(57)【要約】      （修正有）【課題】人工筋肉をアクチュエータとして利用したロボットアームの可動範囲を広げると共にアーム先端からの反力によるアクチュエータの故障を防ぐロボットアーム駆動装置を提供する。【解決手段】プーリ２０１と、プーリに直結したリンク２１３と、ワイヤー２０７，２０８，２１１，２１２と、電動機２０２とを備えたロボットアーム駆動装置であって、ウォーム２０３と、ウォームホイール２０４と、ワイヤー巻き取りプーリ２０５，２０６と、ワイヤー案内機構２１４，２１５と、またワイヤーの途中には人工筋肉２０９，２１０を備え、前記電動機で前記ウォームを駆動し、前記ウォームの回転を前記ウォームホイールに伝達し、前記ウォームホイールのシャフトに前記ワイヤー巻き取りプーリを備え、前記ワイヤーの張力により、前記プーリを駆動する。ウォームギアは負荷側からのトルクが電動機に伝わりにくいので、電動機を壊す事がない。【選択図】図２
2011152620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームと、プーリと、ワイヤーと、電動機とを備えたロボットアーム駆動装置において、
ウォームと、ウォームホイールと、ワイヤー巻き取りプーリと、ワイヤー案内機構を備え、前記電動機で前記ウォームを駆動し、前記ウォームの回転を前記ウォームホイールに伝達し、前記ウォームホイールのシャフトに前記ワイヤー巻き取りプーリを備え、前記ワイヤーの張力により、前記プーリを駆動することを特徴とするロボットアーム駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットアーム駆動装置において、ワイヤーとプーリの間に人工筋肉を備えた事を特徴とするロボットアーム駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットアーム駆動装置において、カップリングと第二電動機を備えた事を特徴とするロボットアーム駆動装置。
【請求項４】
請求項１に記載のワイヤー案内機構は、前記ウォームの回転に同期し、リニア運動に変えるボールねじを備え、ワイヤー貫通穴付き可動テーブルを備えた事を特徴とするロボットアーム駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の環境で安全に作業するロボットアームの駆動装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
人と共存し作業する次世代ロボットには安全性が求められているが、現行の産業用ロボットのように減速機と電動機を備えた駆動機構では安全性を確保できない。これは、現行の産業用ロボットでは、精度（位置決め、軌跡など）を要求した結果、自重が大きくなることが理由である。詳細説明すると、高精度を確保するにはアームのたわみを減らす必要があり、その結果アームの剛性を上げるため、高剛性材料は重量が大きいので、アームの自重が大きくなる。さらに、電動機のみではトルクが小さいため大減速機が必要であり、大減速機を使用するとモータからの負荷イナーシャが小さくなり、運動性能は向上するが、モーメントが大きくなるため、人に接触すると危険な場合がある。
【０００３】
そこで、人に接触しても、問題が発生しないような駆動機構が求められている。例えば、駆動機構の１つとして、マッキベン型空気圧アクチュエータ等人工筋肉を利用した機構がある。この人工筋肉は、柔らかさというメリットに加え、発生力は大きいというメリットがあるが応答特性が低いというデメリットがある。さらに、マッキベン型空気圧アクチュエータを駆動源、ワイヤーを伝達機構とし、アクチュエータの伸張による変位がプーリとリンクの回転変位を与えるロボットアームの例では、アクチュエータ自身の弾性に起因する微小振動の発生により制御性が悪いという一般的な課題がある。
【０００４】
この一般的な技術課題を解決するために、従来のロボットハンドを適用対象とするアクチュエータ制御装置は、電動機などの応答性の高いアクチュエータと、人工筋肉やバネ要素などの力は大きいが応答性の低いアクチュエータを併用して、ロボットハンドの制御性能を改善している。（例えば、特許文献１参照）また、回転部材の運動を抑制するブレーキ手段を備えたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図３において、リンク３０３とリンク３０４の相対的な角度は、形状記憶合金や水素吸蔵合金アクチュエータ、イオン性ＥＡＰなどの高分子アクチュエータなどで構成される人工筋肉３０２の伸縮と電動機３０１の回転駆動により制御される。特に、電動機３０１を高応答で駆動することにより、人工筋肉３０２の微小振動を抑制できる。
【０００６】
