JP4442464B2 - Articulated arm mechanism - Google Patents
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Description
この発明は、種々の負荷を支持した姿勢でアーム先端の剛性制御を必要とする多関節アーム機構に関する。 The present invention relates to an articulated arm mechanism that requires arm tip rigidity control in a posture in which various loads are supported.
一般に「多関節アーム機構」と称される、長尺状に形成された第1のアームの後端を動作の基点となるベース部に回転可能に接続し、さらに、第1のアームの先端を長尺状に形成された第2のアームの後端に回転可能に接続した機構がある(例えば、特許文献1参照)。このような機構は、例えば、ロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置に用いられている。 A rear end of a first arm that is generally formed as an “articulated arm mechanism” is rotatably connected to a base portion that is a base point of operation, and the front end of the first arm is There is a mechanism that is rotatably connected to the rear end of the second arm formed in a long shape (see, for example, Patent Document 1). Such a mechanism is used in devices such as robots, manipulators, and power shovels, for example.
図12は、従来の多関節アーム機構の第1の構成例を示す図である。なお、関節の数は、図12に示す例では、2つだけであるが、3つ以上の場合もある。また、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。 FIG. 12 is a diagram illustrating a first configuration example of a conventional articulated arm mechanism. In the example shown in FIG. 12, the number of joints is only two, but there may be three or more. Further, in the figure, white circles indicate rotatable parts.
図12に示すように、第1の構成例の多関節アーム機構1は、第1のアーム10の後端が関節部20を介してベース5に回転可能に接続され、また、第1のアーム10の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ30の先端に回転可能に接続され、さらに、第1のアーム10の先端が関節部50を介して第2のアーム40の後端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構1は、アクチュエータ30が伸縮することによって、第1のアーム10が関節部20を中心にして回転する。なお、アクチュエータ30の後端は、ベース5に回転可能に接続されている。
As shown in FIG. 12, the
また、多関節アーム機構1は、第2のアーム40の後端が関節部50を介して第1のアーム10に回転可能に接続され、また、第2のアーム40の略中央が油圧シリンダなどの伸縮するアクチュエータ60の先端に回転可能に接続されている。このような多関節アーム機構1は、アクチュエータ60が伸縮することによって、第2のアーム40が関節部50を中心にして回転する。なお、第2のアーム40の先端は、自由端となっており、アクチュエータ30または60が伸縮することによって、位置が移動する、または、外部に対して力を与える、または、外部から力(負荷)が与えられているときには外部から与えられた力に対する復元力(剛性)が発生する。また、アクチュエータ60の後端は、関節部50に回転可能に接続されている。
In the
ところで、図12に示す多関節アーム機構1は、第1のアーム10の後端に対する第2のアーム40の先端の位置と力と剛性の独立した制御が制御理論的にきわめて困難なため、第2のアーム40の先端に対して近似的に位置と力と剛性の制御を行っている。しかしながら、多関節アーム機構1は、自由端である第2のアーム40の先端に大きな負荷が与えられた場合に、正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があった。
In the articulated
そこで、多関節アーム機構1は、第2のアーム40の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるように、アクチュエータ30,60が負荷に比べて過大な出力および制動力を持つとともに、そのアクチュエータ30,60を駆動する電源(図示せず)が過大な容量を持つように構成されていた。これにより、多関節アーム機構1は、自由端である第2のアーム40の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行えるようにはなった。しかしながら、このように構成された多関節アーム機構1は、アクチュエータ30,60が過大な出力および制動力を持つとともに、電源が過大な容量を持つため、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。
Therefore, the
そこで、第1の構成例の問題を解決する多関節アーム機構として、図13に示す、第2の構成例が提供された。 Therefore, a second example configuration shown in FIG. 13 is provided as an articulated arm mechanism that solves the problem of the first example configuration.
図13は、従来の多関節アーム機構の第2の構成例を示す図である。なお、図中、白丸は、回転可能な部位を示している。 FIG. 13 is a diagram illustrating a second configuration example of a conventional articulated arm mechanism. In the figure, white circles indicate rotatable parts.
図13に示すように、第2の構成例の多関節アーム機構2は、第1の構成例の多関節アーム機構1の構成要素に、アクチュエータ70が追加されている。このアクチュエータ70は、先端が第2のアーム40に回転可能に接続され、かつ、後端がベース5に回転可能に接続されており、アクチュエータ30とアクチュエータ60とが協同的に行う回転動作に拮抗する回転動作を行う。このような多関節アーム機構2は、3つのアクチュエータ30,60,70を同時に作動させることによって、第2のアーム40の先端の位置と力と剛性を別個に制御することができる。そのため、多関節アーム機構2は、アクチュエータ30,60の出力および制動力や電源の容量を必要量だけにとどめることができる。その結果、多関節アーム2は、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題を解決しつつ、第2のアーム40の先端に大きな負荷が与えられた場合でも正確かつ迅速な位置決め制御が容易に行える。
As shown in FIG. 13, in the
しかしながら、多関節アーム2は、追加のアクチュエータ70が必要である。また、追加のアクチュエータ70を駆動させるために、電源の容量を増大させる必要もある。そのため、多関節アーム機構2は、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。
従来の第1の構成例には、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題があり、これを解決しようとすると、新たに、構造が大型化するとともに、コストが高騰し、操作性が低下するという問題が生じていた。 In the conventional first configuration example, there is a problem that it is difficult to perform accurate and quick positioning control when a large load is applied to the free end. As the size of the device increases, the cost increases and the operability decreases.
また、第1の構成例の問題を解決したとされる第2の構成例には、重量が増大するとともに、コストが高騰するという問題があった。 Further, the second configuration example, which is supposed to solve the problem of the first configuration example, has a problem that the weight increases and the cost increases.
したがって、従来は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができなかった。 Therefore, conventionally, there are problems that it is difficult to perform accurate and quick positioning control when a large load is applied to the free end, a problem that the structure is enlarged, a problem that the cost is increased, and operability. The problem of lowering and the problem of increasing weight could not be solved at the same time.
前述の課題を解決するために、第1の発明に係る多関節アーム機構は、動作の基点となるベース部と、ベース部に回転可能に接続される第1のアームと、ベース部と第1のアームとを接続する第1の関節部と、第1の関節部を中心にして第1のアームを回転させる第1のアクチュエータと、第1のアームに回転可能に接続される第2のアームと、第1のアームと第2のアームとを接続する第2の関節部と、第2の関節部を中心にして第2のアームを回転させる第2のアクチュエータとを有する。そして、第1の関節部は、ベース部に固定された第1の弾性力伝達部を備え、第2の関節部は、第2のアームに固定された第2の弾性力伝達部を備え、第1の弾性力伝達部と第2の弾性力伝達部は、第1のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第1の係止部と弾性を有する第2の係止部とによって係止されている。 In order to solve the above-described problem, an articulated arm mechanism according to a first invention includes a base portion serving as a base point of operation, a first arm rotatably connected to the base portion, a base portion, and a first portion. A first joint that connects the first arm, a first actuator that rotates the first arm around the first joint, and a second arm that is rotatably connected to the first arm And a second joint that connects the first arm and the second arm, and a second actuator that rotates the second arm around the second joint. The first joint portion includes a first elastic force transmission portion fixed to the base portion, and the second joint portion includes a second elastic force transmission portion fixed to the second arm, The first elastic force transmitting portion and the second elastic force transmitting portion have a first locking portion having elasticity and a second locking portion having elasticity on both sides of the rotation plane across the first arm. And is locked by.
第1の発明に係る多関節アーム機構は、2つの係止部が2つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。 In the multi-joint arm mechanism according to the first invention, the two locking portions simultaneously apply an elastic force to the elastic force transmitting portions of the two joint portions.
第1の発明に係る多関節アーム機構は、従来の第2の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第2の構成例よりも減らしながら(すなわち、従来の第1の構成例と同じにしながら)、自由端である第2のアームの先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。 In the multi-joint arm mechanism according to the first invention, compared to the conventional second configuration example, one of the actuators is replaced with a locking portion having elasticity, so the number of actuators is the same as that of the conventional second configuration. It is possible to easily control the position, force, and rigidity of the tip of the second arm, which is the free end, while reducing the number of examples (that is, the same as the conventional first configuration example).
そのため、第1の発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。 Therefore, the articulated arm mechanism according to the first invention has a problem that it is difficult to perform accurate and quick positioning control when a large load is applied to the free end, a problem that the structure is enlarged, and a cost. Simultaneously solves the problem of rising soaring, the problem of reduced operability, and the problem of increased weight.
