JP2017196700A - ロボット装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット装置を構成する複数のユニット間においてシンプルな構造にして信頼性の高い電源連動を実現する。【解決手段】ロボット装置はタスクプログラムを作成するホストコンピュータ１２０と、タスクプログラムに従って動作制御信号を発生するコントローラ１３０と、アクチュエータ３１３とアクチュエータを駆動するモータドライバ３１１とを有するロボット本体と３００とを有する。第１電源１１０はホストコンピュータとコントローラとに電力供給する。第２電源３３０はモータドライバ３１１に電力供給する。ホストコンピュータには第１外部電源供給ポート１２１が装備される。第１電源とコントローラとの間には第１リレーユニット１５０が介在される。第１リレーユニットは第１外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉する。第２リレーユニット２１０は第１リレーユニットの開閉による第１電源のコントローラへの給電／停止に連動して開閉する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態はロボット装置及び電子機器に関する。

近年ロボット装置がユーザと同一空間にいる環境が多くなってきている。介護用ロボットはもちろん産業用ロボットでも作業者と並んで協働する状況が今後拡大していくものと考えられる。

ある種のロボット装置は、ティーチングに従ってタスクプログラム（作業手順）の作成等の処理を担うホストコンピュータ、タスクプログラムに従ってロボットアーム機構のアクチュエータの動作を実時間制御するコントローラ、ロボットアーム機構等の複数のユニットから構成される。

これら複数のユニットを個別に電源オンし、また個別に電源オフすることは非常に面倒であり、これら複数のユニット間で電源連動させることが望まれる。

目的は、ロボット装置を構成する複数のユニット間においてシンプルな構造にして信頼性の高い電源連動を実現することにある。

本実施形態にかかるロボット装置は、タスクプログラムを作成するホストコンピュータと、タスクプログラムに従って動作制御信号を発生するコントローラと、アクチュエータと動作制御信号に従ってアクチュエータを駆動するモータドライバとを有するロボット本体とを有する。第１電源はホストコンピュータとコントローラとに電力供給する。第２電源はモータドライバに電力供給する。ホストコンピュータには第１外部電源供給ポートが装備される。第１電源とコントローラとの間には第１リレーユニットが介在される。第１リレーユニットは第１外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉する。第２電源と商用電源との間には第２リレーユニットが介在される。第２リレーユニットは第１リレーユニットの開閉による第１電源のコントローラへの給電／停止に連動して開閉する。

図１は、本実施形態によるロボット装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１のリレーユニットの回路構成図である。 図３は、図１のロボット装置のアーム機構を示す斜視図である。 図４は、図１のロボット装置の他の構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボット装置を説明する。図１は、本実施形態によるロボット装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１のリレーユニット１５０の回路構成図である。図３は、図１のロボット装置のアーム機構を示す斜視図である。ロボット装置は、ロボット本体３００を有する。図３に示すように、ここでは、ロボット本体３００は、複数の関節部Ｊ１−Ｊ６を備える多関節アーム機構を装備する。第１関節部Ｊ１は、鉛直方向に平行な回転軸ＲＡ１を備えるねじり回転関節部である。第２関節部Ｊ２は、回転軸ＲＡ１に対して直交する回転軸ＲＡ２を備える起伏回転関節部である。第３関節部Ｊ３は、直動伸縮機構により提供される。直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、可動範囲の観点でいわゆる従来の直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３のアーム部５は伸縮軸ＲＡ３に沿って伸縮する。第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の主要構成部分は支柱部２に収容される。アーム部５の先端には手首部６が装着される。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。エンドエフェクタ（手先効果器）は、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部に取り付けられる。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮軸ＲＡ３と略一致する回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ４と回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

エンドエフェクタは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが従前の直動関節と異なる特徴的な点である。

複数の関節部Ｊ１−Ｊ６各々はドライバユニット３１０−３６０を備える。ドライバユニット３１０は、関節部Ｊ１を駆動するモータ（アクチュエータ）３１３と、モータ３１３を制御するモータドライバ３１１と、モータ３１３のシャフト軸に連結され、モータ３１１の回転角度を検出するエンコーダ３１５とを備える。以下、ドライバユニット３１０を例にロボット装置の構成を説明するが、ドライバユニット３２０−３６０は、ドライバユニット３１０と同一の構成を備え、同一に動作する。

