JP3573731B2 - Wrist mechanism for master arm - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット等をマスタスレーブ方式で操作するためのマスタアームに関し、特にスレーブアームのトルクを正確にフィードバックするための手首機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
人間協調・共存型ロボットシステムでは、人間型ロボットを遠隔操作するために使用する軽量可搬なマスタアームが求められる。
マスタアームは人が手で動かして、その動きを操作対象のスレーブアーム、たとえば人間型ロボットのアームを動かすもので、軽く操作できかつスレーブアームが受けた力とトルクをマスタアームを通じて操縦者に正確にフィードバックすることが求められる。
【0003】
従来、産業用ロボットなどでは、ロボットアームの手首と同じような構成を有する手首機構を用い、手に対応するレバーをつかんで操作するようなマスタアームが用いられてきた。この形式のマスタアームは、スレーブアームに発生するトルクを一端を回転軸に固定したレバーの反力として操縦者の手に伝達するもので、トルクが偶力でなく平行力に変換され、また同じ強さのトルクでも方向によって操縦者が受ける感覚が変化する。さらに、手の動きを容易にするためカウンタバランスを設けるので、全体の重量が大きくなって簡単に持ち運んだりすることができない。
なお、手首にジンバル機構を取り入れたマスタアームを用いると、回転軸の交差する点を握って操作するので操縦者は正確にトルクを感ずることができる。しかし、リンクを直列につなぐためジンバル機構が大型になりマスタアームを軽量化することは難しい。
【0004】
さらに、ジョイステックの根本に直交する2個のリンクを接続しジョイステックの傾きをリンク軸の回転角に関連付けるようにしたもので、2自由度のトルクをリンク軸の回転角を介してフィードバックすることができるジョイステックが提供されている(たとえば、米国イマージョン社(Immersion Inc.)製インパルスエンジン)。こうしたジョイステックは、力フィードバック用のモータや検出器を可動部に置かないため軽量化ができるが、トルクは平行力としてフィードバックされるため、正しい力伝達ができない。また、2自由度の動きによりジョイステックの握り部分が捻れるため、ジョイステックが軸回りに自由回転できるようにして捻れを取るので、3自由度について力フィードバックをさせることができない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、軽量であって、かつスレーブアームで発生するトルクを向きにかかわらず正確に操縦者に伝達できるマスタアームの手首機構を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマスタアーム用手首機構は、腕接合部と握り部を備えたもので、腕接合部は中央にアームとの接続機構を備え両端部に握り部を互いの間に支持する第1および第2の側梁を備え、握り部の1端部と第1側梁および第2側梁の間をそれぞれ第1および第2のリンク機構により接続する。そして、第1および第2のリンク機構はそれぞれ第1のリンクと第2のリンクにより構成され、第1リンクの一端が第1回動軸により側梁に回動可能に接続され、第1リンクの他端と第2リンクの一端が第2回動軸により互いに回動可能に接続され、第2リンクの他端が第3回動軸により握り部の一端に回動可能に接続されていて、握り部における操縦者が握る位置に対応した回転中心点の近傍を第1回動軸、第2回動軸および第3回動軸の延長が通るようになっていることを特徴とする。
【0007】
本発明のマスタアーム用手首機構はリンクの回動軸の延長が握り部内の回転中心の近傍に集まっているため、操縦者が握り部を動かすときには手で握り込んだ位置を中心として回転し、スレーブアームに動作を教示するときにレバー式のように手の位置が変化することがない。また支持するリンク機構は2本のリンクを組み合わせて軽量に構成できるので、マスタアームを必要なところに持ち運んで使用することも簡単にできる。
なお、さらに握り部の回転中心点がアームとの接続機構の軸上にあれば、手首の動きをより正確になぞらせることができる。また、系が単純になるため、力の伝達に関する演算が簡単になる。さらに、接続機構が軸の回りに回動するようになっていれば、操縦者が握り部を回転させるときに側梁が一緒に回転するため、操縦の際に操縦者の手首が側梁に当たって邪魔になるようなことがない。
【0008】
本発明のマスタアーム用手首機構は、握り部の外側が、第1リンク機構の第2リンクと第2リンク機構の第2リンクとの交差角変化に対して1/2回転するように構成されていることが好ましい。
操縦者は握り部の外面を握って運転するのであるが、握り部表面がいずれかのリンクに固定されていれば、握り部がリンクの運動に従って捻れてしまい正しい力伝達ができない。また握り部が自由に回転するようにすれば、手首の捻れを伝達することができない。しかし、2個のリンク機構の間で中間位置を保持するようにすれば、手首の回転についても伝達することができるようになる。
そこで、たとえばギア機構などを用いて、2本のリンクの開閉運動に対して丁度半分の動きをさせることにより、リンクの変位を原因とする握り部表面の運動を相殺して中立を保持するようにした。
【0009】
また、1対のリンク機構に対応してそれぞれ2基ずつのモータと回転検出器を腕接合部に固定していて、たとえばベルトなどにより第1回動軸にモータと回転検出器が連結させるようにすることができる。
