JPS61244489A - 遠隔中心コンプライアンス装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は遠隔中心コンプライアンス装置に関する。

Ｂ、開示の概要 本発明に従う、ロボットの支持腕インターフェイスを操
作装置インターフェイスにすなおに接続するための遠隔
中心コンプライアンス装置は、これ等のインターフェイ
スを相互に接続する少なく共３個の気密な弾性ベローズ
及びベローズの内部を共通に外部の可変圧力源に接続す
る接続手段を含む。コンプライアンス装置の回転及び並
進コンプライアンス（変位）は印加される圧力によって
制御される。ベローズは又排気する事も出来、ベローズ
の収縮が支持構造体と操作装置とを互にロックする。

Ｃ１従来技術 ロボット及び自動組立ての段取り作業の分野では、２つ
の部品を互にはめ合せる時もしくは工具を相補的形状の
開口と係合する時に若干のコンブライアンス（変位）を
与える事がしばしば必要になる。この必要性はロボット
の把持及び位置決め能力の公差及び位置付けられる寸法
上の公差のために生ずる。２つの不完全に整合した部材
を係合するのに過度の力を使用すると部材に損傷を与え
、組立ての段取りを台なしにしてしまう。コンプライア
ンスを与えると位置決め移動に成る程度の不正確さが生
じ、精密な位置制御を可能にする追加の感知器を与える
より通常安くなる。

しかしながら機械的な接続に一般的な柔軟性を与えると
いう意味での単純なコンプライアンスは望ましくない。

それは元の不整列よりも大きな不整合を生ずるからであ
る。例えば中ぐり穴の縁の挿入力の偶力によって、整列
していない合くぎは面取り中ぐり穴の軸から離れる様に
さらに傾斜する。米国特許第４０９８００１号、第４１
５５１６９号及び第４２７６６９７号に開示されたいわ
ゆる遠隔中心コンプライアンス装置は支持構造体、例え
ばロボットの腕を操作装置例えば把持器に相互接続する
ものである。この装置はリンクに種々の融通性を有する
、かご状の外観を有する機械的リンケージ機構である。

このリンクの柔軟性及び形状によって、コンプライアン
ス装置から離れた、位置決めさるべき部品の予定された
接触点により近く存在するコンプライアンスの中心を発
生する。

コンプライアンスの中心はこれに純粋な横方向力を加え
ると回転のない横方向並進運動だけを生じ、中心のまわ
りに純粋な回転力（モーメント）を加えると中心のまわ
りに並進運動のない回転だけを生ずる様な点である。両
方の場合共、運動は制御された復元力（剛性）によって
抵抗を受ける。上述のコンプライアンス装置のすべては
共通して、円周上に間隔を置いて配置した。傾斜リンク
を有し、各リンクは同じ遠隔の中心（必ずしもコンプラ
イアンスの中心ではない）を向いている。この様な配置
が回転コンプライアンスを与える。さらに横方向コンプ
ライアンスを与えるために追加の軸方向に延びるリンク
もしくはリンクを支持する構造体に変形可能性が与えら
れているが、この様な構造体は比較的複雑である。

上記米国特許第４０９８００１号及び第４１５５１６９
号の装置はマサチューセッツ工科大学に提出された「自
動アセンブリのための感覚フィードバックに代るコンプ
ライアンスの使用」と題するサミュエル・エイチ・ドレ
イク著の博士論文（チャールス・スターク・ドレイパ・
ラボラトリ１９７７年９月刊第Ｔ６５７号）　　（Ｓａ
ｍｕｅｌ　Ｈ。

Ｄｒａｋｅ“Ｕｓｉｎｇ　ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｉｎ
　１ｉｅｕ　ｏｆ　５ｅｎｓｏｒｙｆｅｅｄｂａｃｋ　
ｆｏｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｓｓｅｍｂｌｙ”　（
ＮｏＴ−６５７、５ｅｐｔ　１９７７　、　Ｐｕｂｌｉ
ｓｈｅｄ　ｂｙ　Ｔｈｅ　ＣｈａｒｌｅｓＳｔａｒｋ　
Ｄｒａｐｅｒ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、　Ｉｎｃ）にも
説明されている。この論文の第１３６頁及び第１３７頁
にはすり変形及び圧縮／拡張変形を生ずる厚い傾斜した
弾性素子のみを使用したより簡単な構造の装置を含む改
良を説明している。この装置でも、上述の特許の場合と
同様に種々の変位運動の剛性が使用される材料によって
制限されるという欠点を有する・異なる仕事毎にコンプ
ライアンスを変えたり、ロボットが整＠／挿入動作モー
ドにない時にコンプライアンスを除去する手段は存在し
ない。

