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    公开号:WO1984004722A1
    申请号:PCT/JP1984/000009
    申请日:1984-01-18
    公开日:1984-12-06
    发明作者:Shinkichi Himeno
    申请人:Yushinkaihatsu Yk；
    IPC主号:B25J9-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 閻節ロボッ ト 技術分野
    [0002] 末発明は、 2以上のリ ンクからなる リ ンク系を有する関節ロボッ 卜 に関し、 多関節指、 多関節腕、 歩行制御ロボッ ト等に適用され る。
    [0003] 技術背景
    [0004] 関節により連結された複数のリ クからなる多関節リ ンク系を有 する多関節ロボッ トが、 稲垣荘司著 「産業用ロボッ ト入門」 （大河 出版、 1982年） に記載されている。 この口ポッ ト では、 各リ ンクの 位置制御と各関節に加わる トルクの制御が、 各関節ごとに配置され ている 1個のァクチユエ一タ、 例えば電動モータ、 油又は空圧シリ ンダ等を駆動することによって行われる。 リ ンクの位置制御を行ラ ときは、 対応するァクチユエ一タを駆動するこ とによ り閬節の曲げ 角を変化させてリ ンクに変位を与える。 闋節の曲げ角は関節ごとに 配置されている角度センサーにより検出され、 その検出値が制御装 置から指示されている曲げ角の目標値と比較される。 曲げ角の検出 値が目標値と一致するようにァクチユエータが働かされ、 その結 果、 リ ンクは目標位置に制御される。 また、 各関節に加わる トルク の制御は、 その関節のために配置された 1個のァクチユエータを、 その関節に必要とされる トルクの大きさに対応した強さで ¾動する ことにより行われる。
    [0005] このように、 上記のロボッ ト では、 リ ンクの位置制御のとき も閧 節に加わる トルク制御のときも、 各関節に 1つ設けられたァクチュ エータ により所要の方向に関節が ¾動される。
    [0006] 岡田 ： 「柔軟性のある人工の手 J (第 5回バイオメ カニズムシン ポジゥム （1S 77) 、 会報） には三指の多 M節ロボッ トが記載されて いる。 これは、 各関節ごとに正方向又は逆方向に関節を ¾動する一 対の ¾動ケーブルが蛇管を通じて配置され、 ¾動ケーブルを電磁ク ラ ッチを介してモータ一で引張り、 個々の閟節を駆動するものであ る。 この口ポッ トでは、 各関節に 2 ¾の題勖ケ一ブルが配置されて いるが、 関節を正方向に屈曲させるときほ一方のケーブルのみが使 用され、 関節を逆方向に屈曲させるときは他方のケーブ^のみが使 用される。 2つのケーブルが同時に使用されることはない。 関節が 所要の 1方向へ駆動されるときに 1つのァクチユエータのみが使用 される点で、 前記 「産業用ロボッ ト入門」 記載のロボッ ト と同様で ある。
    [0007] このような従来の関節ロボッ トには以下のような欠点があつた。 まず、 位置制御するとき、 第一に各関節の曲げ角の検出値を目標 値との差に比例した大きさの ¾動力でァクチュエータの翳動を行う ものであるために、 位置制御が完了した後は、 関節にはリ ンク系を 支える程度のわずかな 動力した働かない。 この時、 衝擊荷重がひ ンク系に加わると、 サ一ポ系の応答遅れが必ず存在するために、 補 正 ¾動力が働き出すまでの間にリ ンクの大きな位置ズレが生じる。 即ち、 位置制御されたリ ンク系の剛性が低いために、 衝擊荷重がた とえ予期されるときでもこれに待機し耐えることができない。
    [0008] 第二に、 リ ンクが目穰位置に近づく とァクチユ エ一タへの ¾動信 号の大きさが微小になり ァクチユエータの ¾動出力も零に近づ く。 と ころで、 駆動出力は零点近傍即ち立ち上り部分と限界出力付 近では通常非線型となり、 その中間で線型となる。 したがって、 上 記従来技術のロポッ トでは、 リ ンクが目標位置に近づく と、 駆動信 号と駆動出力が非線型である領域で位置制御を行ラことになリ、 ァ クチユエ一タの正確な制御は困難となる。 その結果、 リ ンクの位置 诀め精度も良く ない。
    [0009] 第三に、 従来技術のリ ンク系には比較的大きな、 機械ガタが存在 する。 ァクチユエータの ¾動力の一部がこの璣械ガタに吸収されて しまい、 実際のリ ンクの動きが意図される動き よ り小さくなる傾向 がある。 位置制御の際に目標位置近傍で必要と される リ ンクの微小 な動きでは、 実際の動きと意図された動きとの差異が相対的に大き く なり 、 これも リ ンクの正確な位置決定を困難にする。