操縦者がマスタアームを操作してロボットアームに指令を与えると共にロボットアーム手首にかかる力覚を得ることができるようにすることが望まれる。このため、第1回動軸の回転を測定する回転検出器を設けて手首の姿勢変化をスレーブロボットの腕の動きに変換し、またスレーブアームで発生した力をモータで発生するトルクを介してマスタアーム手首に伝えるようにして操縦者に力覚提示できるようにする。
【0010】
従来のマスタアームでは、これら検出器やモータなどが可動部に取り付けられていたため、操縦者が動かす部分の重量が過重になって余分な慣性力が作用し、操縦性が悪くまた正確な力覚を伝達することが難しかった。
本発明の手首機構では、モータや回転検出器を腕接合部に固定するため、操縦者の手が扱う可動部の重量は小さくなり、操縦性と力提示性能が向上し、また手首機構の可搬性が向上する。
【0011】
さらに、握り部のリンク機構が接続される端部と反対側にあって通常カウンタウェイトを設置する端部に力センサを配置するようにしてもよい。
握り部の一端にリンクが接続されているときは、これらの荷重を相殺できるようにするため反対側の端部にカウンタウェイトを設けることが好ましい。そこで、操縦者が手首に与える力を測定する力センサをこのカウンタウェイトの一部としてカウンタウェイトと一緒に設けることにより、センサを付属することによる荷重の増加を回避して軽量な手首機構とすることができる。
【0012】
さらに、本発明の手首機構は、第1リンク機構の第1回動軸と第2リンク機構の第1回動軸とがなす角度、すなわちベース角度を鈍角に拡げて、操縦者の手首を受け入れやすくして握り部を扱いやすくすることが好ましい。
握り部が傾くことができる範囲は、2個の側梁に挟まれた方向(X軸方向)と2個の側梁と平行な方向(Y軸方向)とで異なり、またベース角度によっても異なる。さらに、第1回動軸と第2回動軸がなす角度によっても変化し、この角度が小さくなるにつれて、X軸方向の可動範囲は大きくなり、Y軸方向の可動範囲は小さくなる。
【0013】
したがって、ベース角度に対して第1回動軸と第2回動軸がなす角度を適正に選択することによりX軸とY軸の可動範囲を決められた値に設定することができる。ベース角度を鈍角にしたときは、上記角度を鋭角にすると握り部の可動範囲についてX軸とY軸のバランスを取ることができる。
なお、2基のリンク機構の第1回動軸同士がなす角度を約120°とし、リンク機構内の第1回動軸と第3回動軸がなす角度を約80°とすると、XY両軸方向にほぼ同じ75°程度の可動範囲がとれるので特に好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマスタアーム用手首機構について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図1は本実施例の手首機構を示す斜視図、図2は本実施例における握り部のギア機構を示す一部切り欠き斜視図、図3は握り部のカウンタウェイト部を示す一部切り欠き斜視図、図4は本実施例の手首機構をマスタアームに組み込んだ状態を示す斜視図、図5はベース角度等を説明するための握り部上方からみた平面図、図6と図7は握り部の可動範囲を示す線図である。
【0015】
図1に示すように、本実施例のマスタアーム用手首機構100は、ブリッジ部1とグリップ部3から構成される。ブリッジ部1は基盤11とその側端に設けた側梁12,13によりU字形に形成される。
基盤11にはマスタアームの腕と接続する接続軸14とベルトを介してこれを駆動するモータと接続軸の回転数を計測する回転センサ15を搭載している。
また、側梁12,13はそれぞれ基盤側根元に軸を共有する回転センサ16,17とモータ18,19を備え、軸の先端にプーリ20,21を備える。また、側梁12,13の先端にはそれぞれプーリ22,23が設けられ、これらプーリがベルト24,25で連結されて根元側プーリ20,21と一緒に回転するようになっている。
【0016】
グリップ部3は握り部31とリンク機構32、33で構成される。
リンク機構32,33はそれぞれL字形に形成された第1リンク34,35と第2リンク36,37からなる。
第1リンク34,35は一端に第1の回動軸38,39を有し、この回動軸が側梁12,13の根元側プーリ22,23に固定されていて、リンクがプーリと一体に回動するようになっている。また、第1リンク34,35の他端は、第2の回動軸40,41を介して第2リンク36,37の一端と回動自在に接続されている。
【0017】
第1回動軸38,39の軸延長と第2回動軸40,41の軸延長は握り部31の軸延長とほぼ1点Oで交わるように配置される。点Oは握り部31の回転中心となる。
また第2リンク36,37の他端は、それぞれ握り部31の先端で一緒になり握り部31の軸と一致するように設けられた第3の回動軸42に対してそれぞれ独立に回動するようになっている。
握り部31は、操縦者が握る部分が円筒形に形成され、第3回動軸42の反対側端部にカウンタウェイト61が取り付けられている。
【0018】
なお、第3回動軸部分には、図2に示すようなギア機構51が設けられている。ギア機構51は、第2リンク機構33の第2リンク37に固定された第1ギア52と、第1リンク機構32の第2リンク36に回転可能にセットされたシャフト53に固定された第2ギア54および第3ギア55と、握り部31の外筒に固定されたシャフト56の先端に設けられた第4ギア57からなる。
第1ギア52と第2ギア54のギア比を1:1とし、第3ギア55と第4ギア57のギア比を1:2としたときには、第2リンク機構の第2リンク37を図中で右側に開くと第1ギアが左回転し第2ギアが開き角と同じ角度だけ右回転するので、第2ギアと一体に回転する第3ギアにより駆動される第4ギアは第2リンクの開き角の半分の角度だけ左回転する。
【0019】
