JP2010214474A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】衝突において安全なマニピュレータを提供する。
【解決手段】気体を充満した中空材と、中空材を被い中空体に張力を作用させる複数本の形状記憶合金ばねからなるアームリンクを構成する。障害物を検出した時は中空材内部の気体を放出すると共に衝突部位に応じて形状記憶合金ばねに供給する電流を制御してその張力を変化させ、障害物と中空体の衝突部位が離れるように中空体を屈曲させ衝突を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物品を移動させるための機構、主としてロボット用マニピュレータに関するものである。

近年、少子高齢化に伴い、労働力の不足や高齢化が予想されており、それらを補う産業用、家庭用のロボットへの期待が高まっている。このロボットには、種々の物体を把持して移動させる、変形させる、操作するなど、複雑な作業が可能なマニピュレータが備えられる。また、特に家庭では、人がいたり、物が多く置かれていたりするため、これらとの衝突における安全対策も重要である。

従来のマニピュレータは、物体に作用するエンドエフェクタと、剛性の高いアームリンクと、これらを機構的に接続するとともに駆動機構を有する関節から構成される。従来のマニピュレータでは、物体と衝突した際は、関節におけるアームリンクの接続を駆動力から切り離すなどして衝突の衝撃を逃がすなど、安全対策がとられている（例えば特許文献１を参考）。

図７（ａ），（ｂ）従来のマニピュレータを示す図である。図７（ａ）において、１、２はアームリンク、３はエンドエフェクタである。図に示すように、アームリンク１とアームリンク２が接続され、アームリンク２とエンドエフェクタ３が接続されている。図７（ｂ）は、このアームリンク２とエンドエフェクタ３の接続部分の詳細を示す拡大図である。４はこのマニピュレータの安全装置であって、５ａはアームリンク２に結合された第１のベース、５ｂはエンドエフェクタ３に結合された第２のベースである。第１のベース５ａと第２のベース５ｂは、支持軸６の周りに相対回転可能に設置されている。なお、第１のベース５ａと第２のベース５ｂの相対回転はピン７ａが貫通することで止められており、通常は相対回転しない。７ｂはボルトであって、ピン７ａの落下を防止している。

図７（ｂ）において、エンドエフェクタ３が外部の物体に衝突した際には、その衝撃でピン７ａが剪断され、第１のベース５ａに対して第２のベース５ｂが回動自在になり、エンドエフェクタ３が支持軸６に対し回転自在となる。このように回転自在にすることで、衝撃で作用する質量をマニピュレータ全質量ではなく、エンドエフェクタ３およびアームリンク２など、部分的な質量にまで軽減させて、衝突の衝撃を逃がす。
特開昭６１−２４９２９６号公報

しかしながら、従来のマニピュレータでは、アームリンクが長い場合（特に、衝突部位と駆動力を切り離す関節が離れている場合）に、衝突で作用するアームリンクの質量が大きくなる。一方、アームリンクを短くし関節を多く設けると、マニピュレータ自体の重量が増大し、制御が複雑になる。

以上を鑑み、本発明では衝突で作用する質量を小さくするために、マニピュレータのアームリンク自体を軽くし、かつ衝突部位とアームリンクを逃がす部位との距離を短くし、安全性を高めることを目的とする。

本発明にかかるマニピュレータは、内側に配線を有する可撓性の材料から成る中空材と前記中空材の外側に前記中空材と長軸を揃えて配置された複数の線状体と、前記線状体の張力を個別に変化させて前記中空材を変形させる張力制御手段と、前記中空材の内部に気体を供給して前記中空材を膨らませる気体供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、マニピュレータのアームリンクを軽くし、かつ衝突部位とアームリンクを逃がす部位との距離を短くすることで、衝突で作用する質量が小さく、安全性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一構成には同一符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるマニピュレータの概略構成図である。

図１において、マニピュレータ８のエンドエフェクタ９（ロボッドハンド等）は物体に接触し、把持などを行う機構である。エンドエフェクタ９とアームリンク１０は内部に駆動機構を備えた関節１１、１２によって接続され、アームリンク１０とアームリンク１３は同じく内部に駆動機構を備えた関節１４によって接続され、この構成によってエンドエフェクタ９、アームリンク１０、１３は姿勢を変えることができる。アームリンク１３は関節１５等によってさらに図示していないアームリンクや壁やロボット本体に接続される。

