JPH10249777A - ロボットアーム駆動装置およびロボットハンド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロボットアームが外部環境と干渉した場合に
も、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作するロボ
ットアームのワイヤ駆動装置を提供する。 【解決手段】 ｎ個の関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を有するロ
ボットアームを駆動するワイヤ駆動方式のロボットアー
ム駆動装置において、リンク固定プーリＰＴ１，ＰＴ
２，ＰＴ３と対をなすプーリＰ１１，Ｐ１２，Ｐ２１と
の間にテンションプーリ１８、トルクセンサ１３，１
４，１５及びテンション調整機構４，５，６を配置し、
各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３において１個のプーリＰＴ１，
ＰＴ２，ＰＴ３をリンク１，２，３と固定し、ｎ本のワ
イヤＷをリンク固定プーリＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３に固
定し、リンク固定プーリＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３と対を
なすプーリＰ１１，Ｐ１２，Ｐ２１にはワイヤＷを固定
せず１回転以上巻き付けることにより、ロボットアーム
が外部環境と接触した際に、プーリＰ１１，Ｐ１２，Ｐ
２１と各ワイヤＷが滑りを生じ、外部環境に過大な力を
加えないようにロボットアームが外力に倣うようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットアーム駆
動装置及びロボットハンドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットアームは複数のリンクと
そのリンクを結合する関節部、関節部を駆動するアクチ
ュエータ部からなる。しかし、関節を駆動するアクチュ
エータは重量が大きいため、関節に直接取り付けたので
は出力重量比の面から不利である。従ってアクチュエー
タを目標関節部より駆動系に近い位置に取り付けて、何
らかの手段によってアクチュエータから目標関節部に駆
動力を伝達する必要がある。

【０００３】ところで、医療、福祉などの分野において
は、作業従事者の負担を軽減するために、ワークとし
て、食事トレイを把持するロボットを用いることが検討
されている。このような用途に用いるロボットハンドを
先端に持つロボットアームの駆動方式としては、人間と
の接触においても危害を加えないという理由により、ワ
イヤ駆動式が好ましい。

【０００４】このようなワイヤ駆動方式は例えばＣＴア
ーム（広瀬、馬、“ワイヤ干渉駆動型多関節マニピュレ
ータの開発″、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ．２
６、Ｎｏ．１１）やワイヤ干渉駆動アーム（横井、小森
谷、谷江ら、“７自由度ワイヤ干渉駆動アームの機構と
制御”、日本機械学会論文集、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ．５
５８）によって提案されている。

【０００５】しかしこれら従来の技術においては、駆動
用ワイヤの一端がモータもしくはモータに接続されたプ
ーリに、他端が駆動する目的のリンクに固着されてい
る。従って、ロボットアームが外部環境と干渉した場
合、外部環境に過大な力を加えてしまうといった問題が
生じる。

【０００６】さらに、従来のワイヤ駆動方式のマニピュ
レータにおいては、プーリとワイヤ間の摩擦トルクの調
整方法は図８のように固定式のテンション調整機構を取
り付けあらかじめテンションプーリ１８の間隔を固定し
てテンションを一定に保ち、プーリとワイヤ間の摩擦ト
ルクを一定に設定しておく方法が一般的である。また、
ワイヤのテンションを調整する方法としては、図９のよ
うな拮抗筋方式として２つのアクチュエータ２５で互い
に引っ張りあうことでテンションを調整し、プーリとワ
イヤ間の摩擦トルクを可変にする方法（小金、“拮抗筋
構造を持つアクチュエータ”、第１２回ロボット学会学
術講演会）がある。

【０００７】しかし、図８に示した方法ではワイヤとプ
ーリ間の摩擦トルクは一定であり可変にすることができ
ず、障害物と接触した場合にはあらかじめ設定されたテ
ンションにより設定されたワイヤとプーリ間の摩擦力に
相当する反力が障害物にかかることになり、摩擦力の設
定によっては障害物に過大な衝撃を与えることがあっ
た。また、図９に示した方法では、制御方法によっては
障害物に過大な衝撃を与えることは防げるが、アクチュ
エータが２つ必要なためマニピュレータアームの関節部
分の体積が大きくなるという問題があった。

【０００８】ロボットハンドはその多くが回転開閉型で
図７に示すようになっている。（特開昭５２−２０４８
２号公報、特開昭５２−２５３６４号公報、特開昭５２
−５１６６１号公報参照）。図において、４００はワー
ク、４０１はロボットハンド、４０２は上顎部、４０３
は下顎部を示す。これは指の回転運動によりハンドの開
閉動作を行う。この型のロボットハンドを用いて、平坦
な場所に置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワー
ク４００を把持する動作を行った場合の動作シーケンス
を、図７に基づいて以下に示す。

