JP2018529534A - 入力要素を備えるロボットアーム - Google Patents

Abstract

本発明は、ｎ＝１，２，・・・，Ｎであるとき、Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_ｎを介してロボット本体に接続可能なＮ個のアーム要素Ａ_ｎを備えるロボットアームであって、ロボットアームの遠位アーム要素Ａ_Ｎの近位端は、関節接続ＧＶ_Ｎを介してアーム要素Ａ_Ｎ−１に接続されており、近位アーム要素の近位端は、関節接続ＧＶ_１を介してロボット本体に接続可能であり、関節接続ＧＶ_Ｎは、回転軸Ｄ_Ｎを中心とするアーム要素Ａ_Ｎの回転を可能とし、ロボットアームのアーム要素Ａ_Ｎは軸Ｌ１に沿って延在し、軸Ｌ１と回転軸Ｄ_Ｎとが５０°〜１３０°の角度を形成し、アーム要素Ａ_Ｎの遠位端は、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とするアクチュエータＥの回転を可能とするアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_Ｎ＋１を介してアクチュエータＥに接続可能であり、回転軸Ｄ_ＮとＤ_Ｎ＋１とは５０°〜１３０°の範囲の角度Ｗ１を形成し、回転軸Ｄ_Ｎ＋１と軸Ｌ１とは５０°〜１３０°の範囲の角度Ｗ２を形成し、アーム要素Ａ_Ｎは、アーム要素にしっかりと接続されて回転軸Ｄ_Ｎ＋１に同心円状に突出するグリップ状の突出部Ｆ１を有し、突出部Ｆ１の自由端ＦＥは、突出部Ｆ１の残りの部分に対して回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能である、または回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能に設けられ、自由端ＦＥは、データの手動入力用の入力要素ＥＥを有する、ロボットアームに関する。このロボットアームは、このタイプのロボットアームを有するロボットの学習プログラミングプロセス中における人間工学的操作の向上を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_ｎを介してロボット本体に接続することができるＮ個のアーム要素Ａ_ｎを備えるロボットアームに関する。また、本発明は、このタイプのロボットアームを有するロボットに関する。

いわゆるロボットのティーチ・プログラミング（「ティーチ・イン」プロセス）は、人間とロボットとの間の相互作用においてありふれたものである。このとき、人間は、ロボットのロボットアーム、特に最終アクチュエータ部分を把持し、ロボットアームに教える動作を行う。このようにすることで、好都合には、ロボットがロボットアームの慣性および固有の重量を相殺することになる。ロボットアームによって実行されるこの動作は、保存され、後でロボットによって自動的に行うことが可能となる。これにより、簡単かつ迅速なロボットのプログラミングが可能となる。当然ながら、ロボットアームの実行および保存された動作の手直しや最適化も可能である。

この「ティーチ・イン」プロセスにおいては、ロボットアームが、様々な位置から把持・ガイドされる必要がある。また、ロボットまたはロボットアームの制御要素および場合によって表示要素が、ティーチ・プログラミングを制御し、ステータス表示またはその他の出力を可能とするために必要とされる。ここで、人間工学的視点からは、これらの制御要素および表示要素が操作しやすく見やすいことが重要である。

本発明の目的は、ロボットアームを有するロボットの人間工学的ティーチ・プログラミングを可能とするロボットアームを提供することである。

本発明は、独立請求項の特徴から明らかである。本発明の実施形態の好都合な改善点については、従属請求項の主題である。本発明のさらなる特徴、適用可能性、および利点は、図に示す本発明の例示的実施形態についての以下の記載および説明から明らかとなる。

本発明の第一の局面は、ｎ＝１，２，・・・，Ｎであるとき、Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_ｎを介してロボット本体に接続可能なＮ個のアーム要素Ａ_ｎを備えるロボットアームに関する。

