JP7273970B2 - ロボットシステム及びその駆動システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、天井又は他の高い平面から吊り下げられるロボット装置のための駆動システムに関する。かかるロボットシステムは、特に、ホームオートメーション又は医療並びに産業上の運用に適している。

先行技術
工場自動化において用いられる大多数のオーバーヘッドロボットは固定位置に配置され、操作又は処理される物体はそれらの近くの位置に移動される。これは工場内では容認できるが、同じロボットによって広い生活作業空間内部のどこでもサービスが要求される可能性のある生活環境においては適切ではない。

より多くの家庭環境に適した吊り下げ式自動化システムは、２０１７年１２月１４日付のMillerによる米国特許第２０１７３５５０７７（Ａ１）号に説明されている。Millerは、レールによってガイドウェイ平面内でｘ及びｙ方向の両方にキャリッジ（Millerではガントリとして説明されている）の移動を可能にする平面ガイドウェイのための支持構造体を有するシステムを教示している。キャリッジはロボットアームを支持することができる。キャリッジは、レールから電力を取り出す電気モータを装備している。Millerは、特に、ガイドウェイの上方に位置するストレージモジュール内の物体を移動させることに関係している。Millerの第２の実施形態において、ｘ及びｙガイドウェイはレールによって提供される。しかし、キャリッジが方向を変える場合、それを持ち上げなければならず、これは結果として不安定な動きを生じ、コンピュータ制御下で正確な動きを実行するために必要とされるマニピュレータを支持するためにこのシステムを用いることを困難にしている。

別のオーバーヘッドガイドトラックシステムが、２０１６年２月２５日付の国際公開第２０１６／０２９２０５号（BEC COMPANIES）に説明されている。これは、交差するようにｘ－ｙ方式で組み立てられるＩ形鋼に沿って移動するキャリッジを用いている。台座が交差部に設けられて、キャリッジが開放型間隙を通過することを可能にしている。BEC COMPANIESはまた、他の追跡された先行技術の広範な調査も含んでいる。

患者の移動のためのトラック付きキャリッジの使用が、２０１０年３月８日付のカナダ特許第２６３９０６１号（Shiraz）に説明されている。

技術的課題
特定の技術的課題は、従って、吊り下げ式マニピュレータの正確なコンピュータ制御を可能にするよう、キャリッジの滑らかで正確に予測可能な動きを提供することである。

別の技術的課題は、キャリッジを駆動する電気モータに動力を供給するための機構の安全性及び信頼性である。

必要とされる用途に応じて、ロボットアーム、ケーブル駆動ロボット、及びパラレルロボットを含む多種多様なロボット装置を支持することができるキャリッジを提供することも望ましい。かかる装置は、大きさ、重量、及び負荷容量が様々であってもよい。

加えて、大多数の先行技術のシステムは、どの時点においても単一のロボット装置の制御に関係しており、それらの適用範囲を制限している。

本発明の解決方法
発明は、添付の特許請求の範囲において定義されている。

本発明のシステムは、キャリッジが水平面内を移動する際にピッチング又はローリングすることなくキャリッジの円滑な移動を容易にするよう構成される。

本発明のキャリッジの利点は、複数のコンピュータ制御キャリッジを同じガイドウェイ平面上で用いて、別々のロボット装置を支持するか、又は共に動作して大きなロボット装置を支持するかのどちらか一方を行うことができる点である。これにより、単一のキャリッジサイズを有するシステムが、１杯の茶を輸送することから患者ウィンチを操作することまでの多様な機能を実現することが可能になる。

図面の説明
発明を良好に理解することができるように、その実施形態を、例示のみとして、以下の添付図面を参照してここで説明する。

支持構造体及びガイドウェイの配置の分解斜視図を示す。 部品がどのように組み立てられてガイドウェイを形成するかを示す、図１の詳細の分解図である。 ガイドウェイトラックを画成するために用いられる個々のペグの上方からの斜視図である。 支持構造体の一部として用いられる電気天井タイルの下面に対して分解した関係で示すガイドウェイトラックを画成するために用いられる個々のペグの下方からの斜視図である。 キャリッジの上方からの斜視図である。 支持構造体及び電気システムの一部として用いられる電気天井タイルを示す上方からの平面図である。 ガイドウェイトラックの２つのペグ間に支持されるキャリッジの側面図である。 複数（４つ）のキャリッジによって担持される接続プレート上に支持される、より大きなロボット装置を示す斜視図である。

