JP2005246555A - ロボット用信号伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通信装置を安価に構成するとともに、光ファイバの曲げ半径の制限による制約を受けないようにし、かつ、信号へのノイズの混入を防止することにある。
【解決手段】 ロボットの、関節８介して相対運動可能に互いに連結された二つの構成要素１０および３間で信号伝達を行う装置において、前記関節８に形成された光通路１２と、前記二つの構成要素１０，３にそれぞれ設けられて光通路１２を介し互いに光通信する光通信手段１３，１４とを具えてなる、ロボット用信号伝達装置である。
【選択図】図１

Description

この発明は、人型ロボット等のロボットの、胴体と腕等の二つの構成要素間で関節や接合部を介して信号伝達を行う装置に関するものである。

ロボットは一般に、二つの構成要素間を連結するとともに、それらの構成要素を相対運動させるアクチュエータやその運動量を検出するセンサを持つ関節を複数具え、制御部とそれらの関節のアクチュエータおよびセンサとの間で多数のケーブル（電線）によって信号が伝達されてそれらの関節の制御が行われている。それゆえロボットでは、制御部とアクチュエータやセンサとの間の信号伝達に大量のケーブルが必要となることから、関節の数が増す毎に配線量が増し、その増加分配線用のスペースが必要となるため、構成要素と関節との接合部や構成要素内部の設計の自由度が制限されることになり、機能の向上に支障を来すこともある。

またロボットに配線を追加することが物理的に困難な状況では、センサやアクチュエータ等を増加させられないため、ロボットに必要な機能の追加をあきらめざるを得ない場合もある。さらに、これらの大量配線を接続・結線する作業もかなりの労力となっている。そして、これらの大量配線には、関節において繰り返し曲げられたり捻られたりすることにより断線の危険性が常に付きまとう。

一方、光ファイバを使って信号伝達を行うことにより、省配線化を図ることも可能である。しかしながら、光ファイバは曲げ半径が制限されるため、それに対応することによる不具合が生じる場合もある。さらに、脱着式の構成要素であるモジュールの接合部に関しては、光ファイバ専用に脱着式コネクタを採用することが必要となるが、そのコネクタが比較的大きいため無駄なスペースを必要とする。また、コネクタを使用するので伝達ロスや接続の信頼性が劣ってしまうという問題もある。

そこで従来、このような問題を解決するものとして、例えば特許文献１に記載のように、電源線を利用して信号伝達を行う装置が提案されている。
特開２００２−３０１６８４号公報

しかしながら上記従来の装置は、電源線に重畳させて信号を電気的に送信するトランスミッタと、その電源線に重畳した電気信号を分離させて受信するレシーバとを必要とするため、構成が複雑でコストが嵩むという問題があり、また、電源線に信号をのせるためモータ等のノイズが混入し易いという問題もあった。そして、電源線を用いずに電波による無線通信で信号伝達を行うことも試みられたが、この場合も同様に、トランスミッタとレシーバとを必要とするため構成が複雑でコストが嵩むという問題があり、また、電波を用いるため他の電波等によるノイズが混入し易いという問題もあった。

この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、請求項１記載のこの発明のロボット用信号伝達装置は、ロボットの、関節を介して相対運動可能に互いに連結された二つの構成要素間で信号伝達を行う装置において、前記関節に形成された光通路と、前記二つの構成要素にそれぞれ設けられて前記光通路を介し互いに光通信する光通信手段と、を具えてなるものである。

また、請求項２記載のこの発明のロボット用信号伝達装置は、ロボットの、接合部を介して脱着可能に互いに連結された二つの構成要素間で信号伝達を行う装置において、前記接合部に形成された光通路と、前記二つの構成要素にそれぞれ設けられて前記光通路を介し互いに光通信する光通信手段と、を具えてなるものである。

かかる信号伝達装置にあっては、ロボットの二つの構成要素間を連結するとともにそれらの構成要素の相対運動用のアクチュエータやセンサを持つ関節に形成された光通路や、ロボットの二つの構成要素間を連結するとともにそれらの構成要素を脱着可能にする接合部に形成された光通路を介して、前記二つの構成要素にそれぞれ設けられた光通信手段が互いに光通信する。ここで、「光通信」は可視光線に限られず、光としての性質を持つ赤外線や紫外線による通信も含んでいる。

従ってこの発明のロボット用信号伝達装置によれば、二つの構成要素を相対運動させるアクチュエータやその運動量を検出するセンサと制御装置との間で関節や接合部を介して信号伝達を行うことができる。そしてこの発明のロボット用信号伝達装置によれば、例えば発光ダイオードを増幅器で駆動して光信号を送信する光送信機と、フォトトランジスタの出力信号を増幅器で増幅して光信号を受信する光受信機との組み合わせ等による安価な光通信手段を用い得るので通信装置を安価に構成することができ、また信号伝達に光ファイバを用いないのでその曲げ半径の制限による制約を受けずに済み、しかも信号伝達に電源線や電波を用いず光通路を用いるので、電源線に乗るモータ等のノイズや電波によるノイズ等に起因するノイズの混入を防止することができ、好ましくは外部光を遮断した専用の光通路を用いることで、信号へのノイズの混入をより確実に防止することができる。さらに、構成要素を脱着可能なモジュールにした場合に、そのモジュールと他の構成要素との間の信号伝達を少ないスペースで行い得るので、モジュールの接合部をコンパクトに構成することができ、また接合部に信号伝達用の接点がないので、接点での接触不良をなくして信号伝達の確実性を高めることができる。

