(57)【要約】【課題】設置領域が小さく、容易に設置でき、可動範囲が広く、安全性が高いロボットアームを提供することにある。【解決手段】本実施形態に係るロボットアームは、支持部材６および７と、これらの間に回動可能に連結された柱状部材１と、これに連結された独立な直動部材２および３と、これらにそれぞれ回動可能に連結された主アーム部材４および副アーム部材５を備え、主アーム部材４と副アーム部材５が回動自在に連結されてスコットラッセル機構を構成するロボットアームにおいて、支持部材６および７の両方を環境に固定して設置することを特徴とする。また、環境の向かい合う２つの支持面の間に支持部材６および７と柱状部材１を突っ張ることで内力を発生させて固定することを特徴とする。また、アーム部材４および５が柱状部材に沿って折りたたまれ、柱状部材１の回動時にそのの掃引領域の外にアーム部材４および５がはみ出さないことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状部材と、柱状部材にその長手方向に直動可能に連結された2つの独立な直動部材と、基端部が片方の直動部材に回動可能に連結された主アーム部材と、基端部がもう片方の直動部材に回動可能に連結された副アーム部材を備え、主アーム部材の先端と基端との間に副アーム部材の先端部が回動自在に連結されてスコットラッセル機構を構成するロボットアームにおいて、２つの支持部材を備え、これら２つの支持部材の間に前記柱状部材が長手方向の軸まわりに回動可能に連結され、２つの支持部材の両方を環境に固定して設置することを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記の２つの支持部材が、長手方向に長さを調節可能な機構と、長手方向へ伸縮するバネ機構を備え、環境の向かい合う２つの支持面の間に２つの支持部材と柱状部材を突っ張ることで内力を発生させて固定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】
前記の主アーム部材と副アーム部材が柱状部材に沿って折りたたまれることで、主アーム部材と副アーム部材が柱状部材内部に収納され、柱状部材の回動時に柱状部材の掃引領域の外に主アーム部材と副アーム部材がはみ出さない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】
前記の柱状部材がその長手方向にラックギアを備え、前記の直動部材にそのラックギアとかみ合うピニオンギアをそれぞれ備え、それぞれのピニオンギアの回転を与えることで２つの直動部材の位置を独立に制御することを特徴とする請求項２または請求項３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、設置領域が小さく、容易に設置でき、可動範囲が広く、安全性が高いロボットアームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
塗装、溶接、組み立てなどの作業のための産業用ロボットアームは、ヒトと隔離された安全柵の中に設置することで、手先の正確な位置決め性能と高速な動作を安全に実現している。しかし、普段ヒトが作業や生活する空間内でヒトと混在しながら、搬送、組み立て、清掃、対人サービスなどの作業を行う、いわゆるヒト共存型のロボットアームには、産業用ロボットアームとは全く異なる機能と性能が求められる。とくに、設置領域が小さく、容易に設置でき、可動範囲が広く、安全性が高いことが求められる。
【０００３】
非特許文献1で述べられている、一般的な産業用ロボットに用いられる構造は、これらの要求を満たせるものではない。特許文献１では、同様にヒト共存型のロボットアームにおいてアームが伸縮する機構により安全性を確保しているが、設置領域の小ささ、設置の容易性および可動範囲の要求を満たすことが困難である。要求を満たす有力な構造として、鉛直方向に直動軸を持ち、上下の可動範囲を実現するスコットラッセル機構を用いたロボットアームがある。特許文献２、３および４は、スコットラッセル機構を産業用ロボットに適用したものを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６０９６４
【特許文献２】特開昭５８−１５５１８５
【特許文献３】特開２００９−０３４８０１
