JP6887657B2

JP6887657B2 - 回転軸の連結構造およびこれを備えるロボットアーム

Info

Publication number: JP6887657B2
Application number: JP2016171919A
Authority: JP
Inventors: 紀代一菅木; 和雄市原
Original assignee: Prodrone Co Ltd
Current assignee: Prodrone Co Ltd
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: JP2018034286A

Description

本発明は、回転軸の連結構造およびこれを備え無人航空機への搭載に好適なロボットアームに関する。

従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が試行されている。

特開２０１２−１３９７６２号公報特開２０１４−７７４７２号公報

マルチコプターの応用範囲が拡大するにつれ、マルチコプターに行わせようとする作業の難易度も高まってきており、より複雑で精密な作業を高い品質で行うことのできる機体の登場が望まれている。このような要望に応えるべく、マルチコプターの機体構造を各作業に特化させ、その作業専用の機体を提供することが考えられるが、一つの機体で様々な作業を比較的高品質に行える方が好ましい場合もある。このような汎用的なマルチコプターを実現する手段としては、例えばマルチコプターにロボットアームを搭載し、種々の作業に応じた交換可能なエンドエフェクタを用意することが考えられる。

ロボットアームは通常、駆動源を備える複数の関節部を有している。例えばこれら駆動源の出力軸にセレーションが設けられている場合、その出力軸と、出力軸の外周面に装着された部材との相対角度を変更するときには、その部材を出力軸から一度引き抜いて装着し直す必要がある。そのため、ロボットアームの本数や関節数が増えると、これら関節部の連結角度の調節やメンテナンスが煩雑になるという問題がある。さらにこの場合、セレーションの凹凸の形成間隔を最小単位としてその部材の装着位置を調節する必要がある。また、ロボットアームの各関節部は、その関節部から先の部分の重量を支持可能な強度を備えている必要がある。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、作業性に優れた回転軸の連結構造、およびこれを備え、無人航空機に好適に用いることのできるロボットアームを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の回転軸の連結構造は、回転軸、テーパ部材、および連結部材を備え、前記テーパ部材には、その径方向中心に沿って貫通孔が形成されており、前記回転軸は前記テーパ部材の貫通孔に嵌合され、該貫通孔と前記回転軸の外周面とが周方向に互いに係合することにより、前記回転軸および前記テーパ部材は周方向に一体的に回転し、前記テーパ部材の外周面には、前記回転軸の軸線方向における基端側から先端側に向かってその外径寸法が次第に小さくされた第１テーパ部が形成されており、前記連結部材は、前記第１テーパ部の形状と相補的な形状をなす第２テーパ部を有しており、前記第１テーパ部が前記第２テーパ部に嵌合され、前記第２テーパ部が前記第１テーパ部側に押し付けられることで生じた摩擦力により、前記テーパ部材と前記連結部材とが周方向に一体的に回転することを特徴とする。

回転軸と連結部材との間にテーパ部材が介在していることにより、回転軸に対する連結部材の連結角度を調節するときに、ねじを都度取り外して回転軸から連結部材を引き抜く必要がなくなる。連結部材およびテーパ部材は、これらの第１・第２テーパ部が密着したときの摩擦力で一体的に回転しているため、ねじを少し緩めて密着状態を解除するだけで、これらの相対角度を調節することができる。また、第１・第２テーパ部はどちらも凹凸のない平坦面により構成されていることから、例えば回転軸にセレーションが設けられている場合でも、セレーションの凹凸間隔に左右されることなく、回転軸と連結部材を任意の相対角度に調節することができる。

また、上記課題を解決するため、複数の回転翼を備える無人航空機に搭載される本発明のロボットアームは、複数の関節部を有するアーム部と、前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、請求項１に記載の回転軸の連結構造と、を備え、前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を駆動させる駆動源、前記テーパ部材、および前記連結部材を有する補強関節部であり、前記駆動源は、前記複数のリンク部材のうちの一つである第１リンク部材に配置されており、前記回転軸である前記駆動源の出力軸には前記テーパ部材が装着されており、前記連結部材は、前記第１リンク部材に隣接する前記リンク部材である第２リンク部材に固定されていることを特徴とする。

アーム部の複数の関節部はそれぞれ、その関節部から先の部分の重量を支持可能する必要がある。これら関節部を補強関節部とすることにより、駆動源であるサーボモータの出力軸に加えられる応力を各部に分散して第２リンク部材を支持することができる。これにより、アーム部の自重やこれに装着されるエンドエフェクタの自重などを関節部で安定して支持することが可能となる。

