JP4333625B2 - ロボットアームおよび人間型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、上腕部と下腕部と手部とから構成され、胴体と上腕部とは肩関節で連結されており、上腕部と下腕部とは肘関節で連結されており、下腕部と手部とは手首関節で連結されており、肩関節を構成するロール軸とピッチ軸とヨー軸のそれぞれの軸まわりを上腕部が回転または回動可能なロボットアームと、該ロボットアームを備えた人間型ロボットに係り、特に、ロボットの胸とロボットアームとの干渉によって狭められているロボットアームの作業空間を、ロボットアームの長さを長くすることなく広範囲に広げることのできるロボットアームと該ロボットアームを備えた人間型ロボットに関するものである。

高齢化社会の到来や労働者人口の減衰により、ロボットが人間と環境を共にして協働して生活できる社会の実現が望まれるようになっている。そのためには、ロボットの醸し出す威圧感や恐怖感を和らげるべく、より親和性のある動作態様に近づけるといった研究や、ロボットの動作空間（作業空間）をより人間のそれに近づけるような研究が電機産業界や自動車産業界をはじめとして鋭意進められている。これらのロボットはヒューマノイドロボット（人間型ロボット）と呼ばれており、工場の生産ラインにおける各種の組付け作業をはじめとして、人間生活支援作業（身障者介護や買い物など）や建設現場などの危険エリアにおける作業にいたるまで、望まれる適用エリアは広範囲に及んでいる。

前者に関する研究、すなわち、ロボットの動作態様をより親和性のある動きにするための研究内容が、非特許文献１に開示されている。ここでは、ヒューマノイドロボットの腕の動きに注目し、人間らしい肩の動きを模擬したサイバネティックショルダをロボットに適用しようとするものである。これは上体（胴体）に固定されるリンクと腕が固定されるリンクとのほぼ中間に常に回転中心を位置させることにより、人間らしい肩の動きを模擬しようとするものである。

また、前者および後者の双方を満足せんとする発明が、特許文献１に開示されている。これは、複数本の可動脚を備えたロボットの動きの中でも特に脚部に注目し、ロボットの走行や跳躍をよりスムーズに制御することのできるロボットの運動制御装置や制御方法に関するものである。

岡田 昌史, 中村 仁彦,"ヒューマノイドロボットプロジェクト"［ 平成１７年１月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｙｎｌ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｓｈｏｕｌｄｅｒ／ｓｈｏｕｌｄｅｒ−ｊ．ｈｔｍｌ＞ 特許第３５９９２４４号公報

非特許文献１に開示のヒューマノイドロボットによれば、サイバネティックショルダを適用することでより人間の腕の動きに近時した動きを実現することができる一方で、ロボットの腕の可動範囲（作業空間）を広げることはできない。また、特許文献１に開示のロボットの運動制御装置や制御方法によれば、ロボットの脚部の動きからロボットの可動範囲を広げることは可能であるが、ロボットアームの可動範囲（作業空間）を広げることに対応していない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、アーム長を長くすることなく、その可動範囲（作業空間）を従来に比べて広範囲とすることのできるロボットアームと、該ロボットアームを備えた人間型ロボットを提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明によるロボットアームは、上腕部と下腕部と手部とから構成され、胴体と上腕部とは肩関節で連結されており、上腕部と下腕部とは肘関節で連結されており、下腕部と手部とは手首関節で連結されており、肩関節を構成するロール軸とピッチ軸とヨー軸のそれぞれの軸まわりを上腕部が回転または回動可能なロボットアームにおいて、前記上腕部には、その途中に肩関節のヨー軸と並行でかつ該ヨー軸まわりを回動できる別途のヨー軸が設けられていることを特徴とする。

本発明のロボットアームは、生産ラインで適用されている産業用ロボットや各種のアクチュエータなどに適用することができる。上腕部は、公知のロボットアームと同様に肩関節を中心に３自由度を有しており、ロール軸とピッチ軸とヨー軸のそれぞれの軸まわりに回転または回動自在に構成されている。上腕部と下腕部とを連結する肘関節が２自由度で下腕部と手部とを連結する手首関節が２自由度の場合は全体で７自由度のロボットアームとなり、肘関節が１自由度の場合は６自由度のロボットアームとなる。ここで、ピッチ軸とは、ロボットの左右の肩の軸線に並行な軸であり、ヨー軸とは、鉛直方向の軸であり、ロール軸とは、ピッチ軸およびヨー軸のそれぞれに垂直な軸である。

