CN109476019B - 多关节机器人 - Google Patents

Abstract

机器人(1)通过连接多个臂单元(2)而获得。相互连接的臂单元(2)分别在其连接部具有相互同轴且正圆状的端面。一方的臂单元(2)以连接部的轴线为中心回转驱动另一方的臂单元(2)。机器人(1)可以包括具有弯曲形状的外形的单元来作为臂单元(2)。

Description

多关节机器人

技术领域

本发明涉及连接臂单元而构成的多关节机器人。

背景技术

工业用机器人等通过连接多个臂单元而构成的多关节机器人广为人知(例如参照专利文献1)。设置在生产线上的多关节机器人由其连接部被自由驱动，由此能可靠且准确地进行独立设定的作业。此外，将多关节机器人用作辅助人类的运动机能的装置的技术也已被提出(例如参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－144559号公报

专利文献2：日本特开2008－55544号公报

发明内容

发明所要解决的问题

这样的机器人都具有多自由度，但它们基本上都设计成能笔直地伸长。因此，专利文献1的结构在关节部具有与单元的对置面垂直的回转轴，但该回转轴无法位于对置面的中心。因此，单元回转时，会在该连接部产生径向的变形。当作为工业用机器人时，很难想象在其工作时操作员会接近，因此该变形会造成问题的可能性低。但是，在设计成在用户身边工作的机器人的情况下，其关节部恐怕会被用户的身体或衣服干扰。此外，专利文献2的结构在关节部具有与单元的对置面平行的回转轴。因此，当驱动机器人时，单元的关节部会发生弯曲，该关节部恐怕会被用户的身体或衣服干扰。因此，无论是哪种结构，都需要在工作时细心留意。

此外，多关节机器人的关节数越多则越长越大，无论作业内容如何，耗电量都会变大等，在能效方面存在改善的余地。

本发明是基于上述问题认知而完成的发明，其一个目的在于提供一种能防止或抑制多关节机器人的关节部与外部的干扰的技术。此外，本发明的另一个目的在于提高多关节机器人的能效。

用于解决问题的方案

本发明的某一方案的多关节机器人通过连接多个臂单元而获得。相互连接的臂单元分别在其连接部具有相互同轴且正圆状的端面。一方的臂单元以连接部的轴线为中心回转驱动另一方的臂单元。

本发明的另一方案的多关节机器人通过连接多个臂单元而获得，在前端的臂单元上装接有工具单元。工具单元包括摄像头和照明装置。相互连接的臂单元以设于其连接部的回转轴为中心相对自由回转。一方的臂单元内置有用于回转驱动另一方的臂单元的驱动机构。多个臂单元以使工具单元通过摄像头来跟踪作为照射对象的移动体并且照射光的方式被控制。

本发明的另一方案的多关节机器人通过连接三个以上的臂单元而获得。多个臂单元中的某一个是内置有如下构件的驱动臂单元：驱动机构，用于驱动作为连接目标的臂单元；电池，为该驱动机构供电；以及供电电路，用于对该电池充电。

发明效果

根据本发明，能提供一种能防止或抑制多关节机器人的关节部与外部的干扰的技术。

附图说明

图1是表示实施方式的机器人的外观的图。

图2是表示单元的外观的图。

图3是图2的(b)的A－A剖面图。

图4是表示单元的连接构造的剖面图。

图5是表示整个机器人的连接构造的示意图。

图6是机器人装置的功能框图。

图7是示意性地表示机器人的控制方法的图。

图8是表示机器人的控制方法的更详细内容的图。

图9是表示用于控制运算处理的回避干扰图的图。

图10是表示机器人的使用例的图。

图11是表示机器人的移动控制方法的一例的图。

图12是示意性地表示变形例的机器人的构成的图。

图13是示意性地表示变形例的机器人的构成以及控制方法的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。需要说明的是，在以下的说明中，为了方便，有时以图示的状态为基准来表现各构造的位置关系。此外，对于以下的实施方式及其变形例，有时对大致相同的构成要素标注相同的附图标记，并适当省略其说明。

图1是表示实施方式的机器人1的外观的图。图1的(a)表示机器人1的伸长姿势，图1的(b)表示缩小姿势。

机器人1是将多个臂单元(以下，仅称为“单元”)前后连接而得到的多关节机器人。在本实施方式中，从基端侧朝向前端侧连接有第一～第八单元2a～2h(在不对这些单元进行特别区分的情况下，称为“单元2”)。机器人1通过按照来自后述的外部控制装置的指令使前后的单元2相对位移，能实现各种姿势。

各单元2基于来自外部控制装置的控制指令来驱动前方的下一个单元2。在本实施方式中，所有的单元2被设为具有相同构造而能适当置换的“通用单元”。各单元2通过预先一一设定的ID而被识别。在本实施方式中，第一单元2a的位置基本上被设为机器人1的位置以及计算姿势时的基准位置。此外，各单元2的连接关系和ID预先被确定。

在第八单元2h的前端装配有工具单元(utility unit)4。工具单元4是与机器人1的用途相应的对象装置，在本实施方式中是照明装置(例如LED：Light Emitting Diode，发光二极管)。通过基于来自外部控制装置的控制指令来驱动第一单元2a～第八单元2h，能如图1的(a)所示地伸长，或者如图1的(b)所示地缩小等任意地调整机器人1的姿势。由此，能控制工具单元4的位置、方向。这些详情将在后文加以说明。