また、前記補強関節部はさらに、軸受部材を有しており、前記連結部材の外周面は前記軸受部材に回転可能に支持されており、前記軸受部材は、前記第１リンク部材に固定されていることが好ましい。

連結部材が軸受部材で支持されていることにより、補強関節部をより円滑に回転・旋回させることが可能となる。

また、前記複数のリンク部材のうち少なくとも一つはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材であるＣＦＲＰプレートで構成されており、該リンク部材は、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されていることを特徴とするが好ましい。

ＣＦＲＰ製の枠体でリンク部材を構成することにより、リンク部材の強度の維持と軽量化の両立を図ることができる。これにより本発明のロボットアームを、無人航空機用にさらに好適化することができる。

また、前記リンク部材は複数の前記ＣＦＲＰプレートで構成されており、前記複数のＣＦＲＰプレートは接着剤により組み立てられていることが好ましい。

肉抜きされたＣＦＲＰプレートでリンク部材の軽量化を図る場合、リンク部材を構成する複数のＣＦＲＰプレートを組み立てるときに使われるねじの重量が無視できないことがある。また、ねじの取り付け部を設けるために、各ＣＦＲＰプレートの形状が複雑化してしまうおそれもある。複数のＣＦＲＰプレートを接着剤で組み立ててリンク部材を形成することにより、このような問題を避けることができる。

また、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、前記エンドエフェクタは、閉時において環形状を形成可能な一対の爪部を有しており、前記一対の爪部の少なくとも一方は、該爪部の基端部を中心として回動可能な可動爪であり、前記一対の爪部は、前記可動爪を回動させることによりその先端部を開閉可能であり、前記一対の爪部の各先端部は、前記一対の爪部の厚み方向における位置を違えて配置されており、閉時における前記一対の爪部の各先端部は、前記環形状の環方向において重ねられており、前記一対の爪部の各先端部には、前記環形状の内側となる部位に、該環形状の外側に向かって窪んだ凹部がそれぞれ形成されており、前記各凹部は、前記環形状の環方向における同位置に形成されていることが好ましい。

一対の爪部がその先端部の内側に凹部を有しており、これら凹部が、閉時における一対の爪部の環方向における同位置に形成されていることにより、例えばワイヤーやハンドルなどで重量物を吊支するときに、そのワイヤーやハンドルなどを凹部に掛けることで、その重量物の荷重により一対の爪部の先端部が離間不能にロックされる。これにより、重量物の運搬中に一対の爪部が意図せず開いてしまうことを防止することができる。

このように、本発明の回転軸の連結構造およびこれを備えるロボットアームによれば、関節部の連結作業やメンテナンスの作業性を高めることができ、また、無人航空機に好適に用いることができるロボットアームを提供することができる。

マルチコプターの外観を示す透過斜視図である。アーム部の構造を示す斜視図である。関節部の補強構造を示す側面視断面図である。ハンドの構造を示す側面図および正面図である。ハンドの開閉動作を示す側面図である。マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。ロボットアームの機能構成の変形例を示すブロック図である。

以下、本発明のロボットアームの実施形態について図面を用いて説明する。以下に説明する実施形態は、複数の回転翼を備える無人航空機の一種であるマルチコプターに本発明のロボットアームが搭載された例である。以下の説明における「上」、「下」とは、図１における上下方向をいい、図１の座標軸表示に示されるＺ軸方向に平行な方向をいう。また、「水平」とは、同座標軸表示に示されるＸＹ平面方向をいう。「前」および「後ろ」とは、図１における前後方向をいい、図１の座標軸表示に示されるＸ軸方向に平行な方向をいう。

（全体構成概要）
図１は、本実施形態にかかるマルチコプター１００の外観を示す透過斜視図である。マルチコプター１００は、その機体中央部１１０から水平方向に延びる６本のローター支持部１２０を有している。これらローター支持部１２０は、機体中央部１１０を中心として周方向等間隔に配置されており、機体中央部１１０から放射状に延びている。各ローター支持部１２０の先端には、回転翼であるローターＲが配置されている。マルチコプター１００のローター数は特に限定されず、その用途や、求められる飛行安定性、許容されるコスト等に応じて、ローターが２基のヘリコプターから、ローターが８基のオクタコプター、さらには８基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。

機体中央部１１０は、その下部に、種々のアタッチメントを取り付け可能なアダプタプレート１１１を備えている。アダプタプレート１１１には、本実施形態のロボットアームＲＡを構成する二本のアーム部５００が取り付けられている。二本のアーム部５００はその全体が機外に露出している。アーム部５００はいずれも同じ構造のものである。各アーム部５００の先端にはハンド６００がそれぞれ装着されている。ハンド６００は本実施形態のロボットアームＲＡのエンドエフェクタである。なお、本発明で用いられるエンドエフェクタはハンド６００には限られず、例えば、溶接装置、ねじ締め装置、穿孔装置、塗装装置、さらには撮影装置など、種々の用途に応じたエンドエフェクタが使用可能である。