また、第2リンク機構の第2リンク37が静止していて第1リンク機構の第2リンク36の方が図中で左方向に開くときには、第4ギア47は第3ギア55の回転角の1/2だけ右方向に回転する。
したがって、第4ギア47に固定された握り部の外筒は第2リンク36,37に対して中立の位置に保持されることになる。
【0020】
また、握り部の一部を切り欠いて示した図3から分かるように、握り部31の末端にはリンク機構の荷重の影響を相殺するためのカウンタウェイトを収めるカウンタウェイト部61が設けられているが、ここに操縦者が握り部31に与える力を測定する力センサ62を収納することができる。力センサ62の荷重によりカウンタウェイトの全部または一部を代替すれば、可動部に力センサを付加しても無用の荷重を付加することにならない。
【0021】
本実施例の手首機構100は、たとえば図4に示すように、接続機構14を用いてマスタアーム200の先端に取り付けられる。マスタアーム200にはリンクごとに軸回りの回転を測定する回転検出器とスレーブアームからフィードバックされる力を発生するモータが設けられていて、操縦者が握り部31を握って手の位置を規定すると、マスタアームのリンク機構の運動に基づいてスレーブアームのリンク機構における移動量を算出して教示するとともにスレーブアームが発生する反力を操縦者が感知できるようにフィードバックする。また、リンクに対する負荷重量を相殺して操縦者がリンク機構を簡単に動かせるようにするため各リンクごとにカウンタウェイトを配置してある。
【0022】
操縦者が握り部31を傾けると、第1回動軸38,39が回動し、この回動量を回転検出器16,17が検出して、図外の演算回路がその出力から握り部31の傾きを算定し、これに対応するようなスレーブアームのリンク変化量を算定して手首の姿勢を変化させる。なお、握り部31の回転中心位置Oは手首機構100が移動しない限り姿勢が変化してもその空間位置を保持するので、傾きの計算は容易である。
【0023】
操縦者が姿勢の指示をするときには、握り部31の回転中心Oを手の中心に握り込むようにすれば、従来の操縦桿式姿勢指示機構とは異なり位置変化を伴わずに手の姿勢変化を指示するようになるので、操縦者はより自然かつ直感的に操縦することができる。
また、重量を持ったモータや検出器はブリッジ部1に設置されるので、手首の運動に対する慣性抵抗とならず、小さな力で操縦することができる。なお、手首の回転力を検出する力センサ62は握り部31に付設されているが、カウンタウェイトとして利用しているので、余分な慣性抵抗にならない。
【0024】
さらに、スレーブアームで発生するトルクをマスタアーム200とその手首機構100にフィードバックする場合にも、握り部31に伝達される力は、モータ19,20からベルト24,25を介して第1回動軸38,39を回転させることにより回転中心Oの回りの偶力として操縦者の手に与えられる。すなわち、従来例のように力を伝達するためにレバーを傾斜させて平行力として伝えるものと比較して、モーメントを純粋に伝達するので、正確な力フィードバックに基づいてスレーブアームを的確に操縦することができる。
【0025】
また、握り部31の外筒を中立的な位置に対して軸の回りに回転させると、その回転力を力センサ62で測定しスレーブアームに伝達して、手首を対応する量だけ回転させることができる。
なお、接続機構14が握り部31の回転に伴って回動するようになっているものでは、握り部31を掴んだ操縦者の手首に伴って腕が回転しても腕の動きに応じて手首機構100全体が回転するので、腕が側梁12,13に当たってそれ以上動かせなくなるような不都合を生じない。
【0026】
操縦者が握り部31を掴むときに手首を挿入し易くするため、握り部を上方から見た図5に示すように、第1リンク機構の第1回動軸38と第2リンク機構の第1回動軸39の間の角度αがたとえば120°などの鈍角になっている。ここではこの角度αをベース角度と呼ぶ。
なお、リンク同士の関係から握り部31の傾き角には限界があって、しかも2個の側梁12,13に挟まれた方向(X軸方向)と2個の側梁と平行な方向(Y軸方向)で異なる。またベース角度αによっても異なり、さらに、第1回動軸と第2回動軸がなす角度θによっても変化する。角度θをリンク広がり角度と呼び、第1リンク34,35の曲がり角度φをリンク角度と呼ぶ。リンク角度φとリンク広がり角度θは互いに補角をなす。
【0027】
図6は、ベース角度αを90°としたときの握り部31の動作角度範囲をリンク角度φを変化させて観察した結果を図示したものである。また、図7はベース角度αが120°のときの動作範囲をリンク角度φに対してプロットした線図である。
この2枚の線図から、リンク角度φが大きくなるにつれて、すなわちリンク広がり角度θが小さくなるにつれて、X軸方向の可動範囲は大きくなり、Y軸方向の可動範囲は小さくなることが分かる。そして、ベース角度90°のときは、リンク角度φが93°付近でX軸方向とY軸方向の傾き可能な動作角度がほぼ等しくなり、ベース角度φが120°のときには、リンク角度φが約98°で動作角度がほぼ等しく75°程度になることが分かる。
したがって、手首を挿入しやすい120°のベース角度αを選択したときに、リンク角度φを100°、リンク広がり角度θでいえば80°にすると、手首を任意の方向にほぼ等しく傾けることができる。
なお、リンク広がり角度θを選択することにより方向による動作角度範囲が適当な比率になるように重みを付けて調整することもできる。
【0028】
以上説明したように、本実施例のマスタアーム用手首機構によれば、モータ、検出器を握り部に配置せずブリッジ部に配置し、力センサをカウンタバランス位置に配置するので、手首機構の軽量化が図れ、必要な場所に移動して使用する場合にも簡単に対応することができる。
