JPH01164583A

JPH01164583A - エンドエフェクタ

Info

Publication number: JPH01164583A
Application number: JP62321298A
Authority: JP
Inventors: Akira Dobashi; 土橋　亮; Naoki Noguchi; 直樹野口; Kesatoshi Kuraoka; 倉岡　今朝年
Original assignee: National Space Development Agency of Japan; Hitachi Ltd
Current assignee: National Space Development Agency of Japan; Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-06-28
Also published as: CA1297136C; US4955654A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はエンドエフェクタに係り、特に位置及び角度の
少なくとも一方が不一致状態の物体を把持するのに好適
なエンドエフェクタに関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は米国特許筒４，１０５，２４１号に記載さ
れ、宇宙船作業機のリモート・マニピュレータ・システ
ム（ＲＭＳ）の標準エンドエフェクタ（ＳＥＥ）として
実用化されているが、上記位置及び角度の少なくとも一
方の不一致を矯正する際に大きな力（又はトルク）がエ
ンドエフェクタに加わり、エンドエフェクタ寿命を短か
いものにしていた。

以下、従来の装置の構成と動作について説明する。

第１図は本発明の適用されるエンドエフェクタ装置を示
すもので、１０１は把持部、１０２は宇宙作業機、１０
３はＲＭＳ　（リモートマニピュレータシステム）で６
自由度を持つ。１０４はペイロード、即ちＲＭＳ　１０
３で取扱う対象物である。

１０５は被把持体であり、ペイロード１０４に取り付け
られる。１０６はＴＶカメラであり、オペレータはこの
画像を見てＲＭＳ１０３を操作する。

把持部１０１は被把持体１０５を捕獲・固定することに
よりペイロード１０４を把持・確保することができる。

宇宙作業機１０２に取付けられた６自由度のＲＭＳ　１
０３は全長１０ｍを超える巨大なアームであり先端に把
持部１０１を装備することにより、ＲＭＳの位置決め精
度が悪くてもペイロード１０４を捕獲できる特徴を有す
る。このようにして、把持部１０１で確保されたペイロ
ード１０４はＲＭＳ　１０３により、任意の位置に任意
の方向で位置決めされる。

第２図は文献ＮＡＳＡ−ＣＰ−２２２１に示された図で
、原理的にＵ、Ｓ、Ｐ第４，１０５，２４１号に示され
たものであり、把持部１０１の主な構造を示している。

すなわち、２０１′は駆動系。

２０２はバックプレート、２０３はボールスプライン、
２０４はスネア大ギア、２０５は回転リング、２０６は
スネアケーブル、２０７は固定リング、２０８はボール
スクリュー、２０９はステータススイッチ（１）、２１
０はステータススイッチ（２）、２１１はステータスス
イッチ（３）。

２１２はエンドプレート、２１３はグローブ。

２１４は電気コネクタ、２１５は支持体、２１６はキャ
リア２１７はポールナツトである。

把持部１０１はバックプレート２０２に取付けられた駆
動系２０１内のＤＣブラシレスモータにより駆動される
。モータの出力トルクは駆動系２０１内の平歯車アセン
ブリ（図示せず）とボールスプライン２０３を介してス
ネア大ギア２０４に取付けられた回転リング２０５を駆
動する。回転リング２０５には３本のスネアケーブル２
０６の一端が取付けられており、スネアケーブル２０６
の他端は、支持体２１５を介して回転リング２０５の外
側にある固定リング２０７に付いている。したがって、
回転リング２０５が回転することによりスネアケーブル
２０６も回転し、３本のケーブルで作る軸が開閉する。

又、モータの出力トルクは駆動系２０１内の平歯車を介
して３本のボールスクリュー２０８を回転させる。モー
タの出力トルクの伝達は駆動系２０１内のクラッチとブ
レーキ（図示せず）により、ボールスプライン２０３と
ポールナツト−２０８とに切替えられる。ボールスクリ
ュー２０８の先端にはキャリア２１６がポールナツト２
１７を介して付いており、ボールスクリュー２０８が回
転することにより、キャリア２１６が前後に移動する。

