WO2016084942A1

WO2016084942A1 - ロボットアーム機構

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Publication number: WO2016084942A1
Application number: PCT/JP2015/083429
Authority: WO
Inventors: 尹　祐根; 順央川口; 眞二栗原; 光佐野; 宗祐 ▲高▼▲瀬▼; 摩美前田
Original assignee: ライフロボティクス株式会社
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-06-02
Also published as: US20170259435A1; EP3225368A4; EP3225368A1; CN107000225A; TW201620688A; JP2016101647A; JP6508703B2

Abstract

直動関節を有するロボットアーム機構において、アーム部が射出部から脱落するリスクを低減することにある。直動伸縮関節を有するロボットアーム機構は、アーム部（２）とアーム部（２）を直動伸縮する機構とを有する直動関節部（Ｊ３）と、アーム部（２）を直動伸縮させるための動力を発生するステッピングモータ（３０１）と、ステッピングモータ（３０１）を駆動するドライバユニット（４０１）と、ステッピングモータ（３０１）のドライブシャフトが所定の角度を回転する毎にエンコーダパルスを出力するエンコーダ（３０３）と、エンコーダパルスのカウントに応じたアーム部（２）の長さが、アーム部（２）の脱落防止のために設定された閾値に達したとき、静止トルクを発生させるためにドライバユニット（４０１）を制御する制御部（４１）と、を具備する。

Description

ロボットアーム機構

　本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

　従来より、多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなどさまざまな分野で用いられている。ロボットアーム機構には、ねじり関節、曲げ関節、直動関節が組み合わされて装備されている。これらの関節の中で、直動関節は、例えばアーム部と射出部とで構成される。直動関節を駆動するためにモータが順回転すると、格納部に格納されていたアーム部が射出部から送り出され、逆回転するとアーム部が引き戻されて格納部に格納される。このような直動関節は、何も対策を講じなければ、射出部からアーム部が抜けてしまう可能性がある。

　目的は、直動関節を有するロボットアーム機構において、アーム部が射出部から脱落するリスクを低減することにある。

　本実施形態に係るロボットアーム機構は、アーム部と前記アーム部を直動伸縮する機構とを有する直動伸縮関節と、前記アーム部を直動伸縮させるための動力を発生するステッピングモータと、前記ステッピングモータを駆動するモータドライバと、前記ステッピングモータのドライブシャフトが所定の角度を回転する毎にエンコーダパルスを出力するエンコーダと、前記エンコーダパルスのカウントに応じた前記アーム部の長さが、前記アーム部の脱落防止のために設定された閾値に達したとき、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御する制御部と、を具備するロボットアーム機構。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す斜視図である。図３Ａは、図１のロボットアーム機構のアーム収縮時の内部構造を断面方向から見た図である。図３Ｂは、図３Ａの最後尾の第２連結コマが前段スイッチを通過した時の内部構造を断面方向から見た図である。図３Ｃは、図３Ａの最後尾の第２連結コマが後段スイッチを通過した時の内部構造を断面方向から見た図である。図４は、本実施形態に係るロボットアーム機構のステッピングモータユニットの制御に関わる制御ブロック図である。図５は、本実施形態に係るロボットアーム機構の脱落防止機能を説明するためのフローチャートである。図６は、本実施形態の変形例に係るロボットアーム機構のステッピングモータユニットの制御に関わる制御ブロック図である。図７は、変形例に係る脱落防止機能を説明するためのフローチャートである。

　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は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。図２、図３Ａ、Ｂ，Ｃは図１のロボットアーム機構の内部構造を示している。ロボットアーム機構は、略円筒形状の基部１と基部１に接続するアーム部２とを有する。アーム部２の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器３が取り付けられる。図１では手先効果器３として対象物を把持可能なハンド部を図示している。手先効果器３としてはハンド部に限定されず、他のツール、またはカメラ、ディスプレイであってもよい。アーム部２の先端には任意の種類の手先効果器３に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。

　アーム部２は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３軸ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６はハンド部３の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つは直動関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動関節、特に伸縮距離の比較的長い関節部として構成される。第１関節部Ｊ１は台座面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的に伸縮する関節である。第４関節部Ｊ４は、第３移動軸ＲＡ３に一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節であり、第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

　第１関節部Ｊ１のねじり回転によりアーム部２がハンド部３とともに旋回する。第２関節部Ｊ２の曲げ回転によりアーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２を中心に起伏動をする。基部１を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１支持体１１ａはアーム部２の旋回とともに軸回転する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

　第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。アーム部２の直動関節部を構成する第３関節部Ｊ３の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

　第１関節部Ｊ１は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において台座に固定される。回転部には第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとが取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１、第２、第３支持体１１ａ、１１ｂ、１１ｃが第１回転軸ＲＡ１を中心としてアーム部２とハンド部３と共に旋回する。

