(57)【要約】【課題】複数の関節部を有するロボットアームが停止した際に先端で発生する振動を速やかに収束させる。【解決手段】複数の関節部のうち少なくとも１つにロック部を設けて、関節部を固定することを可能とする。こうすれば、複数の関節部のうち一部の関節部を固定することによってロボットアーム先端の振動形態を単純にすることができるので、固定されていない残りの関節部を制御して振動を打ち消す力を発生させることが可能となり、振動の速やかな収束を実現できる。結果として、ロボットアームを停止してから先端の作業部で作業を開始するまでの時間が短縮されるので、作業速度を向上させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の関節部を有するロボットアームであって、
前記関節部を駆動する駆動モーターと、
前記複数の関節部の少なくとも１つに設けられ、該関節部を固定するロック部と、
前記ロボットアームを停止した際に発生する振動を打ち消す力を、前記ロック部で固定されていない前記関節部の前記駆動モーターで発生させる振動補正部と
を備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットアームであって、
振動を検出する振動検出部を備え、
前記振動補正部は、前記振動検出部によって検出された振動とは逆位相の振動を付与する力を、前記ロック部で固定されていない前記関節部の前記駆動モーターで発生させる
ことを特徴とするロボットアーム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のロボットアームを備えるロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の関節部を有するロボットアーム、およびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のロボット技術の進歩により、工業製品の製造現場などでは多くのロボットが使用されている。例えば、人間の腕に相当するロボットアームを備えたロボットが開発されており、対象物に対して作業を行う作業部（対象物を把持するロボットハンドや、工作する各種工具など）をロボットアームの先端に搭載して、製品および各種部品の組み立てや搬送などに活用されている。
【０００３】
ロボットアームは、駆動モーターや減速機を内蔵した関節部を有しており、駆動モーターを駆動して関節部を動かすことによって、対象物に対して作業部の位置決めを行ったり、作業部（ロボットハンド）に把持された対象物を目的位置まで移動させたりすることが可能である。また、ロボットアームの関節部の数を増やすことによって、人間の腕のように複雑な動きを可能にする技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、多数の関節部を有するロボットアームでは、作業速度を上げるのが困難であるという問題があった。これは、ロボットアームを高速で移動させようとすると、ロボットアームを停止した際に先端で振動が発生し、結局、振動が収束するまで作業部を動かすことができないためである。こうしたロボットアーム先端の振動は、主に関節部の振動に起因しており、ロボットアームの関節部と関節部とを接続するリンク部に比べて関節部の剛性が低いことから、関節部ではロボットアームを停止する反動で振動が生じ易い。また、振動を速やかに収束させる対策としては、例えば、振動を打ち消す力を関節部で発生させて補正することが考えられるものの、多数の関節部を有するロボットアームの先端では、多数の関節部の振動が混在して複雑な振動形態となるため、これを打ち消すように各関節部を制御することは非常に困難である。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、複数の関節部を有するロボットアームが停止した際に先端で発生する振動を速やかに収束させることが可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明のロボットアームは次の構成を採用した。すなわち、
複数の関節部を有するロボットアームであって、
前記関節部を駆動する駆動モーターと、
前記複数の関節部の少なくとも１つに設けられ、該関節部を固定するロック部と、
