JP7176710B2 - ロボット、把持システム - Google Patents

Description

この発明は、ロボット及び把持システムに関する。

近年、スペースデブリの除去の必要性がますます高まっている。特に除去優先度の高いスペースデブリは、打ち上げロケットの上段部であるが、円筒形という大雑把な形状は等しいものの、各国の規格によって形状や径の大きさが多種多様となっている。スペースデブリとなったロケットを除去するためには、そのロケットを捕獲する必要がある。アクセス性や、各ロケットに必ず存在するという理由で、ロケットと衛星を結合するＰＡＲ(Payload Adapter Ring)が、ロケット捕獲のための把持連結部として最も有力である。また、ロケットのノズルも、ロケット捕獲のための把持連結部として有力である。

一方、打ち上げられる衛星側も、ロケットの有するＰＡＲと同じ径のＰＡＲを有する。故障した衛星のメンテナンスサービスなどでも、ＰＡＲの把持連結が必要である。

この点、ＰＡＲを把持するための技術として、下記非特許文献１に示されるようなＭＤＡ方式がある。これは、ハンド９０１がＰＡＲ９０２の円筒端部９０２ａをつまむ方式である（図１３参照）。

また、ノズルを把持するための技術として、下記非特許文献２に示されるような、衛星姿勢制御用のスラスタを３本の爪で外側から把持する技術がある。

John Ratti et al, "Spacecraft Robotic Capture Tool", i-SAIRAS 2014, 2014 Haidong Hu, et al., "A Vision System for Autonomous Satellite Grapple with Attitude Thruster", ICINCO 2014, 2014, pp. 333-337

しかしながら、非特許文献１に示されるようなＭＤＡ方式においては、図１３に示されるとおり、位置誤差や姿勢誤差が生じた場合に把持の失敗やスペースデブリの弾き飛ばしを招く蓋然性が高い。

また、非特許文献２に示されるような技術では、把持機構は、把持対象部位の大きさ以上の幅を有する必要がある。非特許文献２が扱うスラスタのような小型の把持対象部位でなく、ロケットのノズルのような大型の把持対象部位に対しては、把持機構が巨大になってしまう。

そこで、本発明は、形状や径の大きさが異なる把持対象に対しても汎用的にロボットの位置誤差や姿勢誤差に対してロバスト性に優れた小型のロボット及び把持システムを提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、少なくとも１つの方向に伸縮自在な伸縮デバイスと、前記伸縮デバイスの少なくとも２つの端部にそれぞれ結合された、少なくとも２つのエンドエフェクタと、前記伸縮デバイスを伸縮させることができる制御部とを備え、前記少なくとも２つのエンドエフェクタの各々は、外方に向かって拡開する把持部を少なくとも１つ備え、前記制御部が、前記伸縮デバイスを伸展又は収縮させることによって、前記少なくとも２つのエンドエフェクタにより対象物を把持することができるロボットを提供するものである。

前記エンドエフェクタは、前記伸縮デバイスが伸縮する方向に対して折れ曲がるように回転自在に、前記伸縮デバイスの少なくとも２つの端部に結合され、前記制御部は、前記伸縮デバイスを伸展させ、前記エンドエフェクタを回転させることによって、又は、前記伸縮デバイスを伸展させ、前記エンドエフェクタを回転させ、前記伸縮デバイスを収縮させることによって、前記少なくとも２つのエンドエフェクタにより対象物を把持することができるものとすることができる。

前記伸縮デバイスは、少なくとも２つの方向に伸縮自在であり、互いに異なる第１～第ｎ（ｎは２以上の整数）の方向にそれぞれ伸縮自在な第１～第ｎの伸縮アームを備えるものとすることができる。

前記伸縮デバイスは、第１～第ｎのベース部を更に備え、前記第１～第ｎのベース部の各々は、第１の駆動部を備え、前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、その基端部が、前記第１～第ｎのベース部に連結され、前記第１の駆動部からの動力により前記第１～第ｎの方向に沿って伸縮するものとすることができる。

前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、互いに連動して軸線方向に沿って進退する複数の可動体を含むものとすることができる。

前記エンドエフェクタは、前記ベース部に設けられた第２の駆動部からの動力により前記伸縮アームに対して回転可能であるものとすることができる。

前記複数の可動体の少なくとも１つは、フレームと、前記フレームに回転自在に設けられ、前記フレームが移動することにより回転する基端側プーリと、前記フレームに回転自在に設けられた先端側プーリと、前記基端側プーリと前記先端側プーリとの間に張設され、前記基端側プーリの回転を前記先端側プーリに伝達する第１の伝達部材とを有し、前記第１の伝達部材は、先端側に隣接する可動体に固定されているものとすることができる。

前記ベース部の各々は、ベースフレームを備え、前記第１の駆動部は、第１のモータと、前記第１のモータの回転軸に直結され、前記ベース部のベースフレームに回転自在に設けられた第１のモータプーリと、前記ベースフレームに回転自在に設けられた第１の従動プーリと、前記第１のモータプーリと前記第１の従動プーリとの間に張設され、前記第１のモータの回転を前記第１の従属プーリに伝達する第２の伝達部材とを有し、前記第２の伝達部材は、先端側に隣接する前記可動体に固定されているものとすることができる。

前記第１の伝達部材は、その一端が前記基端側プーリに、その他端が前記先端側プーリに、それぞれ第１の側から巻き付けられている第３のワイヤと、その一端が前記基端側プーリに、その他端が前記先端側プーリに、それぞれ第２の側から巻き付けられている第４のワイヤとを含むものとすることができる。