　第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動すると、アーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、ねじり関節部としての第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１に垂直に設けられる。

　上記の通り関節部としての第３関節部Ｊ３はアーム部２の主要構成物を構成する。アーム部２の先端に上述のハンド部３が設けられる。ハンド部３は、図１に示すようにアーム部２の先に装備されている。ハンド部３は、第１、第２、第３関節部Ｊ１．Ｊ２．Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。ハンド部３は、開閉される２つの指部１６ａ、１６ｂを有している。第４関節部Ｊ４は、アーム部２の伸縮方向に沿ったアーム部２の中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に典型的には一致する回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、第４関節部Ｊ４から先端にかけてハンド部３が回転軸ＲＡ４を中心に回転する。

　第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の移動軸ＲＡ４に対して直交する回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてハンド部１６とともに上下に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に垂直な回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転するとハンド１６が左右に旋回する。

　第１乃至第６関節部Ｊ１－Ｊ６の回転、曲げ、伸縮によりハンド部３の２指ハンド１６を任意の位置・姿勢に配置することが可能である。特に第３関節部Ｊ３の直動伸縮距離の長さは、基部１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にハンド部３で作用することを可能にする。

　第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮アーム機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮距離の長さは、図２、図３Ａ，Ｂ，Ｃに示す構造により達成される。直動伸縮アーム機構は第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とを有する。アーム部２が水平に配置される基準姿勢では、第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０の下部に位置し、第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１の上部に位置する。

　第１連結コマ列２１は、同一の断面コ字形状を有し、ピンにより背面箇所において列状に連結される複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ２３の断面形状及びピンによる連結位置により第１連結コマ列２１はその背面方向ＢＤに屈曲可能であるが逆に表面方向ＦＤには屈曲不可な性質を備える。したがって、第１連結コマ２３の断面形状は、コ字形状だけでなく、断面ロ字形状、円弧形状等であってもよい。

　第２連結コマ列２０は、第１連結コマ２３と略等価な幅を有する略平板形状を有し、背面方向ＢＤと表面方向ＦＤとともに屈曲可能な状態でピンにより列状に連結される複数の第２連結コマ２２からなる。第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０と先端部おいて結合コマ２６により結合される。結合コマ２６は、第１連結コマ２３と第２連結コマ２２とが一体的になった形状を有している。図２に示すように第２連結コマ２２の内側には個々にリニアギア２２ａが形成されている。リニアギア２２ａは第２連結コマ２２が直線状になったときに連結され、連続的なリニアギア（ラック）を構成する。第１連結コマ２３の正面側は、第２連結コマ２２の背面側と対向する。第１連結コマ２３の背面側および第２連結コマ２２の正面側は、基部１、第２支持体１１ｂまたは第３支持体１１ｃの内面に対向する。

　図３Ａは、図１のロボットアーム機構のアーム収縮時の内部構造を断面方向から見た図である。図３Ｂは、図３Ａの最後尾の第２連結コマ２２が前段スイッチ５０１を通過した時の内部構造を断面方向から見た図である。図３Ｃは、図３Ａの最後尾の第２連結コマ２２が後段スイッチ５０２を通過した時の内部構造を断面方向から見た図である。

　第２連結コマ２２は第３支持体１１ｃ内でローラＲ１とドライブギア２４ａとの間に挟まれる。リニアギア２２ａはドライブギア２４ａに噛み合わされる。ドライブギア２４ａとリニアギア２２ａとは、変換機構を構成する。変換機構は、ステッピングモータ３０１により発生された動力を、アーム部２が直動伸縮するための動力に変換するための機構である。

　アーム伸長時、ステッピングモータ３０１が駆動し、ドライブギア２４ａが順回転することにより第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１とともに射出部２９から前方に向かって送り出される。具体的には、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは射出部２９に挟まれ、相互に押圧され、接合される。接合された第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは射出部２９により支持されることにより接合状態が保持される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０との接合状態が保持されたとき、第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０の屈曲は制限され、それにより第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とにより一定の剛性を備えた柱状体が構成される。このとき、第１連結コマ２３の正面が第２連結コマ２２の背面と接合される。そして、結合コマ２６が始端となって、接合された柱状体（第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０と）が第３移動軸ＲＡ３に沿って直線的に送り出される。

　アーム収縮時、ステッピングモータ３０１が駆動し、ドライブギア２４ａが逆回転することにより第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０と（柱状体）が射出部２９に引き戻される。そして、射出部２９の後方で第２連結コマ列２０と第１連結コマ列２１とはその接合状態が解除され、互いに離反される。離反された第２連結コマ列２０と第１連結コマ列２１とはそれぞれ屈曲可能な状態になり、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃの内部に設けられたガイドレールにガイドされて第１回転軸ＲＡ１に沿う方向に屈曲され、第１支持体１１ａの内部に格納される。

