JPS58132486A - 力測定式把捉装置 - 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】 この発明は、接触板とその支持部材との間に介装された
関節構造体の力測定式把捉装置を開示する。

マニピュレータは人間の手に代って成る種の作業を実施
する機械装置である。

マニピュレータは、例えば、囲い内に含まれた放射性雰
囲気に対し人間を保護するのに用いられる。保護された
壁の背後において囲いの外＠に配置され友主マニピュレ
ータ上の作東者の行う動作が囲い内に配置されたマニピ
ュレータによって再現される。

マニピュレータの別の使用例として、例えば、反復作業
に対する労働の代理を行なう。

しかし、いずれの使用目的においても、マニピュレータ
の末端において得られる精度は一万においてその機械的
構造の不完全さにより、および他方において主マニピュ
レータが使業者によって制御されるとき、使用者自身の
能力によって制約される。

例えば、一つの内孔内にビンを導入するために１それ社
内孔の軸線内に精密に動かされなければならない。もし
この状態が適合されなければ、内孔・の唾或はこれに導
入されるビンを損なう危険がある。しかし、想起される
ように、マニピュレータの精度は、内孔と、挿入される
部材と満足できる整合を得るには適当していない。

この困難さに打ち勝つ丸めに、力測定式装置が構成され
た。このような装置は取扱われる物品に作用する力の測
定を可能にしかつ実施される作業の関数として予め定め
た所望値と比較され、かつマニピュレータの位置が欄定
力と所要値との間の差異に対して修正される。例えば、
内孔内にビンを挿入する既述の場合に、内孔の軸線と垂
直な２つの軸線に沿っては力がゼロでなければならない
。

内孔の軸線に沿った力はゼロではないが、内孔またけビ
ンの表面状態、もしくは２つの部材の締め状態などの極
々の因子に関して予め定めた値より　　　　　′も低く
保たれなければならない。故に挿入される部材を受ける
マニピュレータは、内孔の軸線と垂直な２つの方向に測
られた力がゼロでありかっこの軸線に沿った力が所要値
よりも小さくなるまで再位置決めされる。その時濾から
挿入動作が遂行される。もし任意の時点で力のうちの１
つが所要値を超えれば、挿入動作は停止する。マニピュ
レータは舛位置決めされ、この動作が反復される。

例えば、従来装置として開示され友ものは、その主軸線
が十字金具に結合された挾み具で、十字金Ａの末熾はマ
ニピュレータに結合され九円形部材によってトラツープ
されている。十字金具の末端は力検出器として作用する
変形ＯＴｉｇな球体によって形成される。挾み具に作用
した力はポールを変形する。この変形から、力に関する
情報が引出される０次にこのような情報はマニピュレー
タの位置を変えるのに用いられる。米国特許明細書第３
９２１４５５号（Ｈｉｌｌ　、他）は、この種の把捉装
置を開示する。この装置は、平行リンク５６ないし６゜
の末端に＊り付けられたあと２９および３ｏをもつ挾み
具を含む、リンクのうちの２つは、可逆モータ２０によ
って２つの回転方向に駆動されるように構成されたｔＩ
ＩＴＬ５０および５２に結合される。

あご、リンクおよび歯車５０および５２によって形成さ
れた組立体は支持部材２２に取シ付けられる。リング１
８がスクリュ２４によって支持部材に取り付けられる。

−万においてリング１８に、および他方においてマニピ
ュレータ８に＊り付けられた支持部材１０に取り付けら
れた多数の弾性継手部材２６によってこれら２つの部材
間を弾性結合させる。例えば、一実施例において、この
ような装置Ｆｉ４つの要素２５道ないし２５４を含み、
これらには光伝導孔が造られている。これらの孔の成る
本のは、一方において光源、および他方において光検出
装置を含む。支持部材１０に結合されたスピンドル８４
が！シュ１８に対する部材１０の相対運動を要素２５に
伝達する。これら通路を通過する光の駿は、作用する力
およびトルクの関数である。

