JP6749671B1 - マスタースレーブアーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スレーブ機を直感的に簡便且つ正確に操作することができるマスタースレーブアーム装置を提供すること。【解決手段】マスタースレーブアーム装置１００のスレーブ機１０は、手首ユニット２０と腕ユニット７０で構成され、手首ユニット２０が水平方向に軸を有する第一回転軸２２及び第一回転軸２２と直交する水平方向に軸を有する第二回転軸２６を具え、腕ユニット７０が水平方向に可動な第一直線可動部３０と第二直線可動部６０、垂直方向に可動な第三直線可動部４０、及び垂直方向に軸を有する第六回転軸５２を具え、操作部により、第一モータ乃至第六モータ２４，２８，３６，４６，５４，６２を別々に駆動させてこれらをそれぞれ別個に操作することができるので、スレーブ機１０の直線動作も簡単に実現させることができ、スレーブ機１０を直感的に簡便且つ正確に操作することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、操作者が操作するマスター機の動作に応じてスレーブ機を動作させるマスタースレーブ方式の装置に関する。

マスター機と離れた場所にあるスレーブ機に対し、操作者による操作に応じてスレーブ機を動作させるという装置が開発されている。その例として、以下に挙げるものがある。

特開２００１−３００８７１号公報 特開２０１７−１３１６７号公報

特許文献１の装置は、操作者の手の位置姿勢だけでなく、肘の動きも反映させることができるマスタースレーブアーム装置であり、具体的には、肩部における３軸が略１点で交わり、手首部における３軸も略１点で交わり、肘部を持った７自由度マスタースレーブアーム装置であって、肘部に操作者の肘の位置を検出する肘センサと、肘部を駆動する駆動装置を具え、肘部の追従制御を行うというものである。

特許文献２には、密閉されたボックス内部に配設されたスレーブ機を、外部から容易且つ安全に行うことができるマスタースレーブアーム装置の操作システムが開示されている。具体的には、反力制御部を具え、反力制御部がスレーブ機の可動領域を示す可動領域情報に基づき、スレーブ機が可動領域の限界に近づくのに応じて、マスター機において、操作者がマスター機を当該限界に近づく方向に動かす力に反する力を増大させるという操作システムが開示されている。

特許文献１のマスタースレーブアーム装置は、産業用ロボットの内、いわゆる７軸ロボアームの構成を採用しており、特許文献２のマスタースレーブアーム装置は、産業用ロボットの内、いわゆる６軸ロボアームの構成を採用している。すなわち、特許文献１と２のいずれのマスタースレーブアーム装置も、スレーブ機の動作は、全ての軸を関節のように回転させることによって実現されている。このようなマスタースレーブアーム装置の場合、例えば、直線動作をスレーブ機にさせる場合であっても、複数の軸を連携させて回転させる必要がある。よって、操作者が思う通りにスレーブ機を動かすためには、操作の熟練を要するという問題がある。

また、特許文献１のマスタースレーブアーム装置では、スレーブ機に力検知部を設け、マスター機の７軸のそれぞれにモータを配置して、スレーブ機が受けた力をモータを通じてマスター機に与えることができるとされている。しかし、前述したように、スレーブ機は、７軸が連携して動くものであるため、７軸それぞれに力検知部を設け、その力検知部に応じたマスター機側のモータを設けなければならず、製造コストが掛かるという問題がある。

そこで、本発明は、前述した点に鑑み、スレーブ機を直感的に簡便且つ正確に操作することができ、さらには、製造コストを比較的掛けずに、スレーブ機が受けた力をマスター機に反映させることができるマスタースレーブアーム装置を提供することを目的とする。

本発明は、マスター機の動作に応じてスレーブ機を動作させるマスタースレーブアーム装置であって、
前記スレーブ機は、
作業部材が取付けられる作業部材取付部と、
前記作業部材取付部に連結される手首ユニットと、
前記手首ユニットに連結される腕ユニットを具え、
前記手首ユニットは、前記作業部材取付部を回転させるための、水平方向に軸を有する第一回転軸及び該第一回転軸と直交する水平方向に軸を有する第二回転軸と、前記第一回転軸に連結される第一モータと、前記第二回転軸に連結される第二モータで構成され、
前記腕ユニットは、水平方向に可動な第一直線可動部と、該第一直線可動部の移動に応じて回転する第三回転軸と、水平方向に可動な第二直線可動部と、該第二直線可動部の移動に応じて回転する第四回転軸と、垂直方向に可動な第三直線可動部と、該第三直線可動部の移動に応じて回転する第五回転軸と、垂直方向に軸を有する第六回転軸と、前記第三回転軸に連結される第三モータと、前記第四回転軸に連結される第四モータと、前記第五回転軸に連結される第五モータと、前記第六回転軸に連結される第六モータを具え、前記第一直線可動部、第二直線可動部、第三直線可動部、及び第六回転軸が連結されて構成され、
前記第三直線可動部が該第三直線可動部を支持する少なくとも１つの補助腕部を具え、
前記補助腕部は、第一補助腕部と第二補助腕部を有し、該第一補助腕部の先端側と第二補助腕部の基端側は回動可能に連結され、
前記第一補助腕部の基端側と第二補助腕部の先端側が垂直線上に一致する位置で前記第三直線可動部に連結され、
前記マスター機は、操作部を具え、
前記操作部により、前記第一モータ乃至第六モータが別々に駆動されるように構成されていることを特徴とするマスタースレーブアーム装置によって前記課題を解決した。