図２は、アームリンク１０の詳細構成図である。なお、アームリンク１３の詳細構成もアームリンク１０と同様であるため、ここでは説明を省略している。

図２（ａ）において、中空円柱体１６はゴムなど可とう性（可撓性）を有する材質から成り、その内部を気体で満たすと図２（ｂ）に示すように中空円柱形に膨らむ構造である。なお、中空円柱体１６は、その内側にマニピュレータ８の配線等の内部機構３５を有するため、内側（内部構造３５側）よりも外側の弾性を低くして、より外側に膨らみやすい構造となっている。中空円柱体１６を満たす気体は、大気中から集められてエアーコンプレッサ１７から吐出され気体流入路１８を通じ、流入電磁弁１９を通過して中空円柱体１６に流入する気体である。また、中空円柱体１６内部の気体は流出電磁弁２０、気体流出路２１を通じて外部に流出される。流入電磁弁１９、流出電磁弁２０は、電気信号によって弁を開閉し気体を通過、停止させるものであり、マニピュレータ８の稼動状況に応じて制御される。中空円柱体１６の２端面は、剛性のある保持体２２、２３に固定（接着）されている。保持体２２は図１に示す関節１４に機構的に接続され、保持体２３は関節１２に機構的に接続されている。また、保持体２２は内部に気体流入路１８、気体流出路２１、および、その他必要な電気配線等（内部構造３５）を有している。気圧センサ２４は中空円柱体１６の内部気圧を測定する。形状記憶合金ばね２５はその両端がコネクタ２６、２７によって保持体２３および膨張抑止帯２８に接続されている。形状記憶合金ばね２５は自身を通る電流により加熱され弾性が変化する線状体であり、コネクタ２６、２７を通じて電流が供給される。

また、形状記憶合金ばね２５は図示のように中空円柱体１６を囲うように複数設けられ、また、それを接続するためのコネクタも複数設けられている。これら形状記憶合金ばね２５はいずれも自然長が等しく、中空円柱体１６の円周に沿って自然長より長い状態、すなわち引張力を発揮する状態で等間隔に保持体２３と膨張抑止帯２８に接続されている。保持体２２と膨張抑止帯２８にも、同様に形状記憶合金ばね２５が接続されている。それぞれの形状記憶合金ばね２５に供給する電流は個別に制御する。

膨張抑止帯２８は中空円柱体１６の側面外壁に円周に沿って固定（接着）されており、中空円柱体１６が内部気体圧力によって膨張するのを抑止する。また、形状記憶合金ばね２５もその引張力をもって中空円柱体１６の膨張を抑止する。これら膨張の抑止は、中空円柱体１６の内部圧力を高めることに寄与している。中空円柱体１６は内部圧力が高ければ安定してその形状を保持する。なお、膨張抑止帯２８は中空円柱体１６の長手方向の中心付近に設ければ、膨張を抑止しやすく、中空円柱体１６の内部圧力を高めることが容易である。

振動センサ２９は中空円柱体１６の振動周波数を測定する。振動センサ２９は図２では膨張抑止帯２８の上に固定（接着）されているが、中空円柱体１６の振動周波数が測定できればどの部位に固定（接着）してもよい。なお、振動の振幅はマニピュレータ８の支点から離れるほど、すなわちエンドエフェクタ９に近い部位ほど大きいため、振動センサ２９をエンドエフェクタ９に近い部位に設ければ周波数測定の精度を高めることができる。このようにして測定した中空円柱体１６の振動周波数に基づいて、中空円柱体１６の内部圧力を求め、形状記憶合金ばね２５に供給する電圧の値を制御することで、より正確に制御を行なうことが可能となる。

次に、形状記憶合金ばね２５の弾性を変化させることでアームリンク１０が屈曲する様子を説明する。この様子は、アームリンク１３も同様であるため、ここでは、アームリンク１０の場合のみ説明している。

