JP4863277B2

JP4863277B2 - 日常生活支援ロボットアーム装置

Info

Publication number: JP4863277B2
Application number: JP2006293431A
Authority: JP
Inventors: 祐根尹
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008110413A

Description

本発明は、生産現場ではない人の日常生活の中で、自らの腕の代わりに使うことのできる日常生活支援ロボットアーム装置に関するものである。

腕に怪我を負ったり、病気により腕が不自由になった場合、日常生活を快適に送ることが難しくなり、介助者のサポートが必要となる場面が多くなる。

しかし、日常生活の多くの場面を介助者に依存することは、要介助者にとって精神的に圧迫される（QOL: Quality Of Life 「生活の質の低下」）だけでなく、自らの自立性を損なうことにも繋がる。

このため、腕の不自由な人が１人で食事をすることのできる食事支援装置が提案されている（特許文献１参照）。また、産業用小型ロボットアームを日常生活に取り入れることも考えられる。
特開２００４−８３２７号公報

上記の食事支援装置は、食事支援に限定しているため、食事以外の日常生活の様々な事象に応用できないという問題があった。また、上記の産業用小型ロボットアームは、日常生活で人と共存することを前提に開発されていないため、重量、安定性、安全性など多くの問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、日常生活で人と共存することを前提に、十分な小型、軽量、安全、安定性を有する日常生活支援ロボットアーム装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、互いに多関節状に接続されて成る複数のアーム構成要素を備えた日常生活支援ロボットアーム装置であって、前記複数のアーム構成要素のそれぞれは、平行リンクを構成する駆動リンク及び従動リンクを備えたアーム構成要素を含み、前記駆動リンクおよび従動リンクのそれぞれは、両端が２つの支持体に回転可能に取り付けられており、前記駆動リンクは、その一端において回転軸を介して２つの支持体の一方の支持体に付設されたモータにより駆動され、前記駆動リンク又は前記従動リンクは、前記一方の支持体との間でバネとダンパーが装着され、かつ、該支持体が所定角度以上回転したとき、前記駆動リンク及び前記従動リンクの一方が、前記バネを支持するバネ支持体、及び、前記ダンパーを支持するダンパー支持体の一方に接触して、可動範囲を制限することを特徴とする日常生活支援ロボットアーム装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、互いに多関節状に接続されて成る複数のアーム構成要素を備えた日常生活支援ロボットアーム装置であって、前記複数のアーム構成要素は、駆動リンクを備えたアーム構成要素を含み、前記駆動リンクは、その両端が２つの支持体のそれぞれに回転可能に取り付けられており、該駆動リンクは、その一端において、回転軸を介して２つの支持体の一方の支持体に付設されたモータにより駆動されるとともに、前記一方の支持体との間でバネとダンパーが装着され、かつ、該支持体が所定角度以上回転したとき、前記駆動リンクが、前記バネを支持するバネ支持体、及び、前記ダンパーを支持するダンパー支持体の一方に接触して、可動範囲を制限することを特徴とする日常生活支援ロボットアーム装置を提供する。

本発明は次のような顕著な効果が生じる。
（１）リンクがばねで接続され、アーム構成要素の自重がばねで支持され、ばねの振動はダンパーで吸収されるため、モータに電流が流されない時にも、アーム構成要素が重力の影響で急激に姿勢変化することが無くなり、アーム構成要素の安定性と安全性が確保され、リンクとカバーによりアーム構成要素の機構剛性を確保できるため、ロボットアーム装置の軽量化が可能となる。

（２）ロボットアーム装置は、複数のアーム構成要素から成る多関節方式であり、アーム構成要素を駆動するモータの電流を利用して力センサの代わりに利用することのできるので、ロボットアーム装置が人や環境に接触しても、接触状態をモータの電流で検出可能となり、人への安全性が確保可能となる。

（３）平行リンクおよび一端が手先支持体に他端がハンド支持体に接続されている機構において、モータが回転する際、一方のリンクとばね支持体又はダンパー支持体が接触し、ロボットアーム装置の可動範囲を物理的に制限可能としたので、モータが暴走した時や、モータに電流が流されない時にも、機構的に可動範囲を制限可能となる。