しかも、第1の発明に係る多関節アーム機構は、2つの係止部の弾性力が、2つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、第1の発明に係る多関節アーム機構は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、2つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。 Moreover, the multi-joint arm mechanism according to the first invention acts simultaneously so that the elastic forces of the two locking portions are automatically harmonized with the elastic force transmitting portions of the two joint portions. . Therefore, the articulated arm mechanism according to the first invention can maintain a constant force and rigidity by the elastic force of the two locking portions even for a large input or a fast input that the actuator cannot respond to, In particular, it is possible to easily realize a quick operation such as flexibly capturing falling objects and flying objects.
その上、第1の発明に係る多関節アーム機構は、2つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、第1の発明に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。 In addition, the multi-joint arm mechanism according to the first aspect of the present invention is configured by two simple locking members, such as a tension coil spring, a torsion bar, and a torsion coil spring, which are simple and inexpensive members that do not require power. can do. Therefore, the articulated arm mechanism according to the first invention can be configured with a simple member that does not require power and at a low cost.
第2の発明に係る多関節アーム機構は、第1の発明に係る多関節アーム機構の構成要素に加え、さらに、第2のアームに回転可能に接続される第3のアームと、第2のアームと第3のアームとを接続する第3の関節部と、第3の関節部を中心にして第3のアームを回転させる第3のアクチュエータとを有する。そして、第2の関節部は、第2の弾性力伝達部に加え、さらに、第1のアームに固定された第3の弾性力伝達部を備え、第3の関節部は、第3のアームに固定された第4の弾性力伝達部を備え、第3の弾性力伝達部と第4の弾性力伝達部は、第2のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第3の係止部と弾性を有する第4の係止部とによって係止されている。 The multi-joint arm mechanism according to the second invention includes, in addition to the components of the multi-joint arm mechanism according to the first invention, a third arm rotatably connected to the second arm, A third joint that connects the arm and the third arm; and a third actuator that rotates the third arm about the third joint. In addition to the second elastic force transmission unit, the second joint unit further includes a third elastic force transmission unit fixed to the first arm, and the third joint unit includes the third arm. A third elastic force transmitting portion fixed to the third elastic force transmitting portion, and the third elastic force transmitting portion and the fourth elastic force transmitting portion are elastic on both sides of the rotation plane across the second arm. And the fourth locking portion having elasticity.
第2の発明に係る多関節アーム機構は、4つの係止部が3つの関節部の弾性力伝達部に対して同時に弾性力を作用する。 In the multi-joint arm mechanism according to the second invention, the four locking portions simultaneously apply elastic force to the elastic force transmitting portions of the three joint portions.
第2の発明に係る多関節アーム機構は、例えば、2足歩行型のロボットの脚部に用いることができる。この場合、第2の発明に係る多関節アーム機構の各構成要素は、ベース部が胴体として機能し、第1のアームが大腿として機能し、第1の関節部が股関節として機能し、第2のアームがすねとして機能し、第2の関節部がひざ関節として機能し、第3のアームが足として機能し、第3の関節部が足首関節として機能する。 The multi-joint arm mechanism according to the second invention can be used, for example, for a leg portion of a biped robot. In this case, in each component of the multi-joint arm mechanism according to the second invention, the base portion functions as a trunk, the first arm functions as a thigh, the first joint portion functions as a hip joint, The arm functions as a shin, the second joint functions as a knee joint, the third arm functions as a foot, and the third joint functions as an ankle joint.
第2の発明に係る多関節アーム機構は、第3と第4の弾性力伝達部が、第1の発明に係る多関節アーム機構における第1と第2の弾性力伝達部と同様に作用する。そのため、第2の発明に係る多関節アーム機構は、3つの関節部を有する構成で、2つの関節部を有する第1の発明に係る多関節アーム機構と同様の動作を実現することができる。 In the multi-joint arm mechanism according to the second invention, the third and fourth elastic force transmission portions act in the same manner as the first and second elastic force transmission portions in the multi-joint arm mechanism according to the first invention. . Therefore, the multi-joint arm mechanism according to the second aspect of the invention has a configuration having three joint parts, and can realize the same operation as the multi-joint arm mechanism according to the first aspect of the invention having two joint parts.
この発明に係る多関節アーム機構は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決することができる。 The articulated arm mechanism according to the present invention has a problem that accurate and quick positioning control is difficult when a large load is applied to the free end, a problem that the structure becomes large, and a cost increase. The problem, the problem that the operability is lowered, and the problem that the weight is increased can be solved simultaneously.
この発明は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決する多関節アーム機構を提供することを目的とする。このような目的を達成するために、この発明では、多関節アーム機構を以下のように構成する。すなわち、ベース部と第1のアームとを接続する第1の関節部が、ベース部に固定された第1の弾性力伝達部を備え、第1のアームと第2のアームとを接続する第2の関節部が、第2のアームに固定された第2の弾性力伝達部を備え、第1の弾性力伝達部と第2の弾性力伝達部は、第1のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第1の係止部と弾性を有する第2の係止部とによって係止されているように、多関節アーム機構を構成する。 This invention has a problem that it is difficult to perform accurate and quick positioning control when a large load is applied to the free end, a problem that the structure is enlarged, a problem that the cost is increased, and a decrease in operability. An object of the present invention is to provide an articulated arm mechanism that simultaneously solves the problem of increasing the weight and the problem of increasing weight. In order to achieve such an object, in the present invention, the articulated arm mechanism is configured as follows. In other words, the first joint portion connecting the base portion and the first arm includes the first elastic force transmission portion fixed to the base portion, and the first joint connecting the first arm and the second arm. The two joint portions include a second elastic force transmission portion fixed to the second arm, and the first elastic force transmission portion and the second elastic force transmission portion rotate with the first arm interposed therebetween. The multi-joint arm mechanism is configured so as to be locked on both sides of the plane by the first locking portion having elasticity and the second locking portion having elasticity.
以下に、図を参照してこの発明の実施の形態を説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさおよび配置関係を、この発明を理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、この発明は図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each drawing merely schematically shows the shape, size, and arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated example. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the common component and the same component, and those overlapping description is abbreviate | omitted.
<実施例1に係る多関節アーム機構の構成>
以下に、実施例1に係る多関節アーム機構の構成について説明する。なお、ここでは、関節部の数が2つとなっている2関節アーム機構を例にして説明する。
<Configuration of articulated arm mechanism according to
The configuration of the articulated arm mechanism according to the first embodiment will be described below. Here, a two-joint arm mechanism having two joint parts will be described as an example.