図３は、アームリンク１０が屈曲する様子を示す図である。

図３において、複数の形状記憶合金ばね２５は自然長が同じで中空円柱体１６の円周に沿って等間隔に接続されているので、それぞれの弾性と長さが同じであれば、複数の形状記憶合金ばね２５の引張力がつりあって、保持体２２、２３が形状記憶合金ばね２５の接続点のいずれの方向に偏って引っ張られることもなく、中空円柱体１６はまっすぐな円柱形状を保つ。また、中空円柱体１６の内部気圧が所定値以上であれば、マニピュレータ８の稼動において十分な剛性を保つことができる。

ところが、形状記憶合金ばね２５に加える電流により、それぞれの形状記憶合金ばね２５の温度、ひいては弾性を個別に変化させると、それぞれの形状記憶合金ばね２５の引張力が不均衡になり中空円柱体１６は屈曲する。図３では、形状記憶合金ばね２５ａの弾性を他よりも強めた場合、あるいは形状記憶合金ばね２５ｂの弾性を他よりも弱めた場合を示している。

なお、形状記憶合金ばね２５の本数は、少なくとも３本以上設ければ保持体２２、２３との３点以上の接続点が平面を構成するため、中空円柱体１６がよりまっすぐな円柱形状を保ちやすい。ここで、形状記憶合金ばね２５を３本設ければ、１本のみ引張力を他よりも強めることで１２０度ずつ異なる３方向の屈曲が可能となり、形状記憶合金ばね２５を４本設ければ、１本のみ、あるいは隣り合った２本のみの引張力を他よりも強めることにより、４５度ずつ異なる８方向の屈曲が可能となる。また、流出電磁弁２０を開き気体を流出させて中空円柱体１６の内部気圧を下げれば、より屈曲しやすくすることができる。

次に、図４を用いて本実施の形態１の制御構成について説明する。図４は、アームリンク１０の制御ブロック図である。なお、アームリンク１３の制御ブロック図もアームリンク１０と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図４において、カメラ３０は、マニピュレータ８が存在する空間（例えば、マニピュレータ８の支点である関節１５の周辺）に設置され、マニピュレータ８を撮影するものであり、マニピュレータ８に障害物が接近している様子が映るように配置されている。障害検出部３１は、カメラ３０が出力する画像信号を解析し、マニピュレータ８と障害物の衝突の有無を予測し、これを示す信号を出力する。衝突部位検出部３２は、カメラ３０が出力する画像信号を解析し、障害物が衝突するマニピュレータ８の部位を予測し、これを示す信号を出力する。電流制御部３３は、障害検出部３１の出力信号を受け、衝突可能性がある場合は、さらに衝突部位検出部３２の出力信号を受ける。そして、それらの信号に基づいて、マニピュレータ８における衝突部位と障害物が離れるように中空円柱体１６が屈曲するよう、複数の形状記憶合金ばね２５に流す電流を個別に制御する。

具体的には、図３に示すように、マニピュレータ１０において、形状記憶合金ばね２５ｂの側に障害物相対的に近づいて衝突可能性が発生した場合に、形状記憶合金ばね２５ｂに流す電流と形状記憶合金ばね２５ａに流す電流とを個別制御し、形状記憶合金ばね２５ｂでの電流制御による張力が形状記憶合金ばね２５ａでの電力制御による張力よりも小さくなるように、それぞれの電流を個別制御する。そして、その結果として、図３の形状記憶合金ばね２５ａの側に中空円柱体１６が屈曲する。

複数の形状記憶合金ばね２５に流す電流の個別制御と同時に、流出電磁弁２０も障害検出部３１の出力信号を受け、衝突可能性がある場合は流出電磁弁２０を開き、中空円柱体１６の内部気体を流出させる。気体を流出させ中空円柱体１６の内部圧力を下げることで、形状記憶合金ばね２５のそれぞれの引張力の差が小さくても中空円柱体１６は屈曲しやすくなり、衝突の衝撃をより緩和することや、より早く衝突を避けることができる。ここで、衝突可能性が無い場合は、流出電磁弁２０を閉じて中空円柱体１６の内部気体を密閉し、電流制御部３３は形状記憶合金ばね２５の弾性がそれぞれ等しくなるよう電流を制御することで、アームリンク１０の形状を保つ。