图2是表示单元2的外观的图。图2的(a)是立体图，图2的(b)是主视图，图2的(c)是仰视图。图3是图2的(b)的A－A剖面图。

如图2的(a)～(c)所示，单元2具备：1/4圆弧形的主体10、以及设于主体10的一端侧的驱动机构12。驱动机构12是包括与前方的单元2连结的工作构件14、以及使工作构件14回转的电机16的驱动器。

主体10由金属、树脂等形状不易变形的材质构成，具有圆形(正圆)的截面和端面。工作构件14由六边形的板状体(金属板)构成，其中心轴与电机16的回转轴一体化。在主体10的另一端设有与后方的单元2连接的连结部18。连结部18作为“从动部”发挥功能，在主体10的另一端面中央，具有六边形的开口部，能纳入其他单元2的工作构件14。

如图3所示，主体10呈近似圆筒形状，具有沿长尺寸方向弯曲成1/4圆弧状的形状。主体10的基端面22与前端面24相互成直角。在主体10的内部形成有容纳空间26，电机16、控制基板30、通信基板32以及电源基板34以前后隔开间隔的方式被容纳。

连结部18呈阶梯六角孔形状，具有小径的开口部36和大径的嵌合部38。开口部36比工作构件14稍小，嵌合部38比工作构件14稍大。通过这样的形状，在连结工作构件14时，开口部36稍稍被挤压扩张的同时纳入工作构件14，使嵌合部38牢固地嵌合。一旦工作构件14与连结部18嵌合，就会卡在开口部36与嵌合部38之间的台阶上而被卡定，因此防止了其脱落。在连结部18与容纳空间26之间设有隔壁40。

电机16是超声波电机，包括定子42、转子44、输出轴46(回转轴)以及轴承48。定子42包括：产生振动的压电体(压电陶瓷)、将振动增幅的基座构件、与转子44接触的滑动的滑动构件等。通过施加电压，压电体变形，其变形通过基座构件被增幅，同时被传播出去。由此，压电体的表面变形为波纹状而形成行波，通过其摩擦力使抵接着的转子44回转。需要说明的是，这样的超声波电机的构成以及动作是公知的，因此省略其详细说明。

定子42固定于保持构件50，该保持构件50被压入主体10的前端开口部。由此，电机16被牢固地支承于主体10。保持构件50呈圆环状，同轴状地组装于主体10的前端开口部。定子42以及转子44同轴状地支承于保持构件50，输出轴46同轴状地贯通保持构件50。由此，工作构件14与主体10的前端面24平行地被支承。

控制基板30安装有用于控制电机16的回转的控制电路52。控制电路52包括省略图示的处理器、存储装置。处理器是计算机程序的执行单元。存储装置包括逐次存储更新电机16的回转驱动量(相对于基准位置的回转角)等的易失性内存。通信基板32安装有用于与外部控制装置进行通信的通信电路54(通信模块)。电源基板34安装有用于为各电路提供电源的电池56及其充电电路58。各基板以及电机16通过电源线60以及信号线62相互连接。电池56经由电源线60为各电路以及电机16供电。各电路通过信号线62收发控制信号。电池56是锂离子电池等二次电池。充电电路58通过无线供电来执行对电池56的充电。

主体10通过使用了分型模具的树脂材料的注塑成型而获得。即，主体10的左半部和右半部分别通过注塑成型而获得，其中一方如图所示组装有驱动机构12、控制基板30、通信基板32以及电源基板34。然后，以覆盖的方式组装另一方，并通过粘接、熔敷等而得到单元2。

图4是表示单元2的连接构造的剖面图。图4的(a)表示回转驱动角为0度的状态(基准状态)。图4的(b)是图4的(a)的B－B剖面图。图4的(c)表示回转驱动角为180度的状态。图5是表示机器人1整体的连接构造的示意图。图5的(a)是俯视图，图5的(b)是侧视图。

如图4的(a)所示，前方的单元2(也称为“前单元2F”)和后方的单元2(也称为“后单元2R”)通过连结部18与工作构件14的嵌合而连接。连结部18与工作构件14可拆装。如图4的(b)所示，两者通过六角截面以在回转方向上相互约束的方式嵌合，因此，能将后单元2R的回转驱动力可靠地传递给前单元2F。如图4的(c)所示，当向一个方向驱动后单元2R的电机16时，前单元2F以其输出轴46为中心进行回转。

后单元2R的前端面与前单元2F的后端面同轴且为正圆状，因此在其回转驱动时，在两者的连接部不会产生径向的变形。因此，即使在例如用户触摸该连接部时，也不会被夹或被卷入。需要说明的是，在本实施方式中，将后单元2R的前端面和前单元2F的后端面设为同轴且同形状，但也可以设为相似形状。

如图5的(a)和(b)所示，机器人1在最伸长的状态下俯视呈波浪形且侧视呈直线形。需要说明的是，虽然在该图中，为了便于说明，示出了将铅垂方向设为Z方向，并与其垂直地取XY平面的例子(X方向与Y方向相互垂直)，但是，当然也可以任意设定表示机器人1的位置的三维坐标空间。此外，也可以不用如图示那样的正交坐标，而用极坐标来表示。

从第一单元2a往第八单元2h，设置有相互连接的单元2的回转轴L1～L7。此外，在前端的第八单元2h与工具单元4之间也设置有回转轴L8。各单元2在连接部处能相对位移(能相对转动)，机器人1具有与这些回转轴的组合数对应的自由度。在本实施方式中，以基端的第一单元2a为基准来设定各单元2的位置。由此，调整机器人1的姿势，控制工具单元4的位置和方向。