図1は、実施例1に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図2は、実施例1に係る多関節アーム機構の構成を示す上面図である。なお、図1と図2は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、後述のベースアーム106や第1と第2のアーム110,140は、その中心線のみを示している。また、図1では、後述のギア124,132,154,162の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
FIG. 1 is a side view illustrating the configuration of the multi-joint arm mechanism according to the first embodiment, and FIG. 2 is a top view illustrating the configuration of the multi-joint arm mechanism according to the first embodiment. 1 and 2 schematically show each component, and in particular, a
図1と図2に示すように、実施例1に係る多関節アーム機構(以下、2関節アーム機構と称する場合もある)100は、動作の基点となるベース部104と、ベース部104に回転可能に接続される第1のアーム110と、ベース部104と第1のアーム110とを接続する第1の関節部120と、第1のアーム110を回転させる第1のモータ130と、第1のアーム110に回転可能に接続される第2のアーム140と、第1のアーム110と第2のアーム140とを接続する第2の関節部150と、第2のアーム140を回転させる第2のモータ160とを有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the multi-joint arm mechanism (hereinafter also referred to as a “two-joint arm mechanism”) 100 according to the first embodiment rotates to a
ベース部104は、例えばロボットやマニュピレータ、パワーショベルなどの装置本体、または、壁や床などの固定対象であるベース105と、ベース105から張り出した長尺部材であるベースアーム106とを備える。なお、ここでは、ベース105が、第1と第2のモータ130,160の駆動を制御する制御部109を有しているものとする。この制御部109は、各関節部の平衡点からの回転角度(以下、関節角度と称する)に応じて各関節部を回転させる第1と第2のモータ130,160の剛性を変更するプログラムが格納されたCPUである。また、ベース部104は、任意の点を空間座標における原点として第1と第2のアームを回転動作させる。ここでは、第1と第2のアーム110,140の回転動作の空間座標における原点を、ベースアーム106の先端(すなわち、第1関節部120の回転の中心位置)とする。
The
第1のアーム110は、長尺な部材であり、後端が後述の第1のプーリ126に固定されている。第1のアーム110は、第1のモータ130が回転することにより、後述の第1の関節軸122を中心にして回転する。なお、第1のアーム110は、後端に、回転角度を規制するための突起112が設けられている。
The
第1の関節部120は、第1の関節軸122と、ギア124と、ベース部104のベースアーム106に固定された第1のプーリ126と、第1の関節部120(具体的には、ギア124)の関節角度(すなわち、第1のアーム110の回転角度)を測定する第1の測定手段128とを備える。第1の関節軸122とギア124と第1のプーリ126は、それぞれ、ベースアーム106の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第1の関節軸122と第1のプーリ126は、ベースアーム106の先端に固定されており、第1のモータ130が回転しても、ベースアーム106に対して回転しない。他方、ギア124は、ベースアーム106の先端に回転可能に配置されており、第1のモータ130が回転すると、ベースアーム106に対して回転する。なお、ギア124は、第1のアーム110に固定され、第1の関節軸122を中心にして第1のモータ130によって第1のアーム110とともに回転する第1の動力伝達部となっている。第1の測定手段128は、例えば、ベースアーム106に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第1の測定手段128は、例えば、ギア124に固定されたスリット板とベースアーム106に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第1の測定手段128は、測定した第1の関節部120の関節角度(すなわち、第1のアーム110の回転角度)を、図示しない配線を介して制御部109に出力する。
The first
第1のモータ130は、第1のアーム110を回転させる第1のアクチュエータである。第1のモータ130は、ベース部104のベースアーム106に固定され、かつ、第1の関節部120のギア124と噛み合うギア132が取り付けられている。第1のモータ130は、制御部109の制御により回転力を発生して、ギア132を介して、ギア124に固定された第1のアーム110を回転させる。なお、第1のモータ130をベースアーム106に固定する位置は、図1に直角記号として示すように、第1のモータ130のギア132の外周がベースアーム106の中心線と接するとともに、ギア132が第1の関節部120のギア124と噛み合う位置である。
The
第2のアーム140は、長尺な部材であり、後端が後述の第2のプーリ156に固定されている。第2のアーム140は、第2のモータ160が回転することにより、後述の第2の関節軸152を中心にして第2のプーリ156とともに回転する。なお、第2のアーム140は、後端に、回転角度を規制するための突起142が設けられている。実施例1では、この第2のアーム140の先端が、自由端となる。
The
第2の関節部150は、第2の関節軸152と、ギア154と、第2のアーム140に固定された第2のプーリ156と、第2の関節部150(具体的には、ギア154)の関節角度(すなわち、第2のアーム140の回転角度)を測定する第2の測定手段158とを備える。第2の関節軸152とギア154と第2のプーリ156は、それぞれ、第1のアーム110の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第2の関節軸152は、第1のアーム110の先端に固定され、ギア154と第2のプーリ156は、第1のアーム110の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア154は、第2のアーム140に固定され、第2の関節軸152を中心にして第2のモータ160によって第2のアーム140とともに回転する第2の動力伝達部となっている。また、第2のプーリ156は、ギア154とともに第2のアーム140に固定され、第2のモータ160によってギア154が回転すると、第2の関節軸152を中心にして第2のアーム140とともに回転する。第2の測定手段158は、例えば、第1のアーム110に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第2の測定手段158は、例えば、ギア154に固定されたスリット板と第1のアーム110に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第2の測定手段158は、測定した第2の関節部150の関節角度(すなわち、第2のアーム140の回転角度)を、図示しない配線を介して制御部109に出力する。制御部109は、第1と第2の測定手段128,158から出力された第1と第2の関節部120,150の関節角度に基づいて、第1と第2のモータ130,160の剛性を変更する。
The second joint 150 includes a second
第2のモータ160は、第2のアーム140を回転させる第2のアクチュエータである。第2のモータ160は、第1のアーム110に固定され、かつ、第2の関節部150のギア154と噛み合うギア162が取り付けられている。第2のモータ160は、制御部109の制御により回転力を発生して、ギア162を介して、ギア154に固定された第2のプーリ156と第2のアーム140とを回転させる。なお、第2のモータ160を第1のアーム110に固定する位置は、図1に直角記号として示すように、第2のモータ160のギア162の外周が第1のアーム110の中心線と接するとともに、ギア162が第2の関節部150のギア154と噛み合う位置である。
The
第1の関節部120の第1のプーリ126と第2の関節部150の第2のプーリ156は、第1のアーム110の両側で、弾性を有する第1の係止部210と弾性を有する第2の係止部220によって係止されている。なお、第1のプーリ126は、第1の係止部210の弾性力と第2の係止部220の弾性力を第1の関節軸122に伝達する第1の弾性力伝達部となっている。また、第2のプーリ156は、第1の係止部210の弾性力と第2の係止部220の弾性力を第2の関節軸152に伝達する第2の弾性力伝達部となっている。
The
第1の係止部210は、例えば、弾性体である第1の引張りコイルスプリング212と2本のワイヤ214,216を備える構成として形成されている。第1の係止部210のワイヤ214は、先端が第1の引張りコイルスプリング212の後端のフックに固定され、後端が第1のプーリ126の外周に巻きつけられて固定されている。第1の引張りコイルスプリング212は、先端のフックがワイヤ216の後端に固定され、後端のフックがワイヤ214の先端に固定されている。ワイヤ216は、先端が第2のプーリ156の外周に巻きつけられて固定され、後端が第1の引張りコイルスプリング212の先端のフックに固定されている。
The
また、第2の係止部220は、例えば、弾性体である第2の引張りコイルスプリング222と2本のワイヤ224,226を備える構成として形成されている。第2の係止部220のワイヤ224は、先端が第2の引張りコイルスプリング222の後端のフックに固定され、後端が第1のプーリ126の外周にワイヤ214の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第2の引張りコイルスプリング222は、先端のフックがワイヤ226の後端に固定され、後端のフックがワイヤ224の先端に固定されている。ワイヤ226は、先端が第2のプーリ156の外周にワイヤ216の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第2の引張りコイルスプリング222の先端のフックに固定されている。
Moreover, the 2nd latching | locking
なお、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222は、第1と第2のアーム110,140が回転していない状態(すなわち、第1と第2のアーム110,140の各先端が同一方向を向いている状態)で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第1と第2の引張りコイルスプリング212,222の長さを、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222の自然長と称する。
The first and second tension coil springs 212 and 222 have the same elastic modulus here. The first and second tension coil springs 212 and 222 are in a state where the first and
各ワイヤ214,216,224,226は、弾性体である第1と第2の引張りコイルスプリング212,222の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ214,216,224,226の軸線は、第1と第2のアーム110,140の動作範囲内において、常に、第1または第2のプーリ126,156の接線方向に存在する。
The
また、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222の弾性力(トルク)は、第1のプーリ126の半径または第2のプーリ156の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第1と第2の関節部120,150に作用する。
In addition, the elastic force (torque) of the first and second tension coil springs 212 and 222 is determined by using the radius of the
さらに、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222のたわみ量は、第1の関節部120の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第2の関節部150の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
Further, the amount of deflection of the first and second tension coil springs 212 and 222 is the length obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the first
なお、ここでは、第1と第2の係止部210,220の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第1と第2のプーリ126,156を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
Here, the tension coil spring is used as the elastic body of the first and
なお、図1と図2は、第1と第2の関節部120,150がホームポジションに停止している状態(すなわち、第1と第2のモータ130,160が駆動していない状態)を示している。
1 and 2 show a state where the first and second
<実施例1に係る多関節アーム機構の動作>
以下に、実施例1に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
<Operation of Articulated Arm Mechanism According to
The operation of the articulated arm mechanism according to the first embodiment will be described below.
図3〜図5は、それぞれ、実施例1に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。 3 to 5 are diagrams each illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the first embodiment.