    [0010] 各関節ごとに配置されたプーリ一に巻きつけた一対のケ一ブルの 張力の差によつて関節を憩動する トルク制御能を有する閬節形マ二 ビユレ一タが、 高瀬外により提案されている （電子技術総合研究所 彙報、 Vo l . 37， N o . 3 ( 1973 ) ； 第 4回国際ロボッ ト シ ンポジ ウム ( I S IB)、 1374年 1 1月 （東京） 、 会報） 。 このマニ ピュ レータほ多関 節リ ンク系を合むが、 各関節ごとに配置された一対のケーブルは、 他の関節には最小限度の ト ルク しか年えないように構成されてい る。 したがっ て、 関節数の 2倍の数の題動ケーブルが必要であ る。
    [0011] 発明の開示
    [0012] 太発明は上述の従来技術の不利を除く こ とを目的と してなされ た。
    [0013] よって、 太発明の目的ほ、 位置制御の精度が高く 、 リ ンク系の剛
    [0014] _ OMFI 、 JiPO 性を必要に応じて高くできるために衝撃荷重に耐えることができる 関節 πポッ トを提供することである。
    [0015] 太癸明の別の目的は、 少ない数のァクチユエ一タによつて前記目 的を達成し得る多関節口ボッ トを提供するこ とである。
    [0016] 太癸明によると、 1又は 2以上の関節によリ線状に連結された 2 以上の リ ンクからなる リ ンク系を有する閬節ロボッ トであって、 各 関節ごとに少なく とも 1つ設けられた、 該リ ンク系の全体又は一部 に対して一定の方向及び Z又はその逆方向の トルクを加えることが できるァクチユエータと、 前記リ ンク系の最遠位のリ ンクに結合さ れた可撓性の線状張力伝達部材であって、 前記ァクチユエ一タのう ち最遠位の関節のために設けられたァクチユエ一タが動作中に最遠 位の関節に加える トルクの方向と逆方向の トルクをリ ンク系のすべ ての M節に加えることができる部材とを備えている闋節ロボッ トが 提供される。
    [0017] 末明細書において、 リ ンク系の取付基部に近い側のリ ンクを 「近 位」 の リ ンク、 リ ンク系の先端に近い側のリ ンクを 「遠位」 の リ ン ク といラ。
    [0018] *発明において用いられる可撓性の線状張力伝達部せはリ ンク系 のすベての関節に トルクを与えることができるァクチユエータであ る。 したがって、 末発明の関節ロボッ トには少なく とも関節の回転 自由度数プラス 1個のァクチユエータが必要である。 可撓性の線状 張力伝達部材が、 注目 しているリ ンク系の全関節に ト ルクを年え得 るためには、 その一端が最遠位のリ ンクに結合され、 適当なガイ ド' により近位のリ ンクの中心軸から齄れた状態で ¾動装置へ導びかれ る必要がある。 ガイ ドは、 張力伝達部豺の走行を規定するものであ
    [0019] こ':'. ί Ι - ればよ く 、 例えばプー リ ー、 リ ングなどがある。
    [0020] 太発明で使用される可撓性の線状張力伝達部材は、 例えば、 ケ一 プル、 ワ イヤ、 チェーン、 ベル ト、 歯付きベル トがあげられ、 その 材料と しては、 金属、 合成樹脂、 形状記憶合金、 複合材料等があ る。
    [0021] 术癸明の関節ロボッ ト において、 各関節ごとに設ける必要がある ァクチユ エ一タ と して種々のタ イプを使用する こ とができる。 例え ば、 前記の張力伝達部材、 トルクモータ、 油圧も し く は空圧シリ ン ダ、 ソ レ ノ イ ド、 電動モータ、 電磁ク ラッチ等があげられ、 また形 状記億合金の温度制御による伸縮等を利用する こ と もできる。 トル クモータのようなァクチユエ一タほ取付けられた関節にのみ トルク を与える。 一方、 張力伝達部材ゃ形状記憶合金のようなァクチュ ェ一タは、 使用法によつて 1又は 2以上の閟節に トルクを与えるよ うにすることができる。
    [0022] 术癸钥のロボッ トでは、 動作中に、 関節に一方向に曲げようとす る駆動力とその逆方向の題動力を同時に加えることができ、 そのと き リ ンク系は相反する方向の窿勖力の ¾立のために一種の緊張状態 にある。 *明細書ではそれを 「内的緊張」 と以下称する。
    [0023] 太発明の関節ロボッ ト は高い精度で位置制御を行ラことができ る。 特に、 リ ンク系が目標位置に近づいた時にこの効果ほ大き く発 揮される。 リ ンク系を運動させているときでも、 位置制御終了後の 静止状態でも、 リ ンク系を内的緊張状態におく こ とができる。 この とき リ ンク系の剐性が高まつているので外部から衝擊荷重があつて も余り位置ズレが起らないように耐えることができる。 外部からの 衝擊荷重の大きさが予期できる場合は、 内的緊張度を調整してこれ
