JPS63193B2 - - Google Patents
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- JPS63193B2 JPS63193B2 JP55066959A JP6695980A JPS63193B2 JP S63193 B2 JPS63193 B2 JP S63193B2 JP 55066959 A JP55066959 A JP 55066959A JP 6695980 A JP6695980 A JP 6695980A JP S63193 B2 JPS63193 B2 JP S63193B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- joint
- rotation
- trunk
- angle
- acm
- Prior art date
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Endoscopes (AREA)
Description
この発明は、例えば狭隘な空間における検査等
の作業、あるいは医療用内視鏡の能動化に効果的
に使用可能とする索状能動体に関する。 索状能動体（Active Cord Mechanism＝
ACM）は、ひも状の細長い体幹を有し、しかも
体幹に沿つて直列に装備されたアクチエータ群に
よりその体幹軸形状を能動的且つ柔軟な屈曲運動
で変形し、種々の動作を遂行する機能体、と定義
ずけられる。 このACMは、複数の体幹節を順次直列状に連
結して構成するもので、その体幹姿勢を任意に設
定するには、この体幹節相互を順次連結する関節
機構は、各２自由度の運動自由度を必要とする。
この場合、この関節機構部における２自由度が共
に屈曲姿勢に使用する状態としたのでは、その関
節の軸まわりの回転姿勢は任意に変えることがで
きない。しかし、このACMをマニピユレータの
アームとして考える場合には、その全体的な姿勢
が重要であり、各体幹節の軸まわり姿勢、つまり
体幹表面の向きはあまり重要ではない。ただし、
このACMの終端部における軸まわりの姿勢は、
マニピユレータの場合、ハンドの姿勢を定めるた
めに必要となり、少なくとも終端部においては軸
まわり姿勢に対する自由度が要求される。 ACMの基本自由度配分構造のための２自由度
関節としては、 (a) 軸の法線および従法線の２軸を旋回中心軸と
する手段。 (b) 軸の接線と残りの法線あるいは従法線の２軸
を旋回中心軸とする手段。 の２種類が考えられる。 上記(a)の手段は、例えばユニバーサルジヨイン
トとして知られるもので、体幹関節における連結
部の中心に、その周辺部に取り付けた直動形アク
チエータで、２自由度屈曲運動を生じさせるもの
である。しかし、この手段ではアクチエータ連結
部にも２自由度接手を必要とする構造上の問題点
が存在する。２つの異なる旋回運動を１点で生ず
るように構成することは困難であるため、実際に
は第１図の(A)に示すように、複数の体幹節Ｌ１，
Ｌ２，Ｌ３，…を順次関節機構で連結するもの
で、この関節機構を交互に法線軸の関節Ua、従
法線の関節Ubで構成して、１自由度旋回づつ分
離することが考えられる。この構造では１対の旋
回節間の節長は、充分に短かくしなれば、充分な
意味でのACM基本自由度配分構造とはならない。
すなわちこのような手段では、具現性が劣る状態
となる。 また、前記(b)の手段は、関節をデイフアレンシ
ヤルギヤを用いて、２自由度的に駆動する構造の
ものとするものであるが、その他第１図のＢに示
すように体幹節Ｌ１，Ｌ２，…を連結する関節部
を、体幹軸まわりの同軸旋回節Ucと、前記関節
Uaと同様の屈曲旋回節Udを組み合わせてユニツ
ト関節を構成することで実現できる。 このような構造は比較的簡単でしかもユニツト
関節の１点に２自由度が集中したと等価な運動が
実現でき、しかもその自由度が連続曲線の曲率と
捩率に対応して駆動できるような比較的望ましい
特性を有している。 しかし、このような構造である場合、特に関節
部における屈曲運動を行なわせる場合、モータ等
による回転運動それ自体が屈曲作用となるもので
あり、回転軸に対してねじれの力が直接的に作用
する状態となる。このため、種々の試作実験の結
果においても、充分に堅牢で空間運動を行なう
