JPS58120492A - 対称性コンプライアンス構造体 - 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】 本発明は主にロボット技術分野に関連し、さらに具体的
には油圧マニピュレータの腕の端上にグリッパの指を取
付ける技術に関する。この様なロボット・マニピュレー
タにおいては、マニピュレータ自体の極めて高価な油圧
系がマニピュレータが他の物体と衝突する時もしくは油
圧系を介して把持すべき物体に対して余分な力が加えら
れる時に、油圧系に対するショックを軽減するためにマ
ニピュレータ及びグリッパ間にコンプライアンス部材を
介在させる事が望まれる。この様な力はマニピュレータ
の構造に対して直角に分解される＄が望ましく、従って
力が直接に対角線、非直交力として印加される時に轡構
はこの様な力に抵抗する様に設計されることが好ましい
。

最も複雑−６０ボツトのマニピュレータではグリ′−ツ
バの指に印加される力を正確に感知し、これによって適
切な制御信号がロボット組織全体の動作を制御する油圧
制御機構にフィード・バックし得る事が通常必要である
。

〔従来の技術の説明〕

米国特許第４１３２３１８号はｘｙｚ直交座標系で力を
分解し、及びもしくは測定する６つの分離ｉビーム・モ
ジュールより成るコンプライアンス構成体上使用した計
算機で制御されるマニピュレータ・システムのための非
対称性自由度乙の力変換／ステムを開示している。

米ト１特許第３９４８０９４号はカをｘｙｚ直文系に分
解するために別個のｉビーム素子より形成されたコンプ
ライアンス構造体を利用した類似の構成体全開示してい
る。

これ等の特許に開示された構造体は、ＸＸＹ及びＺ成分
に力全直交分解し得るが、これ等の力は対称でもなくコ
ンパクトでもない。さらに、カが１ビーム・ウェブの平
面に垂直に素子に印加きれる時にはｉビーム素子の各々
の主たる搭載表面が回転する傾向を有する。

このマニピュレータのための他のコンプライアンス構造
は１９８１年７月刊ＩＢＭ　　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉ
Ｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖｏｌ、２４、
＋２善１０８６頁の’５ｅｎｓｏｒ　　Ａｒｒａｎｇｅ
ｍｅｎｔ　　ｆｏｒａ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　　Ｇ
ｒ４ｐｐｅｒ”と題する論文中に開示されている。この
感知配列体は上記参照特許のｌビーム構造体に代って個
々の力の分解素子として２面箱ビーム構造体を使用して
いる。この論文に示された構造体は他の点では上述の２
つの特許中における構造と全く類似している。

〔本発明の要約〕

本発明の主たる目的はグリッパの指金ロボット・マニピ
ュレータ上に搭載するのに適した自由度３のコンプライ
アンス構造体を与える事にある。

本発明の他の目的は機械的に対称で、設置が大いに簡単
化されるこの様なコンプライアンス構造体を与える事に
ある。

本発明の他の目的はグリッパ指に印加される力ベクトル
を任意の回転モーメン［ｉｌ−生じない５つの直交力成
分に分解する構造体を与えることにある。

本発明のさらに他の目的は好ましくは射出成形技法によ
って極めてコンパクトで、製造が安価な構造体を与える
事にある。

本発明の目的、特徴及び利点は印加される力を６つの直
交力ベクトルの１つに分解するために上記構造体内に各
々が配向された少々ぐ共２個好ましくは３つの個々のコ
ンプライアンス素子より成るユニタリでコンパクトな構
造体によって一般に達成される。この素子の各々は２つ
の間隔を隔てた互に平行な直方形の平面領域を含む。こ
れ等の平面領域は互に平行で該平面領域に垂直な薄い可
撓性のウェブ部分によってそれ等の反対側の外方端の２
つに於て結合されている。上記２つのウェブ部分の中間
には少なく共１個の追加の可撓性のウェブ部分が存在す
る事が好ましい。

上記素子は該素子の２つが上記構造体の夫々の端を形成
し、各構造体の周平面領域及び個々の可撓性のウェブ素
子が互に垂直になる様に構成体中に配向される様に配列
される。上述の本発明の好ましい実施例における第６の
素子は上記複合構造体内において上記２つの素子の中間
に存在し、中間の素子の平面領域は上記２つの素子の両
者の平面領域に関して略４５°の角度で配向され、上記
第３の素子の可撓性ウェブの平面が上記２つの他のメン
バの可撓性ウェブの平面と垂直になる様に配向されてい
る。

以下の説明から２つの端素子の内部平面領域及び上記中
間素子の周平面領域は特に全構成体が射出成形動作によ
ってユニタリ構造体として形成訟れる時には全体の組立
体のユニタリな部分に融合される事を理解されたい。２
つの端素子の外部平面領域は以下の論議から明らかなる
如く構造体のための搭載表面である。

