(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
腕接合部と握り部を備えたマスタアーム用手首機構であって、該腕接合部は中央にアームとの接続機構を備え両端部に握り部を互いの間に支持する第１および第２の側梁を備え、該握り部の１端部と前記第１側梁および第２側梁の間をそれぞれ第１および第２のリンク機構により接続したもので、該リンク機構がそれぞれ第１のリンクと第２のリンクにより構成され、第１リンクの一端が第１回動軸により前記側梁に回動可能に接続され、該第１リンクの他端と該第２リンクの一端が第２回動軸により互いに回動可能に接続され、該第２リンクの他端が第３回動軸により前記握り部の一端に回動可能に接続され、前記第１リンクと第２リンクそれぞれの第１回動軸と第２回動軸の延長が該握り部内の前記腕接合部に対して固定された１点で交差して握り部の回転中心点を形成し、操縦者が該回転中心点位置で該握り部を握って操作できるように構成されることを特徴とするマスタアーム用手首機構。
【請求項２】
前記握り部の回転中心点が前記接続機構の軸の延長上にあって、該接続機構が軸の回りに回動することを特徴とする請求項１記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項３】
前記握り部の外側が、前記第１および第２リンク機構の第２リンク同士の交差角変化に対して１／２回転するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項４】
前記腕接合部は、さらに、スレーブアームに発生する反力を前記握り部に伝達するモータと前記第１回動軸の動きを検出する回転検出器が設置され、前記第１回動軸が該モータと該回転検出器に連結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項５】
前記握り部の前記リンク機構が接続される端部の反対側の端部に力センサを配置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項６】
前記第１と第２のリンク機構の第１回動軸同士がなす角度を鈍角にして操縦者の手で握り部を扱いやすくすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項７】
前記握り部の傾き可能角度を方向によって決められた範囲に調整するように前記第１回動軸と第３回動軸がなす角度を選択したことを特徴とする請求項６記載のマスタアーム用手首機構。
【請求項８】
前記第１と第２のリンク機構の第１回動軸同士がなす角度が約１２０°であり、前記第１回動軸と第２回動軸がなす角度が約８０°であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマスタアーム用手首機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット等をマスタスレーブ方式で操作するためのマスタアームに関し、特にスレーブアームのトルクを正確にフィードバックするための手首機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間協調・共存型ロボットシステムでは、人間型ロボットを遠隔操作するために使用する軽量可搬なマスタアームが求められる。
マスタアームは人が手で動かして、その動きを操作対象のスレーブアーム、たとえば人間型ロボットのアームを動かすもので、軽く操作できかつスレーブアームが受けた力とトルクをマスタアームを通じて操縦者に正確にフィードバックすることが求められる。
【０００３】
従来、産業用ロボットなどでは、ロボットアームの手首と同じような構成を有する手首機構を用い、手に対応するレバーをつかんで操作するようなマスタアームが用いられてきた。この形式のマスタアームは、スレーブアームに発生するトルクを一端を回転軸に固定したレバーの反力として操縦者の手に伝達するもので、トルクが偶力でなく平行力に変換され、また同じ強さのトルクでも方向によって操縦者が受ける感覚が変化する。さらに、手の動きを容易にするためカウンタバランスを設けるので、全体の重量が大きくなって簡単に持ち運んだりすることができない。
なお、手首にジンバル機構を取り入れたマスタアームを用いると、回転軸の交差する点を握って操作するので操縦者は正確にトルクを感ずることができる。しかし、リンクを直列につなぐためジンバル機構が大型になりマスタアームを軽量化することは難しい。
【０００４】