（接続状態）
ロボット装置は、ティーチングに従ってタスクプログラムを作成する第1の電子機器としてのホストコンピュータ１２０を有する。ホストコンピュータ１２０は第１電源装置１１０から電源供給を受ける。第１電源装置１１０は商用電源１００から給電された交流電流を直流に変換し、ホストコンピュータ１２０に適切な電圧（例えば１２Ｖ）に変圧する。電源スイッチ１４０をオンすることによりホストコンピュータ１２０は起動する。ホストコンピュータ１２０は外部装置に電源供給をする少なくとも一つの外部電源供給ポートが装備される。ホストコンピュータ１２０の起動により外部電源供給ポートに給電が開始される。外部電源供給ポートとしてはＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート、PoE（Power over Ethernet）ポート、Thunderbolt（登録商標）ポート、IEEE1394ポート、ＰＣカードスロット、又はExpress Cardカードスロットである。ここでは外部電源供給ポートはＵＳＢ規格に準拠するシリアルバスポートであり、例えば電圧5V、電流500mA、電力2.5Wとの給電機能を備えるものとして説明する。

第２の電子機器としてのコントローラ１３０はホストコンピュータ１２０にデータ伝送ケーブル、例えばＵＳＢケーブルにより接続される。コントローラ１３０はタスクプログラムに従って目標値を示す動作制御信号を発生する。コントローラ１３０は第１電源装置１１０から電源供給を受ける。第１電源装置１１０とコントローラ１３０との間には第１リレーユニット１５０が介在される。第１リレーユニット１５０の制御端子はホストコンピュータ１２０の外部電源供給ポート１２１に接続される。第１リレーユニット１５０は、ホストコンピュータ１２０の外部電源供給ポート１２１の給電／停止に連動して開閉する。第１リレーユニット１５０の制御電流はホストコンピュータ１２０の外部電源供給ポート１２１から供給される。ホストコンピュータ１２０の起動により第１リレーユニット１５０は閉じる。それにより第１電源装置１１０とコントローラ１３０とが接続され、コントローラ１３０に給電される。ホストコンピュータ１２０のシャットダウンにより第１リレーユニット１５０は開放する。それにより第１電源装置１１０とコントローラ１３０とが切断される。

コントローラ１３０にはロボット本体３００のモータドライバ３１１にデータ伝送ケーブルを介して接続される。モータドライバ３１１はエンコーダ３１５により検出する動作値を目標値に一致させるフィードバック制御下でアクチュエータのモータ３１３に駆動電流を供給する。モータドライバ３１１は第２電源装置２２０から電源供給を受ける。第２電源装置２２０は商用電源２００から給電された交流電流を直流に変換し、モータ３１３に適切な電圧（例えば４８Ｖ）に変圧する。

第２電源装置２２０と商用電源２００との間には第２リレーユニット２１０が介在される。第２リレーユニット２１０の制御端子は第１リレーユニット１５０を介して第１電源装置１１０に接続される。第１リレーユニット１５０が閉じているとき第２リレーユニット２１０は第１電源装置１１０に接続され、第２リレーユニット２１０は閉じる。第１リレーユニット１５０が開放しているとき第２リレーユニット２１０は第１電源装置１１０から分離され、第２リレーユニット２１０は開放する。第１リレーユニット１５０と第２リレーユニット２１０との間には緊急停止用の開閉スイッチ２３０が介在される。開閉スイッチ２３０は定常時はオンし（閉状態、導通状態）、押すとオフし（開状態、切断状態）、押した後に手を離しても再度押すまでオフ状態を保持するオルタネイトスイッチである。緊急停止用の開閉スイッチ２３０がオフ状態のとき、第２リレーユニット２１０の開閉状態に関わらず、常に第２電源装置２２０は商用電源２００から分離される。緊急停止用の開閉スイッチ２３０がオン状態のとき、第２リレーユニット２１０の開閉状態に従って第２電源装置２２０と商用電源２００とは接続／分離される。

