JP2020001150A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームを制御できない場合でも、作業部が対象物体に過度に強く押し付けられることを抑制できるロボット装置を提供すること。【解決手段】ロボット装置１は、先端部５３に作業部５５を取り付け可能なロボットアーム３と、前記ロボットアームの根元部３１を保持する基台５とを備える。前記基台は、前記根元部が第１の位置と第２の位置との間を移動可能となるように、前記根元部を保持する。前記先端部に荷重が加わっていない場合、前記ロボットアームに作用する重力により、前記根元部は前記第１の位置にある。前記先端部に閾値を超える大きさの荷重が加わった場合、前記根元部は、前記荷重により、前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動する。【選択図】図１

Description

本開示はロボット装置に関する。

特許文献１に、ロボットアームと、作業部とを備えるロボット装置が開示されている。作業部はロボットアームの先端に取り付けられている。ロボット装置は、ロボットアームを制御し、作業部を対象物体に接近させる。作業部は、対象物体に対する作業を行う。

特開２０１８−１２１４３号公報

作業部を対象物体に過度に強く押し付けると、作業部又は対象物体に問題が生じることがある。その対策として、以下の方法が考えられる。作業部が対象物体に加える荷重の大きさを検出するセンサを作業部に設ける。センサが検出した荷重の大きさが閾値より大きい場合、対象物体から作業部が遠ざかるように、ロボットアームを制御する。

しかしながら、停電、システムダウン等のため、ロボットアームを制御できない場合は、上記の方法では、作業部を対象物体から遠ざけることができない。本開示は、ロボットアームを制御できない場合でも、作業部が対象物体に過度に強く押し付けられることを抑制できるロボット装置を提供する。

本開示の一局面は、先端部（５３）に作業部（５５）を取り付け可能なロボットアーム（３）と、前記ロボットアームの根元部（３１）を保持する基台（５）と、を備えるロボット装置（１、１０１、２０１）であって、前記基台は、前記根元部が第１の位置と第２の位置との間を移動可能となるように、前記根元部を保持し、前記先端部に荷重が加わっていない場合、前記ロボットアームに作用する重力により、前記根元部は前記第１の位置にあり、前記先端部に閾値を超える大きさの荷重が加わった場合、前記根元部は、前記荷重により、前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動するロボット装置である。

本開示の一局面であるロボット装置によれば、ロボットアームを制御できない場合でも、作業部が対象物体に過度に強く押し付けられることを抑制できる。
なお、この欄及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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

根元部が第１の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。 根元部が第２の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。 ロボット装置の電気的構成を表すブロック図である。 根元部が第１の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。 根元部が第２の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。 図４におけるＶＩ方向から見た平行リンク機構を表す説明図である。 根元部が第１の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。 根元部が第２の位置にあるロボット装置の構成を表す説明図である。

本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．ロボット装置１の構成
図１〜図３に基づき、ロボット装置１の構成を説明する。ロボット装置１は、ロボットアーム３と、基台５と、を備える。ロボットアーム３は、複数の関節で連結された複数のリンクを有する。ロボットアーム３は、６自由度の動きを実現する。

基台５は、床７に固定されている。基台５の基本的な形状は直方体である。基台５は、凹部９と、下側プレート１１と、上側プレート１３と、シリンダー１５、１７と、シャフト１９、２１と、スプリング２３と、リミットスイッチ２５と、を備える。

凹部９は、基台５の上面２７に形成されている。凹部９は、その周囲より一段掘り下げられた形状を有する。下側プレート１１は板状の部材である。下側プレート１１は、凹部９における底面２９に固定されている。

上側プレート１３は板状の部材である。上側プレート１３は、ロボットアーム３の根元部３１に固定されている。根元部３１は、ロボットアーム３のうち、後述する先端部５３とは反対側の端部である。上側プレート１３の幅は、凹部９の幅より大きい。
シリンダー１５、１７は、円筒状の部材である。シリンダー１５、１７は、軸方向における一方の端部において、下側プレート１１に固定されている。シリンダー１５、１７は、下側プレート１１から、上方に突出している。シリンダー１５、１７の軸方向は、鉛直方向と平行である。

