JP4006528B2 - Casting manipulator - Google Patents
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Description
本発明は、柔らかい連鎖を持つ新しい機構を用いて「投げの動作(キャスティング)」によりロボットアームに接続される把持部材の慣性力及び遠心力を利用して把持部材を投射するキャスティングマニピュレータに関し、特にロボット作業空間における把持部材の運動制御装置に関するものである。 The present invention relates to a casting manipulator that uses a new mechanism having a soft chain to project a gripping member by utilizing the inertial force and centrifugal force of the gripping member connected to a robot arm by “throwing (casting)”. The present invention relates to a movement control device for a gripping member in a robot work space.
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方法としてロボットアームを用いる方法があるが、対象物体がロボットアームの手先の届く範囲(到達領域)内にない場合、対象物体を操作することができない。ロボットアームの到達領域はロボットの性能を示す1つの指標と考えられ、とりわけ野外作業などの大空間における作業では、到達領域のより広いロボットが求められる。 There is a method of using a robot arm as a method of automatically moving a target object from an arbitrary position to another target position using a mechanical system, but the target object is within the reach (reach area) of the hand of the robot arm. If not, the target object cannot be operated. The reaching area of the robot arm is considered as one index indicating the performance of the robot. In particular, a robot having a wider reaching area is required for work in a large space such as outdoor work.
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、一部の剛体リンク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に示すように、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、高速な運動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 links can be considered. For example, as shown in FIG. 1 d, while the length of the linear flexible link 11 is extended from the
しかし、従来のシステムでは、線状柔軟リンク11を把持部材12の端の一カ所に固定して結合しているため、張力による把持部材12の運動制御時には、鉛直面内における把持部材の並進運動と回転運動は独立に制御できないという問題があった。また、把持部材12によって対象物体13を安定に把持するためには、把持部材12の位置・姿勢ならびに並進速度・回転速度を適切に制御する必要がある。したがって、1本の線状柔軟リンク11の張力のみでは、把持部材12によって対象物体13を安定に把持するための制御が容易でないという問題がある。例えば、図2に示すように張力の方向と把持部材12の長軸の方向が直角に近い状態の場合、把持部材12の並進運動に対して張力の効果が最小、回転運動に対して張力の効果が最大となる。したがって、張力が大きいほど大きな回転運動が生じるため、物体把持が困難になる、線状柔軟リンク11が把持部材12に絡まるなどの問題が生ずる。よって、張力の方向と把持部材の長軸の方向が直角に近い状態の場合、大きな張力を与えることができないという制約が生じ、物体を把持するための制御が容易でなくなる。 However, in the conventional system, the linear flexible link 11 is fixedly coupled to one end of the gripping member 12, so that when the motion of the gripping member 12 is controlled by tension, the gripping member translates in the vertical plane. And there was a problem that the rotational motion could not be controlled independently. Further, in order to stably hold the target object 13 by the holding member 12, it is necessary to appropriately control the position / posture of the holding member 12 and the translation speed / rotation speed. Therefore, there is a problem that control for stably grasping the target object 13 by the grasping member 12 is not easy only with the tension of the single linear flexible link 11. For example, as shown in FIG. 2, when the direction of the tension and the direction of the long axis of the gripping member 12 are close to a right angle, the effect of the tension is minimal with respect to the translational motion of the gripping member 12, and The effect is maximized. Therefore, a larger rotational motion is generated as the tension is increased, and thus problems such as difficulty in gripping an object and entanglement of the linear flexible link 11 with the gripping member 12 arise. Therefore, when the direction of tension and the direction of the long axis of the gripping member are close to a right angle, there is a restriction that a large tension cannot be applied, and control for gripping an object becomes difficult.
また、現在開発されたシステムでは、決められた鉛直平面内の運動のみ制御可能であるために、外乱などの影響により鉛直平面に対して垂直の方向に把持部材の運動が生じた場合、その運動を制御できないという問題がある。 In addition, since the currently developed system can control only the movement in the determined vertical plane, if the movement of the gripping member occurs in the direction perpendicular to the vertical plane due to the influence of disturbance, the movement There is a problem that cannot be controlled.
