WO1999033617A1 - Structure de bras pour robots de travail a morphologie de type humain - Google Patents

Structure de bras pour robots de travail a morphologie de type humain Download PDF

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WO1999033617A1
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shoulder
elbow
arm
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Toru Takenaka
Takayuki Kawai
Tadaaki Hasegawa
Takashi Matsumoto
Hiroshi Gomi
Hideaki Takahashi
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Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0241—One-dimensional joints
    • B25J17/025—One-dimensional joints mounted in series
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    • Y10T74/20207—Multiple controlling elements for single controlled element
    • Y10T74/20305—Robotic arm
    • Y10T74/20329—Joint between elements

Definitions

  • the present invention relates to an arm structure of a humanoid mouth pot.
  • Each arm A of this humanoid mouth pot has a shoulder joint a, an elbow joint b, and a wrist joint c.
  • the shoulder joint a is orthogonal to the first axis d and the first joint e rotatably connected to the torso B around a first axis d extending horizontally from the upper side of the torso B.
  • the second joint g which is connected to the first joint e so as to be rotatable around the second axis f (the axis perpendicular to the paper surface in FIG. 7), and the third axis h, which is orthogonal to the second axis f.
  • a third joint i rotatably connected to the second joint g.
  • the first to third joints e, g, and i are arranged such that the first to third axes d, f, and h, which are the respective rotation axes, intersect at a point at an arbitrary movement position (rotation position). It is provided in a proper positional relationship.
  • the elbow joint b is connected to the third joint i of the shoulder joint a via the upper arm k so as to be rotatable about the fourth axis j (the axis perpendicular to the paper surface in FIG. 7). It is configured.
  • the wrist joint c is rotatable about the fifth to seventh axes m, n, and o (in the state shown, these axes m, n, and o are orthogonal to each other).
  • Noshi 7th joint p, q, r are sequentially connected from elbow joint b.
  • the tip part s is connected to the tip of the wrist joint c.
  • the shoulder joint a, the elbow joint b, and the wrist joint c of the arm can perform almost the same operation as a human arm.
  • the elbow joint b is located on the axis of the third joint i of the shoulder joint a, the third axis h, but the elbow joint b is located on the axis of the third axis of the third joint.
  • the third joint may be connected at a position radially separated from above.
  • the singular point state is such that the first axis d of the first joint e and the third axis h of the third joint i are coaxial, regardless of the rotational position of the first joint e or the third joint i. This is the same as when the elbow joint is connected to the third joint at a position radially separated from the axis of the third axis of the third joint.
  • first joint e and the third joint i of the shoulder joint a are rotated 90 degrees in opposite directions about the first axis d and the third axis h, respectively, and then the second joint g is 2 Shoulder a must be rotated slightly about axis f.
  • a large movement of the shoulder joint a is required for a slight change in the position or posture of the elbow joint b. The flexibility and agility of the change is impaired.
  • the elbow joint b is usually placed at the center of the shoulder joint a, ie, the first to third joints.
  • Various operations are performed at the same height as the intersection of the axes d, f, and h of e, g, and i, or at a lower position.
  • a master-slave humanoid robot that performs the same movement as the movement of a human arm on the robot arm tends to have the above tendency due to the workability of the human arm.
  • the arm in the conventional humanoid mouth pot, the arm
  • the layout and posture of the first to third joints of the shoulder joint a were designed without considering the position of the elbow joint b of A, so that the elbow joint b can normally move when working on a humanoid robot
  • the singular point state of the shoulder joint a occurs.
  • a state where the elbow joint b is extended to the side of the torso B at the same height as the center of the shoulder joint a is a singular point state.
  • a singular point state of the shoulder joint a is likely to occur during normal work with the arm A, and as a result, the operability of the arm A during normal work is reduced.
  • the present invention can minimize the occurrence of a singular point state of the shoulder joint during normal work by the arm of a humanoid robot, and can ensure smooth operation of the arm. It is an object of the present invention to provide an arm structure of a humanoid mouth pot that can be used. Disclosure of the invention
  • the arm structure of the humanoid mouth pot of the present invention includes a first joint rotatably connected to the body around the first axis, and a second axis intersecting the first axis.
  • a second joint rotatably connected to the first joint, and a third joint rotatably connected to the second joint about a third axis intersecting the second axis;
  • an arm structure of a humanoid work robot having a shoulder joint provided so that each axis of the first to third joints intersects at one point, and an elbow joint connected to the third joint of the shoulder joint.
  • first axis of the first joint and the third axis of the third joint that constitute the shoulder joint are coaxial with each other, the shoulder joint is operated in a singular point state of the shoulder joint, and the elbow joint is moved.
  • the elbow joint is located above a horizontal plane passing through the intersection of the axes of the first to third joints in a state where the elbow joint is located on the side of the torso. Sea urchin, wherein the first joint to the position and orientation of the third joint of the shoulder joint, and the position of the elbow joint relative to said third joint are set.
  • the elbow joint when working with the arm of the humanoid mouth pot, generally, the elbow joint is located on the side of the body, and the intersection of the axes of the first to third joints, that is, the shoulder, Work with the elbow joint located above the horizontal plane passing through the center of the joint Very little is done. Therefore, in a state where the shoulder joint is operated in the singular point state and the elbow joint is located on the side of the torso, the elbow joint passes through the intersection of each axis of the first to third joints.
  • the arm of the humanoid robot At the position of the elbow joint where the elbow joint of the arm body normally operates during actual work, it is possible to eliminate a situation where a singular point state of the shoulder joint occurs.
  • the shoulder joint when the elbow joint is connected to the third joint on the axis of the third axis of the third joint, for example, the shoulder joint has a first joint whose first joint is the first axis. Is connected to the torso in a posture obliquely upward from the torso on the side of the torso, and the second joint and the third joint are connected to the first joint in the singular point state of the shoulder joint.