（４）平行リンクにおいて、モータの回転により支持体が移動するときに、支持体の姿勢が変化しない構成としたので、平行リンクがモータにより回転されても、アーム構成要素の姿勢は変化しないため、ロボットアーム装置の先端にあるハンドの姿勢の安定性が確保可能となる。

（５）アーム構成要素は、固定側支持体、中間支持体、手先支持体およびカバーの中心と平行リンクの回転中心を一致させないことにより、平行リンクの可動範囲を広く取ることができるだけでなく、２つの平行リンクを中間支持体で接続可能としたので、アーム構成要素の可動範囲が広くなり、２つの平行リンクを中間支持体で接続するために、部品点数を減らすことができ、リンクとカバーによりアーム構成要素の機械剛性を確保するため、部品点数を減らすことが可能となる。

（６）アーム構成要素は、弾性素材の外装で包まれることとしたので、ロボットアーム装置が環境と接触しても、ロボットアーム装置の硬い機構が環境を傷つけることがなくなるだけでなく、外装が接触時の衝撃力を吸収するため、ロボットアーム装置の安全性を高めることが可能となる。

本発明に係る日常生活支援ロボットアーム装置を実施するための最良の形態を、実施例に基づき図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明の実施例における、日常生活支援ロボットアーム装置３５の全体構成を示す側面図である。この日常生活支援ロボットアーム装置３５は、複数のアーム構成要素（本実施例では第１〜３のアーム構成要素）が多関節に連結して構成され、日常生活支援ロボットアーム装置３５はリンク１が机などに固定されることにより、机などに固定される。

図２は、日常生活支援ロボットアーム装置３５の自由度配置であり、支持体駆動モータ２、第１のモータ４、第２のモータ１０、第３のモータ１６、第４のモータ２１で駆動し、５自由度を有する。

第１のアーム構成要素は、固定側支持体３、第１のモータ４、第１の従動リンク５、第１の駆動リンク６、第１のばね支持体７、第１のばね８、中間支持体９、第１のカバー２３、第１のダンパー２６、第１のダンパー支持体２７から構成される。この第１のアーム構成要素では、第１の従動リンク５と第１の駆動リンク６が第１の平行リンクを構成する。そして、第１のモータ４の回転により中間支持体９が上下運動しても、中間支持体９の姿勢は変化しない。

図３は、第１のアーム構成要素の固定側支持体３と中間支持体９の間の断面図である。第１のばね８と第１のダンパー２６が第１の従動リンク５と第１の駆動リンク６に挟まれている。第１のばね８と第１のダンパー２６と第１の従動リンク５と第１の駆動リンク６は、第１のカバー２３で覆われており、第１のカバー２３は外装３４で覆われている。また、図４は、中間支持体９の断面図である。中間支持体９は、第１のカバー２３と第２のカバー２４で覆われており、第１のカバー２３は第１のカバー回転軸３２、第２のカバー２４は第２のカバー回転軸３３により中間支持体９に接続される。

固定側支持体３からハンド２２までの重量は、第１のばね８が第１のばね支持体７と第１の従動リンク５に接続されることにより、第１のばね８の張力で支持される。そのため、第１のモータ４への電流を停止し、第１のモータ４が自由に回転できる状況となっても、中間支持体９はその位置に維持される。第１のばね８の振動は、第１のダンパー支持体２７と第１の従動リンク５に接続される第１のダンパー２６により吸収される。

固定側支持体３から中間支持体９までの機構剛性を、固定側支持体３、第１の従動リンク５、第１の駆動リンク６、中間支持体９、第１のカバー２３で確保することにより、第１のアーム構成要素の軽量化が可能となる。

