(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する２つの回転軸周りに相対回転可能に連結された第１リンク、第２リンクと、
前記第１リンク側の回転軸である差動入力軸としての第１ａ軸、第１ｂ軸と、
前記第２リンク側の回転軸である差動出力軸としての第２軸と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸及び第２軸を直交する２つの前記回転軸周りに回転させる差動歯車機構と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々端部に固定されて夫々の前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の回転角度センサと、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸に夫々固定された一対のウォームホイールと、
回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持されると共に一対の前記ウォームホイールに夫々係合する一対のウォームと、を備え、
前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を一対の前記ウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記回転角度センサの出力信号に基づいて衝突を検知することを特徴とする
アームの関節。
【請求項２】
中間リンクを介して連結された第１リンク、第２リンクと、
一端が前記第１リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記中間リンクに回転自在に連結された互いに同一直線上にある第１ａ軸、第１ｂ軸と、
一端が前記中間リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記第２リンクに固定された第２軸と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の一端に向かい合って固定された一対の第１傘歯車と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の中間に固定されると共に一対の前記第１傘歯車を夫々駆動させるウォームホイールと、
前記第２軸の一端に固定されると共に前記一対の第１傘歯車と係合して該一対の第１傘歯車の回転方向及び／又は速度に基づき自転または公転する第２傘歯車と、
前記夫々のウォームホイールに係合すると共に回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持された一対のウォームと、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の他端に固定されると共に前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の回転角度センサと、を備え、
前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を一対のウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記回転角度センサの出力信号に基づいて衝突を検知することを特徴とする
アームの関節。
【請求項３】
前記第１リンク及び／又は第２リンクにおける衝突の検知は、前記回転角度センサの出力信号から得られる前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の回転角加速度Ａθａ、Ａθｂの少なくとも一方が、通常動作時に前記第１ａ軸、第１ｂ軸に発生可能な最大回転角加速度以上であるか否かに基づき行われることを特徴とする
請求項１または２に記載のアームの関節。
【請求項４】
前記第１リンク及び／又は第２リンクにおける衝突の検知は、前記回転角度センサの出力信号から得られる前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の回転角度変位Δθａ、Δθｂの少なくとも一方が、ゼロであるか否かに基づき行われることを特徴とする
請求項１または２に記載のアームの関節。
【請求項５】
前記第１リンク及び／又は第２リンクにおける衝突の検知は、前記回転角度センサの出力信号から得られる前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の回転角速度Ｖθａ、Ｖθｂの少なくとも一方が、ゼロであるか否かに基づき行われることを特徴とする
請求項１または２に記載のアームの関節。
【請求項６】
中間リンクを介して連結された第１リンク、第２リンクと、
一端が前記第１リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記中間リンクに回転自在に連結された互いに同一直線上にある第１ａ軸、第１ｂ軸と、
一端が前記中間リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記第２リンクに固定された第２軸と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の一端に向かい合って固定された一対の第１傘歯車と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の中間に固定されると共に前記第１傘歯車を夫々駆動するウォームホイールと、
前記第２軸の一端に固定されると共に前記一対の第１傘歯車と係合して該第１傘歯車の回転方向及び／又は速度に基づき自転または公転する第２傘歯車と、
前記夫々のウォームホイールに係合すると共に回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持された一対のウォームと、
前記夫々のウォームを回転駆動させると共に前記第１リンク内に並設して設けられた一対の駆動源と、
前記第１ａ軸、第１ｂ軸の他端に固定されると共に前記一対の駆動源の駆動制御信号として前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の第１回転角度センサと、
前記駆動源の端部に固定されると共に前記一対の駆動源の駆動制御信号として前記駆動源の回転角度情報を計測する一対の第２回転角度センサと、を備え、
前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を前記一対のウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記第１回転角度センサの出力信号と前記第２回転角度センサの出力信号とに基づいて衝突を検知することを特徴とする
