JP2018008320A

JP2018008320A - 多関節ロボットアーム及びｕａｖ

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Publication number: JP2018008320A
Application number: JP2016136605A
Authority: JP
Inventors: 健 ▲高▼木; Takeshi Takagi; 義典大西; Yoshinori Onishi
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-07-11
Also published as: JP6818337B2

Abstract

【課題】動作によって生じる反動が効果的に抑制でき、ＵＡＶに好適な多関節ロボットアームを提供する。【解決手段】多関節ロボットアームＲＡである。回動可能な状態で直列に連結された複数のアーム要素Ａ１，Ａ２、その各々を回動させる複数のモータ２０，３０、制御装置４０を備える。制御装置４０が、アーム要素Ａ１，Ａ２の変位に伴って移動する多関節ロボットアームＲＡの水平方向における重心位置の調整を行う重心位置調整部４１を有している。【選択図】図１０

Description

本発明は、無人航空機（ＵＡＶ：Unmanned Aerial Vehicle、いわゆるドローン）及びそれに好適な多関節ロボットアームに関し、特に、多関節ロボットアームの低反動化を実現する技術に関する。

ＵＡＶは、地上からの遠隔操作によって安全で手軽に飛行できることから、近年、様々な分野で注目を集めている。ＵＡＶの具体例は、特許文献１、２などに認められる。そこには、揚力を発生させる１個又は複数個のロータを備えた回転翼型の飛行体が開示されている。

これら飛行体によれば、一般的な固定翼機とは異なり、空中を自在に飛行するだけでなく、上昇や下降、停止飛行（ホバリング）もできるので、飛行の自由度が高い。そのため、この種のＵＡＶでは、カメラを取り付けて空撮することなどが行われているが、ロボットアームを取り付けることができれば、更にその利便性が高まり、様々な用途への利用が期待できる。

例えば、火山地帯や原子炉等、人の立ち入りが困難な場所でのサンプリングに利用できる。このような場所でのサンプリングに対しては、無人地上車両（ＵＧＶ）の利用も考えられるが、ＵＧＶの場合、走行に時間を要するうえに、適切な走路が確保できなければ利用できない制約がある。それに対し、ロボットアーム付きＵＡＶであれば、地上の条件に左右されず、短時間でサンプリングすることが可能になる。広域でのサンプリングや、走行できない山岳や水域でのサンプリングにも利用できる。

また、災害救助にも利用できる。例えば、ロボットアーム付きＵＡＶで、離れた場所から、溺れている人に浮き輪や縄を渡したり、火災で逃げ遅れた人に縄梯子を渡したりすることなどが可能になる。更には、高所作業をロボットアーム付きＵＡＶに行わせたり、飛行しながら搬送品を受け渡したりすることなども可能になるため、各種産業においても様々な用途が期待できる。

しかし、一般的な多関節ロボットアームは、複数のリンク部材と、これらリンク部材を回動する複数のモータなどで構成されていて高重量なため、重量が直接飛行性能に影響するＵＡＶには不向きである。そのため、ＵＡＶにロボットアームを取り付ける場合、ロボットアームの軽量化は避けられない。

軽量化を図った多関節ロボットアームは、例えば特許文献３、４に開示されている。特許文献３には、閉リンク機構を用いて動力を伝達するロボットアームが開示されており、特許文献４には、ワイヤ駆動式のロボットアームが開示されている。

特開２０１１−４６３５５号公報特表２０１３−５３３８２３公報特開平１０−２０２５７３号公報特開平１０−２４９７７７号公報

ロボットアームをＵＡＶに取り付ける場合、ロボットアームの軽量化が実現できたとしてもそれだけでは不十分である。すなわち、ＵＡＶの場合、空中に浮いた状態でロボットアームを動かす必要があるので、例えば、対象物を掴もうとしてロボットアームを動かすと、その反動で姿勢が崩れてＵＡＶの飛行状態が不安定になり、対象物がうまく掴めないという問題がある。

図１Ａに、停止飛行中のＵＡＶ１を例示する。飛行中のＵＡＶ１では、その中央にＵＡＶ１全体の重力が作用しており、ロータ全体の揚力Ｆがその重力Ｇと上下に釣り合うことで、ＵＡＶ１は空中で安定した姿勢を保持している。ところが、図１Ｂに示すように、ＵＡＶ１の姿勢が傾くと、揚力Ｆの鉛直方向上向きの成分Ｆｙが小さくなって、水平方向に揚力の成分Ｆｘが加わるため、ＵＡＶ１が予期せぬ方向へと移動し、その飛行姿勢が不安定になる。