　通過検出部５０は、前段スイッチ５０１と後段スイッチ５０２とを有する。前段スイッチ５０１と後段スイッチ５０２とは、最後尾の第２連結コマ２２の通過を検出し、制御部４１に対して通過検出信号を出力する。具体的には、前段スイッチ５０１は、最後尾の第２連結コマ２２が通過したとき（図３Ｂ参照）、制御部４１に対して前段通過信号を出力する。後段スイッチ５０２は、最後尾の第２連結コマ２２が通過したとき（図３Ｃ参照）、制御部４１に対して後段通過信号を出力する。最後尾の第２連結コマ２２の通過を検出できるのであれば、これらのスイッチには、機械式スイッチ、電磁界スイッチおよび光学スイッチ等が適宜適用可能である。アーム部２を射出部２９から送り出す方向を前方、アーム部２を射出部２９に引き戻し、格納する方向を後方としたとき、図３Ａ等に示すように、後段スイッチ５０２はドライブギア２４ａの後方近傍に設置される。それにより、後段スイッチ５０２はリニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落する直前を検出することができる。前段スイッチ５０１は、後段スイッチ５０２の後方の所定位置に配置される。好適には、前段スイッチ５０１は後段スイッチ５０２の後方近傍に配置される。それにより、前段スイッチ５０１はリニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落する少し前を検出することができる。

　報知部６０はアーム部２が射出部２９から脱落する危険性をユーザに対して報知する。報知部６０は第１報知部６０１と第２報知部６０２とを有する。ここでは、第１報知部６０１は前段スイッチ５０１に対応している。第２報知部６０２は後段スイッチ５０２に対応している。第１報知部６０１は軽度の警告を視覚的、音響的又はそれら両方により出力する。ここでは第１報知部６０１は軽度の警告を視覚的に出力ためのランプにより提供されるものとして説明する。また、第２報知部６０２は重度の警告を視覚的、音響的又はそれら両方により出力する。ここでは第２報知部６０２は軽度の警告を視覚的に出力ためのランプにより提供されるものとして説明する。第１報知部（軽度警告ランプ）６０１と重度警告ランプ６０２とは、制御部４１の制御に従って点灯する。軽度警告ランプ６０１が点灯することで、ユーザに対してアーム部２が射出部２９から脱落する危険性が高いことを報知することができる。また、第２報知部（重度警告ランプ）６０２が点灯することで、ユーザに対してアーム部２が射出部２９から脱落する危険性が非常に高いことを報知することができる。すなわち、本実施形態において報知部６０は、アーム部２が射出部２９から脱落する可能性を２段階でユーザに対して報知する。

　軽度警告ランプ６０１は、射出部２９の射出口近傍のアーム支持体１１ｃの外面に配設される。重度警告ランプ６０２は、軽度警告ランプ６０１に併設される。なお、軽度警告ランプ６０１と重度警告ランプ６０２とは、ユーザが見やすい位置であれば他の位置に設置されてもよい。例えば、軽度警告ランプ６０１と重度警告ランプ６０２とは、図示しないロボットアーム機構の操作装置に設けられてもよい。

　なお、本実施形態に係るロボットアーム機構は前段スイッチ５０１と後段スイッチ５０２とにそれぞれ対応する軽度警告ランプ６０１と重度警告ランプ６０２との２つの警告ランプを有するが、アーム部２が射出部２９から脱落する危険性を２段階で報知できるのであれば、１つの警告ランプで代替することができる。その際、例えば、制御部４１は、前段スイッチ５０１がＯＮし、脱落の危険性が高いときに警告ランプを黄色、後段スイッチ５０２がＯＮし、危険性が非常に高いときに警告ランプを赤色に点灯するように制御する。それによりユーザはアーム部２が射出部２９から脱落する危険性をランプの色で把握することができる。

　また、ユーザに対してアーム部２が射出部２９から脱落する危険性を報知できるのであれば、その報知方法は上記に限定されない。報知部６０はスピーカとして提供される。制御部４１は、脱落の危険性の重軽に応じて２種類の警告音を選択的にスピーカから出力する。それによりユーザは脱落の危険性を音の違いで把握することができる。また、報知部６０として表示部を有し、制御部４１により表示部にアーム部２が射出部２９から脱落する危険性に応じたテキスト情報等が表示されてもよい。ユーザは表示部に表示されたテキスト情報で脱落の危険性を把握することができる。

　図４は、本実施形態に係るロボットアーム機構のステッピングモータユニット３０の制御に関わる制御ブロック図である。　
　本実施形態に係るロボットアーム機構は、ステッピングモータユニット３０、ドライバユニット４０、制御部４１、通過検出部５０及び報知部６０を有する。通過検出部５０は前段スイッチ５０１と後段スイッチ５０２を有する。報知部６０は第１報知部６０１と第２報知部６０２とを有する。

