JP2010069593A - 案内面指示装置及び作業補助アーム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で実現することができ、かつアームを動作させる案内面を簡単な操作で指示することが可能な案内面指示装置及びこれを用いた作業補助アームを提供する。
【解決手段】水平軸及び鉛直軸周りに回動自在にアーム手先１３に取り付けられた操作桿１６と、操作桿１６の水平軸及び鉛直軸周りの回転角度を検出する角度検出器２２ａ，２２ｂと、角度検出器２２ａ，２２ｂにて検出された回転角度を用いて、操作桿１６を含む案内面を規定する案内面情報を算出し、制御装置３３に設定する案内面演算部３６とを備えた。
【選択図】図５

Description

この発明は、アームの動作を任意の案内面内の軌道に拘束することができる案内面指示装置及びこれを用いた作業補助アームに関するものである。

従来、人間が直接操作することにより受動的に動作するような作業補助アームとして、例えば特許文献１に記載されるような技術があった。この文献に記載の作業補助アームでは、ロボットのＮ個ある関節間をＮ−１個の無段変速機で結合し、各無段変速機に対して適当な変速比を与えることで、人間がロボットを直接手で動かしたとき、ロボットが作業座標の所望の１次元の軌道に拘束されるように動作させることを特徴としている。この無段変速機は速度の比のみを結合し、変位に対しては拘束を与えない。即ち、速比を変化させても変位の関係は変化しない無段変速機である。

また、特許文献２には、ロボット等の位置決め機械に動作軌道を教示する位置教示装置が開示されている。この位置教示装置では、ロボット等の位置決め機械に動作方向を指示するために位置表示装置に表示されている直交座標系と、ロボット等の位置決め機械を動作させる際に使用する直交座標系とを、位置教示装置の姿勢に関わらず、常に平行になるようにしている。

さらに、特許文献３に記載の作業補助アームは、アームの関節にそれぞれ無段変速機を結合し、無段変速機の入力軸同士を差動機構により結合して、各無段変速機に対し適当な変速比を与えることで、人間がアームを直接手で動かしたとき、アームが所望の２次元の案内面に拘束されるように動作する。なお、特許文献３においても、無段変速機は、速度の比のみを結合し、変位に対しては拘束を与えない。

米国特許第５９５２７９６号公報 特開平１−１１２４０９号公報 特開２００５−１６９５３６号公報

特許文献１の作業補助アームでは、ロボットに動作軌道を指示するために、ロボットの手先に力センサを取り付け、人が力センサに力を加えることで動作する方向を指示する。この構成では、作業者が誤って力センサに力を加えてしまう可能性があり、このような力が加わると、アームが意図しない方向に動作してしまう。また、力センサは高価であり、過大な力が加わると壊れやすいという問題点もある。

また、特許文献２の位置教示装置は、位置決め機械の動作方向を指示するジョイスティックの他に、位置教示装置自体の座標方向を指示できる機構を備えており、この機構によってジョイスティックで指示した動作方向を補正することができる。しかしながら、位置教示装置の座標方向を指示する機構を別途設ける構成では、部品点数の増加によって装置構成が複雑であるという課題がある。また、作業者がジョイスティックと座標方向を指示する機構との両方を操作しなければならず、操作が煩雑になるという課題があった。

なお、特許文献３は、アームの動きを検出するセンサ等を用いることなく、任意の面上に移動が可能な作業補助アームを開示するものであり、アーム手先を動作させる案内面を指示する手段については詳細な記述がない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で実現することができ、かつアームを動作させる案内面を簡単な操作で指示することが可能な案内面指示装置及びこれを用いた作業補助アームを得ることを目的とする。

この発明に係る案内面指示装置は、案内面情報に基づいて前記案内面を特定し、当該案内面上の軌道にアーム手先の動作が拘束されるように作業補助アームを制御する制御装置に対して、前記案内面情報を設定する案内面指示装置において、水平軸及び鉛直軸周りに回動自在に前記アーム手先に取り付けられた操作桿と、前記操作桿の前記水平軸及び前記鉛直軸周りの回転角度を検出する角度検出部と、前記角度検出部にて検出された回転角度を用いて、前記操作桿を含む案内面を規定する案内面情報を算出し、前記制御装置に設定する案内面演算部とを備えるものである。

この発明によれば、アーム手先に設けた操作桿の水平軸及び鉛直軸周りの回転角度から操作桿を含む平面を案内面として指示するので、力センサを用いることなく、簡易な構成で、簡単な操作桿の回動操作によって操作桿を含む平面を案内面として直感的に指示することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による作業補助アームの構成を示す斜視図である。実施の形態１による作業補助アーム１は、平行リンク式の垂直多関節型ロボットアームであり、作業者Ａによる重量物２の移動を補助する。図１において、作業補助アーム１は、枠体３、ベース４、第１アーム５、第２アーム６、下節７、後節８、軸９，１０，１１、アーム手先１３、手首後端リンク１４及び手首１５を備えており、手首１５には操作桿１６が設けられている。