実施形態の説明
駆動システムは、キャリッジ１０又はキャリッジの接続されたアレイ若しくは列が、リビングルーム又は倉庫等の作業空間の上方に取り付けられる水平フレームを組み込んでいる支持構造体から吊り下げられることを可能にするよう設計されている。キャリッジはコンピュータ制御され、トラックの直交アレイに沿ってフレームの平面内のＸ又はＹ方向に移動することができる。キャリッジは、ロボットアーム、パラレルロボット、又はケーブル駆動ロボット等の種々のマニピュレータを吊り下げて支持することができ、これらは当該技術において公知であり、これ以上詳細には説明しない。これらのマニピュレータは、大部分の空間に障害物がない状態で、フレームの下の作業空間においてコンピュータ制御の下で様々なタスクを実行することを可能にしている。図８は、この駆動システムが完全なロボットシステムを提供するためにロボット装置９２と共に用いられ得る方法を示している。

ロボット駆動システムは、水平フレーム内に画成される天井面４を支持する支持構造体２と、天井面４に平行で且つその下方のガイドウェイ平面６とを備えている。天井面は、正方形タイル８のアレイから構成されている。タイル８は、システム内で用いられるキャリッジ１０のための電気接続を提供する。ペグ１４のアレイはフレームによって支持される。これらのペグは協働して、ガイドウェイ平面６のＸ及びＹ方向におけるトラック２２、２４を画成するガイドウェイ２０を画成する。キャリッジ１０は、電気モータ及び他の制御機器を収容するための直方体ハウジング２６を有する。直方体ハウジングは、図７に最良に示すように、ガイドウェイ平面６と天井面４との間に支持されている。ハウジング２６は、他のロボット装置をキャリッジ１０に接続することを可能にするガイドウェイ平面の下に矩形スプロケット３０及び接続プレート３２を担持するネック部２８を有している。接続プレート３２は、全てが同期して共に移動して重い装置のための支持を提供するキャリッジのアレイに対して、共通であることができる－図８を参照されたい。スプロケットは、突出するＶ字形のプロフィルを有する。

キャリッジ１０は、ペグ１４の設計によって形成されるトラック上を滑らかに移動するようコンピュータ制御することができる。これは、ペグとキャリッジとを共に大きさを決め、ペグ間を横断する際のキャリッジのローリング及びピッチングを防止するために、キャリッジの重心が常にペグフランジ上にあるか又は２つの接触するペグフランジ間にあるようにキャリッジ重量配分を設計することによって達成される。動きの安定性は、２つのペグフランジ間の開放空間に対するキャリッジ本体及びペグフランジの大きさの比を制約することによってもたらされる。キャリッジ本体側部寸法を２つのペグフランジ間の距離の２倍より大きくすることにより、安定した構成が得られる。

キャリッジは、ロボットアーム、パラレルロボット、又はケーブル駆動ロボット等の他のロボット装置を支持する。

駆動システムの構成部品を、ここで個別に、より詳細に説明する。

支持構造体
支持構造体２を、図１及び２に最良に示す。天井面４は、この実施例において、Ｉ形断面鋼同士を共に溶接して構成される矩形骨組フレーム４０によって画成され、四隅を支柱４２によって支持されている。構造が広い面積をカバーする場合、フレームの側面に沿った追加の支柱が必要とされる可能性があることは、正しく認識されるであろう。平行なＩ形鋼リブ４４は、骨組フレームを一方の側から他方の側へ横断する。これらのリブは、Ｘ又はＹ方向のどちらか一方にあってもよい。骨組フレーム４０は、適切な状況において、建物の天井に組み込むことができる。しかし、支柱４２上に支持される構造体は、予想される荷重を支持するよう構造体を正しく設計することを可能にし、システムを既存の建物内で用いることを可能にする。

天井面４は、更に、タイル８のアレイによって画成される。各タイルは正方形又は長方形であり、隣接するリブ４４同士の間に支持されるよう大きさが決められている。タイル８の下側駆動面４６（図４を参照されたい）は、電源の正極及び負極接点に交互に接続される対角接点プレート４８、５０を有している。これらのプレート４８、５０は、天井面の下面全体が交互の電気接触面によって覆われるように、隣接するタイルの対応するプレートと協働する。各キャリッジ１０は、各角部において接触ブラシ５４を装備している。対角接点プレートの間隔及びブラシの間隔は、バンパーカーと類似する方法でキャリッジのための電力を取り出すために、任意の１つのキャリッジのブラシが常に反対極のプレートに当接するようになっている。電流はキャリッジ内の整流回路を通して供給され、これにより、キャリッジがどこにあるかに関係なく一定のＤＣ電気供給を可能にしている。

各タイル８は、中央開口部６０を有していてもよく、それによって、ペグ１４にボルト留めすることができる。タイルは、ペグによって支持される。タイルがペグを中心として位置決めすることができるように、中央開口部６０から隣接する縁部までタイルにスロットを形成することができる。タイルはまた、４つのタイルが各ペグに接続されるように、角部において切り欠きを有するように配置することもできる。この構成において、矩形タイルは各角部にペグを有している。タイルによって作成される天井面は、移動するキャリッジによって課せられる力に抵抗するのに十分な剛性を有していなければならず、ペグ又は支持フレームからタイルを支持する種々の設計の可能性が可能であることは正しく認識されるであろう。