しかし、この種の力測定式把捉装置は多くの不利点をも
つ。

把掴中心、即ちその勉学的中心から等距離にある２つの
あご間に位置する点は弾性継手装置から遠く離れている
。この結果、継手装置は挾み其の重さと取扱い物品の重
さの和を感知するが、物品に作用する力のみを感知する
ことが継手装置には望ましい。

第２の不利点は、弾性継手装置は組み合わされた情報項
目を送出するから、６つの直交軸線に沿って物品に作用
する力およびトルクは複雑な計算をせずに直接に得るこ
とができない。挾み具はそれらが含む自由度によって多
種の位置に配向される。力検出装９１によって送出され
た情報の翻訳は、瞬間ととに挾み具の向きを考慮に入れ
なければならないから、極めてｇ！雑な計算が必要であ
る。

第６の不利点は、継手装置ｍは取扱い物品を動かすこと
ができない剛体構造を形成し、従って成る程度の柔軟さ
および成る程度の融通性をもつことができないから、こ
の装置は成る限られた使用目的にのみ適用される。

ｉ＆後に、継手装置によって送出された情報は、物品が
締め付けられたとき棒部材３２およびピニオン６４によ
って作用されるトルクは支持部材２２に伝達されるから
、挾み具の締付は力によって影響を受ける。このトルク
は、弾性継手装置によって釣り合わされる。ゆえに、そ
れ自身決定することが困難である締付力を考慮に入れず
に物品に作用する外力を直接に引き出すことは不可能で
ある。

この発明はこれらの不利点を避ける力測定式把捉装置に
関し、さらに詳しくは複雑な処理を伴わずに各自由度に
従って物品に作用する力の強さを直接に決定できる情報
の送出を正確に実施できる装置を提供するにある。物品
は６つの自由度、即ち６つの回転自由度および３つのプ
リズム自由度に従って移動される。回転自由度は旋回の
形１ｍをと夛、またプリズム自由度は並進運動の形態を
とる。以下の説明において、「自由度」という表現は、
並進或は回転運動の意味をもつ。

さらに詳しくは、この発明は、取扱い物品を挾み細める
ために移動される２つのフィンガを含み、各フィンガは
支持部材、取扱い物品と接触する接触板、若干数の自由
度を含みかつ接触板と支持部材との藺に介装された関節
構造体、および各フィンガの自由度それぞれと組み合い
かつ自由度に従って実施される運動と独自に関連した情
報を送出する移動層測定ピックアップを含む力測定式把
捉装置を提供する。

ゆえに、この発明による把捉装置は、置設、挿入へ引出
し等のような任意の動作を実施可能にする。可逆的伝導
性をもつマニピュレータに適用できる。送出される変形
情報が一般に用いられかつ解放される。これは、自由度
と組み合わされた各ピックアップによって送出される情
報は関節構造体のこのような自由度による特有の変形の
関数であることを意味する。ゆえにこのような情報は、
それ以上の別の処理を賛しない。さらに、この力測定式
装置は処理物品に極力接近して配置され、これはその感
度を薦める。

６つの自由度を含む把捉装置は望ましく＊扱い物品に作
用する力およびトルクは６つの直交軸内に分配されるが
、実際の場合、少い数の自由度を利用することができる
。これによって構造が簡易化されるが、その動作は満足
できかつ多数の通常の動作を実施することができる。

ゆえに、この発明は、主対称軸およびこの主対称軸と平
行を保ちつつ移動する２つのフィンガを含む力測定式把
捉装置を提供する。２つのフィンガの軸線によって形成
される平面は挾み真の対称平面と称する。関節構造体は
６つの自由度をもち、これは接触板から始動し、各フィ
ンガの軸ｍまゎりの回転、挾み具の平面と垂直な軸線に
沿った並進運動、挾み具の平面内に位置しかつその主軸
と垂直な軸線まわりの回転である。

別の実施例において、この発明にょる把捉装置は第４の
自由度を含み、これは、挾み具の主軸線と平行で、かつ
挾み其の平面と垂直な軸線の並進運動と挾み具の主軸線
と垂直な軸線まわりの回転との間に位置する軸線に沿っ
た並進運動によって形成される。

