JP2018012143A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームの動きが正常に制御されていない場合に、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わることを抑制する技術を提供する。【解決手段】ロボット装置２はロボットアーム２０と、作業部６０、７０、８０と、支持部３０と、を備えている。作業部は、ロボットアームの動きに応じて対象物体に向けて移動し、対象物体に対する作業を行う。支持部は、ロボットアームに取り付けられて対象物体に向けて移動する作業部を支持し、作業部が対象物体に対する作業を行うことにより所定値以上の力が作業部に加わると、作業部が対象物体から離れる方向に移動することを許可するように構成された機械的構造４０、４２を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、ロボットアームの動きに応じて対象物体に向けて作業部が移動し、対象物体に対する作業を行う技術に関する。

ロボットアームに取り付けた作業部をロボットアームの動きに応じて対象物体に向けて移動させ、対象物体に対する作業を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、作業部としてＨＩＦＵデバイスをロボットアームの先端に取り付け、対象物体である人体の患部にＨＩＦＵを照射させる技術が記載されている。ＨＩＦＵはHigh Intensity Focused Ultrasoundの略である。

特許文献１に記載されているＨＩＦＵデバイスのように、ロボットアームの動きに応じて作業部が移動して対象物体に対する作業を行う場合、所定値以上の力が作業部から対象物体に加わることを抑制することを求められることがある。作業部についても、作業部が対象物体に対する作業を行う場合、所定値以上の力が対象物体から作業部に加わることを抑制することを求められることがある。

この問題を解決するために、作業部から対象物体に加わる力を圧力センサで検出し、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わる場合には、ロボットアームの駆動源であるモータを制御部が制御して、対象物体および作業部に所定値以上の力が加わることを抑制することが考えられる。

米国特許出願公開第２０１１／０１３７１６７号明細書

ロボットアームの駆動源であるモータを制御部が制御して、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わることを抑制するためには、モータと制御部とによりロボットアームの動きが正常に制御されていることが必要である。

しかし、例えばモータと制御部との少なくとも一方に故障等の異常が発生すると、所定値以上の力が作業部および対象物体に加わることを抑制するために、制御部がモータを制御することは困難である。

本開示の一側面は、ロボットアームの動きが正常に制御されていない場合に、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わることを抑制する技術を提供することにある。

本開示の一態様は、ロボットアーム（２０）と、作業部（６０、７０、８０、１００、１１０、１３０、１５０）と、支持部（３０、１６０）と、を備えている。
作業部は、ロボットアームの動きに応じて対象物体（１２０、１４０）に向けて移動し、対象物体に対する作業を行う。支持部は、ロボットアームに取り付けられて対象物体に向けて移動する作業部を支持し、作業部が対象物体に対する作業を行うことにより所定値以上の力が作業部に加わると、作業部が対象物体から離れる方向に移動することを許可するように構成された機械的構造（４０、４２、１６６）を有する。

この構成によれば、作業部が対象物体に対する作業を行うことにより対象物体に所定値以上の力が加わり、その反力として所定値以上の力が作業部に加わると、作業部が対象物体から離れる方向に移動することを、作業部を支持する支持部の機械的構造が許可する。

これにより、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わることを機械的に抑制できる。したがって、ロボットアームの動きが正常に制御されていない場合であっても、所定値以上の力が対象物体および作業部に加わることを抑制できる。

尚、この欄および特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態のロボット装置を示す構成図。 第２実施形態のロボット装置を示す構成図。 第３実施形態のロボット装置を示す構成図。 第４実施形態のロボット装置を示す構成図。

以下、本開示の実施形態を図に基づいて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すように、ロボット装置２は、モータ１０と、ロボットアーム２０と、支持部３０と、検出部５０と、レバー６０と、ＨＩＦＵ照射部７０と、水袋８０と、制御装置９０とを備えている。

モータ１０は、多関節のロボットアーム２０の各関節に設置されており、制御装置９０からの指示によりロボットアーム２０を駆動する駆動源である。ロボットアーム２０は、複数の関節で結合されたアームを備えている。

支持部３０は、支持アーム３２と、トルクリミッタ４０と、ワンウェイクラッチ４２と、を備えている。支持アーム３２は、ロボットアーム２０の末端のアームに固定して取り付けられている。支持アーム３２には、レバー６０の一部を収容する凹部３４が形成されている。凹部３４の底面は、レバー６０が矢印Ａ方向に回転することを禁止する。

トルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とは、レバー６０が回転するときの回転中心になる。トルクリミッタ４０は、軸方向両端を凹部３４の両方の側方部に支持されており、レバー６０の軸受けとして機能する。