需要说明的是，在本实施方式中，使作为工具单元4的LED的光轴与回转轴L8一致。因此，即便使第八单元2h的输出轴46回转，也不会对光的照射方向的控制有帮助。换言之，无需驱动第八单元2h。在变形例中，可以通过将作为工具单元4的LED的光轴与回转轴L8错开，来进一步提高工具单元4的自由度。

通过控制第一单元2a～第八单元2h的绝对位置以及相对位置，能实现如下姿势：相互连接的任意的单元2彼此卡定而不产生两者的绕连接部的回转轴的回转力矩。例如，仅使第二单元2b在YZ平面上相对于图5的(a)所示的状态逆时针转动90度。如此，在第二单元2b的前端侧，相互连接的单元2彼此成为在对置面上相互挤压的形状，通过彼此的摩擦力来限制相对回转。因此，无需赋予电动力，仅通过机械构造就能保持机器人1的姿势。仅使第四单元2d、第六单元2f、或第八单元2h相对于图5的(a)所示的状态转动90度的情况也是同样的。即，通过在控制成这样的特定姿势之后断电，能不通电地维持使机器人1的至少一部分从设置面(地面等)立起的状态。由此，能实现电池56的省电。

图6是机器人装置100的功能框图。

机器人装置100包括机器人1以及外部控制装置101。机器人1以及外部控制装置101的各构成要素由硬件和软件来实现，其中，硬件包括中央处理器(Central ProcessingUnit：CPU)以及各种协处理器等运算器、内存(memory)和储存器(storage)等存储装置、将这些装置连结起来的有线或无线的通信线，软件存储于存储装置，将处理命令提供给运算器。以下所说明的各区组不表示硬件单位的构成，而表示功能单位的区组。

机器人1和外部控制装置101能进行无线通信，机器人1的动作由外部控制装置101控制。外部控制装置101也可以是用户所持有的个人计算机等终端、服务器等。如上所述，机器人1包括第一～第八单元2a～2h(单元2)以及工具单元4。

机器人1的各单元2定期地发送包含一一设定的ID的无线信号。该无线信号中包含用于确定单元2的位置的信息(以下称为“位置确定信息”)。位置确定信息中包含表示到与机器人1的用途对应的目标物的距离、方向；与相互连接的单元2的相对位置(相对于基准位置的回转角等)的信息等。需要说明的是，在变形例中，也可以在有来自外部控制装置101的请求时，由机器人1发送该位置确定信息。

外部控制装置101基于从各单元2发送的信号来计算并管理机器人1的当前位置、各单元的位置、姿势等。而且，根据用户的输入来计算机器人1应采取的姿势，并计算用于实现该姿势的每个单元2的驱动量。外部控制装置101将每个单元2的控制指令信号包含该单元2的ID进行输出。各单元2接收与自身ID相应的指令信号，按照其指令内容对驱动机构12进行驱动。由此，机器人1能按照用户的要求被控制而实现其目的。需要说明的是，这样的机器人1的具体控制方法的详情将在后文加以说明。

(机器人1)

[臂单元]

机器人1的单元2包括：通信部110、数据处理部112、数据储存部114、检测部116以及无线供电部118(供电电路)。通信部110负责与外部控制装置101的通信处理。数据储存部114包括上述的存储装置，依次储存电机16的回转角等数据。数据处理部112包括上述的处理器，基于经由通信部110接收到的控制指令来执行控制驱动机构12等各种处理。

检测部116包括接近检测部120以及电池余量检测部122。接近检测部120包括接近传感器，检测单元2与外部物体的接近、接触。作为接近传感器，可以使用利用电磁感应的高频振荡型传感器、检测与物体之间的电容变化的电容型传感器、或者使用磁铁的磁传感器等。

电池余量检测部122检测电池56的电池余量。当电池余量为规定值以下时，数据处理部112向无线供电部118发出充电指示。无线供电部118以无线供电方式对电池56进行充电。在本实施方式中，采用能获得较大的供电距离的电磁场共振方式。

无线供电部118包括省略图示的受电部、整流电路、稳定电路、充电电路等。受电部包括受电线圈(二次侧线圈)以及谐振用电容器等，接受从未图示的送电装置送出的交流电。该交流电在整流电路中被整流而成为直流电，并在稳定电路中被电压稳定化。充电电路使用该稳定后的电流对电池56充电。

送电装置包括送电线圈(一次侧线圈)以及谐振用电容器等，使用由外部电源提供的电流产生高频电流(交流信号)进行送电。外部电源也可以采用例如设于外部控制装置101(个人计算机等)的USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)电源。或者，也可以与外部控制装置101分开设置送电装置。需要说明的是，在变形例中，也可以采用电磁感应方式、电解耦合方式、电波方式及其他无线供电方式。无论哪种方式都是公知的，因此省略其说明。

[工具单元]

工具单元4包括通信部130、数据处理部132、数据储存部134、检测部136、以及无线供电部138。工具单元4还包括驱动LED等的驱动部144以及作为电源的电池146。通信部130负责与外部控制装置101的通信处理。数据储存部134包括存储装置，暂时储存后述的摄像头的摄像数据等。数据处理部132包括处理器，基于经由通信部130接收到的控制指令来执行控制驱动部144等各种处理。

