(57)【要約】【課題】ロボットアーム装置の基礎部の設置位置から作業対象箇所までの水平距離が離れている場合であっても、作業対象箇所に向けて適切に作業アームを延ばすことができるロボットアーム装置を提供する。【解決手段】水中で使用されるロボットアーム装置１は、作業アーム２と、作業アームの基端部に連結された基礎部３と、これらに連結された関節部２１とを具備する。関節部には基礎部に対して作業アームの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられる。作業アームはその比重が特定比重範囲内となるように構成され、特定比重範囲は、作業アームを液体内で水平に延ばしたときに作業アームに上昇方向又は降下方向の力が発生しても関節部内のアクチュエータの駆動力により作業アームを上昇又は降下させずに水平に維持することができるように液体内で作業アームに浮力が発生するような範囲である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体内で使用されるロボットアーム装置であって、
先端にエンドエフェクタを取り付け可能な作業アームと、該作業アームの基端部に連結された基礎部と、該基礎部に対する前記作業アームの向きを変更できるようにこれらに連結された関節部とを具備し、前記関節部には前記基礎部に対して作業アームの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、
前記作業アームはその比重が特定比重範囲内となるように構成され、該特定比重範囲は、前記作業アームを液体内で水平に延ばしたときに該作業アームの重量及び該作業アームに作用する浮力により該作業アームに上昇方向又は降下方向の力が発生しても前記関節部内のアクチュエータの駆動力により前記作業アームを上昇又は降下させずに水平に維持することができるように前記液体内で作業アームに浮力が発生するような範囲である、ロボットアーム装置。
【請求項２】
前記作業アームは、関節部と、該関節部により互いに連結された複数のリンク部とを具備する多関節アームであり、
前記リンク部間の関節部には該関節部に連結されたリンク部同士の相対的な向きを変更するような駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、
前記リンク部間の各関節部と該関節部に連結された一つのリンク部とから成るユニットは、その比重が前記特定比重範囲内となるように構成される、請求項１に記載のロボットアーム装置。
【請求項３】
前記作業アームの各関節部のアクチュエータの最大駆動力は、該アクチュエータが設けられた関節部よりも先端側に設けられたリンク部及び関節部である先端側部分を液体内で水平に延ばしたときに該先端側部分の重量及び該先端側部分に作用する浮力により該先端側部分に上昇方向又は降下方向の力が発生しても該先端側部分を上昇又は降下させずに水平に維持することができるような駆動力以上である、請求項２に記載のロボットアーム装置。
【請求項４】
前記作業アームはその比重が前記液体の比重を中心として前記特定比重範囲の半分の範囲内となるように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項５】
液体内で使用されるロボットアーム装置であって、
先端にエンドエフェクタを取り付け可能な作業アームと、該作業アームの基端部に連結された基礎部と、該基礎部に対する前記作業アームの向きを変更できるようにこれらに連結された関節部とを具備し、前記関節部には前記基礎部に対して作業アームの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、
前記作業アームは、その比重が前記液体の比重の±２０％以下となるように構成される、ロボットアーム装置。
【請求項６】
前記作業アームの比重は、該作業アームが前記液体内に浸されたときに該作業アームが中性浮力状態となるような比重とされる、請求項５に記載のロボットアーム装置。
【請求項７】
前記作業アームは、関節部と、該関節部により互いに連結された複数のリンク部とを具備する多関節アームであり、
前記リンク部間の関節部には該関節部に連結されたリンク部同士の相対的な向きを変更するような駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、
各リンク部と該リンク部に連結された一つの関節部とから成るユニットは、その比重が前記液体の比重の±２０％以下となるように構成される、請求項５又は６に記載のロボットアーム装置。
【請求項８】
前記各ユニットの比重は、該作業アームが前記液体内に浸されたときに該作業アームが中性浮力状態となるような比重とされる、請求項７に記載のロボットアーム装置。
【請求項９】
前記作業アームの各関節部のアクチュエータの最大駆動力は、該アクチュエータが設けられた関節部よりも先端側に設けられたリンク部及び関節部である先端側部分の比重が液体の比重と異なることによって生じる力、並びに前記エンドエフェクタが受ける力及びモーメントに抗して前記先端側部分を所望の姿勢に保持することができるような駆動力以上である、請求項７又は８に記載のロボットアーム装置。
【請求項１０】
前記複数のリンク部のうち基端側からｉ番目(ｉ＝１〜ｎ)のリンク部の基端側端部から先端側端部までの長さをｌｉ、該リンク部が液体から受ける浮力をＦｉ、該リンク部の浮心の基端側端部からの距離をαｉｌｉ（０≦αｉ≦１）とすると、最も先端側のｎ番目のリンク部の先端側端部に取り付けるエンドエフェクタの質量をαｎＦｎとした、請求項２、３及び７〜９のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１１】
前記作業アームは、該作業アームの浮力を調整可能な浮力調整機構を具備する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１２】
前記浮力調整機構は、前記作業アーム周りに配置された可撓性チューブと、前記作業アーム外周と可撓性チューブとの間に充填される気体の量を調整する気体量調整装置とを具備する、請求項１１に記載のロボットアーム装置。
【請求項１３】
前記浮力調整機構は前記作業アーム内の空間内に気体を導入する気体供給装置と、該作業アーム内の空間から気体を排出して該空間に周囲の液体を導入する気体排出装置とを具備する、請求項１１に記載のロボットアーム装置。
