JP2014527918A - 衝撃許容構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、概して、ロボット工学及び自動化という技術分野に関する。特に、本発明は、ロボット又は他の位置決めシステムの衝撃許容性を改善するための構造に関する。より具体的には、本発明は、ロボットにおける衝撃許容性を向上させるための取付要素構造を開示する。この取付要素構造は、第１面（２０１）と、ロボット工具要素へと向かう第２面（２０２）と、を備え、第１面及び第２面（２０１；２０２）は、紐組立体（２０３）で接続されるように構成される。この紐組立体は、所定レベルを超える外力の曝露下において、紐組立体（２０３）の形状を変形させることにより、外力が引き起こす損傷を低減するように構成される。

Description

本発明は、概して、ロボット工学及び自動化という技術分野に関する。特に、本発明は、ロボット又は他の位置決めシステムの衝撃許容性を改善するための構造に関する。

ロボットは、様々な種類の産業用途で広く使われており、通常は、精度が重要な役割を果たし、同一操作を連続的に繰り返す用途で広く使われている。このような操作の一例として、回路基板の製造が挙げられるが、回路基板の製造では、操作可能な（applicable）把持要素がロボットに搭載され、この把持要素が部品を把持し、回路基板上に正確に配置して、生産の次の工程に送る。

ロボットに対する要求事項は、ロボットの使用環境によって異なる。具体的な環境としては、重量物が持ち上げられ、ロボットが強打、殴打等の衝撃を受けやすく、清潔でない条件下でロボットが作業する環境が挙げられる。

このような環境の１つは、廃棄物が例えばコンベヤーベルトから選別される廃棄物処理産業である。ロボットは、廃棄物の特性に従って廃棄物を回収しリサイクルするようにプログラムされる。廃棄物品の質量と形状が異なるという事実だけでなく、コンベヤーベルト上の廃棄物の流れが絶えず変化するという理由からも、廃棄物の選別が容易な作業でないことは明らかである。スピードに加えて、この種の選別でロボットに要求される事項の１つは、運転中、ロボットが衝撃を受けやすい状態にあってはならないことである。自動廃棄物選別ステーションの不稼働時間のコストは重要であるため、想定される運転時の衝撃の影響を最小化する準備をすることが望ましい。

一般に、ロボットの中で最も衝撃を受けやすい構造は、工具（例えば把持部（gripper））である。コンベヤーベルト上の物品は、サイズと重量が多様であり、運転中に移動又は回転することがある。コンベヤー上の物品との衝突又は回収品の慣性が、ロボットへの衝撃を引き起こすことがある。さらに、コンベヤーベルト周辺に複数のロボットを配置することが可能であり、この場合、２基以上のロボット、又はこれらのロボットが運搬する形状不明の荷物が何らかの理由で衝突して、ロボットに深刻な損傷を与えることもある。

ロボットに対するこのような損傷を防止する、従来技術による方法が幾つか存在する。一般に、これらの方法は、構造上の構成（例えば、変形（yielding）又は破断する部品）か、損傷を防止するための運転方法（例えば、何らかの種類のセンサ構成を利用して、発生し得る衝突を認識する）のどちらかである。

こうした構造的構成においては、例えば関節接合されたロボットアームのようなロボットの部品は、少なくとも部分的に可撓性を有するように構成される。このことは、例えばアーム内の材料を選択することにより達成される。例えばいくつかの弾性材料は、例えばアーム及び把持部といった２つの部品の間に配置でき、衝撃状況において部品が互いに関係しながら曲がることを可能とする。別の例は、ばねベースのアームによる解決策であり、この解決策も、衝撃時に発生し得る損傷を最小化するように設計される。従来技術による損傷防止解決策の第３の分類は、衝撃状況において所定の力を超えた時に変形又は破断する部品を備えた構造である。

従来技術の解決策による損傷防止のための運転方法の一例は、センサでロボットの動作を監視し、損傷状況が検出された場合は、損傷を回避するように（例えばロボットを停止することにより）ロボットの動作を変更するという構成である。

従来技術による解決策の欠点として、実装費用が高いこと（例えば、検出器を用いた運転方法）、或いは、厳しい環境で動作するように構成されたロボット（例えば、廃棄物選別設備）に実装するのが困難であることが挙げられる。さらに、例えばクランプ等の破断部品をベースにした従来技術による解決策は、ロボットの修理中にシステム全体を停止させることが基本的に不可能な環境では、使用することができない。また、従来技術による解決策は複雑であるため、修理に長い時間を要し、このことも、例えばシステムの停止が事業者に多大なコストをもたらすロボット技術解決策では、容認することができない。

本発明の目的は、ロボットが衝撃を受けてもロボットの損傷リスクを低減する構成を、ロボットの構造において提案することである。加えて、本発明の目的は、精度が重要な役割を果たす環境で利用するに足る充分に剛性のある構成を、ロボットの構造に実装することである。

本発明の目的は、ロボットと工具要素の間に可撓性を有する取付要素構造を構成することで実現される。可撓性を有する取付要素構造は、所定レベルを超える外力が構造に影響を与える（affects）までは取付要素構造の構造が略剛体となるように、所定の距離を有する２つの取付面間に紐組立体を構成することによって実現され、結果としてその構造は少なくとも部分的に可撓性を有し、こうしてロボットへの重大な損傷を防ぐ。

本発明に係るいくつかの実施形態において、延伸要素は、起動された（activated）時に延伸要素がその紐組立体に対して反力を生じさせるように、その２つの取付面間に構成され、こうして全体構造はより剛性を有する。

本発明に係る幾つかの実施形態では、延伸要素はばねである。本発明の別の実施形態では、延伸要素はハイドロリックシリンダー又は空気圧シリンダーである。

本発明の一実施形態では、上記第１及び第２の取付面の形状は正方形であり、幾つか別の実施形態では、上記第１及び第２の取付面の形状は、切断したコーナーを備える三角形である。