ACMの節として必要な機能性を発揮させる構造
は得られなかつた。 この発明は上記のような点に鑑みなされたもの
で、充分簡潔的に構成し、且つ各種情報伝達機構
を内蔵しながらも、自由な空間運動を行なわせる
ことができ、且つ充分な堅牢度も得られるように
する索状能動体（ACM）を提供することを目的
とするものである。 以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明
する。第２図はこの概略的な構成を示すもので、
複数の体幹節Ｌ１，Ｌ２，…を直列状に配置連結
し、その各体幹節の連結関節部を、同軸回転関節
Jaと、斜旋回関節Jbとによつて構成するもので、
これら関節JaおよびJbは交互に配分され、その
１組でユニツト関節Ｊを構成するようにしてな
る。 第３図はこのユニツト関節Ｊ部を取り出して示
したもので、体幹軸と同軸に回転する同軸回転関
節Jaiと、体幹軸に角度αをなした斜旋回状態関
節Jbiとによつて、単位ユニツト関節Ｊを構成す
る。上記斜旋回関節Jbiにおいて、この関節がα
軸のまわりに回転する時、Ｐ点は破線で示すよう
に円軌跡上を動く。この時、さらに同軸回転関節
Jaiを回転すると、Ｐ点はＯ点を中心とした最大
角4αの球殻上を運動するようになる。すなわち、
斜旋回関節Jbiと、同軸回転関節Jaiの２自由度の
旋回によつて、体幹節LiはＯ点を中心とする±2α
の立体角の範囲内に可動運動を行なうようにな
る。 一般に、ACMによる柔軟な屈曲運動を考える
場合、ACMが本来多数のユニツト群から構成さ
れているものであるため、１関節当りの屈曲運動
範囲は、かなり制限させてもよい。例えば、非常
に柔軟な運動を行なう「へび」の場合も、全体幹
が200節程の背椎骨からなるため、単位節当りの
解剖学的可動範囲は±４度程度にすぎない。この
点から考察して、ACMの関節機構として、斜旋
回機構を用いても充分に柔軟な運動が可能とされ
るものである。 そして、このような斜旋回関節を用いてACM
を構成するようにすれば、その幾何学的配置によ
り、外形状に不要な凹凸がなく、円筒形をそのま
ま屈曲するような姿勢変形が可能となる。すなわ
ち、狭隘な空間への侵入等のACM特有の機能性
が効果的に発揮し易いものとなる。また、円筒体
で構成する一種の外骨格構造とすることができる
ため、アクチエータへの角度指令や電源ライン等
を、内部空間を通して伝達し得るものとすること
ができ、その断面寸法の割合には構造上軽量で且
つ堅牢な機構とすることができ、ACMの空間運
動性を容易に向上することができる。 ここで、斜旋回機構の制御について考えてみる
に、まず斜旋回関節の旋回角θiと同軸回転関節の
回転角φiとが屈角ρiと捩角τiとにどのような関係
にあるかを考察する。ここで屈角ρiとは、体幹節
Li-1とLiとがなす角度であり、連続曲線の曲率に
対して屈角を有する方向の体幹節Li-1のまわりの
角度であり、連続曲線の捩率に対応する。また捩
角τiとは、体幹節liがli-1に対して屈角を有する方
向の体幹節Li-1のまわりの角度であり、連続曲線
の捩率に対応するものとする。 まず、このような関係を誘導するための準備と
して、第４図に示すような斜旋回関節とその前後
の同軸回転関節からなる自由度系について考察す
る。第４図において体幹（リンク）ベクトル
Li-1，Liは初期状態で直線状をなすとすると、接
線ベクトルｔは、この体幹軸方向にとり、法線ベ
クトルｎは、ｔと垂直で斜旋回中心軸αをｔ〜ｎ
平面に含むようにとり、従法線ベクトルｂは、ｔ
〜ｎ平面に垂直な方向にとる。空間ベクトルの回
転の表記は、牧野の方式、つまりベクトルｘのベ
クトルｙを軸とする角度θの反時間まわり回転を
回転変換テンソルによつて、Ey〓（ｘ）と表記する
方式にしたがえば、この３自由度リンク系の回転
変換テンソルEiは、 Ei＝Et〓i′Eb〓Et〓iEb(-〓) Et〓i″ ……(1) と示される。ただし、ここで を示している。 (1)式はまずLiをφi″だけ回転補正した後、斜旋
回中心軸αをｔと一致させてθだけ回転させ、さ
らにαをもとにもどし、Li-1をφ1′だけその軸の
まわりに回転補正することを示している。 第４図のような３自由度系において、その斜旋
回関節を旋回した時、他の同軸回転関節を協調的
に回転することにより、全体としてねじれのない
