JPH10291182A - アーム駆動装置 - Google Patents
アーム駆動装置Info
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- JPH10291182A JPH10291182A JP9100467A JP10046797A JPH10291182A JP H10291182 A JPH10291182 A JP H10291182A JP 9100467 A JP9100467 A JP 9100467A JP 10046797 A JP10046797 A JP 10046797A JP H10291182 A JPH10291182 A JP H10291182A
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Abstract
に負担なく、また外乱を正確に検知できるアーム駆動装
置を提供する。 【解決手段】 アーム2と、モータ3の減速機4の間に
磁気式のトルクセンサ1が取り付けられている。
Description
接アームを動かして教示されたアームの教示動作を再現
実行するアーム駆動装置に関し、具体的には、ティーチ
ング・プレイバック方式のCPM(Continuou
s Passive Motion)装置と呼ばれる医
療機械、リハビリ用機械、または筋力訓練機械に関す
る。
の動作を記憶し、教示動作に従って動作の再現実行をお
こなうことで、アームに肢体をとりつけて外科的治療を
目的とした連続的な受動運動を施したり、筋力の回復ま
たは関節の拘縮の防止を目的としたリハビリテーション
を施す医療機械の制御装置、あるいはアームに肢体をと
りつけて主として筋力の増強をはかる訓練機械の制御装
置において、従来より以下のような方式が提案されてい
る。例えば、文献(杉本、平林、荒井、坂上:多自由度
ロボットの仮想コンプライアンス制御:計測自動制御学
会論文集、Vol.22.No.3,pp.343−3
50,1988)では、ロボットアームの手先に力検出
器を取り付け、仮想的なコンプライアンスモデルをもつ
力制御によってアームにかかった力に対してアームの位
置あるいは速度を変化させるようにし、直接手でアーム
を動かして教示し、教示データ配置あるいは速度のデー
タとして記憶し、動作の再現実行時に教示した位置ある
いは速度のデータに従って動作する方式を提案してい
る。
アームに力検出器を取り付け、力制御によってアームに
かかった力に対してアームの位置を変化させるように
し、直接手でアームを動かして教示し、教示データは位
置のデータとして記憶し、動作の再現実行時には教示し
た位置あるいは速度のデータに従ってアームの位置を制
御する方式を提案している。図5、図6はそれぞれ特開
平8−141961に開示されたアーム駆動装置の、ア
ーム動作教示時の構成図、アーム動作再現実行時の構成
図である。アーム2の先端には、アーム2を直接操作す
る操作者がアーム2にかける力、または対象物(または
操作者の肢体)10からアーム2にかかる力を検出する
力検出器9が備えられている。アーム2は減速器4を介
してモータ3により駆動される。
れた外力22Tと動特性モデル6をもとにした力制御系
によってサーボ・コントローラ8への角度の指令値23
Tが計算される。サーボ・コントローラ8は、角度検出
器5で検出された角度21Tの角度指令値23Tに対す
る偏差を計算して、実際の角度が角度指令値23Tに追
従するようにモータ駆動トルク24Tをモータ3に指令
する。モータ3は減速器4を介してアーム2を動かす。
このとき、角度指令値23Tと外力22Tの値をそれぞ
れ一定時間ごとにメモリ7に記憶することでアーム2の
動作を教示する。アーム2の動作実行時には、図6に示
すように、記憶した教示データである外力22Tと角度
の指令値23Tをそれぞれ一定時間ごとに読みだし、外
力22Tと動作実行時に力検出器9によって検出した外
力22Pとから合力25を減算器11によって計算し、
これと動特性モデル6とから角度の指令値23Pを計算
する。角度の指令値23Pと教示データの角度の指令値
23Tとから加算器12によって新たな角度の指令値2
6を計算し、サーボ・コントローラ8への角度の指令値
とする。サーボ・コントローラ8は、角度検出器5で検
出した角度21Pの角度指令値26に対する偏差を計算
して、実際の角度が角度の指令値26に追従するように
モータ駆動トルク24Pをモータ3に指令する。モータ
3は減速器4を介してアーム2を動かす。このときアー
ム2は操作者によって教示された運動と力を再現するよ
うに、対象物または肢体10に対して運動する。
たアーム駆動装置では、力検出器は実用上アームの先端
に配置されているため、教示時の姿勢が拘束され、教示
を行いにくいといった不具合があった。また、動作再現
時にアームに何らかの外乱が加わっても検知できずに、
