JPH0482688A

JPH0482688A - ワイヤ駆動多関節アーム

Info

Publication number: JPH0482688A
Application number: JP19295390A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hirose; 茂男広瀬
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-16

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、象の鼻のように屈曲する多関節マニピュレー
タ等に用いられる多関節アームに関するもので、特に、
ワイヤによって駆動されるワイヤ駆動の多関節アームに
関するものである。

【従来の技術】

原子炉内や化学プラント内等のように機器が錯綜する複
雑な環境での検査点検作業、あるいは機械装置の組立作
業などをロボット化しようとする場合には、障害物との
接触を容易に回避することができ、狭い環境にも入り込
ませることのできる象の鼻のような多自由度の多関節マ
ニピュレータが威力を発揮する。しかしながら、そのよ
うな多関節マニピュレータを実現しようとすると、実際
には大きな障害がある。それは、各関節に著しく強力で
軽量なアクチュエータを用いることが必要となるという
問題である。多関節マニピュレータは、能動関節を介して多数のアー
ムを直列に連結した長いアームである。その能動関節を
駆動するためのアクチュエータは、現在入手することが
できる範囲ではその出力重量が著しく限定されている。そのために、在来のアクチュエータをそのまま関節に設
置して多関節マニピュレータを構成しようとすると、ア
クチュエータの出力はアーム重量を支持するだけに消費
され、可搬重量はほとんど出すことができなくなってし
まう。例えば第７図に示されているようなｎ節（図では３　＠
　）からなる簡単な多関節マニピュレータ機構を考える
。この機構は、各関節１１１□　・・・に電動モータな
どを装備した最も一般的なものであり、アーム２゜、２
＋、２□、・・・はその関節１１，１２．・・・を介し
て直列に連結されている。最も基端側のアーム２゜は基
台３に固定されている。また、最も先端側のアーム２ｎ
の先端にはグリップ４が設けられ、そのグリップ４によ
って物体５が把持されている。ここで、簡単化するために、この機構は、矢状面（垂直
に立った平面であり重量ベクトルを含む面）内において
運動する平面機構アームであるとする。また、アーム２
゜、２□、２□。・・・の長さＬはすべて等しく、節は全長均質で質量が
ｍ、アーム２ｎの先端のグリップ４と物体５とを合わせ
た質量はＭであるとする。節の名称は、根元、すなわち
基台３側の節から先端側の節に向かって第１節（ｉ＝１
．２．・・・、ｎ）とする。いま、この機構が、図示されているように最も重力の影
響を受けやすい水平に伸展した姿勢にあるとすると、そ
れぞれの節の電動アクチュエータが支持のために発生す
べきトルクＴｉは、Ｔｉ　　＝　　（ｎ＋１−ｉｌ−１）＋　　（１／２）　　（ｎ＋　１−　ｉ　）　　２Ｘｍ
ｇＬ　　　　　　　　　　・・・　（１）となる。ここ
で、ｇは重力加速度である。この式から、根元側の節はど、支持のために発生すべき
トルクが著しく大きくなっていくことが分かる。そのよ
うに大きなトルクを発生させるためには、特に根元側の
節に強力で重いアクチュエータを取り付けることが必要
となる。しかしながら、そのようにすると質量ｍが大きくなるの
で、更に大きなトルクが必要となる。そのために、このような機構では、大きな負荷を支持す
ることができるようにすることは極めて難しい。このような機構重量に起因する制約を打破するために、
これまでにもいくつかの試みがなされている。例えば特
殊な回転関節を使用して軽量化を図ろうとするものや、
基台部に強力なスライダを設けて必要な駆動力をできる
だけそのスライダに負担させることによりアームの軽量
化を図ろうとするものなどである。しかしながら、その
ようにしても、アクチュエータは各節に設けられるので
、その問題の根本的な解決とはならない。そこで、アクチュエータは基台部に設置し、その動力を
ワイヤなどによって各部に伝達するようにして軽量化を
図ることが考えられている。そのようなものとしては、第８図に示されているように
、各アーム２，２．・・・の上下部にそれぞれチューブ
ワイヤ６．６．・・・を連結して、そのワイヤ６を牽引
することによって関節１を駆動するようにしたものがあ
る。また、第９図に示されているように、チューブワイ
ヤを使用する代わりに通常のワイヤ７．７．・・・を使
用し、先端側のワイヤ７を、それより根元側の関節１の
回転中心付近に設けられたローラ８．８間を通過させる
ようにすることにより、先端側のワイヤ７の張力の影響
が後端側に及ぼされないようにしたものも知られている
。このような機構によれば、アクチュエータモータは基台
部３に設置することができ、アーム２側にはワイヤ６あ
るいは７と若干の機構のみを設ければよいことになるの
で、節の質量を小さくすることができる。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、第８図の機構では、チューブワイヤ６に
よって強力な牽引力を生成させようとすると、摩擦が問
題となる。また、このようにしても、根元側の関節はど
発生すべきトルクは大きくなるので、根元のワイヤ駆動
系は強力に設計しなければならない。第９図の機構では、チューブワイヤを使用しない分だけ
摩擦の影響などを受けにくくなるが、それでも、根元側
の関節を駆動するワイヤの張力を大きくしなければなら
ないという問題は残されている。このように、いずれの機構においても、根元側の関節を
駆動するアクチュエータは強力なものとすることが必要
となるが、そのアクチュエータの出力は限られているの
で、可搬質量が低くなってしまう。また、実用時に多関
節アームの先端が物体に接触することは避けられないが
、そのような場合、従来の機構では根元の関節が容易に
破壊してしまう。そのために、実用的な多関節マニピュ
レータを得るには至っていない。本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、著しく軽量高出力で堅牢な多関節アー
ムを得ることである。

