JP2016078208A - ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットのアームの関節の駆動装置や配線等のスペースを確保し、アームの軽量化を図る。
【解決手段】発明は、複数の関節を有するアームを備えるロボットであり、複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、圧電駆動装置であり、複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、電気モーターである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットに関する。

特許文献１のロボット装置のように多関節のロボットアームを有するロボットが提案されている。このロボット装置では、各関節の駆動は、電磁モーター（「電気モーター」とも呼ぶ）と減速機と、を有する駆動装置によって実行されている。

特開２０１４−８４９８９号公報

しかし、電磁モーターは、その実装スペースが大きくなる傾向にあるため、ロボットアームの関節の駆動装置として電磁モーターによる駆動装置を利用した場合、以下のような問題がある。すなわち、ロボットアーム内の駆動装置の実装スペースを優先すればロボットアームの太さ等のサイズが大きくなり、逆に、ロボットアームの太さ等のサイズを優先すれば、駆動装置やこれに関わる配線等のスペースの確保が困難となる、という問題がある。とくに、ロボットアームの先端側に向けて、アームの太さを細くする構造とした場合、その問題は特に顕著となる。また、電磁モーターによる駆動装置を利用した場合、ロボットアームの自重が大きくなるため、ロボットアームの根元（ベース）側の駆動装置ほど、大型で大出力な電磁モーターによる駆動装置を要することとなるので、ロボットアームの軽量化、特に、先端（手首）側を軽量化することが望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複数の関節を有するアームを備えるロボットが提供される。このロボットは、前記複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、圧電駆動装置であり、前記複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、電気モーターである。
この形態のロボットでは、圧電駆動装置によって構成された駆動装置は、電気モーターによって構成された駆動装置に比べて小型化、薄型化、軽量化が可能であり、内部スペース広げることが可能であり、配線スペース等の内部のスペースが不足することを抑制することが可能である。

（２）上記形態のロボットにおいて、エンドエフェクターが取り付け可能であり、前記アームの先端部分を回動させる関節の駆動装置は、前記圧電駆動装置であることとしてもよい。
この形態のロボットでは、アームの先端部分において、アームの内部スペースを広げることが可能であり、ケーブル等の配置のためのスペースが不足することを抑制することが可能である。また、アームの先端部分の軽量化が可能である。

（３）上記形態のロボットにおいて、前記エンドエフェクターは、前記圧電駆動装置によって駆動されるようにしてもよい。
この形態のロボットによれば、さらに、アームの先端の軽量化が可能である。

（４）上記形態のロボットにおいて、前記圧電駆動装置は、第１面及び第２面を有する振動板と、前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方の面に配置された振動構造体と、を有し、前記振動構造体は、圧電体と、前記圧電体を挟持する第１電極及び第２電極とを有するようにしてもよい。
この形態のロボットによれば、駆動装置の小型化や薄型化、軽量化を図ることができる。

一実施形態としてロボットアームを有するロボットの一例を示す説明図である。 エンドエフェクターが取り付けられたロボットアームの手首部分を拡大して示す説明図である。 図２の第８の関節の部分を拡大して示す概略斜視図である。 圧電駆動装置の一例を示す説明図である。 圧電駆動装置の動作原理について示す説明図である。 他の例のエンドエフェクターが取り付けられたロボットアームの手首部分を拡大して示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、一実施形態としてロボットアーム２０００を有するロボット１０００の一例を示す説明図である。このロボット１０００は、ロボットアーム２０００と、ロボットアーム２０００の先端に取り付けられるエンドエフェクターとしてのロボットハンド３０００と、を備えている。ロボットアーム２０００は、基台２１００及び複数のリンク部２０１０〜２０８０と、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６と、複数の固定の連結部Ｌ１，Ｌ２と、を有している。