本発明は、従来、線状柔軟リンクを把持部材の重心以外の一カ所に固定して結合している場合、線状柔軟リンクの張力によって空間内を移動中の把持部材の運動を制御することが容易でないこと及び鉛直平面外の把持部材の運動を制御できないことに鑑み、複数の線状柔軟リンクを用いることにより、あるいは1つの線状柔軟リンクを用い、その把持部材との結合部を重心位置に移動可能にすることにより、各リンクの張力によって把持部材の並進運動を回転運動から独立に制御可能な把持部材の運動制御装置を備えたキャスティングマニピュレータを提供することを目的とする。 Conventionally, when the linear flexible link is fixedly coupled to one place other than the center of gravity of the gripping member, the movement of the gripping member moving in the space is controlled by the tension of the linear flexible link. In view of the fact that the movement of the gripping member outside the vertical plane cannot be controlled, by using a plurality of linear flexible links or using a single linear flexible link, It is an object of the present invention to provide a casting manipulator having a gripping member motion control device that can control the translational motion of the gripping member independently of the rotational motion by the tension of each link by making it movable to a position.
(1)上記目的を達成するため本発明のキャスティングマニピュレータは、把持部材を対象物体へ投射し、対象物体を把持、回収するようにしたキャスティングマニピュレータにおいて、繰り出し・巻き取り機構に巻き付けられた線状柔軟リンクの一端を把持部材に結合し、線状柔軟リンクの張力によって、投射された把持部材の空中における並進運動と回転運動を同時に、あるいは並進運動のみを独立に制御可能とすることを特徴とする。
(2)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(1)において把持部材の重心位置に並進運動制御用の線状柔軟リンクを結合するとともに、把持部材のハンドとは逆の端に並進・回転運動制御用の線状柔軟リンクを結合することを特徴とする。
(3)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(2)において把持部材の重心を通り、重心が運動する平面に垂直な方向にバーを設け、バーの両端に並進運動制御用の線状柔軟リンクを結合することを特徴とする。
(4)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(1)において把持部材の重心と把持部材のハンドとを結ぶ直線上でかつ把持部材上にスライダを装着するとともに、スライダ上を線状柔軟リンクと把持部材との結合部が移動可能に形成することを特徴とする。
(5)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(1)乃至(4)のいずれかにおいて把持部材に結合した線状柔軟リンクの張力、又は、支点の位置を周期的に変化させて把持部材に回転運動を与えることにより把持部材の投射動作を行うようにしたことを特徴とする。
(6)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(1)乃至(5)のいずれかにおいて並進・回転運動制御用の線状柔軟リンクの繰り出し・巻き取り行う機構の位置を可変とすることを特徴とする。
(7)また、本発明のキャスティングマニピュレータは、上記(1)乃至(6)のいずれかにおいて把持部材を、主として、本体部、手の平の部分にあたるアタッカー及び複数の指より形成し、前記アタッカーが対象物体に衝突すると指を閉じる構成とすることを特徴とする
(1) In order to achieve the above object, a casting manipulator according to the present invention projects a gripping member onto a target object, and in the casting manipulator configured to grip and collect the target object, a linear shape wound around a feeding / winding mechanism One end of the flexible link is connected to the gripping member, and the translational motion and the rotational motion of the projected gripping member in the air can be controlled simultaneously or independently only by the tension of the linear flexible link. To do.
(2) Further, the casting manipulator of the present invention couples the linear flexible link for translational motion control to the gravity center position of the gripping member in (1) above, and translates and rotates at the end opposite to the hand of the gripping member. It is characterized by connecting linear flexible links for motion control.
(3) Further, the casting manipulator of the present invention is provided with a bar in a direction perpendicular to the plane in which the center of gravity moves through the center of gravity of the gripping member in the above (2), and linear flexible for translational motion control at both ends of the bar It is characterized by connecting links.
(4) Further, the casting manipulator of the present invention has a slider mounted on the gripping member on the straight line connecting the center of gravity of the gripping member and the hand of the gripping member in (1), and the linear flexible link on the slider. The connecting portion between the gripping member and the gripping member is formed to be movable.
