(57)【要約】      （修正有）【課題】運動の自由度が多く、動作の制約が少ないロボットアームを実現する。【解決手段】ロボットアーム１は、長さを個別に制御可能な複数のリンクＬと、リンクＬを連結するボールジョイントなどのジョイントＪと、全体を覆う被覆部１２とで構成されている。そして、全体で人間の舌のような動作が可能である。例えば、下面側において前後方向に沿うリンクＬを伸ばし、上面側において前後方向に沿うリンクＬを縮めれば、側面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム１を丸めることができる。或いは、下面側において左右方向に沿うリンクＬを伸ばし、上面側において左右方向に沿うリンクＬを縮めれば、正面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム１を丸めることができる。或いは、上下方向に沿うリンクＬを伸ばし、左右方向に沿うリンクＬを縮めれば、ロボットアーム１の断面を丸くして、ロボットアーム１の厚みを増すことができる。【選択図】図１
2020121354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ又は反りを個別に制御可能な複数のリンクを有する駆動部であって、舌のように動作する駆動部を備えている、
ことを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
上記リンクは、舌を表現するワイヤーフレームモデル又はソリッドモデルの各エッジに対応するように配置されており、上記駆動部は、上記リンクの長さを変化させることによって動作する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
上記リンクは、舌を構成する各舌筋に対応するように配置されており、上記駆動部は、上記リンクの長さを変化させることによって動作する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項４】
上記リンクは、葉脈状に配置されており、上記駆動部は、上記リンクの反りを変化させることによって動作する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロボットアームとしては、一定の長さを有するリンクをジョイントで連結することにより構成されたものが一般的であった。このようなロボットアームは、ジョイントを介して隣接するリンクの成す角を変化させることによって、人間の腕のように動作する。
【０００３】
また、放射状に配置された３本の棒状体をリンクで連結することにより構成されたフレキシブルアームが特許文献１に開示されている。このフレキシブルアームは、３個のサーボモータを回転させることによって、長さを変化させたり曲げ方向を変化させたりすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−６１７８８（１９８６年３月２９日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のロボットアームには、運動の自由度が低く、動作の制約が多いという問題があった。例えば、曲げ／伸ばしの動作や伸び／縮みなどの動作は可能であったが、丸めるといった動作は不可能であった。
【０００６】
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアームを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るロボットアームは、長さ又は反りを個別に制御可能な複数のリンクを有する駆動部であって、舌のように動作する駆動部を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、運動の自由度が高く、動作の制約が少ない（例えば、丸めるといった動作を行うことができる）ロボットアームを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るロボットアームの斜視図である。
【図２】図１に示すロボットアームが備えるリンクの等価回路を示す回路図である。
【図３】舌の筋構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るロボットアームの側面図及び平面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るロボットアームの斜視図である。
【図６】図５に示すロボットアームが備えるリンクの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〔第１の実施形態〕
（ロボットアームの構成）
本発明の第１の実施形態に係るロボットアーム１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るロボットアーム１の斜視図である。
【００１１】
ロボットアーム１は、人間の舌を模したロボットアーム（マニピュレータ）であり、図１に示すように、駆動部１１と、被覆部１２と、を備えている。駆動部１１は、個別に長さを制御することが可能な複数のリンクＬにより構成されており、舌のように動作する。互いに隣接するリンクＬは、ジョイントＪ（例えば、ボールジョイント）を介して連結されており、各ジョイントＪを介して連結されたリンクＬの成す角は、自由に変化し得る。被覆部１２は、ゴム等の弾性材料により構成されており、駆動部１１を被覆している。
【００１２】
駆動部１１におけるリンクＬの配置は、舌を表現するワイヤーフレームモデルに基づいて決められている。すなわち、各リンクＬは、舌を表現するワイヤーフレームモデルの各エッジに対応するように配置されている。
【００１３】
これらのリンクＬの長さを遠隔制御により変化させることによって、駆動部１１を舌のように動作させることができる。例えば、下面側において前後方向に沿うリンクＬを伸ばし、上面側において前後方向に沿うリンクＬを縮めれば、側面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム１を丸めることができる。或いは、下面側において左右方向に沿うリンクＬを伸ばし、上面側において左右方向に沿うリンクＬを縮めれば、正面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム１を丸めることができる。或いは、上下方向に沿うリンクＬを伸ばし、左右方向に沿うリンクＬを縮めれば、ロボットアーム１の断面を丸くして、ロボットアーム１の厚みを増すことができる。
【００１４】
以上のように、本実施形態によれば、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアーム１を実現することができる。
【００１５】
（リンクの構成例）
ロボットアーム１の駆動部１１を構成するリンクＬの一構成例について、図２を参照して説明する。図２は、本構成例に係るリンクＬの等価回路を示す回路図である。
【００１６】
本構成例に係るリンクＬは、図２に示すように、２つのバネＳ１〜Ｓ２と、１つのダンパＤと、１つの動力源Ｐと、を備えている。第１のバネＳ１及び第２のバネＳ２は、直列に接続されている。ダンパＤ及び動力源Ｐは、第１のバネＳ１と並列に接続されている。第１のバネＳ１の自然長をＬ１０、第１のバネＳ１の長さをＬ１、第２のバネＳ２の自然長をＬ２０、第２のバネＳ２の長さをＬ２とすると、リンクＬの長さＬtotal＝Ｌ１＋Ｌ２は、下記の拘束条件により与えられる。
【００１７】
ｋ１（Ｌ１０−Ｌ１）＋ｋ２（Ｌ２０−Ｌ２）＋Ｆp＝Ｆext。
【００１８】
上記の式において、Ｆpは、動力源Ｐから与えられる、第１のバネＳ１を伸ばそうとする力であり、Ｆextは、両端のジョイントＪを介して隣接するリンクＬから与える、リンクＬを縮めようとする外力である。また、ｋ１は、第１のバネＳ１のバネ定数であり、ｋ２は、第２のバネＳ２のバネ定数である。
【００１９】
上記の拘束条件の下で力Ｆｐを制御することによって、リンクＬの長さＬtotal＝Ｌ１＋Ｌ２を制御することができる。例えば、ｋ１＝ｋ２＝ｋの場合、Ｌtotalは、Ｌtotal＝Ｌ１０＋Ｌ２０＋（Ｆp−Ｆext）／ｋと表すことができる。
【００２０】
なお、第１のバネＳ１は、その長さＬ１の時間変化率ｖ１＝ｄＬ１／ｄｔに比例する抵抗力ｂ×ｖ１をダンパＤから受ける。ｂは、ダンパＤの粘性係数である。これにより、ロボットアーム１の動作がより滑らかになる。
【００２１】
（ロボットアームの遠隔制御）
ロボットアーム１は、例えば、操作者の舌を用いて遠隔制御することができる。この場合、例えば、各ジョイントＪに対応するサンプリングポイントを操作者の舌の表面に設定し、互いに隣接するサンプリングポイント間の距離（以下、「サンプリングポイント間隔」と記載する）をリアルタイム測定する。そして、各リンクＬを、そのリンクＬに対応するサンプリングポイント間隔に応じた長さに制御する。これにより、ロボットアーム１の形状を、操作者の舌の形状に連動して変化させることができる。ここで、サンプリング間隔のリアルタイム測定は、例えば、操作者の口腔内に設置されたカメラにより撮像された舌の映像を解析することによって実現することができる。サンプリングポイント間隔を測定するセンサが内蔵されたサックを、操作者の舌に被せることによって実現することもできる。
【００２２】
なお、サンプリングポイント間隔とリンクＬの長さとの対応関係は、線形であってもよいし、そうでなくてもよい。また、サンプリングポイント間隔とリンクＬの長さとの対応関係は、全てのリンクＬで共通であってもよいし、そうでなくてもよい。この対応関係が線形かつ共通の場合、ロボットアーム１の形状を操作者の舌の形状と相似な形状に制御することが可能になる。また、この対応関係が非線形又は非共通である場合、操作者の舌の動きを補完又は強調した形でロボットアーム１の動きに反映させることができる。
【００２３】
（付記事項）
実施形態においては、舌を表現するワイヤーフレームモデルとして、三角形をセルとするワイヤーフレームモデルを採用しているが、これに限定されない。すなわち、舌を表現するワイヤーフレームモデルとしては、任意の多角形をセルとするワイヤーフレームモデルを採用することができる。ひとつのワイヤーフレームモデルのなかに、頂点数の異なるセル（例えば、三角形のセルと四角形のセル）が混在していてもよい。更に、舌を表現するワイヤーフレームモデルの代わりに、舌を表現するソリッドモデルを採用してもよい。この場合、四面体などの多面体がセルとなる。駆動部１１を構成する各リンクＬをソリッドモデルのエッジに対応するように配置する点については、ワイヤーフレームモデルを採用する場合と同様である。
【００２４】
〔第２の実施形態〕
（舌の筋構造）
本発明の第２の実施形態の説明に入る前に、舌の筋構造について、図３を参照して説明する。図３は、人間の舌の断面図である。
【００２５】
舌は、複数の筋（横紋筋）からなる筋性器官である。舌を構成する舌筋は、舌体を構成する内舌筋と、舌体を支持する外舌筋とに分けられる。内舌筋は、舌体上面において前後方向に伸縮する上縦舌筋、舌体下面において前後方向に伸縮する下縦舌筋、舌体内部において左右方向に伸縮する横舌筋、及び、舌体内部において上下方向に伸縮する垂直舌筋を含み、舌体の変形に利用される。外舌筋は、舌体を前方に引き出すオトガイ舌筋、舌体を後方に引き込む茎突舌筋、及び、舌体を下方に引き下げる舌骨舌筋を含み、舌体の移動に利用される。
【００２６】
（ロボットアームの構成）
本発明の第２の実施形態に係るロボットアーム２の構成について、図４を参照して説明する。図４において、（ａ）は、ロボットアーム２の側面図であり、（ｂ）は、ロボットアームの平面図である。
【００２７】
ロボットアーム２は、人間の舌を模したロボットアーム（マニピュレータ）であり、図４に示すように、駆動部２１と、被覆部２２と、を備えている。駆動部２１は、個別に長さを制御することが可能な複数のリンクＬ，Ｌ’により構成されており、舌のように動作する。互いに隣接するリンクＬ，Ｌ’は、ジョイントＪ（例えば、ボールジョイント）を介して連結されており、各ジョイントＪを介して連結されたＬ，Ｌ’の成す角は、自由に変化し得る。被覆部２２は、ゴム等の弾性材料により構成されており、駆動部２１を被覆している。
【００２８】
駆動部２１におけるリンクＬ，Ｌ’の配置は、舌を構成する舌筋の配置に基づいて決められている。すなわち、各リンクＬ，Ｌ’は、舌を構成する各舌筋に対応するように配置されている。より具体的に説明すると、駆動部２１を構成するリンクＬ，Ｌ’は、内舌筋に対応するリンクＬと、外舌筋に対応するリンクＬ’と、に大別される。内舌筋に対応するリンクＬには、上縦舌筋に対応するリンクＬ１、下縦舌筋に対応するリンクＬ２、横舌筋に対応するリンクＬ３、及び、垂直舌筋に対応するリンクＬ４があり、これらは、舌体部の変形に利用される。外舌筋に対応するリンクＬ’には、オトガイ舌筋に対応するリンクＬ’１、茎突舌筋に対応するリンクＬ’２、及び、舌骨舌筋に対応するリンクＬ’３があり、これらは、舌体の移動に利用される。
【００２９】
これらのリンクＬ，Ｌ’の長さを遠隔制御により変化させることによって、駆動部２１を舌のように動作させることができる。例えば、下縦舌筋に対応するリンクＬ２を伸ばし、上縦舌筋に対応するリンクＬ１を縮めれば、側面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム２を丸めることができる。或いは、横舌筋に対応する下面側のリンクＬ３を伸ばし、横舌筋に対応する上面側のリンクＬ３を縮めれば、正面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム２を丸めることができる。或いは、垂直舌筋に対応するリンクＬ４を伸ばし、横舌筋に対応するリンクＬ３を縮めれば、ロボットアーム２の厚みを増すことができる。或いは、茎突舌筋に対応するリンクＬ’２を伸ばし、オトガイ舌筋に対応するリンクＬ’１を縮めれば、ロボットアーム２を前方に突き出すことができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアーム２を実現することができる。
【００３１】
（リンクの構成例）
本実施形態に係るロボットアーム２の駆動部２１を構成するリンクＬ，Ｌ’は、第１の実施形態に係るロボットアーム１の駆動部１１を構成するリンクＬと同様に実現することができる。このため、本実施形態に係るロボットアーム２の駆動部２１を構成するリンクＬ，Ｌ’の構成例については、図示及び説明を割愛する。