本発明の利点は、非常に単純な構成であるため、低コストで製造及び修理ができることである。加えて、高速に修理を遂行できるので、ロボットが損傷した場合の不稼働時間が比較的短い。また、本発明の構造は、変形時のヒステリシスを全く含まないので、衝撃状況においてもロボットの制御が可能である。

本特許出願に記載の本発明の好ましい実施形態は、添付の請求項の適用性に制限を与えるものとは解釈されない。本特許出願では、「備える」又は「含む」（to comprise）という動詞を、列挙されていない他の特徴の存在を排除しない、開かれた限定（open limitation）として使用する。別段の明示的な記述がない限り、従属請求項に列記されている特徴は、相互に自由に組み合わせることができる。

本発明に特有とみなされる新規の特徴は、特に添付の請求項に記載されている。しかし、本発明自体は、追加の目的及び利点と併せた本発明の構成及び操作方法の両方に関して、以下の具体的な実施形態を添付の図面と関連させて読むことで、最もよく理解されるであろう。

従来技術によるロボットアームを用いた解決策を図示する。 本発明の一実施形態を示す。 本発明の一実施形態を示す。 本発明の別の一実施形態を示す。 本発明の別の一実施形態を示す。 本発明のさらなる一実施形態を示す。 本発明のさらなる一実施形態を示す。

以下、上記の図を参照しながら本発明の幾つかの好適な実施形態を説明する。

図１は、公知のロボットアームによる解決策を示す。このロボットアームは主要部分を最大限広範な形で開示したものであり、この主要部分は本発明の文脈でも関連する。このロボットは、アーム、すなわちロボットアーム１０１を備える。この例示的な図では、ロボットアーム１０１は、互いにヒンジ連結された２つの部分から形成される。ロボットアーム１０１は、概して公知の連結構造で取り付けることによって把持要素１０２に接続され、ロボットアーム１０１内の任意のヒンジ要素と共に把持部を三次元空間において動かすことを可能とする。１つの公知の方法によれば、ロボットアーム及びその部品は、ロボットのモーターへと制御信号を送信する中央制御ユニットで制御され、それによって、目的の移動及び把持が実現され得る。また、把持要素１０２を、ロボット工学環境での利用に適用できる任意の工具要素に置き換えることができる。

図２ａは、ロボットがロボットアーム１０１と、図１において開示したものと類似した把持要素１０２と、を具備する本発明の実施形態を示す。

更に、本発明によれば、ロボットアーム１０１と把持要素１０２との間において、ロボットアーム１０１と接続可能となるように構成された第１の取付面２０１から成る取付要素構造が構成される。この接続は、例えばヒンジ構成又は玉継手（ball-and-socket joint）を用いて確立でき、その結果、取付面２０１の移動は、ロボットアーム１０１との関係において三次元的に可能となる。幾つかの実施形態では、取付面２０１は、ロボットアーム１０１に対して回転可能である。これは、回転する軸又は玉継手のような適した回転コネクターと、回転運動を実現するために取付面２０１に必要な力を生じさせる必要なモーターと、によって実現される。

本発明のある実施形態によれば、取付要素構造は、第２取付面２０２を備え、この第２取付面２０２は、紐組立体２０３を利用することにより、第１取付面２０１から所定の距離ｄに取り付けられるように構成される。第２取付面は、把持要素１０２が接続される面を提供する。本発明の例示によれば、把持要素１０２は第２取付面２０２に固定される。本発明の他の幾つかの実施形態によれば、把持要素１０２は、第２取付面２０２に回転可能に接続される。この接続は、例えば制御可能な可動軸受構成を用いて実現でき、これによって、把持要素１０２は、回転して、把持される物品と効果的に配列されることができる。

その第１及び第２取付面間の距離及び紐形状は、衝撃時における取付要素構造の可撓性が、例えば把持部の重量に対する要求（need）、把持されて移動させられる部品の重量に対する要求、及び／又は、ロボットアーム１０１及び／又は把持要素１０２が受ける可能性のある外部衝撃力に対する要求に適用できるように好適に選択される。２つの取付面間の距離を調節することにより、構造を屈曲させる（flex）のに必要な力の量が調節される。

構造の可撓性は、概して、紐組立体の幾何学的形状と、取付面を分離する力によって決まる。静止位置近傍の、互いに対する取付面の生じ得る速度は、六次元の空間とみなすことができ、取付面の六自由度の運動に対応する（三次元の速度及び三次元の角速度）。この空間では、個々の紐は、発生し得る速度の空間を二等分する五次元平面（5-dimensional plane）を構成する。

取付面を分離する力は、それぞれの寸法が限界に至るまで（until a limit in each dimension is met）表面を分離し、その構造を静止位置に配置する（assume）。６度の運動自由度が存在するので、安定した静止位置では、少なくとも６本の紐がぴんと張った状態（taut）になる。この静止位置は、交差する限界平面（limiting planes）が形成するポテンシャル井戸（potential well）内に存するものと考えられる。この位置を変えるには、すなわち、構造をある方向に変形させる力とするには、変形させる力は、ポテンシャル井戸から位置を「持ち上げる」ほど十分に強くなければならない。

単純なばねは、ポテンシャルがｘ²に比例する衝撃許容構造として使用されることができ、ここでｘは変位を表す。このような構成は連続的に変形し、すなわち、少しの力の量でも構造が少なくとも微小に変形するため、構造は非剛性、不安定、且つ不正確になる。対照的に、本発明による構成のポテンシャルは｜ｘ｜（変位の絶対値）に比例し、すなわち、形状が「シャープ」である。従って、変形させる力が特定の閾値を超えるまでは構造が全く変形しないので、通常操作の下では構造は剛性となる。力の閾値は、紐組立体の幾何学的配置に依存して、様々な方向で異なっていてもよく、分離力の大きさによって直線的に調整される（linearly scaled）。