アームの関節。
【請求項７】
前記第１リンク及び／又は第２リンクにおける衝突の検知は、前記第１回転角度センサの出力信号から得られる前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の実回転角度θａ、θｂと、前記第２回転角度センサの出力信号から得られる前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の駆動回転角度θａｍ、θｂｍとの差分（θａ―θａｍ）、（θｂ−θｂｍ）の少なくとも一方が、ゼロであるか否かに基づき行われることを特徴とする
請求項６記載のアームの関節。
【請求項８】
前記一対のウォームが、その回転軸に対する並進方向の移動に対する相対移動速度に応じた抵抗を発生する速度抵抗手段をさらに備えたことを特徴とする、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアームの関節。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアームの関節を有する
ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アームの関節に関し、特に外部環境（人間・構造物等）との接触および衝突を、特別なセンサを用いることなく検出でき、さらにその衝突力を吸収緩和できる軽量・コンパクトなアーム、特にロボットアームの関節に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットは産業分野のみならず、医療・福祉や家事等のサービス分野などに進出しつつある。このような場所で使用されるロボットは、ロボットが人と作業空間を共有する為、人とロボットの接触や衝突といった双方の干渉を想定せざるを得ない環境となっており、これらに対する安全を確保することが重要となる。
【０００３】
一方、このような環境下にあって、産業用ロボットアームに代表される従来のロボットアームは、手先位置精度確保の為、剛性の高い部材と剛性の高いアクチュエータ（減速比の高いギアを用いたモータなど）を組み合わせて構成されていた(例えば、特許文献１参照)。
【０００４】
その為、外部環境（人間・構造物等）が急にロボットアームの予定軌道内に進入した場合、ロボットアームは、ノンバックドライバブルな機構である為、外部環境と接触したときの衝撃力及び接触力の瞬時の緩和が困難であった。この為、人体の安全性を確保する上で改善を必要とするものであった。このようなロボットアームにおいて、外部環境との接触に対する安全性を確保する技術として、さまざまなものが提案されている。
【０００５】
例えば、ロボットアーム手先が外部環境（人間・構造物等）に衝突または接触したことを、手首部に設けられた力センサにより検知し、その力の入力（大きさ、方向）に応じて各関節のモータを位置制御し、制御的にバネのような柔軟性を実現する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】実公平４―２９９９０号公報
【特許文献２】特開平２−３００８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ロボットアームでは、ロボットアーム手先部以外の部分への衝突及び接触には反応できないという課題があった。
【０００７】
これに対し、ロボットアーム表面に圧力センサ等を設け、ロボットアーム手先部以外の部分への衝突または接触を検知できるようにしたものもあるが、何れの場合もセンサ入力に基づきモータを制御している為、衝突に対する応答性に限界があり、また電磁波等による誤動作の可能性も高く、確実な動作を期待できないという課題があった。
【０００８】
さらに、衝突を検知する為に上記のような特別なセンサを必要としており、センサ配線の断線による誤動作や、ロボットアームの重量増加、コストアップの原因にもなっていた。
【０００９】
そこで本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、外部環境との接触及び衝突に対し、応答性良くその力を吸収緩和し、かつ衝突を検知する為の特別なセンサを必要しない、低コストで軽量かつコンパクトなアームの関節、及びそれを有するロボット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】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明のアームの関節は、直交する２つの回転軸周りに相対回転可能に連結された第１リンク、第２リンクと、前記第１リンク側の回転軸である差動入力軸としての第１ａ軸、第１ｂ軸と、前記第２リンク側の回転軸である差動出力軸としての第２軸と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸及び第２軸を直交する２つの前記回転軸周りに回転させる差動歯車機構と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々端部に固定されて夫々の前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の回転角度センサと、前記第１ａ軸、第１ｂ軸に夫々固定された一対のウォームホイールと、回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持されると共に一対の前記ウォームホイールに夫々係合する一対のウォームと、を備え、前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を一対の前記ウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記回転角度センサの出力信号に基づいて衝突を検知することを特徴とする。
【００１２】