〔好ましい実施例の説明〕

第１．１図はマニピュレータ腕１０及びグリッパ指１２
、並びにこの間に介在する本発明の自由度６のコンプラ
イアンス構造体１４を示していえ。

同様に６つの直交力ベクトルＦ　　、Ｆ　　及びＦｘ、
　　　ｙ　　　　ｚ がコンプライアンス構造体を形成する３つの個々の力分
解素子１６．１８及び２０に関連して明瞭に示されてい
る。力ベクトルＦ　　、Ｆ　　及びＦｘ　　　　　　ｙ は明瞭のために素子１６．１８及び２０に接近して示さ
れているが、装置はグリッパ指１２に印加される力ベク
トルを分解するのであって素子自体に印加される力ベク
トルを分解するのではない事全明瞭に理解されたい。

第１１図の実施例においては、個々のコンプライアンス
素子の各々は６つの可撓性のウェブ２２を含む。参照番
号２２はここでｔｈ’べてで６つの個々のコンプライア
ンス素子中の複数の可撓的ウェブを指示するのに使用さ
れるが、明瞭にするために特にウェブの唯一つだけが参
照番号２２で示される。

Ｆ　の如き外力がグリッパ指１２に印加される時、コン
プライアンス素子１６中の個々のウェブ２２は屈曲する
。この結果、ウェブ２２の端が取付けられている個々の
素子の平面領域即ち部分はわずかに互に相対的に移動す
る。同一の作用は力Ｆ　がグリッパ指１２に印加される
時には素子１８中において、力Ｆ　がフィンガー２に印
加きれる時には素子２０中において生ずる事に注意され
たい。同様に直交する力ＦＦ　　及びＦ　のすべｘｙ　
　　　　　　　ｚ ての合成である力ベクトルＦ　が指１２に印加さ■ れる時には、素子１６．１８及び２０の各々はその許容
された分解方向にのみ影響を有する合成ベクトルの部分
のみを個々に分解する事は明らかである。

コンプライアンス構造体の詳細な説明に進む前に、シス
テムに印加される２つの可能な方法について簡単な説明
を行う。前に説明された如く、本発明のコンプライアン
ス構造体は２つの目的に使用される。第１の目的は構造
体に印加される直交力全分解し、後に測定する事にある
。この事は油圧機構を制御するための手段を与える。第
２の優能は成る点迄は負荷としての働きをし、次いで特
定の負荷を越える時に機械的フユーズ゛及び遮断器とし
ての働きをする様に容易に設計され得る機械的フユーズ
もしくはリンクとしての容易な適用性にある。

力を測定する１つの方法は夫々コンプライアンス構造体
１６．１８及び２０の中央ウェブ上に搭載された６つの
歪ゲージＡＳＢ、及びＣによって図示されている。これ
等は通常可撓性のウェブ部分の各々の最大点の偏向点に
取付けらねる通常のフォイル歪ゲージである。この歪ゲ
ージはブリッジ囲路を形成する様に電気的に接続され得
る。ウェブの偏向はゲージ中に応力を生じ、これはブリ
ッジ回路中の不平衝として検出される。

運動を機械的に感知する互換方法はグリッパの指１２に
固定さ力た棒２４より成る。この棒はマニピュレータ指
上の保護ハウジング２６内に存在する検出組立体へ延び
ている。ハウジング２６へ突出する棒２４の変位はグリ
ッパの指に印加される力によるグリッパの指の残りの部
分と同一の相対的大きさ及び方向のものである。従って
６つの可能な直交方向の任意の方向における偏向は検出
装置２６に送らオ］、る。空気ギャップ、ホール効果、
光学的手段等の如き変位を測定するための種々の周知の
方法の任意の１つが容易に使用され得る。

直交変位が測定てれる特定の方法は特に本発明に関連し
、ないのでさらに詳細には説明されない。

麺、、ｊ４２図を参照するに、自由度３のコンプライア
ンス構造体１４が分解して、示されている。この図は同
様に全体の自由度乙のコンプライアンス構造体を製造及
び組立てるための少なく共２つの互換方法を示している
。この図を参照する際に、−「べての番号は第１．１図
のものと同一である事に注意さｔたい。第１．２図に示
される如く素子１６は基本的可撓性ウェブ・コンプライ
アンス素子２２及びその一体部分に’／Ｚすくさび状部
分１７′ｆｆ：含む。