シャフト１９、２１は、円柱状の部材である。シャフト１９、２１は、軸方向における一方の端部において、上側プレート１３の下面に固定されている。シャフト１９、２１は、上側プレート１３から、下方に突出している。シャフト１９、２１の軸方向は、鉛直方向と平行である。シャフト１９、２１のうち、下端を含む一部は、シリンダー１５、１７に差し込まれている。シャフト１９、２１は、シリンダー１５、１７にガイドされながら、上下方向に移動することができる。

根元部３１は、上側プレート１３を介して、シャフト１９、２１に固定されている。そのため、根元部３１も、上下方向に移動することができる。
根元部３１が最も下側に移動したとき、図１に示すように、上側プレート１３が、上面２７のうち、凹部９の周辺部分に当接する。このときの根元部３１の位置を、第１の位置とする。

図２に示すように、第１の位置よりも、所定距離だけ上昇した根元部３１の位置を、以下では第２の位置とする。根元部３１は、第１の位置と第２の位置との間を移動可能である。基台５は、根元部３１が第１の位置と第２の位置との間を移動可能となるように、根元部３１を保持する。根元部３１が第２の位置にある場合、第１の位置にある場合より、後述する先端ユニット５５は患者４９から離れる。

スプリング２３の一方の端部は下側プレート１１に固定され、スプリング２３の他方の端部は、上側プレート１３に固定されている。スプリング２３は、上側プレート１３及び根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けて付勢する。スプリング２３は付勢ユニットに対応する。

リミットスイッチ２５は、上側プレート１３及び根元部３１が、第１の位置から第２の位置に向けて移動したことを検出するスイッチである。リミットスイッチ２５は検出ユニットに対応する。

図３に示すように、ロボット装置１は、制御装置３３と、ＨＩＦＵ制御部３５と、超音波診断部３７と、ロボット制御部３９と、をさらに備える。
制御装置３３は、ＣＰＵ４５と、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等の半導体メモリ（以下、メモリ４７とする）と、を有するマイクロコンピュータを備える。制御装置３３の各機能は、ＣＰＵ４５が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ４７が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御装置３３は、１つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。

ＨＩＦＵ制御部３５は、後述するＨＩＦＵ照射部５７のアンプを備える。また、ＨＩＦＵ制御部３５は、ＨＩＦＵ照射部５７による超音波の照射を開始したり、停止したりする。また、ＨＩＦＵ制御部３５は、ＨＩＦＵ照射部５７が照射する超音波の出力を調整する。

超音波診断部３７は、後述する診断プローブ５９を用いて、超音波画像を取得する。超音波画像は、患者４９の体内を表す画像である。図１、図２に示すように、超音波診断部３７はモニタ５１を備えている。超音波診断部３７は超音波画像をモニタ５１に表示することができる。ロボット制御部３９は、ロボットアーム３の動作を制御する。

ロボットアーム３の先端部５３には、先端ユニット５５が取り付けられている。先端ユニット５５は作業部に対応する。先端ユニット５５は、ＨＩＦＵ照射部５７、診断プローブ５９、水袋６１、操作部６３、操作用力覚センサ６５、及び監視用力覚センサ６７を備える。

ＨＩＦＵ照射部５７は、焦点に集束した超音波（以下では集束強力超音波とする）を患者４９の体に照射する。水袋６１は、ＨＩＦＵ照射部５７と患者４９との間に位置する。水袋６１は患者４９に押し当てられる。

診断プローブ５９は、超音波を用いて、患者４９の体内を表す超音波画像を作成する。診断プローブ５９は超音波画像を超音波診断部３７に送る。
操作部６３は、術者が把持可能なハンドルである。操作部６３は術者により操作される。操作用力覚センサ６５は、術者によって操作部６３に加えられた力の大きさと方向とを検出する。ロボット制御部３９は、操作用力覚センサ６５が検出した力の大きさと方向とに応じてロボットアーム３を動作させる。監視用力覚センサ６７は、患者４９の体が先端ユニット５５に加える力を検出する。

