JP6829263B2 - ロボットアーム機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

従来から多関節のロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。極座標形ロボットは肘関節を装備しないことから安全性が高いものの、可動領域が狭いことから特定の分野にのみ適用されてきた。発明者らが実用化した直動伸縮機構は、従来の直動機構よりも伸縮長が長く、広範な可動領域を実現する。それにより様々な分野に適用する事が可能となり、ロボットと作業員とが協働する環境が現実的となった。ロボットが作業員に接近している協働環境では、より高い安全性がロボットに要求される。そのため多くのロボットではそのアーム部や手首部等に接触センサや近接センサを装備させている。

安全性を向上するには、多数のセンサを稠密に配置させて感度範囲を網羅的に拡大させることが必要とされるが、その場合、コスト高だけでなく、アーム部等の重量増加は避けられず、現実的ではない。また、直動伸縮機構により伸縮性を与えられたアーム部では収縮とともに支柱部内に収容されるため、アーム部の中ほどに接触センサや近接センサを装備させることは困難であり、不感領域が不可避であった。

特許第5435679号公報

目的は、ロボットアーム機構において、簡易な構成にして、感度範囲を拡大させ、それにより安全性の向上を実現することにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、リンク部が関節部により支持されてなる。リンク部の外側をリンク部の少なくとも両端にわたって検出光の光路が位置するように少なくとも一つの光電センサがリンク部又は関節部に設置される。検出光のスポット中心が光電センサの受光面の中心に対して基準姿勢において重力方向にシフトされるように光電センサを構成する投光部又は投・受光部と光電センサを構成する受光部又は反射部とが位置合わせされている。

図１は、本実施形態が適用される様々なタイプのロボットアーム機構の外観を示す斜視図である。 図２は、図１の極座標型ロボットの一例を示す斜視図である。 図３は、図２のロボットアーム機構の側面図である。 図４は、図２のロボットアーム機構の内部構成を示す図である。 図５は、図２の伸縮アーム部の拡大図である。 図６は、図５の投光器を示す図である。 図７は、図５の投光器と受光部の位置関係を示す図である。 図８は、図２のロボットアーム機構を備えたロボット装置の機能ブロック部である。 図９は、図２の光電センサの変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。ロボットアーム機構には複数のタイプが存在する。図１（ａ）には垂直多関節形ロボットアーム機構、図１（ｂ）には２つの平行な回転関節部をもち、選択された平面内で動作する水平多関節形ロボットアーム機構（スカラロボットアーム機構）、図１（ｃ）にはアームに３つの直動関節部をもち、それらの軸が直角座標系に一致する直交三軸形ロボットアーム機構、図１（ｄ）にはアームに二つの回転間接部と一つの直動間接部とをもち、それらの軸が極座標系を構成する極座標形ロボットアーム機構を例示している。その他にアームに閉ループ構造を構成するリンクをもつパラレルリンクロボットアーム機構、アームに少なくとも一つの回転関節部と一つの直動関節部とをもち，それらの軸が円筒座標系を構成する円筒座標形ロボットアーム機構などがある。本実施形態は特定にタイプに限定されず、任意のタイプのロボットアーム機構に適用され得る。本実施形態は、少なくとも一つのリンク部（アーム部ともいう）が少なくとも一つの関節部により支持されてなるロボットアーム機構である。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、床面、壁面、天井面などの設置面に単一の関節部が設置され、その関節部に単一のリンク部が回転自在又は移動自在に支持される簡易な構成、または複数のリンク部が関節部を介して連結されてなる一般的な構成で提供される。図１には一般的な構成の一例を示しており、本実施形態に係るロボットアーム機構はいずれもタイプであってもよい。ここでは極座標形ロボットアーム機構を例に説明する。