前記エンドエフェクタは、前記ベース部及び前記複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリを介して、第２の伝達部材によって前記第２の駆動部に接続され、前記第２の伝達部材は、前記ベース部及び前記複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリのうちの少なくとも１つの、前記エンドエフェクタとは反対の側に掛けられ、前記第２の伝達部材の長さは、前記第１～第ｎの伸縮アームの伸縮状態にかかわらず一定となるように構成されているものとすることができる。

本発明の別の態様は、前記ロボットと、前記ロボットを、把持対象物が備える把持対象部位に対して位置合わせし、前記把持対象部位を把持するように、前記伸縮デバイスの伸展又は収縮を前記制御部に指示する把持制御装置とを備える把持システムを提供するものである。

前記把持制御装置は、前記伸縮デバイスの伸展及び前記エンドエフェクタの回転を前記制御部に指示するものとすることができる。

前記把持制御装置は、前記伸縮デバイスの伸展、前記エンドエフェクタの回転、及び前記伸展デバイスの収縮を前記制御部に指示するものとすることができる。

前記把持制御装置は、前記把持対象物の把持に成功したか否かを判定し、前記把持対象物の把持に成功しなかったと判定された場合、前記把持対象部位の形状に応じて、前記伸縮デバイスを収縮又は伸展させるものとすることができる。

前記把持対象部位の形状は、テーパー状の円筒形状又は逆テーパー状の円筒形状であるものとすることができる。

前記把持対象物は、スペースデブリであり、前記把持対象部位は、ＰＡＲ又はノズルであるものとすることができる。

上記構成を有する本発明によれば、形状や径の大きさが異なる把持対象に対しても汎用的にロボットの位置誤差や姿勢誤差に対してロバスト性に優れた小型のロボット及び把持システムが提供される。

本発明の実施形態に係る把持システムの全体構成図である。 本発明の実施形態に係るロボットの斜視図（収縮状態）である。 本発明の実施形態に係るロボットの先端側から見た部分斜視図（伸展状態）である。 本発明の実施形態に係るロボットの基端側から見た部分斜視図（伸展状態）である。 本発明の実施形態に係るロボットの正面図（伸展状態）である。 本発明の実施形態に係るロボットの部分正面図（伸展状態）である。 図６のVII－VII断面図（伸展状態）である。 ワイヤによる回転伝達機構の原理を示す図である。 第５のワイヤ３５の長さが、第１の伸縮アーム４０の伸縮状態にかかわらず、一定の長さとなる原理を示す図である。 除去衛星がスペースデブリのＰＡＲにロボットを配置する動作を示す図である。 ＰＡＲに対する把持動作を示す図である。 ノズルに対する把持動作を示す図である。 従来のＭＤＡ方式による把持を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る把持システムの全体構成図、図２は、本発明の実施形態に係るロボットの斜視図（収縮状態）、図３は、本発明の実施形態に係るロボットの先端側から見た部分斜視図（伸展状態）、図４は、本発明の実施形態に係るロボットの基端側から見た部分斜視図（伸展状態）、図５は、本発明の実施形態に係るロボットの正面図（伸展状態）、図６は、本発明の実施形態に係るロボットの部分正面図（伸展状態）である、図７は、図６のVII－VII断面図（伸展状態）である。

把持システム１０００は、ロボット１と、把持制御装置である除去衛星２を備える。除去衛星２は、後述のように、把持対象部位であるスペースデブリ４００のＰＡＲ４０１やノズル４０２を把持するように、伸縮デバイス１００の伸展や収縮、エンドエフェクタ９０の回転を制御部９５に指示したり、把持の成功や不成功を判定する。ロボット１は、除去衛星２に内蔵されている伸展ばね３の先端に接続されている。

ロボット１は、伸縮デバイス１００、エンドエフェクタ９０、制御部９５を備える。

伸縮デバイス１００は、ベース部１０、第１の伸縮アーム４０、第２の伸縮アーム８０を備える。

ベース部１０は、ベースフレーム１１、第１の駆動部２０、第２の駆動部３０を備える。本実施形態においては、第１の伸縮アーム４０に対するベース部と第２の伸縮アーム８０に対するベース部が共通のベース部１０として構成されている。

ベースフレーム１１は、矩形板状に形成されている。ベースフレーム１１には、第１の駆動部２０、第２の駆動部３０が取り付けられている。

第１の駆動部２０は、（図示しない）第１のモータ、第１の駆動歯車２１、第１の従動歯車２２、第１のモータプーリ２３、第１の駆動プーリ２４、第１の従動プーリ２５、第１のワイヤ２６、第２のワイヤ２７を備える。

第１のモータの回転軸には、第１の駆動歯車２１、第１のモータプーリ２３が直結されている。第１のモータプーリ２３及び第１の従動プーリ２５には、第２の伝達部材である第１のワイヤ２６及び第２のワイヤ２７が張設されており、第１のモータの回転力が、第１のモータプーリ２３、第１のワイヤ２６及び第２のワイヤ２７を介して、第１の従動プーリ２５に伝達され、第１の従動プーリ２５を回転させる。以下、この点について、詳述する。

図８は、ワイヤによる回転伝達機構の原理を示す図である。なお、図８の上図において、理解の容易のために、第２のワイヤ２７が第１のモータプーリ２３及び第１の従動プーリ２５から離れて記載されているが、実際は図８の下図及び後述のように、第２のワイヤ２７は、第１のモータプーリ２３及び第１の従動プーリ２５に巻き付けられている。第１のモータプーリ２３の回転中心と第１の従動プーリ２５の回転中心とを結ぶ線に対する一方の側を第１の側、第１のモータプーリ２３の回転中心と第１の従動プーリ２５の回転中心とを結ぶ線に対する他方の側を第２の側とすると、第１のワイヤ２６の一端は第１のモータプーリ２３に、他端は第１の従動プーリ２５に、第１の側である上側から巻き付けられて固定部材によりそれぞれ固定されている。そして、第２のワイヤ２７の一端は第１のモータプーリ２３に、他端は第１の従動プーリ２５に、第２の側である下側から巻き付けられて固定部材によりそれぞれ固定されている。