アダプタプレート１１１にはさらに、マルチコプター１００の降着装置である一対のスキッド１３０が接続されている。図１のマルチコプター１００は着陸した状態にあり、これらスキッド１３０は地面に対して略垂直となるように配置されている。なお、本実施形態のスキッド１３０はリトラクタブルランディングギヤであり、マルチコプター１００の飛行時には、これらスキッド１３０は、図示しないサーボモータによりその基端部を中心として水平方向外側に向かって持ち上げられ、ローター支持部１２０と平行に支持される。そして、マルチコプター１００の着陸時には、スキッド１３０は同サーボモータにより図１の配置に戻される。これにより、マルチコプター１００の飛行中にスキッド１３０が各アーム部５００の動作範囲を制限することが防止されている。なお、スキッド１３０は必須の構成ではなく、省略してもよい。

（アーム部の構造）
図２はアーム部５００の構造を示す斜視図である。本実施形態のアーム部５００およびハンド６００は、垂直多関節型マニピュレータを構成している。なお、本発明でいう「アーム部」には、ハンド６００などのエンドエフェクタは含まれていない。アーム部５００は、アーム部５００の基端側から先端側に向かって、ベース部５１０、肩部５２０、上腕部５３０、および下腕部５４０の４つのリンク部材により構成されている（以下、これらを総称して「リンク部材５１０〜５４０」という。）。そして、これらリンク部材５１０〜５４０は、肩回転軸Ｊ_１、上腕旋回軸Ｊ_２、下腕旋回軸Ｊ_３、および手首回転軸Ｊ_４の４つの関節部を介して連結されている（以下、これら関節部を総称して「関節部Ｊ_１〜Ｊ_４」という。）。各関節部Ｊ_１〜Ｊ_４にはそれぞれサーボモータ５５１〜５５４が配置されており、これらサーボモータ５５１〜５５４が駆動されることにより各関節部Ｊ_１〜Ｊ_４の回転角度および旋回角度が調節される。なお、本発明の関節部の駆動源はサーボモータには限られず、回転軸によりこれら関節部を任意の回転角度・旋回角度に調節可能であることを条件として、他の駆動手段を用いることもできる。

リンク部材５１０〜５４０のうち、アーム部５００の基端部であるベース部５１０は、アダプタプレート１１１に取り付けられており（図１参照）、ベース部５１０の位置はアダプタプレート１１１に対して固定されている。ベース部５１０には肩部５２０が連結されており、肩部５２０は肩回転軸Ｊ_１を中心として周方向に回転することができる。肩部５２０には上腕部５３０が連結されており、上腕部５３０は上腕旋回軸Ｊ_２を中心として上下方向に旋回することができる。上腕部５３０には下腕部５４０が連結されており、下腕部５４０は下腕旋回軸Ｊ_３を中心として上下方向に旋回することができる。そして、下腕部５４０にはハンド６００が連結されており、ハンド６００は手首回転軸Ｊ_４を中心として周方向に回転することができる。

本実施形態のリンク部材５１０〜５４０はＣＦＲＰ製の板材（以下、「ＣＦＲＰプレート」という。）により構成されている。図２に示されるように、各リンク部材５１０〜５４０はそれぞれ、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されている。これにより本実施形態のアーム部５００は、軽量化と強度との両立が図られており、マルチコプター１００への搭載に好適な構成とされている。

ベース部５１０は略箱形に形成されたリンク部材である。ベース部５１０の内部には肩回転軸Ｊ_１を構成するサーボモータ５５１が配置されている。サーボモータ５５１の図示しない軸体は、ベース部５１０の底板５１１を下方に貫通している。

肩部５２０は、コの字型のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５２１，５２２と、これら側板５２１，５２２の板面に対して垂直に配置された天板５２３とにより構成されている。側板５２１，５２２はその板面を水平方向に向けて配置されており、天板５２３はこれら側板５２１，５２２の上端部を支持している。天板５２３には、サーボモータ５５１の図示しない軸体が結合されている。これにより肩部５２０は、肩回転軸Ｊ_１を中心として周方向に回転することが可能とされている。

