量を示すアイテムリストを(紙上、端末画面上または音声形式で)受け取る、および、
* 製品を含む貯蔵コンテナ自体をパレタイズすることによる注文品の用意: オペレータ(またはオートマトン)は、出荷されるべきパレット(出荷用コンテナとも呼ばれる)ごとに、彼らが集めかつ出荷されるべきパレット上に積み下ろさなければならない貯蔵コンテナタイプ(たとえば、箱)ごとの数量を示すアイテムリストを(紙上、端末画面上、音声形式、またはオートマトンの場合には電子化されたタスク形式で)受け取る。
前記多関節アームが、少なくとも1つの変形可能な構造体を形成すべく平行なピボット軸により連接される複数のバーから成る変形可能なアッセンブリを有しており、
前記変形可能なアッセンブリの遠位端は、機械的インタフェースを支持し、
当該システムは更に、前記バーのうちの2つを回転させる2つのアクチュエータを備え、当該システムは更に、前記ピボット軸に平行な方向に前記変形可能なアッセンブリの並進運動を制御する第3のアクチュエータを備えている。
- 前記多関節アームは、少なくとも1つの変形可能な構造体を形成すべく平行なピボット軸により連接される複数のバーから成る変形可能なアッセンブリを有し、前記変形可能なアッセンブリの遠位端(先端)は、機械的インタフェースを支持し、前記変形可能なアッセンブリの近位端(基端)は、その角度位置が2つのアクチュエータにより制御される2つの近位バーから成り、前記近位端は、第3のアクチュエータによって、ピボット軸に平行する方向へ並進運動されることが可能であること。
- 前記変形可能なアッセンブリは、共通のバーを共有する少なくとも2つの連続する変形可能な平行四辺形から成ること。
- 前記変形可能なアッセンブリは、共通のバーを共有する、中心ピボットにより連接され、かつ複数のバーにより画定される平面に垂直な軸zのピボット連接により組み立てられる6つのバーから成る、2つの変形可能な菱形から成ること。
- 前記変形可能なアッセンブリは、共通のバーを共有する、中心ピボットにより連接され、かつ軸zのピボット連接により組み立てられる2N+2個のバーから成る、N個の変形可能な菱形のアッセンブリから成ること。
- 前記近位バーは、全てがメインフレーム上に位置づけられる3つのアクチュエータによって制御されること。
- 前記変形可能なアッセンブリの平面に垂直な軸zに沿ったロボットアームの高さは、第1のアクチュエータにより駆動されるねじ付きロッドによって作動されるプレートで調整されること。
- 前記第1の近位バーは、アクチュエータによりシャフトを介して駆動され、かつ前記第2の近位バーは、別のアクチュエータにより、互いに対して自由に滑動することも可能である一連の中空シャフトを介して角度をつけて駆動されること。
- 前記第1の近位バーは、アクチュエータによりシャフトを介して駆動され、かつ前記第2の近位バーは、別のアクチュエータにより、第2のシャフトおよび歯付き滑動ピニオンまたは歯付き滑動ベルトのシステムを介して角度をつけて駆動されること。
- 第1のアクチュエータは、メインフレームに固定されて、シャフトを介する中間フレームの方位制御を保証し、かつ結果的に、2つの近位バーのうちの一方の方位制御を保証し、メインフレーム上または中間フレーム上に固定される第2のアクチュエータは、第2の近位バーの方位をシャフトによって制御すること。
- 前記変形可能なアッセンブリの(これらの)近位バーは、スライド連接部および第1のアクチュエータによりzに沿った並進を制御されて中間フレーム上へ組み立てられ、前記近位バーの方位は、メインフレーム上または中間フレーム上に固定される2つのアクチュエータによって制御されること。
- 前記変形可能なアッセンブリの(これらの)近位バーは、スライド連接部および第1のアクチュエータにより並進を制御されて中間フレーム上へ組み立てられ、前記近位バーの方位は、中間フレーム上に固定される2つのアクチュエータによって制御されること。
- 前記変形可能なアッセンブリは、ピボット軸により連接される複数のバーで形成され、前記変形可能なアッセンブリの近位関節間の相対距離は、アクチュエータによって制御され、ピボット軸に垂直な平面における前記変形可能なアッセンブリの方位は、方位をアクチュエータにより制御される中間フレームに依存すること。
- ロボットアームの遠位端は、軸zに沿ってモータとピボット連接部とを備え、かつ把持手段またはツールを支持すること。
- ロボットアームの遠位端は、少なくとも1つの電動関節を備えるリストを備え、かつ把持手段またはツールなどの機械的インタフェースを支持すること。
- ロボットアームの遠位端は、軸zに沿って連節される追加アームの方位制御を可能にするモータを備え、かつ機械的インタフェースを支持すること。
- ロボットシステムは、キャリッジまたは移動ロボット上に組み立てられるメインフレームを備えること。
- ロボットシステムは、地面に固定されるメインフレームを備えること。
本発明によるロボットマニピュレータは、次の3つの自由度を有する:
- 遠位端に、ツールまたはグリッパ(20)などの機械的インタフェースを有する変形可能な多関節アッセンブリによって形成されるアーム(100)の平面内での運動、
- サポート(200)に対する、特にアーム(100)に垂直な軸に沿った運動。
