JP2014213416A - ロボット装置及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの安全性を向上させつつ小型化を容易に実現すること。【解決手段】ロボット装置は、ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、可動部を駆動する駆動手段と、ロボット本体と可動部との間に設けられ、可動部が駆動手段により駆動され、ロボット本体と可動部との間に物体が挟み込まれたときに、ロボット本体と可動部とが離間する方向に伸長するように構成された弾性部と、を備えている。可動部は少なくとも１つの関節部を有するアームであり、弾性部はアームの付根とロボット本体との間に設けられていてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、可動部を駆動する駆動手段と、を備えるロボット装置及びその動作方法に関するものである。

近年、人と共存して作業などを行う様々なロボットが開発されている。このような人と共存するロボットなどにおいては、特に人や物などとの接触による安全性を考慮することが重要となる。これに対し、例えば、アーム部のセンサにより人との接触を検知すると、アーム部を形成する連結部材の連結を解除することでアーム部の剛性を低下させるロボット装置が知られている。

特開平０９−２５４０７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すロボット装置においては、アーム部に特別なセンサを設ける必要があり、さらに、アーム部を連結部材で連結することにより構造が複雑になる。このため、ロボット装置を小型化が困難となる虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ロボットの安全性を向上させつつ小型化を容易に実現できるロボット装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、前記可動部を駆動する駆動手段と、前記ロボット本体と前記可動部との間に設けられ、前記可動部が前記駆動手段により駆動され、前記ロボット本体と可動部との間に物体が挟み込まれたときに、前記ロボット本体と可動部とが離間する方向に伸長するように構成された弾性部と、を備えることを特徴とするロボット装置である。
この一態様において、前記可動部は少なくとも１つの関節部を有するアームであり、該アームは前記弾性部を介して前記ロボット本体と連結していてもよい。
この一態様において、前記アームは、物体を把持するハンド部と、該ハンド部に手首関節部を介して連結された第１リンク部と、該第１リンク部に肘関節部を介して連結され、肩関節部を介して前記弾性部に連結される第２リンク部と、を有しており、前記弾性部は、前記駆動手段により前記肩関節部が回転駆動され、前記第２リンク部と前記ロボット本体との間に物体が挟み込まれたときに、前記第２リンク部とロボット本体とが離間する方向に伸長してもよい。
この一態様において、前記弾性部は、前記ロボット本体に連結される第１部材と、一端が前記第１部材に対して相対移動可能に連結され他端が前記可動部に連結される第２部材と、前記第１部材の外周面に設けられ前記第２部材を前記ロボット本体側に付勢するバネ部材と、を有していてもよい。
この一態様において、前記第１部材には、長手方向に沿って延在するリニアガイドが設けられており、該リニアガイドに前記第２部材が嵌合しており、前記第２部材は、前記第１部材のリニアガイドに沿って、前記第１部材の長手方向に沿って相対移動することで、前記弾性部は伸縮してもよい。
この一態様において、前記可動部は、ロボット頭部及びロボット脚部のうち少なくとも一方であってもよい。
この一態様において、前記弾性部は、前記ロボット本体と前記ロボット頭部の首関節部及び前記ロボット脚部の股関節部のうち少なくとも一方との間に設けられていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、前記可動部を駆動する駆動手段と、を備えるロボット装置の動作方法であって、前記可動部が前記駆動手段により駆動され、前記ロボット本体と可動部との間に物体が挟み込まれたときに、前記ロボット本体と可動部とが離間する方向に伸長する、ことを特徴とするロボット装置の動作方法であってもよい。