これらの２つの特定実施例において、軸線Ｙに沿った並
進運動は、角ΔＺと線形に組み合わされる。この並進運
動を雫放するためには、１ｉｔＬ・Δをピックアップに
よって供給された信号から減じ、ここにＬは把握中心Ｃ
と挾み具の平面内に位置しかつその主軸と垂直な軸線と
の間の距離である（把握中心は取扱い物品の中心によっ
て形成される）。

各自由度と関連する移動測定式ビック−ｒツゾは導伝性
ゴムの変形に関連する情報を送出する導伝性ツムによっ
て形成されることが好適である。

また、２つの導伝性ゴムは各自由度と組み合わされ、２
つのシムは自由度の移動に関して各側に配設されて差異
信号を供給する。

この発明の他の態様および利点は、図面を参照しつつ、
この発明を限定するものではない実施例についての以下
の説明に述べる。

第１図は物品を挾み締める平行なあごをもつ挾み具の説
明図で、この場合物品はあご６間のスクリュー４である
。はさみ道具はマニピュレータ８の末端に配設され、該
マニピュレータは、例えば矢印９で示す方向に回転する
ように成る数の方向にはさみ道具を移動させることがで
きる。

しかし、はさみ具２はスクリュー４に作用する力を測定
する装置をもたないという事実は、成る種の作業が実施
できないことを意味する。この事実は、スクリュー４が
操作できる精度はマニピュレータ８の精度および挾み具
の精度によって制限されるということである。これはね
じ画形成に対しスクリュー４の精密な位置決めを必要と
する成る操作を遂行するためにこのような情報に対し挾
み具を再位置決めするためにスクリューに作用する力が
測定されなければならない理由である。第２図に示すこ
の発明による把捉装置は、この成果を達成せしめる。こ
の把捉装置は、扱うべき物品を挾み締めるように移動で
きる２つのフィンガ１４ａおよび１４ｂから構成される
。各フィンガは剛体の支持部材１６から成り、線支持部
材は電動機によって移動でき、および剛体支持部材１６
が互に接近されるとき扱い物品と接触する接触板１８か
ら成る。数個の自由度をもつ関節構造体２０が支持部材
１６とフィンガの接触板１８との間に配置される。移動
量測定ピックアップが３つの自由度のそれぞれと組み合
わされる。各ピックアップは、この自由度に従って関節
構ｍｑＩＦ−の運動と独占的に組み合わされた情報を送
出する。

一つの自由度はスライドによって遂行される並進運動に
より、或は回転運動によって実施される。

いずれの場合にせよ、並進或は回転運動の振幅は挾み具
の動作上への影譬を可能歳小にするように蛾大可能８！
度に制限される。

軸線Ｚは挾み具の主軸線である。軸ＩＩＺ上に配置され
た点Ｃは、把握中心を示す。この点は谷接触板の幾何学
的中心のレベルにおいて２つの接触板１８間に位置する
。

関節構造体２０は、６個までの自由度、即ち６つの回転
自由度および３つの並進自由度を含むことができる。こ
の結果、６つの標準直交軸線に従って取扱い物品に作用
する力および回転力を完全に分解できる。

しかし、挿入、引出し、ねじ動作、置設動作のような動
作には実際の場合、このような力をそれ程完全に測定す
る必要はない。例えば３自由度のように小数の自由度を
もって動作させることが可能である。このような装置の
一実施伺を第３図に斜視図で示す。この装置の詳細構造
を第４図ないし第６図に示す。

第３図において、参照文字２は挾み具の主軸線である。

この挾み具は軸線２と平行を保ち乍ら運動する２つのフ
ィンガを含む、唯一つのフィンガのみについて述べるが
、２つのフィンガは対称であり、かつ以下の説明はこれ
らフィンガのそれぞれに当て嵌ることが理解されるであ
ろう。

各フィンガに対し、６直交面ＸＹＺが定められる。フィ
ンガ１２＆に対して６直文面は添字ａを付して示す、同
様に、フィンガ１２ｂに対しては３直文面は添字すを付
して示す。軸線Ｚａおよびｚｂは軸線２と平行である。

