JP6434714B2 - ワイヤ駆動式ロボット - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ駆動式ロボットに関し、より詳しくは、ワイヤを介して少数の駆動装置で多数個の関節を駆動することができるワイヤ駆動式ロボットに関する。

ロボットの構造において関節の数とロボットの重さは相反関係にある。関節が多くなれば各関節を駆動するための駆動装置が増加し、これはロボットの全体荷重を増加する原因になるためである。特に着用式ロボットは、作業者が直接ロボットを着用した状態でロボットを操作して作業を行うように考案されたものであって、ロボットの重さが増加すれば着用者が負担すべき荷重が増大して、長期間の作業時に着用者に疲労感を誘発し、作業効率を下げる問題があった。

しかし従来のロボットは、駆動のために多数個の関節を有し、各関節別に駆動装置が備えられてロボットの全体荷重が増大せざるを得ない構造からなっており、これは作業者の作業効率を低減させる原因になっていた。

前記の背景技術として説明した事項は、本発明の背景についての理解を増進するためのものであり、この技術分野の当業者に既知の従来技術として受け入れられてはならない。

韓国出願公開第１０−２０１２−００５９３０５号明細書 特開２００８−２３２３６０号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、各関節別に駆動装置を設ける代わりに、多数個の関節と連結するワイヤを備え、ワイヤを巻いたり緩めることができるように駆動装置が設けられて、各関節ごとに駆動装置を備えなくても各関節に回転力を加えることができるワイヤ駆動式ロボットを提供することにある。

このような目的を達成するための、本発明のワイヤ駆動式ロボットは、着用者の動きに従って動作するように肩関節、肘関節及び手首関節を備えた一対のアーム部、一対の肩関節と連結される肩ワイヤ、着用者の動きに連動して肩ワイヤを巻いたり緩めて肩関節に回転力を加える肩駆動部、一対の肘関節と連結される肘ワイヤ、着用者の動きに連動して肘ワイヤを巻いたり緩めて肘関節に回転力を加える肘駆動部、一対の手首関節と連結される手首ワイヤ、及び着用者の動きに連動して手首ワイヤを巻いたり緩めて手首関節に回転力を加える手首駆動部を含むことを特徴とする。

各ワイヤの両端は、対応する一対の関節に各々連結され、各駆動部は、対応するワイヤの両端の間に連結されて対応するワイヤを巻いたり緩めることを特徴とする。

一対のアーム部が両側部に回転可能に結合するサポーティングボディーをさらに含み、各駆動部は前記サポーティングボディーに固定されることを特徴とする。

各駆動部は、着用者が各駆動部に対応する関節を該当するワイヤの引き方向と反対方向に回転させる時、該当するワイヤを緩めることを特徴とする。

各駆動部は、着用者が各駆動部に対応する関節を該当するワイヤの引き方向と一致する方向に回転させる時、該当するワイヤを巻くことを特徴とする。

各ワイヤの一端と他端間に各ワイヤ別に設けられ、該当するワイヤの張力を検出する張力検出部、及び各張力検出部に該当するワイヤと連結される関節が回動して該当するワイヤに張力変化が発生する時、該当するワイヤを巻いたり緩めるように該当する駆動部を作動させることにより、該当するワイヤがあらかじめ設定した基準張力を維持するように制御する制御部を含むことを特徴とする。

各張力検出部は、各張力検出部に対応する駆動部ワイヤと一端が連結される駆動部側掛かり部、一端が各張力検出部に該当するワイヤの両端間に連結され、他端部が該当する駆動部側掛かり部と掛かり結合するアーム部側掛かり部、及び駆動部側掛かり部とアーム部側掛かり部が接触する部分に設けられて、接触面にかかる加圧力を検出する圧力センサー、を含むことを特徴とする。

前記したような構造からなるワイヤ駆動式ロボットによれば、ロボットの駆動のための駆動部の数を減らすことによりロボットの全体の重さを節減することができ、したがって作業者の負担を減らし、作業者の作業効率を増大することができる。