本発明によれば、ロボットの安全性を向上させつつ、小型化を容易に実現できるロボット装置を提供することができる。

（ａ）本発明の実施の形態１に係るロボット装置の構成を示す概略図である。（ｂ）本発明の実施の形態１に係るロボット装置の概略的な構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るロボット装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 （ａ）ロボット本体とアームとの間に物体が挟み込まれたとき弾性部の動作を説明するための図である。（ｂ）ロボット本体とアームとの間に物体が挟み込まれたとき弾性部の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る弾性部の構成を示す断面図である。 （ａ）アームとロボット本体との間で物体を挟み込まない場合の弾性部の動作を示す図である。（ｂ）アームとロボット本体との間で物体を挟み込まない場合の弾性部の動作を示す図である。 アームとロボット本体との間に物体を挟み込んだ場合の弾性部の動作を示す図である。 アームとロボット本体との間に物体を挟み込んだ場合の弾性部の動作を示す図である。 アームとロボット本体との間に物体を挟み込んだ場合の弾性部の動作を示す図である。 弾性部のバネ力を設定する方法を示す図である。 ロボット本体とロボット脚部及びロボット頭部との間に弾性部を設けた構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るロボット装置の構成を示す概略図である。図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係るロボット装置の概略的な構成を示す斜視図である。本実施の形態１に係るロボット装置１は、ロボット本体２に回動可能に連結されたアーム３と、アーム３を駆動するアクチュエータ４と、ロボット本体２とアーム３との間に設けられる弾性部５と、を備えている。

アーム３は、多関節型アームとして構成され、例えば、物などを把持するハンド部３１と、ハンド部３１に一端が連結された第１リンク部３２と、第１リンク３２の他端に一端が連結された第２リンク３３と、を有している。ハンド部３１は、手首関節部３４を介して回転可能に第１リンク部３２が連結されている。第１リンク３２は、肘関節部３５を介して回転可能に第２リンク３３が連結されている。第２リンク３３には、肩関節部３６が回転可能に連結されている。なお、上述したアーム３の構成は一例であり、これに限らず、例えば、リンク及び関節部の数は任意でよい。

ロボット本体２は、ロボット胴体部であり、例えば、上端側にロボット頭部、下端側にロボット脚部が設けられていてもよい。

弾性部５は、アーム３の肩関節部３６に一端が連結されており、他端がロボット本体２に連結されている。弾性部５は、アーム３とロボット本体２とが接近及び離間する方向（Ｘ軸方向）に伸縮可能なバネ要素を有している。

図２は、本実施の形態１に係るロボット装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るロボット装置１は、アーム３の各関節部を回転駆動する複数のアクチュエータ６と、アーム３の各関節部の回転情報を検出する複数の回転センサ７と、各アクチュエータ６の駆動を制御する制御装置８と、を備えている。

各アクチュエータ６は、駆動手段の一具体例であり、例えば、サーボモータにより構成されている。各アクチュエータ６は、手首関節部３４、肘関節部３５、及び肩関節部３６に夫々内蔵されており、制御装置８からの制御信号に応じて、これら各関節部３４、３５、３６を回転駆動し、アーム３を移動させる。

各回転センサ７は、例えば、ポテンショメータ、レゾルバ、ロータリーエンコーダなどにより構成されている。各回転センサ７は、手首関節部３４、肘関節部３５、及び肩関節部３６に夫々設けられており、これら各関節部３４、３５、３６を回転情報（回転角など）を検出する。各回転センサ７は、検出した手首関節部３４、肘関節部３５、及び肩関節部３６の回転情報を制御装置８に対して出力する。

制御装置８は、例えば、ロボット本体２に設けられ、各回転センサ７から出力される手首関節部３４、肘関節部３５、及び肩関節部３６の回転情報に基づいて、各アクチュエータ６に対して制御信号を出力する。これにより、アーム３は所望の位置に制御される。

制御装置８は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８１、ＣＰＵ８１によって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）８２やＲＡＭ（Random Access Memory）８３、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、及びＲＡＭ８３は、データバス８４などを介して相互に接続されている。

ところで、例えば、アーム３の肩関節部３６を駆動させたとき、ロボット本体２とアーム３との間（図１（ａ）及び（ｂ）の点線部分）に物などを挟み込む虞がある。従来、例えば、このロボット本体とアームの空間を予め広く確保する、あるいは、アームあるいはロボット本体に接触センサなどを設けることが考えられていた。しかしながら、いずれの場合もロボットの大型化に繋がる虞があった。

