JP4115927B2 - 作業補助アーム - Google Patents

Description

この発明は、アームの作業座標を任意の面上の軌道に拘束することのできる作業補助アームに関するものである。

従来、受動的に動作するような作業補助アームとして、例えば特許文献１に記載されるような技術があった。

この文献に記載の作業補助アームでは、ロボットのＮ個ある関節間をＮ−１個の無段変速機で結合し、各無段変速機に対して適当な変速比を与えることで、人間がロボットを手で動かしたとき、ロボットが作業座標の所望の１次元の軌道に拘束されるように動作することを特徴としている。ここでこの無段変速機は速度の比のみを結合し、変位に対しては拘束を与えない。即ち、速比を変化させても変位の関係は変化しない無段変速機である。

米国特許第５９５２７９６号明細書

しかしながら、上記のような従来の作業補助アームにあっては、ロボットは１次元の軌道にのみ拘束され、それより次元の大きい拘束、例えば平面に拘束されることは構造上できない問題点があった。見かけ上、当初指示した１次元の拘束からはずれて動作することは可能だが、これは操作者の手の動きをロボット上のセンサで検知して、その動きの方向に新しい１次元の軌道を設けただけであり、このためにはセンサが必須になるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、別途にセンサ等を必要とせず、任意の面上に拘束することができる作業補助アームを得ることを目的とする。

この発明に係る作業補助アームは、複数の軸の変位量に基づいてその作業座標が決定されるアームを設け、これらの軸を差動機構で結合すると共に、これら軸上にそれぞれ変速機を設け、制御装置によって、この変速機の変速比を、指定される自由度以外のアームの移動を拘束するよう制御するようにしたものである。

この発明の作業補助アームは、アームの作業座標を決定する複数の軸を差動機構を用いて結合し、かつ、差動機構で結合される複数の軸の変速比を制御するようにしたので、特にアームの動きを検出するためのセンサ等の構成を用いることなく、任意の面上にのみ移動が可能な作業補助アームを実現することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による作業補助アームを示す構成図である。
図示の作業補助アームにおける全体の構成は、平行リンク式の垂直多関節型ロボットアームと同様であって、以下の構成となっている。

即ち、本実施の形態の作業補助アームは、第１軸１、第２軸２、第３軸３、変速機４ａ，４ｂ，４ｃ、入力軸５ａ，５ｂ，５ｃ（図示していない）、出力軸６ａ，６ｂ，６ｃ（図示していない）、傘歯車小７、傘歯車大８、差動傘歯車ａ９、差動傘歯車ｂ１０、差動傘歯車ｃ１１、差動傘歯車ａ軸１２（図示していない）、キャリア１３、減速機１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、出力軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃ（図示していない）、枠体１６、ベース１７、第１アーム１８、第２アーム１９、下節２０、後節２１、軸２２，２３，２４、ブレーキ２５（図示していない）、アーム手先２６、回転角度検出器４０ａ，４０ｂ，４０ｃ、制御装置４１、面指示手段４２を備えている。尚、入力軸５ａ，５ｂ，５ｃ、出力軸６ａ，６ｂ，６ｃ、差動傘歯車ａ軸１２、出力軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃ、ブレーキ２５については、後述する図２に示されている。

作業補助アームは、図示のように、ベース１７に枠体１６が第１軸１まわりに回転または回動自在に取り付けられている。枠体１６の片側側面に第１アーム１８の下端が第２軸２まわりに回動自在に取り付けられており、また枠体１６の反対側側面に下節２０の一端が第３軸３まわりに回動自在に取りつけられている。第２軸２と第３軸３は同軸であり、これらは第１軸１と直交している。

第１アーム１８上端には軸２４が取り付けられ、軸２４には第２アーム１９の略中央部分が回動自在に取りつけられている。尚、軸２４による第２アーム１９の支持位置は、作業補助アーム各部の構成等に応じて中央部以外の部分であってもよい。一方、下節２０の他端には軸２２が取り付けられ、軸２２には後節２１の下端が回動自在に取り付けられている。後節２１の上端には軸２３が取り付けられ、軸２３には第２アーム１９の後端が回動自在に取り付けられている。第１アーム１８と後節２１、並びに下節２０と第２アーム１９はそれぞれ平行であって、これらは平行リンクをなしている。第２アーム１９の先端のアーム手先２６には作業に応じて手首（図示していない）やツール（図示していない）が取り付けられるようになっている。

ベース１７に対する枠体１６の第１軸１まわりの回転または回動角度、枠体１６に対する第１アームの第２軸２まわりの回動角度、枠体１６に対する第３軸３まわりの下節の回動角度は、それぞれ回転角度検出器４０ａ，４０ｂ，４０ｃにより検出される。尚、枠体１６に対する第３軸３まわりの下節２０の回動角度は第２アーム１９の枠体１６に対する回動角度に等しい。尚、第１アーム１８、第２アーム１９、下節２０、後節２１、軸２２，２３，２４で、第１軸１〜第３軸３の変位量に基づいてその作業座標が決定されるアームを構成している。

また、回転角度検出器４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、第１軸１〜第３軸３のそれぞれの変位量として回転角度を検出する変位検出装置であり、例えば、ローターリーエンコーダ等を用いて構成されている。尚、図１中では、図面の煩雑さを避けるため、これらの構成を単にブロックとして示している。制御装置４１は、面指示手段４２から与えられた自由度の情報と、回転角度検出器４０ａ，４０ｂ，４０ｃで検出された変位量に基づいて、アーム手先２６の作業座標が、要求された自由度以外に対しては拘束され、残りの自由度に関しては受動的に動作可能となるよう、変速機４ａ，４ｂ，４ｃの変速比を制御する機能を有している。また、面指示手段４２は、ユーザが所望する自由度を入力するための機能部である。

次に、作業補助アームの駆動部分の構成について説明する。
図２は、作業補助アームの駆動部分の構成図である。
減速機１４ａは、枠体１６（図示していない）の底部に取り付けられ、減速機１４ａの減速機出力軸１５ａはベース１７（図示していない）に接続されている。変速機４ａの変速機入力軸５ａは傘歯車小７に、変速機出力軸６ａは減速機１４ａにそれぞれ接続されている。変速機入力軸５ａ、変速機４ａ、変速機出力軸６ａ、減速機１４ａ、減速機出力軸１５ａは、第１軸１と同軸である。