同様に素子２０は一体部分を形成するくさび状部分２１
を含む。これ等の２つのコンプライアンス素子は同一で
あり、単にひつくり返しになっているだけである。従っ
て、２つの同一の素子１６及び２０を基本素子１８と一
緒に使用する事によって、全体的構造体は接合表面を形
成する２つの系子１６．１８上の平面領域を介して素子
１６を素子１８に取付け、接合表面を形成する平面領域
６６を介して素子２０を素子１８に取付ける事によって
形成され得る。従って第１．２図に示された如き実施例
では、さらに一層複雑な自由度３の全体構造体を形成す
るのに２種の比較的簡単な構造体が製造される必要があ
る。こね等はくさび状部分１７及び２１を含む２つの端
素子１６及び２０並びに基本素子１８を含む。

さらに細かく説明すると、同一であるくさび状部分１７
及び２１は別個Ｋ　Ｍ造し得、個々のコンプライアンス
素子１６．１８及び２０のすべては同一であるので、こ
の事はきらに製造コストが節減される事を示している。

しかし々がら、適尚な射出成形過程によって構成体を形
成するのにポリカーボネートの如き適切なプラスチック
材料が使用される時には、完成された自由度６のコンプ
ライアンス構造体を単一のユニットとして製造する方が
好ましいと信ぜられる。

第１６２図を再び、特に単一素子１８を参照するに、可
撓性ウェブ部分２２の反対の端における２つの平面領域
６６及び３８はここでは便宜上取付は表面として参照さ
れる事に注意されたい。複合コンプライアンス構成体を
参照する際に、単一素子の場合に使用された用語平面領
域は、ウェブの端が取付けられた各車−のコンプライア
ンス素子内の全体のコンプライアンス構造体の実質上平
面部分全参照している事を理解されたい。これ等のプレ
ート領域は力が上記ウェブの平面に垂直に特定の素子に
印加づれる時は互に関連して相対的に移動する。従って
、第１．１図に示された如き複合構造体の場合には、素
子１８の両表面中にキ・る素子１６及び２０の内部平面
領域は全体の構造と一体になっており、他方第１．２図
に示された如き、外部プレーナ領域３０及び５２は全コ
ンプライアンス構造体が全体ロボット機構に取付けられ
、組込まれ得る実際の取付けもしくは搭載用表面である
。

第２及び第３図は夫々自由度６のコンプライアンス構造
体の側面図及び第２図の線Ａ−Ａに沿って見た平面図で
ある。構造の夫々の部分に対して第２図及び第３図にお
いては第１．１図及び第１．２図と同一の参照番号が使
用されている事に注意されたい。

これ等の図面はあらゆる点で通常のものでありより明確
に構造体の対称性を示すものである。第２図は、平面領
域５２もしくは３０のいずれかがマニピュレータの腕１
０に取付けられ、どちらか一方の表面がグリッパの指１
２に取付けられる事によって全体の構造体が搭載され得
る事を明確に示している。この特徴はロボット機構に対
する装置の配向及び取付は全さらに簡単にする。もし装
置が非対称であって、誤って取付けられると、こねは重
大な動作上の問題を生ずる。

同様に第２図は各々に関連して６つの個々の素子１６．
１．８及び２０の相対的位置を明瞭に示すのに役立って
いる。２つの端（構造の対向端における）に関連して、
素子１６及び２０は夫々平面領域もしくは取付は表面３
８及び３２と６６及び６０が垂直で、各装置の個々のウ
ェブ素子２２を含む平面が同様に垂直である様に配向さ
れている事に注意逼れたい。

逆に、素子１８の平面領域３６及び６８は夫々素子１６
及び２０の平面領域３２．３Ｂ及び３０、ろ６に鋭角を
なして配向されている。第２図に示された２つの鋭角（
α及びβ）は等しい、即ち４５°である事が好ましい。

２つの角度は若干異なる様に選択され得るが、構造体は
明らかにその対称性を損う。

素子１８の個々のウェブ素子２２の平面は同様に両端素
子１６及び２０のウェブ素子の平面に対して垂直である
。

次に第４図を参照するに、本発明の原理に従って構成さ
れた自由度２の対称コンプライアンス構造体の透視図が
示されている。この図では便利のためにすべての他の図
と同一の参照番号が使用されている。すべての番号を付
された素子は第１１図の実施例の素子と正確に同様な働
きをする。咀−の差異は力の第３の成分（Ｆ　　）ｆｆ
ｉ分解する索子１８の機能が除去された点にある。第１
１図の場合と同様に第４図の装置を形成する好ましい方
法はポリカーボネイト、ナイロン等の如き材料から選択
された材料の射出成形によるものである。

第５図を参照するに、横方向力Ｆ　の印加の下にコンプ
ライアンス素子の動作を誇張した形で示す目的のために
、単一のコンプライアンス素子の拡大図が示されている
。静止時の構造は実線で示され、他方力Ｆ　が印加され
た場合に示すその変形状態の構造が破線で示されている
。他の図の場合と同一の番号が素子の同一各部分を参照
するのに使用されている。平面領域３２はにかわ等で基
体３３の表面にかたく付着されているので変形する事は
ない。

