JP7364776B2 - ロボットアーム機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム機構に関する。

労働人口の減少に伴って、人と同じ空間で一緒に作業を行える協働ロボットの活用が進んでいる。協働ロボットには、ロボットが人や物に接触したときに安全に停止することが求められている。ロボットへの人や物の接触を検出する方法の一つとして、トルクセンサを使用した方法が開示されている（例えば、特許文献１）。トルクセンサを使用した方法では、例えば、ロボットの関節部にトルクセンサが配置される。トルクセンサの出力値が所定の基準値を超えた場合に「ロボットが人や物に対して接触した」と判定することができ、これを契機にロボットを停止させるなどの措置を講ずることができる。

特開２０１８－１３４０５９号公報

特に、ロボットの先端側の関節部にトルクセンサを装備させると、ロボットの先端部分の重量が増加してしまい、ロボットのベース側への重量負荷が増加してしまう。重量の増加に対応するためには、剛性の高い高価な部品の使用が必要となる。また、関節部にはモータや減速機等の部品が収容され、これら電気部品に接続される電気ケーブルの配線等がなされているため、関節部にトルクセンサを装備した場合に、関節部が大型化してしまうだけではなく、関節部内の構造が複雑になってしまう。そのため、人や物の接触を検出することができるロボットアーム機構において、関節部の重量を軽量化するなどの、関節部の構造の単純化が望まれている。

本開示の一態様に係るロボットアーム機構は、回転関節部と回転関節部に接続されるリンクと複数のトルクセンサとを具備する。リンクは複数のリンク部分を有する。リンク部分どうしはトルクセンサを介して連結される。

本態様によれば、人や物に接触したことを検知することができるロボットアーム機構において、関節部を単純化（軽量化）することができる。

図１は、一実施形態に係るロボットアーム機構の斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の正面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の平面図である。 図４は、図１のリンクの分解斜視図である。

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。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１、図２及び図３は、本実施形態に係るロボットアーム機構１の基準姿勢を示す。図１、図２及び図３に示すように、本実施形態に係るロボットアーム機構１は、床面等の接地面に置かれるベース部１０を有する。ベース部１０には、接地面に垂直な第１回転軸ＲＡ１を有する第１回転関節部Ｊ１を介してリンク３０が接続される。具体的には、図示しない第１モータにより駆動される第１減速機２０の固定側にベース部１０が接続され、回転側にリンク３０の一端が接続される。第１モータにより第１減速機２０が駆動されることにより、ベース部１０に対してアーム部５０がリンク３０とともに第１回転軸ＲＡ１周りに回転される。リンク３０には、第１回転軸ＲＡ１に垂直な第２回転軸ＲＡ２を有する第２回転関節部Ｊ２を介してアーム部５０が接続される。具体的には、図示しない第２モータにより駆動される第２減速機４０の固定側にリンク３０の他端が接続され、回転側にアーム部５０の一端が接続される。第２モータにより第２減速機４０が駆動されることにより、リンク３０に対してアーム部５０が第２回転軸ＲＡ２周りに回転される。

以下、ロボットアーム機構１の第１回転軸ＲＡ１と平行な軸をＺ軸、基準姿勢におけるロボットアーム機構１の第２回転軸ＲＡ２と平行な軸をＸ軸、第１回転軸ＲＡ１と第２回転軸ＲＡ２とに直交する軸をＹ軸として、適宜説明に用いる。

本実施形態に係るロボットアーム機構１は、ベース部１０に最も近い第１回転関節部Ｊ１と第１回転関節部Ｊ１に隣り合う第２回転関節部Ｊ２との間のリンク３０に複数のトルクセンサが設けられる。ここでは、リンク３０は、４つのリンク部分３１，３３，３５，３７を有し、このリンク３０に３つのトルクセンサ６１，６３，６５が分散して設けられる。４つのリンク部分３１，３３，３５，３７は、ベース部１０から遠い側、つまりロボットアーム機構１の先端に近い側から順に、第１リンク部分３１、第２リンク部分３３、第３リンク部分３５、第４リンク部分３７と称する。３つのトルクセンサ６１，６３，６５は、ベース部１０から遠い側から順に、第１トルクセンサ６１、第２トルクセンサ６３、第３トルクセンサ６５と称する。