そこで、本実施の形態１においては、上述の如く、ロボット本体２とアーム３との間に、アーム３とロボット本体２とが接近及び離間する方向に伸縮可能に構成された弾性部５が設けられている。これにより、アーム３が駆動し、ロボット本体２とアーム３との間に物体などが挟み込まれたときに（図３（ａ））、弾性部５がアーム３とロボット本体２とが離間する方向に伸長する（図３（ｂ））。したがって、ロボット本体２とアーム３との間の物体に対する押付力が弾性部５により吸収され軽減されるため、ロボットの安全性が向上する。しかも、ロボット本体２とアーム３との間に、その接近及び離間する方向に伸縮可能に構成された弾性部５を設けるだけの簡易な構成で実現できるため、ロボットの小型化が容易となる。

次に、上述した弾性部５の構成について詳細に説明する。図４は、本実施の形態１に係る弾性部の構成を示す断面図である。

弾性部５は、一端がロボット本体２に連結される略円筒状の第１部材５１と、第１部材５１の他端に一端が相対移動可能に連結され他端がアーム３の肩関節部３６に相対回転可能に連結される第２部材５２と、第１部材５１の外周面に設けられ第２部材５２を付勢するコイル状のバネ部材５３と、を有している。第１部材５１の一端にはベアリング部５１１が設けられている。第１部材５１は、ベアリング部５１１を介して、ロボット本体２に対して相対回動可能である。

第１部材５１には、Ｘ軸線方向に延在し、第１部材の外側に突出する凸状のリニアガイド５１２が一対設けられている。この第１部材５１のリニアガイド５１２に第２部材５２の一端が嵌合する。第２部材５２は、第１部材５１のリニアガイド５１２に沿って、その長手方向（Ｘ軸方向）に相対移動する。このように第２部材５２が第１部材５１に対してその長手方向（Ｘ軸方向）に相対移動することで、弾性部５は伸縮する。なお、第１部材５１にリニアガイド５１２を設けることで、第２部材５２をそのリニアガイド５１２に沿って長手方向（並進方向）のみに相対移動を許可し、長手方向のＸ軸線を中心とした相対回動を規制している。これにより、弾性部５の伸縮動作をＸ軸方向に安定させることができる。

バネ部材５３は、第１部材５１の外周面にその長手方向に沿って設けられ、その他端が第１部材５１の他端に当接し、その一端は第２部材５２の一端に当接している。これにより、バネ部材５３は、第２部材５２の一端をＸ軸方向のロボット本体側に向けて付勢する。上述した構成により、第２部材５２が第１部材５１に対してロボット本体２の反対側（アーム側）に相対移動し、弾性部５が伸長すると、バネ部材５３はこの相対移動に抗する方向（弾性部５が収縮する方向）に付勢力を作用させる。なお、上記弾性部５の構成は一例であり、これに限らず、ロボット本体２とアーム３との間に、その接近及び離間する方向に伸縮可能に構成されていれば任意の構成が適用可能である。

肩関節部３６には、その可動域を規制するメカストッパが設けられている。このメカストッパにより、肩関節部３６の可動域は、例えば、第２リンク３３の回動角度０（ｄｅｇ）（第２リンク３３が下方でロボット本体２と平行となる位置）〜１８０（ｄｅｇ）（第２リンク３３が上方でロボット本体２と平行となる位置）に規制されている。弾性部５の動作もメカストッパにより規制され、弾性部５は上記肩関節部３６の可動域の範囲内で伸縮する。

次に、本実施の形態１に係る弾性部の動作について詳細に説明する。
（１）アーム３とロボット本体２との間で物体を挟み込まない場合（正常時）
制御装置８は、アクチュエータ６を制御して、肩関節部３６を反時計方向に回動させ、アーム３の第２リンク３３をロボット本体２に接近させる（図５（ａ））。この場合、アーム３は、ロボット本体２と僅かに接触した状態で止まるため、弾性部５にはその長手方向に力が作用しない。したがって、弾性部５の第１部材５１に対して第２部材５２が相対移動せず、弾性部５は伸長しない（図５（ｂ））。