上腕部５３０は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５３１，５３２と、これら側板５３１，５３２の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板５３３，５３４とにより構成されている。上腕部５３０の側板５３１，５３２は、これらの基端部近傍の各外面が、肩部５２０の側板５２１，５２２の各内面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部５３０の基端部には、その内側に、上腕旋回軸Ｊ_２を構成するサーボモータ５５２が配置されている。サーボモータ５５２の図示しない軸体は、上腕部５３０の側板５３１，５３２を厚み方向に貫通し、肩部５２０の側板５２１，５２２に結合されている。これにより上腕部５３０は、上腕旋回軸Ｊ_２を中心として上下方向に旋回することが可能とされている。

下腕部５４０は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５４１，５４２と、これら側板５４１，５４２の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板５４３，５４４とにより構成されている。下腕部５４０の側板５３１，５３２は、これらの基端部近傍の各内面が、上腕部５３０を構成する側板５３１，５３２の先端部近傍の各外面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部５３０の先端部には、その内側に、下腕旋回軸Ｊ_３を構成するサーボモータ５５３が配置されている。サーボモータ５５３の図示しない軸体は、上腕部５３０の側板５３１，５３２を厚み方向に貫通し、下腕部５４０の側板５４１，５４２に結合されている。これにより下腕部５４０は、下腕旋回軸Ｊ_３を中心として上下方向に旋回することが可能とされている。

本実施形態の下腕部５４０の先端およびその近傍部は、下腕部５４０と一体に形成された手首部５４０ａを構成している。手首部５４０ａはアーム部５００の先端部である。手首部５４０ａの先端には、側板５４１，５４２の板面に対して垂直に配置された前板５４５が設けられている。前板５４５には手首回転軸Ｊ_４を構成するサーボモータ５５４が配置されている。サーボモータ５５４の軸体５５４ａは、前板５４５を貫通して前方に延びている。軸体５５４ａにはハンド６００が取り付けられており、これによりハンド６００は、手首回転軸Ｊ_４を中心として周方向に回転することが可能とされている。

また、本実施形態のリンク部材５１０〜５４０を構成する各ＣＦＲＰプレートは接着剤で結合されている。肉抜きされたＣＦＲＰプレートでリンク部材の軽量化を図る場合、リンク部材を構成する複数のＣＦＲＰプレートを組み立てるときに使われるねじの重量が無視できないことがある。また、ねじの取り付け部を設けるために、各ＣＦＲＰプレートの形状が複雑化してしまうおそれもある。本実施形態では、複数のＣＦＲＰプレートを接着剤で組み立ててこれらリンク部材を形成していることにより、このような問題が回避されている。

（関節部の補強構造）
アーム部５００の関節部Ｊ_１〜Ｊ_４はそれぞれ、その関節部Ｊ_１〜Ｊ_４から先の部分の重量を支持する必要がある。より具体的には、関節部Ｊ_１〜Ｊ_４を構成するサーボモータ５５１〜５５４の出力軸は、それぞれ、そのサーボモータ５５１〜５５４からハンド６００に至るまでの、各リンク部材５２０〜５４０の自重、サーボモータ５５２〜５５４の自重、およびハンド６００の自重、さらにはハンド６００で持ち上げた物体の荷重を支持可能な強度を備えている必要がある。

図３は関節部Ｊ_１の補強構造を示す側面視断面図である。本実施形態の関節部Ｊ_１〜Ｊ_４はいずれも図３に示す補強構造を備えた補強関節部である。以下、関節部Ｊ_１を例として、関節部Ｊ_１〜Ｊ_４の補強構造について説明する。

関節部Ｊ_１を構成するサーボモータ５５１の出力軸５６１（回転軸）には、その外周面にセレーション５６１ａが設けられており、また、出力軸５６１先端面には、その中央に、雌ねじが切られたねじ穴５６１ｂが開口している。出力軸５６１は、テーパ部材であるテーパブロック５６２、連結部材５６３、および軸受部材５６４により補強されて肩部５２０の天板５２３を支持している。

テーパブロック５６２は、その径方向中心に沿って貫通孔が形成された略円錐台形状の部材である。テーパブロック５６２の貫通孔は、出力軸５６１の外形寸法に対応する穴径を有するセレーション部５６２ｂと、ねじ５６５の軸部の外形寸法に対応する穴径を有するねじ穴部５６２ｃとにより構成されている。セレーション部５６２ｂの内周面には、出力軸５６１のセレーション５６１ａに噛み合うセレーションが設けられている。セレーション部５６２ｂが出力軸５６１のセレーション５６１ａに噛合することにより、出力軸５６１およびテーパブロック５６２は周方向に一体的に回動する。なお、ねじ穴部５６２ｃの内周面には雌ねじは切られていない。

