JP3578375B2

JP3578375B2 - ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド

Info

Publication number: JP3578375B2
Application number: JP06366897A
Authority: JP
Inventors: 寿之河野; 研司松熊; 武志坂本; 健一貞包
Original assignee: 技術研究組合医療福祉機器研究所
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10249777A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットアーム駆動装置及びロボットハンドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロボットアームは複数のリンクとそのリンクを結合する関節部、関節部を駆動するアクチュエータ部からなる。しかし、関節を駆動するアクチュエータは重量が大きいため、関節に直接取り付けたのでは出力重量比の面から不利である。従ってアクチュエータを目標関節部より駆動系に近い位置に取り付けて、何らかの手段によってアクチュエータから目標関節部に駆動力を伝達する必要がある。
【０００３】
ところで、医療、福祉などの分野においては、作業従事者の負担を軽減するために、ワークとして、食事トレイを把持するロボットを用いることが検討されている。このような用途に用いるロボットハンドを先端に持つロボットアームの駆動方式としては、人間との接触においても危害を加えないという理由により、ワイヤ駆動式が好ましい。
【０００４】
このようなワイヤ駆動方式は例えばＣＴアーム（広瀬、馬、“ワイヤ干渉駆動型多関節マニピュレータの開発″、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１１）やワイヤ干渉駆動アーム（横井、小森谷、谷江ら、“７自由度ワイヤ干渉駆動アームの機構と制御”、日本機械学会論文集、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ．５５８）によって提案されている。
【０００５】
しかしこれら従来の技術においては、駆動用ワイヤの一端がモータもしくはモータに接続されたプーリに、他端が駆動する目的のリンクに固着されている。従って、ロボットアームが外部環境と干渉した場合、外部環境に過大な力を加えてしまうといった問題が生じる。
【０００６】
さらに、従来のワイヤ駆動方式のマニピュレータにおいては、プーリとワイヤ間の摩擦トルクの調整方法は図８のように固定式のテンション調整機構を取り付けあらかじめテンションプーリ１８の間隔を固定してテンションを一定に保ち、プーリとワイヤ間の摩擦トルクを一定に設定しておく方法が一般的である。また、ワイヤのテンションを調整する方法としては、図９のような拮抗筋方式として２つのアクチュエータ２５で互いに引っ張りあうことでテンションを調整し、プーリとワイヤ間の摩擦トルクを可変にする方法（小金、“拮抗筋構造を持つアクチュエータ”、第１２回ロボット学会学術講演会）がある。
【０００７】
しかし、図８に示した方法ではワイヤとプーリ間の摩擦トルクは一定であり可変にすることができず、障害物と接触した場合にはあらかじめ設定されたテンションにより設定されたワイヤとプーリ間の摩擦力に相当する反力が障害物にかかることになり、摩擦力の設定によっては障害物に過大な衝撃を与えることがあった。また、図９に示した方法では、制御方法によっては障害物に過大な衝撃を与えることは防げるが、アクチュエータが２つ必要なためマニピュレータアームの関節部分の体積が大きくなるという問題があった。
【０００８】
ロボットハンドはその多くが回転開閉型で図７に示すようになっている。（特開昭５２−２０４８２号公報、特開昭５２−２５３６４号公報、特開昭５２−５１６６１号公報参照）。図において、４００はワーク、４０１はロボットハンド、４０２は上顎部、４０３は下顎部を示す。これは指の回転運動によりハンドの開閉動作を行う。この型のロボットハンドを用いて、平坦な場所に置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワーク４００を把持する動作を行った場合の動作シーケンスを、図７に基づいて以下に示す。
【０００９】
１）視覚センサ（図示せず）によりワーク４００の位置を認識する。
２）マニピュレータにて、ロボットハンド４０１の下顎部４０３がワーク４００の縁部とワーク４００設置面の間に入るように、ロボットハンド４０１を移動する。
３）マニピュレータにてロボットハンド４０１を前進させて下顎部４０３をワーク４００に当てる。
４）上顎部４０２を回転してロボットハンド４０１を閉じる。
５）把持状態を確認する。
６）ワークの把持を完了する。
【００１０】