さらに、ジョイステックの根本に直交する２個のリンクを接続しジョイステックの傾きをリンク軸の回転角に関連付けるようにしたもので、２自由度のトルクをリンク軸の回転角を介してフィードバックすることができるジョイステックが提供されている（たとえば、米国イマージョン社（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｉｎｃ．）製インパルスエンジン）。こうしたジョイステックは、力フィードバック用のモータや検出器を可動部に置かないため軽量化ができるが、トルクは平行力としてフィードバックされるため、正しい力伝達ができない。また、２自由度の動きによりジョイステックの握り部分が捻れるため、ジョイステックが軸回りに自由回転できるようにして捻れを取るので、３自由度について力フィードバックをさせることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、軽量であって、かつスレーブアームで発生するトルクを向きにかかわらず正確に操縦者に伝達できるマスタアームの手首機構を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のマスタアーム用手首機構は、腕接合部と握り部を備えたもので、腕接合部は中央にアームとの接続機構を備え両端部に握り部を互いの間に支持する第１および第２の側梁を備え、握り部の１端部と第１側梁および第２側梁の間をそれぞれ第１および第２のリンク機構により接続する。そして、第１および第２のリンク機構はそれぞれ第１のリンクと第２のリンクにより構成され、第１リンクの一端が第１回動軸により側梁に回動可能に接続され、第１リンクの他端と第２リンクの一端が第２回動軸により互いに回動可能に接続され、第２リンクの他端が第３回動軸により握り部の一端に回動可能に接続されていて、握り部における操縦者が握る位置に対応した回転中心点の近傍を第１回動軸、第２回動軸および第３回動軸の延長が通るようになっていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のマスタアーム用手首機構はリンクの回動軸の延長が握り部内の回転中心の近傍に集まっているため、操縦者が握り部を動かすときには手で握り込んだ位置を中心として回転し、スレーブアームに動作を教示するときにレバー式のように手の位置が変化することがない。また支持するリンク機構は２本のリンクを組み合わせて軽量に構成できるので、マスタアームを必要なところに持ち運んで使用することも簡単にできる。
なお、さらに握り部の回転中心点がアームとの接続機構の軸上にあれば、手首の動きをより正確になぞらせることができる。また、系が単純になるため、力の伝達に関する演算が簡単になる。さらに、接続機構が軸の回りに回動するようになっていれば、操縦者が握り部を回転させるときに側梁が一緒に回転するため、操縦の際に操縦者の手首が側梁に当たって邪魔になるようなことがない。
【０００８】
本発明のマスタアーム用手首機構は、握り部の外側が、第１リンク機構の第２リンクと第２リンク機構の第２リンクとの交差角変化に対して１／２回転するように構成されていることが好ましい。
操縦者は握り部の外面を握って運転するのであるが、握り部表面がいずれかのリンクに固定されていれば、握り部がリンクの運動に従って捻れてしまい正しい力伝達ができない。また握り部が自由に回転するようにすれば、手首の捻れを伝達することができない。しかし、２個のリンク機構の間で中間位置を保持するようにすれば、手首の回転についても伝達することができるようになる。
そこで、たとえばギア機構などを用いて、２本のリンクの開閉運動に対して丁度半分の動きをさせることにより、リンクの変位を原因とする握り部表面の運動を相殺して中立を保持するようにした。
【０００９】
また、１対のリンク機構に対応してそれぞれ２基ずつのモータと回転検出器を腕接合部に固定していて、たとえばベルトなどにより第１回動軸にモータと回転検出器が連結させるようにすることができる。
操縦者がマスタアームを操作してロボットアームに指令を与えると共にロボットアーム手首にかかる力覚を得ることができるようにすることが望まれる。このため、第１回動軸の回転を測定する回転検出器を設けて手首の姿勢変化をスレーブロボットの腕の動きに変換し、またスレーブアームで発生した力をモータで発生するトルクを介してマスタアーム手首に伝えるようにして操縦者に力覚提示できるようにする。
【００１０】
従来のマスタアームでは、これら検出器やモータなどが可動部に取り付けられていたため、操縦者が動かす部分の重量が過重になって余分な慣性力が作用し、操縦性が悪くまた正確な力覚を伝達することが難しかった。
本発明の手首機構では、モータや回転検出器を腕接合部に固定するため、操縦者の手が扱う可動部の重量は小さくなり、操縦性と力提示性能が向上し、また手首機構の可搬性が向上する。
【００１１】