肩関節の各軸まわりの上腕部の回転または回動は、それぞれに固有のサーボモータにておこなわれる。

本発明のロボットアームは、上腕部の途中に肩関節のヨー軸とは別途のヨー軸が設けられている。この別途のヨー軸の軸心は、肩関節のヨー軸の軸心と並行に配設されており、さらに肩関節のヨー軸まわりをこの第二のヨー軸が回動できるように構成されている。

従来のロボットにおいては、肩関節のヨー軸まわりを上腕部が回動する際に、上腕部の一部とロボットの胸の端部が干渉してしまい、ロボット前方におけるロボットアームの作業空間が制約を受けていた。それに対して、本発明のロボットアームによれば、肩関節のヨー軸と並行で該ヨー軸から一定の離間をおいて該ヨー軸まわりを別途のヨー軸が回動できるため、この別途のヨー軸を回動中心として、上腕部の一部から手部にかけてのロボットアーム部分が従来に比して広範囲に回動することができる。

また、本発明によるロボットアームの他の実施形態において、肩関節には、ピッチ軸まわりを回転または回動することによって選択的にロール軸またはヨー軸を構成することのできる第一の軸と、該第一の軸を回転軸心とする第一のプーリが備えられており、上腕部の途中には第一の軸に並行な第二の軸と、該第二の軸を回転軸心とする第二のプーリが備えられており、第一のプーリに固着された連絡部材と第二の軸が接続されており、第一のモータの回転または回動に応じて間接的に第一のプーリが回動することができ、第一のプーリの回動に応じて連絡部材を介して第二の軸が第一の軸まわりを回動することができ、第二のモータの回転または回動に応じて間接的に第二のプーリが第二の軸まわりを回動することができ、第三のモータの回転または回動に応じて第一の軸がピッチ軸まわりを回転または回動できるように構成されていることを特徴とする。

第一の軸心と第二の軸心は並行であり、それぞれの軸心まわりに第一のプーリと第二のプーリが回転または回動自在に装着されている。この２つの軸心同士を第一のプーリに固着された連絡部材が繋いでいる。この連絡部材と第二の軸心は、第二の軸心が回転可能に接続されている。かかる構成とすることで、肩関節を構成する第一のプーリの回転によって上腕部を構成する連絡部材が回転または回動することができ、第二のプーリが連絡部材の端部を中心に回転または回動することが可能となる。そのため、上腕部がヨー軸まわりに動いた際には、肩関節から連絡部材の長さだけ離れた位置で、上腕部の一部〜手部までのロボットアームがヨー軸まわりに回動することが可能となり、従来に比べてロボット前方におけるロボットアームの可動範囲が広範囲となる。

ロボットアームのピッチ軸まわりの回転または回動は、胴体内部に埋め込まれた第三のモータ（サーボモータ）の駆動によっておこなわれる。この第三のモータの駆動軸には、該駆動軸に垂直方向の第一の軸が固着されており、この軸まわりに第一のプーリが装着されている。第三のモータの回転によってロボットアームがピッチ軸まわりを回転するとともに、ロボットアームをロール軸まわりに回動させたい場合には、第一の軸を水平面内に配設すればよいし、ロボットアームをヨー軸まわりに回動させたい場合には、第一の軸を鉛直面内に配設すればよい。

また、第一のモータの回転または回動に応じて間接的に第一のプーリが回動するとは、第一のモータの駆動軸と第一のプーリとが特に限定しない適宜の駆動力伝達手段（ギヤやベルトなど）を介して接続されていることを意味している。これは、第二のモータの回転または回動に応じて間接的に第二のプーリが第二の軸まわりを回動することにも通じる。

本発明によれば、使用されるモータの数量を増加させることなく、さらには肩関節の自由度を増やすことなくロボットアームの可動範囲を広範囲に広げることができる。これは、肩関節を構成する第一の軸と上腕部に設けられた第二の軸が連動して動くことによるものである。

また、本発明によるロボットアームの他の実施形態において、第一のモータの駆動軸と第一の従動ローラにベルトが掛け渡されており、第一の従動ローラと第一のプーリとがアイドルプーリを介してワイヤにて繋げられており、第二のモータの駆動軸と第二の従動ローラにベルトが掛け渡されており、第二の従動ローラと第二のプーリとがアイドルプーリを介してワイヤにて繋げられていることを特徴とする。

第一のモータの駆動は、まず、ベルトを介して従動ローラに伝達される。この従動ローラには２本のワイヤのそれぞれの端部が固着（または係合）されている。この２本のワイヤは、アイドルプーリを介して方向転換され、それぞれのワイヤの他端部が第一のプーリに固着（または係合）されている。かかる構成とすることにより、第一のモータの駆動をベルトと従動ローラとワイヤを介して第一のプーリに伝達でき、第一のプーリを回動させることにより、この第一のプーリに固着された連絡部材を介して、第二の軸を第一の軸まわりに回動させることが可能となる。