ペグ及びガイドウェイ
ガイドウェイ平面６は天井面４の下方に間隔を置いて配置されている。ガイドウェイ２０は、Ｘ及びＹ方向に直交するトラック２２及び２４からなる。ガイドウェイはペグ１４によって画成されている。それぞれ個々のペグはフレームによって支持される。

図３及び４に示すように、各ペグ１４は、キャリッジネック部２８の通過を可能にするために、上のタイルの寸法よりも僅かに小さい寸法にされた一対の矩形フランジ６６、６８によってガイドウェイ平面のレベルにおいて囲まれる、中空の中央ステム６４を有している。フランジの間で、ステムは、図に示すように、キャリッジ１０のスプロケット３０の形状と相互作用するか又は嵌合してキャリッジ１０のための位置合わせ及び案内を提供する凹んだＶ字形プロフィルを有する、円形スプール７０（図７を参照されたい）を画成するよう成形される。プロフィルは、結合することなく均一な誘導を可能にするよう、所定の公差と一致する。

スプロケット及びスプールの嵌合面は、適切な案内を維持するよう互いに相互作用する限り、様々なプロフィルを有してもよいことは正しく認識されるであろう。

ペグは、組み立てを容易にするよう幾つかの分離可能な部品で形成されていてもよい。

上側フランジ６６の上面７２は、ボールベアリング８０が設けられたキャリッジのハウジングのベース部のための座面を提供する。下側フランジ６８の下面は、ペグの重量を低減するよう、図４に示すようにパターン化することができる。下面は、下の作業空間から見えるように装飾されてもよい。下側フランジ６８の上面は、スプロケット３０の下面のための座面を提供する。

ペグの頂部は、図６に示すように、天井タイル８の上面に載置される矩形フランジプレート６２において終端している。ボルト６３は、フランジプレートの各角部を貫通して、支持される天井タイルを介してペグをＩ形鋼に接続する。ペグ１４は、図に示すように、それぞれがタイルの中心を通過するように位置決めされてもよく、又は代替として、各ペグが４つの天井タイルに接続され、そこで出会うように配置されてもよい。種々の構造装置を用いて、電気的接触を提供する天井面から、必要なアレイにおいてペグが垂れ下がることを保証することができることは、正しく認識されるであろう。

キャリッジ
キャリッジの全体構造を、図５に最良に示す。

キャリッジ１０のハウジング２６は、システムのための全ての駆動ギヤ、モータ、及び制御機器を収容している。ハウジングは直方体である。本実施形態において示すように、ハウジングの上部及び底部は正方形である。側面は、内部電気モータ及び制御装置を支持するために必要とされる容量に応じて、長方形であってもよい。キャリッジの上面から突出し、天井タイルと係合してキャリッジをトラックに沿って案内する、４つのオムニホイール９０のセットが設けられている。オムニホイールは、固定水平主軸を中心として回転するよう駆動することができるが、その周囲に、主軸を横断する水平軸を中心として自由に回転することができる、より小さなローラ９２を有する、双方向装置である。これは、オムニホイールが一方向に駆動することができ、駆動されていない場合にその主軸に対して横方向に摺動可能であることを意味する。この種類のオムニホイールはロボット技術において公知であり、これ以上詳細に説明しない。各キャリッジは、キャリッジの上面の４つの上縁に互いに隣接するオムニホイールを有する。２つの平行なオムニホイールのみが、キャリッジがＸ又はＹ方向に移動しようとしているかどうかに応じて、常に内部モータによって駆動される。非駆動オムニホイールは自由に摺動し、キャリッジを安定した水平運動で案内する。

内部電気モータ及び他の制御システムに電力を供給するためのブラシコネクタ５４は、ハウジングの上面の四隅のそれぞれに位置決めされる。各ブラシ５４は、タイルの接続プレートとの良好な係合のために、ばね装着される。ブラシコネクタは、内部部品に一定のＤＣ電気供給を提供する、キャリッジ本体内の整流回路を供給する。

キャリッジが所望の作業位置にある場合にキャリッジの制限を可能にするために、キャリッジの各面には回転可能なピンホイール１００が設けられている。ピンホイールは、垂直軸を中心として自由に回転するか又はキャリッジ内部からの制御下で所定位置にロックされるかのどちらか一方が可能なように取り付けられる。各ピンホイールは、４つのアーム１０２を有している。キャリッジがトラックに沿って移動するにつれて、ピンホイールはペグ１４のステム６４と相互作用し、ピンホイールが自由に回転する場合に、それは自由な移動を制止しない。しかし、ピンホイールが所定位置にロックされると、それは、ペグのステムに対するブレーキとして作用し、キャリッジを所定位置に堅固に保持する。このようにして、キャリッジをトラックに沿った所定の位置にロックすることができる。

