JP5521674B2

JP5521674B2 - ロボット

Info

Publication number: JP5521674B2
Application number: JP2010064287A
Authority: JP
Inventors: 文農張; 裕司中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP2011121163A

Description

本発明は、ロボットに関する。

最近、サービスロボットおよび人協調産業ロボットの研究は盛んに行われている。これらのロボットは人間と直接に接するため、安全性の保証は重要になっている。ロボットシステムの安全性を保つため、ロボットの各関節は柔軟かつ軽量であることが要求される。そこで、従来技術は、駆動伝達経路に非線形バネ要素を挿入してワイヤ拮抗駆動を用いることにより、装置の柔軟化および軽量化を図っている（例えば、非特許文献１参照）。

日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．８、ｐ．１１５２−１１５９

従来は、ロボットがシリアルで構成され、１自由度を実現するため１つのリンクと１つの回転軸を設けたので、多自由度を実現するためリンクと回転軸のみだけではなくプーリとアイドルプーリも多く設ける必要があり、構造が複雑となる。また、より先端のリンクを駆動するワイヤはより最基端部に近いすべてのリンクに設置されたプーリとアイドルプーリを通す必要があるため、摩擦によるエネルギー損失とワイヤの磨耗が大きいという問題があった。
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、多自由度関節とパラレル駆動ユニットを用いて関節数とリンク数を減らし、そして動力源であるモータなどのアクチュエータを本体に固定して関節筋（ワイヤなどの柔軟に力を伝達するものを称す）を通してアームを駆動することでアームを軽量化することができる。また、各駆動ユニットに非線形バネ要素を挿入し、関節の自由度数より1つ以上多い駆動ユニットを用いて拮抗に関節とリンクを駆動制御することによって、アームの姿勢と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させ、良好な安全性と優れた制御性能を共に達成することができるロボットを提供することを目的とする。

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。
請求項１に記載の発明は、本体と、３自由度変位できる肩関節部と、上腕リンクと、２自由度変位できる肘関節部と、前腕リンクと、を備え、すべてのアクチュエータが前記本体に設置され、前記アクチュエータが４本以上の一関節筋を介して前記肩関節部と前記上腕リンクとを駆動し、３本以上の二関節筋を介して前記肘関節部と前記前腕リンクとを駆動するとともに、平面視において交差する２本の前記一関節筋が前記上腕リンクの両側に対称に配置され、さらに２本の前記一関節筋が交差する点は前記一関節筋の中央部よりも前記上腕リンク側に位置されるものである。
また、請求項２に記載の発明は、本体と、３自由度変位できる肩関節部と、上腕リンクと、１自由度変位できる肘関節部と、前腕リンクと、３自由度変位できる手首部と、ハンドとを備え、アクチュエータが前記本体に設置され、前記アクチュエータが４本以上の一関節筋を介して前記肩関節部と前記上腕リンクとを駆動し、少なくとも２本の二関節筋を介して前記肘関節部と前記前腕リンクとを駆動し、少なくとも４本の三関節筋を介して前記手首部と前記ハンドとを駆動するとともに、平面視において交差する２本の前記一関節筋が前記上腕リンクの両側に対称に配置され、さらに２本の前記一関節筋が交差する点は前記一関節筋の中央部よりも前記上腕リンク側に位置されるものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記肩関節部は、受部材が前記本体に固定され球体部が前記上腕リンクに連結された球面ジョイントと、前記球面ジョイントの球体部を包むように一端が本体に固定され残りの一端が前記上腕リンクに固定された３本以上の靭帯とで、構成されるものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記球面ジョイントは、受部材の両側面が受部材の球面の中心を挟まないものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記靭帯は、編みチューブ中に伸縮可能な弾性体を挿入して構成されるものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記肘関節部は、回転軸が互いに垂直する軸継手である折れ回動ジョイントと軸回転ジョイントとで構成されるものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記肘関節部は、差動機構で構成され、２本の前記二関節筋を各々２つのサイドギアに連結された２つのプーリに巻くものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記手首部は、軸回転ジョイントとユニバーサルジョイントとで構成されるものである。