- 多大な積載量を取り出すことができる。
- 消費エネルギーが極めて少なく、特に、垂直方向の並進が不可逆的なねじ/ナットシステムによって提供される場合、重い物体を保持するための消費エネルギーは事実上ゼロであり、よって、マニピュレータは、マニピュレータの安全性を保証するための制動装置を必要としない。アームは事実上、先行技術に従うマニピュレータであれば制動装置を必要とする(ところの)、落下がユーザにとってリスクとなる可能性もある多大な載荷を運ぶべく特に意図されている。
- 複数のバー(1~4)のうちの少なくとも2つのバー(1,2)、好ましくは全てのバーは、各々、スペーサにより連接される2つのプロファイルのアッセンブリから成ることが可能であり、これにより製造コストが低減され、かつ材料の使用が最適化される。
- バー(1)の2つのプロファイルは、別のバー(2)の2つのプロファイルによりピボット軸と平行方向に包囲されることが可能であって、この新しい機械的設計により、遠位端に多大な垂直載荷が加えられた場合の曲げ力に起因する平坦に変形可能な機構の変形を制限し、かつこの機械的設計により各バーの2つのサポート間に達成される多大な空間によって、近位バーのピボット連接サポートの長さを低減することが可能となり、よって、ブレーシング現象(bracing phenomena)が制御され、かつ各サポートにかかる反力が、先行技術における同等の有効積載量に対するものより遙かに低くなる。
- U字形のメインフレームは、その側枝の各々が、平行なピボット軸の力を(直接または間接的に)吸収して、これが剛性の向上を確実にし、これにより、遠位端に関する遙かに高い精度が得られ、遠位端上の等価の垂直載荷によるもののように中間フレームを動かすこと、または直に機械的インタフェースを動かすことが可能となり、垂直スライド連接部における曲げ力から生じる中間フレームの変形が、先行技術によるマニピュレータの場合より小さくなる。
- メインフレームおよび、前記アクチュエータのうちの少なくとも2つは、前記メインフレーム上に配置され、よって、マニピュレータの動的性能が向上し、メインフレームが少なくとも2つのアクチュエータを支持する場合、「有効質量」/「移動質量」比は、先行技術によるものより遙かに好ましい。
- 作業平面におけるアーム(100)の端が到達可能なゾーンは、通常の擬人化されたロボットアームに比較して多大である。
- アーム(100)が折り畳まれる際に、嵩が減る。
- デバイスの制御は単純であり、逆幾何学的モデルを解析的に解くことができる。
図1は、パンタグラフ形の多関節アーム(100)が変形可能な四辺形の範囲内におさめられている、本発明の動力学を示す略図である。
ロボットマニピュレータ・アームは、運動連鎖と制御システムとから成る。
1)xyzで参照される並進空間の3自由度に従った機械的インタフェースの位置合わせ。
2)この機械的インタフェースを支持する電動リストが運動連鎖の端へ追加される場合の、物体の回転空間の3自由度に従った機械的インタフェースの方位。
a)運動連鎖の遠位端のzにおける位置合わせを可能にする、軸zに沿ったフラットパンタグラフ型機構の並進。
b)2つの第1のバー1および2の回転の制御、およびその最も単純なバージョンにおける4つのバー、その一般的なバージョンにおける6つのバー、およびより展開されたバージョンにおける2N個のバーから成る運動連鎖によって、終端の、xy平面における位置合わせを可能にするフラットパンタグラフ型機構。
図3は、2つのバー(1,2)が、同じフレーム(25)上に位置合わせされた2つのモータ(29,32)によって制御される実施形態の一変形例を示す。このフレーム(25)は、メインフレームとも、固定フレームとも呼ばれる。これは、地面に固定されることもあれば、キャリッジまたは移動ロボットに固定されることもある。
図4は、フラット機構の近位作動軸がもはや同軸ではない、本発明に従うロボットアームの動力学の代替変形例を示す略図である。
図5および図6は、同じフレーム(25)上に固定される3つのギヤ付きモータ(28,29,32)を備える、本発明に従うロボットアームの駆動機構の第2の実施形態変形例を示す2つの略図である。中間フレーム(23)は、ねじ/ナットシステムを作動させるギヤ付きモータ(28)によって、zに沿った並進を駆動される。この中間フレーム(23)は、移動フレームとも呼ばれる。パンタグラフの近位バー(1,2)を作動させる2つのギヤ付きモータ(29)および(32)は、2つの異なる軸上に位置づけられ、パンタグラフの2つのアクティブなピボット連接部は、提案しているピニオンシステム(33,34)によって同軸のままである。近位バー(1)は、ギヤ付きモータ(32)によりスロット付きシャフト(31)を介して制御され、一方で、近位バー(2)は、ギヤ付きモータ(29)によりスロット付きシャフト(30)および2つの歯付きピニオン(33、34)を介して制御される。近位バー(2)は、軸(31)上を自由に滑動して並進しかつ回転する。歯付きピニオン(34)は、スロット付きシャフト(30)沿いに自由に滑動して並進するが、このシャフトに対する回転は拘束される。歯付きピニオン(33)は、スロット付きシャフト(31)に沿い、このシャフトに対して回転を拘束されることなく滑動し、ピニオン(33)は、ねじ型または同等の機械的固定によって近位バー(2)と一体である。スペーサ(21)は、ピニオン(34)の位置(合わせ)を、ピニオン(33)が歯の永続的接触を可能にする同じ高さに拘束する。中間フレーム(23)は、シャフト(30)および(31)上を自由に滑動して並進かつ回転し、その内幅は、機械的エレメント(アーム、ピニオン、スペーサ、他)の配置の一貫性を保証する。ギヤ付きモータ(28)により制御されるねじ付きシャフト(27)は、ねじ/ナットシステムによるプレートの垂直運動を保証することを可能にする。