図４において、人工筋肉４０３にフィッティング４０６から圧縮空気を供給することで、その軸線方向に収縮力を生起させ、この収縮力がプーリ４０１を回転させる。プーリ４０１はフレーム部材４０５で支持されている。また、人工筋肉４０３の収縮力でプーリ４０１を回転させるため、固定部材４０４で支持されている。プーリ４０１の回転軸上にブレーキドラム４０２が配置されており、ブレーキカム４０９がブレーキシュー４０７に、ブレーキシュー４０７がブレーキドラム４０２に接触することでプーリ４０２が停止するという仕組みになっている。ブレーキカム４０９は、引っ張りバネ４１０と人工筋肉４１１の力の拮抗により制御される。
【０００７】
このように、従来のロボット用のアクチュエータ装置は、人工筋肉の微小振動を電動機で抑制するか、人工筋肉の微小振動をブレーキ機構で抑制していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−８７１４３号公報（第５−７頁、図１Ａ）
【特許文献２】昭６１−１４８８７号公報（第６頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、人工筋肉は伸縮膨張動作で関節を駆動しており、伸縮膨張量は、人工筋肉全長の３０％程度であるため、電動機と減速機による関節アクチュエータに比べて、関節可動範囲が小さいという技術課題があった。
【００１０】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、マッキベン型空気圧アクチュエータを利用する際に、可動範囲を拡大するともに、マッキベン型空気圧アクチュエータの可動と固定を確実に実施できるロボットアーム駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、アームと、プーリと、ワイヤーと、電動機とを備えたロボットアーム駆動装置において、ウォームと、ウォームホイールと、ワイヤー巻き取りプーリと、ワイヤー案内機構を備え、前記電動機で前記ウォームを駆動し、前記ウォームの回転を前記ウォームホイールに伝達し、前記ウォームホイールのシャフトに前記ワイヤー巻き取りプーリを備え、前記ワイヤーの張力により、前記プーリを駆動することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、ワイヤーとプーリの間に人工筋肉を備えた事を特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、カップリングと第二電動機を備えた事を特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、前記ウォームの回転に同期し、リニア運動に変えるボールねじを備え、ワイヤー貫通穴付き可動テーブルを備えた事を特徴とするワイヤー案内機構である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によると、１つのアクチュエータでプーリ及びアームを駆動でき、ウォームギアは負荷側からのトルクが電動機に伝わりにくいので、電動機を壊す事がない。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明によると、人工筋肉を供えるため、アームの可搬重量を上げる事ができ、人工筋肉の柔らかさによりアームが人にぶつかっても反力を吸収でき、ウォームギアは負荷側からのトルクが電動機に伝わりにくいので、電動機を壊す事がない。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明によると、アーム軸に電動機を備えるため、停止時の微小振動を抑制できる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明によると、ワイヤー案内機構を備えるので、従来の使用方法に比べて、ワイヤーの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示すロボットアーム駆動装置の側断面図
【図２】本発明の第２実施例を示すロボットアーム駆動装置の側断面図
【図３】従来のアクチュエータ制御装置の側面図
【図４】従来のロボットアームの動作を示す断面図
【図５】本発明のワイヤー案内機構の断面図
【図６】本発明の第３実施例を示すロボットアーム駆動装置の側断面図