枠体３は、図４を用いて後述する第１軸周りに回転又は回動自在にベース４上に取り付けられている。枠体３の片側の側面には、図４を用いて後述する第２軸周りに回動自在に第１アーム５の下端が取り付けられており、この反対側の側面には、図４を用いて後述する第３軸周りに下節７の一端が回動自在に取り付けられている。なお、図４を用いて後述するが、第２軸と第３軸は同軸であり、第１軸を鉛直軸と平行に置けば、第２軸と第３軸は鉛直軸と直交する。

第１アーム５の上端には軸１１が取り付けられ、この軸１１には第２アーム６の略中央部分が回動自在に取り付けられている。なお、軸１１による第２アーム６の支持位置は、作業補助アーム１の各部の構成等に応じて中央部以外の部分であってもよい。また、下節７の他端には軸９が取り付けられ、この軸９には後節８の下端が回動自在に取り付けられている。後節８の上端には軸１０が取り付けられ、この軸１０には第２アーム６の後端が回動自在に取り付けられている。

第１アーム５と後節８並びに下節７と第２アーム６はそれぞれ平行であって、これらは平行リンクをなしている。第２アーム６の先端のアーム手先１３には、平行リンクにより常に垂直姿勢を保つように、手首後端リンク１４が取り付けられ、手首後端リンク１４の下部には手首１５が鉛直軸まわりに回転自在に取り付けられている。この手首１５の下部に重量物２（ワーク）を把持するハンド（不図示）を取り付ける。

作業者Ａは、操作桿１６を用いた簡単な操作によって、案内面指示装置から指示された任意の面上に重量物２を移動させることができる。

図２は、図１中のアーム手先を拡大した斜視図である。また、図３は、図２中のアーム手先の内部構造を概略的に示す図であり、操作桿等を軸支する箱部１９ａ及びこの箱部１９ａを軸支する箱部１８の内部構成を破線で記載している。図２，３に示すように、操作桿１６は、軸２１ｂの一端に接続する箱部１９ｂに取り付けられ、長手方向が軸２１ｂに直交する。なお、箱部１９ｂにはスイッチ（スイッチ部）２０ｂが設けられる。

また、箱部１９ｂは、軸２１ｂを介して箱部１９ａに取り付けられており、軸２１ｂ周りに回動自在である。箱部１９ａは、スイッチ（スイッチ部）２０ａを設けた筐体であって、軸２１ａを介して箱部１８に取り付けられており、軸２１ａ周りに回動自在である。なお、軸２１ａと軸２１ｂは直交する。

箱部１９ａを軸支する筐体である箱部１８は、操作桿台１７に取り付けられており、操作桿台１７は手首後端リンク１４に取り付けられる。前述したように、手首後端リンク１４は、不図示の平行リンクによりアームの動作にかかわらず、姿勢を保持するよう支持されているので、操作桿台１７は、地面に対して常に水平に支持される。即ち、軸２１ｂは、地面に対して常に水平に支持され、軸２１ａは、地面に対して常に鉛直に支持される。

作業者が、軸２１ｂ（図２中の軸線ｂ１）周りに操作桿１６を回すことにより、箱部１９（角度検出部）ｂが軸２１ｂ周りに回動し、軸２１ａ（図２中の軸線ａ１）周りに操作桿１６を回すことにより、箱部１９ａが軸２１ａ周りに回動する。

箱部１８の内部には角度検出器（角度検出部）２２ａが設けられており、図３に示すように、角度検出器２２ａは軸２１ａに取り付けられる。角度検出器２２ａは、軸２１ａを介して操作桿台１７に対する箱部１９ａの回転角度を計測する。また、箱部１９ａの内部においても角度検出器２２ｂが設けられ、この角度検出器２２ｂによって箱部１９ａに対する箱部１９ｂの回転角度が計測される。

図４は、図１中の作業補助アームの詳細構成及び実施の形態１による案内面指示装置を含む周辺機能部を示す図である。作業補助アーム１は、制御装置３３によって駆動制御され、制御装置３３は、案内面指示装置３４から指示された案内面内にアームが拘束されるように動作させる。図４に示すように、作業補助アーム１は、図１で示した構成の他、上述した第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃを有しており、これら３軸にそれぞれ対応して変速機（無段変速機）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、ブレーキ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ、傘歯車２６、傘歯車２７、差動傘歯車２８、差動傘歯車２９、差動傘歯車３０、キャリア３０Ａ、減速機３１ａ，３１ｂ，３１ｃ及び回転角度検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃを備える。

減速機３１ａは枠体３に取り付けられ、減速機３１ａの出力軸がベース４に接続されている。また、変速機２４ａの入力軸は傘歯車２６に、出力軸がブレーキ２５ａ及び減速機３１ａにそれぞれ接続している。変速機２４ａ、変速機２４ａの入力軸、出力軸、ブレーキ２５ａ、減速機３１ａ及び減速機３１ａの出力軸は、第１軸２３ａと同軸である。

減速機３１ｂは、枠体３の側面に取り付けられ、減速機３１ｂの出力軸が第１アーム５の下端に接続される。また、変速機２４ｂの入力軸は差動傘歯車２９に、出力軸がブレーキ２５ｂ及び減速機３１ｂにそれぞれ接続している。変速機２４ｂ、変速機２４ｂの入力軸、出力軸、ブレーキ２５ｂ、減速機３１ｂ及び減速機３１ｂの出力軸は、第２軸２３ｂと同軸である。

