JPH0929671A - ロボット関節 - Google Patents

ロボット関節

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JPH0929671A
JPH0929671A JP7183872A JP18387295A JPH0929671A JP H0929671 A JPH0929671 A JP H0929671A JP 7183872 A JP7183872 A JP 7183872A JP 18387295 A JP18387295 A JP 18387295A JP H0929671 A JPH0929671 A JP H0929671A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 結合・分解を容易とするロボット関節を提供
する。 【構成】 １または複数の自由度の屈曲または伸縮可能
な関節１及び関節を駆動するモータ１１及び減速機構１
２と、モータドライバ２１及び制御演算部２２及び関節
パラメータの記憶手段と、相隣接する関節モジュール間
の通信手段と、相隣接する関節モジュール間を電気的に
接続する電源線及び通信線及び補助的接続線と電気的接
続コネクタ３１，３２と、相隣接する関節モジュールを
互いに結合する結合ピン４１及び結合ピンの固定手段４
２及び結合を強化する機械的ガイド部４３からなる機械
的結合機構、を一体として一つの関節モジュールに設置
してなることを特徴とするロボット関節が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は結合・分解を容易とする
ロボット関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、多自由度の動作を実現するロボッ
ト関節は、複数リンクと、リンクを結合する関節からな
り、関節を構成するモータの駆動ケーブル及びエンコー
ダやセンサなどの接続ケーブルはリンク内部もしくはリ
ンクに沿って恒常的に結合されるため、複数リンク相互
の分解は容易でなかった。
【０００３】さらに、全関節は集中した一ヵ所の制御装
置により全て制御されており、関節構造を変更した場合
は、制御装置内の制御プログラムを開発し直す必要があ
った。上記制約により、関節構造を自在に変化させるロ
ボット関節の開発は困難であった。
【０００４】ロボット関節をモジュラ化して、動的に結
合状態を再構成させるシステムの提案は、福田等によ
り、“動的再構成可能ロボットシステムに関する研
究”、という題目で日本ロボット学会第８回学術講演会
予稿集に述べられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記従来のモジュラ化
したロボット関節では、複数の関節相互の分離と結合を
実現できるが、機構は複雑となり関節毎の重量も大きい
ため、ロボットアームのように多数の関節を空間で変形
させる機構を構成することは困難であった。
【０００６】また、複数の関節に対し、機構毎の構造的
パラメータを全体の制御部が管理する必要があり、制御
構造が複雑になるという課題があった。さらに、多数の
関節を接続すると関節毎の座標変換行列演算が増加して
いくという課題もあった。
【０００７】本発明の目的はこれらの課題を解決したロ
ボット関節を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ロボッ
ト関節において、第一として、１または複数の自由度の
屈曲または伸縮可能な関節及び関節を駆動するモータ及
び減速機構と、前記モータを駆動するモータドライバ及
び駆動動作を制御する制御演算部及び関節パラメータの
記憶手段と、相隣接する関節モジュール間の通信手段
と、相隣接する関節モジュール間を電気的に接続する電
源線及び通信線及び補助的接続線と電気的接続コネクタ
と、相隣接する関節モジュールを互いに結合する結合ピ
ン及び結合ピンの固定手段及び結合を強化する機械的ガ
イド部からなる機械的結合機構、を一体として一つの関
節モジュールに設置してなることを特徴とするロボット
関節、及び、第二として、第一の関節として記載のロボ
ット関節において、前記関節をはさんで両側に関節モジ
ュールの構造体となるリンクを設置し、かつ一方のリン
クは隣接関節モジュール結合後の断面の第一の半分片側
を占める形状とし、他方のリンクは前記断面の第一の半
分とは逆側の第二の半分片側を占める形状とし、かつ第
一及び第二のリンク先端に結合ピンを設置し、かつ相隣
