(57)【要約】      （修正有）【課題】  非製造業分野のためのロボットアームについて、関節動作の制限をできるだけなくし、またアームと環境との干渉を避けやすい構造とすること、また、対人、対環境安全性を向上させるため、外力に順応する動作が可能な構造にする。【解決手段】  回転可能に連結した２つのリンクを駆動するため、角度検出器とトルク検出器とアクチュエータとローカルコントローラ８とを有し、関節の回転と共に摺動しながらリンク間の電気的接続を維持するスリップリング機構を具備する。角度検出器およびトルク検出器から得られた角度およびトルクの値に基づきながら、マスタコントローラから指示された位置、トルク、剛性、粘性の各特性に関する制御を同時に実現するため、アクチュエータへの制御コマンドをローカルコントローラ上で演算し、かつリンク間の電気的接続を維持しながら無限に回転可能である。【選択図】図１
2006000955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に連結した２つのリンクを駆動するためのロボットアームの回転関節装置において、
角度検出器とトルク検出器とアクチュエータとローカルコントローラとを有し、関節の回転と共に摺動しながらリンク間の電気的接続を維持するスリップリング機構を具備することで、
前記角度検出器および前記トルク検出器から得られた角度およびトルクの値に基づきながら、マスタコントローラから指示された位置、トルク、剛性、粘性の各特性に関する制御を同時に実現するため、前記アクチュエータへの制御コマンドを前記ローカルコントローラ上で演算し、かつリンク間の電気的接続を維持しながら無限に回転可能であることを特徴とするロボットアームの回転関節装置。
【請求項２】
前記アクチュエータとして電動モータとハーモニックドライブ減速器を用い、前記トルク検出器として前記ハーモニックドライブ減速器のフレクスプライン上に貼り付けた歪センサを用いることを特徴とする請求項１に記載のロボットアームの回転関節装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の関節装置を１つ以上有することで、外力に順応した連続的な旋回動作を可能としたことを特徴とするロボットアーム。
【請求項４】
一方の関節装置に備えたローカルコントローラを、他方の関節装置で共用して、２つの関節装置をローカルコントローラの固定されている端部側で連結した請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項５】
スリップリングが不要であり、また制御の処理を近傍のローカルコントローラに任せた回転角に制限のある回転関節を有する請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項６】
請求項１または２に記載の関節装置３つを、隣接している前記関節装置の回転軸が互いに直交し、かつ両端の前記関節装置の回転軸が互いに離れた平面内で中間の前記関節装置の回転軸に対して回転するように連結させ、３つの前記関節装置を順に電気的に接続した構成とすることで、３つの前記関節装置の夫々のローカルコントローラに電源を供給し、前記ローカルコントローラとホストコントローラとの間でのデータ通信を行い、各種拡張装置への電気的接続を提供しつつ、外力へ順応しながら手先姿勢の任意の連続的変更を可能としたことを特徴とするロボットアームの手首装置。
【請求項７】
請求項６に記載の手首装置を含み、前記手首装置以外に４軸以上の回転関節を有する冗長自由度構成とし、前記回転関節は少なくとも角度検出器とトルク検出器とアクチュエータを具備することで、外力へ順応しながら自己形状を変更可能である範囲を広げたことを特徴とするロボットアーム。
【請求項８】
請求項１または２に記載の関節装置３つを、隣接している前記関節装置の回転軸が互いに直交し、かつ両端の前記関節装置の回転軸が互いに離れた平面内で中間の前記関節装置の回転軸に対して回転するように連結させ、３つの前記関節装置を順に電気的に接続した構成とした手首装置と、回転関節３つからなる肩装置と、回転関節１つからなる肘装置とからなる７自由度冗長ロボットアームであり、
前記肩装置と前記肘装置における４つの回転関節は少なくとも角度検出器とトルク検出器とアクチュエータとを有し、
前記手首装置の３つの回転関節を含む７つすべての回転関節の回転軸が隣接している回転関節の回転軸と互いに直交するように連結され、
