JP5478387B2 - ロボットのリンク装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの歩行脚またはアームとして機能するロボットのリンク装置に関する。

ロボットの歩行脚またはアームは、関節を介して互いに回転可能に連結される第１および第２のリンクにより構成される。このような第１および第２のリンクが、関節の軸周りに回転することで、ロボットの歩行脚またはアームが動作する。第１および第２のリンクが、歩行脚を構成する場合、これらリンクの回転動作によりロボットが歩行する。第１および第２のリンクが、アームを構成する場合、これらリンクの回転動作により、アームが所望の動作（仕事）をする。

ロボットの動作により、上述の関節には、衝撃が作用する。例えば、歩行時に、各歩行脚は、床面から離れた後、再び、床面に着地する。この着地による衝撃力が関節に作用する。また、アームが動作中に障害物に衝突すると、衝撃力が関節に作用する。

そのため、衝撃力を緩和するために、関節に、ガタ（遊び）や衝撃吸収部材を設けることが考えられる。
ガタの範囲内で、第１および第２のリンクが、互いに対し回転自在となる。さらに、関節に作用する衝撃力を吸収する衝撃吸収部材を設ける。衝撃吸収部材は、バネやダンパーなどである。この構成で、上述のガタの角度範囲内で、第１および第２のリンクを互いに回転させるような衝撃力が関節に作用した時、この衝撃力が、バネやダンパーに吸収される。

本願の先行技術文献として、下記の非特許文献１がある。

日本ロボット学会 創立２０周年記念学術講演会（２００２年１０月１２〜１４日） パンフレット

しかし、関節に、バネやダンパーなどを設ける場合には、高精度に、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角（姿勢）を制御できない。モータの回転角制御により、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角を制御しようとしても、当該回転角は、上述のガタ、およびバネやダンパーの影響で定まらない。また、バネやダンパーの影響を考慮すると、モータの回転角制御が複雑になる。

そこで、本発明の目的は、ロボットの歩行脚またはアームとして機能するロボットのリンク装置において、関節にガタなどを設けても、高精度に、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角を制御できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、ロボットの歩行脚またはアームとして機能するリンク装置であって、
歩行脚またはアームを構成する第１および第２のリンクと、
第１および第２のリンクを回転可能に連結する関節と、を備え、
前記関節は、該関節の軸方向一方側に設けられた第１の関節部と、該関節の軸方向他方側に設けられた第２の関節部と、を有し、
第１および第２の関節部は、第１および第２のリンクの一方に対し衝撃吸収用のガタをもって取り付けられ、第１および第２のリンクの他方に対し前記関節の軸周りに回転可能に取り付けられ、
さらに、前記他方に固定され、第１の関節部を前記軸周りに回転駆動する第１のモータと、
前記他方に固定され、第２の関節部を前記軸周りに回転駆動する第２のモータと、を備え、
第１および第２のモータは、第１および第２の関節部を同じ方向に回転駆動することで、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させ、第１および第２の関節部を逆方向に回転駆動することで、当該回転方向の前記ガタの大きさを調整する、ことを特徴とするロボットのリンク装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によると、第１および第２の関節部を同軸に連結可能なクラッチを備える。

また、本発明の好ましい実施形態によると、第１および第２モータは、それぞれ、ベベルギアを介して第１および第２の関節部を回転駆動し、
前記各モータの軸が前記他方のリンクの長手方向を向いている。

本発明の好ましい実施形態によると、リンク装置は、第１および第２のモータの回転角を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、
（Ａ）第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を逆方向に回転させ、これにより、前記ガタを減らし、
（Ｂ）この状態で、前記クラッチを接続させ、
（Ｃ）その後、第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を同じ方向に回転させ、これにより、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させる。

本発明の別の実施形態によると、第１および第２のモータの回転角を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、
（Ａ）第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を逆方向に回転させ、これにより、上記のガタを減らし、
（Ｂ）この状態における第１および第２のモータの回転角の差を維持するように、第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を同じ方向に回転させ、これにより、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させる。