２．ロボット装置１が実行する処理
ロボット装置１を使用しているとき、通常は、ロボットアーム３に作用する重力により、図１に示すように、根元部３１は第１の位置にある。

先端ユニット５５が患者４９に強く押し付けられると、先端部５３に上向きの荷重が加わる。上向きの荷重の大きさが閾値を超えると、図２に示すように、根元部３１は第１の位置から第２の位置に向けて移動する。このとき、先端ユニット５５は上方に移動し、患者４９から離れる。

リミットスイッチ２５は、根元部３１が第１の位置から第２の位置に向けて移動したことを検出する。リミットスイッチ２５は、検出結果を制御装置３３に出力する。制御装置３３は、ロボットアーム３の機能、先端ユニット５５の機能、又はその両方の機能を制限する。制御装置３３は機能制限ユニットに対応する。

ロボットアーム３の機能の制限として、例えば、ロボットアーム３を停止すること、ロボットアーム３の動作速度を遅くすること等が挙げられる。先端ユニット５５の機能の制限として、例えば、集束強力超音波の照射を停止すること、集束強力超音波の出力を低下させること、先端ユニット５５の電源をオフにすること等が挙げられる。

３．ロボット装置１が奏する効果
（１Ａ）ロボット装置１によれば、先端ユニット５５が患者４９に強く押し付けられることを抑制できる。また、停電、システムダウン等のため、先端ユニット５５が患者４９に押し付けられた状態でロボットアーム３を制御できなくなった場合でも、術者がロボットアーム３を持ち上げると、根元部３１が第１の位置から第２の位置に向けて移動し、先端ユニット５５が患者４９から離れる。

（１Ｂ）ロボット装置１は、スプリング２３を備える。スプリング２３は、根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けて付勢する。そのため、先端部５３に加わる荷重の大きさが、ロボットアーム３の質量に比べて小さくても、根元部３１は、第１の位置から第２の位置に向けて移動することができる。

（１Ｃ）基台５は、根元部３１が上下方向に移動可能となるように、根元部３１を保持する。そのため、根元部３１を保持する機構を簡略化できる。
（１Ｄ）根元部３１が第１の位置から第２の位置に向けて移動したことをリミットスイッチ２５が検出した場合、ロボット装置１は、ロボットアーム３の機能、先端ユニット５５の機能、又はその両方の機能を制限する。そのことにより、患者４９の安全性が一層向上する。
＜第２実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第２実施形態は、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。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態のロボット装置１では、基台５は、根元部３１が上下方向に移動可能となるように、根元部３１を保持する。これに対し、第２実施形態のロボット装置１０１では、基台５は、平行リンク機構により、根元部３１を移動させる点で、第１実施形態と相違する。

図４、図５に示すように、基台５は、リンクユニット６９、７０を備える。図６に示すように、リンクユニット６９は、リンク板７１、７３と、回転軸７５、７７と、軸受け７９、８１、８３、８５と、第１ギア８７と、ワンウエイクラッチ８９と、第２ギア９１と、ハンドル９３と、を備える。

リンク板７１、７３は、それぞれ、細長い板状部材である。回転軸７５は、リンク板７１、７３の上端付近でそれらを貫通する棒状部材である。回転軸７５は、リンク板７１、７３に対し固定されている。回転軸７７は、リンク板７１、７３の下端付近でそれらを貫通する棒状部材である。回転軸７７は、リンク板７１、７３に対し固定されている。

軸受け７９、８１は、上側プレート１３の下面に設けられている。軸受け７９、８１は、回転軸７５を回転可能に軸支する。軸受け８３、８５は、下側プレート１１の上面に設けられている。軸受け８３、８５は、回転軸７７を回転可能に軸支する。

第１ギア８７は、回転軸７７の一方の端部に対し、ワンウエイクラッチ８９を介して取り付けられている。ワンウエイクラッチ８９は、根元部３１が第１の位置から第２の位置に向けて移動するときは、第１ギア８７を、回転軸７７に対し空回りさせる。一方、ワンウエイクラッチ８９は、根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動しようとするときは、第１ギア８７を、回転軸７７に対し固定する。

