JP6883073B2 - リンク作動装置を用いた多関節ロボット - Google Patents

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられるリンク作動装置を用いた６自由度以上の多関節ロボットに関する。

医療機器や産業機器等の高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられる多関節ロボットが、特許文献１、２に提案されている。特許文献１の多関節ロボットは、回転１自由度の機構を組み合わせて構成されている。特許文献２の多関節ロボットは、回転２自由度のリンク作動装置が用いられている。

特開２００５−３２９５２１号公報 米国特許第６，６５８，９６２号明細書

特許文献１の多関節ロボットは、すべて回転１自由度の関節部の組合せで構成されているため、例えば多関節ロボットが人や物に衝突した場合、その衝突を検知し難い方向があり、安全面で問題がある。また、先端に搭載するエンドエフェクタの姿勢を少し変更するだけでも複数のモータを駆動する必要があり、木目細かい作業が出来ないといった問題がある。さらに、制御上の問題として、エンドエフェクタの１つの姿勢に対して複数の解が存在する場合があり、動作を確定できない可能性がある。操作上の問題としては、教示を行う際に各軸を動かしても先端がどのような方向に移動するかイメージし難いため、操作を行うには知識や経験が必要である。

特許文献２の多関節ロボットは、滑らかな回転２自由度動作が可能なリンク作動装置を設けたことにより、安全面の問題は解決できる。しかし、リンク作動装置の基端側のリンクハブの中心軸上にエンドエフェクタ（例えばハンド）を動かす場合、リンク作動装置の姿勢と肘関節の双方を動かして調整する必要があるため、操作を行うには知識や経験が必要である。また、リンク作動装置の負荷が大きく、木目細かい作業が出来ないことが予想される。

この発明の目的は、関節部がコンパクトで、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適したリンク作動装置を用いた多関節ロボットを提供することである。

この発明のリンク作動装置を用いた多関節ロボットは、ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
前記複数の関節部のうちの、前記最も先端側のアーム部とこのアーム部から一つ基端側のアーム部とを連結する関節部は、両側の前記アーム部同士を互いに直交２軸周りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
前記リンク作動装置は、両側の前記アーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設け、
前記各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けたリンク作動装置を用いた。

リンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。

複数の関節部のうち少なくとも１つの関節部に上記リンク作動装置を用いることで、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、木目細かい動作を実現できる。また、残りの関節部のうちの少なくとも１つの関節部に直動機構を用いることで、直進方向の操作を１つのアクチュエータの操作で行うことができるため、知識に乏しく経験が浅くても簡単に操作することができる。

この発明において、前記姿勢制御用駆動源が回転力を発生させるロータリアクチュエータである場合、各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けても良い。
これにより、多関節ロボットに異様な負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。このため、異様な負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。
姿勢制御用駆動源にトルク検出手段を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブに作用する荷重を推定することができ、多関節ロボットのコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成であるため、先端側のリンクハブに様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。

この発明において、前記直動機構は、両側の前記アーム部を互いに前記直線方向の一方向に相対移動させるとき、いずれか一方のアーム部がもう一方のアーム部の内部に収納される構成であると良い。
この構成であると、多関節ロボットを使用しないときにコンパクトにすることができ、保管スペースが狭くて済む。また、多関節ロボット全体の可動範囲、特にベースユニットとエンドエフェクタの間の多関節アームの可動範囲を最小限にできるため、占有スペースを狭くできる。