（２）アーム３とロボット本体２との間で物体を挟み込んだ場合（異常時）
制御装置８は、アクチュエータ６を制御して、肩関節部３６を反時計方向に回動させると、アーム３の第２リンク３３が物体と接触し、物体はアーム３の第２リンク３３とロボット本体２との間に挟み込まれる（図６Ａ）。

制御装置８は、このアーム３の第２リンク３３が物体と接触した状態から、アクチュエータ６を制御して、さらに肩関節部３６を反時計方向に回動させる。これにより、弾性部５の第２部材５２には、アーム３と物体との接触部を中心とした、反時計方向（長手方向でアーム側）のモーメント力が作用する（図６Ｂ）。

このモーメント力により、弾性部５の第２部材５２は第１部材５１に対してアーム側に相対移動する。このとき、弾性部５の第１部材５１の他端と第２部材５２の一端との間に挟み込まれたバネ部材５３は、徐々に収縮する。これにより、バネ部材５３は、弾性部５の第２リンク５２を第１リンク５１に対してロボット本体側に相対移動させる方向にバネ力を発生させる。そのバネ力の反作用により、アーム３の第２リンク３３とロボット本体２とに挟まれた物体には押付力が僅かに作用する。

制御装置８は、アクチュエータ６を制御して、さらに肩関節部３６を反時計方向に回動させ、肩関節部３６のメカストッパにより制限される位置（第２リンク３３の回動角度０（ｄｅｇ）の位置）までアーム３の第２リンク３３を回動させる（図６Ｃ）。このとき、弾性部５は最大で伸長した状態となっている。この弾性部５の状態において、バネ部材５３は、例えば、限界まで収縮した状態となっており、第２部材５２は第１部材５１に対してアーム側に最大に相対移動した位置になっている。

なお、アーム３とロボット本体２との間で物体を挟み込まない場合（１）、図５（ｂ）に示す如く、アーム３の第２リンク３３とロボット本体２の側面とは僅かに接触した状態となり隙間がないため、ロボット全体はコンパクトに収まる。一方、アーム３とロボット本体２との間で物体を挟み込んだ場合（２）、図６Ｃに示す如く、アーム３の第２リンク３３とロボット本体２の側面との間には、弾性部５の伸長分だけの僅かに隙間が生じているだけであるため、ロボット全体はコンパクトに収まる。このように、ロボット全体の小型化が実現できる。

次に、上述した弾性部５のバネ力の設定方法について詳細に説明する。弾性部５のバネ力を設定する上で、弾性部５の剛性及び弾性部５により生じるアーム３とロボット本体２との間の物体に対する押付力を考慮することが必要となる。

例えば、アーム３が物体を引っ張る動作などを行い、弾性部５に対してアーム側への力が作用した場合、弾性部５が不要に伸長しない剛性（バネ力）が弾性部５には必要となる。また、弾性部５のバネ力が低いと、アーム３の可搬重量の低下やアーム３の位置決め精度の低下などを招くこととなる。したがって、弾性部５のバネ力を一定以上に設定し十分な剛性を確保する必要がある。一方で、安全性を考慮すると、弾性部５のバネ力を制限し、アーム３とロボット本体２との間に物体を挟み込んだときにその物体に対する押付力を適度に抑える必要がある。特に、押付力が最大となるアーム３の付根付近の押付力を抑えつつ、上記動作上最低限必要となる剛性を確保できるように、弾性部５のバネ力を設定するのが好ましい。

ここで、例えば、肩関節部３６の回転トルクをＴ[Ｎｍ]とし、物体とアーム３との接触位置から肩関節部３６の中心位置までの距離をＬ[ｍ]とし、アーム３の第２リンク３３の回転角度をθ[ｄｅｇ]とすると、アーム３とロボット本体２との間に挟まれた物体に対する押付力Ｆ[Ｎ]は次（１）式より算出できる（図７）。Ｆ＝Ｔ×ｃｏｓθ／Ｌ （１）式

