JPS6157159B2 - - Google Patents

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。

マニピユレータは人間の手に代つて或る種の作
業を実施する機械装置である。

マニピユレータは、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側に配
置された主マニピユレータ上の作業者の行う動作
が囲い内に配置されたマニピユレータによつて再
現される。

マニピユ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
ユレータの末端において得られる精度は一方にお
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ユレータが使業者によつて制
御されるとき、使用者自身の能力によつて制約さ
れる。

例えば、一つの内孔内にピンを導入するため
に、それは内孔の軸線内に精密に動かされなけれ
ばなならい。もしこの状態が適合されなければ、
内孔の壁或はこれに導入されるピンを損なう危険
がある。しかし、想起されるように、マニピユレ
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ために、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
マニピユレータの位置が測定力と所要値との間の
差異に対して修正される。例えば、内孔内にピン
を挿入する既述の場合にに、内孔の軸線と垂直な
２つの軸線に沿つては力はゼロでなければならな
い。内孔の軸線に沿つた力はゼロではないが、内
孔またはピンの表面状態、もしくは２つの部材の
締め状態などの種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ユレータは、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
つこの軸線に沿つた力が所要値よりも小さくなる
まで再位置決めされる。その時点から挿入動作が
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
ユレータは再位置決めされ、この動作が反復され
る。

例えば、従来装置として開示されたものは、そ
の主軸線が十字金具に結合された挾み具で、十字
金具の末端はマニピユレータに結合された円形部
材によつてトラツプされている。十字金具の末端
は力検出器として作用する変形可能な球体によつ
て形成される。挾み具に作用した力はボールを変
形する。この変形から、力に関する情報が引出さ
れる。次にこのような情報はマニピユレータの位
置を変えるのに用いられる。米国特許明細書第
3921455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
０の末端に取り付けられたあご２９および３０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によつて２つの回転方向に駆動される
ように構成された歯車５０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によつ
て形成された組立体は支持部材２２に取り付けら
れる。リング１８がスクリユ２４によつて支持部
材に取り付けられる。一方においてリング１８
に、および他方においてマニピユレータ８に取り
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によつてこれら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
のような装置は４つの要素２５_１ないし２５_４を
含み、これらには光伝導孔が造られている。これ
らの孔の或るものは、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がブシユ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量は、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。

把握中心、即ちその幾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、継手装置は挾み具の
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、３つの直交軸線に沿
つ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つて多種の位置に配向され
る。力検出装置によつて送出された情報の翻訳
は、瞬間ごとに挾み具の向きを考慮に入れなけれ
ばならないから、極めて複雑な計算が必要であ
る。

第３の不利点は、継手装置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、従つて或る
程度の柔軟さおよび或る程度の融通性をもつこと
ができないから、この装置は或る限られた使用目
的にのみ適用される。

最後に、継手装置によつ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３４によつて作用されるトルクは支持部材２
２に伝達されるから、挾み具の締付け力によつて
影響を受ける。このトルクは、弾性継手装置によ
つて釣り合わされる。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
ずに各自由度に従つ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３つの回転自由度および３つのプリズム自由度
に従つて移動される。回転自由度は旋回の形態を
とり、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
み締めるために移動される２つのフインガを含
み、各フインガは支持部材、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
持部材との間に介装された関節構造体、および各
フインガの自由度それぞれと組み合いかつ自由度
に従つて実施される運動と独自に関連した情報を
送出する移動量測定ピツクアツプを含む力測定式
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ユレータに適用で
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
ピツクアツプによつ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要しない。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、
これはその感度を高める。

６つの自由度を含む把捉装置は望ましく取扱い
物品に作用する力およびトルクは３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。これによつて構造が簡易
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つのフインガを
含む力測定式把捉装置を提供する。２つのフイン
ガの軸線によつて形成される平面は挾み具の対称
平面と称する。関節構造体は３つの自由度をも
ち、これは接触板から始動し、各フインガの軸線
まわりの回転、挾み具の平面と垂直な軸線に沿つ
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、この発明による把捉装置
は第４の自由度を含み、これは、挾み具の主軸線
と平行で、かつ挾み具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つた並進運動によつて
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
沿つた並進運動は、角△_Zと線形に組み合わされ
る。この並進運動を解放するためには、量Ｌ・△
をピツクアツプによつ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つて形成さ
れる）。

各自由度と関連する移動測定式ピツクアツプは
導伝性ゴムの変形に関連する情報を送出する導伝
性ゴムによつ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つのゴ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
リユー４である。はさみ道具はマニピユレータ８
の末端に配設され、該マニピユレータは、例えば
矢印９で示す方向に回転するように或る数の方向
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はスクリユー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、或る
種の作業が実施できないことを意味する。この事
実は、スクリユー４が操作できる精度はマニピユ
レータ８の精度および挾み具の精度によつて制限
されるということである。これはねじ山形成に対
しスクリユー４の精密な位置決めを必要とする或
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ユーに作用す
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つのフインガ１
４ａおよび１４ｂから構成される。各フインガは
剛体の支持部材１６から成り、該支持部材は電動
機によつて移動でき、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１
８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とフインガの接触板１８との間に
配置される。移動量測定ピツクアツプが３つの自
由度のそれぞれと組み合わされる。各ピツクアツ
プは、この自由度に従つて関節構造体の運動と独
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つて遂行される並
進運動により、或は回転運動によつて実施され
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響を可能最小にするよ
うに最大可能程度に制限される。

