(57)【要約】【課題】より安全性の高いロボットアームを得ること。【解決手段】ロボットアーム１が、アーム部４０と、アーム部４０を回転可能に支持するベース部１０Ａと、ベース部１０Ａに連結されて据え付け面に固定される据え付け部２１と、ベース部１０Ａと据え付け部２１との間に設けられて剛性の変更が可能な剛性可変機構２０Ａと、を有する。【選択図】図３
2020011348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム部と、
前記アーム部を回転可能に支持するベース部と、
前記ベース部に連結されて据え付け面に固定される据え付け部と、
前記ベース部と前記据え付け部との間に設けられて剛性の変更が可能な剛性可変機構と、を有することを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記剛性可変機構は、
前記ベース部および前記据え付け部の一方に設けられた第１の電磁石と、
前記第１の電磁石に対向して設けられて磁性体で構成された第１の磁性部と、
前記第１の電磁石と前記第１の磁性部との間に設けられて前記第１の電磁石と前記第１の磁性部とを離す方向に力を付勢する第１の弾性部と、を備え、
前記ベース部と前記据え付け部との連結方向を第１の方向とした場合に、前記第１の電磁石と前記第１の弾性部と前記第１の磁性部とは、前記第１の方向に沿って並べて配置され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】
前記第１の弾性部はコイルばねであり、
前記第１の電磁石および前記第１の磁性部の一方には他方に向けた突起が形成され、
前記突起は前記第１の弾性部であるコイルばねの内側に差し込まれていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記剛性可変機構は、
前記ベース部および前記据え付け部の他方に設けられた第２の電磁石と、
前記第２の電磁石と前記第１の磁性部との間に設けられて前記第２の電磁石と前記第１の磁性部とを離す方向に力を付勢する第２の弾性部と、をさらに備え、
前記第２の電磁石と前記第２の弾性部と前記第１の磁性部とは、前記第１の方向に沿って並べて配置されることを特徴とする請求項２または３に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記第２の弾性部はコイルばねであり、
前記第２の電磁石および前記第１の磁性部の一方には他方に向けた突起が形成され、
前記突起は前記第２の弾性部であるコイルばねの内側に差し込まれていることを特徴とする請求項４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記第１の弾性部および前記第２の弾性部はばねであり、
前記第１の弾性部のばね定数と前記第２の弾性部のばね定数が異なることを特徴とする請求項４に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記ベース部および前記据え付け部の他方には、前記ベース部および前記据え付け部の他方に向けて突出する突部が設けられ、
前記剛性可変機構は、
前記突部に設けられた第２の電磁石と、
前記第２の電磁石と対向する第２の磁性部と、を有し、
前記第１の弾性部と前記第１の磁性部とは、前記突部を避けた領域に設けられることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記据え付け部には、前記ベース部が前記据え付け部から離れることを制限するストッパ機構が設けられていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１つに記載のロボットアーム。
【請求項９】
アーム部と、
前記アーム部を回転可能に支持するベース部と、
前記ベース部に連結されて据え付け面に固定される据え付け部と、
前記アーム部内または前記ベース部内に設けられて剛性の変更が可能な剛性可変機構と、を有し、
前記剛性可変機構は、
前記ベース部および前記据え付け部の一方に設けられた第１の電磁石と、
前記第１の電磁石に対向して設けられて磁性体で構成された第１の磁性部と、
前記第１の電磁石と前記第１の磁性部との間に設けられて前記第１の電磁石と前記第１の磁性部とを離す方向に力を付勢する第１の弾性部と、を備え、
前記ベース部と前記据え付け部との連結方向を第１の方向とした場合に、前記第１の電磁石と前記第１の弾性部と前記第１の磁性部とは、前記第１の方向に沿って並べて配置されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１０】
請求項２から９のいずれか１つに記載のロボットアームと、
前記第１の電磁石への電圧の印加を制御して前記剛性可変機構の剛性を変更するコントローラと、を有することを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業者と共に働くロボットアームおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
