(57)【要約】【課題】ロータの非駆動時において、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減すること。【解決手段】制御部３０は、ロータ２４の非駆動時において、各圧電素子２１，２２のそれぞれに交流電圧を印加するとともに、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動の発生を規制した状態で、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減する摩擦力低減振動をステータ２３に発生させるように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
交流電圧の印加により前記ステータにそれぞれ異なるモードの振動を発生させる複数の振動手段と、
前記ステータに接触可能に配置されるロータと、
前記ロータを前記ステータに対して圧接させて前記ロータの非駆動時に前記ロータを前記ステータに固定する予圧手段と、を有し、
各振動手段により発生する振動を合成した複合振動により前記ステータの前記ロータとの接触部を円運動又は楕円運動させることで前記ロータを駆動させる振動アクチュエータを可動部の動力源として備えたロボットであって、
前記複数の振動手段に印加する交流電圧を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記ロータの非駆動時において、前記複数の振動手段のそれぞれに交流電圧を印加するとともに、前記ステータの前記ロータとの接触部が円運動又は楕円運動する前記複合振動の発生を規制した状態で、前記ロータと前記ステータとの摩擦力を低減する摩擦力低減振動を前記ステータに発生させるように、前記複数の振動手段に印加する交流電圧を制御することを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記制御部は、前記複数の振動手段に印加する交流電圧の位相差を、前記ステータの前記ロータとの接触部が円運動又は楕円運動する前記複合振動が発生する位相差とは異ならせることで、前記ステータに前記摩擦力低減振動を発生させることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記制御部は、前記複数の振動手段に印加する交流電圧の周波数を、前記複数の振動手段のうちの一つの振動手段の共振周波数に一致するとともに、他の振動手段の共振周波数とは異なる周波数とすることで、前記ステータに前記摩擦力低減振動を発生させることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動アクチュエータを備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの一種であるロボットハンドにおいて、例えば可動部である指（把持部）やアームを可動させるために、超音波振動を利用してロータを回転させる振動アクチュエータを動力源として備えたものが知られている。このようなロボットハンドに適用される振動アクチュエータとして、例えば特許文献１のものがある。特許文献１の振動アクチュエータには、超音波振動を発生させる圧電素子等の振動手段と、振動手段に接触した状態で固定されるステータ（振動子）と、ステータに対して接触支持されたロータ（回転子）とが設けられている。ロータは、牽引装置（予圧手段）によりステータに対して圧接されている。これにより、ロータがステータに対して押し付けられた状態で接触している。そして、振動手段に交流電圧を印加することで、ステータが、それぞれ異なるモードの超音波振動からなる複合振動によって振動する。このステータの複合振動により、ステータのロータとの接触部が楕円軌跡を描くように運動し、この楕円運動によりロータが駆動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９９７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなロボットハンドを用いて把持対象物を把持する作業を行うためには、ロボットハンドの指やアームの位置姿勢を予め教示（ティーチング）しておくことが必要である。そこで、ロータの非駆動時において、作業者がロボットハンドの指やアームを手で持って動かし、指やアームの位置姿勢を教示するダイレクトティーチングが一般的に行われている。しかしながら、特許文献１のような振動アクチュエータを組み込んだロボットハンドでは、ロータの非駆動時においては、ロータが予圧手段によりステータに対して圧接されているため、作業者は、ロータとステータとの間に発生する摩擦力よりも大きい外力を指やアームに与えなければならず、ダイレクトティーチングを容易に行うことができない。
【０００５】