図3は、2関節アーム機構100の第1と第2の関節部120,150がホームポジション(図1と図2参照)から任意の角度だけ回転した状態(すなわち、第1と第2のモータ130,160が駆動した状態)を示している。
3 shows a state in which the first and second
図4は、図3に、X軸とY軸からなる2次元の空間座標を加えたものである。なお、図4は、空間座標の原点(すなわち、ベース部104のベースアーム106の先端)から正方向にX軸とY軸が描かれるように、図3を180度回転して示している。
FIG. 4 is obtained by adding two-dimensional spatial coordinates including the X axis and the Y axis to FIG. 4 shows FIG. 3 rotated 180 degrees so that the X axis and the Y axis are drawn in the positive direction from the origin of the spatial coordinates (that is, the tip of the
図4中、r1は、第1のプーリ126の半径を示し、r2は、第2のプーリ156の半径を示している。また、L1は、第1のアーム110のアーム長を示し、L2は、第2のアーム140のアーム長を示している。また、θ1は、第1の関節部120の関節角度を示し、θ2は、第2の関節部150の関節角度を示している。また、座標(x、y)は、自由端(すなわち、第2のアーム140の先端)の位置を示している。
In FIG. 4, r 1 indicates the radius of the
図5は、自由端である第2のアーム140の先端の位置の座標およびベクトルを示している。
FIG. 5 shows the coordinates and vector of the position of the tip of the
一般に、多関節アーム機構の自由端(ここでは、2関節アーム機構100の第2のアーム140の先端)の速度と関節角度の速度、あるいは、第1と第2の関節軸122,152に働くトルク(以下、関節軸トルクと称する)と自由端の力は、ヤコビ行列で関連付けられることが知られている。関節軸トルクと自由端の力は、以下に説明するいくつかの数式に基づいて、求めることができる。
In general, the speed of the free end of the multi-joint arm mechanism (here, the tip of the
2関節アーム機構100では、自由端の座標(x,y)は、以下の式1となる。
In the two-
ここで、θ1とθ2が独立変数であることに着目すれば、自由端の微小変位(Δx,Δy)Tと関節角度の微小変位(Δθ1,Δθ2)Tとの関係は、以下の式2として表現できる。なお、「T」は、転置行列(transposed matrix)を示す記号である。転置行列は、aijを(i,j)成分とする(m,n)型の行列A=(aij)に対して、ajiを(i,j)成分とする(n,m)型に変換した行列である。ここでは、自由端の微小変位(Δx,Δy)Tと関節角度の微小変位(Δθ1,Δθ2)Tは、2行1列の成分であることを表している。
Here, focusing on the fact that θ 1 and θ 2 are independent variables, the relationship between the small displacement of the free end (Δx, Δy) T and the small displacement of the joint angle (Δθ 1 , Δθ 2 ) T is as follows: It can be expressed as
ここで、以下の式3は、ヤコビ行列である。
Here, the following
一方、エネルギー保存則により、関節角度の微小変位と関節軸トルクでなす仕事量は、自由端の微小変位と自由端の力でなす仕事量に等しいので、任意の(Δθ1,Δθ2)Tに対して、以下の式4が成り立つ。 On the other hand, according to the law of conservation of energy, the work done by the small displacement of the joint angle and the joint axis torque is equal to the work done by the small displacement of the free end and the force of the free end, so any (Δθ 1 , Δθ 2 ) T On the other hand, the following expression 4 holds.
ここで、ヤコビ行列をJと表せば、式4は、以下の式5となる。したがって、以下の式6が成り立つ。なお、2関節アーム機構100では、ヤコビ行列Jは、第2の関節部150の座標を(x1,y1)Tとして以下の式7とも表現できる。
Here, if the Jacobian matrix is represented as J, Equation 4 becomes
ここで、上記の式6に基づいて、関節軸トルクから自由端の力を求めると、自由端の力は、以下の式8となり、さらに、以下の式9となる。
Here, when the free end force is obtained from the joint shaft torque based on the above equation 6, the free end force is expressed by the following equation 8 and further by the
ここで、自由端の位置をベクトルで表せば、図5のようになるので、自由端の位置ベクトルは、以下の式10として表現できる。なお、図5中、ベクトルaは、自由端(すなわち、第2のアーム140の先端)の原点(すなわち、第1の回転軸122)からのベクトルを示し、ベクトルbは、第2のアーム140の先端の第2の関節軸152からのベクトルを示し、ベクトルcは、第1のアーム110の先端の原点からのベクトルを示している。
Here, if the position of the free end is represented by a vector, the result is as shown in FIG. In FIG. 5, the vector a indicates a vector from the origin (that is, the first rotation axis 122) of the free end (that is, the tip of the second arm 140), and the vector b indicates the
また、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222の弾性力(トルク)は、前述の通り、第1のプーリ126の半径または第2のプーリ156の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第1と第2の関節部120,150に作用する。
Further, as described above, the elastic force (torque) of the first and second tension coil springs 212 and 222 is determined by using the radius of the
さらに、第1と第2の引張りコイルスプリング212,222のたわみ量は、前述の通り、第1の関節部120の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第2の関節部150の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
Further, as described above, the amount of deflection of the first and second tension coil springs 212 and 222 is the length obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the first
そこで、2関節アーム機構100において、2つのアクチュエータ(第1と第2のモータ130,160)が発生するトルクをそれぞれτa1,τa2とし、第1と第2の係止部210,220の2つの弾性体(第1と第2の引張りコイルスプリング212,222)のバネ定数をともにκとし、2つの弾性体が接続されている2つの弾性力伝達部(第1と第2のプーリ126,156)のモーメントアームをそれぞれγ1,γ2とし、弾性体が自然長となる関節角度をそれぞれθ10,θ20とし、その関節角度θ10,θ20からの変位角度をそれぞれδ1,δ2とする。すると、関節軸トルクτ1,τ2は、以下の式11として表現でき、また、自由端の出力は、以下の式12として表現できる。
Therefore, in the two-
ここで、以下の式13の成分は、姿勢変化(すなわち、関節角度の変化)に依存しない成分であり、以下の式14の成分は、姿勢変化に依存する成分である。 Here, the component of the following formula 13 is a component that does not depend on the posture change (that is, the change of the joint angle), and the component of the following formula 14 is a component that depends on the posture change.
これら姿勢変化に依存しない成分と姿勢変化に依存する成分とを区別することにより、自由端の力は、アクチュエータが関節軸に作用するトルクによって、制御することができる。また、関節角度の変位に対する応答(すなわち、自由端の剛性)は、モーメントアームによって、制御することができる。 By distinguishing between these components that do not depend on posture changes and components that depend on posture changes, the force at the free end can be controlled by the torque that the actuator acts on the joint axis. The response to the displacement of the joint angle (that is, the rigidity of the free end) can be controlled by the moment arm.
したがって、実施例1に係る多関節アーム機構100は、従来の第2の構成例と比較すると、アクチュエータの一つが弾性を有する係止部に置き換えられているため、アクチュエータの数を従来の第2の構成例よりも減らしながら(すなわち、従来の第1の構成例と同じにしながら)、自由端である第2のアーム140の先端の位置と力と剛性を容易に制御することができる。
Therefore, in the
そのため、実施例1に係る多関節アーム機構100は、自由端に大きな負荷が与えられた場合に正確かつ迅速な位置決め制御を行うことが困難であるという問題、構造が大型化するという問題、コストが高騰するという問題、操作性が低下するという問題、および、重量が増大するという問題を同時に解決している。
Therefore, the articulated
<実施例1に係る多関節アーム機構の制御>
以下に、実施例1に係る多関節アーム機構の制御について説明する。
<Control of Articulated Arm Mechanism According to
The control of the articulated arm mechanism according to the first embodiment will be described below.
多関節アーム機構100の制御部109は、第1と第2の測定手段128,158によって測定された関節角度を用いて、以下の式15に基づいて、第1と第2の関節部120,150の関節軸トルクが変化するように、第1と第2のアクチュエータである第1と第2のモータ130,160を制御する。
The
ここで、(τa1,τa2)Tは、第1と第2のアクチュエータである第1と第2のモータ130,160の制御量として算出する関節軸トルクである。また、(τu1,τu2)Tは、任意の関節軸トルクであり、姿勢変化(すなわち、関節角度の変化)に依存しない成分である。また、以下の式16は、任意の弾性係数である。また、(δ1,δ2)Tは、関節角度である。そして、以下の式17は、姿勢変化に依存する成分である。
Here, (τ a1 , τ a2 ) T is a joint shaft torque calculated as a control amount of the first and
自由端での出力は、以下の式18となり、自由端に、以下の式19の力と以下の式20の剛性が発生する。
The output at the free end is expressed by the following formula 18, and the force of the following formula 19 and the rigidity of the following
力と剛性は、ともに、任意に設定できる係数を有している。そのため、自由端の力と剛性は、それぞれ、図6に示すブロックに基づいて制御することができる。なお、図6は、実施例1に係る多関節アーム機構の制御ブロックを示す図である。図6中、G2(s)はアクチュエータのオープンループ特性である。なお、オープンループ特性とは、例えば、モータの慣性モーメントを負荷と角度でステップ的に変化させる場合の、モータの回転速度の立ち上がり具合などを意味する。また、G(s)は、制御器特性であり、H(s)は、遅れ補償器特性である。 Both force and rigidity have coefficients that can be set arbitrarily. Therefore, the force and rigidity of the free end can be controlled based on the blocks shown in FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a control block of the articulated arm mechanism according to the first embodiment. In FIG. 6, G 2 (s) is the open loop characteristic of the actuator. Note that the open loop characteristic means, for example, how the rotational speed of the motor rises when the moment of inertia of the motor is changed stepwise depending on the load and angle. G (s) is a controller characteristic, and H (s) is a delay compensator characteristic.