次に、上記目的を達成するために本発明の別のアームの関節は、中間リンクを介して連結された第１リンク、第２リンクと、一端が前記第１リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記中間リンクに回転自在に連結された互いに同一直線上にある第１ａ軸、第１ｂ軸と、一端が前記中間リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記第２リンクに固定された第２軸と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の夫々の一端に向かい合って固定された一対の第１傘歯車と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の中間に固定されると共に一対の前記第１傘歯車を夫々駆動させるウォームホイールと、前記第２軸の一端に固定されると共に前記一対の第１傘歯車と係合して該一対の第１傘歯車の回転方向及び／又は速度に基づき自転または公転する第２傘歯車と、前記夫々のウォームホイールに係合すると共に回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持された一対のウォームと、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の他端に固定されると共に前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の回転角度センサと、を備え、前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を一対のウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記回転角度センサの出力信号に基づいて衝突を検知することを特徴とする
【００２０】
次に、上記目的を達成するために本発明の別のアームの関節は、中間リンクを介して連結された第１リンク、第２リンクと、一端が前記第１リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記中間リンクに回転自在に連結された互いに同一直線上にある第１ａ軸、第１ｂ軸と、一端が前記中間リンクに回転自在に支持されると共に他端が前記第２リンクに固定された第２軸と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の一端に向かい合って固定された一対の第１傘歯車と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の中間に固定されると共に前記第１傘歯車を夫々駆動するウォームホイールと、前記第２軸の一端に固定されると共に前記一対の第１傘歯車と係合して該第１傘歯車の回転方向及び／又は速度に基づき自転または公転する第２傘歯車と、前記夫々のウォームホイールに係合すると共に回転軸の並進方向と回転方向に移動自在に支持された一対のウォームと、前記夫々のウォームを回転駆動させると共に前記第１リンク内に並設して設けられた一対の駆動源と、前記第１ａ軸、第１ｂ軸の他端に固定されると共に前記一対の駆動源の駆動制御信号として前記第１ａ軸、第１ｂ軸の回転角度情報を計測する一対の第１回転角度センサと、前記駆動源の端部に固定されると共に前記一対の駆動源の駆動制御信号として前記駆動源の回転角度情報を計測する一対の第２回転角度センサと、を備え、前記第１リンク及び／又は第２リンクの外部環境への衝突または接触による衝撃力を前記一対のウォームの並進移動により吸収緩和すると共に、前記第１回転角度センサの出力信号と前記第２回転角度センサの出力信号とに基づいて衝突を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上述べたように本発明によれば、外部環境との接触及び衝突に対する応答性が良く、衝突力を迅速かつ弾性的に吸収緩和し、衝突を検知する為の特別なセンサを必要しない、低コストで軽量かつコンパクトなアームの関節、及びそれを有するロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
まず、図１、図２を参照しながら、本発明の実施の形態１におけるアームの関節について説明する。なお、ここではアームの関節、特にロボットアームの関節について説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々のアームの関節に適用が可能である。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態１におけるロボットアームの関節の概略断面図である。また、図２は、図１に示す駆動手段Ａを側面から見た場合の主要構造断面図である。
【００３０】
図１に示すようにロボットアームの関節は、第１リンクとしての第１アーム１と第２リンクとしての第２アーム２が、中間リンクとしての中間アーム３を介して連結されている。中間アーム３は、軸受け４を介して第１アーム１に回転自在に支持され、同一軸線Ｌ１上にあって対向する差動入力軸としての第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂに対し、軸受け６を介して回転自在に連結されている。また第２アーム２は、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの軸線Ｌ１と直交する軸線Ｌ２上にあって、中間アーム３に軸受け７を介して回転自在に支持されている差動出力軸としての第２軸８の端部に剛に固定結合されている。
【００３１】
さらに、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ、第２軸８の一端には、差動歯車機構Ｃを構成する第１の傘歯車９ａ、９ｂ、第２の傘歯車１０がそれぞれ固定されている。なお、第１の
傘歯車９ａ、９ｂと第２の傘歯車１０は、ともに同一形状、同一寸法に形成されている。また、第２の傘歯車１０は、第１の傘歯車９ａ、９ｂの双方と噛み合う位置に配置され、第２軸８と一体的に形成されており、その端部に形成されたネジ部（不図示）を利用して、第２アーム２と一体的に剛結合されている。また、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの中間部付近には、ウォームホイール１１ａ、１１ｂがそれぞれ剛に固定されている。
【００３２】
一方、前記第１アーム１内には駆動手段Ａと駆動手段Ｂとが並列に収納されている。なお、駆動手段Ａ、駆動手段Ｂは同一のものであるので、ここでは図１、図２を用いて駆動手段Ａについて説明する。
【００３３】
１２ａは、それぞれウォームホイール１１ａと係合するウォームである。ウォーム１２ａは、軸線Ｌ１と直交する軸線Ｌ３ａ上にあって、第１アーム１（支持壁１７ａ、１８ａ）に対し、軸受け１３ａを介して回転自在に支持されている駆動シャフト１４ａに回転方向が規制された状態で結合されている。すなわち、ウォーム１２ａは、駆動シャフト１４ａに対し、例えばキー状の結合（不図示）により並進方向の移動が許容された状態で結合されている。なお、ウォーム１２ａ、１２ｂ及びウォームホイール１１ａ、１１ｂは、ともに同一モジュール、同一歯数、同一径であり、歯のねじり方向も同一方向（図は左ねじ）に形成されている。