本発明のマスタースレーブアーム装置によれば、スレーブ機が手首ユニットと腕ユニットで構成され、手首ユニットが水平方向に軸を有する第一回転軸及び当該第一回転軸と直交する水平方向に軸を有する第二回転軸を具え、腕ユニットが水平方向に可動な第一直線可動部と第二直線可動部、垂直方向に可動な第三直線可動部、及び垂直方向に軸を有する第六回転軸を具え、操作部により、第一モータ乃至第六モータを別々に駆動させてこれらをそれぞれ別個に操作することができる。よって、スレーブ機の直線動作も簡単に実現させることができ、スレーブ機を直感的に簡便且つ正確に操作することができる。

また、第一直線可動部、第二直線可動部、第三直線可動部、及び第六回転軸が垂直方向の上から、第一直線可動部、第三直線可動部、第六回転軸、第二直線可動部の順に連結されている構成とすれば、より操作し易いマスタースレーブアーム装置とすることができる。

また、第二直線可動部が一対の腕部で構成され、一対の腕部は、それぞれ、第一腕部と第二腕部を有し、第一腕部の先端側と第二腕部の基端側は回動可能に連結され、一対の第一腕部の基端側にそれぞれ設けられる歯数が同じ基端歯車が回転可能な状態で互いに噛合い、一対の第二腕部の先端側にそれぞれ設けられる歯数が同じ先端歯車が回転可能な状態で互いに噛合うという構成とすることで、水平方向の正確な直線移動を実現させることができる。

また、第三直線可動部が第三直線可動部を支持する少なくとも１つの補助腕部を具え、補助腕部は、第一補助腕部と第二補助腕部を有し、第一補助腕部の先端側と第二補助腕部の基端側は回動可能に連結され、第一補助腕部の基端側と第二補助腕部の先端側が垂直線上に一致する位置で第三直線可動部に連結されている構成とすることで、垂直方向の正確な直線移動を実現させることができる。

また、腕ユニットが、少なくとも第三直線可動部に加わる力を検知する力検出部を具え、力検出部によって検知した力に応じた力を操作部に出力するように構成すれば、スレーブ機が垂直方向に受ける力をマスター機の操作者が得ることができ、マスター機の操作者は、その感触に応じた操作を行うことができる。これにより、力検出部や操作部に力を出力する部材を最小限に抑えることができるので、製造コストを比較的掛けずに、スレーブ機が受けた力をマスター機に反映させることができるマスタースレーブアーム装置とすることができる。本構成は、特に、ディスクグラインダーによる研削作業など、作業部材を作業対象に押付けて作業する場合のマスタースレーブアーム装置として好適である。

本発明の第一実施形態のスレーブ機の正面図。 図１の一部省略側面図。 図１の一部省略平面図。 図１の第二直線可動部の平面図。 図１の手首ユニットの一部省略側面図。 図１の手首ユニットの一部省略平面図。 本発明の第一実施形態のマスタースレーブアーム装置のシステム構成を示す機能ブロック図。

本発明の実施例を図１〜７を参照して説明する。但し、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

本発明は、マスター機８０の動作に応じてスレーブ機１０を動作させるマスタースレーブアーム装置１００（図７参照。）に関するものであるが、便宜上、スレーブ機１０の構成から説明する。図１は、本発明の第一実施形態のスレーブ機１０の正面図である。スレーブ機１０は、手首ユニット２０と腕ユニット７０を具えている。手首ユニット２０と腕ユニット７０は、ボルト等の連結具で連結される。

手首ユニット２０は、さらに、作業部材取付部１４と連結されており、作業部材取付部１４には、作業部材１２が取付けられている。本実施例では、作業部材１２は、ディスクグラインダーであるが、作業部材はこれに限られるものではない。

