JP2019206058A - 多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって、動作停止時におけるロボットアームの形状を保持させるための技術を提供する。【解決手段】多関節ロボットは、ロボットアームの一部を形成し、当該ロボットアームが備える他のリンクと着脱可能に結合する第１の結合部を備える第１のリンクと、第１のリンクと直接的に又は間接的に接続され、接続されるリンクを互いに旋回させる第１の関節と、第１の関節と直接的に又は間接的に接続されると共に、第１の関節を介して第１のリンクと接続され、第１の結合部と結合する第２の結合部を備える第２のリンクとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多関節ロボットに関する。

従来、ロボットアームをその回転軸線周りに回転可能に支持するアーム支持部に設けられた係止機構と、回転軸線周りにロボットアームと一体に回転する回転部材であって、係止機構によって解放可能に係止されて回転方向の両方向において移動不能とされる回転部材とを備える装置が提案されていた（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−１８７８５８号公報

多関節ロボットは、関節の動きを固定する手段を備えていない場合、動作を停止したときに関節の角度を維持することができない。よって、例えばアームが垂れ下がり、周囲に存在する物と接触するおそれがある。また、例えば停止したロボットを運搬する際に、アームの形状が変化すると扱いづらい。

一方、関節の内部又は外部に、関節の動きを固定させるための手段を追加する場合、ロボットの形状が大型化したり、重量が増加したりするという問題があった。また、ロボットの動作停止時に関節の動きを固定させた後は、ユーザの手ではアームの関節を動かすことができないという不便もあった。

本発明は、簡易な構成によって、動作停止時におけるロボットアームの形状を保持させるための技術を提供することを目的とする。

本発明に係る多関節ロボットは、ロボットアームの一部を形成し、当該ロボットアームが備える他のリンクと着脱可能に結合する第１の結合部を備える第１のリンクと、第１のリンクと直接的に又は間接的に接続され、接続されるリンクを互いに旋回させる第１の関節と、第１の関節と直接的に又は間接的に接続されると共に、第１の関節を介して第１のリンクと接続され、第１の結合部と結合する第２の結合部を備える第２のリンクとを備える。

このようにすれば、第１の関節でロボットアームを折り返し、第１のリンクと第２のリンクとを結合させることができ、コンパクトに収容することができる。すなわち、簡易な構成によって、動作停止時におけるロボットアームの形状を保持させることができる。

また、第１の関節に一端が接続される第３のリンクと、第３のリンクの他端と直接的に又は間接的に接続され、接続されるリンクを互いに回転させる第２の関節とをさらに含み、第２のリンクは、第２の関節と直接的に又は間接的に接続されると共に、当該第２のリンクを介して第１の関節と接続されるようにしてもよい。このようにすれば、第２の関節によって第２のリンクを回転させることで、第１のリンクと第２のリンクとの結合を解除することができる。

また、第１の結合部と第２の結合部とが結合した状態において、第１の関節から第１の結合部までのロボットアームの表面と、第１の関節から第２の結合部までのロボットアームの表面との間に間隙が設けられるようにしてもよい。このようにすれば、第１のリンクと第２のリンクとを結合させる際にロボットアームの間にユーザが手などを挟むおそれが低減される。

また、第１の結合部及び第２の結合部は、互いに吸着する磁石、又は互いに着脱可能な面ファスナーを含むようにしてもよい。具体的には、このような手段により結合部を形成することができる。

また、ロボットアームが備える複数の関節と電気的に接続され、複数の関節の回転角を制御すると共に、多関節ロボットに対する動作を停止させる指示を検知した場合に、第１の結合部と第２の結合部とが結合する姿勢にロボットアームを変位させ、又は前記ロボットアームが垂れ下がるまでその速度を減速させ、多関節ロボットの動作を停止させる制御部をさらに備えるようにしてもよい。このようにすれば、多関節ロボットの動作停止時にはロボットアームの姿勢を所定の形状に保持したり、緩やかに垂れ下がるようにすることができる。したがって、停止後にロボットアームが勢いよく垂れ下がり、周囲の物と接触するようなことを抑制でき、安全性を向上させることができる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段の内容は、コンピュータ等の装置若しくは複数の装置を含むシステム、コンピュータが実行する方法、又はコンピュータに実行させるプログラムとして提供することができる。なお、プログラムを保持する記録媒体を提供するようにしてもよい。