本実施形態ではこれら様々なタイプのロボットアーム機構を構成するリンク部への作業員等の接近を検知するために光電センサ４０を採用する。光電センサ４０は透過形又は回帰反射形のいずれでもよい。透過形であれば、光電センサ４０は投光部４１と受光部４２とを有する。回帰反射形であれば、光電センサ４０は投・受光部と反射部とを有する。ここでは透過形の光電センサを例に説明する。投光部４１はリンク部６１の一端側であって、リンク部６１の中心軸からその垂直方向に関して外側の位置に設置される。受光部４２がリンク部６１の他端側であって、リンク部６１の中心軸からその垂直方向に関して外側の位置に設置される。それにより投光部４１から受光部４２に至る検出光の光路がリンク部６１の外側であって、その一端から他端にわたってその中心軸と略平行に延在する。勿論、検出光の光路はリンク部６１の一端から他端までの範囲に限定されず、この範囲を超過しても良い。それによりリンク部６１の長さ方向にそって不感部分がなくその全域を検出領域とする事ができ、安全性を高めることができる。４つの光電センサ４０をリンク部６１に対してその上下左右の４方に配設することで、４つの検出光の光路でリンク部６１を４方から取り囲むことができ、リンク部６１に４方向いずれから接近してもそれを検知してその安全性をより高めることができる。さらに多数の光電センサ４０を稠密に円環状又は角環状に配列したエリアセンサを設置することにより、その安全性をさらに高めることができる。

以下、本実施形態を極座標形ロボットアーム機構を例に詳説する。まず極座標形ロボットアーム機構の基本構造を説明する。図２に本実施形態に係る極座標形ロボットアーム機構の外観を示し、図３にそのロボットアーム機構の側面図、図４にそのロボットアーム機構の内部構造を示している。ロボットアーム機構は、基台１から順番に基台１、旋回部２、起伏部４、アーム部（リンク部）５及び手首部６を備える。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基台１から順番に配設される。基台１には円筒体をなす旋回部２が典型的には鉛直に設置される。旋回部２は旋回回転関節部としての第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１は回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は鉛直方向に平行である。旋回部２は下部フレーム（リンク部）２１と上部フレーム（リンク部）２２とを有する。下部フレーム２１と上部フレーム２２とは第１関節部Ｊ１で連結される。フレーム２１、２２はそれぞれ円筒形状のハウジング３１、３２に覆われる。第１関節部Ｊ１の回転に伴って上部フレーム２２が軸回転し、それによりアーム部５は水平に旋回する。円筒体をなす旋回部２の内部中空には後述する直動伸縮機構としての第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列５１、５２が収納される。

上部フレーム２２には起伏回転関節部としての第２関節部Ｊ２が設置される。第２関節部Ｊ２は回転関節である。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は水平軸である。第２関節部Ｊ２を構成する一対のサイドフレーム２３は、鞍形形状のカバー３３により覆われる。一対のサイドフレーム２３に、モータハウジングを兼用する円筒体２４が軸回転自在に支持される。円筒体２４の内部にはモータ（アクチュエータ）が固定される。モータの回転軸はサイドフレーム２３に固定される。モータの回転に伴って円筒体２４が軸回転する。円筒体２４の外周面には、第３関節部Ｊ３の送り出し機構２５が固定される。送り出し機構２５はカバー３４により覆われる。カバー３３、３４の間の間隙は断面Ｕ字形状のＵ字蛇腹カバー１４により覆われる。Ｕ字蛇腹カバー１４は、第２関節部Ｊ２の起伏動に追従して伸縮する。送り出し機構２５は、ドライブギア５６、ガイドローラ５７及びローラユニット５８が箱形のフレーム６０に支持されてなる。送り出し機構２５はアーム部５を前後移動自在に支持する。円筒体２４の軸回転に伴って送り出し機構２５は回動し、アーム部５が上下に起伏する。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により提供される。直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、可動範囲の観点でいわゆる従来の直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３のアーム部５は屈曲自在であるが、中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿ってアーム部５の根元の送り出し機構２５から前方に送り出されるときには屈曲が制限され、直線的剛性が確保され、リンク部を構成する。アーム部５は後方に引き戻されるときには屈曲が回復される。アーム部５は第１コマ列５１と第２コマ列５２とを有する。第１コマ列５１は屈曲自在に連結された複数の第１コマ５３からなる。第１コマ５３は例えば略平板形に構成される。第１コマ５３は端部箇所のヒンジ部で屈曲自在に連結される。第２コマ列５２は複数の第２コマ５４からなる。第２コマ５４は例えば一面が開いた断面Ｕ字形状又は断面四角形状の筒体に構成される。第２コマ５４は底板端部箇所のヒンジ部で屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の屈曲は、第２コマ５４の側板の端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列５２は直線的に配列する。第１コマ列５１の先頭の第１コマ５３と、第２コマ列５２の先頭の第２コマ５４とは結合コマ５５により接続される。

