JP5086778B2 - ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、先端部にエンドエフェクタ（手先効果器）を備えた多関節ロボットアームに関するものである。

各種の作業を行うエンドエフェクタ（手先効果器）を先端部に備えたロボットアームとして、少なくとも５つの関節を有する５自由度以上の多関節ロボットアームが従来一般に知られている。例えば特許文献１には、エンドエフェクタとして物品を把持するハンドを先端部に備えると共に、モータおよび減速機を組み込んで能動的に回動可能に構成した剛性構造の６つの剛性能動関節を備えた多関節ロボットアームが記載されている。

また、この種の多関節ロボットアームに適用可能な関節としては、ばね機構およびダンパ機構を組み込んで受動的に回動可能に構成した柔軟構造の柔軟受動関節（例えば特許文献２参照）や、ばね機構およびダンパ機構に加えモータおよび減速機を組み込んで能動的に回動可能に構成した柔軟構造の柔軟能動関節が一般に知られている。
特開２００６−２１８７号公報（段落番号１３、図２） 特開２００１−２４６５８４号公報（段落番号１３、図３）

ここで、特許文献１に記載のように全ての関節が剛性構造の剛性能動関節とされた多関節ロボットアームは、エンドエフェクタとしてのハンドの位置や姿勢を高精度に制御可能であって精密な作業が可能であるが、その反面、人体に接触すると多大な衝撃を与える恐れがあるため、人間の生活環境で安全に使用するには難点がある。

もっとも、このような多関節ロボットアームも、剛性構造の剛性能動関節を柔軟構造の柔軟能動関節に変更すれば、人体に接触した際の衝撃を緩和できるため、人間の生活環境でも安全に使用可能となる。

しかしながら、単に剛性能動関節を柔軟能動関節に変更した多関節ロボットアームにおいては、エンドエフェクタとしてのハンドの位置や姿勢の制御精度が低下する恐れがある。また、モータおよび減速機に加えてばね機構やダンパ機構が組み込まれた柔軟能動関節は、ばね機構やダンパ機構が組み込まれていない剛性能動関節に較べて大型となり、重量も嵩むため、構造上大型化、重量化するという問題が発生する。

そこで、本発明は、精密な作業が可能であって人間の生活環境でも安全に使用でき、しかも極力小型軽量化できる多関節ロボットアームを提供することを課題とする。

本発明に係る多関節ロボットアームは、先端部にエンドエフェクタを備えた多関節ロボットアームであって、先端部側の少なくとも３つの関節が剛性能動関節で構成されおり、２つの柔軟能動関節は、先端部側の部分に作用した外力を吸収するように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る多関節ロボットアームでは、先端部側の少なくとも３つの剛性能動関節により、エンドエフェクタの位置や姿勢の精度が十分に確保されるため、エンドエフェクタによる精密な作業が可能となる。また、基端部側の少なくとも２つの柔軟能動関節により、人体に接触した際の衝撃が緩和されるため、人間の生活環境での安全な使用が可能となる。

さらに、剛性能動関節に較べ大型であって重量も嵩む柔軟能動関節は、少なくとも２つの関節とされているため、構造上の大型重量化が最小限に抑えられる。しかも、柔軟能動関節が基端部側に配置されているため、その柔軟能動関節の重量に起因する大きなモーメントは先端部側の少なくとも３つの剛性能動関節には作用しない。このため、これらの剛性能動関節を補剛する必要がなく、その分、構造上の大型重量化が抑えられる。

本発明に係る多関節ロボットアームにおいて、エンドエフェクタは、例えば物体を把持するハンドまたはフィンガで構成することができる。この場合、ハンドまたはフィンガは、位置や姿勢の精度が十分に確保されて物体を正確に把持することが可能となる。

本発明に係る多関節ロボットアームによれば、先端部側の少なくとも３つの剛性能動関節により、エンドエフェクタの位置や姿勢の精度が十分に確保されるため、エンドエフェクタによる精密な作業が可能となる。また、基端部側の少なくとも２つの柔軟能動関節により、人体に接触した際の衝撃が緩和されるため、人間の生活環境での安全な使用が可能となる。

