JP2000006065A - 関節装置、ロボット装置及び関節制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロボットアームなどの関節部を動作させるア
クチュエータを制御するアクチュエータ制御装置におい
て、特別なセンサを設けることなく、関節部分での危険
を防止できるようにする。 【解決手段】 比較器４７１は、胴体部の制御装置から
の位置指令と、位置検出器４３３からの軸の回転位置と
の誤差を求める。この誤差の値を誤差増幅器４７２が増
幅して、モータ４３１への印加電圧を制御する。モータ
４３１の回転は、減速機４３２によって減速され、曲げ
動作の動力として関節部に伝達される。位置検出器４３
３は、関節部の軸の回転位置を検出する。トルク制限値
発生器４７３は、比較器４７１の出力をデータＤ１、位
置検出器４３３の出力をデータＤ２として入力し、これ
らの値に基づいてトルクの制限値を発生し、誤差増幅器
４７２に与える。誤差増幅器４７２は、比較器４７１の
出力をトルク制限値の範囲内で増幅し、モータ４３１へ
の印加電圧を制御する。これにより、モータ４３１の最
大トルクが制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボットアームなど
の関節を動作させるアクチュエータを制御するアクチュ
エータ制御装置に関し、特にトルクを制御するアクチュ
エータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットなどの関節を持つ機械で
は、その関節を動かすために、モータや減速機などから
なるアクチュエータが設けられている。産業用のロボッ
トでは、トルクが強く動作も早いため、安全面において
万全の処置がなされている。

【０００３】一方、デモンストレーションなどに用いら
れる小型のロボットは、不特定多数の人が触れられるよ
うに、モータのトルクや動きが小さい設計となってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、それでも、歩
いたりしゃがんだりするときには、足などを曲げるため
に関節部分の角度が狭くなるので、人の指を挟んだりす
る危険がある。この場合、小型とはいえ、痛みを与えて
しまったり、最悪の場合にはけがをさせる危険がある。
また、負荷が増大するため、ロボット側の機構部が破損
するおそれもある。

【０００５】これを防止するため、関節部分にセンサを
設け、大きな負荷がかかった場合には動作を停止させる
方法が考えられる。しかし、センサの数に比例して、配
線数が増えてコストアップになったり、サイズも大きく
なるなどの問題がある。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、特別なセンサを設けることなく、関節部分で
の危険を防止することのできるアクチュエータ制御装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、ロボットアームなどの関節部を動作させ
るアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置に
おいて、前記関節部の動作状態を検出する動作状態検出
手段と、前記関節部が曲げ動作中の場合には、前記関節
部の駆動源のトルクを制限させるトルク制限手段と、を
有することを特徴とするアクチュエータ制御装置が提供
される。

【０００８】このようなアクチュエータ制御装置では、
動作状態検出手段により、関節部の動作状態を検出し、
関節部が曲げ動作中の場合には、トルク制限手段が、関
節部の駆動源のトルクを制限させる。よって、特別なセ
ンサを設けることなく、関節部での指などの挟み込みに
よる危険を防止することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図２は本形態のロボットの外観構
成を示す側面図である。ロボット１は、例えばデモンス
トレーション用の小型ロボットであり、縦、横の寸法が
数十ｃｍ、重量が数ｋｇの４足歩行型ロボットである。
ロボット１の胴体部２の上には、頭部３が取り付けられ
ている。頭部３は、首部３１によって、上下左右に動作
することができる。

【００１０】胴体部２の下には、左前脚４、左後脚５、
図示されていない右前脚および右後脚が取り付けられて
いる。左前脚４は、付け根部４１、上脚部４２、および
下脚部４３から構成されている。それぞれの内部には、
モータやギアなどからなるアクチュエータ機構が設けら
れている。