【特許文献４】特許０５４３８２４４号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉川恒夫著 「ロボット制御基礎論」 コロナ社 １９８８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、作業用のロボットアームについて、（１）設置領域が大きくなりヒトの作業や通行の妨げになってしまう点、（２）その設置が容易でない点、（３）手先の可到達範囲が狭く、特に床面から机上までの高さ方向に狭い点、（４）ヒトの生活空間で運用できる安全性を確保しつつこれらを実現する点、である。
【０００７】
まず重要な課題として、設置領域の小ささと設置の容易さが挙げられる。これまでのロボットは、床や机にボルトで固定したり、大きな接地領域を実現するためのアウトリガーを備えることで、作業中にロボットアーム自体の位置がずれたり、ロボットアームごと転倒することを防いでいた。しかしこれらはヒトと混在した空間に設置するには設置領域を大きくとりすぎるため、ヒトの移動や作業の妨げとなってしまう。また、床や机にボルト止めする工事が必要だと、ヒトの生活空間での設置は容易ではない。
【０００８】
改善策として天吊方式を採用したロボットアームも存在する。これは、天井にボルトでロボットの台座を固定し、上部からアームを下ろして作業を行う方式である。しかしこの方式では天井が高すぎると十分低いところに手先が届かないし、天井が低すぎると結局ヒトの作業や通行の妨げになってしまう。設置工事も大がかりになり、ロボットを吊り下げるために天井の強度も必要になるので、やはりヒトの生活空間での設置は容易ではない。
【０００９】
つぎに重要な課題として、手先の可動範囲の広さが挙げられる。産業用ロボットアームでは、直交型、垂直多関節型およびスカラ型の自由度配置が主流である（非特許文献1）。直交型（X,Y,Z軸方向に直動軸のある門型クレーン状のものを指す）ではロボットの構造内に可動範囲が内包されてしまい、可動範囲を広げるためにはロボットが大型化してしまう。垂直多関節型とスカラ型のロボットは、台座からアームを最大限伸長した際の範囲が手先の最大可動範囲である。ヒトの生活空間の作業では、高さ方向に床面から机の上ぐらいまでの手先の可動範囲が望ましいが、これらのロボットは土台面付近の高さでの作業を想定されており、高さ方向に広い可動範囲を実現することは難しい。たとえば床面に設置したロボットは机の上まで手先が届かないし、机面に設置したロボットは床面に手先が届かない。
【００１０】
これらの可動範囲の問題だけであれば、単に長いアームのロボットを使うことで解決できるが、アームの長いロボットは一般に高出力かつ重量が大きく、設置領域も大きくなる。なぜなら先にあげたロボットは機構土台から手先に向かって関節が数珠つなぎに配置されたいわゆるシリアルリンク構造であり、土台が環境により片持ち支持されている。この構造では、アームを長くすると土台に近いリンクにかかる負荷は大きくなるので、それらのリンクの剛性を高めるため重量を増加させ、土台の接地領域を大きくする必要がある。また各軸の位置決め性能を維持するためには、各軸を高出力なモータで駆動する必要がある。高出力かつ重量が大きいロボットは衝突時にヒトにケガを負わせやすく、ヒトの生活空間で安全に運用することが難しい。
【００１１】
特許文献１においては、伸縮する機構を用いて安全性を確保し、従来では設置できないような狭い空間でも安全に設置できるロボットアームを構成している。しかし、伸縮する機構を収納する空間が必要なため土台部分が大きくなってしまう点が課題となる。また、手先の可動範囲としては上下方向には従来のロボットアームとそれほど変わらず狭い点が課題となる。
【００１２】
特許文献２、３および４においてはいずれも、床面もしくはそれに準ずる土台に固定した台座から鉛直方向に伸びる柱状の部材と、その上を直動する二つのスライダ機構と、それぞれから伸びるアームがスコットラッセル機構を構成した、パラレルリンク構造のロボットを構成している。しかし、スライダ機構のストロークを伸ばして上下方向の可動範囲を広げようとすれば、柱状の部材を長くしなければならないが、十分な剛性を確保するためには土台の接地領域を大きくし、柱状の部材を太くする必要があり、やはりロボットが大型化、高出力化してしまう。また、特許文献３および４のように直動軸の後に鉛直回転軸のある軸配置では、水平面内に正面から１８０度の範囲しか手先の可動範囲がなく、垂直多関節やスカラ型のように水平面内に３６０度の範囲には手先が届かないという課題がある。
