JP4442464B2 - Articulated arm mechanism - Google Patents

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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 multi-joint arm mechanism 1 of the first configuration example has a rear end of the first arm 10 rotatably connected to the base 5 via the joint portion 20, and the first arm 10 is rotatably connected to the tip of an actuator 30 such as a hydraulic cylinder that expands and contracts, and the tip of the first arm 10 is rotatable to the rear end of the second arm 40 via a joint 50. It is connected. In such an articulated arm mechanism 1, the first arm 10 rotates around the joint portion 20 as the actuator 30 expands and contracts. The rear end of the actuator 30 is rotatably connected to the base 5.

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 multi-joint arm mechanism 1, the rear end of the second arm 40 is rotatably connected to the first arm 10 via the joint 50, and the approximate center of the second arm 40 is a hydraulic cylinder or the like. It is rotatably connected to the tip of an actuator 60 that expands and contracts. In such an articulated arm mechanism 1, the second arm 40 rotates around the joint portion 50 as the actuator 60 expands and contracts. The distal end of the second arm 40 is a free end, and the actuator 30 or 60 expands or contracts to move the position, or to apply a force to the outside, or to apply a force (load) from the outside. ), A restoring force (rigidity) is generated with respect to an externally applied force. Further, the rear end of the actuator 60 is rotatably connected to the joint portion 50.

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 arm mechanism 1 shown in FIG. 12, independent control of the position, force, and rigidity of the tip of the second arm 40 with respect to the rear end of the first arm 10 is extremely difficult in terms of control theory. The position, force, and rigidity are controlled approximately with respect to the tip of the second arm 40. However, the articulated arm mechanism 1 has a problem that it is difficult to perform accurate and quick positioning control when a large load is applied to the tip of the second arm 40 which is a free end.

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 multi-joint arm mechanism 1 has an actuator 30 and 60 with an excessive output compared to the load so that accurate and quick positioning control can be easily performed even when a large load is applied to the tip of the second arm 40. In addition, the power source (not shown) for driving the actuators 30 and 60 has an excessive capacity. As a result, the multi-joint arm mechanism 1 can easily perform accurate and quick positioning control even when a large load is applied to the tip of the second arm 40 which is a free end. However, the articulated arm mechanism 1 configured as described above has an excessive output and braking force, and the power supply has an excessive capacity. Therefore, the structure is increased in size and the cost is increased. There has been a problem that the operability is lowered.

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 multi-joint arm mechanism 2 of the second configuration example, an actuator 70 is added to the components of the multi-joint arm mechanism 1 of the first configuration example. The actuator 70 has a distal end rotatably connected to the second arm 40 and a rear end rotatably connected to the base 5, and antagonizes the rotational operation cooperatively performed by the actuator 30 and the actuator 60. Rotating operation is performed. Such an articulated arm mechanism 2 can separately control the position, force and rigidity of the tip of the second arm 40 by simultaneously operating the three actuators 30, 60 and 70. Therefore, the articulated arm mechanism 2 can limit the outputs of the actuators 30 and 60, the braking force, and the capacity of the power source to a required amount. As a result, the multi-joint arm 2 is accurate even when a large load is applied to the tip of the second arm 40 while solving the problems that the structure is enlarged, the cost is increased, and the operability is lowered. In addition, quick positioning control can be easily performed.

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。
特開平8−19973号公報(段落1〜段落31、図1〜図6)
However, the articulated arm 2 requires an additional actuator 70. Further, in order to drive the additional actuator 70, it is necessary to increase the capacity of the power source. Therefore, the articulated arm mechanism 2 has a problem that the weight increases and the cost increases.
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-19973 (paragraphs 1 to 31 and FIGS. 1 to 6)

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 Embodiment 1>
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 base arm 106 and first and second arms 110 and 140, which will be described later, only show their center lines. . In FIG. 1, the inner diameters of teeth of gears 124, 132, 154, and 162, which will be described later, are indicated by dashed-dotted circles, and the outer diameters of teeth are indicated by solid-line circles.

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 base portion 104 that is a base point of operation and to the base portion 104. First arm 110 that can be connected, first joint portion 120 that connects base portion 104 and first arm 110, first motor 130 that rotates first arm 110, and first A second arm 140 that is rotatably connected to the arm 110, a second joint 150 that connects the first arm 110 and the second arm 140, and a second that rotates the second arm 140. Motor 160.