第１、第２コマ列５１，５２は送り出し機構２５のローラユニット５８を通過する際にローラ５９により互いに押圧されて互いに接する。それにより第１、第２コマ列５１，５２は直線的剛性を発揮し、柱状のアーム部（リンク部）５を構成する。アーム部５は送り出し機構２５のフレーム６０の角環状のフランジ６５から出射する。ローラユニット５８の後方にはドライブギア５６がガイドローラ５７とともに配置される。ドライブギア５６は図示しないモータユニットに接続される。モータユニットは、ドライブギア５６を回転させるための動力を発生する。図示しないが、第１コマ５３の内側の面、換言すると、第２コマ５４と接する側の面の幅中央には連結方向に沿ってリニアギアが形成されている。複数の第１コマ５３が直線状に整列されたときに隣合うリニアギアは直線状につながって、一体的な長いリニアギアを構成する。第１コマ５３のリニアギアはガイドローラ５７に押圧されてドライブギア５６に噛合する。直線状につながったリニアギアはドライブギア５６とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギア５６が順回転するとき第１、第２コマ列５１，５２はローラユニット５８から前方に送り出される。ドライブギア５６が逆回転するとき第１、第２コマ列５１，５２はローラユニット５８の後方に引き戻される。引き戻された第１、第２コマ列５１，５２はローラユニット５８とドライブギア５６との間で分離される。分離された第１、第２コマ列５１，５２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１、第２コマ列５１，５２は、ともに同じ方向（内側）に屈曲し、旋回部２の内部に鉛直に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行にほぼ揃った状態で収納される。

アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心とした回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

図示しないエンドエフェクタ（手先効果器）は、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部に設けられたアダプタ７に取り付けられる。エンドエフェクタはロボットが作業対象（ワーク）に直接働きかける機能を持つ部分であり、例えば把持部、真空吸着部、ナット締め具、溶接ガン、スプレーガンなどのタスクに応じて様々なツールが存在する。エンドエフェクタは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さの観点で従前の直動関節とは明確に区別される。

図５に示すようにアーム部５の一端側、例えば後端側には光電センサ４０を構成する投光部４１が設置され、他端側、例えば前端側には光電センサ４０を構成する受光部４２が設置される。なお、アーム部５の前端側に投光部４１を設置し、後端側に受光部４２を設置してもよい。上述したように光電センサ４０は透過形又は回帰反射形のいずれでもよいが、ここでは透過形として説明する。回帰反射形であれば、投光部を投・受光部に、受光部を反射部にそれぞれ読み替えられたい。

光電センサ４０に使われる波長帯域は、近赤外光と可視光のいずれでも良いし、ビーム光であってもレーザ光であってもよい。可視光の採用は、作業員等がアーム部５の周囲の検出光を視認することができる利点がある。投光部４１は光源として典型的には発光ダイオードを備えるものであるが、それに限定されない。また光電センサ４０は、投光部４１と受光部４２を後述する投光回路、受光回路、判定回路、出力回路、制御回路のユニットと分離したいわゆるアンプ分離形であっても良いし、投光部４１を投光回路と一体構成し、また受光部４２を受光回路、判定回路、出力回路と一体構成したいわゆるアンプ内蔵形であってもよい。

本実施形態では、典型的には、４つの光電センサ４０が装備される。図６に示すように、４つ投光部４１は、アーム部５の後端側の例えば送り出し機構２５のフランジ６５に取り付けられる。もちろん投光部４１の取り付け位置はフランジ６５に限定されることはなく、例えばカバー３４の表面に装着しても良い。４つ投光部４１は、典型的にはアーム部５の導通孔６６の周囲に互いに９０度ずつずらされて、上下左右に分散して配置される。４つの受光部４２は、手首部６の第４関節部Ｊ４のフランジ又はそのカバー表面上であって、４つ投光部４１にそれぞれ対向する位置に取り付けられる。投光部４１から受光部４２に至る検出光の光路はリンク部６１の外側をその一端から他端にわたってその長さ方向に延在する。典型的には、検出光の光軸はリンク部６１の中心軸に平行である。４つの光電センサ４０の４つの光路はリンク部６１を上下左右の４方から取り囲む。