また、テーパブロック５６２の外周面は、出力軸５６１の軸線方向（肩回転軸Ｊ_１と同方向）における基端側から先端側に向かってその外径寸法が次第に小さくなるテーパ面５６２ａ（第１テーパ部）とされている。

連結部材５６３は、サーボモータ５５１の駆動対象（図３の例では肩部５２０の天板５２３）を出力軸５６１に連結する部材である。連結部材５６３は、略円筒形状の本体部５６３ａ、および、本体部５６３ａから径方向外側に向かって円環形状に延出した平板部であるフランジ部５６３ｂにより構成されている。フランジ部５６３ｂはねじ５６３ｓで肩部５２０の天板５２３に結合されている。本体部５６３ａの筒内には、テーパブロック５６２の上面と、ねじ５６５の頭部との間に挟まれる平板部である被挟持部５６３ｄが設けられている。被挟持部５６３ｄの中央には、ねじ５６５の軸部が挿通されるねじ穴が設けられている。なお、被挟持部５６３ｄのねじ穴には雌ねじは切られていない。連結部材５６３は、ねじ５６５が、被挟持部５６３ｄのねじ穴と、テーパブロック５６２のねじ穴部５６２ｃとに挿通され、出力軸５６１のねじ穴５６１ｂに螺合されることにより、テーパブロック５６２を間に介在させて出力軸５６１に固定される。

本体部５６３ａの筒内のうち、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａに対応する部分の内周面には、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａの形状と相補的な形状をなすテーパ面５６３ｃ（第２テーパ部）が設けられている。なお、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａ、および連結部材５６３のテーパ面５６３ｃは、どちらも凹凸のない平坦面で構成されている。

テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａに連結部材５６３のテーパ面５６３ｃが嵌合され、連結部材５６３がねじ５６５でテーパブロック５６２側に締め付けられると、これらテーパ面５６２ａ，５６３ｃが互いに押し付けられ、密着する。テーパ面５６２ａ，５６３ｃが密着すると、これらテーパ面５６２ａ，５６３ｃの間には、互いを周方向へ連れ回すように作用する摩擦力が生じる。この摩擦力によりテーパブロック５６２および連結部材５６３は周方向に一体的に回動する。

出力軸５６１と連結部材５６３との間にテーパブロック５６２が介在していることにより、ベース部５１０（第１リンク部材）に対する肩部５２０（第２リンク部材）の連結角度を調節するときに、ねじ５６５を都度取り外して出力軸５６１から連結部材５６３を引き抜く必要がなくなる。上で述べたように、出力軸５６１の外周面にはセレーション５６１ａが設けられている。そのため、出力軸５６１と、出力軸５６１の外周面に装着された部材との相対角度を変更するときには、その部材を出力軸５６１から一度引き抜いて装着し直す必要がある。また、この場合、セレーション５６１ａの凹凸の形成間隔を最小単位として装着位置を調節しなければならない。本実施形態の関節部の補強構造では、出力軸５６１の外周面にはテーパブロック５６２が装着されており、また、連結部材５６３とテーパブロック５６２は、これらのテーパ面５６２ａ，５６３ｃが密着したときの摩擦力で一体的に回動する。そのため、ねじ５６５を少し緩め、これらの密着状態を解除するだけで、ベース部５１０と肩部５２０とがねじ５６５で繋がった状態を維持したまま、これらの相対角度を調節することができる。また、テーパ面５６２ａ，５６３ｃはどちらも凹凸のない平坦面により構成されていることから、セレーション５６１ａの凹凸の形成間隔に影響されることなく、これらを任意の相対角度に設定することができる。

連結部材５６３は、サーボモータ５５１側の外周面が軸受部材５６４に支持されている。軸受部材５６４は、連結部材５６３を回転可能に支持するリング状のベアリング部５６４ａと、ベアリング部５６４ａから径方向外側に向かって円環形状に延出した平板部であるフランジ部５６４ｂと、により構成されている。フランジ部５６４ｂはねじ５６４ｓによりベース部５１０の底板５１１に固定されている。

関節部Ｊ_１〜Ｊ_４が図３に示す補強構造を有していることにより、サーボモータ５５１〜５５４の出力軸に対してラジアル方向に加えられた応力は各部に分散される。これにより、アーム部５００やハンド６００の自重、さらにはハンド６００で持ち上げた物体の荷重を関節部Ｊ_１〜Ｊ_４で安定して支持することが可能とされている。なお、本実施形態では関節部Ｊ_１〜Ｊ_４の全てが図３の補強構造を有する補強関節部とされているが、想定される荷重に応じて、関節部Ｊ_１〜Ｊ_４の一部のみを補強関節部としてもよい。