检测部136包括位置检测部140以及电池余量检测部142。位置检测部140包括摄像头以及距离传感器。摄像头的光轴设定为与LED的光轴大致重叠。距离传感器包括例如根据照射光与反射光的相位差来检测与测定对象的距离的TOF(Time of Flight：飞行时间)式传感器，检测与外部的对象物的距离。能利用LED的光作为照射光。通过在由摄像头确定了对象物的基础上参照距离传感器的检测信息，能计算出从工具单元4到对象物的距离。此外，通过将对象物的位置设定为三维空间的原点，能逆运算出机器人1的位置以及姿势，能将这些信息用于机器人1的控制。其详情将在后文加以说明。

电池余量检测部142检测电池146的电池余量。数据处理部132在电池余量为规定值以下时，向无线供电部138发出充电指示。无线供电部138通过与单元2同样的无线供电方式对电池146充电，但在变形例中也可以采用不同的供电方式。

(外部控制装置101)

外部控制装置101包括：通信部150、用户界面部(以下记为“用户I/F部”)152、数据处理部154以及数据储存部156。通信部150负责与机器人1的通信处理。用户I/F部152除了经由键盘、触摸屏接受用户的操作输入以外，还负责画面显示等与用户界面有关的处理。数据储存部156储存各种数据。数据处理部154基于由通信部150获取到的数据以及储存于数据储存部156的数据来执行各种处理。数据处理部154还作为通信部150以及数据储存部156的接口发挥功能。

数据储存部156包括控制数据储存部170、动作模式储存部172以及状态数据储存部174。控制数据储存部170储存用于根据用户的输入来控制机器人1的动作的控制程序。

动作模式储存部172储存能由机器人1实现的各种姿势、用于实现该姿势的各单元2的动作模式(驱动程序)。需要说明的是，该动作模式也可以通过机械学习等适当追加。

状态数据储存部174存储、更新机器人1的当前位置以及姿势。更详细而言，将各单元2的当前位置以及驱动量(控制量)与该单元2的ID建立对应地存储、更新。

数据处理部154包括管理机器人1的状态的状态管理部160、以及控制机器人1的驱动的控制运算部162。状态管理部160包括位置管理部164以及姿势管理部166。位置管理部164管理构成机器人1的各单元2以及工具单元4的位置信息。该位置信息能根据以第一单元2a为基准的各单元2的回转驱动量来确定。具体而言，管理相互连接的单元2的连接部的位置。

姿势管理部166管理机器人1的姿势信息(外部形状)。该姿势信息能根据上述位置信息和单元2的形状(在本实施方式中为1/4圆弧形)来确定。姿势管理部166能根据用户的请求使机器人1的当前姿势显示于省略图示的显示装置。

控制运算部162根据用户的输入来确定用于改变机器人1的姿势的动作模式，并基于该动作模式来计算各单元2的驱动量。而且，将每个单元2的控制指令与ID建立对应后依次输出。在本实施方式中，为了确保控制的稳定性，不是同时驱动所有的单元2，而是从机器人1的基端向前端(就是说，从第一单元2a向第八单元2h)依次驱动单元2。而且，在机器人1呈目标姿势，工具单元4朝向对象物(对象区域)之后，对其进行点亮控制。

接着，对机器人1的控制方法进行说明。

图7是示意性地表示机器人1的控制方法的图。图7的(a)和(b)例示出了其控制过程。

为了使机器人1作为照明装置发挥功能，需要确定要照射光的对象物G的位置。另一方面，机器人1构成为移动体，因此无法确定在三维空间中的绝对位置。因此，在本实施方式中，基于对象物G与机器人1的相对位置关系，来执行机器人1的控制。具体而言，状态管理部160将对象物G的位置作为临时原点来计算机器人1的位置以及姿势，计算出机器人1的控制的基准位置。然后，以计算出的基准位置为控制运算上的原点，照此方式进行逆运算，确定机器人1的各部分的位置以及姿势。然后，以该控制运算上的原点为基准，控制各单元2。

即，设定有如图7的(a)所示的三维空间坐标，计算以对象物G的位置为临时原点(0，0，0)的各单元的临时坐标(x，y，z)。在此，通过与连接的单元的连接点P1～P8来确定各单元的位置。如图所示，定义了第一单元2a与第二单元2b的连接点P1、第二单元2b与第三单元2c的连接点P2、……第八单元2h与工具单元4的连接点P8。

通过由工具单元4的摄像头捕捉对象物G来进行测距而得到临时原点。距离传感器(LED)的光轴与对象物G的交点(就是说对象物G的光照射/反射中心)为“临时原点”。在驱动部144使工具单元4与对象物G正对的状态下，位置检测部140检测出工具单元4与临时原点的距离并作为位置信息发送给外部控制装置101。

当外部控制装置101接收到该位置信息时，位置管理部164根据临时原点计算出工具单元4的轴线上的连接点P8的临时坐标(x8，y8，z8)。在此，各单元2的回转驱动量(回转角)的信息储存于状态数据储存部174，因此，只要知道相互连接的一个单元的坐标，就能计算出另一个单元的坐标。因此，位置管理部164提取该回转角信息，按照连接点P7、P6、P5、P4、P3、P2、P1的顺序依次计算出各连接点的临时坐标(x7，y7，z7)～(x1，y1，z1)。