さらに、握り部のリンク機構が接続される端部と反対側にあって通常カウンタウェイトを設置する端部に力センサを配置するようにしてもよい。
握り部の一端にリンクが接続されているときは、これらの荷重を相殺できるようにするため反対側の端部にカウンタウェイトを設けることが好ましい。そこで、操縦者が手首に与える力を測定する力センサをこのカウンタウェイトの一部としてカウンタウェイトと一緒に設けることにより、センサを付属することによる荷重の増加を回避して軽量な手首機構とすることができる。
【００１２】
さらに、本発明の手首機構は、第１リンク機構の第１回動軸と第２リンク機構の第１回動軸とがなす角度、すなわちベース角度を鈍角に拡げて、操縦者の手首を受け入れやすくして握り部を扱いやすくすることが好ましい。
握り部が傾くことができる範囲は、２個の側梁に挟まれた方向（Ｘ軸方向）と２個の側梁と平行な方向（Ｙ軸方向）とで異なり、またベース角度によっても異なる。さらに、第１回動軸と第２回動軸がなす角度によっても変化し、この角度が小さくなるにつれて、Ｘ軸方向の可動範囲は大きくなり、Ｙ軸方向の可動範囲は小さくなる。
【００１３】
したがって、ベース角度に対して第１回動軸と第２回動軸がなす角度を適正に選択することによりＸ軸とＹ軸の可動範囲を決められた値に設定することができる。ベース角度を鈍角にしたときは、上記角度を鋭角にすると握り部の可動範囲についてＸ軸とＹ軸のバランスを取ることができる。
なお、２基のリンク機構の第１回動軸同士がなす角度を約１２０°とし、リンク機構内の第１回動軸と第３回動軸がなす角度を約８０°とすると、ＸＹ両軸方向にほぼ同じ７５°程度の可動範囲がとれるので特に好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマスタアーム用手首機構について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の手首機構を示す斜視図、図２は本実施例における握り部のギア機構を示す一部切り欠き斜視図、図３は握り部のカウンタウェイト部を示す一部切り欠き斜視図、図４は本実施例の手首機構をマスタアームに組み込んだ状態を示す斜視図、図５はベース角度等を説明するための握り部上方からみた平面図、図６と図７は握り部の可動範囲を示す線図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例のマスタアーム用手首機構１００は、ブリッジ部１とグリップ部３から構成される。ブリッジ部１は基盤１１とその側端に設けた側梁１２，１３によりＵ字形に形成される。
基盤１１にはマスタアームの腕と接続する接続軸１４とベルトを介してこれを駆動するモータと接続軸の回転数を計測する回転センサ１５を搭載している。
また、側梁１２，１３はそれぞれ基盤側根元に軸を共有する回転センサ１６，１７とモータ１８，１９を備え、軸の先端にプーリ２０，２１を備える。また、側梁１２，１３の先端にはそれぞれプーリ２２，２３が設けられ、これらプーリがベルト２４，２５で連結されて根元側プーリ２０，２１と一緒に回転するようになっている。
【００１６】
グリップ部３は握り部３１とリンク機構３２、３３で構成される。
リンク機構３２，３３はそれぞれＬ字形に形成された第１リンク３４，３５と第２リンク３６，３７からなる。
第１リンク３４，３５は一端に第１の回動軸３８，３９を有し、この回動軸が側梁１２，１３の根元側プーリ２２，２３に固定されていて、リンクがプーリと一体に回動するようになっている。また、第１リンク３４，３５の他端は、第２の回動軸４０，４１を介して第２リンク３６，３７の一端と回動自在に接続されている。
【００１７】
第１回動軸３８，３９の軸延長と第２回動軸４０，４１の軸延長は握り部３１の軸延長とほぼ１点Ｏで交わるように配置される。点Ｏは握り部３１の回転中心となる。
また第２リンク３６，３７の他端は、それぞれ握り部３１の先端で一緒になり握り部３１の軸と一致するように設けられた第３の回動軸４２に対してそれぞれ独立に回動するようになっている。
握り部３１は、操縦者が握る部分が円筒形に形成され、第３回動軸４２の反対側端部にカウンタウェイト６１が取り付けられている。
【００１８】
なお、第３回動軸部分には、図２に示すようなギア機構５１が設けられている。ギア機構５１は、第２リンク機構３３の第２リンク３７に固定された第１ギア５２と、第１リンク機構３２の第２リンク３６に回転可能にセットされたシャフト５３に固定された第２ギア５４および第３ギア５５と、握り部３１の外筒に固定されたシャフト５６の先端に設けられた第４ギア５７からなる。