　制御部４１は、ステッピングモータユニット３０を統括して制御する。具体的には、制御部４１は、モータドライバ４０１に対してパルス制御信号を出力する。パルス制御信号は、ステッピングモータ３０１に入力するステッピングパルスのパルス数、パルス周期等をパルス条件に関する制御信号である。

　制御部４１は、伸長距離の閾値に関するデータ保持する。伸長距離の閾値は、アーム部２が射出部２９から脱落するのを防止するための伸長距離に対応する。アーム部２の伸縮を制御できる状態は、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａに係合できている状態である。したがって、伸長距離の閾値は、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落しないための値を有する。制御部４１は、エンコーダパルスのカウントデータに応じたアーム部２の伸長距離を特定する。そして、アーム部２の伸長距離が閾値に達したのを契機に、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させるためのパルス制御信号をモータドライバ４０１に出力する。制御部４１は、前段通過信号が出力されたのを契機に、軽度警告ランプ６０１を点灯させるのとともに、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させるためのパルス制御信号をモータドライバ４０１に出力する。制御部４１は、後段通過信号が出力されたのを契機に、重度警告ランプ６１を点灯させるのとともに、電磁ブレーキ３０２を作動させるためのブレーキ制御信号をブレーキドライバ４０３に出力する。

　ステッピングモータユニット３０は、ステッピングモータ３０１、電磁ブレーキ３０２およびエンコーダ３０３を有する。ステッピングモータユニット３０は、第３関節部（直動関節部）Ｊ３の近傍に配置される。

　ステッピングモータ３０１は、アーム部２を直動伸縮させるための動力を発生する。具体的には、ステッピングモータ３０１は、モータドライバ４０１から供給されたステッピングパルスと駆動電流とに基づいて、コイルが順次励磁されることにより回転する。ステッピングモータ３０１の回転角はステッピングパルス数に比例し、回転角速度はパルス周波数に比例する。ステッピングモータ３０１により発生された回転動力は、変換機構によりアーム部２を直動伸縮させるための動力に変換され、第３関節部（直動関節部）Ｊ３に伝達される。それにより第３関節部（直動関節部）Ｊ３が作動し、アーム部２が直動伸縮する。ステッピングモータ３０１は、同一コイルが励磁状態になったとき、静止トルクを発生する。静止トルクは、静止状態のロータを回転させるために必要なトルクのことである。同一コイルが励磁状態になることで、当該コイルにより発生される磁気によりロータが固定される。静止トルクにより、ステッピングモータ３０１に対して制動力が発生される。

　電磁ブレーキ３０２は、制御部４１の制御に従って、ステッピングモータ３０１に対して制動力を発生する。具体的には、電磁ブレーキ３０２は、ステッピングモータ３０１の回転を停止させるためにシャフトにブレーキをかける。電磁ブレーキ３０２には、例えば、無励磁作動型の電磁ブレーキが適用される。無励磁作動型の電磁ブレーキ３０２は、励磁されていないとき、例えば、ステッピングモータ３０１のシャフトに連結されたブレーキライニングに圧力をかけることにより、シャフトにブレーキをかける。ステッピングモータ３０１の回転トルクが電磁ブレーキの制動力未満のとき、ステッピングモータ３０１の回転は停止される。一方、ステッピングモータ３０１の回転トルクが電磁ブレーキの制動力以上のとき、ステッピングモータ３０１は停止しない。一方、無励磁作動型の電磁ブレーキ３０２は、ブレーキドライバ４０２により励磁されることにより、シャフトにかけていたブレーキを解除する。それによりステッピングモータ３０１のシャフトはフリーとなり、回転可能になる。

　エンコーダ３０３は、ステッピングモータ３０１のシャフトに連結される。エンコーダ３０３は、シャフトに接続されたディスクが所定の角度を回転する毎に、エンコーダパルスを発生する。発生されたエンコーダパルスは、パルスカウンタ４０３に出力される。

　ドライバユニット４０は、モータドライバ４０１、ブレーキドライバ４０２、およびパルスカウンタ４０３を有する。ドライバユニット４０は、例えば、ステッピングモータユニット３０の近傍に配置される。

　モータドライバ４０１は、制御部４１の制御に従って、ステッピングモータ３０１の駆動および停止（静止）を制御する。具体的には、モータドライバ４０１は、図示しない電源供給部から供給された電力を用いて、ステッピングモータ４０１を駆動するための駆動電流を発生する。また、モータドライバ４０１は、制御部４１から出力されたパルス制御信号に応じたパルス（ステッピングパルス）を発生する。また、モータドライバ４０１は、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させるために、同一コイルを励磁状態にするためのステッピングパルスを発生する。それによりステッピングモータ３０１に静止トルクが発生する。アーム部２が動作しているときにステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させた場合、アーム部２に働いている力が静止トルク未満であれば、アーム部２の動作は停止される。一方、アーム部２に働いている力が静止トルク以上であれば、アーム部２の動作は停止されない。また、アーム部２が静止しているときにステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させているとき、静止トルクを上回る力がアーム部２に働かない限り、アーム部２の静止状態は維持される。