【課題を解決するための手段】

この目的を達成するために、本発明では、各関節部分に
、上下一対のワイヤによって回転トルクが生成されるト
ルク生成機構を設け、先端側の関節を駆動するワイヤを
、それより根元側の関節部分に設けられたトルク生成機
構に通してその関節にトルクを生じさせるようにしなが
ら、基台部に導くようにしている。そのトルク生成機構は、例えばアームとともにその回転
軸のまわりに回転するプーリによって構成される。先端
側の関節を駆動するワイヤは、そのプーリに１回巻き付
けた後、根元側に導かれる。

【作用】

このように構成することにより、例えば先端部の関節を
駆動するワイヤの基台側端部な牽引すると、そのワイヤ
の張力の影響が各トルク生成機構に及び、すべての関節
に回転トルクが加えられる。したがって、根元側の関節
にはその残りの回転トルクを生成すればよいことになり
、そのアクチュエータの出力パワーを小さくすることが
できる。

【実施例】

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。図中、第１図は本発明によるワイヤ駆動多関節アームの
一実施例を示す概略斜視図である。この図から明らかなように、この多関節アーム１０は３
節アームで、直列に配置され、関節をなす水平な回転軸
１１，１２．１３によって互いに回動自在に連結された
４本のアーム２０．２１，２２．２３を備えている。最
も基端側のアーム２０は基台２６に固定されている。ま
た、最も先端側のアーム２３の先端にはグリップ２７が
設けられている。回転軸１１，１２．１３はそれぞれ基台２６側、すなわ
ち根元側に位置するアーム２０２１．２２によって回転
自在に支持されている。最も根元側の回転軸１１には３
個のプーリ３１．３１ａ、３１ｂが固着されている。ま
た、次の回転軸１２には２個のプーリ３２゜３２ａが固
着されている。そして、先端側の回転軸１３には１個の
プーリ３３が固着されている。アーム２１．２２．２３
はプーリ３１゜３２．３３にそれぞれ固着され、これら
のプーリ３１〜３３とともに回転軸１１〜１３の軸線の
まわりに回動するようにされている。プーリ３１．３２．３３の上下部、すなわちアーム２１
，２２．２３の基端上下部には、それぞれ一対のワイヤ
４１ａ、４１ｂ；４２ａ４２ｂ　；　４３ａ、４３ｂの
一端が連結されている。こうして、上側のワイヤ４１ａ
〜４３ａを牽引することによりアーム２１〜２３が上方
に回動し、下側のワイヤ４１ｂ〜４３ｂを牽引すること
によりアーム２１〜２３が下方に回動するようにされて
いる。最も根元側のプーリ３１に連結されたワイヤ４１ａ、４
１ｂはそのまま基台２６側に導かれ、その基台２６に設
置されたアクチュエータ（図示せず）によって牽引され
るようになっている。また、次のプーリ３２に連結され
たワイヤ４２ａ、４２ｂは、それより根元側に位置する
プーリ３１ａにそれぞれ上下から１回転ずつ巻き付けら
れて基台２６側に導かれ、同様にアクチュエータによっ
て牽引されるようになっている。最も先端側のプーリ３
３に連結されたワイヤ４３ａ、４３ｂは、それより根元
側に位置するプーリ３２ａ、３１ｂにそれぞれ１回転ず
つ巻き付けられ、同様に基台２６側から牽引されるよう
になっている。このように構成された多関節アーム１０においては、例
えば最も先端側のプーリ３３に連結された上側のワイヤ
４３ａを牽引すると、そのプーリ３３に回転トルクが生
成されて先端のアーム２３が上方に回動するとともに、
そのワイヤ４３ａが巻き付けられたプーリ３２ａ。３１ｂにもその半径に比例した回転トルクが生成される
。したがって、それらのプーリ３２ａ。３１ｂと一体的に回転するプーリ３２，３１にも同じト
ルクが加えられる。その結果、２番目のプーリ３２に連
結された上側のワイヤ４２ａを牽引すると、そのプーリ
３２にはそのワイヤ４２ａによって生成される回転トル
クとブー９３２ａから伝えられる回転トルクとが加わる