減速機３１ｃは、枠体３の側面に取り付けられ、減速機３１ｃの出力軸が下節７の一端に接続されている。変速機２４ｃの入力軸は差動傘歯車３０に、出力軸がブレーキ２５ｃ及び減速機２４ｃにそれぞれ接続している。変速機２４ｃ、変速機２４ｃの入力軸、出力軸、ブレーキ２５ｃ、減速機３１ｃ及び減速機３１ｃの出力軸は、第３軸２３ｃと同軸である。

差動傘歯車２９と差動傘歯車３０は、向かい合って差動傘歯車２８と噛み合っている。差動傘歯車２８はキャリア３０Ａに対して差動傘歯車の軸周りに回転自在に取り付けられている。即ち、差動傘歯車２８、差動傘歯車２９、差動傘歯車３０及びキャリア３０Ａは差動歯車を構成している。キャリア３０Ａは、傘歯車２７に取り付けられ、傘歯車２７は枠体３の略中央に回転自在に取り付けられて、傘歯車２６と噛み合っている。このような傘歯車２６〜キャリア３０Ａにより、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ及び第３軸２３ｃを結合する差動機構が構成される。

ベース４に対する枠体３の第１軸２３ａ周りの回転又は回転角度、枠体３に対する第１アーム５の第２軸２３ｂ周りの回転角度、枠体３に対する第３軸２３ｃ周りの下節７の回転角度は、回転角度検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃによってそれぞれ検出される。なお、枠体３に対する第３軸２３ｃ周りの下節７の回転角度は、第２アーム６の枠体３に対する回転角度に等しい。

また、第１アーム５、第２アーム６、下節７、後節８、軸９，１０，１１では、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃの変位量に基づいてその作業座標が決定されるアームを構成している。回転角度検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃのそれぞれの変位量として回転角度を検出し、例えばロータリーエンコーダ等を用いて構成される。

制御装置３３は、案内面指示装置３４から与えられた情報と、回転角度検出器３２ａ，３２ｂ，３２ｃで検出された変位量とに基づいて、第２アーム６に軸１２を介して接続したアーム手先１３の作業座標が、要求された自由度に拘束されるように変速機２４ａ，２４ｂ，２４ｃの変速比を制御する。案内面指示装置３４から与えられる情報としては、案内面に立てた法線方向ベクトルｖｎを規定する情報が挙げられる。また、制御装置３３は、ブレーキ２５ａ，２５ｂ，２５ｃを制御する。

なお、制御装置３３は、上述の制御を記述した制御用プログラムをコンピュータのＣＰＵに実行させてその動作を制御することによって、このコンピュータ上でソフトウエアとハードウエアとが協働した具体的な手段として実現することができる。

案内面指示装置３４は、ユーザ（作業者）が所望する、アーム手先１３の移動自由度を入力することにより、入力された自由度の案内面を制御装置３３へ指示する。

図５は、図４中の案内面指示装置の構成及びその周辺機能部を示すブロック図である。図５において、案内面指示装置３４は、角度情報取得部３５及び案内面演算部３６を備える。角度情報取得部３５は、スイッチ２０ａが押下されたタイミングで、操作桿台１７に対する箱部１９ａの回転角度を角度検出器２２ａから取得するとともに、箱部１９ａに対する箱部１９ｂの回転角度を角度検出器２２ｂから取得する。

案内面演算部３６は、制御装置３３から取得した第１軸２３ａ周りの関節角度θ１と角度情報取得部３５が取得した回転角度とを用いて、案内面の法線方向ベクトルｖｎを算出し、この法線ベクトルｖｎに関する情報を、ユーザ所望の自由度の情報として制御装置３３へ出力する。

なお、角度情報取得部３５及び案内面演算部３６は、例えば本発明の趣旨に従う案内面指示用プログラムをコンピュータのＣＰＵに実行させてその動作を制御することにより、このコンピュータ上でソフトウエアとハードウエアとが協働した具体的な手段として実現することができる。

次に動作について説明する。
ここでは、本発明における特徴的な処理である案内面の指示動作を説明する。作業者Ａが重量物２を案内面内に沿って移動させるにあたり、先ず、作業者Ａは、操作桿１６を軸２１ａ，２１ｂ周りに回動操作することによって、操作桿１６を所望する案内面に沿う姿勢にする。

図６は、図２中の操作桿による操作の様子を示す図であり、図６（ａ）は図２中の矢印ａ方向からみた図であり、図６（ｂ）は図２中の矢印ｂ方向からみた図である。図６（ａ）に示すように、軸２１ｂ（軸線ｂ１）と操作桿台１７の長手方向とが平行な位置にある場合を基準としており、図６（ａ）に破線で示すように、操作桿１６を用いて箱部１９ａを軸２１ａ周りに回転させて生じた角度αを、操作桿台１７に対する箱部１９ａの回転角度とする。

また、図６（ｂ）に示すように、操作桿１６が軸線ａ１と垂直な位置（操作桿１６が水平な位置）にある場合を基準としており、図６（ｂ）に破線で示すように、操作桿１６を用いて箱部１９ｂを軸２１ｂ周りに回動させて生じた角度βを、箱部１９ａに対する箱部１９ｂの回転角度とする。なお、回転角度α，βは、軸２１ａ，２１ｂにそれぞれ接続された角度検出器２２ａ，２２ｂによって検出される。