    [0024] / _ ΟΜΡΙ ー PO に待機する ことができる。
    [0025] 太発 の閭節ロボッ トは、 リ ンク系が 2以上の関節を含む多関節 ロボッ トである場合に特に有利である。 この場合でもァクチユエ一 タの数ほ、 関節数即ち自由度数プラス 1で足リ る。 勿論さらにァク チユ エ一タを必要にょリ設けることができるが、 通常は必要ない。
    [0026] *発明の多関節ロボッ トの一実施態様として、 太発明に係る リ ン ク系が 2以上連なって大リ ンク系を形成する場合がある。
    [0027] また、 太発明においてァクチユエ一タと して使用される張力伝達 部封は、 その一端が結合される リ ンク に至る途中の 1又は 2以上の 個所で分岐し、 分岐したその部材のセグメ ン トが第 2位以下の 1又 は 2以上のリ ンク に結合していてもよい。 この実施態様によれば、 多関節のリ ンクの一部の関節における過度の屈曲が自動的に是正さ れ、 リ ン ク系の一様な屈曲が達成される。
    [0028] なお、 *癸明の機構を、 多関節ロボッ トの全ての闋節に必ずしも 設ける必要はなく、 とリわけ微妙な操作が必要とされる部分にのみ 用いてもよい。 また、 一つの関節に 2以上の回転 （ビボッ ト） の自 由度が存在する場合には、 各々の自由度の正逆両方向について翳動 手段を設けてもよい。 したがって、 *発明に係る リ ンク系の遠位及 び/又は近位に従来のリ ンク系が違結されていてもよい。
    [0029] 以下、 *発明の関節ロボッ トを具体的に説明する。
    [0030] 図面の簡単な説明
    [0031] 第 1 〜 5図は、 末発明の一闋節リ ンク系 BI節ロボッ トの実施態様 を表す。
    [0032] 第 6図及び第 7図ほ、 末発明の多関節リ ンク系関節 Dボッ トの実 施態様を表す。
    [0033] Ο ΡΙ 第 8図は、 太発明のリ ンク系を二つ含む多閟節リ ン ク系の例を示 す
    [0034] 第 9 図 A〜 Cは、 分岐した張力伝達部材を使用する実施例を表 す。
    [0035] 発明の実施態様
    [0036] 第 1 図の実施態様は一関節リ ンク系を舍み、 関節のァクチユエ一 タ と して 2末のケ一ブルが使用されている。 2本のケーブルは、 こ の実施例では等価に動作し得る。 図において、 1 a ， 1 bは リ ン ク、 2はピボッ トで構成される関節、 ^は関節の曲げ角、 3 a , 3 bはケーブル、 4はリ ンク取付け基部である。 リ ング 1 aほピボッ ト に よ つ て構成される関節 2 で矢印 Xで表される正方向及び矢印 Y で表される逆方向に回動できる。 ケーブル 3 a ， 3 bはリ ンク 1 a の正方向 （X ) を向く側面及び逆方向 （Y ) を向 く側面にそれぞれ 接続されている。 5 ， 5はガイ ドプー リ で、 リ ン ク 1 b に固定さ れ、 ケーブル 3 a ， 3 bを関節 2に対して トルクを加え得るように ガイ ドする。 6 a ， 6 bは副制御装置であリ、 7は主制御装置であ る。 副制御装置 6 aは題動装置 8 a、 長さセ ンサ 9 a、 V— F変换 器 10 a、 現在値カウ ンタ l l a、 比較器 12 a、 差分増幅器 13 a、 追従 カ ウ ン タ 14 a、 駆動制御回路 15 aから成る。 ¾勖装置 8 aはケープ ル 3 aの長さ又は張力を可変できる装置である。 長さセ ンサ 9 a は、 ボテンショメータの铀上にケーブル 3 aを巻きつけ、 ケーブル
    [0037] 3 aの長さの変化を抵抗値に変換することによって、 ケーブル 3 a の先端から取付基部までの長さを検出する。 6 b も副制御装置であ リ 、 副制御装置 6 aと同様の構成である。 主制御装置 7では、 ケー ブル 3 a , 3 bの長さ及 張力を制御するために、 長さ及び張力の
    [0038] O PI IPO 目標値が設定され、 副制御装置 6 a ， 6 bに位置信号及び張力信号 と して出力される。
    [0039] 次にこの ボッ ト の動作について説明する。 リ ンク 1 aの先端 l a 'を位置 （X o)から位置 （X n)に変位させる場合について説明す る。 主制御装置 7により、 ケーブル 3 aの張力及びケ一ブル 3 bの 長さの目標値が設定される。 ケーブル 3 aに張力がかけられた状態 でケーブル 3 bの長さが块まれば、 回動する関節は II節 2—つであ るので、 リ ンク 1 aの先端 1 a'の位置は一義的に定まる。