これらは挾み具Ｐの平面を決める。軸線Ｘａおよびｘｂ
Ｆｉ挾み具Ｐの平面内に位置しかつ軸線Ｚに垂直である
。軸線ＹａおよびＹｂは挾み具の平面Ｐに垂直である。

扱い物品は２つのフィンガ間に配置される。物品は２つ
の接触板１８によって挾み締められる。

関節構造体２０は板１８と軸＠Ｚａの剛体支持部材（図
示せず）間に介装される。同様にして、第２フインガの
支持部材は軸線ｚｂをもつ。

関節構造体２０は３つの自由度を含む。これらは２つの
回転と１つの並進運動である。接触板１８から始まる第
１回転は、軸線Ｚと平行な軸線２！まわりの回転である
。

軸線Ｚ４およびｚ３は、接触板１８に何等の力も加わら
ないときは平面Ｐ内に位置する。力が作用されると、こ
れらの軸線は変位し、かつこの平面内に留まり、或は特
定の場合によってはこの平面内には留まらない。しかし
、関節構造体の変形は、すべての場合僅かであり、軸線
Ｚ１　ｔ　Ｚ＊は広義に云って軸ｌＩ！ｉ！Ｚと平行で
ある。

第２自由度は、力が接触板１８に作用しないとき平面Ｐ
と垂直な軸１！Ｙｔに沿った並進運動である。

しかし、軸線Ｚ１　＃　ｚ鵞まわりの回転自由度の程度
に関する註記事項は等しく適用する。従って、挾み具の
動作中、軸線Ｙ１およびＹ、は、それぞれ平面Ｐと実質
的に垂直に留まる。

第３自由度は、挾み具の平面Ｐ内に位置しかつ軸線ｚと
垂直である軸線Ｘａおよびｘｂそれぞれのまわりの回転
である。前記の２つの自由度とは異り、この自由度がそ
のまわりに実施される軸線は一定でありこれは軸線回転
が固定支持部と剛接されているから接触板１８上の作用
力の如何に拘らない。

測定ピックアップは各自由度と組み合わされる。

上述の実施例において、ピックアップは自由度の移動の
各個に配設された伝導性のツムである。

第４図は、この発明による把捉装置に用いられる二つフ
ィンガの一つの斜視図である。このフィンガは固定オリ
フィス２６を含む剛体支持部材２２によって形成され、
該オリフィスを介して支持部材２２がマニピュレータの
末端に取り付けられる。

マニピュレータ（図示せず）は支持部材２２を軸線２と
平行移動するように指示し、これによって取扱い物品は
挾み締め可能となる。ひとたび物品が２つの板１８（第
６図参照）間で挾み締められると、所要の動作が実施で
きる。

６つの自、白変をもつ関節構造体２０は、第５図に示す
ように、剛体支持部材２２に結合された枢軸２６まわり
に回転するように取り付けられ友軸受２４によって形成
される。この軸受け、任意所望形式の軸受が用いられる
。開示実施例において、２つの傾斜要素２Ｂによって形
成された軸受である。平坦なフィンが６０が軸受２４の
外側に堆り付けられる。剛体支持部材２２に結合された
２つの壁３４によって形成されたフォーク内側のフィン
ガ６０の各側に２つのツム６２が配置される。

よってこれら２つの！ムは軸線Ｘまわりの軸受２４の回
転を制限する。トルクが軸受２４に作用されると、この
トルクはフィンガ３０を経てツム３２に伝達される。一
方のゴムは圧縮され、他方のゴムは伸張される。各ゴム
は、その変形に応じた情報音提供する。この結果、ゴム
３２に力を作用させた２つの情報種目が得られ、これに
よシ軸受２４に作用されたトルクが演縄される。これに
使用するのに適したピックアップが「触感ピックアップ
」として１９７５年１１月５日付、フランス特許第２３
３０９９６号に開示されている。軸受２４の回転は、軸
線ＸＫＥって取扱われた物品に作用されたトルクの関数
である。しかし、いずれの場合も、それは１０°に制限
される。