投光部４１から出射された例えばビーム状の検出光のスポット中心Ｃ２が、それとペアをなす受光部４２の受光エリアの中心Ｃ１に一致するよう投光部４１と受光部４２が位置合わせされている。しかし、図７に示すように、アーム部５を最も収縮させた基準姿勢において投光部４１から出射された検出光のスポット中心Ｃ２が受光部４２の受光エリアの中心Ｃ１より重力方向に若干ではあるがシフトするよう投光部４１と受光部４２が位置合わせされていてもよい。アーム部５を伸張させ、比較的重量物としてのワークを把持した状況ではアーム部５が重力方向に多少なりとも撓み、また振動することが想定されるが、その場合であってもビーム光が受光部４２の受光エリアから外れる事態の発生を軽減することができる。

図８には本実施形態に係るロボットアーム機構を含むロボット装置全体の構成を示している。ロボット装置１００は、システム制御部１２１を有する。システム制御部１２１には制御／データバスを介して、上下左右の光電センサ４０−１〜４０−４が接続される。さらにシステム制御部１２１には制御／データバスを介して、タスクプログラムのデータファイルを記憶するタスクプログラム記憶部１２５、記憶部１２５から読み出されたタスクプログラムを用いて各関節部の関節角度（指令値）を発生し、発生した指令値を各関節部のモータドライバ１３３に送信するとともに、光電センサ４０−１〜４０−４の少なくとも一つから作業員等で検出光が遮断されたことを表す信号（後述の第２信号）が出力されたときに全ての関節部のモータドライバ１３３にその位置で停止させるための停止信号、ステッピングモータであれば通電させるための指令値を送信する動作制御部１２３、ロボット装置１００の動作状態として停止状態及び通常動作状態を区別してランプや音等によりインジケートするインジケータ１０３、動作停止を解除して動作を再開させるボタンを装備した操作部１０１が接続される。好ましくは動作停止解除ボタンとｖは起伏部４及び手首部６に設置される。関節部のモータ（アクチュエータ）１３２は好ましくはステッピングモータからなる。モータドライバ１３３は動作制御部１２３からの指令値に従ってパルス電力をモータ１３２に供給する。モータの駆動軸又は関節部の回転軸にはその回転角度を計測するためのエンコーダ（ロータリエンコーダ）１３１が取り付けられる。

光電センサ４０−１は投光部４１、受光部４２の他、制御回路４５の制御に従って投光部４１を駆動する投光回路４３、制御回路４５の制御に従って受光部４２の電流出力を電圧信号に変換し、増幅し、デジタル信号に変換する受光回路４４、受光回路４４の出力信号を閾値と比較する判定回路４６と、比較結果に従って２つの状態を表す２種の信号（コード）を択一的に出力する出力回路４７とからなる。投光部４１からの検出光が直接的に受光部４２で受光されたときには、その受光量が閾値を超え、投光部４１と受光部４２との間になんら介在していない第１状態を表す第１信号（オン信号）が出力される。作業員等がアーム部５に接近し投光部４１と受光部４２との間に介入して、検出光を遮断したとき、受光部４２の受光量は閾値を下回る。それにより投光部４１と受光部４２との間に作業員等が介在している第２状態を表す第２信号（オフ信号）が出力される。第２信号の出力により動作制御部１２３は、作業員等のアーム部５への接近を認識して、作業員等がアーム部５に接触する前にアーム部５の動きを停止させることができる。つまり、動作制御部１２３は光電センサ４０−１〜４０−４の一つでもその受光量が閾値を下回る状態を表す第２信号を出力したとき、アーム部５の動きを停止させることができ、さらに４つの光電センサ４０−１〜４０−４の出力信号から作業員等の接近方向を認識することができるので、その接近方向と同じ方向にアーム部５を退避させることもできる。

なお、制御回路４５の制御のもと判定回路４６の閾値は動的に変更するようにしてもよい。アーム部５の伸縮動、起伏動及び旋回動により受光部４２に入射する外乱光の光量は変動する可能性がある。制御回路４５は動作制御部１２３から一定周期で受け取った伸縮長、起伏角及び旋回角の組み合わせに応じて判定回路４６の閾値を動的に変更する。それにより外乱光の影響による特に外乱光の光量が高くそれにより作業員による検出光の遮断を認識しない誤動作を抑制する事ができる。勿論、事前に、アーム部５の伸縮動、起伏動及び旋回動による外乱光の光量変化を計測する必要がある。この事前計測の作業負担を解消するために、判定回路４６では一定周期で受光部４２の受光量を取得するが、現周期の受光量を直前周期又は数周期前の受光量と比較して、その変化から所定範囲に収まっているときには、状態遷移をさせず、その変化が所定範囲から外れたときには状態遷移させる。現周期の受光量が直前周期の受光量から大きく低下したときには、投光部４１と受光部４２との間に作業員等が介在していない状態から、投光部４１と受光部４２との間に作業員等が介在した状態に遷移させ、出力を第１信号から第２信号に転換する。現周期の受光量が直前周期の受光量から大きく高くなったときには、投光部４１と受光部４２との間に作業員等が介在した状態から、投光部４１と受光部４２との間に作業員等が介在していない状態に遷移させ、出力を第２信号から第１信号に転換する。受光量がほとんど変化していないときには、直前周囲の状態を維持して第１信号又は第２信号を継続的に出力する。