また、握り部の内部に回転中心があるので、スレーブアームの手に発生するトルクを偶力としてフィードバックすることができトルク提示が等方的になる。さらに、握り部がリンクの動きに対して中立的に動くようになっているので、手の回転運動を正確に伝達することができる。
さらに、ベース角度とリンク広がり角度が適当に選択されているため、手首が挿入しやすく、かつ握り部の傾き可能範囲が全方向についてほぼ等しくなっている。
【0029】
なお、本実施例の手首機構では、第1リンク機構と第2リンク機構の第2リンクが握り部の同じ端部に回動可能に接続されているが、それぞれ別々に両端部に接続したものも同じ技術的思想に属し、同じ作用と効果を呈することはいうまでもない。
また、本実施例の手首機構は、机上に固定されたマスタアームに組み込んだ状態について説明したが、操縦者の腕に沿ってアームが配置されるようなマスタアームに組み込んで使用することもできる。
さらに、図ではモータと回転検出器をそれぞれ別のものとして表示しているが、モータの回磁電流から回転速度を検出するものなどモータと回転検出器が一体になったものを使用してもよい。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のマスタアーム用手首機構は、マスタアームに取り付けて使用すると、小型軽量な上、慣性抵抗も小さく、手の位置制御に干渉されないで手の姿勢を制御できる。また、スレーブアームで発生するトルクを等方的に操縦者の手にフィードバックするので、実際と近い感触に基づいてスレーブアームの手を操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例にかかるマスタアーム用手首機構の斜視図である。
【図2】本実施例における握り部のギア機構を示す一部切り欠き斜視図である。
【図3】本実施例における握り部のカウンタウェイト部を示す一部切り欠き斜視図である。
【図4】本実施例の手首機構をマスタアームに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図5】本実施例の握り部を上方からみた平面図である。
【図6】本実施例における握り部の可動範囲を示す線図である。
【図7】本実施例における握り部の可動範囲を示す第2の線図である。
【符号の説明】
1 ブリッジ部
3 グリップ部
11 基盤
12,13 側梁
14 接続軸
15 回転センサ
16,17 回転センサ
18,19 モータ
20,21,22,23 プーリ
24,25 ベルト
31 握り部
32,33 リンク機構
34,35 第1リンク
36,37 第2リンク
38,39 第1回動軸
40,41 第2回動軸
42 第3回動軸
51 ギア機構
52 第1ギア
53 シャフト
54 第2ギア
55 第3ギア
56 シャフト
57 第4ギア
61 カウンタウェイト部
62 力センサ
100 マスタアーム用手首機構
200 マスタアーム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a master arm for operating a robot or the like in a master-slave manner, and more particularly to a wrist mechanism for accurately feeding back torque of a slave arm.
[0002]
[Prior art]
In a human cooperative and coexisting robot system, a lightweight and portable master arm used for remotely controlling a humanoid robot is required.
The master arm moves the slave arm to be operated, for example, the arm of a humanoid robot, by a person's hand, and can be operated lightly, and the force and torque received by the slave arm can be accurately transmitted to the pilot through the master arm. Feedback is required.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, industrial robots and the like use a wrist mechanism having a configuration similar to that of a wrist of a robot arm, and use a master arm that is operated by grasping a lever corresponding to a hand. In this type of master arm, the torque generated in the slave arm is transmitted to the operator's hand as a reaction force of a lever having one end fixed to the rotating shaft. Even with a strong torque, the sensation experienced by the pilot changes depending on the direction. Further, since the counter balance is provided to facilitate the movement of the hand, the overall weight becomes large and the device cannot be easily carried.