また、ロボットハンドで実際に把持対象物を把持する場合、ロボットハンドを初期待機位置から把持対象物近傍まで移動させる必要があるが、この移動動作の過程において、ロボットハンドの指が把持対象物以外の物体、即ち、障害物に触れることがある。通常のロボットハンドでは、移動動作中に指を動かすことはないため、指は所定の角度で固定されている。よって、障害物に接触した衝撃は、そのまま指の動力源である振動アクチュエータに加わってしまう。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータの非駆動時において、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減することができるロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ステータと、交流電圧の印加により前記ステータにそれぞれ異なるモードの振動を発生させる複数の振動手段と、前記ステータに接触可能に配置されるロータと、前記ロータを前記ステータに対して圧接させて前記ロータの非駆動時に前記ロータを前記ステータに固定する予圧手段と、を有し、各振動手段により発生する振動を合成した複合振動により前記ステータの前記ロータとの接触部を円運動又は楕円運動させることで前記ロータを駆動させる振動アクチュエータを可動部の動力源として備えたロボットであって、前記複数の振動手段に印加する交流電圧を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記ロータの非駆動時において、前記複数の振動手段のそれぞれに交流電圧を印加するとともに、前記ステータの前記ロータとの接触部が円運動又は楕円運動する前記複合振動の発生を規制した状態で、前記ロータと前記ステータとの摩擦力を低減する摩擦力低減振動を前記ステータに発生させるように、前記複数の振動手段に印加する交流電圧を制御することを要旨とする。
【０００８】
この発明によれば、ロータの非駆動時において、制御部により摩擦力低減振動がステータに発生するように、複数の振動手段に印加する交流電圧が制御されることで、ステータに摩擦力低減振動を発生させることができるため、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減することができる。その結果、例えば、ダイレクトティーチングを行う際に、ロータとステータとの摩擦力を低減させることができ、ダイレクトティーチングを容易に行うことができる。また、例えば、ロボットの移動動作中において、ロータとステータとの摩擦力を低減させることで、可動部が保持固定された保持モードから保持固定力が小さくなる脱力モードに切り換えることができる。その結果、ロボットの移動動作中に可動部が障害物に触れてしまい、障害物に接触した衝撃がそのまま振動アクチュエータに加わってしまうことを抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、前記複数の振動手段に印加する交流電圧の位相差を、前記ステータの前記ロータとの接触部が円運動又は楕円運動する前記複合振動が発生する位相差とは異ならせることで、前記ステータに前記摩擦力低減振動を発生させることを要旨とする。
【００１０】
この発明によれば、制御部によって、複数の振動手段に印加する交流電圧の位相差を制御するだけで、ロータの非駆動時において、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、前記複数の振動手段に印加する交流電圧の周波数を、前記複数の振動手段のうちの一つの振動手段の共振周波数に一致するとともに、他の振動手段の共振周波数とは異なる周波数とすることで、前記ステータに前記摩擦力低減振動を発生させることを要旨とする。
【００１２】
この発明によれば、制御部によって、複数の振動手段に印加する交流電圧の周波数を制御するだけで、ロータの非駆動時において、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、ロータの非駆動時において、予圧手段により圧接されているロータとステータとの摩擦力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は実施形態におけるロボットハンドの概略図、（ｂ）は振動アクチュエータの斜視図、（ｃ）はロボットハンドの電気的構成を示すブロック図。
【図２】各圧電素子に印加される交流電圧の位相差とロータの回転出力との関係を示すグラフ。
【図３】各圧電素子の共振周波数と制御部から各圧電素子に印加される交流電圧の周波数との関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を、把持対象物を把持するロボットハンドに具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、ロボットハンド１０は、把持対象物Ｈを把持する把持部１１と、複数のアーム１２と、を有している。各アーム１２は、連結部１３を介して互いに連結されるとともに、把持部１１は、複数のアーム１２のうちの最も把持部１１側のアーム１２に連結部１３を介して連結されている。各連結部１３は、各アーム１２又は把持部１１の角度を調節可能であるとともに各アーム１２又は把持部１１の動力源である振動アクチュエータ２０を備えている。そして、各連結部１３に配置された振動アクチュエータ２０の駆動により各アーム１２又は把持部１１が可動して各アーム１２又は把持部１１の角度が調節される。本実施形態では、把持部１１及びアーム１２はロボットハンド１０の可動部に相当する。なお、振動アクチュエータ２０自体でアームを構成するようにしてもよい。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、振動アクチュエータ２０には、振動手段としての第１圧電素子２１及び第２圧電素子２２が配設されている。第１圧電素子２１及び第２圧電素子２２は円筒状をなすとともに、円板状の複数の圧電素子板を積層した構造になっている。第１圧電素子２１の一端面には、略円筒状をなすステータ２３（振動子）が第１圧電素子２１に接触した状態で固定されている。ステータ２３は、例えばステンレスにより形成されている。ステータ２３における第１圧電素子２１とは反対側の面には接触部２３ａが凹設されている。接触部２３ａには、円筒状をなすロータ２４（回転子）が接触支持されている。ロータ２４は、例えばセラミックスやアルミナにより形成されている。ロータ２４には回転軸２４ａが貫挿されている。ロータ２４は、回転軸２４ａを中心に回転軸２４ａと共に一体的に回転運動するようになっている。ロータ２４は、予圧手段２５によりステータ２３の接触部２３ａに押し付けられて圧接されている。そして、予圧手段２５は、ロータ２４の非駆動時に、ロータ２４をステータ２３の接触部２３ａに押し付けることで、ロータ２４をステータ２３に固定している。
【００１７】
図１（ｃ）に示すように、ロボットハンド１０は制御部３０を備えている。制御部３０はメモリ３０ａを有する。各圧電素子２１，２２は、制御部３０に電気的に接続されており、制御部３０の制御を受ける。第１圧電素子２１は、制御部３０から交流電圧が印加されると縦振動が発生するようになっている。第２圧電素子２２は、制御部３０から交流電圧が印加されると撓み振動が発生するようになっている。よって、各圧電素子２１，２２は、それぞれ異なるモードの振動を発生させる。
【００１８】
また、ロボットハンド１０は、回転軸２４ａの角度、すなわち、アーム１２の角度を検出する角度センサ３１を有している。角度センサ３１は制御部３０に電気的に接続されている。そして、角度センサ３１により検出された検出情報は、制御部３０に送られてメモリ３０ａに記憶される。さらに、ロボットハンド１０は、コントローラ３２を有している。コントローラ３２は制御部３０に電気的に接続されている。
【００１９】
制御部３０から各圧電素子２１，２２に交流電圧がそれぞれ印加されると、第１圧電素子２１により縦振動が発生するとともに、第２圧電素子２２により撓み振動が発生する。これらの各圧電素子２１，２２により発生する縦振動及び撓み振動が合成された楕円軌跡を描く複合振動がステータ２３に伝達されることで、ステータ２３の接触部２３ａが楕円運動する。このステータ２３の接触部２３ａの楕円運動により、ステータ２３に押し付けられたロータ２４が摩擦力によって駆動（回転運動）する。そして、ロータ２４が駆動することでロータ２４の回転軸２４ａに連結されたアーム１２又は把持部１１が可動する。
【００２０】
図２は、各圧電素子２１，２２に印加される交流電圧の位相差とロータ２４の回転出力との関係を示している。図２に示すように、例えば、各圧電素子２１，２２に印加される交流電圧の位相差が６０度のときには、ロータ２４は正転方向へ最高速度で回転するとともに、位相差が−１２０度のときには、ロータ２４は反転方向へ最高速度で回転するようになっている。よって、ロータ２４の回転方向の切替や回転速度の調整は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を制御することで行われる。
【００２１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
上記構成のロボットハンド１０を用いて、把持対象物Ｈを把持する作業を行うためには、各アーム１２及び把持部１１の位置姿勢を予め教示（ティーチング）しておくことが必要である。そこで、ロータ２４の非駆動時において、作業者が各アーム１２又は把持部１１を手で持って動かし、アーム１２及び把持部１１の位置姿勢を教示するダイレクトティーチングを行う。
【００２２】
本実施形態では、まず、作業者は、コントローラ３２のスイッチを操作して、ロボットハンド１０をダイレクトティーチングモードに設定する。すると、制御部３０は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差が、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動が発生する位相差とは異なる位相差となるように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を制御する。
【００２３】
具体的には、図２に示すように、制御部３０は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差が−３０度となるように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を制御する。すると、ステータ２３には、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動の発生を規制した状態で、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減する摩擦力低減振動が発生する。よって、制御部３０は、ステータ２３に摩擦力低減振動が発生するように各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧を制御している。