図７は、実施の形態１による作業補助アームを動作させる案内面の例を示す斜視図であり、図７（ａ）はαが０度、βが３０度の場合を示し、図７（ｂ）はαが３０度、βが３０度の場合を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、上述した操作桿の回転操作により、箱部１９ｂの両側から延びた操作桿１６を含む平面が、アーム手先１３を移動させる案内面Ｐとして決定される。

作業者Ａは、このように操作桿１６を所望の案内面に沿う姿勢に決定すると、箱部１９ａに設けたスイッチ２０ａを押下する。スイッチ２０ａが押下されると、案内面指示装置３４の角度情報取得部３５が、その押下タイミングで角度検出器２２ａ，２２ｂから回転角度α，βを取得する。

案内面演算部３６は、角度情報取得部３５を介して回転角度α，βを取得すると共に、回転角度検出器３２ａで検出された第１軸２３ａ周りの関節角度θ１を制御装置３３から取得し、これらの値を用いて下記式（１）に従って案内面Ｐの法線方向ベクトルｖｎを算出する。なお、下記式（１）の座標系は、図４に示すようにアームの前方をｘ軸方向とし、アームの左側をｙ軸方向とし、上方をｚ軸方向としている。得られた案内面の法線方向ベクトルｖｎは、作業者Ａが所望する動作自由度の情報として案内面指示装置３４から制御装置３３へ出力される。

制御装置３３では、案内面指示装置３４から取得した案内面の法線方向ベクトルｖｎ、及び回転角度検出器３２ａ，３２ｂ，３１ｃで検出された第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃ周りの関節角度θ１，θ２，θ３を用いて、変速機２４ａ，２４ｂ，２４ｃの変速比を制御する。

制御装置３３による変速機２４ａ，２４ｂ，２４ｃの制御の詳細を説明する。
先ず、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃの角速度をそれぞれω１，ω２，ω３とし、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃに対応する変速機２４ａ，２４ｂ，２４ｃの変速比をそれぞれｋ１，ｋ２，ｋ３、減速機３１ａ，３１ｂ，３１ｃの減速比をそれぞれｋｒ１，ｋｒ２，ｋｒ３とする。また、傘歯車２７に対する傘歯車２６の変速比をｋｂとする。

第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃの角速度ω１，ω２，ω３の間には、差動傘歯車２８、差動傘歯車２９、差動傘歯車３０及びキャリア３０Ａから構成される差動歯車により下記式（１−１）が成り立つ。
ｋｒ１＊ｋ１＊ω１／ｋｂ
＝（ｋｒ２＊ｋ２＊ω２＋ｋｒ３＊ｋ３＊ω３）／２ ・・・（１−１）
各軸の角速度の間に常に上記式（１−１）の関係が成り立つように作業補助アーム１は動作する。言い換えれば、上記式（１−１）の関係が成り立つ動きに関して作業補助アーム１は自由に動くことができ、それ以外の動きに対して作業補助アーム１は動くことができない。

次に、制御装置３３における演算の内容である変速機２４ａ，２４ｂ，２４ｃの変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３の決め方について説明する。
作業座標として直交座標系を考えると、直交座標系でみたアーム手先１３の座標ｘ，ｙ，ｚと、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃの関節角度θ１，θ２，θ３の間には下記式（１−２）、（１−３）が成り立つ。
Θ＝ｉｋ［（ｘ，ｙ，ｚ）］ ・・・（１−２）
Θ＝（θ１，θ２，θ３） ・・・（１−３）
ここでｉｋは逆変換である。

関節の角速度ベクトルωと、直交座標系から見たアーム手先１３の速度ベクトルｖとの間には下記式（１−４）〜（１−６）が成り立つ。
ｖ＝Ｊ（Θ）・ω ・・・（１−４）
ｖ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ） ・・・（１−５）
ω＝（ω１，ω２，ω３） ・・・（１−６）
ここで、Ｊ（Θ）はヤコビ行列であり、関節の角度Θの関数である。また、ｖｘ，ｖｙ，ｖｚはそれぞれ直交座標系のｘ，ｙ，ｚ方向の速度である。

案内面指示装置３４で算出された案内面Ｐの法線方向ベクトルｖｎは、下記式（１−７）のような座標値で表される。なお、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ法線方向ベクトルｖｎの直交座標系のｘ，ｙ，ｚ方向成分である。
ｖｎ＝（ａ，ｂ，ｃ） ・・・（１−７）

アーム手先１３が案内面指示装置３４から指示された案内面Ｐ内を動くとき、案内面Ｐの法線方向ベクトルｖｎと、直交座標系から見たアーム手先１３の速度ベクトルｖとは直交するので、２つのベクトルの内積は下記式（１−８）のように０になる。
ｖｎ・ｖ＝０ ・・・（１−８）
上記式（１−８）に上記式（１−４）を代入することにより、下記式（１−９）が得られる。
ｖｎ・Ｊ（Θ）・ω＝０ ・・・（１−９）

