JP2005271182A - ロボット用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】手や指の先の状況或いは手指を用いた作業対象物を容易に確認することができ、また指を有する手の強度を高めると共に指を保護できるようにする。
【解決手段】複数本の指１８の先端から基端側までがカバーされる指用プロテクタ２０を、手１６Ｒ，１６Ｌの基部１６ａに回転自在に取り付け、このプロテクタ２０を、指１８が保護される位置から指１８の動作・機能が確保される退避状態まで回動させる。そして、このプロテクタ２０の先端部に、撮像部４１ｂとランプ４１ｄを有するアームカメラ部４１を回転自在に設け、このアームカメラ部４１を、プロテクタ２０の回動に応じて逆回転させ、常に一定の方向を向くように制御する。また、このアームカメラ部４１の後側に硬性部を設け、この硬性部を先端に配置することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はロボット用マニピュレータ、特に生活支援用、介護用等のロボットにおいてアームの先端に可動指を取り付け、各種の作業を行うマニピュレータの構成に関する。

近年では、産業用ロボットの他に、生活支援用、介護用、災害・救助活動用等のために、車や搬送体で移動できるロボットや二足歩行するロボット等の開発が進められており、この種のロボットは、複数本の指（フィンガー）を設けた手（ハンド）及びアーム（腕）を持ち、例えば手でコップ等の物を掴む、ベッドに寝ている介護利用者を起き上がらせる、障害物を排除する、両方の手で物を持つ等の各種の作業を行うことが可能である。

また、ロボット本体には、目の役割をさせるため、移動（進行）しようとする方向や作業する部分を撮影するカメラ部が設けられており、例えば遠隔操作するロボットでは、このカメラ部で撮影された映像が遠隔地の表示部に表示されている。従って、操作者はこの表示部の映像により現況を確認しながら、次の操作を行うことができる。
特開２００３−３０５６７６号公報

しかしながら、従来のロボットでは、手の複数本の指に対しその関節の駆動部材やセンサ類が設けられていることもあり、指自体の強度がそれ程高くなく、例えば人を支えながら片手で起こしたり、片手で重い物を左右に移動させたりするときに、指が重さに耐えられない事態が起こる。

また、瓦礫やゴミの中へ手を挿入したり、ロボット本体の目では確認できない場所へ手を入れたりするときに、指先に挿入方向（突き指方向）の過度な負荷が加わり、指の構成部材を破損させることが生じる等の問題がある。一方、各方向からの負荷に対する指の強度を高めることも可能であるが、この場合は、指の構造体を強化すると共に、関節部の駆動力も高くしなければならず、手全体が大型化する等の不都合がある。

更に、上述のように、ロボット本体に設けられたカメラ部の撮影によって、移動方向や作業等の確認を行うことができるが、例えば狭い場所や物体の裏側、上側、下側等に手を入れるときには、手や指の先の状況が把握し難くなる場合があり、また指を使った比較的細かな作業を行うときには、小さな作業対象物が確認し難く、しかもこの作業対象物が障害物やロボット自身のアーム等で隠れてしまう等の問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、手や指の先の状況或いは手指による作業対象物を容易に確認することができ、また指を有する手の強度を高めると共に指を保護することもできるロボット用マニピュレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、本体の目の役割をするための本体カメラ部（第１カメラ部）と、作業用のアームと、を有するロボット用のマニピュレータにおいて、上記アームに対し回動可能に設けられた支持体と、この支持体の先端部に配置され、上記アームの先端側を撮影するアームカメラ部（第２カメラ部）と、を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記アームカメラ部は、上記支持体の回転軸と略平行に配置される回転軸で回転可能に軸支すると共に、上記支持体の回動とは反対の方向へ回転させ、一定の方向を向くように制御することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記アームカメラ部には、照明器を配置したことを特徴とする。
請求項４の発明は、上記支持体として、上記アームの先に取り付けられた指を保護する指用プロテクタを設けたことを特徴とする。
請求項５の発明は、上記アームカメラ部に、その外表部（外装体）が上記支持体の外表部（外装体）と略同等かそれ以上の硬さとされた硬性部を設け、当該カメラ部を使用位置から収納位置（不使用位置）まで回転させたとき、上記硬性部が先端位置に配置されるようにしたことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記支持体として、例えば指全体の側面外周をカバー（保護）するように円弧状に曲げ形成した指用プロテクタが設けられ、このプロテクタはその両端（開放端）が手の側面に例えば１８０度に近い角度を回動するように（可倒式に）取り付けられる。この指用プロテクタでは、指を含む手の強度が高められることになり、介護利用者を起き上がらせたり、重たい物を移動させたりする際の強度を容易に得ることができる。そして、このプロテクタの先端部に、回転可能なアームカメラ部が照明器と共に設けられており、このカメラ部は、プロテクタが回動するのに応じて逆回転し、常に指先の一定方向を向くように動作する。このようにして、作業対象物等を近くの距離で良好に撮影し確認することが可能となる。