多自由度関節とパラレル駆動ユニットを用いて関節数とリンク数を減らし、そして動力源であるモータなどのアクチュエータを本体に固定して関節筋（ワイヤなど）を通してアームを駆動することでアームを軽量化することができる。また、各駆動ユニットに非線形バネ要素を挿入し、関節の自由度数より1つ以上多い駆動ユニットを用いて拮抗に関節とリンクを駆動制御することによって、関節の姿勢角度と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させ、良好な安全性と優れた制御性能を共に達成することができる。

本発明の第１実施例を示すロボットの構成図本発明の第２実施例を示すロボットの構成図本発明の第３実施例を示すロボットの構成図

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。

図１は、本発明の第１実施例を示すロボットの構成図である。図１ａは正面図であり、図１ｂは平面図である。図において、本体１は、アームを駆動するモータなどの不図示のアクチュエータが設置されている。肩関節部２は、受部材が本体１に固定されている３自由度球面ジョイント２１と球面ジョイント２１の球体部を拘束する３本の靭帯２２、２３、２４とで構成されている。肘関節部４は、回転軸が互いに垂直する軸継手である折れ回動ジョイント４１１と軸回転ジョイント４１２とで構成されて２自由度で動く。３は上腕リンク、５は前腕リンクである。１１、１２、１３および１４は一関節筋（以下、１つ関節を跨る関節筋を一関節筋、２つ関節を跨る関節筋を二関節筋、３つ関節を跨る関節筋を三関節筋と称す）、１５、１６および１７は二関節筋である。ガイドピン６１、６２および６３は、それぞれ二関節筋１５、二関節筋１６および二関節筋１７が上腕リンク３から離れないにこの３つの二関節筋を拘束する。また、固定ピン７１１、７１２、７１３、７２１、７２２、７２３、７２４、７３１、７３２および７３３は、靭帯、一関節筋および二関節筋の先端を上腕リンク３或いは上腕リンク５に固定する。

以下、ロボットの動作原理について説明する。
ロボットは本体１と、３自由度の肩関節部２と、２自由度の肘関節部４と、肩関節部２と肘関節部４とを連結する上腕リンク３と、肘関節部４と不図示の手首部とを連結する前腕リンク５と、上腕リンク３を引っ張る４つの一関節筋１１、１２、１３、１４と、前腕リンク５を引っ張る３つの二関節筋１５、１６、１７とで構成されてある。動く部であるアームを軽量化するため、すべての動力源であるモータなどのアクチュエータが動かない部である本体１に設置され、関節筋（ワイヤなど）を介してアームを駆動する。
肩関節部２は、受部材が本体１に固定されている３自由度球面ジョイント２１と球面ジョイント２１の球体部を拘束する３本の靭帯２２、２４、２５とで構成されている。普通の球面ジョイントはしっかり球体部を拘束するため受部材の両側面が球面中心を挟むように構成されるので、可動範囲が狭い。ここで、肩関節の可動範囲を拡張するために、受部材がカバーする面積を小さく（受部材の両側面が球面中心を挟まない）する。そのまますると、球面ジョイントの球体部が受部材の窪みから外れて戻れなくなり、すなわち脱臼しやすくなる。それで、少なくとも３本の靭帯２２、２３、２４を球面ジョイント２１の球体部を囲むように均等に設置する。靭帯は一端が本体に、残りの一端が上腕リンク３に固定ピンで固定され、そして一定な範囲内で伸縮できるように構成される。例えば、編みチューブ中に伸縮可能な弾性体を挿入する。このようにして、靭帯は関節筋の駆動にあまり妨げることがなく、負荷がない時弾力でアームの自重を負担し、球面ジョイントの球体部が受部材の窪みに常に接触するように働き、負荷が重い時も限界長度で球面ジョイントの球体部が完全に受部材の窪みから外れることを止めすなわち肩関節が脱臼しないように働く。
上腕リンク３は一端が球面ジョイント２１の球体部に固定され、残りの一端が肘関節部に繋ぐ。４本の一関節筋１１、１２、１３および１４は各々一端が本体に配置された別々のアクチュエータに繋ぎ、残りの一端が止めピンによって上腕リンク３に固定されてある。また、一関節筋１１と一関節筋１２とおよび一関節筋１３と一関節筋１４とはそれぞれクロースになって互いに上腕リンク３と球面ジョイント２１の球体部との両側に対称に配置されてある。また、１つのアクチュエータと１つの関節筋は１つの駆動ユニットになって、関節筋の張力を測るセンサーを付ければこの張力をフィードバック制御できる。この４本の一関節筋の張力を制御することによって、球面ジョイント２１の受部材の窪みの球面中心点を中心にしたｘｙｚの３軸まわりの回転トルクを発生し、上腕リンク３と球面ジョイント２１の球体部を３自由度球面運動させる。
肘関節部４は、回転軸が互いに垂直する軸継手である折れ回動ジョイント４１１と軸回転ジョイント４１２とで構成されて上腕リンク３と前腕リンク５を連結する。ここで、折れ回動ジョイント４１１と軸回転ジョイント４１２とは設置位置が交換されてもよい。また、折れ回動ジョイント４１１の回転軸が上腕リンク３と垂直となり、軸回転ジョイント４１２の回転軸が前腕リンク５と平行になる。また、３つの二関節筋１５、１６および１７は各々一端が本体に配置された別々のアクチュエータに繋ぎ、残りの一端が止めピンによって前腕リンク５に固定され、また中段がそれぞれ上腕リンク３に設置されたガイドピン６１、６２、６３によって垂直方向に動かないように拘束されてある。また、アクチュエータとガイドピンとの間に各二関節筋がほぼ平行になり、ガイドピンと止めピンとの間に二関節筋１５、１６は交差するようになっている。
二関節筋１５と二関節筋１６とを同時に引っ張り二関節筋１７を緩めると、或いは二関節筋１５と二関節筋１６を同時に緩め二関節筋１７を引っ張ると折れ回動ジョイント４１１を回転させることによって肘に屈伸動作をさせる。また、二関節筋１５と二関節筋１６との一本を引っ張り残りの一本を緩めると軸回転ジョイント４１２および前腕リンク５に回転を与えてアームにツイスト動作をさせる。よって、３本の二関節筋を用いて肘関節部４と前腕リンク５に２自由度の運動をさせる。