前記手首装置の３つの回転関節以外に少なくとも前記肩装置のうちの両端の回転関節が前記手首装置の関節装置と同一の構成を有することで、外力へ順応しながら手先位置と手先姿勢と自己形状のそれぞれの任意の連続的な変更が可能なことを特徴とするロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人と接するような日常生活分野を含む非製造業分野での多様な作業を行う、複数関節を有するロボットアームとその回転関節装置及び手首装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットにはアクチュエータやセンサなどのために電線が多数使われているが、関節の動作によってそれらの電線には曲げや捻れが生じる。曲げや捻れを少なくするために、関節軸を中空構造にしてその中に電線を通すなどの工夫がなされている（例えば特許文献３）。しかしながら曲げや捻れが全く無くなるわけではないため関節の回転量には限界がある。
【０００３】
これに対し、回転による電線の捻れをなくして電気的接続を維持する方法としては、回転と共に摺動する導電性部材の摺動接触を利用した、いわゆるスリップリング機構が一般的であり、ロボットアームではセンサ情報の伝達や手先ツールへの電流供給などに利用されている（例えば特許文献４、５）。しかし各関節に配置されたセンサ等の電気的接続をアームの基部から維持しようとすると、根元側の関節ほどスリップリングの極数が多く必要となってしまい、小型化、低価格化に限界が生じる。
【０００４】
一方、各関節のアクチュエータの近傍にローカルコントローラを配置してセンサ情報の取得とアクチュエータへの指令を局所的に処理できるようにし、ARCNETやCANバスなどを使って各コントローラ間を接続することで、関節への配線を電源線と通信線のみに省配線化することができる（例えば非特許文献２）。しかし省配線とは言え配線は必要なためにやはり関節の動作には制約が生じてしまい、任意の連続的な動作を行うことはできない。
【０００５】
またロボットアームの制御において、単純なティーチングプレイバックではなく外力に順応した動作制御をする例として、ロボットアームの手首に取付けた６軸力覚センサを利用する方法があり、ツールに作用する力に応じた物体形状へのならい制御等が行われている。しかしツールに作用する力の検出だけでは、ツールの動作特性は制御できるがロボットアームの途中のリンクに作用する力を検知できないため、安全性の確保を目的にこの方法によって人や環境に対する順応動作をさせることはできない。これに対して対人安全性などを目的として各関節自体に加わる外力に応じて関節を柔らかく制御する方法として、関節自体に設置したトルクセンサ（特許文献２など）を用いる方法（非特許文献４、５など）や機械式の可変剛性機構（非特許文献１など）を用いる方法などがある。しかし関節の回転限界においてはやはり順応動作ができなくなるため、安全性の確保が不十分になるといった不都合が生じてしまう。
【０００６】
ロボットアームの中には、手先の位置姿勢の６自由度以外に、アーム自体の形状、すなわち自己形状の変形が可能な自由度を有する、いわゆる冗長自由度アームがある（例えば特許文献１、非特許文献１、３、４、５）。例えば人の腕と似た７自由度に構成したアームは、手先の位置姿勢を固定しても肘関節の位置を手首関節と肩関節とを結ぶ軸周りの円軌道上においてある程度変えられる自由度がある（特許文献１）。また逆に手先の位置を決め、さらに肘位置を固定しても、手先姿勢の３自由度をある程度変えることができる。このような冗長性の利点を利用すれば、作業上干渉が起きない状態に肘位置をある程度移動できるため、通常の６自由度アームに比べて作業性が高くなる。また手先作業を維持したまま自己形状を外力に順応させながら変化させることで人や環境との衝突力をやわらげ、安全性を向上させることができる。しかし関節の回転限界があるとこの冗長性の利点を享受できる状態は全ての関節が十分回転限界から離れている状態に限られてしまうため、ロボットアームの任意作業に対してこのような冗長性の特徴を生かすことはできない。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第4,999,553号
【特許文献２】特開平09-184777号公報
【特許文献３】特開2002-79487号公報
【特許文献４】特開2003-117877号公報
【特許文献５】特開2003-285167号公報
【非特許文献１】森田、冨田、植田、菅野、「7自由度MIAアームの開発」、第１回ロボティクスシンポジア講演論文集、pp.179-184,1996.
【非特許文献２】C.J.J. Paredis, H.B.Brown, P.K. Khosla, “A rapidly deployable manipulator system”, Robotics andAutonomous Systems, vol.21, pp.289-304, 1997.