この発明において、前記基本構成を備え、前記ベースユニットと最も基端側の前記アーム部とを連結する関節部は、前記ベースユニットの設置面に対して直交する回転軸回りに両側の前記ベースユニットおよび記アーム部を相対回転させる回転機構からなり、最も基端側の前記アーム部と基端側から２番目の前記アーム部とを連結する関節部は、前記ベースユニットの設置面と平行な回転軸回りに両側の前記各アーム部を相対回転させる回転機構からなり、基端側から２番目の前記アーム部と基端側から３番目の前記アーム部とを連結する関節部は、両側の前記アーム部同士を互いに直線方向に相対移動させる前記直動機構からなり、前記基端側から３番目のアーム部と基端側から４番目のアーム部とを連結する関節部は、両側の前記アーム部同士を互いに直交２軸周りに相対回転させる前記リンク作動装置からなり、基端側から４番目の前記アーム部と前記エンドエフェクタとを連結する関節部が、前記回転機構であってもよい。
この構成とすると、この多関節ロボットの多関節アームを人間の腕と見做した場合、手首関節に相当する第４の関節部を、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置で構成したため、各関節部の動きとエンドエフェクタの動きとの関係をイメージし易くなり、操作性が良い。また、人の腕における手首関節に相当する多関節アームの先端付近の関節部にリンク作動装置を配置したため、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速で木目細かい動作が可能である。さらに、多関節アームにおいてリンク作動装置や直動機構等よりも先端側にケーブルを捩れさせる可能性のある回転機構を配置したため、リンク作動装置や直動機構等の配線の取り回しが容易である。

この発明において、１つの前記ベースユニットに前記多関節アームを２つ設置すると良い。
これにより、人が両手で行うような作業が可能となる。

前記２つの多関節アームは、前記ベースユニットの互いに対称となる面に最も基端側の前記アーム部が設置されていると良い。
この構成とすることで、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボットが機能不全となった場合、多関節ロボットを撤去した跡のスペースに人が入って代替して作業を行うことができるため、生産性を大幅に下げることを防止できる。

この発明のリンク作動装置を用いた多関節ロボットは、ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、前記複数の関節部のうちの、前記最も先端側のアーム部とこのアーム部から一つ基端側のアーム部とを連結する関節部は、両側の前記アーム部同士を互いに直交２軸周りに相対回転させるリンク作動装置からなり、前記リンク作動装置は、両側の前記アーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設け、前記各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けたリンク作動装置を用いたため、木目細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。

この発明の一実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 同多関節ロボットのリンク作動装置の一部を省略した図である。 同リンク作動装置のパラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の断面図である。 同パラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 この発明の他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。

この発明の一実施形態に係るリンク作動装置を用いた多関節ロボットを図１〜図６と共に説明する。
図１はこの多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット１は、ベースユニット２と、このベースユニット２に設置された多関節アーム３とからなり、多関節アーム３の先端に、被作業体（図示せず）に対して作業を行うエンドエフェクタ４が搭載されている。この例では、ベースユニット２は、水平面からなる設置面５に設置されている。ベースユニット２内には、この多関節ロボット１の動作を制御するコントローラ６が内蔵されている。コントローラ６は、ベースユニット２の外部に設置しても良い。

多関節アーム３は、基端側から先端側へ複数（図の例では４つ）のアーム部１１〜１４が直列に並んでおり、前記ベースユニット２と最も基端側のアーム部１１、および隣合うアーム部１１〜１４同士が、それぞれ関節部２１〜２４を介して互いに相対変位可能に連結されている。エンドエフェクタ４は、最も先端側のアーム部１４に設置されている。以下の説明では、各アーム部１１〜１４を、基端側のものから順に「第１のアーム部１１」、「第２のアーム部１２」、…と称し、各関節部２１〜２４を、基端側のものから順に「第1の関節部２１」、「第２の関節部２２」、…と称することにする。

ベースユニット２と第1のアーム部１１とを連結する第１の関節部２１は、前記設置面
５に対して直交する回転軸７回りにベースユニット２に対して第１のアーム部１１を相対回転させる回転機構からなる。第１のアーム部１１の回転駆動は、ベースユニット２に設けられたモータ等の駆動源２１ａにより行う。

第１のアーム部１１と第２のアーム部１２とを連結する第２の関節部２２は、前記設置面５と平行な回転軸８回りに第１のアーム部１１に対して第２のアーム部１２を相対回転させる回転機構からなる。第２のアーム部１２の回転駆動は、第１のアーム部１１に設けられたモータ等の駆動源２２ａにより行う。