また、請求項５の構成によれば、指用プロテクタ［その他の作業工具（部材）用プロテクタでもよい］等において、上記カメラ部を収納位置へ回転させたときには、硬性部が先端位置に配置されるので、カメラ部を退避させた状態でプロテクタを瓦礫やゴミ等の中へ挿入することができる。

本発明のロボット用マニピュレータによれば、本体カメラ部とは別に配置したアームカメラ部により、手や指の先の状況或いは手指を用いた作業対象物を容易に確認することが可能となり、遠隔操作する場合でも良好な作業が可能となる。また、冷蔵庫、洗濯機、収納庫等の生活機器の中、或いは狭い場所や物体の裏側等も見ることが可能となり、指を使った比較的細かな作業を行うときでは、小さな作業対象物が確認し易くなり、作業対象物が障害物やロボット自身のアーム等で隠れてしまうこともない。

更に、支持体を指用プロテクタとすれば、指の構造を変えることなく、指を含む手の強度を高めることができ、重たい人や物を扱うことが容易となり、しかも過度な負荷によって指の構成部材を破損させることが防止されるという効果がある。
また、請求項５の構成によれば、アームカメラ部を使用しないときは収納位置へ移動させてこのカメラ部を保護できると共に、先端位置に配置した硬性部により瓦礫やゴミの中へのプロテクタの挿入も容易になるという利点がある。

図１には、実施例に係るロボット用マニピュレータの手の部分の構成が示され、図２にはロボットの全体構成、図３には図２のロボットのマニピュレータ（アーム部）、図４には指用プロテクタの駆動部が示されている。図２のように、このロボットは、車輪を備えた搬送部１０、この搬送部１０に回転（軸）部を介して接続された第１胴体部１１Ａ、この第１胴体部１１Ａに回転部を介して接続された第２胴体部１１Ｂ、この第２胴体部１１Ｂに回転部を介して接続された頭部１２及び上記搬送部１０に回転部Ｚｄ，Ｚｅを介して接続された左右のアーム（腕）１４Ｒ，１４Ｌを備えている。

上記頭部１２には、左右の目に対応した１対の本体カメラ部１３が設けられており、この本体カメラ部１３では主にロボットが進む方向や手の先の像（動画）が撮影される。この本体カメラ部１３で得られた映像は、ロボットが自走する際の情報になると共に、人が遠隔操作する場合には遠隔地の表示器に表示され、遠隔操作情報として利用される。また、上記の各回転軸部では例えば下側部材（基部）に対して上側部材がモータで回転するように構成されており、これによって、ロボットの姿勢制御や頭部１２の高さ位置の調整等が行われる。

図３に示されるように、上記左右のアーム１４Ｒ，１４Ｌは、それぞれに上腕部１４ａとこれに回転部Ｚｆを介して接続された前腕部１４ｂとを有し、例えばこの二つの上腕部１４ａは回転部Ｚｄで上下方向に回動すると共に、回転部Ｚｅで左右方向に回動し、上記二つの前腕部１４ｂは回転部Ｚｆで上下方向に回動する。更に、この前腕部１４ｂには内部の回転軸部を介して先端部１４ｃが接続され、この前腕先端部１４ｃに、３本の指１８［ｉ（内側），ｃ（中央），ｏ（外側）］を持つ手１６Ｒ，１６Ｌが取り付けられており、この手１６Ｒ，１６Ｌは、前腕部１４ｂの先で所定の角度（例えば１８０度）を回動するように構成される。そして、上記の手１６Ｒ，１６Ｌの基部（手の平の部分）１６ａに、３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）を保護するためのプロテクタ２０の両端が回転自在に取り付けられる。