【０００９】１）視覚センサ（図示せず）によりワーク
４００の位置を認識する。 ２）マニピュレータにて、ロボットハンド４０１の下顎
部４０３がワーク４００の縁部とワーク４００設置面の
間に入るように、ロボットハンド４０１を移動する。 ３）マニピュレータにてロボットハンド４０１を前進さ
せて下顎部４０３をワーク４００に当てる。 ４）上顎部４０２を回転してロボットハンド４０１を閉
じる。 ５）把持状態を確認する。 ６）ワークの把持を完了する。

【００１０】ところが、従来技術ではワーク縁部とワー
ク設置面の間の狭い空間に下顎部を差し込まなくてはな
らないため、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度
が要求されるという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、ロ
ボットアームの軽量化が行えるワイヤもしくはスティー
ルベルト駆動方式を用いた上で、ロボットアームが外部
環境と干渉した場合にも、外部環境に過大な力を加え
ず、安全に動作するロボットアームの駆動装置を提供す
ることを第１の目的とする。また、本発明は、ワイヤで
駆動するマニピュレータにおいて、障害物と接触した場
合の安全確保のためにプーリとワイヤもしくはスティー
ルベルト間の摩擦トルクを調整しアームを駆動するロボ
ットアームの駆動装置を提供することを第２の目的とす
る。さらに、本発明は視覚センサ、マニピュレータ動作
に高精度を要求しないロボットハンドを提供することを
第３の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るため、本発明の第１の手段のロボットアーム駆動装置
は、ｎ個の関節を有するロボットアームを駆動するワイ
ヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボットアーム
駆動装置であって、リンク固定プーリと対をなすプーリ
との間にテンションプーリ、トルクセンサ及びテンショ
ン調整機構を配置し、各関節において１個のプーリをリ
ンクと固定し、ｎ本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記
リンク固定プーリに固定し、リンク固定プーリと対をな
すプーリにはワイヤを固定せず１回転以上巻き付けるこ
とにより、ロボットアームが外部環境と接触した際に、
プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を
加えないようにロボットアームが外力に倣うようにした
ものである。また前記第２の目的を達成するため、本発
明の第２の手段のロボットアーム駆動装置は、ロボット
ハンドの各アームを駆動するための動力伝達ワイヤに１
個もしくは複数のソレノイドコイルとテンションプーリ
を組み合わせたテンション調整機構を設け、ワイヤアー
ムの駆動トルク伝達ワイヤのテンションを可変にしたも
のである。さらに前記第３の目的を達成するため、本発
明の第３の手段のロボットハンドは、平坦な場所に置か
れている、辺縁部を有する浅い箱状のワークに対して上
方から近づいて、ワークに触れた後に水平方向に物体を
挟み込む挟着部からなるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基づ
いて説明する。図１はロボットハンドを搭載するロボッ
トアームの実施例を示すものであり、本発明を３自由度
の水平アームモデルで示したロボットアーム１００が示
されている。ロボットアーム１００は、駆動系側の根元
部から手先側の先端部にかけてリンク１〜３を備えてお
り、各リンク１〜３は隣り合うリンクと関節Ｊ１〜Ｊ３
で連結している。一番根元の駆動部には駆動用アクチュ
エータに固定されたプーリＰｄ１〜Ｐｄ３が設置され、
関節Ｊ１〜Ｊ３の関節軸Ｒ１〜Ｒ３には、そこを経由す
るワイヤＷの本数と同数のプーリを独立して回転が可能
に設置している。さらにワイヤ張力およびワイヤ巻き掛
け角度の調整を兼用したテンションプーリ１８が設置さ
れている。

【００１４】関節Ｊ１の関節軸Ｒ１には、プーリＰＴ１
が固着されており、他のプーリはＰＴ１と独立して回転
可能に設置している。関節Ｊ２の関節軸Ｒ２には、プー
リＰＴ２が固着されており、他のプーリはＰＴ２と独立
して回転可能に設置している。関節Ｊ３の関節軸Ｒ３に
は、プーリＰＴ３が固着されている。各ワイヤ駆動経路
は以下の通りである。図１には各関節軸Ｒ１〜Ｒ３を駆
動するためのワイヤの駆動経路が示されている。