トルクリミッタ４０は、レバー６０が矢印Ｂ方向に所定値以上の力を受け、ワンウェイクラッチ４２を介してトルクリミッタ４０に加わるトルクが所定のトルク以上になると、滑って矢印Ｂ方向に回転する。トルクリミッタ４０が滑ることにより、レバー６０はトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とを中心として矢印Ｂ方向に回転する。

ワンウェイクラッチ４２は、レバー６０が矢印Ａ方向に回転することを許可し、矢印Ｂ方向に回転することをクラッチがロックすることにより禁止する。
検出部５０は、凹部３４の底部に取り付けられている。検出部５０は、レバー６０が矢印Ｂ方向に回転し凹部３４の底部からレバー６０が離れたことを検出する。検出部５０は、上下することによりオンオフする機械式のスイッチでもよいし、接触センサでもよい。検出部５０は、レバー６０が凹部３４の底部から離れたことを検出する検出信号を制御装置９０に出力する。

レバー６０は、ＨＩＦＵ照射部７０を支持している。ＨＩＦＵ照射部７０は、患者の患部に向けてＨＩＦＵを照射する。水袋８０は、ＨＩＦＵ照射部７０が照射するＨＩＦＵの伝達媒体となる水で満たされている。

ロボットアーム２０の動きに応じて水袋８０が移動し、水袋８０から患者の患部に力が加わる作用線２００上の位置と、レバー６０が支持部３０のトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とにより支持されている位置とは異なる。つまり、水袋８０から患者の患部に力が加わる位置からオフセットされた位置で、レバー６０は支持部３０のトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とにより支持されている。

制御装置９０は、ＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリとを有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。
制御装置９０は、ＣＰＵが半導体メモリに記憶されているプログラムを実行することにより、ロボットアーム２０の各関節に設置されているモータ１０の回転を制御し、水袋８０を患者の患部に所定の力で押しつける。

［１−２．作動］
レバー６０は、前述したように、支持アーム３２の凹部３４の底面で矢印Ａ方向への回転を禁止され、ワンウェイクラッチ４２に矢印Ｂ方向への回転を禁止されている。したがって、水袋８０が所定値未満の力で患者の患部に押しつけられている場合、レバー６０は矢印Ａ、Ｂのどちらの方向にも回転しない。

これに対し、水袋８０が所定値以上の力で患者の患部に押しつけられることによりレバー６０が矢印Ｂ方向に所定値以上の反力を受けると、トルクリミッタ４０が滑り、ワンウェイクラッチ４２とともに回転する。これにより、レバー６０は図１の点線で示すように矢印Ｂ方向に回転する。

制御装置９０は、レバー６０が矢印Ｂ方向に回転し、凹部３４の底部から離れたことを示す検出信号を検出部５０から入力すると、水袋８０が患者に向けて移動しないようにモータ１０を制御して、ロボットアーム２０の動きを制御する。

［１−３．効果］
（１）水袋８０が所定値以上の力で患者の患部を押し、その反力として水袋８０が矢印Ｂ方向に所定値以上の力を受けると、トルクリミッタ４０が滑り、患者の患部から離れる方向にレバー６０が回転する。これにより、モータ１０と制御装置９０との少なくとも一方に故障等の異常が発生し、ロボットアーム２０の動きを正常に制御できなくても、患者の患部と水袋８０とに所定値以上の力が加わることを抑制できる。

（２）制御装置９０は、レバー６０が矢印Ｂ方向に回転したことを示す検出信号を検出部５０から入力すると、水袋８０が患者の患部に向けて移動しないようにモータ１０を制御して、ロボットアーム２０の動きを制御する。これにより、制御装置９０が正常に作動していれば、制御の点からも患者の患部と水袋８０とに所定値以上の力が加わることを抑制できる。

第１実施形態では、モータ１０が駆動源に対応し、支持部３０が支持部に対応し、凹部３４が規制部に対応し、トルクリミッタ４０が支持部の機械的構造と負荷制限部とに対応し、ワンウェイクラッチ４２が支持部の機械的構造と方向制限部とに対応し、レバー６０とＨＩＦＵ照射部７０と水袋８０とが作業部に対応し、制御装置９０が制御部に対応し、患者の患部が対象物体に対応する。

［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態では、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。尚、第２実施形態において、第１実施形態と同じ符号は同じ構成部材を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態のロボット装置４では、ワーク１２０にはめ込む部材１１０を掴むハンド１００をレバー６０に取り付けている点で、第１実施形態と異なる。尚、図２では、制御装置９０の図示を省略している。

ハンド１００は、基部１０２と、可動部１０４と、接触部１０６とを有している。基部１０２はレバー６０に固定されている。可動部１０４は部材１１０を掴むときに回転または平行移動することにより開き、接触部１０６を介して部材１１０を掴むときに閉じる。

ロボットアーム２０の動きに応じてハンド１００が移動し、ハンド１００がワーク１２０に向けて部材１１０に加える力の作用線２００上の位置と、レバー６０が支持部３０のトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とにより支持されている位置とは異なる。