従って、アーム手先１３が案内面指示装置３４から指示された案内面Ｐ内を動くためには、上記式（１−９）が常に成り立つように関節の角速度ベクトルωの係数を制御すればよい。上記式（１−９）を要素で書くと、下記式（１−１０）のように表現できる。
ｎ１＊ω１＋ｎ２＊ω２＋ｎ３＊ω３＝０ ・・・（１−１０）
ここで、ｎ１，ｎ２，ｎ３はｖｎ・Ｊ（Θ）を展開して得られる。
上記式（１−１）と上記式（１−１０）とよって下記式（１−１１）が得られる。
ｎ１＝−ｋｒ１＊ｋ１／ｋｂ
ｎ２＝ｋｒ２＊ｋ２／２
ｎ３＝ｋｒ３＊ｋ３／２ ・・・（１−１１）
ｋｒ１，ｋｒ２，ｋｒ３，ｋｂは定数なので、上記式（１−１１）が成り立つように微少時間間隔で変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３を制御することにより、アーム手先１３が、案内面指示装置３４から指示された案内面Ｐ内を動く。

なお、作業者Ａがスイッチ２０ｂを押下すると、その押下された旨を伝える信号が、制御装置３３へ伝えられる。これにより、制御装置３３は、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃを保持していたブレーキ２５ａ，２５ｂ，２５ｃを解除する。このとき、作業者Ａがさらに操作桿１６に力を加えると、アーム手先１３は、案内面指示装置３４から指示された案内面Ｐに沿って動作する。つまり、案内面Ｐを指示するために必要な回転角度α，βは、作業者Ａがスイッチ２０ａを押下したタイミングでのみ、角度情報取得部３５によって取得されるので、作業者Ａが、軸２１ａ，２１ａ周りに操作桿１６を操作しても、アーム手先１３の案内面Ｐに沿った動作は続行される。

上述の操作、即ち案内面Ｐを指示して動作させて移動した後、移動先で別な案内面を指示して動作させて移動させる操作を繰り返すことにより、一つの平面内だけでなく、複数の案内面が組み合わされた複雑な形状の案内面を指示することも可能である。

以上のように、この実施の形態１によれば、水平軸及び鉛直軸周りに回動自在にアーム手先１３に取り付けられた操作桿１６と、操作桿１６の水平軸及び鉛直軸周りの回転角度を検出する角度検出器２２ａ，２２ｂと、角度検出器２２ａ，２２ｂにて検出された回転角度を用いて、操作桿１６を含む案内面を規定する案内面情報を算出し、制御装置３３に設定する案内面演算部３６とを備えたので、高価で壊れやすい力センサを用いることなく、簡易な構成で、簡単な操作桿１６の回動操作によって操作桿１６を含む平面を案内面として直感的に指示することができる。

なお、操作桿１６、角度検出器２２ａ，２２ｂの代わりに、回転角度α，βを検出可能なジョイスティックを用いてもよい。

さらに、案内面指示装置３４を構成するコンピュータに標準装備されたキーボード等の入力装置を用いて、案内面の法線方向ベクトルｖｎの値を入力できるようにしてもよい。この場合、作業者Ａが操作桿１６で決定した案内面を、入力装置を介して入力した正確な数値で補正することも可能である。また、回転角度α，βから上記式（１）で算出された案内面の法線方向ベクトルｖｎと、正確な数値でキーボードなどから入力された案内面の法線方向ベクトルｖｎのうち、直前に入力されたものが優先されるようにしても良い。

さらに、上記実施の形態１では、スイッチ２０ｂを押下すると、第１軸２３ａ、第２軸２３ｂ、第３軸２３ｃを保持するブレーキ２５ａ，２５ｂ，２５ｃが解除される構成を示したが、スイッチ２０ａ，２０ｂとして、押下によってオンオフされる単純なスイッチではなく、いわゆるスリーポジションのデッドマンスイッチを利用してもよい。

実施の形態２．
この実施の形態２では、上記実施の形態１で示したアーム手先にレーザポインタを取り付けることにより、操作性を向上させた作業補助アームについて述べる。
図８は、この発明の実施の形態２による作業補助アームにおけるアーム手先の拡大図である。なお、図８において、図２と同一若しくはこれに対応する構成要素には、同一符号を付して説明を省略する。レーザポインタ４１は、操作桿１６の長手方向と平行にレーザビーム４２を発射するように箱部１９ｂに取り付けられ、箱部１９ｂあるいは操作桿１６自体に設けた不図示のスイッチを押下することによってレーザビーム４２を発射する。

操作桿１６を軸２１ａ，２１ｂ周りに回動させると、この操作桿１６の動きに合わせて、レーザポインタ４１は、操作桿１６の長手方向とレーザビーム４２とが常に平行になるように動作する。なお、図８では、便宜的にレーザビーム４２を描いているが、通常は、ビーム自体は見えず、ビームが物体に当たったところで光点が光るのが見える。

次にレーザポインタ４１を用いた操作について説明する。
作業者は、操作桿１６を傾けて所望の案内面を設定するにあたり、設定した案内面に沿ってアーム手先１３を移動させると、アーム手先１３がどの辺りへ移動するのかが移動前にわかっていると設定しやすい。