【非特許文献３】W.T. Townsend andJ.A. Guertin, “Teleoperator slave - WAM design methodology”, Industrial Robot,vol.26, no.3, pp.167-177, 1999.
【非特許文献４】服部、橋本、鎌田、「関節トルクセンサを有する人間型マニピュレータの開発」、SICEシステムインテグレーション部門学術講演会予稿集、pp.29-30, 2001.
【非特許文献５】M. Hashimoto, T.Hattori, M. Horiuchi, T. Kamata, “Development of a Torque Sensing Robot Arm forInteractive Communication”, Proc. 2002 IEEE Int. Workshop on Robot and HumanInteractive Communication, 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のロボットアームは産業用途の利用を目的としているため、人の生活支援分野のような工場以外の非製造業分野で期待される作業に対してそのまま利用することは難しい。その理由として、
【０００９】
(1) 工場内ではティーチングプレイバック作業が主であるが、非製造業分野では多くの場合作業条件が一定ではなく、その場の状況に応じた多様な動作が求められるため、あらかじめロボットアームの動作計画をすることができない。例えばロボットのエンドエフェクタで把持した物体の位置姿勢を、把持を保ったままユーザが任意に連続的に操作しようとした場合、たとえ目標の手先位置姿勢が直交座標系の中では可動範囲内にある場合であっても動作履歴によって関節が可動限界に達したり、あるいはアームの途中のリンクが環境と干渉して作業を継続できない状況に陥ってしまうというように、任意の操作に対する制約が大きい。
【００１０】
(2)製造業では作業速度や精度の高さが優先されているために、ロボットアーム全体の剛性を高くするように設計されている。これは可動範囲内に人が立ち入らないことが前提である場合には良いが、非製造業分野では多くの場合にロボットと人や環境との接触が想定されるため、アームの途中に作用した力に順応できる構成を持たない従来の産業用ロボットでは危険である。
などの点が挙げられる。
【００１１】
特に(1)については、まず関節自体の可動限界は、隣り合うリンクどうしの干渉やアーム内部の電線の捻れが原因となる。すなわち回転関節によってリンクを同一平面内で屈曲させようとするとリンクどうしが必ず干渉し、また、たとえリンクの回転平面をずらして干渉をなくし、中空にした回転軸内に電線を通した場合でも、電線の捻れのために無限に関節を回転できるわけではない。一方、アームと環境との干渉の問題は通常の６自由度アームにおいてより顕著となる。特に、特異点付近では手先姿勢をわずかに変えてもアーム全体が大きく動揺してしまうため、特異点を予測できないような任意作業では広い自由空間をあらかじめ確保しなくてはならなくなる。
【００１２】
本発明は、係る問題を解決して、生活支援分野を含む非製造業分野のためのロボットアームについて、(i)作業性を向上させ、その場の状況に応じた任意の作業を実現するため、関節動作の制限をできるだけなくし、またアームと環境との干渉を避けやすい構造とすること、(ii)対人、対環境安全性を向上させるため、外力に順応する動作が可能な構造にすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のロボットアームの回転関節装置は、回転可能に連結した２つのリンクを駆動するため、角度検出器とトルク検出器とアクチュエータとローカルコントローラとを有し、関節の回転と共に摺動しながらリンク間の電気的接続を維持するスリップリング機構を具備する。角度検出器およびトルク検出器から得られた角度およびトルクの値に基づきながら、マスタコントローラから指示された位置、トルク、剛性、粘性の各特性に関する制御を同時に実現するため、アクチュエータへの制御コマンドをローカルコントローラ上で演算し、かつリンク間の電気的接続を維持しながら無限に回転可能であることを特徴とする。
【００１４】
本発明のロボットアームは、上記の回転関節装置を１つ以上有することで、外力に順応した連続的な旋回動作を可能としたことを特徴とする。