本発明によれば、提案されるロボットアームは、ロボットアームの遠位アーム要素Ａ_Ｎは、その近位端が関節接続ＧＶ_Ｎを介してアーム要素Ａ_Ｎ−１に接続されており、ロボットアームの近位アーム要素Ａ_１は、その近位端が関節接続ＧＶ_１を介してロボット本体に接続可能であり、関節接続ＧＶ_Ｎは、回転軸Ｄ_Ｎを中心とするアーム要素Ａ_Ｎの回転を可能とし、ロボットアームのアーム要素Ａ_Ｎは、軸Ｌ１に沿って延在し、軸Ｌ１は回転軸Ｄ_Ｎに対する角度が５０°〜１３０°であり、アーム要素Ａ_Ｎの遠位端は、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とするアクチュエータＥの回転を可能とするアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_Ｎ＋１を介してアクチュエータＥに接続可能であることを特徴とする。また、本発明によれば、回転軸Ｄ_ＮとＤ_Ｎ＋１との角度Ｗ１は、５０°〜１３０°の範囲であり、回転軸Ｄ_Ｎ＋１と軸Ｌ１との角度Ｗ２は、５０°〜１３０°の範囲であり、アーム要素Ａ_Ｎは、これに（アーム要素Ａ_Ｎに）しっかりと接続されて回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して同心円状に突出するグリップ状の突出部Ｆ１を有し、突出部の自由端ＦＥは、突出部Ｆ１の残りの部分に対して回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能である、または回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能に設けられ、自由端ＦＥは、データの手動入力用の入力要素ＥＥを有する。

突出部の自由端ＦＥの入力要素ＥＥの提案される構成および設計は、特に、このようなロボットアームを有するロボットのティーチ・プログラミング中における良好な人間工学的操作を特に可能とする。好都合には、入力要素ＥＥを介した情報の入力は、手動、すなわち入力要素ＥＥをタッチまたは手動操作することにより、行われる。

好都合には、入力要素ＥＥは、回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して少なくとも部分的に同心円状の自由端ＦＥに配置されている。すなわち、入力要素ＥＥのうち２個、３個、・・・または全てが、回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して、好都合には回転軸Ｄ_Ｎ＋１と同じ半径で、同心円状に配置されている。突出部Ｆ１が手で把持されて入力要素ＥＥがその手の親指で操作される場合、手の配列が異なっていても、入力要素ＥＥは常に親指が届きやすい、または親指で操作しやすいものとなる。

好都合には、入力要素ＥＥの入力要素ＥＥ_０が回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して軸方向に配置されている。好都合には、この中央入力要素ＥＥ_０は、現在の一次パラメータを入力または制御する機能を果たし、例えば、ティーチ・プログラミングの開始時間や終了時間を入力する。

好都合には、入力要素ＥＥによって入力または制御されるパラメータは、特定のタスクに応じて、都度、自動または手動で可変的に割り当てまたは選択することができる。

好都合には、突出部Ｆ１は、オペレータの手で把持可能であり、手の親指が入力要素ＥＥを操作するための自由端ＦＥに置かれるよう構成される。このため、好都合には、突出部Ｆ１は円柱形状または人間工学的なグリップ形状をとる。

好都合には、自由端ＦＥは、手の親指で入力要素ＥＥを操作するために人間工学的に形成される。このため、一実施形態では、入力要素ＥＥは、回転軸Ｄ_Ｎ＋１に垂直な面に対して５°〜６０°の角度で傾いた面に設けられる。この傾きによって、入力要素ＥＥを人間工学的に操作することができ、特に、操作している手の遠位側の親指関節を、例えば９０°に曲げる必要がない。

好都合には、入力要素ＥＥは、１以上の制御可能な光源を有する光学要素を含む。好都合には、この光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

好都合には、入力要素ＥＥは、ボタンおよび／またはロッカースイッチおよび／またはプッシュボタンおよび／またはスイッチおよび／または回転つまみおよび／またはスライド式コントローラーとして構成される。さらに好都合な実施形態において、入力要素ＥＥは、タッチパッド（タッチセンサー面）またはタッチスクリーン（タッチセンサー画面）の入力フィールドとして構成される。

提案されるロボットアームの発展形として、突出部Ｆ１の自由端ＦＥは、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とする様々な配列で、突出部Ｆ１の残りの部分に（例えば、ラッチまたはクリップ接続によって）着脱可能にしっかりと接続される。すなわち、自由端ＦＥは、ロボットアームにしっかりと接続された突出部Ｆ１の残りの部分から取り外すことができ、回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して回転させた突出部Ｆ１の残りの部分の別の場所で用いることができる。これにより、入力要素ＥＥを、突出部Ｆ１を把持する手に対する配列に関して、都度、最適な方向に向けることができる。ただし、この配列は、自由端ＦＥを毎回取り外して新しい角度で突出部Ｆ１の残りの部分に接続し直す必要がある。