前述したように関節の自由度数より１つ多い関節筋を用いて各関節を拮抗駆動できる。また、各駆動ユニットのアクチュエータと関節筋との間に非線形バネ要素を挿入することで、関節の姿勢制御に影響を与えず関節の剛性も独立に調整できる。ここで、非線形バネとは、バネ定数が一定な値ではなく変位によって変わるものである。例えば、円錐コイルバネは伸縮量が大きくなるほどバネ定数が大きくなる。また、アームの運動性能に対する影響が大きく現れるのはアームが高加減速かつ低速度で変位する時である。一方、安全性に配慮すべきときはアームが高速度変位する時である。よって、剛性の目標指令は高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えればアームに良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。

図２は本発明の第２実施例を示すロボットの構成図である。図２ａは正面図であり、図２ｂは平面図である。図において、肘関節部４は差動機構４２で構成され、フレーム４２１と、差動機構リンク４２２と、２つのプーリ４２３、４２４と、２つのサイドギア４２５、４２６と、ピニオンギア４２７とを含んである。また、図１と同一ものは同じ記号を付しその説明を省略する。
図２に示された本実施例のロボットは、肘関節部４が折れ回動ジョイント４１１および軸回転ジョイント４１２の代わりに差動機構４２で構成されている。また、第１実施例のロボットにて二関節筋１５と二関節筋１６はそれぞれガイドピン６１とガイドピン６２を通した後クロスになって先端が前腕リンク５に固定され、本実施例のロボットにて二関節筋１５と二関節筋１６はそれぞれガイドピン６１とガイドピン６２を通した後そのまま並行になり各々の先端が差動機構４２のプーリ４２３とプーリ４２４に固定されている。