図５に示すように、第１のモータ４の回転に伴い、中間支持体９が上方に移動すると、第１の従動リンク５と第１のばね支持体７が接触し、第１のモータ４の回転範囲、つまり中間支持体９の可動範囲が制限される。また、図６に示すように、第１のモータ４の回転に伴い、中間支持体９が下方に移動すると、第１の駆動リンク６と第１のダンパー支持体２７が接触し、第１のモータ４の回転範囲、つまり中間支持体９の可動範囲が制限される。この状態を利用して、第１のモータ４の回転範囲、つまり中間支持体９の可動範囲を物理的に制限することができる。

図５および図６に示すように、固定側支持体３の中心と第１の従動リンク５、第１の駆動リンク６から構成される第１の平行リンク機構の回転中心、さらに中間支持体９の中心点と第１の従動リンク５、第１の駆動リンク６から構成される第１の平行リンク機構の回転中心を一致させないことにより、第１のモータ４の回転範囲、つまり中間支持体９の可動範囲が広く確保できる。

第２のアーム構成要素は、中間支持体９、第２のモータ１０、第２の従動リンク１１、第２の駆動リンク１２、第２のばね支持体１３、第２のばね１４、手先支持体１５、第２のカバー２４、第２のダンパー２８、第２のダンパー支持体２９から構成される。この第２のアーム構成要素では、第２の従動リンク１１と第２の駆動リンク１２が第２の平行リンクを構成する。そして、第２のモータ１０の回転により手先支持体１５が上下運動しても、手先支持板１５の姿勢は変化しない。

中間支持体９からハンド２２までの重量は、第２のばね１４が第２のばね支持体１３と第２の従動リンク１１に接続されることにより、第２のばね１４の張力で支持される。そのため、第２のモータ１０への電流を停止し、第２のモータ１０が自由に回転できる状況となっても、手先支持体１５はその位置に維持される。第２のばね１４の振動は、第２のダンパー支持体２９と第２の従動リンク１１に接続される第２のダンパー２８により吸収される。

中間支持体９から手先支持体１５までの機構剛性を、中間支持体９、第２の従動リンク１１、第２の駆動リンク１２、手先支持体１５、第２のカバー２４で確保することにより、第２のアーム構成要素の軽量化が可能となる。

図７に示すように、第２のモータ１０の回転に伴い、手先支持体１５が上方に移動すると、第２の従動リンク１１と第２のばね支持体１３が接触し、第２のモータ１０の回転範囲、つまり手先支持体１５の可動範囲が制限される。また、図８に示すように、第２のモータ１０の回転に伴い、手先支持体１５が下方に移動すると、第２の駆動リンク１２と第２のダンパー支持体２９が接触し、第２のモータ１０の回転範囲、つまり手先支持体１５の可動範囲が制限される。この状態を利用して、第２のモータ１０の回転範囲、つまり手先支持体１５の可動範囲を物理的に制限することができる。

図７および図８に示すように、中間支持体９の中心と第２の従動リンク１１、第２の駆動リンク１２から構成される第２の平行リンク機構の回転中心、さらに手先支持体１５の中心点と第２の従動リンク１１、第２の駆動リンク１２から構成される第２の平行リンク機構の回転中心を一致させないことにより、第２のモータ１０の回転範囲、つまり手先支持体１５の可動範囲が広く確保できる。

第３のアーム構成要素は、手先支持体１５，第３の駆動リンク１７、第３のばね支持体１８、第３のばね１９、ハンド支持体２０、第３のカバー２５，第３のダンパー３０、第３のダンパー支持体３１から構成される。

手先支持体１５からハンド２２までの重量は、第３のばね１９が第３のばね支持体１８と第３の駆動リンク１７に接続されることにより、第３のばね１９の張力で支持される。そのため、第３のモータ１６への電流を停止し、第３のモータ１６が自由に回転できる状況となっても、ハンド支持体２０はその位置に維持される。第３のばね１９の振動は、第３のダンパー支持体３１と第３の駆動リンク１７に接続される第３のダンパー３０により吸収される。

手先支持体１５からハンド支持体２０までの機構剛性を、手先支持体１５、第３の駆動リンク１７、ハンド支持体２０、第３のカバー２５で確保することにより、第３のアーム構成要素の軽量化が可能となる。