上述の形のコンプライアンス装置に関係はないが、米国
特許第４０７８６７１号にはベローズによって連結され
た２つの管状部を使用した型のピックアップ装置を開示
している。管状部の一つは真空ヘッドもしくは膨張可能
な袋のいずれか一方に終っている（内部ピックアップ）
のために設計されている）。物体を実際に把持していな
い時には、管状部はベローズによって互にゆるく結合さ
れていて、ピックアップ・ヘッドは上方の管の軸を通る
すべての垂直面中で自由に移動する事が出来る。これは
ピックアップ・ヘッドとピックアップすべき物体とを最
初に整置するために幅広い公差動作を与えるためと云う
事が出来る。（ヘッドの型に依存して）真空もしくは圧
力が加えられる時はベローズは収縮もしくは膨張して、
物体をピックアップし、又２つの管状部を一定の相対位
置に整列させ、コンプライアンスをなくしている。

次に物体はピックアップ装置によって組立てステーショ
ンに移動し、配偶部品上に組立てられる。

この装置の目的は上述の装置と異なって、ピックアップ
装置の２つの部分を互にロックする事によって、精度を
上げるために組立て点のコンプライアンスを除去する事
にある。この装置はロック状態もしくは自由な状態のい
ずれにもない時に、不完全な整列によって生ずる過度な
力及び損傷の問題を解決している。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は全体的なコンプライアンス並びに回転及
び横方向コンプライアンスの相対値を変位する事が出来
、従って従来の遠隔中心コンプライアンス装置よりも柔
軟性及び有用性のある遠隔中心コンプライアンス装置を
与える事にある。

Ｅ０問題点を解決するための手段 本発明に従えば、支持腕インターフェイスを操作装置イ
ンターフェイスにすなおに接続し、遠隔中心における操
作装置もしくはこれによって保持される物体の運動を剛
性によって制限した遠隔中心コンプライアンス装置が与
えられる。本発明のコンプライアンス装置は支持腕イン
ターフェイス及び操作装置インターフェイスを相互接続
する少なく共３個の気密な弾性ベローズ並びにベローズ
の内部を共通に外部の可変圧力源に接続し、上述のベロ
ーズ内の気体の圧力を変化さして、コンプライアンスを
変化させる接続装置より成る。

選択的に印加される圧力を変化させる事によってベロー
ズの長さが十分変化し、支持構造体（ロボットの腕）及
び操作装置が互にロックされ、コンプライアンスが除去
される結果、操作装置及び支持腕インターフェイスの部
分は（例えば先細りにする事によって）相互に係合する
様に適合されている事が好ましい。この様なロッキング
は例えばロボットの腕を高速度で移動させる時に、一時
的にコンプライアンスを除去する事が望まれる時に有用
である。この様な移動中にわずかでもコンプライアンス
が存在すると、把持される物体もしくはコンプライアン
ス装置自体が激しい衝撃を受ける。従って互にゆるく保
持された部品がぶつかり、清浄な組立て室を汚染する屑
を発生する。

特に、支持腕インターフェイス及び操作装置はベローズ
が部分的に収縮した状態で係合される事が好ましい。こ
の場合、この様なロッキングはコンプライアンス装置を
真空源に接続する事によって達成される。コンプライア
ンスを使用して最大の融通性を与えるためには装置に可
変圧力源、真空源及び可変圧力源もしくは真空源を接続
装置を接続装置に選択的に接続するスイッチ弁を与える
事が好ましい。

本発明に従うコンプライアンス装置の各ベローズは独立
に共通の圧力源に接続出来るとはいえ、接続装置は、ベ
ローズの内部を相互接続するダクト及び該ダクトを外部
の可変圧力源に接続する様に適合されたコネクタを含む
事が好ましい。特に支持腕インターフェイス及び操作装
置インターフェイスはベローズの夫々の端が固定される
板より成る事が好ましい。操作装置を取巻く有溝フラン
ジが操作装置インターフェイス板と協働してベローズの
内部を相互接続するダクトを画定する。

上述の２つの板構造体によって、操作装置は都合よく板
間にモータを収納し、板の外部に出力機構を配置する事
が出来る。この様なモータは流体もしくは電気のいずれ
かで駆動出来る。

最後に、ベローズはひだの付いた弾性金属で円筒状をな
し、それ等の軸は球の異なる半径上に存在し、球の中心
は上述のコンプライアンスの遠隔中心の近傍に存在する
事が好ましい。