キャリア２１６にはスネアの回転リング２０５．固定リ
ング２０７が付いているため、ボールスクリュー２０８
が回転することにより、スネアケーブル２０６も引込ま
れたり、引出されたりする。キャリア２１６の移動状況
は、ステータススイッチ２０９〜２１１により確認され
る把持部１０１の開口部側（バックプレート２０２の反
対側）にはエンドプレート２１２があり、この面が被把
持体１０５とのインタフェース面になる。エンドプレー
ト２１２にはグローブ２１３が有り、被把持体１０５の
回転を固定する機能を有する。又、エンドプレート２１
２には電気コネクタ２１４があり、被把持体１０５．ペ
イロード１０４との電気的なインタフェースも取ること
ができる。

第３図は被把持体１０５の主な構造を示し、３０１はベ
ースプレート、３０２は把持体シャフト、３０３はガイ
ドアーム、３０４は電気コネクタ、３０５は被把持ター
ゲットである。

第４図は把持部１０１の動作を示す説明図であり、１０
１は把持部、１０５は被把持体２０５は回転リング、２
０６はスネアケーブル、２０７は固定リング、３０２は
把持体シャフトである。また、第４図の（１）は捕獲開
始状態、（２）は捕獲工程、（３）は捕獲終了状態を示
す。

次に、第１図、第２図、第３図２第４図により把持部１
０１の動作を説明する。

第４図（１）において、動作開始前では第２図の把持部
１０１はキャリア２１６が完全に引き出され、又スネア
ケーブル２０６は回転リング２０５、固定リング２０？
内に収納された状態になっている。オペレータは第１図
のＲＭＳ　１０３を操作してペイロード１０４について
いる被把持体１０５の被把持体シャフト３０２が把持部
１０１の開口部内に入るように、ＲＭＳ　１０３のＴＶ
カメラ１０６で第３図の被把持ターゲット３０５を見な
から把持部１０１を位置決めする。

この状態が第４図（１）である９次に、回転リング２０
５が回転し３本のスネアケーブル２０６が回転し始め、
被把持体シャフト３０２に近づいていくこの状態が第４
図（２）σである。回転リング２０５が完全に回転し、
スネアケーブル２０６が被把持体シャフト３０２を締め
付けると、被把持体シャフト３０２は把持部１０１の中
心に位置することになる。この状態が第４図（２）Ｉで
ある。次にボールスクリュー２０８が回転し、スネアケ
ーブル２０６をキャリア２１６ごと把持部１０１側に引
込む。その結果、把持部１０１のエンドプレート２１２
と被把持体１０５のベースプレート３０１は密着して、
ガイドアーム３０３はグローブ２１３にセットされ、被
把持体１０５は６自由度いずれの方向に対しても固定さ
れる。

（第４図（３））以上の動作は第５図に示すシーケンスにより実行される
。まず最初にオペレータは、キャリア２１６が完全に引
出されていることをステータススイッチ（１）２０９の
ｒＥＮＤ　　ＥＦＦＥＣ−ＴＯＲＥＸＴＥＮＤＪシグナ
ル、及びスネアが完全に開いていることをステータスス
イッチ（４）（図示せず）のｒｓＮＡＲＥｓ　　０ＰＥ
ＮＪシグナルにより確認する６次にオペレータはＲＭＳ
１０３により把持部１０１を位置決めして、被把持体シ
ャフト３０２が把持部１０１の開口部内にあることをＴ
Ｖカメラ１０６により確認後、回転リング２０５のスイ
ッチを投入して回転させる。