上述した本発明によると、第１および第２の関節部をそれぞれ回転駆動する第１および第２のモータは、第１および第２の関節部を同じ方向に回転駆動することで、第１および第２のリンクを互いに対し回転動作させ、第１および第２の関節部を逆方向に回転駆動することで、当該回転方向のガタの大きさを調整する。
従って、まず、第１および第２の関節部を逆方向に回転駆動することでガタを減らし、この状態を維持しながら、第１および第２の関節部を同じ方向に回転駆動することで、高精度に、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角を制御することができる。また、第１および第２の関節部を逆方向に回転駆動することでガタを大きくし、これにより、関節部に作用する衝撃力を緩和することができる。

第１および第２のモータで、第１および第２のリンクの相対回転とガタの制御との両方を実行するので、ガタを制御するために、第１および第２のモータ以外のアクチュエータを設けなくて済む。
さらに、第１および第２のモータにより第１および第２の関節部を同じ方向に回転駆動することで、第１および第２のリンクを互いに対し回転動作させるので、第１および第２のモータの両トルクを、第１および第２のリンクの相対回転動作に使用することができる。

本発明の実施形態によるロボットのリンク装置を示す。 （Ａ）は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ矢視図であり、（Ｃ）は、（Ａ）において弾性体をゴムにした場合を示し、（Ｄ）は、（Ｂ）において弾性体をゴムにした場合を示す。 本発明の実施形態によるリンク装置の動作制御を示すフローチャートである。 （Ａ）は、図２（Ａ）の状態から第１の関節部がガタの分だけ回転した状態を示し、（Ｂ）は、図２（Ｂ）の状態から第２の関節部がガタの分だけ回転した状態を示す。 本発明の実施形態によるリンク装置の他の制御を説明するための図である。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態によるロボットのリンク装置１０の構成図である。ロボットのリンク装置１０は、産業ロボットの歩行脚またはアームとして機能する。

リンク装置１０は、図１に示すように、歩行脚またはアームを構成する第１および第２のリンク３、５と、第１および第２のリンク３、５を回転可能に連結する関節７と、を備える。

関節７は、該関節の軸Ｃｊ方向における一方側に設けられた第１の関節部７ａと、該軸Ｃｊ方向における他方側に設けられた第２の関節部７ｂと、を有する。第１および第２の関節部７ａ、７ｂは、第１および第２のリンク３、５の一方（図１の例では、第１のリンク３）に対し衝撃吸収用のガタをもって連結され、第１および第２のリンク３、５の他方（図１の例では、第２のリンク５）に対し関節７の軸Ｃｊ周りに回転可能に連結される。上記のガタ（遊び）の分だけ、第１および第２の関節部７ａ、７ｂは、第１および第２のリンク３、５の一方に対し回転可能である。なお、第１および第２の関節部７ａ、７ｂは、第１および第２のリンク３、５の他方に取り付けられた軸受６により軸Ｃｊ周りに回転可能に支持される。

ロボットのリンク装置１０は、第１および第２のリンク３、５の他方に固定された第１および第２のモータ９、１１を備える。第１のモータ９は、第１の関節部７ａを軸Ｃｊ周りに回転駆動する。第２のモータ１１は、第２の関節部７ｂを軸Ｃｊ周りに回転駆動する。第１および第２のモータ９、１１は、例えばサーボモータであってよい。第１および第２のモータ９、１１は、正逆回転可能である。
第１および第２のモータ９、１１は、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを同じ方向に回転駆動することで、第１のリンク３を第２のリンク５に対し回転させる。図１の例では、第１および第２のモータ９、１１は、互いに逆向きに回転することで、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを同じ方向に回転駆動して、第１のリンク３を第２のリンク５に対し回転させる。
一方、第１および第２のモータ９、１１は、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを逆方向に回転駆動することで、前記ガタの範囲で、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを、第１および第２のリンク３、５の前記一方に対し回転して当該回転方向の前記ガタの大きさを調整する（すなわち、ガタを減少または増加させる）。図１の例では、第１および第２のモータ９、１１は、同じ向きに回転することで、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを逆方向に回転駆動して前記ガタの大きさを調整する。