【００１５】（ワイヤ１）駆動用アクチュエータ１０に
固定されたプーリＰｄ１に１周半以上巻き付け、一番根
元側のテンションプーリ１８を通過し、関節軸Ｒ１に固
着されたプーリＰＴ１に両端とも半周以上巻き付けられ
固定される。 （ワイヤ２）駆動用アクチュエータ１１に固定されたプ
ーリＰｄ２に１周半以上巻き付け、関節軸Ｒ１に回転可
能に設置されたプーリＰ１２に両端とも１周以上巻き付
け、二番目に根元にあるテンションプーリを通過し、関
節軸Ｒ２に固着されたプーリＰＴ２に両端とも半周以上
巻き付けられ固定される。 （ワイヤ３）駆動用アクチュエータ１２に固定されたプ
ーリＰｄ３に１周半以上巻き付け、関節軸Ｒ１に回転が
可能に設置されたプーリＰ１１に両端とも１周以上巻き
付け、関節軸Ｒ２に回転が可能に設置されたプーリＰ２
１に両端とも１周以上巻き付け、三番目に根元にあるテ
ンションプーリ１８を通過し、関節軸Ｒ３に固着された
プーリＰＴ３に両端とも半周以上巻き付けられ固定され
る。

【００１６】ロボットアームが外部環境と接触し、ロボ
ットアームに過大な力が加わった際に、各アームに固定
されたプーリーの反対側のプーリと各ワイヤは固定され
ていないため、滑りを生じ、外部環境に過大な力が働く
のを防ぐ。

【００１７】その各関節における滑りトルクとワイヤ張
力、ワイヤ巻き掛け角度の関係は下記の式１の通りであ
る。 Ｆ_lim ⁱ＝Ｆ_I ⁱＡ（φⁱ） 式（１） ここで、 Ｆ_lim ⁱ：関節Ｊｉの滑りトルク Ｆ_I ⁱ：ワイヤＷｉの初期張力 φⁱ：駆動用アクチュエータに固定されたプーリＰｄｉ
に対するワイヤＷｉの巻き掛け角 Ａ：駆動用アクチュエータに固定されたプーリＰｄｉに
対するワイヤＷｉの巻き掛け角で決まる関数 なお、テンションプーリ１８をワイヤ張力およびワイヤ
巻き掛け角度調整用プーリとして別々のプーリとするこ
とで、各関節における滑りトルクを細かく調整すること
も可能である。

【００１８】このように、本実施例では、ｎ個のリンク
部材をｎ個の関節で連結し、各関節には先端の関節から
順に１〜ｎ個のプーリを互いに独立して回転が可能に設
置し、各関節において１個のプーリをリンクと固定し、
ｎ本のワイヤを準備し、各ワイヤは前記リンク固定プー
リに固定し、前記各関節軸に掛かるワイヤはプーリに１
回転以上巻き付いてその関節軸を経由し、一番根元に配
置された駆動部においてワイヤ張力調整用プーリとワイ
ヤ巻き掛け角度調整用プーリを経由し、駆動用アクチュ
エータに固定されたｎ個のプーリには１回転以上巻き付
けるだけで固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボ
ットアームを駆動するので、ロボットアームが外部環境
と接触した際に、駆動用アクチュエータに固定されたプ
ーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に過大な力を加
えないようにロボットアームが外力に倣う。

【００１９】次に、本発明の他の実施例を説明する。図
１において１、２、３はリンク、４、５、６はそれぞれ
リンク１、２、３用のソレノイドであり、各リンクヘ駆
動力を伝達するワイヤの間に取り付けられ衝突監視装置
１６の指令に基づいてワイヤの間隔を変更することがで
きる。７、８、９はそれぞれリンク１、２、３の表面に
取り付けられた接触センサであり、接触力と接触位置を
測定することができ、それらの信号は衝突監視装置１６
に伝達されている。１０、１１、１２はそれぞれリンク
１、２、３を駆動するモータに取り付けられたエンコー
ダであり、それらの位置信号、速度信号、回転方向信号
は衝突監視装置１６に伝達されている。１３、１４、１
５はそれぞれリンク１、２、３のトルクセンサであり、
各リンクのトルクを監視しており、その信号は衝突監視
装置１６に伝達されている。衝突監視装置１６は、接触
センサ、エンコーダ、トルクセンサの信号をもとに衝突
の状態を監視し、状態に応じてソレノイドを通してワイ
ヤのテンションを調整することにより、アームの各関節
のリミットトルクを変更する。