回転リング２０５が完全に８０°回転し終るとスティタ
ススイッチ（５）（図示せず）がＯＮＬ、。

ｒＳＮＡＲＥＳ　　ＣＬＯＳＥＪシグナルが出力される
。さらに、その時スネアケーブル２０６が被把持体シャ
フト３０２を締付けていると、スネアケーブル２０６の
張力によりスネアケーブル２０６の先端のスプリングが
スティタススイッチ（ｂ）（図示せず）を動作し、ｒＰ
ＡＹＬＯＡＤＰＲＥＳＥＮＴＪシグナルが出力され、こ
の２つのＡＮＤにより、引込み動作に移る。この際、運
転モードが自動のときは自動的に引込みを開始し、手動
のときはオペレータの操作により引込みを開始する。こ
のようにしてボールスクリュー２０８が回転し、キャリ
ア２１６が引込まれていく。そうして、把持部１０１の
エンドプレート２１２と被把持体１０５のベースプレー
ト３０１がちょうど接触する状態までキャリア２１６が
引込まれるとスティタススイッチ（２）２１０がＯＮし
、シグナルが出力される。その後さらにキャリア２１６
を引込み最後まで引込み切るとスティタススイッチ（３
）２１１シグナルが出力され、把持を完了する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のエンドエフェクタは、前述のようにグラ
ツプル・フィクスチャ（ＧＦ）と呼ばれる専用の把持対
象物をまずパ捕獲″シ、次にそれを″引込み″、リジダ
イズするというシーケンスにより制御され、−度捕獲動
作を開始すると最大質量３０ｔのペイロードをその慣性
力に抗して短時間に捕獲しなければならない。エンドエ
フェクタとグラップルフィクスチャとの位置及び角度の
不一致量（ミスアライメント）が大きいと、上記慣性力
は大きな力（又はトルク）をなる。宇宙における潤滑は
、油脂類の使用が極端に制約されており、このような過
大力（トルク）は駆動系２回転リング、ボールスクリュ
ー等の把持力伝達要素の真空潤滑劣化を早め、寿命を短
かくするという問題がある。

一方、ＲＭＳは全長１０ｍを超える巨大なものであり、
視野の狭さもあって、ＲＭＳ先端方向とペイロードの重
心を一致させることはむつかしい。

このため、ＳＥＥに過大な力をかけて捕獲せざるを得な
い事情にあった。

本発明の目的は、把持動作の際にエンド・エフェクタに
大きな力（又はトルク）がかからないようにカフィード
バック制御して、長寿命のエンド・エフェクタを実現す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、エンドエフェクタ内に力センサを内蔵させ、
エンドエフェクタにかかる力（又はトルク）を検出し、
モータにフィードバックすることにより、その力（又は
トルク）を制限するようにエンドエフェクタを制御しよ
うとするものである。

〔作　用〕

エンドエフェクタに内蔵された力センサは、エンドエフ
ェクタにがかる力（又はトルク）の大きさと方向を検知
する。エンドエフェクタ駆動系のサーボ制御装置は力信
号をフィードバックし、力（又はトルク）が設定値を越
えぬように駆動系のモータをサーボ制御することにより
、エンド・エフェクタには設定値以上の荷重がかからず
１把持力伝達要素にかかる負荷を軽減することができる
。

このサーボ制御装置はシーケンス制御装置に組み込まれ
、自動的に捕獲・引込みできる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第６図により説明する。

本実施例は第２図に示した把持部１０１に於いて、スネ
アケーブルにかかる力（又はトルク）を検知してサーボ
制御で動作するエンドエフェクタの捕獲機構駆動部の制
御ブロックを示すものであり、６０１はリレー、６０２
はアンプ、６０３はサーボモータ、６０４は速度センサ
、６０５はゲイン調整器、６０６は減速歯車、２０１は
速度制御装置、２０５は回転リング、２０６はスネアケ
ーブル、６ｏ７は力センサである。

本実施例によれば、第４図（２）σに移るときに第５図
の捕獲動作ＯＮ信号によりリレー６０１がＯＮし、定力
制御信号ｆｏがアンプ６０２を介して速度制御信号０工
として速度制御装置２０１に入力され、サーボモータ６
０３の出力回転数ＯＭは速度センサ６０４で検呂され、
ゲイン調整器６０５を介してフィードバックされる。サ
ーボモータ６０３の出力○丙は、回転リング２０５を駆
動し、スネアケーブル２０６を回転させる。スネアケー
ブル２０６が回転していってその回転角Ｑｃが、角度Ｏ
Ｌに達すると把持体シャフト３０２と接触し始め、スネ
アケーブル張力が大きくなっていく。力センサ６０７は
、第２図のスネアケーブル２０６の支持体に取付けられ
た歪ゲージにより構成される。