軸線Ｚは挾み具の主軸線である。軸線Ｚ上に配
置された点Ｃは、把握中心を示す。この点は各接
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３
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、３つの標準直交軸線に従
つ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つ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例を第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Ｚは挾み具の主軸線
である。この挾み具は軸線Ｚと平行を保ち乍ら運
動する２つのフインガを含む。唯一つのフインガ
のみについて述べるが、２つのフインガは対称で
あり、かつ以下の説明はこれらフインガのそれぞ
れに当て嵌ることが理解されるであろう。

各フインガに対し、３直交面XYZが定められ
る。フインガ１２ａに対して３直交面は添字ａを
付して示す。同様に、フインガ１２ｂに対しては
３直交面は添字ｂを付して示す。軸線Zaおよび
Zbは軸線Ｚ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は挾み具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つのフインガ間に配置される。物
品は２つの接触板１８によつて挾み締められる。
関節構造体２０は板１８と軸線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１
８から始まる第１回転は、軸線Ｚと平行な軸線Z₁
まわりの回転である。

軸線Z₁およびZ₂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つてはこの平面内
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，Z₂は広義に云
つて軸線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と垂直な軸線Y₁に沿つた並進運動であ
る。しかし、軸線Z₁，Z₂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。従つて、
挾み具の動作中、軸線Y₁およびY₂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。

測定ピツクアツプは各自由度と組み合わされ
る。上述の実施例において、ピツクアツプは自由
度の移動の各側に配設された伝導性のゴムであ
る。

第４図は、この発明による把捉装置に用いられ
る二つフインガの一つの斜視図である。このフイ
ンガは固定オリフイス２３を含む剛体支持部材２
２によつて形成され、該オリフイスを介して支持
部材２２がマニピユレータの末端に取り付けられ
る。マニピユレータ（図示せず）は支持部材２２
を軸線Ｚと平行移動するように指示し、これによ
つ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３図参照）間で挾み締め
られると、所要の動作が実施できる。

３つの自由度をもつ関節構造体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た軸
受２４によつて形成される。この軸受は、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２８によつて形成された軸受
である。平坦なフインダ３０が軸受２４の外側に
取り付けられる。剛体支持部材２２に結合された
２つの壁３４によつて形成されたフオーク内側の
フインガ３０の各側に２つのゴム３２が配置され
る。よつてこれら２つのゴムは軸線Ｘまわりの軸
受２４の回転を制限する。トルタが軸受２４に作
用されると、このトルクはフインガ３０を経てゴ
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
じた情報を提供する。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、これにより
軸受２４に作用されたトルクが演繹される。これ
に使用するのに適したピツクアツプが「触感ピツ
クアツプ」として1975年11月５日付、フランス特
許第2330996号に開示されている。軸受２４の回
転は、軸線Ｘに沿つ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。
例えばボールスライドのような２つの垂直方向ス
ライド３８がフランジ３６に設けられる。スライ
ド３８は、フランジ３６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つのピツクアツプゴム
４２が可動テーブル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
３６の２つの張出し部分４４との間に詰められ
る。テーブル４の移動距離は短く、例えば３mmに
制限される。２つのゴム４２は、可動テーブル４
０の移動と関連し従つて可動テーブルの垂直軸線
に沿つて作用した力と関連した差異信号を送出す
る。故にこれによつ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、この不利点を解決すること
は容易である。。

この装置は、第３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を可動テーブ
ル４０に対して回転させる２つの半スピンドル４
６によつて実施される。２つのピツクアツプゴム
４８が軸線Z₁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
線Z₁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まわりの接触板１８の回転と直接に関連した
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Z₁
まわりの接触板１８の回転角度によつて、２つの
スライド３８によつて与えられた軸線Ｙに沿つた
並進運動が組み合わされることである。これは、
軸線Z₁まわりの板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
されるためにフランジ３６に対する可動テーブル
４０の移動を生ずることを意味する。ゆえに、可
動板の回転はフランジ３６に対する可動テーブル
４０の偏位を生ぜしめ、この偏位は板１８の回転
角度の関数、および把握中心Ｃと軸線Z₁との間の
距離の関数である。さらに詳しくは、もし軸線Z₁
まわりの接触板１８の回転△としこの条件を適
用すれば tan△＝△Ｙ／Ｌ ここにＬは把握中心と軸線Z₁との間の距離、し
かし、△は低い（10゜以下）から△ＹはＬ△
等しい。

ゆえにＹに沿つた並進運動は容易に解放され
る。このために、Ｌ・△をピツクアツプ４２に
よつ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
置によつ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
実施例は第３図ないし第６図に示した実施例より
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′に沿つた並進運動
である。この運動は第７図に図式に示す２つの水
平スライド６０によつて実施される。