  • the joints are connected to the first joint and the second joint, respectively, so as to be arranged on the axis of the first axis in order from the joint to the elbow joint.
  • the elbow joint in the singular point state of the shoulder joint, is located above the horizontal plane on the side of the torso.
  • the elbow joint when the elbow joint is connected to the third joint at a position separated from the axis of the third axis of the third joint, the positions of the first to third joints of the shoulder joint
  • the posture of the elbow joint is such that the shoulder joint is operated in the singular point state and the elbow joint is rotated around the third axis at an arbitrary position on the side of the torso. It is set to be above the horizontal plane.
  • the elbow joint when the elbow joint is connected to the third joint at a position radially separated from the axis of the third axis of the third joint, the first joint or the third joint in the singular point state
  • the position of the elbow joint is determined by the position of the elbow joint and the first and third axes. It moves on a circle whose radius is the distance, and any rotational position of the elbow joint is a singular point state of the shoulder joint. Therefore, in this case, the shoulder joint is moved to the singular point state.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a humanoid robot to which the first embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is an operation explanatory view of a main part of the mouth pot of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic side view of a main part of a humanoid robot showing a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic front view of a main part of a humanoid robot to which the second embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 5 is a schematic front view of a main part of a humanoid mouth pot showing a modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic front view of a main part of a humanoid robot to which the third embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 7 is a schematic front view of a conventional humanoid robot.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of an operation of a main part of the robot in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a schematic front view of a humanoid robot having an arm structure according to the present embodiment
  • FIG. 2 is an explanatory view of the operation of the humanoid robot of FIG.
  • this humanoid robot has a torso 1, a head 2 attached to the upper surface of torso 1, and a pair of left and right arms 3 extending from both upper sides of torso 1. , 3 and a pair of right and left legs 4, 4 extending from the lower end of the moon body 1 to form a humanoid shape. Arms 3 and 3 have the same structure on the left and right, and legs 4 and 4 also have the same structure on the left and right. It is built.
  • Each arm 3 is configured by sequentially connecting a shoulder joint 5, an elbow joint 6, a wrist joint 7, and a hand part 9 from the trunk 1 side.
  • the shoulder joint 5 is orthogonal to the first joint 10 and the first joint 11 that is rotatably connected to the torso 1 around a first axis 10 that extends obliquely upward from the torso 1 to the side thereof.
  • a second joint 13 connected to the first joint 11 so as to be rotatable about a second axis 12 extending therefrom; and a second joint 13 rotatably about a third axis 14 extending orthogonally to the second axis 12.
  • the third joint 15 is connected to the second joint 13.
  • the second shaft 12 extends in the front-rear direction (the direction perpendicular to the plane of FIG. 1), and the third shaft 14 extends in the up-down direction.
  • the first to third joints 11, 13, 15 are arranged in a positional relationship such that their respective axes 10, 12, 14 intersect at one point on the second axis 12 in their arbitrary rotation state. Have been.
  • the wrist joint 7 is rotatably connected to the fourth joint 6 (knee joint 6) around a fifth axis 18 extending in a direction perpendicular to the fourth axis 17 (vertical direction in the figure).
  • a fifth joint 19 a sixth joint 21 rotatably connected to the fifth joint 19 around a sixth axis 20 extending in a direction orthogonal to the fifth axis 18 (the front-rear direction in the state of the figure)
  • a seventh joint 23 connected to a sixth joint 21 by rotation about a seventh axis 22 extending in a direction orthogonal to the sixth axis 20 (the left-right direction in the state of the figure).
  • the hand part 9 is connected to the joint 23.
  • Each of the first to seventh joints 11, 13, 15, 6, 19, 21 and 23 is constituted by a rotary actuator such as a motor. It operates based on a command from a robot control device (not shown) (for example, a mass storage device) or a predetermined teaching device.
  • the joints 11, 13, 15, 6, 19, 21 and 23 are not limited to the linear actuators, but may be, for example, cylinders or other direct-acting actuators.
  • a structure that rotates around the axes 10, 12, 14, 17, 18, 20, 22 may be adopted.
  • the shoulder joint 5 can rotate around three axes except for the singular point state described later, and the elbow joint 6 and the wrist The joint 8 can rotate around one axis and three axes, respectively. And, by these rotation operations, each arm 3 can perform the same operation as a human arm.
  • Each leg 4 is configured by sequentially connecting a hip joint 24, a knee joint 25, an ankle joint 26, and a foot portion 27 from the trunk 1 side.
  • the hip joint 24 rotates around three axes in front and rear, left and right and up and down directions
  • the knee joint 25 rotates around one axis in left and right directions
  • the ankle joint 26 Is configured to be able to rotate around two axes, front and rear and left and right.
  • each arm 3 configured as described above, when the second joint 13 of the shoulder joint 5 is rotated counterclockwise around the second axis 12 by an angle ⁇ from the state of FIG. As shown in FIG. 2, the first axis 10 of the first joint 11 and the third axis 14 of the third joint 15 become coaxial, and a singular point state of the shoulder joint 5 occurs.
  • this singular point state for example, when the direction of the fourth axis 17 of the elbow joint 6 is to be slightly changed in the plane including the second axis 12 and the third axis 14, the first After rotating the joints 11 and 15 by 90 degrees in opposite directions to each other, the second joint 13 must be rotated, and the large movement of the first joint 11 and the third joint 15 Cost.
  • the position of the elbow joint 6 in the above singular point state is located at the intersection of the axes 10, 12, and 14 of the first to third joints 11, 13, and 15 on the side of the torso 1. Above the horizontal plane S passing through.