ことになる。そして、そのワイヤ４２ａによって根元側
のプーリ３１ａにも回転トルクが生成され、そのトルク
がプーリ３１に伝えられる。こうして、根元側のプーリ３１には先端側のプーリ３３
，３２に生成された回転トルクが相乗して働くことにな
り、そのプーリ３１が発生すべきトルクは小さくなる。したがって、そのプーリ３１にトルクを生成するワイヤ
４１ａの張力は小さく抑えられ、そのワイヤ４１ａを牽
引するアクチュエータを軽量小出力のものとすることが
できる。このように、この機構は、従来考えられていた第７〜９
図の機構とは逆に、各関節の駆動力を積極的に干渉させ
る構造となっている。この多関節アーム１０の機構をｎ節に拡張し、第７図で
説明したのと同じ符号を用いて同じ条件で考えると、第
１節用の駆動ワイヤが生成すべき支持トルクＴｉは、Ｔｉ　＝ＭｇＬ＋　（ｎ＋１／２−ｉ）ｍｇ２となる。この（２）式を従来の機構における（１）式の支持トル
クと比較すると、（１）式の場合には、先端荷重Ｍｇを
支持するトルクは第ｎ節でＭｇＬであり、それより根元
側の関節では部数の１乗に比例して増大していたが、（
２）式で示される先端荷重Ｍｇの支持トルクは、その右
辺第１項に示されるように、どの節でもＭｇＬのままで
ある。つまり、第１図の機構では、最先端の第ｎ節でＭｇＬの
トルクを生成すると、同じトルクＭｇＬがすべての節に
生ずる。そのために、次の節、すなわち第ｎ−１節で必
要な２ＭｇＬのトルクのうちＭｇＬは既に生成されてい
ることになる。したがって、第ｎ−１節ではＭｇＬのト
ルクのみを生成すればよい。更に、第ｎ−２節では、第
ｎ節及び第ｎ−１節の駆動のためのトルクの干渉がある
ので、３ＭｇＬではなくて同じ＜ＭｇＬのトルクのみを
生成すればよい。このように、すべての節でＭｇＬのモーメントを生じさ
せれば、先端荷重を支持することができる。また、アームの自重を支持するためのトルクについては
、（１）式では筒数の２乗に比例していたのに対し、同
様の効果により、（２）式では、その右辺第２項に示さ
れるように、筒数の１乗でしか増えない。このように、この機構によれば、ワイヤ駆動系の負担が
著しく軽減される。したがって、根元部の節のワイヤ駆
動系も、第８，９図の場合のように強力なものとする必
要かなくなる。逆に、ワイヤ駆動系を同じにすれば、可
搬荷重をはるかに大きくすることができる。第２図は、本発明によるワイヤ駆動多関節アームの第２
実施例を示す概略斜視図である。この多関節アーム５０も、基本的な構成は第１図のもの
と同様である。ただ、先端側のプーリ３２，３３を駆動
するワイヤ４２ａ、４２ｂ；４３ａ、４３ｂが巻き掛け
られる根元側のブーツ３１ａ、３１ｂ；３２ａがそれぞ
れ一対とされ、それらのワイヤ４２ａ、４２ｂ：４３ａ
。４３ｂがすべて上側から同じ回転方向に巻き付けられて
いる点が異なっている。すべての関節の駆動ワイヤをこのように張ると、ワイヤ
は多関節アーム５０の一方の側面にまとまることになる
。この多関節アーム５ｏの場合には、そのワイヤが張ら
れた側面が重力方向に対して常に上側となる姿勢をとる
ようにする。このような機構の特徴は、先端側の関節を駆動する一対
のワイヤの両方の張力を、根元側の関節の駆動に有効に
使用することができるようになる点である。この点を明確化するために、ある関節ｉにトルクＴｊを
生成させ、同時にそれぞれのワイヤの張力にＦＯＩの同
一バイアス力を加える状況を想定する。第１図の多関節
アーム１０の場合には、このようにしても、関節ｉ〜１
のすべてで生成されるトルクはＴｉのままである。とこ
ろが、第２図の多関節アーム５０の場合には、関節ｉに
生ずるトルクはＴｉで変わらないが、それより根元側の
関節ｉ−１〜１では、それぞれＴｉ以外に２　Ｆ　ｏＩ
のバイアス張力によって生じるトルクが追加されること
になる。この追加されたトルクは、多関節アーム５０の
ワイヤが張られている側面を常に上方に保てば、重力に
対する荷重支持トルクとして使用することができる。す