接する一方の関節モジュールの前記第一のリンクと他方
の関節モジュールの前記第二のリンクが最も長く接する
部位に機械的ガイド部を設置してなることを特徴とする
ロボット関節、及び、第三として、第一の関節として記
載のロボット関節において、前記関節をはさんで両側に
関節モジュールの構造体となるリンクを設置し、かつ一
方のリンクには第一のロボット関節を構成する要素の
内、電気的接続コネクタの一方及び機械的結合機構の一
方及び関節を除く全てを設置し、かつ他方のリンクに
は、第一のロボット関節を構成する要素の内、電気的接
続コネクタの一方と機械的結合機構の一方のみを設置し
てなることを特徴とするロボット関節、及び、第四とし
て、第一もしくは第二もしくは第三の関節として記載の
ロボット関節において、モータの駆動動作を制御する制
御演算部として、現在の関節変位に対応する隣接関節間
の座標変換行列の算出手段を持つことを特徴とするロボ
ット関節、及び、第五として、第一から第四として記載
のいずれかの関節に該当するロボット関節の組み合わせ
からなりかつ、同一の形状・大きさの複数の前記ロボッ
ト関節を組み合わせたことを特徴とするロボット関節、
及び、第六として、第一から第四として記載のいずれか
の関節に該当するロボット関節の組み合わせからなり、
かつ互いに大きさの異なる前記複数のロボット関節同士
を、結合変換モジュールを介して組み合わせたことを特
徴とするロボット関節、が得られる。
【０００９】
【実施例】本発明の具体的な実施例について図面を用い
て説明する。
【００１０】図１は、本発明の第一の実施例を示す斜視
図である。図において、１または複数の自由度を持つ屈
曲または伸縮可能な関節１は、関節を挟んだ両側のリン
ク２及び３を結合して、関節モジュールを構成する。関
節モジュール内部には、関節を駆動するモータ１１及び
減速機構１２と、モータ１１を駆動するモータドライバ
２１及び駆動動作を制御する制御演算部２２が一体とし
て設置されている。
【００１１】リンク２及びリンク３の端部には、相隣接
する関節モジュール間を電気的に接続する電気的接続コ
ネクタ３１及び３２と、相隣接する関節モジュールを互
いに機械的に結合する結合ピン４１及び結合ピンの固定
手段４２及び結合を強化する機械的ガイド部４３からな
る機械的結合機構が設置されている。
【００１２】図２は、関節モジュールに搭載する制御演
算部２２の構成を示すブロック図である。演算ＣＰＵ２
２１と関節パラメータの記憶手段２２２と、相隣接する
関節モジュール間の通信手段２２３と、相隣接する関節
モジュール間を電気的に接続する電源線２２４及び通信
線２２５及び補助的接続線２２６とが設置され、それぞ
れ電気的接続コネクタ３１及び３２に接続されている。
そこで、演算ＣＰＵ２２１は、制御演算を実行するに必
要な演算回路、メモリ、クロック発生回路、周辺入出力
回路、等を含んだブロックとして示してあり、ワンチッ
プ上に集積しても、複数チップとして実装しても良い。
なお、モータドライバとの接続は省略してある。
【００１３】関節パラメータの記憶手段２２２として
は、読み出し専用メモリなどを使用して関節モジュール
の形状・機構構成に関するパラメータを全て関節モジュ
ール上に搭載する構成と、読み出し専用メモリ若しくは
ジャンパ線などにより単に関節モジュールの番号のみ記
憶し、関節モジュール外部に設けたホスト計算機上に関
節パラメータを記憶する構成のいずれをとっても良い。
【００１４】また、図２に示した制御演算部２２を構成
する各ブロック及びモータドライバ２１は、同一の回路
基板に搭載する構成と、いくつかの基板に分離して搭載
する構成のいずれによっても本発明が実現されることに
は相違はなく、実装上の要請に応じて選択して良いこと
は明らかである。
【００１５】図３は本発明の第２の実施例を示す斜視図
（ａ）及び側面図（ｂ）である。基本構成要素は第１の
実施例と同一であるが、特に、関節１をはさんで両側に
設置したリンク２及びリンク３に関して、リンク２は隣
接関節モジュール結合後の断面の第一の半分片側を占め
る形状とし、リンク３は前記断面の第一の半分とは逆側
の第二の半分片側を占める形状とする。図に示した例で
は、一例として、リンク２は結合後のリンクの上側半分
となり、リンク３は下半分となる形状としている。つま
り、当該関節モジュールのリンク２は、隣接する関節モ
ジュールのリンク３の上側にかぶさるように結合され
る。
【００１６】リンク２及びリンク３の先端には結合ピン
