JPH01234191A - マニピユレータ・アセンブリ - Google Patents

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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、ロボットの把持器（グリッパ）を改良したも
のに関し、特にロボット・アームの端部で「手首」の作
用をするアセンブリの先端の把持装置に関する。

Ｂ、従来例 本発明は、余分のスペースをとらず、信頼性と精度が高
く、低コストでこの種の既知の構成よりも部品の汎用性
の高い装置を提供しようとするものであるが、従来も「
手首」の作用をする把持器には種々のものが知られてい
る。共通の駆動エレメントを有するもの、ベルトやチェ
ーン、ギヤ、同心のギヤによる減速モータ等を介して異
なる自由度を与えるよう出力機構に結合された個別の駆
動エレメントを有するもの等である。このような駆動装
置は、から動き、滑り、その他の機械的な欠陥の影響を
受ける。またギヤにより減速するモータを用いた機構は
嵩張り、望ましくない量のバックラッシュを生じ、正確
な動作を得るのが困難である。

また既知の構成は、構成要素の駆動エレメント相互間で
−様な互換性が得られず、またジョブの特別の割当てを
こなせるよう適用できる駆動エレメントを提供できない
、ギヤや他の複雑な力の伝達手段をなくすには、精度を
高め、嵩張らないようにし、全体の構造を単純化しなけ
れば達成できない。

このような既知の装置の１つに米国特許第４５２７９４
５号に記された装置がある。この装置は自由度が３の「
手首」の作用を生じる構成である。永久磁石のＤＣモー
タを複数個有し、夫々に減速ギヤ列を設け、夫々の動作
軸が１自由度を与える。このようなシステムでは、モー
タの出力トルクを伝えたり修正したりする機械的手段の
利用に伴うあらゆる困難を受けがちである。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 如上のように従来は、種々の機械的伝達手段を介してモ
ータの出力を利用していたが、伝達手段を介するため高
精度のマニピュレータ・アセンブリを提供することがで
きなかった。

従って本発明の目的は、３自由度の改良された把持機構
を提供することにある。

本発明の他の目的は、３つの逐次に配列されるアセンブ
リ中に夫々首振り運動、縦揺れ運動及び横揺れ運動を与
えるステップ・モータを有する改良された把持機構を提
供することにある。

本発明の他の目的は、「手首」の作用を与え、且つ嵩張
った機械的な力伝達装置をもたない、改良された把持機
構であって、ロボット・アームの先端に取付けられ得る
ような把持機構を提供することにある。

本発明の他の目的は、多相ステップ・モータを用いた改
良した把持機構を提供することにある。

Ｄ０問題を解決する手段 「手首」作用を与えるため、首振り軸、縦揺れ軸及び横
揺れ軸を中心とする独立の回転運動を夫々与える３個の
、順番に結合された。ステップ・モータを含むアセンブ
リが提供され、これによって第３の最後のステップ・モ
ータの出力のところで把持器のあごの対がモータで作動
される。そのステップ・モータは、伝達手段を介さずに
、直接駆動方式を採用している。

Ｅ、実施例 ここで第１図を参照すると、第１のステップ・モータ・
アセンブリＭ１が示される。これは内部に突出する歯５
を有するリング状の外側部分３と、外側に突出する複数
個の極片９を有する内側部分７とを含む、内側部分７は
、ロボット・アームの先端など図示しない支持体に取付
けられる。外側部分３は矢印Ｚで示す垂直軸を中心とし
て自由回転し、これによって首振り回転を与える１脚部
が１１がシャフト１３を支持するが、このシャフト１３
にブラケット・アセンブリ１７と同様筒２のステップ・
モータＭ２の内側部分１５が取付けられる。モータＭ２
のリング状の外側部分１９は、モータＭ１のコイル・ア
センブリ即ち内側部分１５に装着される。

従って、ブラケット・アセンブリ１７は水平な軸Ｘを中
心として自由回転し、ブラケット・アセンブリ１７の縦
揺れ回転を与える。

モータＭ３はブラケット・アセンブリ１７の端片上に固
着された内部部分即ちコイル・アセンブリ２１を有する
。これによってモータＭ３の外側部分２３がｙ軸を中心
として回転することができ、ブラケット・アセンブリ２
５を支持するあごがこれによって横揺れ運動ができもよ
うにする。