  • the work by the arm 3 of the humanoid robot of the present embodiment is basically performed in a state where the elbow joint 6 is positioned at a height equal to or lower than the horizontal plane S. Because of this, Basically, the work is not performed with the elbow joint 6 above the horizontal plane S. Therefore, the singular point state of the shoulder joint 5 does not occur during the work by the arm 3, in other words, the operation state of the shoulder joint 5 during the work is a non-singular state. As a result, the operation with the arm 3 can be performed smoothly while the smooth operability of the arm 3 is ensured.
  • a state where the second joint 13 is rotated 180 degrees around the second axis 12 from the state of the arm 3 in FIG. 2 is also a singularity state.
  • a state where the second joint 13 is rotated 180 degrees around the second axis 12 from the state of the arm 3 in FIG. 2 is also a singularity state.
  • such a state does not occur due to interference between the arm 3 and the torso 1 or interference between the first joint 11 and the third joint 13.
  • the first axis 10 may be slightly inclined in the front-rear direction of the robot (the first axis 10 is slightly inclined rearward of the robot in FIG. 3).
  • FIG. 4 is a schematic front view of a main part of the humanoid mouth pot of the present embodiment.
  • the humanoid robot according to the present embodiment is different from the humanoid robot according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 with respect to the arrangement of the first to third joints of the shoulder joint and the third joint of the elbow joint. Since only the connection configuration is different, the configuration of each unit will be described using the same reference numerals as those in the first embodiment.
  • the shoulder joint 5 of each of the left and right arms 3 (only the left arm 3 of the mouth bot is shown in the figure) is the same as that of the first embodiment.
  • the first to third joints 11, 13, and 15 are connected in order from the fuselage 1 side in the same manner as the first joint.
  • the first joint 11 is 10 is connected to the torso 1 in a posture extending vertically upward from the torso 1.
  • the elbow joint 6 of each arm 3 is connected via the upper arm 16 at a position separated from the axis of the third shaft 14 of the third joint 15.
  • the shoulder joint 5 is moved to a special point state of the shoulder joint 5 where the first axis 10 of the first joint 11 and the third axis 14 of the third joint 15 are coaxial.
  • the elbow joint 6 is further rotated around the first axis 10 (about the third axis 14) by the rotation of the first joint 11 or the third joint 15).
  • the work with the arm 3 is basically not performed in such a state that the elbow joint 6 is located above the horizontal plane S.
  • the operation state of the shoulder joint 5 during the work by the arm 3 is basically always non-specific, and as a result, the operation of the arm 3 is ensured while ensuring smooth operation. Work with the arm 3 can be performed smoothly.
  • the first axis 10 of the first joint 11 is provided to extend in the vertical direction.
  • the first axis 10 of the first joint 11 is shifted toward the inside of the body 1 as shown in FIG.
  • the first shaft 10 may be slightly inclined to the side of the fuselage 1. In this case, when the first axis 10 is tilted as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic front view of a main part of the humanoid robot of the present embodiment.
  • the humanoid robot according to the present embodiment is different from the humanoid robot according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 with respect to the arrangement of the first to third joints of the shoulder joint and the third joint of the elbow joint. Since only the connection configuration is different, the configuration of each unit will be described using the same reference numerals as those in the first embodiment.
  • the shoulder joint 5 of each of the left and right arms 3 (only the left arm 3 of the robot is shown in the figure) is the same as the first embodiment.
  • the first to third joints 11, 13, and 15 are connected in order from the fuselage 1 side in the same manner as the first joint.
  • the first joint 11 is shown in FIG.
  • the first shaft 10 is connected to the body 1 in a posture extending obliquely upward from the body 1 toward the inside of the body 1.
  • the elbow joint 6 of each arm 3 is represented by a line segment L (shown in the figure) connecting the center (the point on the fourth axis 17) and the intersection of the first to third axes 10, 12, 24.
  • the dashed line is orthogonal to the first axis 10 and the third axis 14 in the singular point state of the shoulder joint 5 (the state where the first axis 10 and the third axis 14 are coaxial).
  • the third joint 15 is connected to the third joint 15 via the upper arm 16 at a position separated from the axis of the third shaft 14 of the third joint 15.
  • Other configurations are completely the same as those of the first embodiment.
  • the elbow joint 6 is moved to the inner side of the torso 1 (more specifically, to the right of the mouth pot than the second axis 12).
  • the elbow joint 6 exists below the horizontal plane S.
  • the arm 3 interferes with the head 2 and the torso 1, it is not possible to rotate the elbow joint 6 to an arbitrary position inside the torso 1 in the singular state of the shoulder joint 5.
  • the range in which the elbow joint 6 can be rotated inward of the torso 1 is limited to a relatively small range.
  • the normal work by the arm 3 is almost always performed in a non-specific state of the shoulder joint 5, and the smooth operability of the arm 3 can be ensured.
  • the arm structure of the humanoid work robot according to the present invention is useful in a master-slave type humanoid robot in which an operation similar to the movement of a human arm is performed on the arm of the robot.