また、駆動部の数を減らすことになり費用が節減される。

本発明の一実施例によるワイヤ駆動式ロボットの肩ワイヤ駆動のための構成図である。 本発明の一実施例によるワイヤ駆動式ロボットの肘ワイヤ駆動のための構成図である。 本発明の一実施例によるワイヤ駆動式ロボットの手首ワイヤ駆動のための構成図である。 本発明の一実施例による張力検出部の構成図である。

以下では添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施例によるワイヤ駆動式ロボットについて詳察する。

図１ないし図３は、本発明の一実施例によるワイヤ駆動式ロボットの構成図であって、着用者の動きに従って動作するように肩関節１１０、肘関節１３０及び手首関節１５０を備えた一対のアーム部１００、一対の肩関節１１０と連結される肩ワイヤ２１１、着用者の動きに連動して肩ワイヤ２１１を引くか緩めて肩関節１１０に回転力を加える肩駆動部５１０、一対の肘関節１３０と連結される肘ワイヤ２３１、着用者の動きに連動して肘ワイヤ２３１を引くか緩めて肘関節１３０に回転力を加える肘駆動部５３０、一対の手首関節１５０と連結される手首ワイヤ２５１、及び着用者の動きに連動して手首ワイヤ２５１を引くか緩めて手首関節１５０に回転力を加える手首駆動部５５０、を含む。

さらに具体的には、一対のアーム部１００が両側部に回転可能に結合するサポーティングボディー１７０をさらに含み、各駆動部５１０、５３０、５５０は、前記サポーティングボディーに固定して構成されることが好ましい。

前記サポーティングボディー１７０は、着用者の背に対面するよう着用者の後方に位置するもので着用者によって支持され、前記一対のアーム部１００が前記サポーティングボディー１７０の両側部上端に結合されて着用者の腕と共に動作するようになる。ここで前記一対のアーム部１００は、各々互いに独立的に動くようになり、各アーム部１００の関節１１０、１３０、１５０は、アーム部１００に設けられる多数個のリンク間に自由な相対回転が可能なように結合されることにより形成され、アーム部１００のうち手首関節１５０側の先端部に着用者がホールディングすることができるグリップ部１６０が設けられて、着用者がグリップ部１６０をつかんで腕を移動させることにより、アーム部１００がこれに伴って移動するようになっている。

一方、前記駆動部５１０、５３０、５５０が前記サポーティングボディー１７０に設けられて重量が着用者の背に集中するようにし、前記アーム部１００には駆動部５１０、５３０、５５０を設置しないことにより、アーム部１００の重さを減らし、よって着用者がアーム部１００を動かす場合に疲労感を感じにくくする効果がある。

一方、各ワイヤ２１１、２３１、２５１の両端は、対応する一対の関節に各々連結され、各駆動部５１０、５３０、５５０は対応するワイヤ２１１、２３１、２５１の両端の間に連結され対応するワイヤ２１１、２３１、２５１を引くか緩めるようにすることが好ましい。

すなわち、前記肩ワイヤ２１１の両端は前記サポーティングボディー１７０の上端を通って一対の肩関節１１０に各々連結され、前記肘ワイヤ２３１の両端は前記サポーティングボディー１７０の上端と肩関節１１０を通り一対の肘関節１３０と連結され、前記手首ワイヤ２５１の両端は前記サポーティングボディー１７０の上端と肩関節１１０及び肘関節１３０を通り一対の手首関節５５０と連結される。

各ワイヤ２１１、２３１、２５１が該当する関節のどの位置に連結されるかによって、ワイヤ２１１、２３１、２５１の引き作用による関節の回転力作用の方向が変わり得るため、連結する位置はロボットの用途及び作業者の作業パターンに応じて決定するのが好ましい。