当以这种方式得到基端的连接点P1的坐标(x1，y1，z1)时，位置管理部164将其设为控制运算上的原点(0，0，0)，并逆运算出连接点P2～P8的坐标。需要说明的是，假设回转轴上具有连接点P1的第一单元2a遍及其全长地与地面F(设置面)相接。通过如此将基端的连接点P1设为控制上的原点(0，0，0)，能基于第二单元2b的回转角来计算连接点P2的坐标(X2，Y2，Z2)，能基于该连接点P2的坐标和第三单元2c的回转角来计算连接点P3的坐标(X3，Y3，Z3)。

同样，位置管理部164依次计算出连接点P4～P8的坐标(X4，Y4，Z4)～(X8，Y8，Z8)。然后，根据前端的连接点P8的坐标(X8，Y8，Z8)来确定对象物G的控制上的坐标(X，Y，Z)。姿势管理部166基于计算出的连接点P1～P8的坐标和各单元的形状，来计算机器人1的姿势。这些计算结果储存于状态数据储存部174。姿势管理部166根据用户的请求将机器人1的姿势显示于显示装置。

控制运算部162基于如上所述得到的机器人1的各部分的位置信息和对象物G的位置信息，来执行与用户的请求相应的控制。例如，执行使工具单元4进一步靠近对象物G等控制。此时，以基端的第一单元2a的位置(连接点P1的位置)为基准，计算第二～第八单元2b～2h的回转驱动量，并输出用于实现该回转驱动量的控制指令信号。需要说明的是，相互连接的两个单元2中，基端侧的单元控制前端侧的单元，因此将第二～第八单元2b～2h的回转驱动量设为第一～第七单元2a～2g的回转控制量。而且，将表示该回转控制量的指令信号与控制对象的单元2的ID建立对应后输出。

在机器人1侧，各单元2接收附加了自身ID的控制指令信号，对驱动机构12(电机16)进行驱动。如上所述，为了实现机器人1的稳定控制，从与基端侧的单元2对应的控制指令信号开始依次发送。因此，机器人1从基端侧的单元2开始依次被驱动。当然，根据控制内容，也存在不被驱动的单元2。

另外，例如在对象物G处于低位置的情况下，有时仅驱动前端侧(前半侧)的单元2就足矣。因此，控制运算部162切换作为控制基准的单元2。即，如图7的(b)所示，在能使第一单元2a～第三单元2c接地的情况下，将其中位于最前方的第三单元2c作为基准。而且，以第三单元2c所驱动的连接点P3为控制上的原点(0，0，0)，如此设定坐标系。

通过如此设定，以连接点P3为原点(0，0，0)，能减少确定工具单元4的位置乃至对象物G的位置的计算量，能降低状态管理部160的处理负荷。此外，能抑制接地的单元2的耗电量。

图8是表示机器人1的控制方法的更详细内容的图。图9是表示用于控制运算处理的回避干扰图的图。

在如上所述计算控制量时，控制运算部162使机器人1在控制过程中不干扰障碍物。例如，如图8所示，假设在机器人1的周围除了对象物G以外，还存在障碍物OB1～OB3。图8中举例说明了如图7的(b)所示以连接点P3为控制上的原点(0，0，0)的情况。

在图示的例子中，连接点P4以及P7具有在铅垂方向上延伸的回转轴L4、L7。第五单元2e的前端侧以回转轴L4为中心进行回转，第八单元2h的前端侧以回转轴L7为中心进行回转。假若将第八单元2h固定并使第五单元2e回转，则工具单元4的前端以回转轴L4为回转轴进行回转，能在其前端的作为轨道的圆C1、C2的内侧形成与障碍物的干扰区域。更具体而言，右转的移动界限为障碍物OB3的点P31，左转的移动界限为障碍物OB2的点P21。因此，设定点P21与点P31之间的角度范围作为控制量。

假若将第五单元2e固定并使第八单元2h回转，则工具单元4的前端以回转轴L4为回转轴进行回转，能在其前端的作为轨道的圆C3的内侧形成与障碍物的干扰区域。在图示的例子中，右转的移动界限为障碍物OB2的点P22，左转的移动界限为障碍物OB2的点P23。因此，设定点P22与点P23之间的角度范围作为控制量。当然，这只是一个例子，角度范围的设定根据机器人1的当前位置、回转轴的设定等而发生变化。

为了实现这样的控制，控制运算部162依次更新且保存图9所示的回避干扰图180。回避干扰图180包括障碍物、以该障碍物为干扰对象时的回转轴、障碍物的应回避干扰的坐标等作为参数。在图示的例子中，作为最接近机器人1的回避干扰坐标，关于障碍物OB1，针对回转轴L4确定了点P11。此外，关于障碍物OB2，针对回转轴L4确定了点P21，针对回转轴L7确定了点P22、P23。而且，关于障碍物OB3，针对回转轴L4确定了点P31。

这样的回避干扰图180也可以设定为：在机器人1的控制之前预先设定特定的姿势来作为控制开始时的初始动作，从该特定的姿势起使各单元2依次回转，并通过距离传感器、接近传感器来搜索移动界限。

图10是表示机器人1的使用例的图。

在图示的例子中，使机器人1作为设置于桌子182上的台灯发挥功能。通过执行上述的控制，机器人1能在避免了与书架184等障碍物的干扰的状态下，照亮作为对象物的文件186。机器人1的基端部以卡在桌子182的角上的形式被支承，实现稳定的照明。