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 base unit 104 includes, for example, an apparatus main body such as a robot, a manipulator, and a power shovel, or a base 105 that is a fixing target such as a wall or a floor, and a base arm 106 that is a long member protruding from the base 105. Here, it is assumed that the base 105 includes a control unit 109 that controls the driving of the first and second motors 130 and 160. The control unit 109 is a program that changes the rigidity of the first and second motors 130 and 160 that rotate each joint unit according to a rotation angle from the equilibrium point of each joint unit (hereinafter referred to as a joint angle). It is a stored CPU. The base unit 104 rotates the first and second arms with an arbitrary point as the origin in the space coordinates. Here, the origin in the spatial coordinates of the rotational motion of the first and second arms 110 and 140 is the tip of the base arm 106 (that is, the center position of the rotation of the first joint portion 120).

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 first arm 110 is a long member, and its rear end is fixed to a first pulley 126 described later. The first arm 110 rotates around a first joint shaft 122 described later as the first motor 130 rotates. The first arm 110 is provided with a projection 112 at the rear end for regulating the rotation angle.

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 joint part 120 includes a first joint shaft 122, a gear 124, a first pulley 126 fixed to the base arm 106 of the base part 104, and a first joint part 120 (specifically, First measuring means 128 for measuring the joint angle of the gear 124) (that is, the rotation angle of the first arm 110). The first joint shaft 122, the gear 124, and the first pulley 126 are respectively disposed with the tip of the base arm 106 as a common shaft. However, the first joint shaft 122 and the first pulley 126 are fixed to the tip of the base arm 106 and do not rotate with respect to the base arm 106 even if the first motor 130 rotates. On the other hand, the gear 124 is rotatably arranged at the tip of the base arm 106, and rotates with respect to the base arm 106 when the first motor 130 rotates. The gear 124 is fixed to the first arm 110 and serves as a first power transmission unit that rotates together with the first arm 110 by the first motor 130 about the first joint shaft 122. The first measuring means 128 is constituted by, for example, a rotary potentiometer fixed to the base arm 106. Alternatively, the first measuring unit 128 may be constituted by, for example, a slit plate fixed to the gear 124 and a rotary encoder fixed to the base arm 106. The first measuring unit 128 outputs the measured joint angle of the first joint unit 120 (that is, the rotation angle of the first arm 110) to the control unit 109 via a wiring (not shown).

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 first motor 130 is a first actuator that rotates the first arm 110. The first motor 130 is fixed to the base arm 106 of the base portion 104, and a gear 132 that meshes with the gear 124 of the first joint portion 120 is attached. The first motor 130 generates a rotational force under the control of the control unit 109 and rotates the first arm 110 fixed to the gear 124 via the gear 132. The first motor 130 is fixed to the base arm 106 at a position where the outer periphery of the gear 132 of the first motor 130 is in contact with the center line of the base arm 106 and the gear 132 as shown in FIG. Is a position that meshes with the gear 124 of the first joint 120.

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 second arm 140 is a long member, and its rear end is fixed to a second pulley 156 described later. The second arm 140 rotates together with the second pulley 156 around the second joint shaft 152 described later as the second motor 160 rotates. The second arm 140 is provided with a projection 142 at the rear end for regulating the rotation angle. In the first embodiment, the tip of the second arm 140 is a free end.

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 joint shaft 152, a gear 154, a second pulley 156 fixed to the second arm 140, and a second joint 150 (specifically, the gear 154). ) Joint angle (that is, the rotation angle of the second arm 140). The second joint shaft 152, the gear 154, and the second pulley 156 are respectively disposed with the tip of the first arm 110 as a common axis. However, the second joint shaft 152 is fixed to the tip of the first arm 110, and the gear 154 and the second pulley 156 are rotatably arranged at the tip of the first arm 110. The gear 154 is fixed to the second arm 140 and serves as a second power transmission unit that rotates together with the second arm 140 by the second motor 160 about the second joint shaft 152. The second pulley 156 is fixed to the second arm 140 together with the gear 154. When the gear 154 is rotated by the second motor 160, the second pulley 156 rotates together with the second arm 140 about the second joint shaft 152. To do. The second measuring means 158 is constituted by, for example, a rotary potentiometer fixed to the first arm 110. Alternatively, the second measuring unit 158 may be constituted by, for example, a slit plate fixed to the gear 154 and a rotary encoder fixed to the first arm 110. The second measuring unit 158 outputs the measured joint angle of the second joint unit 150 (that is, the rotation angle of the second arm 140) to the control unit 109 via a wiring (not shown). The control unit 109 determines the rigidity of the first and second motors 130 and 160 based on the joint angles of the first and second joint units 120 and 150 output from the first and second measuring units 128 and 158. To change.