作業者がロボットの可動範囲内に入った状態で作業者と共に働く協働ロボットと呼ばれるロボットの開発が進められている。協働ロボットには、ロボットの可動範囲内で働く作業者の安全性の確保が要求される。例えば、協働ロボットは、壁などの構造物とロボットアームとの間に作業者が挟まれることを防止する一手法として、作業者が構造物とロボットアームとの間に挟まれる状態を瞬時に検出して動作を停止する。
【０００３】
また、特許文献１に記載のロボットは、ロボットアームとロボット本体との間に弾性部が設けられている。弾性部は、ロボットアームとロボット本体との間に物体が挟み込まれたときに、ロボットアームとロボット本体とが離間する方向に伸長する。ロボットアームとロボット本体との間に作業者が挟まれた際に、ロボットアームとロボット本体とが離間することで、作業者への押付力が軽減されることで、作業者の安全性の確保が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２１３４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたロボットでは、ロボットアームとロボット本体との間に作業者が挟まれた際に、ロボットアームとロボット本体との間に設けられた弾性部を伸長させている。そのため、ロボット本体とは異なる構造物、例えば建物の壁面とロボットアームとの間に作業者が挟まれた場合には、作業者への押付力はほとんど軽減されないため、作業者の安全性が十分に確保されてはいなかった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より安全性の高いロボットアームを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ロボットアームが、アーム部と、アーム部を回転可能に支持するベース部と、ベース部に連結されて据え付け面に固定される据え付け部と、ベース部と据え付け部との間に設けられて剛性の変更が可能な剛性可変機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より安全性の高いロボットアームを得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかるロボットの構成を示す斜視図
【図２】実施の形態１にかかるロボットの構成を示す側面図
【図３】実施の形態１にかかるロボットアームが備えるベース部の構成を示す断面図
【図４】実施の形態１にかかるロボットアームが備える剛性可変機構の構成を示す断面図
【図５】図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であって、第１の電磁石と、第２の電磁石とに電圧が印加された状態を示す図
【図６】図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であって、第１の電磁石に電圧が印加され、第２の電磁石に電圧が印加されていない状態を示す図
【図７】実施の形態１にかかるロボットアームの姿勢を説明するための図
【図８】実施の形態１にかかるロボットアームの姿勢を説明するための図
【図９】実施の形態２にかかるロボットアームが備える剛性可変機構の構成を示す断面図
【図１０】図９に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図
【図１１】図９に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図
【図１２】図９に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図
【図１３】実施の形態２にかかる剛性可変機構の別構成例を示す図
【図１４】実施の形態２にかかる剛性可変機構が備える位置決め機構の構成例を説明するための図
【図１５】実施の形態２にかかるコントローラの構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかるロボットアームおよびロボットの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるロボットの構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態１にかかるロボットの構成を示す側面図である。ロボット１００は、作業者がロボット１００の可動範囲内に入った状態で作業者と協働する協働ロボットである。ロボット１００は、製品といった作業対象物への作業を実行する機械であり、ロボットアーム１と、コントローラ２とを備えている。
【００１２】
ロボットアーム１は、可動部であるアーム部４０と、アーム部４０に連結されているベース部１０Ａと、据え付け面である床６０に固定される据え付け部２１とを備えている。なお、以下の説明において用いる上下方向は、据え付け部２１が水平な床６０に取り付けられた状態での上下方向を示す。また、上下方向は第１の方向である。アーム部４０は、関節部４１〜４３と、軸部５０〜５３と、先端部５とを有している。
【００１３】
軸部５０は、ベース部１０Ａに回転可能に支持される。軸部５１は、軸部５０に対して関節部４１を介して回転可能に連結される。軸部５２は、軸部５１に対して関節部４２を介して回転可能に連結される。軸部５３は、軸部５２に対して関節部４３を介して回転可能に連結される。軸部５３には、先端部５が連結されている。先端部５には、作業対象物を掴むためのハンドが設けられている。