　ブレーキドライバ４０２は、制御部４１の制御に従って、電磁ブレーキ３０２を作動させる。　
　パルスカウンタ４０３は、エンコーダ３０３から出力されたエンコーダパルスをカウントする。パルスカウンタ４０３よりカウントされたカウントデータは制御部４１に対して出力される。

　（脱落防止機能）　
　図５は、本実施形態に係るロボットアーム機構の脱落防止機能を説明するためのフローチャートである。脱落防止機能は、アーム部２が射出部２９から脱落するリスクを低減するための機能である。脱落防止機能では、アーム部２の送り出し方向への移動を停止するために、ステッピングモータユニット３０が制御部４１により制御される。

　（ステップＳ１１）　
　制御部４１により、アーム部２の伸長距離が閾値に達したかが判定される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した場合はステップＳ１２に処理が移行される。アーム部２の伸長距離が閾値未満の場合は、ステップＳ１４に処理が移行される。

　（ステップＳ１２）　
　制御部４１の制御に従って、モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に静止トルクが発生される。このとき、電磁ブレーキ３０２の励磁状態は維持される。したがって、電磁ブレーキ３０２による制動力は発生していない。そして、処理がステップＳ１３に移行される。ステップＳ１２は脱落防止機能の１段階目に対応する。すなわち、脱落防止機能の１段階目のアーム部２の停止制御は、エンコーダパルスに基づいて計算されたアーム部２の伸長距離が閾値に達したときに作動する。１段階目のアーム部２の停止制御では、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させることで、ロータにブレーキをかけ、ステッピングモータ３０１の回転を停止が試みられる。

　（ステップＳ１３）　
　アーム部２を射出部２９に所定距離引き戻すためにステッピングモータ３０１が制御される。モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に所定距離戻すためのステッピングパルスが供給される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した後に、自動的に戻される距離は、予め設定されており適宜変更が可能である。

　（ステップＳ１４）　
　前段スイッチ５０１がＯＮしていないとき、ステップＳ１１に処理が戻る。ステップＳ１１とステップＳ１４との間の制御が行われている期間は正常にロボットアーム機構が動作している期間である。一方、前段スイッチ５０１がＯＮしたときは、処理がステップＳ１５に移行される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した（ステップＳ１１のＹＥＳ）後、ステップＳ１２、Ｓ１３の処理を経て前段スイッチ５０１がＯＮする状況は、例えば、ステップＳ１２の脱落防止機能における１段階目の停止制御で、ステッピングモータ３０１の回転が停止できず、アーム部２が送り出し方向に移動している状況が該当する。アーム部２の伸長距離が閾値に達していない（ステップＳ１１のＮＯ）にもかかわらず、前段スイッチ５０１がＯＮする状況は、正常にエンコーダが動作していない状況が該当する。エンコーダの故障等が原因で、エンコーダパルスのカウントから特定されたアーム部２の伸長距離は実際のアーム部２の伸長距離と一致しない状況下で、アーム部２の後端が前段スイッチ５０１を通過した状況である。

　（ステップＳ１５）　
　制御部４１により、軽度警告ランプ６０１が点灯される。

　（ステップＳ１６）　
　制御部４１の制御に従って、モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に静止トルクが発生される。このとき、電磁ブレーキ３０２の励磁状態は維持される。したがって、電磁ブレーキ３０２による制動力は発生していない。そして、処理がステップＳ１７に移行される。ステップＳ１５、Ｓ１６は脱落防止機能の２段階目に対応する。すなわち、脱落防止機能の２段階目のアーム部２の停止制御は前段スイッチ５０１がＯＮしたときに作動する。２段階目のアーム部２の停止制御では、１段階目と同様、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させることで、ロータにブレーキをかけ、ステッピングモータ３０１の回転を停止が試みられる。さらに、２段階目のアーム部２の停止制御では、軽度警告ランプ６０１が点灯される。それにより、例えば、ロボットアーム機構を操作しているユーザに対して、このままアーム部２が送り出し方向に移動されてしまうと、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落しまうことを報知することができる。ひいては、ユーザに対して、アーム部２の送り出し方向への移動を停止させることを促すことができる。