以下、動作原理について説明する。
肩関節部２と上腕リンク３の構成および動作原理は第１実施例と同じであるため、ここでその説明を省略する。
肘関節部４は差動機構４２のフレーム４２１を持って上腕リンク３と連結し、また差動機構４２のピニオンギア４２７を持って前腕リンク５と連結する。一方、支持軸４２８はフレーム４２１に固定されてある。また、プーリ４２３とプーリ４２４はそれぞれサイドギア４２５とサイドギア４２６と連結されてベアリングを介して支持軸４２８に設置されてある。そして、差動機構リンク４２２はベアリングを介してピニオンギア４２７と前腕リンク５との連結部および支持軸４２８と結合する。また、二関節筋１５と二関節筋１６はそれぞれ上腕リンク３に設置されたガイドピン６１とガイドピン６２を通した後プーリ４２３とプーリ４２４に固定される。一方、二関節筋１７は上腕リンク３或いはフレーム４２１に設置されたガイドピン６３を通した後前腕リンク５に固定される。
二関節筋１５と二関節筋１６を同時に引っ張り、二関節筋１７が緩められると、プーリ４２３とプーリ４２４にはトルクが発生し、このトルクがサイドギア４２５とサイドギア４２６およびピニオンギア４２７を通して前腕リンク５に伝われて肘に曲げる動作をさせる。一方、二関節筋１５、１６を同時に緩め二関節筋１７を引っ張ると二関節筋１７の張力が直ちに前腕リンク５に伝われて肘に伸ばし動作をさせる。また、二関節筋１５と二関節筋１６との一本を引っ張り残りの一本を緩めると、サイドギア４２５とサイドギア４２６にトルクの差が発生し、その差がピニオンギア４２７および前腕リンク５に回転を与えてアームにツイスト動作をさせる。よって、３本の二関節筋を用いて肘関節部４と前腕リンク５に２自由度運動させる。

前述したように関節の自由度数より１つ多い関節筋を用いて各関節を拮抗駆動できる。また、各駆動ユニットのアクチュエータと関節筋との間に非線形バネ要素を挿入することで、関節の姿勢制御に影響を与えず関節の剛性も独立に調整できる。また、アームの運動性能に対する影響が大きく現れるのはアームが高加減速かつ低速度で変位する時である。一方、安全性に配慮すべきときはアームが高速度変位する時である。よって、剛性の目標指令は高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えればアームに良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。

本実施例のロボットのツイスト動作範囲はプーリ４２３とプーリ４２４に巻き込まれる関節筋の量のみに限定されてプーリの大きさを十分大きくしてあれば広く取られる。

図３は本発明の第３実施例を示すロボットの構成図である。図３ａは正面図であり、図３ｂは平面図である。図において、ロボットは肩関節部２と、上腕リンク３と、肘関節部４と、前腕リンク５との以外に前腕リンク５とハンド９とを連結する手首部８も含んである。手首部８は軸回転ジョイント８１とユニバーサルジョイント８２とで構成されて３自由度で動く。一方、肘関節部４は折れ回動ジョイント４１１のみで構成されて１自由度で動く。１８１、１８２、１８３および１８４は三関節筋である。ガイドピン６４１、６４２、６４３、６４４、６５１、６５２、６５３、６５４、６６１、６６２、６６３および６６４は、三関節筋１８１、１８２、１８３および１８４が上腕リンク３および前腕リンク５から離れないようにこの４つの三関節筋を拘束する。また、固定ピン７４１、７４２、７４３および７４４は、三関節筋の先端をハンド９に固定する。また、図１と同一ものは同じ記号を付しその説明を省略する。