手首ユニット２０は、水平方向に軸を有する第一回転軸２２と、第一回転軸２２と直交する水平方向に軸を有する第二回転軸２６（図２参照。）を具えている。図５に示すように、第一回転軸２２は、第一モータ２４の軸とキー締結され、連結されている。また、作業部材取付部１４の支持部材１６は、第一回転軸２２上にスプライン嵌合している。一方、図６に示すように、第二回転軸２６は、歯車機構を介して第二モータ２８と連結されている。そして、作業部材取付部１４は、第二回転軸２６とともに回転するように固定されている。このようにして、第一回転軸２２と第二回転軸２６は、第一モータ２４と第二モータ２８によって回転させられるように構成されており、第一回転軸２２が回転すると、作業部材取付部１４が第一回転軸２２の周方向に回転し、第二回転軸２６が回転することにより、作業部材取付部１４が第二回転軸２６の周方向に回転するよう構成されている。

一方、図１，２に示すように、腕ユニット７０は、垂直方向の上から、第一直線可動部３０、第三直線可動部４０、第六回転軸５２、及び第二直線可動部６０が順に連結されて構成されている。第一直線可動部３０、第三直線可動部４０、第六回転軸５２、及び第二直線可動部６０を連結する順序はこれに限られるものではないが、腕ユニット７０のような構成とすることにより、より操作し易くすることができる。

第一直線可動部３０は、第一ピニオン３４を有する。第一ピニオン３４は、水平方向に設置される水平ラック３２と噛合っている。第一ピニオン３４は、第三回転軸３５上に設けられており、第三回転軸３５は、第三モータ３６と連結されている。第三モータ３６の駆動により、第三回転軸３５及び第一ピニオン３４が回転し、第一直線可動部３０が水平ラック３２に対して進退動する。すなわち、第一直線可動部３０の移動に応じて、第三回転軸３５が回転していることとなる。なお、第一直線可動部３０とともに、第三直線可動部４０、回転部５０、第二直線可動部６０、及び手首ユニット２０も水平ラック３２に対して進退動する。第一直線可動部３０と水平ラック３２の間には、ガイドレールからなる案内部材３８が設けられている。第一直線可動部３０は、ラックアンドピニオンにより直線移動するように構成されているが、油圧シリンダを用いるなど、第三モータ３６の駆動によって直線的に進退動することができる構成であればよい。

第一直線可動部３０に連結されている第三直線可動部４０は、図２に示されているように、垂直ラック４２と第二ピニオン４４を有し、垂直ラック４２と第二ピニオン４４は噛合っている。第二ピニオン４４は、第五回転軸４５上に設けられており、第五回転軸４５は、第五モータ４６（図３参照。）と連結されている。第五モータ４６の駆動により、第五回転軸４５及び第二ピニオン４４が回転し、垂直ラック４２が垂直方向に進退動する。すなわち、第三直線可動部４０の移動に応じて、第五回転軸４５が回転していることとなる。第三直線可動部４０の垂直ラック４２の進退動に応じて、回転部５０、第二直線可動部６０、及び手首ユニット２０も同方向に進退動する。第三直線可動部４０は、ラックアンドピニオンにより直線移動するように構成されているが、油圧シリンダを用いるなど、第五モータ４６の駆動によって直線的に進退動することができる構成であればよい。

ここで、第三直線可動部４０は、補助腕部４８を具えている。補助腕部４８は、第一補助腕部４７と第二補助腕部４９を有し、第一補助腕部４７の先端側と第二補助腕部４９の基端側は、回動可能に連結されている。そして、補助腕部４８は、第一補助腕部４７の基端側と第二補助腕部４９の先端側が垂直線上に一致する位置で第三直線可動部４０に連結されている（図３も参照。）。このように、第三直線可動部４０が補助腕部４８を具えることにより、偏荷重に対する耐性が向上し、手首ユニット２０の垂直方向に対する正確な直線移動を実現させることができる。また、図３に示す、補助腕部４８，４８ａ，４８ｂのように、補助腕部４８と同様の構成の補助腕部４８ａ，４８ｂを複数設けた構成としてもよい。

図１に示すように、第三直線可動部４０と第二直線可動部６０の間には、回転部５０が連結されている。回転部５０は、基体５６を具え、基体５６は、第三直線可動部４０と連結されている。また、基体５６には、第六回転軸５２が回転可能に支持されている。第六回転軸５２は、第二直線可動部６０と連結されている。また、第六回転軸５２は、歯車機構を介して第六モータ５４と連結されている。第六モータ５４の駆動により、第六回転軸５２が回転するので、第二直線可動部６０及び手首ユニット２０を基体５６、第三直線可動部４０、及び第一直線可動部３０に対し、垂直方向を軸として回転させることができる。