本発明のロボットアームの手首装置は、上記の回転関節装置３つを、隣接している前記関節装置の回転軸が互いに直交し、かつ両端の前記関節装置の回転軸が互いに離れた平面内で中間の前記関節装置の回転軸に対して回転するように連結させ、３つの前記関節装置を順に電気的に接続した構成とすることで、３つの前記関節装置の夫々のローカルコントローラに電源を供給し、前記ローカルコントローラとホストコントローラとの間でのデータ通信を行い、各種拡張装置への電気的接続を提供しつつ、外力へ順応しながら手先姿勢の任意の連続的変更を可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
一般にロボットアームは、複数の関節装置によって複数のリンクが連結され、各関節装置の動作によって直交座標系における手先の位置と姿勢が決定される。通常、この手先の位置と姿勢を変化させることで物体や環境を操作する具体的な作業が実行されるが、たとえ直交座標系中でロボットアームがとり得る手先位置姿勢空間の中に目標状態があったとしても、関節座標系上の動作空間では各関節装置の動作履歴に依存して可動限界に到達してしまうため、作業上の関心が手先の位置姿勢だけであっても手先位置姿勢だけを考慮して任意動作をさせることはできない。
【００１６】
また、手先の位置姿勢を任意に決めるのに最低必要な６自由度より多くの関節自由度構成を持つ冗長自由度ロボットアームでは、冗長性を利用して手先の位置姿勢を一定に保ちながらもロボットアームの自己形状を変化させることができ、あるいはまたアームの自己形状をほぼ一定としながら手先姿勢を変えることができる。このような特性より、手先作業を保ちながら環境との干渉を回避したり、限られた空間にアームを挿入して手先作業を行わせたりすることができる。またアームの途中に作用する外力を検知しながら制御することで、人や環境とアームが接触した場合に、手先作業を維持しつつ自己形状の変形性によって外力に順応させることもでき、対人、対環境安全性を向上させることができる。しかしここでも、関節に可動限界があるために各関節の可動範囲内でしか自己形状を変化させることができない。これはあらかじめ適切な動作を計画しておくことが可能な工場内の特定作業のような場合には問題ないが、日常生活支援などの非製造業分野では多くの場合、計画なしにその場の状況に応じた多様な動作を連続的にすることが求められるため、従来の冗長自由度アームでは操作中に自己形状の変形限界に達してしまい、冗長自由度の利点を生かした自己形状の操作や外力への順応動作ができなくなってしまう。
【００１７】
本発明によれば、角度検出器とトルク検出器とアクチュエータとローカルコントローラとを回転関節装置が有することで、ローカルコントローラが直接的に関節の角度やトルクの値を取得することができ、ローカルコントローラ上で制御アルゴリズムを実行することにより、マスタコントローラから指示された位置、トルク、剛性、粘性の各特性に関する制御を関節装置内で閉じた形で実行できるため、高速な処理を要する力制御アルゴリズムを安定に行いながら外力に順応できる回転関節装置を提供することができる。また関節の回転と共に摺動しながらリンク間の電気的接続を維持するスリップリング機構を有することで関節の回転角によらず電気的接続を維持できるため、当該関節装置よりも後段に取付けられた装置に対する電源の供給や通信接続を維持しながら関節を無限に回転させることが可能となる。
【００１８】
また、本発明によれば、アクチュエータとして電動モータとハーモニックドライブ減速器を用い、トルク検出器としてハーモニックドライブ減速器のフレクスプライン上に貼り付けた歪センサを用いることで、外力に順応しかつ無限回転可能な回転関節装置を小型かつ軽量に製作することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、ロボットアームが外力に順応しかつ無限回転可能な回転関節装置を１つ以上有する構成とすることで、外力に順応した連続的な旋回動作をさせることが可能となり、ロボットアームの作業性、安全性を高めることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、外力に順応しかつ無限回転可能な回転関節装置３つを、隣接する関節装置の回転軸が互いに直交し、かつ両端の関節装置の回転軸が互いに離れた平面内で中間の関節装置の回転軸に対して回転するように連結し、電気的に接続した構成とすることで、関節装置どうしが衝突することなくどの関節装置も連続的に回転させることが可能な手首装置が得られる。従来技術では個々の関節角度の限界のために実現可能な手先姿勢自体や姿勢変化に制約があったが、この構成によればとり得る手先姿勢に制約がなくなり、また任意の連続的な姿勢変化を与えることができるようになる。さらに個々の関節装置に剛性や粘性を設定できるため、外力に対する順応動作をさせることが可能となる。さらに最終段の関節装置が各種拡張装置への電気的接続を提供可能な構成であるため、手首装置先端に６軸力覚検出器やエンドエフェクタなどが装着可能であり、かつそれらの拡張装置を取付けてもそのための配線が手首装置やロボットアーム全体の動きに影響を与えることがない。