（各構成要素）
第１電源装置１１０は、AC１00V電源（商用電源）１００の電圧をホストコンピュータ１２０とコントローラ１３０の駆動電圧、例えば１２Ｖに変換する。ホストコンピュータ１２０は、操作部、記憶装置等の一般的なコンピュータが備える各種デバイスを備える。ホストコンピュータ１２０は、操作部を介したユーザ操作に従って、ロボット本体３００を動作させるためのタスクプログラムを作成する。作成したタスクプログラムのデータは、ホストコンピュータ１２０の記憶装置に記憶される。ホストコンピュータ１２０により作成されたタスクプログラムのデータは、ＵＳＢポート１２１を介してコントローラ１３０に送信される。コントローラ１３０は、ホストコンピュータ１２０により作成されたタスクプログラムに従って動作制御信号を発生する。発生した動作制御信号は、ロボット本体３００のモータドライバ３１１に送信される。

モータドライバ３１１は、コントローラ１３０から送られた動作制御信号（目標値）とエンコーダ３１５から送られたエンコード信号（動作値）とを用いて例えばフィードバック制御方式によりモータ３１３を制御する。モータドライバ３１１の制御に従ってモータ３１３が回転することにより、関節部Ｊ１がタスクプログラムで指定された関節角度（目標値）まで、指定された時間で回転する。

第１リレーユニット１５０はＵＳＢポート１２１の給電開始／停止に連動して開閉する。第１リレーユニット１５０は、例えば図２（ａ）に示すようにフォトカプラ１５１とリレー１５５とを備える。フォトカプラ１５１はＬＥＤ１５２とフォトトランジスタ１５３とを有する。リレー１５５は電磁コイル１５６と接点部１５７とを有する。ＵＳＢポート１２１にはＬＥＤ１５２が接続される。第１電源装置１１０にはフォトトランジスタ１５３の入力端子と接点部１５７の一端とが並列に接続される。フォトトランジスタ１５３の出力端子には電磁コイル１５６が接続される。接点部１５７の他端はコントローラ１３０に接続される。ＵＳＢポート１２１からの給電により、第１リレーユニット１５０のＬＥＤ１５２がＯＮ（点灯）し、これによりフォトトランジスタ１５３がＯＮ（導通）する。フォトトランジスタ１５３がＯＮされると、電磁コイル１５６にコイル電流が流れ、電磁コイル１５６は電磁力を発生する。電磁コイル１５６に発生された電磁力により、金属片が接点部１５７の端子間に掛け渡され、これによりコントローラ１３０は第１電源装置１１０に電気的に接続される。

なお、図２（ｂ）に示すようにホストコンピュータ１２０の外部電源供給ポート１２１からの電流を直接的に電磁コイル１５６に供給する、フォトカプラ１５１を不要とした簡易な構成を採用しても良い。

第２電源装置２２０は、AC１00V電源（商用電源）２００からロボット本体３００のドライバユニット３１０を駆動するための電圧を発生する。第２電源装置２２０に対してロボット本体３００のモータドライバ３１１が接続される。モータドライバ３１１は、第２電源装置２２０から供給された電力により駆動する。AC１00V電源２００と第２電源装置２２０との間には第２リレーユニット２１０が介在される。

第２リレーユニット２１０は、直列に接続された複数、ここでは２つのリレー２１１，２１３からなる。第２リレーユニット２１０を構成するリレー２１１，２１３は電磁リレーからなり、第１リレーユニット１５０を介して第１電源装置１１０に並列に接続される。リレー２１１，２１３は、第１リレーユニット１５０の開閉による第１電源装置１１０からの電流供給／停止に連動して開閉する。リレー２１１とリレー２１３との両者が閉状態（導通状態）のときに、第２電源装置２２０はAC１00V電源２００に接続される。リレー２１１とリレー２１３との両者又は一方が開状態（非導通状態）のときに、第２電源装置２２０はAC１00V電源２００から分離される。

