JP2003145455A - マスタアーム用手首機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量で、かつスレーブアームで発生するトル
クを向きによ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。 【解決手段】 アームとの接続機構１４と第１側梁１２
および第２側梁１３を備えた腕接合部１と、端部と第１
側梁および第２側梁の間をそれぞれ第１リンク機構３２
および第２リンク機構３３により接続することにより２
つの側梁の間に支持される握り部３１を備えたもので、
リンク機構３２，３３はそれぞれ第２回動軸４０，４１
により回動可能に接続された第１リンク３４，３５と第
２リンク３６，３７により構成され、第１リンクの一端
が第１回動軸３８，３９により側梁に回動可能に接続さ
れ、第２リンクの一端が第３回動軸４２により握り部の
一端に回動可能に接続されていて、第１回動軸と第２回
動軸の延長が操縦者が握る位置に対応した回転中心点Ｏ
の近傍を通るようにする。

Description

【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１
１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１
６，１７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３
２、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１
２，１３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４
０，４１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５
５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２
００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１０
０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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 家中 良太 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工業 株式会社野田工場内 Ｆターム(参考） 3C007 JT05 KS33 3J105 AA02 AA12 AB47 AB50 AC01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【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、前記握り部は操縦者が握る位置に対応し
   て回転中心点を有し、前記第１回動軸と第２回動軸の延
   長が該回転中心点の近傍を通るようになっていることを
   特徴とするマスタアーム用手首機構。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。