前記ロボットアームを停止した際に発生する振動を打ち消す力を、前記ロック部で固定されていない前記関節部の前記駆動モーターで発生させる振動補正部と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構成を有する本発明のロボットアームでは、複数の関節部の各々に設けられた駆動モーターを制御することにより、例えば先端に取り付けた作業部を対象物に対して移動させることができ、対象物に対して作業部を適切な位置で停止させることで、作業部を用いて対象物に作業を行うことが可能である。こうしたロボットアームでは、停止した際に振動が発生することがある。これは主に関節部が振動することに起因しており、複数の関節部を有するロボットアームの先端では、複数の関節部の各々で生じる振動が混在することにより、複雑な（高次の）振動形態となる。また、振動の自然収束を待って作業部による作業を開始したのでは、作業速度を上げるのが困難となる。そこで、本発明のロボットアームでは、複数の関節部のうち少なくとも１つにロック部が設けられており、ロック部によって関節部を固定することが可能となっている。ロック部で固定された関節部では、剛性が高まることから、ロボットアームを停止した際に発生する振動を抑制することができる。そのため、複数の関節部を有するロボットアームの先端の振動から、固定された関節部に起因する振動が排除される（自由度が減少する）こととなり、振動形態を単純化することができる。そして、このように複数の関節部のうち一部の関節部を固定することによってロボットアーム先端の振動形態が単純になれば、固定されていない残りの関節部の駆動モーターを制御して振動を打ち消す力（動作）を発生させることが可能となって、振動の速やかな収束を実現できる。結果として、ロボットアームを停止してから作業部による作業を開始するまでの時間（振動収束時間）が短縮されるので、作業速度を向上させることができる。
【０００９】
また、上述した本発明のロボットアームでは、振動を検出する振動検出部を備えることとして、振動検出部で検出した振動とは逆位相の振動を付与する力を、固定されていない残りの関節部の駆動モーターを制御して発生させてもよい。
【００１０】
このように振動検出部を備えておけば、実際に発生している振動を検出することができ、さらに検出した振動に対して逆位相の力（動作）を発生させることによって、振動を打ち消す精度を高めることができる。従って、振動が収束するまでの時間を短縮するのに好適である。尚、振動検出部は、振動によって対象物に対する位置決めや対象物との衝突が問題となる作業部における振動を正確に検出するため、ロボットアームに取り付けられた作業部に設けておくことが好ましい。
【００１１】
また、上述した本発明のロボットアームは、複数の関節部を駆動することより任意に移動させることが可能であり、しかも停止した際に発生する振動を速やかに収束させることができる。このため、ロボットに搭載するロボットアームとして特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施例のロボットアームの構造を例示した説明図である。
【図２】本実施例のロボットアームの動作を示した説明図である。
【図３】ロボットアームを停止した際に加速度センサーによって検出される振動波形を例示したグラフである。
【図４】第３関節部の構造を示した説明図である。
【図５】第３関節部にロック部を備えたロボットアームを停止した際に先端の加速度センサーによって検出される振動波形を例示したグラフである。
【図６】本実施例のロボットアームを搭載したロボットを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．ロボットアームの構造：
Ｂ．ロボットアームの動作：
Ｃ．ロボットアームの振動対策：
Ｄ．適用例：
【００１４】
Ａ．ロボットアームの構造  ：
図１は、本実施例のロボットアーム１００の構造を例示した説明図である。本実施例のロボットアーム１００は、複数の関節部や、関節部と関節部とを接続するリンク部や、ロボットアーム１００の先端に取り付けられる作業部１１８などから構成されている。図１に示した例では、４つの関節部が設けられており、以下では、ロボットアーム１００の先端の作業部１１８に対して遠い側の関節部から順に、第１関節部１０４、第２関節部１０８、第３関節部１１２、第４関節部１１６と称する。また、第１関節部１０４よりも作業部１１８から遠い側のリンク部を第１リンク部１０２と称し、第１関節部１０４と第２関節部１０８との間のリンク部を第２リンク部１０６と称し、第２関節部１０８と第３関節部１１２との間のリンク部を第３リンク部１１０と称し、第３関節部１１２と第４関節部１１６との間のリンク部を第４リンク部１１４と称する。
【００１５】
第１関節部１０４は、第１リンク部１０２および第２リンク部１０６と同軸の回転軸を有している。また、第２関節部１０８は、第２リンク部１０６の軸および第３リンク部１１０の軸と直交する回転軸を有しており、第３関節部１１２は、第３リンク部１１０の軸および第４リンク部１１４の軸と直交する回転軸を有している。さらに、第４関節部１１６は、第４リンク部１１４と同軸の回転軸を有している。各関節部は、後述のように駆動モーターや減速機を内蔵しており、駆動モーターを駆動すると、回転軸まわりに回転する。尚、各関節部の駆動モーターは、図示しない制御部によって制御されている。
【００１６】
