JP6880106B2 - 双腕ヒト型ロボット - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、双腕ヒト型ロボットに関する。

工場では、産業用ロボットの導入により、溶接、塗装、製品の組立、搬送、検査など、さまざまな工程が自動化されている。このような製造現場で利用されてきた産業ロボットには、垂直多関節ロボットや水平多関節ロボット、直交ロボットがある。

近年、産業用ロボットとは異なるタイプのロボット、すなわち、人間のような手足を備え、歩行したり手でものをハンドリングできるヒト型ロボットが開発されている。最近では、慢性的な人手不足を背景に、製造業だけでなく、様々な分野にヒト型ロボットの導入が検討されている。

ヒト型ロボットは、人間に類似した身体構造をもっているので、人間の作業を代替したり、人間といっしょに協働して行う作業に向いているといえる。そして、コンピュータの高性能化、制御技術の発展に伴って、軸数を多くし、人間の腕に近づけた双腕ヒト型ロボットが開発されており、各腕に６軸、７軸を有するようになってきている。双腕ヒト型ロボットに関する先行技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものを挙げることができる。

特開２０１４−１７６９２２号公報

しかしながら、人間の腕の動きは、融通無碍であり、これに近づけていくのは非常に困難である。従来の双腕ヒト型ロボットにおいても、人間には容易でも、ロボットにできない動作は、現在のところ数多くあるのが実情である。

本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、より人間に近く死角のない動作を実現できるようにした双腕ヒト型ロボットを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態による双腕ヒト型ロボットは、ロボットの胴体と、前記胴体の右側の肩部に取り付けられた右腕と、前記胴体の左側の肩部に取り付けられた左腕と、前記胴体を支持する腰部と、を備え、前記腰部は、前記胴体の中心を通る軸回りに前記胴体を旋回させるＪB1軸と、前記胴体を前後方向に傾動させるＪB2軸と、を有し、ＪB2軸の駆動部は、モータと、前記モータの回転を減速して前記胴体に伝達する減速機とを備え、前記胴体の下部に設けられた底部には前記モータが収納されるとともに前記減速機側で片側支持され、前記胴体は、前記底部にベアリングによって傾動可能に支持されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態による双腕ヒト型ロボット１０を示す斜視図である。 同双腕ヒト型ロボットの正面図である。 同双腕ヒト型ロボットの背面図である。 双腕ヒト型ロボットの右腕の各部の動きを示す左側面図である。 双腕ヒト型ロボットの左腕の各部の動きを示す右側面図である。 右腕と左腕を上からみた平面図である。 本実施形態による双腕ヒト型ロボットにおける軸構成の全体を示す模式図である。 本実施形態による双腕ヒト型ロボットにおける軸構成の駆動系を模式的に示す図である。 本実施形態による双腕ヒト型ロボットの胴体を傾動させるJB2軸の駆動部を示す一部切り欠き斜視図である。 双腕ヒト型ロボットが右腕と左腕を水平に開く動作を示す図である。 右腕Ｒの上腕部を上に向け、左腕の上腕部を下に向けた動作を示す図である。 胴体を前方に傾かせている双腕ヒト型ロボットの動作例を示す図である。

以下、本発明による双腕ヒト型ロボットの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、図１乃至図３を参照しながら、双腕ヒト型ロボット１０の概要について説明する。
双腕ヒト型ロボット１０は、腰部１２と、胴体１４と、右腕１６Ｒ、左腕１６Ｌを備えた人間の体に似た構造をもつロボットである。

腰部１２は、台（図示せずに）などに載せられており、腰部１２そのものは動くことはない。

ここで、以下の説明における方向は、次のようなものとする。図１において、上下方向とは、腰部１２を水平面上に設置した場合の上下をいい、前後方向とは、胴体１４を基準にその前面側を前、背面側を後とし、左右は、胴体１４を基準にいうものとする。

胴体１４は、その中心を通る鉛直な中心軸回りに回動可能であり、この軸をＪB1とする。 さらに、胴体１４は、左右に延びる水平な軸ＪB2回りに傾動可能である。この実施形態では、胴体１４は、ＪB1軸、ＪB2軸からなる２自由度を有している。