このような実施例1に係る多関節アーム機構100は、2つの関節部に同時に作用する弾性体があるため、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い角度変位入力に対しても一定の弾性を有する特徴がある。
Since the articulated
実施例1に係る多関節アーム機構100は、関節軸に作用するアクチュエータのトルクを関節角度変位に応じて変化させることにより、自由端の剛性を任意に制御することができる。そのため、例えば、アーム式ロボットなどの装置の動作に最適な剛性を実現することができる。
The
また、実施例1に係る多関節アーム機構100は、2つの係止部の弾性力が、2つの関節部の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように、同時に作用する。そのため、実施例1に係る多関節アーム機構100は、アクチュエータが応答できないような大きな入力や速い入力に対しても、2つの係止部の弾性力によって一定の力と剛性を保つことができ、特に、落下物や飛来物を柔軟に捕獲するなどの素早い動作を容易に実現することができる。
Further, the
その上、実施例1に係る多関節アーム機構100は、2つの係止部を、例えば引張りコイルスプリングや、トーションバー、ねじりコイルスプリングなどの、動力を必要としない簡素でかつ安価な部材で構成することができる。そのため、実施例1に係る多関節アーム機構は、動力を必要としない簡素な部材で安価に構成することができる。
In addition, the
<実施例2に係る多関節アーム機構の構成>
以下に、実施例2に係る多関節アーム機構の構成について説明する。
<Configuration of Articulated Arm Mechanism According to Second Embodiment>
The configuration of the articulated arm mechanism according to the second embodiment will be described below.
実施例2に係る多関節アーム機構は、実施例1に係る多関節アーム機構100に、さらに1対のアームと関節部を追加して、3つの関節部を有する構成となっている。なお、ここでは、このような構成の多関節アーム機構を、ロボットの脚に適用する場合を例にして説明する。
The multi-joint arm mechanism according to the second embodiment is configured to have three joint portions by further adding a pair of arms and joint portions to the
図7は、実施例2に係る多関節アーム機構の構成を示す側面図であり、図8は、実施例2に係る多関節アーム機構の構成を示す正面図である。なお、図7と図8は、各構成要素を模式的に示したものであり、特に、ベースアーム106や第1と第2のアーム110,140、後述の第3のアーム170は、その中心線のみを示している。また、図7では、ギア124,132,154,162や後述のギア184,192の歯の内径を一点鎖線の円で示し、歯の外径を実線の円で示している。
FIG. 7 is a side view illustrating the configuration of the multi-joint arm mechanism according to the second embodiment. FIG. 8 is a front view illustrating the configuration of the multi-joint arm mechanism according to the second embodiment. 7 and 8 schematically show each component. In particular, the
図7と図8に示すように、実施例2に係る多関節アーム機構(以下、3関節アーム機構と称する場合もある)600は、実施例1に係る多関節アーム機構100と同様の構成要素に加え、第2の関節部150を第3のプーリ157が設けられた2重構造(図8参照)にするとともに、第3のアーム170と、第3の関節部180と、第3のモータ190と、第3と第4の係止部230,240とを有する。
As shown in FIGS. 7 and 8, the multi-joint arm mechanism (hereinafter sometimes referred to as a three-joint arm mechanism) 600 according to the second embodiment is similar to the
第2の関節部150は、第2の関節軸152と、ギア154と、第2のプーリ156と、第2の測定手段158とに加え、第1のアーム110に固定された第3のプーリ157を備える。第3のプーリ157は、第2の関節軸152やギア154、第2のプーリ156とともに、第1のアーム110の先端を共通の軸にして配置されている。なお、第3のプーリ157の半径は、制御部109が制御し易いように、第2のプーリ156と同じ半径であることが好ましい。
The second
第3のアーム170は、L字状に形成された長尺な部材であり、後端が後述の第4のプーリ186に固定されている。第3のアーム170は、第3のモータ190が回転することにより、後述の第3の関節軸182を中心にして第4のプーリ186とともに回転する。なお、第3のアーム170は、後端に、回転角度を規制するための突起172が設けられている。実施例2では、この第3のアーム170の先端が、自由端となる。
The
第3の関節部180は、第3の関節軸182と、ギア184と、第3のアーム170に固定された第4のプーリ186と、第3の関節部180(具体的には、ギア184)の関節角度(すなわち、第3のアーム170の回転角度)を測定する第3の測定手段188とを備える。第3の関節軸182とギア184と第4のプーリ186は、それぞれ、第2のアーム140の先端を共通の軸にして配置されている。ただし、第3の関節軸182は、第2のアーム140の先端に固定され、ギア184と第4のプーリ186は、第2のアーム140の先端に回転可能に配置されている。なお、ギア184は、第3のアーム170に固定され、第3の関節軸182を中心にして第3のモータ190によって第3のアーム170とともに回転する第3の動力伝達部となっている。また、第4のプーリ186は、ギア184とともに第3のアーム170に固定され、第3のモータ190によってギア184が回転すると、第3の関節軸182を中心にして第3のアーム170とともに回転する。第3の測定手段188は、例えば、第2のアーム140に固定された回転型のポテンションメータによって構成されている。または、第3の測定手段188は、例えば、ギア184に固定されたスリット板と第2のアーム140に固定された回転エンコーダによって構成してもよい。第3の測定手段188は、測定した第3の関節部180の関節角度(すなわち、第3のアーム170の回転角度)を、図示しない配線を介して制御部109に出力する。制御部109は、第1と第2と第3の測定手段128,158,188から出力された第1と第2と第3の関節部120,150,180の関節角度に基づいて、第1と第2と第3のモータ130,160,190の剛性を変更する。
The third
第3のモータ190は、第3のアーム170を回転させる第3のアクチュエータである。第3のモータ190は、第2のアーム140に固定され、かつ、第3の関節部180のギア184と噛み合うギア192が取り付けられている。第3のモータ190は、制御部109の制御により回転力を発生して、ギア192を介して、ギア184に固定された第4のプーリ186と第3のアーム170とを回転させる。なお、第3のモータ190を第2のアーム140に固定する位置は、図7に直角記号として示すように、第3のモータ190のギア192の外周が第2のアーム140の中心線と接するとともに、ギア192が第3の関節部180のギア184と噛み合う位置である。
The
第2の関節部150の第3のプーリ157と第3の関節部180の第4のプーリ186は、第2のアーム140の両側で、弾性を有する第3の係止部230と弾性を有する第4の係止部240によって係止されている。なお、第3のプーリ157は、第3の係止部230の弾性力と第4の係止部240の弾性力を第2の関節軸152に伝達する第3の弾性力伝達部となっている。また、第4のプーリ186は、第3の係止部230の弾性力と第4の係止部240の弾性力を第3の関節軸182に伝達する第4の弾性力伝達部となっている。
The
第3の係止部230は、例えば、弾性体である第3の引張りコイルスプリング232と2本のワイヤ234,236を備える構成として形成されている。第3の係止部230のワイヤ234は、先端が第3の引張りコイルスプリング232の後端のフックに固定され、後端が第3のプーリ157の外周に巻きつけられて固定されている。第3の引張りコイルスプリング232は、先端のフックがワイヤ236の後端に固定され、後端のフックがワイヤ234の先端に固定されている。ワイヤ236は、先端が第4のプーリ186の外周に巻きつけられて固定され、後端が第3の引張りコイルスプリング232の先端のフックに固定されている。
The 3rd latching | locking
また、第4の係止部240は、例えば、弾性体である第4の引張りコイルスプリング242と2本のワイヤ244,246を備える構成として形成されている。第4の係止部240のワイヤ244は、先端が第4の引張りコイルスプリング242の後端のフックに固定され、後端が第3のプーリ157の外周にワイヤ234の後端とは逆向きに巻きつけられて固定されている。第4の引張りコイルスプリング242は、先端のフックがワイヤ246の後端に固定され、後端のフックがワイヤ244の先端に固定されている。ワイヤ246は、先端が第4のプーリ186の外周にワイヤ236の先端とは逆向きに巻きつけられて固定され、後端が第4の引張りコイルスプリング242の先端のフックに固定されている。
Moreover, the 4th latching | locking
なお、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242は、ここでは、ともに同じ弾性係数となっている。また、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242は、第2と第3のアーム140,170が回転していない状態(すなわち、第2と第3のアーム140,170の各先端が同一方向を向いている状態)で、釣り合いがとれた状態となっている。このとき、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242は、ともに同じ長さだけ伸びた状態となっている。以下、この状態における第3と第4の引張りコイルスプリング232,242の長さを、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242の自然長と称する。
The third and fourth tension coil springs 232 and 242 have the same elastic modulus here. Further, the third and fourth tension coil springs 232 and 242 are in a state where the second and
各ワイヤ234,236,244,246は、弾性体である第3と第4の引張りコイルスプリング232,242の弾性力によって常に引っ張られる。そのため、各ワイヤ234,236,244,246の軸線は、第2と第3のアーム140,170の動作範囲内において、常に、第3または第4のプーリ157,186の接線方向に存在する。
The