さらに、安全上問題無いと考えられる押付力をＦ'とすると、Ｆ＞Ｆ'となるように弾性部５のバネ力を設定すれば、弾性部５の弾性によりその押付力を軽減でき安全性を確保できる。

弾性部５のバネ部材５３のバネ定数をｋ[Ｎ／ｍ]とし、バネ部材５３の伸長量をａ[ｍ]とすると、この弾性部５のバネ部材５３により生じる押付力Ｆｋは、次（２）式より算出できる。Ｆｋ＝Ｋ×ａ （２）式

押付力による安全性を考慮してＦｋ＜Ｆ'かつＦｋ＜Ｆを満たすように、バネ部材５３のバネ部材を設定する。

以上、本実施の形態１に係るロボット装置１において、ロボット本体２とアーム３との間に物体が挟み込まれたときに、ロボット本体２とアーム３とが離間する方向に伸長するように構成された弾性部５が設けられている。これにより、アーム３が駆動し、ロボット本体２とアーム３との間に物体などが挟み込まれたときに、弾性部５がアーム３とロボット本体２とが離間する方向に伸長する。したがって、ロボット本体２とアーム３との間の物体に対する押付力が弾性部５により吸収され軽減されるため、ロボットの安全性が向上する。しかも、ロボット本体２とアーム３との間に、その接近及び離間する方向に伸縮可能に構成された弾性部５を設けるだけの簡易な構成で実現できるため、ロボットの小型化が容易となる。すなわち、ロボットの安全性を向上させつつ、小型化を容易に実現できる。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、アーム３とロボット本体２との間に弾性部５が設けられているが、本実施の形態２においては、ロボット本体２とロボット脚部１１との間に弾性部１２が設けられている点を特徴とする（図８）。

例えば、弾性部１２は、ロボット本体２とロボット脚部１１の股関節部１１１との間に設けられ、ロボット脚部１１とロボット本体２とが接近及び離間する方向に伸縮可能となっている。ロボット脚部１１は、例えば、ロボット本体２の下端に設けられ、ロボットが二足歩行可能なように構成されている。

ロボット脚部１１は、路面に着地する足平部１１２と、足平部１１２に足首関節部１１３を介して回動可能に連結された第１リンク１１４と、第１リンク１１４に膝関節部１１５を介して回動可能に連結された第２リンク１１６と、を有している。第２リンク１１６の股関節部１１１に弾性部１２が連結されている。なお、上記ロボット脚部１１の構成は一例であり、これに限らず、例えば、リンク及び関節部の数は任意でよい。

本実施の形態２において他の構成は上記実施の形態１と略同一であることから、同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。

以上、本実施の形態２によれば、ロボット脚部１１の股関節部１１１が駆動し、ロボット本体２とロボット脚部１１との間に物体などが挟み込まれたときに、弾性部１２がロボット脚部１１とロボット本体２とが離間する方向に伸長する。したがって、ロボット本体２とロボット脚部１１との間の物体に対する押付力が弾性部１２により吸収され、軽減されるため、ロボットの安全性が向上する。しかも、ロボット本体２とロボット脚部１１との間に、その接近及び離間する方向に伸縮可能に構成された弾性部１２を設けるだけの簡易な構成で実現できるため、ロボットの小型化が容易となる。

実施の形態３．
上記実施の形態１においては、アーム３とロボット本体２との間に弾性部５が設けられているが、本実施の形態３においては、ロボット本体２とロボット頭部１３との間に弾性部１４が設けられている点を特徴とする（図８）。