単純屈折を生ずるためには、次の条件が必要であ
る。 (a) Liの屈折運動がｔ〜ｂ平面内のみで生ずる。 (b) ベクトルLi上に立てたｎ方向ベクトルが、変
換後もその方向を変えない。 上記(a)の条件は、Ei（ｔ）の法線ベクトル成分
が「０」となることであり、(1)式の変換テンソル
からこれを求めれば次のように示される。 sinα｛cosα（１−cosθ）cosφ1′
＋sinθsinφ1′｝＝０ ……(2) sinの≠０から、この条件は次のようになる。 cosα（１−cosθ）cosφ1′
＋sinθsinφ1′＝０ ……(3) 一方(b)の条件は、E(o)＝ｎが成り立つことであ
る。(1)式の変換テンソルから、この関係を誘導す
ると、特にその接線方向成分の関係は(2)式の
φ1′をφ1″と置換した同形の関係が誘導される。こ
のことから、φi″＝φi′≡φiであると云える。つま
り、ねじれなし（τi＝０）の屈曲運動を実現する
ためには、斜旋回関節が角度θi旋回した時、その
前後の同軸回転関節は、両者共に同一方向に同一
角度φiの補正回転を行なえばよい。このφiは(3)式
から次のように求められる。 φi＝tan-1（−cosα（１−cosθi）／sinθi）……(
4) また、この時に生ずる屈角ρiは、Ei（ｔ）の接
線方向成分と、従法線方向成分の比が次のように
求まる。 ρi＝−sgn（θi）cos-1｛cosθi ＋cos2α（１−cosθi）｝ …(5) ただし、
の作業、あるいは医療用内視鏡の能動化に効果的
に使用可能とする索状能動体に関する。 索状能動体（Active Cord Mechanism＝
ACM）は、ひも状の細長い体幹を有し、しかも
体幹に沿つて直列に装備されたアクチエータ群に
よりその体幹軸形状を能動的且つ柔軟な屈曲運動
で変形し、種々の動作を遂行する機能体、と定義
ずけられる。 このACMは、複数の体幹節を順次直列状に連
結して構成するもので、その体幹姿勢を任意に設
定するには、この体幹節相互を順次連結する関節
機構は、各２自由度の運動自由度を必要とする。
この場合、この関節機構部における２自由度が共
に屈曲姿勢に使用する状態としたのでは、その関
節の軸まわりの回転姿勢は任意に変えることがで
きない。しかし、このACMをマニピユレータの
アームとして考える場合には、その全体的な姿勢
が重要であり、各体幹節の軸まわり姿勢、つまり
体幹表面の向きはあまり重要ではない。ただし、
このACMの終端部における軸まわりの姿勢は、
マニピユレータの場合、ハンドの姿勢を定めるた
めに必要となり、少なくとも終端部においては軸
まわり姿勢に対する自由度が要求される。 ACMの基本自由度配分構造のための２自由度
関節としては、 (a) 軸の法線および従法線の２軸を旋回中心軸と
する手段。 (b) 軸の接線と残りの法線あるいは従法線の２軸
を旋回中心軸とする手段。 の２種類が考えられる。 上記(a)の手段は、例えばユニバーサルジヨイン
トとして知られるもので、体幹関節における連結
部の中心に、その周辺部に取り付けた直動形アク
チエータで、２自由度屈曲運動を生じさせるもの
である。しかし、この手段ではアクチエータ連結
部にも２自由度接手を必要とする構造上の問題点
が存在する。２つの異なる旋回運動を１点で生ず
るように構成することは困難であるため、実際に
は第１図の(A)に示すように、複数の体幹節Ｌ１，
Ｌ２，Ｌ３，…を順次関節機構で連結するもの
で、この関節機構を交互に法線軸の関節Ua、従
法線の関節Ubで構成して、１自由度旋回づつ分
離することが考えられる。この構造では１対の旋
回節間の節長は、充分に短かくしなれば、充分な
意味でのACM基本自由度配分構造とはならない。
すなわちこのような手段では、具現性が劣る状態
となる。 また、前記(b)の手段は、関節をデイフアレンシ
ヤルギヤを用いて、２自由度的に駆動する構造の
ものとするものであるが、その他第１図のＢに示
すように体幹節Ｌ１，Ｌ２，…を連結する関節部
を、体幹軸まわりの同軸旋回節Ucと、前記関節
Uaと同様の屈曲旋回節Udを組み合わせてユニツ
ト関節を構成することで実現できる。 このような構造は比較的簡単でしかもユニツト
関節の１点に２自由度が集中したと等価な運動が
実現でき、しかもその自由度が連続曲線の曲率と
捩率に対応して駆動できるような比較的望ましい