また、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242の弾性力(トルク)は、第3のプーリ157の半径または第4のプーリ186の半径をモーメントアームとして、それぞれの弾性力とモーメントアームの積となるトルクを、第2と第3の関節部150,180に作用する。
In addition, the elastic force (torque) of the third and fourth tension coil springs 232 and 242 is obtained by using the radius of the
さらに、第3と第4の引張りコイルスプリング232,242のたわみ量は、第2の関節部150の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さ、および、第4の関節部180の関節角度の平衡点からの変位角度にモーメントアームを乗じた長さの和となる。
Further, the amount of deflection of the third and fourth tension coil springs 232 and 242 is the length obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the second joint 150 by the moment arm, and the fourth joint. The sum of the lengths obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the
なお、ここでは、第3と第4の係止部230,240の弾性体として、引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを用いても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段として、第3と第4のプーリ157,186を用いたが、これ以外の構成であってもよい。
Here, the tension coil spring is used as the elastic body of the third and
なお、図7と図8は、第1と第2と第3の関節部120,150,180がホームポジションに停止している状態(すなわち、第1と第2と第3のモータ130,160,190が駆動していない状態)を示している。
7 and 8 show a state where the first, second, and third
このような多関節アーム機構600は、前述の通り、ロボットの脚に用いることができる。この場合、ベース部104が胴体(Body)として機能し、第1のアーム110が大腿(Thigh)として機能し、第1の関節部120が股関節(Hip joint)として機能し、第2のアーム140がすね(Leg)として機能し、第2の関節部150がひざ関節(Knee)として機能し、第3のアーム170が足(foot)として機能し、第3の関節部180が足首関節(Ankle)として機能する。
Such an articulated
このような多関節アーム機構600は、第3と第4の弾性力伝達部である第3と第4のプーリ157,186が、実施例1に係る多関節アーム機構100における第1と第2の弾性力伝達部である第1と第2のプーリ126,156と同様に作用する。そのため、多関節アーム機構600は、3つの関節部を有する構成で、2つの関節部を有する実施例1に係る多関節アーム機構100と同様の動作を実現することができる。
In such an articulated
<実施例2に係る多関節アーム機構の動作>
以下に、実施例2に係る多関節アーム機構の動作について説明する。
<Operation of Articulated Arm Mechanism According to Example 2>
The operation of the articulated arm mechanism according to the second embodiment will be described below.
図9と図10は、それぞれ、実施例2に係る多関節アーム機構の動作例を示す図である。なお、ここでは、図9と図10の、図4または図5に共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。 FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the second embodiment. Here, in FIG. 9 and FIG. 10, the same or similar components in FIG. 4 or FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
図9は、3関節アーム機構600の第1と第2と第3の関節部120,150,180がホームポジション(図7と図8参照)から任意の角度だけ回転した状態(すなわち、第1と第2と第3のモータ130,160,190が駆動した状態)を示している。
FIG. 9 shows a state in which the first, second, and third
図9中、r3は、第4のプーリ186の半径を示している。なお、第3のプーリ157の半径は、ここでは、第2のプーリ156の半径と同じr2となっている。また、L3は、第3のアーム170のアーム長を示している。
In FIG. 9, r 3 indicates the radius of the
図10は、自由端である第3のアーム170の先端の位置の座標を示している。
FIG. 10 shows the coordinates of the position of the tip of the
図10中、θ3は、第3の関節部180の関節角度を示している。また、座標(x、y)は、自由端(すなわち、第3のアーム170の先端)の位置を示している。
In FIG. 10, θ 3 indicates the joint angle of the third
3関節アーム機構600において、第1と第2と第3の関節軸122,152,182に働くトルク(以下、関節軸トルクと称する)と自由端の力は、実施例1に係る2関節アーム機構100と同様に、ヤコビ行列で関連付けられる。3関節アーム機構600では、関節軸トルクと自由端の力は、以下の式21の通りである。
In the three-
ここで、θは、θ=θ1+θ2+θ3である。 Here, θ is θ = θ 1 + θ 2 + θ 3 .
また、ヤコビ行列Jは、図10中の記号を用いると、以下の式22として表される。
Further, the Jacobian matrix J is expressed as the following
また、自由端の出力は、以下の式23として表すことができる Also, the output of the free end can be expressed as Equation 23 below.
したがって、3関節アーム機構600は、2次元平面内の力をすべて規定することができるので、自由端の位置と力と剛性を制御することができる。
Accordingly, since the three-
なお、3関節アーム機構600は、ロボットの脚に用いた場合に、外部から負荷が与えられたときでも、以下の原理により、ロボットの姿勢が平衡な状態になるように、ポテンシャルエネルギーが変化する。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。
When the three-
ロボットの姿勢が平衡点から変化することによるポテンシャルエネルギーの変化を、図11に示す。なお、図11は、ロボットの姿勢の変化とポテンシャルエネルギーの変化の関係を示すグラフ図である。図11は、股関節(第1の関節部120)の位置が平衡点からx方向とy方向に変位したときのポテンシャルエネルギーを曲面で示している。ポテンシャルエネルギーは、ここでは、股関節とひざ関節(第1と第2の関節部120,150)およびひざ関節と足首関節(第2と第3の関節部150,180)に跨って配置された第1〜第4の係止部210,220,230,240に蓄積される弾性エネルギーと、ロボット全体の位置エネルギーとの和となる。
FIG. 11 shows a change in potential energy due to a change in the posture of the robot from the equilibrium point. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the change in the posture of the robot and the change in potential energy. FIG. 11 shows the potential energy as a curved surface when the position of the hip joint (first joint 120) is displaced in the x and y directions from the equilibrium point. Here, the potential energy is disposed across the hip joint and the knee joint (first and second
図11中、曲線は、等しいポテンシャルエネルギーの領域を示す、等ポテンシャル曲線である。ポテンシャルエネルギーは、平衡点(0,0)で極小値を有している。そのため、外部から与えられた負荷によってロボットの姿勢が変化し、これによってポテンシャルエネルギーが平衡点から変位すると、ロボットの姿勢を平衡点の姿勢に戻すような復元力が常に働く。そのため、ロボットは、立位の安定性を容易に獲得できる。 In FIG. 11, the curve is an equipotential curve showing a region of equal potential energy. The potential energy has a minimum value at the equilibrium point (0, 0). For this reason, when the posture of the robot is changed by a load applied from the outside, and the potential energy is displaced from the equilibrium point, a restoring force that returns the posture of the robot to the posture of the equilibrium point always works. Therefore, the robot can easily obtain the standing stability.
また、摩擦力、粘性抵抗などの、エネルギーを消費する要素は、実用上必ず存在するので、リアプノフの安定性(Lyapunov stability;公知のリアプノフ関数の正・負定値性を調べることによって決定されるシステムの安定性)が成り立つ。そのため、ロボットは、これによっても、立位の安定性を容易に獲得できる。 In addition, since energy consuming elements such as frictional force and viscous resistance always exist in practice, Lyapunov stability (Lyapunov stability; a system determined by examining the positive / negative definiteness of a known Lyapunov function) Stability). Therefore, the robot can easily obtain the standing stability.