減速機１４ｂは、枠体１６（図示していない）の側面に取り付けられ、減速機１４ｂの減速機出力軸１５ｂは第１アーム１８（図示していない）の下端に接続されている。変速機４ｂの変速機入力軸５ｂは差動傘歯車ｂ１０に、変速機出力軸６ｂはブレーキ２５および減速機１４ｂにそれぞれ接続されている。変速機入力軸５ｂ、変速機４ｂ、変速機出力軸６ｂ、ブレーキ２５、減速機１４ｂ、減速機出力軸１５ｂは、第２軸２と同軸である。

減速機１４ｃは、枠体１６（図示していない）の側面に取り付けられ、減速機１４ｃの減速機出力軸１５ｃは下節２０（図示していない）の一端に接続されている。変速機４ｃの変速機入力軸５ｃは差動傘歯車ｃ１１に、変速機出力軸６ｃはブレーキ２５および減速機１４ｃにそれぞれ接続されている。変速機入力軸５ｃ、変速機４ｃ、変速機出力軸６ｃ、ブレーキ２５、減速機１４ｃ、減速機出力軸１５ｃは、第３軸３と同軸である。

ここで変速機４ａ，４ｂ，４ｃは次の特徴を有するような無段変速機である。
１）速度の比のみを結合し、変位に対しては拘束を与えない。即ち速比を変化させても変位の関係は変化しない。
２）変速比は、正転から逆転まで滑らかに変化し、変速比０、即ち入力が回転しても出力が回転しない状態を作れる。
３）動作中も停止中も変速可能である。
４）変速に要するパワーが少ない。変速に要するパワーが入力軸、出力軸に出てこない。
以上のうち、１）、２）、３）は必須の条件であり、４）も満たすことが望ましい（尚、これらの特徴を有する無段変速機の例は、実施の形態８にて後述する）。

尚、上記の変速機の変位とは、変速機の入出力軸の角度（軸が回転軸の場合）、または位置（軸が直動軸の場合）を指している。また、速比を変化させても変位の関係は変化しない関係とは例えば次のような状態である。

変速機のある時刻における入力軸変位をθｉｎ、出力軸変位をθｏｕｔ、変速比をｎ、微少時間後の入力軸の変位の変化量をΔθ、変速比の変化量をΔｎとする。このとき、本発明で前提としている上記の変速機の条件１）では、微少時間後の出力軸の変位がθｏｕｔ＋（ｎ＋Δｎ）Δθとなる。即ち、現在の時刻からの微少時間後の出力軸の変位の変化量θｏｕｔ＋（ｎ＋Δｎ）Δθ−θｏｕｔ＝（ｎ＋Δｎ）Δθは、現在の時刻における入力軸変位θｉｎ、出力軸変位θｏｕｔとは関係がなく、変速比ｎ、微少時間後の入力軸の変位の変化量Δθ、変速比の変化量Δｎだけに関係する。このように、速比を変化させても入出力軸の変位の関係が変化しない状態を意味している。

差動傘歯車ｂ１０と差動傘歯車ｃ１１は、向かい合って差動傘歯車ａ９と噛み合っている。差動傘歯車ａ９はキャリア１３に対して差動傘歯車ａ軸１２まわりに回転自在に取り付けられている。即ち、差動傘歯車ａ９、差動傘歯車ｂ１０、差動傘歯車ｃ１１およびキャリア１３は差動歯車を構成している。キャリア１３は傘歯車大８に取り付けられ、傘歯車大８は枠体１６（図示していない）の略中央に回転自在に取り付けられて、傘歯車小７と噛み合っている。このような傘歯車小７〜キャリア１３により、第１軸１〜第３軸３を結合する差動機構が構成されている。

次に、作業補助アームの制御構成を説明する。
図３は、作業補助アームの制御構成を示すブロック図である。
回転角度検出器４０ａ、４０ｂ、４０ｃにより検出された各軸の角度と、面指示手段４２により指示された仮想的な面の情報は、制御装置４１に送られ、後述する所定の演算が行われ、この演算の結果変速比が得られ、変速機４ａ、４ｂ、４ｃの変速比が制御される。また制御装置４１は非常停止ボタン（図示していない）が押されたときなどはブレーキ２５を動作させるよう構成されている。

次に作業補助アームの動きと、制御装置４１における演算の内容について説明する。
以下、各関節の角度につける添え字を、第１軸１即ちベース１７に対する枠体１６の角度、第２軸２即ち枠体１６に対する第１アーム１８の角度、第３軸３即ち枠体１６に対する第２アーム１９の角度それぞれに対して、１、２、３とする。各関節の角速度についても同様とする。

第１軸１、第２軸２、第３軸３の角速度をそれぞれω１、ω２、ω３とする。また第１軸１、第２軸２、第３軸３に対応する変速機４ａ、４ｂ、４ｃの変速比をそれぞれｋ１、ｋ２、ｋ３、減速機１４ａ、１４ｂ、１４ｃの減速比をそれぞれｋｒ１、ｋｒ２、ｋｒ３とする。また傘歯車大８に対する傘歯車小７の変速比をｋｂとする。

第１軸１、第２軸２、第３軸３の角速度ω１、ω２、ω３の間には、差動傘歯車ａ９、差動傘歯車ｂ１０、差動傘歯車ｃ１１およびキャリア１３から構成される差動歯車により次の関係が成り立つ。
ｋｒ１＊ｋ１＊ω１／ｋｂ
＝（ｋｒ２＊ｋ２＊ω２＋ｋｒ３＊ｋ３＊ω３）／２ （１）
各軸の角速度の間に常に式（１）の関係が成り立つように作業補助アームは動作する。言い換えれば、式（１）の関係が成り立つ動きに関しては作業補助アームは自由に動くことができ、それ以外の動きに対しては作業補助アームは動くことができない。

