ホームロボット用の可動範囲を拡張できるロボットアーム金沢大学

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(1)B65. ホームロボット用の可動範囲を拡張できるロボットアーム金沢大学. ○田尻. 和也，関. 啓明，神谷. 好承，疋津. 正利. Development of Extendable Arm for Home Robot Kanazawa University Kazuya Tajiri, Hiroaki Seki, Yoshitsugu Kamiya, Masatoshi Hikizu, Home service robots need to have compact size to work in the house and also have wide reachable range of their hands. An extendable arm which reach to both ceiling and floor while working and can be shrunk out of working is proposed and developed. Using two motors separately for rotation and extension of each joint increases arm weight and it is not efficient. Therefore, two motors with half of the power needed for joint rotation are used and they cooperatively drive both joint rotation and extension via planetary gears. Two stages of screw mechanism are also arranged to enlarge the rate of joint extension. 1．はじめに. 内歯車. 家庭で用いるホームロボットは，床の上から天井付近まで広い範囲の対象物をとったりしまったりする．また，人間が生活している空間で用いるため人間にとって邪魔にならない. 太陽歯車. ことが必要である．水平方向へはロボットが台座ごと移動することで広い可動範囲を得ることができるが，鉛直方向に広. モータ ①. い可動範囲を得ようとすればその分長いアームが必要となり，. 遊星歯車遊星歯車の位置は変わらずその場で回転を行う. 家の中では邪魔である．そこで本研究では，伸縮機能を持たせた可動範囲を拡張できるアームを開発する．アームを伸張させることにより様々な位置にある対象物に対し作業を行え，非作業時には収縮し，コンパクトになり邪魔にならない．また，軽量化を行うため関節の回転に必要な半分の出力のモータを二個使い，遊星歯車により伸縮・回転を行えるようにした．さらに伸縮率を大きくするため，ネジ送り機構を二段に組み込んだ． 2．遊星歯車を用いた伸縮・回転関節本来アームに伸縮と回転を行わせるには，伸縮･回転用のモータを個別に用いればよい．しかし，そうするとアーム全体の質量が増えてしまう．そこで図 1，2 のような遊星歯車を用いた伸縮･回転関節を提案する．太陽歯車と内歯車を別々の 2 個のモータで回転させ，遊星歯車の公転を関節の回転として，自転をネジのナットの回転として取り出すことで，アームの伸縮・回転の動作が可能である．すなわち，遊星歯車が公転せずにそのナット場で自転を行うように各モータを回転させるとアームは回転ｘを行わず伸縮のみをガイド棒行う．また，太陽歯ナット θ 車に対して遊星歯車が公転のみを行う用 φ φ に各モータを回転さスライドねじせると遊星歯車とア軸受内歯車ームが連結しているため伸縮せずにアーストッパム全体が回転を行う．太陽歯車遊星歯車それ以外の関係でモモータ② モータ① ータを回転させると，図 1 遊星歯車を用いたアームは伸縮･回転を伸縮･回転関節同時に行う． 2. １. 2005 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 −149−. ホームロボットは，伸縮で対象物に届く長さになってから通常の回転関節による運動で対象物を操作するものと考える．それゆえ，伸縮は頻繁には行わず低速で十分であり，伸縮と回転は同時に行わないものとした．このように考えると伸縮は大きな減速比でよく，伸縮にかかる負荷を駆動するパワーは非常に小さくすることができる．関節の回転は 2 個のモータによる干渉駆動により行われるため，. 各々のモータは関節の回転に必要なパワーの約半分の出力があればよい．これにより伸縮･回転用のモータを別々にするよりは軽量化できる．図2. 関節の伸縮・回転の原理. 伸縮のためのネジ送り機構には，ネジとナットを 2 段に組み込んだ．これによりアームの伸縮率を大きくする．ねじ送り機構はワイヤーなどを用いた伸縮機構に比べて剛性や強度が高いのでロボットのアームへの利用に適している．以上の構成は，関節の回転軸と伸縮方向が同じ(R 型)であるが，さらに，アームには回転軸と伸縮が直交するような関節 (P 型)も必要である．そのためには遊星歯車でネジのナットを回転させる部分にカサ歯車を入れて伸縮方向を変えればよい． 3．アームの伸縮と回転の運動学アームに伸縮・回転を個別に行わせるためには，二つのモータをそれぞれ一定の関係で回転させる必要がある．図 1 のようにモータ①，②の回転角を ϕ 1 , ϕ2 関節の回転角を. θ ,伸縮変位を x,ねじのリードを l ,モータ①, ②の歯数を Z1 ， Z 2 ,内歯車と遊星歯車の歯数を Z 3 , Z 4 とする．さらにモータ ①,②のトルクを τ 1 , τ 2 関節のトルクを τ ,関節の伸縮力を F とする．アームを伸縮させるための関係は，. ϕ1 = F=. Z2 ϕ2 Z3. 2π l. のとき. x=. l 2π.  Z1   ϕ 1   Z4 .  Z4  Z  2π  Z 4 Z   − τ 1 − 1 τ 2  =  τ − 4τ  Z2  l  Z 2 2 Z1 1   Z1 . (1) (2).