図8は、中間フレーム(35)が回転運動され、かつパンタグラフを作動する2つのギヤ付きモータ(29)および(32)がメインフレーム(25)上へ位置づけられる、本発明に従うロボットアームの駆動機構の第4の実施形態変形例を示す略図である。
図10は、本発明に従うロボットアームの駆動機構の第6の実施形態変形例を示す略図である。
図12は、遠位端(先端)に、ギヤ付きモータ(50)により制御され且つ当該遠位端で把持手段またはツール(20)を支持する追加のアーム(51)が追加される場合の、本発明の動力学を示す略図である。
別の実施形態変形例は、2つの第1の近位バーが取り除かれると共に、パンタグラフの開口が残りの運動連鎖の2点間の距離を制御することにより制御される、という事実によって、先行する変形例と区別されるメカニズムに関する。
(1,2…近位バー、3,4…共通のバー)
10,11,12,13,14,15,16 ピボット軸
25 メインフレーム
26 (可動)プレート
35,23 中間フレーム
(35…第1の中間フレーム、23…第2の中間フレーム)
51 追加アーム
100 多関節アーム(ロボットアーム、変形可能なアッセンブリ)
Claims (25)
- 多関節アームを備えてなるロボットシステムにおいて、
前記多関節アーム(100)は、少なくとも1つの変形可能な構造体を形成すべく平行なピボット軸(10~13)により連接される複数のバー(1~4)から成る変形可能なアッセンブリを有しており、前記変形可能なアッセンブリの遠位端(12)は、機械的インタフェースを支持し、
当該ロボットシステムは更に、前記バー(1~4)のうちの2つの回転を駆動する2つのアクチュエータを備え、
当該ロボットシステムは更に、前記変形可能なアッセンブリの、前記ピボット軸(10~13)に平行な方向への並進運動を制御する第3のアクチュエータを備えている、ことを特徴とする、ロボットシステム。 - メインフレームを備え、前記アクチュエータのうちの少なくとも2つは、前記メインフレーム上に配置されている、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記並進運動は、不可逆的なねじ/ナットシステムによって確保される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記複数のバー(1~4)のうちの各バーは、スペーサにより連接される2つのプロファイルのアッセンブリから成り得る、請求項1に記載のロボットシステム。
- バー(1)の2つのプロファイルは、別のバー(2)の2つのプロファイルによって、前記ピボット軸に平行な方向で包囲されている、請求項4に記載のロボットシステム。
- 当該ロボットシステムは、U字形のメインフレームを備え、該U字形のメインフレームの側枝の各々は、前記平行なピボット軸の力を引き受ける、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記多関節アーム(100)は、少なくとも1つの変形可能な構造体を形成すべく平行なピボット軸(10~13)により連接される複数のバー(1~4)から成る変形可能なアッセンブリを有しており、前記変形可能なアッセンブリの遠位端(12)は、機械的インタフェースを支持し、前記変形可能なアッセンブリの近位端は、その角度位置が2つのアクチュエータにより制御される2つの近位バー(1,2)から成り、前記近位端は、第3のアクチュエータによって、前記ピボット軸(10~13)に平行な方向へ並進運動可能である、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記変形可能なアッセンブリ(100)は、共通のバー(3,4)を共有してなる少なくとも2つの連続する変形可能な四辺形から成る、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記変形可能なアッセンブリ(100)は、
中央ピボット(12)によって連結された共通のバーを共有してなると共に、バー(1~6)により画定される平面に垂直な軸zのピボット連接により組み立てられた6つのバー(1~6)からなる2つの変形可能な菱形から成っている、請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記変形可能なアッセンブリは、
中央ピボットによって連結された共通のバーを共有してなると共に、軸zのピボット連接により組み立てられた2N+2個のバーからなるところのN個の変形可能な菱形のアッセンブリから成っている、請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記近位バー(1,2)は、全てメインフレーム上に位置づけられる3つのアクチュエータによって作動される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 少なくとも1つの中間フレームを備えており、