　（ステップＳ１７）　
　後段スイッチ５０２がＯＮしない限り、２段階目のアーム部２の停止制御が行われた状態で待機される。このような状況は、例えば、２段階目のアーム部２の停止制御で、アーム部２の送り出し方向への移動が停止された状況等が該当する。一方、後段スイッチ５０２がＯＮしたときは、処理がステップＳ１８に移行される。後段スイッチ５０２がＯＮする状況は、例えば、２段階目のアーム部２の停止制御で、ステッピングモータ３０１の回転が停止できず、アーム部２が送り出し方向に移動している状況が該当する。　
　（ステップＳ１８）　
　制御部４１により、重度警告ランプ６０２が点灯される。

　（ステップＳ１９）　
　制御部４１の制御に従って、ブレーキドライバ４０２により、電磁ブレーキ３０３が作動される。それにより、ステッピングモータ３０１に対して制動力が発生する。このとき、ステッピングモータ３０１の静止トルクは解除された状態である。ステップＳ１８、Ｓ１９は脱落防止機能の３段階目に対応する。すなわち、脱落防止機能の３段階目の停止制御は、後段スイッチ５０２がＯＮしたときに作動する。３段階目のアーム部２の停止制御では、電磁ブレーキ３０３を作動させることで、シャフトにブレーキをかけ、ステッピングモータ３０１の回転を停止が試みられる。さらに、３段階目のアーム部２の停止制御では、重度警告ランプ６０２が点灯される。それにより、例えば、ロボットアーム機構を操作しているユーザに対して、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落しまう寸前であることを報知することができる。ひいては、ユーザに対して、アーム部２の送り出し方向への移動をすぐに停止させることを促すことができる。このようなとき、例えば、ユーザは操作装置に設けられた緊急停止ボタンを押す。それにより、一般的なロボットアーム機構のメイン電源がＯＦＦにされる。したがって、例えば、何らかの要因でアーム部２が制御不能な暴走状態の場合は、緊急停止ボタンの操作で、その暴走を停止させることができる。また、脱落防止機能の３段階目が作動した後、所定時間経過後にメイン電源をＯＦＦにするための制御が制御部４１に行われてもよい。

　以上説明した本実施形態に係るロボットアーム機構が備える脱落防止機能によれば、リニアギア２２ａのドライブギア２４ａからの脱落を防止するために、アーム部２の送り出し方向への移動の停止制御（ステッピングモータ３０１の回転の停止制御）を、タイミングの異なる複数の段階（タイミング）で実行することができる。本実施形態に係る脱落防止機能は３段階の停止制御を有する。１段階目の停止制御は、アーム部２の伸長距離が閾値に達したときに行われる。１段階目の停止制御では、静止トルクによるステッピングモータ３０１の回転の停止が試みられる。１段階目の停止制御で停止しなかった場合、または何らかの要因で１段階目の停止制御が行われなかった場合には、２段階目の停止制御が行われる。上記の何らかの要因とは、例えば、エンコーダ３０３の故障等が該当する。２段階目の停止制御は、前段スイッチ５０１がＯＮになったタイミングで行われる。２段階目の停止制御では、再度、静止トルクによるステッピングモータ３０１の回転の停止が試みられる。２段階目の停止制御でも停止しなかった場合には、３段階目の停止制御が行われる。３段階目の停止制御では、電磁ブレーキ３０２を作動させることによるステッピングモータ３０１の回転の停止が試みられる。このように、本実施形態に係るロボットアーム機構の脱落防止機能によれば、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落するまでに、アーム部２の送り出し方向への移動の停止制御を複数の段階にわけて実行することができる。それにより何らかの要因でアーム部２の移動を停止できない状況にも対応することができる。何らかの要因には、エンコーダ３０３の故障、電磁ブレーキ３０２の故障、これらの装置を制御する制御装置の故障等が含まれる。したがって、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落するリスクを、何も対策を講じていない場合に比べて、低減することができる。

　なお、各段階で試みられるアーム部２の送り出し方向への移動の停止制御（ステッピングモータ３０１の回転の停止制御）は上述に限定されない。ステッピングモータ３０１の回転の停止動作には、以下の３つの停止動作がある。　
（１）静止トルクをＯＮ、電磁ブレーキをＯＦＦ　
（２）静止トルクをＯＦＦ、電磁ブレーキをＯＮ　
（３）静止トルクをＯＮ、電磁ブレーキをＯＮ
　図５で説明した１段階目の停止制御は（１）に代わって（２）でもよい。図５で説明した２段階目の停止制御は（１）に代わって（２）または（３）でもよい。図５で説明した３段階目の停止制御は（２）に代わって（１）または（３）でもよい。例えば、１段階目の停止制御で（２）、２段階目の停止制御で（１）、および３段階目の停止制御で（３）といったように、各段階で試みられる停止制御が変えることで、何らかの制御上の問題でステッピングモータ３０１に対して制動力を発生しないというリスクを低減することができる。また、上記の停止制御は（１）、（２）、（３）の順で制動力が大きい。そのため、１段階目の停止制御で（１）、２段階目の停止制御で（２）、および３段階目の停止制御で（３）といったように、徐々に制動力が大きくなるように停止制御を変えることで、ステッピングモータ３０１に対する制動力が小さいために、アーム部２の伸長が停止できないという状況を回避することができる。なお、脱落防止機能において、アーム部２の停止制御は２段階であってもよい。