    [0040] 主制御装置 7から ¾動制御回路 15 aへの張力信号に基づいてケー ブル 3 aに張力がかかり、 関節 2は回動を始め、 ケーブル 3 bは受 動的に伸ばされる。
    [0041] 刻々のケ一プル 3 b の長さは長さセンサー 9 b によってモニター され V— F変換器 10 b、 現在値カウンター l i b を経て比較器 12 bへ 入力される。 他方、 ケープ/レ 3 bの長さの目標値は位置信号と して 主制御装置 7から追従カウンタ一14 bに出力され、 比較器 12 bに入 力される。
    [0042] 比較器 12 bではケーブル 3 bの現在の長さと 目標値の比較を行 い、 も しケーブル 3 bの長さがまだ不充分であれば差分増巾器 13 b への出力は行わない。 ケーブル 3 bの長さが目瘵値を超えた場合に は、 その差にあたる信号を差分増幅器 13 bに出力し、 題動制御装置 15 bによってケーブル 3 bの駆動装置 8 bを働かせ、 ケーブル 3 b をひきもどす。 このようなフ ィ ー ドバッ クにより、 目的の位置 ( X n)にリ ンク 1 aの先端 1 a'を移動することができる。 この間、 ケーブル 3 aの張力は一定である。
    [0043] 以上の制御過程においてほ、 リ ンク先端 1 a ' の位置が X o から X n へ移動する間ではケーブル 3 aのみが駆動され、 先端 1 a 'が目 標位置 Χ π を超えるとケーブル 3 aに加えられている張力以上の張 力をケーブル 3 b にかけ、 関節 2を目的の位置に引き戻すこ とにな る。
    [0044] この制御法で一応の位置決めが可能であるが、 現在値カウンタ一 1 1 bの信号を比較器 12 bだけでなく主 御装置 7へも出力し、 この 値のモニタ一に基づいて、 リ ンク先端 l a 'が目標位置 X n に近づく につれ闋節 2の回動を減速するために、 主制御装置 7よリケ一ブル
    [0045] 3 bの¾動制御装置 15 bに張力信号を出力し、 目標位置 X n にゆる やかに近づく ようにすると、 より好ましい位置制御が可能となる。
    [0046] いずれの制御法を採るにせよ、 制御の最終段階ではケーブル 3 a が常時一定の張力を保っているのに対しケーブル 3 bの張力を目標 位置からのズレを少なくするように増減するこ とによつて位置決め を行う。 つまリ、 ケーブル 3 a及びケーブル 3 bが同時に鏖動され ており 、 その ¾動力の差によって関節 2の回動が行われるのであ る。
    [0047] 別の制御方法の一例を、 第 2図に即してさらに具体的に説明す る。 ケーブル 3 aに T i の張力が働いている下でほ、 何らの補正も 行わないと、 リ ンク 1 aの先端 l a'は真の目標位置 X n よ り も
    [0048] C T 1 = α · ø 、 αはサーボ系の増幅率） だけ行き過ぎた が実 際の停止位置となる。
    [0049] したがって、 停止位置を真の目瘵位置と一致させるために、 目標 位置を Φ ( = 1/ )だけ補正した位置に予め設定しておけばよ い。
    [0050] 第 3 図は、 リ ンク 1 aを負荷 Wの存在下で位置制御する場合であ
    [0051] O PI る。 主制御装置 7 ょリ出力されるケーブル 3 aの張力命今と、 ケ一 ブル 3 bの位置命令に基づき、 最終的には、 ケーブル 3 aの張力及 び負荷 Wによる閭節 2を： X方向に回動させる トルク と、 ケ一ブル 3 bの張力による Y方向へのトルクとが目標位置で均衡した状態にな る。
    [0052] 指で物を一定の力で握ったリする場合にほ、 リ ンク の位置でな く、 K節で発生する トルクを制御する必要が出てく る。 この場合に は主制御装置 7ょリ、 ケーブル 3 a ， 3 b各々への張力命今を、 各 々の張力の差が必要とされる閬節トルクになるように設定すればよ い。 例えば、 関節 2の X方向への トルクを 100 Nm と したい場合、 ケ一ブル 3 aの張力による トルク 120 、 ケーブル 3 bの張力に よる トルク 20 Nmでもよいし、 ケ一ブル 3 aによる 200 Nm 、 ケ一 ブル 3 bによる トルク 100 Nm でもよい。 要するに両ケーブルによ る癸生 トルクの差が所定の関節トルクになるようにすれば良く、 ど の組合せにするかほ、 後に述べる如く、 状況に応じて自由に設定す る。 上記実施態様は: 癸明の関節 ボッ トの最も簡単なもののひ とつだが、 *発明の特徴が簡潔に表われている。 そこで、 この実施 態様に即して未願癸明 crボッ トの利点をあげる と次のとおり であ る。