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 second motor 160 is a second actuator that rotates the second arm 140. The second motor 160 is fixed to the first arm 110 and is attached with a gear 162 that meshes with the gear 154 of the second joint portion 150. The second motor 160 generates rotational force under the control of the control unit 109 and rotates the second pulley 156 and the second arm 140 fixed to the gear 154 via the gear 162. The position where the second motor 160 is fixed to the first arm 110 is such that the outer periphery of the gear 162 of the second motor 160 is in contact with the center line of the first arm 110 as shown by a right-angle symbol in FIG. In addition, the gear 162 is a position where the gear 162 meshes with the gear 154 of the second joint portion 150.

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 first pulley 126 of the first joint portion 120 and the second pulley 156 of the second joint portion 150 are elastic with the first locking portion 210 having elasticity on both sides of the first arm 110. It is locked by the second locking portion 220. The first pulley 126 serves as a first elastic force transmission unit that transmits the elastic force of the first locking part 210 and the elastic force of the second locking part 220 to the first joint shaft 122. Yes. The second pulley 156 serves as a second elastic force transmission unit that transmits the elastic force of the first locking part 210 and the elastic force of the second locking part 220 to the second joint shaft 152. Yes.

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 first locking portion 210 is formed as a configuration including, for example, a first tension coil spring 212 that is an elastic body and two wires 214 and 216. The wire 214 of the first locking portion 210 has a tip fixed to a hook at the rear end of the first tension coil spring 212 and a rear end wound around the outer periphery of the first pulley 126 and fixed. The first tension coil spring 212 has a front end hook fixed to the rear end of the wire 216 and a rear end hook fixed to the front end of the wire 214. The tip of the wire 216 is wound around the outer periphery of the second pulley 156 and fixed, and the rear end is fixed to the hook at the tip of the first tension coil spring 212.

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 part 220 is formed as a structure provided with the 2nd tension coil spring 222 which is an elastic body, and the two wires 224,226, for example. The front end of the wire 224 of the second locking portion 220 is fixed to the hook at the rear end of the second tension coil spring 222, and the rear end is opposite to the rear end of the wire 214 on the outer periphery of the first pulley 126. It is wound around and fixed. The second tension coil spring 222 has a front end hook fixed to the rear end of the wire 226 and a rear end hook fixed to the front end of the wire 224. The tip of the wire 226 is fixed by being wound around the outer periphery of the second pulley 156 in the direction opposite to the tip of the wire 216, and the rear end is fixed to the hook at the tip of the second tension coil spring 222.

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 second arms 110 and 140 are not rotating (that is, the tips of the first and second arms 110 and 140 are the same). In a state of facing the direction), it is in a balanced state. At this time, both the first and second tension coil springs 212 and 222 are extended by the same length. Hereinafter, the lengths of the first and second tension coil springs 212 and 222 in this state are referred to as natural lengths of the first and second tension coil springs 212 and 222.

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 wires 214, 216, 224, and 226 are always pulled by the elastic force of the first and second tension coil springs 212 and 222, which are elastic bodies. Therefore, the axes of the wires 214, 216, 224 and 226 always exist in the tangential direction of the first or second pulleys 126 and 156 within the operating range of the first and second arms 110 and 140.

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 first pulley 126 or the radius of the second pulley 156 as a moment arm. The product torque acts on the first and second joints 120 and 150.

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 joint portion 120 by the moment arm, and the second joint. The sum of the lengths obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the portion 150 by the moment arm.

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 second locking portions 210 and 220, but the same effect can be obtained even if a torsion bar or a torsion coil spring is used. Further, although the first and second pulleys 126 and 156 are used as means for transmitting the elastic force to the joint shaft, other configurations may be used.

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 joint portions 120 and 150 are stopped at the home position (that is, a state where the first and second motors 130 and 160 are not driven). Show.

<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 Embodiment 1>
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 joint portions 120 and 150 of the two-joint arm mechanism 100 are rotated by an arbitrary angle from the home position (see FIGS. 1 and 2) (that is, the first and second motors). 130 and 160 are driven).