簡易な構成によって、動作停止時におけるロボットアームの形状を保持させるための技術を提供することができる。

多関節ロボットの一例を示す斜視図である。 多関節ロボットのロボットアームを垂らした姿勢を表す斜視図である。 多関節ロボットの一例を示す正面図である。 多関節ロボットの一例を示す右側面図である。 多関節ロボットの構成を模式的に表す図である。 係留状態における、結合部周辺の拡大図である。 結合を解除した状態における、結合部周辺の拡大図である。 多関節ロボットが動作を停止する場合に行う処理の一例を示す処理フロー図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る多関節ロボットの一例を示す斜視図である。図２は、多関節ロボットの他の姿勢を表す斜視図である。図３は、多関節ロボットの一例を示す正面図である。図４は、多関節ロボットの一例を示す右側面図である。多関節ロボット１は、７軸の自由度を有するロボットアームを両腕に備え、人間の上半身を模したロボットである。図１、図３及び図４は、ロボットアームのエンドエフェクタ側（手先側）の一部と、ベース側（胴体側）の一部とを結合し、ロボットアームを折り畳んだ姿勢の多関節ロボット１
を表している。図２は、ロボットアームを垂らした姿勢の多関節ロボット１を表している。本実施形態に係る多関節ロボット１は、図１、図３及び図４に示すようにロボットアームを係留し、その姿勢を維持することができる。

ロボットアームは一般的なマニピュレータであり、可動せず一体に変位する骨格部材であるリンクと、リンク間を接続し、所定の回転軸を基準として接続されるリンクを互いに変位させる関節とを交互に備える。多関節ロボット１は、リンク１１〜１７と、リンク間を接続する関節２１〜２７を備えている。なお、リンク１１〜１７及び関節２１〜２７を、ロボットアームと呼ぶものとする。多関節ロボット１は、左右対称にロボットアームを２つ有している。

また、ロボットアームは、関節にサーボモータを内蔵すると共に、サーボモータの回転角を制御する制御装置（図示せず）と信号線を介して接続される。制御装置は、多関節ロボット１に内蔵されるものであってもよいし、外付けされるものであってもよい。また、制御装置は、インターネットやＬＡＮ（Local Area Network）等の通信網を介して接続され、いわゆるクラウド上でサービスを提供する装置であってもよい。本実施形態におけるサーボモータは、例えば、ブレーキを内蔵していないものとする。

また、図１〜図４に示すように、多関節ロボット１の頭部及び胸部には、それぞれ撮像装置４１及び撮像装置４２を備える。撮像装置４１及び撮像装置４２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等を利用したイメージセンサを備えるデジタルカメラであってもよいし、さらに深度を測定できるＲＧＢ−Ｄカメラ等であってもよい。２つの撮像装置を備えることにより、多関節ロボット１が何らかのワークを扱う場合に、ロボットアームの死角を減らすことができる。また、多関節ロボット１は、その胴体部分等にも関節を有するが、説明は省略する。

また、多関節ロボット１が備えるリンク等の材料は特に限定されず、樹脂や金属、カーボン等を利用することができる。また、成形方法も特に限定されず、塑性加工や射出成型により製造してもよいし、３Ｄプリンタを利用して造形してもよい。

＜ロボットアームの構成＞
図１〜図４に示すように、多関節ロボット１は、その胴体部分の一部であるリンク（ベース）１１と、リンク１１の一端に接続される関節２１と、関節２１を介してリンク１１に一端が接続されるリンク１２と、リンク１２の他端に接続される関節２２と、関節２２を介してリンク１２に一端が接続されるリンク１３と、リンク１３の他端に接続される関節２３と、関節２３を介してリンク１３に一端が接続されるリンク１４と、リンク１４の他端に接続される関節２４と、関節２４を介してリンク１４に一端が接続されるリンク１５と、リンク１５の他端に接続される関節２５と、関節２５を介してリンク１５に一端が接続されるリンク１６と、リンク１６の他端に接続される関節２６と、関節２６を介してリンク１６に一端が接続されるリンク１７と、リンク１７の他端に接続される関節２７とを含む。図１及び図２において、ロボットアームの内部に存在する関節は破線の引出線で示している。また、ロボットアームの先端には、エンドエフェクタ３を備える。図１〜図４に示すエンドエフェクタ３は、いわゆる二指グリッパである。