    [0053] ( i ) 位置制御終了後も、 ケーブル 3 aの張力と、 これに拮抗する ケーブル 3 bの張力のために、 リ ンクの位置あるいは関節の曲げ角 をそのまま保持しょうとする内的緊張が関節に存在する。 そのため に、 外からの衝撃荷重等があっても、 リ ンクの位置ズレが小さく抑 えられる。 通常の動作中は、 この例でのケーブル 3 aの張力は小さ 〈てよいが、 強い衝撃が予測される場合には、 予めケーブル 3 aの 張力を上げて、 これに拮抗するようにケーブル 3 bの張力も上げる こ とで関節の内的緊張度を上げ、 衝擊に対して身構えるように して おく こ とができる。 すると衝擊による位置ズレは最小限に抑えられ る。 .
    [0054] ( i i ) ァクチユエータへの駆動信号ほ、 リ ンクが目標位置に接近し てもケーブル 3 aへの張力命今値近傍の値となる。 したがって、 目 標位置からの偏位が微小になつても ¾動出力を線型性の高い領域で 制御する こ とができ る。 したがっ て リ ン ク の位置块め精度が高 い。
    [0055] ( H i )位置決めの際、 サーボメ カニズムによ り リ ンクを目標位置近 傍を往復させながら次第に目標位置へ収束させる場合、 例えば関節 を X方向への椠動.から Y方向への ¾動へと反転する際、 従来のよう にいずれかの方向への顯動力しか働かない場合には、 反転後最初の ァクチユ エ一タの動きは機械ガタに吸収されてしまい、 このため正 確な位置決めが困難であった。 しかし、 末実施態様のように、 X Y 両方向に張力がかかり、 両者の差によって関節の回動を制御する場 合は、 関節に内的緊張があるため、 リ ンク同士が関節部で強く押し 合ラこ とになり、 互いに位置エネルギーが最小になる部位に拘束さ れるこ と となる。 このため本来は必ず存在する機械ガタが消失する ことになリ、 位置決め精度が著しく向上する。
    [0056] 以上述べてきた *癸明のロポッ 卜の利点は、 関節の回動に関して 互いに拮抗関係にあるァクチユエ一タ同士が、 同時に作動すること によって初めて可能となるものである。 即ち、 互いに拮抗閬係にあ るァクチユエ一タを同時に作動させると、 互いの出力が打消しあつ てしま うため、 外に対しての仕事能力は減少し、 一見不合理なよう
    [0057] ΟΜΡΙ であるが、 関節の緊張度を、 予想される衝擊の大きさ、 位置块めの 要求精度等によって隨時変化させることによリ 、 補って余リ ある操 作性の向上が得られるのである。
    [0058] 第 4図ほ末発明の別の実施態様を示すものであリ、 18は ト ルク モータであり、 リ ンク l a ， l bを連結する閬節となる。 17は角度 センサ一、 18ほ トルク制御用ケーブル、 5はガイ ドプーリである。
    [0059] 副制御装置 6 bは ¾動制御装置 15 bのみで構成され、 他の構成は第
    [0060] 1図の実施例と同様である。 第 1図の実施例と同一要素には同一の 番号が付されている。 トルクモータ I Sの正方向又は逆方向への回転 によ り 、 閬節の曲げ角 Φを変更することでリ ンクの位置制御ができ る。 位置制御のみを目的とする場合にほ、 従来技術におげると同様 に、 位置信号を トルクモータ 18に与え、 闋節 2の回勖による リ ンク
    [0061] 1 aの変位を位置センサ 17で検出すればリ ンク 1 aの位置制御ほで きる。 ここで、 リ ンク 1 aの逆方向 （Y ) を向 く側面に結合されて いる ト ルク制御用ケーブル 18に所要の張力を年えれば、 トルク制御 用ケーブル 18の張力に対抗して、 リ ンク l aを制御された位置に保 つように、 副制御装置 6 &の¾動制御装置 15 aから トルクモータ 18 に トルク制御用ケーブル 18の張力に対応した題動信号が与えられ、 トルクモータ 18が ¾勖される。 こう して、 リ ンク l aの位置が変位 しないよう位置制御される。
    [0062] この例で明らかなように、 位置制御を行う際の位置センサ一とし ては、 関節に設けられた角度センサ一 （17) でもよいし、 また、 前 の例で示したように、 張力伝達部材の長さセンサーでも良い。
    [0063] 第 5 図は ¾発明の第三の実施例を示す。 リ ンク 20 bの上端の凸曲 面 20b ' と リ ンク 20 aの下端の凹曲面 20a'が摺動可能に当接されて 51 .