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 base arm 106 of the base unit 104).

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 first pulley 126, and r 2 indicates the radius of the second pulley 156. L 1 indicates the arm length of the first arm 110, and L 2 indicates the arm length of the second arm 140. Θ 1 indicates the joint angle of the first joint portion 120, and θ 2 indicates the joint angle of the second joint portion 150. The coordinates (x, y) indicate the position of the free end (that is, the tip of the second arm 140).

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 second arm 140 which is a free end.

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 second arm 140 of the two-joint arm mechanism 100) and the speed of the joint angle, or the first and second joint shafts 122 and 152 work. It is known that torque (hereinafter referred to as joint shaft torque) and free end force are related by a Jacobian matrix. The joint shaft torque and the free end force can be obtained based on several mathematical formulas described below.

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-joint arm mechanism 100, the coordinates (x, y) of the free end are expressed by Equation 1 below.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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,Δθ2T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,Δθ2T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 Equation 2 below. Note that “T” is a symbol indicating a transposed matrix. The transposed matrix is converted to an (m, n) type matrix A = (aij) having aij as an (i, j) component, and converted to an (n, m) type having an aji as an (i, j) component. It is a matrix. Here, the small displacements (Δx, Δy) T of the free end and the minute displacements (Δθ 1 , Δθ 2 ) T of the joint angle are components of 2 rows and 1 column.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

ここで、以下の式3は、ヤコビ行列である。   Here, the following Expression 3 is a Jacobian matrix.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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,Δθ2T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.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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,y1T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 Equation 5 below. Therefore, the following formula 6 is established. In the two-joint arm mechanism 100, the Jacobian matrix J can also be expressed as the following Expression 7, where the coordinates of the second joint portion 150 are (x 1 , y 1 ) T.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 following equation 9.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 second arm 140. A vector from the second joint axis 152 at the tip of the first arm 110 is shown, and a vector c shows a vector from the origin of the tip of the first arm 110.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 first pulley 126 or the radius of the second pulley 156 as a moment arm. The torque that is the product of the moment arm acts on the first and second joint portions 120 and 150.

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 joint portion 120 by the moment arm, and This is the sum of the length obtained by multiplying the displacement angle from the equilibrium point of the joint angle of the second joint portion 150 by the moment arm.

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-joint arm mechanism 100, the torques generated by the two actuators (first and second motors 130 and 160) are denoted as τ a1 and τ a2 , respectively, and the first and second locking portions 210 and 220 Two elastic bodies (first and second tension coil springs 212, 222) are both represented by κ, and two elastic force transmission parts (first and second pulleys 126) to which the two elastic bodies are connected. , 156) are assumed to be γ 1 and γ 2 , respectively, and joint angles at which the elastic body has a natural length are θ 10 and θ 20 , respectively, and displacement angles from the joint angles θ 10 and θ 20 are δ 1 , Let δ 2 . Then, the joint shaft torques τ 1 and τ 2 can be expressed as the following Expression 11, and the output of the free end can be expressed as the following Expression 12.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment, compared to the conventional second configuration example, one of the actuators is replaced with a latching portion having elasticity. The position, force, and rigidity of the distal end of the second arm 140, which is a free end, can be easily controlled while reducing the configuration of the second arm 140 (ie, the same as the first configuration example of the related art).

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 arm mechanism 100 according to the first embodiment 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.

<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 Embodiment 1>
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 control unit 109 of the multi-joint arm mechanism 100 uses the joint angles measured by the first and second measuring units 128 and 158 to calculate the first and second joint units 120, The first and second motors 130 and 160 that are the first and second actuators are controlled so that the joint shaft torque of 150 changes.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

ここで、(τa1,τa2T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,τu2T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,δ2T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 second motors 130 and 160 as the first and second actuators. Further, (τ u1 , τ u2 ) T is an arbitrary joint axis torque, and is a component that does not depend on posture change (that is, change in joint angle). Moreover, the following formula | equation 16 is arbitrary elastic coefficients. Further, (δ 1 , δ 2 ) T is a joint angle. The following Expression 17 is a component that depends on the posture change.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 formula 20 are generated at the free end.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 arm mechanism 100 according to the first embodiment has an elastic body that simultaneously acts on two joint portions, it has a certain elasticity even for a large input or an angular displacement input that the actuator cannot respond to. There are features.

