JP7388828B2

JP7388828B2 - ロボット

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Publication number: JP7388828B2
Application number: JP2019098408A
Authority: JP
Inventors: 諭史古田; 一隆中山
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: CN111993461A; JP2020192624A; US11420345B2; DE102020113427A1; US20200376691A1

Description

本開示は、ロボットに関するものである。

軸線回りに回転する２つのリンク部材の間に利用者の手や腕などの挟み込みを防止するロボットの関節構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この関節構造は、２つのリンク部材の付け根に位置するリンク部材の境界面の挟み込み防止形状に係るものである。

特開２０１６－６４４５１号公報

２つのリンク部材間における挟み込みは、リンク部材の付け根の境界面のみならず、リンク部材の長さ方向の途中位置においても発生する。ロボットにおいては、２つのリンク部材の回転中心に配置したトルクセンサにより、挟み込みによって発生するトルクを検出して、ロボットを停止させるなどの対応により、挟み込みを防止している。したがって、トルクセンサにより感度よくトルクを検出することが好ましい。

本開示の一態様は、軸線回りに相対回転可能に連結された長手軸を有する２つのリンク部材と、該リンク部材間に物体が挟まることによって、該リンク部材間に作用する前記軸線回りの力を検出するセンサとを備え、少なくとも一方の前記リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記長手軸からの少なくとも一側の幅寸法が、該リンク部材の前記長手軸方向の少なくとも途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有するロボットである。

本開示の一実施形態に係るロボットを示す側面図である。図１のロボットにおいて物体の挟み込みが発生した状態を説明する側面図である。比較例として、他のロボットにおいて物体の挟み込みが発生した状態を説明する側面図である。図１のロボットにおいて図２とは逆の側面における物体の挟み込みが発生した状態を説明する側面図である。図１のロボットの変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。

本開示の一実施形態に係るロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、地面に設置されるベース２に鉛直な第１の軸線Ａ回りに回転可能に支持された旋回胴３と、旋回胴３に水平な第２の軸線Ｂ回りに揺動可能に支持された第１アーム（リンク部材）４とを備えている。また、ロボット１は、第１アーム４の先端に第２の軸線Ｂに平行な第３の軸線（軸線）Ｃ回りに揺動可能に支持された第２アーム（リンク部材）５と、第２アーム５の先端に取り付けられた３軸構成の手首６とを備えている。

また、ロボット１は、第１アーム４と第２アーム５とを第３の軸線Ｃ回りに相対回転可能に連結する関節に、両アーム４，５間に作用する第３の軸線Ｃ回りのトルク（力）を検出するセンサ７を備えている。例えば、センサ７としては、トルクセンサ、モータ電流値からトルクを検出するセンサ、セカンダリエンコーダでトルクを検出するセンサ、３軸あるいは６軸力センサ、アーム４，５のリンク外周上に設けられたスキンセンサ等がある。センサ７は、図示しない制御装置に接続されている。制御装置は、センサ７により検出されたトルクが所定の閾値を超えた場合には、ロボット１を停止するよう制御する。

本実施形態においては、第１アーム４および第２アーム５は、それぞれ第３の軸線Ｃ回りの周方向、すなわち第１アーム４および第２アーム５の横断面の第３の軸線Ｃに直交する平面に沿う方向の幅寸法が、長さ方向の中央近傍において小さく、両端に向かって連続的に次第に大きくなる形状に構成されている。また、第１アーム４および第２アーム５は、それぞれ、第３の軸線Ｃに沿う方向から見て、第３の軸線Ｃを通過する直線からなる中心軸（長手軸）４ａ，５ａについて線対称となる形状を有している。さらに、第１アーム４および第２アーム５は、それぞれの中心軸４ａ，５ａを中心とする円形、楕円形あるいは角を丸めた多角形状の横断面形状を有していてもよい。

具体的には、横断面形状が円形あるいは楕円形の場合は、円の直径あるいは楕円の長径または短径が長さ方向の中央近傍において小さく、両端に向かって連続的に次第に大きくなっている。同様に、横断面形状が角を丸めた四角形の場合は、第３の軸線Ｃに対して垂直な四角の向かい合う２辺が長さ方向の中央近傍において小さく、両端に向かって連続的に次第に大きくなっている。
物体Ｘの挟み込み位置における横断面形状の曲率は、大きいほど挟まれた物体への圧迫力を下げることができる。

このように構成された本実施形態に係るロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１によれば、第１アーム４と第２アーム５との間に物体Ｘが配置された状態で、両アーム４，５の相対角度が小さくなっていくと、所定の条件が満たされたときに物体Ｘの挟み込みが発生する。挟み込みの条件は、両アーム４，５の表面状態および物体の性状によって定まる物体Ｘと両アーム４，５との摩擦係数、あるいは、物体Ｘの大きさ等に依存する。