ロボットアームの動作の反動により、このように飛行中のＵＡＶ１の姿勢を不安定にさせる主な原因としては、「重心の移動」と「反トルク」が挙げられる。

前者について詳しく説明すると、図２Ａに示すように、例えば仮想線の状態から実線の状態にロボットアームＲＡが動いた場合、それに伴ってＵＡＶ１全体の重心の位置も重心線Ｊ１から重心線Ｊ２に移動する。その結果、釣り合いがとれていたＵＡＶ１全体の重力Ｇと各ロータの揚力ｆとのモーメントが崩れ、矢印が示すようにＵＡＶ１に回動するトルクが作用し、ＵＡＶ１の姿勢が傾く。

後者について詳しく説明すると、図２Ｂに示すように、例えば仮想線の状態から実線の状態にロボットアームＲＡを動的に回動させると、矢印が示すようにＵＡＶ１にはその反作用として反トルクが加わる。その結果、ＵＡＶ１に回動するトルクが作用し、ＵＡＶ１の姿勢が傾く。

そこで本発明の主たる目的は、動作によって生じる反動が効果的に抑制でき、ＵＡＶに好適な多関節ロボットアームを提供することにある。

本発明に係る多関節ロボットアームは、回動可能な状態で直列に連結された複数のアーム要素と、前記アーム要素の各々を回動させる複数のモータと、前記モータの各々を制御する制御装置と、を備える。そして、前記制御装置が、前記アーム要素の変位に伴って移動する前記多関節ロボットアームの水平方向における重心位置の調整を行う重心位置調整部を有している。

すなわち、この多関節ロボットアームによれば、ロボットアームを操作してアーム要素が変位しても、その変位に伴って移動するロボットアームの水平方向における重心位置を、制御装置の重心位置調整部により、一定に保持されるように調整することができる。従って、「重心の移動」の問題を解消することができる。

具体的には、前記アーム要素の各々が、同一の鉛直面に沿って回動するようにするとよい。

すなわち、各アーム要素が動作する領域を２次元空間に限定することで、ロボットアームの構造が簡素になって軽量化が図れるうえに、重心位置の調整や反トルクの制御が容易になるため、処理負担も軽減できる。

より具体的には、前記アーム要素の回動に伴って発生するトルクを打ち消す反トルク機構を更に備え、前記反トルク機構が、前記アーム要素と前記モータとの間に介在して入力側と出力側とで逆方向に回転する連結部を含み、前記入力側で発生する角運動量と前記出力側で発生する角運動量とが等しくなるように構成するのが好ましい。

そうすれば、簡単な構成により、「反トルク」の問題を解消することができる。

この場合、前記連結部には、ハーモニックドライブ（登録商標）を用いるのが好ましい。

ハーモニックドライブであれば、高トルクな逆回転力が得られるため、低出力の小型モータが使用可能になってロボットアームの軽量化が図れる。

更には、前記アーム要素の各々を独立して回動させる要素別回動機構を備え、前記要素別回動機構が、回動対象ではない前記アーム要素の絶対角度を一定に保持しながら、回動対象の前記アーム要素を回動させるようにするのが好ましい。

そうすれば、反トルクの制御が容易に行える。

その場合、前記複数のアーム要素が、水平方向にスライドするスライド部によって支持されているようにするとよい。

そうすれば、ロボットアームの構造の簡素化や軽量化等が実現できる。

更にこの場合、前記要素別回動機構が、前記スライド部に配置された第１及び第２の前記モータと、回動軸を中心にして前記スライド部に回動可能に支持された第１の前記アーム要素と、前記第１のアーム要素に回動可能に連結された第２の前記アーム要素と、前記回動軸を中心に独立して回転するプーリと、前記プーリと前記第２のアーム要素の基端部とに架け渡された架設部材と、を含み、前記第１のアーム要素は前記第１のモータによって回動され、前記第２のアーム要素は前記プーリ及び前記架設部材を介して前記第２のモータによって回動されるようにするとよい。