第７図は、この方センサの構成を示すもので、７０１は
、定電圧電源、７０２，７０３，７０４は第２図の３本
のスネアケーブル２０６の支持体に貼付された歪ゲージ
、７０５，７０６，７０７は歪ゲージ７０２，７０３，
７０４の歪増幅器。

７０８は加算器である。

第７図の力センサによれば、３本のスネアケーブルに作
用する力は、歪ゲージ７０２，７０３゜７０４によって
検出され、歪増幅器７０５゜７０６．７０７によって増
幅され、その出力信号は加算器７０８によって加算され
、力センサ出力回路より力センサ信号として出力される
。

第８図は、第２図のスネアケーブル２０６の支持体に歪
ゲージを取付けた図である。２０６はスネアケーブル２
１２はエンドプレート７０２は歪ゲージ７１０はケーブ
ル取付具７１１は支持体７１２は取付ボルトである。第
２図に示したように、スネアケーブルの一端は、回転リ
ング２０５に取つけられ、他端は、固定リング２０７に
取付けられている。第８図はその詳細を示す図でありケ
ーブル取付具７１０は、スネアケーブル２０６を、支持
体７１１に取付けており、支持体７１１は、取付ボルト
７１２を介して、固定リング２０７に取付けられる。

歪ゲージ７０２は、支持体７１１に貼付されていて、ス
ネアケーブル２０６が、グラップルシャフト３０２を捕
獲して張力を受けると、支持体７１１はケーブル張力に
比例した曲げ応力を発生しその結果、歪ゲージ７０２に
より歪として測定される。該歪は該曲げ応力と比例関係
にあるので結局、歪ゲージ７０２の歪を検出することに
よりケーブルに作用する力が測定できる。

第９図は、第６図における回転リング２０５の回転速度
Ｑ　ｎ　ｙスネアケーブル２０６に作用する力Ｆ、ペイ
ロード１０４の速度ｖｐの変化につき、第６図に示した
本発明の制御を適用しない場合を実線とし、力センサ６
０７によるカフィードバックを適用する場合を破線で示
したものである。

制御を適用しない場合には、第５図において。

捕獲動作による信号発生と共に、回転リング２０５が回
転し第９図（Ａ）のように１回転速度は、σでＱＮＯに
達しｂまで一定回転した後、信号を切りＣで停止する。

上記第９図（Ａ）の回転リング２０５の動作によるスネ
アケーブル２０６の歪ゲージ７０２の測定値Ｆの変化は
、ペイロード１０４と把持部１０１との相対位置、相対
速度、ペイロード１０４の質量によって大きく変化する
。

回転リング２０５が回転して七〇時間後、３本のスネア
ケーブル２０６の１本が、被把持体シャフト３０２に当
ると歪ゲージ７０２の値９０１は上昇する。その後スネ
アケーブル２０６の回転速度の増加率が一定であるから
、第９図（Ｃ）のようにペイロード１０４に一定力を与
えて加速しスネアケーブル２０６の該１本は、はぼ等し
いカが作用する。ｔ２時間後、スネアケーブル２０６の
回転速度が一定になると、第９図（Ｃ）のように、ペイ
ロード１０４の速度も一定となり、スネアケーブル２０
６の該１本に作用する力は９０１のように減少する。時
ｎＲｔ　３になると、３本のスネアケーブル２０６の他
の１本にも被把持体シャフト３０２が当たり、該他の１
本の支持外（図示せず）に貼付した歪ケージ７０３の測
定値が９０２のように急激に増加する。このために、第
２図のスネアケーブル２０６のほかボールスクリュ２０
３や軸受にも過大な力が作用し、特に宇宙用機器におい
ては、著しい寿命の低下につながる。