しかし、一般的に着用式ロボットは作業者が重い重量物をリフティングする時に補助力を加えるための用途に製作するものであるため、作業者の関節回転方向に合うように各ワイヤ２１１、２３１、２５１が該当する関節に連結されることが好ましい。例えば、肘関節の場合、作業者が重量物を持つ時に関節が上方回転、肩に向かって回転するので肘ワイヤ２３１の端部は前記肘関節１３０が上方回転をするように連結されることが好ましい。

一方、一端が、各駆動部５１０、５３０、５５０に該当するワイヤ２１１、２３１、２５１と連結される、肩駆動部ワイヤ２１３、肘駆動部ワイヤ２３３及び手首駆動部ワイヤ２５３がさらに設けられ、肩駆動部５１０、肘駆動部５３０及び手首駆動部５５０は、各駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３の他端と連結して該当する駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３を巻いたり緩めたりする機能を行う。各駆動部５１０、５３０、５５０は回転軸を有するモータから構成されることが好ましい。

例えば、前記肩駆動部ワイヤ２１３の一端は前記肩ワイヤ２１１の両端の間に連結され、肩駆動部ワイヤ２１３の他端が肩駆動部５１０と連結されることにより、前記肩駆動部ワイヤ２１３が巻かれたり緩まるに応じて前記肩ワイヤ２１１が引かれたり緩くなる。

各ワイヤ２１１、２３１、２５１は、該当する各駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３の一端と掛かり構造で連結されて、駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３に対して自由に移動が可能なようになるのが好ましい。こうして一対の関節１１０、１３０、１５０が互いに異なる動きを見せることが可能である。前記掛かり構造については、後述することにする。

一方、各駆動部５１０、５３０、５５０は、着用者が各駆動部５１０、５３０、５５０に対応する関節を該当するワイヤ２１１、２３１、２５１の引き方向と一致する方向に回転させる時、該当するワイヤ２１１、２３１、２５１を巻くように駆動させることが好ましい。

このために、各ワイヤ２１１、２３１、２５１の張力を検出して張力が増加したり減少することに応じて該当する関節１１０、１３０、１５０の回転方向を感知することができ、関節１１０、１３０、１５０の回転に伴う駆動部５１０、５３０、５５０の制御のために制御部６００が設けられることが好ましい。

また、各ワイヤ２１１、２３１、２５１が該当する各駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３の一端と連結する部分に張力検出のために張力検出部３０１、３０２、３０３が設けられる。前記張力検出部３０１、３０２、３０３は、肩ワイヤ２１１の張力を検出する肩張力検出部３０１と、肘ワイヤ２３１の張力を検出する肘張力検出部３０２、及び手首ワイヤ２５１の張力を検出する手首張力検出部３０３から構成される。

前記張力検出部３０１、３０２、３０３について図４を参照して説明すれば、張力検出部３０１、３０２、３０３は、一端が駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３と連結される駆動部側掛かり部３３０、一端がワイヤ２１１、２３１、２５１と連結され、他端部が駆動部側掛かり部３３０と掛かり結合するアーム部側掛かり部３１０、及び前記駆動部側掛かり部３３０とアーム部側掛かり部３１０が接触する部分に設けられ接触面にかかる加圧力を検出する圧力センサー３５０、を含むように設けられる。

前記駆動部側掛かり部３３０とアーム部側掛かり部３１０は、四角のリング状に折曲されたパネルであって、互いに垂直に交差して各他端部の内側面の一部が互いに対面して掛かり構造を形成するように設けられることが好ましい。リング間に互いに交差掛かり状態にあるため、ワイヤ２１１、２３１、２５１が緩くなっても互いに結合が解除されず、継続して結合された状態を維持することができ、またパネルからなっていて広い接触面積が備えられるため、安定的な結合が可能になる効果がある。