そうすれば、スライド部に、第１アーム要素及び第２アーム要素の各要素別回動機構が集約して配置されるため、コンパクト化が図れ、スライド部に質量を集中できるので、重心位置の調整に必要なスライド部の変位量を小さくできる。

このようなロボットアームであれば、鉛直軸回りに回転して揚力を発生させるロータを備えた回転翼型のＵＡＶに装備して安定して使用することができる。

本発明の多関節ロボットアームによれば、動作によって生じる反動を効果的に抑制できるので、ＵＡＶに取り付けて適切に利用でき、様々な分野での活用が期待できる。

停止飛行中のＵＡＶの飛行姿勢を説明する図である。停止飛行中のＵＡＶが傾いた時の飛行姿勢を説明する図である。ロボットアーム付きＵＡＶにおける「重心の移動」の問題を説明する図である。ロボットアーム付きＵＡＶにおける「反トルク」の問題を説明する図である。ロボットアームの重心位置調整機構を説明する図である。別形態のロボットアームの重心位置調整機構を説明する図である。反トルク機構を説明する図である。反トルク機構の具体的な一例を説明する図である。ハーモニックドライブの構造を説明する概略断面図である。要素別回動機構を説明する図である（要素別回動機構が無い場合を表している）。要素別回動機構を説明する図である（要素別回動機構が有る場合を表している）。本実施形態におけるロボットアーム付きＵＡＶの具体例を示す概略斜視図である。ロボットアームの概略側面図である。ロボットアームの要部を表した概略断面図である。実験結果を示すグラフである。要素別回動機構の別形態を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜ロボットアームの主要な機構＞
本発明の多関節ロボットアームＲＡ（単に「ロボットアームＲＡ」ともいう）は、例えば図２Ａに示したように、回動可能な状態で直列に連結された複数のアーム要素Ａ（図２ＡではＡ１及びＡ２）を含んで構成されていて、本実施形態ではＵＡＶ１に設置されている。ロボットアームＲＡの先端にはロボットハンドＲＨが取り付けられていて、これらロボットアームＲＡ及びロボットハンドＲＨは、ＵＡＶ１と同様に、無線による遠隔操作によって自在に動かせるように構成されている。

上述したように、ＵＡＶ１にロボットアームＲＡを取り付けた場合、「重心の移動」と「反トルク」に起因して、飛行中のＵＡＶ１の姿勢が不安定になるという問題がある。そこで、本発明のロボットアームＲＡには、前者の問題を解消するために、重心位置調整機構が組み込まれており、後者の問題を解消するために、反トルク機構が組み込まれている。更に、反トルク機構を補助し、かつ、構造の簡素化及び軽量化を実現するために、本発明のロボットアームＲＡには、要素別回動機構も組み込まれている。最初に、これら各機構について説明する。

（重心位置調整機構）
重心位置調整機構は、ロボットアームＲＡの水平方向における重心位置の調整を行うものであり、ＵＡＶ１の飛行姿勢を安定させるために、ロボットアームＲＡの先端を自在に動かしても、ロボットアームＲＡ（ロボットハンドＲＨを含む）の水平方向の重心位置が、一定に保たれるように調整する。

図３Ａに、ロボットアームＲＡの一例を示す。このロボットアームＲＡは、３自由度を有するロボットアームＲＡであり、３つのアーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３が回動可能な３つの関節で直列に連結されている。重心位置調整機構は、各アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３の回動角度を高精度に制御しながら回動させることができるサーボモータや、そのサーボモータを制御する制御装置などで構成されており、制御装置には、これらサーボモータを制御して、アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３の変位に伴って移動するロボットアームＲＡの水平方向における重心位置が常に一定に保たれるように調整を行う制御プログラムが実装されている（具体例は後述）。

本実施形態のロボットアームＲＡでは、各アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３が、同一の鉛直面に沿って回動し、２次元空間を動作するように構成されている。

各アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３は、三次元空間を動作するように構成してもよいが、そのように構成すると、ロボットアームＲＡの構造が複雑になり、重心位置調整機構や反トルク機構の制御も著しく高度化、複雑化する。一方、各アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３が動作する領域を２次元空間に限定すれば、ロボットアームＲＡの構造が簡素になって軽量化が図れるうえに、重心位置調整機構や反トルク機構の制御も容易になり、処理負担も軽減できる。

