JP4181995B2 - ロボットアームに使用可能なケーブルレジューサを備えた関節接続機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームに付属させることが可能な特にケーブルレジューサを含む関節接続機構の提供を目的とする。

一般的には、ロボットは、特定の作業を達成するために変形制御可能な構造と、機械的な伝達又はコンピュータインターフェースによって、主アームの動きを再生する従属アーム、又は、バーチャル環境に命令を送るために操作者により作動される主アームに関連する。

ロボットの、特に主アームには、複数の設計上の制約が重く課される。まず、主アームの操作者は、特に従属アームが作動しているとき、従属アームを直接制御しているかのような感覚を経験することになる。つまり、従属アームが受ける応力は、主アームにおいてかなり正確に再現される。ロボットの異なる部分の連結部、特にジョイント部は、遊びを殆ど無くし、殆ど摩擦はないが、容易にブロッキング可能な精度の高い低慣性伝達部を備えなければならない。最後に、ロボットは可能な限り軽量であることが望ましく、それには、ロボット自体を軽量にするだけでなく、ロボットを動かすために使用されるロボットの制御手段に適切な重量のみが加わり、或いは、逆に、静応力を取り戻すことによりロボットを安定状態に維持するために重量配分することが必要である。

とりわけ、ロボットのジョイント部又は他の連結部を制御するために使用される手段は、ロボットの最重量構成要素の一つであるモータを具備する。モータは可能な限りロボットの基部又は低部に位置付け、それらを持ち上げる、或いは、動かすために必要なモーメントを軽減したり、抑制したりしているのが現状である。次いで、モータと、モータにより駆動され、モータの角速度を低減するロボットのユニットとの間に適切な伝達部を設けることが不可欠である。これは、当該ユニットが直接基部に接続される場合は容易であるが、基部に対して移動可能な別のユニットを介して基部に接続され、それによって別の自由度を提供する場合、ユニットが基部に対して取る位置がさらに複雑となるため適切な伝達部を設計することはかなり困難である。

提案可能な伝達部の一つとして、モータのシャフトと駆動ユニットに属する固定部分との間に張られたケーブルに言及する。そのような伝達部は、主アーム及び従属アームを備えたリモートマニュピレータに採用される。しかし、この場合、ケーブルは、長いために伝達部の剛性を低下させ、またロボットの異なるパーツの動作間を結合させる複雑な軌道を通るという欠点を有する。

互いに直接接続されていない２つのロボット部の間に配設された伝達ケーブルは、通常、中間ユニットに固定されたプーリ上に張られていなければならない。この場合、モータと、中間ユニットと、ケーブルが駆動するユニット上の固定点間の距離が通常異なるために、弾性力によりケーブルの張力に変化が生じ、ロボットの剛性が変化するという欠点を伴うという問題が起こる。ロボットが手動で変位する主アームであり、且つ、モータがフォースフィードバックモータである場合、当該変位に伴ってアームから受ける機械的強度が変化することを感知すると操作者は不快感しか受けないため、この欠点はさらに重大である。

本発明の重要な構成要素として改良型ケーブルレジューサ駆動部が提供される。その最も一般的な実施形態では、本駆動部はロボットアームに付属する関節機構に関し、該関節機構は、基部、該基部に対して第１軸を中心に回転する支持体、及び該支持体に対して第１軸と非平行な第２軸を中心に回転するユニット、並びに該ユニットを回転させるユニットアクチュエータを具備し、該アクチュエータは基部に固定されるモータを具備し、該アクチュエータが、モータシャフトと、第１軸に実質的に接し支持体に対して回転する少なくとも１対のアイドルプーリと、ユニットに接続されたプーリとの間に張られたケーブルをさらに具備し、該ケーブルは実質的に第１軸と同一延長直線上にある一対の撚り線からなり、アイドルプーリとユニットのプーリは前記一対の撚り線の各々がユニットのプーリとアイドルプーリとを繋ぐように配設されることを特徴とする。

ケーブルが実質的に第１軸と同一延長直線上にある一対の撚り線からなる形状を有することによって、中間支持体が第１軸を中心に回転する際、ケーブルの伸展及び張力が殆ど変化しないことが保証される。当該機構の設計を改良すると、この所望されない伸展を軽減することがさらに可能となる。