また、図２及び図４に示すように、リンク１４は結合部１４１を備え、リンク１６は結合部１６１を備えている。結合部１４１及び結合部１６１は、それぞれリンク内に埋め込まれた永久磁石を含む。そして、結合部１４１と結合部１６１とは、互いに磁力で吸着する。すなわち、結合部１４１及び結合部１６１は、磁力により着脱可能に結合するリンク１４及びリンク１６の一部である。また、結合部１４１及び結合部１６１の表面はそれぞれ平面等であり、所定の面積が接触する。なお、ロボットアームを折り畳み、結合部１４
１と結合部１６１とを結合させた姿勢を、「係留状態」とも呼ぶものとする。また、リンク１４は、本発明に係る「第１のリンク」の一例であり、リンク１６は、本発明に係る「第２のリンク」の一例であり、リンク１５は、本発明に係る「第３のリンク」の一例である。また、関節２４は、本発明に係る「第１の関節」の一例であり、関節２５は、本発明に係る「第２の関節」の一例である。また、結合部１４１は、本発明に係る「第１の結合部」の一例であり、結合部１６１は、本発明に係る「第２の結合部」の一例である。

図５は、本実施形態に係る多関節ロボットの構成の一部を模式的に表す図である。図５に示すロボットアームは、リンク１１〜１７、リンク間を接続する関節２１〜２７、及びエンドエフェクタ３を含み、制御部５と接続されている。また、リンク１４は結合部１４１を備え、リンク１６は結合部１６１を備える。図５においては、リンクを太い直線で表し、関節を双円錐又は二重の円（楕円）で表す。双円錐は、モータの回転軸が接続されるリンクの中心軸と一致し、接続されるリンクを回転運動させる関節を表す。すなわち、双円錐で表された関節は、一点鎖線の矢印で示すように、円錐の頂点同士を連結する軸（図示せず）を中心に、円錐の頂点に接続されたリンクを互いに回転させる。なお、接続されるリンクを回転運動させる関節を、便宜上「回転関節」とも呼ぶ。また、二重の円は、モータの回転軸が接続されるリンクの中心軸と一致せず、回転軸に接続されるリンクを旋回運動（回動）させる関節を表す。すなわち、二重の円で示す関節は、二点鎖線の矢印で示すように、円の中心を通る垂線（図示せず）を軸にして各円に接続されたリンクを互いに旋回させる。なお、接続されるリンクを旋回させる関節を、便宜上「旋回関節」とも呼ぶ。本実施形態に係るロボットアームは、回転関節（関節２１、２３、２５、２７）と旋回関節（関節２２、２４、２６）とを交互に備える。

また、制御部５は、プロセッサ５１と記憶装置５２とを有する。プロセッサ５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置であり、プログラムを実行することにより本処理等を行う。また、図５に示した記憶装置５２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の主記憶装置及びＨＤＤ（Hard-disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等の補助記憶装置（二次記憶装置）である。主記憶装置は、プロセッサが読み出したプログラム等を一時的に記憶したり、プロセッサの作業領域を確保したりする。補助記憶装置は、プロセッサが実行するプログラム等を記憶する。なお、プロセッサ５１及び記憶装置５２は、メモリを内蔵したマイクロコントローラであってもよい。