図１に示されるように、手１６Ｒ，１６Ｌの指１８（ｉ，ｃ，ｏ）には、指１８ｉのように、第１関節部、第２関節部及び第３関節部で曲げ動作するための機構（モータ等）と、指１８（ｉ，ｃ，ｏ）のそれぞれを回転させる回転機構が組み込まれる。そして、実施例のプロテクタ２０は、手１６Ｒ，１６Ｌの基部１６ａと同じ程度の縦幅で、この基部１６ａと３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）の側面外周を囲むように楕円弧状（Ｕ字状）とされ、かつ先端側が閉鎖状態、後端側が開放状態に形成されており、この後端側開放端２０Ｅが回転軸部２１で基部１６ａに取り付けられる。このプロテクタ２０は、骨部材として外側が弧状となる断面形状の硬質（金属製又は合成樹脂製）パイプからなり、このパイプの外周に、軟質の合成樹脂製外皮（軟性部）が被せられた構成となっている。

また、上記基部１６ａの内部には、プロテクタ２０を回動するためのモータ２６が設けられており、このモータ２６に、ギヤ列２７を介してシャフト２８が設けられ、このシャフト２８の両端にピン２９ｐを有するレバー２９が取り付けられる。一方、プロテクタ２０の開放端２０Ｅの内側に、ガイド溝３０が設けられ、このガイド溝３０に上記レバー２９のピン２９ｐが係合配置される。従って、図４に示されるように、モータ２６を回転させると、ギヤ列２７及びシャフト２８を介してレバー２９が回動し、このレバー２９のピン２９ｐがガイド溝３０に沿って案内されることにより、プロテクタ２０が起き上がるように回動する。

更に、基部１６ａの側面部に、手１６Ｒ，１６Ｌの外周を覆う位置（手の平に沿った位置）でプロテクタ２０を係止させるストッパ３２が設けられており、このストッパ３２で係止される位置がプロテクタ２０の保護位置となり、この保護位置から指１８（ｉ，ｃ，ｏ）の物体に対する通常動作が可能になる状態の退避位置までプロテクタ２０は回動する。この退避位置までの回動角度は、最大で１８０度近い角度とすることができる。この場合、実施例では上述のように、手１６Ｒ，１６Ｌが前腕先端部１４ｃにて捻り方向に１８０度の回転（内転又は外転）をするので、これによってプロテクタ２０を一方（上側）だけでなく反対側（下側）に退避させることができる。なお、上記ストッパ３２を設けず、プロテクタ２０を３６０度に近い角度を回動可能に構成してもよい。

そして、図１の上記指用プロテクタ２０の先端部に、動画を撮影するアームカメラ部４１が回転可能に配置される。
図６には、このアームカメラ部４１の拡大図が示されており、このカメラ部４１はその回転軸４２がプロテクタ２０の軸受け部に取り付けられ、この一方の回転軸４２にギヤ列４３を介してモータ４４が接続され、実施例では１２０度程度（１８０度以上でもよい）をチルト（上下）方向に回転するように構成される。他方の回転軸４２には、この回転角（回転位置）を検出する回転検出部４５が設けられており、ロボットの制御部ではこの回転検出部４５によって得られたアームカメラ部４１の回転位置情報に基づいてモータ４４を駆動制御する。実施例では、このアームカメラ部４１をプロテクタ２０の回動に応じて逆回転させ、このプロテクタ２０の回転量と同程度又はそれ以上の回転によって、アームカメラ部４１が水平方向又は所定距離の一点を向くように制御される。

上記アームカメラ部４１には、対物光学系４１ａを介してＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる撮像部４１ｂが設けられると共に、照明器として照明レンズ４１ｃとランプ４１ｄが配置される。従って、このランプ４１ｄの点灯制御に基づいた照明により、指先方向を撮像部４１ｂで撮影することができ、この撮影された映像は、遠隔地にある例えばパソコンモニタ７１に表示される［このモニタはロボット本体に配置してもよく、またヘッドマウントディスプレス（ＨＭＤ）を利用してもよい］。