第二直線可動部６０は、図４に示すように、一対の腕部６１，６１ａで構成されている。腕部６１は、第一腕部６４と第二腕部６６を有し、第一腕部６４の先端側と第二腕部６６の基端側は回動可能に連結されている。腕部６１ａの構成も同様で、腕部６１と腕部６１ａは平面視で略対称の構成とされている。第一腕部６４の基端側には、基端歯車６９が連結されており、第一腕部６４ａの基端側にも基端歯車６９ａが連結されている。基端歯車６９と基端歯車６９ａの歯数は同じであり、基端歯車６９と基端歯車６９ａは、回転可能な状態で互いに噛合っている。また、第二腕部６６の先端側には、先端歯車６７が連結され、第二腕部６６ａの先端側にも先端歯車６７ａが連結されている。先端歯車６７と先端歯車６７ａの歯数は同じであり、先端歯車６７と先端歯車６７ａは、回転可能な状態で互いに噛合っている。

また、基端歯車６９は、歯車機構を介して第四回転軸６５と連結されており、第四回転軸６５は、第四モータ６２（図２参照。）と連結されている。第四モータ６２を駆動すると、第四回転軸６５が回転し、基端歯車６９，６９ａを回転させ、図４の実線及び二点鎖線で示すように、腕部６１，６１ａを伸縮させる。このとき、先端歯車６７，６７ａも回転する。このようにして、第二直線可動部６０を水平方向に可動な構成とすることができ、第二直線可動部６０の移動に応じて、第四回転軸６５が回転していることにもなる。第二腕部６６，６６ａの先端側には、手首ユニット２０が連結されているので、第二直線可動部６０のように、一対の腕部６１，６１ａを具える構成とすれば、手首ユニット２０の水平方向に対する正確な直線移動を実現させることができる。なお、第二直線可動部６０は、ラックアンドピニオンや油圧シリンダを用いるなど、第四モータ６２の駆動によって進退動することができる構成としてもよい。

マスタースレーブアーム装置において、マスター機とスレーブ機のシステム構成は、既に知られているものを適用すればよいため、以下に、簡単に説明する。上記の構成を有するスレーブ機１０は、図７に示すように、マスター機８０と通信部１３，８３を介して相互間で通信可能に構成されている。マスター機８０は、操作部８２を具えている。操作部８２は、操作者が操作するための機械的構成であり、スレーブ機１０と同様の構成のものや、ジョイスティックのように、コンパクトなものとすることもできる。

操作者によって操作部８２が操作され、操作部８２に機械的な位置の変化が生じると、その変化はエンコーダなどにより電気信号に変換され、演算部８４により、スレーブ機１０のモータ２４，２８，３６，４６，５４，６２のいずれをどの方向にどの程度、どの回転数で回転させるかという電気的情報に変換される。このようにして変換された電気的情報は、通信部８３からスレーブ機１０の通信部１３に送られ、スレーブ機１０のモータ２４，２８，３６，４６，５４，６２のそれぞれに送られ、モータ２４，２８，３６，４６，５４，６２を別々に駆動する。このため、スレーブ機１０の作業部材１２の角度、水平方向の位置、及び垂直方向の位置を動かす際、モータ２４，２８，３６，４６，５４，６２の内、対応するモータをそれぞれ別個に駆動させればよいから、６軸ロボアームや７軸ロボアームのように複数の軸を連携させて回転させるという操作は不要である。よって、スレーブ機の直線動作も簡単に実現させることができ、スレーブ機を直感的に簡便且つ正確に操作することができる。

また、スレーブ機１０が力検出部１５を具える構成とすることもできる。例えば、腕ユニット７０の第５モータ４６がトルクセンサ等の力検出部１５を具えることができる。力検出部１５によって検知した力は、電気信号に変換され、通信部１３からマスター機の通信部８３に送られる。そして、演算部８４により、操作部８２に対し、どの方向のどの程度の力を出力するかという電気的情報に変換され、別途設けられるモータ（図示省略）などにより、操作部８２に力が出力されるように構成されている。これにより、スレーブ機１０が垂直方向に受ける力をマスター機８０の操作者が得ることができ、マスター機８０の操作者は、その感触に応じた操作を行うことができる。このようにして、力検出部１５や操作部８２に力を出力する部材を最小限に抑えることができるので、製造コストを比較的掛けずに、スレーブ機１０が受けた力をマスター機８０に反映させることができるマスタースレーブアーム装置１００とすることができる。本構成は、特に、ディスクグラインダーによる研削作業など、作業部材を作業対象に押付けて作業する場合のマスタースレーブアーム装置１００として好適である。