例えば簡単な例として、ｋ１＝０、ｋ２＝１、ｋ３＝−１、ｋｒ１＝ｋｒ２＝ｋｒ３＝１、ｋｂ＝２の場合、これらの値を式（１）に代入すればω２＝ω３の関係が得られる。このときは第１軸１は第２軸２および第３軸３とは関係なく自由に動くことができ、第２軸２と第３軸３は常に角速度が等しくなるような動きをする。言い換えれば、例えば第２軸２が静止して、第３軸３のみが動くような動きなど、第２軸２と第３軸３の角速度が異なるような動きはすることができない。
ブレーキ２５が動作した場合、式（１）の右辺の第１項と第２項が両方とも０になるので、左辺も０になる。従って全軸が停止する。

次に、制御装置４１における演算の内容である変速機４ａ、４ｂ、４ｃの変速比ｋ１、ｋ２、ｋ３の決め方について説明する。
図４は、演算の流れを示す説明図である。
作業座標としては直交座標系を考える。
直交座標系でみたアーム手先２６の座標ｘ、ｙ、ｚと、第１軸１、第２軸２、第３軸３の関節角度θ１、θ２、θ３の間には次の関係が成り立つ。
Θ＝ｉｋ［（ｘ，ｙ，ｚ）］ （２）
Θ＝（θ１，θ２，θ３） （３）
ここでｉｋは逆変換である。

関節の角速度ベクトルωと、直交座標系から見たアーム手先２６の速度ベクトルｖの間には次の関係が成り立つ。
ｖ＝Ｊ（Θ）・ω （４）
ｖ＝（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ） （５）
ω＝（ω１，ω２，ω３） （６）
ここでＪ（Θ）はヤコビ行列であり関節の角度Θの関数、ｖｘ、ｖｙ、ｖｚはそれぞれ直交座標系のｘ、ｙ、ｚ方向の速度、ω１、ω２、ω３は前述のようにそれぞれ第１軸１、第２軸２、第３軸３の角速度である。

ユーザは、作業補助アームが動作すべき仮想的な面を面指示手段４２により指示する。指示された仮想的な面の情報は制御装置４１において、次式で表される面の法線方向ベクトルｖｎに変換される。
ｖｎ＝（ａ，ｂ，ｃ） （７）
式（７）は面の法線方向ベクトルであり、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ法線方向ベクトルの直交座標系のｘ、ｙ、ｚ方向成分である。

アーム手先２６が指示された仮想的な面内を動くとき、面の法線方向ベクトルｖｎと、直交座標系から見たアーム手先２６の速度ベクトルｖは直交するので、ふたつのベクトルの内積は次式のように０になる。
ｖｎ・ｖ＝０ （８）
式（８）に式（４）を代入すれば次式が得られる。
ｖｎ・Ｊ（Θ）・ω＝０ （９）
アーム手先２６が指示された仮想的な面内を動くためには、式（９）が常に成り立つように関節の角速度ベクトルωの係数を制御すればよい。式（９）を要素で書けば次のように書ける。
ｎ１＊ω１＋ｎ２＊ω２＋ｎ３＊ω３＝０ （１０）
ここでｎ１、ｎ２、ｎ３はｖｎ・Ｊ（Θ）を展開して得られる。
式（１）と式（１０）より次式が得られる。
ｎ１＝−ｋｒ１＊ｋ１／ｋｂ
ｎ２＝ｋｒ２＊ｋ２／２
ｎ３＝ｋｒ３＊ｋ３／２ （１１）
ここでｋｒ１、ｋｒ２、ｋｒ３、ｋｂは定数なので、式（１１）が成り立つように微少時間間隔で変速比ｋ１、ｋ２、ｋ３を制御すれば、アーム手先２６は指示された仮想的な面内を動く。

図５は、アームの姿勢変化の様子を示す説明図である。
減速比はｋｒ１＝ｋｒ２＝ｋｒ３＝１とする。またｋｂ＝２とする。アーム手先２６の動きが指示された仮想的な面１０１に拘束される場合の例を示す。座標系は図示のように、アームの前方をｘ、左手側をｙ、上方をｚにとる。

指示された仮想的な面１０１は水平面に対して３０度の角度を持つ斜面であるという設定とする。この仮想的な面１０１はアームから遠ざかる方向が上昇する方向とする。このときこの斜面の法線方向ベクトルｖｎ１０２は次のようになる。
ｖｎ＝（−１，０，Ｓｑｒｔ［３］） （１２）
ここでＳｑｒｔ［３］は３の平方根である。

第１軸１と地面の交点を原点として、アームは第２軸２が地面と同じ高さとする。第１アーム１８の長さ（第２軸２から軸２４までの距離）Ｌ１と第２アーム１９の長さ（軸２４からアーム手先２６までの距離）Ｌ２をそれぞれ１［ｍ］とする。アームから仮想的な面１０１までの水平方向の距離を０．５［ｍ］とする。

アーム手先２６は仮想的な面１０１上にあり、初期位置ではアーム手先２６の高さがアーム正面０．５［ｍ］であるとする。初期位置の座標Ｐｉｎｉｔを次のように定める。
Ｐｉｎｉｔ＝（０．５／Ｔａｎ［π／６］，０，０．５） （１３）

このとき関節角度の初期値Θｉｎｉｔは式（２）を用いて次のようになる。
Θｉｎｉｔ＝（θ１ｉｎｉｔ，θ２ｉｎｉｔ，θ３ｉｎｉｔ）
＝ｉｋ［Ｐｉｎｉｔ］＝（０，２６．６，８６．７）［ｄｅｇ］ （１４）
斜面の法線方向ベクトルｖｎ１０２と関節角度の初期値Θｉｎｉｔを（９）に代入すると次の関係が得られる。
０ω１−２．８７ω２−１．２０ω３＝０ （１５）
式（１５）は式（１０）に相当する。式（１５）が成り立つように式（１１）により変速比を定めればよい。
このとき式（１５）の関係を満たすような角速度ベクトルの組み合わせは例えば次のようになる。
（ω２，ω３）＝（１．２０，−２．８７）
（ω２，ω３）＝（−１．２０，２．８７） （１６）

これらの角速度に比例する角度変化量で動いたときのアームの姿勢の変化の例が図５に示す状態である。図５では、式（１６）の値に対して単位を「度」として、更に３倍して、（３．６，−８．６１），（−３．６，８．６１）ｄｅｇ動いたときのアームの姿勢変化を示している。アーム手先２６が仮想的な面１０１に沿って動いていることがわかる。