そこで、この実施の形態２では、作業者が操作桿１６を傾けて所望の案内面を設定する際、スイッチ（不図示）を押下してレーザポインタ４１からレーザビーム４２を発射させる。これにより、レーザビーム４２の延長上の壁や床などに光点が当たって光るので、作業者は、その光点を目安にしてアーム手先１３がどの辺りへ移動するのかの見当を付けることができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、操作桿１６の動きに合わせて水平軸及び鉛直軸周りに回動自在にアーム手先１３に取り付けられたレーザポインタ４１を備えたので、操作桿１６の傾きによって案内面を指示するにあたり、案内面に沿ってどのあたりにアーム手先１３が移動するかをレーザビーム４２の光点で予め見当をつけることができる。これにより、操作性を格段に向上させることができる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１の構成において、案内面を設定する手段としてジョイスティックを採用し、アーム手先の地面に対する姿勢（地面に平行な姿勢）を保持する機構を付加している。
図９は、この発明の実施の形態３による作業補助アームの姿勢保持機構の構成を示す図であり、図９（ａ）は側面からみた図であり、図９（ｂ）はアーム手先の上面図である。なお、図９において、内部構成を視認可能とするためにアーム手先１３Ａ及びアームの一部を透明に記載している。

実施の形態３によるアーム手先１３Ａには、ハンドル１６Ａを有する箱部１８が操作桿台１７上に設けられており、この箱部１８上にジョイスティック４３が取り付けられる。ジョイスティック４３は、操作レバー（操作レバー部）４３ａを取り付けたベース４４から構成される。なお、図示は省略したが、箱部１８には、上記実施の形態１と同様に機能するスイッチ２０ａ，２０ｂが取り付けられているものとする。また、上記実施の形態１では、操作桿１６を操作してアームを動かしたが、この実施の形態３では、ハンドル１６Ａでアームを動かす。

軸２１ａの一端は、ジョイスティック４３を搭載する箱部１８に取り付けられており、軸２１ａの他端には、タイミングプーリ４５ａが取り付けられている。タイミングプーリ４５ａと傘歯車４８とは、軸４７によって同軸に接続されている。また、タイミングプーリ４５ｂとタイミングプーリ４５ａとの間では、タイミングベルト４６を介して回転力が伝達される。

第２アーム６に設けられたタイミングプーリ４９ａは、傘歯車４８と噛み合っている。タイミングプーリ４９ｂは軸１１と同軸に設けられており、タイミングプーリ４９ａとタイミングプーリ４９ｂとの間では、タイミングベルト５０を介して回転力が伝達される。さらに、タイミングプーリ４９ｃは第２軸２３ｂ及び第３軸２３ｃと同軸に設けられており、タイミングプーリ４９ｂ，４９ｃの間では、タイミングベルト５１を介して回転力が伝達される。

傘歯車５２は、第１軸２３ａに対して平行にベース４に取り付けられた軸５３と同軸に接続しており、タイミングプーリ４９ｃと噛み合っている。これにより、枠体３の上部構造体が第１軸２３ａ周りに回転すると、その回転力が傘歯車５３からタイミングプーリ４９ｃへ伝達され、最終的にジョイスティック４３に伝達されて、その回転角度分だけジョイスティック４３の操作レバー４３ａが回転する。

図１０は、図９中のジョイスティックの構成の一例を示す斜視図である。図１０において、操作レバー４３ａはベース４４に取り付けられており、軸５４及び軸５７の２軸周りに回動自在である。また、枠５５は軸５４周りに回動自在にベース４４に取り付けられている。枠５９も同様に軸５７周りに回動自在にベース４４に取り付けられている。なお、軸５４と軸５７は直交している。枠５５にはスリット５６が、枠５９にはスリット５８がそれぞれ切られており、操作レバー４３ａは、スリット５６，５８を通るように取り付けられている。

上記構成において、操作レバー４３ａを傾けると、操作レバー４３ａは、スリット５６かスリット５８に沿って滑るので、操作レバー４３ａの傾きに応じて枠５５が軸５４周りに、枠５９が軸５７周りに回動する。ベース４４内には、不図示の角度検出器が軸５４，５７のそれぞれに取り付けられており、枠５５，５９の角度を検出する。これら角度検出器によって、操作レバー４３ａの軸５４周りと軸５７周りの傾きの角度、即ち操作レバー４３ａの水平面に対する傾斜角度が検出される。

なお、通常のジョイスティックでは、操作レバーを傾けた後で手を離すと、リターンスプリングと呼ばれるばねの作用により傾きが中立点（図１０に示す操作レバーの姿勢）に戻るが、ジョイスティック４３では、操作レバー４３ａを傾けると、その姿勢を保持する構造になっている。例えば、リターンスプリングを設けず、スリット５６，５８にブラシ状に繊維を植毛しておき（不図示）、傾けた操作レバー４３ａがスリット５６又はスリット５８のブラシに引っ掛かることによって、操作レバー４３ａから手を離しても、その姿勢を保つように構成する。