このような構成において、第１のモータプーリ２３を時計回りに回転させると、第１のワイヤ２６のプーリ間の部分が－ｚ方向に移動され、それによって、第１の従動プーリ２５が時計回りに回転する。一方、第１のモータプーリ２３を反時計回りに回転させると、第２のワイヤ２７のプーリ間の部分が－ｚ方向に移動され、それによって、第１の従動プーリ２５が反時計回りに回転する。なお、第１の伸縮アーム４０が完全に収縮している状態では、第１のモータプーリ２３には、プーリ間の長さとほぼ同じ長さの第１のワイヤ２６が巻き付けられ、第１の従動プーリ２５には、プーリ間の長さとほぼ同じ長さの第２のワイヤ２７が巻き付けられている。一方、第１の伸縮アーム４０が完全に伸展している状態では、第１のモータプーリ２３には、プーリ間の長さとほぼ同じ長さの第２のワイヤ２７が巻き付けられ、第１の従動プーリ２５には、プーリ間の長さとほぼ同じ長さの第１のワイヤ２６が巻き付けられている。そして、巻き付けられるワイヤの長さの誤差を防止するために、各プーリには、ワイヤを通すための溝が互いに隣り合うように設けられ、ワイヤの上にワイヤが重なることがないようにされている。

したがって、このような構成により、第１のモータプーリ２３の回転方向に応じて、第１の従動プーリ２５を双方向に回転することができる。なお、第１の従動プーリ２５が駆動プーリで、第１のモータプーリ２３が従動プーリであった場合も同様の原理で、双方向の回転が可能である。

このような構成により、放射線等に暴露される宇宙空間で使用することが難しいベルトを用いることなく伝達機構を実現することができるが、伝達部材は、これに限定されるものでなく、ベルト等の適切な任意の伝達部材を用いることができる。

ベースフレーム１１には、ベースフレーム１１の長手方向（＋ｚ方向）に延びる長尺状の第１のガイド突部１２が取り付けられている。

また、ベースフレーム１１には、後述のエンドエフェクタ９０の回転制御のための第５のワイヤ３５を掛けるためのプーリ１３、１４が回転可能に取り付けられている。

第１の伸縮アーム４０は、互いに連動して第１の方向（＋ｚ方向）に沿って進退する第１の可動体５０と第２の可動体７０を備える。

第１の可動体５０は、第１のフレーム５１、第１のガイド溝部５２、第２のガイド突部５３、基端側プーリ５４、基端側プーリ支持部５５、先端側プーリ５６、先端側プーリ支持部５７、第３のワイヤ５８、第４のワイヤ５９を備える。

第１のフレーム５１は、矩形板状に形成されており、第１のフレーム５１のベース部と対向する面の上側には、第１の方向（＋ｚ方向）に延びる長尺状の第１のガイド溝部５２が取り付けられている。第１のガイド溝部５２は、第１のガイド突部１２を受け入れ、これを保持する。ベース部１０と第１の可動体５０をガイド機構（ガイド溝部、ガイド突部）を介して係合することによって、ベース部１０に対して第１の可動体５０を第１の方向（＋ｚ方向）に移動させることができる。

また、第１のフレーム５１の第１のガイド溝部５２が取り付けられている面と反対側の面の下側には、第１の方向（＋ｚ方向）に延びる長尺状の第２のガイド突部５３が取り付けられている。

基端側プーリ支持部５５及び先端側プーリ支持部５７は、第１のフレーム５１において長手方向（第１の方向）に所定の間隔で取り付けられている。基端側プーリ支持部５５及び先端側プーリ支持部５７によって、基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６がそれぞれ回転可能に支持されている。すなわち、基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６は、第１のフレーム５１において長手方向（第１の方向）において所定間隔で取り付けられている。そして、第１の駆動部２０と同様に、基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６には、第１の伝達部材である第３のワイヤ５８及び第４のワイヤ５９が張設されている。すなわち、第３のワイヤ５８の一端は基端側プーリ５４に、他端は先端側プーリ５６に、上側（第１の側）から巻き付けられて固定され、第４のワイヤ５９の一端は基端側プーリに、他端は先端側プーリ５６に、下側（第２の側）から巻き付けられて固定されている。このような構成により、基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６は共に時計回りと反時計回りの双方向に回転することができる。

また、先端側プーリ５６の回転軸には、後述のエンドエフェクタ９０の回転制御のためのワイヤを掛けるためのプーリ６１、６２が回転可能に取り付けられている。

第２の可動体７０は、第２のフレーム７１、第２のガイド溝部７２、エンドエフェクタ支持部７３、プーリ７４、７５を備える。

第２のフレーム７１は、矩形板状に形成されており、第２のフレーム７１の第１のフレーム５１と対向する面には、第１の方向（＋ｚ方向）に延びる長尺状の第２のガイド溝部７２が取り付けられている。第２のガイド溝部７２は、第２のガイド突部５３を受け入れ、これを保持する。第１の可動体５０と第２の可動体７０をガイド機構（ガイド溝部、ガイド突部）を介して係合することによって、第１の可動体５０に対して第２の可動体７０を第１の方向（＋ｚ方向）に移動させることができる。