【００１３】
このように従来の技術では、ヒトの生活空間で運用できるような、設置領域が小さく、容易に設置でき、可動範囲が広く、安全性が高いロボットを実現することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明では、柱状部材と、柱状部材にその長手方向に直動可能に連結された2つの独立な直動部材と、基端部が片方の直動部材に回動可能に連結された主アーム部材と、基端部がもう片方の直動部材に回動可能に連結された副アーム部材を備え、主アーム部材の先端と基端との間に副アーム部材の先端部が回動自在に連結されてスコットラッセル機構を構成するロボットアームにおいて、２つの支持部材を備え、これら２つの支持部材の間に前記柱状部材が長手方向の軸まわりに回動可能に連結され、２つの支持部材の両方を環境に固定して設置することを特徴とする。この特徴により、柱状部材は環境に対して両持ち構造で支持され、手先の負荷に対して高い剛性を確保することができる。また柱状部材はその長手方向の軸を中心として、全方位に向きを変えることができ、結果として手先の広い可動範囲を実現できる。
【００１５】
本発明では、前記の２つの支持部材が、長手方向に長さを調節可能な機構と、長手方向へ伸縮するバネ機構を備え、環境の向かい合う２つの支持面の間に２つの支持部材と柱状部材を突っ張ることで内力を発生させて固定することを特徴としている。この特徴により、ロボットは環境に対してボルト止めなどで固定する必要がないため取り付け、取り外しが容易となる。たとえば、支持面として床面と天井面を用いればロボット全体を一本の柱の外観をなしたものとでき、ヒトの移動や動作の妨げにならない上、外観的に生活環境にとけこませることが可能になる。
【００１６】
本発明では、前記の主アーム部材と副アーム部材が柱状部材に沿って折りたたまれることで、主アーム部材と副アーム部材が柱状部材内部に収納され、柱状部材の回動時に柱状部材の掃引領域の外に主アーム部材と副アーム部材がはみ出さないことを特徴とする。これにより、本発明のロボットアームは非常に小さな設置領域で設置することが可能になる。また、柱状部材が回動したときに主アーム部材や副アーム部材がヒトや環境内の物体と干渉することなく、安全性を確保することができる。
【００１７】
さらに、本発明は前記の柱状部材がその長手方向にラックギアを備え、前記の直動部材にそのラックギアとかみ合うピニオンギアをそれぞれ備え、それぞれのピニオンギアの回転を与えることで２つの直動部材の位置を独立に制御することを特徴とする。ラック‐ピニオン駆動方式を用いることで、使用環境に合わせた長さの柱状部材をコストを抑えながら設計することが容易になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のロボットアームは、これを支持する支持部材が柱状部材の両端にあるため、柱状部材およびその先の機構を両持ち構造で支持することが可能である。たとえばロボットは床と天井の間に両持ち構造で支持される。つまり、柱状部材を床面などにボルト止め等で片持ち構造で支持するよりも支持部材にかかる曲げ応力を小さくすることができる。結果として、ロボットの剛性の向上、軽量化とモータ出力の低減を図る設計が容易となる。これらは、ヒトの生活空間で運用するロボットにとって安全性を確保する重要な効果となる。
【００１９】
また、ロボットアームの柱状部材は回転軸まわりに３６０度すべての方向を向くことができ、回転角制限がないため、手先の広い可動範囲を実現することができる。これは、ヒトの生活空間で運用するロボットにとって好適である。
【００２０】
本発明のロボットアームの支持部材はその長さがある程度調節できる機構になっており、さらにバネにより力の増減によりその長さが伸縮するようになっている。これにより、ロボットを設置する際には、支持部材の長さを支持面の間の距離と同程度に調節したうえで、支持面の間にバネにより発生する内力で「突っ張る」ことで固定することができる。たとえば床と天井の間に設置する場合、ロボット全体の長さを床と天井間の距離程度に調整したうえで、天井に上側の支持部材を突き当ててバネを圧縮しつつ、床に下側の支持部材を置いて設置することができる。ロボットは床と天井に対して内力を発生して「突っ張る」ことにより固定される。ただし、安全のために、必要に応じてボルトやワイヤ等による固定を別途追加する必要はある。これらの効果により設置や取り外しが容易になるため、ヒトの生活空間で運用するロボットにとって好適である。