(2) B65 となり，アームを回転させるための関係は， Z2 ϕ Z1 2 Z τ = τ1 − τ 2 3 Z2 ϕ1 = −. θ = ϕ1. のとき. 5．アームの性能確認実験 (3). 製作したアームの遊星歯車による伸縮・回転機構が十分に機能しているかを調べた．各モータに測定レンジ±5A 分解能. (4). ±50mＡの電流センサを取り付けて電流を測定し各モータに生じるトルクを算出した．. となる．. アームに回転トルクをかけた時の各モータに与える影響を調べた．その結果を図 6 に示す．▲印は各モータの測定トル. 4．3 自由度回転・伸縮アームの試作 3 関節の回転・伸縮アームの製作を行った．回転関節としては 3 自由度の RPP 型である．ここで，完成予定のモデル図を図 3 に示す．試作したアームに長さ 200mm の 3 自由度の手先，. ク τ 1 , τ 2 を(4)式により τ に換算した値を示す．換算値が理論. 値とほぼ一致していることが分かった．これにより遊星歯車機構がうまく機能していることが示された．. さらに水平移動を行うための台者 200mm を組み合わせるこ換算値モータ①の測定トルクモータ②の測定トルク理論値. とにより天井から床までの広い範囲に対応するアームになる．製作したアームの写真を図 4，第 1 関節のみ写真を図 5 に示す．歯車の歯数は Z1 =40， Z 2 =15, Z 3 =80, Z 4 =20，ねじのリード l =9mm とした. またモータは 20W，減速比 1：84．1，起動. 15 10. トルク [Ｎ・ｍ]. 5. トルク 243mN･m，定格回転数 9550rpm の DC モータを用いた．アームは，関節は全体で，最大 2021mm，最小で 1015mm，約 2 倍の伸縮可能である．アームの最大伸縮速度は 4.5mm/s，最. 0 -15. -10. -5. 0. 5. 10. 15. -5. 大回転速度は，60°/s である． -10. アームが，伸びている状態では大きながたが生じやすい．がたを減らす方法として，ガイド棒の下端に一つのストッパ. -15 関節の回転トルク [N・m]. を取り付け，アームが伸びきったときにそのストッパがアームを構成する板の溝にはまりロックさせるようにする工夫を行っている．. 図6. 関節の回転トルクとモータのトルクの関係. アームに伸縮方向の荷重をかけた時の各モータへの影響を調べた．その結果を図 7 に示す．実験より得た各モータのト Fl. ルクを式(2)に代入し，換算値 2π を求めた．減速比が大きいため，伸縮方向の荷重によるモータへの影響は，関節の回転トルクに比べてほとんど無いことがわかった．. 換算値理論値. 0.3. モータ①の測定トルクモータ②の測定トルク. トルク [N・m]. 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05. 図3. 0. 完成予定のモデル図. 図4. 3 関節の回転･伸縮アーム. 0. 20. 60. 80. 100. 120. 伸縮方向の荷重 [N]. ガイド棒. 図７. ストッパ. 40. 伸縮方向の荷重とモータのトルクの関係. 6．結論. ナット. 2 個のモータと遊星歯車機構により伸縮・回転を行える関節で，可動範囲を拡張できるホームロボット用のアームを提案し，試作した 3 関節アームにより動作を確認した．ネジ送り機構. 今後の課題としては，手先部分 3 自由度(通常の回転関節) を付加して，6 自由度アームにすること，ガススプリングなどを用いたアーム自重による負荷の軽減，伸縮率をさらに上げる設計などが挙げられる．. 遊星歯車機構. 参考文献高野他： RECS コンセプトに基づく屋内移動ロボットシスモータ. 図5. テムの開発，精密工学会誌，Vol.62，No.6, pp.815-819,(1996). 第 1 関節. 2005 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 −150−.

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ホームロボット用の可動範囲を拡張できるロボットアーム 金沢大学

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