次に、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌについて説明する。
右腕１６Ｒは、肩部１８Ｒと、上腕部１９Ｒと、ひじ関節部２０Ｒと、前腕部２１Ｒと、手首部２２Ｒと、から構成されている。同様に、左腕１６Ｌは、肩部１８Ｌと、上腕部１９Ｌと、ひじ関節部２０Ｌと、前腕部２１Ｌと、手首部２２Ｌと、から構成されている。

図１乃至図３において、右腕１６Ｒの肩部１８Ｒは、上腕部１９Ｒが回動するＪR１軸、ＪR2軸を有し、２自由度である。右腕１６Ｒのひじ関節部２０Ｒは、ＪR3軸、ＪR4軸、ＪR5軸の都合３自由度の関節になっている。右腕１６Ｒの手首部２２Ｒは、ＪR6軸、ＪR7軸の２自由度を有している。したがって、右腕１６Ｒは、合計で７自由度をもっている。

同様に、右腕１６Ｌの肩部１８Ｌは、上腕部１９Ｌが回動するＪL１軸、ＪL2軸を有し、２自由度である。左腕１６Ｌのひじ関節部２０Ｌは、ＪL3軸、ＪL4軸、ＪL5軸の都合３自由度の関節になっている。左腕１６Ｌの手首部２２Ｌは、ＪL6軸、ＪL7軸の２自由度を有している。したがって、左腕１６Ｌも、合計で７自由度をもっている。

次に、図４は、右腕１６Ｒの各部の動きを示す左側面図である。図５は、左腕１６Ｌの各部の動きを示す右側面図で、図６は、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌを上からみた平面図である。
ＪR1軸、ＪL1軸は、上腕部１９Ｒ、１９Ｌをそれぞれ上腕部１９Ｒ、１９Ｌの長さ方向の中心線回りに回動させる軸である。ＪR2軸、ＪL2軸は、胴体１４に垂直な面内で、上腕部１９Ｒ、１９Ｌをそれぞれ旋回させる軸である。胴体１４が直立していれば、上腕部１９Ｒ、１９Ｌは水平面上を旋回することになる。

ＪR3軸、ＪL3軸は、ＪR1軸、ＪL1軸と同軸な軸線回りに、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌの全体がそれぞれ旋回する軸である。ＪR4軸、ＪL4軸は、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌの下半分をＪR3軸、ＪL3軸と直交する軸回りに回転させる軸である。ＪR5軸、ＪL5軸は、前腕部２１Ｒ、２１ＬをＪR4軸、ＪL4軸と直交する軸回りに回転させる軸である。

手首部２２Ｒ、２２ＬのＪR6軸、ＪL6軸は、前腕部２１Ｒ、２１Ｌの長さ方向と平行な面内でそれぞれ手首部２２Ｒ、２２Ｌを旋回させる軸である。JR7軸、ＪL7軸は、ＪR6軸、ＪL6軸と直交し、手首部２２Ｒ、２２Ｌに取り付けられるエンドエフェクタを旋回させる軸である。

以上のような本実施形態の双腕ヒト型ロボット１０における軸構成の全体を概観できるように、模式図で示すと、図７に示すようになる。

次に、図８は、本実施形態による双腕ヒト型ロボット１０における軸構成の駆動系を模式的に示す図である。
そこで、図７，図８を参照しながら、双腕ヒト型ロボット１０の駆動系について説明する。
肩部１８Ｒ、１８Ｌには、上腕部１９Ｒ、１９Ｌをその長さ方向の中心線回りに回動させる、モータ３０Ｒ、３０Ｌと減速機３１Ｒ、３１ＬからなるＪR1軸、ＪL1軸の駆動部が構成されている。このＪR1軸、ＪL1軸の駆動部には、ＪR1軸、ＪL1軸にかかるトルクを検出するトルクセンサ５０Ｒ、５０Ｌが設けられている。また、肩部１８Ｒ、１８Ｌでは、モータ３２Ｒ、３２Ｌと減速機３３Ｒ、３３Ｌからなる、胴体１４に垂直な面内で上腕部１９Ｒ、１９Ｌを旋回させるＪR2軸、ＪL2軸の駆動部が設けられている。このＪR2軸、ＪL2軸の駆動部にも、ＪR2軸、ＪL2軸にかかるトルクを検出するトルクセンサ５１Ｒ、５１Ｌが設けられている。

ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌでは、上腕部１９Ｒ、１９Ｌの先端部に設けられたモータ３４Ｒ、３４Ｌと減速機３５Ｒ、３５Ｌとから、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌ全体をＪR1軸、ＪL1軸と同軸な軸線回りに旋回させるＪR3軸、ＪL3軸の駆動部が構成されている。５２Ｒ、５２Ｌは、ＪR3軸、ＪL3軸にかかるトルクを検出するトルクセンサである。また、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌの上半分には、モータ３６Ｒ、３６Ｌと減速機３７Ｒ、３７Ｌが設けられており、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌの下半分をＪR3軸、ＪL3軸と直交する軸回りに回転させるＪR4軸、ＪL4軸の駆動部が構成されている。５３Ｒ、５３Ｌは、ＪR4軸、ＪL4軸にかかるトルクを検出するトルクセンサである。さらに、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌの下半分には、モータ３８Ｒ、３８Ｌと減速機３９Ｒ、３９Ｌが設けられ、前腕部２１Ｒ、２１ＬをＪR4軸、ＪL4軸と直交する軸回りに回転させるＪR5軸、ＪL5軸の駆動部が構成されている。このＪR5軸、ＪL5軸の駆動部にも、ＪR5軸、ＪL5軸にかかるトルクを検出するトルクセンサ５４Ｒ、５４Ｌが設けられている。

前腕部２１Ｒ、２１Ｌには、手首部２２Ｒ、２２Ｌを前腕部２１Ｒ、２１Ｌの長さ方向と平行な面内で旋回させるＪR6軸、ＪL6軸の駆動部が、モータ４０Ｒ、４０Ｌと減速機４１Ｒ、４１Ｌと、ベルト伝動機構４２Ｒ、４２Ｌと、によって構成されている。このＪR6軸、ＪL6軸の駆動部では、ＪR6軸、ＪL6軸にかかるトルクは、トルクセンサ５５Ｒ、５５Ｌによって検知される。

最後に、手首部２２Ｒ、２２Ｌには、手首部２２Ｒ、２２Ｌに取り付けられるエンドエフェクタを旋回させるJR７軸、ＪL7軸の駆動部が、モータ４３Ｒ、４３Ｌと減速機４４Ｒ、４４Ｌと、によって構成されている。このＪR7軸、ＪL7軸の駆動部では、ＪR7軸、ＪL7軸にかかるトルクは、トルクセンサ５６Ｒ、５６Ｌによって検知される。

右腕１６Ｒについて、JR1軸からJR7軸までのそれらの駆動部のモータと減速機の配置をみると、図８に示されるように、モータ３０Ｒと減速機３１Ｒ、モータ３２Ｒと減速機３３Ｒ、モータ３４Ｒと減速機３５Ｒ、モータ３６Ｒと減速機３７Ｒ、モータ３８Ｒと減速機３９Ｒ、モータ４０Ｒと減速機４１Ｒ、モータ４３Ｒと減速機４４Ｒの各軸の向きは、２種類の特定方向の向きが交互に９０°順次入れ替わるようになっている。例えば、この実施形態では、右腕１６Ｒについてみると、モータ３０Ｒと減速機３１Ｒの軸の向きに対して、モータ３２Ｒと減速機３３Ｒの軸の向きは直角になる。モータ３４Ｒと減速機３５Ｒの軸の向きは、モータ３２Ｒと減速機３３Ｒの軸の向きは直角になり、モータ３６Ｒと減速機３７Ｒは、モータ３４Ｒと減速機３５Ｒの軸の向きに直角になる。さらに、モータ３８Ｒと減速機３９Ｒの軸の向きは、モータ３６Ｒと減速機３７Ｒの軸の向きに対して直角になり、モータ４０Ｒと減速機４１Ｒの軸の向きは、モータ３８Ｒと減速機３９Ｒの軸の向きに直角であり、モータ４３Ｒと減速機４４Ｒの軸の向きは、モータ４０Ｒと減速機４１Ｒの軸の向きに直角になる。この点は、左腕１６Ｌについても同様である。

このように右腕１６Ｒ、左腕１６Ｌでは、JR1軸、JL1軸からJR7軸。JL7軸までの各軸でモータと減速機の向きを交互に変えることにより、右腕１６Ｒ、左腕１６Ｌの長さを短くすることができる。右腕１６Ｒ、左腕１６Ｌの長さが短くなると、胴体１４の動作時のイナーシャが小さくなり、同じ動力でも旋回速度を速くすることができる。