本発明の特定の有利な特徴によれば、モータのシャフトは、アイドルプーリとモータのシャフトとの間において２つのアイドルプーリの回転軸に垂直であり、ケーブルは２つの直線的な撚り線を形成し、直線状の伝達部はモータシャフトとケーブル間に介在する。

本発明のさらに複雑な実施形態では、基部と、該基部に対して第１軸を中心に回転する支持体とを具備した、ロボットアームに付属する関節機構を提供しており、該関節機構は、連結機構を通じて１つのアームを制御するための２つのプーリと、制御プーリの２台のアクチュエータとを具備し、各々の該アクチュエータは、基部に対して固定されたモータ；及び、モータシャフトと、実質的に第１軸に接し基部に対して回転する一対のアイドルプーリと、制御プーリのうちの１つとの間に張られたケーブル；を具備し、
アイドルプーリ及び制御プーリは、ケーブルが、第１軸と実質的に同一延長直線上に一対の撚り線を形成し、各撚り線が１台の制御プーリと１台のアイドルプーリを繋ぐように配設されており、；有利には、リンク機構が、一方の制御プーリに堅固に接続されたユニットと、他方の制御プーリに関節接続したロッドとを具備し、アームは接続したロッドとユニットとで関節をなし、；制御プーリは平行であることを特徴とする。

図１ないし３は、本発明の３つの実施形態を示しており、図４は本発明が有利に使用されるさらに複雑な見取り図である。

連続的に図示され、進歩性を有する３つの好ましい実施形態は、固定されていてもされていなくともよい基部１、第１軸Ｙ上に配向された支軸３を中心に回転することにより、基部１上に取り付けられた支持体２、及び第２軸Ｚを中心に回転する支軸７を介して支持体２のアーム６に取り付けられたユニット５を含めた、図１に示す特定の共通構成要素を具備する。ここで、支持体２とユニット５は運動可能であるが、軸ＹとＺは直交状態を維持する。その他の実施形態では、軸ＹとＺは単純に平行ではない。第１モータ８は、モータ８の出力シャフト１０上の歯車９からなる基本的な伝達部と支持体２の周面に切設された嵌合歯とにより支持体２を駆動して回転させる。

第２モータ１２は、ユニット５を駆動する。第２モータは、第１モータ８と同様に、基部１に固定されるので、より複雑な伝達部を介してユニット５を駆動することしかできない。前記伝達部がギアの換わりにベルト、ケーブル等を具備してもよいのに対し、とりわけ、第２モータ１２とユニット５との間の複合伝達部１３が、モータ１２の出力シャフト１６に配設された駆動プーリ１５と、それぞれ支軸２０と２１により基部１のアーム１９に取り付けられた一対のアイドルプーリ１７と１８と、ユニット５に一体的に堅固に固定された被駆動プーリ２２との間に張られたケーブル１４を具備することを推奨する。ケーブル１４は、被駆動プーリ２２の周囲を巻いて、所望のクリアランスを得るのに十分な部分を覆い、また滑り落ちるのを防止するのに十分な摩擦でケーブル１４を保持するように駆動プーリ１５の周囲を数回巻いている。アイドルプーリ１７と１８の支軸２０と２１は、第１軸Ｙと直交し、被駆動プーリ２２と、アイドルプーリ１７と１８それぞれとの間に張られたケーブル１４が第１軸Ｙと実質的に同一延長線上にある一対の撚り線２３及び２４を形成するように、第１軸から少し間隔を空けて位置している。

支持体２が第１軸Ｙを中心に回転することによって撚り線２３及び２４の位置が微小に変化するだけなので、ケーブルの張力には殆ど影響はなく、所望の結果となる。ケーブル１４は、十分な摩擦でもってケーブルを駆動できるように、一般的には駆動プーリ１５の周りに数回巻かれていることと、従って、それぞれアイドルプーリ１７及び１８に繋がるケーブル１４の対応する撚り線（参照番号２５及び２６）は同一平面上にはないこととに注意されたい。有利には、プーリ１７及び１８は、モータの動作中にそれぞれ撚り線２３と２５、又は１４と２４により形成された平面上に配置される。

しかし、そのとき支軸２０と２１の軸は平行ではなく、これは不利益となり得る。

図２の実施形態は、第２モータの位置及び上記のような欠点を伴わないケーブル形状を有する点で前記実施形態とは異なる。説明が修正又は補完される第１の実施形態に対応する構成要素は、参照符号に１００が加えられている。