第２ギア９１は、第１ギア８７と噛み合っている。第２ギア９１の直径は第１ギア８７の直径より小さい。第２ギア９１は、図示しない支持機構により回転可能に支持されている。ハンドル９３は、第２ギア９１と連結されている。第２ギア９１は、回転運動にブレーキをかけるロータリダンパ９４に接続されている。

リンクユニット７０は、リンクユニット６９と同様の構成を有する。図４、図５に示すように、リンクユニット６９、７０は平行リンク機構を構成する。
図４に示すように、上側プレート１３が、上面２７のうち、凹部９の周辺部分に当接するときの根元部３１の位置を、第１の位置とする。図５に示すように、第１の位置よりも、所定距離だけ上昇した根元部３１の位置を、第２の位置とする。根元部３１が第２の位置にある場合、第１の位置にある場合より、先端ユニット５５は患者４９から離れる。

スプリング２３の上端は、上側保持部９５を介して上側プレート１３に取り付けられている。上側保持部９５は、上側プレート１３に対するスプリング２３の向きを変化させることができる。スプリング２３の下端は、下側保持部９７を介して下側プレート１１に取り付けられている。下側保持部９７は、下側プレート１１に対するスプリング２３の向きを変化させることができる。

２．ロボット装置１０１が奏する効果
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１Ａ）、（１Ｂ）、（１Ｄ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２Ａ）基台５は、平行リンク機構により、根元部３１を移動させる。そのため、術者は、ロボットアーム３に対し、斜め上方向きの力を加えることで、根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けて移動させることができる。そのため、根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けて移動させることが一層容易である。また、先端ユニット５５の位置が変化しても、根元部３１を移動させるために要する荷重の大きさが変化しにくい。さらに、ロボット装置１０１の製造コスト及びメンテナンスの手間を低減できる。

（２Ｂ）根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動しようとするとき、ワンウエイクラッチ８９は、第１ギア８７を、回転軸７７に対し固定する。ロータリダンパ９４は、第１ギア８７、及び第２ギア９１の回転運動にブレーキをかけるため、回転軸７７を回転させるために要するトルクが大きくなる。そのため、根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動しようとするとき、リンクユニット６９、７０は動作し難くなる。すなわち、リンクユニット６９、７０は、根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動することを制限する。そのことにより、根元部３１が第２の位置に移動した後に、先端ユニット５５が患者４９の上に落下してしまうことを抑制できる。第１ギア８７、ワンウエイクラッチ８９、及び第２ギア９１は、移動制限ユニットに対応する。

術者は、ハンドル９３を回すことにより、根元部３１を第２の位置から第１の位置に向けて移動させることができる。
なお、ワンウエイクラッチ８９は、根元部３１が第１の位置から第２の位置に向けて移動するときは、第１ギア８７を、回転軸７７に対し空回りさせる。そのため、リンクユニット６９、７０は、根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けてスムーズに移動させることができる。
＜第３実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第３実施形態は、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。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態のロボット装置１では、基台５は、根元部３１が上下方向に移動可能となるように、根元部３１を保持する。これに対し、第３実施形態のロボット装置２０１では、基台５は、根元部３１が回転可能となるように、根元部３１を保持する点で、第１実施形態と相違する。

図７、図８に示すように、基台５は、下側連結部９９と、上側連結部１０３と、を備える。下側連結部９９は底面２９に取り付けられ、上方に突出している。上側連結部１０３は上側プレート１３の下面に取り付けられている。上側連結部１０３は、下側連結部９９の上端に回転可能に連結されている。上側連結部１０３が下側連結部９９に対し回転することにより、根元部３１は、基台５に対し回転する。よって、基台５は、根元部３１が回転可能となるように、根元部３１を保持する。

図７に示すように、根元部３１が反時計方向に回転してゆくと、上側プレート１３のうち、上側連結部１０３側の端部が、上面２７のうち、凹部９の周辺部分に当接する。このときの根元部３１の位置を、第１の位置とする。図８に示すように、第１の位置よりも、時計方向に回転した根元部３１の位置を、第２の位置とする。根元部３１が第２の位置にある場合、第１の位置にある場合より、先端ユニット５５は患者４９から離れる。

