JP2016147351A - リンク作動装置を用いた多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 可動範囲が広く、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適したリンク作動装置を用いた多関節ロボットを提供する。
【解決手段】 多関節ロボット１は、ベースユニット２と多関節アーム３とを有する。多関節アーム３は、基端側から先端側へ複数のアーム部１１〜１４が直列に並び、ベースユニット２と最も基端側のアーム部１１、および隣合うアーム部１１〜１４同士がそれぞれ関節部２１〜２４を介して互いに相対変位可能に連結されている。最も先端側のアーム部１４に、エンドエフェクタ４が搭載される。関節部２４は、この関節部２４の両側のアーム部１３，１４同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなる。リンク作動装置の姿勢制御用駆動源３１を、基端側のリンクハブ３２が固定されたアーム部１３の内部に収納状態で配置する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられるリンク作動装置を用いた６自由度以上の多関節ロボットに関する。

医療機器や産業機器等の高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられる多関節ロボットが、特許文献１、２に提案されている。特許文献１の多関節ロボットは、回転１自由度の機構を組み合わせて構成されている。特許文献２の多関節ロボットは、回転２自由度のリンク作動装置が用いられている。

特開２００５−３２９５２１号公報 米国特許第６，６５８，９６２号明細書

特許文献１の多関節ロボットは、すべての関節部が回転１自由度の構成であるため、例えば多関節ロボットが人や物に衝突した場合、その衝突を検知し難い方向があり、安全面で問題がある。また、先端に搭載するエンドエフェクタの姿勢を少し変更するだけでも複数のモータを駆動する必要があり、木目細かい作業が出来ないといった問題がある。

特許文献２の多関節ロボットは、滑らかな回転２自由度の動作が可能なリンク作動装置を設けたことにより、安全面の問題は解決できる。しかし、リンク作動装置の駆動機構部が外向きに突出しており、装置全体が大きくなり、また突出する部分と干渉して作動範囲が狭くなるといった問題がある。また、リンク作動装置の負荷が大きく、木目細かい作業が出来ないことが予想される。

この発明の目的は、可動範囲が広く、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適したリンク作動装置を用いた多関節ロボットを提供することである。

この発明のリンク作動装置を用いた多関節ロボットは、ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、この関節部の両側のアーム部同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
このリンク作動装置は、前記両側のアーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設けてなり、
この姿勢制御用駆動源を、前記基端側のリンクハブが固定された前記アーム部の内部に収納状態で配置したことを特徴とする。

リンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸回りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。複数の関節部のうち少なくとも１つの関節部に上記リンク作動装置を用いることで、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、木目細かい動作を実現できる。

前記リンク作動装置の姿勢制御用駆動源を、基端側のリンクハブが固定されたアーム部の内部に収納状態で配置したため、多関節ロボットの突出部が減り、コンパクトな構成を実現できる。また、多関節アームのアーム部同士の干渉を低減できるため、可動範囲を広くとれる。さらに、突出部が少なければ、装置全体の安全性が向上し、人と共存する作業現場で使用することができる。

この発明において、前記姿勢制御用駆動源が回転力を発生させるロータリアクチュエータである場合、各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けても良い。
これにより、多関節ロボットに不測の負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。各姿勢制御用駆動源にトルク検出手段を設けたため、様々な方向からの外力を検知できる。このため、不測の負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。
姿勢制御用駆動源にトルク検出手段を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブに作用する荷重を推定することができ、多関節ロボットのコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成であるため、先端側のリンクハブに様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。

この発明において、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータである場合、前記姿勢制御用駆動源をその出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように設置し、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機を介して前記姿勢制御用駆動源の回転力を前記基端側の端部リンク部材に伝達し、前記姿勢制御用駆動源および前記軸直交型減速機を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材との回転対偶部よりも内径側に配置すると良い。
なお、リンクハブの中心軸は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称する場合に、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線のことである。
この構成であると、姿勢制御用駆動源、軸直交減速機等からなる駆動機構部を径方向にコンパクトな構成とすることができ、姿勢制御用駆動源をアーム部の内部に収納し易い。