以上のように、実施の形態１によれば、複数の軸の変位量に基づいて、その作業座標が決定されるアームと、複数の軸の変位量をそれぞれ検出する変位検出装置と、複数の軸を結合する差動機構と、複数の軸上にそれぞれ設けられた変速機と、アームの指示された作業座標の自由度の情報と、変位検出装置にて検出された変位量に基づき、アームの作業座標が、指示された自由度以外は拘束されるよう変速機の変速比を制御する制御装置とを備えたので、特にアームの動きを検出するためのセンサ等の構成を用いることなく、任意の面上にのみ移動が可能な作業補助アームを実現することができる。

また、実施の形態１によれば、複数の軸は関節の軸であって、第１軸と第２軸と第３軸を有し、第２軸と第３軸は同軸であって、かつ、第１軸まわりを旋回するよう設けられ、第２軸と第３軸とを回動自在に支持する枠体と、第２軸まわりに回動するよう第２軸に取り付けられた第１アームと、第３軸まわりに回動するよう第３軸に取り付けられた下節と、下節の先端部に回動自在に取り付けられた後節と、第１アームの先端部で回動自在に支持されると共に、その後端が後節の先端部で回動自在に支持される第２アームとを含み、第１アームと後節、第２アームと下節がそれぞれ平行となるよう位置してなるアームと、第１軸から前記第３軸のそれぞれの回動または回転角度を検出する変位検出装置と、第１軸から第３軸にそれぞれ結合された３個の変速機の３個の入力軸のうち、２個の入力軸の角速度の和を、残る１個の入力軸の角速度に比例させるよう構成された差動機構とを備えたので、アームの動作を、そのアームに対して定めた任意の作業座標における任意の自由度に関しては拘束し、残りの自由度に関しては受動的に動作可能とすることができるため、例えば、人間による物品の運搬作業時等に、アームに物品を支持させて、物品を適切な線、面などの軌道や姿勢に拘束した状態で移動させることができる。

尚、ここで仮想的な面は水平面、垂直面（壁）、斜面やこれらの組み合わせの他、らせん状の面、管や環や球などの立体の表面であってもよい。

また、実施の形態１によれば、モータの出力によりアームの軸を直接駆動していないので操作が安全である効果もある。即ち、従来の産業用ロボットアームなどでは、各関節をモータの出力により駆動している。このため、各関節にロボットアームを動作させるための大きなトルクを発生させる必要があり、このような大きなトルクを発生するロボットアームを人間が手に持って操作するのは非常に危険である。これに対して、本実施の形態では、モータの出力によりアームの関節を駆動しておらず、アームは人間が手で動かしたときの外力により受動的に動くだけなので操作が安全であるという効果がある。

また、実施の形態１によれば、制御装置４１は、指示された作業座標の自由度を面として表し、この面の法線方向ベクトルｖｎと、アームの各関節の軸の現在の回動または回転角度におけるヤコビ行列Ｊ（Θ）と、各関節の軸の角速度ベクトルωの内積が０となるよう変速比を制御するようにしたので、アームの手先がユーザが指示した仮想的な面１０１内では自由に動くことができ、この仮想的な面１０１の面外への動きはできないようなアームを得ることができる。

尚、上記実施の形態１において、減速機はなくてもよく、また減速機でなく増速機であってもよい。減速機あり、減速増速なし、増速機ありのそれぞれの効果は次の通りである。

先ず、変速機の出力軸が無限に回転できる場合には減速機を用いることができる。減速機により変速機にかかるトルクを小さくすることができるので、変速機の容量を下げることができる。これにより、変速機の小形軽量化、低コスト化を達成することができる。

また、変速機の出力軸の変位の範囲がアームの関節の変位の範囲（動作範囲）と同程度でやや大きい場合は、減速機、増速機とも不要とすることができる。これにより、減速機または増速機の分、小形軽量化、低コスト化を達成することができる。

更に、変速機の出力軸の変位の範囲がアームの関節の変位の範囲より小さい場合は、変速機の出力軸の変位の範囲をアームの関節の変位の範囲まで拡大するために増速機を用いることが必要となる。この場合は、増速機により変速機の出力軸の変位の範囲がアームの関節の変位の範囲より小さいような変速機を使用できる効果がある。

尚、後述する実施の形態８の変速機の場合には、ローラの幅により出力軸の変位の範囲が限定されるので、上記の減速増速なしの場合または増速機ありの場合に相当する。

また、上記実施の形態１では、ブレーキ２５が第２軸２と第３軸３に取り付けられた例を示したが、第１軸１と第２軸２、または第１軸１と第３軸３であってもよい。また全軸にブレーキがあってもよい。またブレーキはなくてもよい。

また、差動歯車を構成するのに傘歯車を用いたが他の差動機構、例えば遊星歯車を用いてもよい。更に、第１軸１の回転を傘歯車大８へ、第２軸２と第３軸３の回動をそれぞれ差動傘歯車ｂ１０、差動傘歯車ｃ１１へ接続したが、これらの組み合わせは任意である。例えば第１軸１の回転を差動傘歯車ｂ１０へ、第２軸２の回動を差動傘歯車ｃ１１へ、第３軸３の回動を傘歯車大８へ接続してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、作業補助アームの適用例を示したものである。

図６および図７は、実施の形態２の作業補助アームを介助用に適用した例を示す説明図である。
図６において、カバー３２は傘歯車８などの収まった枠体１６（図示していない）の周囲を覆っている。脚部３１は作業補助アームのベース１７を支持しており、脚部３１には制御装置４１（図示していない）、電源（図示していない）が内蔵されている。脚部３１の下面にはキャスター（図示していない）または駆動装置付きタイヤ（図示していない）が取り付けられており、作業者が押すことによって移動させたり、または自走することができるよう構成されている。

第２アーム１９の先端のアーム手先２６には、手首３０が取り付けられており、手首３０は後述する平行リンク（図示していない）により常に平行に保たれるよう構成されている。また、手首３０の下部は鉛直軸まわりに回転自在となっている。吊具３３は手首３０の下部に取り付けられており、被介助者７０を吊り上げるものである。介助者７１は吊具３３、手首３０または被介助者７０に手をかけて押し引きすることで、被介助者７０を動かす。

