JP2023023440A - ロボットアームおよび飛行ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】アーム作動時の重心変化を抑制する。【解決手段】軸方向に移動するロッドと、ロッドの駆動力を発生させるアクチュエータと、アクチュエータに電力を供給するバッテリと、ロッドを軸方向の一方向に移動させるときにアクチュエータで発生した駆動力を、ロッドを一方向に移動させる力、及び、アクチュエータ及びバッテリを一方向とは逆方向である他方向に移動させる力として伝達する動力伝達機構と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットアームおよび飛行ロボットに関する。

近年では、無人飛行体が様々な用途に利用され、その開発が盛んに行われている。無人飛行体としては、無線操縦される無人ヘリコプタや、いわゆるドローンが利用されている。ここで、無人飛行体にアームを取り付けて、様々な作業を行わせる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、果物をアームで保持したときの重心の変化をバッテリまたはモータの移動によって相殺して、機体を安定させることが記載されている。

特表２０１９－５３７１６１号公報

例えば、４枚のプロペラを有するドローンでは、水平方向に移動するときに、進行方向側のプロペラの推力を、進行方向とは逆側のプロペラの推力よりも相対的に低下させる。これにより、機体が傾くために水平方向に移動が可能となる。ここで、アームを対象物に接触させようとした場合、機体を傾けることで対象物に近付くことができる。しかし、アームが対象物に接触した後に各プロペラの推力を略同じにして機体を空中で静止させようとすると、機体の角度が変化することにより、アームが対象物に接触する位置がずれてしまう。したがって、対象物の特定の部位にアームを接触させることが困難になり得る。

また、４枚のプロペラを有するドローンでは、４枚のプロペラの推力がたとえ同じであったとしても、外乱等によって機体が傾くと水平方向に移動してしまう。ここで、アームが対象物に接触すると、対象物から反力を受けることにより機体が傾いて、機体が水平方向に移動してしまう。したがって、空中で静止しつつ対象物に接触することが困難になり得る。これに対し、機体の姿勢を安定させるために、例えば、プロペラを追加することも考えられるが、専用の機体構成および制御が必要になってしまう。また、機体を空中で静止させた状態でアームを伸張さて対象物に近付けることにより機体の姿勢を安定させることも考えられるが、アームを伸縮させることにより重心の位置が変化すると、機体が傾いてしまい、対象物の特定の部位にアームを接触させることが困難になり得る。

本発明は、上記したような種々の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、アーム作動時の重心変化を抑制することにある。

本発明の態様の一つは、軸方向に移動するロッドと、
前記ロッドの駆動力を発生させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに電力を供給するバッテリと、
前記ロッドを前記軸方向の一方向に移動させるときに前記アクチュエータで発生した駆動力を、前記ロッドを前記一方向に移動させる力、及び、前記アクチュエータ及び前記バッテリを前記一方向とは逆方向である他方向に移動させる力として伝達し、前記ロッドを前記他方向に移動させるときに前記アクチュエータで発生した駆動力を、前記ロッドを前記他方向に移動させる力、及び、前記アクチュエータ及び前記バッテリを前記一方向に移
動させる力として伝達する動力伝達機構と、
を備えるロボットアームである。

また、本発明の態様の一つは、上記のロボットアームを備える飛行ロボットである。

本発明によれば、アーム作動時の重心変化を抑制することができる。

実施形態に係るロボットアームを備えた飛行ロボットの概略構成の一例を示した図である。 実施形態に係るロボットアームの概略構成の一例を示した図である。 実施形態に係るロボットアームをＹ軸方向から見たときの一例を示した図である。 実施形態に係るロッドの全体の概略構成の一例を示した図である。 実施形態に係るアクチュエータ部を第一案内部側に移動させることで、上部接続部を第二案内部側に配置したときの一例を示した図である。 実施形態に係るアクチュエータ部を第二案内部側に移動させることで、上部接続部を第一案内部側に配置したときの一例を示した図である。 実施形態に係る台座部の概略構成の一例を示した図である。 実施形態に係るロボットアームが対象物に接触した場合の飛行ロボットの姿勢変化の一例を示した図である。 ロボットアームを仮にプロペラよりも下方に取り付けた場合に、対象物と接触した場合の飛行ロボットの姿勢変化の一例を示した図である。

本発明の態様の一つであるロボットアームは、ロッド、アクチュエータ、バッテリ、及び、動力伝達機構を備える。ロッドは、軸方向に移動することができ、これにより、例えば、ロッドに取り付けたエンドエフェクタを対象物に接触させたり対象物に近づけたりすることができる。アクチュエータは、例えばモータであって回転力を発生させる。そして、アクチュエータの回転力を利用して、ロッド、アクチュエータ、及び、バッテリを移動させる。動力伝達機構は、アクチュエータで発生した力を、ロッド、アクチュエータ、及び、バッテリを移動させる力に変換する。動力伝達機構には、例えば、歯車を含むことができる。

