JPS6134957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には印加される力を少なくとも
２つの直交成分に分解するのに使用できるコンプ
ライアンス構造体に関する。本発明のコンプライ
アンス構造体はロボツトのマニピユレータとグリ
ツパとの間に設けられる場合特に有用なものであ
る。この様なロボツト・マニピユレータにおいて
は、マニピユレータ自体の極めて高価な油圧系が
マニピユ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、油圧系に対するシヨツクを軽
減するためにマニピユレータ及びグリツパ間にコ
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ユレータの構造に対して直角
に分解される事が望ましく、従つて力が直接に対
角線、非直交力として印加される時に機構はこの
様な力に抵抗する様に設計されることが好まし
い。

最も複雑なロボツトのマニピユレータではグリ
ツパの指に印加される力を正確に感知し、これに
よつて適切な制御信号がロボツト組織全体の動作
を制御する油圧制御機構にフイード・バツクし得
る事が通常必要である。

〔従来技術の説明〕

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３つの分離ｉビー
ム・モジユールより成るコンプライアンス構成体
を使用した計算機で制御されるマニピユレータ・
システムのための非対称性自由度６の力変換シス
テムを開示している。

米国特許第3948094号は力をXYZ直交系に分解
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を
開示している。

これ等の特許に開始された構造体は、Ｘ、Ｙ及
びＺ成分に力を直交分解し得るが、これ等の力は
対称でもなくゴンパクトでもない。さらに、力が
ｉビーム・ウエブの平面に垂直に素子に印加され
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。

このマニピユ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 Technical
Disclosure Bulletin、Vol.24、＃２、第1086頁の
“Sensor Arrangement for ａ Manipulator
Gripper”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ｉビーム構造体に
つい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ツパの指をロボツ
ト・マニピユレータ上に搭載するのに適した多自
由度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ツパ指に印加される力
ベクトルを任意の回転モーメントを生じない３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
技法によつ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。

印加される力を少なくとも２つの直交成分に分
解するための本発明のコンプライアンス構造体
は、一方が取付け端（たとえばロボツトのマニピ
ユレータ又はグリツパ）への取付け面である近接
して相対する平行な２つの面と該２つの面の間で
該２つの面へ直角に接続された少なくとも２つの
薄い可撓性ウエブとで１つのコンプライアンス素
子を構成し、少なくとも２つの該コンプライアン
ス素子を互いに垂直な向きで配置せしめることに
より、任意の方向の力印加されたとき各コンプラ
イアンス素子が互に直交するそれぞれ１つの方向
にのみ変形するようにしたことを特徴としてい
る。

〔好ましい実施例の説明〕 第１．１図はマニピユレータ腕１０及びグリツ
パ指１２、並びにこの間に介する本発明の自由度
３のコンプライアンス構造体１４を示している。
同様に３つの直交力ベクトルＦ_x，Ｆ_y及びＦ_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_x，Ｆ_y及びＦ_z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、装置はグリツパ指１２に印加さ
れる力ベクトルを分解するのであつて素子自体に
印加される力ベクトルを分解するのではない事を
明瞭に理解されたい。

第１．１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３つの可撓性のウエブ２
２を含む。参照番号２２はここではすべてで３つ
の個々のコンプライアンス素子中の複数の可撓的
ウエブを指示するのに使用されるが、明瞭にする
ために特にウエブの唯一つだけが参照番号２２で
示される。

Ｆ_yの如き外力がグリツパ指１２に印加される
時、コンプライアンス素子１６中の個々のウエブ
２２は屈曲する。この結果、ウエブ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_zがグリツパ指１２に印加される時には素子１
８中において、力Ｆ_xがフインガ１２に印加され
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Ｆ_x，Ｆ_y及びＦ_zのすべ
ての合成である力ベクトルＦ_v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
力を分解し、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の機
能は或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の中央ウエブ上に搭
載された３つの歪ゲージＡ，Ｂ、及びＣによつて
図示されている。これ等は通常可撓性のウエブ部
分の各々の最大点の偏向点に取付けられる通常の
フオイル歪ゲージである。この歪ゲージはブリツ
ジ回路を形成する様に電気的に接続され得る。ウ
エブの偏向はゲージ中に圧力を生じ、これはブリ
ツ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ツパの
指１２に固定された棒２４より成る。この棒はマ
ニピユ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の変位はグリツパの指に印加され
る力によるグリツ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。従つて３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に送られる。空気ギヤツプ、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。直交変位が測定さ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。