【００１１】付け根部４１は、胴体部２に固定されてお
り、左前脚４全体の動作制御を行うための駆動回路など
を内蔵している。上脚部４２は、関節部４４部分で、例
えば前後方向にそれぞれ１２０°ずつ、さらに内側に１
５°、外側に９０°回動可能となっている。また、下脚
部４３は、関節部４５で、例えば前後方向にそれぞれ１
２０°ずつ回動可能となっている。

【００１２】同様に、左後脚５は、付け根部５１、上脚
部５２、および下脚部５３から構成されている。それぞ
れの内部には、モータやギアなどからなるアクチュエー
タ機構が設けられている。付け根部５１は、胴体部２に
固定されており、左後脚５全体の動作制御を行うための
駆動回路などを内蔵している。上脚部５２は、関節部５
４で、例えば前後方向にそれぞれ１２０°ずつ、さらに
内側に１５°、外側に９０°回動可能となっている。ま
た、下脚部５３は、関節部５５で、例えば前後方向にそ
れぞれ１２０°ずつ回動可能となっている。

【００１３】このようなロボット１は、胴体部２に内蔵
された制御装置によりその動作が制御される。図３は左
前脚４内部の構造を示す側面図である。また、図４は左
前脚４内部の構造を示す正面図である。付け根部４１の
ケース４１０内には、上脚部４２を駆動するためのモー
タ４１１が設けられている。モータ４１１の回転は、複
数枚のギアからなる減速機４１２によって減速され、関
節部４４の軸４４１（図４）に伝達される。これによ
り、軸４４１の先端に固定された上脚部４２が、前後方
向に回動可能となっている。上脚部４２の前後方向への
角度は、モータ４１１に取り付けられた位置検出器４１
３により検出される。

【００１４】上脚部４２のケース４２０内には、モータ
４２１が設けられている。モータ４２１の回転は、複数
枚のギアからなる減速機４２２によって減速され、ギア
４２４に伝達される。ギア４２４は、ケース４２０に対
して回動可能に、かつその軸４２４ａは、関節部４４の
軸４４１に固定されている。これにより、上脚部４２
は、開脚および閉脚方向に回動可能となっている。現在
の角度は、位置検出器４２３により検出される。

【００１５】下脚部４３のケース４３０内には、モータ
４３１が設けられている。モータ４３１の回転は、複数
枚のギアからなる減速機４３２によって減速され、関節
部４５のギア４５１に伝達される。ギア４５１は、上脚
部４２のケース４２０に対して固定されるとともに、そ
の軸４５１ａを介してケース４３０に回動可能に取り付
けられている。これにより、下脚部４３は、軸４５１ａ
を中心に前後方向に回動可能となっている。下脚部４３
の前後方向への角度は、位置検出器４３３により検出さ
れる。

【００１６】また、付け根部４１のケース４１０内に
は、基板４６が設けられている。この基板４６上には、
駆動回路４７が搭載されている。駆動回路４７は、コネ
クタ４８を介してメインの制御回路から送られる位置指
令信号を受けて、各モータ４１１，４２１，４３１を駆
動制御する。

【００１７】なお、右後脚部５および図示されていない
他の脚部についても、左前脚４とほぼ同じ構成である。
図５は左前脚４の動作例を示す図であり、（Ａ）は下脚
部４３のみを曲げた状態を示す図、（Ｂ）は上脚部４２
も曲げた状態を示す図である。図（Ａ）では、下脚部４
３を、関節部４５部分で後方に約９０°曲げた状態を示
している。また、図（Ｂ）に示すように、下脚部４３を
曲げた状態で、上脚部４２も関節４４部分で曲げること
ができる。

【００１８】なお、右後脚部５および図示されていない
他の脚部についても、左前脚４とほぼ同じ動作を行うこ
とができる。また、各脚部は、個別に動作制御できるの
で、ロボット１に複雑な動作をさせることができる。

【００１９】ところで、このように関節部４４，４５な
どを曲げるときには、人の手が挟まる可能性がある。こ
のとき、各モータ４１１，４２１，４３１のトルクが強
いと、けがをする危険性がある。そこで、本形態では、
上脚部４２、下脚部４３の角度に応じて、モータ４１
１，４２１，４３１のトルクを制御するようにしてい
る。