基台２１００及び複数のリンク部２０１０〜第８のリンク部２０８０は、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６及び複数の固定の連結部Ｌ１，Ｌ２で連結されている。第１の連結部Ｌ１及び第２の連結部Ｌ２は不可動性の連結部であり、第１のリンク部２０１０に対して、第２のリンク部２０２０及び第３のリンク部２０３０が一定姿勢を保つように固定されている。これに対して、第１の関節Ｊ１〜第６の関節Ｊ６の６つの関節は可動性結合の連結部であり、各関節Ｊ１〜Ｊ６を介して連結されている部材同士が相対的に回動可能である。具体的には、第１〜第３のリンク部２０１０〜２０３０は、第１の関節Ｊ１によって、回動軸Ｘ１を中心として基台２１００に対して回動可能である。第４のリンク部２０４０の一方端部は、第２の関節Ｊ２によって、回動軸Ｘ２を中心として第３のリンク部２０３０に対して回動可能である。第５のリンク部２０５０は、第３の関節Ｊ３によって、回動軸Ｘ３を中心として第４のリンク部２０４０の他方端部に対して回動可能である。第６のリンク部２０６０は、第４の関節Ｊ４によって、回動軸Ｘ４を中心として第５のリンク部２０５０に対して回動可能である。第７のリンク部２０７０は、第５の関節Ｊ５によって、第６のリンク部２０６０の第４の関節Ｊ４によって連結されている部分とは反対側のリンク部分２０６２に対して、回動軸Ｘ５を中心として回動可能である。第８のリンク部２０８０は、第６の関節Ｊ６によって、回動軸Ｘ６を中心として第７のリンク部２０７０に対して回動可能である。

第８のリンク部２０８０の先端面には、ロボットハンド３０００が取り付けられている。ロボットハンド３０００は、一対の把持部３００３によって対象物（不図示）を把持することができるエンドエフェクターであり、ワークを把持することや、ドライバー等を把持してワークのネジ締めを行なうこと、等の種々の作業を行なう場合に広く利用される。

なお、第６のリンク部２０６０のリンク部分２０６２と、第７のリンク部２０７０と、第８のリンク部２０８０とは、ロボットアーム２０００の先端の手首部分に相当し、第５の関節Ｊ５及び第６の関節Ｊ６は手首部分の関節に相当する。第８のリンク部２０８０が本発明の「アームの先端部分」に相当する。

６つの関節Ｊ１〜Ｊ６には、それぞれの関節を任意の角度だけ回動または屈曲させるための駆動装置Ｄ１〜Ｄ６が設けられている。手首部分の２つの関節Ｊ５，Ｊ６を除く４つの関節Ｊ１〜Ｊ４の駆動装置Ｄ１〜Ｄ４には、それぞれ、不図示の電気モーター及び減速機（但し、減速機は省略可能）により構成される一般的な駆動装置が用いられている。これに対して、手首部分の２つの関節Ｊ５，Ｊ６の駆動装置Ｄ５，Ｄ６には、それぞれ、後述する圧電駆動装置により構成される駆動装置が用いられている。

図２は、エンドエフェクターが取り付けられたロボットアーム２０００の手首部分を拡大して示す説明図である。ロボットアーム２０００の手首部分の関節の一つである第５の関節Ｊ５では、第６のリンク部２０６０の一対のリンク部分２０６２が第７のリンク部２０７０を挟持して、第８のリンク部２０８０が回動軸Ｘ５周りに回動可能となるように取り付けられている。第５の関節Ｊ５の駆動装置Ｄ５は、一対のリンク部分２０６２にそれぞれ設けられ、回動軸Ｘ５を中心軸とするローターＲ５と、第８のリンク部２０８０に設けられ、一対のローターＲ５をそれぞれ相対的に回動させる一対の圧電駆動装置１０Ａと、を備えている。なお、一対の圧電駆動装置１０Ａのみを駆動装置Ｄ５と呼ぶ場合もある。

また、ロボットアーム２０００の手首部分の関節の他の一つである第６の関節Ｊ６では、第７のリンク部２０７０に対して、第８のリンク部２０８０が回動軸Ｘ６周りに回動可能に取り付けられている。第６の関節Ｊ６の駆動装置Ｄ６は、第８のリンク部２０８０に設けられ、回動軸Ｘ６を中心軸とするローターＲ６と、第７のリンク部２０７０に設けられ、ローターＲ６を回動させる一対の圧電駆動装置１０Ｂと、を備えている。なお、一対の圧電駆動装置１０Ｂのみを駆動装置Ｄ６と呼ぶ場合もある。

図３は、図２の第６の関節Ｊ６の部分を拡大して示す概略斜視図である。第８のリンク部２０８０に設けられたローターＲ６は円環形状を有しており、一対の圧電駆動装置１０Ｂは、回動軸Ｘ６に垂直なローターＲ６の円環面上の点対称な位置で、それぞれ、後述する圧電駆動装置１０Ｂの突起部が当接されるように、第７のリンク部２０７０に搭載されている（図２参照）。第６の関節Ｊ６は、一対の圧電駆動装置１０ＢがローターＲ６を回動させることにより、第８のリンク部２０８０及びロボットハンド３０００を回動軸Ｘ６周りに回動させる。なお、圧電駆動装置によるローターの回動動作については後述する。