第１．２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３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、
すべての番号は第１．１図のものと同一である事
に注意されたい。第１．２図に示される如く素子
１６は基本的可撓性ウエブ・コンプライアンス素
子２２及びその一体部分をなすくさび状部分１７
を含む。同様に素子２０は一対部分を形成するく
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
なつているだけである。従つて、２つの同一素子
１６及び２０を基本素子１８と一緒に使用する事
によつて、全体的構造体は接合表面を形成する２
つの素子１６，１８上の平面領域を介して素子１
６を素子１８に取付け、接合表面を形成する平面
領域３６を介して素子２０を素子１８に取付ける
事によつて形成され得る。従つて第１２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。これ等はくさび
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は別個に製造し得、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、この事はさらに製造コストが節
減される事を示している。しかしながら、適当な
射出成形過程によつ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ツク材料が使
用される時には、完成された自由度３のコンプラ
イアンス構造体を単一のユニツトとして製造する
方が好ましいと信ぜられる。

第１．２図を再び、特に第一素子１８を参照す
るに、可撓性ウエブ部分２２の反対の端における
２つの平面領域３６及び３８はここでは便宜上取
付け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、ウエブ
の端が取付けられた各単一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
面部分を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エブの平面に垂直に
特定の素子に印加される時は互に関連して相対的
に移動する。従つて、第１．１図に示された如き
複合構造体の場合には、素子１８の両表面中にあ
る素子１６及び２０の内部平面領域は全体の構造
と一体になつており、他方第１．２図に示された
如き、外部プレーナ領域３０及び３２は全コンプ
ライアンス構造体が全体ロボツト機構に取付けら
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３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に沿つ
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３２もしくは３０のいずれかが
マニピユレータの腕１０に取付けられ、どちらか
一方の表面がグリツパの指１２に取付けられる事
によつて全体の構造体が搭載され得る事を明確に
示している。この特徴はロボツト機構に対する装
置の配向及び取付けをさらに簡単にする。もし装
置が非対称であつて、誤つて取付けられると、こ
れ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３つの個々の素
子１６，１８及び２０の相対的位置を明瞭に示す
のに役立つている。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
領域もしくは取付け表面３８及び３２と３６及び
３０が垂直で、各装置の個々のウエブ素子２２を
含む平面が同様に垂直である様に配向されている
事に注意されたい。

逆に、素子１８の平面領域３６及び３８は夫々
素子１６及び２０の平面領域３２，３８及び３
０，３６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の個々のウエブ素子２２の平面は同様
に両端素子１６及び２０のウエブ素子の平面に対
して垂直である。

次に第４図を参照するに、本発明の原理に従つ
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１．
１図の実施例の素子と正確に同様な働きをする。
唯一の差異は力の第３の成分（Ｆ_z）を分解する
素子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_x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_x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３８は全構造体の１部であつて変
形する事はない。素子１６は平行四辺形の様に動
作する。即ち、力Ｆ_x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。しかしながら、
この移動は図の機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・エレクトリツ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12.7×10^-3cmの偏向Δｘが生ずる。この作業
モデルにおける、寸法ｘは2.22cmで、寸法ｙは
0.203cmである。個々のウエブの厚さは0.0609cm
で全体の装置の深さは略1.27cmである。

上述の如く、本発明の好ましい形は例えば射出
成形過程によつてポリカーボネートの如き、プラ
スチツク材料の単一ブロツクから自由度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或る
種の金属の合成ブロツクから機械的工作によつて
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。

或る場合には、個々の可撓性ウエブが別個に製
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ツトのマニピユレータ
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３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
ボツ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て安価な点に
ある。複合形においてすら装置はモジユール形を
なし、基本的要素から容易に組立てられ得る。

その低コストによつて、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つて、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
ツ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図はロボツトのマニピユレータの腕及
び加工片を把持するグリツ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図の自由度３のコン
プライアンス構造体の詳細な透視図である。第２
図は第１図の自由度３のコンプライアンス構造体
の側立面図である。第３図はコンプライアンス構
造体の第２図の線Ａ−Ａに沿つてみた平面図であ
る。第４図は本発明の原理に従つて構成された対
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
の単一コンプライアンス素子の側面図である。 １０……マニピユレータの腕、１２……グリツ
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…
…可撓性ウエブ、２４……棒、２６……検出ユニ
ツトを収納するハウジング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 印加される力を少なくとも２つの直交成分に
   分解するためのコンプライアンス構造体であつ
   て、一方が取付け端への取付け面である近接して
   相対する平行な２つの面と該２つの面の間で該２
   つの面へ直角に接続された少なくとも２つの薄い
   可撓性ウエブとで１つのコンプライアンス素子を
   構成し、少なくとも２つの該コンプライアンス素
   子を互いに垂直な向きで配置せしめることによ
   り、任意の方向の力が印加されたとき前記各コン
   プライアンス素子が互いに直交するそれぞれ１つ
   の方向にのみ変形するようにしたことを特徴とす
   る対称性コンプライアンス構造体。