Ｆ、実施例 第１図にはアダプタ即ちロボット・インターフェイス装
置１を除き図示されていないロボット支持腕が操作装置
インターフェイス板にすなおに接続された遠隔中心コン
プライアンス装置が示されている。操作装置は主に輪郭
だけが示されているモータ１２、駆動軸１３、歯車箱１
４、ラック−ピニオン駆動装置１５及び可動あご部１６
より成る把持装置である。把持装置の内部の詳細は第３
図及び第４図に示されているが、今のところコンプライ
アンス装置の説明とは関係ない。

事実、インターフェイス板１１はモータ１２のハウジン
グの下部を形成し、図示された様にモータの軸１３を軸
受けによって支持している。板１１はロボット・インタ
ーフェイス装置１上に全把持装置を取付けるのに使用さ
れる。この全把持装置は固定リング３によって取囲まれ
た中央板２を含む。板２をロボットの腕（図示されず）
に接続するのにボルト４が与えられる。２つのインター
フェイス１及び１１は円筒形の３つの弾性金属ベローズ
２０によって接続されている。その一つがより詳細°に
第５図及び第６図に示されるベローズは各端で夫々リン
グ３及び板１１に接続している。

これ等はコンブライス装置の垂直軸に成る角度をなして
設定され、第１図に示された如くコンプライアンスの遠
隔中心Ｃに向っている。

ベローズ２ｏはリング３及び板１１にボルトで結合され
た時に、第５図及び第６図に示されている如く下端の２
つの中ぐり穴を除いて気密にされる。これ等の中ぐり穴
は板１１中のさらに２つの中ぐり穴（図示されず）と整
列し、インターフェイス板１１の下の表面と歯車箱１４
のハウジングを取巻く、上向きになった部分を有するフ
ラツジ２３によって形成された環状ダクト２２と連絡し
ている。

ダクト２２はコネクタ２４に達し、コネクタ２４はダク
ト２２をホース２５に接続している。第１図に概略的に
示された様に、ホース２５は２方向スイツチ弁２６によ
って真空ポンプ２７もしくは圧力管２９からの圧力を制
御する制御弁２８のどちらかに接続される。

ロボット・インターフェイス装置１がコンプライアンス
を必要とする動作を遂行する時に、は、スイッチ弁２６
は制御弁２８を介してホース２５を圧力管２９に接続す
る。もし弁が雰囲気の圧力よりも高い圧力を与える様に
設定されているならば、ベローズ２０は内部圧が高くな
り、膨張する。

ベローズの幾何学的配置は第１図のコンプライアンスの
遠隔中心を画定する様になっている。ベローズの内圧が
高くない雰囲気圧状態の時は１回転コンプライアンス（
矢印３０）及び横方向コンプライアンス（矢印３１）は
最大になり、これ等のコンプライアンスはベローズを構
成する金属の弾性によって主に決定される。ベローズが
リン−青銅から構成された図示の実施例では、最大コン
プライアンスは横方向に上１゜０ｗｏで回転方向に上２
゜０度である。雰囲気圧にある時の基本的剛性（横方向
及び回転方向）はベローズの材質及び設計によって決定
される。ベローズ内の圧力を増大すると、剛性も増大す
る。例示のコンプライアンス装置は約３．５２ｋｇ／−
の圧力に応答して約２５％変化する。明らかに、中間の
圧力は中間の値の剛性を生ずる。横方向剛性の回転方向
剛性に対する比は圧力によって変化し、回転方向剛性は
横方向剛性よりも早く増大する事が発見されている。こ
の事は例えばはめ合いにされる部品の接点がコンプライ
アンスの中心にない場合の様に、異なる型の組立て作業
の場合にとって特に有用である。

ロケーション間、例えば部品の貯蔵個所から組立てステ
ージ目ンに移動する時は、特に清潔な室環境ではコンプ
ライアンスを除去する事が望まれる。コンプライアンス
の除去はスイッチ弁２６を介してベローズ２０を真空ポ
ンプ２７に接続する事によって達成される。ベローズは
収縮し、モータ・キャップ板３５はロボット腕インター
フェイスのリング３の下側に締付けられる。このロッキ
ングは２つの部品に相互に係合する先細りの表面３６及
び３７を与える事によって助けられる。

成る応用の場合には、把持器の移動及び動作の両方の場
合にコンプライアンス装置からコンプライアンスを全く
除去する事が望まれる。この目的のために、リング３中
には３つのさら穴ボルト開孔が与えられる。その一つが
第４図の３８で示されている。これに対応して板３５中
に先細りの中ぐり穴３９を与える事によって把持装置及
びロボット（支持腕）インターフェイス装置１は互に固
く締付けられ、相対運動が防止される。