動力伝達機構により、ロッドが一方向に移動するときに、アクチュエータ及びバッテリが他方向に移動する。また、ロッドが他方向に移動するときに、アクチュエータ及びバッテリが一方向に移動する。すなわち、ロッドと、アクチュエータ及びバッテリとは、移動するときに常に逆方向に移動する。これにより、ロッドが移動することによりロボットアームの全体としての重心が変化することを、アクチュエータ及びバッテリが移動することにより相殺することができる。したがって、ロッドの移動時にロボットアームの全体としての重心が変化することを抑制できる。

また、ロボットアームが、所定の部材に固定される本体部を更に備え、前記動力伝達機構は、前記ロッドと、前記アクチュエータ及び前記バッテリとに対して、前記本体部を介して、互いに逆方向の力を加えてもよい。所定の部材は、例えば、飛行ロボットが有する部材であってもよい。この場合、ロボットアームを飛行ロボットに固定することができる。別法として、所定の部材は、地面に固定されたロボットが有する部材であってもよい。これにより、ロボットアームを、例えば、産業用ロボットに固定することができる。動力伝達機構は、本体部に対してロッド部を一方向に移動させるときには、本体部に対してア
クチュエータ及びバッテリを他方向に移動させる。このときに本体部は移動しないので、本体部を介してロボットアームを所定の部材に固定することができる。

また、前記本体部は、前記ロッドを案内するロッド案内部と、前記アクチュエータ及び前記バッテリを案内するアクチュエータ案内部と、を備えていてもよい。ロッド案内部及びアクチュエータ案内部を備えることにより、ロッドと、アクチュエータ及びバッテリとをより確実に一方向及び他方向に移動させることができる。

また、前記動力伝達機構は、環状のベルトと、前記本体部に取り付けられ前記ベルトを掛ける２つのプーリであって、互いに平行な回転軸を有し、前記ロッドの軸方向に配置される２つのプーリと、を備え、前記ロッドは、前記２つのプーリに接していない前記ベルトの部分であって、前記プーリが所定の方向に回転するときに前記一方向に移動する部分に接続され、前記アクチュエータ及び前記バッテリは、前記ベルトの部分であって、前記プーリが前記所定の方向に回転するときに前記他方向に移動する部分に接続されていてもよい。ここで、２つのプーリにベルトを掛けると、プーリに接していない部分のベルトは直線状になる。この直線状の部分は、プーリの直径分だけ離間した２つの直線状の部分からなる。この２つの直線状の部分は、互いに逆方向に移動する。この直線状の部分の一方にロッドを接続し、他方にアクチュエータ及びバッテリを接続すれば、アクチュエータ及びバッテリの移動に連動して、ロッドを逆方向に移動させることができる。

また、前記動力伝達機構は、前記本体部に固定され前記ロッドの前記軸方向に設けられるラックと、前記アクチュエータの出力軸に固定されたピニオンと、を備えていてもよい。ラックアンドピニオンにより、アクチュエータの回転運動をアクチュエータの直線運動に変換することができる。

また、上記のロボットアームを飛行ロボットが備えていてもよい。そうすると、高所においてロボットアームを利用することができる。ここで、飛行ロボットは、重心が移動すると姿勢が不安定になる虞がある。これに対して、上記のロボットアームを備えれば、ロッドを移動させるときに飛行ロボットの重心が移動することを抑制できるため、飛行ロボットの姿勢が不安定になることを抑制できる。

また、飛行ロボットは、回転翼の駆動により推進力を発生させる推進ユニットを複数有し、前記ロボットアームが、前記回転翼よりも重力方向の上側に配置されていてもよい。ここで、例えば、ロボットアームにエンドエフェクタで取り付けて、対象物に対してセンシングする場合に、ロボットアームが対象物に接触する場合がある。この場合、ロボットアームは、対象物からの反力を受ける。この反力によって、飛行ロボットが傾き得る。このときに、回転翼よりも上側にロボットアームが配置されている場合には、飛行ロボットの傾きが、推進ユニットの推進力が対象物から離れる方向に生じる。したがって、飛行ボットが傾いたとしても、飛行ロボットが対象物から離れる方向に移動するため、対象物との衝突を避けることができる。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の実施形態は可能な限り組み合わせることができる。

＜実施形態＞
本実施形態では、ロボットアーム１を飛行ロボット１００に取り付ける例について説明する。図１は、実施形態に係るロボットアーム１を備えた飛行ロボット１００の概略構成の一例を示した図である。

飛行ロボット１００は、本体部１１０を含んで構成される。本体部１１０は、複数の推進ユニット１１１を有している。なお、図１に示す例では、４つの推進ユニット１１１が本体部１１０に搭載されているが、本体部１１０の飛行が可能な限りにおいては、推進ユニット１１１の搭載数は複数であれば４つに限られない。推進ユニット１１１は、回転翼であるプロペラ１１２とそれを回転駆動するためのアクチュエータ１１３を有している。本体部１１０に搭載されている推進ユニット１１１は、全て同種類のユニットであるが、それぞれの推進ユニット１１１においてアクチュエータ１１３は独立して制御可能である。そのため、各推進ユニット１１１により得られる推進力を適宜制御することが可能であり、以て、本体部１１０及び飛行ロボット１００における飛行姿勢や飛行速度等を適宜制御することが可能となる。なお、以下において、飛行ロボット１００が空中で静止しているときの推進ユニット１１１の推進力の方向、すなわち、図１の上側に向かう方向を上下方向の上方向とし、推進力とは逆方向、すなわち、図１の下側に向かう方向を上下方向の下方向とする。下方向は、重力方向と同じである。