(5) Moreover, the casting manipulator of the present invention is a gripping member that periodically changes the tension of the linear flexible link coupled to the gripping member or the position of the fulcrum in any of the above (1) to (4). A projecting operation of the gripping member is performed by giving a rotational motion to.
(6) In the casting manipulator of the present invention, the position of the mechanism for feeding and winding the linear flexible link for translation / rotation motion control in any one of the above (1) to (5) is variable. Features.
(7) In the casting manipulator of the present invention, the gripping member according to any one of the above (1) to (6) is mainly formed of a main body part, an attacker corresponding to a palm part, and a plurality of fingers. It is designed to close the finger when it collides with an object.
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
(1)簡便な機構、コンパクトなサイズ、かつ小さい駆動源で非常に広い到達領域をもつことができる。
(2)地表面の形状や性質に影響されない。
(3)エネルギー効率が高く、高速な運動を繰り返し行うことが可能で、耐故障性に優れている。
(4)把持部材の並進運動を回転運動とは独立して制御することができるため、空間内を移動中の把持部材の運動制御を容易とする。
(5)空間内の任意の位置において、把持部材の並進運動と回転運動との従属関係を考慮せずに並進運動の制御ができる。
The present invention has the following excellent effects.
(1) It can have a very wide reach area with a simple mechanism, a compact size, and a small drive source.
(2) Unaffected by the shape and properties of the ground surface.
(3) It has high energy efficiency, can repeatedly perform high-speed movement, and has excellent fault tolerance.
(4) Since the translational motion of the gripping member can be controlled independently of the rotational motion, the motion control of the gripping member moving in the space is facilitated.
(5) The translational motion can be controlled at any position in the space without considering the dependency between the translational motion and the rotational motion of the gripping member.
本発明に係るキャスティングマニピュレータを実施するための最良の形態を図面を参照して以下に説明する。 The best mode for carrying out a casting manipulator according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3は、本発明に係るキャスティングマニピュレータにおける線状柔軟リンク11に結合された把持部材12の運動制御装置を備えたロボット10により、災害時の救助活動、特に水害に遭った人の救助活動を示したものであり、また、図4は、同ロボット10により、災害時の復旧作業、特に倒壊した家屋等の除去作業を示したものである。
FIG. 3 shows a rescue operation at the time of a disaster, particularly a rescue operation for a person who has suffered a flood, by the
図5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:把持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リンクの運動を同時に行う。
FIG. 5 shows basic operations 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 gripped target object, the winding of the linear flexible link and the movement of the rigid link are performed simultaneously.
本発明は、上記(a)〜(d)の対象物体を取りに行く操作に焦点をあて、把持部材に運動を与えた後に把持部材を投射して投射位置から目標位置まで移動させ、把持部材により対象物体を掴むまでの把持部材の運動制御を行う装置に関する。以下、詳細に説明する。 The present invention focuses on the operation of taking the target object of (a) to (d) above, projects the gripping member after moving the gripping member, and moves the gripping member from the projection position to the target position. The present invention relates to a device that controls the movement of a gripping member until a target object is gripped. Details will be described below.
〔把持部材の投射方法〕
把持部材の投射方法は、把持部材が投射時に並進運動するか、あるいは回転運動するかによって大別される。それぞれの特徴は以下のとおりである。
(1)回転運動:図6(a)に示すような回転運動では、周期的な運動によって把持部材に繰り返し力を与え続けることができる。したがって、小さい駆動力で大きな運動エネルギーを生成可能である。
(2)並進運動:図6(b)に示すような並進運動では、回転運動に比べて力を与え続けられる距離が短い。したがって、バネ、空気圧、水圧などの瞬発力を発生するには大きな駆動力が必要である。
[Gripping member projection method]
The method of projecting the gripping member is roughly classified according to whether the gripping member translates or rotates during projection. The characteristics of each are as follows.
(1) Rotational motion: In the rotational motion as shown in FIG. 6A, a force can be repeatedly applied to the gripping member by a periodic motion. Therefore, a large kinetic energy can be generated with a small driving force.
(2) Translational motion: In the translational motion as shown in FIG. 6 (b), the distance over which a force can be continuously applied is shorter than the rotational motion. Therefore, a large driving force is required to generate an instantaneous force such as a spring, air pressure, and water pressure.