【００２０】図６は本形態におけるトルク制御の特性例
を示す図である。また、図７は曲げ角度の基準を示す図
である。ここでは、図７に示すように、下脚部４３を曲
げない状態を０°、前方に曲げた場合をマイナス方向、
後方に曲げた場合をプラス方向とする。下脚部４３の曲
げ角度が０°の場合には、動作時のモータ４３１の最大
トルクをモータ４３１の持つトルク能力１００％に設定
する。そして、下脚４３の曲げが前後ともに大きくなる
につれて、すなわち、上脚部４２との角度が狭くなるに
つれて、その最大トルクを直線的に下げていく。これに
より、下脚部４３が大きく曲がっているときほど、動作
時のトルクが制限される。よって、誤って指などを挟ん
でも、けがをする心配がない。

【００２１】ただし、曲がり動作中であっても、その向
きが変わった場合には、モータ４３１の最大トルクをた
だちに１００％に戻す。例えば、下脚部４３を後方に曲
げる動作で曲げ角度約８０°のとき（点Ｐ１）に、関節
部４５を伸ばす動作に切り替わったとする。この場合に
は、モータ４３１の最大トルクを５０％程度から１００
％に戻す。これにより、敏速な切り替え動作が行える。

【００２２】また、点Ｐ２のように、最大の曲げ角度１
２０°（あるいは−１２０°）になった場合には、これ
以上は曲がらないので、最大トルクを１００％に戻す。
なお、上記トルク制御は、下脚部４３に限らず、上脚部
４２や他の脚部にも同様の制御がなされる。また、トル
ク制御の特性は、図６のものに限らず、図８の他の例よ
うに、下脚部４３を前方に曲げるときと後方に曲げると
きとで特性を変えることもできる。

【００２３】次に、このようなモータのトルク制御を行
うための駆動回路４７の構成について説明する。図１は
本形態のモータのトルク制御を行うための駆動回路４７
の構成を示すブロック図である。ここでは、下脚部４３
に関する部分の構成を示す。比較器４７１は、胴体部２
の制御装置からの位置指令と、位置検出器４３３からの
軸の回転位置との誤差を求める。この誤差の値を誤差増
幅器４７２が増幅して、モータ４３１への印加電圧を制
御する。モータ４３１の回転は、減速機４３２によって
減速され、曲げの動力として関節部４５に伝達される。
位置検出器４３３は、関節部４５の軸の回転位置を検出
する。

【００２４】トルク制限値発生器４７３は、比較器４７
１の出力をデータＤ１、位置検出器４３３の出力をデー
タＤ２として入力し、これらの値に基づいてトルクの制
限値を発生する。すなわち、データＤ１によって、モー
タ４３１の回転方向およびモータ４３１への印加電圧な
どのデータを知る。一方、データＤ２によって、関節部
４５の現在の曲げ角度を知る。そして、トルク制限値発
生器４７３は、これらのデータに基づいて、図６などで
示したトルク特性となるように、モータ４３１のトルク
制限値を発生し、誤差増幅器４７２に与える。

【００２５】誤差増幅器４７２は、比較器４７１の出力
をトルク制限値の範囲内で増幅し、モータ４３１への印
加電圧を制御する。これにより、モータ４３１の最大ト
ルクが制御される。

【００２６】図９はトルク制限値発生器４７３の構成を
示すブロック図である。トルク制限値発生器４７３で
は、入力側に２つのＡ／Ｄコンバータ４７３ａ，４７３
ｂが設けられている。Ａ／Ｄコンバータ４７３ａ，４７
３ｂは、それぞれデータＤ１，Ｄ２をＡ／Ｄ変換し、Ｒ
ＯＭ４７３ｃのアドレス信号として入力する。これによ
り、関節部４５の角度、モータ４３１の回転方向、モー
タ４３１への印加電圧に対応したＲＯＭ４７３ｃのアド
レスが割り当てられる。