特性を有している。 しかし、このような構造である場合、特に関節
部における屈曲運動を行なわせる場合、モータ等
による回転運動それ自体が屈曲作用となるもので
あり、回転軸に対してねじれの力が直接的に作用
する状態となる。このため、種々の試作実験の結
果においても、充分に堅牢で空間運動を行なう
ACMの節として必要な機能性を発揮させる構造
は得られなかつた。 この発明は上記のような点に鑑みなされたもの
で、充分簡潔的に構成し、且つ各種情報伝達機構
を内蔵しながらも、自由な空間運動を行なわせる
ことができ、且つ充分な堅牢度も得られるように
する索状能動体（ACM）を提供することを目的
とするものである。 以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明
する。第２図はこの概略的な構成を示すもので、
複数の体幹節Ｌ１，Ｌ２，…を直列状に配置連結
し、その各体幹節の連結関節部を、同軸回転関節
Jaと、斜旋回関節Jbとによつて構成するもので、
これら関節JaおよびJbは交互に配分され、その
１組でユニツト関節Ｊを構成するようにしてな
る。 第３図はこのユニツト関節Ｊ部を取り出して示
したもので、体幹軸と同軸に回転する同軸回転関
節Jaiと、体幹軸に角度αをなした斜旋回状態関
節Jbiとによつて、単位ユニツト関節Ｊを構成す
る。上記斜旋回関節Jbiにおいて、この関節がα
軸のまわりに回転する時、Ｐ点は破線で示すよう
に円軌跡上を動く。この時、さらに同軸回転関節
Jaiを回転すると、Ｐ点はＯ点を中心とした最大
角4αの球殻上を運動するようになる。すなわち、
斜旋回関節Jbiと、同軸回転関節Jaiの２自由度の
旋回によつて、体幹節LiはＯ点を中心とする±2α
の立体角の範囲内に可動運動を行なうようにな
る。 一般に、ACMによる柔軟な屈曲運動を考える
場合、ACMが本来多数のユニツト群から構成さ
れているものであるため、１関節当りの屈曲運動
範囲は、かなり制限させてもよい。例えば、非常
に柔軟な運動を行なう「へび」の場合も、全体幹
が200節程の背椎骨からなるため、単位節当りの
解剖学的可動範囲は±４度程度にすぎない。この
点から考察して、ACMの関節機構として、斜旋
回機構を用いても充分に柔軟な運動が可能とされ
るものである。 そして、このような斜旋回関節を用いてACM
を構成するようにすれば、その幾何学的配置によ
り、外形状に不要な凹凸がなく、円筒形をそのま
ま屈曲するような姿勢変形が可能となる。すなわ
ち、狭隘な空間への侵入等のACM特有の機能性
が効果的に発揮し易いものとなる。また、円筒体
で構成する一種の外骨格構造とすることができる
ため、アクチエータへの角度指令や電源ライン等
を、内部空間を通して伝達し得るものとすること
ができ、その断面寸法の割合には構造上軽量で且
つ堅牢な機構とすることができ、ACMの空間運
動性を容易に向上することができる。 ここで、斜旋回機構の制御について考えてみる
に、まず斜旋回関節の旋回角θiと同軸回転関節の
回転角φiとが屈角ρiと捩角τiとにどのような関係
にあるかを考察する。ここで屈角ρiとは、体幹節
Li-1とLiとがなす角度であり、連続曲線の曲率に
対して屈角を有する方向の体幹節Li-1のまわりの
角度であり、連続曲線の捩率に対応する。また捩
角τiとは、体幹節liがli-1に対して屈角を有する方
向の体幹節Li-1のまわりの角度であり、連続曲線
の捩率に対応するものとする。 まず、このような関係を誘導するための準備と
して、第４図に示すような斜旋回関節とその前後
の同軸回転関節からなる自由度系について考察す
る。第４図において体幹（リンク）ベクトル
Li-1，Liは初期状態で直線状をなすとすると、接
線ベクトルｔは、この体幹軸方向にとり、法線ベ
クトルｎは、ｔと垂直で斜旋回中心軸αをｔ〜ｎ
平面に含むようにとり、従法線ベクトルｂは、ｔ
〜ｎ平面に垂直な方向にとる。空間ベクトルの回
転の表記は、牧野の方式、つまりベクトルｘのベ
クトルｙを軸とする角度θの反時間まわり回転を
回転変換テンソルによつて、Ey〓（ｘ）と表記する
方式にしたがえば、この３自由度リンク系の回転
変換テンソルEiは、 Ei＝Et〓i′Eb〓Et〓iEb(-〓) Et〓i″ ……(1) と示される。ただし、ここで を示している。 (1)式はまずLiをφi″だけ回転補正した後、斜旋