    [0064] O PI 節を形成している。 リ ンク 20 aの下部の対向する側面にケ一ブル 21 , 22が結合され、 両者の張力により この関節は維持される。 ケ一 ブル 2 1 , 22はこの関節に トルクを加えることができるようにリ ンク 226 の側部に沿って取付け基部の方へ導かれている。 ケーブル 21， 22の長さの変化により この関節は屈伸する β
    [0065] この実施例によれば、 関節にジョ イ ン ト ビボッ ト を用いることな く 、 リ ンク 20 a と 20 bを連結できるので、 リ ン ク 20 aの曲げ角の範 囲を 1 80。 以上に,すること でき、 関節ロボッ ト の作業範囲、 適用 範囲が拡大する。 また、 リ ンク 20 aの凹曲面 20 a'と リ ンク 20 bの凸 曲面 20 が摺動するため、 従来のァクスルを使用した関節のように 連結部での応力集中はなく、 関節が損傷しに く い。
    [0066] 第 6 図は术発明のさらに別の実施態様である多関節指を表す。 リ ンク 3 1， 32， 33 , 34が閡節 I , Π , ΙΠによりそれぞれ連結されてい る。 関節 I ， Π , ΙΠのそれぞれのァクチユエータ と してケーブル b , c および dがリ ンク 31 , 32及び 33の下部の側面に結合されてい る。 ケーブル b及び dが図示の Y方向を向く側面に結合され、 ケ一 ブル cがその反対方向の： X方向を向く側面に結合されている。 さら にこの多関節指の最遠位リ ンク 31の近位部には X方向を向く側面に ケーブル aが結合されている。 各ケーブルは対応する関節及びそれ よ リ近位の関節に X方向又は Y方向の トルクを加えることができる ようにガイ ド 5 を介して取付け基部 4の方へ導びかれている。 即 ち， 例えば、 ケーブル aは関節 I， Π及び ΠΙのすべてに対して X方 向の ト ルクを加えることができ、 逆にケーブル bは関節 I， Π及び ΙΠのすべてに対して Y方向の トルクを加えるこ とができる。 ケープ ル cは関節 II及び ΠΙに X方向の トルクを加えることができる。 この多関節指の屈伸はケーブルの長さの変更によリ行ラことがで きる。 各リ ンクの位置は 3太のケ一ブルの長さで诀定される。 例え ば、 リ ンク系を図 5に示す位置に制御するには、 ケーブル b， c , dの長さを块定することでリ ンク系の位置は块まる。 この種の多関 節リ ン ク システムでは、 一般に、 閟節の数 （自由度の数） と同数の ケーブル数の長さが块定すれば、 各 M節の位置は一義的に決定され る。 ケーブル 3 aはこの意味でほ冗長であり、 リ ンク系の位置块定 には不要である。 しかし、 ケーブル 3 aに張力を芋えれば、 リ ンク 1 a ， 1 b ， 1 cの位置制御を乱さないようケーブル 3 b , 3 c , 3 dほ所要の張力で各リ ンクを引張ることになる。 こうして、 リ ン ク系は、 その全侓に内的緊張が存在する状態で位置制御されること になる。
    [0067] 上記の説明からわかるように、 一般に、 2以上の関節を有する多 閬節リ ンク系において、 各関節ごとに設けられたケ一ブルのほかに 最遠位リ ンクに結合するケーブルが少なく とも 1末存在すれば、 全 ての 51節に拮抗する正方向のトルクと逆方向の トルクを同時に与え るこ とができ、 リ，ンク系全体に内的緊張をもたらすこ とができる。
    [0068] 次に第 6図において、 リ ンク系の先端が物体 Wに Pの力を作用さ せる場合を説明する。 外部の物体に対してべク トル Pの外力を及ぼ すことは、 一： Pの仮想的な反力を想定し、 この反力と該リ ンク系の 均衡を考えれば良い。 反力べク トルー ： Pが、 関節 I ， Π ， ΠΙに対し て持つ トルクを - : ，一 L 2，一 L 3 とする。 各ァクチユエ一タの張 力を 〜 T 4 と し、 各ァクチユエータが、 各関節に対して トルク をかける際のレバ一アームの長さを λ Πとする。 こ こで、 λ Πとは ァクチユエータ j の関節 i に対するレバーアー ムである。 例えば、
    [0069] 一一 OMH 入 aiはァクチユエータ aの関節 I に対する レバ一アー ムである。 こ こで、 各関節ごとに全て トルクの均衡が成立するから、 行列の形で 表現する と、 λ bi λ t>2 入 入 ¾4 CD し 入 （：1 入 C2 A_ C3 入 G4