ここで本体部１１０では、概ねその中央にボディ１１４を有し、そこから放射状にブリッジ１１５を介して、その先端側に推進ユニット１１１が設けられている。４つの推進ユニット１１１は、ボディ１１４を中心として円周上に等間隔で配列されている。

また、本体部１１０には、本体部１１０を支持する４つの脚部１２０が接続されている。４つの脚部１２０は、ボディ１１４を中心として円周上に等間隔で配列され、ボディ１１４から下方向に伸びている。なお、本実施形態では、４つの脚部１２０を備えているが、脚部１２０の数はこれに限らず、３つ以上であればよい。

また、ボディ１１４には、各推進ユニット１１１のアクチュエータ１１３に駆動電力を供給するためのバッテリや、当該バッテリからアクチュエータ１１３への電力供給等を制御する制御装置６０が搭載されている。

ボディ１１４には、ロボットアーム１を支持する少なくとも２つの支持部１３０が接続されている。支持部１３０は、ボディ１１４から上方向に伸びている。そして、ロボットアーム１は、支持部１３０を介してプロペラ１１２よりも上方向に配置される。

図２は、実施形態に係るロボットアーム１の概略構成の一例を示した図である。ロボットアームは、本体部２０、ロッド部３０、及び、アクチュエータ部４０を備えて構成されている。本体部２０は、飛行ロボット１００に固定される部材である。また、ロッド部３０は、本体部２０に対して相対移動する部材である。また、アクチュエータ部４０は、本体部２０に対して相対移動する部材であり、且つ、ロッド部３０とは逆方向に相対移動する部材である。

なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置について説明する。飛行ロボット１００の上下方向をＺ軸方向とし、ロッド部３０の移動方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。

図３は、実施形態に係るロボットアーム１をＹ軸方向から見たときの一例を示した図である。図３では、説明のために一部の構成を省略している。以下、図２及び図３に基づいてロボットアーム１について説明する。

本体部２０は、台座部５０に固定されている。本体部２０は、第一案内部２０１、レール２０２、及び、第二案内部２０３を備える。第一案内部２０１及び第二案内部２０３は
、後述のロッド３０１を案内する。第一案内部２０１及び第二案内部２０３には、夫々、ロッド３０１の外径よりも若干大きな内径を有する貫通孔２０１１、２０３１が夫々設けられている。第一案内部２０１及び第二案内部２０３の貫通孔２０１１、２０３１の中心軸は、ロッド３０１の中心軸と一致する。第一案内部２０１及び第二案内部２０３は、ロッド３０１を摺動可能に保持する。また、第一案内部２０１には、レール２０２の一端側が接続され、レール２０２の他端側は第二案内部２０３に接続されている。レール２０２は、その中心軸がロッド３０１と平行に（すなわち、Ｘ軸方向に）、且つ、ロッド３０１よりも下方に配置される。

また、本体部２０には、環状のベルト２０４、及び、ベルト２０４を掛ける第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６がさらに備わる。ベルト２０４は、第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６に平行掛けされる。第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６は、同じ外径を有する。第一プーリ２０５は、レール２０２の一端側の先端部近傍の第一案内部２０１に回転可能に保持される。第二プーリ２０６は、レール２０２の他端側の先端部近傍の第二案内部２０３に回転可能に保持される。第一プーリ２０５の回転軸及び第二プーリ２０６の回転軸は、Ｙ軸方向に配置される。また、第一プーリ２０５の回転軸及び第二プーリ２０６の回転軸は、ロッド３０１と平行な同一平面上に配置される。したがって、第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６の間のベルト２０４の直線部分は、ロッド３０１及びレール２０２と平行になる。このベルト２０４の直線部分は、第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６に接していない部分である。ベルト２０４の回転方向に応じて、第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６は同方向に回転する。

ベルト２０４の一方の直線部分２０４１（以下、ベルト上部２０４１ともいう。）は、レール２０２よりも上方であって、ロッド３０１とレール２０２との間の空間に配置される。また、ベルト２０４の他方の直線部分２０４２（以下、ベルト下部２０４２ともいう。）は、レール２０２よりも下方であって、後述するボックス４０３よりも上方に配置される。ベルト２０４が回転すると、ベルト上部２０４１とベルト下部２０４２とは、ロッド３０１と平行に互いに逆方向に移動する。