回中心軸αをｔと一致させてθだけ回転させ、さ
らにαをもとにもどし、Li-1をφ1′だけその軸の
まわりに回転補正することを示している。 第４図のような３自由度系において、その斜旋
回関節を旋回した時、他の同軸回転関節を協調的
に回転することにより、全体としてねじれのない
単純屈折を生ずるためには、次の条件が必要であ
る。 (a) Liの屈折運動がｔ〜ｂ平面内のみで生ずる。 (b) ベクトルLi上に立てたｎ方向ベクトルが、変
換後もその方向を変えない。 上記(a)の条件は、Ei（ｔ）の法線ベクトル成分
が「０」となることであり、(1)式の変換テンソル
からこれを求めれば次のように示される。 sinα｛cosα（１−cosθ）cosφ1′
＋sinθsinφ1′｝＝０ ……(2) sinの≠０から、この条件は次のようになる。 cosα（１−cosθ）cosφ1′
＋sinθsinφ1′＝０ ……(3) 一方(b)の条件は、E(o)＝ｎが成り立つことであ
る。(1)式の変換テンソルから、この関係を誘導す
ると、特にその接線方向成分の関係は(2)式の
φ1′をφ1″と置換した同形の関係が誘導される。こ
のことから、φi″＝φi′≡φiであると云える。つま
り、ねじれなし（τi＝０）の屈曲運動を実現する
ためには、斜旋回関節が角度θi旋回した時、その
前後の同軸回転関節は、両者共に同一方向に同一
角度φiの補正回転を行なえばよい。このφiは(3)式
から次のように求められる。 φi＝tan-1（−cosα（１−cosθi）／sinθi）……(
4) また、この時に生ずる屈角ρiは、Ei（ｔ）の接
線方向成分と、従法線方向成分の比が次のように
求まる。 ρi＝−sgn（θi）cos-1｛cosθi ＋cos2α（１−cosθi）｝ …(5) ただし、
【式】
また、逆に斜旋回関節の旋回角θiは、屈角ρiに
よつて次のように示される。 θi＝−sgn（ρi）cos-1 （cosρi−cos2α／１−cos2α） ……(6) 以上のことから、斜旋回関節でねじれなしの屈
折を生ずるためには、その前後の同軸回転関節に
同一方向の等角度補正回路が必要であることが理
解できる。このことから逆に斜旋回機構中の同軸
回転関節では、同時に３つの機能が遂行されてい
ることがわかる。つまり、同軸回転関節Jθiの回
転角φiは、その前後の斜旋回関節の補正旋回φi，
φi-1とその関節に与えられた捩角τiを生ずるため、
次式で与えられることになる。 φi＝φi＋φi-1＋τi ……(7) 第５図は、同軸回転関節の具体的な構成例を示
したもので、この関節で連結される１対の体幹節
は、それぞれ円筒状の中空パイプ１１ａ，１１ｂ
で構成され、その対向する端面には、それぞれ固
定円板１２ａ，１２ｂが嵌め込み固定される。こ
の固定円板１２ａ，１２ｂの中心軸部には、それ
ぞれ透孔が形成され、中空シヤフト１３で結合さ
れ、ナツト１４で締付け連結される。ここで、固
定円板１２ａと１２ｂとの間には、ベアリング押
え１５によつて位置設定されるベアリング１６を
介在させ、固定円板１２ａと１２ｂとは相互に自
由に回転し得るように設定するものであり、さら
に固定円板１２ｂに対しては、内周面に歯を有す
るリングギア１７を固定して取り付ける。 また、中空パイプ１１ａ内には、エンコーダ出
力で回転制御されるパルスモータ１８を設け、こ
のパルスモータ１８の回転を減速ギア機構を介し
て、パイプ１１ａの中より外れた位置の回転軸１
９に取り出す。そして、この回転軸１９は固定円
板１２ａの透孔２０を介して導出し、リングギア
１７に歯合するギア２１を回転し、パルスモータ
１８によつて、中空パイプ１１ａと１１ｂが相互
に同転回転されるようにしてなる。 第６図は、中空パイプ１１ｂと１１ｃとの間に
構成される斜旋回関節の具体的構成例を示したも
ので、パイプ１１ｂ，１１ｃの対向端面は旋回角
に対応して軸法線に対して斜めに形成され、この
斜め端面に対応して固定だ円板２２ａ，２２ｂが
嵌め込み固定される。すなわち、この固定だ円板
２２ａ，２２ｂは第５図の固定円板１１ａ，１１
ｂに相当する部材であり、この固定だ円板２２
ａ，２２ｂに関連して、第５図の場合と同様の中
空シヤフト１３、ナツト１４、ベアリング押え１
５、ベアリング１６が組み合わせ構成され、パル
スモータ１８でリングギア１７を回転して中空パ