上記のガタは、例えば、図１、図２のようにピン１３と長孔１５によって設けられてよい。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ矢視図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ矢視図である。
ピン１３は、第１の関節部７ａに固定されている。ピン１３は、第１および第２のリンク３、５の一方（図１、２の例では、第１のリンク３）に形成された長孔１５に挿入されている。長孔１５は、第１の関節部７ａの回転方向に、前記ガタに相当する長さだけ延びている。従って、ピン１３が、長孔１５内を、長孔１５の長さ分だけ自在に移動できるので、第１の関節部７ａは、当該長さ（ガタ）の分だけ回転可能に第１および第２のリンク３、５の一方（図１、２の例では、第１のリンク３）に連結される。このように、第１の関節部７ａは、ピン１３と長孔１５を介して第１および第２のリンク３、５の一方に連結される。
第２の関節部７ｂも、第１の関節部７ａと同様に、ガタ（遊び）の分だけ回転可能に、ピン１３と長孔１５を介して第１および第２のリンク３、５の一方に連結される。

ロボットのリンク装置１０は、好ましくは、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを、第１および第２のリンク３、５の前記一方に対して弾性変位させる弾性体を備える。この弾性変位の範囲は、上述のガタの範囲内であり、この弾性変位の方向は、第１および第２の関節部７ａ、７ｂの回転方向（軸Ｃｊ周りの方向）である。この弾性体により、第１および第２の関節部７ａ、７ｂは、衝撃力が作用すると弾性変位する。その結果、衝撃を緩和することができる。
弾性体は、例えば、バネであり、バネの一端は第１の関節部７ａに結合され、バネの他端は、第１および第２のリンク３、５の一方（図１の例では、第１のリンク３）に結合される。
なお、弾性体は、バネに限定されず、他の弾性体（例えばゴム）であってもよい。図２（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ、図２（Ａ）、（Ｂ）において、上記の弾性体をゴム８とした場合を示す。図２（Ｃ）、（Ｄ）において、斜線で示されたゴム８は、長孔１５の内周面に取り付けられるように長孔１５内に充填されている。

第１および第２のモータ９、１１は、それぞれ、ベベルギア１９ａ、１９ｂ（傘歯車）を介して第１および第２の関節部７ａ、７ｂを回転駆動する。これにより、各モータ９、１１の軸Ｃ１、Ｃ２が第１または第２のリンク３、５の長手方向を向くようにすることができるので、各モータ９、１１を、第１または第２のリンク３、５の内部に配置できる。なお、図１の例では、ベベルギア１９ａは、モータ９、１１の出力軸に固定されており、ベベルギア１９ｂは、ベベルギア１９ａに噛み合うように第１および第２の関節部７ａ、７ｂに固定されている。前記長手方向は、軸Ｃｊ方向と直交する。

本実施形態では、ロボットのリンク装置１０は、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを同軸に連結可能なクラッチ２１を備える。
上述のガタを減らした（例えば、無くした）状態で、クラッチ２１により、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを連結すると、ガタが減少した状態（例えば、ガタが無い状態）に維持される。当該状態は、モータ９、１１にトルクを発生させなくても維持される。
一方、クラッチ２１を切った状態では、上述のガタにより衝撃を吸収することができる。

本実施形態では、ロボットのリンク装置１０は、ロボットの制御装置２３により制御される。制御装置２３は、第１および第２のモータ９、１１の回転を制御するとともに、クラッチ２１の動作を制御する。なお、制御装置２３は、第１および第２のモータ９、１１へそれぞれ電力を供給するモータドライバ２５、２７を制御することで、第１および第２のモータ９、１１の回転を制御する。