作業部１１８は、第４関節部１１６に取り付けられており、図１に例示した作業部１１８は、対象物を把持するための４本の指部１２０が設けられたロボットハンドとなっている。ロボットハンド１１８は、駆動モーターや減速機やラックピニオン機構を内蔵しており、制御部の制御によって駆動モーターを駆動すると、向かい合う指部１２０同士が近づいたり遠ざかったりする。尚、本実施例では、作業部１１８をロボットハンドとして説明するが、作業部１１８はロボットハンドに限られるわけではない。すなわち、作業部１１８は、対象物に対して何らかの作業が可能であればよく、例えば、ネジ締め作業を行うネジ締め部であってもよいし、溶接作業を行う溶接部や、塗装作業を行う塗装部などであってもよい。
【００１７】
Ｂ．ロボットアームの動作  ：
図２は、本実施例のロボットアーム１００の動作を示した説明図である。前述したように、本実施例のロボットアーム１００は、先端にロボットハンド１１８を有しており、ロボットハンド１１８で把持した対象物Ｗを目的位置まで移送することが可能となっている。こうした対象物Ｗの移送は、４つの関節部（第１関節部１０４、第２関節部１０８、第３関節部１１２、第４関節部１１６）を駆動することによって行われる。
【００１８】
ロボットハンド１１８で対象物Ｗを把持する際には、先ず、ロボットハンド１１８の向かい合う指部１２０の中間に対象物Ｗが位置するように、対象物Ｗに対してロボットハンド１１８の位置合わせを行う必要がある。ロボットアーム１００の第１関節部１０４は、第１リンク部１０２から見てロボットハンド１１８を対象物Ｗに向ける動作を行う。また、第２関節部１０８および第３関節部１１２は、対象物Ｗに対してロボットハンド１１８の高さや距離、およびロボットハンド１１８の指部１２０の向きを合わせる動作を行う。さらに、第４関節部１１６は、ロボットハンド１１８を回転させて、向かい合う指部１２０を対象物Ｗに対して適切に配置する動作を行う。こうして対象物Ｗに対してロボットハンド１１８の位置合わせを行った状態で、ロボットハンド１１８の駆動モーターを駆動して、向かい合う指部１２０同士の間隔を近づけることにより、対象物Ｗを両側から挟んで把持することができる。
【００１９】
そして、ロボットハンド１１８が対象物Ｗを把持した状態で、第１関節部１０４を駆動することによって、第１リンク部１０２から見てロボットハンド１１８を任意の方向に向けたり、第２関節部１０８および第３関節部１１２を駆動することによって、第１リンク部１０２を基準にロボットハンド１１８の高さや距離、ロボットハンド１１８の指部１２０の向きを任意に合わせたりすることが可能であるので、対象物Ｗを目的位置に移送することができる。また、第４関節部１１６を駆動してロボットハンド１１８を回転させることによって、対象物Ｗの姿勢を変えることもできる。
【００２０】
ここで、上述のように複数の関節部を駆動することによって、先端のロボットハンド１１８を任意の位置に移動可能なロボットアーム１００では、ロボットハンド１１８を目的位置で停止した際にロボットアーム１００の先端で振動が発生することがある。そのため、対象物Ｗに対するロボットハンド１１８の位置ずれが生じたり、ロボットハンド１１８の衝突によって対象物Ｗを損傷したりすることのないように、ロボットハンド１１８で対象物Ｗを把持するなどの次の動作を、振動が収束してから行う必要がある。本実施例のロボットアーム１００では、先端のロボットハンド１１８に、振動を検出するための慣性センサーとして加速度センサー１２２が取り付けられており、互いに直交する３方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の振動を加速度センサー１２２によって検出可能となっている。尚、本実施例の加速度センサー１２２は、本発明の「振動検出部」に相当している。また、ロボットアーム１００の先端の振動を検出するためにロボットハンド１１８に取り付けられる慣性センサーは、加速度センサーに限られるわけではなく、ジャイロセンサーであってもよい。
【００２１】
図３は、ロボットアーム１００を停止した際に加速度センサー１２２によって検出される振動波形を例示したグラフである。ロボットアーム１００を停止した際に先端で発生する振動は、主に関節部の振動に起因しており、リンク部に比べて剛性が低い関節部では、ロボットアーム１００を停止する反動で振動が生じ易い。また、ロボットアーム１００の先端で検出される振動は、複数の関節部（第１関節部１０４、第２関節部１０８、第３関節部１１２、第４関節部１１６）の各々で生じる振動が混在することにより、共振点で振動が増幅されるため、図３に示したように、複雑な（高次の）振動形態となる傾向にある。
【００２２】
こうしたロボットアーム１００先端の振動は、時間の経過に伴って自然に収束するものの、振動の自然収束を待って次の動作（作業）を開始したのでは、作業速度の向上を図るのは困難である。また、振動を速やかに収束させるために、振動を打ち消すような力を発生させて補正しようとしても、複数の関節部を備えたロボットアーム１００では、上述のように複雑な振動形態となるので、振動形態を解析して打ち消すように各関節部を制御することは非常に困難である。こうした点に鑑み、本実施例のロボットアーム１００では、以下のような構成を採用することによって、先端の振動の速やかな収束を可能としている。