图11是表示机器人1的移动控制方法的一例的图。图11的(a)～(c)表示其移动控制过程。

可以考虑各种使机器人1移动的方法，但在如本实施方式那样能由多个单元2构成环状的姿势的情况下，能通过利用了该环状姿势的转动控制来进行移动。

具体而言，如图1的(b)所示，使机器人1呈卷成一团的姿势，并将环状部立在地面F上(参照图11的(c))。此时，机器人1的重心Gx与环状部的中心O大致一致。如图11的(a)所示，通过从该状态起开始立起机器人1的前部，重心Gx从中心O偏离，朝向前方的回转力矩作用于机器人1。由此，机器人1一边向前转一边开始移动。通过配合该前转动作卷起机器人1的前部，如

图11的(b)以及(c)所示，机器人1不会与地面F发生干扰，能通过其惯性进行回转。通过反复进行图11的(a)～(c)的控制，能使机器人1持续移动。

如以上所说明的，根据本实施方式的机器人1，相互连接的单元2分别在其连接部具有相互同轴且正圆形的端面。而且，其中一个单元2以连接部的轴线为中心回转驱动另一个单元2。因此，在驱动机器人1时，关节部(连接部)的形状不会发生变化，能防止关节部与外部(特别是用户)的干扰。

虽然由于采用了具有弯曲形状(1/4圆弧状)的外形的单元作为单元2，因此机器人1不会笔直地(呈直线状地)伸长，但通过控制多个单元2的回转角，能容易地实现向一个方向延伸的姿势。

此外，由于将多个单元2设为具有共通结构的通用单元，因此能实现零部件或模具的共通化、制造工时的减少等所带来的成本降低。此外，仅通过ID进行识别就足矣，因此也容易增减单元数。作为通用单元，回转动作是共通的，因此也容易进行基于单元数的控制程序的切换、变更。

需要说明的是，本发明不限定于上述实施方式、变形例，可以在不脱离技术精神的范围内对构成要素进行变形来具体化。也可以通过适当组合上述实施方式、变形例中所公开的多个构成要素来形成各种发明。此外，还可以从上述实施方式、变形例中所示的全部构成要素中去掉若干构成要素。

图12是示意性地表示变形例的机器人的构成的图。图12的(a)～(c)表示变形例，图12的(d)表示已经说明过的实施方式的构成。

在上述实施方式中，如图12的(d)所示，示出了单元2采用将圆环状构件四等分而成的结构(就是说1/4圆弧状)的例子。在变形例中，例如，如图12的(a)所示，也可以采用将四角环状构件四等分而成的结构(单元201)。或者，如图12的(b)所示，可以采用将三角环状构件三等分而成的结构(单元202)，如图12的(c)所示，也可以采用将六角环状构件六等分而成的结构(单元203)。其中，设为在单元的连接部分别具有相互同轴且正圆状的端面。采用这样的结构，也能实现机器人的环状姿势。或者，也可以采用其他结构。

如图6所示，在上述实施方式中，对由一个机器人1和一个外部控制装置101构成机器人装置100的情况进行了说明，但机器人1的部分功能也可以由外部控制装置101来实现，外部控制装置101的部分或全部功能也可以分配给机器人1。既可以是由一个外部控制装置101控制多个机器人1，也可以是由多个外部控制装置101协同控制一个以上的机器人1。

机器人1、外部控制装置101以外的第三装置也可以承担部分功能。图6中所说明的机器人1的各功能和外部控制装置101的各功能的集合体也可以整体作为一个“机器人”来掌握。关于怎样为一个或多个硬件分配实现本发明所需的多个功能，只要能鉴于各硬件的处理能力、机器人装置100所要求的规格等来决定即可。

在上述实施方式中，作为工具单元4，举例说明了“照明装置”。在变形例中，也可以采用例如摄像头等摄像装置。或者，也可以采用剪子、钳子等切断或抓持装置。也可以采用除此之外的各种装置。此外，可以使多个单元2本身作为通过它们的姿势来抓持物体的抓持机构发挥功能。例如，也可以通过装在用户身上而作为另一只手发挥功能。此外，也可以准备多种工具单元4，并使它们可拆装于机器人1。也可以设置成能根据用途来切换工具单元4。

在上述实施方式中，示出了通过外部控制装置分别控制多个臂单元的构成。在变形例中，作为多个臂单元，可以包括主单元和从单元。而且，也可以采用仅主单元进行与外部控制装置的通信的构成。即，主单元可以包括：通信部，用于分别与外部控制装置以及从单元进行通信；以及控制部，基于来自外部控制装置的指令来计算输出给从单元的控制指令。从单元可以包括：通信部，用于与主单元进行通信的；以及驱动部，基于接收自主单元的控制指令来驱动相互连接的臂单元。

从单元可以包括检测相互连接的臂单元的相对于基准位置的回转位置的检测部，并将表示检测到的回转位置的信息发送给所述主单元。主单元可以基于接收自从单元的信息，计算对从单元的控制指令。主单元和从单元也可以设为能切换相互的功能。此外，作为多个臂单元，也可以包括多个从单元。也可以设为多个从单元能相互通信。

例如，可以使机器人的基端等位于规定位置的单元作为“主单元”发挥功能。主单元接受来自外部控制装置的指令，一一对其他单元输出控制指令。其他单元作为“从单元”发挥功能，基于来自主单元的控制指令来驱动前方的下一个单元。需要说明的是，无论是主单元还是从单元，所有单元都可以设为具有相同构造并能适当置换的“通用单元”。无论是主单元还是从单元，都通过为各单元设定的ID来识别。