同様に、表面６８は全構造体の１部であって変形する事
は々い。素子１６は平行四辺形の様に動作する。即ち、
力Ｆ　が印加される時、２つの平面領域３２及び３８は
実質的に平行に保持されるが、互に関して図中ΔＸとし
て示された量だけ移動する。この２つの平面領域３２及
び３８はΔｙで示された量だけ互に接近する。しかしη
がら、この移動は図の幾何学形状から明らかな如く移動
分ΔＸよりもはるかに小さい。

本発明の作業モデルにおいては、コンプライアンス装置
はポリカーボネイト材料の特定名称であるゼネラル・エ
レクトリック社の登録商標であるＬｅｘａｎから製造さ
れる。２．２６８Ｋｇの横方向力の下に略１２．７Ｘ１
０’ｃｒｎの偏向（ΔＸ）が生ずる。この作業モデルに
おける、寸法Ｘは２．２２ｃｒｎで、寸法ｙは０．２０
３ｃｒｎである。個々のウェブの厚さム０．０６０９ｃ
ｒｎで全体の装置の深さは略１２７ｃｍである。

上述の如く、本発明の好まり、い形は例えば射出成形過
程によってポリカーボネートの如き、プラスチック材料
の単一ブロックから自由度３の対称性コンプライアンス
構造体を製造する事にある。

全体の構造体はポリカーボネートもしくは成る種の金属
の合成ブロックから機械的工作によって形成され、もし
くは複数個の処理段階で製造され得る事も明らかである
。

成る場合には、個々の可撓性ウェブが別個に製造され、
支持構造体中に機械工作で形成された溝中に搭載され得
る。しかしながら装置の全体的幾何学形状及び対称性は
本明細書で説明された結果を達成するのに保持されなけ
ればならない。

〔工業的応用〕

すでに詳細に説明された如く、本発明のコンプライアン
ス構造は主にロボットのマニピュレータ中において使用
するのに適しているが、この構造体はこの様な構造体に
印加され得る６つの直交力を測定する手段としてのみな
らず下に存在するロボット構造体もしくは加工片に対す
る損傷が生じ得る前に選択的に破壊する機械的フユーズ
として使用し得る手段としての働きをする。

構造体の主たる利点は構造が極めてコンパクトで、特に
一体の（単一プロセス）の成形構造体として形成される
時には製造費が極めで、安価な点にある。複合形におい
てすら装置はモジュール形をなし、基本的要素から容易
に組立てられ得る。

その低コストによって、これは容易に放棄可能であり、
最小の時間及び労力で容易に置換され得る。その固有の
幾何学的対称性によって、装置を正しくなく搭載させる
事は実質上不可能である。

さらに、ポリカーボネートの如き適切なプラスチック材
料から製造される時は、構造体は絶縁体及び非磁性体と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１，１図はロボットのマニピュレータの腕及び加工片
を把持するグリッパの指間に介在する本発明の対称的自
由度３のコンプライアンス構造体の透視図である。第１
．２図は全体の構造体を形成する互換方法を示した第１
図ρ自由度６のコンプライアンス構造体の詳細な透視図
である。か２νＩＮ第１図の自由度３のコンプライアン
ス構造体の側室面図である。第６図はコンプライアンス
構造体の第２図の線Ａ−Ａに沿ってみた平面図である。 第４図は本発明の原理に従って構成された対称性で自由
度２のコンプライアンス構造体の透視図である。第５図
は力が印加される時の素子の作用を示した全体のコンプ
ライアンス構造体の１つの１林−コンブライアンス素子
の側面図である。 １０・・・・マニピュレータの腕、１２・・・・グリッ
パの指、１４・・・・自由度３のコンプライアンス構造
体、１６．１８．２０・・・・力分解素子、２２・・・
・可撓性ウェブ、２４・・・・棒、２６・・・・検出ユ
ニットを収納するハウジング。 １４＼ ＦＩＧ、３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 構造体の両端に互に略直角をなして位置付けられた少な
   く共２個のコンプライアンス素子より成り、上記素子の
   各々は互に平行な少なく共２つの薄い可撓性ウェブで結
   合された２つの狭い間隔の平面領域を有し、上記２つの
   可撓性ウェブは上記平面領域に対し略直交しており上記
   少なく共２つの素子は各素子の上記平面領域を含む平面
   が互に直角で、各素子の可撓ウェブを含む平面が互に直
   角である様に配向されている事を特徴とする対称性多自
   由度のコンプライアンス構造体。