例えば、図１に示されるように、第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとの相対角度が９０°である場合には、長さ方向の中央に向かって幅寸法が小さくなる形状によって、第１アーム４と第２アーム５の隣接する側面４ｂ，５ｂのなす角度は９０°よりも大きくなる。この時点では、挟み込みが発生する可能性は低い。

図２に示されるように、第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとの相対角度が９０°よりも小さくなっていくと、物体Ｘは、第１アーム４および第２アーム５の側面４ｂ，５ｂに対して矢印Ｙの方向に滑り、両アーム４，５間において、第３の軸線Ｃから離れる方向に押し出される。このとき、隣接する側面４ｂ，５ｂのなす角度が９０°よりも小さくなっていき、挟み込みの可能性が高くなっていく。

そして、第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとのある相対角度（第１相対角度）θ_１において挟み込みの条件が満たされたとき、物体Ｘが第１アーム４および第２アーム５の側面４ｂ，５ｂに対して滑らなくなる。これにより、図２に示されるように、物体Ｘはその位置で、両アーム４，５間に挟み込まれる。挟み込みが発生した状態で、さらに第１アーム４と第２アーム５との相対角度が小さくなっていくと、物体Ｘが圧迫される反作用として第１アーム４および第２アーム５に作用するトルクが増大する。

第１アーム４および第２アーム５に作用するトルクはセンサ７により検出され、検出されたトルクが所定の閾値を超える場合に、制御装置が、ロボット１の動作を停止する。これにより、両アーム４，５間に挟まれた物体Ｘに過大な圧迫力が作用することを防止することができる。

この場合において、本実施形態に係るロボット１によれば、第１アーム４および第２アーム５が、いずれも、長さ方向の中央に向かって幅寸法が連続的に小さくなる形状を有する。これにより、図２に示されるように、第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとの間の相対角度θ_１よりも、物体Ｘが接触している接触点における第１アーム４および第２アーム５の側面４ｂ，５ｂの接線間の相対角度θ_２の方が大きくなる。

すなわち、第１アーム４および第２アーム５の横断面の第３の軸線Ｃに直交する平面に沿う方向の、第３の軸線Ｃに交差する第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとがなす相対角度θ_１が、物体Ｘの挟み込み時に隣接する第１アーム４および第２アーム５の最外周輪郭線がなす相対角度θ_２よりも小さくなる。

その結果、挟み込みが発生する時点における物体Ｘと第１アーム４および第２アーム５の側面４ｂ，５ｂとの間の関係では、第１アーム４および第２アーム５の側面４ｂ，５ｂの接線間の相対角度はθ_２である。
仮に、第１アーム４および第２アーム５の形状が、図３に示されるように、長さ方向に沿って幅寸法が変化しない形状である場合には、第１アーム４の中心軸４ａと第２アーム５の中心軸５ａとの間の相対角度θ_２となるときに挟み込みが発生することになる。

その結果、図３のロボット１´の場合には、挟み込みが発生する物体Ｘの位置は、図３に鎖線で示される図２のロボット１の場合の物体Ｘの位置よりも、実線で示されるように、第３の軸線Ｃに近い位置となる。そして、この場合に、センサ７の感度が同じであれば、本実施形態に係る図２のロボット１の方が、図３のロボット１´よりも物体Ｘに作用する圧迫力が小さくても挟み込みを検出し易いという利点がある。

また、本実施形態に係るロボット１によれば、第１アーム４および第２アーム５は、第３の軸線Ｃに沿う方向から見たときに、それぞれの中心軸について線対称となる形状を有している。これにより、図４に示されるように、第１アーム４および第２アーム５の逆の側面４ｃ，５ｃにおいて発生する挟み込みにおいても同一の条件で、感度よく挟み込みを検出することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、第１アーム４および第２アーム５は、第３の軸線Ｃに沿う方向から見たときに、第３の軸線Ｃから離れるに従って幅寸法が連続的に小さくなる部分が、凹曲線状の輪郭形状を有することとした。これに代えて、図５に示されるように、直線状の輪郭形状を有することとしてもよいし、図６に示されるように、凸曲線状の輪郭形状を有することとしてもよい。

また、第１アーム４および第２アーム５の第３の軸線Ｃに向かって連続的に広がり始める位置が同じ場合、相対角度θ_２は、凹曲線状の輪郭形状よりも、凸曲線状の輪郭形状の方が大きくなり、挟み込みが発生する位置を遠ざけることができる。また、挟み込みまでの相対角度θ_１を小さくできるため、挟み込みまでのロボット１の動作範囲を広げることができる。

また、第２アーム５については、長さ方向の中央から両端に向かって幅寸法が大きくなる形状に限られるものではなく、図６に示されるように、第３の軸線Ｃ側の一端のみに、横断面形状が変化する部分が設けられていてもよい。また、本実施形態においては、２つのリンク部材として第１アーム４および第２アーム５を例示したが、旋回胴３および第１アーム４に適用してもよい。