【００１４】
ロボットアーム１は、軸部５０〜５３同士の連結部分および軸部５０とベース部１０Ａとの連結部分を回転させることで姿勢を変えて、種々の位置に先端部５を移動させることができる。アーム部４０は、先端部５などが作業者によって掴まれて移動させられることにより、作業者によって直接操作される場合がある。また、アーム部４０は、予め定められた動作を行う場合もある。ロボット１００による作業対象物への作業の例は、アーム部４０の先端部５で作業対象物を掴んで移動させる作業である。
【００１５】
図３は、実施の形態１にかかるロボットアームが備えるベース部の構成を示す断面図である。図３に示す断面図は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。ベース部１０Ａは、底面が解放された円筒形状となっている。円筒形状のベース部１０Ａは筒状形状の天面側が上部板２２ａによって塞がれている。ベース部１０Ａの円筒形状部分と上部板２２ａとは一体に形成されていてもよいし、それぞれ別体で形成されていてもよい。
【００１６】
上部板２２ａと軸部５０との間にはベアリング９５が設けられている。軸部５０は、ベアリング９５を介してベース部１０Ａに回転可能に支持される。ベース部１０Ａの内側にはモータ９１が設けられている。モータ９１は、上部板２２ａに固定されている。上部板２２ａには、モータ９１の回転軸部９２を貫通させる孔２２ｂが形成されている。モータ９１は、軸部５０の中心軸１９を回転軸として軸部５０を回転させる。孔２２ｂを貫通した回転軸部９２には、波動歯車装置の原理で軸部５０を回転させる減速機９３が接続されている。モータ９１の回転軸部９２の回転が、減速機９３およびベアリング９５を通じて軸部５０に伝達されることで、軸部５０が回転する。このように、モータ９１、減速機９３およびベアリング９５を有して、軸部５０を回転させる回転機構が構成される。なお、関節部４１〜４３にも、ベース部１０Ａと軸部５０との間に設けられた回転機構と同様の回転機構が設けられて、関節部４１〜４３での回転を可能としている。
【００１７】
据え付け部２１は、板状の形状であって床６０に固定される。据え付け部２１は、例えば図示を省略したボルトを用いて床６０に固定される。据え付け部２１の上面には、上方に延びる筒状形状の筒状部１８Ｂが設けられている。
【００１８】
筒状部１８Ｂの外径は、ベース部１０Ａの内径よりも小さい。筒状部１８Ｂの上部は、ベース部１０Ａの内側に差し込まれている。この構成によって、ベース部１０Ａと据え付け部２１とが上下に連結され、ベース部１０Ａは筒状部１８Ｂに案内されて上下に移動可能となる。
【００１９】
筒状部１８Ｂの上端には、外周側に張り出す張出部１１ａが形成されている。また、ベース部１０Ａの下端には内周側に張り出す張出部１１ｂが形成されている。張出部１１ａの外径よりも張出部１１ｂの内径のほうが小さくなっている。ベース部１０Ａが上方に移動すると、張出部１１ａと張出部１１ｂとが当接して、ベース部１０Ａのそれ以上の上方へ移動してベース部１０Ａが据え付け部２１から離れることが規制される。張出部１１ａと張出部１１ｂとは、ベース部１０Ａの過度の上方への移動によって筒状部１８Ｂから抜け落ちてしまうことを防ぐストッパ機構を構成する。
【００２０】
ベース部１０Ａと据え付け部２１との間には剛性可変機構２０Ａが設けられている。剛性可変機構２０Ａは、複数の第１の電磁石１６ａ、プレート１３ａ、複数の第１の弾性部１２ａ、複数の第２の電磁石１６ｂ、複数の第２の弾性部１２ｂを有する。図４は、実施の形態１にかかるロボットアームが備える剛性可変機構の構成を示す断面図である。図４に示す断面図は、図３に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００２１】
複数の第１の電磁石１６ａは、ベース部１０Ａの下端に設けられる。複数の第１の電磁石１６ａは、円環状に等間隔で並べて配置される。複数の第１の電磁石１６ａは、電圧が印加されることで、磁性体を吸着する吸着力を生じる。第１の電磁石１６ａには、下方に向けて突出する突起２３ａが形成されている。
【００２２】
プレート１３ａは、磁性体で構成された第１の磁性部である。プレート１３ａは、例えば鉄である。プレート１３ａは、図４に示すように円環形状であり、第１の電磁石１６ａと対向する。
【００２３】
第１の弾性部１２ａは、コイルばねであり、第１の電磁石１６ａとプレート１３ａとの間に設けられる。コイルばねである第１の弾性部１２ａの内側には、第１の電磁石１６ａに形成された突起２３ａが差し込まれる。第１の弾性部１２ａは、第１の電磁石１６ａとプレート１３ａとを離す方向に力を付勢する。
【００２４】
複数の第２の電磁石１６ｂは、据え付け部２１の上面に設けられている。複数の第２の電磁石１６ｂは、図４に示すように円環状に等間隔で並べて配置される。複数の第２の電磁石１６ｂは、電圧が印加されることで、磁性体を吸着する吸着力を生じる。第２の電磁石１６ｂには、上方に向けて突出する突起２３ｂが形成されている。
【００２５】