【００３４】
駆動シャフト１４ａの一端部には、ギア１９ａが剛に結合されている。支持壁１７ａ、１８ａとウォーム１２ａとの間には、それぞれバネ１６ａが残留圧縮復元力を保持して内部に駆動シャフト１４を挿入した状態で設けられており、その支持壁１７ａ、１８ｂ側端部には、各バネを受止するバネ座１５ａが挿入されている。すなわち、ウォーム１２ａは、その両端面に働くバネ１６ａの残留圧縮復元力により、駆動シャフト１４ａ上における所定駆動位置へ、弾性的に保持（センタリング）されている。バネ１６ａとしては、コイルバネが好適であるが、これに限定されるものではなく、その他に例えば、板バネ、皿バネ、渦巻きバネ等を使用してもよい。なお、このバネ１６ａの初期圧縮量は、ウォーム１２ａが軸線Ｌ３ａ方向へ並進移動した際も残留圧縮復元力が保持される程度に設定することが望ましい。
【００３５】
２１ａは、駆動源であり、本実施の形態では公知の駆動用モータとバックラッシのない減速機構とにより構成されている。駆動源２１ａは、第１アーム１の支持壁２６ａに固定されており、その出力軸２２ａ端部には、駆動シャフト１４ａ端部に剛結合されたギア１９ａと係合するギア２０ａが剛に結合されている。すなわち、駆動源２１ａによる駆動力はギア２０ａ、ギア１９ａを介して、駆動シャフト１４ａに伝達される。
【００３６】
また、図１に示す２３は、駆動源２１ａ、２１ｂを制御する制御装置、２４は、操作指令を入力する為の入力部である。入力部２４は、外部に構成される上位制御装置（図示せず）からの操作指令が入力される。また、ロボットアームを遠隔操縦可能に構成する場合は、入力部２４として、各種入力デバイスなどを備える。入力デバイスとしては、例えば、公知のキー入力装置、ゲームパッド、ジョイステック、タッチパネルなどを使用することができる。
【００３７】
制御装置２３は、プログラムに基づいて各種機能を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）、各種プログラムなどを記憶している読み出し専用リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）と、データを一時格納する書き換え可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、外部とのデータの入出力を行う入出力部とを備えている。これにより、制御装置２３は、入力部２４から得た操作指令情報と、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂから得た各軸の回転角度情報（回転角度、回転角速度等）とに基づいて、各種プログラムを実行しつつ、モータドライバ（不図示）を介して駆動源２１ａ、２１
ｂを駆動制御する。また、制御装置２３は、回転角度センサ３０ａ、３０ｂから得た第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの回転角度情報に基づいて、第１アーム１に対する第２アームの位置、姿勢を検知することができる。回転角度センサ３０ａ、３０ｂには、例えば、抵抗素子と摺動タップから構成されるポテンショメータ、符号板とフォトセンサとから構成される光学式エンコーダ、ホール素子や磁気抵抗素子とＮ、Ｓ２極着磁の回転磁石とを用いた磁気式エンコーダなどを使用することができる。特に、光学式エンコーダや磁気式エンコーダは出力がディジタル信号である為、ノイズに強く、回転角度と回転角速度を検出することができる。また、ポテンショメータの場合は、例えばコンダクティブ（導電）プラスチック型ポテンショメータを使用することが望ましい。コンダクティブプラスチック型ポテンショメータは、角度分解能が高く、耐摩耗性にも優れ、高速追従性にも優れている。
【００３８】
以上のように構成されたロボットアームの関節について、図１、図２を用いて、以下その基本的な動作を説明する。
【００３９】
まず、第１アーム１に対して、第２アーム２を旋回する場合、すなわち図１のピッチ方向（Ｐ）に旋回する場合について説明する。この場合は、駆動源２１ａと２１ｂの出力軸２２ａ、２２ｂを同一方向へ同回転数で回転させる。すると、ギア２０ａ、２０ｂ、ギア１９ａ、１９ｂを介して駆動軸１４ａ、１４ｂは、それぞれ同方向に同角度で回転する。この時、例えば、図２に示すようにウォーム１２ａ、１２ｂがＣ方向に回転しているとすると、ウォーム１２ａ、１２ｂの歯のねじり方向により、ウォームホイール１１ａ、１１ｂはＤ方向に回転する。ウォームホイール１１ａ、１１ｂは、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂに剛結合されている為、その先端に同じく剛結合されている第１の傘歯車９ａ、９ｂは、互いに同方向に同角度で回転する。この時、第１傘歯車９ａ、９ｂと係合する第２傘歯車１０は、いずれの方向へも回転できず、第２軸８と第２傘歯車１０と第１傘歯車９ａ、９ｂとが一体となって、軸線Ｌ１周りで公転する。すなわち、第１アーム１に対して、第２アーム２は軸線L１周りにピッチ方向（Ｐ）、紙面手前側に旋回することになる。またこの場合、駆動源２１ａ、２２ｂとの出力軸２２ａ、２２ｂの回転数が相対的に異なると、第２傘歯車１０は、第１アーム１の軸線Ｌ１周りで公転するだけでなく、第２アームの軸線Ｌ２周りで自転し、図１に示すようにピッチ方向（Ｐ）の旋回に加え、ロール方向（Ｒ）の回転も行う。
【００４０】
次に、第１アーム１に対して、第２アームを回転する場合、すなわち図１のロール方向（Ｒ）に回転する場合について説明する。この場合は、駆動源２１ａと２１ｂの出力軸２２ａ、２２ｂを逆方向へ同回転数で回転させる。すると、ギア２０ａ、２０ｂ、ギア１９ａ、１９ｂを介して駆動軸１４ａ、１４ｂは、それぞれ逆方向に同回転数で回転する。この時、例えば、図２に示すようにウォーム１２ａがＣ方向に、１２ｂがＣ方向と逆方向に回転しているとすると、ウォーム１２ａ、１２ｂの歯のねじり方向により、ウォーム１１ａはＤ方向に、ウォーム１１ｂはＤ方向と逆方向に回転する。ウォームホイール１１ａ、１１ｂは、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂに剛結合されている為、その先端に同じく剛結合されている第１の傘歯車９ａ、９ｂは、互いに逆方向に同回転数で回転する。この時、第１傘歯車９ａ、９ｂと係合する第２傘歯車１０は、軸線Ｌ２周りで自転する。すなわち、第１アーム１に対して、第２アーム２はロール方向（Ｒ）に回転することになる。この場合においても、駆動源２１ａと２１ｂとの出力軸２２ａ、２２ｂの回転数が相互に異なると、第２傘歯車１０は軸線Ｌ２周りで自転するだけでなく、軸線Ｌ１周りを公転し、第１アーム１に対する第２アーム２の回転に旋回が伴う。