【請求項１４】
前記リンク部は、該作業アームの浮力を調整可能な浮力調整機構を具備する、請求項２、３及び７〜９のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１５】
前記浮力調整機構は、前記リンク部周りに配置された可撓性チューブと、前記リンク部外周と可撓性チューブとの間に充填される気体の量を調整する気体量調整装置とを具備する、請求項１４に記載のロボットアーム装置。
【請求項１６】
前記浮力調整機構は前記リンク部内の空間内に気体を導入する気体供給装置と、該リンク部内の空間から気体を排出して該空間に周囲の液体を導入する気体排出装置とを具備する、請求項１４に記載のロボットアーム装置。
【請求項１７】
前記基礎部は、複数のアームを格納する格納装置を具備し、該格納装置は、鉛直方向に垂下されていたリンク部を持ち上げる格納用アームと、該格納用アームを駆動するためのアクチュエータとを備える、請求項２、３及び７〜９のいずれか１項に記載のロボットアーム装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載のロボットアーム装置の使用方法において、
前記作業アームの少なくとも一部が前記液体内にある状態で前記作業アームの先端が前記液体内の作業対象箇所に到達するように前記アクチュエータが駆動せしめられる、ロボットアーム装置の使用方法。
【請求項１９】
前記作業アームは、気中においては格納状態か、または自重で垂れ下がった姿勢を保持するように前記アクチュエータが駆動せしめられる、請求項１８に記載のロボットアーム装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な目的に応じて多くのロボットが研究・開発され、実用化されている。このようなロボットのうち水中で作業を行うロボットとして、自律型潜水ロボット（Autonoumous Underwater Vehicle）等が知られている。自律型潜水ロボットは、ロボット自体が動力を有していること等により地上等からの電力の供給を必要とせず、よって地上等にケーブルで接続されずに単独で水中で作業を行うことができるロボットである。
【０００３】
このようなロボットを水中で作業対象箇所に向けて移動させるためには、水中で下降、上昇させたり一定の深度又は高度に保持したりするためには、浮力を調整することが必要である。そのため、自律型潜水ロボットは一般に浮力調整機構を備えており、このような浮力調整機構の一つとして温度に応じて体積の変化するパラフィンワックスを用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３７２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水中の特定の箇所に地上から流体を供給する作業等、自律型潜水ロボットには適さない作業も存在する。このような作業を水中で行う場合には、例えば、作業アームを備えたロボットアーム装置を用いて地上から水中の作業対象箇所まで作業アームを伸ばすようにすることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、このようなロボットアーム装置を用いた場合、ロボットアーム装置の作業アームの基端側に連結された基礎部（例えば、台車等）の設置位置から水中の作業対象箇所までの水平距離が離れていると、ロボットアーム装置の作業アームを長距離に亘って水平に延ばすことが必要になる。この結果、作業アームの基端側には大きなモーメントが発生する。
【０００７】
一般に、作業アームの基端側は、関節部を介して基礎部に連結される。したがって、上述したように地上から作業対象箇所までの水平距離が離れていると、この関節部に大きなモーメントが作用する。このため、このような場合には、この関節部において作業アームが折れてしまい、結果的に作業アームの先端に設けられたエンドエフェクタを適切に作業対象箇所まで移動させることができないと考えられていた。
【０００８】
そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、ロボットアーム装置の基礎部の設置位置から作業対象箇所までの水平距離が離れている場合であっても、作業対象箇所に向けて適切に作業アームを延ばすことができるロボットアーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、液体内で使用されるロボットアーム装置であって、先端にエンドエフェクタを取り付け可能な作業アームと、該作業アームの基端部に連結された基礎部と、該基礎部に対する前記作業アームの向きを変更できるようにこれらに連結された関節部とを具備し、前記関節部には前記基礎部に対して作業アームの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、前記作業アームはその比重が特定比重範囲内となるように構成され、該特定比重範囲は、前記作業アームを液体内で水平に延ばしたときに該作業アームの重量及び該作業アームに作用する浮力により該作業アームに上昇方向又は降下方向の力が発生しても前記関節部内のアクチュエータの駆動力により前記作業アームを上昇又は降下させずに水平に維持することができるように前記液体内で作業アームに浮力が発生するような範囲である、ロボットアーム装置が提供される。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、前記作業アームは、関節部と、該関節部により互いに連結された複数のリンク部とを具備する多関節アームであり、前記リンク部間の関節部には該関節部に連結されたリンク部同士の相対的な向きを変更するような駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、前記リンク部間の各関節部と該関節部に連結された一つのリンク部とから成るユニットは、その比重が前記特定比重範囲内となるように構成される。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、前記作業アームの各関節部のアクチュエータの最大駆動力は、該アクチュエータが設けられた関節部よりも先端側に設けられたリンク部及び関節部である先端側部分を液体内で水平に延ばしたときに該先端側部分の重量及び該先端側部分に作用する浮力により該先端側部分に上昇方向又は降下方向の力が発生しても該先端側部分を上昇又は降下させずに水平に維持することができるような駆動力以上である。