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ及び結合ピン固定手段
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄを設置する。リンク２
の下側の２辺４３Ａ及び、リンク３の上側２辺４３Ｂ
は、それぞれ互いに嵌合しあう機械的ガイドとなるよう
構成する。結合ピンと機械的ガイドにより、複数の関節
モジュールを種々の方向に対する曲げやねじりなどの印
加力に対して強固に結合することができる。
【００１７】また、図３に示す構成では関節１を２方向
に変形可能な２自由度調節とした場合、これを駆動する
ためのモータ１１Ａ及び１１Ｂと、モータに同軸に結合
した減速器１２Ａ及び１２Ｂをそれぞれリンク２及びリ
ンク３の内側に内蔵することができる。通常、大きなト
ルクを発生させるモータ及び減速器は直径は小さくても
長さは長い場合が多い。図に示す構成では隣接する関節
モジュールのモータ及び減速器を上下に重ねて配置可能
なため、複数の関節モジュールを結合した場合にも関節
間の間隔をモータ及び減速器１組分の長さに近づけるこ
とが可能となる。駆動トルクが大きいため、モータと分
離して減速器をより関節１に近い場所に設置した場合に
も、モータを上下に重ねて配置可能なため、複数の関節
モジュールを結合した場合に関節間の間隔を短縮するこ
とが可能である。
【００１８】制御演算部２２及び、モータドライバ２１
は、リンク３に設置することができる。また、リンク２
とリンク３の接合部に電気的接続コネクタ３１及び３２
を設置する。
【００１９】図４は本発明の第３の実施例を示す斜視図
である。基本構成要素は第１の実施例と同一であるが、
特に、関節１をはさんで両側に設置するリンク２及び３
に関し、一方のリンク２には関節モジュールを構成する
要素の内、電気的接続コネクタ３１及び機械的結合機構
を構成する結合ピン４１及び機械的ガイド４３などを設
置する。また、他方のリンク３には、電気的接続コネク
タ３２及び機械的結合機構を構成する結合ピン固定手段
４２及び機械的ガイド４３に加え、関節を駆動するモー
タ及び減速器１０と、その電気的駆動回路及び制御回路
２０を設置する。
【００２０】図４に示す構成によれば、リンク２側には
モータを設置しないので、モータの長さを考慮する必要
が無い。関節の中心から極力短い距離にハンドやカメラ
などの機能部品を取り付けることができ、操作性のよい
関節モジュールが得られる。
【００２１】図５は本発明の第４の実施例を示すブロッ
ク図である。本発明の第１、第２、第３の実施例に搭載
される制御演算部の実施例を示すブロック図である。図
２に示した制御演算部の構成に加えて、現在の関節変位
に対応する隣接関節間の座標変換行列の算出手段２３０
を持つ点が特徴である。
【００２２】関節モジュールに搭載するＣＰＵの演算能
力に余裕がある場合、各関節モジュール上に搭載したＣ
ＰＵにて関節変位を計測後、各関節上で座標変換行列を
計算し、ホスト計算機に転送する構成とする。多数の関
節を接続していても計測した関節変位から座標変化行列
を求める処理は一関節モジュール分のみの演算時間で良
い。座標変換行列を転送する時間がオーバヘッドとして
必要となるが、高速通信線を適用している場合には問題
にならない。このため、全体制御用のＣＰＵの負荷を大
幅に軽減し、複数関節モジュールを結合した機構の全体
制御演算を高速に実行することができる。
【００２３】図６は、本発明の第５の実施例を示す側面
図である。本発明の第１から第４のいずれかに該当する
ロボット関節であって、同一の形状・大きさの複数の関
節モジュールを多数組み合わせている。本発明に従う構
成により、結合する関節モジュール数は適用する作業に
応じて自由に増減することができる。特に、宇宙空間な
ど、重力の影響が微少な環境では、多数の関節モジュー
ルを結合して複雑な作業に適用することが容易である。
【００２４】図７は、本発明の第５の実施例によるロボ
ット関節を駆動した結果の３次元形状を示す図である。
同一の形状の多数の関節モジュールの結合により、３次
元的な形状をとりながらも凹凸の少ない外形であり、複
雑な部分への挿入などが可能となる。
【００２５】図８は本発明の第６の実施例を示す側面図
である。本発明の第１から第４のいずれかに該当するロ
ボット関節であって、互いに大きさの異なる複数の関節
モジュールを直列に多数組み合わせている。このとき、
大きさの異なる調節モジュールは直接は結合することが
できないため、結合変換モジュール４を介して組み合わ