【００２７】ＲＯＭ４７３ｃには、各アドレスに対応し
て、図６で示したようなトルク特性となるように、トル
ク制限値が記憶されている。ＲＯＭ４７３ｃは、入力さ
れたアドレスに対応するトルク制限値のデータを出力す
る。Ｄ／Ａコンバータ４７３ｄは、ＲＯＭ４７３ｃから
出力されたデータをＤ／Ａ変換し、図１で示した誤差増
幅器４７２に供給する。

【００２８】このように、本形態では、関節部の曲げ角
度に応じてモータのトルクを制限するようにしたので、
特別なセンサを設けることなく、指などを挟んだときの
けがの発生を防止できる。また、堅い物体が挟まったと
きのギアなどの破損を防止できる。

【００２９】なお、本形態では、モータ４３１の印加電
圧を制御することによりトルク制限するようにしたが、
１方向クラッチやトルクリミッタなどの機械的装置を用
いてトルク制限するようにしてもよい。

【００３０】また、本形態では、ロボット１の脚部のト
ルク制御の例を示したが、産業用のロボットのアーム
や、ロボット以外にも関節部を有する機構のすべてに本
発明が適用できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、アクチ
ュエータの関節部が曲げ動作中の場合には、関節部の駆
動源のトルクを制限させるようにしたので、特別なセン
サを設けることなく、関節部に指を挟んだときでも、け
がの発生を防止することができる。また、堅い物体が挟
まったときのギアなどの破損を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本形態のモータのトルク制御を行うための駆動
回路の構成を示すブロック図である。