第２の弾性部１２ｂは、コイルばねであり、第２の電磁石１６ｂとプレート１３ａとの間に設けられる。コイルばねである第２の弾性部１２ｂの内側には、第２の電磁石１６ｂに形成された突起２３ｂが差し込まれる。第２の弾性部１２ｂは、第２の電磁石１６ｂとプレート１３ａとを離す方向に力を付勢する。図３に示すように、第１の電磁石１６ａと、第１の弾性部１２ａと、プレート１３ａと、第２の弾性部１２ｂと、第２の電磁石１６ｂとは上下方向に沿って並べられている。
【００２６】
第１の弾性部１２ａと第２の弾性部１２ｂによって加えられる力によって、ベース部１０Ａには上方に移動させる力が加えられる。第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとに電圧が印加されておらず吸着力が生じていない状態では、図３に示すように、第１の弾性部１２ａと第２の弾性部１２ｂとによってベース部１０Ａが押し上げられた状態となる。この状態では、ベース部１０Ａは第１の弾性部１２ａと第２の弾性部１２ｂとによって支持された状態となる。すなわち、剛性可変機構２０Ａは剛性が低い状態となり、ベース部１０Ａの姿勢を容易に種々の方向に変化させることが可能となる。
【００２７】
図５は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であって、第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとに電圧が印加された状態を示す図である。電圧が印加された第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとには、磁性体を吸着する吸着力が発生する。そのため、第１の弾性部１２ａと第２の弾性部１２ｂの付勢力に抗して磁性体で構成されたプレート１３ａが第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとに吸着される。このとき、第１の電磁石１６ａの突起２３ａがプレート１３ａに当接することで、圧縮された第１の弾性部１２ａが収まる空間が突起２３ａの周囲に形成される。また、第２の電磁石１６ｂの突起２３ｂがプレート１３ａに当接することで、圧縮された第２の弾性部１２ｂが収まる空間が突起２３ｂの周囲に形成される。
【００２８】
この状態では、第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとに生じた吸着力によって、
第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとプレート１３ａとが、一体になって１つの剛体となる。すなわち、剛性可変機構２０Ａは剛性が高い状態となり、ベース部１０Ａの姿勢が変化しにくくなる。なお、突起２３ａ，２３ｂは、プレート１３ａに形成してもよい。
【００２９】
図６は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面図であって、第１の電磁石１６ａに電圧が印加され、第２の電磁石１６ｂに電圧が印加されていない状態を示す図である。図６に示すように、第１の電磁石１６ａに電圧が印加され、第２の電磁石１６ｂに電圧が印加されていない状態とすることで、ベース部１０Ａを第２の弾性部１２ｂのみで支持する状態とすることができる。この状態では、図５に示した状態よりも剛性可変機構２０Ａの剛性が低くなるが、図３に示した状態よりも剛性可変機構２０Ａの剛性が高くなる。すなわち、ベース部１０Ａの姿勢を変化させることは可能であるが、ベース部１０Ａの姿勢を変化させるためには図３に示す場合に比べてより大きな力を加える必要がある状態となる。なお、以下の説明において、図３に示す剛性可変機構２０Ａの状態を低剛性状態と称する場合がある。また、図５に示す剛性可変機構２０Ａの状態を高剛性状態と称する場合がある。また、図６に示す剛性可変機構２０Ａの状態を中剛性状態と称する場合がある。
【００３０】
コントローラ２は、関節部４１〜４３に設けられたモータおよびベース部１０Ａの内部に設けられたモータ９１を制御して、アーム部４０の姿勢を変化させ、先端部５の位置を変化させる。また、コントローラ２は、関節部４１〜４３に設けられたモータおよびベース部１０Ａの内部に設けられたモータ９１から取得した各モータの回転位置を示す情報に基づいて、アーム部４０の姿勢を把握する。また、コントローラ２は、ロボットアーム１の可動範囲で作業する作業者が、アーム部４０と構造物との間に挟み込まれたことを検知する機能を有する。アーム部４０と構造物との間に挟み込まれたことを検知する方法としては、関節部４１〜４３に設けられたモータおよびベース部１０Ａの内部に設けられたモータ９１の電流変化に基づいて検知する手法、アーム部４０の表面に設けられた圧力センサが検出する圧力の変化に基づいて検知する手法、または先端部５に設けられた加速度センサが検出する加速度の変化に基づいて検知する手法が挙げられる。
【００３１】
据え付け部２１の上面であって、剛性可変機構２０Ａの外側となる部分には、上方に向けて延びる化粧部１８Ａが設けられる。化粧部１８Ａは、剛性可変機構２０Ａの周囲を覆うことで、ロボットアーム１の外観の向上および第１の電磁石１６ａとプレート１３ａとの間および第２の電磁石１６ｂとプレート１３ａとの間への異物の挟み込みを防止することができる。
【００３２】