第１ギア５２と第２ギア５４のギア比を１：１とし、第３ギア５５と第４ギア５７のギア比を１：２としたときには、第２リンク機構の第２リンク３７を図中で右側に開くと第１ギアが左回転し第２ギアが開き角と同じ角度だけ右回転するので、第２ギアと一体に回転する第３ギアにより駆動される第４ギアは第２リンクの開き角の半分の角度だけ左回転する。
【００１９】
また、第２リンク機構の第２リンク３７が静止していて第１リンク機構の第２リンク３６の方が図中で左方向に開くときには、第４ギア４７は第３ギア５５の回転角の１／２だけ右方向に回転する。
したがって、第４ギア４７に固定された握り部の外筒は第２リンク３６，３７に対して中立の位置に保持されることになる。
【００２０】
また、握り部の一部を切り欠いて示した図３から分かるように、握り部３１の末端にはリンク機構の荷重の影響を相殺するためのカウンタウェイトを収めるカウンタウェイト部６１が設けられているが、ここに操縦者が握り部３１に与える力を測定する力センサ６２を収納することができる。力センサ６２の荷重によりカウンタウェイトの全部または一部を代替すれば、可動部に力センサを付加しても無用の荷重を付加することにならない。
【００２１】
本実施例の手首機構１００は、たとえば図４に示すように、接続機構１４を用いてマスタアーム２００の先端に取り付けられる。マスタアーム２００にはリンクごとに軸回りの回転を測定する回転検出器とスレーブアームからフィードバックされる力を発生するモータが設けられていて、操縦者が握り部３１を握って手の位置を規定すると、マスタアームのリンク機構の運動に基づいてスレーブアームのリンク機構における移動量を算出して教示するとともにスレーブアームが発生する反力を操縦者が感知できるようにフィードバックする。また、リンクに対する負荷重量を相殺して操縦者がリンク機構を簡単に動かせるようにするため各リンクごとにカウンタウェイトを配置してある。
【００２２】
操縦者が握り部３１を傾けると、第１回動軸３８，３９が回動し、この回動量を回転検出器１６，１７が検出して、図外の演算回路がその出力から握り部３１の傾きを算定し、これに対応するようなスレーブアームのリンク変化量を算定して手首の姿勢を変化させる。なお、握り部３１の回転中心位置Ｏは手首機構１００が移動しない限り姿勢が変化してもその空間位置を保持するので、傾きの計算は容易である。
【００２３】
操縦者が姿勢の指示をするときには、握り部３１の回転中心Ｏを手の中心に握り込むようにすれば、従来の操縦桿式姿勢指示機構とは異なり位置変化を伴わずに手の姿勢変化を指示するようになるので、操縦者はより自然かつ直感的に操縦することができる。
また、重量を持ったモータや検出器はブリッジ部１に設置されるので、手首の運動に対する慣性抵抗とならず、小さな力で操縦することができる。なお、手首の回転力を検出する力センサ６２は握り部３１に付設されているが、カウンタウェイトとして利用しているので、余分な慣性抵抗にならない。
【００２４】
さらに、スレーブアームで発生するトルクをマスタアーム２００とその手首機構１００にフィードバックする場合にも、握り部３１に伝達される力は、モータ１９，２０からベルト２４，２５を介して第１回動軸３８，３９を回転させることにより回転中心Ｏの回りの偶力として操縦者の手に与えられる。すなわち、従来例のように力を伝達するためにレバーを傾斜させて平行力として伝えるものと比較して、モーメントを純粋に伝達するので、正確な力フィードバックに基づいてスレーブアームを的確に操縦することができる。
【００２５】
また、握り部３１の外筒を中立的な位置に対して軸の回りに回転させると、その回転力を力センサ６２で測定しスレーブアームに伝達して、手首を対応する量だけ回転させることができる。
なお、接続機構１４が握り部３１の回転に伴って回動するようになっているものでは、握り部３１を掴んだ操縦者の手首に伴って腕が回転しても腕の動きに応じて手首機構１００全体が回転するので、腕が側梁１２，１３に当たってそれ以上動かせなくなるような不都合を生じない。
【００２６】
操縦者が握り部３１を掴むときに手首を挿入し易くするため、握り部を上方から見た図５に示すように、第１リンク機構の第１回動軸３８と第２リンク機構の第１回動軸３９の間の角度αがたとえば１２０°などの鈍角になっている。ここではこの角度αをベース角度と呼ぶ。
なお、リンク同士の関係から握り部３１の傾き角には限界があって、しかも２個の側梁１２，１３に挟まれた方向（Ｘ軸方向）と２個の側梁と平行な方向（Ｙ軸方向）で異なる。またベース角度αによっても異なり、さらに、第１回動軸と第２回動軸がなす角度θによっても変化する。角度θをリンク広がり角度と呼び、第１リンク３４，３５の曲がり角度φをリンク角度と呼ぶ。リンク角度φとリンク広がり角度θは互いに補角をなす。
【００２７】