矩形のフランジ３６が軸受２４に結合される。

例えばＩ−ルスライＰのような２つの垂直方向スライド
３８が７ランジ３６に設けられる。スライド３８は、フ
ランジ６６に対し可動テーブル４０の垂直移動を許す、
これは垂直軸線Ｙ内のプリズム形自由度を形成する。２
つのピックアップゴム４２が可動チーゾル４０の上方お
よび下方に配置される。これらのゴムは可動テーブルと
フランジ６６０２つの張出し部分４４との間に詰められ
る。

チーノル４の移動距離は短く、例えば６ｍに制限サレる
。２つのゴム４２は、可動チーノル４０の移動と関連し
従って可動テーブルの垂直軸線ＶＣ沿って作用した力と
関連した差異信号を送出する。

故にこれによって取扱われる物品上に作用した力の垂直
成分が引出される。しかし、後述の説明から明らかなよ
うに、この並進運動の解除は完全ではない、しかし、こ
の不利点ｔ−Ｓ決することは容易である。

この装置は、第６自由度、即ち軸線Ｚ１まわりの回転を
含む。この回転は接触板１８を可動チーノル４０に対し
て回転させる２つの子スピンドル４６によって実施され
る。２つのピックアップゴム４８が軸線ｚｌの上方およ
び下方において、可動テーブル４０と板１８との間に配
置される。第４図においては下方ゴム４８のみを示す。

板１８が軸！ｌ！Ｚ　ｓまわりに回転すると、２つのゴ
ムは反対に変形する。即ち一方は圧縮、他方は伸長され
る。既述の自由度の場合のように、２つのゴム４８は軸
線ｚ１まわ妙の接触板１８の回転と直接に関連し九差異
信号を発する。

上記実施例において、注意すべきことは軸線ｚｌまわり
の接触板１８の回転角度によって、２つのスライド６８
によって与えられた軸、１ｉＹ４ｃ溢つ九並進運動が組
み合わされることである。これは、軸線Ｚｘｔわりの板
１８の回転が、この回転中に、物品Ｃの把握中心、即ち
取扱い物品の中心は純粋にかつ単純に回転するだけであ
るから一定に維持されるために７ランジ３６に対する可
動チークル４０の移動を生ずることを意味する。ゆえに
、可動板の回転は７ランー）６６に対する可動チーノル
４０の偏位を生ぜしめ、この偏位は板１Ｂの回転角度の
関数、および把握中心Ｃと軸Ｍ　Ｚｓとの間の距離の関
数である。さらに鯵しくは、本し軸線ｚ１まわシの接触
板１８の回転Δψとしこの条件を適用すれば、 △Ｙ ｔａｎΔψ＝］７ ここにＬは把握中心と軸＃Ｚｔとの間の距離、しかし、
Δψは低い（１０°以下）から、ΔＹはＬΔＶ等しい。

ゆえにＹに沿った並進運動は容易に解放される。

このために％Ｌ・Δψをピックアップ４２によって送出
された信号から差し引けば十分である。このような減算
は、容易に構成できる電子装置によって極めて簡単に実
施できるから、それについては記述しない。

第７図は、この発明の別の実施例を示し、この実施例は
１ｓ６−ない上第６’ＷＪＷＣ示した実施例よりも１つ
多い自由度をもつ。この追加自由度は、挾み具の主軸線
と平行な軸線Ｚａ’に沿った並進運動である。この運動
は＃！７図に図式に示す２つの水平スライ￥６０によっ
て実施される。