【００１２】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記作業アームはその比重が前記液体の比重を中心として前記特定比重範囲の半分の範囲内となるように構成される。
【００１３】
上記課題を解決するために、第５の発明では、液体内で使用されるロボットアーム装置であって、先端にエンドエフェクタを取り付け可能な作業アームと、該作業アームの基端部に連結された基礎部と、該基礎部に対する前記作業アームの向きを変更できるようにこれらに連結された関節部とを具備し、前記関節部には前記基礎部に対して作業アームの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、前記作業アームは、その比重が前記液体の比重の±２０％以下となるように構成される、ロボットアーム装置が提供される。
【００１４】
第６の発明では、第５の発明において、前記作業アームの比重は、該作業アームが前記液体内に浸されたときに該作業アームが中性浮力状態となるような比重とされる。
【００１５】
第７の発明では、第５又は第６の発明において、前記作業アームは、関節部と、該関節部により互いに連結された複数のリンク部とを具備する多関節アームであり、前記リンク部間の関節部には該関節部に連結されたリンク部同士の相対的な向きを変更するような駆動力を発生させるアクチュエータが設けられ、各リンク部と該リンク部に連結された一つの関節部とから成るユニットは、その比重が前記液体の比重の±２０％以下となるように構成される。
【００１６】
第８の発明では、第７の発明において、前記各ユニットの比重は、該作業アームが前記液体内に浸されたときに該作業アームが中性浮力状態となるような比重とされる。
【００１７】
第９の発明では、第７又は第８の発明において、前記作業アームの各関節部のアクチュエータの最大駆動力は、該アクチュエータが設けられた関節部よりも先端側に設けられたリンク部及び関節部である先端側部分の比重が液体の比重と異なることによって生じる力、並びに前記エンドエフェクタが受ける力及びモーメントに抗して前記先端側部分を所望の姿勢に保持することができるような駆動力以上である。
【００１８】
第１０の発明では、第２、第３及び第７〜第９のいずれか一つの発明において、前記複数のリンク部のうち基端側からｉ番目(ｉ＝１〜ｎ)のリンク部の基端側端部から先端側端部までの長さをｌｉ、該リンク部が液体から受ける浮力をＦｉ、該リンク部の浮心の基端側端部からの距離をαｉｌｉ（０≦αｉ≦１）とすると、最も先端側のｎ番目のリンク部の先端側端部に取り付けるエンドエフェクタの質量をαｎＦｎとした。
【００１９】
第１１の発明では、第１〜第１０のいずれか一つの発明において、前記作業アームは、該作業アームの浮力を調整可能な浮力調整機構を具備する。
【００２０】
第１２の発明では、第１１の発明において、前記浮力調整機構は、前記作業アーム周りに配置された可撓性チューブと、前記作業アーム外周と可撓性チューブとの間に充填される気体の量を調整する気体量調整装置とを具備する。
【００２１】
第１３の発明では、第１１の発明において、前記浮力調整機構は前記作業アーム内の空間内に気体を導入する気体供給装置と、該作業アーム内の空間から気体を排出して該空間に周囲の液体を導入する気体排出装置とを具備する。
【００２２】
第１４の発明では、第２、第３及び第７〜第９のいずれか一つの発明において、前記リンク部は、該作業アームの浮力を調整可能な浮力調整機構を具備する。
【００２３】
第１５の発明では、第１４の発明において、前記浮力調整機構は、前記リンク部周りに配置された可撓性チューブと、前記リンク部外周と可撓性チューブとの間に充填される気体の量を調整する気体量調整装置とを具備する。
【００２４】
第１６の発明では、第１４の発明において、前記浮力調整機構は前記リンク部内の空間内に気体を導入する気体供給装置と、該リンク部内の空間から気体を排出して該空間に周囲の液体を導入する気体排出装置とを具備する。
【００２５】
第１７の発明では、第２、第３、第７〜第１６のいずれか一つの発明において、前記基礎部は、複数のアームを格納する格納装置を具備し、該格納装置は、鉛直方向に垂下されていたリンク部を持ち上げる格納用アームと、該格納用アームを駆動するためのアクチュエータとを備える。
【００２６】
第１９の発明では、第１〜第１７のいずれか一つのロボットアーム装置の使用方法において、前記作業アームの少なくとも一部が前記液体内にある状態で前記作業アームの先端が前記液体内の作業対象箇所に到達するように前記アクチュエータが駆動せしめられる。
【００２７】
第２０の発明では、第１８の発明において、前記作業アームは、気中においては格納状態か、または自重で垂れ下がった姿勢を保持するように前記アクチュエータが駆動せしめられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ロボットアーム装置の基礎部の設置位置から作業対象箇所までの水平距離が離れている場合であっても、作業対象箇所に向けて適切に作業アームを延ばすことができるロボットアーム装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に係るロボットアーム装置を概略的に示した図である。
【図２】図２は、二つのリンク部間に配置された関節部を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、作業アームを部分的に示す平面図である。
【図４】図４は、ウェーブジェネレータの回転に伴う波動歯車装置の変化の様子を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態のロボットアーム装置を模式的に表した図である。
【図６】図６は、本実施形態のロボットアーム装置を模式的に表した図である。
【図７】図７は、本実施形態のロボットアーム装置を模式的に表した図である。
【図８】図８は、図１に示したロボットアーム装置を概略的に示した正面図である。
【図９】図９は、浮力調整機構を説明するための部分断面平面図であり、リンク部及び可撓性チューブのみが断面で表されている。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００３１】
