JPH085034Y2 - マニピユレ−タ関節トルク検出機構 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本考案はマニピュレータなどの関節に作用するトルク
を検出するマニピュレータ関節トルク検出機構に関す
る。

B.考案の概要 本考案はマニピュレータにおける関節軸への動力伝達
にベルトを用い、このベルトにテンションプーリを圧接
して該テンションプーリの受ける反力を力センサで検出
して当該ベルトの張力を測定することにより前記関節軸
に作用するトルクを検出するようにしたものである。

C.従来の技術及びその問題点 例えばマスタースレーブマニピュレータにおいては、
スレーブ側のアームにおけるトルクを検出し、このトル
クに応じてマスター側のアームにトルクを与えて操作す
る人間に操作感を与えている。このようなマニピュレー
タ等においてトルクを検出する手段として、通常歪ゲー
ジが使用される。この歪ゲージは接着剤等により貼り付
けて使用されるため、小型のサーボモータを応用したマ
ニピュレータ等においては、接着剤が歪ゲージの貼付部
に侵食してこの貼付部の長期間における劣化が問題とな
る。この歪ゲージの貼付部の劣化は歪ゲージの剥離等を
招くことになり、トルク検出を良好に行うことができな
くなる虞がある。そこで、この劣化を抑制するためにベ
ローズによって密封するなどの手段が採られるが、この
ために大型化を招いてしまっていた。

一方、駆動装置として使用するモータ等の電流から駆
動トルクを求めることができる。しかし、この場合には
減速装置における機械効率の低下が大きいため、出力軸
のトルクを精度良く求めることができなかった。

本考案は上記問題点に鑑み、構造が簡単かつ検出精度
の良いマニピュレータ関節トルク検出機構を提供するこ
とを目的とする。

D.問題点を解決するための手段 前記目的を達成する本考案の構成は、動力の伝達にベ
ルトを用い、このベルトの張力を測定することによりト
ルクを検出することを特徴とする。

E.作用 動力伝達にベルトを用いることにより動力伝達のロス
がなく高感度な伝達ができるとともに重量が軽くて慣性
が小さいので応答が早く制御が容易となる。また、この
ベルトにテンションプーリを圧接することによりベルト
の初期張力を容易に調節できるようにするとともに該ベ
ルトの張力の変化を測定してトルクを検出している。

F.実施例 以下、本考案の好適な一実施例を図面を参照しながら
説明する。

本実施例は第３図に示すマニピュレータのマスターア
ームの手先に本考案を応用した例を示す。このマスター
アームは上腕アーム1,前腕アーム2,手首フレーム３及び
グリップ４からなっており、人間がグリップ４を握って
操作を行うようになっている。ここで、上腕１は肩の縦
振りA,肩の横振りＢの動作が可能であり、前腕２は上腕
１に対して肘の曲げＣの動作が可能となっており、手先
部は４自由度を有している。つまり手首フレーム３は手
首の縦曲げＤ及び手首の横曲げＥの動作が可能であり、
グリップ４は手首の回転Ｆができるとともにつかみ動作
のスイッチを有している。

このようなマスターアームでは、スレーブアームが受
ける反作用を操作者に伝達するために、スレーブアーム
の各関節が受けるトルクを測定し、このトルクに応じた
トルクをマスターアームの各関節に与える機構が組込ま
れている。本実施例では手首の回転Ｆに反作用を与える
機構に、本考案の関節トルク検出機構を応用した例を示
す。

第１図及び第２図に示すように手首フレーム３は前腕
アーム２に形成してある図示しない溝に沿って揺動する
（手首の縦曲げＤ）とともに回転する（手首の横曲げ
Ｅ）ようになっており、この手首フレーム３にはグリッ
プ４が軸受11を介して回動自在に設けられている。また
グリップ４にはスレーブアームにつかみ動作をさせるた
めのスイッチ５が設けられている。このグリップ４に固
着された関節軸12には大プーリ13が固着されており、こ
の大プーリ13はモータ14の駆動軸15に設けられた小プー
リ16とタイミングベルト17により連結されている。つま
り、グリップ４はモータ14により回動するときの反力を
与えられるようになっている。そして、このタイミング
ベルト17にはテンションプーリ18が圧接されるようにな
っている。このテンションプーリ17はピン19により回動
自在に支持されているフレーム20に軸21を中心として回
転自在に支持されており、タイミングベルト17が駆動さ
れるとテンションプーリ18は、軸21を中心として回転
し、また、ピン19を中心としてフレーム20が回動するこ
とによりタイミングベルト17の厚さ方向に移動できるよ
うになっている。テンションプーリ18をタイミングベル
ト17に圧接する圧接手段としては押付ねじ22がフレーム
20のタイミングベルト17に対する反対側に設けられてい
る。この押付ねじ22はセンサカバー23に螺合されてお
り、その先端がセンサ受け24及び力センサ25を介してフ
レーム20を圧接するようになっている。この力センサ25
はフレーム25の対向する部分と圧接状態にあり、このフ
レーム25による圧接力（トルク）を検出することができ
る。つまり、押付ねじ22をねじ込むことにより手首フレ
ーム３にねじ込み方向に対して摺動自在に支持されてい
るセンサ受け24が移動してこのセンサ受け24の表面に固
着された力センサ25がフレーム20を押圧し、これにより
テンションプーリ18がタイミングベルト17に圧接され
る。よって、力センサ25はタイミングベルト17からの反
力を検出することができ、この反力の変化を測定するこ
とによりタイミングベルト17の張力の変化、つまりは関
節軸12に作用するトルクを検出することができる。ま
た、このような圧接機構により、タイミングベルト17に
与える初期張力を調整することができる。