図６は、ベース角度αを９０°としたときの握り部３１の動作角度範囲をリンク角度φを変化させて観察した結果を図示したものである。また、図７はベース角度αが１２０°のときの動作範囲をリンク角度φに対してプロットした線図である。
この２枚の線図から、リンク角度φが大きくなるにつれて、すなわちリンク広がり角度θが小さくなるにつれて、Ｘ軸方向の可動範囲は大きくなり、Ｙ軸方向の可動範囲は小さくなることが分かる。そして、ベース角度９０°のときは、リンク角度φが９３°付近でＸ軸方向とＹ軸方向の傾き可能な動作角度がほぼ等しくなり、ベース角度φが１２０°のときには、リンク角度φが約９８°で動作角度がほぼ等しく７５°程度になることが分かる。
したがって、手首を挿入しやすい１２０°のベース角度αを選択したときに、リンク角度φを１００°、リンク広がり角度θでいえば８０°にすると、手首を任意の方向にほぼ等しく傾けることができる。
なお、リンク広がり角度θを選択することにより方向による動作角度範囲が適当な比率になるように重みを付けて調整することもできる。
【００２８】
以上説明したように、本実施例のマスタアーム用手首機構によれば、モータ、検出器を握り部に配置せずブリッジ部に配置し、力センサをカウンタバランス位置に配置するので、手首機構の軽量化が図れ、必要な場所に移動して使用する場合にも簡単に対応することができる。
また、握り部の内部に回転中心があるので、スレーブアームの手に発生するトルクを偶力としてフィードバックすることができトルク提示が等方的になる。さらに、握り部がリンクの動きに対して中立的に動くようになっているので、手の回転運動を正確に伝達することができる。
さらに、ベース角度とリンク広がり角度が適当に選択されているため、手首が挿入しやすく、かつ握り部の傾き可能範囲が全方向についてほぼ等しくなっている。
【００２９】
なお、本実施例の手首機構では、第１リンク機構と第２リンク機構の第２リンクが握り部の同じ端部に回動可能に接続されているが、それぞれ別々に両端部に接続したものも同じ技術的思想に属し、同じ作用と効果を呈することはいうまでもない。
また、本実施例の手首機構は、机上に固定されたマスタアームに組み込んだ状態について説明したが、操縦者の腕に沿ってアームが配置されるようなマスタアームに組み込んで使用することもできる。
さらに、図ではモータと回転検出器をそれぞれ別のものとして表示しているが、モータの回磁電流から回転速度を検出するものなどモータと回転検出器が一体になったものを使用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のマスタアーム用手首機構は、マスタアームに取り付けて使用すると、小型軽量な上、慣性抵抗も小さく、手の位置制御に干渉されないで手の姿勢を制御できる。また、スレーブアームで発生するトルクを等方的に操縦者の手にフィードバックするので、実際と近い感触に基づいてスレーブアームの手を操作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例にかかるマスタアーム用手首機構の斜視図である。
【図２】本実施例における握り部のギア機構を示す一部切り欠き斜視図である。
【図３】本実施例における握り部のカウンタウェイト部を示す一部切り欠き斜視図である。
【図４】本実施例の手首機構をマスタアームに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図５】本実施例の握り部を上方からみた平面図である。
【図６】本実施例における握り部の可動範囲を示す線図である。
【図７】本実施例における握り部の可動範囲を示す第２の線図である。
【符号の説明】
１  ブリッジ部
３  グリップ部
１１  基盤
１２，１３  側梁
１４  接続軸
１５  回転センサ
１６，１７  回転センサ
１８，１９  モータ
２０，２１，２２，２３  プーリ
２４，２５  ベルト
３１  握り部
３２，３３  リンク機構
３４，３５  第１リンク
３６，３７  第２リンク
３８，３９  第１回動軸
４０，４１  第２回動軸
４２  第３回動軸
５１  ギア機構
５２  第１ギア
５３  シャフト
５４  第２ギア
５５  第３ギア
５６  シャフト
５７  第４ギア
６１  カウンタウェイト部
６２  力センサ
１００  マスタアーム用手首機構
２００  マスタアーム
【図１】
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【図２】
0003573731.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003573731.tif 000006
【図６】
0003573731.tif 000007
【図７】
0003573731.tif 000008