このような3関節アーム機構600を用いたロボットは、平衡点において漸近安定性を有することになり、一定範囲の外乱(外部から与えられた負荷)に対して、上体の傾斜角度や、足裏の荷重分布を制御部109にフィードバックして制御しなくても、立位姿勢を保持することができる。
A robot using such a three-
このように、3関節アーム機構600をロボットの脚に適用すれば、立位の安定性を容易に獲得できるので、脚式移動ロボットの制御を簡易にできる。
As described above, if the three-
また、3関節アーム機構600は、実施例1に係る2関節アーム機構100と同様に、アクチュエータが応答しきれないような速い動きに対しても、一定の弾性を保つことができる。そのため、跳躍動作や着地動作の安定性を向上することができる。
Further, like the two-
なお、実施例2では、多関節軸に同時に作用する弾性体に、拮抗する2本の引張りコイルスプリングを用いたが、トーションバーや、ねじりコイルスプリングを使用しても同等の効果が得られる。また、弾性力を関節軸に伝達する手段は、前述の実施例に制限されるものではない。 In the second embodiment, two tension coil springs that antagonize are used for the elastic body that simultaneously acts on the articulated shaft. However, the same effect can be obtained even if a torsion bar or a torsion coil spring is used. Further, the means for transmitting the elastic force to the joint shaft is not limited to the above-described embodiment.
この発明は、例えば、マニュピレータやパワーショベルのアームなどにも適用することができる。 The present invention can also be applied to manipulators and power shovel arms, for example.
また、この発明は、前述の実施例1と2に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の応用や変形が考えられる。 The present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various applications and modifications can be considered without departing from the gist of the present invention.
100 …多関節アーム機構(2関節アーム機構)
104 …ベース部
105 …ベース
106 …ベースアーム
109 …制御部
110 …第1のアーム
120 …第1の関節部
122 …第1の関節軸
124,132,154,162 …ギア(動力伝達部)
126 …第1のプーリ(第1の弾性力伝達部)
128,158 …測定手段
130 …第1のモータ(第1のアクチュエータ)
140 …第2のアーム
150 …第2の関節部
152 …第2の関節軸
156 …第2のプーリ(第2の弾性力伝達部)
160 …第2のモータ(第2のアクチュエータ)
210 …第1の係止部
212 …第1の引張りコイルスプリング(弾性体)
214,216,224,226 …ワイヤ
220 …第2の係止部
222 …第2の引張りコイルスプリング(弾性体)
100 ... articulated arm mechanism (two-joint arm mechanism)
DESCRIPTION OF
126 ... 1st pulley (1st elastic force transmission part)
128, 158... Measuring means 130... First motor (first actuator)
140 ...
160 ... second motor (second actuator)
210: first locking portion 212: first tension coil spring (elastic body)
214, 216, 224, 226 ...
Claims (11)
前記ベース部に回転可能に接続される第1のアームと、
前記ベース部と前記第1のアームとを接続する第1の関節部と、
前記第1の関節部を中心にして前記第1のアームを回転させる第1のアクチュエータと、
前記第1のアームに回転可能に接続される第2のアームと、
前記第1のアームと前記第2のアームとを接続する第2の関節部と、
前記第2の関節部を中心にして前記第2のアームを回転させる第2のアクチュエータとを有し、
前記第1の関節部は、前記ベース部に固定された第1の弾性力伝達部を備え、
前記第2の関節部は、前記第2のアームに固定されて該第2のアームと共に回転する第2の弾性力伝達部を備え、
前記第1の弾性力伝達部と前記第2の弾性力伝達部は、前記第1のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第1の係止部と弾性を有する第2の係止部とによって係止されており、
前記第2の弾性力伝達部は、前記第1の係止部及び前記第2の係止部の弾性力を前記第2の関節部に伝達し、
前記第1の係止部と前記第2の係止部のそれぞれの弾性力が、前記第1の関節部及び前記第2の関節部がそれぞれ備える前記第1の弾性力伝達部及び前記第2の弾性力伝達部に対して、負荷が自動的に調和するように同時に作用して、前記第2のアームの自由端の剛性を保つ
ことを特徴とする多関節アーム機構。 A base part as a base point of operation;
A first arm rotatably connected to the base portion;
A first joint that connects the base and the first arm;
A first actuator that rotates the first arm around the first joint;
A second arm rotatably connected to the first arm;
A second joint connecting the first arm and the second arm;
A second actuator for rotating the second arm around the second joint,
The first joint portion includes a first elastic force transmission portion fixed to the base portion,
The second joint unit includes a second elastic force transmission unit fixed to the second arm and rotating together with the second arm,
The first elastic force transmitting portion and the second elastic force transmitting portion have a first locking portion having elasticity and a second elastic having elasticity on both sides of the rotation plane across the first arm. It is locked by the locking part,
The second elastic force transmission portion transmits elastic forces of the first locking portion and the second locking portion to the second joint portion,
Respective elastic forces of the first locking portion and the second locking portion correspond to the first elastic force transmitting portion and the second provided in the first joint portion and the second joint portion, respectively. An articulated arm mechanism characterized in that the rigidity of the free end of the second arm is maintained by acting simultaneously on the elastic force transmitting portion so that the load automatically harmonizes.
前記第1の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第1と第2のワイヤとによって構成され、
前記第2の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第3と第4のワイヤとによって構成され、
前記第1の弾性力伝達部は、前記第1の係止部の第1のワイヤと前記第2の係止部の第3のワイヤが逆向きに巻きつけられた第1のプーリによって構成され、
前記第2の弾性力伝達部は、前記第1の係止部の第2のワイヤと前記第2の係止部の第4のワイヤが逆向きに巻きつけられた第2のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。 In the articulated arm mechanism according to claim 1,
The first locking portion includes an elastic body, and first and second wires engaged with the elastic body,
The second locking portion includes an elastic body, and third and fourth wires engaged with the elastic body,
The first elastic force transmission portion is constituted by a first pulley in which a first wire of the first locking portion and a third wire of the second locking portion are wound in opposite directions. ,
The second elastic force transmission part is constituted by a second pulley in which a second wire of the first locking part and a fourth wire of the second locking part are wound in opposite directions. An articulated arm mechanism.
前記第1と第2の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。 The multi-joint arm mechanism according to claim 2,
The articulated arm mechanism characterized in that each of the elastic bodies constituting the first and second locking portions is a tension coil spring.
前記第1の関節部は、回転の中心となる第1の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第1の弾性力伝達部と、前記第1のアームに固定され、当該第1の関節軸を中心にして前記第1のアクチュエータによって前記第1のアームとともに回転する第1の動力伝達部とを備え、
前記第2の関節部は、回転の中心となる第2の関節軸と、前記第2のアームに固定された前記第2の弾性力伝達部と、前記第2のアームに固定され、当該第2の関節軸を中心にして前記第2のアクチュエータによって前記第2のアームとともに回転する第2の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。 In the articulated arm mechanism according to claim 1,
The first joint portion is fixed to the first joint shaft serving as the center of rotation, the first elastic force transmission portion fixed to the base portion, and the first arm, and A first power transmission unit that rotates together with the first arm by the first actuator around a joint axis;
The second joint portion is fixed to the second joint axis serving as the center of rotation, the second elastic force transmission portion fixed to the second arm, and the second arm. A multi-joint arm mechanism comprising: a second power transmission unit that rotates together with the second arm by the second actuator about two joint axes.
前記第1と第2のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第1と第2のモータによって構成され、
前記第1の動力伝達部は、前記第1のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第2の動力伝達部は、前記第2のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。 The articulated arm mechanism according to claim 4,
The first and second actuators are respectively constituted by first and second motors with gears attached thereto,
The first power transmission unit is configured by a gear that meshes with a gear attached to the first motor,
The multi-joint arm mechanism, wherein the second power transmission unit is configured by a gear meshing with a gear attached to the second motor.
さらに、前記第1の関節部の関節角度を測定する第1の関節角度測定手段と、前記第2の関節部の関節角度を測定する第2の関節角度測定手段と、前記第1と第2のアクチュエータを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、下式に基づいて、前記第1または第2の関節角度測定手段によって測定された関節角度に応じて、前記第1と第2のアクチュエータの、前記第1または第2の関節軸を回転させる関節軸トルクτa1とτa2を変化させることを特徴とする多関節アーム機構。
Furthermore, the first joint angle measuring means for measuring the joint angle of the first joint part, the second joint angle measuring means for measuring the joint angle of the second joint part, the first and second And a controller for controlling the actuator of
Based on the following equation, the control unit may determine the first or second joint of the first and second actuators according to the joint angle measured by the first or second joint angle measuring unit. A multi-joint arm mechanism characterized by changing joint shaft torques τ a1 and τ a2 for rotating the shaft.