　（変形例）　
　図６は、本実施形態の変形例に係るロボットアーム機構のステッピングモータユニット３０の制御に関わる制御ブロック図である。変形例に係る脱落防止機能において、アーム部２の停止制御は２段階で実行される。通過検出部５０３は、最後尾の第２連結コマ２２の通過を検出する。変形例では、通過検出部５０３は機械式の通過検出スイッチ５０３とする。通過検出スイッチ５０３はドライブギア２４ａの後方近傍に設置される。最後尾の第２連結コマ２２が通過検出スイッチ５０３を通過すると、スイッチングがＯＮされ、通過検出信号が制御部４１に対して出力される。それにより、通過検出スイッチ５０３はリニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落する直前を検出することができる。報知部６０３は、通過検出スイッチ５０３がＯＮしたことをユーザに対して報知する。変形例では、報知部６０３は警告ランプ６０３とする。警告ランプ６０３は射出部２９の射出口近傍のアーム支持体１１ｃの正面側に配設される。警告ランプ６０３は、制御部４１の制御に従って点灯する。

　図６は、変形例に係る脱落防止機能を説明するためのフローチャートである。

　（ステップＳ２１）　
　制御部４１により、アーム部２の伸長距離が閾値に達したかが判定される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した場合はステップＳ２２に処理が移行される。アーム部２の伸長距離が閾値未満の場合は、ステップＳ２４に処理が移行される。

　（ステップＳ２２）　
　制御部４１の制御に従って、モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に静止トルクが発生される。このとき、電磁ブレーキ３０２の励磁状態は維持される。したがって、電磁ブレーキ３０２による制動力は発生していない。そして、処理がステップＳ２３に移行される。ステップＳ２２は変形例に係る脱落防止機能の１段階目に対応する。すなわち、変形例に係る脱落防止機能の１段階目は、エンコーダパルスに基づいて計算されたアーム部２の伸長距離が閾値に達したときに作動する。１段階目の停止制御では、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させることで、ロータにブレーキをかけ、ステッピングモータ３０１の回転を停止が試みられる。

　（ステップＳ２３）　
　アーム部２を射出部２９に所定距離引き戻すためにステッピングモータ３０１が制御される。モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に所定距離戻すためのステッピングパルスが供給される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した後に、自動的に戻される距離は、予め設定されており適宜変更が可能である。

　（ステップＳ２４）　
　通過検出スイッチ５０３がＯＮしていないとき、ステップＳ２１に処理が戻る。ステップＳ２１とステップＳ２４との間の制御が行われている期間は正常にロボットアーム機構が動作している期間である。一方、通過検出スイッチ５０３がＯＮしたときは、処理がステップＳ２５に移行される。アーム部２の伸長距離が閾値に達した（ステップＳ２１のＹＥＳ）後、ステップＳ２２、Ｓ２３の処理を経て通過検出スイッチ５０３がＯＮする状況は、例えば、ステップＳ２２の脱落防止機能における１段階目の停止制御で、ステッピングモータ３０１の回転が停止できず、アーム部２が送り出し方向に移動している状況が該当する。アーム部２の伸長距離が閾値に達していない（ステップＳ２１のＮＯ）にもかかわらず、通過検出スイッチ５０３がＯＮする状況は、正常にエンコーダが動作していない状況が該当する。エンコーダの故障等が原因で、エンコーダパルスのカウントから特定されたアーム部２の伸長距離は実際のアーム部２の伸長距離と一致しない状況下で、アーム部２の後端が通過検出スイッチ５０３を通過した状況である。

　（ステップＳ２５）　
　制御部４１により、警告ランプ６０３が点灯される。

　（ステップＳ２６）　
　制御部４１の制御に従って、モータドライバ４０１によりステッピングモータ３０１に静止トルクが発生される。また、同時にブレーキドライバ４０２により電磁ブレーキ３０２が作動され、シャフトにブレーキがかかる。ステップＳ２５、Ｓ２６は変形例に係る脱落防止機能の２段階目に対応する。すなわち、変形例に係る脱落防止機能の２段階目の停止制御は通過検出スイッチ５０３がＯＮしたときに作動する。２段階目の停止制御では、ステッピングモータ３０１に静止トルクを発生させることで、ロータにブレーキをかけ、さらに、電磁ブレーキ３０２を作動させることでシャフトにブレーキをかける。この２つの停止制御により、アーム部２の送り出し方向への移動の停止が試みられる。さらに、２段階目のアーム部２の停止制御では、警告ランプ６０３が点灯される。それにより、例えば、ロボットアーム機構を操作しているユーザに対して、このままアーム部２が送り出し方向に移動されてしまうと、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落しまうことを報知することができる。ひいては、ユーザに対して、アーム部２の送り出し方向への移動を停止させることを促すことができる。