ロボットアームの特に好都合な実施形態において、突出部Ｆ１の自由端ＦＥは、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心として回転可能に、突出部の残りの部分にしっかりと接続される。この実施形態では、好都合には、自由端ＦＥは回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心として自由に（すなわち止まることなく）回転可能である。先の発展形で説明した自由端ＦＥの取り外しと再接続は、この実施形態では必要とならない。

発展形は、自由端ＦＥと突出部Ｆ１の残りの部分との間に、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とした指定の分解能での自由端ＦＥの回転を可能にする機械および／または電気および／または磁気ラッチ装置が設けられることを特徴とする。特に、これにより、自由端ＦＥが突出部Ｆ１の残りの部分に対して不必要に回転することが防止される。あるラッチ位置から隣接するラッチ位置へと動かすためには、自由端ＦＥに指定の力または指定のトルクを加える必要がある。好都合には、この力またはトルクは、突出部Ｆ１に対する手の把持配列が異なっても入力要素の人間工学的操作が可能であるよう選択される。好都合には、この力またはトルクは、必要に応じて可変的に指定可能である。

発展形は、画像および／または英数字情報を出力する出力部がアーム要素Ａ_Ｎに設けられることを特徴とする。これにより、例えばティーチ・プログラミングの実行中に、関連する情報の表示または出力が可能となる。

発展形は、ロボットアーム、または特にアーム要素Ａ_Ｎが、出力部としてスマートフォンを接続可能なインターフェースを有することを特徴とする。このインターフェースは、機械的／電気的インターフェース、または無線インターフェース（例えばブルートゥース（登録商標）や無線ＬＡＮ等）であってもよい。

発展形は、アクチュエータＥまたは関節接続ＧＶ_Ｎ＋１とアクチュエータＥとの間に配された中間部ＺＷに突出部Ｆ２が形成され、当該突出部は回転軸Ｄ_Ｎ＋１に垂直に突出して手で把持することができることを特徴とする。特に、この種の突出部Ｆ２は、ロボットアームのより繊細で正確なガイドまたは操作を可能とする。このようにすることにより、突出部Ｆ１と突出部Ｆ２とがそれぞれオペレータの別の手で把持またはガイドされる。

発展形は、１以上の入力要素ＥＥ_ＺＷが、突出部Ｆ２を把持する手の親指が届く範囲で中間部ＺＷに配置されることを特徴とする。これにより、入力要素ＥＥおよび／または入力要素ＥＥ_ＺＷを介した入力処理が可能となる。

特に好適な実施形態において、冒頭で述べた角度には、Ｗ１＝９０°および／またはＷ２＝９０°が選択される。

本発明の別の局面は、上記のロボットアームを備えるロボットに関する。

好都合には、ロボットは、ロボットアームの機械的状態Ｚ（ｔ）を検出するセンサと、入力要素ＥＥおよび／またはＥＥ_ＺＷを介して入力ＥＧ（ｔ）を検出するユニットと、状態Ｚ（ｔ）および入力ＥＧ（ｔ）を評価して評価結果ＡＷ（ｔ）を決定するユニットと、評価結果ＡＷ（ｔ）を保存する保存部とを備える。

好都合には、評価結果ＡＷ（ｔ）は、ロボットアームを制御する制御命令である。したがって、提案されるロボットは、特にオペレータの機械的ガイドにより生成されるロボットアームの状態Ｚ（ｔ）の検出、入力要素ＥＥおよび／またはＥＥ_ＺＷを介したオペレータ入力の検出、検出された状態Ｚ（ｔ）および入力の評価、ならびに、これらを特にロボットアームの入力された動作を実行する制御命令を構成する評価結果ＡＷ（ｔ）へ変換することを可能とする。

ここで、好都合には、機械的状態Ｚ（ｔ）は、ロボットアームの位置決め、ロボットアームの位置決め時間に対する派生物、および／またはロボットアームに生じてこれに作用する力およびモーメントを意味するものとして理解される。当然ながら、状態Ｚ（ｔ）は、タスクや要件に応じて、時間依存の状態パラメータを含んでもよい。好都合には、入力ＥＧ（ｔ）を検出するユニットは、入力要素ＥＥおよび／またはＥＥ_ＺＷと、入力要素に接続された処理部ＰＥ１とを含むことができる。好都合には、状態Ｚ（ｔ）を評価するユニットは、適切な評価プログラムを実行可能なコンピュータまたは処理部ＰＥ２である。好都合には、処理部ＰＥ１およびＰＥ２は、同一である。