イプ１１ｃが旋回運動されるようにしてなる。 ただし、この場合上記旋回運動を行なわせる回
転機構の軸αは、中空パイプ１１ｂ，１１ｃの軸
線に対して、角度α傾斜して設定される。 ここで、この斜旋回節の旋回軸斜傾度αは、例
えば25度とすれば、各関節において±50度という
ある程度の屈曲可動範囲を生ずる。また、中空パ
イプ１１ｂと１１ｃの対向端面のだ円形状は、α
＝25度の時はその長軸と短軸の長さの差は１割程
度である。 そして、このように構成されるユニツト関節を
複数組連続することによつて、第７図に示すよう
に自由に変形し得るACM機構が完成されるもの
であり、各関節にあるパルスモータをデイジタル
サーボ系として、その回転角、回転角速度をマイ
クロコンピユータによつて直接駆動制御するもの
である。このようなACM全体幹は、床面上の２
次元的運動が可能であると共に、指令通りのバラ
ンスを保つた３次元的姿勢をとりつつ、次にその
姿勢を変えて行くような動作が可能である。ま
た、このACM機構にあつては、その軸方向およ
び法線方向の床面との間の摩擦係数の差を利用し
て、「へび」のようなほふく運動によつて推進運
動をすることが可能である。 しかし、第８図に示すように体幹に沿つて、多
数の脚を設定するように車輪機構２５を設け、こ
の車輪機構２５それぞれにおいて回転制御駆動機
構を設けるようにすれば、より効果的な推進運動
が実現できる。 この場合、この車輪機構２５は、第８図のＢに
示すように体幹外周に回転自在にしたリング２６
に対して車輪２７を取り付ける構造とすれば、体
幹節の回転旋回に関係なく床面に接触する状態が
設定することができ、狭い通路内への侵入、柱状
体に対する巻き付き推進運動等も実現できるもの
である。 以上のようにこの発明によれば、空間運動性等
に優れた機能を発揮する索状能動体の得られるも
のであり、例えば狭隘な作業空間に侵入して行く
マニピユレータのハンド部、小型化して医療用内
視鏡の能動化、さらに原子炉内等の接近性が悪い
環境内での自走形検査ロボツト等の応用が効果的
に期待できるものである。
よつて次のように示される。 θi＝−sgn（ρi）cos-1 （cosρi−cos2α／１−cos2α） ……(6) 以上のことから、斜旋回関節でねじれなしの屈
折を生ずるためには、その前後の同軸回転関節に
同一方向の等角度補正回路が必要であることが理
解できる。このことから逆に斜旋回機構中の同軸
回転関節では、同時に３つの機能が遂行されてい
ることがわかる。つまり、同軸回転関節Jθiの回
転角φiは、その前後の斜旋回関節の補正旋回φi，
φi-1とその関節に与えられた捩角τiを生ずるため、
次式で与えられることになる。 φi＝φi＋φi-1＋τi ……(7) 第５図は、同軸回転関節の具体的な構成例を示
したもので、この関節で連結される１対の体幹節
は、それぞれ円筒状の中空パイプ１１ａ，１１ｂ
で構成され、その対向する端面には、それぞれ固
定円板１２ａ，１２ｂが嵌め込み固定される。こ
の固定円板１２ａ，１２ｂの中心軸部には、それ
ぞれ透孔が形成され、中空シヤフト１３で結合さ
れ、ナツト１４で締付け連結される。ここで、固
定円板１２ａと１２ｂとの間には、ベアリング押
え１５によつて位置設定されるベアリング１６を
介在させ、固定円板１２ａと１２ｂとは相互に自
由に回転し得るように設定するものであり、さら
に固定円板１２ｂに対しては、内周面に歯を有す
るリングギア１７を固定して取り付ける。 また、中空パイプ１１ａ内には、エンコーダ出
力で回転制御されるパルスモータ１８を設け、こ
のパルスモータ１８の回転を減速ギア機構を介し
て、パイプ１１ａの中より外れた位置の回転軸１
９に取り出す。そして、この回転軸１９は固定円
板１２ａの透孔２０を介して導出し、リングギア
１７に歯合するギア２１を回転し、パルスモータ
１８によつて、中空パイプ１１ａと１１ｂが相互
に同転回転されるようにしてなる。 第６図は、中空パイプ１１ｂと１１ｃとの間に
構成される斜旋回関節の具体的構成例を示したも
ので、パイプ１１ｂ，１１ｃの対向端面は旋回角
に対応して軸法線に対して斜めに形成され、この
斜め端面に対応して固定だ円板２２ａ，２２ｂが
嵌め込み固定される。すなわち、この固定だ円板
２２ａ，２２ｂは第５図の固定円板１１ａ，１１
ｂに相当する部材であり、この固定だ円板２２