第２のフレーム７１の先端部には、エンドエフェクタ９０を回転可能に支持するコの字状のエンドエフェクタ支持部７３が設けられている。

また、第２のフレーム７１には、後述のエンドエフェクタ９０の回転制御のための第５のワイヤを掛けるためのプーリ７４、７５が回転可能に取り付けられている。

第１のモータプーリ２３と第１の従動プーリ２５との間において、第１のワイヤ２６と第１のフレーム５１とが、第２の固定部材６３を介して固定されている。また、基端側プーリ５４と先端側プーリ５６との間において、第３のワイヤ５８とベースフレーム１１とが、Ｌ字状の第１の固定部材１５を介して固定されている。また、基端側プーリ５４と先端側プーリ５６との間において、第４のワイヤ５９と第２のフレーム７１とが、第３の固定部材７６を介して固定されている。

エンドエフェクタ９０は、長尺状の基部９０ａの両端において、基部９０ａの長手方向に対して垂直な平面においてに外方に向かってＶ字状に拡開する把持部９０ｂ、９０ｃ、基部の中央に取り付けられた円筒形状の軸支部９０ｄを備える。軸支部９０ｄの長手方向両端には、凸部９０ｅが形成されており、該凸部９０ｅがエンドエフェクタ支持部７３に設けられた穴７３ａに回転自在に嵌合され、軸支部９０ｄの長手方向が第２のフレーム７１の主面に平行で第１の伸縮アーム４０が伸縮する方向に垂直な方向となるように、エンドエフェクタ９０が支持される。すなわち、エンドエフェクタ９０は、第２のフレーム７１の主面に平行で第１の伸縮アーム４０が伸縮する方向に垂直な方向を軸として回転自在に第１の伸縮アームの先端部に結合されている。軸支部９０ｄの長手方向中央には、第５のワイヤを掛けるための溝９０ｆが周方向に設けられている。エンドエフェクタの伸縮アームに対する結合の構成は、上記の構成に限定されるものでなく、エンドエフェクタが伸縮アームが伸縮する方向に対して折れ曲がるように回転自在に伸縮アームの端部に結合されるような構成であれば、任意の適切な構成とすることができる。

ここで、把持部９０ｂ、９０ｃが、所定の間隔を空けて配置されているので、把持対象物の把持時に安定して把持することができる。把持部の形状は、外方に向かって拡開するものであれば、例えばＵ字状やγ状の形状等任意の適切な形状とすることができる。

第２の駆動部３０は、（図示しない）第２のモータ、第２の駆動歯車３１、第２の従動歯車３２、第２のモータプーリ３３、第２の駆動プーリ３４を備える。

第２のモータの回転軸には、第２の駆動歯車３１、第２のモータプーリ３３が直結されている。

第２のモータプーリ３３には周方向に溝３３ａ、３３ｂが２つ形成されている。第５のワイヤ３５の一端が、第２のモータプーリ３３に固定部材３３ｃにより固定され、エンドエフェクタ９０側から引き出されて、第５のワイヤ３５を、第２のモータプーリ３３の溝３３ａ、ベース部１０に取り付けられたプーリ１３、先端側プーリ５６の回転軸に取り付けられたプーリ１３、第２のフレーム７１に取り付けられたプーリ７４、エンドエフェクタ９０の軸支部９０ｄの溝９０ｆ、第２のフレーム７１に取り付けられたプーリ７５、先端側プーリ５６の回転軸に取り付けられたプーリ１４、ベース部１０に取り付けられたプーリ１４、第２のモータプーリ３３の溝３３ｂの順に掛けて、第５のワイヤ３５の他端が、第２の駆動プーリ３４側から、第２のモータプーリ３３に固定部材３３ｄにより固定されている。このような構成によって、制御部９５が、第２のモータの回転角を制御することにより、エンドエフェクタ９０の回転角を制御することができる。

このような構成において、第５のワイヤ３５の長さは、第１の伸縮アーム４０の伸縮状態にかかわらず、一定の長さとなる。以下、この点について、詳述する。

図９は、第５のワイヤ３５の長さが、第１の伸縮アーム４０の伸縮状態にかかわらず、一定の長さとなる原理を示す図である。Ｌ：第５のワイヤ３５の長さ、Ｌ₁：固定部材３３ｃからプーリ１３の下端までの長さ、Ｌ₂：プーリ６１の半周分の長さ、Ｌ₃：プーリ７４の半周分の長さ、Ｌ₄：プーリ１４の下端から固定部材３３ｄまでの長さ、ｚ_a：プーリ１３の中心のｚ座標、ｚ₁：プーリ６１の中心のｚ座標、ｚ₁₀：第１の伸縮アーム４０が収縮状態（初期状態）のときのプーリ６１の中心のｚ座標、ｚ₂：プーリ７４の中心のｚ座標、ｚ₂₀：第１の伸縮アーム４０が収縮状態のときのプーリ７４の中心のｚ座標、ｚ₃：エンドエフェクタ９０の軸支部９０ｄのｚ座標、ｚ₃₀：エンドエフェクタ９０の軸支部９０ｄのｚ座標としたとき、
Ｌ＝Ｌ₁＋２{(ｚ₁－ｚ_a)＋Ｌ₂＋(ｚ₁－ｚ₂)＋Ｌ₃＋(ｚ₃－ｚ₂)}＋Ｌ₄
である。

また、エンドエフェクタ９０の軸支部９０ｄとプーリ７４との距離は一定であるから、
ｚ₃－ｚ₂＝ｚ₃₀－ｚ₂₀
である。

一方、後述のように、プーリ７４の移動速度は、プーリ６１の移動速度ｖの２倍であるから、プーリ７４の移動距離は、プーリ６１の移動距離の２倍であり、
ｚ₂－ｚ₂₀＝２(ｚ₁－ｚ₁₀)
が成立する。