本発明の幾つかの実施形態では、紐材料は本質的に非弾性であると想定され、すなわち、紐は、伸張するのでなく、接続された取付面の点の間の距離に対する剛性極限（rigid limit）を構成する。従って、紐材料は、充分に非弾性である限り、システムの剛性に影響しない。

本発明の幾つかの実施形態の重要な態様の１つは、紐組立体内の紐の各々が、他の紐と接続しておらず、すなわち、取付点以外の（over the mounting points）いかなる連続部分も形成しないという点にある。紐の各々は、例えば適した結び目（knot）のようないくつかの公知の方法を用いて、且つ／又は、適した固定要素を用いて、取付点に固定される。

図２ｂは、本発明の一実施形態による取付要素の三次元構造の一例を示す。取付要素構造は、上記の取付面２０１、２０２に加えて、図２ｂに開示される紐組立体を備える。上記の取付面２０１、２０２は、図２ｂの参照箇所２０３ａで開示される通り、第１取付面２０１のコーナーから第２取付面２０２の対応するコーナーへと紐で接続される。加えて、図２ｂに開示される通り、第１取付面２０１のコーナーは、第２取付面のコーナーと、交差紐２０３ｂで接続されている。同等の紐構成は、第１及び第２取付面２０１、２０２の全てのコーナーに配置される。従って、このような紐組立体２０３は、全部で１２の紐部分からなる。こうした紐組立体構成によって、構造は、非弾性となり、すなわち、ロボットの通常操作は妨害しないが、外力がロボットに衝撃を与え、且つ、その外力が所定レベル（紐組立体の特性で定義される）を超えたときは、紐組立体は、弾性となり、ロボットの損傷のリスクを低減するように、外力に対して変形し、外力を吸収する。

図２ｂは、形状が正方形の取付面２０１、２０２を示しているが、他の形状の取付面に対する本発明の適用性を制限するものではない。

図３ａに、本発明の別の例を開示しており、取付面は、コーナーを切断した三角形のような形状をしている。この例においても、第１取付面３０１は、紐組立体によって第２取付面３０２に接続される。本発明に係る実施形態による紐組立体は、第１取付面３０１のそれぞれのコーナーを、紐によって、第２取付面３０２の対応するコーナーへと接続することによって形成される。従って、図３ａによる紐組立体全体で結果として生じるワイヤーは、Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、及びＦ−Ｆ’となる。

６本の紐組立体は、システムの運動の６自由度全てをカバーするのに必要な最小の本数であるため、好適である。従って、システムにおいて必然的に各紐がぴんと張られて作用することから、紐の張りと長さを入念に調整する必要がない。図３ａに示す本発明の実施形態によれば、取付面３０１、３０２は、紐組立体形状の変形中、少なくとも部分的に取付面３０１、３０２が交互配置する（interleaving）ことを可能にする方法で取り付けられるように構成される。これは図３ｂに示されており、取付面のコーナーの交互配置が示されている。コーナーを交互配置する利点は、外力により生じた衝撃状況において、取付構造の動きの範囲をより広くできることである。言い換えれば、ロボットが衝撃を受けたとき、取付面の交互配置されたコーナーは、衝撃力に対する変形によって、例えば図２ａ及び２ｂで示された取付構造におけるよりもより広い移動を可能とし、結果として、ロボット、工具或いは設置構造、それ以外の物の損傷のリスクを低減する。

本発明の幾つかの実施形態は、第１取付面と第２取付面の間を所定の距離内に維持する力を増加するための延伸要素をさらに備える。本発明のこのような実施形態の一例を図４に図解する。図４は、図２で既に開示されている紐組立体を有する類似のロボットアーム構造を示す。ここでは、対応する要素を開示していない。これらの要素に加えて、図４の実施形態は延伸要素４０１を開示しており、この例示では、延伸要素４０１はばね構造である。ばねは、第１及び第２の取付面間の紐組立体と共に取付けられたときに、起動モード、すなわち、応力をかけられるように調整される。言い換えれば、このばねは、紐組立体内の力に対して対向する力（opposing force）を少なくとも部分的に発生させる。この構成がもたらす全体的結果は、取付要素構造全体の剛性が高まり、これにより、紐組立体の形状が変形する力の所定レベルが、延伸要素の圧縮力を制御することによって調節され得ることである。

取付構造に延伸要素を利用することのさらなる利点は、ロボットアーム全体が複数の様々な位置で動作可能になるという点にあり、例えば、ロボットアームを回転させて把持部を横向きすることができ、或いは上向きにすることもできる。これは、種々のロボット工学環境において本発明の有用性を高める。

本発明の幾つかの実施形態では、延伸要素４０１は、第１及び第２取付面に延伸力を加えるハイドロリックシリンダーである。類似の効果は、例えば、圧縮ばね、空気圧シリンダー、ソレノイド、及び／又は、サーボモーターで調整されるねじのような延伸要素の他、ベローズドライブその他の空気ばねを用いて実現され得る。

延伸要素は、対称効果（symmetric effect）を実現するために、取付構造の中間に好適に配置される。或いは、複数の延伸要素、例えば、取付面のそれぞれのコーナーにつき、１つの延伸要素が構造中に配置される。本発明の幾つかの実施形態によれば、延伸要素の少なくとも１つの位置は、最も可能性の高い変形方向に従って選択される。これは、紐組立体に必要とされる力の所定レベルの調節が実現されることを可能とする。本発明のさらなる幾つかの実施形態では、延伸要素は紐組立体と一体化される。これに加え、又は、これとは別に、紐の代わりにハイドロリックシリンダー若しくは空気圧シリンダー又はばねを取り付けることができ、これによって、紐と類似した拘束を形成するだけでなく、延伸要素としても機能させることができる。こうした取付けは、ヒンジ、玉継手、紐の長さ、又は、延伸要素の端部と取付面との間の他のこうした可撓性取付機構を含んでもよい。