第一案内部２０１の側面（Ｙ軸方向の両端面）と第二案内部２０３の側面（Ｙ軸方向の両端面）とには、レール２０２と平行に（すなわち、Ｘ軸方向に）２つのラック２０７が取り付けられている。ラック２０７は、後述するピニオン４０５と共にラックアンドピニオンを構成する。ラック２０７の一端側は第一案内部２０１に接続され、ラック２０７の他端側は第二案内部２０３に接続されている。ラック２０７は断面が四角の板状に形成されており、その下面には、Ｙ軸方向に歯切りした歯２０７１がＸ軸方向に整列している。

レール２０２は、中心軸と平行に４つの面を有する四角柱の形状に形成されており、上面及び下面の長手方向がＸ軸方向に、短手方向がＹ軸方向に配置されている。また、レール２０２の両側面は、長手方向がＸ軸方向に、短手方向がＺ軸方向に配置されている。レール２０２において、その中心軸と平行な４つの面には、夫々案内溝２０２１が中心軸と平行に形成されている。案内溝２０２１は、レール２０２の表面側の開口部よりも、レール２０２の中心部側のほうが断面積が大きくなるように形成されている。

次に、ロッド部３０について説明する。ロッド部３０は、ロッド３０１、及び、上部接続部３０２を備える。ロッド３０１は、例えば、断面が例えば円形状に形成される棒状の部材であり、その中心軸がＸ軸方向を向くように配置される。上部接続部３０２は、ロッド３０１とベルト上部２０４１とを接続する。上部接続部３０２は、上部３０２１と下部３０２２とに分割可能である。上部接続部３０２の上部３０２１には、ロッド３０１の外径よりも若干大きな内径を有する貫通孔３０２３が設けられている。貫通孔３０２３の中心軸は、ロッド３０１の中心軸と一致する。この貫通孔３０２３でロッド３０１を保持す
ることにより、上部接続部３０２は、ロッド３０１に固定される。なお、ロッド３０１は、断面が例えば円形状であるが、これに限らず、楕円形状、または、多角形状（三角形状、又は、四角形状など）であってもよい。この場合、第一案内部２０１、第二案内部２０３、及び、上部接続部３０２の各貫通孔２０１１、２０３１、３０２３の形状も、ロッド３０１の形状に合わせて形成する。

上部接続部３０２の上部３０２１と下部３０２２との間には、ベルト上部２０４１を通すことができる隙間３０２４が形成されている。この隙間３０２４にベルト上部２０４１を通した状態で、上部接続部３０２の上部３０２１と下部３０２２とを接続することで、上部接続部３０２の上部３０２１と下部３０２２とでベルト上部２０４１を挟んで固定している。したがって、ベルト上部２０４１の移動に合わせて、上部接続部３０２も移動する。また、ロッド３０１は、第一案内部２０１及び第二案内部２０３に摺動可能に保持されているため、中心軸方向に移動可能である。そして、上部接続部３０２はロッド３０１に固定されているため、上部接続部３０２が移動することにより、ロッド３０１も上部接続部３０２及びベルト上部２０４１と同方向に移動する。すなわち、ロッド３０１は、ベルト上部２０４１と連動して、ベルト上部２０４１と同方向に移動する。

また、上部接続部３０２の下部３０２２は、レール２０２の側面まで伸びており、この箇所には、レール２０２の案内溝２０２１の形状に合わせて案内溝２０２１内で摺動可能に形成された突起部３０２５が設けられている。突起部３０２５は、レール２０２の両側面に対応して２つ設けられている。この突起部３０２５により、上部接続部３０２がＹ軸方向及びＺ軸方向に振れるのを抑制できる。

ロッド３０１の先端には、エンドエフェクタ７０を取り付け可能である。図４は、実施形態に係るロッド３０１の全体の概略構成の一例を示した図である。エンドエフェクタ７０には、例えば、硬度計、距離センサ、及び、力センサなどのセンサ、または、カメラを例示できる。図４では、ロッド３０１の先端部に硬度計を取り付け、先端部から少し離れた所にカメラを取り付けている。このように、ロッド３０１に複数のエンドエフェクタ７０を取り付けることもできる。また、エンドエフェクタ７０として、例えばロボットハンドを採用することもできる。

次に、アクチュエータ部４０について説明する。アクチュエータ部４０は、アクチュエータ４０１、バッテリ４０２、ボックス４０３、及び、下部接続部４０４を備える。アクチュエータ４０１は、電力の供給により出力軸が回転する例えばモータである。アクチュエータ４０１の出力軸４０１１は、Ｙ軸方向に配置されている。バッテリ４０２は、アクチュエータ４０１と電線により接続され、アクチュエータ４０１に電力を供給する。ボックス４０３は、アクチュエータ４０１及びバッテリ４０２を収容する。このバッテリ４０２は、アクチュエータ４０１を作動させるためのバッテリであり、推進ユニット１１１に電力を供給するバッテリとは異なる。なお、別法として、バッテリ４０２から推進ユニット１１１に電力を供給してもよい。