さらに、柔軟能動関節は、少なくとも２つの関節とされているため、構造上の大型重量化が最小限に抑えられる。しかも、柔軟能動関節が基端部側に配置されているため、先端部側の少なくとも３つの剛性能動関節を補剛する必要がなく、その分、構造上の大型重量化が抑えられる。従って、多関節ロボットアームの全体を極力小型軽量化することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る多関節ロボットアームの最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係る多関節ロボットアームを備えたロボットの作業状態を示す側面図、図２は図１に示した多関節ロボットアームの拡大斜視図である。

図１に示すロボットＲは、例えば人間の生活環境である一般の家庭内などで使用可能なロボットであり、胴体ＢＤの下部には移動用の車輪ＷＨを備え、胴体ＢＤの上部には作業用の多関節ロボットアームＡＲを備えている。

図２に示すように、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲは、基端部の肩フレームＦ１，Ｆ２と、上腕フレームＦ３と、肘フレームＦ４，Ｆ５と、前腕フレームＦ６と、手首フレームＦ７と、先端部のエンドエフェクタとしてのハンドＨＤとを備えている。

肩フレームＦ１と肩フレームＦ２との間には、図示しないモータ、減速機、ばね機構、ダンパ機構などを肩フレームＦ１，Ｆ２内に組み込んだ柔軟構造の能動関節である肩関節Ｊ１が構成されている。この肩関節Ｊ１は、図示しないモータおよび減速機の作動により、肩フレームＦ１の左右方向の軸廻りに肩フレームＦ２を回動させると共に、図示しないばね機構およびダンパ機構の作動により、肩フレームＦ２に作用する回動方向の反力を吸収する。

肩フレームＦ２と上腕フレームＦ３との間には、図示しないモータ、減速機、ばね機構、ダンパ機構などを肩フレームＦ２および上腕フレームＦ３内に組み込んだ柔軟構造の能動関節である肩関節Ｊ２が構成されている。この肩関節Ｊ２は、図示しないモータおよび減速機の作動により、肩フレームＦ２の軸と直交する軸廻りに上腕フレームＦ３を回動させると共に、図示しないばね機構およびダンパ機構の作動により、上腕フレームＦ３に作用する回動方向の反力を吸収する。

上腕フレームＦ３と肘フレームＦ４との間には、図示しないモータおよび減速機などを上腕フレームＦ３および肘フレームＦ４内に組み込んだ剛性構造の能動関節である肘関節Ｊ３が構成されている。この肘関節Ｊ３は、図示しないモータおよび減速機の作動により、上腕フレームＦ３の軸廻りに肘フレームＦ４を回動させる。

肘フレームＦ４と肘フレームＦ５との間には、図示しないモータおよび減速機などを肘フレームＦ４および肘フレームＦ５内に組み込んだ剛性構造の能動関節である肘関節Ｊ４が構成されている。この肘関節Ｊ４は、図示しないモータおよび減速機の作動により、肘フレームＦ４の軸と直交する軸廻りに肘フレームＦ５を回動させる。

肘フレームＦ５と前腕フレームＦ６との間には、図示しないモータおよび減速機などを肘フレームＦ５および前腕フレームＦ６内に組み込んだ剛性構造の能動関節である肘関節Ｊ５が構成されている。この肘関節Ｊ５は、図示しないモータおよび減速機の作動により、肘フレームＦ５の軸廻りに前腕フレームＦ６を回動させる。

前腕フレームＦ６と手首フレームＦ７との間には、図示しない２組のモータおよび減速機などを前腕フレームＦ６および手首フレームＦ７内に組み込んだ剛性構造の能動関節である手首関節Ｊ６，Ｊ７が構成されている。これらの手首関節Ｊ６，Ｊ７は、図示しない２組のモータおよび減速機の作動により、前腕フレームＦ６の軸と直交する軸廻りにそれぞれ手首フレームＦ７を回動させる。この場合、手首関節Ｊ６，Ｊ７が手首フレームＦ７を回動させる軸は、相互に直交している。

手首フレームＦ７には、図示しないモータおよび減速機が組み込まれたハンドＨＤが固定されている。このハンドＨＤは、図示しないモータおよび減速機の作動により、例えば図１に示したボトルなどの作業対象物ＯＢを把持できるように構成されている。