さらに、この取付構造を、ロボットアーム以外の種類のロボットに適用することもできる。例えば、図５に示すように、壁のような支持構造に取り付けられた制御ケーブルで制御されるロボット工具に、取付要素構造を適用することができる。図５は、アーム１０１を用いて支持構造５０１に取り付けられた、把持要素１０２に似たロボット工具を開示している。ロボットの制御は制御ケーブル５０２によって構成され、サーボモーター等の対応するモーターで駆動される。加えて、２つの取付面２０１、２０２と、例えば図２ａの考察時に説明した紐組立体２０３を備えた取付要素構造が、この種のロボットに適用される。同様に、この取付構造は、周知の直角座標ロボット、若しくはガントリーロボット、又は他のタイプのロボットにも適用できる。

取付面又は紐にセンサを取り付けてもよい。概してセンサは、センサ値が、例えば、ロボット制御システムへと接続されるＡ／Ｄコンバータ又は他のセンサインタフェース要素を用いてサンプリングされるように、ロボットを制御するシステムに接続される。取付面間の距離を測定するセンサからの読取値は、構造の配列を監視するために使用することができる。制御システムは、例えばロボットへの損傷を回避するため、システムを停止し、且つ／又は、異常信号を生成するように構成され得る。更に制御システムは、考慮又は計画した把持部の位置を取得することによって正確な把持位置を計算するため、或いは、物体の把持後にリアルタイムに、より正確な移動を実現するために、読取値を利用することができる。センサの読取値は、把持された物体の重量を計算するためにも利用され得る。センサは、例えば、赤外線距離センサ、カメラ、エンコーダ、又は、上記のように延伸要素若しくは紐として機能するハイドロリックシリンダー若しくは空気圧シリンダー又は空気ばねの内側の圧力を監視するセンサであり得る。紐又は取付面に影響を及ぼす力を測定するセンサも、同様に使用され得る。このようなセンサは、例えば、ひずみゲージ又はばね付きポテンショメーターであり得る。

本発明の幾つかの実施形態では、最適な配列が達成されるように、対応する紐の長さを調節することで取付面の配列を調整することが可能である。こうした解決策は、表面を配列させるときに使用される１つ以上のモーターを必要とし得る。このような解決策の１つは、リギングねじやターンバックルねじ等の調整ねじを含む。

本発明に係るある実施形態によれば、紐組立体は、いかなる特定の取付面もなく、ロボットアームの表面及び／又は把持要素の表面に、直接接続される。さらに、上記で説明した実施形態では、第１取付面がロボットアームの方に向けて取り付けられることを開示しているが、他の幾つかの方法でも取付を実施できる。例えば、必要なワイヤーの本数を第１取付面に接続することができ、把持部に適用可能な移動制御システムを実現すべく、ワイヤーは、例えばサーボモーターによって制御される。

この文脈における紐という用語は、材料及び形態を何ら制限しない。従って、紐とは、本発明に記載の応用で利用するための適用特性を有するロープ、ワイヤーケーブル、ベルト、又は類似のものとみなすことができる。紐材料で作られた円筒状又は管状のソックス様構造は、円筒状構造の各端部にある縁を各取付面に取り付けることにより、紐構成として使用することができる。この場合、この構造は、ほぼ平行の多数の紐を有する紐組立体として機能する。好適には、紐材料は非弾性である。すなわち、外力が紐組立体の形状を変形させている時、紐材料は実質的に伸張しない。また、廃棄物選別で使われるロボットに適用するための紐材料の重要な一般要件は、耐久性である。

ここで開示している実施形態では、本発明の取付構造がロボットアームと把持部の間に適用されることを示している。本発明に係る他の実施形態において、取付構造は、例えばロボットの２つのアーム要素間において、ロボットの他の部品に固定され得る。取付構造の配置の選択は、例えばロボットのどの部分が外部衝撃に対して最も脆弱（vulnerable）であり、且つ／又は取付構造のどの位置がロボットアームに対する損傷に対して最適な保護を与えるかを検証する実験に基づいてもよい。さらに、本発明は既存の任意の種類のロボット工具に適用可能であるため、本発明の適用は、把持要素に限定されない。適用可能な工具の例として、磁性材料を把持するための磁石、及び／又は特定ニーズのための特定工具（例えば切削工具）が挙げられる。

本発明は、概して、ロボット工学及び自動化という技術分野に関する。特に、本発明は、ロボット又は他の位置決めシステムの衝撃許容性を改善するための構造に関する。

ロボットは、様々な種類の産業用途で広く使われており、通常は、精度が重要な役割を果たし、同一操作を連続的に繰り返す用途で広く使われている。このような操作の一例として、回路基板の製造が挙げられるが、回路基板の製造では、操作可能な（applicable）把持要素がロボットに搭載され、この把持要素が部品を把持し、回路基板上に正確に配置して、生産の次の工程に送る。

ロボットに対する要求事項は、ロボットの使用環境によって異なる。具体的な環境としては、重量物が持ち上げられ、ロボットが強打、殴打等の衝撃を受けやすく、清潔でない条件下でロボットが作業する環境が挙げられる。

このような環境の１つは、廃棄物が例えばコンベヤーベルトから選別される廃棄物処理産業である。ロボットは、廃棄物の特性に従って廃棄物を回収しリサイクルするようにプログラムされる。廃棄物品の質量と形状が異なるという事実だけでなく、コンベヤーベルト上の廃棄物の流れが絶えず変化するという理由からも、廃棄物の選別が容易な作業でないことは明らかである。スピードに加えて、この種の選別でロボットに要求される事項の１つは、運転中、ロボットが衝撃を受けやすい状態にあってはならないことである。自動廃棄物選別ステーションの不稼働時間のコストは重要であるため、想定される運転時の衝撃の影響を最小化する準備をすることが望ましい。