なお、この発明のロボット用信号伝達装置においては、前記ロボットは人型ロボットであっても良く、この発明の装置をスペース上の制約が厳しい人型ロボットに適用すれば、アクチュエータやセンサの数を充分増やすことができるので、人型ロボットの運動能力や環境検出能力をより高めることができる。

以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明のロボット用信号伝達装置の一実施例を示す断面図、そして図２（ａ），（ｂ）は、上記実施例のロボット用信号伝達装置を適用した人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、上記人型ロボットは胴体１の下に二本の脚２を具え、それらの脚２で既知の方法により倒立振り子的に動的バランスをとりながら歩行するものである。この人型ロボットはまた、胴体１のロボット自身から見て左右に腕３を具えるとともに、胴体１上に頭４を具えており、ここで、胴体１は、腰の部分で互いに前後および左右回動可能に連結された上半部１ａと下半部１ｂとからなっている。

上記人型ロボットは、脚２、腕３、頭４と胴体１との間の首および、胴体１の上下半部１ａ，１ｂ間の腰にそれぞれ、例えば図２（ａ）中符号Ａで示す腕３の上腕部について代表で図１に示すように、アクチュエータとしてのサーボモータ５とその出力回転を減速して可動部を動かす減速機６とその可動部の回動角度を検出するセンサとしてのエンコーダ７とを持つ関節（可動軸）８を複数有しており、それらのエンコーダ７が信号として出力する関節の回動位置は、胴体上半部１ａ内に収納された図示しない制御装置に記憶され、その制御装置は、通常のマイクロコンピュータとモータドライバとを有し、歩行等の動作のために演算で求めた各関節８の目標回動位置と上記エンコーダ７から送られて来た実際の回動位置との偏差を減らすように各関節８のサーボモータ５を適宜作動させる。なお、
図１中上部の関節８は、肩関節の一部をなして腕３をその長手方向軸線Ｂを中心に略Ｔ字状の上腕支持部材９ひいてはそれを左右方向へ回動可能に支持する肩フレーム１０に対し捻転可能に連結する関節であり、図１中下部の関節８は、上腕に対し前腕を回動可能に連結する肘関節である。

そしてこの実施例のロボット用信号伝達装置は、上記各関節８用のサーボモータ５およびエンコーダ６と上記制御装置との間での信号伝達の役割りを担うものであり、図２の上部に示す関節８では、腕３の長手方向軸線Ｂに沿って上腕支持部材９内に形成された円筒状の空洞とその上腕支持部材９に結合されて減速機６の中心部を回動可能に貫通した円筒状の延長部材１１内の空洞とで構成された光通路１２と、上腕支持部材９の空洞内と腕３の上腕内とにそれぞれ固定されて互いに対向する二つの光送受信部１３と、それらの光送受信部１３を作動させて光通路１２を介し光通信を行わせる二つの送受信機（図１では片方のみ示す）１４とを具えてなる。

またこの実施例のロボット用信号伝達装置は、図１の下部に示す関節８では、腕３の長手方向軸線Bと直交する軸線Ｃに沿って前腕支持部材１５内に形成された円筒状の空洞とその前腕支持部材１５に結合されて減速機６の中心部を回動可能に貫通した円筒状の延長部材１６内の空洞とで構成された光通路１２と、前腕支持部材１５の空洞内と腕３の上腕に連結されたブラケット１７とにそれぞれ固定されて互いに対向する二つの光送受信部１３と、それらの光送受信部１３を作動させて光通路１２を介し光通信を行わせる二つの送受信機（図１では先の肩関節用のものと共用の片方のみ示す）１４とを具えてなる。

ここで、光送受信部１３と送受信機１４とは光通信手段を構成し、その光送受信部１３は、例えば発光ダイオードとフォトトランジスタとを組み合わせることで構成することができ、また送受信機１４は、例えば制御に必要な複数種類の入力信号を多重化して増幅し、その入力信号で発光ダイオードを駆動する増幅器と、フォトトランジスタからの多重化された出力信号を複数種類の信号に分離させて出力する増幅器とを組み合わせることで安価かつ容易に構成することができる。またブラケット１７は、延長部材１６の先端部に密に嵌め合わされて光通路１２の一端部を閉止し、光通路１２内に外部から光が入り込むのを阻止しており、光通路１２の前腕支持部材１５側の端部も、同様に図示しない部材が閉止して光通路１２内に外部から光が入り込むのを阻止している。

