JP2016129912A - 多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】流体圧により駆動が可能であって、且つ、対象物の重量を検出可能な多関節ロボットを提供すること。【解決手段】実施形態の多関節ロボット１は、リンク機構１２と、流体圧機構１３と、圧力検出装置４６と、制御装置１４と、を備える。リンク機構１２は、複数の回転関節２２、複数のリンク２１、並びに、回転関節２２に対してリンク２１をそれぞれ回動させる、シリンダ３１及びピストン３２を備える複数のアクチュエータ２３を備える。流体圧機構１３は、アクチュエータ２３を駆動する。圧力検出装置４６は、リンク２１に対象物１００が支持された状態でアクチュエータ２３を駆動したときのシリンダ３１内の圧力を検出する。制御装置１４は、圧力検出装置４５で検出したシリンダ３１内の圧力及びシリンダ３１の面積からアクチュエータ２３の推力を求め、回転関節２２からリンク２１の先端までの距離Ｌと推力から回転関節２２の関節トルクτを求め、関節トルクτ並びに回転関節２及びリンク２１のヤコビ行列ＪＴから対象物１００の重量ｆを求める。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、多関節ロボットに関する。

従来から、高い応答性を有する多関節ロボットとして、電動モータを用いてアームを駆動する技術が知られている。しかし、電動モータは出力が小さいことから、可搬重量を大きくするためには、電動モータの大型化及びアームの大型化が必要であった。

また、ロボットを用いて対象物を搬送する場合には、対象物の重量を検出できる機能の要望もある。このため、アームの手先に力覚センサを設ける技術も知られている。

特開２０１３−１２４４６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、流体エネルギを用いて駆動することが可能であって、且つ、対象物の重量を検出可能な多関節ロボットを提供することにある。

実施形態の多関節ロボットは、リンク機構と、流体圧機構と、圧力検出装置と、制御装置と、を備えている。リンク機構は、複数の回転関節、前記回転関節に接続された複数のリンク、並びに、前記回転関節に対して前記リンクをそれぞれ回動させる、シリンダ及びピストンを備える複数のアクチュエータを備える。流体圧機構は、前記アクチュエータを駆動する。圧力検出装置は、前記リンクに対象物が支持された状態で前記アクチュエータを駆動したときの前記シリンダ内の圧力を検出する。制御装置は、前記圧力検出装置で検出した前記シリンダ内の圧力及び前記シリンダの面積から前記アクチュエータの推力を求め、前記回転関節から前記リンクの先端までの距離と前記推力から前記回転関節の関節トルクを求め、前記関節トルク並びに前記回転関節及び前記リンクのヤコビ行列から前記対象物の重量を求める。

一実施形態に係る多関節ロボットの構成を模式的に示す説明図。 同多関節ロボットの構成を模式的に示す説明図。 同多関節ロボットの一の回転関節におけるアームの駆動時における圧力変動のグラフを示す説明図。

ここでは、一実施形態として、流体の圧力エネルギを用いて駆動する流体機構を有し、且つ対象物の重量を検出することが可能な多関節ロボットについて説明する。

以下、一実施形態に係る多関節ロボット１を、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は一実施形態に係る多関節ロボット１の構成を模式的に示す説明図、図２は多関節ロボット１の構成を模式的に示す説明図、図３は多関節ロボット１の一の回転関節２２を中心としたリンク２１の駆動時の圧力変動のグラフを示す説明図である。

ここでは、流体の圧力を用いて駆動するものの一例として、油圧機構を用いている。流体圧機構は、流体の圧力エネルギを利用して駆動するものであれば良い。よって、本実施の形態では、油圧機構の他、気体（例えば、空気）、あるいは液体（例えば、水）を用いた機構を使用することができる。

図１に示すように、多関節ロボット１は、ベース１１と、ベースに設けられたアーム１２と、アーム１２を駆動する油圧機構１３（流体圧機構の一例）と、油圧機構１３を制御する制御装置１４と、を備えている。多関節ロボット１は、アーム１２により対象物を持ち上げて、搬送元から搬送先へ搬送することが可能に形成されている。