前記近位バー(1,2)は、全てがメインフレーム上に位置づけられるアクチュエータによって制御される、請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記変形可能なアッセンブリの平面に垂直な軸zに沿ったロボットアームの高さが、第1のアクチュエータ(28)により駆動されるねじ付きロッド(27)によって作動されるプレート(26)により調節される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記第1の近位バー(1)は、アクチュエータ(29)によりシャフト(30)を介して駆動され、前記第2の近位バー(2)は、別のアクチュエータ(32)により、互いに対して自由にスライド可能である一連の中空シャフト(40~42)を介して角度をつけて駆動される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記第1の近位バー(1)は、アクチュエータ(29)によりシャフト(30)を介して駆動され、前記第2の近位バー(2)は、別のアクチュエータ(32)により、第2のシャフト(31)と、スライド式歯付きピニオン(33)及び(34)またはスライド式歯付きベルトのシステムとを介して角度をつけて駆動される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 第1のアクチュエータ(32)が、メインフレーム(25)に固定されて、シャフト(31)を介して中間フレーム(35)の方位制御を保証し、その結果として近位バー(2)の方位制御を保証し、
前記メインフレーム(25)上または前記中間フレーム(35)上に固定された第2のアクチュエータ(29)は、シャフト(30)を介して近位バー(1)の方位を制御する、請求項1に記載のロボットシステム。 - 第1のアクチュエータ(32)が、メインフレーム(25)に固定されて第1の中間フレーム(35)の方位制御を保証し、
前記第1の中間フレーム(35)上に配置されたスライド連接部は、前記変形可能なアッセンブリ(100)により画定される平面に垂直な軸zに沿った配置を保証し、
第2の中間フレーム(23)は、前記変形可能なアッセンブリ(100)の近位端を支持し、
前記第2の中間フレーム(23)上または前記第1の中間フレーム(35)上または前記メインフレーム(25)上に固定された第3のアクチュエータ(29)は、シャフト(30)を介して近位バー(1)の方位を制御し、他方で、近位バー(2)は、前記第2の中間フレーム(23)に対し固定されたままである、請求項1に記載のロボットシステム。 - 前記変形可能なアッセンブリの近位バー(1,2)は、スライド連接部(36)および第1のアクチュエータ(28)により並進を制御される中間フレーム(23)上に組み立てられており、前記近位バーの方位は、メインフレーム上または中間フレーム(23)上に固定された2つのアクチュエータ(29)および(32)によって制御される、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記変形可能なアッセンブリは、ピボット軸(11~16)により連結されたバー(3~6)で形成され、前記変形可能なアッセンブリの近位関節(11,13)間の相対距離は、アクチュエータによって制御され、前記ピボット軸(11~16)に垂直な平面における前記変形可能なアッセンブリの方位は、方位をアクチュエータにより制御される中間フレーム(35)に依存する、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記多関節なバーは、ピボット軸により連結された複数のバーで形成される変形可能なアッセンブリを有し、前記変形可能なアッセンブリの遠位端は、把持部材またはツール(20)を支持し、前記変形可能なアッセンブリの近位端は、二つのバー(1)及び(2)から成っており、これら二つのバーの近位回転軸(17)および(18)は平行だが一致せず、且つそれら二つのバーの角度位置が2つのアクチュエータにより制御される、請求項1に記載のロボットシステム。
- ロボットアームの遠位端(20)は、アクチュエータと、軸zに沿ったピボット連接部とを備えており、把持手段又はツールを支持する、請求項1に記載のロボットシステム。
- ロボットアームの遠位端(20)は、少なくとも1つの電動関節を備えるリストを備えており、把持手段又はツールを支持する、請求項1に記載のロボットシステム。
- ロボットアームの遠位端(20)は、軸zに沿って連節されると共に機械的インタフェースを支持する追加アーム(51)の方位の制御を可能にするアクチュエータを備えている、請求項1に記載のロボットシステム。
- キャリッジまたは移動ロボット上に組み立てられるメインフレームを備える、請求項1に記載のロボットシステム。
- 地面に固定されるメインフレームを備える、請求項1に記載のロボットシステム。
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