モータＭ４はその両端からのびるシャフト２７及び２９
を有し、それらのシャフトで担持するあご３１、３３が
支持ブラケット・アセンブリ２５上で摺動できるよう互
いにねじ結合されている。そのモータが一方向又は他方
向に回転される際、そのあごは開位置から閉位置に又は
閉位置から開位置に移動し、これによって物体を把持す
ることは明白であろう。

このあごや駆動モータの代りに他の構成の把持具乃至工
具等を作業の必要に応じて代用することができることも
明白であろう。

本装置の１つの特徴として、モジュラ構成にしたことで
あり、これらを組合せたり単独で用いたりして１作業に
合わせた応用が効くようにしていることである１例えば
、ステップ・モータＭ１を含む第１図の装置の一部が、
工具や他の装置に歩進的又は連続的な回転運動を与える
のに使用することができる。モータＭ２を含む部品を追
加すれば出力にもう１つの自由度を加え、２自由度を有
するアセンブリが提供される。これらの構成はモジュラ
構成なので容易に得られ、又高価ではなく。

設計を変更するのにも時間がかからない。

対応する制御システムに必要な、位置や速度のフィード
バック信号を与えるため、各モータ・アセンブリに適宜
の変換器を設けることができる。

光学的、磁気的、容量性、抵抗性及び磁気抵抗性の変換
器が良く知られている。第１図には、そのような変換器
が本発明の要点ではないので１図示していない。

ステップ・モータは、その技術分野で良く知られている
ように、共通の復帰磁路を有し、また互いに所定の位相
関係を有する電源乃至動力源によって付勢される。従っ
て、各モータＭ１、Ｍ２゜Ｍ３は、モータ駆動回路に西
端子ケーブルを必要とすることになろう、モータＭ１用
の内側巻線が支持アームに対し常時静止しているので、
ケーブルから巻線へ直接、接続することができる。同様
に、ステップ・モータＭ１、Ｍ２及びＭ３へのケーブル
及びモータＭ４への接続も、どちらかの方向へそのアセ
ンブリが１回転よりも多く回転されないか、はんの少し
超える程度の回転である限り、直接行なえる。連続回転
が必要であれば、従来から知られているスリップ・リン
グやロータリ変換器が使用されることになろう。

第２図には、把持機構や［手首」の作用を有するロボッ
トの１手」を第１図のより詳細に図式的断面図として示
す。支持体であるアーム４０が垂直軸即ちＺ軸と配列さ
れ、モータ・アセンブリＭ１がその軸を中心とする回転
即ち首振り運動を与える０回転するリング部４２には、
適宜のベアリング４４．４６，４８及び５０が設けられ
、支持体のアーム４０上にリング部４２を保持し１回転
できるようにする。

その極の積層体５２．５４は巻線５６，５８によって磁
化される１巻線５６．５８は後述のように配線され、リ
ング積層体６０．６２と協働してそのリング部４２を回
転させるのに必要なトルクを与える。中心のアーム４０
の底部に固定するように取付けられた板６４が第１のセ
ンサ即ち変換器Ｐ１を担持し、これがリング状の格子Ｇ
１と相互作用してフィードバック用の位置信号を与え、
制御システムが位置や速度、加速度の情報を決定できる
ようにする。

下部のエレメント即ち別の板が上部のリング部４２に剛
体的に取付けられていて、モータ・アセンブリＭ２を含
む部品を担持する。このアセンブリは水平軸即ちＸ軸を
中心とする回転を与え、縦揺れ運動を与える。アセンブ
リＭ１の下部のエレメントはベアリング・アセンブリ７
０及び７２中にシャフト６８を担持する。フォーク状の
ブラケット７４がそのシャフトに剛体的に取付けられ、
−緒に回転できるようにする０回転トルクは、エレメン
ト６６の一部により剛体的に支持された固定のリング状
積層体７５．７６と、シャフト６８に剛体的に取付けら
れた極片と、積層体７８．８０により担持された巻線８
２．８４とを含むモータ・アセンブリによって与えられ
る。後述の態様で付勢されるとき、結果として得られる
磁気的な相互作用がシャフト６８及びそれに取付けられ
た部品を回転させる０位置的なフィードバック信号はピ
ックアップ即ち変換器Ｐ２及びこれに対応する格子Ｇ２
によって与えられる。