一般に、ロボットの中で最も衝撃を受けやすい構造は、工具（例えば把持部（gripper））である。コンベヤーベルト上の物品は、サイズと重量が多様であり、運転中に移動又は回転することがある。コンベヤー上の物品との衝突又は回収品の慣性が、ロボットへの衝撃を引き起こすことがある。さらに、コンベヤーベルト周辺に複数のロボットを配置することが可能であり、この場合、２基以上のロボット、又はこれらのロボットが運搬する形状不明の荷物が何らかの理由で衝突して、ロボットに深刻な損傷を与えることもある。

ロボットに対するこのような損傷を防止する、従来技術による方法が幾つか存在する。一般に、これらの方法は、構造上の構成（例えば、変形（yielding）又は破断する部品）か、損傷を防止するための運転方法（例えば、何らかの種類のセンサ構成を利用して、発生し得る衝突を認識する）のどちらかである。

こうした構造的構成においては、例えば関節接合されたロボットアームのようなロボットの部品は、少なくとも部分的に可撓性を有するように構成される。このことは、例えばアーム内の材料を選択することにより達成される。例えばいくつかの弾性材料は、例えばアーム及び把持部といった２つの部品の間に配置でき、衝撃状況において部品が互いに関係しながら曲がることを可能とする。別の例は、ばねベースのアームによる解決策であり、この解決策も、衝撃時に発生し得る損傷を最小化するように設計される。従来技術による損傷防止解決策の第３の分類は、衝撃状況において所定の力を超えた時に変形又は破断する部品を備えた構造である。

従来技術の解決策による損傷防止のための運転方法の一例は、センサでロボットの動作を監視し、損傷状況が検出された場合は、損傷を回避するように（例えばロボットを停止することにより）ロボットの動作を変更するという構成である。

ロボット工学環境における衝撃吸収の一例は、特許文献１に開示される。その特許文献１は、ロボットを任意の方向に回転させるように、制御システムが、ロボットの複数の脚の駆動を調整するタンブリングロボット（tumbling robot）を開示する。脚部は、テンションワイヤーであって、当該ワイヤーの材料が最適に選択されたときにロボットを所定の形状で保持しつつ、接地した脚部の衝撃を吸収するテンションワイヤーで結合される。

ロボット領域における支持機構の別の例は、特許文献２に開示される。その特許文献は、２つのプレート間で実現されるケーブル支持順応機構を示し、支持機構は、支持ケーブル、補強材及びテンションケーブルを具備する。補強材を制御することによって支持のレベルを調整することが可能である。これは、ロボットの把持要素の位置における構造の使用を可能とし、これによって物品は最適に把持され得る。

従来技術による解決策の欠点として、実装費用が高いこと（例えば、検出器を用いた運転方法）、或いは、厳しい環境で動作するように構成されたロボット（例えば、廃棄物選別設備）に実装するのが困難であることが挙げられる。さらに、例えばクランプ等の破断部品をベースにした従来技術による解決策は、ロボットの修理中にシステム全体を停止させることが基本的に不可能な環境では、使用することができない。また、従来技術による解決策は複雑であるため、修理に長い時間を要し、このことも、例えばシステムの停止が事業者に多大なコストをもたらすロボット技術解決策では、容認することができない。

米国特許第７３２７１１２号明細書 米国特許第５１１６１９０号明細書

本発明の目的は、ロボットが衝撃を受けてもロボットの損傷リスクを低減する構成を、ロボットの構造において提案することである。加えて、本発明の目的は、精度が重要な役割を果たす環境で利用するに足る充分に剛性のある構成を、ロボットの構造に実装することである。

本発明の目的は、ロボットと工具要素の間に可撓性を有する取付要素構造を構成することで実現される。可撓性を有する取付要素構造は、所定レベルを超える外力が構造に影響を与える（affects）までは取付要素構造の構造が略剛体となるように、所定の距離を有する２つの取付面間に紐組立体を構成することによって実現され、結果としてその構造は少なくとも部分的に可撓性を有し、こうしてロボットへの重大な損傷を防ぐ。

本発明に係るいくつかの実施形態において、延伸要素は、起動された（activated）時に延伸要素がその紐組立体に対して反力を生じさせるように、その２つの取付面間に構成され、こうして全体構造はより剛性を有する。

本発明に係る幾つかの実施形態では、延伸要素はばねである。本発明の別の実施形態では、延伸要素はハイドロリックシリンダー又は空気圧シリンダーである。

本発明の一実施形態では、上記第１及び第２の取付面の形状は正方形であり、幾つか別の実施形態では、上記第１及び第２の取付面の形状は、切断したコーナーを備える三角形である。

本発明の利点は、非常に単純な構成であるため、低コストで製造及び修理ができることである。加えて、高速に修理を遂行できるので、ロボットが損傷した場合の不稼働時間が比較的短い。また、本発明の構造は、変形時のヒステリシスを全く含まないので、衝撃状況においてもロボットの制御が可能である。

本特許出願に記載の本発明の好ましい実施形態は、添付の請求項の適用性に制限を与えるものとは解釈されない。本特許出願では、「備える」又は「含む」（to comprise）という動詞を、列挙されていない他の特徴の存在を排除しない、開かれた限定（open limitation）として使用する。別段の明示的な記述がない限り、従属請求項に列記されている特徴は、相互に自由に組み合わせることができる。

本発明に特有とみなされる新規の特徴は、特に添付の請求項に記載されている。しかし、本発明自体は、追加の目的及び利点と併せた本発明の構成及び操作方法の両方に関して、以下の具体的な実施形態を添付の図面と関連させて読むことで、最もよく理解されるであろう。

従来技術によるロボットアームを用いた解決策を図示する。 本発明の一実施形態を示す。 本発明の一実施形態を示す。 本発明の別の一実施形態を示す。 本発明の別の一実施形態を示す。 本発明のさらなる一実施形態を示す。 本発明のさらなる一実施形態を示す。