図１は、第一実施形態のロボットアーム装置１を概略的に示した図である。特に、図１は、ロボットアーム装置１の基礎部が、水上に設置された橋Ｘの上に配置されると共に、ロボットアーム装置１の作業アームの先端側の一部が水中に設置されている状態を示している。
【００３２】
図１からわかるように、ロボットアーム装置１は、水中の作業対象箇所においてエンドエフェクタにより所定の作業を行うべくその先端を作業対象箇所まで伸ばすことができる装置であり、作業アーム２と、作業アーム２の基端部に連結された基礎部３とを具備する。
【００３３】
作業アーム２は、その先端側（基礎部３に連結された側とは反対側）の端部に、エンドエフェクタ（図示せず）を取り付けることができるように構成されている。一方、作業アーム２の基端側の端部は、関節部２１を介して基礎部３に連結される。
【００３４】
基礎部３は、車台２６と、制御装置２７と、移動装置２８と、格納装置２９とを具備する。制御装置２７、移動装置２８及び格納装置２９は、車台２６に固定される。また、作業アーム２の基端側の端部に連結された関節部２１は車台２６に連結される。移動装置２８は、車輪や無限軌道等により基礎部３を移動させることができる。また、制御装置２７は、移動装置２８や、後述する作業アーム２に設けられたアクチュエータ、格納装置２９等の作動を制御する。制御装置２７の制御は、有線または無線による遠隔操作でロボットアーム装置１の外部から行われる。
【００３５】
また、作業アーム２は、複数の関節部２１と、複数のリンク部２２とを具備する多関節アームである。関節部２１とリンク部２２とは交互に設けられる。最も先端側に設けられたリンク部２２の先端側には、関節部２１ではなくエンドエフェクタ２３が設けられる。したがって、基礎部３から作業アーム２の先端に向かって、関節部２１やリンク部２２が、「関節部２１、リンク部２２、関節部２１・・・関節部２１、リンク部２２、エンドエフェクタ２３」の順に配置されることになる。リンク部２２間に配置された関節部２１は、その両側に配置されたリンク部２２の相対的な向きを変更することができる。また、基礎部３と作業アーム２との間に設けられた関節部２１、すなわち最も基端側のリンク部２２と基礎部３との間に設けられた関節部２１は、基礎部３に対する作業アーム２の向き、すなわち基礎部３に対する最も基端側のリンク部２２の向きを変更することができる。
【００３６】
特に、本実施形態のロボットアーム装置１では、二つのリンク部２２に連結された関節部２１は、一方のリンク部２２の軸線周りで一方のリンク部２２に対して他方のリンク部２２が回転するように、且つ一方のリンク部２２及び他方のリンク部２２の軸線に対して垂直な軸線周りで一方のリンク部２２に対して他方のリンク部２２が回転するように構成される。なお、最も基端側のリンク部２２と基礎部３との間に設けられた関節部２１も同様な構成を有するが、以下では二つのリンク部２２間に設けられた関節部２１を例にとって説明する。
【００３７】
図２は、二つのリンク部２２（便宜上、基端側のリンク部を２２ａ、先端側のリンク部を２２ｂとする）間に配置された関節部２１を概略的に示す断面図であり、図３は、作業アーム２を部分的に、すなわち幾つかの関節部２１と幾つかのリンク部２２とを示す平面図である。これら図からわかるように、関節部２１は、基端側のリンク部２２ａに部分的に挿入されてリンク部２２ａに固定された基端側挿入部材３１と、先端側のリンク部２２ｂに部分的に挿入されてリンク部２２ｂに固定された先端側挿入部材３２とを具備する。基端側挿入部材３１と先端側挿入部材３２との間にはほぼ直角に湾曲した中間部材３３が設けられる。
【００３８】
また、関節部２１には、基端側のリンク部２２ａに対して先端側のリンク部２２ｂの向きを変更するように駆動力を発生させるアクチュエータが設けられる。図２に示した実施形態では、基端側のリンク部２２ａに連結された基端側挿入部材３１と中間部材３３との間に基端側アクチュエータ３４が設けられ、先端側のリンク部２２ｂに連結された先端側挿入部材３２と中間部材３３との間に先端側アクチュエータ３５が設けられる。基端側アクチュエータ３４は、基端側挿入部材３１に対して、すなわち基端側リンク部２２ａに対して、基端側リンク部２２ａの軸線Ｙ1回りで中間部材３３を回転させることができる。一方、先端側アクチュエータ３５は、先端側挿入部材３２に対して、すなわち先端側リンク部２２ｂに対して、基端側リンク部２２ａ及び先端側リンク部２２ｂの軸線に対して垂直な軸線Ｙ2回りで中間部材３３を回転させることができる。本実施形態では、各関節部２１は、同一形態のアクチュエータ３４、３５を有する。
【００３９】
図２に示した実施形態では、各アクチュエータ３４、３５は、サーキュラスプライン３６ａ、ウェーブジェネレータ３６ｂ及びフレクスプライン３６ｃから構成される波動歯車装置３６（例えば、ハーモニックドライブ（登録商標））と、波動歯車装置３６のウェーブジェネレータ３６ｂを回転駆動するための電気モータ３７と、中間部材３３に連結される中間連結部材３８とを具備する。
【００４０】
また、基端側アクチュエータ３４は、基端側挿入部材３１に連結される基端側連結部材３９を具備し、先端側アクチュエータ３５は先端側挿入部材３２に連結される先端側連結部材４０を具備する。基端側連結部材３９と基端側アクチュエータ３４の中間連結部材３８との間にはクロスローラベアリング４１が設けられ、これにより基端側連結部材３９と中間連結部材３８とは互いに対して回転可能に支持される。同様に、先端側連結部材４０と先端側アクチュエータ３５の中間連結部材３８との間にはクロスローラベアリング４２が設けられ、これにより先端側連結部材４０と中間連結部材３８とは互いに対して回転可能に支持される。
【００４１】
加えて、基端側連結部材３９と基端側アクチュエータ３４の中間連結部材３８との間にはＶリング４３が設けられており、関節部２１が水中にあるときでも基端側アクチュエータ３４内や中間部材３３内に水が流入しないようにシールを行っている。同様に、先端側連結部材４０と先端側アクチュエータ３５の中間連結部材３８との間にはＶリング４４が設けられており、関節部２１が水中にあるときでも先端側アクチュエータ３５内や中間部材３３内に水が流入しないようにシールを行っている。
【００４２】