ところが、従来技術ではワーク縁部とワーク設置面の間の狭い空間に下顎部を差し込まなくてはならないため、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度が要求されるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、ロボットアームの軽量化が行えるワイヤもしくはスティールベルト駆動方式を用いた上で、ロボットアームが外部環境と干渉した場合にも、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作するロボットアームの駆動装置を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、ワイヤで駆動するマニピュレータにおいて、障害物と接触した場合の安全確保のためにプーリとワイヤもしくはスティールベルト間の摩擦トルクを調整しアームを駆動するロボットアームの駆動装置を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｎ個の関節を有するロボットアームを駆動するワイヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボットアーム駆動装置であって、リンク固定プーリと対をなすプーリとの間にテンションプーリ、トルクセンサ及びテンション調整機構を配置し、各関節において１個のプーリをリンクと固定し、ｎ本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記リンク固定プーリに固定し、リンク固定プーリと対をなすプーリにはワイヤを固定せず１回転以上巻き付けることにより、ロボットアームが外部環境と接触した際に、プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を加えないようにロボットアームが外力に倣うようにしたロボットアーム駆動装置において、ロボットハンドの各アームを駆動するための動力伝達ワイヤに１個もしくは複数のソレノイドコイルとテンションプーリを組み合わせたテンション調整機構を設け、ワイヤアームの駆動トルク伝達ワイヤのテンションを可変にし、アームに取り付けた接触センサによる接触位置と接触力信号、エンコーダによるアーム位置、速度、回転方向信号およびトルクセンサによる関節負荷トルク信号を用いて衝突状態を判定する衝突監視装置を持ち、前記衝突監視装置からの指令に基づいてワイヤのテンション調整機構を駆動することによりプーリとワイヤ間の摩擦トルクを調整し、リミットトルクを変化させるワイヤテンション調整機構を設け、これにより障害物に過大な接触反力を与えないようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１はロボットハンドを搭載するロボットアームの実施例を示すものであり、本発明を３自由度の水平アームモデルで示したロボットアーム１００が示されている。ロボットアーム１００は、駆動系側の根元部から手先側の先端部にかけてリンク１〜３を備えており、各リンク１〜３は隣り合うリンクと関節Ｊ１〜Ｊ３で連結している。一番根元の駆動部には駆動用アクチュエータに固定されたプーリＰｄ１〜Ｐｄ３が設置され、関節Ｊ１〜Ｊ３の関節軸Ｒ１〜Ｒ３には、そこを経由するワイヤＷの本数と同数のプーリを独立して回転が可能に設置している。さらにワイヤ張力およびワイヤ巻き掛け角度の調整を兼用したテンションプーリ１８が設置されている。
【００１４】
関節Ｊ１の関節軸Ｒ１には、プーリＰＴ１が固着されており、他のプーリはＰＴ１と独立して回転可能に設置している。関節Ｊ２の関節軸Ｒ２には、プーリＰＴ２が固着されており、他のプーリはＰＴ２と独立して回転可能に設置している。関節Ｊ３の関節軸Ｒ３には、プーリＰＴ３が固着されている。
各ワイヤ駆動経路は以下の通りである。図１には各関節軸Ｒ１〜Ｒ３を駆動するためのワイヤの駆動経路が示されている。
【００１５】
（ワイヤ１）駆動用アクチュエータ１０に固定されたプーリＰｄ１に１周半以上巻き付け、一番根元側のテンションプーリ１８を通過し、関節軸Ｒ１に固着されたプーリＰＴ１に両端とも半周以上巻き付けられ固定される。
（ワイヤ２）駆動用アクチュエータ１１に固定されたプーリＰｄ２に１周半以上巻き付け、関節軸Ｒ１に回転可能に設置されたプーリＰ１２に両端とも１周以上巻き付け、二番目に根元にあるテンションプーリを通過し、関節軸Ｒ２に固着されたプーリＰＴ２に両端とも半周以上巻き付けられ固定される。
（ワイヤ３）駆動用アクチュエータ１２に固定されたプーリＰｄ３に１周半以上巻き付け、関節軸Ｒ１に回転が可能に設置されたプーリＰ１１に両端とも１周以上巻き付け、関節軸Ｒ２に回転が可能に設置されたプーリＰ２１に両端とも１周以上巻き付け、三番目に根元にあるテンションプーリ１８を通過し、関節軸Ｒ３に固着されたプーリＰＴ３に両端とも半周以上巻き付けられ固定される。
【００１６】
ロボットアームが外部環境と接触し、ロボットアームに過大な力が加わった際に、各アームに固定されたプーリーの反対側のプーリと各ワイヤは固定されていないため、滑りを生じ、外部環境に過大な力が働くのを防ぐ。
【００１７】
その各関節における滑りトルクとワイヤ張力、ワイヤ巻き掛け角度の関係は下記の式１の通りである。
Ｆ_ｌｉｍ ^ｉ＝Ｆ_Ｉ ^ｉＡ（φ^ｉ）式（１）
ここで、
Ｆ_ｌｉｍ ^ｉ：関節Ｊｉの滑りトルク
Ｆ_Ｉ ^ｉ：ワイヤＷｉの初期張力
φ^ｉ：駆動用アクチュエータに固定されたプーリＰｄｉに対するワイヤＷｉの巻き掛け角
Ａ：駆動用アクチュエータに固定されたプーリＰｄｉに対するワイヤＷｉの巻き掛け角で決まる関数