【００４１】
この時、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に剛に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂにより取得される、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの回転角度がそれぞれθａ、θｂであったとすると、第２アーム２の第１アーム１に対する旋回角度θｐ、回転角度θｒ
は、下式（１）、（２）となる。
【００４２】
θｐ＝１／２（θａ＋θｂ）・・・・（１）
θｒ＝１／２（θａ―θｂ）・・・・（２）
ここで、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの回転、すなわち、第１傘歯車９ａ、９ｂの回転が同方向、同回転角度であった場合、回転角度θａ、θｂは、θａ＝θｂとなるので、式（１）、式（２）より、第２アーム２は第１アーム１に対して、旋回角度θｐ＝θａ＝θｂ、回転角度θｒ＝０の動作を行うことになる。一方、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの回転、すなわち、第１傘歯車９ａ、９ｂの回転が逆方向、同回転角度であった場合、回転角度θａ、θｂは、θａ＝―θｂとなるので、式（１）、式（２）より、第２アーム２は第１アーム１に対して、旋回角度θｐ＝０、回転角度θｒ＝θａ＝―θｂの動作を行う。また何れの場合も、回転角度θａ、θｂに相対角度差がある場合は、式（１）、式（２）から求められる角度に基づき、第２アーム２は第１アーム１に対して旋回しつつ回転を行うことになる。
【００４３】
なお、式（１）、式（２）は、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの回転、すなわち、第１傘歯車９ａ、９ｂの回転角度θａ、θｂと、第２アーム２の第１アーム１に対する旋回角度θｐ、回転角度θｒとの関係を表す式であるが、回転角速度、回転角加速度に関しても同様の関係式が成り立つ。
【００４４】
次に、図３、図４を参照しながら、本発明の構成上の特徴であるロボットアーム関節における衝突力の吸収緩和動作について説明する。
【００４５】
まず第１の例として、図３を用いて、軸線Ｌ１（以下、旋回軸）、Ｌ２（以下、回転軸）に垂直な衝突力Ｆが第２アーム先端２ａに負荷された場合の衝突力の吸収緩和動作について説明する。
【００４６】
図３（ａ）は、本実施の形態におけるロボットアームの関節を示す模式図である。同図に示すように、第２アーム２の先端２ａに衝突力Ｆ（旋回軸Ｌ１及び回転軸Ｌ２に対して垂直方向）が負荷された場合には、この衝突力Ｆにより、旋回軸Ｌ１周りに回転トルクＯが発生する。この回転トルクＯは、図３（ｂ）に示すように、第２傘歯車１０、第１傘歯車９ａ、９ｂ、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ等を通じて、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂと剛に結合されているウォームホイール１１ａ、１１ｂに回転力として伝達される。この回転力は、図３（ｃ）に示すように、ウォームホイール１１ａ（ｂ）とウォーム１２ａ（ｂ）の噛み合い部を通じて、ウォーム１２ａ（ｂ）に並進力Ｐを発生させる。この時、この並進力Ｐが必要以上の力であった場合は、ウォーム１２ａ（ｂ）が軸線Ｌ３ａ（ｂ）方向に摺動し、その両端に配置されたバネ１６ａ（ｂ）の弾性作用により、その力が吸収緩和される。
【００４７】
また、衝突力Ｆが免荷された後は、バネ１６ａ、１６ｂの圧縮復元力によるウォーム１２ａ、１２ｂのセンタリング作用により、ウォーム１２ａ、１２ｂは元の噛み合い位置に自動的に復帰し、これにより第２アーム２は第１アーム１に対して、衝突前の姿勢に自動的に復帰する。
【００４８】
次に第２の例として、図４を用いて、回転軸Ｌ２周りの衝撃トルクＴが、第２アームに負荷された場合の衝突力の吸収緩和動作について説明する。
【００４９】
図４（ａ）は、図３（ａ）と同様、本実施の形態におけるロボットアームの関節を示す模式図である。同図に示すように、第２アーム２に衝突トルクＴ（軸線Ｌ２周り）が負荷された場合には、図４（ｂ）に示すように、第２傘歯車１０、第１傘歯車９ａ、９ｂ、第
１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ等を通じて、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂと剛に結合されているウォームホイール１１ａ、１１ｂに、それぞれ回転力Ｏ、Ｏ’として伝達される。この内、回転力Ｏ’は、図４（ｃ）に示すように、ウォームホイール１１ａとウォーム１２ａの噛み合い部を通じて、ウォーム１２ａに並進力Ｐ’を発生させる。この時、この並進力Ｐ’が必要以上の力であった場合は、ウォーム１２ａが軸線Ｌ３ａ方向に摺動し、その両端に配置されたバネ１６ａの弾性作用によって、その力が吸収緩和される。なお、回転力Ｏに対するウォーム１１ｂの吸収緩和動作は、先に説明した第１の例（図３（ｃ））と同様であるので説明を省略する。
【００５０】
また、衝突トルクＭが免荷された後は、第１の例と同様、バネ１６ａ、１６ｂの圧縮復元力によるウォーム１２ａ、１２ｂのセンタリング作用により、ウォーム１２ａ、１２ｂは元の噛み合い位置に自動的に復帰し、これにより第２アーム２は第１アーム１に対して、衝突前の姿勢に自動的に復帰する。
【００５１】
なおここでは、衝突力の吸収緩和動作として、第１の例及び第２の例を用いて説明したが、本発明はこれに限定される訳ではなく、例えば、衝突力と衝突トルクが同時に負荷される場合であっても、同様の動作により衝撃力及び衝撃トルクを吸収緩和できる。
【００５２】
また、第２アーム２と外部環境との衝突を、後述する衝突検知方法により検出し、駆動源２１ａ、２２ｂを停止、すなわちモータへの通電を遮断した場合も、モータが慣性エネルギーを有していることから、モータとギア等を介して連結されているウォーム１２ａ、１２ｂには暫く回転力が働く。しかしながら、この時、ウォーム１２ａ、１２ｂは、回転しながら軸線Ｌ３ａ、Ｌ３ｂに沿って摺動する為、モータの慣性エネルギーは、ウォーム１２ａ、１２ｂの両端に配置されたバネ１６ａ、１６ｂの弾性作用により吸収緩和される。その結果、モータの慣性により、衝突した外部環境に対し、さらに力を加えることを防止できる。
【００５３】