【００２１】
また、本発明によれば、手首装置を含み、手首装置以外に４軸以上の外力に順応可能な回転関節を有する冗長自由度構成とすることで、手首装置の回転関節の回転限界に起因するロボットアームの動作制約をなくし、外力へ順応させながら自己形状を変更可能な範囲を拡大させることができる。また冗長自由度のロボットアームの繰り返し動作を教示する場合には、単に手先の位置姿勢だけではなくロボットの自己形状も教示する必要があるが、この構成によればロボットアームの全ての関節が外力に順応できるため、ティーチングペンダント等を使わなくても、人が直接、ロボットアームのリンクを手でつかみ、力を加えてロボットアームの手先位置姿勢や自己形状を直接変更して教示させることも可能となる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、７自由度の冗長ロボットアームを回転関節３つからなる肩装置と、回転関節１つからなる肘装置と、手首装置とから構成し、７つすべての回転関節の回転軸が隣接している回転関節の回転軸と互いに直交するように連結し、手首装置の３つの回転関節以外に少なくとも肩装置のうちの両端の回転関節が外力に順応しかつ無限回転可能な回転関節装置とすることで、手首装置の基端位置に任意の連続的な変更を加えることができるようになり、かつ手首装置で手先姿勢について任意の連続的な変更を加えられることから、結果として外力に順応しながらロボットアームの手先位置、手先姿勢、自己形状のそれぞれについて特異状態を除いて任意の連続的変更を与えることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を具体化する関節装置１の一般的な構成を図１に示す。図示の関節装置１は、アクチュエータと、角度検出器、トルク検出器等の機器と、関節装置１の動作制御を局所的に司るローカルコントローラ８と、スリップリングとを有している。ローカルコントローラ８には電源線９ａと通信線１０ａとが接続されており、さらにスリップリングを介して関節の回転角によらず関節末端に電源線９ｂと通信線１０ｂとを提供する。ただし、ローカルコントローラ８上の通信回路によって無線による通信を可能に構成した場合には通信線１０ａ、１０ｂは不要となる。
【００２４】
図２の関節装置１はこれをさらに具体化したもので、特にアクチュエータとしてＤＣモータ２とその回転数を減速させるための、ウェーブ・ジェネレータ３、フレクスプライン４、サーキュラ・スプライン５の３つから構成されるハーモニックドライブ減速器、角度検出器としてモータの回転角を検出するためのエンコーダ６、トルク検出器としてハーモニックドライブ減速器のフレクスプライン４上に設置した歪ゲージ７を用いた場合を示している。ＤＣモータ２、エンコーダ６、歪ゲージ７はこの関節装置１の動作制御を局所的に司るローカルコントローラ８にそれぞれ接続されている。ローカルコントローラ８は、制御アルゴリズムを演算する演算装置の他にＤＣモータ２を駆動するためのモータアンプ回路、エンコーダ６からのパルスをカウントするためのカウンタ回路、歪ゲージ７の抵抗変化からトルクを計測するトルク計測回路、及び外部のコントローラとの通信を行うための通信回路を含んでいる。またローカルコントローラ８に接続されている電源線９ａと通信線１０ａとにより、電源が供給され、また外部コントローラとのデータ送受が可能であり、さらに後述するスリップリング機構を介して関節の回転角によらず関節末端に電源線９ｂと通信線１０ｂとを提供する。
【００２５】
関節が回転する仕組みについて説明する。まず前段リンク１１はローカルコントローラ８、ケース１３、フレクスプライン４、ＤＣモータ２、エンコーダ６と一体に固定されている。そしてローカルコントローラ８によりＤＣモータ２に電圧が印加されてモータ軸１４が回転すると、モータ軸１４に固定されたウェーブ・ジェネレータ３が回転し、それに伴うフレクスプライン４の変形により波動が発生しサーキュラ・スプライン５がモータ軸１４の回転速度に一定の減速比を乗じた速度で回転する。サーキュラ・スプライン５と後段リンク１２とは一体に固定されており、結果として前段リンク１１と後段リンク１２は相対的に回転動作をする。
【００２６】
関節に作用するトルクの検出は特許文献２に準じることができる。すなわちフレクスプライン４のダイヤフラム部に生じる変形を歪ゲージ７で検出することにより関節トルクを検出する。