    [0070]
    [0071] となる。 なお、 例えば T4 は閟節 I ， IIに対して作用を持たないの で λ 34 = λ b4= 0である。 方向を時計まわりを正と している。
    [0072] 未知数が Ti 〜 T4 の計 4個あるのに対して、 式は 3 しかないの で、 解は無数に存在する。 逆に言えば 〜 T 4 のうち、 一つを隨 意に決定して、 張力信号として年えれば、 残り の 3つは位置信号に 基づいて、 一義的に块定される。 例えばケーブル aの張力 Ti を随 意に与えるものとする。 ところで， 各ァクチユエ一タには出力可能 な範囲が限定されているので、 全く勝手に を与えると、 他のァ クチユエータが追隨できない場合も生ずる。 これを防止するため、 次の演算を行う。 要するに連立方程式を解く問題なので、 ん a2， λ b3, をピボッ トにして掃き出し箕を行うと、
    [0073] - λ al 1 - 0 0 - rT i 1 Γ L 1 一
    [0074] λ 0 1 0 T2 = L 2 (2)
    [0075] - λ ，ci 0 0 1 - τ3 し
    [0076] T4 」
    [0077] となる。
    [0078] f OMFl 書きなおすと、
    [0079]
    [0080] 従って、 (4)
    [0081] この各々の不等式よリ求められる Τ 1 の共通範囲が を設定しう る範囲となる。
    [0082] 従って、 この範囲の内よリ、 作業目的に応じて T i を決定し、 他 のケーブル b , c ， dに関しては長さ （位置信号） を与えてやるこ とにより、 この リ ンク系は一義的に制御される。 この際、 各関節が 緊張状態で制御されるために、 前に述べたような耐衝擊性、 位置块 め精度の向上はもちろんある。 さらに、 例えば関節 ΠΙの トルク制御 に関していえば、 正方向にせよ、 逆方向にせよ、 2太のァクチュ ェ一タが駆動方向に関与できるので、 出力の最大値を大きくするこ とが可能となる。
    [0083] 第 7図は多関節指の別の実施態様を示す。 第 6図の多関節指にお けるケーブル bのみを残し、 ケーブル a ， c及び dを トルクモータ
    [0084] P ， q及び rにおきかえたものである。 この多関節指に内的緊張を 生じさせて動作させるときは、 トルクモータ P ， q ， rはそれぞれ 関節 I ， Π ， ΠΙに X方向のトルクを与え、 ケーブル bが 3闋節 I , Π ， ELすべてに Y方向の トルクを年える'ことになる。
    [0085] O PI 第 8 図は多関節指の別の実施態様を示す。 この多関節指には术発 明のリ ンク系 A及び Bが含まれている。 遠位リ ンク系 Aの最近位リ ン クが近位リ ンク系 13の最遠位リ ンク に連結されている。 各リ ンク の間の閟節 I ' 〜！ 7 ' は トルクモータにより構成されている。 リ ン ク系 Aのためのケーブル Xの一端がリ ンク 4 1の側面に結合され、 関 節 I ' と II ' に ト ルクを与え得るようにガイ ドされた後、 リ ンク 4 1 の側部からリ ンク系の中心铀を通って ¾動装置 （図示せず） に導び かれている。 したがって、 ケーブル Xはリ ンク系 Bの関節 ΠΓ , 17 '
    [0086] には ト ルクを加えることはない。 リ ンク系 Bのためにはケ一ブル y
    [0087] が リ ン ク 43に結合されている。
    [0088] 第 9 図 A〜Bは分岐した張力部材を有している多関節リ ンク系の 別の実施態様を表す。 リ ンク 5 1 , 52 , 53が関節 I ， Πによリ連結さ れ、 駆動用ケーブル 54 , 55 , 58がリ ンク 5 1 , 5 1， 52にそれぞれ結合 されている。 ケーブル 54はリ ンク 5 1に至る前に分岐し、 一方のセグ メ ン ト 54 aがリ ンク 5 1に至り、 他方の分岐したセグメ ン ト 54 bがリ ンク 5 1よ り遠位のリ ンク 52に接続されている。
    [0089] 指で物を把むためには多関節指の全関節が一様に屈曲してゆく必 要がある。 この場合リ ンク系の トルク制御が行われるが、 そのとき 関節の位置制御は直接には行われない。 したがって、 各関節の摩擦 の大き さに大きな差異があつたり、 突然の荷重がリ ンク系の一部の リ ン ク に加わったりすると、 全関節の屈曲が一様でなく なることが ある。