〔把持部材の運動制御方法〕
把持部材の運動を空中で制御するための力を得る主な方法として、把持部材に内蔵された力を発生する装置による方法と、線状柔軟リンクを介して把持部材の外部から力を与える方法の2つがある。把持部材に内蔵する力発生装置として、例えばスラスタ、リアクションホイール、コントロールモ−メントジャイロなどが挙げられるが、把持部材の質量やサイズの増加、耐衝撃性の低下が問題となる。また、このような装置は一般的に高価であり、把持部材が回収できないときに、線状柔軟リンクを切って新しい把持部材を装着する場合や、装置自身が破損した場合に、コストが高く付いてしまう。よって、線状柔軟リンクを介して外から把持部材に力を作用させる方法が有効であり、把持部材に装置を内蔵するならば、力を発生させる装置ではなく、線状柔軟リンクを介して外から把持部材に力を作用させる方法を補助する安価で軽量コンパクトな装置を考える必要がある。図7(a)(b)に、並進運動を回転運動とは独立に制御可能な方法の例を示す。
図7(a)は、把持部材の重心以外の点に結合された線状柔軟リンクaによって並進・回転運動を制御し、把持部材の重心に結合された線状柔軟リンクbによって並進運動のみを制御することが可能な方法である。
図7(b)は、把持部材の重心と把持部材のハンド15とを結ぶ直線上でかつ把持部材上にスライダ18を装着するとともに、スライダ18上を線状柔軟リンクと把持部材の結合部24が移動できるように制御する方法である。結合部を重心に移動させることにより並進運動のみを制御することができる。また、結合部と重心との距離を変えることにより、回転運動に対する張力の効果を変えて回転運動を制御することが可能となる。
[Grip member motion control method]
As a main method of obtaining a force for controlling the movement of the gripping member in the air, a method using a device that generates a force built in the gripping member and a method of applying a force from the outside of the gripping member via a linear flexible link There are two. Examples of the force generating device built in the gripping member include a thruster, a reaction wheel, a control moment gyro, and the like. However, an increase in the mass and size of the gripping member and a decrease in impact resistance are problems. In addition, such a device is generally expensive, and when the gripping member cannot be recovered, the cost increases when the linear flexible link is cut and a new gripping member is mounted or when the device itself is damaged. End up. Therefore, a method of applying a force to the gripping member from the outside via the linear flexible link is effective, and if the device is built in the gripping member, it is not possible to generate the force via the linear flexible link. Therefore, it is necessary to consider an inexpensive, lightweight and compact device that assists the method of applying force to the gripping member. FIGS. 7A and 7B show examples of methods in which the translational motion can be controlled independently of the rotational motion.
In FIG. 7A, the translational / rotational motion is controlled by the linear flexible link a coupled to a point other than the center of gravity of the gripping member, and only the translational motion is performed by the linear flexible link b coupled to the center of gravity of the gripping member. It is a method that can be controlled.
FIG. 7B shows the
〔システム構成〕
図6に示した把持部材の投射方法、図7に示した線状柔軟リンクと把持部材との結合方法及び繰り出し・巻き取り位置制御法の組み合わせによって様々なシステムを構成することができる。
各方法の組み合わせを整理すると以下のとおりである。
図8に、繰り出し・巻き取り位置制御法としてロボットアームを用いた場合の各方式のシステムの概略を示す。
全てのタイプに関して、「線状柔軟リンクの繰り出し・巻き取り位置の制御装置(ロボットアーム)と把持部材12を繋ぐ線状柔軟リンク11−3」と「把持部材12の重心Gを通る長軸」は同一鉛直面内を運動する。ただし、必要に応じて線状柔軟リンク11−1、11−2の張力やロボットアームによって、鉛直面に垂直な方向の運動を生成することが可能である。また、図8のタイプC及びタイプDでは並進運動による投射方法としてバネを用いた方法を示しているが、水圧、空気圧、火薬などの瞬発力を用いる方法に置き換えることも可能である。
〔System configuration〕
Various systems can be configured by a combination of the gripping member projection method shown in FIG. 6, the linear flexible link and gripping member coupling method shown in FIG. 7, and the feeding / winding position control method.