【００２７】
スリップリング機構について説明する。サーキュラ・スプライン５と共に回転するスリーブ１５上に絶縁材料で作成した絶縁リング１６を固定し、さらに絶縁リング１６で絶縁しながら導電性材料で作成した複数の集電リング１７を固定する。絶縁リング１６とスリーブ１５とを貫通してあけられた穴を通して、集電リング１７の内面に接続された電源線９ｂおよび通信線１０ｂをスリーブ１５内部に通し、さらにスリーブ１５とサーキュラ・スプライン５と後段リンク１２とを貫通してあけられた穴を通して電源線９ｂおよび通信線１０ｂを後段リンク１２側へ配線する。一方、ローカルコントローラ８から取り出された電源線９ｃおよび通信線１０ｃのそれぞれに接続されたブラシ１８を、対応する集電リング１７と摺動接触を保つように絶縁体１９をはさみながらケース１３に対して固定する。このスリップリング機構により前段リンク１１と後段リンク１２とが互いに回転しても回転量によらないで関節装置１より先の装置への電源供給および通信の維持が可能となる。
【００２８】
そして図１あるいは図２の関節装置１を機械的、電気的に連結していくことで、配線の数を増やすことなく多自由度の機構を実現することができる。図３のブロック図はエンドエフェクタを取付けたｎ関節のロボットアームの運用時の配線を示している。通信線を介したシリアル通信によりマスタコントローラとローカルコントローラとのデータ送受が可能となり、マスタコントローラからローカルコントローラの制御モードやパラメータを設定したり、マスタコントローラがローカルコントローラから各種状態量を取得したりすることができる。
【００２９】
またエンドエフェクタのローカルコントローラに６軸力覚検出器を接続してエンドエフェクタに作用する力やモーメントを計測したり、各関節のローカルコントローラにその関節近傍のリンク表面に貼り付けた触覚センサを接続してリンク上の接触力を検出するなどして、それらの力やモーメント、接触力の情報をマスタコントローラで利用しながら各関節の制御パラメータを変更することで、外力に対して精度良く順応可能な構成に拡張することも可能である。
【００３０】
次に、手首装置の実施例を図４に示す。図４の手首装置４１は、図１あるいは図２のような関節装置１を３つ（４２、４３，４４）用いて３軸（４５、４６、４７）を隣接する軸どうしが互いに直交し、かつ両端の軸（４５、４７）が互いに十分離れた平面内で中間の軸４６に対して完全に旋回できるように構成している。この構成によれば、従来の手首装置のように関節の回転限界で制限されることがないため、任意の手先姿勢から任意の手先姿勢変化を動作履歴によらず与えることが可能となる。
【００３１】
2006000955.tif 000003
【００３２】
2006000955.tif 000004
【００３３】
このような制御則を構成することで、関節の見かけの剛性や粘性を設定することができると同時に、目標関節トルクと実際の関節トルクが一致すればF2は零となりF1の項により正しく位置制御が実現し、また動作が平衡状態にあるときに外力が加わって新たな関節トルクが発生すると、F2の項によりその関節トルクの大きさを減らすような力制御が働く。結果として外力に順応させながら関節の位置制御を行うことができる。またこのような関節を連結してロボットアームとして構成した場合、各関節での力制御をローカルコントローラによって高速に処理する構成にできるため、通信の遅延による影響を受けにくい安定した制御が可能となる。また一方、マスタコントローラによって各関節の角度を取得し、アーム全体の静力学あるいは動力学演算を行い、重力あるいは慣性力やコリオリ力により関節に作用するトルクを補償するようにFtを与えれば、各関節の位置を精度良く制御しながら同時に関節毎のインピーダンスも制御することができる。
【００３４】
また、冗長自由度にロボットアームを構成する例として、図６のロボットアーム６１は図４の手首装置４１と同じ構成を持つ手首装置の３軸（６６〜６８）以外にトルク検出器を備えた回転関節を４軸（６２〜６５）有し、すべての隣接する回転関節の回転軸が互いに直交するような７自由度構成の場合を示している。このような構成では手先の位置姿勢の６自由度を固定しても自己形状を変化させることのできる自由度があり、またすべての関節にトルク検出器によって前述のインピーダンス制御のような手法が適用できるため、手先の位置姿勢を固定してもロボットアームの持つ自己変形性によって環境との衝突力を緩和するような順応動作をさせることが可能であり、このとき手首装置の関節装置に回転限界がないため手首装置の動作に制約されず、手首装置以外の関節の可動範囲を有効に利用した順応動作が可能となる。