以下、基端側アクチュエータ３４を例にとって、基端側リンク部２２ａに対して基端側リンク部２２ａの軸線回りで中間部材３３を回転させる機構について説明する。波動歯車装置３６のサーキュラスプライン３６ａは、剛体のリング状の部材であり、その内周に多数の歯が形成されている。サーキュラスプライン３６ａは、中間連結部材３８に連結される。
【００４３】
ウェーブジェネレータ３６ｂは、回転可能な楕円状カムであり、電気モータ３７によって回転せしめられる。基端側アクチュエータ３４の波動歯車装置３６では、ウェーブジェネレータ３６ｂは基端側リンク部２２ａの軸性と同一又はこれと平行な軸線回りで回転可能である。なお、ウェーブジェネレータ３６ｂは、楕円状のカムの外周にボールベアリングを配置するように構成されてもよい。この場合、ボールベアリングの内輪はカムに固定されるが、外輪は弾性変形する。
【００４４】
フレクスプライン３６ｃは、弾性変形可能なカップ状の部材であり、カップ形状のうちのリング状部分の外周には多数の歯が形成されている。フレクスプライン３６ｃの歯数は、サーキュラスプライン３６ａの歯数とは異なっており、例えばフレクスプライン３６ｃの歯数はサーキュラスプライン３６ａの歯数よりも２つ少ない。カップ形状のフレクスプライン３６ｃの底部分は、基端側連結部材３９に連結される。
【００４５】
図４は、ウェーブジェネレータ３６ｂの回転に伴う波動歯車装置３６の変化の様子を示す図である。図４（ａ）はウェーブジェネレータ３６ｂの回転角度が０°のとき、図４（ｂ）は９０°のとき、図４（ｃ）は、１８０°のとき、図４（ｄ）は３６０°のときをそれぞれ示している。
【００４６】
図４（ａ）から分かるように、フレクスプライン３６ｃは、ウェーブジェネレータ３６ｂによって楕円形に撓められる。このときフレクスプライン３６ｃは、楕円形の長軸の部分でサーキュラスプライン３６ａと歯が噛み合い、短軸の部分では両者の歯が完全に離れた状態になる。この状態から、図４（ｂ）に示したように、ウェーブジェネレータ３６ｂを時計回りに９０°回転させると、これに伴ってフレクスプライン３６ｃが弾性変形する。この結果、図４（ａ）においてサーキュラスプライン３６ａと噛合していた部分ではフレクスプライン３６ｃの歯がサーキュラスプライン３６ａの歯から離れ、逆に、図４（ａ）においてサーキュラスプライン３６ａと噛合していなかった部分ではフレクスプライン３６ｃの歯がサーキュラスプライン３６ａの歯と噛み合う。このように、ウェーブジェネレータ３６ｂの回転に伴って、サーキュラスプライン３６ａの歯とフレクスプライン３６ｃの歯とが噛み合う位置が移動していく。
【００４７】
図４（ｃ）に示したように、図４（ａ）に示した状態からウェーブジェネレータ３６ｂを１８０°回転させると、フレクスプライン３６ｃはサーキュラスプライン３６ａに対して歯数１つ分だけ反時計回りに回転する。そして、図４（ａ）に示した状態からウェーブジェネレータ３６ｂを１回転させると、図４（ｄ）に示したように、フレクスプライン３６ｃはサーキュラスプライン３６ａに対して歯数２つ分だけ反時計回りに回転する。
【００４８】
したがって、本実施形態の関節部２１の基端側アクチュエータ３４においては、電気モータ３７によって波動歯車装置３６のウェーブジェネレータ３６ｂが回転駆動されると共に、この回転駆動によって波動歯車装置３６のサーキュラスプライン３６ａに対してフレクスプライン３６ｃが回転せしめられる。サーキュラスプライン３６ａは中間連結部材３８を介して中間部材３３に連結され、フレクスプライン３６ｃは基端側連結部材３９を介して基端側リンク部２２ａに連結されていることから、ウェーブジェネレータ３６ｂの回転により基端側リンク部２２ａに対して中間部材３３が、例えば基端側リンク部２２ａの軸線Ｙ1回りで、回転せしめられる。
【００４９】
一方、先端側アクチュエータ３５も、基端側アクチュエータ３４と同様な構成を有している。このため、先端側アクチュエータ３５の波動歯車装置３６のウェーブジェネレータ３６ｂの回転により、先端側リンク部２２ｂに対して中間部材３３が回転せしめられる。ただし、先端側アクチュエータ３５では、ウェーブジェネレータ３６ｂは基端側リンク部２２ａの軸線及び先端側リンク部２２ｂの軸性と垂直な軸線Ｙ2回りで回転可能なように構成される。したがって、先端側アクチュエータ３５では、ウェーブジェネレータ３６ｂの回転により、先端側リンク部２２ｂに対して中間部材３３が、基端側リンク部２２ａの軸線及び先端側リンク部２２ｂの軸線Ｙ2に対して垂直な軸線回りで、回転せしめられる。
【００５０】
なお、上記実施形態では、各関節部２１は、この関節部２１に連結された一方のリンク部と平行な軸線回りで一方のリンク部に対して他方のリンク部を回転可能なアクチュエータと、両リンク部に垂直な軸線回りで一方のリンク部に対して他方のリンク部を回転可能なアクチュエータとを有している。しかしながら、各関節部２１は、必ずしも両アクチュエータを具備している必要はなく、少なくともいずれか一方を有していればよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、各アクチュエータ３４、３５は、減速装置として、波動歯車装置を具備しているが、必ずしもこのような装置を具備している必要はない。各アクチュエータ３４、３５は、各関節部に連結されたリンク部のうち一方のリンク部に対して他方のリンク部を所定の軸線回りで回転させることができれば、如何なるタイプのアクチュエータであってもよい。
【００５２】
本実施形態では、各リンク部２２は、中空の金属製パイプ状の部材であり、各リンク部２２の基端側には、基端側に連結された関節部２１の先端側挿入部材３２が挿入され、各リンク部２２の先端側には、先端側に連結された関節部２１の基端側挿入部材３１が挿入される。特に、各リンク部２２に対して各挿入部材３１、３２は液密にシールされ、その結果、中空のリンク部２２内の空間には空気、又はその他の気体が封入される。なお、各リンク部２２は必ずしも中空の金属製パイプ状の部材でなくてもよく、樹脂等の他の材料で形成されたり、中実の部材として形成されたりしてもよい。
【００５３】