この発明において、前記複数のアーム部のうちの少なくとも１つのアーム部は、このアーム部の基端と先端にそれぞれ配置された基端エンド部材と先端エンド部材とを複数本のシャフトで連結したシャフト連結型のアーム部であると良い。
シャフト連結型のアーム部は、内部に空間ができるため軽量化が可能である。また、シャフト連結型のアーム部にリンク作動装置を設置する場合、このリンク作動装置の姿勢制御用駆動源をシャフト連結型のアーム部の内部に配置し易い。

前記シャフト連結型のアーム部は、前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であっても良い。この場合に、前記シャフト連結型のアーム部の前記先端エンド部材が前記リンク作動装置の前記基端側のリンクハブであると、シャフト連結型のアーム部とリンク作動装置とで部材を共用することとなり、部品点数が減り、軽量・コンパクト化を実現できる。

また、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部である場合、前記シャフト連結型のアーム部の前記シャフトの個数と前記姿勢制御用駆動源の個数とが同じであり、隣合う前記姿勢制御用駆動源の間に前記シャフトを１つずつ配置すると良い。
この構成であると、重量的にバランスが取れるうえ、アーム部の中央部にできた空間に配線等を通すことができる。

この発明において、前記多関節アームが、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個の前記アーム部を有する場合、基端側から（ｎ−１）のアーム部とｎ番目のアーム部とを連結する関節部、または基端側からｎ番目のアーム部と前記エンドエフェクタとを連結する関節部が、前記リンク作動装置からなる関節部であると良い。
この構成であると、この多関節ロボットの多関節アームを人間の腕と見做した場合、手首関節に相当する箇所に、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置からなる関節部を配置したため、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速で木目細かい動作が可能となる。

この発明において、１つの前記ベースユニットに前記多関節アームを２つ設置すると良い。
これにより、人が両手で行うような作業が可能となる。

前記２つの多関節アームは、前記ベースユニットの互いに対称となる面に最も基端側の前記アーム部が設置されていると良い。
この構成とすることで、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボットが機能不全となった場合、多関節ロボットを撤去した跡のスペースに人が入って代替して作業を行うことができるため、生産性を大幅に下げることを防止できる。

この発明のリンク作動装置を用いた多関節ロボットは、ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、この関節部の両側のアーム部同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、このリンク作動装置は、前記両側のアーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設けてなり、この姿勢制御用駆動源を、前記基端側のリンクハブが固定された前記アーム部の内部に収納状態で配置したため、可動範囲が広く、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。

この発明の一実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 一部を破断して表した図１の部分拡大図である。 同多関節ロボットのリンク作動装置の一部を省略した図である。 同リンク作動装置のパラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の断面図である。 同パラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 この発明の他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。

この発明の一実施形態に係るリンク作動装置を用いた多関節ロボットを図１〜図７と共に説明する。
図１はこの多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット１は、ベースユニット２と、このベースユニット２に設置された多関節アーム３とからなり、多関節アーム３の先端に、被作業体（図示せず）に対して作業を行うエンドエフェクタ４が搭載されている。この例では、ベースユニット２は、水平面からなる設置面５に設置されている。ベースユニット２内には、この多関節ロボット１の動作を制御するコントローラ６が内蔵されている。コントローラ６は、ベースユニット２の外部に設置しても良い。

多関節アーム３は、基端側から先端側へ複数（図の例では４つ）のアーム部１１〜１４が直列に並んでおり、前記ベースユニット２と最も基端側のアーム部１１、および隣合うアーム部１１〜１４同士が、それぞれ関節部２１〜２４を介して互いに相対変位可能に連結されている。エンドエフェクタ４は、最も先端側のアーム部１４に設置されている。以下の説明では、各アーム部１１〜１４を、基端側のものから順に「第１のアーム部１１」、「第２のアーム部１２」、…と称し、各関節部２１〜２４を、基端側のものから順に「第1の関節部２１」、「第２の関節部２２」、…と称することにする。

ベースユニット２と第１のアーム部１１とを連結する第１の関節部２１は、前記設置面５に対して直交する回転軸７回りにベースユニット２に対して第１のアーム部１１を相対回転させる回転機構からなる。第１のアーム部１１の回転駆動は、ベースユニット２に設けられたモータ等の駆動源２１ａにより行う。