【００３５】
また一般に冗長自由度のロボットアームに対して繰り返し動作を教示したい場合には、単に手先の位置姿勢だけではなくロボットの自己形状も教示する必要があるが、ティーチングペンダント等の入力装置では直感的に操作がしにくい。しかし、例えば前述のインピーダンス制御において重力等の補償を目標関節トルクFtで行い、位置誤差トルクF1maxを零とすれば、外力でロボットアーム全体を任意に変形させられるようになるため、特別な入力装置なしに人が直接、ロボットアームのリンクを手でつかみ、力を加えてロボットアームの手先位置姿勢や自己形状を直接変更し、動作教示させることが可能となる。
【００３６】
さらに、ロボットアーム６１の構成において、手首装置以外の回転関節のうち少なくとも肩装置の３軸（６２、６３、６４）のうちの両端の回転軸（６２、６４）を図１あるいは図２のような関節装置１により無限回転可能な構成とすると、特異姿勢を除いては外力に順応しながら手先位置、手先姿勢、自己形状のそれぞれを任意に連続的に変更可能となるため、例えば図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような旋回動作、あるいはその逆順の旋回動作を無限に繰り返すことも可能となる。このような特性は必ずしも全ての関節を無限回転可能に構成しなくても得られ、ロボットアーム６１では構造強度等の観点から軸６３は回転角を限定した構成の場合を示している。
【００３７】
また、関節を連結してロボットアームを構成する際、図８（ａ）のように２つの関節装置１をローカルコントローラの固定されている端部側で連結した場合、関節が動作してもそれらのローカルコントローラは一体に固定されているため、図８（ｂ）のように関節装置１の一方を、ローカルコントローラの役割を他方の関節装置１に任せ、自身はローカルコントローラを持たない関節装置１’によって置き換えることができる。また図６のロボットアーム６１の関節装置６３のように、回転角に制限のある回転関節はスリップリングが不要であり、また制御の処理を近傍のローカルコントローラに任せることができるため、図９のようにスリップリングもローカルコントローラも持たない関節装置１”で構成することができ、このような関節装置１”は関節装置１の近傍に何台も連結させてロボットアームを構成可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
人と接するような日常生活分野を含む非製造業分野などにおいて、多様で複雑な作業を人手に代わって安全に実行させるためのロボットに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の回転関節装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の回転関節装置の構成を示す断面図。
【図３】本発明のロボットアームの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の手首装置の斜視図。
【図５】位置誤差補償トルクを示す図。
【図６】本発明の７自由度ロボットアームの斜視図。
【図７】本発明の冗長自由度ロボットアームの連続的な自己変形性を示す斜視図。
【図８】２つの関節装置をローカルコントローラの固定されている端部側で連結した場合を例示する図。
【図９】図３とは別の本発明のロボットアームの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４０】
１  関節装置
２  ＤＣモータ
３  ウェーブ・ジェネレータ
４  フレクスプライン
５  サーキュラ・スプライン
６  エンコーダ
７  歪ゲージ
８  ローカルコントローラ
９ａ、９ｂ、９ｃ  電源線
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  通信線
１１  前段リンク
１２  後段リンク
１７  集電リング
１８  ブラシ
４１  手首装置
６１  ロボットアーム
【図１】
2006000955.tif 000005
【図２】
2006000955.tif 000006
【図３】
2006000955.tif 000007
【図４】
2006000955.tif 000008
【図５】
2006000955.tif 000009
【図６】
2006000955.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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