【００２３】
Ｃ．ロボットアームの振動対策  ：
図４は、第３関節部１１２の構造を示した説明図である。図４には、第３関節部１１２の回転軸を含む平面で第３関節部１１２を切断した断面が示されている。第３関節部１１２は、第３リンク部１１０と接合される固定部２００と、第４リンク部１１４と接合される可動部２０２と、固定部２００に対して可動部２０２を回転可能に支えるベアリング２０４などから構成されている。固定部２００には、駆動モーター２０６や減速機２０８などが内蔵されており、駆動モーター２０６の動力（回転）は減速機２０８を介して可動部２０２に伝達される。従って、駆動モーター２０６を駆動すると、固定部２００に対して可動部２０２が回転する。
【００２４】
減速機２０８は、歯車伝達により入力側（駆動モーター２０６側）の回転速度を減速して出力側（可動部２０２側）のトルクを増大させる構造となっている。こうした減速機２０８としては、例えば、波動歯車減速機が用いられる。波動歯車減速機は、サーキュラスプライン（剛体の内歯車）と、フレクスプライン（弾性変形する外歯車）と、ウェーブジェネレーター（楕円形状の波動発生器）などから構成されており、内歯車と外歯車とが２箇所で噛み合うため、高精度（回転精度、位置決め精度）を実現できる。また、波動歯車減速機は、遊星歯車減速機などの他の減速機に比べて小型・軽量化、高減速比、低騒音を実現可能であるという特徴がある。こうした減速機２０８では、容量の小さい駆動モーター２０６を用いて大きなトルクを得る（高減速比を実現する）ことが求められるため、歯車の歯数の増大に伴って歯のモジュールを小さくする必要がある。さらに、歯車同士で常時噛み合う歯数も限られるため、ロボットアーム１００のリンク部に比べて第３関節部１１２の減速機２０８における回転方向の剛性は低くなり、結果として、ロボットアーム１００を停止した際に振動が発生する要因となる。
【００２５】
こうした減速機２０８における回転方向の剛性を補うために、本実施例のロボットアーム１００では、第３関節部１１２の可動部２０２にロック部２１０が設けられている。本実施例のロック部２１０は、伸縮可能なソレノイドアクチュエーターで構成されている。尚、ロック部２１０の駆動は、駆動モーター２０６と同様に、制御部３００によって制御されている。
【００２６】
図４（ａ）に示すように、駆動モーター２０６を駆動して第３関節部１１２を動かしている状態では、可動部２０２に設けられたロック部２１０が収縮しており、ロック部２１０の先端は固定部２００から離間している。
【００２７】
一方、図４（ｂ）に示すように、駆動モーター２０６を停止して第３関節部１１２の動きを止める際には、ロック部２１０が伸長して、ロック部２１０の先端が固定部２００に押しつけられる。その結果、第３関節部１１２は強制的に固定されて回転不能となる。尚、本実施例のロボットアーム１００では、ロック部２１０としてソレノイドアクチュエーターを用いているが、ロック部２１０は、第３関節部１１２を回転不能に固定できるものであればよく、エアシリンダーなどの他の伸縮装置であってもよく、電磁石で構成して磁気吸引力で固定するものであってもよい。また、ロック部２１０を固定部２００側に設けることとして、ロック部２１０の先端を可動部２０２に押しつけて第３関節部１１２を固定するようにしてもよい。
【００２８】
図５は、第３関節部１１２にロック部２１０を備えたロボットアーム１００を停止した際に先端の加速度センサー１２２によって検出される振動波形を例示したグラフである。第３関節部１１２をロック部２１０で固定することにより、第３関節部１１２の回転方向の剛性が高まるので、ロボットアーム１００を停止した際に第３関節部１１２で発生する振動を抑制することができる。前述したように、ロボットアーム１００の先端の振動は、複数の関節部（第１関節部１０４、第２関節部１０８、第３関節部１１２、第４関節部１１６）の各々で生じる振動が混在したものであり、第３関節部１１２を固定して第３関節部１１２に起因する振動を排除する（自由度を減らす）ことによって、図５（ａ）に示したように、ロボットアーム１００先端の振動形態を、第３関節部１１２を固定しない場合（図３参照）に比べて単純化することができる。
【００２９】