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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment can arbitrarily control the rigidity of the free end by changing the torque of the actuator acting on the joint axis in accordance with the joint angular displacement. For this reason, for example, it is possible to realize the optimum rigidity for the operation of an apparatus such as an arm type robot.

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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment simultaneously acts so that the elastic forces of the two locking portions are automatically harmonized with the elastic force transmission portions of the two joint portions. . Therefore, the articulated arm mechanism 100 according to the first embodiment 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、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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment includes two locking portions that are simple and inexpensive members that do not require power, such as a tension coil spring, a torsion bar, and a torsion coil spring. can do. Therefore, the articulated arm mechanism according to the first embodiment can be configured at a low cost with a simple member that does not require power.

<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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment. Here, a case where the articulated arm mechanism having such a configuration is applied to a leg of a robot will be described as an example.

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 base arm 106, the first and second arms 110 and 140, and the third arm 170 described later are the centers. Only lines are shown. Further, in FIG. 7, the inner diameters of the teeth of the gears 124, 132, 154, 162 and the gears 184, 192 to be described later are indicated by a one-dot chain line, and the outer diameters of the teeth are indicated by a solid circle.

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 multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment. In addition, the second joint portion 150 has a double structure (see FIG. 8) provided with a third pulley 157, a third arm 170, a third joint portion 180, and a third motor. 190 and third and fourth locking portions 230 and 240.

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 joint portion 150 includes a third pulley fixed to the first arm 110 in addition to the second joint shaft 152, the gear 154, the second pulley 156, and the second measuring means 158. 157. The third pulley 157 is arranged together with the second joint shaft 152, the gear 154, and the second pulley 156 with the tip of the first arm 110 as a common axis. The radius of the third pulley 157 is preferably the same radius as the second pulley 156 so that the control unit 109 can easily control the radius.

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 third arm 170 is a long member formed in an L shape, and its rear end is fixed to a fourth pulley 186 described later. The third arm 170 rotates together with the fourth pulley 186 about a third joint shaft 182 described later as the third motor 190 rotates. The third arm 170 is provided with a protrusion 172 at the rear end for regulating the rotation angle. In the second embodiment, the tip end of the third arm 170 is a free end.

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 joint portion 180 includes a third joint shaft 182, a gear 184, a fourth pulley 186 fixed to the third arm 170, and a third joint portion 180 (specifically, a gear 184). ) Joint angle (that is, the rotation angle of the third arm 170). The third joint shaft 182, the gear 184, and the fourth pulley 186 are respectively disposed with the tip of the second arm 140 as a common axis. However, the third joint shaft 182 is fixed to the distal end of the second arm 140, and the gear 184 and the fourth pulley 186 are rotatably disposed at the distal end of the second arm 140. The gear 184 is a third power transmission unit that is fixed to the third arm 170 and rotates together with the third arm 170 by the third motor 190 about the third joint shaft 182. The fourth pulley 186 is fixed to the third arm 170 together with the gear 184. When the gear 184 is rotated by the third motor 190, the fourth pulley 186 is rotated together with the third arm 170 about the third joint shaft 182. To do. The third measuring means 188 is constituted by, for example, a rotary potentiometer fixed to the second arm 140. Alternatively, the third measuring unit 188 may be configured by, for example, a slit plate fixed to the gear 184 and a rotary encoder fixed to the second arm 140. The third measuring unit 188 outputs the measured joint angle of the third joint unit 180 (that is, the rotation angle of the third arm 170) to the control unit 109 via a wiring (not shown). Based on the joint angles of the first, second, and third joints 120, 150, and 180 output from the first, second, and third measuring means 128, 158, and 188, the control unit 109 The rigidity of the second and third motors 130, 160, 190 is changed.

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 third motor 190 is a third actuator that rotates the third arm 170. The third motor 190 is fixed to the second arm 140 and attached with a gear 192 that meshes with the gear 184 of the third joint portion 180. The third motor 190 generates a rotational force under the control of the control unit 109, and rotates the fourth pulley 186 and the third arm 170 fixed to the gear 184 via the gear 192. The position where the third motor 190 is fixed to the second arm 140 is such that the outer periphery of the gear 192 of the third motor 190 is in contact with the center line of the second arm 140 as shown by a right-angle symbol in FIG. At the same time, the gear 192 meshes with the gear 184 of the third joint portion 180.