【００２０】図２（ａ）は、まっすぐに伸びて駆動中の
アームにアーム駆動方向と反対の方向に移動する障害物
２２がリンク２に衝突した場合の説明図である。この場
合、衝突監視装置１６は、駆動しているアームの移動方
向とリンクの位置、速度及び接触センサからの接触力と
接触位置及びトルクセンサからの各軸トルクから衝突状
態を判定し、リンク２のワイヤテンションをソレノイド
を使用して緩ませ、リンク２のリミットトルクを小さく
する（図（ｂ）参照）。その結果リンク２はほぼフリー
の状態になり障害物に沿って駆動されることになり障害
物２２への衝撃を小さくすることができる。

【００２１】図３（ａ）は、まっすぐに伸びて駆動中の
アームにアーム駆動方向と同方向に移動する障害物２２
がリンク１に衝突した場合の説明図である。この場合、
衝突監視装置は、同様にアームの移動方向、リンクの速
度、接触力、接触位置及び各軸トルクから衝突状態を判
定し、リンク１、２のリミットトルクを小さくする。そ
の結果リンク１、２はほぼフリーの状態になり障害物２
２に沿って駆動されることになる（図３（ｂ）参照）。
しかし場合によってはリンク２がまわりすぎ、障害物２
２を挟み込んでしまう場合が発生する可能性がある（図
３（ｃ）参照）。このような場合、衝突監視装置はリン
ク１とリンク２の位置、速度信号から再びアームのリミ
ットトルクを大きくし、モータを停止することにより障
害物の安全を確保できる。

【００２２】このようにして、アームが障害物と接触し
た場合には、接触センサからの接触位置、接触力信号と
エンコーダからのアームの位置、速度、回転方向、トル
クセンサからの軸トルク信号により接触状態を判定しそ
れに応じてワイヤのテンションを切り替えることにより
関節のリミットトルクを切り替え、アームが障害物に与
えるダメージを小さくすることが可能となる。

【００２３】図４はロボットハンドを示す側断面図、図
５はロボットハンドを示す平面図である。図において、
１０１はロボットハンド、１０２は上顎部、１０３は下
顎部、１０４はスイッチＡ、１０５はスイッチＢ、１０
６はスイッチＣ、１０７はモータ、１０８はギヤＡ、１
０９はギヤＢであり、１１０は回転運動を直動運動に換
えるギヤＣである。平坦な場所に置かれている、辺縁部
を有する浅い箱状のワークとして食事トレイを挙げる。
図６に、トレイを把持する動作シーケンスを示し、それ
ぞれの説明を以下に示す。図において、２００はトレイ
である。

【００２４】（１）視覚センサ（図示せず）によりトレ
イ２００の位置を認識する。 （２）マニピュレータにてトレイ２００上にロボットハ
ンド１０１を移動する。 （３）マニピュレータ上下軸にてスイッチ１０４が入る
までロボツトハンド１０１を下降する。 （４）マニピュレータにてロボットハンド１０１をスイ
ッチ１０５が入るまで後退させて上顎部１０２をトレイ
２００に当てる。 （５）モータ１０７を駆動し、ギヤ１０８、ギヤ１０
９、ギヤ１１０を介してスイッチ１０６が入るまで下顎
部１０３を送ってロボットハンド１０１を閉じる。 （６）すべてのスイッチが入っていることを確認するこ
とで把持状態を確認する。 （７）トレイ把持が完了する。 このようにして、トレイに触れた後に水平方向に物体を
挟み込むようにしたので、視覚センサ、マニピュレータ
動作に高精度を要求せずに把持動作を行える。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の第１の手段
によれば、ロボットアームの軽量化が行えるワイヤ駆動
方式を用いた上で、駆動用アクチュエータに固定された
ｎ個のプーリにはワイヤを１回転以上巻き付けるだけで
固定せず、ワイヤ・プーリ間の摩擦力でロボットアーム
を駆動するので、ロボットアームが外部環境と干渉した
場合にも、外部環境に過大な力を加えず、安全に動作す
るロボットアームのワイヤ駆動方式を提供することがで
きる。また、各ワイヤの初期張力、アクチュエータに固
定されたプーリに対する巻き掛け角度を調整すること
で、各関節における滑りトルクを調整することができ
る。また、本発明の第２の手段によれば、とアーム内に
取り付けられた各種センサの信号を基に衝突判定装置に
より衝突状態を判定し、その結果をもとにソレノイド機
構を用いた簡単なワイヤテンション調整機構により関節
のリミットトルクを調整することにより、衝突による障
害物への衝撃を小さくすることができる。さらに、本発
明の第３の手段によれば、平坦な場所に置かれている辺
縁部を有す浅い箱状のワークに対して上方から近づい
て、ワークに触れた後に水平方向に物体を挟み込むよう
にしたので、視覚センサ、マニピュレータ動作に高精度
を要求せずに把持動作を行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実地例を示す概念図である。