The combinations of the methods are summarized as follows.
FIG. 8 shows an outline of a system of each system when a robot arm is used as a feeding / winding position control method.
For all types, "linear flexible link 11-3 connecting linear flexible link feeding / winding position control device (robot arm) and gripping member 12" and "long axis passing through center of gravity G of gripping member 12" Move in the same vertical plane. However, it is possible to generate a motion in a direction perpendicular to the vertical plane by the tension of the linear flexible links 11-1 and 11-2 and the robot arm as necessary. 8 shows a method using a spring as a projecting method by translational movement, but it can be replaced with a method using instantaneous force such as water pressure, air pressure, gunpowder.
〔回転運動による投射方法〕
ここで回転運動による投射方法の詳細を述べる。なお、並進運動による投射方法の詳細は省略する。
タイプAでは、図9のような運動を行う。図9(a)のように、点線で示すラインガイド5、5を通る直線の周りを把持部材12の重心Gを通るバー14が点線に平行となるように円運動する。
また、図10の(a)に示すように多回転運動によって投射する方法と、(b)に示すように振り子のような周期的な揺動運動によって投射する方法に分けられる。
[Projection method by rotary motion]
Here, the details of the projection method based on the rotational motion will be described. Details of the projection method by translational motion are omitted.
In Type A, exercise as shown in FIG. 9 is performed. As shown in FIG. 9A, the
Moreover, it can be divided into a method of projecting by a multi-rotation motion as shown in FIG. 10 (a) and a method of projecting by a periodic swing motion like a pendulum as shown in (b).
次に、回転運動を生成する方法について述べる。タイプAにおいて回転運動を生成する方法は以下の2つの方法が考えられる。
(1)線状柔軟リンクの張力を周期的に変える。
(2)回転運動の支点であるラインガイドの位置を周期的に変える。
まず、上記(1)の方法はいわゆる「ブランコこぎの原理」を用いる方法で、図11に示すように振り子運動の中心線(図中の点線)に近いときは把持部材の重心の位置を振り子運動の支点に近づけるように線状柔軟リンクを引き、中心線から遠いときは支点から遠ざかるように線状柔軟リンクを弛める方法である。図11のような把持部材の重心位置が八の字を描くように線状柔軟リンクの張力を制御することによって、振り子運動の振れ角が次第に大きくなり、振り子運動から多回転運動へ遷移させることも可能である。ただし、把持部材の初期位置が図11の点線上にある場合、張力を制御しても上下に運動するだけで、振り子運動が生成されない。この場合、ロボットアームなどで把持部材の初期運動を与える必要がある。
上記(2)の方法は、図9(a)のラインガイドの位置を同図の点線に垂直な一方向に周期的に運動させる方法やラインガイドを同図の点線の周りに周期的に回転させる方法などがある。それぞれの方法により系は共振して周期的な揺動運動、回転運動を始める。また、把持部材の重心を通るバーの端とラインガイドとの間にロボットアームを装着し、アームの振り子動作によって系の周期的な揺動運動、回転運動を生成することも可能である。
次に、タイプBにおいては、タイプAと同様に張力を制御して回転運動を生成することが可能であるが、把持部材とロボットアームとが干渉する場合がある。図12にはロボットアームを振ることによって系の回転運動を生成する方法を示す。なお、ロボットアームは線状柔軟リンクの繰り出し・巻き取り位置を制御するためのものであったが、タイプBではロボットアームを把持部材の投射にも利用することが可能であり、1つの機構で複数の機能を実現することができる。
Next, a method for generating rotational motion will be described. The following two methods can be considered as a method for generating the rotational motion in Type A.
(1) Periodically changing the tension of the linear flexible link.
(2) Periodically changing the position of the line guide, which is a fulcrum of rotational movement.