【００２１】
本発明のロボットアームは、主アームと副アームを折りたたんだ際には柱状部材の中に内包される。これにより、設置の際には床面上に非常に小さな領域しか必要とない。またアームを折りたたんだこの姿勢では、全体が1本の柱状の形状となるため、アームがヒトや環境に触れることなく柱状部材を回動させることが可能になる。
【００２２】
本発明のロボットアームのスコットラッセル機構の直動機構部分は、柱状部材の長手方向にラックギアを備え、直動部材にピニオンギアをそれぞれ備えた、ラック-ピニオン方式の駆動を用いている。本発明のロボットは床から天井まで伸びるような、長い直動機構を想定しており、ラック-ピニオン方式を用いることで長い距離を動作する直動機構を安価に設計することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態であるロボットアームを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態であるロボットアームの設置例を示す側面図である。
【図３】支持部材７と接地部材２０の構造を示した断面図である。
【図４】柱状部材の内部に収納されるアームを示した斜視図である。
【図５】柱状部材１と直動部材２および３の構造を示した側面図および上面図である。
【図６】上下および伸展方向のロボットアームの動きを示した側面図である。
【図７】転回方向のロボットアームの動きを示した斜視図である。
【実施例】
【００２４】
図１に本発明の実施形態であるロボットアームを示す。このロボットアームは床面から天井まで伸びた１本の柱として設置することが想定されている。円筒形のパイプを素材とした床側の支持部材６と天井側の支持部材７を備え、その２つに挟まれた中央部分に柱状部材１が回転軸１３および回転軸１４により回転自在に接続されている。柱状部材１には直動部材２と直動部材３がそれぞれ直動自在に接続している。直動部材２と主アーム部材４が回転軸１０により回動自在に接続され、直動部材３と副アーム部材５が回転軸１１により回動自在に接続されている。主アーム部材４と副アーム部材５は回転軸１２で回動自在に接続されている。主アーム部材４の先端には作業に応じて手首自由度を持つグリッパなどの効果器を設置する。
【００２５】
ロボットアームの床側の回転軸１３は減速機つきDCサーボモータを用いて能動的に駆動され、柱状部材１は支持部材６および７に対し鉛直軸まわりの角度を制御することができる。回転軸１３および回転軸１４にはスラスト軸受けを用いて回動時の摩擦を減じている。
【００２６】
柱状部材１はアルミ素材のチャネル形状であり、これが床から天井までロボットアームを支える構造になると共に、直動部材２および直動部材３を上下に直動させるためのレールとなっている。柱状部材１と直動部材２および３は後述のようにラック‐ピニオン駆動方式となっており、柱状部材１上で直動部材２および３の上下方向の位置をそれぞれ独立に制御することができる。
【００２７】
柱状部材１、直動部材２および３、主アーム部材４および副アーム部材５はスコットラッセル機構を構成している。直動部材２および３の上下方向の位置を制御することで、主アーム部材４の先端の高さと、柱状部材１からの距離を制御できる。前述の柱状部材の回転軸１３の角度も併せて制御することで、主アーム部材４の先端の３次元位置を制御することが可能である。
【００２８】
上部側の支持部材７の上面には接地部材２０が接続されており、接地部材２０は力を受けるとバネが縮むことで５ｃｍほど支持部材７の中へ縮小する。この機構により「突っ張り棒」の要領で、まず天井に突き当て、次に床へと鉛直に下すことで、床と天井の間に固定することが可能である。
【００２９】
図２に本発明の実施例でのロボットの設置例を示す。実施例でのロボットのサイズは高さが２．３ｍ程度、支持部材６および７の円柱の直径が０．１２ｍ程度である。設置例(a)では、ロボットは床面３０と天井面３１の間に両持ち構造として設置されている。一般住居のような比較的低い天井を持つ環境であれば、このように床と天井との間に設置することが可能である。設置例(b)では、ロボットは支持部材を取り付けるためのステー３２を壁に追加して、これらステーの間に両持ち構造として設置されている。天井が非常に高いホールなどで壁際に設置する場合にこのように設置される。設置例(c)では、ロボットは机３３の上面と天井面３１との間に両持ち構造で設置される。机の上の対象物に対する作業を想定した場合にこのように設置される。