［２−２．作動］
ハンド１００が部材１１０を掴んだ状態でロボットアーム２０が移動することにより、ワーク１２０の凹部１２２に部材１１０がはめ込まれる。このとき、所定値以上の力で部材１１０が凹部にはめ込まれたり、部材１１０をはめ込む位置がずれてワーク１２０の上面１２４に部材１１０が所定値以上の力で押しつけられたりすると、その反力としてハンド１００に所定値以上の力が矢印Ｂ方向に加わる。

これにより、トルクリミッタ４０に所定値以上のトルクが加わる。すると、トルクリミッタ４０が滑ることにより、図２の点線で示すように、レバー６０はトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とを中心にして矢印Ｂ方向に回転する。

［２−３．効果］
上記２実施形態では、第１実施形態で述べた効果（１）、（２）と同様の効果を得ることができる。尚、第２実施形態では、第１実施形態で述べた効果（１）、（２）において、水袋８０を部材１１０に読み替え、患者の患部をワーク１２０に読み替える。

第２実施形態では、レバー６０とハンド１００と部材１１０とが作業部に対応する。
［３．第３実施形態］
［３−１．第１実施形態との相違点］
第３実施形態では、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。尚、第３実施形態において、第１実施形態と同じ符号は同じ構成部材を示すものであって、先行する説明を参照する。

図３に示す第３実施形態のロボット装置６では、ワーク１４０の硬度を計測する硬度計測部１３０がレバー６０に取り付けられている点で、第１実施形態と異なる。硬度計測部１３０の先端に硬度センサ１３２が取り付けられている。尚、図３では、制御装置９０の図示を省略している。

［３−２．作動］
硬度計測部１３０がレバー６０に取り付けられている状態でロボットアーム２０がワーク１４０に移動して硬度計測部１３０がワーク１４０に接触する。このとき、所定値以上の力で硬度計測部１３０がワーク１４０に押しつけられると、反力として同じ大きさの力を硬度計測部１３０がワーク１４０から受ける。

硬度計測部１３０が受ける反力が所定値以上であり、トルクリミッタ４０に所定値以上のトルクが加わると、トルクリミッタ４０が滑ることにより、レバー６０はトルクリミッタ４０とワンウェイクラッチ４２とを中心にして矢印Ｂ方向に回転する。

［３−３．効果］
上記３実施形態では、第１実施形態で述べた効果（１）、（２）と同様の効果を得ることができる。尚、第３実施形態では、第１実施形態で述べた効果（１）、（２）において、水袋８０を硬度計測部１３０に読み替え、患者の患部をワーク１４０に読み替える。

第３実施形態では、レバー６０と硬度計測部１３０とが作業部に対応し、ワーク１４０が対象物体に対応する。
［４．第４実施形態］
［４−１．第２実施形態との相違点］
第４実施形態と第２実施形態との相違点について以下に説明する。尚、第２実施形態と同じ符号は同じ構成部材を示すものであって、先行する説明を参照する。

図４に示す第４実施形態のロボット装置８では、ハンド１５０の基部１０２に設置された被把持部１５２を、他のハンド１６０が掴んでいる。ハンド１６０は、基部１６２と、可動部１６４と、接触部１６６とを有している。ハンド１６０の基部１６２はロボットアーム２０に固定されている。可動部１６４は、被把持部１５２を掴むときに回転または平行移動することにより開き、接触部１６６を介して被把持部１５２を掴むときに閉じる。

接触部１６６は、被把持部１５２との間に働く摩擦力により被把持部１５２を支持している。ハンド１６０の接触部１６６と被把持部１５２との間に働く摩擦力は、ハンド１５０の接触部１０６と部材１１０との間に働く摩擦力よりも小さくなうように設定されている。

ロボットアーム２０の動きに応じてハンド１５０、１６０がワーク１２０に向けて移動し、部材１１０がワーク１２０に向けてロボットアーム２０から受ける力の作用線２００上で、ハンド１５０はハンド１６０により支持されている。

［４−２．作動］
ハンド１６０がハンド１５０を掴んだ状態でロボットアーム２０が移動してワーク１２０の凹部１２２に部材１１０をはめ込む。このとき、所定値以上の力で部材１１０が凹部にはめ込まれたり、部材１１０をはめ込む位置がずれてワーク１２０の上面１２４に部材１１０が押しつけられたりすると、被把持部１５２は矢印Ｂ方向に力を受ける。この力が、接触部１６６と被把持部１５２との間に矢印Ａ方向に働く摩擦力よりも大きくなると、ハンド１５０は矢印Ｂ方向に移動する。