First, the method (1) is a method using the so-called “principle principle”. When the pendulum motion is close to the center line of the pendulum movement (dotted line in the figure) as shown in FIG. In this method, the linear flexible link is drawn so as to be close to the fulcrum of movement, and when it is far from the center line, the linear flexible link is loosened so as to be away from the fulcrum. By controlling the tension of the linear flexible link so that the position of the center of gravity of the gripping member as shown in FIG. 11 draws an 8-character shape, the swing angle of the pendulum motion gradually increases, and the pendulum motion is shifted to the multi-rotation motion. Is also possible. However, when the initial position of the gripping member is on the dotted line in FIG. 11, even if the tension is controlled, it moves only up and down and no pendulum motion is generated. In this case, it is necessary to give the initial movement of the gripping member with a robot arm or the like.
In the method (2), the position of the line guide in FIG. 9A is periodically moved in one direction perpendicular to the dotted line in FIG. 9 and the line guide is periodically rotated around the dotted line in FIG. There is a method to make it. By each method, the system resonates and starts periodic oscillating motion and rotational motion. It is also possible to mount a robot arm between the end of the bar passing through the center of gravity of the gripping member and the line guide, and generate a periodic swinging motion and rotational motion of the system by the pendulum motion of the arm.
Next, in Type B, as in Type A, it is possible to generate a rotational motion by controlling the tension, but the gripping member and the robot arm may interfere with each other. FIG. 12 shows a method for generating the rotational motion of the system by shaking the robot arm. Although the robot arm is for controlling the feeding / winding position of the linear flexible link, in Type B, the robot arm can be used for the projection of the gripping member and can be used with one mechanism. Multiple functions can be realized.
〔空中における把持部材の運動制御の必要性〕
目標点へ投射した把持部材の運動を制御しなければならない場合がある。例えば、投射した後、飛行中の把持部材が外乱を受けた場合、目標軌道から外れることが考えられる。このとき投射だけの制御では軌道の修正が不可能で目標点へ到着することができない。そこで、線状柔軟リンクを介した力などによって軌道修正する必要がある。また、図13のように目標点が障害物の背後にある場合、点線のような放物線軌道では障害物と干渉してしまい、目標点へ到達できない。そこで、目標点より遠方に投射し、途中で把持部材の運動を制御することによって障害物を回り込むような軌道で目標点へ到達させる必要がある。
[Necessity of motion control of gripping members in the air]
In some cases, it is necessary to control the movement of the gripping member projected to the target point. For example, after the projection, if the gripping member in flight is subjected to a disturbance, it may be out of the target trajectory. At this time, the control of only the projection cannot correct the trajectory and cannot reach the target point. Therefore, it is necessary to correct the trajectory by a force through the linear flexible link. Further, when the target point is behind the obstacle as shown in FIG. 13, the parabolic trajectory such as the dotted line interferes with the obstacle and cannot reach the target point. Therefore, it is necessary to project the object farther than the target point and to reach the target point in a trajectory that wraps around the obstacle by controlling the movement of the gripping member in the middle.
〔空中における把持部材への力の作用方法〕
線状柔軟リンクを介して把持部材に力を与える方法の例として図14に示すような以下の方法が考えられる。
(1)剛体リンクの振り{図14(a)}
(2)ドラム機構による線状柔軟リンクの巻き取り{図14(b)}
(3)繰り出される線状柔軟リンクの拘束{図14(c)}
(4)上記(1)〜(3)の組み合わせ
把持部材を遠方に投射する効果を高めるために線状柔軟リンクを高速にかつできる限り小さい張力で繰り出す必要がある。そこで、より簡便かつ実用的な方法として上記(3)にあたる線状柔軟リンクの拘束のためのブレーキ機構を用いる方法を提案する。
把持部材の飛行中、図15のように線状柔軟リンクはドラムから繰り出されるが、ある適切な時刻にブレーキ機構により線状柔軟リンクの動きを拘束すると、線状柔軟リンクの伸びる方向に関して把持部材の運動は拘束される。このとき、把持部材はあたかも線状柔軟リンクに垂直な方向に生成される仮想的な壁に衝突したときのような挙動を示すと考えられる。このときに、線状柔軟リンクから把持部材に伝達される撃力により、飛行中の把持部材の運動が変わり、位置及び姿勢を制御することが可能となる。
[Method of applying force to the gripping member in the air]
As an example of a method for applying a force to the gripping member via the linear flexible link, the following method as shown in FIG. 14 can be considered.