光電センサ４０に透過形を採用する場合であっても、回帰反射形を採用する場合であっても、外乱光の影響を抑えるために、一定周期で投光を繰り返すパルス変調光方式が採用される。また光電センサ４０に透過形を採用する場合であっても、回帰反射形を採用する場合には、作業員等の検出対象で反射し、その戻り光が投・受光部に入射して当該検出対象が存在しない状態と同じになるという誤動作を回避するために、投・受光部の投光窓と受光窓に偏向方向（縦波、横波）の異なる偏光フィルタを配置し、反射部の反射面にコーナーチューブを設置することで反射部の反射光のみを検出するようにしてもよい。

また、光パルスの発生時刻から受光時刻までの時間差を、投・受光部と反射部との間の距離の２倍に応じた時間と比較して、その比較結果に応じて反射部による反射と作業員等の検出対象による反射、つまり光路上への物体の介在の有無を識別するようにしてもよい。

図９に示すように、多数の投光部４１を円環状又は角環状に稠密に配列した投光リング４８、多数の受光部４２を円環状又は角環状に稠密に配列した受光リング４９からなるエリアセンサを用いても良い。勿論、投光リング４８及び受光リング４９の内径又は内寸はアーム部５の外径又は外寸よりも長い。検出光の光路の間隙を解消又は減少させる事ができ、検出光の光路の間隙に作業員の指等が挿入して、その接近を検知できない事態を回避する事ができ、安全性のさらなる向上が期待できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

５…アーム部（リンク部）、４０…光電センサ、４１…投光部、４２…受光部。

Claims (5)

1. リンク部が関節部により支持されてなるロボットアーム機構において、
   前記リンク部の外側を前記リンク部の少なくとも両端にわたって検出光の光路が位置するように少なくとも一つの光電センサが前記リンク部又は前記関節部に設置され、
   前記検出光のスポット中心が光電センサの受光面の中心に対して基準姿勢において重力方向にシフトされるように前記光電センサを構成する投光部又は投・受光部と前記光電センサを構成する受光部又は反射部とが位置合わせされていることを特徴とするロボットアーム機構。
2. リンク部が関節部を介して連結されてなるロボットアーム機構において、
   少なくとも一つの光電センサを構成する投光部又は投・受光部が前記リンク部の一端側に設置され、前記投光部又は前記投・受光部に対向して受光部又は反射部が前記リンク部の他端側に設置され、前記投光部から前記受光部に至る検出光の光路又は前記投・受光部から前記反射部で反射して前記投・受光部に回帰する検出光の光路が前記リンク部の外側を少なくとも一端から他端にわたって延在し、
   前記検出光のスポット中心が前記受光部又は前記投・受光部の受光面の中心に対して基準姿勢において重力方向にシフトされるように前記投光部又は前記投・受光部と前記受光部又は前記反射部とが位置合わせされていることを特徴とするロボットアーム機構。
3. 前記光電センサは複数であって、前記複数の光電センサに係る複数の検出光の光路が前記リンク部を上下左右の四方から取り囲むように前記複数の光電センサが設置されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 前記投光部又は前記投・受光部、前記受光部又は前記反射部は、円環状又は角環状に配列されることを特徴とする請求項３記載のロボットアーム機構。
5. 前記光電センサは、前記投・受光部及び前記反射部とともに、前記投・受光部から前記検出光をパルス状に繰り返し発生させる投光回路と、前記投・受光部を介して前記検出光の反射光を受光する受光回路と、前記検出光の発生から前記反射光の受光までの時間と前記投・受光部と前記反射部との距離の２倍に応じた時間との比較結果に応じて前記光路上への物体の介在の有無を判定する判定回路とを有することを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。

Images