【図２】本発明の実施例１を示す概略図である。

【図３】本発明の実施例２を示す概略図である。

【図４】本発明の実施例を示す側断面図である。

【図５】本発明の実施例を示す平面図である。

【図６】本発明の動作シーケンス図である。

【図７】従来の動作シーケンス図である。

【図８】従来のワイヤ駆動機構を示す概念図である。

【図９】従来のワイヤテンション調整方法の例を示す概
略図である。

【符号の説明】

１ リンク１、２ リンク２、３ リンク３、４ リン
ク１用ソレノイド、５リンク２用ソレノイド、６ リン
ク３用ソレノイド、７ リンク１用接触センサ、８ リ
ンク２用接触センサ、９ リンク３用接触センサ、１０
リンク１用モータエンコーダ、１１ リンク２用モー
タエンコーダ、１２ リンク３用モータエンコーダ、１
３ リンク１用トルクセンサ、１４ リンク２用トルク
センサ、１５ リンク３用トルクセンサ、１６ 衝突監
視装置、１７ ソレノイド用アンプ、１８ テンション
プーリ、１９ リンク３用モータコントローラ、２０
リンク２用モータコントローラ、２１ リンク１用モー
タコントローラ、２２ 障害物、２３ 障害物移動方
向、２４ アーム移動方向、２５ モータ、２６ ば
ね、１００ ロボットアーム、Ｗ ワイヤ、Ｌ リンク
部材、Ｊ 関節、Ａ 関節軸、Ｐ プーリ、１０１ ロ
ボットハンド、１０２ 上顎部、１０３ 下顎部、１０
４ スイッチＡ、１０５ スイッチＢ、１０６ スイッ
チＣ、１０７ モータ、１０８ ギヤＡ、１０９ ギヤ
Ｂ、１１０ ギヤＣ、２００ トレイ、４００ ワー
ク、４０１ ロボットハンド、４０２ 上顎部、４０３
下顎部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 貞包 健一 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ個の関節を有するロボットアームを駆
   動するワイヤもしくはスティールベルト駆動方式のロボ
   ットアーム駆動装置であって、リンク固定プーリと対を
   なすプーリとの間にテンションプーリ、トルクセンサ及
   びテンション調整機構を配置し、各関節において１個の
   プーリをリンクと固定し、ｎ本のワイヤを準備し、各ワ
   イヤは前記リンク固定プーリに固定し、リンク固定プー
   リと対をなすプーリにはワイヤを固定せず１回転以上巻
   き付けることにより、ロボットアームが外部環境と接触
   した際に、プーリと各ワイヤが滑りを生じ、外部環境に
   過大な力を加えないようにロボットアームが外力に倣う
   ようにしたことを特徴とするロボットアーム駆動装置。
2. 【請求項２】 ロボットハンドの各アームを駆動するた
   めの動力伝達ワイヤに１個もしくは複数のソレノイドコ
   イルとテンションプーリを組み合わせたテンション調整
   機構を設け、ワイヤアームの駆動トルク伝達ワイヤのテ
   ンションを可変にした請求項１記載のロボットアーム駆
   動装置。
3. 【請求項３】 アームに取り付けた接触センサによる接
   触位置と接触力信号、エンコーダによるアーム位置、速
   度、回転方向信号、トルクセンサによる関節負荷トルク
   信号を用いて衝突状態を判定する衝突監視装置を持つ請
   求項１記載のロボットアーム駆動装置。
4. 【請求項４】 前記衝突監視装置からの指令に基づいて
   ワイヤのテンションを駆動することによりプーリとワイ
   ヤ間の摩擦トルクを調整し、リミットトルクを変化させ
   るワイヤテンション調整機構を設け、これにより障害物
   に過大な接触反力を与えないようにした請求項１記載の
   ロボットアーム駆動装置。
5. 【請求項５】 ロボットハンドにおいて、平坦な場所に
   置かれている、辺縁部を有する浅い箱状のワークに対し
   て上方から近づいて、ワークに触れた後に水平方向に物
   体を挟み込む挟着部からなることを特徴とするロボット
   ハンド。
6. 【請求項６】 ワークは食事トレイである請求項１記載
   のロボットハンド。
7. 【請求項７】 請求項５または６記載のロボットハンド
   を先端に搭載したロボットアームがワイヤもしくはステ
   ィールベルト駆動式であるロボットアーム駆動装置。