図９に示すように、第３のモータ１６の回転に伴い、ハンド支持体２０が上方に移動すると、第３の駆動リンク１７と第３のばね支持体１８が接触し、第３のモータ１６の回転範囲、つまりハンド支持体２０の可動範囲が制限される。また、図１０に示すように、第３のモータ１６の回転に伴い、ハンド支持体２０が下方に移動すると、第３の駆動リンク１７と第３のばね支持体１８が接触し、第３のモータ１６の回転範囲、つまりハンド支持体２０の可動範囲が制限される。この状態を利用して、第３のモータ１６の回転範囲、つまりハンド支持体２０の可動範囲を機構的に制限することができる。

日常生活支援ロボットアーム装置３５が、環境や人に接触し、環境や人に力を与える状況下では、支持体駆動モータ２、第１のモータ４、第２のモータ１０、第３のモータ１６、第４のモータ２１の駆動電流値が大きくなる。このため、モータの駆動電流値を監視することにより、日常生活支援ロボットアーム装置３５が、環境や人に接触したことを検出可能となり、環境や人への安全性が確保できる。

また、日常生活支援ロボットアーム装置３５が、環境や人に接触し、環境や人に力を与える状況下では、弾性素材の外装３４が環境と接触するために、環境を傷つけることがなくなるだけでなく、接触時の衝撃力を外装３４が吸収することにより、環境や人への安全性が確保できる。

以上、本発明に係る日常生活支援ロボットアーム装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。以下、変形例として、３つの例を図１１〜１３によって説明する。

図１１に示す変形例１は、第１及び第２のばね８、１４並びに第１及び第２のダンパー２６、２８を、第１及び第２のばね支持体７、１３並びに第１及び第２のダンパー支持体２７、２９と第１及び第２の駆動リンク６、１２との間に、それぞれ設けた構成としたものであり、上記実施例と同等の効果が生じる。

また、図１２に示す変形例２は、第１のばね８及び第１のダンパー２６を、第１のばね支持体７及び第１のダンパー支持体２７と第１の駆動リンク６との間に設け、第２のばね１４及び第２のダンパー２８を、第２のばね支持体１３及び第２のダンパー支持体２９と第２の従動リンク１１との間に設けた構成としたものであり、上記実施例と同等の効果が生じる。

さらには、図１３に示す変形例３は、第１のばね８及び第１のダンパー２６を、第１のばね支持体７及び第１のダンパー支持体２７と第１の従動リンク５との間に設け、第２のばね１４及び第２のダンパー２８を、第２のばね支持体１３及び第２のダンパー支持体２９と第２の駆動リンク１２との間に設けた構成としたものであり、上記実施例と同等の効果が生じる。

なお、上記実施例及び変形例１〜３においては、第１のばね８及び第１のダンパー２６は、その一端を第１のばね支持体７及び第１のダンパー支持体２７に取り付けているが、固定側支持体９に取り付けてもよい。又、第２のばね１４及び第２のダンパー２８は、その一端を第２のばね支持体１３及び第２のダンパー支持体２９に取り付けているが、中間支持体９に取り付けてもよい。さらに、第３のばね１９及び第３のダンパー３０は，その一端を第３のばね支持体１８及び第３のダンパー支持体３１に取り付けているが，手先支持体１５に取り付けてもよい。

本発明によれば、食事支援に特化した装置や産業用小型ロボットアームとは異なり、十分な小型、軽量、安全、安定性を有する日常生活支援ロボットアーム装置の開発が可能となるため、日常生活で人と共存でき、日常生活支援ロボットアーム装置による人の日常生活支援が可能となる。人や環境との接触時には、接触力を外装が吸収するために、人や環境を傷つけることがなくなる。

予想外の出来事により、日常生活支援ロボットアーム装置を駆動するモータへの駆動電流を零としても、日常生活支援ロボットアーム装置の自重が複数のばねにより支持されるため、日常生活支援ロボットアーム装置が急に下に落ちることを回避できるだけでなく、日常生活支援ロボットアーム装置を使用しない場合には、人が収納しやすい形状に各モータを自由に回転させることができる。