なお、図示は省略するが、第６のリンク部２０６０の一対のリンク部分２０６２に設けられた一対のローターＲ５（図２参照）も、図３に示したローターＲ６と同様に円環形状を有しており、一対の圧電駆動装置１０Ａは、それぞれ、対応するローターＲ５の円環面上で、後述する圧電駆動装置１０Ａの突起部が当接されるように、第７のリンク部２０７０に搭載されている。第５の関節Ｊ５も、一対の圧電駆動装置１０ＡがそれぞれのローターＲ５を相対的に回動させることにより、第８のリンク部２０８０及びロボットハンド３０００を回動軸Ｘ５周りに回動させる。

ロボットハンド３０００には、図２に示すように、一対の把持部３００３が立設されている。把持部３００３の基端部はロボットハンド３０００内で移動可能となっており、この把持部３００３の根元の部分に圧電駆動装置１０Ｃの突起部が当接されるように搭載されている。このため、圧電駆動装置１０Ｃを動作させることで、把持部３００３を移動させて対象物を把持することができる。

なお、上述したように、ローターＲ５，Ｒ６は円環形状を有しているので、中央の開口部を介して種々のケーブル等（電気配線、チューブ等）を通すことが可能である。

図４は、圧電駆動装置の一例を示す説明図である。なお、以下では、説明の都合上、図４中の紙面手前側を「表側」、その反対側を「裏側」と言う。この圧電駆動装置１０は、図２に示した圧電駆動装置１０Ａ〜１０Ｃに対応する圧電駆動装置の一例を示している。圧電駆動装置１０は、不図示の駆動回路によって駆動され、被駆動体としてのローターＤＥの中心軸Ｘ０を中心として回転させる。圧電駆動装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの駆動回路は、それぞれ、図１の基台２１００内に搭載された制御部に搭載されている。

圧電駆動装置１０は、５つの圧電素子６５１を含む２組の振動構造体６５と、これらの間に挿んで貼り合わされた振動板６６とを有する積層体である。

振動構造体６５の５つの圧電素子６５１は、それぞれ、圧電体と、圧電体を挟持する第１電極及び第２電極とを有している（図示省略）。なお、第１電極と第２電極のどちらか一方の電極は共通電極としてもよい。これらの圧電素子６５１は、不図示の駆動回路に電気的に接続されている。なお、振動構造体６５に含まれる圧電素子６５１は少なくとも１つあればよく、その数や配置は、これ以外の種々のものを採用可能である。また、振動構造体６５は、振動板６６の２つの面（第１面及び第２面）のうちの少なくとも一方に設けられていればよい。

圧電駆動装置１０の端部には、突起部６７が設けられている。圧電駆動装置１０の両側面には、圧電駆動装置１０を支持するための複数の支持部６８が後述する振動の節に対応する位置に設けられている。これらの支持部６８は、振動板６６と一体的に形成されている。なお、振動板６６の同一の側面から突出している複数の支持部６８同士は、連結板６９を介して連結されていることが好ましい。

図５は、圧電駆動装置の動作原理について示す説明図である。なお、図５は、説明を容易にするため、図４の５つの圧電素子６５１のうち、対角線状に配置された４つの圧電素子６５１のみを示し、中央の１つの圧電素子６５１を省略して示している。圧電駆動装置１０は、圧電素子６５１に一定周期で電圧を印加したときに、圧電駆動装置１０の突起部６７が伸縮又は楕円運動することによって動作する。すなわち、図５（ａ）に示すように、互いに対角線の位置にある２つの圧電素子６５１を１組として、特定の周波数の電圧を印加すると、圧電駆動装置１０は、屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、突起部６７の先端が特定の方向に往復運動するか、又は、楕円運動する。この結果、突起部６７に接するローターＤＥ（図４）が所定の方向に回転する。また、図５（ｂ）に示すように、他の１組の圧電素子６５１に特定の周波数の電圧を印加すると、ローターＤＥは逆方向に回転する。なお、圧電駆動装置１０（又は振動構造体６５）のこのような動作については、先行技術文献（特開２００４−３２０９７９号公報、又は、対応する米国特許第７２２４１０２号）に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。

なお、図４，５では、圧電駆動装置１０によりローターＤＥを回転させる場合、すなわち、圧電駆動装置１０により被駆動体を回転運動させる場合を例に説明したが、ロボットハンド３０００の把持部３００３のように、被駆動体を直線運動させることも可能である。