そのまま動作を続けるという不具合があった。また、通
常、アームの駆動には、モータに力増幅手段(例えば減
速器)をつなげて力を発生させるという機構をとるた
め、モータの電流値による発生トルク推定においては、
モータと力増幅手段の力伝達時に発生するバックラッシ
ュやガタなどの非線形要素により上記の力を検出しにく
いといった不具合がある。本発明の目的は、アームに発
生する力を正確に検知し、教示者に負担なく、また、外
乱を正確に検知できるアーム駆動装置を提供することに
ある。
は、アームを直接操作するため操作者がアームにかける
力、または対象物または肢体からアームにかかる力を検
出する力検出器と、アームを駆動する駆動源とアーム間
に力増幅手段を備え、教示時に上述の力をもとにした力
制御系によってサーボ・コントローラへの位置あるいは
速度あるいはその両方の運動指令値を変化させることに
よってアームの位置あるいは速度あるいはその両方を変
化させながら、操作者がアームの動作を直接教示してそ
の動作を記憶し、その後、記憶した教示動作に従って動
作の再現実行を行うアーム駆動装置において、力検出器
が力増幅手段とアームの間にトルクセンサとして取り付
けられている。
知し、アームにかかる外乱を正確に検知できる。また、
特に、トルクセンサに関しては、取り付けの際に場所を
とらず、起歪部を設けずに構成できる。本発明の実施態
様によれば、トルクセンサが検出軸の周囲に磁気歪み発
生部を備え、この磁気歪み発生部の周囲に励磁または検
出コイルが配置され、磁気歪み発生部にあらわれる透磁
率の変化を検出して、その検出軸に加わる軸力を検出す
る磁歪式トルクセンサである。
て図面を参照して説明する。図1、図2はそれぞれ本発
明の一実施形態のアーム駆動装置のアーム動作教示時、
アーム動作再現実行時の構成図、図3はトルクセンサ1
の構成図である。なお、図1、図2中、図5、図6中と
同じ参照番号は同じものを示す。本実施形態では、従来
の力検出器9(図5、図6)の代りに、アーム2と減速
器4の間に磁気式のトルクセンサ1が設けられている。
アーム2の動作教示時には、トルクセンサ1で検出され
た外力22Tと動特性モデル6をもとにした力制御系に
よってサーボ・コントローラ8への角度の指令値23T
を計算する。サーボ・コントローラ8は、角度検出器5
で検出した角度21Tの角度指令値23Tに対する偏差
を計算して、実際の角度が角度指令値23Tに追従する
ようにモータ駆動トルク24Tをモータ3に指令する。
モータ3は減速器4を介してアーム2を動かす。このと
き、角度指令値23Tと外力22Tの値をそれぞれ一定
期間ごとにメモリ7に記憶することでアーム2の動作を
教示する。
うに、記憶した教示データである外力22Tと角度の指
令値23Tをそれぞれ一定時間ごとに読みだし、外力2
2Tと動作実行時にトルクセンサ1によって検出した外
力22Pとから合力25を減算器11によって計算し、
これと動特性モデル6とから角度の指令値23Pを計算
する。角度の指令値23Pと教示データの角度の指令値
23Tとから加算器12によって新たな角度の指令値2
6を計算し、サーボ・コントローラ8への角度の指令値
とする。サーボ・コントローラ8は、角度検出器5で検
出した角度21Pの角度指令値26に対する偏差を計算
して、実際の角度が角度の指令値26に追従するように
モータ駆動トルク24Pをモータ3に指令する。モータ
3は減速器4を介してアーム2を動かす。このときアー
ム2は操作者によって教示された運動と力を再現するよ
うに、対象物または肢体10に対して運動する。
来のアーム駆動装置と比較して、アームをつかんだ教示
動作が可能となり、動作実行時アーム外力を加えた力制
御性が良好になるため、教示動作時にアームをつかんで
作業ができるなど教示の可能性が大きくなるばかりでな
く、動作時に外乱に対する安全性も確保できる。次に、
トルクセンサ1を歪みゲージを用いたいわゆるロードセ
ルタイプと磁歪式との比較を行った。磁歪式トルクセン
サの構造について図3により詳細に説明する。検出軸1
−1の中央部には磁気歪み発生部の一例として2段にわ
たってお互いに対向する方向に傾斜する検出溝1−2
a、1−2bが設けられている。各段の検出溝1−2
a、1−2bの周囲には一定の磁界を発生する励磁コイ
ル1−3と検出コイル1−4とが配置されており、各検
出溝1−2a、1−2bの透磁率の変化をインピーダン
ス変化として検出するように構成されている。また、検
出コイル1−4はトルク変換回路(図示せず)に接続さ
れており、それぞれのインピーダンスの比率から検出軸
1−1の生じる歪み量を検出してこれから検出軸1−1
に加わる軸力をトルクとして検出するように構成されて
いる。なお、磁気歪み発生部は検出軸1−1に設けた検
出溝でなくてもよく、透磁率の変化が顕著にあらわれる
物質を検出軸1−1に塗布または貼付しても同様の効果