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Description

i 明 細 人型作業ロボッ卜の腕体構造 技術分野
本発明は、 人型口ポットの腕体構造に関する。 背景技術
人間と同様に胴体の両側に腕体を有する人型ロポッ卜にあっては、 例えば図 7 に示すような腕体の関節構造を採用したものが一般的に知られている。
この人間型口ポットの各腕体 Aは、 肩関節 a、 肘関節 b、 及び手首関節 cを備 えている。 そして、 肩関節 aは、 胴体 Bの上部の側部から水平方向に延設された 第 1軸 dの回りに回転自在に胴体 Bに連結された第 1関節 eと、 第 1軸 dと直交 する第 2軸 f (図 7の紙面に垂直な軸） の回りに回転自在に第 1関節 eに連結さ れた第 2関節 gと、 第 2軸 f と直交する第 3軸 hの回りに回転自在に第 2関節 g に連結された第 3関節 iとにより構成されている。 この場合、 第 1乃至第 3関節 e , g， iは、 その任意の動作位置 （回転位置） においてそれぞれの回転軸心で ある第 1乃至第 3軸 d， f , hがー点で交わるような位置関係で設けられている。 尚、 肘関節 bは、 第 4軸 j (図 7では紙面に垂直な軸） の回りに回転自在に肩 関節 aの第 3関節 iに上腕部 kを介して連結された第 4関節 bにより構成されて いる。 さらに、 手首関節 cは、 第 5乃至第 7軸 m, n , o (図示の状態では、 こ れらの軸 m， n , oは互いに直交している） の回りにそれぞれ回転自在な第 5乃 至第 7関節 p， q , rを順次、 肘関節 bから連結して構成されている。 そして、 手首関節 cの先端に手先部 sが連結されている。
このような腕体 Aの構造によって、 該腕体の肩関節 a、 肘関節 b、 及び手首関 節 cは人間の腕とほぼ同様の動作が可能とされている。
尚、 図 7のロボットでは、 肘関節 bは肩関節 aの第 3関節 iの第 3軸 hの軸心 上に配置しているが、 肘関節 bを第 3関節の第 3軸の軸心上から径方向に離間し た位置で該第 3関節に連結する場合もある。 ところで、 このような構造のロボットの腕体 Aでは、 図 8に示すように肩関節 aの第 1関節 eの第 1軸 dと第 3関節 iの第 3軸 hとが同軸となる状態があり、 このような状態は、 一般に肩関節 aの特異点状態 （もしくは特異点姿勢） と言わ れている。 尚、 該特異点状態は、 第 1関節 eあるいは第 3関節 iの回転位置によ らずに、 第 1関節 eの第 1軸 dと第 3関節 iの第 3軸 hとが同軸となる状態を指 すものであり、 このことは、 肘関節を第 3関節の第 3軸の軸心上から径方向に離 間した位置で該第 3関節に連結した場合でも同様である。
このような特異点状態では、 肩関節 aは第 1関節 eもしくは第 3関節 iによる 第 1軸 d (=第 3軸 h ) 回りの回転動作と、 第 2関節 gによる第 2軸 f回りの回 転動作しか行うことができなくなる。 このため、 肩関節 aの第 3関節 iに連結さ れている肘関節 bの姿勢の自由度が少なくなつて、 腕体 Aの動作性が悪くなる。 例えば図 8の特異点状態において、 肘関節 bの第 4軸 jの向きを鉛直軸回りに 僅かに変更しょうとした場合であつても、 このような僅かな動きを肘関節 bに行 わせるためには、 肩関節 aの第 1関節 e及び第 3関節 iをそれぞれ第 1軸 d及び 第 3軸 hの回りに互いに逆向きに 9 0度づっ回転させた後に、 第 2関節 gを第 2 軸 fの回りに僅かに回転させるという肩関節 aの動作を行わなければならない。 このように肩関節 aの特異点状態では、 肘関節 bの僅かな位置あるいは姿勢変 化に対して肩関節 aの大きな動作を要する事態が生じてしまい、 肘関節 bの所望 の位置あるいは姿勢への変更の柔軟性や迅速性が損なわれる。
尚、 肩関節 aの特異点状態以外の状態 （非特異点状態） では、 上記のような不 都合を生ぜず、 例えば図 7の状態では、 肘関節 bの第 4軸 jの向きの任意の向き への僅かな変更は、 第 1関節 eもしくは第 3関節 i、 あるいはその両者の僅かな 回転動作によって行うことができる。
一方、 本願発明者等の知見によれば、 この種の人型口ポットの腕体 Aによる作 業においては、 通常、 肘関節 bを、 肩関節 aの中心、 すなわち前記第 1乃至第 3 関節 e , g， iの各軸 d , f , hの交点と同じ高さに位置させ、 あるいはそれよ りも下げた状態で各種作業が行われる。 特に、 人間の腕の動きと同じような動作 をロボッ卜の腕体に行わしめるマスタースレーブ方式の人型ロボットでは、 人間 の腕による作業性上、 上記のような傾向が強い。 / しかるに、 従来の人型口ポットでは、 上記のような実際の作業時における腕体
Aの肘関節 bの位置を考慮せずに、 肩関節 aの第 1乃至第 3関節のレイアウトや 姿勢が設計されていたため、 人型ロポッ卜の作業時に通常的に肘関節 bが動作し 得る位置で、 肩関節 aの前記特異点状態が発生するものとなってしまう。 例えば 図 7の人型ロボットでは、 肘関節 bを、 肩関節 aの中心と同じ高さで胴体 Bの側 方に延ばした状態が特異点状態となるが、 このような肘関節 bの位置状態は、 作 業時に通常的に生じ得る状態である。 このため、 従来の人型ロボットでは、 その 腕体 Aによる通常的な作業時において肩関節 aの特異点状態が発生しやすく、 そ の結果、 通常的な作業時の腕体 Aの動作性が損なわれやすいものとなっていた。 本発明はかかる背景に鑑み、 人型ロボットの腕体による通常的な作業時に肩関 節の特異点状態が発生するのを極力排除して、 腕体の円滑な動作性を確保するこ とができる人型口ポットの腕体構造を提供することを目的とする。 発明の開示