一方、前記圧力センサー３５０は、前記圧力センサー３５０の一面に加えられる圧力を検出するセンサーであって、ロードセルからなる。

前記圧力センサー３５０は、前記駆動部側掛かり部３３０又はアーム部側掛かり部３１０の他端部内側面に設置されて、駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３とワイヤ２１１、２３１、２５１にかかる張力を測定するが、駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３とワイヤ２１１、２３１、２５１は、各掛かり部３１０、３３０の結合を介して連結されているため同一の張力を有し、ワイヤ２１１、２３１、２５１に張力の発生時に前記各掛かり部３１０、３３０の他端部内側面が互いに接触した状態になるため、接触する位置に設けられた前記圧力センサー３５０が張力に比例して加圧されて、ワイヤ２１１、２３１、２５１の張力を検出する。

一方、前記アーム部側掛かり部３１０の一端にはローラー３１３が備えられ、ワイヤ２１１、２３１、２５１の両端の間が前記ローラー３１３に掛かるように設けられる。前記ローラー３１３には滑車のように外周面の中央に溝が形成されて前記ワイヤの離脱を防止することが好ましい。

ワイヤ２１１、２３１、２５１の両端が互いに異なるアーム部１００に連結されているので、一つの駆動部５１０、５３０、５５０を介して互いに異なる関節１１０、１３０、１５０に同一の作動力を印加することができる。

また、各張力検出部３０１、３０２、３０３は、前記サポーティングボディー１７０に設置されることが好ましいが、前記サポーティングボディー１７０のうち前記アーム部側掛かり部３１０に対応する位置には、前記アーム部側掛かり部３１０が結合して移動できるようにレール４１０が備えられ、前記レール４１０は、前記アーム部側掛かり部３１０の移動方向に沿って設けられ、駆動部ワイヤ２１３、２３３、２５３が該当する駆動部５１０、５３０、５５０に巻かれて緩まるに伴って前記レール４１０に沿って移動する。

次に、作動過程を説明するために、図２に示された肘関節１３０と肘ワイヤ２３１の場合を詳察する。同一の作動過程が、各ワイヤ２１１、２３１、２５１と各駆動部５１０、５３０、５５０及び各関節１１０、１３０、１５０に適用される。

まず、着用者が肘を曲げる時、すなわち上方回転をすればこれに伴って肘関節１３０が上方回転をして曲がるようになり、前記肘関節１３０と連結した肘ワイヤ２３１は緩くなる。したがって、肘ワイヤ２３１の張力は減少するようになり、圧力センサー３５０から張力値の提供を受けた制御部６００は、肘駆動部５３０を駆動して肘駆動部ワイヤ２３３を巻くようにする。したがって、前記肘ワイヤ２３１には引き力が作用するようになり、前記肘関節１３０には上方への引き力が作用し、作業者が重量物を容易に持つことができるように補助力が加えられる。肘ワイヤ２３１による引き力は、一対の肘関節１３０に同一の大きさの力で作用する。

一方、各駆動部５１０、５３０、５５０は、着用者が各駆動部５１０、５３０、５５０に対応する関節を該当するワイヤ２１１、２３１、２５１の引き方向と反対方向に回転させる時、該当するワイヤ２１１、２３１、２５１を緩めるように作動する。

前記肘ワイヤ２３１と肘関節１３０の場合を再度考慮してみると、肘関節１３０が伸びる時、すなわち下方回転をする時、前記肘ワイヤ２３１は引っ張られるようになって張力は増加する。したがって、前記制御部６００は、前記肘駆動部５３０を作動させて前記肘駆動部ワイヤ２３３を緩めるようにし、前記肘ワイヤ２３１は緩まるようになる。したがって、着用者が肘関節１３０を回転させるのに感じる疲労感を低減することができる。

前記制御部６００には、ワイヤ２１１、２３１、２５１についての基準張力が設定されて、ワイヤ２１１、２３１、２５１の張力が基準張力値より大きくなったり小さくなる度に、ワイヤ２１１、２３１、２５１の張力が基準張力に復帰するように駆動部５１０、５３０、５５０を作動させることが好ましい。前記基準張力は、作業者の環境及び作業の性格によって変更することができる。