よって、以上の式から、
Ｌ＝２{(ｚ₁₀－ｚ_a)＋(ｚ₁₀－ｚ₂₀)＋(ｚ₃₀－ｚ₂₀)}＋Ｌ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃＋Ｌ₄
となり、第５のワイヤ３５の長さは、第１の伸縮アーム４０の伸縮状態にかかわらず、一定の長さとなることが分かる。

したがって、各エンドエフェクタの駆動部を、各伸縮アームの先端側でなく、各伸縮アームの基端側、すなわちロボット１の中心部に配置することができる。そのため、ロボット１全体の慣性モーメントを小さくすることができる。また、各エンドエフェクタの駆動部を、各伸縮アームの基端側に配置できるので、１つの共通の駆動部によって各エンドエフェクタを駆動させることができ、アクチュエータの数を減らすことができる。

ここで、第５のワイヤの長さを伸縮アームの伸縮状態にかかわらず、一定の長さとする構成は、上記の構成に限定されるものではなく、任意の適切な構成とすることができる。すなわち、エンドエフェクタが、ベース部及び複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリを介して、第５のワイヤによって第２の駆動部に接続され、第５のワイヤが、ベース部及び複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリのうちの少なくとも１つの、エンドエフェクタとは反対の側に掛けられる（上記の構成においては、第５のワイヤ３５がプーリ７４の右側に掛けられている）ことによって、収縮状態において、伸縮アームが伸展した場合に繰り出すことができるワイヤの部分（上記の構成においては、プーリ６１とプーリ７４の間のワイヤの部分）を用意することができる。よって、第５のワイヤの長さが伸縮アームの伸縮状態にかかわらずに一定となるように、第５のワイヤがエンドエフェクタとは反対の側に掛けられたプーリを移動させ、必要に応じてその他の要素を構成すればよい。

第２の伸縮アーム８０は、第１の伸縮アーム４０と同様の構成を有する。そして、第１のモータの回転は、第１の駆動歯車２１と第１の従動歯車２２を介して、反対方向の回転として第１の駆動プーリ２４に伝達される。また、第２のモータの回転は、第２の駆動歯車３１と第２の従動歯車３２を介して、反対方向の回転として第２の駆動プーリ３４に伝達される。

制御部９５は、ロボットの内部又は外部からの指示を受けて、第１のモータ及び第２のモータの回転を制御する。

（動作）
以上のシステム構成を前提として、本発明の１つの実施形態に係るロボット及び把持システムの動作について説明する。図１０は、除去衛星がスペースデブリのＰＡＲにロボットを配置する動作を示す図、図１１は、ＰＡＲに対する把持動作を示す図、図１２は、ノズルに対する把持動作を示す図である。

ロボット１を備えた除去衛星２は、スペースデブリ４００に対して相対位置計測を実施しながらスペースデブリ４００に接近する。そして、最終的に、ロボット１がスペースデブリ４００のＰＡＲ４０１又はノズル４０２に面するように、伸展ばね３の伸展長さに応じた領域に移動し、先端にロボット１が接続された伸展ばね３を伸展する（図１０）。このようなスペースデブリ除去のために除去衛星が備える除去装置をスペースデブリ付近に配置する方法は、例えば特開２０１４－２２６９７４号公報に開示されているように公知であるので、詳細な説明は省略する。

そして、除去衛星２は、ロボット１の把持動作を開始する。まず、テーパー状の円筒形状を有するＰＡＲ４０１に対して把持動作をする場合について説明する。

除去衛星２が、除去衛星２の備える推進装置によって位置や姿勢を変更することにより、除去衛星２に伸展ばね３を介して接続されたロボット１が、把持対象部位であるＰＡＲ４０１の開口面４０１ａに位置合わせされる。

続いて、除去衛星２からの制御部９５への指示により、第１の伸縮アーム４０及び第２の伸縮アーム８０が伸展される。具体的には以下の通りである。

制御部９５により、第１のモータの回転軸が反時計回りに回転される。これにより、第１のモータからの動力は、第１のモータプーリ２３、第１のワイヤ２６及び第２のワイヤ２７を介して第１の従動プーリ２５に伝達され、第１の従動プーリ２５が反時計回りに回転する。このとき、第１のワイヤ２６は第１の方向（＋ｚ方向）に、すなわち基端側から先端側に速度ｖで移動するが、これに伴って、第２の固定部材６３によって第１のワイヤ２６に固定された第１のフレーム５１も第１の方向（＋ｚ方向）に速度ｖで移動する。

第１のフレーム５１が、第１の方向（＋ｚ方向）に移動することにより、第１の固定部材１５によってベース部１０に固定された第３のワイヤ５８が第１の方向とは逆の方向（－ｚ方向に移動し、これにより、基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６が時計回りに回転する。このとき、第３のワイヤ５８は、速度ｖで＋ｚ方向に移動する第１のフレーム５１に対して相対速度ｖで－ｚ方向に移動するので、速度２ｖで＋ｚ方向に移動することになる。

基端側プーリ５４及び先端側プーリ５６が時計回りに回転することにより、第４のワイヤ５９が第１の方向（＋ｚ方向）に速度２ｖで移動する。これによって、第３の固定部材７６によって第４のワイヤ５９に固定された第２のフレーム７１及び第２のフレーム７１に取り付けられたエンドエフェクタ９０が第１の方向（＋ｚ方向）に速度２ｖで移動する。