一方、第二のモータの駆動も同様に、別途の従動ローラと別途の２本のワイヤを介して第二のプーリに伝達させることにより、第二のプーリを第二の軸まわりに回動させることが可能となる。

さらに、本発明による人間型ロボットは、前記ロボットアームを備えたことを特徴とする。

既述するロボットアームを備えた人間型ロボットとすることにより、アームの可動範囲が大幅に広範囲となることで、より人間に近いアームの作動を実現することができる。なお、ここでいう人間型ロボットとは、ヒューマノイドロボットや産業用ロボットなどを含む広い概念である。また、この人間型ロボットには、既述する脚部の跳躍性能や走行／歩行性能が備えられている実施形態も含まれるものである。

以上の説明から理解できるように、本発明のロボットアームおよび人間型ロボットによれば、肩関節を構成する第一の軸に連動して回動することのできる第二の軸が上腕部に設けられることにより、ロボットアームのアーム長を長くすることなく、さらには、肩関節〜上腕部にかけての自由度を増加させることなく、ロボットアームの可動範囲を広範囲に広げることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の人間型ロボットの胴体〜ロボットアームの構造を示した斜視図を、図２は、従来の人間型ロボットの胴体〜ロボットアームの構造を示した斜視図をそれぞれ示している。図３ａは、従来の人間型ロボットのロボットアームの可動範囲を示した模式図であり、図３ｂは、本発明の人間型ロボットのロボットアームの可動範囲を示した模式図である。図４は、ロボットアームのロール軸まわりの回動を示した模式図を、図５は、ロボットアームのヨー軸まわりの回動を示した模式図をそれぞれ示している。

図１は、人間型ロボットの一実施形態のうち、左側ロボットアームの構造を示した斜視図であり、右側ロボットアームや脚部を省略したものである。図示するロボットアーム１は、肩関節にて３自由度、肘関節にて１自由度、手首関節にて２自由度（プーリ８３ａ，８３ｂによる回動）の計６自由度を有する実施形態である。人間型ロボット１０を構成するロボットアーム１は、胴体９に肩関節８１を介して上腕部２が接続され、上腕部２は肘関節８２を介して下腕部３と接続し、下腕部３は手首関節８３を介して手部４と接続されて大略構成されている。胴体９の側部からはロボットアーム１をロール軸まわりに回動させる第一のモータ６１の駆動軸が突出しており、さらに、ロボットアーム１をヨー軸まわりに回動させる第二のモータ６２の駆動軸が突出している。また、胴体９の内部には図示しない第三のモータが内臓されており、第三のモータの駆動軸にロボットアーム１が固着されてロボットアーム１がピッチ軸まわりに回転または回動自在となっている。

ロボットアーム１のロール軸まわりの回動およびヨー軸まわりの回動に関してはその詳細を後述するが、例えば、ヨー軸まわりの回動に関しては、図１に示すように、まず、図示しない第三のモータによってロボットアームをピッチ軸まわりに回動させ、第一のプーリ５３の回動軸心である第一の軸５１と、第二のプーリ５４の回動軸心である第二の軸５２とが鉛直方向となるように配設する。第一のモータ６１の駆動軸と従動ローラ７１とは図示しないベルトにて繋げられており、モータ駆動が従動ローラ７１に伝達可能となっている。この従動ローラ７１には２本のワイヤのそれぞれの端部が係止されており、このワイヤはアイドルプーリ５６ａを介して第一のプーリ５３に係止されている。この第一のプーリ５３には連絡部材５５の一端が固着されており、連絡部材５５の他端は第二のプーリ５４の軸心（第二の軸５２）と該第二の軸５２が回動自在に接続されている。かかる構成により、第一のモータ６１の駆動はベルトを介して従動ローラ７１に伝達され、従動ローラ７１の回動はワイヤを介して第一のプーリ５３に伝達される。第一のプーリ５３の回動に呼応して連絡部材５５が回動し、連絡部材５５の回動によって第二の軸５２が第一の軸５１まわりを回動することができる。

さらに、第二のモータ６２の駆動は、図示しないベルトを介して従動ローラ７２に伝達される。従動ローラ７２には２本のワイヤのそれぞれの一端が係止されており、それぞれのワイヤはアイドルプーリ５６ｂ，５６ｄとアイドルプーリ５６ｃ，５６ｅを介して他端が第二のプーリ５４に係止されている。かかる構成により、第二のモータ６２の駆動はベルトを介して従動ローラ７２に伝達され、従動ローラ７２の回動はワイヤを介して第二のプーリ５４に伝達され、第二のプーリ５４が第二の軸５２まわりを回動することができる。