コントローラ２は、ロボットアーム１と接続されている。コントローラ２は、第１の電磁石１６ａおよび第２の電磁石１６ｂへの電圧の印加を制御する。作業者が構造物との間に挟み込まれていない通常状態では、第１の電磁石１６ａおよび第２の電磁石１６ｂに電圧を印加して、図３に示すように剛性可変機構２０Ａの剛性が高い状態とする。これにより、動作遅れ等の制御性能の低下を抑えることができる。
【００３３】
一方、作業者が構造物との間に挟み込まれたことが検知された場合にコントローラ２は、アーム部４０の動作を停止させる。また、コントローラ２は、第１の電磁石１６ａおよび第２の電磁石１６ｂの両方、またはいずれか一方への電圧の印加を停止する。これにより、ベース部１０Ａが第１の弾性部１２ａおよび第２の弾性部１２ｂの少なくとも一方によって支持される状態となる。すなわち、剛性可変機構２０Ａの剛性を低くすることができる。剛性可変機構２０Ａの剛性が低くなることで、構造物との間に挟み込まれた作業者は、アーム部４０に力を加えてベース部１０Ａの姿勢を変化させることができる。これにより、アーム部４０と構造物との間隔を広げて、作業者が容易に脱出することが可能となる。
【００３４】
なお、ベース部１０Ａは、筒状部１８Ｂおよび化粧部１８Ａに干渉するため、大きく姿勢を変化させることはできない。しかしながら、ベース部１０Ａの姿勢の変化が小さい場合であっても、ベース部１０Ａから離れたアーム部４０では作業者が脱出するのに十分な姿勢の変化となりやすい。なお、作業者が挟み込まれる構造物には、ロボット１００が載置される建物の壁、床、柵、他の装置、およびベース部１０Ａが例示される。
【００３５】
コントローラ２の一例は、コンピュータである。コントローラ２は、ベース部１０Ａの外部に配置されてもよいし、ベース部１０Ａの内部に配置されてもよい。
【００３６】
また、据え付け部２１が水平な床６０に固定された例を示したが、据え付け部２１が固定される据え付け面は水平である場合に限られない。例えば、据え付け面は鉛直な面であってもよいし、下方を向く面であってもよい。
【００３７】
また、第１の弾性部１２ａは、第１の電磁石１６ａとプレート１３ａとを離す方向に付勢する力を加えることができるものであればコイルばねに限られない。同様に、第２の弾性部１２ｂは、第２の電磁石１６ｂとプレート１３ａとを離す方向に付勢する力を加えることができるものであればコイルばねに限られない。第１の弾性部１２ａは、例えば空気ばねであってもよい。
【００３８】
次に、作業者がアーム部４０と構造物との間に挟まれた場合の、アーム部４０の姿勢に応じた剛性可変機構２０Ａの制御について説明する。図７および図８は、実施の形態１にかかるロボットアームの姿勢を説明するための図である。なお、以下の説明において、図７に示す状態をアーム部４０が伸びた状態と称し、図８に示す状態をアーム部４０が縮んだ状態と称する場合がある。
【００３９】
図７に示すようにアーム部４０が伸びた状態ではベース部１０Ａから先端部５までの水平距離Ｌ１が、図８に示すようにアーム部４０が縮んだ状態でのベース部１０Ａから先端部５までの水平距離Ｌ２よりも長くなる。
【００４０】
アーム部４０が伸びた状態では、ベース部１０Ａから先端部５までの水平距離Ｌ１が長いため、アーム部４０の自重によって剛性可変機構２０Ａに加わるモーメントが、アーム部４０が縮んだ状態よりも大きくなる。そのため、剛性可変機構２０Ａの剛性を低くしすぎると、自重によってアーム部４０の姿勢が大きく変化して、かえって作業者を圧迫する力が大きくなってしまう場合がある。一方、水平距離Ｌ１が大きいため、作業者がアーム部４０に加えた力が小さくても、剛性可変機構２０Ａに加わるモーメントはアーム部４０が縮んだ状態に比べて大きくなりやすい。そのため、小さい力でもアーム部４０の姿勢を変化させて、容易に脱出することが可能となる。
【００４１】
そこで、コントローラ２は、作業者が構造物との間に挟み込まれたことが検知された際に、アーム部４０が伸びた状態である場合には、第１の電磁石１６ａに電圧を印加し、第２の電磁石１６ｂには電圧を印加しない制御を行って、剛性可変機構２０Ａを図６に示す状態、すなわち中剛性状態にする。これにより、自重によるアーム部４０の姿勢の変化を抑えつつ、作業者の脱出の容易化を図ることができる。
【００４２】
一方、アーム部４０が縮んだ状態では、ベース部１０Ａから先端部５までの水平距離Ｌ２が短いため、アーム部４０の自重によって剛性可変機構２０Ａに加わるモーメントが、アーム部４０が伸びた状態よりも小さくなる。そのため、剛性可変機構２０Ａの剛性を低くしても、自重によってアーム部４０の姿勢が大きく変化しにくくなる。一方、水平距離Ｌ２が小さいため、作業者がアーム部４０に加えた力が大きくても、剛性可変機構２０Ａに加わるモーメントはアーム部４０が伸びた状態に比べて小さくなりやすい。
【００４３】
そこで、コントローラ２は、作業者が構造物との間に挟み込まれたことが検知された際に、アーム部４０が縮んだ状態である場合には、第１の電磁石１６ａおよび第２の電磁石１６ｂに電圧を印加しない制御を行って、剛性可変機構２０Ａを図３に示す状態、すなわち低剛性状態にする。これにより、自重によるアーム部４０の姿勢の変化を抑えつつ、小さい力でもアーム部４０の姿勢を変化させることを可能として、作業者の脱出の容易化を図ることができる。