ベローズの構造は第５図及び第６図に詳細に示されてい
る。ベローズの外側の材料はひだ状に形成されているリ
ン−青銅管５２である。この管５２の上端は取付ボルト
５５を受入れるためのねじ切りされた中ぐり穴を有する
環状黄銅プラグ５３によって閉ざされている。管５２の
対向端はリング状のキャップ及びボルト５１のまわりの
挿入物を含み、上述の如く中ぐり穴５０を含む。

第２、第３及び第４図に示された把持機構の詳細な構造
及び動作は厳密に云って把持器を取付けるためのコンプ
ライアンス装置の動作に関連するものではないが、完全
を期するために簡単に説明する。

把持装置は図示されていない高圧空気源によって駆動さ
れる羽根型のモータであるモータ１２によって駆動され
る。コネクタ６０（第２図、第３図）からモータ１２に
導入した高圧の空気は偏心ハウジング中で回転する８枚
−組の羽根６１上に指向される。羽根６１はモータ１２
の軸１３の上方部分中に形成された溝６２内で制限され
た半径方向の運動の自由度を有する。出力軸１３は減速
比３６：１を有する２段エビサイクル歯車箱である歯車
箱１４の入力に接続されている。歯車箱の出力軸６３は
ピニオン６４を支持し、ピニオン６４はその両側の２つ
の平行に隔ったラック６５の歯とかみ合っている。第４
図には唯一つのラック６５が示されている。各ラックは
可動キャリッジ６６の一部として線形運動をなす様に取
付けられている。可動キャリッジ６６は夫々の把持用あ
ご部１６に接続されている。従ってあご部１６はモータ
１２の動作によって互に近づくか離れる様に移動出来る
。

あご部１６が近接して部品を把持する時に加えられる把
持力は空気の圧力の制御によって制御出来、移動速度は
出力コネクタ６７からの排気量を抑制する事によって減
少出来る。仮に空気の圧力が失われても、軽い部品に対
する把持力は保持される。それは歯車箱の減速比が大き
く、羽根モータがあご部１６の運動に対して十分な抵抗
を示すからである。最後にラックの一方に接続したポテ
ンショメータ６８を使用して閉ループ位置決め制御を行
う事が出来る。

Ｇ６発明の効果 本発明に従い、全体的なコンプライアンス並びに回転及
び横方向コンプライアンスの相対値を変化する事が出来
、従って従来の遠隔中心コンプライアンス装置よりも柔
軟性及び可用性のある遠隔中心コンプライアンス装置が
与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う遠隔中心コンプライアンス装置の
簡単な部分的断面図である。第２図は第１図のコンプラ
イアンス装置の側面図である。第３図は第２図の線Ａ−
Ａに沿って見た断面図である。第４図は第２図の線Ｂ−
Ｂに沿って見た詳細な断面図である。第５図は第２図、
第３図及び第４図のコンプライアンス装置に使用される
ベローズの一つの断面図である。第６図は第５図に示さ
れたベローズの端面図である。 １・・・・ロボット・インタフェース装置、２・・・・
中央板、３・・・・固定リング、４・・・・ボルト、１
２・・・・モータ、１３・・・・駆動軸、１４・・・・
歯車箱。 １５・・・・ラック−ピニオン装置、１６・・・・可動
あご部、２０・・・・ベローズ、Ｃ・・・・コンプライ
アンスの遠隔中心、２２・・・・環状ダクト、２３・・
・・フランジ、２４・・・・コネクタ、２５・・・・ホ
ース、２６・・・・スイッチ弁、２７・・・・真空ポン
プ、２８・・・・制御弁、２９・・・・圧力管、３０・
・・・回転コンプライアンス、３１・・・・横方向コン
プライアンス、３５・・・・モータ・キャップ板。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 支持腕インターフェイスを操作装置インターフェイスに
   すなおに接続し、遠隔中心における操作装置もしくはこ
   れに保持される物体の運動を剛性によつて制限した遠隔
   中心コンプライアンス装置であつて、 （ａ）支持腕インターフェイス及び操作装置インターフ
   ェイスを相互接続する少なく共３個の気密な弾性ベロー
   ズと、 （ｂ）上記ベローズの内部を共通に外部の可変圧力源に
   接続し、上記ベローズ内の気体の圧力を変化させて、コ
   ンプライアンスを変化させる接続装置とより成る、 遠隔中心コンプライアンス装置。