【００２４】
そして、作業者は、アーム１２又は把持部１１を手で持って動かし、アーム１２及び把持部１１の位置姿勢を所望の位置姿勢とする。このとき、ステータ２３に摩擦力低減振動が発生しているため、ロータ２４とステータ２３との摩擦力が低減されており、ダイレクトティーチングが容易に行われる。
【００２５】
続いて、作業者は、コントローラ３２のスイッチを操作して、ロボットハンド１０のダイレクトティーチングモードを終了する。すると、制御部３０は、各圧電素子２１，２２に対する交流電圧の印加を停止する。そして、制御部３０は、角度センサ３１により検出された検出情報を受信してメモリ３０ａに記憶する。このメモリ３０ａに記憶された角度センサ３１からの検出情報がアーム１２の位置姿勢として記憶され、アーム１２の所望の位置姿勢が教示される。
【００２６】
また、ダイレクトティーチングを行った後に、ロボットハンド１０で実際に把持対象物Ｈを把持する場合、ロボットハンド１０を初期待機位置から把持対象物Ｈ近傍まで移動させる必要があるが、この移動動作の過程において、ロボットハンド１０の把持部１１が把持対象物Ｈ以外の物体、即ち、障害物に触れることがある。そこで、例えば、ロボットハンド１０の移動動作中においては、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減させることで、把持部１１が保持固定された保持モードから保持固定力が小さくなる脱力モードに切り換える。その結果、ロボットハンド１０の移動動作中に把持部１１が障害物に触れてしまい、障害物に接触した衝撃がそのまま振動アクチュエータ２０に加わってしまうことが抑制される。
【００２７】
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）制御部３０は、ロータ２４の非駆動時において、各圧電素子２１，２２のそれぞれに交流電圧を印加するとともに、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動の発生を規制した状態で、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減する摩擦力低減振動をステータ２３に発生させるように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧を制御する。これによれば、ロータ２４の非駆動時において、制御部３０により摩擦力低減振動がステータ２３に発生するように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧が制御されることで、ステータ２３に摩擦力低減振動を発生させることができるため、予圧手段２５により圧接されているロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減することができる。その結果、例えば、ダイレクトティーチングを行う際に、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減させることができ、ダイレクトティーチングを容易に行うことができる。また、例えば、ロボットハンド１０の移動動作中において、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減させることで、把持部１１が保持固定された保持モードから保持固定力が小さくなる脱力モードに切り換えることができる。その結果、ロボットハンド１０の移動動作中に把持部１１が障害物に触れてしまい、障害物に接触した衝撃がそのまま振動アクチュエータ２０に加わってしまうことを抑制することができる。
【００２８】
（２）制御部３０は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動が発生する位相差とは異ならせることで、ステータ２３に摩擦力低減振動を発生させる。これによれば、制御部３０によって、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を制御するだけで、ロータ２４の非駆動時において、予圧手段２５により圧接されているロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態において、制御部３０は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の周波数を、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動が発生する周波数とは異ならせることで、ステータ２３に摩擦力低減振動を発生させるようにしてもよい。
【００３０】