さらなる利点、特徴、および詳細は、少なくとも１の例示的実施形態について適宜図面を参照して詳細に記載する以下の説明に見ることができる。
図１は、提案されるロボットアームの例示的実施形態を示す模式的部分図である。

図１は、提案されるロボットアームの例示的実施形態を示す模式図である。図に各部を示すロボットアームは、ｎ＝１，２，・・・，Ｎであるとき、Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_ｎを介してロボット本体に接続することができるＮ個のアーム要素Ａ_ｎを有している。図１には、アーム要素Ａ_Ｎ−１およびＡ_Ｎのみを示す。図に各部を示すロボットアームは、ロボットアームの遠位アーム要素Ａ_Ｎは、その近位端が関節接続ＧＶ_Ｎを介してアーム要素Ａ_Ｎ−１に接続されており、近位アーム要素Ａ_１は、その近位端が関節接続ＧＶ_１を介してロボット本体（不図示）に接続可能であり、関節接続ＧＶ_Ｎは、回転軸Ｄ_Ｎを中心とするアーム要素Ａ_Ｎの回転を可能とし、ロボットアームのアーム要素Ａ_Ｎは、軸Ｌ１に沿って延在し、軸Ｌ１は回転軸Ｄ_Ｎに対する角度が９０°であり、アーム要素Ａ_Ｎの遠位端は、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とするアクチュエータＥ（不図示）の回転を可能とするアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_Ｎ＋１を介してアクチュエータＥに接続可能であり、回転軸Ｄ_ＮとＤ_Ｎ＋１との角度Ｗ１は、９０°の範囲であり、回転軸Ｄ_Ｎ＋１と軸Ｌ１との角度Ｗ２は、９０°であることを特徴とする。

また、図に各部を示すロボットアームは、アーム要素Ａ_Ｎは、アーム要素Ａ_Ｎにしっかりと接続されて回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して同心円状に突出するグリップ状の突出部Ｆ１を有し、突出部Ｆ１の自由端ＦＥは、突出部Ｆ１の残りの部分に対して回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能に設けられ、自由端ＦＥは、データの手動入力用の入力要素ＥＥを有することを特徴とする。

ここで、自由端ＦＥは、合計４つの互いに９０°の角度で異なる配列で２個のクリップにより突出部Ｆ１の残りの部分に着脱可能に固定されている。ここで、突出部Ｆ１の断面は、角が丸まった略正方形となっている。

軸方向に設けられた４つの入力要素ＥＥ、軸方向に設けられた中央入力要素ＥＥ、および傾斜面に配置されたさらに合計３つの入力要素ＥＥが、着脱可能な自由端ＦＥの上面に設けられている。着脱可能端ＦＥと突出部Ｆ１の残りの部分との間での入力要素ＥＥの信号の電気的送信は、好都合には、有線、またはスリップリング送信、または無線送信によって行われる。

好都合には、入力要素ＥＥは少なくとも部分的に光学要素を含んでおり、これによって、例えば現在の入力ステータスを出力することができ、および／または現在アクティブな入力要素ＥＥを識別する機能を果たし、および／または単に入力要素ＥＥを照らす役割を果たす。また、好都合には、ロボットアームは聴覚および／または視覚出力部を有し、これによって入力要素ＥＥの操作とともに生成されるステータスを聴覚的および／または視覚的に出力することができる。これにより、ロボットのステータスまたはアラームを出力部を経由して出力することができる。

着脱可能な自由端ＦＥの柔軟な構成は、オペレータが様々な視点や把持方向で行えるようにするための適切な配列を可能とする。

以上、好適な実施形態により本発明を詳細に図示・説明したが、本発明は開示された例に限定されるものではなく、当業者には、ここから、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、その他の変形例を導き出すことが可能である。したがって、多様な変形例の可能性があることは明らかである。同様に、例として上述した実施形態は、本発明の保護の範囲、適用可能性、または構成を限定するものとしてみなすべきではなく単なる例にすぎない。むしろ、上述の説明および図面の説明は、当業者が例示的実施形態を具体的に実施することを可能するものであり、開示された発明の着想についての知識があれば、当業者には、例えば例示的実施形態で説明した個々の要素の機能または構成について、請求項およびその法的等価物によって規定される保護の範囲から逸脱することなく、本明細書においてさらに説明されるような、様々な変更を行うことができる。