なわち、干渉駆動の効果が更に大きく発揮されることに
なる。このような機構による支持トルクを式で表すと、第ｉ節
で発生すべき支持トルクＴｉは、Ｔｉ　　＝ＭｇＬ＋　
　（ｎ＋１／２−ｉ）ｍｇ２−１）＋１となる。ここで、ｒｌは第ｉ節で使用されるプーリの半
径である。この式から、右辺第３項にバイアス張力の効果が付加さ
れ、トルクが減少していることが分かる。このように、この機構によれば、先端側の関節を駆動す
る力及びその部分の余分なバイアス力がすべて根元側の
関節の駆動力として利用されるようになるので、根元側
はど強力な駆動力を発生させ得る強いワイヤを用いると
いう必要がなくなる。ところで、このような多関節アーム５０によって上述の
ような効果が発揮されるようにするためには、ワイヤの
張られた側面が常に上側に保たれるようにしなければな
らない。したがって、取り得る運動が若干制約されるこ
とになる。例えば第３図（Ａ）に示されているように、
各関節の回動によって去状面内で一方に傾いた姿勢Ａか
ら他方に傾いた姿勢Ｂに変えるということはできない。しかしながら、同図（Ｂ）に示されているように、根元
節に旋回節５１を設け、その旋回軸の回転を利用するよ
うにすれば、ワイヤの張られている側面を上側に保った
ままでそのような姿勢変更を行わせることができる。上記実施例は、トルク生成機構をプーリによって構成し
たものであるが、このようなトルク生成機構はプーリ以
外によっても構成することができる。第４．５図は、そ
のような実施例を示すものである。この実施例の場合には、ワイヤ４１ａ、４１ｂ；４２ａ
、４２ｂ；４３ａ、４３ｂは各アーム２１，２２．２３
の中間上下部にそれぞれ連結されている。各関節部には
、その関節の回転中心から一定距離の位置に摺動受け６
１ａ。６１ｂ；６２ａ、６２ｂ；６３ａ、６３ｂが設けられ、
ワイヤ４１ａ〜４３ｂはそれらの摺動受け６１ａ〜６３
ｂにそれぞれ挿通されている。したがって、ワイヤ４１
ａ〜４３ｂは各関節の回転中心から一定の距離となるよ
うに保持されている。このような位置に保持されたワイヤ４１ａ〜４３ｂに張
力が加わると、その張力に等しい圧縮力がアーム２１〜
２３を介して各関節部に発生する。そして、それらの張
力及び圧縮力は、すへての関節について一定の距離だけ
離れて働く。したがって、各関節にはトルクが生成され
る。すなわち、このような機構によっても第１２図の実施例
と同様な作用効果が得られる。その場合、第４図の機構
は第１図の機構に対応し、第５図の機構は第２図の機構
に対応する。第４．５図の機構は、第１．２図のようなプーリを用い
た機構に比べると、摺動部があるので摩擦抵抗が無視て
きなくなること、関節の屈曲角が大きくなると生成され
るトルクの値が変化すること、といった問題があるが、
機構がより簡単で実現しやすいという特徴がある。以上の実施例の機構は、原理的゛に去状面内で運動する
平面機構であるが、基台２６部分にヨー角運動回転軸を
加え、多関節アームの運動矢状面を回転させるようにす
れば、その機構に３次元運動性能を付加することができ
る。また、第６図に示されているように、回転軸１１．１２
．１３をすべて水平とはせずに、水平に対しである程度
の角度を持たせ、ワイヤ４１ａ〜４３ｂがプーリから外
れない範囲で簡閲に捻り角αを与えるようにすれば、各
部において３次元運動性能を得ることができ、より完全
な３次元運動機構とすることができる。その場合、回転
軸１１を水平に対して角度−〇とすれば、次の回転軸１
２は角度十〇というように、交互に一定角度傾斜させる
ようにする。このように回転軸１１〜１３を傾斜させると、ワイヤは
プーリに対して若干斜めに張られることになるが、角度
ａをそれほど大きくしなければ、機構的にはあまり障害
となることはない。また、そのようにしても、ワイヤの
張られる側面は多関節アームの姿勢にかかわらず常に上
側に保つことができるので、第２図の場合と同様の効果
は発揮される。