図３に示すように、例えば、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動が発生する交流電圧の周波数は、第１圧電素子２１の共振周波数と第２圧電素子２２の共振周波数とが一致する特定の周波数Ａ（Ｈｚ）に予め設定されている。そして、周波数が特定の周波数Ａ（Ｈｚ）に設定された交流電圧が制御部３０から各圧電素子２１，２２に印加されると、第１圧電素子２１に縦振動が発生するとともに、第２圧電素子２２に撓み振動が発生する。この各圧電素子２１，２２による縦振動及び撓み振動が合成された複合振動がステータ２３に発生することで、ステータ２３の接触部２３ａが楕円運動する。このステータ２３の接触部２３ａの楕円運動により、ステータ２３に押し付けられたロータ２４が摩擦力によって駆動（回転運動）する。そして、ロータ２４が駆動することでロータ２４に連結されたアーム１２又は把持部１１が可動する。
【００３１】
一方、例えば、周波数が、第１圧電素子２１の共振周波数と第２圧電素子２２の共振周波数とが一致しない周波数Ｂ（Ｈｚ）に設定された交流電圧が制御部３０から各圧電素子２１，２２に印加されたとする。この周波数Ｂ（Ｈｚ）とは、第１圧電素子２１の共振周波数と一致する周波数であるとともに、第２圧電素子２２の共振周波数とは異なる周波数である。すると、第１圧電素子２１には縦振動が発生するが、第２圧電素子２２には撓み振動が発生しない。よって、ロータ２４は非駆動となり、ステータ２３には、第１圧電素子２１により発生した縦振動のみが伝達される。その結果、制御部３０によって、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の周波数を制御するだけで、予圧手段２５により圧接されているロータ２４とステータ２３との摩擦力が低減される。よって、縦振動は、ロータ２４の非駆動時において、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動の発生を規制した状態で、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減する摩擦力低減振動に相当する。
【００３２】
なお、例えば、周波数が第１圧電素子２１の共振周波数と一致する周波数Ｂ（Ｈｚ）に設定された交流電圧を制御部３０から第１圧電素子２１に印加するとともに、周波数が第２圧電素子２２の共振周波数とは異なる周波数Ｃ（Ｈｚ）に設定された交流電圧を制御部３０から第２圧電素子２２に印加するようにしてもよい。このようにして、第１圧電素子２１に縦振動を発生させるとともに、第２圧電素子２２に撓み振動を発生させないようにしてもよい。
【００３３】
○  実施形態において、制御部３０は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差が−３０度となるように、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差を制御したが、これに限らない。要は、各圧電素子２１，２２に印加する交流電圧の位相差が、ステータ２３のロータ２４との接触部２３ａが楕円運動する複合振動の発生を規制した状態で、ロータ２４とステータ２３との摩擦力を低減する摩擦力低減振動がステータ２３に発生する位相差であればよい。
【００３４】
○  実施形態において、例えば、縦振動及びねじり振動をステータ２３に伝達させて、ステータ２３の接触部２３ａを楕円運動させるようにしてもよい。
○  実施形態において、縦振動及び撓み振動に加えて、新たな振動をステータ２３に伝達させて、ステータ２３の接触部２３ａを楕円運動させるようにしてもよい。
【００３５】
○  実施形態において、ステータ２３及びロータ２４の材質は、特に限定されるものではない。
○  実施形態において、ステータ２３は、例えば、ブロック状をなしていてもよく、ステータ２３の形状は特に限定されるものではない。
【００３６】
○  実施形態において、コントローラ３２は、例えば、音声認識によって、ロボットハンド１０をダイレクトティーチングモードに設定したり、ダイレクトティーチングモードを終了したりすることが可能な構成であってもよい。また、コントローラ３２は、例えばティーチングペンダントであってもよい。
【００３７】
○  実施形態において、予圧手段２５の構成は特に限定されるものではなく、ロータ２４をステータ２３に対して押し付けることができる構成であればよい。
○  実施形態において、各圧電素子２１，２２により発生する縦振動及び撓み振動が合成された円軌跡を描く複合振動をステータ２３に伝達させ、ステータ２３の接触部２３ａを円運動させることで、ステータ２３に押し付けられたロータ２４を摩擦力によって駆動（回転運動）させるようにしてもよい。
【００３８】
○  本発明を、可動部に振動アクチュエータ２０を備えたロボットハンド１０以外のロボットに適用してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０…ロボットとしてのロボットハンド、１２…可動部としてのアーム、２０…振動アクチュエータ、２１…振動手段としての第１圧電素子、２２…振動手段としての第２圧電素子、２３…ステータ、２３ａ…接触部、２４…ロータ、２５…予圧手段、３０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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