前記したような構造からなるワイヤ駆動式ロボットによれば、ロボットの駆動のための駆動部の数を減らすことにより、ロボットの全体の重さを節減することができ、したがって作業者の負担を減らし作業者の作業効率を増大することができる。

また、駆動部の数を減らすことになり費用が節減される。

本発明は、特定の実施例に関し図示して説明したが、以下の特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、本発明を多様に改良及び変化することができるということは当業界において自明なことである。

本発明は、ワイヤを介して少数の駆動装置で多数個の関節を駆動することができるワイヤ駆動式ロボットの分野に適用できる。

１００ アーム部
１１０ 肩関節
１３０ 肘関節
１５０ 手首関節
１７０ サポーティングボディー
２１１ 肩ワイヤ
２１３ 肩駆動部ワイヤ
２３１ 肘ワイヤ
２３３ 肘駆動部ワイヤ
２５１ 手首ワイヤ
２５３ 手首駆動部ワイヤ
３０１ 肩張力検出部
３０２ 肘張力検出部
３０３ 手首張力検出部
３１０ アーム部側掛かり部
３１３ ローラー
３３０ 駆動部側掛かり部
３５０ 圧力センサー
４１０ レール
５１０ 肩駆動部
５３０ 肘駆動部
５５０ 手首駆動部
６００ 制御部

Claims (6)

1. 着用者の動きに従って動作するように肩関節、肘関節及び手首関節を備えた一対のアーム部と、
   一対の前記肩関節と連結される肩ワイヤと、
   前記着用者の動きに連動して前記肩ワイヤを巻いたり緩めて前記肩関節に回転力を加える肩駆動部と、
   一対の前記肘関節と連結される肘ワイヤと、
   前記着用者の動きに連動して前記肘ワイヤを巻いたり緩めて前記肘関節に回転力を加える肘駆動部と、
   一対の前記手首関節と連結される手首ワイヤと、
   前記着用者の動きに連動して前記手首ワイヤを巻いたり緩めて前記手首関節に回転力を加える手首駆動部とを含み、
   各ワイヤの両端は、対応する一対の関節に各々連結され、各駆動部は、対応するワイヤの両端の間に連結されて対応するワイヤを巻いたり緩めることを特徴とするワイヤ駆動式ロボット。
2. 前記一対のアーム部が両側部に回転可能に結合するサポーティングボディーをさらに含み、各駆動部は前記サポーティングボディーに固定されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ駆動式ロボット。
3. 各駆動部は、前記着用者が各駆動部に対応する関節を該当するワイヤの引き方向と反対方向に回転させる時、該当するワイヤを緩めることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ駆動式ロボット。
4. 各駆動部は、前記着用者が各駆動部に対応する関節を該当するワイヤの引き方向と一致する方向に回転させる時、該当するワイヤを巻くことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ駆動式ロボット。
5. 各ワイヤの一端と他端間に各ワイヤ別に設けられ、該当するワイヤの張力を検出する張力検出部と、
   各張力検出部に該当するワイヤと連結する関節が回動して該当するワイヤに張力変化が発生する時、該当するワイヤを巻いたり緩めるように該当する駆動部を作動させることにより、該当するワイヤがあらかじめ設定された基準張力を維持するように制御する制御部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ駆動式ロボット。
6. 各張力検出部は、各張力検出部に対応する駆動部ワイヤと一端が連結される駆動部側掛かり部と、
   一端が各張力検出部に該当するワイヤの両端間に連結され、他端部が該当する前記駆動部側掛かり部と掛かり結合するアーム部側掛かり部と、
   前記駆動部側掛かり部と前記アーム部側掛かり部が接触する部分に設けられて、接触面にかかる加圧力を検出する圧力センサーと、を含むことを特徴とする請求項５に記載のワイヤ駆動式ロボット。
   

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