ベース１１は、多関節ロボット１を設置する設置面に固定さる。ベース１１は、例えば、多関節ロボット１の腰部等を構成する。ベース１１は、アーム１２の方向を変更可能に、例えば、重力方向に対して旋回可能に形成されている。ベース１１は、例えば、電動モータにより旋回される。

アーム１２は、ベース１１に設けられる。アーム１２は、複数のリンク２１と、リンク２１を接続する複数の回転関節２２と、回転関節２２を中心にリンク２１を回動させる複数のアクチュエータ２３と、を備えている。

また、アーム１２は、先端のリンク２１に、電動モータ等により駆動されるハンド等のエンドエフェクタを備えている。アーム１２は、ベース１１に複数設けられる。本実施形態においては、図２に示すように、アーム１２を２つ有する多関節ロボット１を用いて、以下説明する。

リンク２１は、隣り合うリンク２１と回転関節２２により連接される。
回転関節２２は、リンク２１を回転可能に、リンク２１同士を接続する。

アクチュエータ２３は、シリンダ３１及びピストン３２を備えている。アクチュエータ２３は、シリンダ３１のピストン３２により仕切られ、ピストン３２の位置により容積が可変する２つの油圧室を備えている。アクチュエータ２３は、当該２つの油圧室が油圧機構１３に接続される。アクチュエータ２３は、回転関節２２と同数設けられる。アクチュエータ２３は、ピストン３２の移動によって、リンク２１が回転関節２２を中心に回動する。なお、ピストン３２は、シリンダ３１から突出するピストンロッドにより、リンク２１を回動させる。

油圧機構１３は、ポンプ４１、第１配管４２、切替弁４３及び第２配管４４を備えている。また、油圧機構１３は、ポンプ４１から吐出された作動油の温度を検出する温度検出装置４５と、アクチュエータ２３及び切替弁４３の間の油圧を検出する圧力検出装置４６と、を備えている。

ポンプ４１は、作動油を増圧して吐出する。ポンプ４１は、モータを備えている。ポンプ４１は、制御装置１４に接続されている。

第１配管４２は、ポンプ４１及び切替弁４３を接続する。第１配管４２は、ポンプ４１から吐出される作動油の流路を構成する。

切替弁４３は、第１配管４２に接続される。切替弁４３は、２つの第２配管４４に接続される。切替弁４３は、信号線９９を介して制御装置１４に接続される。切替弁４３は、例えば、内部に異なる２つの流路を有する。切替弁４３は、当該２つの流路を切り替えることで、２つの第２配管４４の一方に選択的に作動油を流す。また、切替弁４３は、作動油を流す第２配管４４とは他方の第２配管４４からの作動油の戻り流路を構成する。

第２配管４４は、切替弁４３に接続される。２つの第２配管４４は、アクチュエータ２３の２つの油圧室にそれぞれ接続される。

温度検出装置４５は、第１配管４２に設けられる。温度検出装置４５は、信号線９９を介して制御装置１４に接続される。温度検出装置４５は、第１配管４２を通過する作動油の温度（油温）を検出する。温度検出装置４５は、検出した油温を制御装置１４に送信する。

圧力検出装置４６は、内部に歪みゲージを有し、作動油の圧力による歪み量から圧力を検出可能な圧力センサである。圧力検出装置４６は、第２配管４４にそれぞれ設けられる。圧力検出装置４６は、信号線９９を介して制御装置１４に接続される。圧力検出装置４６は、アクチュエータ２３に接続された第２配管４４内の圧力（油圧）を検出する。圧力検出装置４６は、検出した圧力を制御装置１４に送信する。

制御装置１４は、モータの駆動を制御する。制御装置１４は、切替弁４３の作動油の流れを切り替える。制御装置１４は、温度検出装置４５で検出された温度に対する補正値が記憶された記憶部５１を備えている。また、制御装置１４は、情報を表示するディスプレイ等の表示部５２を備えている。