スプリング２３の上端は、上側保持部９５を介して上側プレート１３に取り付けられている。上側保持部９５は、上側プレート１３に対するスプリング２３の向きを変化させることができる。スプリング２３の下端は、下側保持部９７を介して下側プレート１１に取り付けられている。下側保持部９７は、下側プレート１１に対するスプリング２３の向きを変化させることができる。スプリング２３は、根元部３１を、第１の位置から第２の位置に向けて付勢する。

２．ロボット装置２０１が奏する効果
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１Ａ）、（１Ｂ）、（１Ｄ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（３Ａ）基台５は、根元部３１が回転可能となるように、根元部３１を保持する。そのため、根元部３１を保持する機構を簡略化できる。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）先端ユニット５５の代わりに、他の作業部を先端部５３に取り付けてもよい。他の作業部として、例えば、各種製品の製造ラインで使用される作業部等が挙げられる。作業部は、例えば、物品をつかむ、ネジを回す、溶接を行う等の作業を行う。

（２）付勢ユニットとして、スプリング２３の代わりに、ゴム等の弾性体を用いてもよい。
（３）第２実施形態において、根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動することを制限するための構成として、ワンウエイクラッチ８９の代わりに、ラチェット機構、ワンウエイトルクヒンジ等を用いてもよい。
第２実施形態において、第１ギア８７をウォームホイールとし、第２ギア９１をウォームギアとすることができる。この場合、ロータリダンパ９４を必ずしも設けなくとも、ウォームギアのセルフロック特性により、根元部３１が第２の位置から第１の位置に向けて移動することを制限できる。

（４）先端ユニット５５に、患者４９から受ける荷重を検出するセンサを設けてもよい。そのセンサで検出した荷重が所定の閾値以上である場合、先端ユニット５５が患者４９から遠ざかる方向に、ロボットアーム３を制御することができる。

（５）上記実施形態における１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、１つの構成要素が有する１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、１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１つの機能を、１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。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（６）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システム、制御装置３３としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、ロボット制御方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１、１０１、２０１…ロボット装置、３…ロボットアーム、５…基台、２３…スプリング、２５…リミットスイッチ、３１…根元部、３３…制御装置、５３…先端部、５５…先端ユニット

Claims (7)

1. 先端部（５３）に作業部（５５）を取り付け可能なロボットアーム（３）と、
   前記ロボットアームの根元部（３１）を保持する基台（５）と、
   を備えるロボット装置（１、１０１、２０１）であって、
   前記基台は、前記根元部が第１の位置と第２の位置との間を移動可能となるように、前記根元部を保持し、
   前記先端部に荷重が加わっていない場合、前記ロボットアームに作用する重力により、前記根元部は前記第１の位置にあり、前記先端部に閾値を超える大きさの荷重が加わった場合、前記根元部は、前記荷重により、前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動するロボット装置。
2. 請求項１に記載のロボット装置であって、
   前記根元部を、前記第１の位置から前記第２の位置に向けて付勢する付勢ユニット（２３）をさらに備えるロボット装置。
3. 請求項１又は２に記載のロボット装置であって、
   前記基台は、前記根元部が上下方向に移動可能となるように、前記根元部を保持するロボット装置。
4. 請求項１又は２に記載のロボット装置であって、
   前記基台は、平行リンク機構により、前記根元部を移動させるロボット装置。
5. 請求項１又は２に記載のロボット装置であって、
   前記基台は、前記根元部が回転可能となるように、前記根元部を保持するロボット装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置であって、
   前記根元部が前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動したことを検出するように構成された検出ユニット（２５）と、
   前記根元部が前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動したことを前記検出ユニットが検出した場合、前記作業部又は前記ロボットアームの機能を制限するように構成された機能制限ユニット（３３）と、
   をさらに備えるロボット装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボット装置であって、
   前記根元部が前記第２の位置から前記第１の位置に向けて移動することを制限する移動制限ユニット（８７、８９、９１）をさらに備えるロボット装置。

Images