また、気体供給判断部３４は中空円柱体１６への気体供給を制御するものであり、障害検出部３１の出力信号と、振動センサ２９が測定する中空円柱体１６の振動周波数値と、気圧センサ２４が測定する中空円柱体１６の内部気圧値を受け、エアーコンプレッサ１７と流入電磁弁１９に対して制御信号を出力する。なお、中空円柱体１６への気体供給は常時行われるわけではなく、適宜必要に応じて行なわれる。少なくとも、障害検出部３１の出力信号が衝突無しであることを示し、かつ気圧センサ２４の出力値が所定値以上の場合、および障害検出部３１の出力信号が衝突有りを示す場合は気体供給を行わない。これらの場合、気体供給判断部３４は、エアーコンプレッサ１７が気体を吐出しないよう、また流入電磁弁１９を閉じて中空円柱体１６に気体が流入しないよう、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９にそれぞれ信号を出力し、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９はこれに従う。

一方で、障害検出部３１の出力信号が衝突可能性無しであることを示し、かつ気圧センサ２４の出力値が所定値以下の場合、気圧センサ２４の出力値が所定値となるまで、エアーコンプレッサ１７が気体を吐出し流入電磁弁１９を開いて中空円柱体１６に気体が流入するよう、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９にそれぞれ信号を出力し、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９はこれに従う。

ここで、気圧センサ２４の出力の所定値とは、中空円柱体１６がその圧力によって形状を保持し、マニピュレータ８が十分な動作制御性をもって作業できる値であり、例えば大気圧より大きい４ＭＰａ程度である。マニピュレータ８が十分な動作制御性をもつかどうかは、マニピュレータ８の動作時の機械振動、すなわち振動センサ２９の出力値から判断する。マニピュレータ８の動作時の機械振動の周波数が十分に高ければ、中空円柱体１６は形状を保持し、アームリンク１０として十分な剛性を持つといえる。そこで、あらかじめキャリブレーションモードとしてマニピュレータ８に所定の運動をさせ、振動センサ２９を用いてこの時の中空円柱体１６の振動周波数を測定し、出力する。気体供給判断部３４は振動センサ２９の出力値を受け、その値が所定値以下の場合は所定値になるまで、エアーコンプレッサ１７が気体を吐出し流入電磁弁１９を開いて中空円柱体１６に気体が流入するよう、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９にそれぞれ信号を出力し、エアーコンプレッサ１７および流入電磁弁１９はこれに従う。振動センサ２９の出力値が所定値になった時、気体供給判断部３４は中空円柱体１６への気体流入を停止させるとともに、気圧センサ２４の出力値を記憶する。この値を気圧センサ２４の所定の出力値とする。

以上をもって、本実施の形態１のマニピュレータ８の各アームリンク１０、１３は、図５および図６に示すように障害物３７に近い部位で障害物３７を避けるように屈曲することができる。また、気体を充満した中空体でアームリンク１０、１３を構成することによりアームリンク１０、１３を軽くすると共に、中空円柱体１６の内部圧力の値を所定値に保つことでアームリンク１０、１３の剛性も確保できる。すなわち、通常稼動における動作制御性を保ちながら、衝突における安全性を高めることができる。この構成により、アームリンクの軽量性と剛性を両立し、すなわち衝突における安全性と通常稼動における動作制御性を両立することができる。

また、障害検出部３１によりマニピュレータ８と障害物３７との衝突可能性ありとして検出され中空円柱体１６が屈曲した後、障害物３７が無くなれば、障害検出部３１が衝突可能性がない状態ということで、流出電磁弁２０を閉じ、密閉された中空円柱体１６の内部圧力の値が所定値になるまでエアーコンプレッサ１７は気体を吐出し、一方で形状記憶合金ばね２５の弾性がそれぞれ等しくなるよう電流制御部３３は電流を制御し、アームリンク１０は通常稼動状態に復帰する。マニピュレータ８の通常稼動における姿勢制御は関節１１、１２、１４に対して行うものであるが、障害物３７を避ける場合も、通常稼動状態に復帰する場合も、これら関節に対する制御とは独立しており、複雑な制御を行うことなく容易に対応することができる。

なお、本実施の形態１においては、中空円柱体１６として説明したが、流入電磁弁１９と流出電磁弁２０とで空気の流入を制御される中空体の形状は、構造等を適宜検討すれば円柱以外のものも用いることができる。