    [0090] 第 9 図 Bは闋節 Iが過度に屈曲した状態を表す。 このときセグメ ン ト 54 aには大きい張力が働いて関節 Iのそれ以上の曲がり を抑制 する。 一方、 セグメ ン ト 54 bは弛緩するので関節 Π の曲がリが促進
    [0091] OMPI される。 こう して屈曲の不均一は是正される。 第 9図 Cは、 反対に 閬節 Πが過度に屈曲した状態を表す。 この場合はセグメ ント 54 bに 大きな張力が働く反面、 セグメ ント 54 aほ弛緩し、 同棒の原理で屈 曲の不均一は是正される。 こう して、 上記実施態様によれば、 多関 節リ ンク系がトルク制御モ一 ド下にあるときでも、 リ ンク系の一様 な屈曲が実現される。
    [0092] 産業上の利用可能件
    [0093] 太癸明の関節 πボッ トは、 各種産業用、 医科用等の種々の分野の おける多関節跑、 多関節指など、 歩行制御ロボッ ト などに利用する ことができる。
    [0094] OMPI
    [0095] - VflPO
    权利要求:
    Claims 19 請求の範囲
    1 . 1 又は 2以上の閬節により線状に連結された 2以上のリ ンクか らなる リ ンク系を有する閟節ロボッ トであって、 各閟節ごとに少な く と も 1つ設けられた、 該リ ンク系の全体又は一都に対して一定の 方向及び 1又はその逆方向の ト ルクを加えるこ とができるァクチュ エータ と、 前記リ ンク系の最遠位のリ ンク に結合された可撓性の線 状張力伝達部材であって、 前記ァクチユエ一タのうち最遠位の関節 のために設けられたァクチユエータが動作中に最遠位の関節に加え る トルクの方向と逆方向のトルクをリ ンク系全関節に加えることが できる部材とを備えている関節ロボッ ト。
    2 . 請求の範囲第 1項記載の関節ロボッ ト であ っ て、 遠位リ ンク系 の最近位リ ン クが近位リ ン ク系の最遠位リ ンク に連結される よう に、 2以上の前記リ ンク系を有する関節ロボッ ト。
    3 . 請求の範囲第 1項記載の関節ロボッ トであ っ て、 前記の張力伝 達部材が最上位のリ ン ク に至る途中の 1 又は 2以上の個所で分岐 し、 分岐した部材のセグメン トが第 2位以下の 1又は 2以上のリ ン クに結合している関節ロボッ ト。
    4 . 請求の範囲第 1 〜 3項のいずれか 1 項記載の関節 πボッ トで あって、 各関節ごとに設けられたァクチユエ一タが、 可撓性の線条 状張力伝達部材、 電動モータ、 トルクモータ、 空圧シ リ ンダ、 油圧 シリ ンダ、 ソ レ ノ イ ド、 電動モータ、 電磁クラ ッチ及び瘟度制御に よ り伸縮する形状記憶合金から選ばれる関節ロボッ ト。
    5 · 請求の範囲第 4項記載の関節ロポッ トであ っ て、 各関節ごとに
    own 設けられたァクチユエータの全部又は一部が関節の上側リ ンク に結 合された可撓性の線条妆張力伝達部おであつて、 しかも前記上側リ ンク に至る途中の 1又は 2以上の個所で分岐し、 分岐した部材のセ グメ ン トがより下位の 1又は 2以上のリ ンク に結合している関節口 ボッ ト。
    6 . 請求の範囲第 6項記載の関節ロボッ トであ っ て、 前記リ ンク系 の近位及び Z又は遠位に従来のリ ンク系が連結されている関節口 ボッ ト 。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPS59219182A|1984-12-10|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1984-12-06| AK| Designated states|Designated state(s): US |
    1984-12-06| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): CH DE FR GB |
    1984-12-20| CR1| Correction of entry in section i|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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