下部接続部４０４は、上部４０４１と下部４０４２とに分割可能である。下部接続部４０４の下部４０４２は、ボックス４０３の上面に固定される。下部接続部４０４の上部４０４１と下部４０４２との間には、ベルト下部２０４２を通すことができる隙間４０４３が形成されている。この隙間４０４３にベルト下部２０４２を通した状態で、下部接続部４０４の上部４０４１と下部４０４２とを接続することで、下部接続部４０４の上部４０４１と下部４０４２とでベルト下部２０４２を挟んで固定している。したがって、下部接続部４０４の移動に合わせて、ベルト下部２０４２も移動する。

下部接続部４０４の上部４０４１には、レール２０２の下面に形成される案内溝２０２
１の形状に合わせて案内溝２０２１内で摺動可能に形成された突起部４０４４が設けられている。この突起部４０４４により、下部接続部４０４がレール２０２に沿って移動する。ボックス４０３は、下部接続部４０４を介してレール２０２の下面に吊り下げられている。なお、ボックス４０３には、質量を調整可能な重り４０３１が収容されていてもよい。

また、アクチュエータ部４０には、アクチュエータ４０１の出力軸に固定され、アクチュエータ４０１により回転駆動されるピニオン４０５が備わる。このピニオン４０５は、本体部２０のラック２０７と噛み合い、ラックアンドピニオンを構成する。ピニオン４０５は、Ｙ軸方向の回転軸を有し、ラック２０７と噛み合うように、アクチュエータ４０１の両側面（Ｙ軸方向の両端面）に夫々備わる。アクチュエータ４０１が作動すると、その駆動力によりピニオン４０５が回転する。ラック２０７は本体部２０に固定されているため、ピニオン４０５が回転することにより、ピニオン４０５がラック２０７に沿って移動する。ピニオン４０５の移動にしたがってボックス４０３も移動し、ボックス４０３の移動により下部接続部４０４も移動する。さらに、下部接続部４０４がベルト下部２０４２を挟持しているため、下部接続部４０４の移動方向にベルト下部２０４２を移動させる。これにより、ベルト２０４が第一プーリ２０５及び第二プーリ２０６を回転させ、ベルト上部２０４１がベルト下部２０４２とは逆方向に移動する。

したがって、ロッド部３０とアクチュエータ部４０とは、Ｘ軸方向に移動するときに、互いに逆方向に移動する。移動する方向は、アクチュエータ４０１の回転方向に応じて定まる。このようにして、本体部２０に対して、ロッド部３０がＸ軸に沿って一方向に移動するときに、アクチュエータ部４０はＸ軸に沿って他方向に移動する。そのため、アクチュエータ部４０が第一案内部２０１側から第二案内部２０３側に移動すると、ロッド３０１が、第二案内部２０３側から第一案内部２０１側に移動することにより、エンドエフェクタ７０が押し出される。

ここで、図５は、実施形態に係るアクチュエータ部４０を第一案内部２０１側に移動させることで、上部接続部３０２を第二案内部２０３側に配置したときの一例を示した図である。図５に示した状態では、第一案内部２０１からエンドエフェクタ７０までの距離が比較的短くなる。また、図６は、実施形態に係るアクチュエータ部４０を第二案内部２０３側に移動させることで、上部接続部３０２を第一案内部２０１側に配置したときの一例を示した図である。図６に示した状態では、第一案内部２０１からエンドエフェクタ７０までの距離が比較的長くなる。したがって、図５に示した状態で飛行ロボット１００を対象物に近づけ、飛行ロボット１００が対象物に十分近付いた後に、図６に示した状態となるようにアクチュエータ部４０を作動させることにより、飛行ロボット１００を移動させることなく、エンドエフェクタ７０を対象物に接触させることができる。

なお、ピニオン４０５、ラック２０７、下部接続部４０４、ベルト２０４、第一プーリ２０５、第二プーリ２０６、及び、上部接続部３０２は、動力伝達機構の一例である。また、レール２０２は、図５及び図６に示したように、上部接続部３０２と下部接続部４０４とをＸ軸方向に案内しつつ、Ｘ軸方向の相対的な位置を入れ替え可能に保持する直動案内の一例であり、記載した方法に限らない。別法として、例えば、下部接続部４０４と上部接続部３０２とのそれぞれに案内を設ける、または、レール２０２を保持する方法に溝のみではなく転動体を用いるなどしても良い。

次に、台座部５０について説明する。図７は、実施形態に係る台座部５０の概略構成の一例を示した図である。台座部５０には、基部５１、角度変更部５２、ロールアクチュエータ５３、及び、ピッチアクチュエータ５４を備えている。基部５１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な平板状に形成されており、基部５１の下面には、複数の支持部１３０の上
端部が接続している。そのため、基部５１は、支持部１３０に支持されている。基部５１の下面には、ロールアクチュエータ５３の軸５３１を支持するための板状部材５１１が形成されている。ロールアクチュエータ５３の軸５３１はＸ軸方向に配置されているため、板状部材５１１は、ロールアクチュエータ５３の軸５３１と直交するように、Ｙ軸及びＺ軸に平行な板状に形成されている。板状部材５１１は、ロールアクチュエータ５３のＸ軸方向の両端部に夫々設けられている。ロールアクチュエータ５３の軸５３１は、板状部材５１１に固定されている。