第２のアーム部１２と第３のアーム部１３とを連結する第３の関節部２３は、第２のアーム部１２に対して第３のアーム部１３を直線方向に移動させる直動機構からなる。第３のアーム部１３の移動は、第２のアーム部１２に設けられたリニアアクチュエータ等の駆動源２３ａにより行う。第２のアーム部１２と第３のアーム部１３とは同軸上に設けられており、第２のアーム部１２の基端に対し第３のアーム部１３が近づく側に移動するとき第２のアーム部１２の内部に第３のアーム部１３が収納され、遠ざかるとき第２のアーム部１２の内部から第３のアーム部１３が突出する構成である。

第３のアーム部１３と第４のアーム部１４とを連結する第４の関節部２４は、第３のアーム部１３に対して第４のアーム部１４を姿勢変更させる回転２自由度のリンク作動装置からなる。

第４の関節部２４であるリンク作動装置について説明する。図２に示すように、リンク作動装置は、パラレルリンク機構３０と、このパラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１とで構成される。図３および図４は、パラレルリンク機構３０だけを取り出して表わした斜視図であり、互いに異なる状態を示している。これら図２〜図４に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３を３組のリンク機構３４を介して姿勢変更可能に連結してなる。なお、図２では、１組のリンク機構３４のみが示されている。リンク機構３４の数は、４組以上であっても良い。

各リンク機構３４は、基端側の端部リンク部材３５、先端側の端部リンク部材３６、および中央リンク部材３７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ３２および先端側のリンクハブ３３に回転自在に連結されている。中央リンク部材３７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構３０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶、および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図２）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図２）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図５は基端側のリンクハブ３２、基端側の端部リンク部材３５等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６の位置関係も図５と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

３組のリンク機構３４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図６に示すように、各リンク部材３５，３６，３７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材３７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図６は、一組のリンク機構３４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構３０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６との位置関係が、中央リンク部材３７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材３７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と３組のリンク機構３４とで、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ３２に対して先端側のリンクハブ３３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図５）と直角に交わる直線をリンクハブ３２，３３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図６）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の旋回角φ（図６）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図３は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図４は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図６）は変化しない。

このパラレルリンク機構３０において、各リンク機構３４におけるリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しく、かつ各リンク機構３４のリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材３５，３６と中央リンク７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材３７についても基端側と先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材３７の対称面に対して、中央リンク部材３７と端部リンク部材３５，３６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６とは同じに動く。

図２〜図４に示すように、基端側のリンクハブ３２は、第３のアーム部１３に固定された基端部材４０と、この基端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。基端部材４０は中央部に円形の貫通孔４０ａを有し、この貫通孔４０ａの周囲に３個の回転軸連結部材４１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔４０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材４１には、軸心が基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する回転軸４２が回転自在に連結されている。この回転軸４２に、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結される。

図５に示すように、回転軸４２は、２個の軸受４３を介して回転軸連結部材４１に回転自在に支持されている。軸受４３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受４３は、回転軸連結部材４１に設けられた内径孔４４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸４２には、この回転軸４２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端と後記扇形のかさ歯車４５とが結合されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の一端に切欠き部４６が形成されており、この切欠き部４６の両側部分である内外の回転軸支持部４７，４８間に回転軸連結部材４１が配置される。かさ歯車４５は、内側の回転軸支持部４７の内側面に当接して配置される。そして、回転軸４２を内側から、かさ歯車４５に形成された貫通孔、内側の回転軸支持部４７に形成された貫通孔、軸受４３の内輪、外側の回転軸支持部４８に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸４２の頭部４２ａと回転軸４２のねじ部４２ｂに螺着したナット５０とで、かさ歯車４５、内外の回転軸支持部４７，４８、および軸受４３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部４７，４８と軸受４３との間にスペーサ５１，５２が介在させてあり、ナット５０の螺着時に軸受４３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材３５の他端には、回転軸５５が結合される。回転軸５５は、２個の軸受５３を介して中央リンク部材３７の一端に回転自在に連結されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の他端に切欠き部５６が形成されており、この切欠き部５６の両側部分である内外の回転軸支持部５７，５８間に中央リンク部材３７の一端が配置される。そして、回転軸５５を外側から、外側の回転軸支持部５８に形成された貫通孔、軸受５３の内輪、内側の回転軸支持部５７に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸５５の頭部５５ａと回転軸５５のねじ部５５ｂに螺着したナット６０とで、内外の回転軸支持部５７，５８、および軸受５３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部５７，５８と軸受５３との間にスペーサ６１，６２が介在させてあり、ナット６０の螺着時に軸受５３に予圧を付与する構成である。