また、本実施の形態で説明したウォーム１２ａ、１２ｂに替えて、図５に示すような、駆動シャフト１４ａ（ｂ）との間に速度抵抗手段としての粘性物質３２を封入したウォーム３１ａ（ｂ）を用いても良い。粘性物質３２としては、好ましくはゲル状の物質や高粘性のオイル状物質が利用可能である。粘性物質３２は、駆動シャフト１４ａ（ｂ）とウォーム３１ａ（ｂ）間の相対速度に応じた抵抗力を発生する物質である。このような構成とすることにより、ロボットアームが外部環境に接触または衝突した際、その衝突力をバネ１６ａ（ｂ）による弾性作用に加え、粘性物質３２の粘性によるエネルギー消散作用をも利用して吸収緩和できる。また、衝突力Ｆや衝突トルクＴ等の免荷時にバネ１６ａ（ｂ）に蓄積されていた弾性エネルギーが瞬時に解放されることがないので、より安全であるという利点がある。
【００５４】
次に、図６を参照しながら、ロボットアーム関節の衝突検知動作について説明する。図６は、本発明の実施の形態１におけるロボットアーム関節の関節角度制御用として設けられた、回転角度センサ３０ａ、３０ｂを用いた衝突検知動作を説明するフローチャートである。
【００５５】
図６（ａ）は、衝突検知動作の第一の例を示すフローチャートである。図６（ａ）に示すように、まずロボットアームの入力部２４に対し、
目標値などの操作指令を入力する（Ｓ１００）。
【００５６】
次に、制御装置２３は、入力部２４から得た操作指令情報と、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂから得た各軸の回転角度情報（回転角度、回転角速度等）とに基づいて、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂを
駆動制御する（Ｓ１０２）。
【００５７】
次に、制御装置２３は、ロボットアーム関節の第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの端部に剛に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂの出力値から、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂそれぞれの回転角加速度θ"ａ、θ"ｂを演算し、監視する（Ｓ１０４）。
【００５８】
次に、制御装置２３は、上記回転角加速度ＡθａまたはＡθｂが閾値以上であるかどうかを判断する（Ｓ１０６）。制御装置２３は、前記回転角加速度ＡθａまたはＡθｂが閾値を超える場合は、外部環境との「衝突あり」と判断し、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を直ちに停止する（Ｓ１１０）。一方、制御装置２３は、前記回転角加速度ＡθａおよびＡθｂの何れも閾値を越えない場合は、外部環境との「衝突なし」と判断する。
【００５９】
なお、この閾値は、駆動源２１ａ、２１ｂの最大出力、および駆動源２１ａ、２１ｂの各モータから第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂまでの間の動力伝達系の減速比から算出される、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの最大回転角加速度以上の値が設定されていることが望ましい。ロボットアームが動作中に外部環境に接触または衝突した場合に第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂに発生する回転角加速度は、通常ロボットアームを駆動する際に発生する回転角加速度に比べ、非常に大きなものとなる。その為、上記のように閾値設定を行っておくことにより、確実に衝突を検知することができる。
【００６０】
さらに、制御装置２３は、外部環境との「衝突なし」と判断したときには、回転角度センサ３０ａ、３０ｂの出力値から、操作指令が満足されたかどうかを判断し、満足された場合は、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を停止し、動作を停止する（Ｓ１１０）。一方、操作指令が満足されていない場合は、Ｓ１０２に戻り、引き続き関節の駆動制御を続行する。
【００６１】
図６（ｂ）は、衝突検知動作の第二の例を示すフローチャートである。図６（ｂ）に示すように、まずロボットアームの入力部２４に対し、
目標値などの操作指令を入力する（Ｓ２００）。
【００６２】
次に、制御装置２３は、入力部２４から得た操作指令情報と、ロボットアーム関節の第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂから得た各軸の回転角度情報（回転角度、回転角速度等）とに基づいて、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂを駆動制御する（２１０２）。
【００６３】
次に、制御装置２３は、ロボットアーム関節の第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの端部に剛に連結結合された回転角度センサ３０ａ、３０ｂの出力値から、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂそれぞれの関節角度変位Δθａ、Δθｂを演算し、監視する（Ｓ２０４）。
【００６４】
次に、制御装置２３は、回転角度センサ３０ａ、３０ｂの出力値から、操作指令が満足されたかどうかを判断する（Ｓ２０６）。この時、操作指令が満足されたと判断した場合は、制御装置２３は、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を停止し、動作を停止する（Ｓ２１０）。
【００６５】
一方、操作指令が満足されていないと判断した場合は、制御装置２３は、前記回転角度変位Δθａ、Δθｂの少なくとも一方が、一定時間ゼロであるかどうかを判断する（Ｓ２０８）。この時、前記回転角度変位Δθａ、Δθｂの少なくとも一方が、一定時間ゼロである場合、制御装置２３は、外部環境との「衝突あり」と判断し、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を直ちに停止する（Ｓ１１０）。一方、前記回転角度変位Δ
θａおよびΔθｂとも、一定時間ゼロでない場合は、外部環境との「衝突なし」と判断し、Ｓ１０２に戻り、引き続き関節の駆動制御を続行する。
【００６６】
ロボットアームが動作中に外部環境に接触または衝突した場合、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂが外部環境によりその回転が規制され、その回転角度変位Δθａ、Δθｂの少なくとも一方はゼロになる。その為、前記回転角度変位を監視することにより、衝突を検知できる。なお、ここでは、監視対象として関節角度変位Δθａ、Δθｂとしているが、同様の原理により、監視対象を関節角速度Ｖθａ、Ｖθｂに置き換えても良い。