［４−３．効果］
上記４実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）ハンド１５０の被把持部１５２が矢印Ｂ方向に所定値以上の力を受け、この力が、接触部１６６と被把持部１５２との間に働く摩擦力よりも大きくなると、ハンド１５０を機械的構造で支持しているハンド１６０はハンド１５０が矢印Ｂ方向に移動することを許可する。

これにより、モータ１０と制御装置９０との少なくとも一方に作動不良が発生しても、部材１１０とワーク１２０とが所定値以上の力を受けることを抑制できる。
第４実施形態では、部材１１０とハンド１５０が作業部に対応し、ハンド１６０が支持部に対応し、接触部１６６が支持部の機械的構造に対応する。

［５．他の実施形態］
（１）上記実施形態では、作業部としてＨＩＦＵ照射部７０、ハンド１００、１５０、部材１１０を使用した。これ以外にも、ロボットアーム２０の動きに応じて対象物体に向けて移動し、対象物体に対する作業を行うのであれば、どのような作業部を使用してもよい。

（２）上記第１実施形態から第３実施形態では、レバー６０が対象物体から離れる矢印Ｂ方向に回転したことを示す検出部５０の検出信号を制御装置９０が入力すると、制御装置９０がモータ１０の作動を停止させた。これに対し、検出部として、レバー６０が対象物体から離れる矢印Ｂ方向に回転するときに、機械的な動きによりモータ１０への電力供給を停止させるスイッチを使用してもよい。

（３）上記実施形態における一つの構成要素が有する複数の機能を複数の構成要素によって実現したり、一つの構成要素が有する一つの機能を複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を一つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される一つの機能を一つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。尚、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（４）上述したロボット装置の他、当該ロボット装置を構成要素とするロボットシステム、当該ロボット装置としてコンピュータを機能させるためのロボット制御プログラム、このロボット制御プログラムを記録した記録媒体、ロボット制御方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

２、４、６、８：ロボット装置、１０：モータ（駆動源）、２０：ロボットアーム、３０：支持部、３４：凹部（規制部）、４０：トルクリミッタ（機械的構造、負荷制限部）、４２：ワンウェイクラッチ（機械的構造、方向制限部）、５０：検出部、６０：レバー（作業部）、７０：ＨＩＦＵ照射部（作業部）、８０：水袋（作業部）、１００、１５０：ハンド（作業部）、１１０：部材（作業部）、１３０：硬度計測部（作業部）、１６０：ハンド（支持部）、１６６：接触部（機械的構造）、２００：作用線

Claims (6)

1. ロボットアーム（２０）と、
   前記ロボットアームの動きに応じて対象物体（１２０、１４０）に向けて移動し、前記対象物体に対する作業を行うように構成された作業部（６０、７０、８０、１００、１１０、１３０、１５０）と、
   前記ロボットアームに取り付けられて前記対象物体に向けて移動する前記作業部を支持し、前記作業部が前記対象物体に対する作業を行うことにより所定値以上の力が前記作業部に加わると、前記作業部が前記対象物体から離れる方向に移動することを許可するように構成された機械的構造（４０、４２、１６６）を有する支持部（３０、１６０）と、
   を備えるロボット装置（２、４、６、８）。
2. 請求項１に記載のロボット装置（２、４、６）において、
   前記支持部（３０）は、前記作業部から前記対象物体に力が加わる作用線（２００）上の位置とは異なる位置で前記機械的構造（４０、４２）により前記作業部を支持し、
   前記所定値以上の力が前記作業部に加わると、前記作業部は、前記対象物体から離れる方向に移動するように前記機械的構造（４０、４２）を中心として回転する、
   ロボット装置。
3. 請求項２に記載のロボット装置において、
   前記機械的構造は、前記所定値以上の力が前記作業部に加わると、前記作業部が前記対象物体から離れる方向に回転することを許可するように構成された負荷制限部（４０）を有する、
   ロボット装置。
4. 請求項３に記載のロボット装置において、
   前記機械的構造は、前記対象物体に対する作業のために前記作業部が前記対象物体に向けて回転することを許可し、前記作業部が前記対象物体から離れる方向に回転することを禁止するように構成された方向制限部（４２）を有し、
   前記負荷制限部は、前記所定値以上の力が前記作業部に加わると前記方向制限部と回転することにより、前記作業部が前記対象物体から離れる方向に回転することを許可する、
   ロボット装置。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載のロボット装置において、
   前記支持部は、前記作業部が前記対象物体に向けて回転することを規制する規制部（３４）を有する、
   ロボット装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のロボット装置において、
   前記対象物体から離れる方向に前記作業部が移動したことを検出するように構成された検出部（５０）と、
   前記対象物体から離れる方向に前記作業部が移動したことを前記検出部が検出すると、前記ロボットアームの駆動源（１０）を制御し、前記作業部が前記対象物体に向けて移動することを停止させるように構成された制御部（９０）と、
   をさらに備えるロボット装置。

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