【図７】本発明の制御装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の第１実施例を説明するロボットアーム駆動装置の側面図である。図において、ワイヤー１０７、１０８の端がプーリ１０１とワイヤー巻き取りプーリ１０５、１０６に結ばれ、電動機１０２と連結したウォーム１０３の回転により、ウォームホイール１０４が駆動され、ウォームホイール１０４に連結されたワイヤー巻き取りプーリ１０５、１０６を駆動することでプーリ１０１を駆動し、プーリ１０１が駆動されると連結されたリンク１０９が駆動される。プーリ１０１及びリンク１０９を高精度に角度制御するために、エンコーダ１１２の角度情報を利用する。ウォーム１０３とウォームホイール１０４からなるウォームギアを用いるメリットは、ウォームギアは摩擦力が大きいので、負荷側からの反力で電動機１０２が動かないため電動機１０２が壊れにくいことと電動機１０２の電源を切っても停止状態を維持できる点にある。このロボットアーム機構において、ワイヤー巻き取りプーリ１０６、１０７は、プーリ１０１の拮抗動作を実現するために、ワイヤー巻き付け方向を変えている。例えば、ワイヤー巻き取りプーリ１０６を時計回りとして、時計回りにウォームホイール１０４が回った時に、ワイヤー１０８がワイヤー巻き取りプーリ１０６で巻き取られ、ワイヤー巻き取りプーリ１０５ではワイヤー１０７がリリースされることで、プーリ１０１の拮抗動作を実現できる。さらに、ワイヤー巻き取りプーリ１０５、１０６の同じ位置でワイヤー１０７、１０８が重なるように巻き取られるとワイヤーにキズが付きやすくなるとともに、ワイヤーのリリース量と巻き取り量が異なるために、ワイヤーのテンションが変わり、結果的にワイヤーの寿命が短くなる可能性がある。そこで、ワイヤーがプーリの同じ場所で重なることを避けるため、ワイヤー案内機構を備えた。
【００２３】
ワイヤー案内機構の周辺技術の詳細を図５で説明する。ワイヤー巻き取りプーリの断面図は図５aで表すものであり、ワイヤー５０１は、ワイヤー巻き取りプーリ５０２に空けられた１点の穴を通って、ワイヤー巻き取りプーリ内部のワイヤー固定冶具５０３で固定されている。ワイヤー固定冶具５０３は、ネジのようなものや溶接によりワイヤーを固定する方法などが考えられる。これにより、ワイヤー５０１はワイヤー巻き取りプーリ５０２から抜けないようにできる。
【００２４】
次に、ワイヤー案内機構の詳細図面は図５ｂである。図１のウォームホイール１０４にシャフト５０５を介して、歯車５０４とワイヤー巻き取りプーリ５０２が直結されている。歯車５０４が回転駆動されると歯車５０６とボールねじ５０７が回転するとワイヤー案内機構５０８は直線駆動される。歯車５０６の回転に同期して、ボールねじ５０７のピッチ移動量でワイヤー案内機構５０８が前進後退し、ワイヤー５０１がワイヤー巻き取りプーリ５０２上の同じ場所で重ならないように巻き取られるので、ワイヤー５０１本来の耐久性を維持できる。
【００２５】
次に、リンク５１８のワイヤー案内機構の詳細図面（図５ｃ）を説明する。プーリ５１０、傘歯車５１１、リンク５１８はシャフト５１２に直結されており、傘歯車５１１はワイヤ５０１が引っ張られる方向に回転する。傘歯車５１１が回転すると、傘歯車５１１に直交した傘歯車５１３が回転すると、傘歯車５１３に直結したプーリ５１４、５１５が回転する。プーリ５１４、５１５の伝達要素はワイヤー５１６であり、ワイヤー５１６に結合したワイヤー案内機構５１７がワイヤー５１６に同期して移動する。ワイヤー案内機構５１７にはワイヤー貫通穴があり、ワイヤ５０１がプーリ５１０に重ならないように巻き取られる。この機構を備えたことで、リンク側においてもワイヤー本来の耐久性を維持することができる。ここで説明したワイヤー５１６の伝達要素は、ベルトでも良い。ベルトにすると案内機構の耐久性を上げる事ができる。
【実施例２】
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施例を説明するロボットアーム駆動装置の側面図である。図において、人工筋肉２０９、２１０の一端にワイヤー２０７、２０８が結ばれ、ワイヤー２１１、２１２は、プーリ２０５、２０６に結び付けられており、人工筋肉２０９、２１０は空気の排出・供給により収縮・膨張し、その作用により、ワイヤー２０７、２０８が拮抗動作をすることで、プーリ２０１が回転し、プーリ２０１に直結したリンク２１３が駆動されるという基本的なロボットアーム機構がある。このロボットアーム機構では、人工筋肉の伸縮量に制限され、リンク２１３の回転角度が小さいと言う問題があった。そこで、ウォームギアと電動機を備えることで課題を解決することができる。さらに、ウォームギアを利用すると電動機が負荷反力を受けないので、電動機を壊す事ないというメリットがある。人工筋肉２０９、２１０を使ってプーリ２０１、リンク２１３を高精度に角度制御するには、エンコーダ２１６の角度情報を利用する。図において、ワイヤー２０７、２０８の端がプーリ２０１と人工筋肉２０９、２１０に結ばれ、人工筋肉２０９、２１０の他端がプーリ２０５、２０６に結ばれ、電動機２０２と連結したウォーム２０３の回転により、ウォームホイール２０４、ワイヤー巻き取りプーリ２０５、２０６が駆動され、ワイヤー２１１、２１２は拮抗駆動される。ワイヤー２１１、２１２の拮抗駆動に応じて、人工筋肉２０９、２１０が移動し、プーリ２０１が回転し、リンク２１３が回転する。人工筋肉２０９、２１０は、空気の排気・吸気により圧縮・膨張されるが、変位量は人工筋肉の長さの３０％程度なので、リンクの回転角度が少ないというデメリットがあったが、本発明に示したウォームギア（ウォーム２０３、ウォームホイール２０４）と電動機２０２により、回転角度範囲を広げる事が可能となる。