がある。さらに、励磁コイルと検出コイルとが別の構成
になっている例を述べたが、同一のコイルにて励磁・検
出の効果を得られる様に構成してもよい。さらには、コ
イルのかわりに磁気ヘッドによる構成も可能である。
にて増幅前の原信号が同値レベルになるように歪みゲー
ジ式のトルクセンサを構成した。歪みゲージ式では同一
歪みにおいて出力が10分の1程度となるため、歪みゲ
ージ式の検出軸の径は磁歪式の半分程度となった。アー
ムの外力に対するトルクセンサの応答性を調べたとこ
ろ、磁歪式では50Hzあったのが、10Hz以下とな
った。従って、磁歪式の方が優れた外力検出性をもつこ
とがわかった。本発明の適用例として、図4に示すよう
な実施応用を考えることができる。図4は医療器械また
は訓練機械を示す。この装置においては医者あるいは整
体士が操作者となって肢体に装着したアーム2を運動さ
せる。このとき力制御系の動特性モデルであるインピー
ダンスの各パラメータの値を小さくとってアーム2が軽
い操作感でもって動くようにしておく。操作者はアーム
2を持ちながら、肢体に加わる力が関節などの患部に効
果的なように操作力をアーム2に加えながら治療あるい
はリハビリの動作をおこなう。このときメモリ7は操作
者が教示する運動と力の両方の情報を記憶する。たとえ
ば肢体がある程度の大きさの操作力で自由に動くことが
できる場合には、その肢体の運動を記憶することに相当
する。また、肢体の拘縮によって患部が動かない場合に
は、その肢体に操作者がかける力を記憶することに相当
する。また、これらの中間の条件の場合には、肢体の運
動とこれに加わる力とをともに記憶することに相当す
る。操作者が教示したこれらの運動および力の情報を制
御装置が動作実行時に再現しながらアーム2を運動させ
る。教示した情報は記憶しておいて何度でも再使用する
ことができるので、アーム騒動装置は操作者が教示した
治療あるいはリハビリの動作を何度でも再現することが
できる。
発生する力を正確に検知し、教示者に負担なく、また、
外乱を正確に検知することができる。
動作教示時の構成図である。
動作再現実行時の構成図である。
械に適用した例を示す図である。
構成図である。
時の構成図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 アームを直接操作する操作者がアームに
かける力、または対象物または肢体から前記アームにか
かる力を検出する力検出器と、前記アームを駆動する駆
動源とアームとの間に力増幅手段を備え、アームの動作
教示時に前記の力をもとにした力制御系によってサーボ
・コントローラへの位置あるいは速度あるいはその両方
の運動指令値を変化させることによってアームの位置あ
るいは速度あるいはその両方を変化させながら、前記操
作者がアームの動作を直接教示してその動作を記憶し、
その後、記憶した教示動作に従ってアームの動作の再現
実行を行うアーム駆動装置において、 前記力検出器が、前記力増幅手段と前記アームとの間に
トルクセンサとして取り付けられていることを特徴とす
るアーム駆動装置。 - 【請求項2】 前記トルクセンサが、検出軸の周囲に磁
気歪み発生部を備え、この磁気歪み発生部の周囲に励磁
または検出コイルが配置され、前記磁気歪み発生部にあ
らわれる透磁率の変化を検出して、その検出軸に加わる
軸力を検出する磁歪式トルクセンサである請求項1記載
のアーム駆動装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9100467A JPH10291182A (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | アーム駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9100467A JPH10291182A (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | アーム駆動装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10291182A true JPH10291182A (ja) | 1998-11-04 |
Family
ID=14274723
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9100467A Pending JPH10291182A (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | アーム駆動装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH10291182A (ja) |
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