また、形状記憶合金ばね２５、および膨張抑止帯２８の本数や配置は、本実施の形態１の状態に限らない。アームリンク１０、１３を屈曲させることにおいて、アームリンク１０、１３の長手方向に形状記憶合金ばね２５の引張力が作用する構成であればよい。

また、形状記憶合金ばね２５を一般金属のばねにして、電子制御でフックが外れるなど取り外し可能な形態で膨張抑止帯２８および保持体２２、２３に取り付け、引張力を不均衡にするために一部の形状記憶合金ばね２５を取り外すようにしてもよい。このようにすれば、復帰は困難であるが、形状記憶合金ばね２５を変形させるための消費電力を削減できる。

また、障害物３７を検出する手段はカメラ３０には限らない。例えばアームリンク１０、１３表面に配置した接触センサでもよい。接触センサであれば、複雑な画像解析を行うことなく、より簡単に障害物を検出することができる。

また、形状記憶合金ばね２５と中空円柱体１６との間に何かが挟みこまれることを防ぐため、それらの外側にカバーを設けることが好ましい。

なお、本実施の形態では、線状体（形状記憶合金ばね２５）に加わる電流を制御して、その張力を制御したが、これ以外の構成、手段によって同様の線状体を実現できる場合は、本発明は、形状記憶合金ばね２５に限定されない。

本発明にかかるマニピュレータは、ロボット等に設けられ、衝突等に対し衝撃を緩和できる安全なマニピュレータとして有用である。

本発明の実施の形態１にかかるマニピュレータの概略構成図 （ａ）アームリンク１０の詳細構成図、（ｂ）中空円柱体１６を示す概略図 アームリンク１０が屈曲する様子を示す図 アームリンク１０の制御ブロック図 マニピュレータ８と障害物３７の衝突の様子を示す第１の図 マニピュレータ８と障害物３７の衝突の様子を示す第２の図 （ａ）従来のマニピュレータの構成図、（ｂ）従来のマニピュレータの詳細構成図

８ マニピュレータ
９ エンドエフェクタ
１０、１３ アームリンク
１１、１２、１４、１５ 関節
１６ 中空円柱体
１７ エアーコンプレッサ
１８ 気体流入路
１９ 流入電磁弁
２０ 流出電磁弁
２１ 気体流出路
２２、２３ 保持体
２４ 気圧センサ
２５ 形状記憶合金ばね
２６、２７ コネクタ
２８ 膨張抑止帯
２９ 振動センサ

Claims (5)

1. 内側に配線を有する可撓性の材料から成る中空材と、
   前記中空材の外側に前記中空材と長軸を揃えて配置された複数の線状体と、
   前記線状体の張力を個別に変化させて前記中空材を変形させる張力制御手段と、
   前記中空材の内部に気体を供給して前記中空材を膨らませる気体供給部と、を備えること
   を特徴とするマニピュレータ。
2. 前記中空材への障害物の接近または衝突を検出する障害検出部を更に備え、
   前記張力制御手段が、前記障害検出部が障害物を検出した場合に、前記複数の線状体の内の少なくとも１つの線状体の張力を他の線状体の張力と異なる大きさに制御する手段であること
   を特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
3. 前記中空材の先端のエンドエフェクタと、複数の前記中空材を接続し駆動力を有する関節と、前記中空材の振動周波数を測定する周波数測定部と、を更に備えること
   を特徴とする請求項１または２記載のマニピュレータ。
4. 前記中空材に充満した気体を放出する気体放出部を更に備え、
   前記気体放出部は、前記障害検出部が障害物を検出した時に前記中空材内の気体を放出すること
   を特徴とする請求項２または３記載のマニピュレータ。
5. 前記線状体はその張力が棒状に膨らんだ前記中空材の少なくとも長手方向に複数点で作用するように配置され、
   複数の前記線状体は、前記張力制御手段で制御されていない場合の前記中空材の長手方向に働く張力が各作用点において等しく、前記張力制御手段で制御されている場合の前記中空材の長手方向に働く張力が各作用点において異なるものであること
   を特徴とする請求項１から４いずれか記載のマニピュレータ。

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