そして、ＵＡＶ１は３次元空間を自在に移動できることから、ロボットアームＲＡの動作範囲を２次元空間に限定しても、ＵＡＶ１の動作との組み合わせにより、３次空間におけるロボットアームＲＡの自在な動作を補完することができる。

図３Ａに示すロボットアームＲＡの場合、実線や仮想線で示すように、ロボットアームＲＡの先端は、Ｘ−Ｙ平面からなる所定の鉛直面に沿った任意の位置に移動可能であり、ロボットアームＲＡの先端がいずれの位置にあっても、重心位置調整部が各アーム要素Ａ１，Ａ２、Ａ３の角度を制御することにより、ロボットアームＲＡの水平方向の重心位置が重心線Ｊ上に位置するように設計されている。

このようなロボットアームＲＡは、ロボットアームＲＡの先端位置（ｘ，ｙ）とロボットアームＲＡの水平方向の重心位置（ｘ）からなる３変数を制御できればよいため、３自由度以上あれば実現できる。従って、アーム要素Ａは４つ以上でもよいが、軽量化や簡素化の観点からは３自由度のロボットアームＲＡが好ましい。

図３Ｂに示すように、自由度は、スライド機構ＳＭでも実現できる。すなわち、スライダーＳを取付ける場合は、スライダーＳの自由度を考慮し回転関節数を２以上にすればよく、より簡略には、スライダーＳと２つの回転関節をもつロボットアームＲＡを考える。図３Ｂに示すロボットアームＲＡは、水平方向にスライドするスライダーＳと、そのスライダーＳに回動可能に連結された２つのアーム要素Ａ１，Ａ２と、で構成されている。なお、３つの回転関節を持つロボットアームにＲＡにスライダーＳを取付けると、より広い範囲で重心の位置を調節することができる。

図３Ｂに示すロボットアームＲＡの場合も、実線や仮想線で示すように、ロボットアームＲＡの先端は、Ｘ−Ｙ平面からなる所定の鉛直面に沿った任意の位置に移動可能であり、ロボットアームＲＡの先端がいずれの位置にあっても、重心位置調整部が各アーム要素Ａ１，Ａ２の角度とスライダーＳの位置を制御することにより、ロボットアームＲＡの水平方向の重心位置が重心線Ｊ上に位置するように設計されている。このようにロボットアームＲＡの基端部をスライド機構ＳＭで構成することで、構造の簡素化や軽量化等が実現できる（詳細は後述）。

（反トルク機構）
反トルク機構は、アーム要素Ａの回動に伴って発生するトルクを打ち消すものである。一般的なロボットアームＲＡでは、基端側のアーム要素Ａ１を回動させた場合に、そのアーム要素Ａ１よりも先端側のアーム要素Ａ２も共に回動する。この場合、基端側のアーム要素Ａ１の回動に伴って発生するトルクはロボットアームＲＡの姿勢によって異なる。要素別回動機構を用いると、それぞれのアーム要素Ａ１，Ａ２を別々に独立して回動することができ、ロボットアームＲＡがどのような姿勢であっても他のアーム要素Ａからの影響を受けない。ゆえに、ロボットアームＲＡの姿勢に依存することなく反トルクを打ち消すためには、各アーム要素Ａを独立して回動させる要素別回動機構と組み合わせて用いることが望ましい。

従って、ここでの反トルク機構は、各アーム要素Ａを独立して回動させる要素別回動機構に組み込まれている。反トルク機構は、各アーム要素Ａと、そのアーム要素Ａを回動するサーボモータ１１０との間に、入力側と出力側とで逆方向に回転する連結部Ｃを含む（具体例は後述）。

そして、図４に示すように、その連結部Ｃを境界にして、各アーム要素Ａの回動によって発生する出力側の角運動量の総和（アーム要素ＡやプーリＰ等の各角運動量の総和）と、その回動力を発生させる入力側の角運動量の総和（サーボモータ１１０やプーリＰの各角運動量の総和）とが、等しくなるように設計されている。そうすることにより、各アーム要素Ａの回動によって発生するトルクを、駆動側の機構で発生するトルク（反トルク）で打ち消すことが可能になっている。

反トルク機構について、図５を参照しながら具体的に説明する。図５は、アーム要素１１４の１つを回転駆動する経路を模式的に表している。サーボモータ１１０の駆動軸に第１プーリＰ１が固定されており、その第１プーリＰ１は無端ベルト１１１を介して、連結部Ｃの入力軸１１２に固定された第２プーリＰ２と連結されている。連結部Ｃの出力軸１１３は、アーム要素１１４の基部に固定されている。