【００４４】
なお、作業者が挟み込まれた場合に剛性可変機構２０Ａを低剛性状態とするか中剛性状態とするかのしきい値となる水平距離は、第１の弾性部１２ａおよび第２の弾性部１２ｂのばね定数、延びた状態でのアーム部４０の長さならびにアーム部４０の自重等によって決定される。しきい値の一例は、アーム部４０の水平方向の最大距離の半分の距離である。
【００４５】
また、剛性可変機構２０Ａを低剛性状態または中剛性状態とした場合には、ベース部１０Ａの姿勢を種々の方向に変化させることができるため、あらゆる方向から力が加えられた場合であっても、アーム部４０の姿勢を変化させることができる。したがって、作業者が構造物とアーム部４０との間に挟み込まれた場所によらず、作業者の脱出の容易化を図ることができる。
【００４６】
また、剛性可変機構２０Ａが軸部５０〜５３のいずれかに設けられている場合には、アーム部４０のうち剛性可変機構２０Ａよりもベース部１０Ａ側となる部分と構造物との間に作業者が挟み込まれた場合には、アーム部４０に力を加えても姿勢を変化させることが困難であるため、脱出の容易化を図ることができない。一方、本実施の形態１では、剛性可変機構２０Ａが据え付け面の近くに設けられているため、作業者が構造物とアーム部４０との間に挟み込まれた場所によらず、作業者の脱出の容易化を図ることができる。
【００４７】
なお、第１の弾性部１２ａのばね定数と、第２の弾性部１２ｂのばね定数を異ならせることで、より細かな剛性の調整が可能となる。例えば、第１の弾性部１２ａのばね定数のほうを、第２の弾性部１２ｂのばね定数よりも大きくした場合には、第１の電磁石１６ａのみに電圧を印加した場合よりも、第２の電磁石１６ｂのみに電圧を印加した場合のほうが剛性可変機構２０Ａの剛性を高くすることができる。
【００４８】
すなわち、第１の電磁石１６ａと第２の電磁石１６ｂとのいずれか一方のみに電圧を印加する中剛性状態の中でも、より剛性の高い状態と、より剛性の低い状態とを選択することが可能となる。これにより、作業者が挟み込まれた際のアーム部４０の姿勢に応じた剛性の選択肢を増やして、作業者がより脱出しやすい状態とすることができる。
【００４９】
ここで、第１の弾性部１２ａのばね定数がＫ１ａであり、第２の弾性部１２ｂのばね定数がＫ２ａ（＜Ｋ１ａ）である場合について説明する。第２の電磁石１６ｂに電圧が印加され、第１の電磁石１６ａへの印加電圧が０であれば、剛性可変機構２０Ａの剛性は、ばね定数のＫ１ａに対応するものとなる。一方、第１の電磁石１６ａに電圧が印加され、第２の電磁石１６ｂへの印加電圧が０であれば、剛性可変機構２０Ａの剛性は、ばね定数のＫ２ａに対応するものとなる。また、第１の電磁石１６ａ、第２の電磁石１６ｂへの印加電圧が０であれば、剛性可変機構２０Ａの剛性であるＫｍａは、Ｋｍａ＝（Ｋ１ａ×Ｋ２ａ）／（Ｋ１ａ＋Ｋ２ａ）となる。なお、Ｋｍａは、Ｋ１ａおよびＫ２ａの何れよりも小さな値となる。
【００５０】
また、第２の電磁石１６ｂおよび第２の弾性部１２ｂを省略し、プレート１３ａを据え付け部２１に設けて剛性可変機構２０Ａを構成した場合であっても、剛性の選択肢は減るものの、作業者が挟み込まれた際に低剛性状態にして、作業者の脱出の容易化を図ることは可能である。このように第２の電磁石１６ｂおよび第２の弾性部１２ｂを省略した場合には、第１の電磁石１６ａを据え付け部２１に設け、プレート１３ａをベース部１０Ａに設けても構わない。
【００５１】
実施の形態２．
つぎに、図９から図１５を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、剛性可変機構２０Ａが多段バネを用いて構成されている場合について説明した。実施の形態２では、剛性可変機構が単段バネを用いて単段構成される。そして、実施の形態２では、単段バネを用いて剛性可変機構内の剛性を変化させる。
【００５２】
実施の形態２では、剛性可変機構２０Ａの変形例である剛性可変機構２０Ｂの構成について説明する。図９は、実施の形態２にかかるロボットアームが備える剛性可変機構の構成を示す断面図である。図９に示す断面図は、実施の形態１の図４で示した断面図に相当する。図１０から図１２は、図９に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１０は、実施の形態２にかかる剛性可変機構の通常動作時の状態、すなわち高剛性状態を示す図である。図１１は、剛性可変機構の低剛性状態を示す図である。図１２は、剛性可変機構の中剛性状態を示す図である。図９から図１２に示す各構成要素のうち図３および図４に示す実施の形態１の剛性可変機構２０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。なお、図１０から図１２、および後述する図１３、図１４では、図面内のハッチングを省略している。
【００５３】
実施の形態２では、第１の電磁石１６ａが据え付け部２１に設けられている。また、図９および図１０に示すように複数のプレート１３ｂが、第１の電磁石１６ａに対向させて設けられている。プレート１３ｂは、磁性体で構成された第１の磁性部である。
【００５４】