実施例は以上の構成からなり、上記構成のロボットは、人の操作なしで自力制御動作を行ったり、人の遠隔操作で動かしたりすることになるが、上述した指用プロテクタ２０は、図３の右手１６Ｒで示される保護位置と、左手１６Ｌ（図５）で示される退避位置に移動制御される。即ち、図４に示されるように、モータ２６を回転させると、ストッパ３２で係止された保護位置（始点位置）から、ギヤ列２７を介してレバー２９が駆動され、このレバー２９のピン２９ｐがガイド溝３０に案内されることによって、プロテクタ２０が回転軸部２１を中心にして回動し、指１８の作業が可能となる退避位置（手元側への１８０度近い最大回転位置）まで移動することになる。この保護位置から退避位置への移動制御においては、プロテクタ２０を完全に退避させる最大回転位置まで回動させず、図５に示されるように、状況に応じて途中の任意の退避位置で停止させ、この任意の位置から迅速に保護位置へ移動させることができる。

このようなプロテクタ２０では、例えば人を起き上がらせたり、重い物を動かしたりするとき、図２の右手１６Ｒのように、上記プロテクタ２０を指１８（ｉ，ｃ，ｏ）と並ぶ保護位置へ移動させれば、これら指１８を保護しながら手１６Ｒ全体の強度を高くすることができ、大きな負荷に対しても良好かつ十分な動作が可能となる。また、瓦礫やゴミの中、冷蔵庫、洗濯機、収納庫等の生活機器の中、物体の裏側等へ手１６Ｒ，１６Ｌを挿入するときにも、このプロテクタ２０を保護位置にセットすれば、指１８（ｉ，ｃ，ｏ）よりも先にプロテクタ２０が物に当たることになり、指先を保護することが可能となる。

一方、指１８（ｉ，ｃ，ｏ）を使う場合は、図２及び図３の左手１６Ｌのように、プロテクタ２０を退避位置へ移動させれば、３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）によって例えばコップ等の物を掴んだり、人に対する各種の介護動作を行ったりすることができる。

そして、このプロテクタ２０の先端部にはアームカメラ部４１が設けられており、このアームカメラ部４１で撮影された映像がパソコンモニタ７１に表示されることになり、遠隔操作者はこのパソコンモニタ７１の映像を見ながら、作業の次の動作へ進むことができる。このとき、アームカメラ部４１は、プロテクタ２０の動きに応じてそのチルト方向の向きを自動的に変えることになる。

図７には、上記アームカメラ部４１の動きが示されており、図７の１０１に示される保護位置にプロテクタ２０がセットされているときは、アームカメラ部４１はプロテクタ２０と同一方向（図の水平方向）に配置されるが、プロテクタ２０が１０２の位置へ角度αだけ回動すると、アームカメラ部４１もこの角度αだけ逆回転する。即ち、モータ２６等の回転量の検出や回転軸部２１に設けた回転角検出部の検出等に基づいて、モータ４４が回転制御され、これによって、アームカメラ部４１はギヤ列４３を介して同じ量だけ反対方向に回転し、真っ直ぐ伸ばした指１８が指す方向Ｘ_１（手１６の平に平行となる方向）を常に向くことになる。

また、このアームカメラ部４１の回転制御では、図７の１０３のように、プロテクタ２０の回転角αが大きくなる程、アームカメラ部４１ではこの角度αよりも少し大きい角度を逆回転させ、アームカメラ部４１が常に指１８の先の所定距離の一点（Ｘ_２の方向）を向くようにすることもできる。
そして、遠隔操作者はパソコンのキー操作等で上記アームカメラ部４１を自由に回転させることができ、図７の１０１〜１０３の各位置から任意の位置へアームカメラ部４１をチルト方向へ回転させたり、アームカメラ部４１の自動的な回転動作中にその動作を停止させたりすることができる。

図８には、アームカメラ部の他の構成例が示されており、この図８のアームカメラ部４６では、前後の円弧状に突出した形状が回転軸４２を中心として対称とされ、撮影方向を前側とすると、前側に対物光学系４１ａ、撮像部４１ｂ、照明レンズ４１ｃ及びランプ４１ｄが設けられ、後側に硬質の例えば金属製外装体からなる硬性部４７が設けられる。また、モータ４４等のその他の構成は図６と同様となるが、このアームカメラ部４６は、図６（Ａ）の位置から１８０度回転させた図８の収納位置にセットできるように構成しており、このために１８０度以上の回転を可能にするギヤ列４８が設けられる。なお、上記硬性部４７は、プロテクタ２０の他の部分と同様に、硬質の骨部材の外周に軟質の合成樹脂製外皮を被せた構成としてもよい。