また、基部５１の中心部には、角度変更部５２及びロールアクチュエータ５３を配置するために孔５１２が設けられている。角度変更部５２は、ロールアクチュエータ５３に固定されている。ロールアクチュエータ５３が作動すると、基部５１の板状部材５１１に固定されているロールアクチュエータ５３の軸５３１を中心として、ロールアクチュエータ５３及び角度変更部５２が揺動する。

また、角度変更部５２には、ピッチアクチュエータ５４の軸５４１を支持するための板状の回転支持部材５２１が形成されている。ピッチアクチュエータ５４の軸５４１はＹ軸方向に配置されているため、回転支持部材５２１は、ピッチアクチュエータ５４の軸５４１と直交するように、Ｘ軸及びＺ軸に平行な板状に形成されている。回転支持部材５２１は、ピッチアクチュエータ５４のＹ軸方向の両端部に夫々設けられている。ピッチアクチュエータ５４は、第一案内部２０１に固定されており、ピッチアクチュエータ５４の軸５４１は、回転支持部材５２１に固定されている。そのため、ピッチアクチュエータ５４が作動すると、回転支持部材５２１に固定されているピッチアクチュエータ５４の軸５４１を中心として、ピッチアクチュエータ５４及びロボットアーム１が揺動する。

したがって、ロールアクチュエータ５３を作動させることにより、ロボットアーム１をＸ軸周りに回転させることができる。したがって、ロールアクチュエータ５３の作動により、基部５１に対するロボットアーム１のＸ軸周りの角度を変更することができる。また、ピッチアクチュエータ５４の作動により、基部５１に対するロボットアーム１のＹ軸周りの角度を変更することができる。このようにして、基部５１に対するロボットアーム１の相対的な角度を変更することができる。

なお、別法として、台座部５０は、ロボットアーム１を固定するだけであってもよい。すなわち、ロールアクチュエータ５３、及び、ピッチアクチュエータ５４を備えていなくてもよい。さらに別法として、ロールアクチュエータ５３、または、ピッチアクチュエータ５４の一方だけを備えていてもよい。すなわち、Ｘ軸周り、または、Ｙ軸周りの一方だけロボットアーム１が揺動可能に構成してもよい。さらに、別法として、Ｚ軸周りにロボットアーム１を回転させるヨーアクチュエータを備えていてもよい。

推進ユニット１１１のアクチュエータ１１３、アクチュエータ部４０のアクチュエータ４０１、台座部５０のロールアクチュエータ５３、及び、台座部５０のピッチアクチュエータ５４は、制御装置６０によって制御される。制御装置６０は、ボディ１１４に格納されている。制御装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）が備わるコンピュータである。ＥＰＲＯＭには、各種プログラム、各種テーブル等が格納される。ＥＰＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭの作業領域にロードして実行し、このプログラムの実行を通じて、アクチュエータ１１３、アクチュエータ４０１、ロールアクチュエータ５３、及び、ピッチアクチュエータ５４等が制御される。これにより、所定の目的に合致した機能をＣＰＵが実現する。

また、制御装置６０は、外部と有線または無線によって通信を行う通信部を備え、通信
部を介して制御指令を受信して、その制御指令に応じてアクチュエータ１１３、アクチュエータ４０１、ロールアクチュエータ５３、及び、ピッチアクチュエータ５４を制御してもよい。このときに、制御装置６０は、飛行ロボット１００の飛行のための推進力を発生すべく推進ユニット１１１を制御してもよい。また、制御装置６０は、エンドエフェクタ７０によって取得された情報を外部に送信してもよい。

また、エンドエフェクタ７０として距離センサ、力センサ、及び、硬度計を備え、制御装置６０が、距離センサ及び力センサの検出値に基づいて対象物との接触を維持するようにアクチュエータ４０１を制御してもよい。このときに、距離センサの検出値及び力センサの検出値が目標値に近付くようにフィードバック制御を行ってもよい。そして、エンドエフェクタ７０と対象物との接触を維持した状態で、硬度計により対象物の硬度を検出する。これにより、例えば、対象物の劣化を検出することができる。このようにして、例えば、ビルの窓枠のパッキンが劣化していないか否かビルの外側から検査することができる。その他にも、飛行ロボット１００は、高所で接触を伴う作業を行うことができる。例えば、他の種類のエンドエフェクタ７０を取り付けることにより、風力発電機の保守点検を行うことができる。このときには、例えば、ブレードの導通検査をしてもよい。

なお、距離センサには、例えば、ミリ波、赤外線、超音波、及び、ソナー等のいずれかを用いるレーダ、ＬＩＤＡＲ（Light Detection And Ranging）、または、カメラ等を挙
げることができる。力センサには、例えば、静電容量式力覚センサ、ひずみゲージ式力覚センサ、圧電式力覚センサ、または、光学式力覚センサ等を挙げることができる。硬度計には、例えば、デュロメータ等を挙げることができる。