第１のアーム部１１と第２のアーム部１２とを連結する第２の関節部２２は、前記設置面５と平行な回転軸８回りに第１のアーム部１１に対して第２のアーム部１２を相対回転させる回転機構からなる。第２のアーム部１２の回転駆動は、第１のアーム部１１に設けられたモータ等の駆動源２２ａにより行う。

第２のアーム部１２と第３のアーム部１３とを連結する第３の関節部２３は、前記第２の関節部２２の回転軸８と平行な回転軸９回りに第２のアーム部１２に対して第３のアーム部１３を相対回転させる回転機構からなる。第３のアーム部１３の回転駆動は、第２のアーム部１２に設けられたモータ等の駆動源２３ａにより行う。

第３のアーム部１３と第４のアーム部１４とを連結する第４の関節部２４は、第３のアーム部１３に対して第４のアーム部１４を姿勢変更させる回転２自由度のリンク作動装置からなる。

第４の関節部２４であるリンク作動装置について説明する。
図２および図３に示すように、リンク作動装置は、パラレルリンク機構３０と、このパラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１とで構成される。図４および図５は、パラレルリンク機構３０だけを取り出して表わした斜視図であり、互いに異なる状態を示している。これら図２〜図５に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３を３組のリンク機構３４を介して姿勢変更可能に連結してなる。なお、図２、図３では、１組のリンク機構３４のみが示されている。リンク機構３４の数は、４組以上であっても良い。

各リンク機構３４は、基端側の端部リンク部材３５、先端側の端部リンク部材３６、および中央リンク部材３７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ３２および先端側のリンクハブ３３に回転自在に連結されている。中央リンク部材３７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構３０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶、および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図３）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図３）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図６は基端側のリンクハブ３２、基端側の端部リンク部材３５等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６の位置関係も図６と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

３組のリンク機構３４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図７に示すように、各リンク部材３５，３６，３７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材３７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図７は、一組のリンク機構３４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構３０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６との位置関係が、中央リンク部材３７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材３７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と３組のリンク機構３４とで、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ３２に対して先端側のリンクハブ３３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図６）と直角に交わる直線をリンクハブ３２，３３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図７）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の旋回角φ（図７）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図７）は変化しない。

このパラレルリンク機構３０において、各リンク機構３４におけるリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しく、かつ各リンク機構３４のリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材３７についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材３７の対称面に対して、中央リンク部材３７と端部リンク部材３５，３６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６とは同じに動く。

図２〜図５に示すように、基端側のリンクハブ３２は、基端部材４０と、この基端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。後で説明するように、基端部材４０は第３のアーム部１３の一部分を成す。基端部材４０は中央部に円形の貫通孔４０ａを有し、この貫通孔４０ａの周囲に３個の回転軸連結部材４１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔４０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材４１には、軸心が基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する回転軸４２（図４、図５）が回転自在に連結されている。この回転軸４２に、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結される。

図６に示すように、前記回転軸４２は、２個の軸受４３を介して回転軸連結部材４１に回転自在に支持されている。軸受４３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受４３は、回転軸連結部材４１に設けられた内径孔４４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸４２には、この回転軸４２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端と、後記軸直交型減速機７７の一構成要素である扇形のかさ歯車４５とが結合されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の一端に切欠き部４６が形成されており、この切欠き部４６の両側部分である内外の回転軸支持部４７，４８間に回転軸連結部材４１が配置される。かさ歯車４５は、内側の回転軸支持部４７の内側面に当接して配置される。そして、回転軸４２を内側から、かさ歯車４５に形成された貫通孔、内側の回転軸支持部４７に形成された貫通孔、軸受４３の内輪、外側の回転軸支持部４８に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸４２の頭部４２ａと回転軸４２のねじ部４２ｂに螺着したナット５０とで、かさ歯車４５、内外の回転軸支持部４７，４８、および軸受４３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部４７，４８と軸受４３との間にスペーサ５１，５２が介在させてあり、ナット５０の螺着時に軸受４３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材３５の他端には、回転軸５５が結合される。回転軸５５は、２個の軸受５３を介して中央リンク部材３７の一端に回転自在に連結されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の他端に切欠き部５６が形成されており、この切欠き部５６の両側部分である内外の回転軸支持部５７，５８間に中央リンク部材３７の一端が配置される。そして、回転軸５５を外側から、外側の回転軸支持部５８に形成された貫通孔、軸受５３の内輪、内側の回転軸支持部５７に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸５５の頭部５５ａと回転軸５５のねじ部５５ｂに螺着したナット６０とで、内外の回転軸支持部５７，５８、および軸受５３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部５７，５８と軸受５３との間にスペーサ６１，６２が介在させてあり、ナット６０の螺着時に軸受５３に予圧を付与する構成である。