せる。これにより、重力の影響を受ける環境で使用する
場合、ロボット関節を固定する部分に近い関節モジュー
ルは大型かつ大トルクを発生可能な物を使用し、先端に
近づくに従って小型かつ軽量の関節モジュールを使用す
ることができる。これにより、重力の影響を受ける環境
においても多数の関節モジュールを結合し、複雑な作業
に適用することが可能となる。
【００２６】一方、図８の右方に示すように、同一の大
きさのモジュールを結合する場所には、結合変換モジュ
ールは不要である。
【００２７】図９は本発明の第７の実施例を示す図であ
る。本発明の第１から第４のいずれかに該当するロボッ
ト関節であって、互いに大きさの異なる複数の関節モジ
ュールを直列及び並列に分岐させ多数組み合わせてい
る。このとき、大きさの異なる関節モジュールを図８に
示した構成と同様に、結合変換モジュールを介して組み
合わせる。さらに、複数の関節モジュールを分岐させて
結合するため、中心部の結合変換モジュール１０１及び
１０２は特に種々の方向に関節モジュールを結合可能と
する構成としている。更に直列に結合した関節の末端に
はハンドモジュール１０６及び１０７、足モジュール１
０４及び１０５を結合することにより、人間型ロボット
を構成している。
【００２８】図に示した結合変換モジュールを用いる構
成によれば、本発明による類似形状の関節モジュールを
結合し、２本の足及び２本の腕及び首により指向方向を
変化可能な人間状ロボットを構成することができる。
【００２９】図では一例として２本の足及び２本の腕及
び首を持つ構成としたが、結合変換モジュールの構成に
より任意の本数の足や腕や首を持たせることが可能であ
ることは明らかである。
【００３０】以上の各ブロックの構成及び動作は同業者
に容易に類推しうるものであり、さらに詳細な説明は省
略する。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、複数自由度を持ち、機
械的にも電気的にも関節毎に独立し、かつ分離・結合が
容易であるロボット関節が得られる。このため、同一機
構のロボット関節もしくは、機能毎に構成したロボット
関節を用意し、作業要求の変化に応じて組み替え、再構
成することが容易となる。つまり、数多くの作業要求に
対して、あらかじめ用意した少数の種類のロボット関節
を組み合わせることにより適応することができる。
【００３２】また、関節モジュールが故障した場合、故
障した関節モジュールを分離し、同一構成の正常な関節
モジュールと交換することにより、容易に修復すること
ができる。家庭内で使用する応用などの場合、故障時の
容易な修復機能は非常に重要である。この場合にも、関
節モジュールの構成は単純なため、大きな投資無しに故
障に備えたスペアの関節モジュールを用意しておくこと
ができる。故障に備えた関節モジュールは、故障が生じ
ない間は人間型ロボットにおける第３の腕など、他の目
的で活用することも容易である。
【００３３】本発明によれば、機械的ガイドと結合部両
端に設置された結合ピンを用いる構成により、簡単な構
成の結合ピン固定手段によっても、強固に隣接モジュー
ルを結合することができる。また、結合固定は結合ピン
固定手段のみにて実現しているため、分離も容易であ
る。
【００３４】関節モジュール毎に座標変換行列算出手段
を搭載する場合は、結合する関節モジュールの総数が増
加しても座標変換行列の演算時間は増加することが無
く、効率よく制御演算を実行することができる。
【００３５】複数関節モジュールの結合利用に関しては
大きさの異なる関節モジュールの結合のため結合変換モ
ジュールの適用も容易である。このため、大きなモジュ
ールを固定側に使用することにより、重力の影響を受け
る環境で多数の関節モジュールを直列に結合して用いる
ことができる。また、複数のモジュールを分岐して結合
可能な結合変換モジュールを使用することにより、人間
型のロボットを構成することも容易である。
【００３６】以上述べた本発明によれば、単純な形状の
関節モジュールを多数組み合わせて種々の作業要求に対
応が容易なロボットシステムを構成することが容易とな
り、前記従来の課題を解決したロボット関節が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す図。
【図２】関節モジュールに搭載する制御演算部２２の構
成を示すブロック図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す斜視図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す斜視図。