制御装置２３は、第１のリンク３に対する第２のリンク５の回転角（姿勢）を、高精度に制御する時には、図３に示すステップＳ１〜Ｓ３を順に行う。
ステップＳ１において、制御装置２３は、第１および第２のモータ９、１１の回転角を制御することで、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを逆方向に回転させる。これにより、ガタを減らす（例えば無くす）。例えば、図２の状態から図４の状態になる回転角まで、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを逆方向に回転させる。図４（Ａ）は、図１のＡ−Ａ矢視図に対応するが、図２（Ａ）の状態から第１の関節部７ａが回転した状態を示す。図４（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ矢視図に対応するが、図２（Ｂ）の状態から第２の関節部７ｂが回転した状態を示す。
ステップＳ２において、制御装置２３は、ステップＳ１によりガタを減らした（例えば無くした）状態でクラッチ２１を接続する制御を行う。これにより、モータ９、１１にトルクを発生させなくて、ガタを減らした（例えば無くした）状態が維持される。
ステップＳ３において、制御装置２３は、第１および第２のモータ９、１１の回転角を制御することで、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを同じ方向に回転させる。これにより、第１のリンク３に対し第２のリンク５を回転させ、リンク装置１０に所望の動作をさせる。従って、第１および第２のモータ９、１１の両トルクを、リンク３、５の相対回転動作に使用することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下のように変更例１〜３、追加特徴を採用してもよい。この場合、下記で述べない他の点は、上述と同じであってよい。

（変更例１）
上述の実施形態において、クラッチ２１を省略してもよい。この場合には、第１および第２の関節部７ａ、７ｂは、互いに分離されている。また、この場合、上述のステップＳ２、Ｓ３の代わりに、次のようにしてもよい。すなわち、回転角センサにより、第１および第２のモータ９、１１の回転角を検出する。当該検出値に基づいて、制御装置２３は、ステップＳ１でガタを減らした（または無くした）状態の第１および第２のモータ９、１１の回転角の差を維持するように、第１および第２のモータ９、１１の回転角を制御する。これにより、第１および第２の関節部７ａ、７ｂを同じ方向に回転させてもよい。このような制御で、第１のリンク３に対し第２のリンク５を回転させ、リンク装置１０に所望の動作をさせる。

（変更例２）
第１および第２モータ９、１１の出力軸Ｃ１、Ｃ２を、それぞれ、ギアを介さずに関節部７ａ、７ｂに同軸に直結してもよい。

（変更例３）
弾性体の代わりに、オイルダンパを設けてもよい。この場合、オイルダンパは、第１のリンク３と第１の関節部７ａとの間、および、第１のリンク３と第２の関節部７ｂとの間に設けられる。これにより、第１または第２の関節部７ａ、７ｂが、前記ガタによる回転可能範囲内において、第１および第２のリンク３、５の前記一方に対し変位すると、この変位に伴ってオイルダンパは動作してよい。このオイルダンパの動作により衝撃が吸収される。

（追加特徴）
第１のリンク３に対し第２のリンク５を回転動作させている時に、第１のモータ９について、下記（Ａ）〜（Ｃ）の弾性変位制御を行い、これと同時に、第２のモータ１１についても、同様の弾性変位制御を行う。これにより、第１および第２のモータ９、１１のトルクを一定に制御することができる。

第１および第２のリンク３、５の前記他方に対する第１の関節部７ａの軸Ｃｊ周りの回転角をリンク回転角とし、第１のモータ９の回転角をモータ回転角とする。
（Ａ）回転角センサにより、リンク回転角θ_αとモータ回転角θ_βとを検出する。
（Ｂ）検出したリンク回転角θ_αとモータ回転角θ_βを、次式（１）に適用することで、第１の関節部７ａを、第１および第２のリンク３、５の前記一方に対して弾性変位させる上述の弾性体の変位Δθを求める。