次に、図７、図８において、腰部１２には、モータ４６と減速機４７が設けられており、胴体１４の中心を通る中心軸回りに回動させるＪB1軸の駆動部が構成されている。５８は、JB1軸にかかるトルクを検出するトルクセンサである。減速機４７は、トルクセンサ５８を介して胴体１４の底部５９と連結されている。
さらに、図９に示されるように、腰部１２には、ＪB2軸を中心軸にして胴体１４を前後に傾動させるＪB2軸の駆動部を構成するモータ４８と減速機４９が設けられている。ＪB2軸の駆動部では、胴体１４を傾動させるトルクを発生するモータ４８は、胴体１４の下部に設けられた底部５９に収納され、このモータ４８と減速機４９が水平な姿勢で支持されている。胴体１４は、前後方向に傾動可能なようにベアリング６１によって支持されている。減速機４９はトルク検知のためのトルクセンサ６０を介して胴体１４と連結されている。

本実施形態による双腕ヒト型ロボットは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用および効果について説明する。
図１０は、双腕ヒト型ロボット１０が右腕１６Ｒと左腕１６Ｌを水平に開く動作を示す図である。図１１は、右腕１６Ｒの上腕部１９Ｒを上に向け、左腕１６Ｌの上腕部１９Ｌを下に向けた動作を示す図である。
双腕ヒト型ロボット１０の右腕１６Ｒと左腕１６Ｌは、肩部１８Ｒ、１８Ｌと、上腕部１９Ｒ、１９Ｌと、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌと、前腕部２１Ｒ、２１Ｌと、手首部２２Ｒ、２２Ｌを備えており、人間の腕と似た構造をもっている。

上腕部１９Ｒ、１９Ｌを肩回りに旋回させたり、前腕部２１Ｒ、２１Ｌを屈曲させ、伸展させたり、手首部２２Ｒ、２２Ｌを回したりするような基本動作は、人間の腕と同様に行うことができる。
右腕１６Ｒと左腕１６Ｌでは、肩部１８Ｒ、１８Ｌは、ＪR１軸、ＪL1軸、ＪR2軸、ＪL2軸を有する２自由度であり、ひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌは、ＪR3軸、ＪL3軸、ＪR4軸、ＪL4軸、ＪR5軸、ＪL5軸の都合３自由度の関節になっており、 手首部２２Ｒ、２２Ｌは、ＪR6軸、ＪL6軸、ＪR7軸、ＪL7軸の２自由度を有している。

このように右腕１６Ｒと左腕１６Ｌは、それぞれ合計７軸の７自由度をもっているため、
上腕部１９Ｒ、１９Ｌ、前腕部２１Ｒ、２１Ｌ、手首部２２Ｒ、２２Ｌの旋回、回転動作を組み合わせてかなり複雑な動作を実現することができる。

本実施形態では、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌのひじ関節部２０Ｒ、２０Ｌは、３自由度を有しているため、上腕部１９Ｒ、１９Ｌの旋回と、前腕部２１Ｒ、２１Ｌの旋回との組み合わせに複雑な動きを付け加えることが可能になる。

図１０、図１１では、胴体１４は、鉛直に直立した姿勢になっているが、この姿勢で、腰部１２のＪB1軸回りに、胴体１４を旋回させることにより、３６０°の周囲に右腕１６Ｒと左腕１６Ｌを届かすことが可能である。また、図１０に示されるように、上下方向にも死角はない。

腰部１２には、ＪB1軸に加えて、胴体１４を前後方向に傾かせるＪB2軸が設けられている。
図１２は、胴体１４を前方に傾かせている双腕ヒト型ロボット１０の動作例を示す図である。
双腕ヒト型ロボット１０では、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌを内側に屈曲させて、手首部２２Ｒ、２２Ｌを胴体１４に近づけ、胴体１４を前方に傾けている。
図１１の動作では、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌの腕全体がそれぞれ傾いている状態になっている。このような右腕１６Ｒと左腕１６Ｌの姿勢は、腰部１２にあるＪB2軸によって、胴体１４を前後方向に傾かせていることで実現されている。

以上のようにして、本実施形態によれば、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌにそれぞれ７軸、腰部１２に２軸、全部で１６軸の双腕ヒト型ロボット１０として構成されているので、人間の動作に近い複雑な動作を実現することができる。しかも胴体１４がＪB2軸回りに傾動できるようになることにより、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌのとどく範囲を拡げられるので、ハンドリング可能な領域を拡大することができる。また、右腕１６Ｒ、左腕１６Ｌとも、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌの各軸にかかる負荷が分散されるので、より重い物をハンドリングすることができる。