この圧電駆動装置１０を圧電駆動装置１０Ａとして用いることにより、上述したように、第５の関節Ｊ５において、一対の圧電駆動装置１０ＡがそれぞれのローターＲ５を相対的に回動させて、第８のリンク部２０８０及びロボットハンド３０００を回動軸Ｘ５周りに回動させることができる。また、同様に、圧電駆動装置１０を圧電駆動装置１０Ｂとして用いることにより、上述したように、第６の関節Ｊ６において、一対の圧電駆動装置１０ＢがローターＲ６を回動させて、第８のリンク部２０８０及びロボットハンド３０００を回動軸Ｘ６周りに回動させることができる。さらにまた、圧電駆動装置１０を圧電駆動装置１０Ｃとして用いることにより、ロボットハンド３０００において、把持部３００３を移動させて対象物を把持することができる。

なお、制御部（不図示）は、予め記憶されているプログラムに基づいて駆動装置Ｄ１〜Ｄ６の動作を制御する。なお、制御部の構成としては、特に限定されず、例えば、専用回路として実現してもよく、或いはマイクロプロセッサーとメモリーとを有する回路構成を採用することができる。

ここで、発明が解決しようとする課題で説明したように、ロボットアーム内の駆動装置の実装スペースを優先すればロボットアームの太さ等のサイズが大きくなり、逆に、ロボットアームの太さ等のサイズを優先すれば、駆動装置やこれに関わる配線等のスペースの確保が困難となる、という問題がある。また、電気モーターによる駆動装置を利用した場合、ロボットアームの自重が大きくなるため、ロボットアームの根元（基台）側の駆動装置ほど、大型で大出力な電気モーターによる駆動装置を要することとなるため、ロボットアームの軽量化、特に、先端（手首）側を軽量化することが好ましい。さらにまた、ロボットアームの自重による撓みを抑制すべく、ロボットアームの軽量化、特に、先端（手首）側を軽量化することが好ましい。しかしながら、アームの各関節の駆動装置を、電気モーターによる駆動装置で構成した場合、駆動装置の配置スペース及び配線等のスペースを確保するために、これらに要する装置サイズに依存してアームの先端側が太くなり、また、アームの先端側にかけて自重を軽くすることが困難となる。

これに対して、本実施形態のロボット１０００のロボットアーム２０００では、上述したように、手首の関節に相当する関節Ｊ５，Ｊ６の駆動装置Ｄ５，Ｄ６を圧電駆動装置１０Ａ，１０Ｂにより構成している。圧電駆動装置１０Ａ，１０Ｂは、図４に示した圧電駆動装置１０の構造を有しており、駆動源として一般的な電気モーターに比べて小型化、薄型化、軽量化が可能な構造を有している。このため、駆動装置Ｄ５，Ｄ６を小型、軽量化することが可能である。これにより、手首の関節に相当する関節Ｊ５，Ｊ６において、駆動装置Ｄ５，Ｄ６の配置スペースや配線スペース等を確保しつつ、手首部分の大きさを小型化、軽量化することが可能であり、自重による撓みを抑制することが可能である。

また、圧電駆動装置１０Ａ，１０Ｂが駆動するローターＲ５，Ｒ６は、図３に示したように円環形状を有しており、中央の開口部を介して種々のケーブル等（電気配線、エアチューブ等）を通すことが可能であり、ケーブル等の配置スペース不足を改善することができる。

上記実施形態の図１及び図２では、ロボットアーム２０００の先端に取り付けられるエンドエフェクターとして、一対の把持部３００３を有するロボットハンド３０００を例に示しているが、これに限定されるものではなく、種々のエンドエフェクターの適用が可能である。

図６は、他のエンドエフェクターが取り付けられたロボットアーム２０００の手首部分を拡大して示す説明図である。この例では、ロボットアーム２０００の第８のリンク部２０８０の先端にロボットハンド３０００Ｂが取り付けられている。このロボットハンド３０００Ｂは、先端面３０１０に設けられた複数の吸気口３０１２から吸気されるエアーによる負圧を利用して、吸着対象物Ｋ１を先端面３０１０で吸着する吸着ハンドである。

複数の吸気口３０１２は、第８のリンク部２０８０、第７のリンク部２０７０、および、第６のリンク部２０６０のリンク部分２０６２の内部空間に配置されたエアーチューブ８０を介して第６のリンク部２０６０の内部空間に搭載された吸着ポンプ７０の吸気口７５に接続されている。吸着ポンプ７０は、ダイアフラム型真空ポンプを例に示している。この吸着ポンプ７０は、圧電駆動装置７１（図４の圧電駆動装置１０に相当）によって発生するローター７２の回転運動を、ダイアフラム（隔膜）７４とローター７２との間を接続したコネクティングロッド７３によって、ダイアフラム７４の往復運動に変換する。これにより、吸気口７５の吸気弁７７及び排気口７６の排気弁７８の開閉を行ない、吸気口３０１２から吸気されるエアーによって負圧を発生させて、先端面３０１０で吸着対象物Ｋ１を吸着する。