力検出部１５と同様のものは、第五モータ４６の他に、第四モータ６２や他のモータに設けることも可能である。また、モータに内蔵されるトルクセンサの他に、圧力センサなどのセンサをマスタースレーブアーム装置１００に設けることも可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、スレーブ機を直感的に簡便且つ正確に操作することができ、さらには、製造コストを比較的掛けずに、スレーブ機が受けた力をマスター機に反映させることができるマスタースレーブアーム装置を提供することができる。

１０ スレーブ機
１２ 作業部材
１４ 作業部材取付部
１５ 力検出部
２０ 手首ユニット
２２ 第一回転軸
２４ 第一モータ
２６ 第二回転軸
２８ 第二モータ
３０ 第一直線可動部
３５ 第三回転軸
３６ 第三モータ
４０ 第三直線可動部
４５ 第五回転軸
４６ 第五モータ
４７ 第一補助腕部
４８ 補助腕部
４９ 第二補助腕部
５２ 第六回転軸
５４ 第六モータ
６０ 第二直線可動部
６１，６１ａ 腕部
６２ 第四モータ
６４，６４ａ 第一腕部
６５ 第四回転軸
６６，６６ａ 第二腕部
６７，６７ａ 先端歯車
６９，６９ａ 基端歯車
７０ 腕ユニット
８０ マスター機
８２ 操作部
１００ マスタースレーブアーム装置

Claims (4)

1. マスター機の動作に応じてスレーブ機を動作させるマスタースレーブアーム装置であって、
   前記スレーブ機は、
   作業部材が取付けられる作業部材取付部と、
   前記作業部材取付部に連結される手首ユニットと、
   前記手首ユニットに連結される腕ユニットを具え、
   前記手首ユニットは、前記作業部材取付部を回転させるための、水平方向に軸を有する第一回転軸及び該第一回転軸と直交する水平方向に軸を有する第二回転軸と、前記第一回転軸に連結される第一モータと、前記第二回転軸に連結される第二モータで構成され、
   前記腕ユニットは、水平方向に可動な第一直線可動部と、該第一直線可動部の移動に応じて回転する第三回転軸と、水平方向に可動な第二直線可動部と、該第二直線可動部の移動に応じて回転する第四回転軸と、垂直方向に可動な第三直線可動部と、該第三直線可動部の移動に応じて回転する第五回転軸と、垂直方向に軸を有する第六回転軸と、前記第三回転軸に連結される第三モータと、前記第四回転軸に連結される第四モータと、前記第五回転軸に連結される第五モータと、前記第六回転軸に連結される第六モータを具え、前記第一直線可動部、第二直線可動部、第三直線可動部、及び第六回転軸が連結されて構成され、
   前記第三直線可動部が該第三直線可動部を支持する少なくとも１つの補助腕部を具え、
   前記補助腕部は、第一補助腕部と第二補助腕部を有し、該第一補助腕部の先端側と第二補助腕部の基端側は回動可能に連結され、
   前記第一補助腕部の基端側と第二補助腕部の先端側が垂直線上に一致する位置で前記第三直線可動部に連結され、
   前記マスター機は、操作部を具え、
   前記操作部により、前記第一モータ乃至第六モータが別々に駆動されるように構成されていることを特徴とする、
   マスタースレーブアーム装置。
2. 前記第一直線可動部、第二直線可動部、第三直線可動部、及び第六回転軸が垂直方向の上から、前記第一直線可動部、第三直線可動部、第六回転軸、第二直線可動部の順に連結されている、請求項１のマスタースレーブアーム装置。
3. 前記第二直線可動部が一対の腕部で構成され、
   一対の前記腕部は、それぞれ、第一腕部と第二腕部を有し、該第一腕部の先端側と第二腕部の基端側は回動可能に連結され、
   一対の前記第一腕部の基端側にそれぞれ設けられる歯数が同じ基端歯車が回転可能な状態で互いに噛合い、
   一対の前記第二腕部の先端側にそれぞれ設けられる歯数が同じ先端歯車が回転可能な状態で互いに噛合っている、請求項１又は２のマスタースレーブアーム装置。
4. 前記腕ユニットが、少なくとも前記第三直線可動部に加わる力を検知する力検出部を具え、
   前記力検出部によって検知した力に応じた力を前記操作部に出力するように構成されている、請求項１から３のいずれかのマスタースレーブアーム装置。

Images