ベース部１０Ｂには、据え付け部２１に向けて突出する複数の突部２９が形成されている。突部２９には、第２の電磁石１６ｃが設けられている。据え付け部２１には、第２の電磁石１６ｃと対向する第２の磁性部が設けられる。据え付け部２１が磁性体で構成されていれば、据え付け部２１のうち第２の電磁石１６ｃと対向する部分が第２の磁性部となる。第１の電磁石１６ａおよび第１の弾性部１２ａは、上方から見た場合に突部２９を避けた位置に設けられる。
【００５５】
図１０に示す高剛性状態では、すべての第１の電磁石１６ａおよびすべての第２の電磁石１６ｂに電圧が印加されている。プレート１３ｂが第１の電磁石１６ａに吸着されることで、第１の弾性部１２ａがプレート１３ｂおよびベース部１０Ｂを上方に移動させる力は働かない。また、第２の電磁石１６ｃに電圧が印加されることで、吸着力によってベース部１０Ｂの突部２９が据え付け部２１に密着する。これにより、ベース部１０Ｂと据え付け部２１とが１つの剛体を構成する。
【００５６】
次に、図１１に示す低剛性状態では、すべての第１の電磁石１６ａおよびすべての第２の電磁石１６ｃに電圧が印加されていない。第２の電磁石１６ｃの吸着力は無くなり、第１の弾性部１２ａがプレート１３ｂおよびベース部１０Ｂを上方に押し上げることで、ベース部１０Ｂはすべての第１の弾性部１２ａに支持される。これにより、ベース部１０Ｂの姿勢を変化させることが可能となり、作業者の脱出の容易化が図られる。
【００５７】
次に、図１２に示す中剛性状態では、一部の第１の電磁石１６ａに電極が印加され、すべての第２の電磁石１６ｃには電圧が印加されていない。これにより、一部の第１の弾性部１２ａによってベース部１０Ｂが支持される。これにより、図１１に示す低剛性状態よりは大きなモーメントを加える必要はあるものの、ベース部１０Ｂの姿勢を変化させることが可能となり、作業者の脱出の容易化が図られる。
【００５８】
本実施の形態２における剛性可変機構２０Ｂは、実施の形態１と同様に、通常の作業時は高剛性状態とされ、作業者が挟まれた際には、アーム部４０の姿勢に応じて低剛性状態または中剛性状態とされる。
【００５９】
なお、本実施の形態２では、中剛性状態の中でも、電圧が印加される第１の電磁石１６ａの数を異ならせることで、剛性可変機構２０Ｂの剛性を異ならせることができる。電圧が印加される第１の電磁石１６ａの数を増やすほど、ベース部１０Ｂを支持する第１の弾性部１２ａの数が減るため、剛性可変機構２０Ｂの剛性を低くすることができる。したがって、本実施の形態２では、アーム部４０の姿勢に応じて剛性可変機構２０Ｂの剛性をきめ細かく選択することが可能となる。
【００６０】
図１３は、実施の形態２にかかる剛性可変機構の別構成例を示す図である。図１３では、図１０から図１２と同様の断面を示している。図１３に示すように、第１の電磁石１６ａではなく、プレート１３ｂ側に突起２３ａを設けてもよい。
【００６１】
図１４は、実施の形態２にかかる剛性可変機構が備える位置決め機構の構成例を説明するための図である。図１４では、図１０から図１３と同様の断面を示している。図１４に示す例では、プレート１３ｂのうち、第１の電磁石１６ａに形成された突起２３ａと対向する位置に凹部２３ｃが形成されている。第１の電磁石１６ａがプレート１３ｂを吸着した際に、突起２３ａが凹部２３ｃに嵌ることでプレート１３ｂの位置決めがなされる。
【００６２】
次に、コントローラ２の構成の一例について説明する。ここでは、コントローラ２が、剛性可変機構２０Ｂを備えたロボットアーム１を制御する場合について説明する。図１５は、実施の形態２にかかるコントローラの構成を示すブロック図である。
【００６３】
図１５に示すように、コントローラ２は、停止検出部８１と、アーム姿勢算出部８２と、電磁石選定部８３と、電圧出力部８４とを備えている。また、ロボットアーム１は、位置センサ７１と、加速度センサ７２と、複数の第１の電磁石１６ａと、複数の第２の電磁石１６ｃとを備えている。
【００６４】
位置センサ７１は、アーム部４０に配置されており、アーム部４０の位置に対応する信号をコントローラ２のアーム姿勢算出部８２に出力する。アーム部４０では、先端部５および関節部４１〜４３といった種々の位置に位置センサ７１が配置されている。
【００６５】
加速度センサ７２は、アーム部４０に配置されており、アーム部４０が移動している際の加速度に対応する信号をコントローラ２の停止検出部８１に出力する。アーム部４０では、先端部５および関節部４１〜４３といった種々の位置に加速度センサ７２が配置されている。
【００６６】
停止検出部８１は、加速度センサ７２からの信号に基づいて、アーム部４０が作業者などに衝突して停止したことを検出する。停止検出部８１は、アーム部４０が停止したことを検出すると、アーム部４０が停止したことをアーム姿勢算出部８２に通知する。
【００６７】
アーム姿勢算出部８２は、アーム部４０が停止したことを示す通知を停止検出部８１から受けると、位置センサ７１からの信号に基づいて、アーム部４０の姿勢を算出する。アーム姿勢算出部８２は、算出したアーム部４０の姿勢を電磁石選定部８３に送る。
【００６８】
