JP4215616B2 - 歩行型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、人型すなわち二足歩行型等の歩行可能な作業用ロボットとして利用されるロボットに係り、特に、手部による作業に多様性を付与した歩行型ロボットに関する。

ロボットの分野においては、工場等で利用される産業用ロボットが、もっとも実用化が進んでいる。そのようなロボットには、各種作業を行わせるためのハンド装置が具備されており、そのハンド装置としては、グリッパ型が広く普及している。グリッパ型のハンド装置としては、例えば、一対の平板を１軸あるいは平行な２軸に揺動自在に支持して開閉動作させる構成が挙げられ、一般には、高い強度を有し、高負荷に対応可能であり、単純な構成と相まって信頼性の面では高い評価を得ている。このようなグリッパ型のハンド装置では、多様な作業への適用性を持たせるために、作業内容や対象物品に応じたアタッチメントが交換可能に着脱されるようになっているものがある（特許文献１参照）。

特許３０６５７００号公報

ところで、近年では、人型の二足歩行型ロボットの開発がめざましく、そのようなロボットの中には、人の補助をしたり、あるいは単独で作業したりする作業用ロボットも開発されている。このような歩行型ロボットは、作業を行わせるための手部を有し、その手部として、上記のようなハンド装置が用いられる場合がある。しかしながら、歩行型ロボットの手部は、人の手部を模すために、複雑な手首関節部を介して手部を腕部に連結し、手首関節部や手部自体を動かすための駆動系や配線は、きわめて精緻かつ複雑なものになりがちである。このため、上記のようなアタッチメント交換式のハンド装置を歩行型ロボットの手部に適用するには、ただでさえ複雑な部位に、アタッチメントの着脱機構やアタッチメントに応じた配線を設けなければならないので、一層の複雑化を招くことになる。また、これとともに、手部の重量増加といった問題が生じ、この問題は、手部という末端においては慣性の増大を招き、安定した歩行性能を著しく妨げることになる。
よって本発明は、多様な作業を可能とする手部を備え、その手部の構成が簡素であり、これによって手部の重量の増大、ひいては慣性の増大が抑制される歩行型ロボットを提供することを目的としている。

本発明は、先端に手部が連結された腕部を有する歩行型ロボットにおいて、手部は複数の指部を有し、さらに、これら指部の少なくとも１つの指先に、作業用ツールを備えたアタッチメントが着脱自在に装着されることを特徴としている。

本発明によれば、異種の作業用ツールを装備した複数のアタッチメントを用意し、作業内容に適合するアタッチメントを指部に装着し、また交換しながら、作業をロボットに行わせる。指先となるアタッチメントを交換する構成なので、手部全体を交換する場合と比べると、構成が大幅に簡素化するとともに軽量化が図られ、これにともなって手部によって生じる慣性の増大が抑えられる。また、アタッチメントによる作業と同時に、手部による他の作業を行うことも可能であり、これによって作業効率が高まる。

本発明では、アタッチメントが指先に対してワンタッチ式の着脱機構により装着される形態を採用することにより、アタッチメントの着脱が容易となり、作業効率をより高めることができる。ワンタッチ式の着脱機構としては、アタッチメントおよび指先の一方に設けられる被係合部と、他方に設けられて被係合部に弾性的に係合する係合部とを備えたものが挙げられる。また、アタッチメントの装着を一層容易とするには、指先に対するアタッチメントの装着位置を決める位置決め手段を設けると良い。

本発明によれば、前述の如く、指先となるアタッチメントを交換する構成なので、手部全体を交換する場合と比べると、構成が大幅に簡素化するとともに軽量化が図られ、これにともなって手部に生じる慣性の増大が抑えられ、また、アタッチメントによる作業と同時に手部によって他の作業を行わせることが可能なので作業効率を高めることができるといった効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は実施形態の自立二足歩行が可能な人間型ロボットＲの全体図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図である。このロボットＲは、腰部１および胴体２を備え、腰部１には、先端に足部３を有する左右の脚部４が、また、胴体２には、頭部５と、先端に手部６を有する左右の腕部７が、それぞれ連結されている。以下の説明で上下左右、前後といった方向は、注釈しない限り、図１に示す基本姿勢、すなわち、手部６の掌が前方に向き、この手部６および腕部７が真っ直ぐ下方に伸び、脚部４も真っ直ぐに伸び、胴体２および頭部５が前方を向いている姿勢に基づくものとする。