一方、制御部９５により、第１のモータの回転軸が反時計回りに回転されるが、第１の駆動歯車２１と第１の従動歯車２２を介して、第１の駆動プーリ２４は時計回りに回転する。これによって、第１の伸縮アーム４０と同様の構成を有する第２の伸縮アーム８０は、上に述べたのと同様の動作によって、第２の方向（－ｚ方向）に、第１の伸縮アーム４０とは対称的に伸展する。制御部９５により、第２のモータの回転軸が回転されると、第２の駆動歯車３１と第２の従動歯車３２を介して、第２の駆動プーリ３４は反対の方向に回転する。これによって、第１の伸縮アーム４０と同様の構成を有する第２の伸縮アーム８０の先端に接続されたエンドエフェクタ９０は、上に述べたのと同様の動作によって、第１の伸縮アーム４０の先端に接続されたエンドエフェクタ９０の回転方向とは反対の方向に同じ回転角だけ回転する。

第１の伸縮アーム４０に取り付けられたエンドエフェクタ９０と第２の伸縮アーム８０に取り付けられたエンドエフェクタ９０の両方が、ＰＡＲ４０１の開口端部４０１ｂに接触すると、把持部９０ｂ、９０ｃはＶ字形状を有するので、ＰＡＲ４０１の開口端部に対して各伸縮アーム４０、８０が位置案内されて、把持部９０ｂ、９０ｃの谷部がＰＡＲ４０１の開口端部４０１ｂに到達するように各伸縮アーム４０、８０が伸展する。そして、把持部９０ｂ、９０ｃの谷部がＰＡＲ４０１の開口端部４０１ｂに到達すると、把持動作が完了する。このとき、除去衛星２によって第１のモータのエンコーダの値や第１のモータへ供給される電流の値がモニタされているが、各伸縮アーム４０、８０が伸展している場合は、エンコーダの値は増加し、モータへ供給される電流の値は小さい。把持動作の完了によって、各伸縮アーム４０、８０の伸展が停止すると、エンコーダの値の増加が止まり、モータへ供給される電流の値は大きくなる。したがって、除去衛星２が、このようなエンコーダ値、電流値の変化を検出した場合は、把持に成功したと判定する。

一方、一定時間経過後も、第１の伸縮アーム４０に取り付けられたエンドエフェクタ９０と第２の伸縮アーム８０に取り付けられたエンドエフェクタ９０の一方又は両方が、ＰＡＲ４０１の開口端部４０１ｂに接触しなかった場合、把持は失敗となる。この場合、第１の伸縮アーム４０及び第２の伸縮アーム８０は伸展し続けるので、エンコーダの値の増加は止まらず、モータへ供給される電流の値は小さいままとなる。したがって、一定時間経過後に、このようなエンコーダ値、電流値の変化を検出した場合は、把持に失敗したと判定する。

把持に失敗したと判定されると、除去衛星２は、制御部９５に指示して、第１の伸縮アーム４０及び第２の伸縮アーム８０を収縮させる。そして、除去衛星２は、除去衛星２の備える推進装置によって位置や姿勢を変更することにより、ロボット１の位置を再調整し、ＰＡＲ４０１の開口面４０１ａに再配置し、把持成功まで上記の操作を繰り返す。

なお、各伸縮アーム４０、８０の伸展操作の前に、又は伸展操作と同時に、除去衛星２からの制御部９５への指示により、各エンドエフェクタ９０の各伸縮アーム４０、８０の長手方向に対する角度を、ＰＡＲ４０１のテーパー角にほぼ等しくなるように、エンドエフェクタ９０を回転させてもよい。ＰＡＲ４０１のテーパー角は、予め記憶されていたスペースデブリ４００の諸元データや除去衛星２が撮影したスペースデブリ４００の画像の分析等によって得ることができる。このような構成により、エンドエフェクタとＰＡＲ４０１を点接触でなく、面接触とすることができ、より強固に把持することが可能となる。

次に、逆テーパー状の円筒形状を有するノズル４０２に対して把持動作をする場合について説明する。

まず、除去衛星２からの制御部９５への指示により、各伸縮アーム４０、８０が、ノズル４０２の径よりも大きくなるまで、上に述べたと同様にして伸展され、各エンドエフェクタ９０の各伸縮アーム４０、８０の長手方向に対する角度を、ノズルのテーパー角にほぼ等しくなるように、エンドエフェクタ９０を回転させる。ノズルのテーパー角は、予め記憶されていたスペースデブリ４００の諸元データや除去衛星２が撮影したスペースデブリ４００の画像の分析等によって得ることができる。なお、伸展操作と回転操作の順序は逆に行っても、同時に行ってもよい。このような構成により、エンドエフェクタとＰＡＲ４０１を点接触でなく、面接触とすることができ、より強固な把持と、破損しやすいノズルの破損防止が可能となる。

続いて、除去衛星２が、除去衛星２の備える推進装置によって位置や姿勢を変更することにより、除去衛星２に伸展ばね３を介して接続されたロボット１が、把持対象部位であるノズル４０２の開口面４０２ａに位置合わせされる。