なお、ここで用いられるトルクセンサは、薄い円筒形状を有し、その円筒中心軸（以下、検出軸と称す）周りのトルクを検出するセンサである。トルクセンサは、検出軸に垂直に交差する力成分、検出軸に沿った方向の力成分を検出することはできない。トルクセンサは、２つの部材の間に設けられ、一方の部材に対して他方の部材が検出軸周りにねじれた角度に応じたトルク値を出力する。このトルク値を所定の閾値に比較することにより、ねじれを検出することができる。トルクを検出する方式としては、静電容量式、歪みゲージ式等の既知の手法を採用することができる。

本実施形態に係るロボットアーム機構１の１つの特徴は、第１回転関節部Ｊ１と第２回転関節部Ｊ２との間のリンク３０にトルクセンサ６１，６３，６５を設けた点にある。第２回転関節部Ｊ２にトルクセンサを収容する場合に比べて、第２回転関節部Ｊ２を駆動するモータ、減速機などの第２回転関節部Ｊ２の内部に収容されていた部品の配置自由度を向上することができ、部品コストの低下、製造コストの低下、配線がしやすくなったことによる配線不良の低下などが期待できる。また、第２回転関節部Ｊ２にトルクセンサを収容する必要がないため、第２回転関節部Ｊ２自体を小型、軽量化することができ、第２回転関節部Ｊ２よりもベース部側の部品をより剛性の低い部品に代替することが期待できる。

また、リンク３０にトルクセンサ６１，６３，６５を設けることにより、第１回転関節部Ｊ１及び第２回転関節部Ｊ２が駆動した場合でもリンク３０自体は動かないことから、第２回転関節部Ｊ２等にトルクセンサを収容する場合に比べて、単純な構造でトルクセンサをシールすることができ、シール性能の向上、コスト削減等に寄与する。

さらにベース部１０に最も近い第１回転関節部Ｊ１に接続されたリンク３０にトルクセンサ６１，６３，６５を設けることにより、主に人や物が接触してしまう頻度が高い箇所であるアーム部５０の先端から、トルクの検出元であるトルクセンサ６１，６３，６５までの距離を長くすることができる。それにより、アーム部５０の先端に与えられた外力が小さくても、アーム部５０の先端からトルクセンサ６１，６３，６５までの距離が長いため、トルクセンサ６１，６３，６５にかかる力のモーメントを大きくすることができる。つまり、トルクセンサ６１，６３，６５の感度を高くすることができ、アーム部５０の先端に少し触れてしまっただけのような小さな接触をもトルクセンサ６１，６３，６５で検出することを可能にし、安全性の向上に寄与する。

上記で説明したこれらの効果は、リンクに設置するトルクセンサの数に依存することはなく、リンクに設けるトルクセンサは１つであってもよいし、３つ以上であっても同様の効果が発揮される。

なお、本実施形態では、２つの回転関節部を有するロボットアーム機構１を例に説明したが、例えば、４軸、５軸、６軸等の軸数を有するロボットアーム機構に対して、本実施形態を適用した場合に、その効果はさらに大きい。例えば、６つの関節部を有するロボットアーム機構において、トルクセンサは、複数のリンクのうち、ベース部に最も近い第１関節部と第１関節部に隣り合う第２関節部との間のリンクに搭載される。ベース部１０に近い側、ここでは第１関節部と第２関節部との間のリンクにトルクセンサを設けることにより、そのリンクよりもロボットアーム機構の先端側の第２関節部、第３関節部、第４関節部、第５関節部及び第６関節部を小型、軽量化することができる。ロボットアーム機構の先端側の関節部を軽量化できることで、リンク等の各部品に必要とされる剛性も小さくすることができ、部品のコストを抑えられる。もちろん、上記のようにトルクセンサを配置することで、アーム先端からトルクセンサまでの距離を長くすることができ、アームへの接触を検出する感度を向上させることができる。なお、６つの関節部を有するロボットアーム機構において、トルクセンサは、ベース部とベース部に最も近い第１関節部との間のリンクに搭載されてもよい。