(1) Swing of rigid link {Fig. 14 (a)}
(2) Winding of the linear flexible link by the drum mechanism {FIG. 14 (b)}
(3) Restriction of extended linear flexible link {FIG. 14 (c)}
(4) Combination of the above (1) to (3) In order to enhance the effect of projecting the gripping member far away, it is necessary to feed the linear flexible link at high speed and with as little tension as possible. Therefore, a method using a brake mechanism for restraining the linear flexible link corresponding to the above (3) is proposed as a simpler and more practical method.
During the flight of the gripping member, the linear flexible link is unwound from the drum as shown in FIG. 15. The movement is restrained. At this time, it is considered that the gripping member behaves as if it collides with a virtual wall generated in a direction perpendicular to the linear flexible link. At this time, the movement of the gripping member during the flight is changed by the striking force transmitted from the linear flexible link to the gripping member, and the position and posture can be controlled.
〔ブレーキによって制御できる量〕
線状柔軟リンクをブレーキする仕方として以下の変数を制御する方法がある。
(1)ブレーキを開始する時刻
(2)ブレーキをかけている継続時間
(3)ブレーキ力
ブレーキ力を制御することは滑り摩擦の制御を行うことであり、そのときの挙動は非常に複雑である。そこで、ここではブレーキ力を制御するのではなく、滑りの影響が無視できるほどの十分な一定のブレーキ力を与える場合を考える。すなわち、(1)、(2)の各変数を制御することを考える。
まず、(1)の拘束開始時刻に関するブレーキの入力のチャートを図16に示す。
チャートは投射してからの時刻に対するブレーキの入力を示している。投射点の時刻を0、拘束点の時刻をtbとする。拘束開始時刻tbを制御することによって、拘束する位置、すなわち把持部材の運動を変える位置を制御することが可能となる。
次に、(1)に加えて(2)の変数である拘束継続時間を図17のチャートに示す。
拘束継続時間Δtbはブレーキを開始してから停止するまでの時間で、線状柔軟リンクを拘束し続けている時間である。このときのブレーキの入力は図17のようにパルス形状になる。拘束継続時間Δtbが大きい場合、把持部材の跳ね返りが大きく、小さい場合は跳ね返りが小さい。拘束継続時間により把持部材の跳ね返り量を制御することが可能となる。
2つの変数、すなわち拘束開始時刻tb及び拘束継続時間Δtbによって、把持部材の運動を変える位置及び把持部材の跳ね返り量を制御することが可能である。
[Amount that can be controlled by the brake]
There is a method of controlling the following variables as a method of braking the linear flexible link.
(1) Time to start braking (2) Duration of braking (3) Brake force Controlling brake force is controlling sliding friction, and the behavior at that time is very complicated . Therefore, here, a case is considered in which the braking force is not controlled, but a sufficiently constant braking force is applied so that the influence of slipping can be ignored. That is, consider controlling the variables (1) and (2).
First, FIG. 16 shows a brake input chart relating to the constraint start time of (1).
The chart shows the brake input with respect to the time since the projection. The time at the projection point is 0, and the time at the constraint point is tb. By controlling the restraint start time tb, it is possible to control the restraint position, that is, the position where the movement of the gripping member is changed.
Next, in addition to (1), the constraint duration which is a variable of (2) is shown in the chart of FIG.
The restraint continuation time Δtb is the time from the start of braking to the stop, and is the time during which the linear flexible link is kept restrained. The brake input at this time has a pulse shape as shown in FIG. When the restraint duration time Δtb is large, the rebound of the gripping member is large, and when it is small, the bounce is small. It is possible to control the amount of rebound of the gripping member according to the constraint continuation time.
The position where the movement of the gripping member is changed and the amount of rebound of the gripping member can be controlled by two variables, that is, the constraint start time tb and the constraint continuation time Δtb.