＜作用・効果＞
結合部１４１を有するリンク１４及び結合部１６１を有するリンク１６は、少なくとも１つの旋回関節（本実施形態では関節２４）を介して接続される。また、結合部１４１及び結合部１６１は、関節２４の回転軸からほぼ等距離であって、リンク１４とリンク１５及びリンク１６とを折り返すように関節２４を回転させた状態において対向し得る位置に配置されている。したがって、２つの結合部がそれぞれ有する磁石同士を近接させることにより２つの結合部を結合させ、ロボットアームが垂れ下がらないように姿勢を保持させることができる。すなわち、簡易な構成によって、動作停止時におけるロボットアームの形状を保持させることができる。

図６は、係留状態における、結合部周辺の拡大図である。図７は、結合を解除した状態における、結合部周辺の拡大図である。図１〜図５に示したように、結合部１４１を有するリンク１４及び結合部１６１を有するリンク１６は、少なくとも１つの回転関節を介して接続されるものであってもよい。本実施形態においては、リンク１４とリンク１６とは、関節２５を介して接続されている。このような構成であれば、リンク１４とリンク１６とが結合した状態において、リンク１５に対してリンク１６を回転させることにより、対向していた結合部１４１及び結合部１６１の磁界の向きを互いにずらすとともに、結合部
１４１と結合部１６１と間の距離を離間させ、リンク１４とリンク１６との結合を解除することができる。本実施形態では、関節２４から結合部１４１及び結合部１６１までの距離の方がリンク１６の径よりも大きいため、結合部の吸着力が一定である場合、関節２４を回動させて（リンク１５及びリンク１６を旋回させて）結合を解除するよりも関節２５を回転させて結合を解除する方が、慣性モーメントが小さいぶん必要なトルクも小さくて済む。例えば、多関節ロボット１の制御部５は、図６に示す係留状態において起動すると、一点鎖線の矢印で示す方向のいずれかにリンク１６を回転させるよう関節２５を制御することで、図７に示すように結合を解除することができる。また、ユーザも、メンテナンス等の作業においてリンク１６を手で回転させ、結合部１４１と結合部１６１とを容易に着脱させることができる。なお、リンク１６の径を大きくすることで、結合を解除する際にユーザが手でリンク１６を回転させるために必要な力を減少させることもできる。

また、図４に示すように、リンク１４〜リンク１６は、係留状態において、関節２４から結合部１４１までのロボットアームの表面と、関節２４から結合部１６１までのロボットアームの表面との間に間隙が設けられるような形状になっている。このようにすれば、ロボットアームを係留状態に変位させる過程において、ロボットアームの間にユーザが指等を挟むおそれが低減されると共に、ユーザが手でリンク１６を回転させる際に握り易くなる。

＜動作停止処理＞
図８は、多関節ロボットが動作を停止する場合に行う処理の一例を示す処理フロー図である。制御部５のプロセッサ５１は、図８に示す処理を適宜実行するものとする。

プロセッサ５１は、動作停止の指示を検知する（図８：Ｓ１）。本ステップでは、例えば多関節ロボット１が予め定められた作業を完了した場合や、ユーザが多関節ロボットの電源をオフにした場合に、動作を停止させると判断する。なお、「停止」は、いわゆるスタンバイモードにして多関節ロボット１の消費電力を低減させる休止状態を含むものであってもよい。

動作を停止させないと判断された場合（Ｓ１：ＮＯ）、プロセッサ５１は、Ｓ１又は他の処理を繰り返す。一方、動作を停止させると判断された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、プロセッサ５１は、ロボットアームを所定の姿勢に変位させる（Ｓ２）。本ステップでは、プロセッサ５１は、例えば、結合部１４１と結合部１６１とを近接させ、磁力によって結合させるような姿勢にロボットアームを変位させる。また、前記ロボットアームが垂れ下がった状態を所定の姿勢として、ロボットアームが垂れ下がるまでその速度を減速させるよう制御してもよい。なお、所定の姿勢へリンクを変位させるために必要な各関節の回転角を求める計算は、既存の逆運動学の計算により行うことができる。また、シーケンス制御により、ロボットアームが所定の姿勢になるよう各関節を予め定められた順序で動作させるようにしてもよい。