なお、吸着ポンプ７０は、ダイアフラム型真空ポンプに限定されるものではなく、種々のポンプを利用することが可能である。また、図６の例では、吸着ポンプ７０およびエアーチューブ８０をロボットアーム２０００の内部に搭載した構成として説明したが、第６のリンク部２０６０の外部に吸着ポンプ７０を搭載し、ロボットアーム２０００の外部で吸着ポンプ７０とロボットハンド３０００Ｂとをエアーチューブ８０で接続する構成とすることもできる。

また、図１及び図２に示したロボットハンド３０００は、把持部３００３を圧電駆動装置１０Ｃで駆動する場合を例に説明したが、エアーシリンダーや油圧シリンダー等を利用して把持部３００３を駆動する構造のロボットハンドとすることも可能である。

また、上述したロボットハンド３０００，３０００Ｂ以外のエンドエフェクターが取り付けられる場合には、それに応じて対応する駆動装置が搭載される。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、ロボット１０００のロボットアーム２０００の複数の関節Ｊ１〜Ｊ６のうち可動可能な関節の数が６であるが、本発明では、これに限定されず、３以上の任意の数であってもよい。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、ロボットアーム２０００の手首部分に対応する２つの関節Ｊ５，Ｊ６の駆動装置Ｄ５，Ｄ６を圧電駆動装置１０Ａ，１０Ｂによる駆動装置としたが、これに限定されるものではない。第６の関節Ｊ６を不可動性結合の連結部（固定の連結部）とし、第５の関節Ｊ５の駆動装置のみを圧電駆動装置による駆動装置としても良い。また、他の関節の駆動装置を圧電駆動装置による駆動装置としてもよい。ロボットアームの複数の関節のうち、少なくとも一つの関節の駆動装置を圧電駆動装置によって構成する駆動装置とするとともに、少なくとも一つの関節の駆動装置を電気モーターによって構成する駆動装置とすればよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態のロボット１０００は、１つのロボットアーム２０００を有する場合を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、複数のロボットアームを有するロボットであってもよい。複数のロボットアームを有する場合には、それぞれのロボットアームにおいて、複数の関節のうち、少なくとも一つの関節の駆動装置を圧電駆動装置によって構成する駆動装置とするとともに、少なくとも一つの関節の駆動装置を電気モーターによって構成する駆動装置とすればよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…圧電駆動装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…圧電駆動装置
６５…振動構造体
６６…振動板
６７…突起部
６８…支持部
６９…連結板
７０…吸着ポンプ
７１…圧電駆動装置
７２…ローター
７３…コネクティングロッド
７４…ダイアフラム
７５…吸気口
７６…排気口
７７…吸気弁
７８…排気弁
８０…エアーチューブ
６５１…圧電素子
１０００…ロボット
２０００…ロボットアーム
２０１０〜２０８０…リンク部
２０６２…リンク部分
２１００…基台
３０００…ロボットハンド
３０００Ｂ…ロボットハンド
３００３…把持部
３０１０…先端面
３０１０吸着…先端面
３０１２…吸気口
Ｌ１，Ｌ２…連結部
Ｊ１〜Ｊ６…関節
Ｘ１〜Ｘ６…回動軸
Ｘ０…中心軸
Ｄ１〜Ｄ６…駆動装置
Ｋ１…吸着対象物
Ｒ５，Ｒ６…ローター（被駆動体）
ＤＥ…ローター（被駆動体）

Claims (4)

1. 複数の関節を有するアームを備えるロボットであって、
   前記複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、圧電駆動装置であり、
   前記複数の関節のうちの少なくとも一つの関節の駆動装置は、電気モーターである
   ことを特徴とするロボット。
2. 請求項１に記載のロボットであって、
   エンドエフェクターが取り付け可能であり、前記アームの先端部分を回動させる関節の駆動装置は、前記圧電駆動装置であることを特徴とするロボット。
3. 請求項１または請求項２に記載のロボットであって、
   前記エンドエフェクターは、前記圧電駆動装置によって駆動されることを特徴とするロボット。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のロボットであって、
   前記圧電駆動装置は、
   第１面及び第２面を有する振動板と、前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方の面に配置された振動構造体と、を有し、
   前記振動構造体は、圧電体と、前記圧電体を挟持する第１電極及び第２電極とを有する、
   ことを特徴とするロボット。

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