（ハンドの構造）
図４は、ハンド６００の構造を示す側面図および正面図である。図４（ａ）はハンド６００が環形状に閉じた状態を示す側面図であり、図４（ｂ）のハンド６００を矢示Ｂ方向に見た図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のハンド６００を矢示Ａ方向に見たハンド６００の正面図である。図４に示されるように、本実施形態のハンド６００はフォーククロー形状のグリッパ機構であり、その用途は特に限定されない。なお、本実施形態のハンド６００は、リンク部材５１０〜５４０と同様に、ＣＦＲＰプレートにより構成されている。

ハンド６００は一対の爪部である略円弧形状の固定爪６１０および可動爪６２０を有している。固定爪６１０は平行に配置された二枚の側板６１１，６１２により構成されている。側板６１１および側板６１２の間には、これら側板６１１，６１２の板面に対して垂直に配置された三本のパイプ材６１５が配置されており、これらパイプ材６１５により側板６１１と側板６１２とが結合されている。同様に、可動爪６２０も平行に配置された二枚の側板６２１，６２２により構成されている。側板６２１および側板６２２の間には、これら側板６２１，６２２の板面に対して垂直に配置された三本のパイプ材６２５が配置されており、これらパイプ材６２５により側板６２１と側板６２２とが結合されている。側板６１１，６１２および側板６２１，６２２が中空のパイプ材６１５，６２５で結合されていることにより、ハンド６００の肉抜きによる軽量化と強度の維持との両立が図られている。

また、固定爪６１０の基端部６１０ｂには、手首回転軸Ｊ_４を介して手首部５４０ａに連結される底板６１３が取り付けられている。固定爪６１０の基端部６１０ｂにはさらに、可動爪６２０の駆動源であるサーボモータ６４０が配置されている。サーボモータ６４０の軸体６４１は、固定爪６１０の側板６１１，６１２を貫通して可動爪６２０に結合されている。本実施形態の固定爪６１０は基本的に固定された状態にあり、可動爪６２０がサーボモータ６４０の軸体６４１を中心として回動することによりハンド６００の先端部６１０ａ，６２０ａが開閉される。

図５は、ハンド６００の開閉動作を示す側面図である。図５（ａ）は可動爪６２０が開方向Ｏに向かって回動した状態を示す図である、図５（ｂ）は可動爪６２０が閉方向Ｃに向かって最も深く回動した状態を示す図である。上でも述べたように、ハンド６００の開閉動作は、可動爪６２０がサーボモータ６４０の軸体６４１を中心として回動することにより行われる。図４（ｂ）に示されるように、固定爪６１０の側板６１１，６１２と可動爪６２０の側板６２１，６２２とは、その厚み方向における位置を違えて配置されている。具体的には、可動爪６２０の側板６２１，６２２は、その内側の板面が、固定爪６１０の側板６１１，６１２の外側の板面に接する位置に配置されている。つまり、可動爪６２０および固定爪６１０の先端部６１０ａ，６２０ａは、可動爪６２０の回動時に互いに衝突しない位置に配置されている。これにより、可動爪６２０は、可動爪６２０のパイプ材６２５が固定爪６１０に接触する位置（図５（ｂ））まで深く閉じることができる。

（ハンドのロック構造）
図４（ａ）に示されるように、本実施形態の固定爪６１０および可動爪６２０の先端部６１０ａ，６２０ａには、それぞれ凹部６１９，６２９が形成されている。凹部６１９，６２９は、ハンド６００が環形状に閉じられたときに、先端部６１０ａ，６２０ａの内側の一部が外側に向かって窪んだ形状とされている。これら凹部６１９，６２９は、環形状に閉じられたハンド６００のその環方向における同位置に形成されている。

例えばワイヤーやハンドルなどで重量物を吊支するときに、凹部６１９，６２９に対して図４（ａ）に示される矢示Ｌ方向の荷重をかけることにより、固定爪６１０および可動爪６２０の先端部６１０ａ，６２０ａを離間不能にロックすることができる。これにより、重量物の運搬中にハンド６００が意図せず開いてしまうことを防止することが可能とされている。

（マルチコプターの飛行機能）
図６はマルチコプター１００の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１００の機能は、主に、フライトコントローラＦＣ、複数のローターＲ、ローターＲごとに備えられたＥＳＣ２４１（Electric Speed Controller）、本実施形態のロボットアームＲＡ、およびこれらに電力を供給するバッテリー９００により構成されている。以下、マルチコプター１００の基本的な飛行機能について説明する。

各ローターＲは、モータ２４２と、その出力軸に連結されたブレード２４３とにより構成されている。ＥＳＣ２４１は、ローターＲのモータ２４２に接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ２４２を回転させる。