格子Ｇ２はシャフト６８上で回転できるよう装着された
ディスクの形をしている。その正味の結果は。

Ｘ軸を中心とするフォーク状ブラケット７４の回転で、
あり、ブラケット７４が縦揺れ運動となるようにする。

第３の最も遠くに設けられたモータ・アセンブリはｙ軸
を中心とする横揺れ運動を与えるものであるが、Ｍ３と
して図示され、ブラケット乃至ヨーク７４の一番外側の
部分によって支持される。リング即ち円形の殻８６がブ
ラケット乃至ヨーク７４からボール・ベアリング８８．
９０によって支持され。

ｙ軸を中心として自由回転できるよう支持される、殻８
６をヨーク７４の廻りに回転させるトルクを生じるため
極片の積層体９１．９２．９３．９４及び付勢巻線９５
．９６を含むステップ・モータ・アセンブリＭ３によっ
て殻８６は駆動される。フィードバック信号はセンサＰ
３及びその格子Ｇ３によって与えられる。格子Ｇ３は殻
８６の上面にリング状に設けられる。このようにＭ３の
アセンブリがその全体構成の横揺れ運動を与える。

溶接電極、ペンキ・スプレー・ノズル等の取外し可能な
エレメントや、ここで説明したような把持機構等の恒久
的に装着された装置であって良い末端の作業装置が、回
転可能なエレメント即ち殻８６に取付けられ、その一部
を為す、第２図に示すように、把持器のあご１００．１
０２には、向い合った把持面が設けられ、各面に貫通孔
が設けられる。

そして直流のブラシレス・モータなど適宜のモータの回
転子エレメント１１０から互いに反対方向に延びるねじ
付きシャフト１０４，１０８がその貫通孔を通り、その
あごを担持する。シャフト１０４，１０８の外部端部は
ベアリング１１２，１１４によって支持される。シャフ
ト及びこれによって移動されるブロックは反対のねじ目
がついており５回転子エレメント１１０の一方向の回転
によりあご１００．１０２がその閉位置に、又、他方向
の回転によりあご１００．１０２がその開位置に駆動さ
れるようにする。回転子エレメントの回転は、適当な値
と極性の直流を用い、コイル１１６．１１８及びそれら
に付随する積層体を付勢することによって得られる。適
当なセンサＰ４によってフィード・バックが与えられる
。

第３図は、第１図及び第２図に示すような本発明の好適
な実施例で使用されるステップ・モータ用の付勢巻線及
び磁気構造の配列を示す、積層される磁気材料の外側リ
ング１５０には多数の内部に突出する小さな歯乃至磁極
１５３が設けられる。この歯乃至磁極１５３は比較的小
さい間隙があり、図面を簡潔にするためそのうちの２．
３のものだけを図示するが、これがそのリング構造の内
周面全体に広がっていることを理解されたい、積層され
た磁気材料の内側ハブ１５４は、そこから外向きに突出
する多数の磁極片を有する。これらの磁極片は、一連の
参照番号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１，Ａ２．Ｂ２、Ｃ２・・・Ａ
６、Ｂ６、Ｃ６で示すように、各々３個の磁極の組、６
組に分割された全部で１８個の磁極である。各磁極片に
は、磁極Ｂ１のところに図示するような巻線が設けられ
る。他の磁極片の巻線は図示を省略するが、巻数やワイ
ヤの寸法等はすべて同じ特性である。外側リング１５０
及び内側ハブ１５４は適宜のベアリングによって支持さ
れ且つ整列されているから、適宜の電力がそれらの巻線
に与えられるとき２つのエレメント間で相対的な回転を
許容する。これらの巻線は、互いに所定の位相関係を有
するよう調時されたパルスによす付勢され、これによっ
てパルスの位相関係により制御される方向に、所定の小
さい角度のステップずつその部品の相対回転を生じさせ
る。小さい角移動を提供するため、磁極片の外側の端部
は図示のとおり、更に小さい複数個の歯に分割され、外
側リング１５０の小さい歯と協働する。このような構成
や動作はステップ・モータの分野で良く知られているの
で詳細には説明しない。

各ステップ・モータの巻線を接続する１つの方法は第４
図に示すような直列接続である。その入力線は夫々端子
φＡ、φＢ、φＣからのびる３本の線及び共通の復帰線
ＣＯＭを含む。１つの特定の位相の各磁気巻線は、その
位相に割当てられた他の巻線と直列に接続される。従っ
て巻線Ａ１、Ａ２、Ａ３乃至Ａ６は端子φＡ及び端子０
０Ｍ間に直列に接続される０巻線Ｂ１乃至Ｂ６は端子φ
Ｂ及び端子００Ｍ間に接続され、巻線Ｃ１及びＣ６は端
子φＣ及び端子００Ｍ間に接続される。