以上のように構成された一実施形態の多関節ロボットアームＡＲは、例えば図１に示すテーブルＴ上に置かれたボトルなどの作業対象物ＯＢをハンドＨＤで把持して持ち上げ、これを傾けたり移動させたりする作業が可能である。その際、ハンドＨＤは、図２に示す肩関節Ｊ１，Ｊ２、肘関節Ｊ３〜Ｊ５および手首関節Ｊ６，Ｊ７により７自由度が付与されているため、作業対象物ＯＢの位置や姿勢を自由に変化させることができる。

ここで、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲでは、ハンドＨＤが配置された先端部側の手首関節Ｊ６，Ｊ７および肘関節Ｊ３〜Ｊ５が剛性構造の能動関節、すなわち剛性能動関節として構成されているため、例えば肘フレームＦ４をテーブルＴ上に載せることにより、ハンドＨＤの位置や姿勢の精度が十分に確保される。従って、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲによれば、ハンドＨＤによる作業対象物ＯＢに対する作業として、精密な作業が可能となる。

また、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲでは、その基端部側の肩関節Ｊ１，Ｊ２が柔軟構造の能動関節、すなわち柔軟能動関節として構成されているため、少なくとも肘フレームＦ４からハンドＨＤに至る先端側の部分が左右方向または前後方向から人体に接触した場合、その左右方向または前後方向の反力（図３の矢印参照）が柔軟構造の肩関節Ｊ１，Ｊ２により吸収され、人体への衝撃が緩和される。従って、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲによれば、例えば人間の生活環境である一般の家庭内などにおける安全な使用が可能となる。

ここで、モータおよび減速機に加えてばね機構やダンパ機構が組み込まれた柔軟能動関節は、ばね機構やダンパ機構が組み込まれていない剛性能動関節に較べて一般に大型化し、重量も嵩む。しかしながら、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲでは、基端部側の２つの肩関節Ｊ１，Ｊ２のみが柔軟能動関節とされているため、構造上の大型重量化が最小限に抑えられる。

しかも、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲでは、重量の嵩む柔軟能動関節とされた肩関節Ｊ１，Ｊ２の重量に起因する大きなモーメントが先端部側の肘関節Ｊ３〜Ｊ５、手首関節Ｊ６，Ｊ７に作用することがないため、これらの肘関節Ｊ３〜Ｊ５、手首関節Ｊ６，Ｊ７を補剛する必要がなく、その分、大型重量化が抑えられる。従って、一実施形態の多関節ロボットアームＡＲによれば、多関節ロボットアームの全体を極力小型軽量化することができる。

本発明に係る多関節ロボットアームは、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図２に示した多関節ロボットアームＡＲの肘関節Ｊ４は、図示しないモータおよび減速機に加え、ばね機構およびダンパ機構を肘フレームＦ４，Ｆ５内に組み込むことにより、柔軟構造の柔軟能動関節に変更してもよい。同様に、肘関節Ｊ３も柔軟構造の柔軟能動関節に変更してもよい。

肘関節Ｊ４のみを柔軟能動関節に変更した第１の変形例では、図４に示すように前腕フレームＦ６が前方に突き出た状態において、例えば前腕フレームＦ６の下方から肩フレームＦ２側へ向かう矢印方向の外力が前腕フレームＦ６に作用した際、その外力が柔軟構造の肘関節Ｊ４により吸収される。従って、この変形によれば、少なくとも前腕フレームＦ６からハンドＨＤに至る先端側の部分が上下方向から人体に接触した場合にも人体への衝撃を緩和することができ、一般の家庭内などにおける一層安全な使用が可能となる。

また、肘関節Ｊ４および肘関節Ｊ３を柔軟能動関節に変更した第２の変形例では、図５に示すように前腕フレームＦ６が前方に突き出た状態において、例えば前腕フレームＦ６に矢印で示す左右方向の外力が作用した際、その外力が柔軟構造の肩関節Ｊ２および肘関節Ｊ３の両方で確実に吸収される。従って、この変形によれば、少なくとも前腕フレームＦ６からハンドＨＤに至る先端側の部分が左右方向から人体に接触した場合において、人体への衝撃を確実に緩和することができ、一般の家庭内などにおけるより一層安全な使用が可能となる。