以上説明したように、ロボットアーム１を備えることにより、ロッド３０１をＸ軸方向に進退させることが可能となる。このときのロッド部３０の移動に伴い、アクチュエータ部４０が逆方向に移動するため、ロボットアーム１の全体としての重心が変化することを抑制できる。このときには、ロッド部３０に連動してアクチュエータ部４０も移動するため、重心を調整する制御を行う必要がない。また、重り４０３１の質量を調整することによりアクチュエータ部４０の質量を調整することで、重心の移動をより抑制することが可能となる。たとえば、ロッド３０１の先端に取り付けるエンドエフェクタ７０の種類によって重心位置が変化し得るが、重り４０３１の質量を調整することにより重心位置が変化することを抑制し得る。このように、重り４０３１の質量を調整した後は、上記のように、ロッド部３０の移動に応じてアクチュエータ部４０が逆方向に移動するため、重心の変化が抑制される。なお、別法として、重り４０３１を備えずに、バッテリ４０２またはボックス４０３の何れか一方の質量を変更することにより、アクチュエータ部４０の質量を調整してもよい。

ここで、エンドエフェクタ７０を対象物に接触させるときに、飛行ロボット１００の全体の位置を対象物に近づけようとするとする場合、飛行ロボット１００の姿勢が変化する虞がある。すなわち、飛行ロボット１００は、４つの推進ユニット１１１の推進力に差を設けることで、飛行ロボット１００を傾けて、傾いた方向に移動させている。そのため、対象物に近付けるためには、飛行ロボット１００を傾ける必要がある。しかし、エンドエフェクタ７０が対象物に接触した後に飛行ロボット１００の傾きを直そうとして、４つの推進ユニット１１１の推進力を例えば同じにすると、飛行ロボット１００の姿勢が変わるときにエンドエフェクタ７０の位置がずれてしまう。そのため、対象物の所望の位置にエンドエフェクタを接触させることが困難になり得る。

また、飛行ロボット１００を空中で静止させた状態で、ロッド３０１だけを伸ばした場合には、エンドエフェクタ７０及びロッド３０１の移動によって、重心位置がエンドエフェクタ７０側にずれる虞がある。これにより、飛行ロボット１００の姿勢が変わると、飛
行ロボット１００の位置が変わるので、対象物の所望の位置にエンドエフェクタを接触させることが困難になり得る。

これに対して、ロッド部３０の移動に伴い、アクチュエータ部４０が逆方向に移動することで、飛行ロボット１００の姿勢が変化することを抑制できるため、対象物の所望の位置にエンドエフェクタを接触させることができる。

また、本実施形態では、ロボットアーム１を飛行ロボット１００のプロペラ１１２よりも上方に取り付けている。このような位置にロボットアーム１を取り付けることにより、ロッド３０１の先端のエンドエフェクタ７０が対象物に接触したときなどに飛行ロボット１００の姿勢が不安定になることを抑制できる。

図８は、実施形態に係るロボットアーム１が対象物８０に接触した場合の飛行ロボット１００の姿勢変化の一例を示した図である。図８は、飛行ロボット１００が対象物８０に向かってＸ軸方向に移動中に対象物８０と接触した場合を示している。ロッド３０１の先端（エンドエフェクタ７０としてもよい）が対象物８０に接触すると、ロッド３０１が対象物８０から反力を受ける。ここで、ロボットアーム１よりも下方の飛行ロボット１００には、慣性が働くことにより、対象物８０に向かう方向に移動しようとする。そのため、飛行ロボット１００は、Ｙ軸方向を中心として回転してしまう。このときには、飛行ロボット１００が対象物８０から離れる方向に飛行ロボット１００が傾く。すなわち、対象物８０に近いプロペラ１１２よりも、対象物８０から遠いプロペラ１１２のほうが低い位置になるため、推進ユニット１１１の推進力が対象物８０から離れる方向になる。そのため、飛行ロボット１００が対象物８０から離れると、対象物８０からの反力がなくなるため、飛行ロボット１００は姿勢を立て直すことができる。

一方、仮にロボットアーム１を飛行ロボット１００のプロペラ１１２よりも下方に取り付けた場合にも、ロッド３０１の先端（エンドエフェクタ７０としてもよい）が対象物８０に接触したときに、ロッド３０１が対象物８０から反力を受ける。図９は、ロボットアーム１を仮にプロペラ１１２よりも下方に取り付けた場合に、対象物８０と接触した場合の飛行ロボット１００の姿勢変化の一例を示した図である。図９は、飛行ロボット１００が対象物８０に向かってＸ軸方向に移動中に対象物８０と接触した場合を示している。