なお、テンションプーリ１８をワイヤ張力およびワイヤ巻き掛け角度調整用プーリとして別々のプーリとすることで、各関節における滑りトルクを細かく調整することも可能である。
【００１８】
このように、本実施例では、ｎ個のリンク部材をｎ個の関節で連結し、各関節には先端の関節から順に１〜ｎ個のプーリを互いに独立して回転が可能に設置し、各関節において１個のプーリをリンクと固定し、ｎ本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記リンク固定プーリに固定し、前記各関節軸に掛かるワイヤはプーリに１回転以上巻き付いてその関節軸を経由し、一番根元に配置された駆動部においてワイヤ張力調整用プーリとワイヤ巻き掛け角度調整用プーリを経由し、駆動用アクチュエータに固定されたｎ個のプーリには１回転以上巻き付けるだけで固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボットアームを駆動するので、ロボットアームが外部環境と接触した際に、駆動用アクチュエータに固定されたプーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を加えないようにロボットアームが外力に倣う。
【００１９】
次に、本発明の他の実施例を説明する。
図１において１、２、３はリンク、４、５、６はそれぞれリンク１、２、３用のソレノイドであり、各リンクヘ駆動力を伝達するワイヤの間に取り付けられ衝突監視装置１６の指令に基づいてワイヤの間隔を変更することができる。７、８、９はそれぞれリンク１、２、３の表面に取り付けられた接触センサであり、接触力と接触位置を測定することができ、それらの信号は衝突監視装置１６に伝達されている。１０、１１、１２はそれぞれリンク１、２、３を駆動するモータに取り付けられたエンコーダであり、それらの位置信号、速度信号、回転方向信号は衝突監視装置１６に伝達されている。１３、１４、１５はそれぞれリンク１、２、３のトルクセンサであり、各リンクのトルクを監視しており、その信号は衝突監視装置１６に伝達されている。衝突監視装置１６は、接触センサ、エンコーダ、トルクセンサの信号をもとに衝突の状態を監視し、状態に応じてソレノイドを通してワイヤのテンションを調整することにより、アームの各関節のリミットトルクを変更する。
【００２０】
図２（ａ）は、まっすぐに伸びて駆動中のアームにアーム駆動方向と反対の方向に移動する障害物２２がリンク２に衝突した場合の説明図である。この場合、衝突監視装置１６は、駆動しているアームの移動方向とリンクの位置、速度及び接触センサからの接触力と接触位置及びトルクセンサからの各軸トルクから衝突状態を判定し、リンク２のワイヤテンションをソレノイドを使用して緩ませ、リンク２のリミットトルクを小さくする（図（ｂ）参照）。その結果リンク２はほぼフリーの状態になり障害物に沿って駆動されることになり障害物２２への衝撃を小さくすることができる。
【００２１】
図３（ａ）は、まっすぐに伸びて駆動中のアームにアーム駆動方向と同方向に移動する障害物２２がリンク１に衝突した場合の説明図である。この場合、衝突監視装置は、同様にアームの移動方向、リンクの速度、接触力、接触位置及び各軸トルクから衝突状態を判定し、リンク１、２のリミットトルクを小さくする。その結果リンク１、２はほぼフリーの状態になり障害物２２に沿って駆動されることになる（図３（ｂ）参照）。しかし場合によってはリンク２がまわりすぎ、障害物２２を挟み込んでしまう場合が発生する可能性がある（図３（ｃ）参照）。このような場合、衝突監視装置はリンク１とリンク２の位置、速度信号から再びアームのリミットトルクを大きくし、モータを停止することにより障害物の安全を確保できる。
【００２２】
このようにして、アームが障害物と接触した場合には、接触センサからの接触位置、接触力信号とエンコーダからのアームの位置、速度、回転方向、トルクセンサからの軸トルク信号により接触状態を判定しそれに応じてワイヤのテンションを切り替えることにより関節のリミットトルクを切り替え、アームが障害物に与えるダメージを小さくすることが可能となる。
【００２３】
図４はロボットハンドを示す側断面図、図５はロボットハンドを示す平面図である。図において、１０１はロボットハンド、１０２は上顎部、１０３は下顎部、１０４はスイッチＡ、１０５はスイッチＢ、１０６はスイッチＣ、１０７はモータ、１０８はギヤＡ、１０９はギヤＢであり、１１０は回転運動を直動運動に換えるギヤＣである。
平坦な場所に置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワークとして食事トレイを挙げる。図６に、トレイを把持する動作シーケンスを示し、それぞれの説明を以下に示す。図において、２００はトレイである。
【００２４】
（１）視覚センサ（図示せず）によりトレイ２００の位置を認識する。
（２）マニピュレータにてトレイ２００上にロボットハンド１０１を移動する。
（３）マニピュレータ上下軸にてスイッチ１０４が入るまでロボツトハンド１０１を下降する。
（４）マニピュレータにてロボットハンド１０１をスイッチ１０５が入るまで後退させて上顎部１０２をトレイ２００に当てる。
（５）モータ１０７を駆動し、ギヤ１０８、ギヤ１０９、ギヤ１１０を介してスイッチ１０６が入るまで下顎部１０３を送ってロボットハンド１０１を閉じる。