フライトコントローラＦＣは、オペレータ（送信器２１０）からの操縦信号を受信する受信器２３１と、受信器２３１が接続されたマイクロコントローラである制御装置２２０を備えている。制御装置２２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ２２２、および、ＥＳＣ２４１を介して各モータ２４２の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ２２３を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群２３２およびＧＰＳ受信器２３３（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置２２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１００の飛行制御センサ群２３２には、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）などが含まれている。制御装置２２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。

制御装置２２０のメモリ２２２には、マルチコプター１００の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するアルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、オペレータからの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローターＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１００を飛行させる。

マルチコプター１００の操縦は、オペレータが送信器２１０を用いて手動で行うほか、マルチコプター１００の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰＰに予め登録しておき、マルチコプター１００を目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。

このように、本実施形態におけるマルチコプター１００は高度な飛行制御機能を備えている。ただし、本発明における無人航空機はマルチコプター１００の形態には限定されず、ロボットアームＲＡを備えていることを条件として、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。

（ロボットアームの機能構成）
図６に示されるように、本実施形態のロボットアームＲＡは、主に、オペレータ（送信器２１０）からの操縦信号を受信する受信器７３１と、受信器７３１が接続されたマイクロコントローラである制御装置７２０、アーム部５００の各関節部Ｊ_１〜Ｊ_４を駆動するサーボモータ５５１〜５５４、サーボモータ５５１〜５５４ごとに備えられたサーボアンプ７４１、および、アーム部５００の位置の変化および傾きを検知する変位検知部であるＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）７３２を備えている。サーボアンプ７４１は、サーボモータ５５１〜５５４からのフィードバックをうけながらサーボモータ５５１〜５５４の出力軸を指示された角度位置に調節する。ＩＭＵ７３２は一般的な慣性計測装置であり、主に加速度センサおよび角速度センサにより構成されている。

制御装置７２０は、中央処理装置であるＣＰＵ７２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ７２２、および、サーボアンプ７４１に対してサーボモータ５５１〜５５４の回転角度を指示するサーボコントローラ７２３を有している。メモリ７２２には、各サーボモータ５５１〜５５４の駆動を制御するアーム制御手段であるアーム制御プログラムＡＣＰが登録されている。アーム制御プログラムＡＣＰは、オペレータの指示に従って、アーム部５００の姿勢を変化させ、また、ハンド６００を開閉させる。

アーム制御プログラムＡＣＰはさらに、アーム部５００の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれをＩＭＵ７３１が検知したときに、その位置ずれを関節部Ｊ_１〜Ｊ_４で自動的に吸収し、位置ずれが手首部５４０ａに伝達されることを可能な限り抑制する。なお、アーム制御プログラムＡＣＰが対処する位置ずれは、アーム部５００の「意図しない」位置の変化や傾きであるため、例えばオペレータの操作によるアーム部５００の姿勢変化や機体の移動は無視することができる。

なお、本実施形態のＩＭＵ７３２は機体中央部１１０の中に収容されている。これにより、マルチコプター１００の機体位置の変化や傾きを正確に検知することができる。本実施形態のアーム制御プログラムＡＣＰは、かかる機体の変位量からアーム部５００の位置ずれを間接的に算出する。その他、例えば手首部５４０ａにＩＭＵ７３２を配置することにより、手首部５４０ａやハンド６００の状態を直接的に把握することが可能となり、ハンド６００の空間中の位置や姿勢をより高い精度で安定させることもできる。

（ロボットアーム機能の変形例）
図７はロボットアームＲＡの機能構成の変形例を示すブロック図である。本実施形態のロボットアームＲＡは、独自の受信器７３１およびＩＭＵ７３２を備えているが、これらに代えて、フライトコントローラＦＣの受信器２３１や、飛行制御センサ群２３２の３軸加速度センサ、３軸角速度センサをロボットアームＲＡ用に併用することも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、ロボットアームＲＡを構成するアーム部５００やアーム部５００´の本数は二本には限定されず、一本でもよく、三本以上としてもよい。なお、本発明の回転軸の連結構造はロボットアームの関節部のみならず、回転軸を用いるあらゆる駆動構造に利用可能である。