また、本実施形態においては、第１アーム４および第２アーム５の両方に第３の軸線Ｃから離れるに従って幅寸法が連続的に小さくなる部分を有する場合を例示したが、第１アーム４のみまたは第２アーム５のみに設けられていてもよい。また、第１アーム４および第２アーム５は、第３の軸線Ｃに交差する中心軸４ａ，５ａを基準として第１アーム４および第２アーム５の最外周輪郭線が線対称形状であることとした。

これに代えて、少なくとも一方の第１アーム４および第２アーム５の横断面の軸線Ｃに直交する平面に沿う方向の、軸線Ｃに交差する中心軸４ａ，５ａからの少なくとも一側の幅寸法が、第１アーム４および第２アーム５の中心軸４ａ，５ａ方向の少なくとも途中位置から軸線Ｃに向かって連続的に広がる形状であればよい。

すなわち、図７に示されるように、第１アーム４および第２アーム５が、中心軸４ａ，５ａを基準として非対称形状であり、両方の側面４ｂ，４ｃ，５ｂ，５ｃに、長さ方向の中央近傍において中心軸４ａ，５ａに近接し、長さ方向の中央近傍から離れるに従って中心軸４ａ，５ａから離間する傾斜面が設けられているものを採用してもよい。

また、図８および図９に示されるように、一方の側面４ｂ，５ｂまたは他方の側面４ｃ，５ｃが任意の形状であり、他方の側面４ｃ，５ｃまたは一方の側面４ｂ，５ｂに、長さ方向の中央近傍において中心軸４ａ，５ａに近接し、長さ方向の中央近傍から離れるに従って中心軸４ａ，５ａから離間する傾斜面が設けられているものを採用してもよい。ここで、任意の形状とは、具体的には、平面、中心軸４ａ，５ａに近接する傾斜面、または中心軸４ａ，５ａから離間する傾斜面等である。

１ロボット
４第１アーム（リンク部材）
４ａ，５ａ中心軸（長手軸）
５第２アーム（リンク部材）
７センサ
Ｃ第３の軸線（軸線）
Ｘ物体
θ_１相対角度（第１相対角度）
θ_２相対角度（第２相対角度）

Claims

軸線回りに相対回転可能に連結された長手軸をそれぞれ有する第１リンク部材および第２リンク部材と、
前記第１リンク部材の第１側と前記第２リンク部材の第２側との間に物体が挟まることによって、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材と間に作用する前記軸線回りの力を検出するセンサとを備え、
前記第１リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第１リンク部材の長手軸からの前記第１側の幅寸法が、該第１リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記第２リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第２リンク部材の長手軸からの前記第２側の幅寸法が、該第２リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記軸線に沿う方向に見た側面視において、前記第１リンク部材の前記第１側および前記第２リンク部材の前記第２側の少なくとも一方の全体または略全体が、凹曲線状の輪郭形状を有するロボット。
軸線回りに相対回転可能に連結された長手軸をそれぞれ有する第１リンク部材および第２リンク部材と、
前記第１リンク部材の第１側と前記第２リンク部材の第２側との間に物体が挟まることによって、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材と間に作用する前記軸線回りの力を検出するセンサとを備え、
前記第１リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第１リンク部材の長手軸からの前記第１側の幅寸法が、該第１リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記第２リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第２リンク部材の長手軸からの前記第２側の幅寸法が、該第２リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記軸線に沿う方向に見た側面視において、前記第１リンク部材の前記軸線側の部分の前記第１側および前記第２リンク部材の前記軸線側の部分の前記第２側の少なくとも一方が、凸曲線状の輪郭形状を有するロボット。
軸線回りに相対回転可能に連結された長手軸をそれぞれ有する第１リンク部材および第２リンク部材と、
前記第１リンク部材の第１側と前記第２リンク部材の第２側との間に物体が挟まることによって、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材と間に作用する前記軸線回りの力を検出するセンサとを備え、
前記第１リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第１リンク部材の長手軸からの前記第１側の幅寸法が、該第１リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記第２リンク部材の横断面の前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記軸線に交差する前記第２リンク部材の長手軸からの前記第２側の幅寸法が、該第２リンク部材の前記長手軸方向の途中位置から前記軸線に向かって連続的に広がる形状を有し、
前記軸線に沿う方向に見た側面視において、前記第１リンク部材の前記軸線側の部分の前記第１側および前記第２リンク部材の前記軸線側の部分の前記第２側の少なくとも一方が、直線状の輪郭形状を有するロボット。
前記軸線に直交する平面に沿う方向の、前記第１リンク部材の長手軸と前記第２リンク部材の長手軸とがなす第１相対角度が、隣接する前記第１リンク部材の最外周輪郭線と前記第２リンク部材の最外周輪郭線とがなす第２相対角度よりも小さい請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボット。
前記軸線に交差する前記長手軸に対し、前記第１リンク部材および前記第２リンク部材の各々の最外周輪郭線が線対称形状である請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボット。