WO2022186050A1 - 連結装置、ロボット - Google Patents

Abstract

第１リンク４１と第２リンク４２を相対回転可能に連結する連結装置３０は、第１リンク４１が取り付けられる第１取付部３１１と、第２リンク４２が取り付けられる第２取付部３１２とを備える筐体３１と、筐体３１の内部に収容され、第１リンク４１と第２リンク４２の相対回転の動力を発生させるモータ３３と、筐体３１の外周に設けられ、第１リンク４１の筐体３１に対する回転によって弾性変形可能な弾性部材３７と、弾性部材３７の弾性変形に基づいて回転を発生させるトルクを検出する制御基板３２とを備える。

Description

連結装置、ロボット

　本発明は、複数の部材を相対運動可能に連結する連結装置や、それが用いられるロボットに関する。

　工場、物流倉庫、建設現場、病院等の産業現場において、人間の代わりに各種の作業を行う産業用ロボットが導入されている。従来の産業用ロボットは大型で高出力のものが多く、安全のために人間が入れない隔離空間を設けて作業を行わせる必要があった。一方、近年では人間と同じ空間で一緒に作業を行う協働ロボットの導入も進んでいる。従来の産業用ロボットと比べて小型の協働ロボットは狭いスペースに設置でき、低出力であることから安全確保のための大がかりなシステムを必要としない。

特開２０１７－２６１５０号公報

　特許文献１には、産業用ロボットのジョイント（関節）部品の内部に湾曲形状の弾性要素またはバネ要素を設ける技術が開示されている。この産業用ロボットに同じ空間で一緒に作業を行う人間が衝突したとしても、ジョイント部品の内部の弾性要素が弾性変形して衝撃を吸収するため安全性が向上する。一方で、弾性要素はジョイント部品の内部に他の構成要素と共に組み込む必要があるため、形状、大きさ、レイアウト等の制約が多く、また一旦ジョイント部品の内部に組み込まれた後は交換するのが困難である。

　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、弾性部材を簡便に設けることができる連結装置を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の連結装置は、第１部材と第２部材を相対運動可能に連結する連結装置であって、第１部材が取り付けられる第１取付部と、第２部材が取り付けられる第２取付部とを備える筐体と、筐体の内部に収容され、第１部材と第２部材の相対運動の動力を発生させるアクチュエータと、筐体の外周に設けられ、第１部材の筐体に対する回転によって弾性変形可能な弾性部材と、弾性部材の弾性変形に基づいて回転を発生させるトルクを検出するとを備える。

　本発明の別の態様は、ロボットである。このロボットは、第１リンクと、第２リンクと、第１リンクおよび第２リンクを相対回転可能に連結する連結装置を備える。連結装置は、第１リンクが取り付けられる第１取付部と、第２リンクが取り付けられる第２取付部とを備える筐体と、筐体の内部に収容され、第１リンクと第２リンクの相対回転の動力を発生させるアクチュエータと、筐体の外周に設けられ、第１リンクの筐体に対する回転によって弾性変形可能な弾性部材と、弾性部材の弾性変形に基づいて回転を発生させるトルクを検出するトルク検出部とを備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、連結装置やロボットにおいて弾性部材を簡便に設けることができる。

ロボットアームの外観を示す斜視図である。 ロボットアームの各ジョイントに利用可能な連結装置の構成を模式的に示す図である。 弾性部材の弾性変形に基づくトルク検出の原理を模式的に示す図である。 連結装置の第１の変形例を示す図である。 連結装置の第２の変形例を示す図である。 連結装置の第３の変形例を示す図である 連結装置の第４の変形例を示す図である

　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　図１は、産業用ロボットまたは協働ロボットの一例としてのロボットアーム１００の外観を示す斜視図である。このロボットアーム１００は、シリアルリンク機構による垂直多関節型のロボットアームである。本発明を適用可能なロボットはロボットアームに限られず、複数のリンク（人体における骨に相当）を連結するジョイント（人体における関節に相当）を有する任意のロボットでよい。シリアルリンク機構の代わりにパラレルリンク機構としてもよいし、垂直多関節型の代わりに水平多関節型としてもよい。

　ロボットアーム１００は、台座に近い方から順に、第１軸１０、第２軸１２、第３軸１４、第４軸１６、第５軸１８、第６軸２０の六つの軸またはジョイントを有する。各軸は人体の各関節に相当し、第１軸１０は腰、第２軸１２は肩、第３軸１４は肘、第４軸１６は手首（回転）、第５軸１８は手首（曲げ）、第６軸２０は指先（回転）に相当する。なお、各軸の方向はロボットアーム１００の目的や用途に応じて適宜設計可能だが、本実施形態では台座が水平面に置かれるとして、第１軸１０は鉛直方向（水平面である台座に対して垂直）、第２軸１２および第３軸１４は水平方向（水平面である台座に対して平行）、第４軸１６は第３軸１４に対して垂直方向、第５軸１８は水平方向、第６軸２０は第５軸１８に対して垂直方向を向く。

　ロボットアーム１００の先端部にある第６軸２０には、作業目的に応じた形状や機能を持つ先端装置が取り付けられる。例えば、物を掴むためのグラップル状、物を掬うためのシャベル状、物を下から支えて運搬するためのフォーク状、物を引っ掛けて運搬するためのフック状、物を吊り上げて運搬するためのクレーン状といった各種の先端装置が利用可能である。

　図２は、ロボットアーム１００の各ジョイントに利用可能な連結装置３０の構成を模式的に示す。連結装置３０は、第１部材としての第１リンク４１と、第２部材としての第２リンク４２を相対運動可能に連結する。連結装置３０は人体における関節に相当し、連結装置３０で相互に連結される第１リンク４１および第２リンク４２は人体における骨に相当する。

　第１リンク４１および第２リンク４２は、連結装置３０による連結態様に応じて、様々な態様の相対運動をする。本実施形態では、第１リンク４１および第２リンク４２の延伸方向に垂直な回転軸Ａを中心として第１リンク４１と第２リンク４２が相対回転する例を説明する。この例による連結装置３０は、図１における第２軸１２、第３軸１４、第５軸１８等の「曲げ」の動作を行う軸に適用可能である。

　なお、第１リンク４１および第２リンク４２の相対運動は回転運動に限らず並進運動でもよい。例えば、第１リンク４１および第２リンクの延伸方向に垂直な方向（図２の紙面に垂直な方向）に第１リンク４１および第２リンク４２が相対的に並進運動するように構成してもよいし、第１リンク４１および第２リンクの延伸方向に平行な方向（図２の上下方向）に第１リンク４１および第２リンク４２が相対的に並進運動するように構成してもよい。

　連結装置３０は、筐体３１と、制御基板３２と、モータ３３と、減速機３４と、出力軸エンコーダ３５と、出力フランジ３６を備える。筐体３１は、回転軸Ａの周りに回転対称な形状をしており、その内部に連結装置３０の構成要素３２～３６を収容する。筐体３１の外周には、第１リンク４１が取り付けられる第１取付部３１１と、第２リンク４２が取り付けられる第２取付部３１２と、回転軸Ａから離れる径方向に突出するフランジ部３１３が設けられる。

　第１取付部３１１は、筐体３１の外周面において第１リンク４１が接触または1mm程度の微小間隔を置いて近接する部分である。第１リンク４１と第１取付部３１１は互いに固定されておらず、第１リンク４１を筐体３１（フランジ部３１３）に固定するのは後述する弾性部材３７である。弾性部材３７は弾性変形可能であるため、第１リンク４１と筐体３１の間で回転軸Ａの周りの5-10度程度の相対回転が許容される構成となっている。この連結装置３０を協働ロボットに適用すれば、一緒に作業を行う人間が協働ロボットに衝突したとしても、弾性部材３７の弾性変形（第１リンク４１の筐体３１に対する回転）によって衝撃が吸収されるため安全性が向上する。

　第２取付部３１２は、構成要素３２～３６を収容する筐体３１の内部空間と繋がる底面側（図２の左側）の開口部である。第２リンク４２は、この開口部に設けられる出力フランジ３６を介して、筐体３１に取り付けられる。フランジ部３１３は、第１取付部３１１から回転軸Ａの方向に沿って離れた位置に設けられる。第１取付部３１１に取り付けられた第１リンク４１とフランジ部３１３の間には弾性部材３７が介在して両者を固定する。

　制御基板３２は、連結装置３０全体の制御を担う。例えば、モータ３３に対する駆動指令の生成、減速機３４の減速比の変更、出力軸エンコーダ３５の測定データに基づく適応制御、弾性部材３７の弾性変形に基づくトルクの検出、検出されたトルクに基づく適応制御等が制御基板３２で行われる。モータ３３は、制御基板３２からの駆動指令に応じて、回転軸Ａの周りに第２リンク４２を回転駆動する動力を発生させるアクチュエータである。減速機３４は、歯車等によってモータ３３の回転速度を減らし、その減速比に比例したトルクを発生させる。減速機３４の減速比は制御基板３２によって変更可能であり、ロボットアーム１００が行う作業に合ったトルクを生成できる。

　出力軸エンコーダ３５は、第２リンク４２の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転位置を測定するロータリエンコーダである。ここで、筐体３１と第１リンク４１を固定する弾性部材３７が弾性変形していない場合、すなわち、筐体３１と第１リンク４１の間に相対回転がない場合、出力軸エンコーダ３５の出力は第１リンク４１と第２リンク４２の回転軸Ａの周りの相対回転角度を表す。出力フランジ３６は、減速機３４が生成したトルクを第２リンク４２に伝え、回転軸Ａの周りに第２リンク４２を回転させる。出力フランジ３６の周囲には、筐体３１に対する第２リンク４２の回転を円滑化する軸受３６１が設けられる。

　弾性部材３７は、弾性変形可能なゴム等の弾性材料で形成され、筐体３１の外周を環状に囲む。具体的には、筐体３１のフランジ部３１３と第１取付部３１１に取り付けられた第１リンク４１の間の環状の隙間に弾性部材３７が入り込み、筐体３１と第１リンク４１を回転軸Ａの周りに回転可能に連結する。第１リンク４１の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転は外力によって引き起こされる。この外力によるトルクが弾性部材３７の周方向の弾性変形として現われるため、弾性部材３７の周方向の弾性変形量に基づいて外力によるトルクを検出できる。なお、弾性部材３７の弾性変形量を測定するためには、磁歪センサ、ひずみゲージ、圧電素子、偏光素子、静電容量センサ等の各種の変位センサを弾性部材３７の表面等に取り付ければよい。変位センサで測定された弾性変形量は制御基板３２に実装される演算装置等によってトルクに変換される。このようにトルク検出部の機能は変位センサと制御基板３２によって実現される。

　図３は、弾性部材３７の弾性変形に基づくトルク検出の原理を模式的に示す。この図は図２における弾性部材３７を含む断面Ｓを示し、弾性部材３７（実線）と筐体３１（点線）のみを示す。図３（Ａ）は筐体３１の内部に弾性部材３７′を設けた比較例を示し、図３（Ｂ）は筐体３１の外部に弾性部材３７を設けた本実施形態を示す。環状の筐体３１の大きさは図３（Ａ）（Ｂ）で同一である。

　図３（Ａ）（Ｂ）ともに、外力によって弾性部材が弾性変形し、周方向かつ反時計回り方向に同一の回転角度θの回転が生じている。弾性部材の外周における変位は、図３（Ａ）ではｌ′＝ｒ′θであり、図３（Ｂ）ではｌ＝ｒθである。弾性部材の外径は図３（Ｂ）の方が大きいため（ｒ′＜ｒ）、ｌ′＜ｌである。ここで、弾性部材の変位は、それを引き起こす外力によるトルクと正の相関関係があるため、それぞれの図におけるトルクをτ′、τとすれば、τ′＜τである。このように、同一の回転角度θの弾性変形が生じている場合、図３（Ｂ）の方が大きなトルクを検出できる。逆に、同一のトルクが加わっている場合、図３（Ｂ）の方が弾性変形による回転角度θが小さくなる。

　以上の関係をねじり剛性Ｋ＝τ／θによって表現すれば、図３（Ｂ）の本実施形態の方が図３（Ａ）の比較例よりもねじり剛性Ｋが高いと言える。このように、筐体３１の外部に大径の弾性部材３７を設けた本実施形態によれば、筐体３１の内部に小径の弾性部材３７′を設けた比較例と比べて、トルクセンサとしての精度を維持しながら、トルクセンサを構成する弾性部材３７の剛性を高めることができる。したがって、強い外力が加わった場合に弾性部材３７が破損するリスクを低減でき、長寿命化が図ることができる。また、弾性部材３７は筐体３１の外部に設けられるため、交換が必要な場合も比較例と比べて容易に交換できる。さらに、筐体３１の外部に弾性部材３７を設ける場合、他の構成要素３２～３６が収容される筐体３１の内部に比べて、形状、大きさ、レイアウトの制約が少ないため、構成の簡素化および設置の容易化を図れる。

　以上の弾性部材３７の弾性変形によって生じた回転角度θおよび検出されたトルクτのデータは、それに基づく適応制御のために制御基板３２で利用される。回転角度θは第１リンク４１の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転を表すため、第２リンク４２の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転を表す出力軸エンコーダ３５の測定データと合わせることで、制御基板３２は第１リンク４１および第２リンク４２の正確な相対回転角度を検出できる。また、トルク検出部として機能する制御基板３２は、回転角度θに基づいて外力によるトルクτを検出できる。このように、制御基板３２は、第１リンク４１と第２リンク４２の相対回転角度と、外力によるトルクを考慮した上で、第１リンク４１および第２リンク４２に所望の動作をさせるためのモータ３３に対する駆動指令を自律的に生成する。

　図４に示される第１の変形例では、第１取付部３１１と第１リンク４１の接触部に軸受４１１が設けられる。筐体３１に対して回転する第１リンク４１を支持する軸受４１１は、第１取付部３１１における軸受取付部３１１Ａに取り付けられる。この軸受４１１によって、第１リンク４１の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転が円滑化されるため、外力によるトルクに応じた弾性部材３７の弾性変形の精度、すなわちトルクセンサの精度が向上する。

　図５に示される第２の変形例では、弾性部材を取り付けるためのフランジ部が第１取付部３１１の両側に設けられる。第１フランジ部３１３Ａは、第１取付部３１１を基準として、回転軸Ａに沿って第２リンク４２から離れる位置（図５で第１取付部３１１より右の位置）に設けられる。第２フランジ部３１３Ｂは、第１取付部３１１を基準として、回転軸Ａに沿って第２リンク４２に近づく位置（図５で第１取付部３１１より左の位置）に設けられる。

　第１取付部３１１に取り付けられた第１リンク４１と第１フランジ部３１３Ａの間には第１弾性部材３７Ａが介在して両者を固定する。第１取付部３１１に取り付けられた第１リンク４１と第２フランジ部３１３Ｂの間には第２弾性部材３７Ｂが介在して両者を固定する。ここで、第１弾性部材３７Ａおよび第２弾性部材３７Ｂは、前述の弾性部材３７と同様に、弾性変形可能なゴム等の弾性材料で形成され、筐体３１の外周を環状に囲む。二つの弾性部材３７Ａ、３７Ｂで第１リンク４１を挟む構成とすることで、第１リンク４１の筐体３１に対する回転軸Ａの周りの回転の精度が向上するため、第１の変形例における軸受４１１と同様の効果が得られる。また、二つの弾性部材３７Ａ、３７Ｂによってトルクセンサを二重化できるため、連結装置３０の信頼性が向上する。

　図６に示される第３の変形例では、第１リンク４１と第２リンク４２が、それぞれの延伸方向に平行な回転軸Ｂを中心として相対回転する。この例による連結装置３０は、図１における第１軸１０、第４軸１６、第６軸２０等の「回転」または「捻り」の動作を行う軸に適用可能である。図５の第２の変形例と同様に、弾性部材を取り付けるためのフランジ部３１３Ａ、３１３Ｂが第１取付部３１１を挟むように設けられるが、これらのフランジ部３１３Ａ、３１３Ｂは第２取付部３１２も挟む。

　第１フランジ部３１３Ａが第１リンク４１および第２リンク４２との間に形成する環状の隙間には環状の第１弾性部材３７Ａが取り付けられ、第２フランジ部３１３Ｂが第１リンク４１および第２リンク４２との間に形成する環状の隙間には環状の第２弾性部材３７Ｂが取り付けられる。ここで、第１弾性部材３７Ａは、第１リンク４１と第１フランジ部３１３Ａを周方向に弾性変形可能に固定する。一方、第１弾性部材３７Ａは、第２リンク４２側に設けられた第１切欠３７１Ａによって、第２リンク４２とは接触しない。同様に、第２弾性部材３７Ｂは、第１リンク４１と第２フランジ部３１３Ｂを周方向に弾性変形可能に固定する。一方、第２弾性部材３７Ｂは、第２リンク４２側に設けられた第２切欠３７１Ｂによって、第２リンク４２とは接触しない。

　以上のような構成によって、弾性部材３７Ａ、３７Ｂは、第１リンク４１の筐体３１に対する回転（図６の左右方向を回転軸とする回転）によってトルクを検知するトルクセンサを構成すると共に、モータ３３による第２リンク４２の回転軸Ｂの周りの回転を阻害しない。なお、弾性部材３７Ａ、３７Ｂを環状とする代わりに、第１リンク４１側のみをカバーする弧状（例えば、半円状）としても同様の効果が得られる。

　図７に示される第４の変形例では、図６の第３の変形例における二つの弾性部材３７Ａ、３７Ｂの代わりに、一つの弾性部材３７が第１リンク４１の外周を環状に囲むように設けられる。この弾性部材３７は、第１リンク４１の筐体３１に対する回転軸Ｂの周りの回転によってトルクを検知するトルクセンサを構成する。なお、筐体３１の第２リンク４２側には、図６の第３の変形例と同様に切欠３７１が設けられ、モータ３３による第２リンク４２の回転軸Ｂの周りの回転を筐体３１が阻害しない構成になっている。

　以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　実施形態では、筐体３１の外部に設けられる弾性部材３７、３７Ａ、３７Ｂが筐体３１の表面に露出していたが、弾性部材３７、３７Ａ、３７Ｂを被覆する着脱可能なカバーを筐体３１に取り付けて保護してもよい。このカバーによって弾性部材３７、３７Ａ、３７Ｂの損傷や劣化を防止できるため、トルクセンサを長寿命化できる。また、カバーを取り外せば弾性部材３７、３７Ａ、３７Ｂは容易に交換できる。

　なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

　本発明は、複数の部材を相対運動可能に連結する連結装置や、それが用いられるロボットに関する。

　３０　連結装置、３１　筐体、３２　制御基板、３３　モータ、３４　減速機、３５　出力軸エンコーダ、３６　出力フランジ、３７　弾性部材、４１　第１リンク、４２　第２リンク、１００　ロボットアーム、３１１　第１取付部、３１１Ａ　軸受取付部、３１２　第２取付部、３１３　フランジ部、４１１　軸受。

Claims (5)

1. 　第１部材と第２部材を相対運動可能に連結する連結装置であって、
   　前記第１部材が取り付けられる第１取付部と、前記第２部材が取り付けられる第２取付部とを備える筐体と、
   　前記筐体の内部に収容され、前記第１部材と前記第２部材の相対運動の動力を発生させるアクチュエータと、
   　前記筐体の外周に設けられ、前記第１部材の前記筐体に対する回転によって弾性変形可能な弾性部材と、
   　前記弾性部材の弾性変形に基づいて前記回転を発生させるトルクを検出するトルク検出部と
   　を備える連結装置。
2. 　前記筐体はその外周から突出するフランジ部を備え、
   　前記弾性部材は前記第１取付部と前記フランジ部の間に設けられる
   　請求項１に記載の連結装置。
3. 　前記フランジ部は、前記第１取付部の両側に設けられる第１フランジ部と第２フランジ部とを含み、
   　前記弾性部材は、前記第１取付部と前記第１フランジ部の間に設けられる第１弾性部材と、前記第１取付部と前記第２フランジ部の間に設けられる第２弾性部材とを含む
   　請求項２に記載の連結装置。
4. 　前記第１取付部は前記筐体の外周に設けられ、当該筐体に対して回転する前記第１部材を支持する軸受が取り付けられる軸受取付部を備える請求項１から３のいずれかに記載の連結装置。
5. 　第１リンクと、第２リンクと、前記第１リンクおよび前記第２リンクを相対回転可能に連結する連結装置を備えるロボットであって、
   　前記連結装置は、
   　前記第１リンクが取り付けられる第１取付部と、前記第２リンクが取り付けられる第２取付部とを備える筐体と、
   　前記筐体の内部に収容され、前記第１リンクと前記第２リンクの相対回転の動力を発生させるアクチュエータと、
   　前記筐体の外周に設けられ、前記第１リンクの前記筐体に対する回転によって弾性変形可能な弾性部材と、
   　前記弾性部材の弾性変形に基づいて前記回転を発生させるトルクを検出するトルク検出部と
   　を備えるロボット。

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