胴体２は、腰部１の上に、左右方向に所定角度の範囲で水平回転し、かつ、前後方向に所定角度で傾倒するように取り付けられており、この胴体２の上に、頭部５が左右・前後に首振り可能に取り付けられている。また、胴体２の両肩には、肩関節部１１を介して腕部７の上腕部７Ａが連結されている。腕部７は、図２にも示すように（図２は左側の腕部７）、上腕部７Ａと、上腕部７Ａに肘関節部１２を介して連結された下腕部７Ｂとからなり、下腕部７Ｂの先端に、手首関節部１３を介して手部６が連結されている。肩関節部１１は、前後方向、左右方向および上下方向に延びる３つの関節軸を有しており、左右方向の関節軸を中心として肩関節部１１自体が回転自在に胴体２に取り付けられている。前後方向の関節軸は肩関節部１１に回転自在に取り付けられ、その前後方向の関節軸に上下方向の関節軸が取り付けられている。そして、この上下方向の関節軸に、上腕部７Ａが回転自在に取り付けられている。肘関節部１２は左右方向に延びる関節軸を有し、この関節軸を中心に下腕部７Ｂが揺動自在とされている。手首関節部１３は、上下方向および左右方向に延びる２つの関節軸を有し、上下方向の関節軸を介して下腕部７Ｂの先端に回転自在に取り付けられ、左右方向の関節軸を介して、手部６が揺動自在に取り付けられている。

左右の脚部４は、股関節部１４を介して腰部１の下端に連結されている。股関節部１４は、軸回りに回転自在に腰部１に取り付けられた前後方向に延びる関節軸に、左右方向に延びる関節軸が取り付けられた構成であり、左右方向の関節軸に、脚部４の上脚部４Ａが揺動自在に取り付けられている。脚部４は、上脚部４Ａと、上脚部４Ａに膝関節部１５を介して連結された下脚部４Ｂとからなり、下脚部４Ｂの先端に、足首関節部１６を介して足部３が連結されている。膝関節部１５は左右方向に延びる関節軸を有し、この関節軸を中心に下脚部４Ｂが揺動自在とされている。足首関節部１６は、左右方向および前後方向に延びる２つの関節軸を有し、足部３は、これら関節軸を中心に揺動自在とされている。なお、上記各関節部１１〜１６を構成する関節軸は、内蔵されているため、図１では図示されていない。

上記の各可動パーツ、すなわち胴体２、足部３、脚部４（上脚部４Ａと下脚部４Ｂ）、頭部５、手部６、腕部７（上腕部７Ａと下腕部７Ｂ）の回転あるいは揺動動作は、それぞれモータを駆動源とする駆動系と、これら駆動系を制御するコンピュータによってなされる。コンピュータおよびモータの電源であるバッテリは適宜な箇所に収容され、この場合は、コンピュータは胴体２内に、バッテリは腰部１内に収容されている。

次いで、本発明のポイントである手部６について説明する。
手部６は、図３および図４に示すように（これら図では左側の手部６を示す）、基部６０と、親指に相当する第１指部６１と、人差し指、中指、薬指および小指の４本を一体化させたような平板状の第２指部６２とを主体として構成されている。基部６０は、直方体状で、掌に相当する内面側に、左右方向に延びる基部関節軸６１ａを介して第１指部６１が揺動自在に取り付けられている。第１指部６１は、基部関節軸６１ａ回りに揺動する基部リンク６１Ａと、この基部リンク６１Ａの先端に、基部関節軸６１ａと平行な第１関節軸６１ｂを介して揺動自在に連結された指先リンク６１Ｂとからなるもので、基部関節軸６１ａを中心として第２指部６２に対して離接するように揺動する。その揺動は、上記コンピュータで制御される駆動系によってなされる。