【００３２】
（ロボットアームの遠隔制御）
ロボットアーム２は、例えば、操作者の舌を用いて遠隔制御することができる。この場合、例えば、操作者の各舌筋の伸縮状態をリアルタイム測定する。そして、各リンクＬ，Ｌ’を、そのリンクＬ，Ｌ’に対応する舌筋の伸縮状態に応じた長さに制御する。これにより、ロボットアーム２の形状を、操作者の舌の形状に連動して変化させることができる。
【００３３】
〔第３の実施形態〕
（ロボットアームの構成）
本発明の第３の実施形態に係るロボットアーム３の構成について、図５を参照して説明する。図５は、ロボットアーム３の斜視図である。
【００３４】
ロボットアーム３は、人間の舌を模したロボットアーム（マニピュレータ）であり、図５に示すように、駆動部３１と、被覆部３２と、を備えている。駆動部３１は、個別に反りを制御することが可能な複数のリンクＬより構成されており、舌のように動作する。互いに隣接するリンクＬは、ジョイントＪ（例えば、Ｔ字型又は十字型ジョイント）を介して連結されており、各ジョイントＪを介して連結されたリンクＬの成す角は、固定である。被覆部３２は、ゴム等の弾性材料により構成されており、駆動部３１を被覆している。
【００３５】
駆動部３１におけるリンクＬの配置は、葉脈状である。すなわち、駆動部３１は、幹となる第１階層のリンクＬ１と、リンクＬ１から枝分かれした第２階層のリンクＬ２と、リンクＬ２から枝分かれした第３階層のリンクＬ３と、により構成されている。
【００３６】
これらのリンクＬの反りを遠隔制御により変化させることによって、駆動部３１を舌のように動作させることができる。例えば、幹となる第１階層のリンクＬ１を上方に向かって反らせれば、側面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム３を丸めることができる。或いは、枝となる第２階層のリンクＬ２を上方に向かって反らせれば、正面視形状がＵ字型になるようにロボットアーム３を丸めることができる。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアーム３を実現することができる。
【００３８】
（リンクの構成例）
ロボットアーム３の駆動部３１を構成するリンクＬの一構成例について、図６を参照して説明する。図６の（ａ）及び（ｂ）は、本構成例に係るリンクＬの断面図である。
【００３９】
本構成例に係るリンクＬは、図６に示すように、熱膨張率が相対的に大きい金属により構成された第１金属層Ｍ１と、熱膨張率が相対的に小さい金属により構成された第２金属層Ｍ２とを含むバイメタルストリップである。リンクＬは、第１金属層Ｍ１がロボットアーム３の下面側に位置し、第２金属層Ｍ２がロボットアーム３の上面側に位置するように配置される。
【００４０】
室温環境において、リンクＬは、図６の（ａ）に示すように、平坦な状態を保っている。リンクＬを加熱すると、熱膨張率の相対的に大きい第１金属層Ｍ１が熱膨張率の相対的に小さい第２金属層Ｍ２よりも大きく膨張する。その結果、リンクＬは、図６の（ｂ）に示すように、上に向かって反った状態になる。逆に、高温環境において、リンクＬは、図６の（ｂ）に示すように、反った状態を保っている。リンクＬを冷却すると、熱膨張率の相対的に大きい第１金属層Ｍ１が熱膨張率の相対的に小さい第２金属層Ｍ２よりも大きく収縮する。その結果、リンクＬは、図６の（ａ）に示すように、平坦な状態になる。
【００４１】
リンクＬの反りの程度（例えば、曲率半径）とリンクＬの温度との間には、一定の対応関係がある。このため、リンクＬの温度を制御することによって、リンクＬの反りの程度を制御することができる。リンクＬの温度は、例えば、以下のように制御することができる。すなわち、リンクＬの温度が制御目標値よりも低い場合、リンクＬの温度が制御目標値に達するまでリンクＬに電流を流し、ジュール熱によってリンクＬの温度を上昇させる。逆に、リンクＬの温度が制御目標値よりも高い場合、リンクＬの温度が制御目標値に達するまでリンクＬに電流を流さず、自然冷却によってリンクＬの温度を低下させる。また、リンクＬの温度を制御する別の方法としては、リンクＬの近くにヒータを配置しておき、ヒータに流す電流を制御する方法であってもよい。
【００４２】
また、リンクＬは、図６に示したような第１金属層Ｍ１と第２金属層Ｍ２との２層構造に限定されるものではなく、ロボットアーム３の下面側から順番に、第２金属層Ｍ２、第１金属層Ｍ１、及び第２金属層Ｍ２が配置された３層構造であってもよい。このような３層構造のリンクＬにおいて、ロボットアーム３の下面側に位置する第２金属層Ｍ２、又は、ロボットアーム３の上面側に位置する第２金属層Ｍ２を選択的に加熱することによって、リンクＬを反らせる方向を選択することができる。
【００４３】
なお、リンクＬは、反りが制御可能なものであればよく、バイメタルストリップに限定されない。例えば、形状記憶合金を用いてリンクＬを実現してもよい。