これらの水平スライドは、軸線Ｘまわりの回転と、軸線
ＹＫＥつた並進運動との間に配置される。

軸ＭＹＫ沿った並進運動に関して述べたことは、軸線Ｚ
Ｋ沿った並進運動に適用する。さらに詳しくは、この移
動距離は５ｍ以下である。可動チーゾルの両側に配置さ
れた導伝性ゴムはテーブルの移動、従って軸線２の方向
に、取扱い物品上に作用される力と関連し友差異信号を
送出する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、力の調定を伴わない把捉部材の図、第２図は
、この発明による力測定式把捉部材の図、第３図は、３
つの自由度を含む力測定式把捉部材の一実施例の斜視図
、第４図ないし第６図は、第１図に示す６つの自由度を
含む一実施の斜視図および２つの断面図をそれぞれ示し
、第７図は、４つの自由度を含む変形実施例の解説図を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、取扱い物品を把捉するために移動される２つのフィ
   ンガを含む種類の、マニピュレータアームの末趨に填り
   付けられた力測定式把捉装置において、′？！ｒフィン
   ガが支持部材、取扱い物品と接触する接触板、若干数の
   自由度をもちかつ接触板と支持部材との間に介装された
   関節構造体、および各フィンガの各自由度と関連し九移
   ｓｕｍ定式ピックアップを含み、前記ピックアップが当
   咳自由度に従って実施される運動に％有の情報を送出す
   る力測定式把捉装置。 ｚ　主対称軸線Ｚおよび軸線２と平行に離れて配置され
   た２つのフィンが軸線Ｚａ、Ｚｂを含み、平行軸線Ｚａ
   、Ｚｂによって形成された平面が挾み具千面Ｐと称せら
   れ、関節構造体が６つの自由度、即ち接触板から動き始
   め、挾み真平面Ｐ内に位置する軸線まわりの回転、平面
   Ｐと垂直な軸線に沿った並進運動、平面Ｐ内に位置しか
   つ挾み具の主軸線２と垂直な軸線まわりの回転をもつ特
   許請求の範囲第１現記−の力測定式把捉装置。 ６、第４自由度をさらに含み、該自由良が主軸線と平行
   にして、かつ平面Ｐと垂直な軸線に溜った並進運動と平
   面Ｐ内に位置しかつ挾み其の主軸線と垂直な軸線まわり
   の回転との間に位置する軸線に沿った並進運動によって
   形成される特許請求の範囲第２項記載の力測定式把捉装
   置。 ４、各自由度と関連し九ピックアップが導伝性ゴムによ
   って形成され、各ゴムがそれぞれの変形と関連した情報
   を送出する特許請求の範囲第１項記載の力測定式把捉装
   置。 ５．２つのピックアップツムが各自由晩と関連し、咳２
   つのゴムが自由度の変位に関して反対に機能し７かつ差
   異信号を供給する特許請求の範囲第４項記載の力測定式
   把捉装置。 ６　取扱い組立体に結合され九剛体支持部材、支持部材
   に結合されたスピンドル、スピンドル上で回転するよう
   に取り付けられた軸受、軸受に結合され九７ランジ、７
   ランジに対し並進運動させられるテーブル、および取扱
   い物品と接触されかつ可動テーブルに対し一つの軸線ま
   わりに回転可能な接触板を含む特許請求の範囲第１項記
   載の力測定式把捉装置。 Ｚ　第４自由度が、主軸線Ｚと平行でかつ可動テーブル
   と７ランジとの間に配置された軸線をもつ２つのスライ
   ドによって提供される特許請求の範囲第６鷹記載の力測
   定式把捉装置。 ａ　平面Ｐに垂直な軸線或は主軸線Ｚと平行な軸線に沿
   った並進運動度をもつ関連ザムが可動チーゾルの各側に
   配置される特許請求の範囲第６項記載の力１１１１Ｉ定
   式把捉装置。 ９　挾み其の平面Ｐ内に位置する軸線まわシに回転自由
   度を有するゴムが接触板と可動チークルとの間に配置さ
   れる特許請求の範囲第６項記載の力測定式把捉装置。 １０、平坦状フィンガが平面Ｐ内に位置しかつ挾み具の
   主軸ｌａｚに垂直な軸線まわりに回転を実施する軸受に
   取り付けられる特許請求の範囲第６項記載の力測定式把
   捉装置。 １を並進運動が、ピックアップによって供給された信号
   からＬ・Δを減することによって平面Ｐと垂直な軸線の
   滑りによって解放され、ここにＬは把掘中心と挾み具の
   平面Ｐ内に位置する軸線との間の距離である特許請求の
   範囲第２ｊＪ記載の力測定式把捉装置。