在上述实施方式中，单元2的形状设为全部相同，但也可以组合多个不同形状的单元2。在该情况下，单元2将表明自身的ID与表明单元2的种类的类型ID建立对应后一起发送。图6的数据储存部156与类型ID相关联地保存单元2的外形、作为连接点的驱动机构12与连结部18的位置关系等信息。控制运算部162参照与类型ID相关的外形信息，计算单元2的位置。由此，即使在连结了形状不同的单元2的情况下，也能正确地计算位置。

一般而言，与工具单元4所连接的前端部相比，作为基部的单元2需要使电机16的转矩更强。电机16的转矩越大，收纳该电机16的单元2的外径越大。因此，也可以采用改变了图3的基端面22和前端面24的外径尺寸的形状。例如，基端面22的外径尺寸也可以大于前端面24的外径尺寸。由此，能顺畅地连接粗细不同的单元。

虽然在上述实施方式中没有说明，但也为多个单元2中电池56的余量达到基准值以下的单元2设置减轻对驱动机构12(电机16)的负荷的省电控制模式。例如，对于符合的单元2，可以如上所述以根据与相互连接的单元2的位置关系仅通过机械构造来保持当前位置的方式控制机器人1的姿势。即，也可以以实质上不对符合的单元2的电机16施加用电负荷的方式控制姿势。在该情况下，可以断开来自符合的单元2的电池56的供电。

虽然在上述实施方式中没有说明，但也可以使多个单元2之间能进行无线通信。或者，也可以使多个单元2之间能进行有线通信。在该情况下，可以将前后单元2的一方的电源线和信号线以沿着连接部的轴线的方式引出，并分别与另一方的电源线、信号线连接。在该情况下，可以将各线与所谓的接触开关连接。在有线连接的情况下，可以将电池仅设于基端的单元2等特定的单元。

虽然在上述实施方式中，电机16采用了超声波电机，但也可以采用步进电机、DC电机及其他电机。而且，也可以设置用于使电机停止旋转的制动构造。例如，可以采用鼓式制动器等。此外，也可以为驱动电机采用所谓的谐波减速机(Harmonic Drive)(注册商标)。该减速机是包括波形发生器、柔性齿轮、刚性齿轮而构成的波动齿轮装置。

在上述实施方式中，举例说明了如下构成：相互连接的单元2以设于其连接部的回转轴(输出轴46)为中心相对自由回转，一方的单元2内置有用于回转驱动另一方的单元2的驱动机构12(就是说每个单元2都具备驱动机构12的构成)。根据这样的构成，通过根据机器人1的用途来增减单元2，能使其可动范围最优化。由此，能解决提高多关节机器人的通用性等问题。需要说明的是，从这样的观点考虑，相互连接的单元2的端面可以不必呈同轴且正圆状。

在上述实施方式中，示出了工具单元4包括摄像头以及照明装置(LED)，并对作为光照射对象的对象物G进行照射的例子(参照图7、图8)。该对象物G既可以是静止物体、区域，也可以是移动体。多个单元2可以以使工具单元4能通过摄像头来跟踪该移动体并且照射光的方式被控制。

图13是示意性地表示变形例的机器人的构成以及控制方法的图。图13的(a)和(b)例示出了其控制过程。

在本变形例中，机器人201构成为台灯。该台灯调整照射位置，以便始终照亮在桌子上进行作业的用户的手边，即使用户的手移动了，手边也不会变暗。机器人201具有：底座210，能设置于桌子上；以及机器人主体212，固定于底座210。底座210可以具备用于与桌子固定的固定机构。机器人主体212具有与上述实施方式的机器人1同样的构成，其基端的第一单元2a固定于底座210。

底座210内置有控制装置220。控制装置220具有与上述实施方式的外部控制装置101同样的构成。控制装置220具有状态管理部160以及控制运算部162(参照图6)。状态管理部160作为“识别部”发挥功能，并基于由作为工具单元4的摄像头拍摄到的图像，来识别作为光照射对象的对象物(移动体)及其影子。控制运算部162作为“控制部”发挥功能，并基于移动体的移动方向和影子的方向来控制各单元2。

机器人201设置于图10所示的桌子上。底座210载置于桌子182的角落部等不会妨碍到用户的位置，机器人主体212从底座210上表面延伸出。机器人201在未检测到对象物的期间如图13的(b)所示保持卷成一团的姿势(待机状态)。这时，LED为熄灭状态。

当对象物接近至距工具单元4半径规定距离内时，机器人201检测出该情况并移至LED的点亮模式，并使机器人主体212伸长。例如，状态管理部160具有红外线传感器，在通过红外传感器检测到热源的情况下，启动摄像头开始图像处理。通过图像处理，在检测到朝向桌子的用户的情况下，使机器人主体212伸长。此外，当用户离开桌子经过一定期间时，机器人201恢复至待机姿势。如此，机器人201以呈卷成一团的姿势的待机模式和呈延伸状态的照射模式这两个模式进行动作，并根据是否有用户来切换模式。

在照射模式下，机器人201基于图像处理来检测用户的指尖(也可以是用户握着的笔尖：属于“移动体”)，并以指尖周围始终被照亮的方式照射光。机器人201通过跟踪指尖来确定其移动方向，并基于指尖的移动方向和影子的方向来控制各单元2。具体而言，调整工具单元4的位置以及角度，使得指尖的移动方向与影子的方向(影子的延伸方向)大致一致，如此控制各单元2，同时照射光。此外，也可以以使影子的范围变成最小的方式控制各单元2，同时照射光。