コントローラ１３０の第２ＵＳＢポート１３１と第２リレーユニット２１０との間には緊急停止用の開閉スイッチ２３０が介在される。開閉スイッチ２３０は、ユーザにより操作可能な物理スイッチである。開閉スイッチ２３０は定常時はオンし（閉状態、導通状態）、押すとオフし（開状態、切断状態）、押した後に手を離しても再度押すまでオフ状態を保持するオルタネイトスイッチである。緊急停止用の開閉スイッチ２３０がオフ状態のとき、第２リレーユニット２１０の開閉状態に関わらず、常に第２電源装置２２０は商用電源２００から分離される。緊急停止用の開閉スイッチ２３０がオン状態のとき、第２リレーユニット２１０の開閉状態に従って第２電源装置２２０と商用電源２００とは接続／分離される。

（電源連動）
電源スイッチ１４０がＯＮされ、ホストコンピュータ１２０が起動したとき、ＵＳＢポート１２１には給電される。ＵＳＢポート１２１からの電流により第１リレーユニット１５０がＯＮし、コントローラ１３０が第１電源装置１１０に接続される。第１リレーユニット１５０がＯＮ状態のとき、第２リレーユニット２１０は第１電源装置１１０に接続される。それにより第２リレーユニット２１０がＯＮし、第２電源装置２２０はAC１00V電源２００に接続される。第２電源装置２２０は、AC１00V電源２００からモータドライバ３１１を駆動するための電力を発生し、発生された電力はモータドライバ３１１に供給される。

（効果）
以上説明したロボット装置によれば、ホストコンピュータ１２０の電源スイッチ１４０をＯＮしたとき、ホストコンピュータ１２０が起動し、ＵＳＢポート１２１へ給電される。それにより第１リレーユニット１５０が閉じて、コントローラ１３０が第１電源装置１１０に接続され、電源ＯＮされる。第１リレーユニット１５０が閉じることにより、第２リレーユニット２１０が第１電源装置１１０に接続される。それにより第２リレーユニット２１０が閉じて、第２電源装置２２０が商用電源２００に接続され、モータドライバ３１１が給電される。

このようにホストコンピュータ１２０を起動させる単一操作に、コントローラ１３０及びロボット本体３００への電源投入を簡単な構成により連動させることができる。

また、コントローラ１３０と第２リレーユニット２１０との間に緊急停止用の開閉スイッチ１４０を介在させることは、シンプルな回路構成を阻害することなく、ロボット本体３００への不要な起動を回避する手段をユーザに提供する。ユーザは、ホストコンピュータ１２０とコントローラ１３０とだけを起動したいとき、緊急停止用の開閉スイッチ２３０を押した上（ＯＮした状態）で、ホストコンピュータ１２０をＯＮすればよい。これにより、ホストコンピュータ１２０のＯＮ／ＯＦＦに関係なく、AC１00V電源１００と第２電源装置２２０との間の経路が遮断され、ロボット本体３００は起動されない。

また、AC１00V電源１００と第２電源装置２２０との間に複数のリレーユニット２１１，２１３からなる第２リレーユニット２１０を介在させることは、ロボット装置の信頼性の高い電源連動に寄与する。例えば、複数のリレーユニット２１１，２１３のうち、一方のリレーユニット２１１の接点部が溶着を起こし、常時導通状態になった場合であっても、他方のリレーユニット２１３が正常であれば、その正常なリレーユニット２１３により、AC１00V電源１００と第２電源装置２２０との間を電気的に遮断することが保証される。

なお、ここではホストコンピュータ１２０に対して、ＵＳＢケーブルを介してコントローラ１３０が接続され、第２ＵＳＢケーブルを介して第１リレーユニット１５０が接続されているが、コントローラ１３０と第１リレーユニット１５０との構成によって、単一のＵＳＢケーブルにより、ホストコンピュータ１２０に対してコントローラ１３０と第１リレーユニット１５０とが接続されてもよい。