リンク３０に設けられる３つのトルクセンサ６１，６３，６５の配置構成について図４を参照して説明する。図４に示すように、リンク３０の一端に相当する第４リンク部分３７の端部が第１回転関節部Ｊ１（第１減速機２０）の回転部に接続され、リンク３０の他端に相当する第１リンク部分３１の端部が第２回転関節部Ｊ２（第２減速機４０）の固定部に接続される。

第１リンク部分３１と第２リンク部分３３とは第１トルクセンサ６１を介して連結される。第１トルクセンサ６１は、その第１検出軸ＤＡ１が第２回転軸ＲＡ２と平行になるように配置される。第１トルクセンサ６１は、第１リンク部分３１が第２リンク部分３３に対して第１検出軸ＤＡ１周りにねじれた角度に応じたトルク値を出力する。

第２リンク部分３３と第３リンク部分３５とは第２トルクセンサ６３を介して連結される。第２トルクセンサ６３は、その第２検出軸ＤＡ２が第１回転軸ＲＡ１と平行になるように配置される。第２トルクセンサ６３は、第２リンク部分３３が第３リンク部分３５に対して第２検出軸ＤＡ２周りにねじれた角度に応じたトルク値を出力する。

第３リンク部分３５と第４リンク部分３７とは第３トルクセンサ６５を介して連結される。第３トルクセンサ６５は、その第３検出軸ＤＡ３が第１回転軸ＲＡ１に対して垂直な面（ＸＹ平面）に対して平行であり、且つ第２回転軸ＲＡ２に対して９０度未満の角度で傾斜するように配置される。検出軸同士の位置関係で説明すると、第３トルクセンサ６５は、その第３検出軸ＤＡ３が第２検出軸ＤＡ２と垂直な位置関係であって、且つ第３検出軸ＤＡ３が第１検出軸ＤＡ１に対して９０度未満の角度で傾斜する位置関係になるように配置される。第３トルクセンサ６５は、第４リンク部分３７に対して第３リンク部分３５が第３検出軸ＤＡ３周りにねじれた角度に応じたトルク値を出力する。

トルクセンサ６１，６３，６５を、各検出軸が上記のような位置関係になるように配置することにより、第１検出軸ＤＡ１及び第２検出軸ＤＡ２を直交３軸の２軸（Ｘ軸及びＺ軸）にそれぞれ平行とし、第３検出軸ＤＡ３を直交３軸の残りの１軸（Ｙ軸）に対して第３検出軸ＤＡ３の方向に９０度未満の角度で傾斜させることができる。このように、第１トルクセンサ６１，第２トルクセンサ６３及び第３トルクセンサ６５を第１検出軸ＤＡ１、第２検出軸ＤＡ２、及び第３検出軸ＤＡ３が互いに平行にならないように、つまり、ねじれ又は交差する位置関係にあるように配置することにより、第１トルクセンサ６１，第２トルクセンサ６３及び第３トルクセンサ６５は、互いに異なる軸周りのトルクを検出でき、ロボットアーム機構１、特にアーム部５０への人や物の接触を検出できる範囲、向きを拡大することができる。

また、第１トルクセンサ６１と第２トルクセンサ６３とを、第１検出軸ＤＡ１と第２検出軸ＤＡ２とが垂直な位置関係になるように配置することで、第１トルクセンサ６１で検出可能なトルクの向きと第２トルクセンサ６３で検出可能なトルクの向きとを直交させることができる。それにより、アーム部５０等への接触を検出できる範囲、向きを拡大することができ、ロボットアーム機構１の安全性を向上することができる。

アーム部５０等に人や物が意図せずに接触する可能性は、ロボットアーム機構１が静止中であるときに比べて、ロボットアーム機構１が動作中であるときの方が高い。本実施形態のように、第１トルクセンサ６１を第１検出軸ＤＡ１が第２回転関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２と平行になるように配置することで、第１トルクセンサ６１で第２回転軸ＲＡ２周りの回転動作中のアーム部５０等への接触を高い感度で検出することができる。同様に、第２トルクセンサ６３を第２検出軸ＤＡ２が第１回転関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１と平行になるように配置することで、第２トルクセンサ６３で第１回転軸ＲＡ１周りの回転動作中のアーム部５０等への接触を高い感度で検出することができる。これらは、ロボットアーム機構１の安全性の向上に寄与する。