枠体３の上部構造体が第１軸２３ａ周りに角度θ１だけ回転した場合、箱部１８及びジョイスティック４３は、軸２１ａ周りに角度−θ１だけ回転する。上記実施の形態１で示したように、操作桿台１７は、地面に対して常に水平に支持されており、軸２１ａは、地面に対して常に鉛直に支持されている。このため、ジョイスティック４３及び箱部１８の地面に対する姿勢（地面に平行な姿勢）は、アームの動作に拘わらず、保持される。従って、図４で示した座標系と図１０に示す座標系は常に一致する（なお、アームの前方をｘ軸方向とし、アームの左側をｙ軸方向とし、上方をｚ軸方向としている）。

図１１は、この発明の実施の形態３による案内面指示装置の構成及びその周辺機能部を示すブロック図である。図１１において、実施の形態３による案内面演算部３６ａは、角度情報取得部３５が取得した回転角度を用いて、案内面の法線方向ベクトルｖｎを算出し、この法線ベクトルｖｎに関する情報を、ユーザ所望の自由度の情報として制御装置３３へ出力する。なお、角度検出器２２ａ，２２ｂは、枠５５，５９を軸支する軸５４，５７にそれぞれ取り付けられ、これら軸５４，５７の回転角度（操作レバー４３ａの水平面に対する傾斜角度）を検出する。

次に動作について説明する。
作業者が重量物を案内面内に沿って移動させるにあたり、先ず、作業者は、ジョイスティック４３の操作レバー４３ａを操作することにより、操作レバー４３ａが所望の案内面における法線方向ベクトルに平行な姿勢となるように傾けてスイッチ２０ａを押下する。

角度情報取得部３５は、スイッチ２０ａが押下されると、その押下タイミングで角度検出器２２ａ，２２ｂから回転角度を取得する。ここで、操作レバー４３ａの中立点（図１０での姿勢）からＸ軸（軸５４）周りの右ねじ方向の回転角度をαとし、Ｙ軸（軸５７）周りの右ねじ方向の回転角度をβとする。角度検出器２２ａは、操作レバー４３ａを中立点から操作したことにより生じた回転角度αを検出し、角度検出器２２ｂは回転角度βを検出する。

案内面演算部３６ａは、角度情報取得部３５を介して操作レバー４３ａの回転角度α，βを取得すると、下記式（２）に従って案内面の法線方向ベクトルｖｎを算出する。得られた案内面の法線方向ベクトルｖｎは、作業者が所望する動作自由度の情報として案内面指示装置３４から制御装置３３へ出力される。以降の処理は、上記実施の形態１と同様である。

この実施の形態３では、上記実施の形態１のように操作桿１６で案内面を設定するのではなく、ジョイスティック４３の操作レバー４３ａが案内面の法線方向ベクトルｖｎに沿うように傾きを操作することによって案内面を設定する。従って、作業者は、操作レバー４３ａの傾きを見れば、現在の案内面の傾きを知ることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、水平面に対して傾斜可能にアーム手先１３Ａに取り付けられたジョイスティック４３の操作レバー４３ａと、操作レバー４３ａの水平面に対する傾斜角を検出する角度検出器２２ａ，２２ｂと、角度検出器２２ａ，２２ｂにて検出された傾斜角度を用いて、操作レバー４３ａが法線方向に沿う案内面を規定する案内面情報を算出し、制御装置３３に設定する案内面演算部３６ａとを備え、操作レバー４３ａを地面に対して水平な姿勢に保持する機構を設けた。このように構成することにより、高価で壊れやすい力センサを用いることなく、簡易な構成で、簡単な操作レバー４３ａの傾き操作によって操作レバー４３ａが法線方向に沿う平面を案内面として直感的に指示することができる。

なお、上記実施の形態３では、姿勢保持のための伝達機構として、タイミングベルトとタイミングプーリ、傘歯車を使った構成を示したが、他の歯車やチェーン、フレキシブルシャフトなどを用いて構成してもよい。

また、例えば図１２に示すアーム手先１３Ｂのように、伝達機構を用いず、モータ６０の駆動軸を軸２１ａと同軸に接続し、モータ６０の回転力によってジョイスティック４３及び箱部１８の地面に対する姿勢を設定するように構成しても構わない。なお、この構成の場合、枠体３の上部構造が第１軸２３ａ周りに角度θ１だけ回転したとき、モータ６０によって、ジョイスティック４３及び箱部１８を角度−θ１だけ回転するように制御すればよい。

さらに、上記実施の形態３では、操作レバー４３ａの姿勢を保持するための機構として、リターンスプリングを使わず、操作レバー４３ａを滑らせる枠５５，５９のスリット５６，５８にブラシ状の植毛を設け、操作レバー４３ａとブラシとの摩擦により姿勢を保持する例を示したが、ブラシなどでなく、ゴムなど摩擦の大きい材料で押さえて姿勢を保持するようにしてもよい。

なお、上記実施の形態１〜３では、案内面指示装置３４を制御装置３３と別個に設ける構成例を示したが、制御装置３３の一つの機能部として実現してもよい。

また、上記実施の形態１〜３では、案内面情報として案内面の法線方向ベクトルｖｎを算出する例を示したが、案内面を規定する情報であれば法線方向ベクトルｖｎに限定されるものではない。