【図２】本形態のロボットの外観構成を示す側面図であ
る。

【図３】左前脚部内部の構造を示す側面図である。

【図４】左前脚部内部の構造を示す正面図である。

【図５】左前脚部の動作例を示す図であり、（Ａ）は下
脚部のみを曲げた状態を示す図、（Ｂ）は上脚部も曲げ
た状態を示す図である。

【図６】本形態におけるトルク制御の特性例を示す図で
ある。

【図７】曲げ角度の基準を示す図である。

【図８】トルク制御の他の特性例を示す図である。

【図９】トルク制限値発生器の構成を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１……ロボット、２……胴体部、３……頭部、４……左
前脚部、５……左後脚部、４１，５１……付け根部、４
２，５２……上脚部、４３，５３……下脚部、４４，４
５……関節部、４１１，４２１，４３１……モータ、４
１２，４２２，４３２……減速機、４７１……比較器、
４７２……誤差増幅器、４７３……トルク制限値発生
器。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月２４日（１９９９．６．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 関節装置、ロボット装置及び関節制
御方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、安全性を格段と向上し得る関節装置、ロボット装置
及び関節制御方法を提案しようとするものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、第１の部材と第２の部材との間に
設けられ、第１の部材と第２の部材との回転軸を中心と
して回転自在に支持する関節機構部と、関節機構部を駆
動するアクチュエータと、アクチュエータを制御するア
クチュエータ制御手段と、第１の部材と第２の部材とが
なす関節の状態を検出する関節状態検出手段とを設け、
アクチュエータ制御手段は、関節状態検出手段の検出結
果に基づいて、アクチュエータを制御するようにした。
この結果この関節装置においては、第１の部材と第２の
部材とがなす関節の状態に基づいて、関節機構部を駆動
するアクチュエータを制御することにより、当該関節に
指を挟んだときでも、けがの発生を防止することができ
る。また本発明においては、関節装置を有するロボット
装置において、関節装置は、第１の部材と第２の部材と
の間に設けられ、第１の部材と第２の部材との回転軸を
中心として回転自在に支持する関節機構部と、関節機構
部を駆動するアクチュエータと、アクチュエータを制御
するアクチュエータ制御手段と、第１の部材と第２の部
材とがなす関節の状態を検出する関節状態検出手段とを
設け、アクチュエータ制御手段は、関節状態検出手段の
検出結果に基づいて、アクチュエータを制御するように
した。この結果このロボット装置の関節装置において
は、第１の部材と第２の部材とがなす関節の状態に基づ
いて、関節機構部を駆動するアクチュエータを制御する
ことにより、当該関節に指を挟んだときでも、けがの発
生を防止することができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】さらに本発明においては、第１の部材と第
２の部材との間に設けられ、第１の部材と第２の部材と
を回転軸を中心として回転自在に支持する関節機構部に
おける第１の部材と第２の部材とがなす関節の状態を検
出した後、当該関節の状態の検出結果に基づいて、関節
機構部を駆動するアクチュエータを制御するようにし
た。この結果この関節制御方法においては、第１の部材
と第２の部材とがなす関節の状態に基づいて、関節機構
部を駆動するアクチュエータを制御することにより、当
該関節に指を挟んだときでも、けがの発生を防止するこ
とができる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、第１の部
材と第２の部材との間に設けられ、第１の部材と第２の
部材との回転軸を中心として回転自在に支持する関節機
構部と、関節機構部を駆動するアクチュエータと、アク
チュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、第１
の部材と第２の部材とがなす関節の状態を検出する関節
状態検出手段とを設け、アクチュエータ制御手段は、関
節状態検出手段の検出結果に基づいて、アクチュエータ
を制御するようにしたことにより、第１の部材と第２の
部材とがなす関節に指を挟んだときでも、けがの発生を
防止することができ、かくして安全性を格段と向上し得
る関節装置を実現できる。また本発明によれば、関節装
置を有するロボット装置において、関節装置は、第１の
部材と第２の部材との間に設けられ、第１の部材と第２
の部材との回転軸を中心として回転自在に支持する関節
機構部と、関節機構部を駆動するアクチュエータと、ア
クチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、第
１の部材と第２の部材とがなす関節の状態を検出する関
節状態検出手段とを設け、アクチュエータ制御手段は、
関節状態検出手段の検出結果に基づいて、アクチュエー
タを制御するようにしたことにより、第１の部材と第２
の部材とがなす関節に指を挟んだときでも、けがの発生
を防止することができ、かくして安全性を格段と向上し
得るロボット装置を実現できる。ようにした。さらに本
発明においては、第１の部材と第２の部材との間に設け
られ、第１の部材と第２の部材とを回転軸を中心として
回転自在に支持する関節機構部における第１の部材と第
２の部材とがなす関節の状態を検出した後、当該関節の
状態の検出結果に基づいて、関節機構部を駆動するアク
チュエータを制御するようにしたことにより、第１の部
材と第２の部材とがなす関節に指を挟んだときでも、け
がの発生を防止することができ、かくして安全性を格段
と向上し得る関節制御方法を実現できる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットアームなどの関節部を動作させ
   るアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置に
   おいて、 前記関節部の動作状態を検出する動作状態検出手段と、 前記関節部が曲げ動作中の場合には、前記関節部の駆動
   源のトルクを制限させるトルク制限手段と、 を有することを特徴とするアクチュエータ制御装置。
2. 【請求項２】 前記トルク制限手段は、前記関節部の曲
   げ角度に応じて前記トルクの制限値を変化させることを
   特徴とする請求項１記載のアクチュエータ制御装置。
3. 【請求項３】 前記トルク制限手段は、前記関節部の曲
   げ方向が変化した場合には、前記トルクの制限を解除す
   ることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ制御
   装置。
4. 【請求項４】 前記駆動源はモータであり、前記トルク
   制限手段は、前記モータの印加電圧もしくは、印加電流
   を制御することにより前記トルクを制御することを特徴
   とする請求項１記載のアクチュエータ制御装置。
5. 【請求項５】 前記駆動源からの力の伝達力を調整でき
   る調整機構部を有し、前記トルク制限手段は、前記調整
   機構部を制御することにより、前記トルクを制御するこ
   とを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ制御装
   置。