したがって、日常生活支援ロボットアーム装置を使用することにより、腕に不自由を抱える人が、ロボットアームを自らの腕のように扱うことができるようになる。また、平行リンク機構により、モータが回転しても、手先姿勢が変化しないため、直感的に操作しやすくなっている。

本発明の実施例における、日常生活支援ロボットアーム装置の全体構成を示す側面図である。本発明の実施例における、日常生活支援ロボットアーム装置を駆動する支持体駆動モータ、第１のモータ、第２のモータ、第３のモータ、第４のモータの自由度配置図である。本発明の実施例における、第１のアーム構成要素の固定支持体と中間支持体の間の断面図である。本発明の実施例における、中間支持体の断面図である。本発明の実施例における、固定支持体と中間支持体間に構成される平行リンク機構において、中間支持体が上方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例における、固定支持体と中間支持体間に構成される平行リンク機構において、中間支持体が下方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例における、中間支持体と手先支持体間に構成される平行リンク機構において、手先支持体が上方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例における、中間支持体と手先支持体間に構成される平行リンク機構において、手先支持体が下方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例における、手先支持体とハンド支持体間に構成される機構において、ハンド支持体が上方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例における、手先支持体とハンド支持体間に構成される機構において、ハンド支持体が下方に移動した際の可動範囲を示す概略図である。本発明の実施例の変形例１を説明する図である。本発明の実施例の変形例２を説明する図である。本発明の実施例の変形例３を説明する図である。

符号の説明

１支持リンク
２支持体駆動モータ
３固定支持体
４第１のモータ
５第１の従動リンク
６第１の駆動リンク
７第１のばね支持体
８第１のばね
９中間支持体
１０第２のモータ
１１第２の従動リンク
１２第２の駆動リンク
１３第２のばね支持体
１４第２のばね
１５手先支持体
１６第３のモータ
１７第３の駆動リンク
１８第３のばね支持体
１９第３のばね
２０ハンド支持体
２１第４のモータ
２２ハンド
２３第１のカバー
２４第２のカバー
２５第３のカバー
２６第１のダンパー
２７第１のダンパー支持体
２８第２のダンパー
２９第２のダンパー支持体
３０第３のダンパー
３１第３のダンパー支持体
３２第１のカバー回転軸
３３第２のカバー回転軸
３４外装
３５日常生活支援ロボットアーム装置

Claims

互いに多関節状に接続されて成る複数のアーム構成要素を備えた日常生活支援ロボットアーム装置であって、
前記複数のアーム構成要素のそれぞれは、平行リンクを構成する駆動リンク及び従動リンクを備えたアーム構成要素を含み、
前記駆動リンクおよび従動リンクのそれぞれは、両端が２つの支持体に回転可能に取り付けられており、
前記駆動リンクは、その一端において回転軸を介して２つの支持体の一方の支持体に付設されたモータにより駆動され、
前記駆動リンク又は前記従動リンクは、前記一方の支持体との間でバネとダンパーが装着され、かつ、該支持体が所定角度以上回転したとき、前記駆動リンク及び前記従動リンクの一方が、前記バネを支持するバネ支持体、及び、前記ダンパーを支持するダンパー支持体の一方に接触して、可動範囲を制限することを特徴とする日常生活支援ロボットアーム装置。
互いに多関節状に接続されて成る複数のアーム構成要素を備えた日常生活支援ロボットアーム装置であって、
前記複数のアーム構成要素は、駆動リンクを備えたアーム構成要素を含み、
前記駆動リンクは、その両端が２つの支持体のそれぞれに回転可能に取り付けられており、
該駆動リンクは、その一端において、回転軸を介して２つの支持体の一方の支持体に付設されたモータにより駆動されるとともに、前記一方の支持体との間でバネとダンパーが装着され、かつ、該支持体が所定角度以上回転したとき、前記駆動リンクが、前記バネを支持するバネ支持体、及び、前記ダンパーを支持するダンパー支持体の一方に接触して、可動範囲を制限することを特徴とする日常生活支援ロボットアーム装置。