本発明の人型口ポットの腕体構造はかかる目的を達成するために、 第 1軸の回 りに回転自在に胴体に連結された第 1関節と、 該第 1軸と交差する第 2軸の回り に回転自在に前記第 1関節に連結された第 2関節と、 該第 2軸と交差する第 3軸 の回りに回転自在に前記第 2関節に連結された第 3関節とから成り、 且つ第 1乃 至第 3関節の各軸が一点で交わるように設けられた肩関節と、 該肩関節の第 3関 節に連結された肘関節とを具備した人型作業ロボットの腕体構造において、 前記 肩関節を構成する前記第 1関節の第 1軸と前記第 3関節の第 3軸とが同軸となる 該肩関節の特異点状態に該肩関節を動作させると共に前記肘関節を前記胴体の側 方に位置させた状態で、 該肘関節が前記第 1乃至第 3関節の各軸の交点を通る水 平面よりも上方に存するように、 前記肩関節の第 1関節乃至第 3関節の位置及び 姿勢、 並びに該第 3関節に対する前記肘関節の位置が設定されていることを特徴 とする。
すなわち、 人型口ポットの腕体による作業においては、 一般に、 前記肘関節を 前記胴体の側方側に位置させ、 且つ、 前記第 1乃至第 3関節の各軸の交点、 すな わち肩関節の中心を通る水平面よりも上側に該肘関節を位置させた状態で作業が 行われることはほとんどない。 従って、 前記肩関節を前記特異点状態に動作させ ると共に前記肘関節を前記胴体の側方に位置させた状態で、 該肘関節が前記第 1 乃至第 3関節の各軸の交点を通る水平面よりも上方に存するように、 前記肩関節 の第 1関節乃至第 3関節の位置及び姿勢、 並びに該第 3関節に対する前記肘関節 の位置を設定しておくことで、 人型ロボットの腕体による実際の作業に際して該 腕体の肘関節を通常的に動作させる該肘関節の位置で、 肩関節の特異点状態が生 じるような事態を排除することが可能となる。
よって本発明によれば、 人型ロポットの腕体による通常的な作業時に肩関節の 特異点状態が発生するのを極力排除して、 腕体の円滑な動作性を確保することが 可能となる。
かかる本発明では、 前記肘関節を、 前記第 3関節の第 3軸の軸心上で該第 3関 節に連結した場合には、 例えば前記肩関節は、 その第 1関節が前記第 1軸を前記 胴体から該胴体の側方側であって斜め上方に向けた姿勢で該胴体に連結されると 共に前記第 2関節及び第 3関節が該肩関節の前記特異点状態において前記第 1関 節から肘関節に向かって順番に前記第 1軸の軸心上に並ぶようにそれぞれ第 1関 節及び第 2関節に連結されている。
このような構成によれば、 前記肩関節の特異点状態では、 前記肘関節は、 胴体 の側方側で前記水平面よりも上方に存するものとなる。
また、 本発明では、 前記肘関節を、 前記第 3関節の第 3軸の軸心から離間した 位置で該第 3関節に連結した場合には、 前記肩関節の第 1乃至第 3関節の位置及 び姿勢は、 前記肩関節を前記特異点状態に動作させると共に前記肘関節を前記胴 体の側方側の任意の位置に前記第 3軸の回りに回転させた状態で、 該肘関節が前 記水平面よりも上方に存するように設定されている。
すなわち、 前記肘関節を、 前記第 3関節の第 3軸の軸心から径方向に離間した 位置で該第 3関節に連結した場合には、 前記特異点状態において前記第 1関節あ るいは第 3関節をそれぞれ前記第 1軸、 第 3軸 （これらは特異点状態では同軸で ある） の回りに回転させることで、 前記肘関節の位置は、 該肘関節と第 1及び第 3軸との距離を半径とする円周上を動き、 その肘関節のどの回転位置でも肩関節 の特異点状態である。 従って、 この場合には、 前記肩関節を前記特異点状態に動 作させると共に前記肘関節を前記胴体の側方側の任意の位置に前記第 3軸の回り に回転させた状態で、 該肘関節が前記水平面よりも上方に存するように前記肩関 節の第 1関節乃至第 3関節の位置及び姿勢を設定しておくことで、 人型ロポット の腕体による通常的な作業時に肩関節の特異点状態が発生するのを極力排除する ことが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施形態を適用した人型ロボッ卜の模式的正面図であ る。
図 2は、 図 1の口ポットの要部の動作説明図である。
図 3は、 本発明の第 1の実施形態の変形例を示す人型ロボットの要部の模式的 側面図である。
図 4は、 本発明の第 2の実施形態を適用した人型ロボッ卜の要部の模式的正面 図である。
図 5は、 本発明の第 2の実施形態の変形例を示す人型口ポットの要部の模式的 正面図である。
図 6は、 本発明の第 3の実施形態を適用した人型ロポッ卜の要部の模式的正面 図である。
図 7は、 従来の人型ロボットの模式的正面図である。
図 8は、 図 7のロボットの要部の動作説明図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の第 1の実施形態を図 1及び図 2を参照して説明する。 図 1は本実施形 態の腕体構造を具備した人型ロポットの模式的正面図、 図 2は図 1の人型ロボッ 卜の動作説明図である。
図 1を参照して、 この人型ロボットは、 胴体 1と、 胴体 1の上面部に取着され た頭部 2と、 胴体 1の上部の両側部から延設された左右一対の腕体 3， 3と、 月同 体 1の下端部から延設された左右一対の脚体 4， 4とを具備して人型に構成され ている。 腕体 3， 3は左右で同一構造とされ、 また、 脚体 4， 4も左右で同一構 造とされている。
各腕体 3は、 胴体 1側から肩関節 5、 肘関節 6、 手首関節 7、 及び手先部 9を 順次連接して構成されている。