第１指部６１の指先リンク６１Ｂは、第１関節軸６１ｂに装着されたねじりコイルバネ等の図示せぬ弾性部材によって、常に所定角度で屈曲する状態に付勢されており、その弾性部材に抗して指先リンク６１Ｂが押される応力を受けると、指先リンク６１Ｂは、伸びる方向（第２指部６２から離れる方向）に揺動する。この場合の指先リンク６１Ｂの揺動範囲は、図４（ｂ）に示す角度から、基部リンク６１Ａとほぼ一直線状となる真っ直ぐな状態までの範囲とされている。第２指部６２は基部６０に固定されており、第２指部６２の先端には、指先部６２Ａが着脱自在に装着される。手部６は、基部６０に固定されたブラケット６０ａを介して、手首関節部１３の左右方向に延びる関節軸に連結される。

指先部６２Ａは、ワンタッチ式の着脱機構によって、第２指部６２に着脱自在に装着される。その着脱機構は、図４（ａ）に示すように、指先部６２Ａの装着面に設けられた一対のピン７０と、第２指部６２の先端に設けられた係合機構８０との組み合わせで構成される。

図５〜図９によって、ワンタッチ式の着脱機構を詳述する。
図６に示すように、ピン７０は、指先部６２Ａの装着面の両端部から突出しており、軸部７１の先端に、軸部７１よりも大径の係合頭部７２が形成され、軸部７１には、断面弧状の周溝７１ａが形成されている。

一方、第２指部６２の先端に設けられた係合機構８０は、ピン７０が挿入される円筒状のガイド部８２を両端部に備える受け部材８１と、この受け部材８１の奥に収容された保持部材８５とを備えている。受け部材８１は、第２指部６２の先端に固定されており、中央に凹部８１ａが形成され、この凹部８１ａの両側に、第２指部６２の内方に向かって延びるガイド部８２が形成されている。これらガイド部８２の根元側（第２指部６２としては先端側）には、複数（この場合４つ）の円形状のボール孔８２ａが、周方向に等間隔をおいて形成されており、これらボール孔８２ａには、ボール８３がそれぞれ嵌め込まれるようになっている。ボール８３は、その直径がボール孔８２ａの直径よりもやや大きなものが用いられる。

保持部材８５は、長方形状のプレート８６の両端部に、上記ガイド部８２よりも大径の円筒状のホルダ部８７を備えたもので、ホルダ部８７の開口を先端方向に向けて、受け部材８１の奥に、ガイド部８２の軸方向に沿って摺動自在に収容されている。この収容状態で、ホルダ部８７は同軸的にガイド部８２を囲むように配置される。保持部材８５は、第２指部６２が備えるリブ６２ｂとの間に挟まれた圧縮バネ８８によって常に先端方向に付勢されており、これにより、ホルダ部８７とガイド部８２との間に挟まれるボール８３がボール孔８２ａに最大限に嵌合させられる。また、保持部材８５のプレート８６の中央には、保持部材８５の移動方向に直交して第２指部６２の甲の部分から突出するレバー８９が形成されている。このレバー８９は、その甲に形成されて保持部材８５の移動をレバー８９が当たって阻害させないための長孔６２ｃを貫通している。

上記ワンタッチ式の着脱機構によれば、図６に示すように、レバー８９によって圧縮バネ８８の力に抗して保持部材８５を後退させると、両側のホルダ部８７によってガイド部８２のボール孔８２ａ内に嵌合させられていたボール８３の拘束状態が解かれ、ボール８３はボール孔８２ａの外側に移動できるようにルーズな状態になる。この状態を維持しながら、図７〜図８に示すように、指先部６２Ａの各ピン７０を各ガイド部８２内に挿入していき、ほぼピン７０がガイド部８２内に挿入されたら、レバー８９を離す。すると、図９に示すように、圧縮バネ８８の力で保持部材８５は先端方向に移動して元の位置に戻る。これによってボール８３はボール孔８２ａに再び嵌合するとともに、ピン７０の周溝７１ａにボール８３が嵌合し、ピン７０が拘束される。