また、制御装置１４は、以下の機能（１）乃至（３）を有している。
（１）対象物１００を搬送する機能
（２）対象物１００の重量を検出する機能
（３）対象物１００の重心を検出する機能
次に、上述の機能（１）乃至機能（３）について説明する。
機能（１）は、油圧機構１３によりアクチュエータ２３を駆動することで、リンク２１を駆動させて対象物１００を搬送する機能である。具体的には、ポンプ４１を駆動するとともに、対象物１００にアーム１２のエンドエフェクタが当接するように切替弁４３を切り替えて、リンク２１を回動させる。次に、エンドエフェクタの電動モータを駆動して、エンドエフェクタにより対象物１００を保持させる。

次に、切替弁４３を切り替えて、リンク２１を回動させることで対象物１００を搬送先に移動させる。その後、エンドエフェクタを駆動して、対象物１００の保持を解除する。なお、対象物１００の搬送に必要であれば、腰部の電動モータを駆動し、アーム１２の向きを変更させる。このように、機能（１）は、油圧機構１３を制御してアクチュエータ２３を駆動し、且つ、電動モータを制御して、２つのアーム１２によって対象物１００を搬送元から搬送先に搬送する機能である。

機能（２）は、２つのアーム１２によって対象物を搬送するときに、対象物１００の重量を検出する機能である。具体的には、先ず、機能（１）によって対象物１００を搬送するときに、対象物１００をアーム１２によって持ち上げたときの、シリンダ３１の圧力を検出する。より具体的には、２つの圧力検出装置４６によって検出されたシリンダ３１の２つの油圧室の圧力の差を検出する。

即ち、図３に示すように、対象物１００の持ち上げ前から対象物１００の持ち上げ中とり、対象物１００の重量がアーム１２に加わると、圧力が変動する。さらに、完全に対象物１００が持ち上がり、対象物１００の全重量がアーム１２に加わると、圧力の変動が安定する。この対象物１００の全重量がアーム１２に加わったときの、シリンダ３１の２つの油圧室に加わる圧力差ｕを検出する。なお、図３にそれぞれ対象物１００が０ｋｇｆ（対象物１００なし）、１４ｋｇｆ、２８ｋｇｆである場合の例を示すように、対象物１００の重量が異なる場合には、シリンダ３１の油圧室に加わる圧力差ｕが異なる。

次に、当該圧力差ｕ、回転中心距離Ｌ、シリンダ３１の開口面積Ａ、アクチュエータ２３の効率ηから、以下の式（１）により関節トルクτを求める。なお、回転中心距離Ｌとは、リンク２１の回転中心（回転関節２２）からリンク２１の端部までの長さである。シリンダ３１の開口面積Ａとは、ピストン３２の有効面積である。アクチュエータ２３の効率ηとは、シリンダ３１とピストン３２の間に設けられるシール部材の摩擦等である。

これら回転中心距離Ｌ、シリンダ３１の開口面積Ａ及びアクチュエータ２３の効率ηは、多関節ロボット１の設計時に、又は、製造後の測定等により予め求められ、記憶部５１に予め記憶される。

τ＝Ｌ×（ｕ×Ａ×η） （１）
なお、ここで、ｕ×Ａ×ηはアクチュエータ２３の推力となる。

次に、求めた各関節トルクτと、ヤコビ行列Ｊ^Ｔから、以下の式（２）によりアーム１２の先端、即ちハンドセットに加わる対象物１００の重量ｆを求める。なお、ヤコビ行列Ｊ^Ｔとは、多関節ロボット１の設計値である。

τ＝Ｊ^Ｔ×ｆ （２）
次に、温度検出装置４５で検出された温度から、記憶部５１に記憶された複数の補正値の一を選択し、当該選択された補正値に基づいて求めた重量ｆを補正する。また、当該求めた重量ｆを例えば表示部５２に表示する。このように、機能（２）は、多関節ロボット１の設計値、並びに、温度検出装置４５及び圧力検出装置４６の検出値から、対象物１００の重量ｆを導出する機能である。なお、アーム１２が２本の場合においては、各アーム１２から求めた重量ｆの和が対象物１００の総重量Ｗとなる。