主直方体キャリッジハウジング２６の下側は、ボールベアリング８０によってフランジ６６上に支持される。これらのボールベアリングは、ハウジングの下面の側部の少なくとも全周にわたって設けられており、少なくとも２つの側部のベアリングは、運動方向に応じて常にペグトラックの上側フランジと当接する。

動きの安定性は、ペグがスプール７０を通過するにつれて、スプール７０と係合するスプロケット３０の矩形Ｖ字プロフィルによって制御される。スプールの溝に対して作用するスプロケットのＶ字プロフィルの連結係合は、キャリッジの動きを水平のままにすることを保証する。

各キャリッジのネック部２８は接続プレート３２を支持している。プレート３２は、キャリッジ毎に個別のプレートとして示されているが、図８において見て取れるように、より大きな接続プレートの一部であることができる。ネック部は、電気制御を接続プレートに、次いでそれに接続される更なるロボット装置９２に伝えることができる。接続プレートは、極めて多種多様なロボット装置とインターフェース接続するために用いることができることは、正しく認識されるであろう。

ロボットシステムの動作
システムはコンピュータ制御される。内部コンピュータは制御を行うために設けられている。これは、無線トランシーバによる（即ち、このスポットに行く）単純な全体的指示により与えられる。コンピュータは、次いで、キャリッジ内の電気モータを制御する。この種類のコンピュータ制御は、任意の公知の設計とすることができ、これ以上説明しない。ソフトウェア制御下において、キャリッジを水平面内の必要な位置に案内することができることは、正しく認識されるであろう。キャリッジがパラレルロボット装置を支持するために用いられる場合、その装置は、必要なタスクを実行するよう、支持構造体の下の三次元作業領域内で滑らかな動きを提供するために用いることができる。複数のロボット装置が同じ支持構造体上で支持される場合、衝突を防止するために、ソフトウェア制御を実装しなければならない。

Claims (12)

1. 支持構造体と、少なくとも１つのキャリッジ（１０）と、前記構造体によって支持される平面ガイドウェイであって、ガイドウェイ平面（６）において２つの直交する方向への前記キャリッジの移動を可能にする平面ガイドウェイとを備える駆動システムであって、
   前記キャリッジは、ガイドスプロケット（３０）を支持する垂下ネック部（２８）を担持する直方体ハウジング（２６）を有し、そのネック部にロボット装置を接続することができ、
   前記ガイドウェイは、キャリッジハウジングがそれらの間を移動することを可能にするよう離間される垂下ペグ（１４）の矩形アレイによって画成され、各ペグは、前記キャリッジハウジングのベース部のための座面を提供する水平フランジ（６６）と、前記キャリッジを案内するために前記スプロケットと相互作用するよう成形されるスプール（７０）とを担持することを特徴とする、
   駆動システム。
2. 各ペグは前記スプールの下方に間隔を置いて配置される第２の水平フランジ（６８）を有し、キャリッジの前記スプロケットのための座面を提供する、請求項１に記載の駆動システム。
3. 前記垂下ネック部（２８）は、ロボット装置（９２）への接続のための接続プレート（３２）を担持する、請求項１又は２に記載の駆動システム。
4. 前記キャリッジの側壁は、前記キャリッジをペグに対して所定位置にロックするために用いることができる突出ピンホイール（１００）を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の駆動システム。
5. 前記支持構造体は、前記ペグのアレイを支持するフレームを備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の駆動システム。
6. 前記支持構造体は、タイルから構成される天井面（４）を画成する、請求項１～５のいずれか一項に記載の駆動システム。
7. 前記キャリッジは、前記キャリッジを駆動するために、前記直方体ハウジングの頂部から突出し、前記タイルと係合する２対の直交オムニホイール（９０）を有する、請求項６に記載の駆動システム。
8. 前記キャリッジへの電気供給は、前記タイル上の接点プレートと係合するブラシ（５４）によって提供される、請求項６に記載の駆動システム。
9. 前記タイルはそれぞれ、それぞれのペグによって支持される、請求項６に記載の駆動システム。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の駆動システムと、前記キャリッジに取り付けられるロボット装置とを備える、ロボットシステム。
11. 請求項３に記載の駆動システムと、前記キャリッジの前記接続プレートに取り付けられるロボット装置とを備える、ロボットシステム。
12. 共通の接続プレートを共有する複数のキャリッジを有する請求項３に記載の駆動システムと、前記接続プレートに取り付けられるロボット装置（９２）とを備える、ロボットシステム。

Images