以上の作用で、指先部６２Ａは、第２指部６２に対し、密着し、かつ抜け止めされた状態で装着される。そして、レバー８９によって保持部材８５を後退させ、ボール８３をルーズな状態にすると、ボール８３によるピン７０の拘束が解かれるので、指先部６２Ａを引くとピン７０はガイド部８２から引き抜かれ、指先部６２Ａを第２指部６２から離脱させることができる。なお、指先部６２Ａの装着面の中央には凸部６２ａが形成されており、この凸部６２ａは、受け部材８１の凹部８１ａに嵌合する。この凹凸嵌合により、指先部６２Ａにかかる応力は、受け部材８１、ひいては第２指部６２で受けられ、これによってピン７０への負担が軽減される。また、受け部材８１の凹部８１ａの部分には、後述するアタッチメントへの給電用の電極９１が表面に露出する状態で設けられている。

さて、手部６の第２指部６２の先端には、通常は上記指先部６２Ａが装着されるが、この指先部６２Ａに代えて、当該ロボットＲに行わせる仕事に応じたアタッチメントを装着することができるようになっている。図１０（ａ）〜（ｈ）は、そのようなアタッチメントの例を示している。これらアタッチメントは、第２指部６２に装着される共通のアダプタ部１００を有している。このアダプタ部１００に、上記と同様の一対のピン７０および凸部６２ａが設けられ、さらに、凸部６２ａには、上記受け部材８１の電極９１に接触する端子１０１が設けられている。以下、図１０に示したアタッチメントの例を説明する。

（ａ）アタッチメント１１０：ソケットレンチ用モータユニット
アダプタ部１００の先端中央から突出する回転チャック１１１が設けられ、このチャック１１１に、ドライバ等のソケットレンチ１１２が着脱自在に装着される。チャック１１１はアダプタ部１００に内蔵されたモータによって回転させられる。ドライバによってネジを回し、締結する作業を行う。
（ｂ）アタッチメント１２０：各種計測プローブ
例えば、傷や穴などの深さを調べる探り針として用いられるプローブ１２１が、アダプタ部１００の先端中央に突出している。
（ｃ）アタッチメント１３０：カメラユニット
軽量小型の撮影装置として普及しているＣＣＤカメラ１３１が、アダプタ部１００に固定されている。
（ｄ）アタッチメント１４０：バルブ専用レンチユニット
回転式のバルブを開閉させるレンチ１４１がアダプタ部１００に装備され、アダプタ部１００に内蔵されたモータでレンチ１４１が回転させられる。

（ｅ）アタッチメント１５０：フックユニット
ロープ等を引っ掛けるためのフック１５１がアダプタ部１００の先端に固定され、フック１５１内を開閉するラッチ１５２が、アダプタ部１００に揺動自在に設けられており、アダプタ部１００に内蔵されたソレノイド等でラッチを作動させる。
（ｆ）アタッチメント１６０：ボタン押しユニット
先端が曲面に形成された短い棒状のプッシャ１６１がアダプタ部１００の先端中央から突出しており、このプッシャ１６１でボタン等を押す。
（ｇ）アタッチメント１７０：可動指ユニット
湾曲した一対の指状の操作子１７１が互いに離接するようにアダプタ部１００に設けられており、各操作子１７１の先端の間に物品を挟む。操作子１７１は、アダプタ部１００に内蔵されたモータで作動させられる。互いに当接可能とされた操作子１７１の先端内面には、滑り止めとして多数の細かい溝が形成されている。
（ｈ）アタッチメント１８０：ハンマーユニット
ハンマー１８１が軸方向に往復動するようにアダプタ部１００に設けられるとともに、ハンマー１８１を先端方向に付勢する圧縮バネ１８２が組み込まれ、アダプタ部１００に内蔵されたソレノイド等により、ハンマー１８１がアダプタ部１００側に繰り返し引き込まれる。ソレノイドと圧縮バネ１８２の相互作用でハンマー１８１は往復動し、その先端面で断続的に対象物を打撃する。

上記実施形態のロボットＲによれば、二足歩行しながら人間と共同して物品を運搬するなどの作業を基本的な作業として行わせることができ、その場合には、手部６の第２指部６２の先端には、通常のパーツである指先部６２Ａを装着しておく。そして、各種アタッチメント（１１０〜１８０）を用いて作業を行わせる場合には、その作業内容に応じたアタッチメントを選択して第２指部６２の先端に装着し、そのアタッチメントを用いて作業を行わせる。異なる作業内容が続く場合には、それに応じて他のアタッチメントに交換すれば良い。