When a master arm incorporating a gimbal mechanism is used on the wrist, the operator can feel the torque accurately because the operation is performed while grasping the intersection of the rotation axes. However, since the links are connected in series, the gimbal mechanism becomes large and it is difficult to reduce the weight of the master arm.
[0004]
Furthermore, two links that are orthogonal to the root of the joystick are connected so that the inclination of the joystick is related to the rotation angle of the link shaft. Two degrees of freedom torque are fed back via the rotation angle of the link shaft. A joystick is provided (eg, an Impulse Engine manufactured by Immersion Inc., USA). Such a joystick can be reduced in weight because a motor or a detector for force feedback is not placed on the movable part, but cannot transmit a correct force because the torque is fed back as a parallel force. Further, since the grip portion of the joystick is twisted by the movement of two degrees of freedom, the joystick can be freely rotated around the axis and twisted, so that force feedback cannot be performed for three degrees of freedom.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a wrist mechanism of a master arm that is lightweight and that can accurately transmit the torque generated by a slave arm to an operator regardless of the direction.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a wrist mechanism for a master arm of the present invention includes an arm joint and a grip, and the arm joint has a connection mechanism with an arm at the center and grips at both ends. First and second side beams are supported between the first and second side beams, and one end of the grip portion is connected to the first and second side beams by first and second link mechanisms, respectively. Each of the first and second link mechanisms includes a first link and a second link, and one end of the first link is rotatably connected to the side beam by a first rotation shaft. And the other end of the second link are rotatably connected to each other by a second rotation shaft, and the other end of the second link is rotatably connected to one end of the grip portion by a third rotation shaft. An extension of the first, second, and third rotation axes passes near a rotation center point corresponding to a position where the operator grips the grip portion.