図４、図５に示すように、先端側のリンクハブ３３は、第４のアーム部１４（図２）に固定される先端部材７０と、この先端部材７０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材７１とで構成される。各回転軸連結部材７１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材７１には、軸心が先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢと交差する回転軸７３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ３３の回転軸７３に、先端側の端部リンク部材３６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材３６の他端には、中央リンク部材３７の他端に回転自在に連結された回転軸７５が連結される。先端側のリンクハブ３３の回転軸７３および中央リンク部材３７の回転軸７５は、それぞれ前記回転軸４２，５５と同様に、２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材７１および中央リンク部材３７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

図２、図３に示すように、パラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１は、前記基端部材４０に設置されて、第３のアーム部１３の内部に配置されている。第３のアーム部１３は、請求項で言う「基端側のリンクハブが固定されたアーム部」のことである。姿勢制御用駆動源３１の出力軸３１ａは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと平行である。姿勢制御用駆動源３１の数は、リンク機構３４と同数の３個である。姿勢制御用駆動源３１はロータリアクチュエータからなり、その出力軸３１ａに取り付けたかさ歯車７６と基端側のリンクハブ３２の前記回転軸４２に取り付けられた前記扇形のかさ歯車４５とが噛み合っている。これら一対のかさ歯車７６，４５は、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機７７を構成する。図６に示すように、姿勢制御用駆動源３１および軸直交型減速機７７は、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５との回転対偶部よりも内径側に配置されている。
なお、この例では、リンク機構３４と同数の姿勢制御用駆動源３１が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用駆動源３１が設けられていれば、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。

リンク作動装置からなる第４の関節部２４は、各姿勢制御用駆動源３１を回転駆動することで、パラレルリンク機構３０を作動させる。詳しくは、姿勢制御用駆動源３１を回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車７６，４５からなる軸直交型減速機７７を介して回転軸４２に伝達されて、基端側のリンクハブ３２に対する基端側の端部リンク部材３５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の位置および姿勢が決まる。ここでは、軸直交型減速機７７が一対のかさ歯車７６，４５からなるが、その他に、ウォームギヤとピニオンギヤを用いた機構、ハイポイドギヤ（商標名）を用いた機構等であっても良い。

図１において、各姿勢制御用駆動源３１には、この姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８が設けられている。このトルク検出手段７８の検出信号は、コントローラ６内の荷重推定手段７９に送られる。荷重推定手段７９は、各トルク検出手段７８の検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する。

図２、図３に示すように、第３のアーム部１３は、基端と先端とにそれぞれ配置された基端エンド部材９１と先端エンド部材９２とを複数本のシャフト９３で連結したシャフト連結型のアーム部である。先端エンド部材９２は、リンク作動装置の基端側のリンクハブ３２を構成する基端部材４０と同一部材である。図６に示すように、シャフト９３の本数は姿勢制御用駆動源３１と同数（この実施形態では３）であり、隣合う姿勢制御用駆動源３１の間にシャフト９３が１つずつ配置されている。姿勢制御用駆動源３１およびシャフト９３は、共に円周方向に等配に配置されている。

図１、図２において、第４のアーム部１４には先端回転機構８０が設けられ、この先端回転機構８０を介してエンドエフェクタ４を支持する。先端回転機構８０は、モータ等の回転駆動源８０ａの回転軸にエンドエフェクタ設置部材８０ｂを取り付けたものであり、このエンドエフェクタ設置部材８０ｂにエンドエフェクタ４が固定される。エンドエフェクタ４として、例えばハンド、溶接機、塗布機等が使用されるが、これらに限定されない。

この多関節ロボット１は、回転機構からなる第１の関節部２１の１自由度、回転機構からなる第２の関節部２２の１自由度、回転機構からなる第３の関節部２３の１自由度、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の２自由度、および第４のアーム部１４に設けられた先端回転機構８０の１自由度の、計６自由度の構成である。６自由度の構成であると、人間の手の動作に近いが可能である。