これらの水平スライドは、軸線Ｘまわりの回転
と、軸線Ｙに沿つた並進運動との間に配置され
る。軸線Ｙに沿つた並進運動に関して述べたこと
は、軸線Ｚに沿つた並進運動に適用する。さらに
詳しくは、この移動距離は３mm以下である。可動
テーブルのの両側に配置された導伝性ゴムはテー
ブルの移動、従つて軸線Ｚの方向に、取扱い物品
上に作用される力と関連した差異信号を送出す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、力の測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３つの自由度を含む一実施例の
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。 図中の符号、２……挾み具、４……スクリユ
ー、６……あご、８……マニピユレータ、１４
ａ，１４ｂ……フインガ、１６……支持部材、１
８……接触板、２０……関節構造体、２２……支
持部材、２３……固定オリフイス、２４……軸
受、２６……枢軸、２８……傾斜要素、３０……
フインガ、３２……ゴム、３４……壁、３６……
…フランジ、３８……スライド、４０……可動テ
ーブル、４２……ピツクアツプゴム、４４……張
出し部分、４６……スピンドル、４８……ピツク
アツプゴム、６０……スライドを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マニピユレータの一端に取り付けられる力測
   定式把捉装置において、 それぞれ支持体に組み付けられる２個のフイン
   ガ部材と、 該支持体の端部に結合され且つ該端部に対して
   直交する幾何学的な軸線を有する枢軸と、 該枢軸に回転自在に結合された軸受と、 該軸受に結合されたフランジと、 取扱い物品に接触する為に設けられ且つ可動テ
   ーブルに関して該枢軸の幾何学的な軸線に対して
   夫々直交する軸線の回りに回転するように設けら
   れた接触板と、 該フランジと該接触板に関連して並進運動をさ
   せることができる可動テーブルと、 該支持体と該軸受の間に介在され枢軸の上記軸
   線についての該軸受の回転量に関する情報を伝え
   る第１の移動量測定式ピツクアツプと、 該フランジと該可働テーブルの間に介在され該
   可動テーブルの並進運動に関する情報を伝える第
   ２の移動量測定式ピツクアツプと、 該可働テーブルと該接触板の間に介在され上記
   枢軸の幾何学的な軸に対してそれぞれ直交する前
   記軸線についての該接触板の回転量に関する情報
   を伝える第３の移動量測定式ピツクアツプを備え
   ることを特徴とする力測定式把捉装置。 ２ 前記支持体と軸受、前記フランジと可動テー
   ブル、前記接触板と可動テーブルの間にそれぞれ
   介在された前記移動量測定式ピツクアツプは、こ
   れらの変形に関する情報を伝える導電性ゴム材よ
   りなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の力測定式把捉装置。 ３ 前記支持体と軸受、前記フランジと可動テー
   ブル、前記接触板と可働テーブルの間にはそれぞ
   れ２個の導電性ゴム材よりなる移動量測定式ピツ
   クアツプが介在されると共に、それぞれ２個の移
   動量測定式ピツクアツプは該軸受、可動テーブ
   ル、接触板の変位に関して相対するように設けら
   れることにより、差動信号を発生する構成である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の力
   測定式把捉装置。 ４ 第４の自由度を更に含み、該自由度は前記接
   触板に対して平行な並進運動によつて形成され且
   つ前記可動テーブルと枢軸の前記軸線まわりの回
   転軸線との間に存在すると共に、該第４の自由度
   は該枢軸の軸線に対し直交する軸線を有し該可動
   テーブルと前記フランジの間に配置される２か所
   の摺動部を持つ手段によつて規定され、該第４の
   変位を測定するピツクアツプは、該２か所の摺動
   部間に設けられて他方に対する一方の摺動による
   変位に関する情報を伝えるように構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の力
   測定式把捉装置。 ５ 前記２か所の移動量測定式ピツクアツプは、
   前記可動テーブルのいずれか一方の側に設けられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項又
   は第４項記載の力測定式把捉装置。 ６ 前記２個の導電性ゴム材は、前記摺動部間に
   介在され、他方に対する一方の前記摺動部分の並
   進運動に関する情報を伝え、該導電性ゴム材は該
   摺動部分のいずれか一方に設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の力測定式
   把捉装置。 ７ 平坦状態フインガ材が挟み具の主軸線７に対
   して直交し且つ平面Ｐ内に存在する軸線まわりの
   回転を実施する軸受に設けられ、前記２個の第１
   の移動量測定式ピツクアツプは該平坦状フインガ
   のいずれかの側に設けられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載の力測定式把捉装
   置。 ８ 左右対称とする主軸線Ｚを含み、前記それぞ
   れのフインガは幾何学的な軸Za，Zbを有すると
   共に、該フインガは該軸線Ｚ、挟み具平面Ｐと称
   せられる平行軸線Za，Zbによつて規定される平
   面に対し平行に保持されつつ転置されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の力測定式把
   捉装置。