（６）すべてのスイッチが入っていることを確認することで把持状態を確認する。
（７）トレイ把持が完了する。
このようにして、トレイに触れた後に水平方向に物体を挟み込むようにしたので、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度を要求せずに把持動作を行える。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の第１の手段によれば、ロボットアームの軽量化が行えるワイヤ駆動方式を用いた上で、駆動用アクチュエータに固定されたｎ個のプーリにはワイヤを１回転以上巻き付けるだけで固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボットアームを駆動するので、ロボットアームが外部環境と干渉した場合にも、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作するロボットアームのワイヤ駆動方式を提供することができる。
また、各ワイヤの初期張力、アクチュエータに固定されたプーリに対する巻き掛け角度を調整することで、各関節における滑りトルクを調整することができる。
また、本発明の第２の手段によれば、とアーム内に取り付けられた各種センサの信号を基に衝突判定装置により衝突状態を判定し、その結果をもとにソレノイド機構を用いた簡単なワイヤテンション調整機構により関節のリミットトルクを調整することにより、衝突による障害物への衝撃を小さくすることができる。
さらに、本発明の第３の手段によれば、平坦な場所に置かれている辺縁部を有す浅い箱状のワークに対して上方から近づいて、ワークに触れた後に水平方向に物体を挟み込むようにしたので、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度を要求せずに把持動作を行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実地例を示す概念図である。
【図２】本発明の実施例１を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例２を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例を示す側断面図である。
【図５】本発明の実施例を示す平面図である。
【図６】本発明の動作シーケンス図である。
【図７】従来の動作シーケンス図である。
【図８】従来のワイヤ駆動機構を示す概念図である。
【図９】従来のワイヤテンション調整方法の例を示す概略図である。
【符号の説明】
１リンク１、２リンク２、３リンク３、４リンク１用ソレノイド、５リンク２用ソレノイド、６リンク３用ソレノイド、７リンク１用接触センサ、８リンク２用接触センサ、９リンク３用接触センサ、１０リンク１用モータエンコーダ、１１リンク２用モータエンコーダ、１２リンク３用モータエンコーダ、１３リンク１用トルクセンサ、１４リンク２用トルクセンサ、１５リンク３用トルクセンサ、１６衝突監視装置、１７ソレノイド用アンプ、１８テンションプーリ、１９リンク３用モータコントローラ、２０リンク２用モータコントローラ、２１リンク１用モータコントローラ、２２障害物、２３障害物移動方向、２４アーム移動方向、２５モータ、２６ばね、１００ロボットアーム、Ｗワイヤ、Ｌリンク部材、Ｊ関節、Ａ関節軸、Ｐプーリ、１０１ロボットハンド、１０２上顎部、１０３下顎部、１０４スイッチＡ、１０５スイッチＢ、１０６スイッチＣ、１０７モータ、１０８ギヤＡ、１０９ギヤＢ、１１０ギヤＣ、２００トレイ、４００ワーク、４０１ロボットハンド、４０２上顎部、４０３下顎部

Claims

ｎ個の関節を有するロボットアームを駆動するワイヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボットアーム駆動装置であって、リンク固定プーリと対をなすプーリとの間にテンションプーリ、トルクセンサ及びテンション調整機構を配置し、各関節において１個のプーリをリンクと固定し、ｎ本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記リンク固定プーリに固定し、リンク固定プーリと対をなすプーリにはワイヤを固定せず１回転以上巻き付けることにより、ロボットアームが外部環境と接触した際に、プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を加えないようにロボットアームが外力に倣うようにしたロボットアーム駆動装置において、
ロボットハンドの各アームを駆動するための動力伝達ワイヤに１個もしくは複数のソレノイドコイルとテンションプーリを組み合わせたテンション調整機構を設け、ワイヤアームの駆動トルク伝達ワイヤのテンションを可変にし、
アームに取り付けた接触センサによる接触位置と接触力信号、エンコーダによるアーム位置、速度、回転方向信号およびトルクセンサによる関節負荷トルク信号を用いて衝突状態を判定する衝突監視装置を持ち、
前記衝突監視装置からの指令に基づいてワイヤのテンション調整機構を駆動することによりプーリとワイヤ間の摩擦トルクを調整し、リミットトルクを変化させるワイヤテンション調整機構を設け、これにより障害物に過大な接触反力を与えないようにしたことを特徴とするロボットアーム駆動装置。