特に、複数の関節部２１〜２４のうちの１つの関節部２４にリンク作動装置を用いたことで、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲内において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、木目細かい動作を実現できる。木目細かい動作とは、例えば、文字書き動作やスナップを利かせた動き等の、特に人間の手首関節を中心に動かす動作のことであるが、これらの動作に限定されない。リンク作動装置を用いることで、回転２自由度でありながらコンパクトな関節部２４とすることができる。

この実施形態では、最も先端側のアーム部（第４のアーム部）１４と先端側から２番目のアーム部（第３のアーム部）１３との間の第４の関節部２４が、リンク作動装置からなる関節部である。言い換えると、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個のアーム部１１〜１４を有する多関節アーム３において、基端側から（ｎ−１）のアーム部１３とｎ番目のアーム部１４とを連結する関節部２４がリンク作動装置からなる関節部である。
この構成とすると、この多関節ロボット１の多関節アーム３を人間の腕と見做した場合、手首関節に相当する箇所に、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置からなる関節部２４を配置したため、各関節部２１〜２４の動きとエンドエフェクタ４の動きとの関係をイメージし易くなり、操作性が良い。また、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速で木目細かい動作が可能となる。
基端側からｎ番目のアーム部１４とエンドエフェクタ４とを連結する関節部を、リンク作動装置からなる関節部としても、上記と同様な作用・効果が得られる。

各姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８と、このトルク検出手段の７８検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する荷重推定手段７９とが設けられているため、多関節ロボット１に不測の負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。このため、不測の負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。

姿勢制御用駆動源３１にトルク検出手段７８を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定することができ、多関節ロボット１のコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成であるため、先端側のリンクハブ３３に様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源３１に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。

姿勢制御用駆動源３１が、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３の内部に収納状態で配置されているため、多関節ロボット１の突出部が少なく、コンパクトな構成を実現できる。また、突出部が少ないと、多関節アーム１のアーム部１１〜１４同士の干渉を低減できるため、可動範囲を広くとれる。さらに、突出部が少なければ、装置全体の安全性が向上し、人と共存する作業現場で使用することができる。

第３のアーム部１３をシャフト連結型のアーム部としたことにより、第３のアーム部１３の内部に姿勢制御用駆動源３１を配置し易くなっている。加えて、姿勢制御用駆動源３１の出力軸３１ａが基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと平行となるように姿勢制御用駆動源３１を設置し、姿勢制御用駆動源３１および軸直交型減速機７７を、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５との回転対偶部よりも内径側に配置したことにより、姿勢制御用駆動源３１、軸直交型減速機７７等からなる駆動機構部を径方向にコンパクトな構成とすることができるとともに、姿勢制御用駆動源３１を第３のアーム部１３の内部に収納し易くなっている。

シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３は、内部に空間ができるため軽量化が可能である。また、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３の先端エンド部材９２をリンク作動装置の基端側のリンクハブ３２の基端部材４０と同一部材としたため、部品点数が減り、軽量・コンパクト化を実現できる。

さらに、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３のシャフト９３の個数と姿勢制御用駆動源３１の個数が同じであり、隣合う姿勢制御用駆動源３１の間にシャフト９３を１つずつ配置したことにより、重量的にバランスが取れるうえ、アーム部の中央部に空間ができるため、この空間に配線等を通すことができるという利点を有する。

図８は他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、４つのアーム部１１〜１４が直列に並ぶ多関節アーム３を有する点で第１の実施形態と同じであるが、以下の点で第１の実施形態と異なる。

すなわち、第３のアーム部１３と第４のアーム部１４とを連結する第４の関節部２４が、第３のアーム部１３に対して第４のアーム部１４を回転軸１０回りに相対回転させる回転機構からなる。第４のアーム部１４の回転駆動は、第３のアーム部１３に設けられたモータ等の駆動源２４ａにより行う。

また、第４のアーム４にリンク作動装置からなるエンドエフェクタ支持機構８１が設けられ、このエンドエフェクタ支持機構８１を介してエンドエフェクタ４が支持されている。第４のアーム部１４は例えば前記シャフト連結型のアーム部からなり、この第４のアーム部１４の内部にリンク作動装置の姿勢制御用駆動源３１が内蔵されている。