図７は、図６に仮想的な面１０１を重ねて描いたものである。仮想的な面１０１は、図５の仮想的な面１０１と同じであって、実体として存在するのではなく、介助者７１が力の感覚で感知できるものである。例えばベッドから車椅子、車椅子から便器への移乗など、介助者７１が被介助者７０を上方または下方へ移動させるとき、介助者７１は図７において右方向へ引く力または左方向へ押す力をかければ、被介助者７０は仮想的な面１０１に沿って右上または左下へ移動する。
停止したい場合には、ブレーキ２５のスイッチ（図示していない）または非常停止ボタン（図示していない）を押せば、図２のブレーキ２５が動作するので、アームの全軸が停止する。

ここで図８を用いて重量物を持ち上げたり降ろしたりする作業について説明する。図８（ａ）に示すように作業者７２が重量物７３を上方へ直接引き上げる力または下方へ降ろす力を発生させようとした場合、重量物７３が空中で安定しない、腰を痛めるといった問題が出てくる。このような場合、クレーンや重力バランサで重量物を吊っても安定しない問題が残る。一方、図８（ｂ）に示すように作業者７２が斜面１０３に沿って重量物７３を持ち上げるまたは降ろす場合、作業者７２は水平方向へ押すまたは引く力を発生することにより、結果として重量物７３を上方または下方へ移動させることができる。このとき重量物７３は常に斜面１０３上にあるので、安定して移動できる。このため図６、図７において介助者７１も被介助者７０も楽に安定して移動することができる。これは斜面１０３が図７のような仮想的な面１０１であっても同じである。

図９は、図６と図７で説明した作業補助アームの手首３０の部分が水平に支持される機構を示す構成図である。
手首３０の下部は手首旋回軸６０まわりに回転自在である。手首３０の後端延長は手首後端リンク６１となっており、手首後端リンク６１には第２アームロッド６２の一端が回動自在に結合される。軸２４にはリンクプレート６３の一端が回動自在に結合され、リンクプレート６３の他端には第２アームロッド６２の他端と第１アームロッド６４の一端が同軸で回動自在に結合される。枠体１６の上部には枠体リンクプレートが固定され、枠体リンクプレートの端部には第１アームロッド６４の他端が回動自在に結合される。手首後端リンク６１とリンクプレート６３、第２アームロッド６２と第２アーム１９は平行リンクをなし、またリンクプレート６３と枠体リンクプレート６５、第１アームロッド６４と第１アーム１８は平行リンクをなしている。以上の構成により、手首３０は常に水平を保つ。

以上のように実施の形態２によれば、作業補助アームを介助用に適用したので、介助者が被介助者の移乗作業を行うとき、介助者は無理な力を出して腰を痛めることなく、仮想的な斜面に沿って被介助者を楽に引き上げ、引き降ろすができ、また被介助者は不安定に吊り下げられるのでなく、斜面に沿って安定して移動できる効果がある。またモータの出力によりアームの軸を直接駆動していないので、被介助者も介助者も安全である効果がある。

尚、図９の作業補助アームの手首３０の部分を水平に支持する機構はアームの内部に内蔵されていてもよい。また平行リンクを用いずにタイミングベルトとタイミングプーリを用いて手首３０を水平に保ってもよい。

実施の形態３．
実施の形態３は、仮想的な面としてらせん状斜面とした作業補助アームの適用例である。

図１０は、実施の形態３による作業補助アームの適用例を示す説明図である。
図１０は重量物搬送に適用した例で、作業者は重量物を場所をとらずに容易に移動することができる。
図１０で仮想的ならせん状斜面１０４は作業補助アームにより仮想的に作ったらせん状の斜面である。手首３０は図９の手首３０と同様に水平に支持され、鉛直軸まわりに回転自在である。重量物７３は手首３０下面の吸着パッド（図示していない）に吸着されている。

以上のように、実施の形態３によれば、図５や図７のように仮想的な面１０１を直線的な斜面にした場合、斜面に沿って上昇・下降するためには水平方向に移動するために場所をとるが、図１０のように斜面をらせん状にすれば作業者７２は場所をとらずに重量物７３を容易に上昇・下降させることができ、またモータの出力によりアームの軸を直接駆動していないので安全に作業ができる効果がある。

実施の形態４．
実施の形態４は、仮想的な面として水平面などとした作業補助アームの適用例である。

図１１は、実施の形態４による作業補助アームを示す説明図である。
図１１は重量物の組み立て作業に適用した例で、作業者は重量物を周囲の障害物に衝突させたりすることなしに容易に移動して、組み立て作業を行うことができる。
図１１で手首３０は図９の手首３０と同様に水平に支持され、鉛直軸まわりに回転自在である。手首３０の先には吸着パッド７４が取り付けられている。作業者７２は吸着パッド７４に付けられた自動車のドア７５を自動車のボディ（図示していない）に取りつける。作業補助アームはこの作業の際、仮想的な水平面を作ることによりドア７５の重量を補償するだけでなく、ドア７５が自動車のボディや周囲の環境に衝突するような方向への動きを規制するような仮想的な壁も作り、作業を容易にしている。

以上のように実施の形態４によれば、作業補助アームに対して自由度を与える面として水平面および仮想的な壁面としたので、作業者はドアの重量を自分で支えることなく、また自動車のボディや周囲の環境にドアを衝突する危険なく、またモータの出力によりアームの軸を直接駆動していないので安全に、容易にドアの組み付け作業を行うことができる効果がある。

実施の形態５．
実施の形態５は、作業補助アームを３次元形状提示装置に適用した例である。

図１２は、実施の形態５による作業補助アームの適用例を示す説明図である。
図中、つまみ３４はアーム手先２６に取りつけられており、人が指でつまんで動かす。制御装置（図示していない）には、３Ｄ−ＣＡＤなどにより製作した対象物体の３次元データや対象物体の実測値に基づく３次元データが格納されている。制御装置はこれらのデータに基づき、対象物体の表面の面の形状を計算し、仮想的な面のデータを作成する。

つまみ３４はこのようにして得られた仮想的な面（図示していない）上に沿って動かすことができる。作業者の手７６は、あたかも対象物体の表面をなぞるかのように動く。これにより、作業者は対象物体の形状を手先の動きと、つまみ３４が仮想的な面から外れそうになったときに手先に帰ってくる反力により感覚的に知ることができる。