【発明の効果】

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、先端
側の関節を駆動するワイヤによって根元側の関節にもト
ルクを生じさせるようにしているので、根元側の関節を
駆動するためのトルクが各関節駆動用のワイヤに分散さ
れるとともに、各関節駆動トルクの総和も減少されるよ
うになり、そのためのアクチュエータを小出力のものと
することができる。また、ワイヤの数は多くなるが、各
々が発生すべき張力は小さくなるので、ワイヤは細いも
のでよく、関節部の軸受も軽量なものでよくなる。した
がって、軽量な多関節アームとすることができる。更に
、機構が単純で特殊な機械要素も必要としないので、安
価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるワイヤ駆動多関節アームの一実
施例を示す概略斜視図、第２図は、第１図の多関節アームを改良した実施例を示
す同様の斜視図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は、第２図の機構の問題点とその
解決策を説明するための説明図、第４図は、本発明による多関節アームの異なる実施例を
示す概略側面図、第５図は、第４図の多関節アームを改良した実施例を示
す同様の側面図、第６図は、第２図の多関節アームを更に改良した実施例
を示す概略斜視図、第７図゛は、従来の多関節アームの一例を示す側面図、第８図は、従来の多関節アームの他の例を示す側面図、第９図は、従来の他関節アームの更に異なる例を示す側
面図である。１０．５０・・・ワイヤ駆動多関節アーム１１．１２．
１３・・・回転軸２０．２１，２２．２３・・・アーム２６・・・基台３１．３１ａ、３１ｂ；３２，３２ａ・３３・・・プー
リ（トルク生成機構）４１ａ、４１ｂ；４２ａ、４２ｂ；４３ａ。４３ｂ・・・ワイヤ６１ａ、６１ｂ；６２ａ、６２ｂ：６３ａ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数のアームを、回転軸がほぼ水平となるように
配置される１自由度回転関節を介して、基台部から先端
まで直列に連結した多関節アームにおいて；前記各関節部分に、前記アームの上下部にそれぞれ連結
される上下一対のワイヤによってその関節に回転トルク
を生じさせるトルク生成機構が設けられており、先端側の関節を駆動するワイヤが、それより根元側の関
節部分にそれぞれ設けられた前記トルク生成機構を通し
てその関節にトルクを生じさせるようにしながら、前記
基台部に導かれるようにされている、ワイヤ駆動多関節アーム。
（２）前記先端側の関節を駆動する上下一対のワイヤが
、それより根元側に設けられた前記トルク生成機構の上
側を通過するようにされている、請求項１記載のワイヤ
駆動多関節アーム。
（３）前記トルク生成機構が、前記アームとともに前記
回転軸のまわりに回転するプーリによって構成され、そのプーリに、それより先端側の関節を駆動するワイヤ
が巻き付けられている、請求項１又は２記載のワイヤ駆動多関節アーム。
（４）前記各関節の回転軸が、水平方向から交互に一定
角度傾斜するように配置されている、請求項１ないし３のいずれか記載のワイヤ駆動多関節ア
ーム。