この発明の実施の形態１による作業補助アームの構成を示す斜視図である。 図１中のアーム手先を拡大した斜視図である。 図２中のアーム手先の内部構造を概略的に示す図である。 図１中の作業補助アームの詳細構成及び実施の形態１による案内面指示装置を含む周辺機能部を示す図である。 図４中の案内面指示装置の構成及びその周辺機能部を示すブロック図である。 図２中の操作桿による操作の様子を示す図である。 実施の形態１による作業補助アームを動作させる案内面の例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２による作業補助アームにおけるアーム手先の拡大図である。 この発明の実施の形態３による作業補助アームの姿勢保持機構の構成を示す図である。 図９中のジョイスティックの構成の一例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３による案内面指示装置の構成及びその周辺機能部を示すブロック図である。 実施の形態３によるアーム手先の一例を示す図である。

符号の説明

１ 作業補助アーム、２ 重量物、３ 枠体、４ ベース、５ 第１アーム、６ 第２アーム、７ 下節、８ 後節、９，１０，１１，１２，２１ａ，２１ｂ，４７，５３，５４，５７ 軸、１３，１３Ａ，１３Ｂ アーム手先、１４ 手首後端リンク、１５ 手首、１６ 操作桿、１６Ａ ハンドル、１７ 操作桿台、１８，１９ａ，１９ｂ 箱部、２２ａ，２２ｂ 角度検出器（角度検出部）、２３ａ 第１軸、２３ｂ 第２軸、２３ｃ 第３軸、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 変速機、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ ブレーキ、２６，２７，４８，５２ 傘歯車、２８，２９，３０ 差動傘歯車、３０Ａ キャリア、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 減速機、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 回転角度検出器、３３ 制御装置、３４ 案内面指示装置、３５ 角度情報取得部、３６，３６ａ 案内面演算部、４１ レーザポインタ、４２ レーザビーム、４３ ジョイスティック、４３ａ 操作レバー（操作レバー部）、４４ ベース、４５ａ，４５ｂ，４９ａ〜４９ｃ タイミングプーリ、４６，５０，５１ タイミングベルト、５５，５９ 枠、５６，５８ スリット、６０ モータ。

Claims (8)

1. 案内面情報に基づいて前記案内面を特定し、当該案内面上の軌道にアーム手先の動作が拘束されるように作業補助アームを制御する制御装置に対して、前記案内面情報を設定する案内面指示装置において、
   水平軸及び鉛直軸周りに回動自在に前記アーム手先に取り付けられた操作桿と、
   前記操作桿の前記水平軸及び前記鉛直軸周りの回転角度を検出する角度検出部と、
   前記角度検出部にて検出された回転角度を用いて、前記操作桿を含む案内面を規定する案内面情報を算出し、前記制御装置に設定する案内面演算部とを備えたことを特徴とする案内面指示装置。
2. 操作桿の動きに合わせて水平軸及び鉛直軸周りに回動自在にアーム手先に取り付けられたレーザポインタを備えたことを特徴とする請求項１記載の案内面指示装置。
3. 案内面情報に基づいて前記案内面を特定し、当該案内面上の軌道にアーム手先の動作が拘束されるように作業補助アームを制御する制御装置に対して、前記案内面情報を設定する案内面指示装置において、
   水平面に対して傾斜可能に前記アーム手先に取り付けられた操作レバー部と、
   前記操作レバー部の前記水平面に対する傾斜角を検出する角度検出部と、
   前記角度検出部にて検出された傾斜角度を用いて、前記操作レバー部が法線方向に沿う案内面を規定する案内面情報を算出し、前記制御装置に設定する案内面演算部とを備えたことを特徴とする案内面指示装置。
4. 操作レバー部を地面に対して水平な姿勢に保持する機構を備えたことを特徴とする請求項３記載の案内面指示装置。
5. アーム手先に取り付けられ、外部からの操作入力を受け付けるスイッチ部と、
   前記スイッチ部で外部から操作入力されるタイミングに応じて、角度検出部で検出された回転角度を取得して案内面演算部に設定する角度情報取得部とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の案内面指示装置。
6. 案内面演算部は、角度検出部で検出された角度から規定される平面の法線方向ベクトルを、案内面情報として算出することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の案内面指示装置。
7. 複数の軸の変位量に基づいて、アーム手先の作業座標が決定されるアームと、
   前記複数の軸の変位量をそれぞれ検出する変位検出装置と、
   前記複数の軸を結合する差動機構と、
   前記複数の軸上にそれぞれ設けられた変速機と、
   案内面情報と、前記変位検出装置にて検出された変位量とに基づき、前記アーム手先の作業座標が前記案内面上に拘束されるよう前記変速機の変速比を制御する制御装置と、
   前記制御装置に前記案内面情報を設定する請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の案内面指示装置とを備えた作業補助アーム。
8. 案内面演算部は、角度検出部で検出された角度から規定される平面の法線方向ベクトルを、案内面情報として算出し、
   制御装置は、前記案内面演算部により設定された案内面の法線方向ベクトルと、アームの各関節の軸の現在の回転角度におけるヤコビ行列と、各関節の軸の角速度ベクトルの内積が０となるよう変速比を制御することを特徴とする請求項７記載の作業補助アーム。

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