肩関節 5は、 胴体 1からその側方側に斜め上方に向かって延在する第 1軸 10 の回りに回転自在に胴体 1に連結された第 1関節 1 1と、 第 1軸 10と直交して 延在する第 2軸 12の回りに回転自在に第 1関節 11に連結された第 2関節 13 と、 第 2軸 12と直交して延在する第 3軸 14の回りに回転自在に第 2関節 13 に連結された第 3関節 15とにより構成されている。 尚、 図示の状態において、 第 2軸 12は、 前後方向 （図 1の紙面に垂直な方向） に延在し、 第 3軸 14は、 上下方向に延在している。 また、 第 1乃至第 3関節 1 1, 13， 15は、 それら の任意の回転状態で、 それらの各軸 10， 12, 14が第 2軸 12上の一点で交 わるような位置関係で配置されている。
肘関節 6は、 前記第 3軸 14の軸心上で第 3関節 15に上腕部 16を介して連 結された第 4関節により構成され、 この第 4関節 6 (=肘関節 6) は、 第 3軸 1 4と直交する第 4軸 17 (図の状態では前後方向に延在する軸） の回りに回転自 在とされている。
手首関節 7は、 第 4軸 17と直交する方向 （図の状態では上下方向） に延在す る第 5軸 18の回りに回転自在に第 4関節 6 (膝関節 6) に連結された第 5関節 19と、 第 5軸 18と直交する方向 （図の状態では前後方向） に延在する第 6軸 20の回りに回転自在に第 5関節 19に連結された第 6関節 21と、 第 6軸 20 と直交する方向 （図の状態では左右方向） に延在する第 7軸 22の回りに回転自 在に第 6関節 21に連結された第 7関節 23とにより構成され、 該第 7関節 23 に手先部 9が連結されている。
尚、 前記第 1乃至第 7の各関節 11， 13， 15， 6, 19， 21， 23は、 それぞれモータ等のロータリアクチユエ一夕により構成されたもので、 それらは、 所要の作業に際して、 図示しないロボット操縦装置 （例えばマス夕一装置） から の指令、 あるいはあらかじめ定められたティーチングデ一夕等に基づき動作する。 この場合、 各関節 11, 13， 15， 6, 19, 21， 23は、 ロー夕リアクチ ユエ一夕に限らず、 例えばシリンダ等の直動型ァクチユエ一夕によりそれぞれの 軸 1 0， 1 2 , 1 4， 1 7， 1 8， 2 0， 2 2の回りに回転するような構造を採 用してもよい。
以上のような肩関節 5、 肘関節 6及び手首関節 7の構造によって、 肩関節 5は、 後述の特異点状態を除き 3軸回りの回転動作を行うことができ、 また、 肘関節 6 及び手首関節 8はそれぞれ 1軸回り、 3軸回りの回転動作を行うことができる。 そして、 これらの回転動作によって、 各腕体 3は、 人間の腕と同じような動作を 行うことができるようにされている。
尚、 各脚体 4は、 胴体 1側から股関節 2 4、 膝関節 2 5、 足首関節 2 6、 及び 足平部 2 7を順次連接して構成されている。 この場合、 詳細な図示は省略するが、 股関節 2 4は前後、 左右及び上下方向の 3軸回りの回転動作、 膝関節 2 5は、 左 右方向の 1軸回りの回転動作、 足首関節 2 6は、 前後及び左右方向の 2軸回りの 回転動作を行い得るように構成されている。
前述のような構成の各腕体 3にあっては、 図 1の状態から肩関節 5の第 2関節 1 3を第 2軸 1 2の回りに反時計方向に角度 Θだけ回動させると、 図 2に示すよ うに第 1関節 1 1の第 1軸 1 0と第 3関節 1 5の第 3軸 1 4とが同軸となって、 肩関節 5の特異点状態が生じる。 この特異点状態では、 例えば肘関節 6の第 4軸 1 7の向きを第 2軸 1 2及び第 3軸 1 4を含む平面内で僅かに変更しょうとする 場合に、 肩関節 5の第 1関節 1 1及び第 3関節 1 5をそれぞれ互いに逆向きに 9 0度回転させた後、 第 2関節 1 3を回転させなければならず、 第 1関節 1 1及び 第 3関節 1 5の大きな動作を要する。
一方、 上記の特異点状態では、 前述した肩関節 5の第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3 , 1 5の配置構成、 並びに肘関節 6の第 3関節 1 5への連結構成によって、 第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5、 並びに肘関節 6は、 胴体 1からその側方側に 斜め上方に向かって延在する第 1軸 1 0の軸心 （=第 3軸 1 4の軸心） 上で、 順 番に並ぶ。 このため、 上記特異点状態における肘関節 6の位置は、 胴体 1の側方 側で、 第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5の各軸 1 0， 1 2， 1 4の交点を通る 水平面 Sの上方に存する。
他方、 本実施形態の人型ロボットの腕体 3による作業は、 基本的には、 肘関節 6を前記水平面 S以下の高さに位置させた状態で行われる。 このため、 前記のよ うに肘関節 6が水平面 Sよりも上方に存するような状態で作業が行われることは 基本的には無い。 従って、 前記肩関節 5の特異点状態は、 腕体 3による作業中に 生じることは無く、 換言すれば、 作業中における肩関節 5の動作状態は、 非特異 な状態である。 その結果、 腕体 3の円滑な動作性を確保しつつ該腕体 3による作 業を円滑に行うことができる。
尚、 理論上は、 図 2の腕体 3の状態から、 第 2関節 1 3を第 2軸 1 2の回りに 1 8 0度回転させた状態も特異点状態である。 しかるに、 実際には、 このような 状態は、 腕体 3と胴体 1との千渉、 あるいは、 第 1関節 1 1と第 3関節 1 3との 干渉等のために生じることはない。