以下、上記の図を参照しながら本発明の幾つかの好適な実施形態を説明する。

図１は、公知のロボットアームによる解決策を示す。このロボットアームは主要部分を最大限広範な形で開示したものであり、この主要部分は本発明の文脈でも関連する。このロボットは、アーム、すなわちロボットアーム１０１を備える。この例示的な図では、ロボットアーム１０１は、互いにヒンジ連結された２つの部分から形成される。ロボットアーム１０１は、概して公知の連結構造で取り付けることによって把持要素１０２に接続され、ロボットアーム１０１内の任意のヒンジ要素と共に把持部を三次元空間において動かすことを可能とする。１つの公知の方法によれば、ロボットアーム及びその部品は、ロボットのモーターへと制御信号を送信する中央制御ユニットで制御され、それによって、目的の移動及び把持が実現され得る。また、把持要素１０２を、ロボット工学環境での利用に適用できる任意の工具要素に置き換えることができる。

図２ａは、ロボットがロボットアーム１０１と、図１において開示したものと類似した把持要素１０２と、を具備する本発明の実施形態を示す。

更に、本発明によれば、ロボットアーム１０１と把持要素１０２との間において、ロボットアーム１０１と接続可能となるように構成された第１の取付面２０１から成る取付要素構造が構成される。この接続は、例えばヒンジ構成又は玉継手（ball-and-socket joint）を用いて確立でき、その結果、取付面２０１の移動は、ロボットアーム１０１との関係において三次元的に可能となる。幾つかの実施形態では、取付面２０１は、ロボットアーム１０１に対して回転可能である。これは、回転する軸又は玉継手のような適した回転コネクターと、回転運動を実現するために取付面２０１に必要な力を生じさせる必要なモーターと、によって実現される。

本発明のある実施形態によれば、取付要素構造は、第２取付面２０２を備え、この第２取付面２０２は、紐組立体２０３を利用することにより、第１取付面２０１から所定の距離ｄに取り付けられるように構成される。第２取付面は、把持要素１０２が接続される面を提供する。本発明の例示によれば、把持要素１０２は第２取付面２０２に固定される。本発明の他の幾つかの実施形態によれば、把持要素１０２は、第２取付面２０２に回転可能に接続される。この接続は、例えば制御可能な可動軸受構成を用いて実現でき、これによって、把持要素１０２は、回転して、把持される物品と効果的に配列されることができる。

その第１及び第２取付面間の距離及び紐形状は、衝撃時における取付要素構造の可撓性が、例えば把持部の重量に対する要求（need）、把持されて移動させられる部品の重量に対する要求、及び／又は、ロボットアーム１０１及び／又は把持要素１０２が受ける可能性のある外部衝撃力に対する要求に適用できるように好適に選択される。２つの取付面間の距離を調節することにより、構造を屈曲させる（flex）のに必要な力の量が調節される。

構造の可撓性は、概して、紐組立体の幾何学的形状と、取付面を分離する力によって決まる。静止位置近傍の、互いに対する取付面の生じ得る速度は、六次元の空間とみなすことができ、取付面の六自由度の運動に対応する（三次元の速度及び三次元の角速度）。この空間では、個々の紐は、発生し得る速度の空間を二等分する五次元平面（5-dimensional plane）を構成する。

取付面を分離する力は、それぞれの寸法が限界に至るまで（until a limit in each dimension is met）表面を分離し、その構造を静止位置に配置する（assume）。６度の運動自由度が存在するので、安定した静止位置では、少なくとも６本の紐がぴんと張った状態（taut）になる。この静止位置は、交差する限界平面（limiting planes）が形成するポテンシャル井戸（potential well）内に存するものと考えられる。この位置を変えるには、すなわち、構造をある方向に変形させる力とするには、変形させる力は、ポテンシャル井戸から位置を「持ち上げる」ほど十分に強くなければならない。

単純なばねは、ポテンシャルがｘ²に比例する衝撃許容構造として使用されることができ、ここでｘは変位を表す。このような構成は連続的に変形し、すなわち、少しの力の量でも構造が少なくとも微小に変形するため、構造は非剛性、不安定、且つ不正確になる。対照的に、本発明による構成のポテンシャルは｜ｘ｜（変位の絶対値）に比例し、すなわち、形状が「シャープ」である。従って、変形させる力が特定の閾値を超えるまでは構造が全く変形しないので、通常操作の下では構造は剛性となる。力の閾値は、紐組立体の幾何学的配置に依存して、様々な方向で異なっていてもよく、分離力の大きさによって直線的に調整される（linearly scaled）。

本発明の幾つかの実施形態では、紐材料は本質的に非弾性であると想定され、すなわち、紐は、伸張するのでなく、接続された取付面の点の間の距離に対する剛性極限（rigid limit）を構成する。従って、紐材料は、充分に非弾性である限り、システムの剛性に影響しない。

本発明の幾つかの実施形態の重要な態様の１つは、紐組立体内の紐の各々が、他の紐と接続しておらず、すなわち、取付点以外の（over the mounting points）いかなる連続部分も形成しないという点にある。紐の各々は、例えば適した結び目（knot）のようないくつかの公知の方法を用いて、且つ／又は、適した固定要素を用いて、取付点に固定される。

図２ｂは、本発明の一実施形態による取付要素の三次元構造の一例を示す。取付要素構造は、上記の取付面２０１、２０２に加えて、図２ｂに開示される紐組立体を備える。上記の取付面２０１、２０２は、図２ｂの参照箇所２０３ａで開示される通り、第１取付面２０１のコーナーから第２取付面２０２の対応するコーナーへと紐で接続される。加えて、図２ｂに開示される通り、第１取付面２０１のコーナーは、第２取付面のコーナーと、交差紐２０３ｂで接続されている。同等の紐構成は、第１及び第２取付面２０１、２０２の全てのコーナーに配置される。従って、このような紐組立体２０３は、全部で１２の紐部分からなる。こうした紐組立体構成によって、構造は、非弾性となり、すなわち、ロボットの通常操作は妨害しないが、外力がロボットに衝撃を与え、且つ、その外力が所定レベル（紐組立体の特性で定義される）を超えたときは、紐組立体は、弾性となり、ロボットの損傷のリスクを低減するように、外力に対して変形し、外力を吸収する。