図５は、本実施形態のロボットアーム装置１を模式的に表した図である。本実施形態では、複数の関節部２１のそれぞれはほぼ同一の質量及び比重で形成され、同様に、複数のリンク部２２のそれぞれはほぼ同一の質量及び比重で形成される。なお、上述したようにＶリング４３、４４により関節部２１の中間部材３３内に水が流入しないようにシールされていることから、各関節部２１の比重は、挿入部材３１、３２（リンク部２２内に挿入されている部分を除く）、中間部材３３及び中間部材３３内の気体の質量を、挿入部材３１、３２（リンク部２２内に挿入されている部分を除く）及び中間部材３３の外周面から把握される体積で除算した値に基づいて算出される。同様に、リンク部２２も液密にシールされてその内部には気体が封入されていることから、各リンク部２２の比重は、挿入部材３１、３２（リンク部２２内に挿入されていない部分を除く）、パイプ状のリンク部２２及びリンク部２２内の気体の質量を、リンク部２２の外周面から把握される体積で除算した値に基づいて算出される。
【００５４】
上述したように関節部２１同士及びリンク部２２同士は同一の質量及び比重で形成されるため、複数の関節部２１のそれぞれにはほぼ同一の荷重及び浮力が発生し、同様に、複数のリンク部２２のそれぞれにはほぼ同一の荷重及び浮力が発生する。このため、１つの関節部２１と１つのリンク部２２とを一つのユニット２４とすると、複数のユニット２４のそれぞれはほぼ同一の質量及び比重で形成されると共に、複数のユニット２４それぞれにはほぼ同一の荷重及び浮力が発生する。
【００５５】
そして、本実施形態では、各ユニット２４は、その比重が特定比重範囲内となるように構成される。ここで、特定比重範囲とは、作業アーム２を水中で水平に延ばしたときに作業アーム２に荷重及び浮力のバランスにより上昇方向又は降下方向の力が発生しても、作業アーム２と基礎部３との間に配置された関節部２１内のアクチュエータの駆動力により前記作業アームを上昇又は降下させずに水平に維持することができるように水中で浮力が発生するような範囲である。以下では、図５を用いてこの特定比重範囲について説明する。
【００５６】
図５は、作業アーム２を水中で水平に延ばした様子を示している。図５からわかるように、各関節部２１は、全てのリンク部２２が水平方向に延びるように設定されている。このような状態で、作業アーム２全体の荷重ＦW及び浮力ＦBが集中してＡ点に等価的に働くと仮定する。また、作業アーム２と基礎部３との間に配置された関節部２１内のアクチュエータの最大駆動力（最大トルク）をＴｍａｘとする。このとき、作業アーム２を水平のまま維持するためには、作業アーム２と基礎部３との間に配置された関節部２１内のアクチュエータに作用するモーメントよりもこのアクチュエータの最大駆動力が大きい必要があるため、以下の式（１）が成り立つ必要があり、この式（１）を変形すると式（２）のように表せる。
｜ＦW−ＦB｜Ｌ＜Ｔｍａｘ    …（１）
ＦW−Ｔｍａｘ／Ｌ＜ＦB＜ＦW＋Ｔｍａｘ    …（２）
【００５７】
したがって、浮力ＦBがＦW−Ｔｍａｘ／ＬとＦW＋Ｔｍａｘ／Ｌとの間の値であれば、作業アーム２を水平に維持することができる。したがって、特定比重範囲とは、作業アーム２全体に対してＦW−Ｔｍａｘ／ＬとＦW＋Ｔｍａｘ／Ｌとの間の浮力が生じるような比重であるといえる。特に、本実施形態では、各ユニット２４はほぼ同一の質量及び比重を有することから、各ユニット２４がこの特定比重範囲内の比重を有することにより、作業アーム２を水平に維持することができるようになる。
【００５８】
このように、作業アーム２を水中で水平に延ばしたときに作業アーム２と基礎部３との間の関節部２１には最も大きなモーメントが働く。したがって、このとき作業アーム２を水平に維持することができれば、作業アーム２が水中で如何なる姿勢をとっても作業アーム２の姿勢を水中でそのまま維持できる。したがって、本実施形態では、各ユニット２４、及び作業アーム２全体が特定比重範囲内の比重を有することにより、作業アーム２が水中で如何なる姿勢をとっても作業アーム２をその姿勢のまま維持することができる。
【００５９】
なお、上記実施形態では、複数の関節部２１はそれぞれ同一の質量及び比重を有しており、複数のリンク部２２はそれぞれ同一の質量及び比重を有している。しかしながら、これらは必ずしも同一の質量及び比重で形成されていなくてもよい。ただし、その場合でも、複数の関節部２１及びリンク部２２から形成される作業アーム２の比重が上記特定比重範囲内であることが必要である。
【００６０】
また、上記実施形態では、作業アーム２は複数の関節部２１及び複数のリンク部２２を有する多関節アームであるが、作業アーム２は必ずしも多関節アームでなくてもよく、一つの関節部２１及び一つのリンク部２２を有するアームであってもよい。
【００６１】
また、作業アーム２、及び各ユニット２４の比重を上記特定比重範囲内にすれば、作業アーム２が水中で如何なる姿勢をとってもその姿勢のまま維持することができる。しかしながら、図５において、作業アーム２に作用する荷重ＦWと浮力ＦBとの差が大きくなると、すなわち作業アーム２に作用する浮力ＦWが中性浮力から離れていくと、作業アーム２の姿勢を水中で維持するのに必要なアクチュエータの駆動力が大きくなる。このため、作業アーム２に作用する浮力ＦBは中性浮力に近いほど好ましい。したがって、作業アーム２、及び各ユニット２４の比重も水の比重に近いほど好ましい。
【００６２】
このため、例えば作業アーム２及び各ユニット２４の比重は、水の比重を中心として上記特定比重範囲の半分の範囲であるのが好ましい。したがって、例えば特定比重範囲が水の１に対して０．９〜１．１であれば、作業アーム２及び各ユニット２４の比重は、０．９５〜１．０５であるのが好ましい。さらに、作業アーム２及び各ユニット２４の比重は、水の比重を中心として、特定比重範囲の１／４の範囲であるのがより好ましい。したがって、例えば特定比重範囲が水の１に対して０．９〜１．１であれば、作業アーム２、及び各ユニット２４の比重は、０．９７５〜１．０２５であるのがより好ましい。
【００６３】
また、単純に、作業アーム２及び各ユニット２４の比重は、作業アーム２がつかる液体である水の比重により近い方が好ましいことから、水の比重の８０％〜１２０％（すなわち、液体の比重の±２０％以下）であるのが好ましく、９０％〜１１０％（すなわち、液体の比重の±１０％以下）であるのがより好ましく、９５％〜１０５％（すなわち、液体の比重の±５％以下）であるのがさらに好ましい。さらには、作業アーム２及び各ユニット２４の比重は、作業アーム２が液体内に浸されたときに作業アーム２及び各ユニット２４が中性浮力状態となるような比重、すなわち液体の比重にほぼ等しい比重であるのが最も好ましい。
【００６４】