本実施形態において、第１トルクセンサ６１と第２トルクセンサ６３とを、第１検出軸ＤＡ１及び第２検出軸ＤＡ２が直交３軸の２軸（Ｘ軸及びＺ軸）とそれぞれ平行になるように配置し、第３トルクセンサ６５を、第３検出軸ＤＡ３が直交３軸の残りの１軸（Ｙ軸）に平行にならないように配置したことも１つの特徴である。本実施形態のように、第３トルクセンサ６５を、第３検出軸ＤＡ３が第２検出軸ＤＡ２と垂直な位置関係であって、且つ第１検出軸ＤＡ１に対して９０度未満の角度で傾斜するように配置することで、第３トルクセンサ６５は、第１トルクセンサ６１と第２トルクセンサ６３とで検出できないＹ軸周りのトルクとともに、Ｘ軸周りのトルクをも検出することができる。すなわち、３つのトルクセンサ６１，６３，６５により、直交３軸の各軸周りのトルクを検出することができ、さらに、Ｘ軸周りのトルクを、第１トルクセンサ６１と第３トルクセンサ６５との両方で検出することができる。３つのトルクセンサを検出軸が直交３軸にそれぞれ平行になるように配置するのではなく、そのうち１つのトルクセンサを、検出軸が他の検出軸に対して９０度未満の角度で傾斜させることで、直交３軸の各軸周りのトルクを検出可能としながら、ある特定の軸周りのトルクを２つのトルクセンサで検出することができる。例えば、２つのトルクセンサで検出するトルクの軸周りを、トルクの検出頻度、つまり接触頻度の高い軸周りにすることで、接触検知精度を向上させることができる。

なお、上記の記載は、３つのトルクセンサ６１，６３，６５を、各検出軸が直交３軸の各軸に平行になるように配置することを否定するものではない。また、３つではなく、２つのトルクセンサを設けるのであれば、２つのトルクセンサの各検出軸が互いに平行にならないように、例えば、互いに直交するように設ければよい。４つ以上であれば、３つのトルクセンサの各検出軸が直交３軸の各軸に平行になり、残りの１つのトルクセンサの検出軸が他の３つの検出軸に平行にならないように配置すればよい。

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。

１…ロボットアーム機構、１０…ベース部、２０…第１減速機、３０…リンク、３１…第１リンク部分、３３…第２リンク部分、３５…第３リンク部分、３７…第４リンク部分、４０…第２減速機、５０…アーム部、ＲＡ１…第１回転軸、ＲＡ２…第２回転軸、ＤＡ１…第１検出軸、ＤＡ２…第２検出軸、ＤＡ３…第３検出軸。

Claims (6)

1. ベース部と、
   前記ベース部上に配置される複数のリンクと、
   前記複数のリンクを連結する複数の回転関節部と、
   複数のトルクセンサと、を具備し、
   前記複数のトルクセンサは、前記複数のリンクのうち前記ベース部に最も近いリンクにまとめて装備される、ロボットアーム機構。
2. 前記複数のトルクセンサは複数の検出軸がねじれ又は交差する位置関係にあるように配置される、請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記複数のトルクセンサのうち第１のトルクセンサは第２のトルクセンサに対して検出軸が垂直な位置関係にあるように配置される、請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 前記複数のトルクセンサのうち第３のトルクセンサは前記第１のトルクセンサに対して検出軸が９０度未満の角度で傾斜する位置関係にあるように配置される、請求項３記載のロボットアーム機構。
5. 前記第３のトルクセンサは前記第２のトルクセンサに対して検出軸が垂直な位置関係にあるように配置される、請求項４記載のロボットアーム機構。
6. 前記第１のトルクセンサと前記第２のトルクセンサは、前記少なくとも一のリンクの両側に接続される２つの回転関節部の回転軸に対して検出軸がそれぞれ平行になるように配置される、請求項３乃至５のいずれか一項に記載のロボットアーム機構。

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