１００マルチコプター（無人回転翼機）
ＦＣフライトコントローラ
２３２飛行制御センサ群
Ｒローター（回転翼）
ＲＡロボットアーム
５００アーム部
５１０〜５４０リンク部材
５１０ベース部（第１リンク部材）
５２０肩部（第２リンク部材）
５３０上腕部
５４０下腕部
５４０ａ手首部
５５１〜５５４サーボモータ（駆動源）
Ｊ_１〜Ｊ_４関節部
５６１出力軸
５６２テーパブロック（テーパ部材）
５６２ａテーパ面（第１テーパ部）
５６３連結部材
５６３ｃテーパ面（第２テーパ部）
５６４軸受部材
５６５ねじ
６００ハンド（エンドエフェクタ）
６１０固定爪
６１０ａ先端部
６１９凹部
６２０可動爪
６２０ａ先端部
６２９凹部
７２０制御装置
７３２ＩＭＵ
ＡＣＰアーム制御プログラム（アーム制御手段）
７２３サーボコントローラ
７４１サーボアンプ

Claims

回転軸、テーパ部材、および連結部材を備える回転軸の連結構造であって、
前記テーパ部材には、その径方向中心に沿って貫通孔が形成されており、
前記回転軸は前記テーパ部材の貫通孔に嵌合され、該貫通孔と前記回転軸の外周面とが周方向に互いに係合することにより、前記回転軸および前記テーパ部材は周方向に一体的に回転し、
前記テーパ部材の外周面には、前記回転軸の軸線方向における基端側から先端側に向かってその外径寸法が次第に小さくされた第１テーパ部が形成されており、
前記回転軸はモータの出力軸であり、
前記テーパ部材の前記貫通孔は、前記回転軸が嵌合される部分と、前記回転軸の先端の直径よりも小さな穴径の部分と、を有し、
前記連結部材は、前記第１テーパ部の形状と相補的な形状をなす第２テーパ部を有しており、
前記第１テーパ部が前記第２テーパ部に嵌合され、前記第２テーパ部が前記第１テーパ部側に押し付けられることで生じた摩擦力により、前記テーパ部材と前記連結部材とが周方向に一体的に回転することを特徴とする回転軸の連結構造。
複数の回転翼を備える無人航空機に搭載されるロボットアームであって、
複数の関節部を有するアーム部と、
前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、
回転軸の所定の連結構造と、を備え、
前記回転軸の所定の連結構造とは、
回転軸、テーパ部材、および連結部材を用いた構造であって、
前記テーパ部材には、その径方向中心に沿って貫通孔が形成されており、
前記回転軸は前記テーパ部材の貫通孔に嵌合され、該貫通孔と前記回転軸の外周面とが周方向に互いに係合することにより、前記回転軸および前記テーパ部材は周方向に一体的に回転し、
前記テーパ部材の外周面には、前記回転軸の軸線方向における基端側から先端側に向かってその外径寸法が次第に小さくされた第１テーパ部が形成されており、
前記連結部材は、前記第１テーパ部の形状と相補的な形状をなす第２テーパ部を有しており、
前記第１テーパ部が前記第２テーパ部に嵌合され、前記第２テーパ部が前記第１テーパ部側に押し付けられることで生じた摩擦力により、前記テーパ部材と前記連結部材とが周方向に一体的に回転する構造であり、
前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、
前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を駆動させる駆動源、前記テーパ部材、および前記連結部材を有する補強関節部であり、
前記駆動源は、前記複数のリンク部材のうちの一つである第１リンク部材に配置されており、
前記回転軸である前記駆動源の出力軸には前記テーパ部材が装着されており、
前記連結部材は、前記第１リンク部材に隣接する前記リンク部材である第２リンク部材に固定されていることを特徴とするロボットアーム。
前記補強関節部はさらに、軸受部材を有しており、
前記連結部材の外周面は前記軸受部材に回転可能に支持されており、
前記軸受部材は、前記第１リンク部材に固定されていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
前記複数のリンク部材のうち少なくとも一つはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材であるＣＦＲＰプレートで構成されており、該リンク部材は、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
前記リンク部材は複数の前記ＣＦＲＰプレートで構成されており、
前記複数のＣＦＲＰプレートは接着剤により組み立てられていることを特徴とする請求項４に記載のロボットアーム。
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、
前記エンドエフェクタは、閉時において環形状を形成可能な一対の爪部を有しており、
前記一対の爪部の少なくとも一方は、該爪部の基端部を中心として回動可能な可動爪であり、
前記一対の爪部は、前記可動爪を回動させることによりその先端部を開閉可能であり、
前記一対の爪部の各先端部は、前記一対の爪部の厚み方向における位置を違えて配置されており、
閉時における前記一対の爪部の各先端部は、前記環形状の環方向において重ねられており、
前記一対の爪部の各先端部には、前記環形状の内側となる部位に、該環形状の外側に向かって窪んだ凹部がそれぞれ形成されており、
前記各凹部は、前記環形状の環方向における同位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。