計測自動制御学会東北支部 第 297 回研究集会 (2015.10.23)
資料番号 297-8

超軽量アームの肩部機構の設計
Design of a Shoulder Mechanism for Ultra-Lightweight Arm○鈴木佑也，妻木勇一○ Yuya Suzuki, Yuichi Tsumaki
山形大学

Yamagata University
キーワード : 肩部機構 (shoulder mechanism)，軽量ロボットアーム (lightweight robot arm)，ワイヤ機構 (wire mechanism)，ホームロボット (home robot)

連絡先 : 〒 992-8510 山形県米沢市城南 4 丁目 3-16
山形大学大学院 理工学研究科機械システム工学専攻 妻木研究室
鈴木佑也，Tel&Fax: 0238-26-3252, E-mail: tca44921@st.yamagata-u.ac.jp

1.

序論が 5.2 kg と軽量である．しかし，可搬重量が 1.6

現在様々なホームロボットが研究・開発されている．これまで開発されてきたホームロボット用アームは，安全性を確保するため動作スピードが抑えられている．ロボットが家庭や一般社会に普及するには，コストに見合った快適なサービスを実現できることが必要であると考えられる．すなわち，人と同じスピードでサービスが行えるロボットの開発が必要である．人に対して安全でかつ素早く動作することができる軽量なロボットアームが求められている．
比較的軽量で力強いアームの例として，DLRの Light Weight Robot III が挙げられる 1) ．このロボットアームは，7 自由度を有しているが，kg とやや小さく，動作もゆっくりである．
軽量なアームを実現するためには，ワイヤ駆動が適している．大鐘，兵頭らによって開発されたワイヤ駆動アームは，7 自由度を有しており，重量が 3.5 kg である 4) ．全てのモータを固定部に配置しているため機構が複雑である．
そこで我々は，超軽量ロボットアームの開発を目指し，パラレルワイヤ機構を用いた手首機構を提案・開発してきた．本論文では，肩部機構としてワイヤ駆動の球状関節を新たに提案し，プロトタイプの設計について述べる．

2.

超軽量アームの設計概念

制御システムをアーム本体に含むため重量が 15

アームの慣性モーメントを小さくするために，kg である．これは，人の腕（約 3.4 kg）に比べると重い 2) ．

全てのアクチュエータを肩部近傍に設置する．

より軽量なアームとして，Kinova 社が開発した Jaco がある 3) ．6 自由度を有しており，重量度，肘部 1 自由度，肩部 3 自由度の計 7 自由度をアームの自由度は，人間と同様に手首部 3 自由有するものとする．ワイヤ機構を採用するが，全–1–てのモータを土台部に配置するのではなく，肩3.2部のモータは土台部に配置し，肘部・手首部のモータは上腕部に配置する．これにより簡易な機構とする．このようなロボットアームの概念
図，基本構成を Fig. 1 に示す．手首部，肘部の計 4 自由度は開発済みである 5) 6) ．
以下に軽量アームの主な仕様を示す．

• 手首の回転中心から 80 mm 部分で可搬重
量 3 kg（ハンド重量 1 kg 含む）

ワイヤ固定方法

簡単にワイヤを固定するために，プーリに Fig. 3（a）に示すような加工を行った．Fig. 3（b）のようにステンレスワイヤに端子を専用工具で固定し，Fig. 3（c）のように溝に引っ掛けてワイヤを固定する．

3.3

ワイヤ駆動部• 人間の腕よりも軽量

動力伝達方法は 3D システムズ社製のファントムに採用されているものを参考にした 7) ．ワ• 姿勢 3 自由度

イヤ駆動部を Fig. 4 に示す．アクチュエータに• 人間の腕と同サイズ取り付けられているプーリにワイヤ径に合わせ3.

肩部機構

3.1

機構

た溝を掘り，ワイヤを 3 回ほど巻きつけている．
これにより，ワイヤが滑りづらくなると考えられる．また，モータ側プーリはワイヤを介して設計したロボットアームの肩部を Fig. 2 に示大プーリと接触しており，ワイヤテンションにす．肩部 3 自由度用のモータは土台部に配置さより発生するモーメントが，プーリ軸に影響をれており，各軸が１点で交わる球状関節を構成与えない工夫を行った．

している．円管を利用することでねじり関節を超えて動力伝達をしており，ワイヤ機構が複雑になるのを防いでいる．モータはマクソン社製

4.

上腕部機構の 60 W モータと減速比 1:100 のハーモニック

Fig. 5 に設計した上腕部を示す．上腕部に取ギアを 3 セット使用した．このように，アクチュり付けられている 6 つのモータは，ぞれぞれ肘，エータはアーム根元に配置することで，可動部手首，ハンド（把持指）部を制御するモータであの軽量化を図っている．

る．マクソン社製の 20 W モータと減速比 1:50

Z

J1J2

ShoulderJ3J4Forearm
HandUpper arm
J5BaseX

J6YJ7Fig. 1

Concept design of the lightweight arm–2–Fig. 2

Shoulder mechanism

Z(a)(b)YArm fixed part(c)Fig. 3

Wire ﬁxed part

Wire
Upper arm mechanism

Fig. 4280.7mm(606.7mm)

326mm

Fig. 5

Wire winding portionのハーモニックギアを 6 セット使用した．モータの配置はアーム可動部の重力の影響を軽減さ

Fig. 6

Lightweight arm prototype

せるために，肩部 3 自由度の回転中心近傍に集約させカウンターバランスを得られるようにし状では人の腕（約 3.4 kg）よりも重くなってした．このことは，アーム先端の慣性モーメントまったが，今後更なる軽量化を進める．

を小さくすることにもつながる．

6.
5.

プロトタイプ結論

3 自由度の肩部を 3 本のワイヤで駆動する新製作した軽量アームのプロトタイプを Fig. 6に示す．アーム全体の重量（土台を含む）は 7.24

しい肩部機構を提案し，プロトタイプを設計・製作した．

kg となり，可動部の重量は 3.35 kg となった．肩部回転中心から肘までが 326 mm，肘から手首

参考文献

部回転中心までが 280.7 mm である．1 kg 程度のハンドを装着するため，約 4.3 kg となる．現–3–1) A. Albu‐Schaﬀer, S. Haddadin, Ch. Ott, A.
Stemmer, T. Wimbock, G. Hirzinger, TheDLR lightweight robot: design and control
concepts for robots in human environments,
Industrial Robot: An International Journal,
Vol. 34 Iss: 5, pp. 376–385, 2007
2) R. F. Chandler, C. E. Clauser, J. T. McConville, H. M. Revonolds, J. W. Young, Investigation of Inertial Properties of the Human Body, Final report. April 1972-Dec 1974.
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4) 大鐘大介, 兵頭和人, 小林博明, 非線形バネ要素を持つ 7 自由度腱制御アームの機構と制御, 日本
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6DOF,
http://www.ddd.co.jp/products/geomagic
phantom premium15-6dof/–4–