図３、図４に示すように、先端側のリンクハブ３３は、第４のアーム部１４に固定される先端部材７０と、この先端部材７０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材７１とで構成される。各回転軸連結部材７１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材７１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸７３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ３３の回転軸７３に、先端側の端部リンク部材３６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材３６の他端には、中央リンク部材３７の他端に回転自在に連結された回転軸７５が連結される。先端側のリンクハブ３３の回転軸７３および中央リンク部材３７の回転軸７５は、それぞれ前記回転軸４２，５５と同じように２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材７１および中央リンク部材３７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

図２に示すように、パラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１は、前記基端部材４０に設置されて、第３のアーム部１３の内部に配置されている。姿勢制御用駆動源３１の数は、リンク機構３４と同数の３個である。姿勢制御用駆動源３１はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取り付けたかさ歯車７６と基端側のリンクハブ３２の前記回転軸４２に取り付けられた前記扇形のかさ歯車４５とが噛み合っている。
なお、この例では、リンク機構３４と同数の姿勢制御用駆動源３１が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用駆動源３１が設けられていれば、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。

リンク作動装置からなる第４の関節部２４は、各姿勢制御用駆動源３１を回転駆動することで、パラレルリンク機構３０を作動させる。詳しくは、姿勢制御用駆動源３１を回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車７６，４５を介して回転軸４２に伝達されて、基端側のリンクハブ３２に対する基端側の端部リンク部材３５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の位置および姿勢が決まる。ここでは、かさ歯車７６，４５を用いて基端側の端部リンク部材３５の角度を変更しているが、その他の機構（例えば、平歯車やウォーム機構）でも良い。

図１において、各姿勢制御用駆動源３１には、この姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８が設けられている。このトルク検出手段７８の検出信号は、コントローラ６内の荷重推定手段７９に送られる。荷重推定手段７９は、各トルク検出手段７８の検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する。

第４のアーム部１４には回転機構８０（以下「先端回転機構８０」と称す）が設けられ、この先端回転機構８０を介してエンドエフェクタ４を支持する。先端回転機構８０は、モータ等の回転駆動源８０ａの回転軸にエンドエフェクタ設置部材８０ｂを取り付けたものであり、このエンドエフェクタ設置部材８０ｂにエンドエフェクタ４が固定される。エンドエフェクタ４として、例えばハンド、溶接機、塗布機等が使用されるが、これらに限定されない。

この多関節ロボット１は、回転機構からなる第１の関節部２１の１自由度、回転機構からなる第２の関節部２２の１自由度、直動機構からなる第３の関節部２３の１自由度、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の２自由度、および第４のアーム部１４に設けられた先端回転機構８０の１自由度の、計６自由度の構成である。６自由度の構成であると、人間の手の動作に近い動作が可能である。

特に、複数の関節部２１〜２４のうちの１つの関節部２４にリンク作動装置を用いたことで、折れ角９０°、旋回各３６０°の作動範囲内において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、木目細かい動作を実現できる。木目細かい動作とは、例えば、文字書き動作やスナップを利かせた動き等の、特に人間の手首関節を中心に動かす動作のことであるが、これらの動作に限定されない。リンク作動装置を用いることで、回転２自由度でありながらコンパクトな関節部２４とすることができる。

また、１つの関節部２３に直動機構を用いたことで、直進方向の操作を１つの駆動源２３ａの操作で行うことができる。そのため、知識に乏しく経験が浅くても簡単に操作することができる。

各姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８と、このトルク検出手段の７８検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する荷重推定手段７９とが設けられているため、多関節ロボット１に異様な負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。このため、異様な負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。

姿勢制御用駆動源３１にトルク検出手段７８を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定することができ、多関節ロボット１のコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成であるため、先端側のリンクハブ３３に様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源３１に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。