図２ｂは、形状が正方形の取付面２０１、２０２を示しているが、他の形状の取付面に対する本発明の適用性を制限するものではない。

図３ａに、本発明の別の例を開示しており、取付面は、コーナーを切断した三角形のような形状をしている。この例においても、第１取付面３０１は、紐組立体によって第２取付面３０２に接続される。本発明に係る実施形態による紐組立体は、第１取付面３０１のそれぞれのコーナーを、紐によって、第２取付面３０２の対応するコーナーへと接続することによって形成される。従って、図３ａによる紐組立体全体で結果として生じるワイヤーは、Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、及びＦ−Ｆ’となる。

６本の紐組立体は、システムの運動の６自由度全てをカバーするのに必要な最小の本数であるため、好適である。従って、システムにおいて必然的に各紐がぴんと張られて作用することから、紐の張りと長さを入念に調整する必要がない。図３ａに示す本発明の実施形態によれば、取付面３０１、３０２は、紐組立体形状の変形中、少なくとも部分的に取付面３０１、３０２が交互配置する（interleaving）ことを可能にする方法で取り付けられるように構成される。これは図３ｂに示されており、取付面のコーナーの交互配置が示されている。コーナーを交互配置する利点は、外力により生じた衝撃状況において、取付構造の動きの範囲をより広くできることである。言い換えれば、ロボットが衝撃を受けたとき、取付面の交互配置されたコーナーは、衝撃力に対する変形によって、例えば図２ａ及び２ｂで示された取付構造におけるよりもより広い移動を可能とし、結果として、ロボット、工具或いは設置構造、それ以外の物の損傷のリスクを低減する。

本発明の幾つかの実施形態は、第１取付面と第２取付面の間を所定の距離内に維持する力を増加するための延伸要素をさらに備える。本発明のこのような実施形態の一例を図４に図解する。図４は、図２で既に開示されている紐組立体を有する類似のロボットアーム構造を示す。ここでは、対応する要素を開示していない。これらの要素に加えて、図４の実施形態は延伸要素４０１を開示しており、この例示では、延伸要素４０１はばね構造である。ばねは、第１及び第２の取付面間の紐組立体と共に取付けられたときに、起動モード、すなわち、応力をかけられるように調整される。言い換えれば、このばねは、紐組立体内の力に対して対向する力（opposing force）を少なくとも部分的に発生させる。この構成がもたらす全体的結果は、取付要素構造全体の剛性が高まり、これにより、紐組立体の形状が変形する力の所定レベルが、延伸要素の圧縮力を制御することによって調節され得ることである。

取付構造に延伸要素を利用することのさらなる利点は、ロボットアーム全体が複数の様々な位置で動作可能になるという点にあり、例えば、ロボットアームを回転させて把持部を横向きすることができ、或いは上向きにすることもできる。これは、種々のロボット工学環境において本発明の有用性を高める。

本発明の幾つかの実施形態では、延伸要素４０１は、第１及び第２取付面に延伸力を加えるハイドロリックシリンダーである。類似の効果は、例えば、圧縮ばね、空気圧シリンダー、ソレノイド、及び／又は、サーボモーターで調整されるねじのような延伸要素の他、ベローズドライブその他の空気ばねを用いて実現され得る。

延伸要素は、対称効果（symmetric effect）を実現するために、取付構造の中間に好適に配置される。或いは、複数の延伸要素、例えば、取付面のそれぞれのコーナーにつき、１つの延伸要素が構造中に配置される。本発明の幾つかの実施形態によれば、延伸要素の少なくとも１つの位置は、最も可能性の高い変形方向に従って選択される。これは、紐組立体に必要とされる力の所定レベルの調節が実現されることを可能とする。本発明のさらなる幾つかの実施形態では、延伸要素は紐組立体と一体化される。これに加え、又は、これとは別に、紐の代わりにハイドロリックシリンダー若しくは空気圧シリンダー又はばねを取り付けることができ、これによって、紐と類似した拘束を形成するだけでなく、延伸要素としても機能させることができる。こうした取付けは、ヒンジ、玉継手、紐の長さ、又は、延伸要素の端部と取付面との間の他のこうした可撓性取付機構を含んでもよい。

さらに、この取付構造を、ロボットアーム以外の種類のロボットに適用することもできる。例えば、図５に示すように、壁のような支持構造に取り付けられた制御ケーブルで制御されるロボット工具に、取付要素構造を適用することができる。図５は、アーム１０１を用いて支持構造５０１に取り付けられた、把持要素１０２に似たロボット工具を開示している。ロボットの制御は制御ケーブル５０２によって構成され、サーボモーター等の対応するモーターで駆動される。加えて、２つの取付面２０１、２０２と、例えば図２ａの考察時に説明した紐組立体２０３を備えた取付要素構造が、この種のロボットに適用される。同様に、この取付構造は、周知の直角座標ロボット、若しくはガントリーロボット、又は他のタイプのロボットにも適用できる。

取付面又は紐にセンサを取り付けてもよい。概してセンサは、センサ値が、例えば、ロボット制御システムへと接続されるＡ／Ｄコンバータ又は他のセンサインタフェース要素を用いてサンプリングされるように、ロボットを制御するシステムに接続される。取付面間の距離を測定するセンサからの読取値は、構造の配列を監視するために使用することができる。制御システムは、例えばロボットへの損傷を回避するため、システムを停止し、且つ／又は、異常信号を生成するように構成され得る。更に制御システムは、考慮又は計画した把持部の位置を取得することによって正確な把持位置を計算するため、或いは、物体の把持後にリアルタイムに、より正確な移動を実現するために、読取値を利用することができる。センサの読取値は、把持された物体の重量を計算するためにも利用され得る。センサは、例えば、赤外線距離センサ、カメラ、エンコーダ、又は、上記のように延伸要素若しくは紐として機能するハイドロリックシリンダー若しくは空気圧シリンダー又は空気ばねの内側の圧力を監視するセンサであり得る。紐又は取付面に影響を及ぼす力を測定するセンサも、同様に使用され得る。このようなセンサは、例えば、ひずみゲージ又はばね付きポテンショメーターであり得る。