　以上説明した変形例に係る脱落防止機能によれば、本実施形態における３段階の停止制御を有する脱落防止機能と同様の効果を得られる。つまり、リニアギア２２ａがドライブギア２４ａから脱落するリスクを、何も対策を講じていない場合に比べて、低減することができる。

　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…基部、２…アーム部、３…手先効果器、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２０…第２連結コマ列、２１…第１連結コマ列、２２…第２連結コマ、２３…第１連結コマ、２６…結合コマ、２９…射出部、３０…ステッピングモータユニット、３０１…ステッピングモータ、３０２…電磁ブレーキ、３０３…エンコーダ、４０…ドライバユニット、４１…制御部、４０１…モータドライバ、４０２…ブレーキドライバ、４０３…パルスカウンタ、５０…報知部、５０１…第１報知部（前段スイッチ）、５０２…第２報知部（後段スイッチ）、６０…報知部、６０１…第１報知部（軽度警告ランプ）、６０２…第２報知部（重度警告ランプ）

Claims

　アーム部と前記アーム部を直動伸縮する機構とを有する直動伸縮関節と、
　前記アーム部を直動伸縮させるための動力を発生するステッピングモータと、
　前記ステッピングモータを駆動するモータドライバと、
　前記ステッピングモータのドライブシャフトが所定の角度を回転する毎にエンコーダパルスを出力するエンコーダと、
　前記エンコーダパルスのカウントに応じた前記アーム部の長さが、前記アーム部の脱落防止のために設定された閾値に達したとき、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御する制御部と、を具備するロボットアーム機構。
　前記ステッピングモータが回転する動力を前記アーム部を直動伸縮させるための動力に変換する変換機構をさらに具備し、
　前記変換機構は前記ステッピングモータと共に回転するドライブギアと、前記ドライブギアに係合し、前記アーム部に設けられるリニアギアとを有し、
　前記静止トルクが発生されたとき、前記ドライブギアと前記リニアギアとの係合状態は維持される、請求項１記載のロボットアーム機構。
　前記ドライブギアの後方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する通過検出部をさらに具備し、
　前記制御部は前記通過検出部からの出力に基づいて、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御する、請求項１記載のロボットアーム機構。
　前記ステッピングモータの回転を停止するための制動力を発生する電磁ブレーキと、
　前記電磁ブレーキを駆動するブレーキドライバと、
　前記ドライブギアの後方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する通過検出部と、をさらに具備し、
　前記制御部は前記通過検出部からの出力に基づいて、前記電磁ブレーキを作動させるために前記ブレーキドライバを制御する、請求項１記載のロボットアーム機構。
　前記ステッピングモータの回転を停止するための制動力を発生する電磁ブレーキと、
　前記電磁ブレーキを駆動するブレーキドライバと、
　前記ドライブギアの後方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する通過検出部と、をさらに具備し、
　前記制御部は前記通過検出部からの出力に基づいて、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御するとともに、前記電磁ブレーキを作動させるために前記ブレーキドライバを制御する、請求項１記載のロボットアーム機構。
　前記ステッピングモータの回転を停止するための制動力を発生する電磁ブレーキと、
　前記電磁ブレーキを駆動するブレーキドライバと、
　前記ドライブギアの後方であって、前記通過検出部の前方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する他の通過検出部と、をさらに具備し、
　前記制御部は前記他の通過検出部からの出力に基づいて、前記電磁ブレーキを作動させるために前記ブレーキドライバを制御する、請求項３記載のロボットアーム機構。
　前記ステッピングモータの回転を停止するための制動力を発生する電磁ブレーキと、
　前記電磁ブレーキを駆動するブレーキドライバと、
　前記ドライブギアの後方であって、前記通過検出部の前方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する他の通過検出部と、をさらに具備し、
　前記制御部は前記他の通過検出部からの出力に基づいて、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御するとともに、前記電磁ブレーキを作動させるために前記ブレーキドライバを制御する、請求項３記載のロボットアーム機構。
　前記ドライブギアの後方であって、前記通過検出部の前方の所定位置に配置され、前記アーム部の後端の通過を検出する他の通過検出部をさらに具備し、
　前記制御部は前記他の通過検出部からの出力に基づいて、静止トルクを発生させるために前記モータドライバを制御するとともに、前記電磁ブレーキを作動させるために前記ブレーキドライバを制御する、請求項４記載のロボットアーム機構。