ケーブル１１４は、モータ１１２のシャフト１１６と、前記アイドルプーリ１７及び１８との間にそれぞれ配設されたさらに２つのアイドルプーリ３０と３１との間に張られている。ケーブル１１４は、駆動プーリ１１５と被駆動プーリ２２との間で矩形を形成する。

図２の配置構成を取る場合、モータ１１２のシャフト１１６が第２軸Ｚ及び第１軸Ｙと直交し、及び、そのプーリ１１５が追加のアイドルプーリ３０及び３１を通過する平面と実質的に接するようにモータ１１２が配向されると、当該配置構成が有効となる。そのとき、追加のアイドルプーリ３０及び３１から被駆動プーリ１１５に伸びるケーブル１１４の撚り線３２及び３３は実質的に同一平面上にあり、ケーブル１１４の残りの部分も同一平面上にある。一方この時、ケーブル１１４はアイドルプーリ１７、１８、３０及び３１の溝内で直線状に張られた状態で維持されている。

図１に戻ると、駆動シャフト１６の回転によって、プーリ１５の一方の側で巻き緩みが起こり、他方の側で巻き足しが起こる（つまり、Ｘ方向への、又は駆動シャフト１６に沿った巻き付けの積み重なりの変位）が起こることが分かる。これによりケーブル１４の張力が変動する可能性があり、そうなると本発明の目的を完全に達成することができない。図２の実施形態では、ケーブル１１４には、まだ残留伸展力が存在しているが、ケーブル１１４が含まれる平面から該ケーブル１１４を実質的に移動させずにケーブルの伸展が行われるので、いずれにせよ、より安定した機構機能が達成される。

図３の構成を採用することによりケーブルのこのような残留伸展力は完全に除去される。図３は、ケーブル（ここでは２１４）が駆動プーリに巻かれておらず、駆動シャフト２１６のプーリ２１５の周りに巻かれた追加ケーブル４１を有するラック４０等の直線状伝達部に固定されている点で前実施形態と異なる。このようなシステムでは、駆動シャフト２１６の回転によりラック４０が直線的に（垂直に）変位し、全く形状を変化させずにケーブル２１４自体を滑動させる。巻き付けの積み重なりの変位に連続して起こる歪は、追加ケーブル４１により抑えられる。本実施形態では、前記実施形態の場合よりケーブル２１４の張力が支持体２又はユニット５の運動に依存する度合いが小さい。

駆動モータ１２、１１２又は２１２をユニットからさらに離れた他の位置に配置すべき場合は、他のアイドルプーリを追加することができることにも注意されたい。また、該追加したアイドルプーリは奇数個であってもよい。同様に、部材５の回転軸Ｚを別の位置又は別の向きに配置するために、アイドルプーリを部材２に配設することができる。

以上、フォースフィードバックモータを備えた主アームに関して本発明を説明した。また、本発明は、これらの同じモータが変位制御を行うロボットにも適用できる。

前記機構を含めたロボットアームの関節構成を図４に示す。

実際、図４は図１の実施形態を改良したものであり、ユニット５や第２モータ１２等に加えて、第３モータ６０と、駆動プーリ６２を備えた出力シャフト６１と、一対のアイドルプーリ６６及び６７と、第２軸Ｚを中心に回転する前記被駆動プーリ２２と平行な被駆動プーリ６５とを具備する類似機構をみることができる。ケーブル６３は、他の機構のアイドルプーリ１７と１８にそれぞれ隣接するアイドルプーリ６６と６７を通過させることにより、駆動プーリ６２と被駆動プーリ６５との間に張られている。また、アイドルプーリ６６と６７をプーリ６５に接続するケーブル６３の撚り線７０と７１は、それら自体が第２軸Ｙと実質的に一致する。ケーブル１４と６３は、モータ１２と６０を基部１上に維持したまま互いから離間するように該モータを多少移動させるため、前記ケーブル１４と６３が鋭角を形成する面に位置する。

接続ロッド６８は、被駆動プーリ６５と関節をなすことができる。このような平行四辺形型の機構もケーブルにより達成することができる。このため、１又は複数のケーブルの撚り線が部材６５と６９に取り付けられたプーリに固定され、それらの軸がそれぞれ軸Ｚを通過し、且つ、部材５と６９の連結軸を通過することにより、部材６９に制御プーリ６５の運動を伝達させる。垂直面におけるアーム６９の変位はモータ１２と６０のジョイント部の運動により制御することができ、それにより、被駆動プーリ２２と６５の双方が独立的に回転することと、アーム６９の支軸面の位置がモータ８と共に変更されることとが理解される。モータ１２と６０により制御される双方の伝達システムは、被駆動プーリ２２と６５に隣接したケーブル１４と６３の撚り線とＹ軸とが近接するため、ほぼ完全に本発明の利点を享受する。アーム６９の末端は空間的にあらゆる位置を取ることが可能であり、一方、この位置を制御する３台のモータは全て基部１に固定され、小型の組立体を形成することに注意されたい。それによって形成されたロボットはあまり大型でなく、アーム６９は露出され、モータは固定された（又は少なくとも移動可能な）ロボットの基台部分に一体形成される。そして、ユニット５、接続ロッド６８及びアーム６９は、モータの重量により発生する応力に耐える必要はなく、さらに軽量となるように組み立てることができる。例えば、６の自由度を備えたロボットを作成するために、図４のロボットにハンドルが付加されてもよい。

本発明の第１実施形態を図示している。 本発明の第２実施形態を図示している。 本発明の第３実施形態を図示している。 本発明の第４実施形態を図示している。

Claims (7)

1. 基部（１）と、該基部に対して第１軸（Ｙ）を中心に回転する支持体（２）と、該支持体（２）に対して第１軸と非平行な第２軸（Ｚ）を中心に回転するユニット（５）と、該ユニットを回転させるためのユニットのアクチュエータとを具備する、ロボットアームに付属の関節接続機構であって、該アクチュエータは、基部に固定されたモータを具備し、
   該アクチュエータは、さらに、
   モータのシャフト上で張られたケーブル（１４）と、
   基部上で回転する少なくとも２つのアイドルプーリ（１７，１８）と、
   ユニット（５）に取付けられ、支持体上で回転するユニットプーリ（２２）と、
   を具備し、
   前記２つのアイドルプーリ（１７，１８）は、第１軸に接し、
   ケーブルは、ユニットプーリとアイドルプーリの２つとのそれぞれの間を延びる２つの撚り線からなり、該撚り線が、第１軸に隣接して一直線になっていることを特徴とする関節機構。
2. アイドルプーリのすべてが一平面内にあり、モータのシャフトが前記アイドルプーリの一平面に接している請求項１に記載の関節機構。
3. モータのシャフト（１１６，２１６）が、前記回転する第１軸と直交する請求項１又は２に記載の関節機構。
4. アクチュエータは、基部（１）上で直線的に変位する伝達部（４０）を具備し、ケーブル１４の両端は伝達部に取付けられ、モータのシャフトは伝達部を移動させる請求項１に記載の関節機構。
5. 基部（１）と、該基部に対して第１軸（Ｙ）を中心に回転する支持体（２）とを具備するロボットアームに付属の関節接続機構であって、
   アーム（６９）を制御し、支持体上で回転する２つの制御プーリ（２２，６５）であって、第１軸（Ｙ）と非平行な第２軸（Ｚ）を中心にして回転するとともに互いに平行な２つの制御プーリ（２２，６５）と、該制御プーリの２台のアクチュエータとを具備し、
   該アクチュエータの各々は、基部に固定されたモータ（１２，６０）と、モータのシャフト（１６，６１）上で張られたケーブル（１４，６３）と、基部上で回転する少なくとも２つのアイドルプーリ（１７，１８と６６，６７）と、制御プーリ（２２，６５）の一方とをそれぞれ具備し、
   前記アイドルプーリ（１７、１８と６６、６７）は、第１軸と平行な軸にそれぞれ接し、
   各ケーブルが、それぞれ、制御プーリ（２２，６５）の一方とアイドルプーリ（１７，１８と６６，６７）の２つとのそれぞれの間に延びる２本の撚り線からなり、
   ケーブルのそれぞれについて、撚り線が第１軸に隣接して平行に一直線になっている関節機構。
6. アームと制御プーリとの間の連結機構を含み、
   一方の制御プーリ（２２）に堅固に取付けられたユニット（５）と、他方の制御プーリ（６５）に関節接続された接続ロッド（６８）とを具備し、
   アーム（６９）は接続ロッドとユニットとに関節接続される請求項５に記載の関節接続機構。
7. 前記２つのケーブルは第１軸と平行な各平面に延び、該各平面は互いに角度をなし、制御プーリは同軸であり、モータシャフトは互いに対向している請求項５に記載の関節接続機構。

Images