また、 本実施形態では、 胴体 1に連結する第 1関節 1 1の第 1軸 1 0を胴体 1 からその真横方向で上方に向かつて延在させるようにした力 例えば図 3に示す ように第 1軸 1 0をロポッ卜の前後方向で若干傾斜させるようにしてもよい （図 3では第 1軸 1 0をロボットの後方側に若干傾斜させている） 。
次に、 本発明の第 2実施形態を図 4を参照して説明する。 図 4は本実施形態の 人型口ポットの要部の模式的正面図である。
尚、 本実施形態の人型ロボットは、 前記図 1及び図 2に示した第 1実施形態の ものと、 肩関節の第 1乃至第 3関節の配置構成、 並びに肘関節の第 3関節に対す る連結構成のみが相違しているものであるので、 各部の構成については前記第 1 実施のものと同一の参照符号を用いて説明する。
図 4を参照して、 本実施形態の人型口ポットでは、 左右の各腕体 3 (図では口 ボットの左側の腕体 3のみを示す） の肩関節 5は、 前記第 1の実施形態のものと 同様に第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5を胴体 1側から順番に連結して構成さ れているが、 この場合、 第 1関節 1 1は、 その第 1軸 1 0を胴体 1から鉛直方向 上方に向かつて延在させた姿勢で胴体 1に連結されている。
また、 各腕体 3の肘関節 6は、 第 3関節 1 5の第 3軸 1 4の軸心上から離間し た位置で上腕部 1 6を介して連結されている。 この場合、 図示のように前記第 1 関節 1 1の第 1軸 1 0及び第 3関節 1 5の第 3軸 1 4が同軸となる肩関節 5の特 異点状態に該肩関節 5を動作させ、 さらに肘関節 6を第 1関節 1 1もしくは第 3 関節 1 5の回転動作によって第 1軸 1 0の回り 第 3軸 1 4の回り） に回転さ せて胴体 1の側方側に位置させた状態で、 第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5の 各軸 1 0， 1 2 , 1 4の交点を通る水平面 Sよりも上方に肘関節 6が存するよう に第 3関節 1 5に対する肘関節 6の位置が設定されている。 逆に言えば、 肩関節 5をその特異点状態に動作させ、 さらに肘関節 6を胴体 1の側方側に位置させた とき、 前記水平面 Sよりも上方に肘関節 6が存するように第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5の相互の位置関係 （具体的には、 第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3 , 1 5 の相互の間隔） が設定されている。
尚、 本実施形態では、 第 1関節 1 1の第 1軸 1 0は鉛直方向に延在しているた め、 図示の特異点状態において、 肘関節 6を第 1軸 1 0の回り （=第 3軸 1 4の 回り） にどの位置に回転させても、 肘関節 6は水平面 Sの上方に存在することと なる。
以上説明した以外の他の構成は、 図 1及び図 2の口ポットと全く同一である。 かかる本実施形態の人型ロポッ卜においては、 図示のように肩関節 5をその特 異点状態に動作させた場合には、 例えば肘関節 6の第 4軸 1 7の向きを第 2軸 1 2及び第 3軸 1 4に垂直な方向回りに僅かに変更しょうとしたとき、 第 1関節 1
1及び第 3関節 1 5をそれぞれ互いに逆向きに 9 0度回転させた後に、 第 2関節
1 3を回転させなければならず、 第 1及び第 3関節 1 1 , 1 5の大きな動作を要 する。
しかるに、 前述の如く、 肩関節 5の特異点状態においては、 肘関節 6を、 胴体 1の側方側を含めて、 第 1軸 1 0の回り （=第 3軸 1 4の回り） にどの位置に回 転させても、 前記水平面 Sよりも上方に肘関節 6が存在することとなる。 そして、 このように肘関節 6が水平面 Sよりも上方に存するような状態で腕体 3による作 業が行われることは基本的には無い。
従って、 本実施形態においても、 腕体 3による作業中における肩関節 5の動作 状態は、 基本的には常に非特異な状態となり、 その結果、 腕体 3の円滑な動作性 を確保しつつ該腕体 3による作業を円滑に行うことができる。
尚、 本実施形態では、 第 1関節 1 1の第 1軸 1 0を鉛直方向に延在させて設け たが、 本実施形態のように肩関節 5の特異点状態において、 肘関節 6を、 胴体 1 の側方側を含めて、 第 1軸 1 0の回り （=第 3軸 1 4の回り） にどの位置に回転 1 Q させても、 前記水平面 Sよりも上方に肘関節 6が存在するようにする上では、 例 えば図 5に示すように第 1関節 1 1の第 1軸 1 0を胴体 1の内側寄りに若干傾け たり、 あるいは、 これと逆に第 1軸 1 0を胴体 1の側方側に若干傾けたりしても よい。 この場合、 図 5に示すように第 1軸 1 0を傾けた場合には、 肩関節 5の特 異点状態において、 図示のように肘関節 6が胴体 1の側方側に位置する状態から 同図の仮想線で示すように肘関節 6を第 1軸 1 0の回り （=第 3軸 1 4の回り） に 1 8 0度回転させた状態で （但し、 図 5の口ポットでは実際上は、 腕体 3が頭 部 2に干渉するため、 このような状態は生じ得ない） 、 肘関節 6の高さが最も低 くなるが、 この状態においても、 該肘関節 6は水平面 Sよりも上方に存在する。 従って、 肩関節 5の特異点状態において、 肘関節 6を第 1軸 1 0の回り （=第 3 軸 1 4の回り） にどの位置に回転させても、 肘関節 6は水平面 Sよりも上方に存 在することとなる。