ロボットアーム１のロール軸まわりの回動は、ロボットアーム１をピッチ軸まわりに回動させ、第一の軸５１と第二の軸５２を水平面内に配設する。かかる姿勢で、上記するヨー軸まわりの回動と同様の作動によって、ロボットアーム１のロール軸まわりの回動が可能となる。

図２は、従来の人間型ロボットａを構成するロボットアームを示したものである。肩関節には３軸まわりのアームの回動を実現するための３つのサーボモータが装着されている点や第一の軸５１に接続された上腕部２ａや下腕部３ａ、手部４ａなどの構成は、原則的には本発明のロボットアームと同様である。図１との比較からも明らかなように、本発明のロボットアームとの相違点は、上腕部において、肩関節を構成する第一の軸５１と並行で該第一の軸まわりを回動可能な第二の軸５２（および第二の軸まわりを回動する第二のプーリ５４）が存在しない点である。

上記する構成の相違によって招来されるロボットアームの回動範囲の相違を示したものが図３であり、人間型ロボットを上方から見た図である。図３ａは、従来の人間型ロボットにおけるロボットアームの回動範囲を示したものである。肩関節を中心にヨー軸まわりにロボットアーム１ａを回動させると、矢印ｘまで回動させた段階でロボットアーム１ａの端部と胴体９とが干渉する。

それに対して、図３ｂに示す本発明のロボットアーム１によれば、肩関節を構成する第一のプーリ５３を中心に第二のプーリ５４が矢印ｙまで回動し、この第二のプーリ５４を中心にして上腕部２〜手部４までの部分が矢印ｚまで回動することが可能となり、ロボットアーム１のヨー軸まわりの可動範囲が格段に広範囲となる。

図４は、ロボットアーム１のロール軸まわりの回動を説明する図であり、人間型ロボット１０の左腕斜め後方から見た図である。まず、ロボットアーム１をロール軸まわりに回動させるに際して、図示しない第三のモータを回動させてロボットアーム１全体をピッチ軸（図中のｚ軸）まわりに回動させて（矢印ｗ）、図４に示す姿勢とする。かかる姿勢においては、相互に並行な第一の軸５１と第二の軸５２が水平面内に配設されており、第一の軸５１（図中のｘ１軸）を中心に第二の軸〜手部４までのロボットアームが矢印ｙ１方向に回動することができる。さらに、第二の軸５２（図中のｘ２軸）を中心に第三のプーリ５７〜手部４までのロボットアームが矢印ｙ２方向に回動することができる。

図４に戻り、第一のモータ６１の駆動軸と従動ローラ７１にはベルト５８ａが掛け渡されており、モータの駆動力が従動ローラ７１にまず伝達される。この従動ローラ７１には、２本のワイヤ５９ａ１，５９ａ２のそれぞれの端部が係止されており、各ワイヤはアイドルプーリ５６ａ，５６ａを介して方向転換され、第一のプーリ５３の端面に係止されている。なお、２つのアイドルプーリ５６ａ，５６ａのうちの一つは第一のプーリ５３に隠されていて、その記載が省略されている。

第一のプーリ５３には連絡部材５５の一端が固着されており、連絡部材５５の他端には第二の軸５２が回転可能に接続されている。

２本のワイヤ５９ａ１，５９ａ２は、従動ローラ７１の回動方向の正転と逆転により、交互に第一のプーリ５３を引っ張りながら第一のプーリ５３の回転方向を適宜変化させることができる。第一のプーリ５３の回動に応じて連絡部材５５が回動でき、この連絡部材５５の回動に応じて第二の軸５２が第一の軸５１まわりを回動することができる。

図５は、ロボットアーム１のヨー軸まわりの回動を説明する図である。まず、ロボットアーム１をヨー軸まわりに回動させるに際して、図示しない第三のモータを回動させてロボットアーム１全体をピッチ軸まわりに回動させ、図５に示す姿勢とする。かかる姿勢においては、相互に並行な第一の軸５１と第二の軸５２が鉛直面内に配設されており、第一の軸５１（図中のｘ１軸）を中心に第二の軸〜手部４までのロボットアームが矢印ｙ１方向に回動することができる。さらに、第二の軸５２（図中のｘ２軸）を中心に第三のプーリ５７〜手部４までのロボットアームが矢印ｙ２方向に回動することができる。これは、図３ｂに示す矢印ｙの動きと矢印ｚの動きに対応している。