なお、上記サーボモータ５やエンコーダ６や送受信機１４のための電源は、胴体上半部１ａ内の電源回路から図示しない電源ケーブルによって供給されている。

この実施例のロボット用信号伝達装置にあっては、図２に示す人型ロボットの二つの構成要素である胴体１と腕３との間を連結するとともに腕３を肩ひいては胴体１に対し相対的に捻り運動させるサーボモータ５およびその運動量を検出するエンコーダ７を持つ上腕上部の関節８に形成された光通路１２や、図２に示す人型ロボットの二つの構成要素である腕３の上腕と前腕との間を連結するとともにその前腕を上腕に対し相対的に回動させるサーボモータ５およびその回動量を検出するエンコーダ７を持つ肘の関節８に形成された光通路１２を介して、二つの送受信機１４が光送受信部１３により光信号をやり取りして互いに光通信する。

従ってこの実施例のロボット用信号伝達装置によれば、人型ロボットの二つの構成要素を相対運動させるサーボモータ５やその運動量を検出するエンコーダ７と制御装置との間で関節８を介して信号伝達を行うことができる。

しかもこの実施例のロボット用信号伝達装置によれば、例えば光送受信部１３の発光ダイオードを増幅器で駆動して光信号を送信するとともに光送受信部１３のフォトトランジスタの出力信号を増幅器で増幅して光信号を受信する送受信機１４による安価な光通信手段を用い得るので、通信装置を安価に構成することができ、また、光通路１２を腕３の内部に設けるので、外乱光を容易かつ確実に遮断してノイズの混入を防止することができ、さらに、信号伝達に光ファイバを用いないのでその曲げ半径の制限による制約を受けずに済み、加えて、信号伝達に電源線や電波を用いないので、電源線に乗るサーボモータ５等のノイズや電波ノイズ等の混入を防止することができる。

そして、この実施例のロボット用信号伝達装置によれば、スペース上の制約が厳しい人型ロボットに適用されることから、サーボモータ５やエンコーダ７や他のセンサの数を充分増やすことができるので、人型ロボットの運動能力や環境検出能力をより高めることができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、この発明のロボット用信号伝達装置は、人型ロボットの、上記実施例における以外の、脚２や首や腰の関節にも用いることができる。

また、この発明のロボット用信号伝達装置は、例えば、ロボットの二つの構成要素の少なくとも一方、例えば腕３を、接合部を介して脱着可能に他方の構成要素、例えば胴体１に連結されたモジュールにした場合に、その接合部に光通路を形成するとともに、それら二つの構成要素にそれぞれその接合部の光通路を介し互いに光通信するように光通信手段を設けるようにしてもよく、このようにすれば、そのモジュールと他の構成要素との間の信号伝達を少ないスペースで行い得るので、モジュールの接合部をコンパクトに構成することができ、また接合部に信号伝達用の接点がないので、接点での接触不良をなくして信号伝達の確実性を高めることができる。

さらに、光通路は、その光通路を構成する部材の内壁で通信光を反射させて導くものでもよく、その光通路の屈曲部に屈曲角に応じて機械的に向きを変える反射鏡を具えるものでもよい。また、二つの光通信手段間の距離が大きい場合は、光通信手段はレーザ光を用いて光通信してもよい。

そしてこの発明のロボット用信号伝達装置は、人型ロボット以外の、例えば歩行ロボットや、工業用ロボットにも用いることができる。

かくしてこの発明のロボット用信号伝達装置によれば、光通信を用いるので通信装置を安価に構成することができ、また、信号伝達に光ファイバを用いないのでその曲げ半径の制限による制約を受けずに済み、しかも信号伝達に電源線や電波を用いないので、信号へのノイズの混入を防止することができる。さらに、構成要素を脱着可能なモジュールにした場合に、そのモジュールと他の構成要素との間の信号伝達を少ないスペースで行い得て、モジュールの接合部をコンパクトに構成することができ、また接合部に信号伝達用の接点がないので、接点での接触不良をなくして信号伝達の確実性を高めることができる。

この発明のロボット用信号伝達装置の一実施例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、上記実施例のロボット用信号伝達装置を適用した人型ロボットの全体を示す正面図および側面図である。

符号の説明

１ 胴体
１ａ 胴体上半部
１ｂ 胴体下半部
２ 脚
３ 腕
４ 頭
５ サーボモータ
６ 減速機
７ エンコーダ
８ 関節
９ 上腕支持部材
１０ 肩フレーム
１１，１６ 延長部材
１２ 光通路
１３ 光送受信部
１４ 送受信機
１５ 前腕支持部材
１７ ブラケット

Claims (3)

1. ロボットの、関節を介して相対運動可能に互いに連結された二つの構成要素間で信号伝達を行う装置において、
   前記関節に形成された光通路と、
   前記二つの構成要素にそれぞれ設けられて前記光通路を介し互いに光通信する光通信手段と、
   を具えてなる、ロボット用信号伝達装置。
2. ロボットの、接合部を介して脱着可能に互いに連結された二つの構成要素間で信号伝達を行う装置において、
   前記接合部に形成された光通路と、
   前記二つの構成要素にそれぞれ設けられて前記光通路を介し互いに光通信する光通信手段と、
   を具えてなる、ロボット用信号伝達装置。
3. 前記ロボットは人型ロボットであることを特徴とする、請求項１または２記載のロボット用信号伝達装置。
   
   

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