また、上記の効果を得られるのであれば、ロボット装置の回路構成は上記に限定されない。図４に示すように、ホストコンピュータ１２０のＵＳＢポート１２１に第１リレーユニット１５０と同様に第２リレーユニット２１０を直接接続し、ホストコンピュータ１２０の起動に第１、第２リレーユニット１５０，２１０を連動させるようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００、２００…AC１00V電源、１１０…第１電源装置、１２０…ホストコンピュータ、１２１…ＵＳＢポート、１３０…コントローラ、１３１…第２ＵＳＢポート、１４０…電源スイッチ、１５０…第１リレーユニット、２１０…第２リレーセット、２１１、２１３…リレーユニット、２３０…緊急停止用の開閉スイッチ、３００…ロボット本体、３１０−３６０…ドライバユニット、３１１…モータドライバ、３１３…モータ、３１５…エンコーダ。

Claims (11)

1. タスクプログラムを作成するホストコンピュータと、
   前記タスクプログラムに従って動作制御信号を発生するコントローラと、
   アクチュエータと前記動作制御信号に従って前記アクチュエータを駆動するモータドライバとを有するロボット本体と、
   前記ホストコンピュータと前記コントローラとに電力供給する第１電源と、
   前記モータドライバに電力供給する第２電源とを具備し、
   前記ホストコンピュータには外部電源供給ポートが装備され、
   前記第１電源と前記コントローラとの間には第１リレーユニットが介在され、
   前記第１リレーユニットは前記外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉し、
   前記第２電源と商用電源との間には第２リレーユニットが介在され、
   前記第２リレーユニットは前記第１リレーユニットの開閉による前記第１電源の前記コントローラへの給電／停止に連動して開閉することを特徴とするロボット装置。
2. 前記第２リレーユニットは直列接続された複数のリレーからなることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
3. 前記第１電源側と前記第２リレーユニットとの間には緊急停止用の開閉スイッチが介在されることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
4. 前記第１外部電源供給ポートはＵＳＢポート、PoE（Power over Ethernet）ポート、Thunderbolt（登録商標）ポート、IEEE１394ポート、ＰＣカードスロット、又はExpress Cardカードスロットであることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
5. 前記第１リレーユニットにおいて、前記第１外部電源供給ポートにはフォトカプラが接続され、前記第１外部電源供給ポートから電流供給されたとき前記フォトカプラがオンして前記第１電源からリレーにコイル電流が供給され前記第１電源に前記コントローラが接続されることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
6. 前記第１リレーユニットにおいて、前記第１外部電源供給ポートからリレーにコイル電流が供給され前記第１電源に前記コントローラが接続されることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
7. タスクプログラムに従って動作制御信号を発生するコンピュータと、
   アクチュエータと前記動作制御信号に従って前記アクチュエータを駆動するモータドライバとを有するロボット本体と、
   前記コンピュータに電力供給する第１電源と、
   前記モータドライバに電力供給する第２電源とを具備し、
   前記コンピュータには外部電源供給ポートが装備され、
   前記第２電源と商用電源との間にはリレーユニットが介在され、
   前記リレーユニットは前記外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉することを特徴とするロボット装置。
8. 前記リレーユニットは直列接続された複数のリレーからなることを特徴とする請求項７記載のロボット装置。
9. 前記外部電源供給ポートと前記リレーユニットとの間には緊急停止用の開閉スイッチが介在されることを特徴とする請求項７記載のロボット装置。
10. タスクプログラムを作成するホストコンピュータと、
    前記タスクプログラムに従って動作制御信号を発生するコントローラと、
    アクチュエータと前記動作制御信号に従って前記アクチュエータを駆動するモータドライバとを有するロボット本体と、
    前記ホストコンピュータと前記コントローラとに電力供給する第１電源と、
    前記モータドライバに電力供給する第２電源とを具備し、
    前記ホストコンピュータには外部電源供給ポートが装備され、
    前記第１電源と前記コントローラとの間には第１リレーユニットが介在され、
    前記第２電源と商用電源との間には第２リレーユニットが介在され、
    前記第１、第２リレーユニットは前記外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉することを特徴とするロボット装置。
11. 第１電子機器と、
    第２電子機器と、
    前記第１電子機器に電力供給する第１電源と、
    前記第２電子機器に電力供給する第２電源とを具備し、
    前記第１電子機器には外部電源供給ポートが装備され、
    前記第２電源と商用電源との間にはリレーユニットが介在され、
    前記リレーユニットは前記外部電源供給ポートの給電／停止に連動して開閉することを特徴とする電子装置。

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