Claims (10)

1. ｎ＝１，２，・・・，Ｎであるとき、Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_ｎを介してロボット本体に接続可能なＮ個のアーム要素Ａ_ｎを備えるロボットアームであって、
   前記ロボットアームの遠位アーム要素Ａ_Ｎは、その近位端が前記Ｎ個のアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_Ｎを介してアーム要素Ａ_Ｎ−１に接続されており、
   近位アーム要素Ａ_１は、その近位端が関節接続ＧＶ_１を介して前記ロボット本体に接続可能であり、
   前記関節接続ＧＶ_Ｎは、回転軸Ｄ_Ｎを中心とする前記アーム要素Ａ_Ｎの回転を可能とし、
   前記ロボットアームのアーム要素Ａ_Ｎは、軸Ｌ１に沿って延在し、前記軸Ｌ１は前記回転軸Ｄ_Ｎに対する角度が５０°〜１３０°であり、
   前記アーム要素Ａ_Ｎの遠位端は、回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とする前記アクチュエータＥの回転を可能とするアクチュエータ駆動式関節接続ＧＶ_Ｎ＋１を介してアクチュエータＥに接続可能であり、
   前記回転軸Ｄ_ＮとＤ_Ｎ＋１との角度Ｗ１は、５０°〜１３０°の範囲であり、
   前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１と前記軸Ｌ１との角度Ｗ２は、５０°〜１３０°の範囲であり、
   前記アーム要素Ａ_Ｎは、これにしっかりと接続されて前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１に対して同心円状に突出するグリップ状の突出部Ｆ１を有し、
   前記突出部Ｆ１の自由端ＦＥは、前記突出部Ｆ１の残りの部分に対して前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能である、または前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心に回転可能に設けられ、
   前記自由端ＦＥは、データの手動入力用の入力要素ＥＥを有する、ロボットアーム。
2. 前記入力要素ＥＥは、前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１に垂直な面に対して５°〜６０°の角度で傾いた面に設けられる、請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記自由端ＦＥは、前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とする様々な配列で、前記突出部Ｆ１の残りの部分に（例えば、ラッチまたはクリップ接続によって）着脱可能にしっかりと接続される、請求項１から２のいずれか１項に記載のロボットアーム。
4. 前記自由端ＦＥは、前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心として回転可能に、前記突出部Ｆ１の残りの部分にしっかりと接続される、請求項１から３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
5. 前記自由端ＦＥと前記突出部Ｆ１の残りの部分との間に、前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１を中心とした指定の分解能での前記自由端ＦＥの回転を可能にする機械および／または電気および／または磁気ラッチ装置が設けられる、請求項１から４のいずれか１項に記載のロボットアーム。
6. 前記アクチュエータＥまたは前記関節接続ＧＶ_Ｎ＋１と前記アクチュエータＥとの間に配された中間部ＺＷに突出部Ｆ２が形成され、当該突出部は前記回転軸Ｄ_Ｎ＋１に垂直に突出して手で把持することができる、請求項１から５のいずれか１項に記載のロボットアーム。
7. １以上の入力要素ＥＥ_ＺＷが、前記手の親指が届く範囲で前記中間部ＺＷに配置される、請求項６に記載のロボットアーム。
8. ロボットであって、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットアームを備えるロボット。
9. 請求項８に記載のロボットであって、
   ・前記ロボットアームの機械的状態Ｚ（ｔ）を検出するセンサと、
   ・前記入力要素を介して入力ＥＧ（ｔ）を検出するユニットと、
   ・前記状態Ｚ（ｔ）および前記入力ＥＧ（ｔ）を評価して評価結果ＡＷ（ｔ）を決定するユニットと、
   ・前記評価結果ＡＷ（ｔ）を保存する保存部と、を備える、ロボット。
10. 前記評価結果ＡＷ（ｔ）は、前記ロボットアームを制御する制御命令、または前記ロボットおよび／またはそのパラメータの制御プログラムを変更する制御命令である、請求項９に記載のロボット。

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