電磁石選定部８３は、アーム部４０の姿勢に基づいて、電圧を印加する第１の電磁石１６ａを選定する。具体的には、電磁石選定部８３は、アーム部４０の姿勢に基づいて、ベース部１０Ｂの接続機構に設定する剛性の高さを算出する。例えば、開放されている第１の弾性部１２ａのばね定数が、Ｋ１ｂ、Ｋ２ｂ、Ｋｂ３・・・である場合、ベース部１０Ｂの剛性であるＫｍｂは、Ｋｍｂ＝Ｋ１ｂ＋Ｋ２ｂ＋Ｋ３ｂで示される。このように、開放される第１の弾性部１２ａのばね定数の合計が多いほど、ベース部１０Ｂの剛性は高くなる。ここでの電磁石選定部８３は、印加電圧を０とする第１の電磁石１６ａの個数を決定する。また、電磁石選定部８３は、何れの第１の電磁石１６ａの印加電圧を０とするとするかを決定する。電磁石選定部８３は、ベース部１０Ｂを支持する第１の弾性部１２ａの配置が偏らないように、電圧を０とする第１の電磁石１６ａの位置を分散させる。電磁石選定部８３は、決定結果を電圧出力部８４に送る。具体的には、電磁石選定部８３は、電圧を０とする第１の電磁石１６ａを指定した情報を電圧出力部８４に送る。
【００６９】
電圧出力部８４は、電磁石選定部８３からの情報に従って、第１の電磁石１６ａに電圧を印加する。電圧出力部８４は、インバータを備えており、第１の電磁石１６ａに印加する電圧をオン電圧または０に調整する。ここでの電圧出力部８４は、電磁石選定部８３から指定された第１の電磁石１６ａへの印加電圧を０とし、その他の第１の電磁石１６ａへの印加電圧をオン電圧とする。また、電圧出力部８４は、全ての第２の電磁石１６ｃへの印加電圧を０とする。なお、電圧出力部８４は、コントローラ２の外部に配置されてもよい。
【００７０】
電圧出力部８４は、電磁石選定部８３から電圧を０とする第１の電磁石１６ａを指定した情報を受信していない場合には、全ての第１の電磁石１６ａへの印加電圧をオン電圧とし、全ての第２の電磁石１６ｃへの印加電圧をオン電圧とする。
【００７１】
このように実施の形態２によれば、剛性可変機構２０Ｂがベース部１０Ｂに配置されているので、作業者がアーム部４０と構造物との間に挟まれた場合に剛性可変機構２０Ｂの剛性を低くすることができる。また、通常作業時は、高剛性状態とすることで、アーム部４０の制御性能が低下することを抑制できる。また、据え付け部２１の近くに剛性可変機構２０Ｂを設けているので、作業者が挟まれた場所によらず、脱出の容易化を図ることができる。
【００７２】
ここで、コントローラ２のハードウェア構成について説明する。コントローラ２は、制御回路、すなわちプロセッサおよびメモリにより実現することができる。プロセッサの例は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）またはシステムＬＳＩ（Large  Scale  Integration）である。メモリの例は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、またはＲＯＭ（Read  Only  Memory）である。
【００７３】
コントローラ２は、プロセッサが、メモリで記憶されている、コントローラ２の動作を実行するためのプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、このプログラムは、コントローラ２の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。メモリは、プロセッサが各種処理を実行する際の一時メモリにも使用される。
【００７４】
プロセッサが実行するプログラムは、プログラムが格納された記録媒体であるコンピュータプログラムプロダクトで実現されてもよい。この場合の記録媒体の例は、プログラムが格納された非一時的な（non-transitory）コンピュータ可読媒体である。また、コントローラ２の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
【００７５】
なお、実施の形態１および実施の形態２を組合せてもよい。例えば、ベース部１０Ａに突部２９および第２の電磁石１６ｃを設けてもよい。この場合、ベース部１０Ａでは、上方から見て第１の電磁石１６ａを避けた位置に第２の電磁石１６ｃが配置される。また、剛性可変機構２０Ａ，２０Ｂは、アーム部４０内およびベース部１０Ａ，１０Ｂ内の何れかの位置に設けられてもよい。
【００７６】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１  ロボットアーム、２  コントローラ、５  先端部、１０Ａ，１０Ｂ  ベース部、１１ａ，１１ｂ  張出部、１２ａ  第１の弾性部、１２ｂ  第２の弾性部、１３ａ，１３ｂ  プレート、１６ａ  第１の電磁石、１６ｂ，１６ｃ  第２の電磁石、１８Ａ  化粧部、１８Ｂ  筒状部、１９  中心軸、２０Ａ，２０Ｂ  剛性可変機構、２１  据え付け部、２２ａ  上部板、２２ｂ  孔、２３ａ，２３ｂ  突起、２３ｃ  凹部、２９  突部、４０  アーム部、４１〜４３  関節部、５０〜５３  軸部、６０  床、７１  位置センサ、７２  加速度センサ、８１  停止検出部、８２  アーム姿勢算出部、８３  電磁石選定部、８４  電圧出力部、９１  モータ、９２  回転軸部、９３  減速機、９５  ベアリング、１００  ロボット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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