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 third pulley 157 of the second joint 150 and the fourth pulley 186 of the third joint 180 have elasticity with the third locking part 230 having elasticity on both sides of the second arm 140. It is locked by the fourth locking portion 240. The third pulley 157 serves as a third elastic force transmission unit that transmits the elastic force of the third locking portion 230 and the elastic force of the fourth locking portion 240 to the second joint shaft 152. Yes. The fourth pulley 186 serves as a fourth elastic force transmission unit that transmits the elastic force of the third locking portion 230 and the elastic force of the fourth locking portion 240 to the third joint shaft 182. Yes.

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 part 230 is formed as a structure provided with the 3rd tension coil spring 232 and two wires 234 and 236 which are elastic bodies, for example. The tip of the wire 234 of the third locking portion 230 is fixed to the hook at the rear end of the third tension coil spring 232, and the rear end is wound around and fixed to the outer periphery of the third pulley 157. The third tension coil spring 232 has a front end hook fixed to the rear end of the wire 236 and a rear end hook fixed to the front end of the wire 234. The front end of the wire 236 is fixed by being wound around the outer periphery of the fourth pulley 186, and the rear end is fixed by a hook at the front end of the third tension coil spring 232.

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 part 240 is formed as a structure provided with the 4th tension coil spring 242 which is an elastic body, and the two wires 244,246, for example. The leading end of the wire 244 of the fourth locking portion 240 is fixed to the hook at the rear end of the fourth tension coil spring 242, and the rear end is opposite to the rear end of the wire 234 on the outer periphery of the third pulley 157. It is wound around and fixed. The fourth tension coil spring 242 has a front end hook fixed to the rear end of the wire 246 and a rear end hook fixed to the front end of the wire 244. The tip of the wire 246 is fixed by being wound around the outer periphery of the fourth pulley 186 in the direction opposite to the tip of the wire 236, and the rear end is fixed by a hook at the tip of the fourth tension coil spring 242.

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 third arms 140 and 170 are not rotating (that is, the tips of the second and third arms 140 and 170 are the same). In a state of facing the direction), it is in a balanced state. At this time, the third and fourth tension coil springs 232 and 242 are both extended by the same length. Hereinafter, the lengths of the third and fourth tension coil springs 232 and 242 in this state are referred to as natural lengths of the third and fourth tension coil springs 232 and 242.

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 wires 234, 236, 244 and 246 are always pulled by the elastic force of the third and fourth tension coil springs 232 and 242 which are elastic bodies. Therefore, the axes of the wires 234, 236, 244, and 246 always exist in the tangential direction of the third or fourth pulleys 157 and 186 within the operation range of the second and third arms 140 and 170.

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 third pulley 157 or the radius of the fourth pulley 186 as a moment arm, and the respective elastic force and moment arm. The product torque acts on the second and third joints 150 and 180.

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 portion 180 by the moment arm.

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 fourth locking portions 230 and 240, but the same effect can be obtained even if a torsion bar or a torsion coil spring is used. Further, although the third and fourth pulleys 157 and 186 are used as means for transmitting the elastic force to the joint shaft, other configurations may be used.

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 joint portions 120, 150, and 180 are stopped at the home position (that is, the first, second, and third motors 130, 160). , 190 is not driven).

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 arm mechanism 600 can be used for a leg of a robot as described above. In this case, the base portion 104 functions as a body, the first arm 110 functions as a thigh, the first joint portion 120 functions as a hip joint, and the second arm 140. The second joint 150 functions as a knee joint, the third arm 170 functions as a foot, and the third joint 180 functions as an ankle joint (Ankle). ).

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 arm mechanism 600, the third and fourth pulleys 157 and 186, which are the third and fourth elastic force transmission units, are the first and second in the articulated arm mechanism 100 according to the first embodiment. This acts in the same manner as the first and second pulleys 126 and 156 which are the elastic force transmission portions. Therefore, the multi-joint arm mechanism 600 is configured to have three joint portions, and can realize the same operation as the multi-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment having two joint portions.

<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 joint portions 120, 150, and 180 of the three-joint arm mechanism 600 are rotated by an arbitrary angle from the home position (see FIGS. 7 and 8). And a state in which the second and third motors 130, 160, 190 are driven).

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 fourth pulley 186. Here, the radius of the third pulley 157 is r 2 which is the same as the radius of the second pulley 156 here. L 3 indicates the arm length of the third arm 170.

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 third arm 170 which is a free end.

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 joint portion 180. The coordinates (x, y) indicate the position of the free end (that is, the tip of the third arm 170).