【００２７】
ここで、説明した人工筋肉２０９、２１０は、マッキベン型空気圧アクチュエータであり、ゴム素材の柔らかさによりリンク２１３の反力を吸収することができ、安全なロボットを実現するアクチュエータとして期待されている。しかし、柔らかいと言うメリットと反対に、制御性能が悪いというデメリットが存在する。ここで言う制御性能とは、応答の速さと停止精度である。人工筋肉は電動機に比べて応答が遅く、このデメリットを改善するために、図２のプーリ２０１のリンク２１３とは反対側に第二の電動機を備えた図面を図６で説明する。基本構成は図２と同じで、プーリ６０１がリンク６１３と第二の電動機６１６の間に配置されている点が異なり、プーリ６０１と同方向にリンク６１３、電動機６１６が回転する。
【００２８】
次に、ロボットアームの制御方法を説明する。ロボットアームの構成は、図６の構成とし、アクチュエータは人工筋肉６０９、６１０、電動機６０２、６１６である。プーリ６０１、リンク６１３の角度は、電動機６１６に内蔵されたエンコーダを利用する。プーリ６０１及びリンク６１３をある角度に制御する場合、角度指令７０１とエンコーダ７０５の角度偏差を第１電動機制御部７０２に入力し、第１電動機制御部７０２の出力である電流指令を第１電動機７０３に入力し、第１電動機のトルクを発生させ、プーリ、リンク７０４を角度制御する。エンコーダ７０５は、第２電動機に内蔵されたセンサである。人工筋肉アクチュエータ７０８及び第２電動機７１１は、第１電動機の速度に追従するように動けばよいので、角速度指令７０６と角速度の偏差をコンプレッサー制御部７０７に入力すると、出力である空気の吸気量と排気量が制御され、人工筋肉アクチュエータ７０８の圧縮・膨張により、プーリ、リンク７０４の動きに人工筋肉アクチュエータ７０８は同期するように角速度制御される。同様に、第２電動機も角速度指令７０６と角速度の偏差を第２電動機制御部７１０に入力すると電流指令が出力され、電流指令に基づいて第２電動機７１１が角速度制御される。角速度は、エンコーダ７０５の角度信号を差分演算７０９した結果である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
人工筋肉を使って関節駆動をする際に、関節角度範囲が小さいというデメリットをウォームギアと電動機を使って克服する事ができるので、ロボットフィンガの関節にも適用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１０１、２０１、４０１、５０９、５１４、５１５、６０１  プーリ
１０２、２０２、３０１、６０２、６１６  電動機
１０９、２１３、３０３、３０４、５１７、６１３  リンク
１０３、２０３、６０３  ウォーム
１０４、２０４、６０４  ウォームホイール
１０５、１０６、２０５、２０６、５０２、６０５、６０６  ワイヤー巻き取りプーリ
２０９、２１０、３０２、４０３、４１１、６０９、６１０、７０８  人工筋肉
１０７、１０８、２０７、２０８、２１１、２１２、５０１、５１６、６０７、６０８、
６１１、６１２  ワイヤー
１１０、１１１、２１４、２１５、５０８、５１７、６１４、６１５  ワイヤー案内機構
１１２、２１６、７０５  エンコーダ
４０２  ブレーキドラム
４０４  固定部材
４０５  フレーム部材
４０６  フィッティング
４０７  ブレーキシュー
４０８  レバーアーム
４０９  ブレーキカム
４１０  引っ張りばね
５０３  ワイヤー固定冶具
５０４、５０６、５１０、５１２  歯車
５０７  ボールねじ
５０９  ワイヤー案内穴
５０５、５１２  シャフト
５１１、５１３  傘歯車
７０１  角度指令
７０２、７１０  電動機制御部
７０３、７１１  電動機
７０４  プーリ・リンク
７０６  角速度指令
７０７  コンプレッサー制御部
７０９、７１２  差分演算
【図１】
2011152620.tif 000003
【図２】
2011152620.tif 000004
【図３】
2011152620.tif 000005
【図４】
2011152620.tif 000006
【図５】
2011152620.tif 000007
【図６】
2011152620.tif 000008
【図７】
2011152620.tif 000009