【００４４】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るロボットアームは、長さ又は反りを個別に制御可能な複数のリンクを有する駆動部であって、舌のように動作する駆動部を備えていることを特徴とする。
【００４５】
上記の構成によれば、従来のロボットアームと比べて、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアームを実現することができる。上記のように構成されたロボットアームの動作には、例えば、特許文献１に記載のロボットアームでは実現することのできなかった、側面視形状又は正面視形状がＵ字型になるように丸めるといった動作をも含まれる。
【００４６】
本発明の態様２に係るロボットアームは、本発明の態様１に係るロボットアームにおいて、上記リンクは、舌を表現するワイヤーフレームモデル又はソリッドモデルの各エッジに対応するように配置されており、上記駆動部は、上記リンクの長さを変化させることによって動作する、ことを特徴とする。
【００４７】
上記の構成によれば、長さを制御可能なリンクを用いて、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアームを実現することができる。また、上記リンクが舌を表現するワイヤーフレームモデルの各エッジに対応するように配置されている場合、（１）操作者の舌にワイヤーフレームのノードに対応するサンプリングポイントを設定し、（２）互いに隣接するサンプリングポイント間の距離をリアルタイム測定し、（３）各リンクの長さを対応するサンプリング間の距離に応じた長さに制御することによって、あたかも操作者の舌が外在化したかのように振る舞うロボットアームを実現することができる。
【００４８】
本発明の態様３に係るロボットアームは、本発明の態様１に係るロボットアームにおいて、上記リンクは、舌を構成する各舌筋に対応するように配置されており、上記駆動部は、上記リンクの長さを変化させることによって動作する、ことを特徴とする。
【００４９】
上記の構成によれば、長さを制御可能なリンクを用いて、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアームを実現することができる。また、（１）操作者の舌を構成する各舌筋の収縮状態を測定し、（２）各リンクの長さを対応する舌筋の収縮状態に応じた長さに制御することによって、あたかも操作者の舌が外在化したかのように振る舞うロボットアームを実現することができる。
【００５０】
本発明の態様４に係るロボットアームは、本発明の態様１に係るロボットアームにおいて、上記リンクは、葉脈状に配置されており、上記駆動部は、上記リンクの反りを変化させることによって動作する、ことを特徴とする。
【００５１】
上記の構成によれば、反りを制御可能なリンク（例えば、バイメタルストリップ）を用いて、運動の自由度が高く、動作の制約が少ないロボットアームを実現することができる。
【００５２】
なお、本発明の第２の態様に係るロボットアームが備える駆動部は、舌のように動作させることもできるし、舌以外の対象物のように動作させることもできる。後者のような駆動部を備えたロボットアームは、「長さを個別に制御可能な複数のリンクであって、任意の対象物を表現するワイヤーフレームモデル又はソリッドモデルの各エッジに対応するように配置された複数のリンクを有する駆動部を備えたロボットアーム」と表現することができる。このような構成によっても、従来のロボットアームよりも動作の柔軟性の高いロボットアームを実現することができる。
【００５３】
また、本発明の第４の態様に係るロボットアームが備える駆動部は、舌のように動作させることもできるし、舌以外の対象物のように動作させることもできる。後者のような駆動部を備えたロボットアームは、「反りを個別に制御可能な複数のリンクであって、葉脈状に配置された複数のリンクを有する駆動部を備えたロボットアーム」と表現することができる。このような構成によっても、従来のロボットアームよりも動作の柔軟性の高いロボットアームを実現することができる。
【００５４】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１，２，３            ロボットアーム
１１，２１，３１      駆動部
１２，２２，３２      被覆部
Ｌ，Ｌ’              リンク
【図１】
2020121354.tif 000003
【図２】
2020121354.tif 000004
【図３】
2020121354.tif 000005
【図４】
2020121354.tif 000006
【図５】
2020121354.tif 000007
【図６】
2020121354.tif 000008