この多関節ロボット１の多関節アーム３を人間の腕と見做した場合、手首関節に相当する第４の関節部２４を、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置で構成したため、各関節部２１〜２４の動きとエンドエフェクタ４の動きとの関係をイメージし易くなり、操作性が良い。また、リンク作動装置からなる第４の関節部２４を多関節アーム３の先端付近に配置したため、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速で木目細かい動作が可能である。さらに、ケーブルを捩れさせる可能性のある先端回転機構８０を、リンク作動装置からなる第４の関節部２４や直動機構からなる第３の関節部２３よりも先端側に配置したため、リンク作動装置や直動機構等の配線の取り回しが容易である。

直動機構からなる第３の関節部２３は、第２のアーム部１２の内部に第３のアーム部１３が収納される構成であるため、多関節ロボット１を使用しないとき、コンパクトにすることができ、保管スペースが狭くて済む。また、多関節ロボット１全体の可動範囲、特にベースユニット２とエンドエフェクタ４の間の多関節アーム３の可動範囲を最小限にできるため、占有スペースを狭くできる。

図７は他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、直動機構からなる第３の関節部２３が、図１の実施形態とは異なり、第２のアーム部１２の側面に設置されたリニアステージ２３ｂに沿って第３のアーム部１３を移動させる構成である。第３のアーム部１３の駆動は、第２のアーム部１２に設けられたリニアアクチュエータ等の駆動源２３ｃにより行う。他は、図１の多関節ロボット１と同じ構成である。

図８はさらに他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、１つのベースユニット２に多関節アーム３を２つ設置したものである。具体的には、ベースユニット２の互いに対称となる側面に、２つの多関節アーム３の各第１アーム部１１が設置されている。各多関節アーム３は、図１の多関節ロボット１の多関節アーム３と同じ構成である。

このように、多関節アーム３を２つ設けることにより、人が両手で行うような作業が可能となる。特に、２つの多関節アーム３をベースユニット２における対称となる面に配置することにより、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボット１が機能不全となった場合、多関節ロボット１を撤去した跡のスペースに人が入り代替して作業を行うことができるため、生産性を大幅に下げることを防止できる。

図９はさらに他の実施形態を示す。この多関節ロボット１は、多関節アーム３の第２の関節部２２を、図１の多関節ロボット１の回転機構に代えてリンク作動装置とした構成である。他の関節部２１，２３，２４は、図１の多関節ロボットと同じ構成である。よって、第２の関節部２２が２自由度となったことにより、多関節アーム３自体が６自由度の構成となる。第４のアーム部１４に先端回転機構（図示せず）を設けた場合、多関節ロボット１全体で７自由度の構成となる。このように、人間の肘関節に相当する第２の関節部２２を回転２自由度のリンク作動装置で構成することにより、より一層複雑な動作を行うことが可能になる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…多関節ロボット
２…ベースユニット
３…多関節アーム
４…エンドエフェクタ
５…設置面
１１…第１のアーム部
１２…第２のアーム部
１３…第３のアーム部
１４…第４のアーム部
２１…第１の関節部（回転機構）
２２…第２の関節部（回転機構）
２３…第３の関節部（直動機構）
２４…第４の関節部（リンク作動装置）
３０…パラレルリンク機構
３１…姿勢制御用駆動源
３２…基端側のリンクハブ
３３…先端側のリンクハブ
３４…リンク機構
３５…基端側の端部リンク部材
３６…先端側の端部リンク部材
３７…中央リンク部材
７８…トルク検出手段
７９…荷重推定手段

Claims (1)

1. ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
   前記複数の関節部のうちの、前記最も先端側のアーム部とこのアーム部から一つ基端側のアーム部とを連結する関節部は、両側の前記アーム部同士を互いに直交２軸周りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
   前記リンク作動装置は、両側の前記アーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設け、
   前記各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設け、
   前記最も先端側のアーム部の先端に、前記エンドエフェクタを相対回転可能に搭載する回転機構を設けたリンク作動装置を用いた多関節ロボット。

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