通过这样的控制，能照亮用户握着的笔尖的跟前侧，因此能提高用户的执笔作业效率。需要说明的是，此时，例如也可以通过以将影子的长度控制在规定范围的方式进行控制来减小影子的大小，或者使影子本身难以产生。此外，也可以通过识别用户的脸来控制工具单元4的角度，以免光照向用户的眼睛。当然，机器人201被控制成不会妨碍用户的视线。

控制装置220的状态管理部160可以具有麦克风(未图示)，作为识别用户的声音(指示)的“声音识别部”发挥功能。本实施方式的单元201自动识别用户的指尖并照亮手指周边，但有时需要根据情况来调整照射位置。在该情况下，用户通过“稍微向右”“稍微向上”等话语进行指示，由此单元201识别出声音，并向被指示的方向调整照射位置。此外，机器人201可以以基于用户的指示来确定对象物并对该对象物照射光的方式控制。例如，在用户正在组装模型的情况下，若用户指示“照亮模型”、“这里”，则以跟踪模型而不是用户的指尖的方式进行照亮。若持续指示“一直照亮这里”“锁定这里”，则可以停止跟踪，而持续照亮那个地方。在用作这样的台灯的情况下，也能通过主要使用图5、图7说明过的方法来控制各单元2，抑制耗电量。

在上述实施方式中，示出了机器人1具备三个以上的单元2，所有的单元2均为内置有驱动机构12、电池56以及供电电路(无线供电部118)的驱动臂单元的例子。在变形例中，也可以是一部分单元2不包括这些构件中的任一个。

设为能按每个驱动臂单元一一对电池56进行无线充电。对于多个驱动臂单元，可以对充电的顺序设置优先顺序。例如，可以是充电余量越少的单元优先顺序越高。或者，可以是越靠近工具单元4的单元，越优先充电。由此，容易长时间发挥工具单元4的最低限度的功能。

在上述实施方式中，如结合图7的(b)说明过的那样，能抑制接地的单元2的耗电量。各单元2的数据处理部132作为控制来自对应的电池146的供电的“通电控制部”发挥功能。接近检测部120作为检测对应的单元2的接地状态(是否接地)的“接地检测部”发挥功能。具体而言，数据处理部132可以在对应的单元2处于接地状态时，在规定条件下移至降低或切断从对应的电池146向各电路(控制电路52、通信电路54等)、驱动机构12的供电的省电模式。省电模式可以是所谓的睡眠状态(待机)或休眠状态。也可以切断向控制电路52以外的供电。或者，也可以将供应给控制电路52的电力保持在比通常动作时的工作电力低的待机电力。也可以间歇地供给工作电力。也可以暂时切断为控制电路52的CPU提供的时钟。

例如，可以以前方(工具单元4侧)的单元2处于接地状态为条件，移至省电模式。此时，可以使相互连接的单元2之间能直接通信，确认接地信息。或者，相互连接的单元2可以经由控制装置(外部控制装置101或控制装置220)而共享彼此的接地信息。通过这样的构成，能根据多关节机器人的作业内容、工作状态为任一单元2降低耗电量，能提高多关节机器人的能效。

虽然在上述实施方式中，作为多关节机器人的一例，例示出了台灯，但是，当然也能构成为机械手及其他的多关节机器人。

Claims (7)

1.一种多关节机器人，其为通过连接多个臂单元而获得的多关节机器人，其特征在于，

在连接着的多个臂单元的前端，可拆装地设置有与用途对应的工具单元，

作为所述臂单元，包括在一端与另一端之间具有共通的弯曲形状的外形的多个通用单元，

相互连接的通用单元分别在其连接部具有相互同轴且正圆状的端面，在一方的通用单元，构成驱动机构的回转轴从端面中心垂直延伸，垂直连接于另一方的通用单元的端面，以所述回转轴为中心回转驱动所述另一方的通用单元，

所述多关节机器人构成为：对于所述多个通用单元的全部或一部分，通过控制所述回转轴的回转角度，调整相互连接的通用单元的相对位置，由此能实现螺旋状的姿势。

2.根据权利要求1所述的多关节机器人，其特征在于，

所述通用单元具有用于检测规定的检测对象接近或接触的检测部。

3.根据权利要求1或2所述的多关节机器人，其特征在于，

构成为：对于所述多个通用单元的全部或一部分，通过控制相互连接的通用单元的相对位置来改变重心，使其可移动。

4.根据权利要求1所述的多关节机器人，其特征在于，

所述一方的通用单元还包括：电池，为所述驱动机构供电；以及供电电路，用于对该电池充电。

5.根据权利要求4所述的多关节机器人，其特征在于，

构成为：通过控制所述多个通用单元的绝对位置以及相对位置，能使相互连接的任意的通用单元通过因重力而造成的对置面的挤压力彼此卡定，实现不会产生两者的绕连接部的轴线的回转力矩的特定姿势，并能在该特定姿势下通过切断来自这两者之一所具有的电池的供电来省电。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的多关节机器人，其特征在于，

所述工具单元包括摄像头以及照明装置，

所述多个通用单元以如下方式被控制：在待机模式下保持螺旋状的缩小姿势，并在照射模式下呈伸长姿势，所述工具单元通过所述摄像头来跟踪作为照射对象的移动体并且照射光。

7.根据权利要求6所述的多关节机器人，其特征在于，具备：

识别部，基于所述摄像头所拍摄到的图像，识别位于所述移动体的周围的影子；以及

控制部，以使所述影子的大小变小的方式控制各通用单元。

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