〔マルチプルブレーキ制御〕
鉛直面内における把持部材の運動は、重心の位置(x、y)、 重心回りの角度(姿勢)φ 、重心の並進速度
図18に示すように、tb(1),Δtb(1)、tb(2),Δtb(2)、tb(3),Δtb(3)の6つの制御変数を扱うことができる。ただし、ブレーキを同時に3回行うことは不可能なので、時々刻々の把持部材の運動を制御できないが、3回目のブレーキが終了後に、目標とする把持部材運動を生成することができる。
[Multiple brake control]
The movement of the gripping member in the vertical plane includes the position of the center of gravity (x, y), the angle around the center of gravity (posture) φ, and the translational speed of the center of gravity.
As shown in FIG. 18, six control variables tb (1), Δtb (1), tb (2), Δtb (2), tb (3), and Δtb (3) can be handled. However, since it is impossible to brake three times at the same time, it is impossible to control the movement of the gripping member from moment to moment. However, after the third brake is finished, a target gripping member movement can be generated.
図19は、把持部材12の運動を制御する運動制御機構の一実施例を示すものであって、把持部材12を投射する手段を省略して記載してある。なお、投射方法については図9を参照されたい。
この実施例においては、把持部材12に駆動源を搭載せずに、複数の線状柔軟リンク11−1、11−2、11−3により把持部材12の外部から把持部材12の運動を制御する機構を実現した。具体的には、把持部材12の重心Gを通り、重心運動に垂直な方向のバー14の両端に並進運動制御用の線状の柔軟リンク11−1、11−2を結合し、把持部材12のハンド15と逆の方向の端16に並進・回転運動制御用の線状の柔軟リンク11−3を結合した機構である。これにより、把持部材12の軽量化を実現することができた。繰り出し・巻き取り機構1、2には、それぞれ線状の柔軟リンク11−1、11−2が巻き付いており、それぞれの回転半径は同じで、両回転軸17、17は結合されているため、同時に同じ長さの線状柔軟リンクを繰り出し・巻き取ることが可能である。また、両回転軸17、17の結合を外して繰り出し・巻き取り機構1、2を独立に制御すると、把持部材12の鉛直面内の運動以外の運動を制御することが可能となる。
繰り出し・巻き取り機構3及びスライダ18は、線状柔軟リンク11−3を介して把持部材12の並進・回転運動を制御するための機構である。
スライダ18は、線状の柔軟リンク11−3の方向と把持部材12の長軸の方向とが一致した場合、把持部材12の回転運動を制御できなくなるため、線状の柔軟リンク11−3の繰り出し・巻き取り位置を変えるための機構である。
FIG. 19 shows an embodiment of a motion control mechanism for controlling the motion of the gripping member 12, and means for projecting the gripping member 12 is omitted. Refer to FIG. 9 for the projection method.
In this embodiment, the movement of the gripping member 12 is controlled from the outside of the gripping member 12 by the plurality of linear flexible links 11-1, 11-2, and 11-3 without mounting the drive source on the gripping member 12. The mechanism was realized. Specifically, linear flexible links 11-1 and 11-2 for translational motion control are coupled to both ends of the
The feeding / winding
When the direction of the linear flexible link 11-3 coincides with the direction of the long axis of the gripping member 12, the
図20は、把持部材12を示したものである。把持部材12は主として、本体部12−1、手の平の部分にあたるアタッカー19及び複数の指21より構成され、手の平の部分にあたるアタッカー19と対象物体13とが衝突するとフック20が外れ、バネ23の力により4本の指21、21、21、21がパッシブに閉じる構造となっている。指21が開いた状態においても、指21の付け根の関節は開く方向に自由なので、指21と対象物体13との衝突に対して衝撃力を緩和できる仕組みとなっている。また、アタッカー19は、図に示すように本体部12−1に対して出没自在に設けられ、緩衝バネ22より衝撃を緩衝される構造となっている。
FIG. 20 shows the gripping member 12. The gripping member 12 is mainly composed of a main body 12-1, an
1 繰り出し・巻き取り機構
2 繰り出し・巻き取り機構
3 繰り出し・巻き取り機構
4 プーリ
5 ラインガイド
6 繰り出し・巻き取り機構の位置制御装置
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 バー
15 ハンド
16 把持部材の端
17 回転軸
18 スライダ
19 アタッカー
20 フック
21 指
22 緩衝バネ
23 バネ
24 結合部
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