【００６７】
以上のように、本実施の形態によれば、ロボットアームが外部環境（人間、構造物など）と接触または衝突した場合、弾性支持されたウォームがその回転軸方向に並進することにより、衝撃力を迅速かつ弾性的に吸収緩和することができる。
【００６８】
さらに、本実施の形態によれば、ロボットアームの関節角度制御用として設けられた回転角度センサを衝突検知センサと兼用し、その出力値を用いて衝突したかどうかを判断することができる。これにより、衝突を検知する為の特別なセンサが必要なくなり、ロボットアームの低コスト化、軽量化と迅速な衝突検知を行うことができる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、ウォーム１２ａ、１２ｂを、駆動シャフト１４ａ、１４ｂに対し、並進方向への移動を許可した状態で結合したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ウォーム１２ａ、１２ｂを駆動シャフトに剛結合し、駆動シャフト１４ａ、１４ｂをその軸方向Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ方向に並進可能な構成としても良い。なお、この場合は、駆動シャフト１４ａ、１４ｂの並進ストロークに応じて、ギア１９ａ、１９ｂとギア２０ａ、２０ｂの係合状態を維持できるよう、ギア１９ａ、１９ｂの軸方向の歯幅を決定すると良い。
【００７０】
なお、本実施の形態では、ロボットアーム自身の外部環境との接触または衝突に関して説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ロボットアームを用いた物品のプレース動作において、プレース時に床等との接触により物品に作用する衝撃力もロボットアームの関節で吸収緩和することができる。これにより、プレース動作時におこる物品の破損を防止することもできる。
【００７１】
また、本発明のロボットアームの関節は、例えば、多関節マニピュレータやマジックハンド等、各種のロボットアームの関節として用いることができる。その為、より安全なロボットアームやこれを備えたロボットを提供できるという利点がある。なお、ロボットとしては特に限定されるものではなく、産業用のロボットの他、例えば知能ロボット、医療・福祉ロボット、家事ロボット等の各種のロボットが挙げられる。
【００７２】
（実施の形態２）
次に、図７、８を参照しながら、本発明の実施の形態２におけるロボットアームの関節について説明する。図７は、本発明の実施の形態２におけるロボットアーム関節の概略断面図、図８は、同ロボットアーム関節の衝突検知動作を説明するフローチャートである。
【００７３】
図７に示す本実施の形態のロボットアーム関節は、実施の形態１の駆動源２１ａ、２１ｂのモータ出力軸２２ａ、２２ｂの反対側に、モータの回転角度情報（回転角度、回転角速度等）を計測する第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂをさらに設けたものであり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００７４】
本実施の形態では、制御装置２３は、入力部２４から得た操作指令情報と、ロボットアーム関節の第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に連結結合された第１回転角度センサ３３ａ
、３３ｂから得た各軸の回転角度情報（回転角度、回転角速度等）に加え、第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂから得た各モータの回転角度情報（回転角度、回転角速度等）とに基づいて、各種プログラムを実行しつつ、モータドライバ（不図示）を介して駆動源２１ａ、２１ｂを駆動制御する。このように駆動源２１ａ、２１ｂの駆動制御に、第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂから得た各モータの回転角度情報も用いることにより、より精度の高いロボットアーム関節の駆動制御を行うことが可能となる。
【００７５】
なお、第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂには、例えば、抵抗素子と摺動タップから構成されるポテンショメータ、符号板とフォトセンサとから構成される光学式エンコーダ、ホール素子や磁気抵抗素子とＮ、Ｓ２極着磁の回転磁石とを用いた磁気式エンコーダなどを使用することができる。特に、光学式エンコーダや磁気式エンコーダは出力がディジタル信号である為、ノイズに強く、回転角度と回転角速度を検出することができる。また、ポテンショメータの場合は、例えばコンダクティブ（導電）プラスチック型ポテンショメータを使用することが望ましい。コンダクティブプラスチック型ポテンショメータは、角度分解能が高く、耐摩耗性にも優れ、高速追従性にも優れている。
【００７６】
ロボットアームと外部環境との接触及び衝突に対する、ロボットアーム関節の衝突力の吸収緩和動作については、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略し、相違点である同ロボットアーム関節の衝突検知動作のみ、図８を用いて説明する。以下、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付して説明する。
【００７７】
以下、図８を参照しながら、ロボットアーム関節の衝突検知動作について説明する。図８は、本発明の実施の形態２におけるロボットアーム関節の関節角度制御用として設けられた第１回転角度センサ３３ａ、３３ｂ、及び第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂを用いた衝突検知動作を説明するフローチャートである。
【００７８】
図８に示すように、まずロボットアームの入力部２４に対し、目標値などの操作指令を入力する（Ｓ３００）。
【００７９】
次に、制御装置２３は、入力部２４から得た操作指令情報と、ロボットアーム関節の第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂ端部に連結結合された第１回転角度センサ３３ａ、３３ｂから得た各軸の回転角度情報（回転角度、回転角速度等）と、第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂから得た各モータの回転角度情報（回転角度、回転角速度等）とに基づいて、駆動源２１ａ、２１ｂを駆動制御する（Ｓ３０２）。