ロッド３０１の先端が対象物８０に接触したときに、ロッド３０１が対象物８０から受ける反力によりロッド３０１が対象物８０から離れる方向に移動しようとする。この場合にも、ロボットアーム１よりも上方の飛行ロボット１００に慣性が働くことにより、飛行ロボット１００は、対象物８０に向かう方向に移動しようとする。そのため、飛行ロボット１００は、Ｙ軸方向を中心として回転してしまう。しかし、このときの飛行ロボット１００を回転させようとする方向は、ロボットアーム１を飛行ロボット１００の上方に取り付けた場合とは逆方向になる。このときには、飛行ロボット１００が対象物８０に近付く方向に飛行ロボット１００が傾く。すなわち、対象物８０に近いプロペラ１１２よりも、対象物８０から遠いプロペラ１１２のほうが高い位置になるため、推進ユニット１１１の推進力が対象物８０に近付く方向になる。これにより、飛行ロボット１００が対象物８０に近付くと、ロッド３０１の先端と対象物８０との接点を軸にして、飛行ロボット１００がさらに傾いてしまう。そのため、飛行ロボット１００の姿勢が不安定になる虞がある。

したがって、飛行ロボット１００の上方にロボットアーム１を取り付けることにより、エンドエフェクタ７０が対象物に接触したときに飛行ロボット１００の姿勢が不安定になることを抑制できる。このように、飛行ロボット１００にロボットアーム１を取り付けることにより、姿勢を安定することができるため、高所のより狭い範囲にエンドエフェクタ７０を接触させることができる。

なお、本実施形態では、ラックアンドピニオン及びベルト２０４を利用して、ロッド３０１とアクチュエータ部４０とを逆方向に移動させているが、これに限らず、ロッド３０１とアクチュエータ部４０とを逆方向に移動させる機構を有していればよい。例えば、ロッド部３０を本体部２０に沿って直線運動させ、且つ、アクチュエータ部４０を本体部２０に沿ってロッド部３０とは逆方向に直線運動させる機構であれば採用することができる。例えば、左右ねじを採用することもできる。

また、本実施形態では、ロボットアーム１を飛行ロボット１００に取り付けているが、これに限らず、ロボットアーム１は様々な所で利用可能である。例えば、車両に取り付けることもできる。特に、バランスを崩しやすい小型の車両には有効である。また、工場などで産業用ロボットに取り付けることもできる。この場合も、産業用ロボットがバランスを崩すことを抑制できる。また、ロボットアーム１を飛行ロボット１００から容易に脱着することが可能なため、例えば、飛行ロボット１００のオプションとして設定することができる。

１・・・ロボットアーム、２０・・・本体部、３０・・・ロッド部、４０・・・アクチュエータ部、５０・・・台座部、７０・・・エンドエフェクタ、１００・・・飛行ロボット、１１２・・・プロペラ、３０１・・・ロッド、４０１・・・アクチュエータ、４０２・・・バッテリ

Claims (7)

1. 軸方向に移動するロッドと、
   前記ロッドの駆動力を発生させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータに電力を供給するバッテリと、
   前記ロッドを前記軸方向の一方向に移動させるときに前記アクチュエータで発生した駆動力を、前記ロッドを前記一方向に移動させる力、及び、前記アクチュエータ及び前記バッテリを前記一方向とは逆方向である他方向に移動させる力として伝達し、前記ロッドを前記他方向に移動させるときに前記アクチュエータで発生した駆動力を、前記ロッドを前記他方向に移動させる力、及び、前記アクチュエータ及び前記バッテリを前記一方向に移動させる力として伝達する動力伝達機構と、
   を備えるロボットアーム。
2. 所定の部材に固定される本体部を更に備え、
   前記動力伝達機構は、前記ロッドと、前記アクチュエータ及び前記バッテリとに対して、前記本体部を介して、互いに逆方向の力を加える、
   請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記本体部は、
   前記ロッドを案内するロッド案内部と、
   前記アクチュエータ及び前記バッテリを案内するアクチュエータ案内部と、
   を備える、
   請求項２に記載のロボットアーム。
4. 前記動力伝達機構は、
   環状のベルトと、
   前記本体部に取り付けられ前記ベルトを掛ける２つのプーリであって、互いに平行な回転軸を有し、前記ロッドの軸方向に配置される２つのプーリと、
   を備え、
   前記ロッドは、前記２つのプーリに接していない前記ベルトの部分であって、前記プーリが所定の方向に回転するときに前記一方向に移動する部分に接続され、
   前記アクチュエータ及び前記バッテリは、前記ベルトの部分であって、前記プーリが前記所定の方向に回転するときに前記他方向に移動する部分に接続される、
   請求項２または３に記載のロボットアーム。
5. 前記動力伝達機構は、
   前記本体部に固定され前記ロッドの前記軸方向に設けられるラックと、
   前記アクチュエータの出力軸に固定されたピニオンと、
   を備える請求項２から４の何れか１項に記載のロボットアーム。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載のロボットアームを備える飛行ロボット。
7. 回転翼の駆動により推進力を発生させる推進ユニットを複数有し、
   前記ロボットアームが、前記回転翼よりも重力方向の上側に配置される、
   請求項６に記載の飛行ロボット。

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