他は、第１の実施形態と同じである。この多関節ロボット１は、第１の実施形態と同様に、全体で６自由度の構成であり、可動範囲が広く、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。

図９はさらに他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、第１のアーム部１１と第２のアーム部１２とを連結する第２の関節部２２をリンク作動装置で構成し、他の関節部２１，２３，２４は回転機構で構成してある。また、第４のアーム部１４に設けられた先端回転機構８０によりエンドエフェクタ４が支持されている。この場合も、前記第１の実施形態と同様に、全体で６自由度の構成であり、可動範囲が広く、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。

図１０はさらに他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、１つのベースユニット２に多関節アーム３を２つ設置したものである。具体的には、ベースユニット２の互いに対称となる側面に、２つの多関節アーム３の各第１アーム部１１が設置されている。各多関節アーム３は、図１の多関節ロボット１の多関節アーム３と同じ構成である。

このように、多関節アーム３を２つ設けることにより、人が両手で行うような作業が可能となる。特に、２つの多関節アーム３をベースユニット２における対称となる面に配置することにより、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボット１が機能不全となった場合、多関節ロボット１を撤去した跡のスペースに人が入り代替して作業を行うことができるため、生産性を大幅に下げることを防止できる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…多関節ロボット
２…ベースユニット
３…多関節アーム
４…エンドエフェクタ
５…設置面
１１…第１のアーム部
１２…第２のアーム部
１３…第３のアーム部（基端側のリンクハブが固定されたアーム部、シャフト連結型のアーム部）
１４…第４のアーム部
２１…第１の関節部（回転機構）
２２…第２の関節部（回転機構）
２３…第３の関節部（回転機構）
２４…第４の関節部（リンク作動装置）
３０…パラレルリンク機構
３１…姿勢制御用駆動源
３２…基端側のリンクハブ
３３…先端側のリンクハブ
３４…リンク機構
３５…基端側の端部リンク部材
３６…先端側の端部リンク部材
３７…中央リンク部材
７７…軸直交型減速機
７８…トルク検出手段
７９…荷重推定手段
９１…基端エンド部材
９２…先端エンド部材
９３…シャフト
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸

Claims (9)

1. ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
   前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、この関節部の両側のアーム部同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
   このリンク作動装置は、前記両側のアーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設けてなり、
   この姿勢制御用駆動源を、前記基端側のリンクハブが固定された前記アーム部の内部に収納状態で配置したことを特徴とするリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
2. 請求項１に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータであり、各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けたリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
3. 請求項１または請求項２に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータであり、
   前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称する場合、
   前記姿勢制御用駆動源をその出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように設置し、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機を介して前記姿勢制御用駆動源の回転力を前記基端側の端部リンク部材に伝達し、前記姿勢制御用駆動源および前記軸直交型減速機を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材との回転対偶部よりも内径側に配置したリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記複数のアーム部のうちの少なくとも１つのアーム部は、このアーム部の基端と先端にそれぞれ配置された基端エンド部材と先端エンド部材とを複数本のシャフトで連結したシャフト連結型のアーム部である多関節ロボット。
5. 請求項４に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であり、前記シャフト連結型のアーム部の前記先端エンド部材が前記リンク作動装置の前記基端側のリンクハブである多関節ロボット。
6. 請求項４または請求項５に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であり、前記シャフト連結型のアーム部の前記シャフトの個数と前記姿勢制御用駆動源の個数とが同じであり、隣合う前記姿勢制御用駆動源の間に前記シャフトを１つずつ配置した多関節ロボット。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記多関節アームは、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個の前記アーム部を有し、基端側から（ｎ−１）のアーム部とｎ番目のアーム部とを連結する関節部、または基端側からｎ番目のアーム部と前記エンドエフェクタとを連結する関節部が、前記リンク作動装置からなる関節部である多関節ロボット。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、１つの前記ベースユニットに前記多関節アームを２つ設置したリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
9. 請求項８に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記２つの多関節アームは、前記ベースユニットの互いに対称となる面に最も基端側の前記アーム部が設置されているリンク作動装置を用いた多関節ロボット。

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