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-joint arm mechanism 600, the torque acting on the first, second, and third joint shafts 122, 152, and 182 (hereinafter referred to as joint shaft torque) and the free end force are the two-joint arm according to the first embodiment. Similar to mechanism 100, they are related by a Jacobian matrix. In the three-joint arm mechanism 600, the joint shaft torque and the free end force are expressed by the following equation (21).

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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 Expression 22 using the symbols in FIG.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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.

Figure 0004442464
Figure 0004442464

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-joint arm mechanism 600 can define all the forces in the two-dimensional plane, the position, force and rigidity of the free end can be controlled.

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-joint arm mechanism 600 is used for a leg of a robot, the potential energy changes so that the posture of the robot is in an equilibrium state according to the following principle even when a load is applied from the outside. . Therefore, the robot can easily obtain the standing stability.

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 joint portions 120 and 150) and the knee joint and the ankle joint (second and third joint portions 150 and 180). This is the sum of the elastic energy accumulated in the first to fourth locking portions 210, 220, 230, and 240 and the potential energy of the entire robot.

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-joint arm mechanism 600 has asymptotic stability at an equilibrium point, and with respect to a certain range of disturbance (load applied from the outside), Even if the load distribution on the back side is not fed back to the control unit 109 and controlled, the standing posture can be maintained.

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-joint arm mechanism 600 is applied to the leg of the robot, the stability of the standing position can be easily obtained, so that the control of the legged mobile robot can be simplified.

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-joint arm mechanism 100 according to the first embodiment, the three-joint arm mechanism 600 can maintain a certain elasticity even with respect to a fast movement that the actuator cannot respond to. Therefore, the stability of the jumping operation and the landing operation can be improved.

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.

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る。1 is a side view illustrating a configuration of a multi-joint arm mechanism according to Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 3 is a top view illustrating the configuration of the articulated arm mechanism according to the first embodiment. 実施例1に係る多関節アーム機構の動作例を示す図(1)である。FIG. 6A is a diagram (1) illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the first embodiment. 実施例1に係る多関節アーム機構の動作例を示す図(2)である。FIG. 6B is a diagram (2) illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the first embodiment. 実施例1に係る多関節アーム機構の動作例を示す図(3)である。FIG. 6C is a diagram (3) illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the first embodiment. 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。It is a figure which shows the control block of the articulated arm mechanism which concerns on Example 1. FIG. 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る。FIG. 6 is a side view illustrating a configuration of a multi-joint arm mechanism according to a second embodiment. 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。FIG. 6 is a front view illustrating a configuration of an articulated arm mechanism according to a second embodiment. 実施例2に係る多関節アーム機構の動作例を示す図(1)である。FIG. 10A is a diagram (1) illustrating an operation example of the articulated arm mechanism according to the second embodiment. 実施例2に係る多関節アーム機構の動作例を示す図(2)である。FIG. 10B is a diagram (2) illustrating an operation example of the multi-joint arm mechanism according to the second embodiment. 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。It is a graph which shows the relationship between the change of the attitude | position of a robot, and the change of potential energy. 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。It is a figure which shows the 1st structural example of the conventional articulated arm mechanism. 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。It is a figure which shows the 2nd structural example of the conventional articulated arm mechanism.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 104 ... Base part 105 ... Base 106 ... Base arm 109 ... Control part 110 ... 1st arm 120 ... 1st joint part 122 ... 1st joint axis 124,132,154,162 ... Gear (power transmission part)
126 ... 1st pulley (1st elastic force transmission part)
128, 158... Measuring means 130... First motor (first actuator)
140 ... 2nd arm 150 ... 2nd joint part 152 ... 2nd joint axis 156 ... 2nd pulley (2nd elastic force transmission part)
160 ... second motor (second actuator)
210: first locking portion 212: first tension coil spring (elastic body)
214, 216, 224, 226 ... wire 220 ... second locking portion 222 ... second tension coil spring (elastic body)

Claims (11)

動作の基点となるベース部と、
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.
請求項1に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項2に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項1に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項4に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項1に記載の多関節アーム機構において、
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。
Figure 0004442464
In the articulated arm mechanism according to claim 1,
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.
Figure 0004442464
動作の基点となるベース部と、
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 .
請求項7に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項8に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項7に記載の多関節アーム機構において、
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.
請求項10に記載の多関節アーム機構において、
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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