図５に戻り、第二のモータ６２の駆動軸と従動ローラ７２にはベルト５８ｂが掛け渡されており、モータの駆動力が従動ローラ７２にまず伝達される。この従動ローラ７２には、２本のワイヤ５９ｂ１，５９ｂ２のそれぞれの端部が係止されており、各ワイヤはアイドルプーリ５６ｃ，５６ｂを介して方向転換され、さらにアイドルプーリ５６ｅ，５６ｄを介して方向転換されて第二のプーリ５４の端面に係止されている。２本のワイヤ５９ｂ１，５９ｂ２は、従動ローラ７２の回動方向の正転と逆転により、交互に第二のプーリ５４を引っ張りながら第二のプーリ５４の回転方向を適宜変化させることができる。

なお、図示する実施形態においては、第二のプーリ５４と第三のプーリ５７とがアイドルプーリを介さずにワイヤにて繋げられており、第二のプーリ５４の回動に応じて第三のプーリ５７が回動できる構成となっている。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の人間型ロボットの胴体〜ロボットアームの構造を示した斜視図。 従来の人間型ロボットの胴体〜ロボットアームの構造を示した斜視図。 （ａ）は、従来の人間型ロボットのロボットアームの可動範囲を示した模式図であり、（ｂ）は、本発明の人間型ロボットのロボットアームの可動範囲を示した模式図。 ロボットアームのロール軸まわりの回動を示した模式図。 ロボットアームのヨー軸まわりの回動を示した模式図。

符号の説明

１…ロボットアーム、２…上腕部、３…下腕部、４…手部、５１…第一の軸、５２…第二の軸、５３…第一のプーリ、５４…第二のプーリ、５５…連絡部材、５６ａ〜５６ｅ…アイドルプーリ、５７…第三のプーリ、６１…第一のモータ、６２…第二のモータ、６３…第三のモータ、７１，７２…従動ローラ、８１…肩関節、８２…肘関節、８３…手首関節、９…胴体、１０…人間型ロボット、１０ａ…従来の人間型ロボット

Claims (2)

1. 上腕部と下腕部と手部とから構成されており、胴体と上腕部とは肩関節で連結されており、上腕部と下腕部とは肘関節で連結されており、下腕部と手部とは手首関節で連結されており、肩関節を構成するロール軸とピッチ軸とヨー軸のそれぞれの軸まわりを上腕部が回転または回動可能なロボットアームにおいて、
   前記上腕部には、その途中に肩関節のヨー軸と並行でかつ該ヨー軸まわりを回動できる別途のヨー軸が設けられており、
   肩関節には、ピッチ軸まわりを回転または回動することによって選択的にロール軸またはヨー軸を構成することのできる第一の軸と、該第一の軸を回転軸心とする第一のプーリが備えられており、上腕部の途中には第一の軸に並行な第二の軸と、該第二の軸を回転軸心とする第二のプーリが備えられており、第一のプーリに固着された連絡部材と第二の軸が接続されており、第一のモータの回転または回動に応じて間接的に第一のプーリが回動することができ、第一のプーリの回動に応じて連絡部材を介して第二の軸が第一の軸まわりを回動することができ、第二のモータの回転または回動に応じて間接的に第二のプーリが第二の軸まわりを回動することができ、第三のモータの回転または回動に応じて第一の軸がピッチ軸まわりを回転または回動できるように構成されており、
   前記第一のモータおよび前記第二のモータは前記胴体に固定されており、
   前記肩関節はさらに、前記胴体と連結される第一の従動ローラおよび第二の従動ローラをさらに有しており、
   前記第一のモータの駆動軸と前記第一の従動ローラにベルトが掛け渡されており、該第一の従動ローラと前記第一のプーリとがアイドルプーリを介してワイヤにて繋げられており、前記第一のモータの駆動が前記ベルトを介して前記第一の従動ローラに伝達され、伝達された第一のモータの駆動は前記ワイヤを介して前記第一のプーリに伝達されるようになっており、
   前記第二のモータの駆動軸と前記第二の従動ローラにベルトが掛け渡されており、該第二の従動ローラと前記第二のプーリとがアイドルプーリを介してワイヤにて繋げられており、前記第二のモータの駆動が前記ベルトを介して前記第二の従動ローラに伝達され、伝達された第二のモータの駆動は前記ワイヤを介して前記第二のプーリに伝達されるようになっていることを特徴とするロボットアーム。
2. 請求項１に記載のロボットアームを備えたことを特徴とする人間型ロボット。

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