[0007]
In the wrist mechanism for the master arm of the present invention, since the extension of the rotation axis of the link is gathered near the rotation center in the grip portion, when the operator moves the grip portion, it rotates about the position gripped by hand, When teaching the operation to the slave arm, the position of the hand does not change unlike the lever type. Further, since the supporting link mechanism can be configured to be lightweight by combining two links, it is easy to carry the master arm to a required place and use it.
If the rotation center point of the grip is further on the axis of the connection mechanism with the arm, the movement of the wrist can be traced more accurately. In addition, since the system is simplified, the calculation regarding the transmission of the force is simplified. Furthermore, if the connection mechanism is configured to rotate around the axis, the side beams rotate together when the operator rotates the grip, so that the pilot's wrist hits the side beams during the operation. Nothing in the way.
[0008]
The wrist mechanism for the master arm of the present invention is configured such that the outer side of the grip portion rotates by に 対 し て with respect to a change in the intersection angle between the second link of the first link mechanism and the second link of the second link mechanism. Is preferred.
The driver operates while gripping the outer surface of the grip portion. If the grip portion surface is fixed to one of the links, the grip portion is twisted in accordance with the movement of the link and cannot transmit a correct force. In addition, if the grip is made to rotate freely, twisting of the wrist cannot be transmitted. However, if the intermediate position is maintained between the two link mechanisms, rotation of the wrist can also be transmitted.
Therefore, by using a gear mechanism or the like to make the movement of the two links just half the opening and closing movement, the movement of the grip surface caused by the displacement of the link is canceled to maintain the neutrality. I made it.
[0009]
In addition, two motors and two rotation detectors are fixed to the arm joint corresponding to the pair of link mechanisms, and the motor and the rotation detector are connected to the first rotation shaft by, for example, a belt. Can be
It is desired that the operator can operate the master arm to give commands to the robot arm and obtain a force sense on the wrist of the robot arm. For this reason, a rotation detector for measuring the rotation of the first rotation axis is provided to convert the change in the posture of the wrist into the movement of the arm of the slave robot, and the force generated by the slave arm is transmitted via the torque generated by the motor. A master arm wrist is transmitted so that a force sense can be presented to the pilot.
[0010]
In the conventional master arm, these detectors and motors are attached to the movable part, so the weight of the part moved by the operator becomes excessive and extra inertial force acts, resulting in poor maneuverability and accurate force sense. It was difficult to communicate.
In the wrist mechanism of the present invention, since the motor and the rotation detector are fixed to the arm joint, the weight of the movable part handled by the operator's hand is reduced, the maneuverability and the force presentation performance are improved, and the wrist mechanism can be used. Portability is improved.
[0011]
Further, the force sensor may be arranged at the end where the counterweight is installed, which is located on the opposite side of the end of the grip from which the link mechanism is connected.
When a link is connected to one end of the grip, it is preferable to provide a counterweight at the opposite end so that these loads can be offset. Therefore, by providing a force sensor for measuring the force applied to the wrist by the operator together with the counterweight as a part of the counterweight, it is possible to avoid an increase in load due to the attachment of the sensor and to achieve a lightweight wrist mechanism. be able to.
[0012]
Further, the wrist mechanism of the present invention receives the pilot's wrist by expanding the angle formed by the first rotation axis of the first link mechanism and the first rotation axis of the second link mechanism, that is, the base angle to an obtuse angle. It is preferable to make the grip part easy to handle.
The range in which the grip portion can be tilted differs between the direction sandwiched between the two side beams (X-axis direction) and the direction parallel to the two side beams (Y-axis direction), and also differs depending on the base angle. . Further, the angle varies depending on the angle between the first rotation axis and the second rotation axis. As this angle decreases, the movable range in the X-axis direction increases, and the movable range in the Y-axis direction decreases.
[0013]
Therefore, by appropriately selecting the angle formed by the first rotation axis and the second rotation axis with respect to the base angle, the movable range of the X axis and the Y axis can be set to a predetermined value. When the base angle is set to an obtuse angle, the X-axis and the Y-axis can be balanced in the movable range of the grip portion by setting the angle to an acute angle.