以上のように実施の形態５によれば、作業補助アームを３次元形状提示装置に適用したので、次のような効果がある。即ち、面をなぞる方向への動きには機械的な抵抗がほとんどなく、面から外れる方向の動きに対しては機械的な拘束により受動的な反力が作られるので、剛性が大きく、操作の感覚に関してダイナミックレンジが大きく、またモータの出力によりアームの軸を直接駆動していないので、反力によりアームが能動的に動くことがなく操作が安全な３次元形状提示装置が得られる効果がある。

実施の形態６．
実施の形態６は、制御装置における演算の他の例を示すものである。

図１３は、実施の形態６における演算の流れを示す説明図である。
ここではまず指示された仮想的な面１０１を２変数の関数で表現する。例えば直交座標系の変数を用いて次式のように表現する。
ｚ＝ｆ１（ｘ，ｙ） （１７）

アーム手先２６の現在位置を次式で表す。
ｖｘ０＝（ｘ０，ｙ０，ｚ０） （１８）
式（１８）のｘ座標とｙ座標を式（１７）に代入して、指示された仮想的な面１０１上のｚ座標ｚｒを求める。
ｚｒ＝ｆ１（ｘ０，ｙ０） （１９）

指示された仮想的な面１０１上の位置（ｘ０，ｙ０，ｚｒ）と現在位置の差のベクトルｖｅを求める。
ｖｅ＝ｖｘ０−（ｘ０，ｙ０，ｚｒ） （２０）
現在の動きの誤差を次回に修正するための、次回のアームの各関節の軸の回動または回転角度の誤差修正量δΘｅ_ｉ＋１を式（２０）を用いて次式のように定める。
δΘｅ_ｉ＋１＝Ｊ^−１（Θ_ｉ）・（−ｖｅ） （２１）
ここで
Θ_ｉ＝Θ_ｉ−１＋δΘ_ｉ＋δΘｅ_ｉ （２２）
であり、Ｊ^−１はヤコビ行列の逆行列である。また適当な時間間隔で見た、前回からのアーム角度の変化量をδΘとしている。

このようにして得られた式（２２）を式（９）に代入した式が常に成り立つように関節の角速度ベクトルωの係数を実施の形態１と同様に制御すればよい。即ち、式（２２）を式（９）に代入した式を要素で書けば式（１０）のようになり、式（１）と式（１０）より式（１１）が得られるので、式（１１）が成り立つように微少時間間隔で変速比ｋ１、ｋ２、ｋ３を制御すれば、アーム手先２６は指示された指示された仮想的な面内を動く。

以上のように、実施の形態６によれば、制御装置４１は、面の指示を、作業座標における２変数の関数で表現した場合、アームの現在の作業座標ｖｘ０と、前記２変数の関数により得た面の指示座標（ｘ０，ｙ０，ｚｒ）との差のベクトルｖｅに対して、アームの各関節の軸の現在の回動または回転角度におけるヤコビ行列の逆行列Ｊ^−１（Θ_ｉ）を掛けて得た誤差修正量δΘｅ_ｉ＋１を、次回のヤコビ行列の計算においてアームの各関節の軸の回動または回転角度に加えて変速比を制御するようにしたので、次のような効果が得られる。

即ち、実施の形態１では式（２２）の第３項がなかったのに対して、この実施の形態６では第３項が加わる点が異なる。実施の形態１では、初期位置の近傍ではアーム手先２６が指示された仮想的な面１０１内を動くが、初期位置から離れると誤差が増加して、アーム手先２６が指示された仮想的な面１０１から離れる場合があるが、実施の形態６では指示された仮想的な面１０１の式に従って常に誤差を修正するので、初期位置から離れても指示された仮想的な面１０１から離れない効果がある。

尚、指示された仮想的な面１０１を表す式として式（１７）のようにｚ座標がｘとｙの関数としたが、ｘ座標がｙとｚの関数、またはｙ座標がｘとｚの関数であってもよい。
また、指示された仮想的な面１０１上に２次元の座標ｓ１、ｓ２をとって、これらの座標で直交座標系の位置を次式のように表現してもよい。
ｚ＝ｆ２（ｓ１，ｓ２） （２３）
式（２３）でｚ座標がｓ１とｓ２の関数であるとしたが、ｘまたはｙ座標がこれらの関数であってもよい。

実施の形態７．
実施の形態７では、実施の形態１の制御装置４１における演算の内容に補足する別の演算について述べる。ここでは指示された仮想的な面１０１は平面であるとする。

図１４は、実施の形態７の演算内容を示す説明図である。
直交座標系におけるアーム手先２６の初期位置をｖｘ_０とする。軌道１０５ａはｖｘ_０において減速比が一定のときのアーム手先２６が動く軌道である。適当な時間間隔で見た、前回からの移動距離をｄｘ、このときのアーム角度の変化量をｄΘとする。初期位置ｖｘ_０からｄｘ移動した点は軌道１０５ａ上の点となる。

適当な時間間隔後のアーム手先２６の位置を図中ｖｘ_１とする。初期位置ｖｘ_０から見たｖｘ_１の位置ベクトルをｖｓとする。軌道１０５ｂは、ｖｘ_１において、改めて計算した減速比を用いて、減速比が一定のときのアーム手先２６が動く軌道である。ベクトルｖｓを仮想的な面１０１の法線方向ベクトルｖｎ１０２に投影したベクトルをｖｅとすれば、ベクトルｖｅはベクトルｖｓと法線方向ベクトルｖｎ１０２の方向の単位ベクトルとの内積をとって次式のようになる。
ｖｅ＝ｖｓ・ｖｎ／｜ｖｎ｜ （２４）

ここで｜ｖｎ｜は法線方向ベクトルｖｎ１０２の絶対値である。
ベクトルｖｅはアーム手先２６が動いたときの仮想的な面１０１に対する誤差を表す誤差ベクトルになる。
以下の計算は実施の形態６と同様である。前回までの動きの誤差を次回に修正するための、次回のアームの各関節の軸の回動または回転角度の誤差修正量δΘｅ_ｉ＋１を式（２４）を用いて次式のように定める。
δΘｅ_ｉ＋１＝Ｊ^−１（Θ_ｉ）・（−ｖｅ） （２５）
ここで
Θ_ｉ＝Θ_ｉ−１＋δΘ_ｉ＋δΘｅ_ｉ （２６）
であり、Ｊ^−１はヤコビ行列の逆行列である。