以上のようにロボットアーム１００の複数の関節部のうち一部の関節部を固定することによってロボットアーム１００先端の振動形態が単純になれば、先端の加速度センサー１２２（図２参照）によって検出される振動波形とは逆位相の力（動作）を発生させるように、固定されていない残りの関節部の駆動モーターを制御することが可能となる。これにより、図５（ｂ）に示すように、ロボットアーム１００先端の振動を逆位相の動作で打ち消して速やかに収束させることができる。結果として、ロボットアーム１００を停止してからロボットハンド１１８で次の動作（作業）を開始するまでの時間（振動収束時間）の短縮により、作業速度を向上させることができる。尚、関節部の駆動モーターの制御を行う本実施例の制御部３００は、本発明の「振動補正部」に相当している。
【００３０】
尚、上述の説明では、第３関節部１１２を例として、内蔵されたロック部２１０（ソレノイドアクチュエーター）を駆動することにより第３関節部１１２を固定して回転不能としたが、固定する関節部は第３関節部１１２に限られるわけではなく、第１関節部１０４、第２関節部１０８、第４関節部１１６を同様に固定可能としてもよい。すなわち、第１関節部１０４、第２関節部１０８、第４関節部１１６の基本的な構造は、図４の駆動モーター２０６や減速機２０８などを内蔵した第３関節部１１２の構造と同じであることから、各関節部にロック部２１０を設けておくことによって、ロボットアーム１００を停止した際に４つの関節部を個別に固定して回転不能にすることも可能である。例えば、ロボットアーム１００を停止した際に４つの関節部のうち第２関節部１０８を除く３つの関節部を固定するようにすれば、ロボットアーム１００先端の振動は、主に第２関節部１０８の振動に起因したものとなり、他の関節部に起因した振動を排除する（自由度を４から１に減らす）ことができるので、より単純な振動形態となる可能性が高い。そして、この場合には、第２関節部１０８で生じる振動を、第２関節部１０８自体の制御によって打ち消せばよいので、ロボットアーム１００先端の振動を打ち消す（収束させる）ための制御を簡素化することができる。
【００３１】
Ｄ．適用例  ：
上述したように、本実施例のロボットアーム１００は、複数の関節部を駆動することより先端の作業部１１８を任意の位置に移動させることが可能であり、しかも停止した際に先端で発生する振動を速やかに収束させて作業速度の向上を図ることができる。このため、図６に示すように、本実施例のロボットアーム１００を搭載すれば、ロボットアーム１００の先端の作業部１１８を任意の位置に移動させることができ、しかもロボットアーム１００を停止した際に先端で発生する振動を速やかに収束させて作業速度の向上を図ることが可能なロボット５００を実現することが可能となる。
【００３２】
以上、本実施例のロボットアームおよびロボットについて説明したが、本発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００３３】
例えば、前述した実施例では、ロボットアーム１００の先端のロボットハンド１１８に取り付けた加速度センサー１２２によって、ロボットアーム１００を停止した際の振動を検出していたが、必ずしも加速度センサー１２２を用いて振動を検出する必要はない。例えば、各関節部の駆動モーターを制御している制御部３００では、ロボットアーム１００先端の作業部１１８を目的位置まで移動させる各関節部の動きから、ロボットアーム１００を停止した際に先端で発生する振動のパターンを推定することも可能である。そこで、加速度センサー１２２などの慣性センサーを用いることなく、推定した振動パターンと逆位相の動作を関節部で発生させて振動を打ち消すこととしてもよい。尚、前述した実施例のように、ロボットアーム１００先端の作業部１１８に加速度センサー１２２を取り付けておけば、振動によって対象物Ｗに対する位置決めや対象物Ｗとの衝突が問題となる作業部１１８において実際の振動を検出できるので、振動を打ち消す精度を高めて振動収束時間の短縮を図ることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１００…ロボットアーム、    １０２…第１リンク部、    １０４…第１関節部、
１０６…第２リンク部、    １０８…第２関節部、    １１０…第３リンク部、
１１２…第３関節部、    １１４…第４リンク部、    １１６…第４関節部、
１１８…作業部、    １２０…指部、    １２２…加速度センサー、
２００…固定部、    ２０２…可動部、    ２０４…ベアリング、
２０６…駆動モーター、    ２０８…減速機、    ２１０…ロック部、
３００…制御部、    ５００…ロボット、    Ｗ…対象物
【図１】
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【図２】
2013169619.tif 000004
【図３】
2013169619.tif 000005
【図４】
2013169619.tif 000006
【図５】
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【図６】
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