【００３０】
このように本発明のロボットは向かい合う支持平面の間に柱状の構造物として設置することが可能である。その際、設置が簡単になるように、前述のように支持部材６および７には伸縮の調整機構と、バネ要素による内力の発生機構が備えられている。図３に本発明の実施例での支持部材の伸縮機構の断面図を示す。支持部材７の内部に接地部材２０が直動自在に接続されている。接地部材２０と支持部材７との間は内部でバネ部材４０により接続されており、かかる圧縮力に応じて接地部材２０が支持部材７の内部へ収納される。本発明の実施例ではバネ部材４０の交換により自然長およびバネ定数を設定し、設置平面に対して適切な支持部材の長さと内力の大きさが得られるようにしている。
【００３１】
図１では可視化のため省略したが、本発明の実施例では、柱状部材１に円筒形のカバーが設置されている。図４に本発明の実施例で柱状部材１に接続された円筒形カバー１５を含めたロボットアームの斜視図を示す。(a)のように、作業を行う場合は主アーム部材４が伸展してカバー外部に出現する。作業を行わない際や、作業の途中で干渉を避けつつ柱状部材１を回動させたい場合、(b)のように主アーム部材４と副アーム部材５を柱状部材１に沿ってたたみ、円筒形カバー１５内に内包させることができる。この場合、主アーム部材４と副アーム部材５は柱状部材１が回動した際の掃引領域、すなわち円筒形カバー１５に内包されており、円柱カバー１５の範囲以外にアーム部材が到達することはないため、ヒトや環境にまったくぶつかることなく回動動作させることが可能になる。
【００３２】
スコットラッセル機構を構成する直動機構は、ラックギアとピニオンを用いた構成になっている。柱状部材１にはその長手方向に樹脂製のラックギアが設置され、2つのスライダ機構側にはモータとピニオンが設置されている。図５に柱状部材１と直動部材２および３の詳細な構造を示す。柱状部材１にはその長手方向にラックギア５３が設置されている。直動部材２および３はそれぞれ、構造部材５０と、それに固定されたDCサーボモータ５１と、それに接続されたピニオンギア５２、および、４つのプーリ５４で構成されている。プーリ５４は構造部材５０の右側４隅に受動的に回動するように接続されている。コの字型の柱状部材１の解放側のレール部分が、４つのプーリ５４と接し、柱状部材１の平面側のラックギア５３がピニオンギア５２と接している。プーリ５４とピニオンギア５２で柱状部材１が挟み込まれることで、直動部材２および３が柱状部材１から脱落しないようになっている。DCサーボモータ５１によりピニオンギア５２が回転し、直動部材２よび３を柱状部材上で鉛直方向に駆動し、その位置を制御することができる。
【００３３】
図６に本発明の実施例のロボットアームの手先伸展および上下方向の動作の側面図を示す。ロボットの手先は、床面から床面上１．２ｍ程度の高さまで手先の可動範囲があり、床から対象物を拾い上げて机に置くといった、ヒトの生活空間に必要な高さ方向に広い可動範囲を実現できる。
【００３４】
図７に本発明の実施例のロボットアームの旋回方向の動作の斜視図を示す。柱状部材１は土台部材２および３に対して３６０度全方向に向きを変えることが可能であり、広い手先の可動範囲を実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のロボットアームは、設置領域が小さく、設置が容易で、可動範囲が広く、安全性が高いため、狭隘なヒトの生活空間において、搬送、組み立て、清掃、対人サービスなどの様々な用途で好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  柱状部材
２、３  直動部材
４  主アーム部材
５  副アーム部材
６、７  支持部材
１０、１１、１２、１４  受動回転軸
１３  能動回転軸
２０  接地部材
３０  床面
３１  天井面
３２  壁固定用ステー
３３  机
４０  バネ部材
５０  直動部材の構造部材
５１  直動部材のサーボモータ
５２  ピニオンギア
５３  ラックギア
５４  受動プーリ
【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】
2018058137.tif 000008
【図７】
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