次に、 本発明の第 3の実施形態を図 6を参照して説明する。 図 6は本実施形態 の人型ロポッ卜の要部の模式的正面図である。
尚、 本実施形態の人型ロボットは、 前記図 1及び図 2に示した第 1実施形態の ものと、 肩関節の第 1乃至第 3関節の配置構成、 並びに肘関節の第 3関節に対す る連結構成のみが相違しているものであるので、 各部の構成については前記第 1 実施のものと同一の参照符号を用いて説明する。
図 6を参照して本実施形態の人型口ポットでは、 左右の各腕体 3 (図ではロボ ットの左側の腕体 3のみを示す） の肩関節 5は、 前記第 1の実施形態のものと同 様に第 1乃至第 3関節 1 1， 1 3， 1 5を胴体 1側から順番に連結して構成され ているが、 この場合、 第 1関節 1 1は、 前記図 5に示したものと同様に、 その第 1軸 1 0を胴体 1から該胴体 1の内側寄りに斜め上方に向かって延在させた姿勢 で胴体 1に連結されている。
また、 各腕体 3の肘関節 6は、 その中心 （第 4軸 1 7上の点） と第 1乃至第 3 軸 1 0， 1 2， 1 4の交点とを結ぶ線分 L (図に破線で示す） が、 肩関節 5の図 示の特異点状態 （第 1軸 1 0及び第 3軸 1 4が同軸となる状態） において第 1軸 1 0及び第 3軸 1 4と直交するようにして、 第 3関節 1 5の第 3軸 1 4の軸心か ら離間した位置で第 3関節 1 5に上腕部 1 6を介して連結されている。 1 ι 他の構成は第 1の実施形態のものと全く同一である。
かかる構成の人型ロポットの腕体 3では、 肩関節 5を特異点状態に動作させた 状態で、 肘関節 6を、 肩関節 5の第 1軸 1 0 (=第 3軸 1 4 ) の回りに回転させ て、 図示のように胴体 1の側方側 （より詳しぐは、 第 2軸 1 2よりもロボットの 左側） に位置させたときには、 該肘関節 6は第 1乃至第 3軸 1 0， 1 2， 1 4の 交点を通る水平面 Sよりも上方に存在することとなる。
一方、 肩関節 5の特異点状態において、 肘関節 6を、 胴体 1の内方側 （より詳 しくは、 第 2軸 1 2よりも口ポットの右側） に第 1軸 1 0 (=第 3軸 1 4 ) の回 りに回転させたときには、 該肘関節 6は前記水平面 Sよりも下方に存在すること となる。 しかるに、 実際には、 腕体 3が頭部 2や胴体 1に干渉するため、 肩関節 5の特異点状態において肘関節 6を胴体 1の内方側の任意の位置に回転させるこ とはできず、 該肘関節 6を胴体 1の内方側に回転させ得る範囲は比較的小さなも のに限られる。 そして、 このように、 肩関節 5の特異点状態において肘関節 6を 胴体 1の内方側に位置させて作業を行う機会は少ないと考えられる。 また、 肩関 節 5の特異点状態において該肘関節 6を胴体 1の側方側に回転させた状態では前 記水平面 Sよりも上方に該肘関節 6が位置するため、 このような状態で作業を行 うことは基本的には無い。
従って、 本実施形態においても、 腕体 3による通常的な作業は、 ほとんどの場 合、 肩関節 5の非特異な状態で行われ、 腕体 3の円滑な動作性を確保することが できる。 産業上の利用可能性
本発明にかかる人型作業ロボットの腕体構造は、 人間の腕の動きと同じような 動作をロボットの腕体に行わしめるマスタ一スレーブ方式の人型ロポットにおい て有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 第 1軸の回りに回転自在に胴体に連結された第 1関節と、 該第 1軸と交差す る第 2軸の回りに回転自在に前記第 1関節に連結された第 2関節と、 該第 2軸と 交差する第 3軸の回りに回転自在に前記第 2関節に連結された第 3関節とから成 り、 且つ第 1乃至第 3関節の各軸が一点で交わるように設けられた肩関節と、 該 肩関節の第 3関節に連結された肘関節とを具備した人型作業ロポッ卜の腕体構造 において、
前記肩関節を構成する前記第 1関節の第 1軸と前記第 3関節の第 3軸とが同軸 となる該肩関節の特異点状態に該肩関節を動作させると共に前記肘関節を前記胴 体の側方に位置させた状態で、 該肘関節が前記第 1乃至第 3関節の各軸の交点を 通る水平面よりも上方に存するように、 前記肩関節の第 1関節乃至第 3関節の位 置及び姿勢、 並びに該第 3関節に対する前記肘関節の位置が設定されていること を特徴とする人型作業ロボットの腕体構造。
2 . 前記肘関節は、 前記第 3関節の第 3軸の軸心上で該第 3関節に連結され、 前 記肩関節は、 その第 1関節が前記第 1軸を前記胴体から該胴体の側方側であって 斜め上方に向けた姿勢で該胴体に連結されると共に前記第 2関節及び第 3関節が 該肩関節の前記特異点状態において前記第 1関節から肘関節に向かって順番に前 記第 1軸の軸心上に並ぶようにそれぞれ第 1関節及び第 2関節に連結されている ことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の人型作業ロボッ卜の腕体構造。
3 . 前記肘関節は、 前記第 3関節の第 3軸の軸心から離間した位置で該第 3関節 に連結され、 前記肩関節の第 1乃至第 3関節の位置及び姿勢は、 前記肩関節を前 記特異点状態に動作させると共に前記肘関節を前記胴体の側方側の任意の位置に 前記第 3軸の回りに回転させた状態で、 該肘関節が前記水平面よりも上方に存す るように設定されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の人型作業ロボ ットの腕体構造。
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