歪ゲージ７０３の測定値９０２のような大きな抵抗力を
受けると、ペイロード１０４は、第９図（Ｃ）のように
急速にブレーキをかけられ、これによって３本のスネア
ケーブルによりペイロード１０４は捕獲されることにな
る。

本発による第６図の制御装置を第２図の装置に適用した
結果が第９図の破線の場合である。

第６図による制御の特徴は、第９図（Ａ）の結果となっ
ており、まず、捕獲動作の信号発生後ｔ□待時間後、ス
ネアケーブル２０６のうちの１本が被把持体シャフト３
０２に当たると力センサ６０７のフィードバックにより
、回転リング２０５の速度上昇が抑制される。このため
に、３本のスネアケーブルのうちの他の１本が被把持体
シャフト３０２に当たる時間がｔ３がらｔｓとなる。

次に回転リング２０５が、力センサ６０７のフィードバ
ックによって減速され、ペイロード１０４の速度が下る
まで、ゆくつりと動き、ペイロードの速度低下後に、捕
獲の完了を行なう。このために、捕獲完了に至るまでの
時間が長くなる。

上記の結果、スネアケーブル２０６のうちの１本に作用
する力は、第９図（Ｂ）のようにｄｅｈｊからｄ′ｅ”
ｈ′ｊ′に変化して、最大値が低下する。また、スネア
ケーブル２０６のうちの他の１本に作用する力は、ｆｇ
ｉｊがらｆ’ｇ”ｉ’ｊ′に変化して、最大値が低下す
る。この結果、スネアケーブル２０６．ボールスプライ
ン２０３減速歯車６０６の伝達要素にかがるカは軽減さ
れ、寿命を延ばすことができる。

第１０図は、第６図の制御を行なうための動作シーケン
スを示したものである。すなわち、第６図の制御を適用
しない場合の第５図のシーケンスに対し、第１０図では
、リレー６０１の作動と力制御信号入力のシーケンスが
追加される。

なお、第７図、第８図においては、支持体７１１に歪ゲ
ージ７０２を貼付する例を示したが、第１１図のように
、ボールスプライン２０３の軸に貼付する方法でも、同
様の結果を得ることができる。

すなわち、第１１図において、２０３は第２図に示した
ボールスプラインであり、２０４は同じくスネア大ギア
である。１１１はボールスプライン２０３に貼付された
歪ゲージブリッジであり。

１１２は回転コア、１１３は回転コイルである。

また、１１４は静止コア、１１５は静止コイルである。

１１６は演算回路、１１７は入力端子であり、１１８は
磁気シールドケース、１１９は歯車セットである。

次に第１１図の作用を説明すると、ボールスプライン２
０３を回転すると歯車セット１１９によってトルクがス
ネア大ギア２０４に伝達される。

スネア大ギア２０４に連結されたスネアケーブル２０６
（図示せず）が、被把持体シャフト３０２に当ると、歪
ゲージブロック１１１で軸トルクとして検出される。歪
ゲージブロック１１１には、入力端子１１７より静止コ
イル１１５より回転コイル１１３を経由して電源が供給
され、さらに、歪ゲージブロック１１１より回転コイル
１１３゜静止コイル１１５をへてトルク信号が取出され
、演算回路１１６につながる。なお、これらの信号回路
を保護するため、ケース内には、磁気シールドケース１
１８が設けられている。

なお演算回路１１６は、歪ゲージブロック１１１のトル
ク信号を第６図のカフィードバック回路に用いるための
ものである。

以上の実施例では、力制御を捕獲動作に利用しているが
、同様にして引き込み動作にも使用できる。

さらに、直接力（又はトルク）を検出しなくとも、動力
源をサーボモータとしてその電流ｉを検出してやれば、
トルクτと電流ｉはτ＝Ｋｉ　（Ｋは比例定数）の関係
があるので、電流ｉをフィードバック制御することによ
り力（又はトルク）が一定値以内に制御できる。