機能（３）は、機能（２）で求めた対象物１００の重量ｆ（総重量Ｗ）から、対象物１００の重心を求める方法である。具体的には、図２に示すように、一方のアーム１２で求めた重量をｆｒとし、他方のアーム１２で求めた重量をｆｌとした場合、総重量Ｗ＝ｆｒ＋ｆｌとなる。

ここで、以下の回転釣り合いの式（３）及び幾何学条件の式（４）から対象物１００の重心Ｐを求める。なお、以下の式において、Ｐａは、一方のアーム１２のハンドセットから対象物１００の重心Ｐまでの距離、Ｐｂは他方のアーム１２のハンドセットから対象物１００の重心Ｐまでの距離である。また、Ｔは、対象物１００のサイズであり、換言すると、Ｔは、一対のアーム１２のハンドセット間の対象物１００の距離である。

Ｐａ×ｆｒ＝Ｐｂ×ｆｌ （３）
Ｔ＝Ｐａ＋Ｐｂ （４）
このように、機能（３）は、アーム１２間の対象物１００の重心Ｐを求める機能である。

このように構成された多関節ロボット１によれば、制御装置１４の機能（１）により、油圧機構１３によりアクチュエータ２３を制御することで、対象物１００を所定の位置に搬送することが可能となる。このため、高い可搬重量を有する多関節ロボット１とすることが可能となる。

また、多関節ロボット１は、制御装置１４の機能（２）及び機能（３）により、対象物１００の搬送時に、対象物１００の重量ｆ及び重心Ｐを検出可能となる。即ち、多関節ロボット１は、別途力覚センサをアーム１２に設ける必要がない構成である。本実施形態の多関節ロボット１においては、油圧機構１３を制御するために必要な圧力検出装置４６を用いることで対象物１００の重量ｆ及び重心Ｐを検出する構成である。このため、多関節ロボット１の製造コストを増加させることがなく、安価に製造することが可能となり、且つ、対象物１００の重量ｆ及び重心Ｐを検出することが可能となる。

また、多関節ロボット１は、関節トルクτ及びヤコビ行列Ｊ^Ｔから対象物１００の重量ｆを求めるため、対象物１００の位置やアーム１２の姿勢に応じて対象物１００の重量ｆ及び重心Ｐを求めることが可能となる。また、多関節ロボット１は、油温に基づいて求めた補正値により重量ｆを補正することで、油温の上昇に伴う作動油の粘性の変化等による推力の変化に対して補正することが可能となる。このため、多関節ロボット１は、高い精度で重量ｆ及び重心Ｐを求めることが可能となる。

さらに、力覚センサに比べ、温度検出装置４５及び圧力検出装置４６は、高い耐衝撃性を有することから、多関節ロボット１の故障を防止可能となる。

また、このような多関節ロボット１は、例えば、製造ラインや納品ライン等で用いる場合には、部品（対象物１００）の搬送忘れや部品の異常等を検出することが可能となる。

例えば、制御装置１４の記憶部５１に、予め部品の重量ｆ及び重心Ｐを閾値として記憶させ、部品を搬送するときに、部品の重量ｆ及び重心Ｐを求め、記憶部５１に記憶された閾値と比較する。部品の重量ｆ及び重心Ｐが閾値の範囲内であれば正常と判断し、部品の重量ｆ及び重心Ｐが閾値の範囲外である場合は異常と判断する。異常と判断した場合には、制御装置１４は、表示部５２に当該情報を表示し、監視員に異常を報知する。

また、例えば、制御装置１４の記憶部５１に搬送する複数の部品の情報を閾値として記憶させ、一連の組み立て工程において、全ての部品が搬送されたか否かを求めた部品の重量ｆと記憶部５１に記憶された閾値と比較する。当該重量ｆと閾値とが同じである場合には正常と判断し、部品の一部が搬送されていない場合には、部品の組み立て抜けがあるとして異常と判断し、同様に、制御装置１４が表示部５２を介して当該異常を報知する。