Ｉ_１〜Ｉ_６及びω_１〜ω_６は、サーボモータ１１０、第１プーリＰ１、第２プーリＰ２、連結部Ｃの入力軸１１２、連結部Ｃの出力軸１１３、及びアーム要素１１４の各々の、慣性モーメント及び角速度である。そして、連結部Ｃの減速比をｒ_ｈ、第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２の減速比をｒ_ｐ、ＵＡＶ１の角速度及び慣性モーメントを、それぞれω_０及びＩ_０とする。

ここで、ω_１〜ω_５とω_６との間には、ω_１＝ω_２＝−ｒ_ｈ・ｒ_ｐ・ω_６、ω_３＝ω_４＝−ｒ_ｈ・ω_６、ω_５＝ω_６の関係があることから、これら駆動系における角速度と慣性モーメントとの間には、次の式（１）が成立する。

そして、ＵＡＶ１が傾かないためにはω_０が０となればよいことから、第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２の減速比ｒ_ｐは、次の式（２）となる。

式（２）の値を満たすように、第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２の減速比ｒ_ｐを設計することで、反トルク機構が構成されている。アーム要素Ａ全ての駆動系に対し、これと同様に反トルク機構が設計されている。

連結部Ｃは、入力側と出力側とで逆方向に回転するものであればよく、特に減速できるものが好ましいため、例えば、遊星歯車などを連結部Ｃに用いることができる。その中でも特に、ハーモニックドライブ（登録商標）を連結部Ｃに用いるのが好ましい。

図６に、ハーモニックドライブの構造を模式的に示す。ハーモニックドライブは、内周面に多数の凹凸歯が形成された円環状の外輪１２０と、外輪１２０より少数の凹凸歯が外周面に形成されていて出力軸に連結された変形可能な内輪１２１と、入力軸に連結された楕円形断面を有する軸部１２２と、ボールベアリングを介して軸部１２２の外側に装着された変形可能なリング体１２３とで構成されている。

外輪１２０を固定した状態で軸部１２２を回転させることにより、内輪１２１と外輪１２０の凹凸歯との噛み合いにより、内輪１２１は高い減速比で逆向きに回転する。従って、ハーモニックドライブであれば、高トルクな逆回転力が得られるため、低出力の小型モータが使用可能になってロボットアームＲＡの軽量化が図れる。

（要素別回動機構）
要素別回動機構は、アーム要素Ａの各々を独立して回動させるものであり、回動対象ではないアーム要素Ａの絶対角度を一定に保持しながら、回動対象のアーム要素Ａのみを回動できるように構成されている。

例えば、図７Ａに示すように、第１アーム要素Ａ１に対して第２アーム要素Ａ２を所定の角度で保持した状態で第１アーム要素Ａ１を回動させた場合、第２アーム要素Ａ２の絶対角度θ１，θ２，θ３（ここでは水平方向に対する角度とする）は、第１アーム要素Ａ１の回動に伴って連続的に変化するため、第２アーム要素Ａ２の角運動量も連続的に変化する。

従って、この場合、第１アーム要素Ａ１の回動に伴う角運動量は、第２アーム要素Ａ２の角度に応じて連続的に変化するので、その角運動量を相殺するには、連続的に変化する第２アーム要素Ａ２の角度に応じた角運動量を算出し、それと等しい角運動量を駆動側で発生させる必要があり、反トルク機構を実現するのは容易でない。

それに対し、例えば、図７Ｂに示すように、第２アーム要素Ａ２の絶対角度θ１，θ２，θ３を一定に保持しながら第１アーム要素Ａ１が回動するようにすると、第１アーム要素Ａ１が回動しても第２アーム要素Ａ２の角運動量は変化しないため、第１アーム要素Ａ１の回動に伴う角運動量は、第１アーム要素Ａ１の角運動量のみに依存することになる。

従って、この場合には、第１アーム要素Ａ１の角運動量の変化のみを考慮して、第１アーム要素Ａ１の回動に伴う角運動量を相殺することができる。すなわち、アーム要素Ａごとに角運動量を相殺すればよいため、反トルク機構が容易に実現できる。