続いて、除去衛星２からの制御部９５への指示により、各伸縮アーム４０、８０が収縮される。第１の伸縮アーム４０に取り付けられたエンドエフェクタ９０と第２の伸縮アーム８０に取り付けられたエンドエフェクタ９０の両方が、ノズル４０２の側面４０２ｂに接触すると、Ｖ字状の把持部９０ｂ、９０ｃの各伸縮アーム側と各伸縮アーム４０、８０の間にノズル４０２の側面４０２ｃが挟み込まれ、その谷部がノズル４０２の開口端部３０２ｂに到達するように各伸縮アーム４０、８０が収縮する。そして、谷部がノズル４０２の開口端部４０２ｂに到達すると、把持動作が完了する。このとき、除去衛星２によって第１のモータのエンコーダの値や第１のモータへ供給される電流の値がモニタされているが、各伸縮アーム４０、８０が収縮している場合は、エンコーダの値は減少し、モータへ供給される電流の値は小さい。把持操作の完了によって、各伸縮アーム４０、８０の収縮が停止すると、エンコーダの値の減少が止まり、モータへ供給される電流の値は大きくなる。したがって、除去衛星２が、このようなエンコーダ値、電流値の変化を検出した場合は、把持に成功したと判定する。

一方、一定時間経過後も、第１の伸縮アーム４０に取り付けられたエンドエフェクタ９０と第２の伸縮アーム８０に取り付けられたエンドエフェクタ９０の一方又は両方が、ノズル４０２の側面４０２ｃに接触しなかった場合、把持は失敗となる。この場合、第１の伸縮アーム４０及び第２の伸縮アーム８０は収縮し続けるので、エンコーダの値の減少は止まらず、モータへ供給される電流の値は小さいままとなる。したがって、一定時間経過後に、このようなエンコーダ値、電流値の変化を検出した場合は、把持に失敗したと判定する。

把持に失敗したと判定されると、制御部９５は、除去衛星２は、制御部９５に指示して、各伸縮アーム４０、８０を伸展させる。そして、除去衛星２は、除去衛星２の備える推進装置によって位置や姿勢を変更することにより、ロボット１の位置を再調整し、ノズル４０２の開口面４０２ａに再配置し、把持成功まで上記の操作を繰り返す。

上記実施形態によれば、形状や径の大きさが異なる把持対象に対しても汎用的にロボットの位置誤差や姿勢誤差に対してロバストで小型なものとすることができる。

上記実施形態においては、把持対象物として、スペースデブリを例として説明したが、把持対象物はこれに限定されるものではなく、任意の適切な把持対象物とすることができる。

上記実施形態においては、ロボットの位置合わせは、ロボット外部の装置により行われていたが、例えばロボット自体が位置・姿勢制御機構を備え、位置合わせを行う構成としてもよく、ロボットの位置合わせは、ロボット内部又は外部の任意の適切な装置によって行うものとすることができる。

上記実施形態においては、伸縮アームの数は２つであったが、伸縮アームの数は３つ以上の任意の適切な数とすることができる。伸縮アームの数を増やすと、より安定的に把持対象物を把持することができる。

上記実施形態においては、伸縮デバイスは、２つの伸縮アームから構成されていたが、基端と先端のそれぞれにエンドエフェクタが取り付けられた１つの伸縮アームから構成されてもよい。また、伸縮デバイスは、伸縮アームと固定長のアームとから構成されてもよい。また、伸縮デバイスは、伸縮アーム以外の任意の適切な伸縮機構により構成されてもよい。

上記実施形態においては、可動体の数は２つであったが、可動体の数は３つ以上の任意の適切な数とすることができる。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１ ロボット
２ 除去衛星
３ 伸展ばね
４００ スペースデブリ
４０１ ＰＡＲ
４０２ ノズル
１０ ベース部
１１ ベースフレーム
１３、１４ プーリ
２０ 第１の駆動部
２１ 第１の駆動歯車
２２ 第１の従動歯車
２３ 第１のモータプーリ
２４ 第１の駆動プーリ
２５ 第１の従動プーリ
２６ 第１のワイヤ
２７ 第２のワイヤ
３０ 第２の駆動部
３１ 第２の駆動歯車
３２ 第２の従動歯車
３３ 第２のモータプーリ
３４ 第２の駆動プーリ
３５ 第５のワイヤ
４０ 第１の伸縮アーム
５０ 第１の可動体
５１ 第１のフレーム
５４ 基端側プーリ
５５ 基端側プーリ支持部
５６ 先端側プーリ
５７ 先端側プーリ支持部
５８ 第３のワイヤ
５９ 第４のワイヤ
６１、６２ プーリ
６３ 第２の固定部材
７０ 第２の可動体
７１ 第２のフレーム
７４、７５ プーリ
７６ 第３の固定部材
８０ 第２の伸縮アーム
９０ エンドエフェクタ
９０ｂ、９０ｃ 把持部
９０ｄ 軸支部
９５ 制御部
１００ 伸縮デバイス
１０００ 把持システム

Claims (18)