例えば、弾性部１４は、ロボット本体２とロボット頭部１３の首関節部１３１との間に設けられ、ロボット頭部１３とロボット本体２とが接近及び離間する方向に伸縮可能となっている。ロボット頭部１３は、例えば、ロボット本体２の上端に設けられており、ロボットの視覚であるカメラなどが搭載されている。ロボット頭部１３は、首関節部１３１を介して左右方向及び上下方向へ回動する。

本実施の形態３において、他の構成は上記実施の形態１及び２と略同一であるため同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。

以上、本実施の形態３によれば、ロボット頭部１３の首関節部１３１が駆動し、ロボット本体２とロボット頭部１３との間に物体などが挟み込まれたときに、弾性部１４がロボット頭部１３とロボット本体２とが離間する方向に伸長する。したがって、ロボット本体２とロボット頭部１３との間の物体に対する押付力が弾性部１４により吸収され、軽減されるため、ロボットの安全性が向上する。しかも、ロボット本体２とロボット頭部１３との間に、その接近及び離間する方向に伸縮可能に構成された弾性部１４を設けるだけの簡易な構成で実現できるため、ロボットの小型化が容易となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態において、弾性部５、１２、１４をロボット本体２と、アーム３、ロボット脚部１２、及びロボット頭部１３のうち少なくとも１つとの間に設けるようにしてもよい（図８）。

１ ロボット装置
２ ロボット本体
３ アーム
４ アクチュエータ
５ 弾性部

Claims (8)

1. ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、
   前記可動部を駆動する駆動手段と、
   前記ロボット本体と前記可動部との間に設けられ、前記可動部が前記駆動手段により駆動され、前記ロボット本体と可動部との間に物体が挟み込まれたときに、前記ロボット本体と可動部とが離間する方向に伸長するように構成された弾性部と、を備えることを特徴とするロボット装置。
2. 請求項１記載のロボット装置であって、
   前記可動部は少なくとも１つの関節部を有するアームであり、該アームは前記弾性部
   を介して前記ロボット本体と連結している、ことを特徴とするロボット装置。
3. 請求項２記載のロボット装置であって、
   前記アームは、物体を把持するハンド部と、該ハンド部に手首関節部を介して連結された第１リンク部と、該第１リンク部に肘関節部を介して連結され、肩関節部を介して前記弾性部に連結される第２リンク部と、を有しており、
   前記弾性部は、前記駆動手段により前記肩関節部が回転駆動され、前記第２リンク部と前記ロボット本体との間に物体が挟み込まれたときに、前記第２リンク部とロボット本体とが離間する方向に伸長する、ことを特徴とするロボット装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のロボット装置であって、
   前記弾性部は、前記ロボット本体に連結される第１部材と、一端が前記第１部材に対して相対移動可能に連結され他端が前記可動部に連結される第２部材と、前記第１部材の外周面に設けられ前記第２部材を前記ロボット本体側に付勢するバネ部材と、を有している、ことを特徴とするロボット装置。
5. 請求項４記載のロボット装置であって、
   前記第１部材には、長手方向に沿って延在するリニアガイドが設けられており、該リニアガイドに前記第２部材が嵌合しており、
   前記第２部材は、前記第１部材のリニアガイドに沿って、前記第１部材の長手方向に沿って相対移動することで、前記弾性部は伸縮する、ことを特徴とするロボット装置。
6. 請求項１記載のロボット装置であって、
   前記可動部は、ロボット頭部及びロボット脚部のうち少なくとも一方である、ことを特徴とするロボット装置。
7. 請求項６記載のロボット装置であって、
   前記弾性部は、前記ロボット本体と前記ロボット頭部の首関節部及び前記ロボット脚部の股関節部のうち少なくとも一方との間に設けられている、ことを特徴とするロボット装置。
8. ロボット本体に回動可能に連結された可動部と、前記可動部を駆動する駆動手段と、を備えるロボット装置の動作方法であって、
   前記可動部が前記駆動手段により駆動され、前記ロボット本体と可動部との間に物体が挟み込まれたときに、前記ロボット本体と可動部とが離間する方向に伸長する、ことを特徴とするロボット装置の動作方法。

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