以上説明した本実施形態では、右腕１６Ｒと左腕１６Ｌともに７軸に構成されているが、７軸に限定されるものではない。例えば、手首部２２Ｒ、２２Ｌの自由度を１軸減らして６軸とすることも可能である。
また、各軸の駆動部の構成も一例であり、様々な構成が可能である。モータのトルク制御でトルク検知のために用いるトルクセンサについても、その他、接触式センサ（圧力、ひずみ）、非接触式変位センサ（レーザー、静電揚力）などを用いることが可能である。

以上、本発明の双腕ヒト型ロボットについて、好適な実施形態を挙げて説明したが、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。

１２…腰部、１４…胴体、１６Ｒ…右腕、１６Ｌ…左腕、１８Ｒ…右肩部、１８Ｌ…左肩部、１９Ｒ…右上腕部、１９Ｌ…左上腕部、２０Ｒ…右ひじ関節部、２０Ｌ…左ひじ関節部、２１Ｒ…右前腕部、２１Ｌ…左前腕部、２２Ｒ…右手首部、２２Ｌ…左手首部

Claims (4)

1. ロボットの胴体と、
   前記胴体の右側の肩部に取り付けられた右腕と、
   前記胴体の左側の肩部に取り付けられた左腕と、
   前記胴体を支持する腰部と、を備え、
   前記腰部は、前記胴体の中心を通る軸回りに前記胴体を旋回させるＪB1軸と、前記胴体を前後方向に傾動させるＪB2軸と、を有し、
   ＪB2軸の駆動部は、モータと、前記モータの回転を減速して前記胴体に伝達する減速機とを備え、
   前記胴体の下部に設けられた底部には前記モータが収納されるとともに前記減速機側で片側支持され、前記胴体は、前記底部にベアリングによって傾動可能に支持されたことを特徴とする双腕ヒト型ロボット。
2. 前記右腕、左腕は、それぞれの関節部に合計7軸を有する自由度７の腕であることを特徴とする請求項１に記載の双腕ヒト型ロボット。
3. 前記右腕は、右肩部と、右上腕部と、右前腕部と、前記右上腕部と前記右前腕部とを連結する右ひじ関節部と、右手首部を有し、
   前記左腕は、左肩部と、左上腕部と、左前腕部と、前記左上腕部と前記左前腕部とを連結する左ひじ関節部と、左手首部を有し、
   前記右腕では、
   右肩部の関節部を駆動する駆動部の軸に対して、前記右肩部と右上腕部を連結する関節部の駆動部の軸の方向が直角であり、
   前記右肩部と前記右上腕部を連結する関節部の駆動部の軸に対して、前記右上腕部と前記右ひじ関節部を連結する関節部の駆動部の軸の方向が直角であり、
   前記右ひじ関節部と前記右前腕部を連結する関節部の駆動部の軸に対して、前記右手首部の関節部の駆動部の軸の方向が直角であり、
   前記左腕では、
   左肩部の関節部を駆動する駆動部の軸に対して、前記左肩部と前記左上腕部を連結する関節部の駆動部の軸の方向が直角であり、
   前記左肩部と前記左上腕部を連結する関節部の駆動部の軸に対して、前記左上腕部と前記左ひじ関節部を連結する関節部の駆動部の軸の方向が直角であり、
   前記左ひじ関節部と前記左前腕部を連結する関節部の駆動部の軸に対して、前記左手首部の関節部の駆動部の軸の方向が直角であることを特徴とする請求項２に記載の双腕ヒト型ロボット。
4. 前記右腕は、ＪR１軸、ＪR2軸の２軸を有する右肩部と、右上腕部と右前腕部を連結し、ＪR3軸、ＪR4軸、ＪR5軸の軸を有する右ひじ関節部と、ＪR6軸、ＪR7軸の２軸を有する右手首部を有し、
   前記左腕は、ＪL１軸、ＪL2軸の２軸を有する左肩部と、左上腕部と左前腕部を連結しＪL3軸、ＪL4軸、ＪL5軸の軸を有する左ひじ関節部と、ＪL6軸、ＪL7軸の２軸を有する左手首部を有することを特徴とする請求項２に記載の双腕ヒト型ロボット。

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