ａ，２２ｂに関連して、第５図の場合と同様の中
空シヤフト１３、ナツト１４、ベアリング押え１
５、ベアリング１６が組み合わせ構成され、パル
スモータ１８でリングギア１７を回転して中空パ
イプ１１ｃが旋回運動されるようにしてなる。 ただし、この場合上記旋回運動を行なわせる回
転機構の軸αは、中空パイプ１１ｂ，１１ｃの軸
線に対して、角度α傾斜して設定される。 ここで、この斜旋回節の旋回軸斜傾度αは、例
えば25度とすれば、各関節において±50度という
ある程度の屈曲可動範囲を生ずる。また、中空パ
イプ１１ｂと１１ｃの対向端面のだ円形状は、α
＝25度の時はその長軸と短軸の長さの差は１割程
度である。 そして、このように構成されるユニツト関節を
複数組連続することによつて、第７図に示すよう
に自由に変形し得るACM機構が完成されるもの
であり、各関節にあるパルスモータをデイジタル
サーボ系として、その回転角、回転角速度をマイ
クロコンピユータによつて直接駆動制御するもの
である。このようなACM全体幹は、床面上の２
次元的運動が可能であると共に、指令通りのバラ
ンスを保つた３次元的姿勢をとりつつ、次にその
姿勢を変えて行くような動作が可能である。ま
た、このACM機構にあつては、その軸方向およ
び法線方向の床面との間の摩擦係数の差を利用し
て、「へび」のようなほふく運動によつて推進運
動をすることが可能である。 しかし、第８図に示すように体幹に沿つて、多
数の脚を設定するように車輪機構２５を設け、こ
の車輪機構２５それぞれにおいて回転制御駆動機
構を設けるようにすれば、より効果的な推進運動
が実現できる。 この場合、この車輪機構２５は、第８図のＢに
示すように体幹外周に回転自在にしたリング２６
に対して車輪２７を取り付ける構造とすれば、体
幹節の回転旋回に関係なく床面に接触する状態が
設定することができ、狭い通路内への侵入、柱状
体に対する巻き付き推進運動等も実現できるもの
である。 以上のようにこの発明によれば、空間運動性等
に優れた機能を発揮する索状能動体の得られるも
のであり、例えば狭隘な作業空間に侵入して行く
マニピユレータのハンド部、小型化して医療用内
視鏡の能動化、さらに原子炉内等の接近性が悪い
環境内での自走形検査ロボツト等の応用が効果的
に期待できるものである。
第１図は従来考えられているACMを説明する
図、第２図はこの発明の一実施例に係るACMを
説明する概略図、第３図は上記ACMのユニツト
関節を説明する図、第４図は同じくその制御性を
説明する図、第５図および第６図はそれぞれ同軸
および斜旋回関節部の構成を示す分解斜視図、第
７図はACMの全体図、第８図のＡは上記ACMの
自走機構を説明する図、同図のＢはＡ図のｂ―ｂ
線拡大断面図である。 Ｌ１，Ｌ２，……体幹節、Ja……同軸回転関
節、Jb……斜旋回関節、１１ａ，１１ｂ……中
空パイプ、１２ａ，１２ｂ……固定円板、１３…
…中空シヤフト、１６……ベアリング、１７……
リングギア、１８……パルスモータ、２２ａ，２
２ｂ……固定だ円板。
図、第２図はこの発明の一実施例に係るACMを
説明する概略図、第３図は上記ACMのユニツト
関節を説明する図、第４図は同じくその制御性を
説明する図、第５図および第６図はそれぞれ同軸
および斜旋回関節部の構成を示す分解斜視図、第
７図はACMの全体図、第８図のＡは上記ACMの
自走機構を説明する図、同図のＢはＡ図のｂ―ｂ
線拡大断面図である。 Ｌ１，Ｌ２，……体幹節、Ja……同軸回転関
節、Jb……斜旋回関節、１１ａ，１１ｂ……中
空パイプ、１２ａ，１２ｂ……固定円板、１３…
…中空シヤフト、１６……ベアリング、１７……
リングギア、１８……パルスモータ、２２ａ，２
２ｂ……固定だ円板。
Claims (1)
- １ 複数の体幹節を順次連続するようにしてな
り、その各節は順次交互に配置される、体幹軸に
同軸に回転制御自在にした第１の連結機構、およ
び体幹軸に傾斜した状態で回転制御自在にした第
２の連結機構によつて結合し、この第１および第
２の連結機構でそれぞれ同軸にあるいは斜旋回状
態に回転角制御するようにしたことを特徴とする