このような構成によれば、指用プロテクタ２０を保護位置に配置し、かつ上記アームカメラ部４６を収納位置へ回転させれば、円弧状に突出した硬性部４７が先端位置にセットされることになり、この状態でプロテクタ２０を瓦礫やゴミ等の中へ挿入することができ、カメラ部４６内のカメラ構成部材や照明器を損傷させることがないという利点がある。

上記実施例では、手１６の基部１６ａに配置された指用プロテクタ２０に、アームカメラ部４１，４６を設けたが、図３に示されるように、このプロテクタ２０と同様の支持体５０を前腕部１４ｂ（又は上腕部１４ａ）に設け、この支持体５０にアームカメラ部を配置するようにしてもよく、また実施例のようなアーム構成ではなく、例えば単一のアームの先端に作業工具等を取り付けたものにおいて、そのアームの先端側に設けられた支持体にアームカメラ部を設けるようにしてもよい。

また、上記実施例のプロテクタ２０は、指１８全体を囲むような形状としたが、少なくとも先端部と左右いずれかの側面部があればよく、例えば指１８ｉの外周に配置されている部分をなくし、先端部と指１８ｏの外周に配置されている部分で構成したプロテクタを、一つの回転軸部２１で軸支する構成としてもよい。

更に、上記アームカメラ部で撮影観察しながら動いた経路（各部の駆動量等）を記憶しておき、このアームカメラ部を退避（保護のために収納位置へ収納）させた状態で同じ経路をたどるような機能を持たせることもできる。

本発明の実施例に係るロボット用マニピュレータの手及び指用プロテクタの構成を示し（手の基部内は内部を露出させた状態で表す）、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は側面図である。 実施例のロボットの全体構成を示す斜視図である。 実施例のロボット用マニピュレータ（左右のアーム）の構成を示す斜視図である。 実施例のロボットの手において指用プロテクタを回動させた状態を示す（手の基部内は内部を露出させた状態で表す）拡大側面図である。 実施例の指用プロテクタを正面側から見た斜視図である。 実施例の指用プロテクタに設けられたアームカメラ部の内部構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は側面図である。 実施例の指用プロテクタを保護位置から退避位置まで回動させたときのアームカメラ部の動きを示す側面図である。 実施例のアームカメラ部の他の構成を示す上面図である。

符号の説明

１０…搬送部、 １３…本体カメラ部、
１４Ｒ，１４Ｌ…左右のアーム（腕）、
１４ｃ…前腕先端部、
１６Ｒ，１６Ｌ…左右の手、 １６ａ…基部、
１８（ｉ，ｃ，ｏ）…指、
２０…指用プロテクタ、 ２６，４４…モータ、
２７，４３，４８…ギヤ列、 ２９…レバー、
３０…ガイド溝、 ３２…ストッパ、
４１，４６…アームカメラ部、４１ｂ…撮像部、
４１ｄ…ランプ、 ４７…硬性部。

Claims (5)

1. 本体の目の役割をするための本体カメラ部と、作業用のアームと、を有するロボットのマニピュレータにおいて、
   上記アームに対し回動可能に設けられた支持体と、
   この支持体の先端部に配置され、上記アームの先端側を撮影するアームカメラ部と、を設けたことを特徴とするロボット用マニピュレータ。
2. 上記アームカメラ部は、上記支持体の回転軸と略平行に配置される回転軸で回転可能に軸支すると共に、上記支持体の回動とは反対の方向へ回転させ、一定の方向を向くように制御することを特徴とする上記請求項１記載のロボット用マニピュレータ。
3. 上記アームカメラ部には、照明器を配置したことを特徴とする上記請求項１又は２記載のロボット用マニピュレータ。
4. 上記支持体として、上記アームの先に取り付けられた指を保護する指用プロテクタを設けたことを特徴とする上記請求項１乃至３記載のロボット用マニピュレータ。
5. 上記アームカメラ部に、その外表部が上記支持体の外表部と略同等かそれ以上の硬さとされた硬性部を設け、当該カメラ部を使用位置から収納位置まで回転させたとき、上記硬性部が先端位置に配置されるようにしたことを特徴とする上記請求項１乃至４記載のロボット用マニピュレータ。

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