＜ＵＡＶ１、ロボットアームＲＡの具体例＞
図８に、本発明を適用したロボットアーム付きＵＡＶ１の一例を示す。このＵＡＶ１は、無線通信によって遠隔操作が可能な公知の回転翼型の無人飛行体であり、ＵＡＶ本体２や、脚部を有するガード３、鉛直軸回りに回転して揚力を発生させる複数のロータ４などで構成されている。ＵＡＶ本体２には、ロータ４の回転を制御するＵＡＶ制御装置や無線通信装置、バッテリーなどが搭載されている（図示せず）。ロータ４の回転制御により、ＵＡＶ１は、水平飛行だけでなく、上昇や下降、停止飛行もできるようになっている。

ＵＡＶ本体２の下側に、先端にロボットハンドＲＨを備えたロボットアームＲＡが設置されている。これらロボットハンドＲＨ及びロボットアームＲＡは、ＵＡＶ１と同様に、無線通信による遠隔操作が可能となっており、ＵＡＶ１に搭載されたバッテリーを利用して駆動する。

図９及び図１０に、ロボットアームＲＡの詳細を示す。ロボットアームＲＡは、第１アーム要素Ａ１、第２アーム要素Ａ２、スライド機構ＳＭなどで構成されており、スライド機構ＳＭがＵＡＶ１に組み付けられている。

スライド機構ＳＭは、スライド枠１０、スライド軸１１、スライド部１２、スライドモータ１３（サーボモータ）などで構成されている。スライド枠１０は、離れて対向する一対の支持板１０ａ，１０ａを有し、これら支持板１０ａ，１０ａの間に、スライド軸１１が回転可能に軸支されている。スライド機構ＳＭは、水平姿勢のＵＡＶ１に対してスライド軸１１が水平方向に延びて、基準状態にあるロボットアームＲＡの重心がＵＡＶ１の重心と一致するようにＵＡＶ１に配置されている。支持板１０ａの一方には、正回転及び逆回転の制御が可能なスライドモータ１３が設置されている。

スライド軸１１は、スライドモータ１３によって回転駆動される。スライド部１２には、貫通孔１４が形成されており、その貫通孔１４にスライド軸１１が挿通されることでスライド部１２はスライド軸１１に支持されている。スライド軸１１の外面には雄ネジが形成されており、スライド孔の内面には、その雄ネジに噛み合う雌ネジが形成されている。スライド軸１１の回転に伴ってスライド部１２は水平方向にスライドし、その回転数により、スライド部１２は、高度な位置決め制御が可能になっている。

スライド部１２には、第１アーム要素Ａ１及び第２アーム要素Ａ２の各々を独立して回動させる要素別回動機構が組み込まれている。なお、スライド部１２には、ロボットハンドＲＨを駆動制御する機構も組み込まれているが、ここでは省略する。

第１アーム要素Ａ１の要素別回動機構は、第１モータ２０（サーボモータ）、第１プーリＰ１、第２プーリＰ２、第１ハーモニックドライブ２１、第１シャフト２２などで構成されている。第２アーム要素Ａ２の要素別回動機構は、第２モータ３０（サーボモータ）、第３プーリＰ３、第４プーリＰ４、第２ハーモニックドライブ３１、第２シャフト３２、第５プーリＰ５、第６プーリＰ６、無端ベルト３３（架設部材の一例）などで構成されている。

第１アーム要素Ａ１及び第２アーム要素Ａ２の各要素別回動機構は、スライド部１２の支持中心（貫通孔１４）に対して左右対称状に配置されており、これらの間の貫通孔１４の下方に第１アーム要素Ａ１が配置されている。貫通孔１４の上方には、第１モータ２０及び第２モータ３０を制御する制御装置４０が配置されている。制御装置４０には、重心位置調整部４１が含まれている。

スライド部１２に、第１アーム要素Ａ１及び第２アーム要素Ａ２の各要素別回動機構が集約してバランス良く配置されているため、コンパクト化が図れ、スライド部１２に質量を集中できるので、重心位置の調整に必要なスライド部１２の変位量を小さくできる。

第１モータ２０の駆動軸には第１プーリＰ１が固定されており、その第１プーリＰ１は無端ベルトを介して、第１ハーモニックドライブ２１の入力側の軸２１ａに固定された第２プーリＰ２と連結されている。第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２は、反トルク機構を構成する所定の減速比に設定されている。第１ハーモニックドライブ２１の出力側には、回動軸Ｋを中心に回動する第１シャフト２２が連結されている。第１アーム要素Ａ１の基端部は、その第１シャフト２２に固定されている。