ここで、図２に示した多関節ロボットアームＡＲは、図６に示すロボットＲに組み付けてもよい。このロボットＲは、移動用の車輪ＷＨを有する下部胴体ＬＢＤに上部胴体ＵＢＤが連結された構造を備えており、下部胴体ＬＢＤと上部胴体ＵＢＤとの間には、図示しないモータ、減速機、ばね機構、ダンパ機構などを下部胴体ＬＢＤおよび上部胴体ＵＢＤ内に組み込んだ胴関節Ｊ０が柔軟能動関節として構成されている。

このロボットＲの胴関節Ｊ０は、図示しないモータおよび減速機の作動により、下部胴体ＬＢＤの上下方向の軸廻りに上部胴体ＵＢＤを回動させると共に、図示しないばね機構およびダンパ機構の作動により、上部胴体ＵＢＤに作用する回動方向の反力を吸収する。そして、このような胴関節Ｊ０を介して下部胴体ＬＢＤに連結される上部胴体ＵＢＤに、図２に示した多関節ロボットアームＡＲの肩フレームＦ１が固定されている。

図６に示すようにロボットＲの上部胴体ＵＢＤに肩フレームＦ１が固定された第３の変形例による多関節ロボットアームＡＲは、胴関節Ｊ０の自由度が加えられるため、ハンドＨＤには８自由度が付与される。このため、ハンドＨＤは、より人間の動作に近い動作で作業対象物ＯＢ（図１参照）の位置や姿勢を自由に変化させることができる。

また、多関節ロボットアームＡＲに前後方向の外力が作用した際には、その外力が柔軟構造の胴関節Ｊ０により吸収されるため、多関節ロボットアームＡＲが前後方向から人体に接触した際の人体への衝撃を緩和することができる。なお、このような緩衝作用を柔軟構造の胴関節Ｊ０が発揮するため、多関節ロボットアームＡＲの肩関節Ｊ１は、剛性構造の剛性能動関節に変更してもよい。

本発明の一実施形態に係る多関節ロボットアームを備えたロボットの作業状態を示す側面図である。 図１に示した多関節ロボットアームの拡大斜視図である。 図２に示した多関節ロボットアームの緩衝作用を示す斜視図である。 図２に示した多関節ロボットアームの第１の変形例による緩衝作用を示す斜視図である。 図２に示した多関節ロボットアームの第２の変形例による緩衝作用を示す斜視図である。 図２に示した多関節ロボットアームの第３の変形例による緩衝作用を示す斜視図である。

符号の説明

Ｒ…ロボット、ＢＤ…胴体、ＷＨ…車輪、ＡＲ…多関節ロボットアーム、Ｆ１，Ｆ２…肩フレーム、Ｆ３…上腕フレーム、Ｆ４，Ｆ５…肘フレーム、Ｆ６…前腕フレーム、Ｆ７…手首フレーム、ＨＤ…ハンド、Ｊ１，Ｊ２…肩関節、Ｊ３〜Ｊ５…肘関節、Ｊ６，Ｊ７…手首関節、ＯＢ…作業対象物。

Claims (4)

1. 先端部にエンドエフェクタを備えた多関節ロボットアームであって、
   先端部側の少なくとも３つの関節が剛性能動関節で構成され、基端部側の少なくとも２つの関節が柔軟能動関節で構成されており、
   前記２つの柔軟能動関節は、前記先端部側の部分に作用した外力を吸収するように構成されていることを特徴とする多関節ロボットアーム。
2. 前記２つの柔軟能動関節は、物体に接触した際の衝撃を緩和するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多関節ロボットアーム。
3. 前記エンドエフェクタは、物体を把持するハンドまたはフィンガで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多関節ロボットアーム。
4. 前記少なくとも３つの剛性能動関節に他の柔軟能動関節が接続され、前記他の柔軟能動関節に他の剛性能動関節を介して前記少なくとも２つの柔軟能動関節が接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多関節ロボットアーム。

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