その巻線を接続する代替例は、第５図に示すような並列
接続方法である。上述の直列接続方法の場合のように、
端子φＡ、φＢ、φＣ及び共通端子ＣＯＭが必要な電力
を与えるよう接続される。

１８個の巻線の各々はその１個の端子を共通端子ＣＯＭ
に接続させる。６個のｒＡ」という巻線の他の端子はす
べてφＡ端子に接続され、Ｂの位相巻線の他の端子はす
べてφＢという端子に接続され、Ｃの位相巻線の他の端
子はすべてφＣ端子に接続される。

直列接続を選ぶか並列接続を選ぶかは、要求される性能
次第である。並列接続なら、高い電流要求コストで、モ
ータに低いインダクタンスを与える。

ここに開示した実施例では、６４ｍの３相モータ構造が
設けられる。しかし、２．４．１２等偶数個の３相構成
が使用され得る。磁極の各グループが互いに１７３の歯
のピッチずれていることに留意されたい、この全体のモ
ータ構癒は高いトルクを小さいステップ角で与える。ま
たロボット装置で正確な位置決めに必要なデテント（回
転止め）も行える。

Ｆ０発明の効果 上述のとおり、本発明が、上記のような装置で望ましい
「手首」作用を有する新規且つ改良された形態のロボッ
トの１手」を提供できることは明らかである。できるだ
け小さくて高いトルクを与えるステップ・モータを使用
するので、従来から知られていた装置よりもこのアセン
ブリは小さいスペースしか占めないように出来る。また
上述のような直接駆動方式をとるので、減速歯車、チェ
ーン、同心のシャフト、その他同種の伝達機構など、夫
々に固有の欠点を有するとともに精度や利得の上がらな
いシステムを用いなくて済む。本発明は、コンパクトな
こと１機械的に高い剛性を得やすく、簡単な制御を与え
られること、高いトルク、高い角解像度を与えられるこ
となど数々の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による４自由度の把持器の斜視
図である。 第２図は第１図よりも詳細に、その把持機構を示す断面
図である。 第３図は、第１図の構成で使用されるステップ・モータ
の１つについて回転子エレメント及び固定子エレメント
を表わす図式的な平面図である。 第４図及び第５図は、夫々直列及び並列に巻線を接続し
ているステップ・モータの配線図である。 Ｍｌ、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４・・・ステップ・モータ・アセ
ンブリ、３．１９．２３・・・外側部分、５・・・歯、
７．１５．２１・・・内側部分（コイル・アセンブリ）
９・・・極片、１１・・・脚部、１３・・・シャフト、
１７．２５・・・ブラケット・アセンブリ、３１．３４
・・・あご。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 復代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名
） 第１２ 第８図 第４図 笛５ｒ！Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 夫々のアセンブリが回転子エレメント及び固定子エレメ
   ントを含む第１、第２及び第３の直接駆動ステップ・モ
   ータを内蔵した複数個のアセンブリであり、 上記第１のアセンブリは、支持体にその固定子エレメン
   トによって装着され、且つその回転子エレメントが首振
   り回転運動を与えるため第１の軸Ｚを中心とする回転を
   するよう上記固定子エレメントに装着され、 上記第２のアセンブリは、上記第１のアセンブリの回転
   子エレメントに装着され、且つ縦揺れ回転運動を与える
   ため上記第１の軸Ｚと垂直な第２の軸Ｘを中心とする回
   転をするよう上記第１のアセンブリの回転子エレメント
   に上記第２のアセンブリの固定子エレメントが装着され
   、 上記第３のアセンブリは、その固定子エレメントが上記
   第２のアセンブリの回転子エレメントに装着され、且つ
   横揺れ運動を与えるため第３の軸Ｙを中心とする回転を
   するよう上記第３のアセンブリの回転子エレメントが装
   着された組合せ構成から成るマニピュレータ・アセンブ
   リ。 （２）回転子エレメント、固定子エレメント及びその両
   者間の相対的回転を生じるための複数個の作動巻線を有
   する直接駆動ステップ・モータと、上記回転子エレメン
   トに結合された機械的入力手段と、 上記固定子エレメントに結合された機械的出力手段とを
   具備するマニピュレータ・アセンブリ。