以上示したように、宇宙空間で浮遊する物体を捕獲する
ことは、捕獲の過程でペイロードに相対的な速度を与え
ることとなるため、捕獲の直前で衝撃的な力を捕獲機構
に作用させることになるが、本発明は、これを解消する
ことができる。

この技術は、位置決め装置において、力検出を行なって
対象物に合わせた位置決めを行なうカフィードバック方
式や、対象物の損傷を防止するために、把持装置の開度
を制御するカフィードバック方式とは、原理的に異なる
ものである。

すなわち、位置決めや開度の制御において行なわれる制
御は位置制御であるが、本発明においては位置制御は全
く行なわず、速度制御のみを行なうからである。

［発明の効果］本発明によれば、エンドエフェクタにかかる荷重を任意
の認定値以下になるように制御できるために、エンドエ
フェクタの把持力伝達要素の長寿命化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用されるエンドエフェクタの外観図
、第２図はエンドエフェクタの把持部の構造図、第３図
は被把持体の構造図、第４図はエンドエフェクタの把持
動作を示す図、第５図は従来の装置の動作シーケンス図
、第６図は本発明の一実施例を示す図、第７図、第８図
は力センサの具体例を示す図、第９図は回転速度、力及
び速度の時間変化を示す図、第１０図は本発明による装
置の動作シーケンス図、第１１図は力センサの他の具体
例を示す図である。１０１・・・把持部、６０１・・・リレー。６０２・・・アンプ、６０３・・・サーボモータ。６０４・・・速度センサ、６０５・・・ゲイン調整器。６０６・・・減速歯車、６ｏ７・・・力センサ。ｊｌＳｚ　　面２θＩ　　＝％Ｉ動プロ、　　　　　　２０乙　スネ了
ケーフ゛ル２０２　バッグプレート　　　　　２０７　
回定リンフ゛２０３　　ボ＝ルスプライン　　　２０８
　　ホ＝ルスクリュー２０＋　スオア大ヤア　　　　２
０り、２１θ；　２１１　　スデークススイッナ２θタ
　回転リング２１２　　エンドプレート２／３　　グロ
ーブ第　３　図纂　４−　図捕瑳終了第　５　ｚ祷ｉ第　７　図６０７　ガｔンサ７０７　　足を氏１Ｚ本７０２、７０３．７０４　　歪−ゲーシフ０５、　７θ
乙、７０７　　重禮椙呑７０８　カス尊犀乱第　８　聞２θ６　スネアケーブル２０７　回定−リソゲ７θ２　虱ゲージ゛７７０　　ケーブル取付具 ’１１１　　支持棹、 ’Ｉ１２　　取付ボルト第　ｑ　回０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　セ隼　ｌＯ
Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】１、三次元空間に浮動して位置又は角度の少なくとも一
方が不安定な対象物を捕獲する捕獲部と、該捕獲部にお
ける捕獲動力を発生する駆動系と、該駆動系を制御する
制御装置と、上記駆動系から上記捕獲部へ捕獲動力を伝
達する伝達要素とを備えたエンドエフェクタにおいて、
エンドエフェクタの捕獲動作時に上記捕獲部又は上記伝
達要素又は上記駆動系にかかる力（又はトルク）を検出
する力（又はトルク）センサと、該センサにより検出さ
れる値が予め設定された所定値以内におさまるように上
記駆動系の制御装置へフィードバック制御をかける手段
とを設けたことを特徴とするエンドエフェクタ。２、特許請求の範囲第１項において、上記エンドエフェ
クタは順序動作による複合動作を行ない、これら複合動
作は、シーケンス制御により自動的に駆動されることを
特徴とするエンドエフェクタ。３、特許請求の範囲第１項において、上記駆動系の動力
源をサーボ電動機として、上記捕獲部又は上記伝達要素
にかかる力（又はトルク）に相当する電流を上記センサ
で検出してフィードバックすることにより、設定された
値以上の力（又はトルク）が上記捕獲部又は上記伝達要
素に作用しないようにすることを特徴とするエンドエフ
ェクタ。