このようにして得られた式（２６）を式（９）に代入した式が常に成り立つように関節の角速度ベクトルωの係数を実施の形態１と同様に制御すればよい。すなわち式（２６）を式（９）に代入した式を要素で書けば式（１０）のようになり、式（１）と式（１０）より式（１１）が得られるので、式（１１）が成り立つように微少時間間隔で変速比ｋ１、ｋ２、ｋ３を制御すれば、アーム手先２６は指示された指示された仮想的な面１０１内を動く。

以上のように実施の形態７によれば、制御装置４１は、指示する面を平面とした場合、アームの現在の作業座標ベクトルｖｓと、平面の法線方向ベクトルの単位ベクトル（ｖｎ／｜ｖｎ｜）との内積を誤差ベクトルｖｅとして、誤差ベクトルｖｅにアームの各関節の軸の現在の回動または回転角度におけるヤコビ行列の逆行列Ｊ^−１（Θ_ｉ）を掛けて得た誤差修正量δΘｅ_ｉ＋１を、次のヤコビ行列の計算においてアームの各関節の軸の回動または回転角度に加えて変速比を制御するようにしたので次のような効果がある。

即ち、実施の形態１では式（２６）の第３項がなかったのに対して、実施の形態７では第３項が加わる点が異なる。実施の形態１では、初期位置ｖｘ_０の近傍ではアーム手先２６が指示された仮想的な面１０１内を動くが、初期位置ｖｘ_０から離れると誤差が増加して、アーム手先２６が指示された仮想的な面１０１から離れる場合があるが、実施の形態７では式（２６）の第３項により常に誤差を修正するため、初期位置ｖｘ_０から離れても指示された仮想的な面１０１から離れない効果がある。

また実施の形態６では指示された仮想的な面１０１の式（式（１７）または式（２３））を用いて補正するときの基準となる点を毎回求めているが、実施の形態７では初期位置からの位置ベクトルと、指示された仮想的な面１０１の法線方向ベクトル１０２を用いて誤差を修正するため、指示された仮想的な面１０１の式を用いなくても誤差が修正できる効果がある。

実施の形態８．
実施の形態８では、実施の形態１の作業補助アームに用いられる変速機の一例を示したものである。

図１５は、実施の形態８の作業補助アームにおける無段変速機を示す構成図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向より見た図を示している。

図示のように、入力軸２０２と出力軸２２０は枠体２０６に対して回転自在に取りつけられている。入力軸２０２は図２の変速機入力軸５ａ、５ｂ、５ｃに相当し、出力軸２２０は図２の変速機出力軸６ａ、６ｂ、６ｃに相当するものである。

傘歯車ａ２０８、傘歯車ｂ２０９、平歯車ａ２１０、平歯車ｂ２１１、操舵輪軸２１２は、操舵輪枠体２０７に回転自在に取り付けられている。入力軸２０２から入力された回転は、傘歯車ａ２０８、傘歯車ｂ２０９、平歯車ａ２１０、平歯車ｂ２１１を経て、操舵輪軸２１２まわりに回転する操舵輪２１３に伝達されるよう構成されている。

ローラ２１６は、ローラ枠体２１４に取り付けられ、ローラ軸２１５まわりに回転自在となっている。操舵輪２１３はローラ２１６に押し当てられているので、操舵輪２１３が回転するとローラ２１６が回転する。
操舵輪枠体２０７は、枠体２０６に対して操舵軸２０１まわりに回転自在に取りつけられている。操舵軸２０１と入力軸２０２は同軸で、独立に回転する。操舵軸２０１とローラ軸２１５は直交している。

変速用減速機付きモータ２０５は枠体２０６に取り付けられている。変速用減速機付きモータ２０５の軸にはモータ傘歯車２０４が取り付けられている。操舵輪枠体２０７には操舵軸傘歯車２０３が取り付けられている。変速用減速機付きモータ２０５の回転は、モータ傘歯車２０４、操舵軸傘歯車２０３を経て、操舵輪枠体２０７を枠体２０６に対して操舵軸２０１まわりに回転させる。変速用減速機付きモータ２０５は制御装置４１（図示していない）により制御される。

ローラ枠体２１４は枠体２０６に対してリニアガイド２１７を介して取り付けられている。リニアガイド２１７の直動方向はローラ軸２１５と平行である。ローラ枠体２１４は枠体２０６に対して、ローラ軸２１５と平行な方向へ直動動作自在である。ローラ枠体２１４にはラック２１８がローラ軸２１５と平行に取り付けられている。枠体２０６にはピニオン２１９が出力軸２２０まわりに回転自在に取りつけられている。ラック２１８とピニオン２１９は噛み合っており、ローラ枠体２１４が直動動作すると、出力軸２２０が回転するよう構成されている。

次に動作を説明する。
図１５では操舵輪軸２１２とローラ軸２１５は平行な場合を示している。この場合、入力軸２０２が回転すると、ローラ２１６が回転するだけである。ここで変速用減速機付きモータ２０５を駆動して操舵輪２１３を操舵軸２０１まわりに角度θｓだけ操舵した場合を考える。このとき操舵輪軸２１２はローラ軸２１５に対して平行でなくなるので、操舵輪２１３が回転すると、ローラ２１６はローラ軸２１５まわりに回転しつつ、ローラ軸２１５に平行な方向へ直動動作する（このときローラ２１６上における操舵輪軸２１２との接触点の軌跡は、リード角がθｓであるねじ状になる）。ローラ２１６がローラ軸２１５に平行な方向へ直動動作すると、ラック２１８、ピニオン２１９を経て、出力軸２２０が回転する。

傘歯車ａ２０８と傘歯車ｂ２０９、平歯車ａ２１０と平歯車ｂ２１１はそれぞれ歯数が同じとする。操舵輪２１３とローラ２１６の半径をそれぞれｒｓ、ｒｒとする。またピニオンのピッチ円半径をｒｐとする。操舵輪軸２１２の角速度ωｉｎｓと出力軸２２０の角速度ωｏｕｔの間には次の関係が成り立つ。
ｒｓ・ｓｉｎθｓ・ωｉｎｓ＝ｒｐ・ωｏｕｔ （２７）