【００８０】
次に、制御装置２３は、第２回転角度センサ２５ａ、２５ｂから得た各モータの回転角度情報と、各モータから第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂまでの間に設けられた動力伝達系の減速比とに基づいて、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの駆動回転角度θａｍ、θｂｍを算出する（Ｓ３０４）。
【００８１】
次に、制御装置２３は、上記で算出した駆動回転角度θａｍ、θｂｍと第１回転角度センサ３３ａ、３３ｂにより得られた実回転角度の差分を監視する（Ｓ３０６）。
【００８２】
次に、制御装置２３は、差分（θａ−θａｍ）、（θｂ−θｂｍ）の少なくとも一方がゼロであるか否かを判断する（Ｓ３０８）。この時、差分（θａ−θａｍ）、（θｂ−θｂｍ）の少なくも一方がゼロでない場合は、制御装置２３は、ロボットアームと外部環境との「衝突あり」と判断し、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を直ちに停止する（Ｓ３１２）。
【００８３】
一方、差分（θａ−θａｍ）および（θｂ−θｂｍ）ともゼロとなる場合は、制御装置
２３は、外部環境との「衝突なし」と判断し、次に操作指令が満足されたかどうかの判断に進む（Ｓ３１０）。
【００８４】
そしてここで、操作指令が満足されたと判断された場合は、ロボットアーム関節の駆動源２１ａ、２１ｂの駆動を停止し、動作を停止する（Ｓ３１２）。一方、操作指令が満足されていないと判断された場合は、再びＳ３０２に戻り、引き続き関節の駆動制御を続行する。
【００８５】
ロボットアームが動作中に外部環境に接触または衝突した場合、第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂが外部環境によりその回転が規制され、第１回転角度センサ３３ａ、３３ｂから出力される第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂの実回転角度θａ、θｂの少なくとも一方が衝突時点の角度に規制される。この時、衝突時点の角度に規制されている第１ａ軸５ａ、第１ｂ軸５ｂに固定結合されたウォームホイール１１ａ、１１ｂも、その回転が規制されることになるが、それと係合するウォーム１２ａ、１２ｂは、軸線Ｌ３ａ、Ｌ３ｂに沿って摺動可能なため、並進を行いながら回転を継続する。この時、ウォーム１２ａ、１２ｂを駆動する駆動源２１ａ、２１ｂの各モータも回転を継続することになる。その結果、駆動回転角度θａｍ、θｂｍの少なくとも一方は、実回転角度θａ、θｂと異なる値となり、その差分（θａ−θａｍ）、（θｂ−θｂｍ）の少なくとも一方も、ゼロ以外の値となる。よってこの差分（θａ−θａｍ）、（θｂ−θｂｍ）を監視することにより、衝突を検知することができる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１同様、ロボットアームの関節角度制御用として設けられた第１回転角度センサ、第２回転角度センサを衝突検知センサと兼用し、その出力値を用いて衝突したかどうかを判断することができる。これにより、衝突を検知する為の特別なセンサが必要なくなり、ロボットアームの低コスト化、軽量化と迅速な衝突検知を行うことができる。
【００８７】
なお、本発明のアームの関節は、実施の形態１同様、例えば、多関節マニピュレータやマジックハンド等、各種のロボットアームの関節として用いることができる。その為、より安全なロボットアームやこれを備えたロボットを提供できるという利点がある。なお、ロボットとしては特に限定されるものではなく、産業用のロボットの他、例えば知能ロボット、医療・福祉ロボット、家事ロボット等の各種のロボットが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係るアームの関節は、衝突に対する応答性が良く、衝突力を迅速かつ弾性的に吸収緩和し、衝突を検知する為の特別なセンサを必要しない、低コストで軽量かつコンパクトなアームの関節として有用である。  
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態１におけるロボットアーム関節の概略断面図
【図２】同ロボットアーム関節の駆動手段Ａ（Ｂ）を側面から見た時の主要構造断面図
【図３】同ロボットアーム関節の衝撃吸収動作の第１の例を示す図
【図４】同ロボットアーム関節の衝撃吸収動作の第２の例を示す図
【図５】同ロボットアーム関節の駆動手段Ａ（Ｂ）の別の構成例を側面から見た時の主要構造断面図
【図６】同ロボットアーム関節の衝突検知動作を説明するフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２におけるロボットアーム関節の概略断面図
【図８】同ロボットアーム関節の衝突検知動作を説明するフローチャート
【符号の説明】
【００９０】
１      第１アーム
２      第２アーム
３      中間アーム
４，６，７，１３ａ，１３ｂ    軸受け
５ａ，５ｂ    第１ａ軸、第１ｂ軸（差動入力軸）
８      第２軸（差動出力軸）
９ａ，９ｂ    第１傘歯車
１０    第２傘歯車
１１ａ，１１ｂ    ウォームホイール
１２ａ，１２ｂ，３１ａ，３１ｂ    ウォーム
１４ａ，１４ｂ    駆動軸
１５ａ，１５ｂ    バネ座
１６ａ，１６ｂ    バネ
１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，２６ａ，２６ｂ    支持壁
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ    ギア
２１ａ，２１ｂ    駆動源
２２ａ，２２ｂ    出力軸
２３    制御装置
２４    入力部
２５ａ，２５ｂ    第２回転角度センサ
３０ａ，３０ｂ    回転角度センサ
３２    粘性物質（速度抵抗手段）
３３ａ，３３ｂ    第１回転角度センサ
【図１】
0005195054.tif 000002
【図２】
0005195054.tif 000003
【図３】
0005195054.tif 000004
【図４】
0005195054.tif 000005
【図５】
0005195054.tif 000006
【図６】
0005195054.tif 000007
【図７】
0005195054.tif 000008
【図８】
0005195054.tif 000009