【図５】本発明の第４の実施例を示すブロック図。
【図６】本発明の第５の実施例を示す側面図。
【図７】本発明の第５の実施例によるロボット関節を駆
動した結果の３次元形状を示す図。
【図８】本発明の第６の実施例を示す側面図。
【図９】本発明の第７の実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 関節 ２、３ リンク １１ モータ １２ 減速器 ２１ モータドライバ ２２ 制御演算部 ３１、３２ 電気的接続コネクタ ４１ 結合ピン ４２ 結合ピン固定手段 ４３ 機械的ガイド部 ２２１ 演算ＣＰＵ ２２２ 関節パラメータ記憶手段 ２２３ 通信手段 ２２４ 電源線 ２２５ 通信線 ２２６ 補助的接続線

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ロボット関節において、 １または複数の自由度の屈曲または伸縮可能な関節及び
    関節を駆動するモータ及び減速機構と、 前記モータを駆動するモータドライバ及び駆動動作を制
    御する制御演算部及び関節パラメータの記憶手段と、 相隣接する関節モジュール間の通信手段と、 相隣接する関節モジュール間を電気的に接続する電源線
    及び通信線及び補助的接続線と電気的接続コネクタと、 相隣接する関節モジュールを互いに結合する結合ピン及
    び結合ピンの固定手段及び結合を強化する機械的ガイド
    部からなる機械的結合機構、を一体として一つの関節モ
    ジュールに設置してなることを特徴とするロボット関
    節。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のロボット関節において、 前記関節をはさんで両側に関節モジュールの構造体とな
    るリンクを設置し、 かつ一方のリンクは隣接関節モジュール結合後の断面の
    第一の半分片側を占める形状とし、他方のリンクは前記
    断面の第一の半分とは逆側の第二の半分片側を占める形
    状とし、 かつ第一及び第二のリンク先端に結合ピンを設置し、か
    つ相隣接する一方の関節モジュールの前記第一のリンク
    と他方の関節モジュールの前記第二のリンクが最も長く
    接する部位に機械的ガイド部を設置してなることを特徴
    とするロボット関節。
  3. 【請求項３】関節を駆動するモータ及び減速機構と、 前記モータを駆動するモータドライバ及び駆動動作を制
    御する制御演算部及び関節パラメータの記憶手段と、 相隣接する関節モジュール間の通信手段と、 相隣接する関節モジュール間を電気的に接続する電源線
    及び通信線及び補助的接続線と電気的接続コネクタの一
    方と、 相隣接する関節モジュールを互いに結合する結合ピン及
    び結合ピンの固定手段及び結合を強化する機械的ガイド
    部からなる機械的結合機構の一方とからなるリンクと、 相隣接する関節モジュール間を電気的に接続する電源線
    及び通信線及び補助的接続線と電気的接続コネクタの一
    方と、 相隣接する関節モジュールを互いに結合する結合ピン及
    び結合ピンの固定手段及び結合を強化する機械的ガイド
    部からなる機械的結合機構の一方とからなるリンクと
    を、 １または複数の自由度の屈曲または伸縮可能な関節をは
    さんで両側に設置してなることを特徴とするロボット関
    節。
  4. 【請求項４】請求項１もしくは請求項２もしくは請求項
    ３に記載のロボット関節において、 モータの駆動動作を制御する制御演算部として、現在の
    関節変位に対応する隣接関節間の座標変換行列の算出手
    段を持つことを特徴とするロボット関節。
  5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに該当するロボ
    ット関節の組み合わせからなりかつ、同一の形状・大き
    さの複数の前記ロボット関節を組み合わせたことを特徴
    とするロボット関節。
  6. 【請求項６】請求項１から４のいずれかに該当するロボ
    ット関節の組み合わせからなり、かつ互いに大きさの異
    なる前記複数のロボット関節同士を、結合変換モジュー
    ルを介して組み合わせたことを特徴とするロボット関
    節。
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