前記ベース部に回転可能に接続される第1のアームと、
前記ベース部と前記第1のアームとを接続する第1の関節部と、
前記第1の関節部を中心にして前記第1のアームを回転させる第1のアクチュエータと、
前記第1のアームに回転可能に接続される第2のアームと、
前記第1のアームと前記第2のアームとを接続する第2の関節部と、
前記第2の関節部を中心にして前記第2のアームを回転させる第2のアクチュエータと、
前記第2のアームに回転可能に接続される第3のアームと、
前記第2のアームと前記第3のアームとを接続する第3の関節部と、
前記第3の関節部を中心にして前記第3のアームを回転させる第3のアクチュエータと
を備える多関節アーム機構であって、
前記第1の関節部は、前記ベース部に固定された第1の弾性力伝達部を備え、
前記第2の関節部は、前記第2のアームに固定されて該第2のアームと共に回転する第2の弾性力伝達部と、前記第1のアームに固定されて該第1のアームと共に回転する第3の弾性力伝達部とを備え、
前記第3の関節部は、前記第3のアームに固定された第4の弾性力伝達部を備え、
前記第1の弾性力伝達部と前記第2の弾性力伝達部は、前記第1のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第1の係止部と弾性を有する第2の係止部とによって係止され、
前記第3の弾性力伝達部と前記第4の弾性力伝達部は、前記第2のアームを挟んで、回転平面の両側で、弾性を有する第3の係止部と弾性を有する第4の係止部とによって係止されており、
前記第2の弾性力伝達部は、前記第1の係止部及び前記第2の係止部の弾性力を前記第2の関節部に伝達し、
前記第4の弾性力伝達部は、前記第3の係止部及び前記第4の係止部の弾性力を前記第3の関節部に伝達し、
前記第1〜第4の係止部に蓄積される弾性エネルギーと当該多関節アーム機構が取り付けられたロボット全体の位置エネルギーの和で与えられるポテンシャルエネルギーが、外部から与えられる負荷に対して当該ロボットの姿勢が平衡状態になるように変化し、立位の安定性を獲得する
ことを特徴とする多関節アーム機構。 A base part as a base point of operation;
A first arm rotatably connected to the base portion;
A first joint that connects the base and the first arm;
A first actuator that rotates the first arm around the first joint;
A second arm rotatably connected to the first arm;
A second joint connecting the first arm and the second arm;
A second actuator that rotates the second arm about the second joint;
A third arm rotatably connected to the second arm;
A third joint connecting the second arm and the third arm;
A multi-joint arm mechanism comprising a third actuator for rotating the third arm around the third joint part,
The first joint portion includes a first elastic force transmission portion fixed to the base portion,
The second joint portion is fixed to the second arm and rotated together with the second arm, and the second joint portion is fixed to the first arm and rotated together with the first arm. And a third elastic force transmission part
The third joint portion includes a fourth elastic force transmission portion fixed to the third arm,
The first elastic force transmitting portion and the second elastic force transmitting portion have a first locking portion having elasticity and a second elastic having elasticity on both sides of the rotation plane across the first arm. Locked by the locking part,
The third elastic force transmitting portion and the fourth elastic force transmitting portion have a third locking portion having elasticity and a fourth elastic property on both sides of the rotation plane across the second arm. It is locked by the locking part,
The second elastic force transmission portion transmits elastic forces of the first locking portion and the second locking portion to the second joint portion,
The fourth elastic force transmitting portion transmits the elastic force of the third locking portion and the fourth locking portion to the third joint portion,
The potential energy given as the sum of the elastic energy accumulated in the first to fourth locking portions and the potential energy of the entire robot to which the multi-joint arm mechanism is attached is applied to the robot with respect to a load given from the outside. The articulated arm mechanism is characterized in that the posture of the robot changes so as to be in an equilibrium state, and the stability of the standing position is obtained .
前記第1の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第1と第2のワイヤとによって構成され、
前記第2の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第3と第4のワイヤとによって構成され、
前記第3の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第5と第6のワイヤとによって構成され、
前記第4の係止部は、弾性体と、当該弾性体に係合された第7と第8のワイヤとによって構成され、
前記第1の弾性力伝達部は、前記第1の係止部の第1のワイヤと前記第2の係止部の第3のワイヤが逆向きに巻きつけられた第1のプーリによって構成され、
前記第2の弾性力伝達部は、前記第1の係止部の第2のワイヤと前記第2の係止部の第4のワイヤが逆向きに巻きつけられた第2のプーリによって構成され、
前記第3の弾性力伝達部は、前記第2のプーリと同じ軸を中心に回転し、かつ、前記第3の係止部の第5のワイヤと前記第4の係止部の第7のワイヤが逆向きに巻きつけられた第3のプーリによって構成され、
前記第4の弾性力伝達部は、前記第3の係止部の第6のワイヤと前記第4の係止部の第8のワイヤが逆向きに巻きつけられた第4のプーリによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。 The articulated arm mechanism according to claim 7,
The first locking portion includes an elastic body, and first and second wires engaged with the elastic body,
The second locking portion includes an elastic body, and third and fourth wires engaged with the elastic body,
The third locking portion includes an elastic body, and fifth and sixth wires engaged with the elastic body,
The fourth locking portion includes an elastic body, and seventh and eighth wires engaged with the elastic body,
The first elastic force transmission portion is constituted by a first pulley in which a first wire of the first locking portion and a third wire of the second locking portion are wound in opposite directions. ,
The second elastic force transmission part is constituted by a second pulley in which a second wire of the first locking part and a fourth wire of the second locking part are wound in opposite directions. ,
The third elastic force transmitting portion rotates about the same axis as the second pulley, and the fifth wire of the third locking portion and the seventh wire of the fourth locking portion Constituted by a third pulley with the wire wound in the opposite direction;
The fourth elastic force transmitting portion is constituted by a fourth pulley in which a sixth wire of the third locking portion and an eighth wire of the fourth locking portion are wound in opposite directions. An articulated arm mechanism.
前記第1〜第4の係止部を構成する弾性体は、それぞれ、引張りコイルスプリングであることを特徴とする多関節アーム機構。 The articulated arm mechanism according to claim 8,
The articulated arm mechanism, wherein each of the elastic bodies constituting the first to fourth locking portions is a tension coil spring.
前記第1の関節部は、回転の中心となる第1の関節軸と、前記ベース部に固定された前記第1の弾性力伝達部と、前記第1のアームに固定され、当該第1の関節軸を中心にして前記第1のアクチュエータによって前記第1のアームとともに回転する第1の動力伝達部とを備え、
前記第2の関節部は、回転の中心となる第2の関節軸と、前記第2のアームに固定された前記第2の弾性力伝達部と、前記第2のアームに固定され、当該第2の関節軸を中心にして前記第2のアクチュエータによって前記第2のアームとともに回転する第2の動力伝達部と、前記第1のアームに固定された前記第3の弾性力伝達部とを備え、
前記第3の関節部は、回転の中心となる第3の関節軸と、前記第3のアームに固定された前記第4の弾性力伝達部と、前記第3のアームに固定され、当該第3の関節軸を中心にして前記第3のアクチュエータによって前記第3のアームとともに回転する第3の動力伝達部とを備えていることを特徴とする多関節アーム機構。 The articulated arm mechanism according to claim 7,
The first joint portion is fixed to the first joint shaft serving as the center of rotation, the first elastic force transmission portion fixed to the base portion, and the first arm, and A first power transmission unit that rotates together with the first arm by the first actuator around a joint axis;
The second joint portion is fixed to the second joint axis serving as the center of rotation, the second elastic force transmission portion fixed to the second arm, and the second arm. A second power transmission unit that rotates together with the second arm by the second actuator about the second joint axis; and the third elastic force transmission unit that is fixed to the first arm. ,
The third joint portion is fixed to the third joint axis serving as the center of rotation, the fourth elastic force transmitting portion fixed to the third arm, and the third arm. A multi-joint arm mechanism comprising: a third power transmission unit that rotates together with the third arm by the third actuator around the three joint axes.
前記第1と第2と第3のアクチュエータは、それぞれ、ギアが取り付けられた第1と第2と第3のモータによって構成され、
前記第1の動力伝達部は、前記第1のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第2の動力伝達部は、前記第2のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成され、
前記第3の動力伝達部は、前記第3のモータに取り付けられたギアと噛み合うギアによって構成されていることを特徴とする多関節アーム機構。 The multi-joint arm mechanism according to claim 10,
The first, second, and third actuators are constituted by first, second, and third motors, respectively, to which gears are attached,
The first power transmission unit is configured by a gear that meshes with a gear attached to the first motor,
The second power transmission unit is configured by a gear that meshes with a gear attached to the second motor,
The articulated arm mechanism is characterized in that the third power transmission unit is configured by a gear meshing with a gear attached to the third motor.
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