第１アーム要素Ａ１は、第１シャフト２２に直交して延びる細長い支柱状の部材からなり、その長さや構造は仕様に応じて適宜設定できる。第１アーム要素Ａ１の先端部には、第３シャフト２３を介して第２アーム要素Ａ２の基端部が回動可能に連結されている。第２アーム要素Ａ２も、第１アーム要素Ａ１と同様の部材である。第２アーム要素Ａ２の先端には、遠隔制御によって作動する把持可能なロボットハンドＲＨが設置されている。

第２モータ３０の駆動軸には第３プーリＰ３が固定されており、その第３プーリＰ３は無端ベルトを介して、第２ハーモニックドライブ３１の入力側の軸３１ａに固定された第４プーリＰ４と連結されている。第３プーリＰ３及び第４プーリＰ４は、反トルク機構を構成する所定の減速比に設定されている。

第２ハーモニックドライブ３１の出力側には、回動軸Ｋを中心に回動する第２シャフト３２が連結されている。第２シャフト３２は、第１シャフト２２を回転自在な状態で収容する中空シャフトであり、この第２シャフト３２に第５プーリＰ５が固定されている。それにより、第１シャフト２２と、第２シャフト３２及び第５プーリＰ５とは、各々独立して回転自在となっている。

第５プーリＰ５は、無端ベルト３３を介して、第３シャフト２３に固定された第６プーリＰ６と連結されている。第５プーリＰ５及び第６プーリＰ６は同径のプーリであり、その減速比は１：１に設定されている。

従って、第１モータ２０が回転すると、そのトルクは、第１プーリＰ１及び第２プーリＰ２で減速され、更に第１ハーモニックドライブ２１で回転方向を逆にして減速された後、第１シャフト２２を介して第１アーム要素Ａ１に伝達される。それにより、第１アーム要素Ａ１が回動する。第１シャフト２２は第２シャフト３２から独立して回転するため、第１アーム要素Ａ１が回動しても第２アーム要素Ａ２は回動せず、その絶対角度は保持される。

一方、第２モータ３０が回転すると、そのトルクは、第３プーリＰ３及び第４プーリＰ４で減速され、更に第２ハーモニックドライブ３１で回転方向を逆にして減速された後、第２シャフト３２、第５プーリＰ５、第６プーリＰ６を介して第２アーム要素Ａ２に伝達される。それにより、第２アーム要素Ａ２が回動する。第２シャフト３２も第１シャフト２２から独立して回転するため、第２アーム要素Ａ２が回動しても第１アーム要素Ａ１は回動せず、その絶対角度は保持される。

第１アーム要素Ａ１及び第２アーム要素Ａ２の各々の絶対角度、並びにスライド部１２の位置は、制御装置４０の重心位置調整部４１が、第１モータ２０、第２モータ３０、及びスライドモータ１３を制御することによって総合的に調整され、ロボットアームＲＡの水平方向における重心位置は常に一定に保たれるようになっている。

従って、このＵＡＶ１によれば、ロボットアームＲＡが軽量でコンパクトに構成されているうえに、ロボットアームＲＡが動作しても重心の移動及び反トルクの問題が生じないように構成されているので、安定した姿勢でＵＡＶ１を飛行させながらロボットアームＲＡを動かすことができる。

＜実施例＞
図９及び図１０に示した構造を有するロボットアームＲＡの実験機を作製し、その効果を確認する実験を行った。実験では、ロボットアームＲＡの動作の影響でロボットアームＲＡ全体がどの程度傾くかを確認するため、スライド機構ＳＭを、各アーム要素Ａと同様に回動自在に支持した。その状態で、第２アーム要素Ａ２の先端が、２秒間隔で直径１５ｃｍの円を描くように、スライド機構ＳＭ、第１アーム要素Ａ１、第２アーム要素Ａ２の各々の動きを制御し、その時のスライド機構ＳＭの傾き（ロボットアームＲＡ全体の傾きに相当）を、ジャイロセンサを用いて計測した。

図１１に、その結果を示す（実線）。縦軸はスライド機構ＳＭの傾き（°）を表している。破線は、スライド部１２をスライド不能に設定し、重心位置調整部４１が適切に機能しない、つまり水平方向の重心位置が変化する場合での計測結果を表している（比較例）。