入力軸２０２の角速度ωｉｎ、操舵軸２０１の角速度ωｓ、操舵輪軸２１２の角速度ωｉｎｓの間には次の関係が成り立つ。
ωｉｎｓ＝ωｉｎ−ωｓ （２８）
式（２７）と式（２８）を用いて、操舵角度と操舵角速度を定めることで、変速比を制御することができる。

図１５に示すように操舵軸２０１の操舵角度が０の場合は、入力軸２０２が回転しても出力軸２２０は回転しない。このときは変速比は０である。ここから操舵角度を正負に動かすと、入力軸２０２に対して出力軸２２０は正転逆転する。操舵角度が±９０度のとき変速比の絶対値が最大になる。

この変速機は操舵輪２１３をローラ２１６に押し当てて操舵する構造なので、入力軸２０２が回転している動作中も操舵できるだけでなく、停止中も「すえ切り」することにより、変速が可能である。また、変速用減速機付きモータ２０５は、操舵により変速を行う際操舵軸２０１を回転駆動するだけであり、操舵軸２０１は操舵輪軸２１２ともローラ軸２１５とも直交しているので、操舵に大きなパワーを要することがなく、また、操舵に要するパワーが入力軸２０２、出力軸２２０に出てくることはない。

以上のように実施の形態８によれば、この無段変速機には以下のような効果があるので、実施の形態１で述べたように作業補助アームのための無段変速機として有効である。
１）速度の比のみを結合し、変位に対しては拘束を与えない。すなわち速比を変化させても変位の関係は変化しない。
２）変速比は、正転から逆転まで滑らかに変化し、変速比０、すなわち入力が回転しても出力が回転しない状態を作れる。
３）動作中も停止中も変速可能である。
４）変速に要するパワーが少ない。即ち、モータはアームの軸を直接駆動するのではなく、変速を行うだけなので、モータの出力が小さくて済む効果がある。また、変速に要するパワーが入力軸、出力軸に出てこない。

尚、傘歯車ａ２０８と傘歯車ｂ２０９、平歯車ａ２１０と平歯車ｂ２１１をそれぞれ同じ歯数としたが、異なる歯数でもよい。また変速用減速機付きモータ２０５は減速機付きとしたが、減速機はなくてもよい。

尚、上記各実施の形態では、変速機４ａ，４ｂ，４ｃは無段変速機として説明したが、仮想的な面１０１としてある程度の凹凸が許容される場合等では、変速段数が十分に多い変速機であれば多段変速機でも使用可能である。

この発明の実施の形態１による作業補助アームを示す構成図である。 この発明の実施の形態１による作業補助アームの駆動部分の構成図である。 この発明の実施の形態１による作業補助アームの制御構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による作業補助アームの演算の流れを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による作業補助アームの姿勢変化の様子を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による作業補助アームの適用例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による作業補助アームの適用例と仮想的な面を示す説明図である。 重量物を持ち上げる作業の説明図である。 作業補助アームの手首を水平に支持する機構の説明図である。 この発明の実施の形態３による作業補助アームの適用例を示す説明図である。 この発明の実施の形態４による作業補助アームの適用例を示す説明図である。 この発明の実施の形態５による作業補助アームの適用例を示す説明図である。 この発明の実施の形態６による作業補助アームの演算の流れを示す説明図である。 この発明の実施の形態７による作業補助アームの演算内容を示す説明図である。 この発明の実施の形態８による作業補助アームに適用される無段変速機を示す構成図である。

符号の説明

１ 第１軸、２ 第２軸、３ 第３軸、４ａ，４ｂ，４ｃ 変速機、５ａ，５ｂ，５ｃ 変速機入力軸、７ 傘歯車小、８ 傘歯車大、９ 差動傘歯車ａ、１０ 差動傘歯車ｂ、１１ 差動傘歯車ｃ、１２ 差動傘歯車ａ軸、１３ キャリア、１６ 枠体、１７ ベース、１８ 第１アーム、１９ 第２アーム、２０ 下節、２１ 後節、２２，２３，２４ 軸、２６ アーム手先、４０ 回転角度検出器（変位検出装置）、４１ 制御装置、４２ 面指示手段、１０１ 仮想的な面、１０２ 法線方向ベクトル。

Claims (3)

1. 複数の軸の変位量に基づいて、その作業座標が決定されるアームと、
   前記複数の軸の変位量をそれぞれ検出する変位検出装置と、
   前記複数の軸を結合する差動機構と、
   前記複数の軸上にそれぞれ設けられた変速機と、
   前記アームの指示された作業座標の自由度の情報と、前記変位検出装置にて検出された変位量に基づき、前記アームの作業座標が、前記指示された自由度以外は拘束されるよう前記変速機の変速比を制御する制御装置とを備えた作業補助アーム。
2. 複数の軸は関節の軸であって、第１軸と第２軸と第３軸を有し、前記第２軸と第３軸は同軸であって、
   かつ、
   前記第１軸まわりを旋回するよう設けられ、前記第２軸と前記第３軸とを回動自在に支持する枠体と、
   前記第２軸まわりに回動するよう当該第２軸に取り付けられた第１アームと、前記第３軸まわりに回動するよう当該第３軸に取り付けられた下節と、当該下節の先端部に回動自在に取り付けられた後節と、前記第１アームの先端部で回動自在に支持されると共に、その後端が前記後節の先端部で回動自在に支持される第２アームとを含み、前記第１アームと前記後節、前記第２アームと前記下節がそれぞれ平行となるよう位置してなるアームと、
   前記第１軸から前記第３軸のそれぞれの回動または回転角度を検出する変位検出装置と、
   前記第１軸から前記第３軸にそれぞれ結合された３個の変速機の３個の入力軸のうち、２個の入力軸の角速度の和を、残る１個の入力軸の角速度に比例させるよう構成された差動機構とを備えたことを特徴とする請求項１記載の作業補助アーム。
3. 制御装置は、指示された作業座標の自由度を面として表し、当該面の法線方向ベクトルと、アームの各関節の軸の現在の回動または回転角度におけるヤコビ行列と、各関節の軸の角速度ベクトルの内積が０となるよう変速比を制御することを特徴とする請求項２記載の作業補助アーム。

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