If the angle between the first rotation axes of the two link mechanisms is about 120 ° and the angle between the first and third rotation axes in the link mechanism is about 80 °, the XY It is particularly preferable because the same movable range of about 75 ° can be obtained in the axial direction.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a wrist mechanism for a master arm of the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a wrist mechanism of this embodiment, FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a gear mechanism of a grip portion in this embodiment, and FIG. 3 is a partially cutaway view showing a counterweight portion of the grip portion. FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the wrist mechanism of the present embodiment is incorporated in a master arm, FIG. 5 is a plan view of the grip portion for explaining a base angle and the like, and FIG. 6 and FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a movable range of a unit.
[0015]
As shown in FIG. 1, a
The
Each of the side beams 12 and 13 includes
[0016]
The
The
The
[0017]
The axis extension of the
The other ends of the
The
[0018]
Note that a
When the gear ratio between the
[0019]
Further, when the
Therefore, the outer cylinder of the grip portion fixed to the fourth gear 47 is held at a neutral position with respect to the
[0020]
As can be seen from FIG. 3 in which a part of the grip portion is cut away, a
[0021]
The
[0022]
When the operator inclines the
[0023]
When the pilot gives an instruction of the posture, if the rotation center O of the
Further, since the heavy motor and the detector are installed in the bridge section 1, the steering can be performed with a small force without causing inertial resistance to the movement of the wrist. Although the
[0024]
Further, when the torque generated by the slave arm is fed back to the
[0025]
When the outer cylinder of the
In the case where the
[0026]
In order to make it easier for the operator to insert the wrist when grasping the
Note that there is a limit to the inclination angle of the
[0027]
FIG. 6 illustrates the result of observing the operating angle range of the
From these two diagrams, it can be seen that as the link angle φ increases, that is, as the link spread angle θ decreases, the movable range in the X-axis direction increases and the movable range in the Y-axis direction decreases. When the base angle is 90 °, the tiltable operating angles in the X-axis direction and the Y-axis direction become substantially equal when the link angle φ is around 93 °, and when the base angle φ is 120 °, the link angle φ is approximately It can be seen that at 98 ° the operating angles are approximately equal and about 75 °.
Therefore, when the base angle α of 120 ° at which the wrist is easy to be inserted is selected and the link angle φ is set to 100 ° and the link spread angle θ is set to 80 °, the wrist can be inclined almost equally in any direction. .
It should be noted that by selecting the link spread angle θ, it is also possible to weight and adjust so that the operation angle range depending on the direction becomes an appropriate ratio.
[0028]
As described above, according to the wrist mechanism for the master arm of the present embodiment, the motor and the detector are arranged in the bridge portion without being arranged in the grip portion, and the force sensor is arranged in the counter balance position. The weight can be reduced, and it is possible to easily cope with a case where the device is used by moving to a necessary place.
Further, since the rotation center is located inside the grip portion, the torque generated in the hand of the slave arm can be fed back as a couple, and the torque presentation is isotropic. Furthermore, since the grip portion moves neutrally with respect to the movement of the link, the rotational motion of the hand can be transmitted accurately.
Furthermore, since the base angle and the link spread angle are appropriately selected, the wrist can be easily inserted, and the tiltable range of the grip portion is substantially equal in all directions.
[0029]
In the wrist mechanism of the present embodiment, the second link of the first link mechanism and the second link of the second link mechanism are rotatably connected to the same end of the grip portion, but are separately connected to both ends. Needless to say, they belong to the same technical idea and exhibit the same functions and effects.
Also, the wrist mechanism of the present embodiment has been described as being incorporated in a master arm fixed on a desk, but it may be incorporated in a master arm in which the arm is arranged along the operator's arm. .
Furthermore, in the figure, the motor and the rotation detector are shown as separate ones. However, even if the motor and the rotation detector are integrated, such as one that detects the rotation speed from the magnetizing current of the motor, Good.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, when the master arm wrist mechanism of the present invention is used by being attached to the master arm, the wrist mechanism is small and lightweight, has low inertia resistance, and can control the posture of the hand without being interfered with the position control of the hand. Further, since the torque generated in the slave arm is isotropically fed back to the operator's hand, the hand of the slave arm can be operated based on a feeling close to the actual feeling.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a wrist mechanism for a master arm according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a gear mechanism of a grip portion in the embodiment.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing a counterweight portion of the grip portion in the embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing a state where the wrist mechanism of the present embodiment is attached to a master arm.
FIG. 5 is a plan view of the grip portion of the present embodiment as viewed from above.
FIG. 6 is a diagram showing a movable range of a grip portion in the embodiment.
FIG. 7 is a second diagram showing a movable range of the grip portion in the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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