図１１から明らかなように、比較例では、スライド機構ＳＭの傾き（最大値）が３．３°であったのに対し、実験機のスライド機構ＳＭの傾きは最大で１．７°となり、ロボットアームＲＡに本発明を適用することで、その動作によって生じる反動を効果的に抑制できることが確認された。

なお、本発明にかかる多関節ロボットアームは、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、要素別回動機構は、図１２に示すような平行リンク機構であってもよい。支持されている第１リンクアームＬ１の基端部をモータで回動し、第２リンクアームＬ２の基端部をモータで回動することで、第１アーム要素Ａ１と第２アーム要素Ａ２とを独立して回動させることができる。

ロボットアームＲＡの先端に設置するのは、ロボットハンドＲＨに限らない。例えば、物品を引っ掛けることができるフックや、物品を収容できるバケット、電磁石など、用途に応じた作業ツールを取り付けることができる。架設部材は、無端ベルト３３に限らず、ワイヤ等であってもよい。

ロボットアーム及びロボットハンドは、ＵＡＶの脚としても利用できる。例えば、鳥のように、ロボットアーム及びロボットハンドを操作して高所の枝やケーブルなどに捕まった状態で、ＵＡＶを所定位置に保持することができる。そうすれば、バッテリーの使用を抑制できるので、高所での長時間撮影等が簡単にできるようになる。

その際、重心位置調整部によるＵＡＶの位置調整によって、ＵＡＶの停止位置や停止姿勢を変えることができるので、利便性に優れる。

本発明の多関節ロボットアームによれば、その動作による反動を効果的に抑制できるので、ＵＡＶに限らず、姿勢を維持するのが難しい水中や水上、宇宙空間等でロボットアームＲＡを操作する無人作業機などにも好適に利用できる。

１ＵＡＶ
１２スライド部
２０第１モータ
２１第１ハーモニックドライブ
３０第２モータ
３１第２ハーモニックドライブ
Ｐ１〜Ｐ６第１〜第６プーリ
Ａアーム要素
ＲＡロボットアーム
ＲＨロボットハンド

Claims

多関節ロボットアームであって、
回動可能な状態で直列に連結された複数のアーム要素と、
前記アーム要素の各々を回動させる複数のモータと、
前記モータの各々を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置が、前記アーム要素の変位に伴って移動する前記多関節ロボットアームの水平方向における重心位置の調整を行う重心位置調整部を有している多関節ロボットアーム。
請求項１に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記アーム要素の各々が、同一の鉛直面に沿って回動する多関節ロボットアーム。
請求項１又は請求項２に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記アーム要素の回動に伴って発生するトルクを打ち消す反トルク機構を更に備え、
前記反トルク機構が、前記アーム要素と前記モータとの間に介在して入力側と出力側とで逆方向に回転する連結部を含み、前記入力側で発生する角運動量と前記出力側で発生する角運動量とが等しくなるように構成されている多関節ロボットアーム。
請求項３に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記連結部に、ハーモニックドライブ（登録商標）が用いられている多関節ロボットアーム。
請求項３又は請求項４に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記アーム要素の各々を独立して回動させる要素別回動機構を更に備え、
前記要素別回動機構が、回動対象ではない前記アーム要素の絶対角度を一定に保持しながら、回動対象の前記アーム要素を回動させる多関節ロボットアーム。
請求項５に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記複数のアーム要素が、水平方向にスライドするスライド部によって支持されている多関節ロボットアーム。
請求項６に記載の多関節ロボットアームにおいて、
前記要素別回動機構が、
前記スライド部に配置された第１及び第２の前記モータと、
回動軸を中心にして前記スライド部に回動可能に支持された第１の前記アーム要素と、
前記第１のアーム要素に回動可能に連結された第２の前記アーム要素と、
前記回動軸を中心に独立して回転するプーリと、
前記プーリと前記第２のアーム要素の基端部とに架け渡された架設部材と、
を含み、
前記第１のアーム要素は前記第１のモータによって回動され、前記第２のアーム要素は前記プーリ及び前記架設部材を介して前記第２のモータによって回動される多関節ロボットアーム。
鉛直軸回りに回転して揚力を発生させるロータを備えた回転翼型のＵＡＶであって、
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の多関節ロボットアームを備えたＵＡＶ。