Δθ＝θ_α−Ｎ×θ_β ・・・（１）

ここで、Ｎは、第１のモータ９と第１の関節部７ａとの間の減速比であり、第１の関節部７ａの前記ガタが一定である場合には、Δθ＝一定となる。
（Ｃ）求めた変位Δθと変位の設定値とに基づいて、変位Δθが一定の当該設定値になるように、第１のモータ９の回転角を制御する。これにより、第１のモータ９のトルクが一定に制御される。
なお、上記（Ａ）〜（Ｃ）を行う時には、クラッチ２１を切断しておく。

このような弾性変位制御は、例えば、次のような場合に行われてよい。図５のように、第１のリンク３に連結されたリンク３１の先端に取り付けた接触部３１ａを一定の力で対象物２９に押し付けながら、当該対象物２９の表面に沿って接触部３１ａを移動させたい場合に、上述の弾性変位制御を行う。すなわち、図５の例では、リンク３、５、３１の移動により対象物２９の表面に沿って接触部３１ａを移動させる時に、上述の弾性変位制御を行うことで、接触部３１ａが一定の力で対象物２９に押し付けられる。
図５において、θ_ａは、リンク３１とリンク３のなす角度を示し、θ_ｊは、リンク３とリンク５のなす角度を示し、θは、水平面とリンク３１のなす角度を示す。
θ_ａ＝θ_ｊ＝９０°である場合に、上述の弾性体のバネ定数をｋとすると、上述の弾性変位制御により、対象物２９には、一定の力Ｆ＝Ｌ_３×ｋ×Δθが接触部３１ａから作用することになる。ここで、ｋ×Δθは、軸Ｃｊ周りに発生するトルクであり、Ｌ_３は、リンク３の長さである。

３ 第１のリンク、５ 第２のリンク、７ 関節、７ａ 第１の関節部、
７ｂ 第２の関節部、９ 第１のモータ、１０ ロボットのリンク装置、
１１ 第２のモータ、１９ａ、１９ｂ ベベルギア、
２１ クラッチ、２３ 制御装置

Claims (5)

1. ロボットの歩行脚またはアームとして機能するリンク装置であって、
   歩行脚またはアームを構成する第１および第２のリンクと、
   第１および第２のリンクを回転可能に連結する関節と、
   前記関節は、該関節の軸方向一方側に設けられた第１の関節部と、該関節の軸方向他方側に設けられた第２の関節部と、を有し、
   第１および第２の関節部は、第１および第２のリンクの一方に対し衝撃吸収用のガタをもって取り付けられ、第１および第２のリンクの他方に対し前記関節の軸周りに回転可能に取り付けられ、
   さらに、前記他方に固定され、第１の関節部を前記軸周りに回転駆動する第１のモータと、
   前記他方に固定され、第２の関節部を前記軸周りに回転駆動する第２のモータと、を備え、
   第１および第２のモータは、第１および第２の関節部を同じ方向に回転駆動することで、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させ、第１および第２の関節部を逆方向に回転駆動することで、当該回転方向の前記ガタの大きさを調整する、ことを特徴とするロボットのリンク装置。
2. 第１および第２の関節部を同軸に連結可能なクラッチを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットのリンク装置。
3. 第１および第２モータは、それぞれ、ベベルギアを介して第１および第２の関節部を回転駆動し、
   前記各モータの軸が前記他方のリンクの長手方向を向いている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のロボットのリンク装置。
4. 第１および第２のモータの回転角を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、
   （Ａ）第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を逆方向に回転させ、これにより、前記ガタを減らし、
   （Ｂ）この状態で、前記クラッチを接続させ、
   （Ｃ）その後、第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を同じ方向に回転させ、これにより、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させる、ことを特徴とする請求項２に記載のロボットのリンク装置。
5. 第１および第２のモータの回転角を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、
   （Ａ）第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を逆方向に回転させ、これにより、上記のガタを減らし、
   （Ｂ）この状態における第１および第２のモータの回転角の差を維持するように、第１および第２のモータの回転角を制御することで、第１および第２の関節部を同じ方向に回転させ、これにより、第１のリンクに対し第２のリンクを回転させる、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットのリンク装置。