また、上記実施形態では、各関節部２１は、同一のアクチュエータ３４、３５を有しており、よって全ての関節部２１においてアクチュエータ３４、３５は同一の駆動力を有する。しかしながら、先端側に配置されている関節部２１ほど、それよりも先端側に位置する関節部２１及びリンク部２２を水平に維持するのに必要なアクチュエータの駆動力は小さくなる。そこで、先端側に配置されている関節部２１ほど、関節部２１に設けられたアクチュエータ３４、３５の駆動力を小さくするようにしてもよい。しかしながらこの場合であっても、作業アーム２の各関節部２１のアクチュエータ３４、３５の最大駆動力（最大トルク）は、この関節部２１よりも先端側に設けられた関節部２１及びリンク部２２である先端側部分を水中で水平に延ばしたときに、この先端側部分に浮力又は荷重により浮上方向又は降下方向の力が発生してもこの先端側部分を浮上又は降下させずに水平に維持することができるような駆動力以上とされる。すなわち、各関節部２１のアクチュエータ３４、３５の最大駆動力は、この関節部２１よりも先端側に設けられた関節部２１及びリンク部２２である先端側部分が水の比重と異なることによって生じる力に抗して先端側部分を所望の姿勢に保持することができるような駆動力以上とされる。
【００６５】
また、作業アーム２の先端に設けられたエンドエフェクタの作業により、エンドエフェクタには上向き又は下向きの力が発生し、このような力が発生しても作業アーム２の姿勢をそのまま保持することが必要になる。このため、各関節部２１のアクチュエータ３４、３５の最大駆動力は、先端側部分の比重が液体の比重と異なることによって生じる力に加えて、エンドエフェクタが受ける力及びこれによって生じるモーメントに抗して先端側部分を所望の姿勢に保持することができるような駆動力以上であるのが好ましい。
【００６６】
ところで、上述したように本実施形態では、作業アーム２全体の比重及び各ユニット２４の比重が水の比重と同程度となるように構成されている。しかしながら、各ユニット２４を構成する関節部２１とリンク部２２とではその比重に差がある。本実施形態では、関節部２１の方がアクチュエータ３４、３５が設けられている分だけリンク部２２に比べて比重が大きくなっている。この様子を図６に示す。
【００６７】
図６は、本実施形態のロボットアーム装置１を模式的に表した図である。図示した例では、便宜上、各ユニット２４の比重が水の比重と同一であると仮定している。この場合、各ユニット２４には重心において荷重Ｆが作用し、浮心において浮力Ｆが作用する。各ユニット２４の重心と浮心とはずれることになる。例えば、図６に示したように、リンク部２２の長さをｌとすると、浮心は各リンク部２２の基端側からαｌ、先端側から（１−α）ｌの地点になり、一方、重心は関節部２１の地点となる。この場合、仮に最も先端側のリンク部２２の先端、すなわち作業アーム２の先端に設けられたエンドエフェクタ２３の質量がほぼゼロだとすると、最も先端側のリンク部２２の浮心と重心の作用点にαｌの差があるため、最も先端側のリンク部２２の先端が上昇してしまう。同様にして、先端から二つ目のリンク部２２の先端も上昇すると共に、同様に基端側に向かって各リンク部２２について順次その先端が上昇するようになり、その結果、作業アーム２全体として傾斜してしまうことになる。
【００６８】
そこで、本実施形態では、最も先端側のリンク部２２の先端に、αＦに相当する荷重を負荷するようにしている。特に、本実施形態では、エンドエフェクタ２３の質量がαＦに相当する質量になるようにしている。このようにエンドエフェクタ２３の質量をαＦとすることにより、図７に示したように、全てのリンク部２２について両端に（１−α）ＦとαＦの荷重が作用することになり、それとバランスする点に浮力Ｆが作用することになる（図７において各破線で囲んだ部分は荷重と浮力がバランスしている）。これにより、作業アーム２全体として傾斜してしまうことが抑制される。
【００６９】
なお、上記実施形態では、エンドエフェクタ２３の質量をαＦに相当する質量としているが、必ずしもαＦに相当する質量にしなくてもよい。この場合であっても作業アーム２全体として傾斜してしまうのを少なくとも部分的に抑制することができる。なお、この場合、エンドエフェクタ２３の質量は、ゼロよりも大きく且つ各関節部２１の質量よりも小さい質量とされる。
【００７０】
また、図６、図７に示した例では、全てのリンク部２２が同一の質量及び比重を有し且つ全ての関節部２１が同一の質量及び比重を有していることを前提としている。しかしながら、各リンク部２２はそれぞれ異なる質量及び比重を有してもよく、また各関節部２１はそれぞれ異なる質量及び比重を有してもよい。この場合、複数のリンク部２２のうち基端側からｉ番目（ｉ＝１〜ｎ）のリンク部２２の基端側端部から先端側端部までの長さをｌｉ、このリンク部２２が液体から受ける浮力をＦｉ、このリンク部２２の浮心の基端側端部からの距離をαｉｌｉ（０≦αｉ≦１）とすると、最も先端側のｎ番目のリンク部２２の先端側端部に取り付けられるエンドエフェクタ２３の質量はαｎＦｎとされる。
【００７１】
次に、図１及び図８を参照して、基礎部３の格納装置２９について説明する。図８は、図１に示したロボットアーム装置１を概略的に示した正面図である。図１及び図８からわかるように、格納装置２９は、作業アーム支持台６１と、作業アーム支持台６１の前方両側に取り付けられた格納用アーム６２、６３とを具備する。作業アーム支持台６１は、車台２６に対して前後に（図８の紙面に対して垂直な方向に）移動することができるように構成される。図１及び図８からわかるように、作業アーム支持台６１上には格納中の関節部２１及びリンク部２２が配置される。
【００７２】
一方、各格納用アーム６２、６３は、それぞれロボットアーム装置１の前後方向に延びる揺動軸線６２ａ、６３ａを中心に揺動可能である。図８から分かるように、これら揺動軸線６２ａ、６３ａは作業アーム支持台６１の横方向（前後方向に対して垂直な方向）における端部近傍に位置する。この結果、揺動軸線６２ａ、６３ａ間の距離はリンク部２２及びその両側に設けられた関節部２１の長手方向における長さ（図８中の長さＺ）よりも長くなっている。また、各格納用アーム６２、６３には駆動モータ（図示せず）が取り付けられており、この駆動モータにより揺動軸線６２ａ、６３ａを中心に揺動駆動せしめられる。特に、この駆動モータの駆動力は、関節部２１内に設けられたアクチュエータ３４、３５よりも大きいものとされる。
【００７３】