このように、異種の作業用ツールを装備した複数のアタッチメントを用意し、作業内容に適合するアタッチメントを第２指部６２に装着し、また交換しながら、作業をロボットＲに行わせることができる。指先となるアタッチメントを交換する構成なので、アタッチメントの重量は手部６そのものを交換する場合に比べると構成が簡素かつ軽量となり、手部６によって生じる慣性の増大が抑えられる。

また、１つのアタッチメントによる作業と、手部６による作業を、同時に行わせることができる。図１１はその状態の例を示しており、この場合、図１０（ａ）に示したアタッチメント１１０を第２指部６２に装着し、第１指部６１を下に、第２指部６２を上に配した状態でこれら指部６１，６２で棚板２００を挟んで持ち、かつ、棚板２００に固定してあるＬ字金具２０１に通したネジ２０２をアタッチメント１１０で壁２１０にねじ込み、棚板２００を壁２１０に固定する作業である。このように、手部６での作業と同時にアタッチメントを用いての作業を行うことも可能なので、その場合には作業効率の向上が図られる。さらに、アタッチメントをワンタッチ式の着脱機構によって装着することができるので、アタッチメントの着脱が容易であり、作業効率をより高めることができる。

なお、本実施形態では、このようなワンタッチ式の着脱機構によって指先部６２Ａおよびアタッチメントを第２指部６２に装着する構成であるが、図１２および図１３に示すように、ネジ２２０を用いた結合手段によって指先部６２Ａあるいはアタッチメントを第２指部６２に着脱自在に装着する構成にしても良い。その場合には、第２指部６２側に雌ねじ２２１を形成しておくが、凸部６２ａと凹部８１ａをそのまま残しておけば、両者によってアタッチメントの装着位置を決める位置決め手段とすることができる。

本発明の実施形態に係る二足歩行型ロボットの（ａ）正面図、（ｂ）左側面図である。 同ロボットの腕部の（ａ）正面図、（ｂ）側面図、（ｃ）斜視図である。 同ロボットの手部の斜視図であって、（ａ）第２指部の先端から指先部を外した状態、（ｂ）指先部を装着した状態である。 手部の（ａ）一部断面正面図、（ｂ）側面図である。 第２指部の先端の正面断面図である。 第２指部の先端の正面断面図および指先部の平面図である。 第２指部の先端に指先部を装着する初期段階を示す正面断面図である。 図７の状態からさらに第２指部の先端に指先部を装着していった状態を示す正面断面図である。 第２指部の先端に指先部を装着した状態を示す正面断面図である。 第２指部の先端に装着される各種アタッチメントの平面図である。 手部とアタッチメントで異なる作業を同時に行っている例を示す側面図である。 第２指部に対する指先部の着脱機構の他の例を示す斜視図であって、（ａ）第２指部の先端から指先部を外した状態、（ｂ）指先部を装着した状態である。 第２指部に対する指先部の着脱機構の他の例を示す図であって、手部の一部断面正面図である。

符号の説明

６…手部
７…腕部
６１…第１指部
６２…第２指部
６２Ａ…指先部
６２ａ…指先部の凸部（位置決め手段）
７０…指先部のピン（被係合部：ワンタッチ式着脱機構）
８０…第２指部の係合機構（ワンタッチ式着脱機構）
８１ａ…第２指部の凹部（位置決め手段）
８３…ボール（係合部）
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０…アタッチメント
Ｒ…二足歩行型ロボット

Claims (3)

1. 先端に手部が連結された腕部を有する歩行型ロボットにおいて、前記手部は複数の指部を有し、さらに、これら指部の少なくとも１つの指先に、作業用ツールを備えたアタッチメントが着脱自在に装着されることを特徴とする歩行型ロボット。
2. 前記アタッチメントは、該アタッチメントもしくは前記指先の一方に形成された被係合部と、他方に設けられ、被係合部に弾性的に係合する係合部とを備えた着脱機構によって指先に装着されることを特徴とする請求項１に記載の歩行型ロボット。
3. 前記指先に対する前記アタッチメントの装着位置を決める位置決め手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行型ロボット。
   

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