索状能動体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6695980A JPS56163624A (en) | 1980-05-20 | 1980-05-20 | Active cord mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6695980A JPS56163624A (en) | 1980-05-20 | 1980-05-20 | Active cord mechanism |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56163624A JPS56163624A (en) | 1981-12-16 |
| JPS63193B2 true JPS63193B2 (ja) | 1988-01-06 |
Family
ID=13331061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6695980A Granted JPS56163624A (en) | 1980-05-20 | 1980-05-20 | Active cord mechanism |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56163624A (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59152093A (ja) * | 1983-02-07 | 1984-08-30 | 株式会社東芝 | 関節装置 |
| DE3464021D1 (en) * | 1983-08-03 | 1987-07-09 | Kuka Schweissanlagen & Roboter | Manipulator gear head |
| DE3480331D1 (en) * | 1984-08-03 | 1989-12-07 | Kuka Schweissanlagen & Roboter | Driven-tool holder head for manipulators |
| JP2003025269A (ja) | 2001-07-12 | 2003-01-29 | National Aerospace Laboratory Of Japan | 回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット |
| JP4230196B2 (ja) | 2002-10-30 | 2009-02-25 | 川崎重工業株式会社 | 位置決め演算方法および位置決め演算装置 |
| JP2004148449A (ja) | 2002-10-30 | 2004-05-27 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 多関節マニピュレータ |
| JP3952955B2 (ja) | 2003-01-17 | 2007-08-01 | トヨタ自動車株式会社 | 多関節ロボット |
| JP4263189B2 (ja) | 2003-02-07 | 2009-05-13 | 川崎重工業株式会社 | 多関節マニピュレータ |
| JP4529456B2 (ja) | 2003-11-28 | 2010-08-25 | 株式会社安川電機 | 産業用ロボットの腕機構 |
| JP4647919B2 (ja) * | 2004-02-18 | 2011-03-09 | 川崎重工業株式会社 | 制御方法および制御装置 |
| WO2008096405A1 (ja) * | 2007-02-05 | 2008-08-14 | Saney Seiko Inc. | 医療用処置具 |
| ES2693923A1 (es) * | 2017-06-14 | 2018-12-14 | Rafael FERRÍN POZUELO | Brazo articulado por secciones oblicuas |
-
1980
- 1980-05-20 JP JP6695980A patent/JPS56163624A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56163624A (en) | 1981-12-16 |
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