なお、上記実施形態では、ロボットアーム装置１を水中で用いているが、ロボットアーム装置１を用いる液体は必ずしも水である必要はなく、他の任意の液体においても使用可能である。ただし、水以外の液体の場合にはその比重が１以外の値になることから、特定比重範囲はその液体に合わせた範囲となる。
【００７４】
このように構成されたロボットアーム装置１は例えば以下のようにして使用される。
まず、ロボットアーム装置１は、作業アーム２を折りたたんで車台２６及び作業アーム支持台６１上に格納された状態で、遠隔操作されて移動装置２８により水上（又は水中）の所定の位置まで移動せしめられる。その後、所定の位置に到達すると、作業アーム２の先端側のリンク部２２が下方の水面に向かって鉛直に延伸せしめられ、一部のリンク部２２が水中に侵入する（図１に示した状態）。このとき、格納装置２９の作業アーム支持台６１は、リンク部２２が順次下方に向かって移動せしめられる毎に、ロボットアーム装置１の後方に向かって移動する。
【００７５】
このように、一部のリンク部２２が水中に侵入すると、水中のリンク部２２がエンドエフェクタ２３によって作業を行うべき作業対象箇所（目標箇所）に向かって水平方向及び鉛直方向に延びるように各関節部２１のアクチュエータ３４、３５が駆動される。これにより、最終的にはエンドエフェクタ２３が作業対象箇所に到達し、エンドエフェクタ２３により作業が行われる。
【００７６】
エンドエフェクタ２３による作業が終了すると、作業アーム２が格納装置２９により再び車台２６及び作業アーム支持台６１上に格納せしめられる。具体的には、鉛直方向に垂下されていたリンク部２２が、順次、格納用アーム６２、６３によって交互に、作業アーム支持台６１上に持ち上げられる。例えば、図８に示した状態では、第二格納用アーム６３が図８中の矢印Ｙの方向に揺動しており、これによって第二格納用アーム６３に支持されているリンク部２２が持ち上げられている。このリンク部２２が水平になるまで第二格納用アーム６３が揺動せしめられると、作業アーム支持台６１が前方に移動してこのリンク部２２が作業アーム支持台６１上に格納される。
【００７７】
その後、第二格納用アーム６３は矢印Ｙ方向と反対向きに鉛直になるまで揺動せしめられ、一方、第一格納用アーム６２が揺動せしめられて、次のリンク部２２が持ち上げられる。このような作業を繰り返すことによって、作業アーム２全体が車台２６及び作業アーム支持台６１上に格納せしめられる。
【００７８】
なお、関節部２１のアクチュエータ３４、３５は、水中において作業アーム２の姿勢を維持させることができるだけの駆動力を発揮することができるが、垂れ下がっている作業アーム２を格納すべく上昇させるほどの駆動力を発揮することはできない。したがって、関節部２１のアクチュエータ３４、３５は、気中においては、格納状態を保持するため、又は自重で垂れ下がった姿勢を保持するように駆動せしめられる。一方、本実施形態によれば、格納用アーム６２、６３用のアクチュエータの駆動力は非常に大きいため、鉛直方向に垂れ下がった姿勢の作業アーム２を上昇させて格納させることができる。
【００７９】
次に、本発明の第二実施形態のロボットアーム装置について説明する。第二実施形態のロボットアーム装置の構成は、基本的に第一実施形態のロボットアーム装置の構成と同様である。しかしながら、第一実施形態のロボットアーム装置では、作業アーム２の浮力を調整することができなかったのに対して、第二実施形態のロボットアーム装置では、作業アーム２の浮力を調整する浮力調整機構５０が設けられる。
【００８０】
図９に概略的に示したように、浮力調整機構５０は、リンク部２２周りに配置された可撓性チューブ５１と、リンク部２２の外周面と可撓性チューブ５１との間に充填される気体の量を調整する気体量調整装置５２とを具備する。可撓性チューブ５１はその両端がリンク部２２又は関節部２１の外周面上にシールされた状態で連結される。このため、リンク部２２の外周面と可撓性チューブ５１との間には密閉された空間が形成される。したがって、この空間内に気体を充填すると、ほとんど質量を増加させることなく浮力を増大させることができ、逆にこの空間内から気体を除去すると、ほとんど質量を減少させることなく浮力を減少させることができる。
【００８１】
このように浮力調整機構５０を設けることにより、例えばエンドエフェクタ２３に取り付けられたエンドエフェクタが重い物体を持ち上げたときや、作業アーム２の先端から水ガラス等の物質を放出するために作業アーム２内に斯かる物質の流通用のチューブを設けてある場合にはこのチューブ内を斯かる物質が通過するとき等、作業アーム２に加わる荷重が変化するときに浮力調整機構５０により浮力を調整することができる。これにより、関節部２１内のアクチュエータ３４、３５によらずに、作業アーム２に加わる荷重の変化を補償することができる。また、例えば、作業アーム２を水深の深い領域まで延ばした場合、水圧によりリンク部２２等が圧縮せしめられ、リンク部２２等に生じる浮力が低下してしまう場合がある。このような場合にも浮力調整機構５０により浮力を調整することで、リンク部２２等の圧縮による浮力の変化を補償することができる。
【００８２】
なお、浮力調整機構５０は必ずしも上記実施形態のような可撓性チューブ５１と気体量調整装置５２とを具備するものでなくてもよい。例えば、リンク部２２内の空間内に気体を導入する気体供給装置と、リンク部２２内の気体を排出して周囲の水を導入する気体排出装置とを具備するものであってもよいし、温度に応じて体積の変化するパラフィンワックス等を用いたものであってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１    ロボットアーム装置
２    作業アーム
３    基礎部
２１    関節部
２２    リンク部
２３    エンドエフェクタ
２４    ユニット
２６    車台
２７    制御装置
２８    移動装置
２９    格納装置
３１    基端側挿入部材
３２    先端側挿入部材
３３    中間部材
３４    基端側アクチュエータ
３５    先端側アクチュエータ
３６    波動歯車装置
３７    電気モータ
３８    中間連結部材
３９    基端側連結部材
４０    先端側連結部材
４１、４２    クロスローラベアリング
４３、４４    Ｖリング
【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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