その後、プロセッサ５１は、多関節ロボット１の動作を停止させる（Ｓ３）。

動作停止処理によれば、動作の停止前にロボットアームの結合部１４１と結合部１６１とを結合させることができ、又は緩やかに垂れ下がるようにすることができ、動作の停止後にロボットアームの姿勢が勢いよく変形して周囲の物と接触するようなことを抑制できる。

＜変形例＞
多関節ロボット１の形状に人型を採用することで、例えば人間と共に工場の生産ライン等において多関節ロボット１を稼動させる場合に、周囲の人間にとってロボットの動作範
囲の予測可能性を向上させ、安全性を高めることができる。ただし、多関節ロボット１の形状は、人型には限定されず、１本のロボットアームからなる垂直多関節ロボットであってもよい。また、多関節ロボット１は、実施形態に示した構成に加え、人間の下半身を模した部分をさらに有するようにしてもよい。また、ロボットアームが有する関節の数も７には限定されない。

いずれの態様であっても、結合部が設けられる２つのリンクが、少なくとも１つの旋回関節を介して接続されていれば、当該関節に接続されたリンクを折り返し、ロボットアームをコンパクトに折り畳むことができる。換言すれば、上述した第１のリンクと第１の関節とが直接的に又は間接的に接続され、第１の関節と第２のリンクとが直接的に又は間接的に接続されていれば、第１の関節でロボットアームを折り返すことができる。また、結合部が設けられる２つのリンクが、少なくとも１つの回転関節をさらに介して接続されていれば、当該関節に接続されたリンクを回転させ、結合を解除することができる。換言すれば、例えば上述した第２の関節と第３のリンクとが直接的に又は間接的に接続され、第２の関節と第２のリンクとが直接的に又は間接的に接続されていれば、第２の関節によって第２のリンクを回転させることができる。

また、結合部１４１及び結合部１６１は、磁石によって結合する態様には限定されず、構造的に係合してリンク同士を結合できる面ファスナーや鉤状の係合手段等であってもよい。

なお、上述した構成は一例であり、本発明は例示した構成に限定されない。また、上述した事項は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることができる。

１：多関節ロボット
１１〜１７：リンク
１４１、１６１：結合部
２１〜２７：関節
３：エンドエフェクタ
４１、４２：撮像装置
５：制御部
５１：プロセッサ
５２：記憶装置

Claims (5)

1. ロボットアームの一部を形成し、当該ロボットアームが備える他のリンクと着脱可能に結合する第１の結合部を備える第１のリンクと、
   前記第１のリンクと直接的に又は間接的に接続され、接続されるリンクを互いに旋回させる第１の関節と、
   前記第１の関節と直接的に又は間接的に接続されると共に、前記第１の関節を介して前記第１のリンクと接続され、前記第１の結合部と結合する第２の結合部を備える第２のリンクと、
   を備える多関節ロボット。
2. 前記第１の関節に一端が接続される第３のリンクと、
   前記第３のリンクの他端と直接的に又は間接的に接続され、接続されるリンクを互いに回転させる第２の関節と、
   をさらに含み、
   前記第２のリンクは、前記第２の関節と直接的に又は間接的に接続されると共に、当該第２のリンクを介して前記第１の関節と接続される
   請求項１に記載の多関節ロボット。
3. 前記第１の結合部と前記第２の結合部とが結合した状態において、前記第１の関節から前記第１の結合部までのロボットアームの表面と、前記第１の関節から前記第２の結合部までのロボットアームの表面との間に間隙が設けられる
   請求項１又は２に記載の多関節ロボット。
4. 前記第１の結合部及び前記第２の結合部は、互いに吸着する磁石、又は互いに着脱可能な面ファスナーを含む
   請求項１から３のいずれか一項に記載の多関節ロボット。
5. 前記ロボットアームが備える複数の関節と電気的に接続され、前記複数の関節の回転角を制御すると共に、前記多関節ロボットに対する動作を停止させる指示を検知した場合に、前記第１の結合部と前記第２の結合部とが結合する姿勢に前記ロボットアームを変位させ、又は前記ロボットアームが垂れ下がるまでその速度を減速させ、前記多関節ロボットの動作を停止させる制御部
   をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の多関節ロボット。

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