本発明の幾つかの実施形態では、最適な配列が達成されるように、対応する紐の長さを調節することで取付面の配列を調整することが可能である。こうした解決策は、表面を配列させるときに使用される１つ以上のモーターを必要とし得る。このような解決策の１つは、リギングねじやターンバックルねじ等の調整ねじを含む。

本発明に係るある実施形態によれば、紐組立体は、いかなる特定の取付面もなく、ロボットアームの表面及び／又は把持要素の表面に、直接接続される。さらに、上記で説明した実施形態では、第１取付面がロボットアームの方に向けて取り付けられることを開示しているが、他の幾つかの方法でも取付を実施できる。例えば、必要なワイヤーの本数を第１取付面に接続することができ、把持部に適用可能な移動制御システムを実現すべく、ワイヤーは、例えばサーボモーターによって制御される。

この文脈における紐という用語は、材料及び形態を何ら制限しない。従って、紐とは、本発明に記載の応用で利用するための適用特性を有するロープ、ワイヤーケーブル、ベルト、又は類似のものとみなすことができる。紐材料で作られた円筒状又は管状のソックス様構造は、円筒状構造の各端部にある縁を各取付面に取り付けることにより、紐構成として使用することができる。この場合、この構造は、ほぼ平行の多数の紐を有する紐組立体として機能する。好適には、紐材料は非弾性である。すなわち、外力が紐組立体の形状を変形させている時、紐材料は実質的に伸張しない。また、廃棄物選別で使われるロボットに適用するための紐材料の重要な一般要件は、耐久性である。

ここで開示している実施形態では、本発明の取付構造がロボットアームと把持部の間に適用されることを示している。本発明に係る他の実施形態において、取付構造は、例えばロボットの２つのアーム要素間において、ロボットの他の部品に固定され得る。取付構造の配置の選択は、例えばロボットのどの部分が外部衝撃に対して最も脆弱（vulnerable）であり、且つ／又は取付構造のどの位置がロボットアームに対する損傷に対して最適な保護を与えるかを検証する実験に基づいてもよい。さらに、本発明は既存の任意の種類のロボット工具に適用可能であるため、本発明の適用は、把持要素に限定されない。適用可能な工具の例として、磁性材料を把持するための磁石、及び／又は特定ニーズのための特定工具（例えば切削工具）が挙げられる。

Claims (16)

1. ロボットにおける衝撃許容性を向上させるための取付要素構造であって、
   当該取付要素構造が、
   第１面（２０１）と、
   ロボット工具要素へと向かう第２面（２０２）と、を具備し、
   前記第１面（２０１）及び前記第２面（２０２）は、紐組立体（２０３）と接続されるように構成され、
   前記紐組立体（２０３）は、所定レベルを超える外力を受けたとき、前記紐組立体（２０３）の形状を変形させることにより、前記外力により生じる損傷を低減するように構成されたことを特徴とする取付要素構造。
2. 前記紐組立体の形状を変形させる前記所定レベルの力を調節するための少なくとも１つの延伸要素（４０１）を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の取付要素構造。
3. 前記紐組立体の形状を変形させる前記所定レベルの力の前記調節が、前記延伸要素（４０１）の圧縮力を制御することにより実現されることを特徴とする請求項２に記載の取付要素構造。
4. 前記延伸要素（４０１）が、ばね、ハイドロリックシリンダー、空気圧シリンダー、ソレノイド、サーボモーターで調節されるねじのような延伸要素、空気ばね、のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２又は３に記載の取付要素構造。
5. 前記延伸要素（４０１）が、前記紐組立体と一体化されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の取付要素構造。
6. 前記第１面（２０１）及び前記第２面（２０２）が、前記紐組立体の形状の前記変形の間、少なくとも部分的に交互配置するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の取付要素構造。
7. 前記紐組立体（２０３）を形成する紐（２０３ａ、２０３ｂ）の各々が、ぴんと張った状態で調節されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の取付要素構造。
8. 前記紐組立体（２０３）における前記紐（２０３ａ、２０３ｂ）が、互いに接続されていないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の取付要素構造。
9. 前記紐組立体（２０３）における前記紐（２０３ａ、２０３ｂ）の各々が、前記第１面（２０１）及び前記第２面（２０２）に取り付けられたことを特徴とする請求項７又は８に記載の取付要素構造。
10. 前記紐組立体（２０３）が６本の紐で構成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の取付要素構造。
11. 前記紐組立体の紐材料が、本質的に非弾性であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の取付要素構造。
12. 当該取付要素構造の配列を監視するための少なくとも１つのセンサを有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の取付要素構造。
13. 前記センサが、レーザー距離センサ若しくは赤外線距離センサ、カメラ、エンコーダ、ひずみゲージ、ポテンショメーター、又は、ハイドロリックシリンダー若しくは空気圧シリンダー又は空気ばねの内部の圧力を監視するセンサであることを特徴とする請求項１２に記載の取付要素構造。
14. 異常信号が、前記少なくとも１つのセンサにより測定される当該取付要素構造の配列に基づいて生成されるように構成されたことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の取付要素構造。
15. 当該取付要素構造を具備するシステムが、前記センサからの読取値に応じて停止されるように構成されたことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の取付要素構造。
16. 把持された物体の重量が、前記センサの読取値に基づいて計算されるように構成されたことを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の取付要素構造。

Images