このような機構においては、まず、テンションプーリ
18をタイミングベルト17に圧接させて初期張力を与えて
おく。ここで、モータ14によりグリップ４、つまり大プ
ーリ13へトルクを与える場合、例えば第１図で小プーリ
を時計回りに回動させるために大プーリ13を時計回りに
回動させようとすると、タイミングベルト17のテンショ
ンプーリ18側が緩んでテンションプーリ18を介してフレ
ーム20がピン20を中心として反時計回りに回転する。す
ると、フレーム20による力センサ25への圧接力が弱ま
り、この力センサ25の受ける反力が減少する。一方、小
プーリを第１図で反時計回りに回動させるために逆にプ
ーリ13を反時計回りに回動させようとすると、タイミン
グベルトのテンションプーリ18側が張ってフレーム20に
よる力センサ25への圧接力が強まり、この力センサ25の
受ける反力が増大する。

すなわち、本実施例においては、大プーリ13が時計回
り（第１図中）に回動させようとするときのトルクは、
力センサ25の受ける反力（検出値）が小さくなるほど大
きくなり、大プーリ13が反時計回り（第１図中）に回動
させようとするときのトルクは、力センサ25の受ける反
力（検出値）が大きくなるほど大きくなるものである。
本実施例においては上述のような力センサ25の受ける反
力と実際のトルク値との検量線を予め求めておくことに
より大プーリ13、すなわち関節軸12に作用するトルクを
測定することができる。

本実施例においては、スレーブアーム側が受けたトル
クを別途測定して、このトルク値と同等のトルクをモー
タ14の駆動によりグリップ４に与えるようにするわけで
あるが、このときスレーブアーム側のトルク値と上記力
センサ25の受ける反力より求めたトルク値とを比較しこ
れをモータ14にフィードバックすることによりグリップ
４に適正なトルクを与えることができる。

本実施例に示したマスターアームの手先の機構は、人
間の関節の動作に近い関節構成でしかもベルトを動力伝
達に使用しているので、操作する人間に違和感がなく実
際に近いトルクが素早く伝達されるので、安定した操作
が可能となる。

また本実施例においてはベルトとしてタイミングベル
トを使用しているのでさらに位置精度が高くスリップが
皆無で確実な動力伝達が可能となっている。

なお上記実施例では、マスターアームにおいて関節軸
にトルクを与える機構に本考案を応用したが、勿論、ス
レーブアームにおいて関節軸が実際に受けるトルクを測
定する場合に応用することが可能である。

G.考案の効果 以上、実施例とともに具体的に説明したように、本考
案にかかるマニピュレータ関節トルク検出機構によれば
動力伝達にベルトを用いこのベルトの張力から関節軸に
作用するトルクを測定するようにしているので、構造が
簡単で検出精度が高く、しかも応答が早く制御がしやす
い。よって、実施例に示したようにマスターアームにお
ける関節軸にトルクを作用させる機構に応用すれば、応
答が早く実際に近い操作感を確実に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例にかかるマニピュレータ関節ト
ルク検出機構を示す断面図、第２図はそれを用いたマニ
ピュレータのマスターアームの手先構造を示す一部断面
図、第３図はそのマスターアームを概念的に示す説明図
である。 図面中、 ３は手首フレーム、４はグリップ、12は関節軸、13は大
プーリ、14はモータ、16は小プーリ、17はタイミングベ
ルト、18はテンションプーリ、20はフレーム、22は押付
ねじ、24はセンサ受け、25は力センサである。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】第１腕と第２腕とを関節軸を介して回動自
   在に結合したマニピュレータにおいて、駆動源より前記
   関節軸に動力を伝達するベルトを設けるとともに、回転
   自在に支持されるテンションプーリを前記ベルトの厚さ
   方向に移動可能に設け、前記テンションプーリを前記ベ
   ルトに圧接する圧接手段と、前記テンションプーリが前
   記ベルトより受ける反力を検出する力センサとを具えた
   ことを特徴とするマニピュレータ関節トルク検出機構。