1. 少なくとも１つの方向に伸縮自在な伸縮デバイスと、
   前記伸縮デバイスの少なくとも２つの端部にそれぞれ結合された、少なくとも２つのエンドエフェクタと、
   前記伸縮デバイスを伸縮させることができる制御部と、
   を備え、
   前記少なくとも２つのエンドエフェクタの各々は、外方に向かって拡開する把持部を少なくとも１つ備え、
   前記エンドエフェクタは、前記伸縮デバイスが伸縮する方向に対して折れ曲がるように回転自在に、前記伸縮デバイスの少なくとも２つの端部に結合され、
   前記制御部が、前記伸縮デバイスを伸展させ、前記エンドエフェクタを回転させることによって、又は、前記伸縮デバイスを伸展させ、前記エンドエフェクタを回転させ、前記伸縮デバイスを収縮させることによって、前記少なくとも２つのエンドエフェクタにより対象物を把持することができる
   ロボット。
2. 前記伸縮デバイスは、少なくとも２つの方向に伸縮自在であり、
   互いに異なる第１～第ｎ（ｎは２以上の整数）の方向にそれぞれ伸縮自在な第１～第ｎの伸縮アームを備える請求項１に記載のロボット。
3. 前記伸縮デバイスは、第１～第ｎのベース部を更に備え、
   前記第１～第ｎのベース部の各々は、第１の駆動部を備え、
   前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、その基端部が、前記第１～第ｎのベース部に連結され、前記第１の駆動部からの動力により前記第１～第ｎの方向に沿って伸縮する請求項２に記載のロボット。
4. 前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、互いに連動して軸線方向に沿って進退する複数の可動体を含む請求項２又は３に記載のロボット。
5. 前記エンドエフェクタは、前記ベース部に設けられた第２の駆動部からの動力により前記伸縮アームに対して回転可能である請求項３に記載のロボット。
6. 前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、互いに連動して軸線方向に沿って進退する複数の可動体を含む請求項５に記載のロボット。
7. 少なくとも２つの方向に伸縮自在な伸縮デバイスと、
   前記伸縮デバイスの少なくとも２つの端部にそれぞれ結合された、少なくとも２つのエンドエフェクタと、
   前記伸縮デバイスを伸縮させることができる制御部と、
   を備え、
   前記少なくとも２つのエンドエフェクタの各々は、外方に向かって拡開する把持部を少なくとも１つ備え、
   前記制御部が、前記伸縮デバイスを伸展又は収縮させることによって、前記少なくとも２つのエンドエフェクタにより対象物を把持することができ、
   前記伸縮デバイスは、互いに異なる第１～第ｎ（ｎは２以上の整数）の方向にそれぞれ伸縮自在な第１～第ｎの伸縮アームを備え、
   前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、互いに連動して軸線方向に沿って進退する複数の可動体を含み、
   前記複数の可動体の少なくとも１つは、
   フレームと、
   前記フレームに回転自在に設けられ、前記フレームが移動することにより回転する基端側プーリと、
   前記フレームに回転自在に設けられた先端側プーリと、
   前記基端側プーリと前記先端側プーリとの間に張設され、前記基端側プーリの回転を前記先端側プーリに伝達する第１の伝達部材と、
   を有し、
   前記第１の伝達部材は、前記伸縮デバイスが伸長した場合において前記先端側プーリに隣接する可動体に固定されている、
   ロボット。
8. 前記伸縮デバイスは、第１～第ｎのベース部を更に備え、
   前記第１～第ｎのベース部の各々は、第１の駆動部を備え、
   前記第１～第ｎの伸縮アームは、それぞれ、その基端部が、前記第１～第ｎのベース部に連結され、前記第１の駆動部からの動力により前記第１～第ｎの方向に沿って伸縮する請求項７に記載のロボット。
9. 前記ベース部の各々は、ベースフレームを備え、
   前記第１の駆動部は、
   第１のモータと、
   前記第１のモータの回転軸に直結され、前記ベース部のベースフレームに回転自在に設けられた第１のモータプーリと、
   前記ベースフレームに回転自在に設けられた第１の従動プーリと、
   前記第１のモータプーリと前記第１の従動プーリとの間に張設され、前記第１のモータの回転を前記第１の従動プーリに伝達する第２の伝達部材と、
   を有し、
   前記第２の伝達部材は、前記伸縮デバイスが伸長した場合において前記第１の従動プーリに隣接する、前記複数の可動体のうちの１つに固定されている、
   請求項８に記載のロボット。
10. 前記第１の伝達部材は、その一端が前記基端側プーリに、その他端が前記先端側プーリに、それぞれ第１の側から巻き付けられている第３のワイヤと、その一端が前記基端側プーリに、その他端が前記先端側プーリに、それぞれ第２の側から巻き付けられている第４のワイヤとを含む
    請求項９に記載のロボット。
11. 前記エンドエフェクタは、前記ベース部に設けられた第２の駆動部からの動力により前記伸縮アームに対して回転可能である請求項８～１０のいずれか１項に記載のロボット。
12. 前記エンドエフェクタは、前記ベース部及び前記複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリを介して、第３の伝達部材によって前記第２の駆動部に接続され、
    前記第３の伝達部材は、前記ベース部及び前記複数の可動体の少なくとも１つに設けられたプーリのうちの少なくとも１つの、前記エンドエフェクタとは反対の側に掛けられ、 前記第３の伝達部材の長さは、前記第１～第ｎの伸縮アームの伸縮状態にかかわらず一定となるように構成されている請求項１１に記載のロボット。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載のロボットと、
    前記ロボットを、把持対象物が備える把持対象部位に対して位置合わせし、
    前記把持対象部位を把持するように、前記伸縮デバイスの伸展又は収縮を前記制御部に指示する把持制御装置と、
    を備える把持システム。
14. 前記把持制御装置は、前記伸縮デバイスの伸展及び前記エンドエフェクタの回転を前記制御部に指示する請求項１３に記載の把持システム。
15. 前記把持制御装置は、前記伸縮デバイスの伸展、前記エンドエフェクタの回転、及び前記伸縮デバイスの収縮を前記制御部に指示する請求項１３に記載の把持システム。
16. 前記把持制御装置は、前記把持対象物の把持に成功したか否かを判定し、前記把持対象物の把持に成功しなかったと判定された場合、前記把持対象部位の形状に応じて、前記伸縮デバイスを収縮又は伸展させる請求項１３～１５のいずれか１項に記載の把持システム。
17. 前記把持対象部位の形状は、テーパー状の円筒形状又は逆テーパー状の円筒形状である請求項１３～１６のいずれか１項に記載の把持システム。
18. 前記把持対象物は、スペースデブリであり、前記把持対象部位は、ＰＡＲ又はノズルである請求項１３～１７のいずれか１項に記載の把持システム。

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