このように、多関節ロボット１は、検出した重量ｆ及び重心Ｐのデータから、搬送時の異常を検出することも可能となる。

上述したように本実施形態に係る多関節ロボット１によれば、油圧機構により駆動することが可能であって、且つ、対象物１００の重量を検出することが可能となる。

なお、本実施形態に係る多関節ロボット１は、上述した構成に限定されない。例えば、多関節ロボット１は、複数のアーム１２を用いる構成を説明したがこれに限定されない。例えば、ハンドセットによって対象物１００を把持する一のアーム１２であってもよい。但し、一のアーム１２により構成される多関節ロボット１の場合には、重量ｆを検出可能であるが、重心Ｐを検出することができない。また、アーム１２を３つ以上備える多関節ロボット１であってもよい。アーム１２の数が増えることで、対象物１００の重心Ｐを多軸方向で検出することが可能となる。

即ち、アーム１２を２つ用いる場合には、２つのアーム１２間を結ぶ一方向における重心Ｐを求めることが可能であり、アーム１２を３つ用いる場合には、３つのアーム１２間の重心Ｐ、即ち面方向における重心Ｐを求めることが可能である。さらに、アーム１２を４つ以上用いる場合には、アーム１２により対象物１００を保持する位置に応じて３軸方向における重心Ｐを求めることも可能となる。

また、上述した例では、多関節ロボット１は、リンク機構として複数のリンク２１及び回転関節２２を備えるアーム１２を用いる構成を説明したがこれに限定されず、複数のリンク２１及び回転関節２２を有する構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、多関節ロボット１は、リンク機構としてその上部に対象物１００が載置される複数の脚部をリンク機構として有する構成であってもよく、同様に、リンク機構が腰部であってもよい。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…多関節ロボット、１１…ベース、１２…アーム、１３…油圧機構（流体圧機構）、１４…制御装置、２１…リンク、２２…回転関節、２３…アクチュエータ、３１…シリンダ、３２…ピストン、４１…ポンプ、４２…第１配管、４３…切替弁、４４…第２配管、４５…温度検出装置、４６…圧力検出装置、５１…記憶部、５２…表示部、９９…信号線、１００…対象物。

Claims (5)

1. 複数の回転関節、前記回転関節に接続された複数のリンク、並びに、前記回転関節に対して前記リンクをそれぞれ回動させる、シリンダ及びピストンを備えるアクチュエータを複数備えるリンク機構と、
   前記アクチュエータを駆動する流体圧機構と、
   前記リンクに対象物が支持された状態で前記アクチュエータを駆動したときの前記シリンダ内の圧力を検出する圧力検出装置と、
   前記圧力検出装置で検出した前記シリンダ内の圧力及び前記シリンダの面積から前記アクチュエータの推力を求め、前記回転関節から前記リンクの先端までの距離と前記推力から前記回転関節の関節トルクを求め、前記関節トルク並びに前記回転関節及び前記リンクのヤコビ行列から前記対象物の重量を求める制御装置と、
   を備えることを特徴とする多関節ロボット。
2. 前記リンク機構は複数設けられ、
   前記制御装置は、複数の前記リンク機構のそれぞれで求められた前記対象物の前記重量から、前記対象物の重心を求めることを特徴とする請求項１に記載の多関節ロボット。
3. 前記制御装置は、前記重量及び前記対象物のサイズから前記対象物の重心を求めることを特徴とする請求項２に記載の多関節ロボット。
4. 前記流体圧機構に設けられ、前記アクチュエータを駆動する作動油の油温を検出する温度検出装置と、
   前記制御装置で求めた前記重量を前記油温に基づいて補正する補正値が複数記憶された記憶部と、を備え、
   前記制御装置は、前記温度検出装置で検出された前記油温に基づいて、前記記憶部に記憶された前記補正値を選択し、前記選択した前記補正値に基づいて、求めた前記対象物の前記重量を補正することを特徴とする請求項２に記載の多関節ロボット。
5. 前記リンク機構はアームであることを特徴とする請求項１に記載の多関節ロボット。