以下、動作原理について説明する。
ロボットは本体１と、３自由度の肩関節部２と、１自由度の肘関節部４と、３自由度の手首部８と、肩関節部２と肘関節部４とを連結する上腕リンク３と、肘関節部４と手首部８とを連結する前腕リンク５と、上腕リンク３を引っ張る４つの一関節筋１１、１２、１３、１４と、前腕リンク５を引っ張る２つの二関節筋１５、１７と、ハンド９を引っ張る４つの三関節筋１８１、１８２、１８３、１８４とで構成されてある。動く部であるアームを軽量化するため、すべての動力源であるモータなどのアクチュエータが動かない部である本体１に設置され、関節筋（ワイヤなど）を介してアームを駆動する。
肩関節部２と上腕リンク３の構成および動作原理は第１実施例と同じであるため、ここでその説明を省略する。
肘関節部４は、回転軸が上腕リンク３および前腕リンク５に垂直する軸継手である折れ回動ジョイント４１１で構成されて上腕リンク３と前腕リンク５を連結する。２つの二関節筋１５と１７は各々一端が本体に配置された別々のアクチュエータに繋ぎ、残りの一端が止めピンによって前腕リンク５に固定され、また中段がそれぞれ上腕リンク３に設置されたガイドピン６１と６３によって垂直方向に動かないように拘束され、そして回動ジョイント４１１の回転軸に垂直する平面において上下１本ずつ設置されている。
二関節筋１５を引っ張り二関節筋１７を緩めると、或いは二関節筋１５を緩め二関節筋１７を引っ張ると折れ回動ジョイント４１１を回転させることによって肘に屈伸動作をさせる。よって、２本の二関節筋を用いて肘関節部４と前腕リンク５には上腕リンク３に対する１自由度の運動をさせる。
手首部８は、回転軸が前腕リンク５と平行になる軸回転ジョイント８１を持って前腕リンク５と連結し、またユニバーサルジョイント８２を持ってハンド９と連結する。４つの三関節筋１８１、１８２、１８３、１８４は、各々一端が本体に配置された別々のアクチュエータに繋ぎ、残りの一端が止めピンによってハンド９に固定され、また中段が上腕リンク３に設置されたガイドピン６４１、６４２、６４３、６４４と、前腕リンク５に設置されたガイドピン６５１、６５２、６５３、６５４、６６１、６６２、６６３、６６４とによって垂直方向に動かないように拘束されてある。また、アクチュエータとガイドピンとの間および隣接するガイドピンの間に各三関節筋がほぼ平行になり、一方ガイドピン６６１、６６２と止めピン７４１、７４２との間に三関節筋１８１、１８２は交差し、ガイドピン６６３、６６３と止めピン７４３、７４４との間に三関節筋１８３、１８４は交差するようになっている。
三関節筋１８１と三関節筋１８２とを同時に引っ張り三関節筋１８３と三関節筋１８４とを同時に緩めると、或いは三関節筋１８１と三関節筋１８２とを同時に緩め三関節筋１８３と三関節筋１８４とを同時に引っ張るとユニバーサルジョイント８２を上下方向の回転軸まわりに回転させることによってハンド９に左右振り動作をさせる。一方、三関節筋１８１と三関節筋１８３とを同時に引っ張り三関節筋１８２と三関節筋１８４とを同時に緩めると、或いは三関節筋１８１と三関節筋１８３とを同時に緩め三関節筋１８２と三関節筋１８４とを同時に引っ張るとユニバーサルジョイント８２を左右方向の回転軸まわりに回転させることによってハンド９に上下振り動作をさせる。また、三関節筋１８１と三関節筋１８４とを同時に引っ張り三関節筋１８２と三関節筋１８３とを同時に緩めると、或いは三関節筋１８１と三関節筋１８４とを同時に緩め三関節筋１８２と三関節筋１８３とを同時に引っ張ると軸回転ジョイント４１２を回転させることによってハンド９に回内外動作をさせる。よって、４本の三関節筋を用いて手首部８とハンド９には前腕リンク５に対する３自由度の運動をさせる。

本実施例のロボットは、肩関節部２の３自由度と肘関節部４の１自由度と手首部８の３自由度とを合わせて７自由度で運動することができ、人間のアームと近い動作をさせることができる。

１本体
２肩関節部
３上腕リンク
４肘関節部
５前腕リンク
１１、１２、１３、１４一関節筋
１５、１６、１７二関節筋
１８１、１８２、１８３、１８４三関節筋
２１球面ジョイント
２２、２３、２４靭帯
４１１折れ回動ジョイント
４１２、８１軸回転ジョイント
４２差動機構
４２１フレーム
４２２差動機構リンク
４２３、４２４プーリ
４２５、４２６サイドギア
４２７ピニオンギア
４２８支持軸
６１、６２、６３、６４１、６４２、６４３、６４４、６５１、６５２、６５３、６５４、６６１、６６２、６６３、６６４ガイドピン
７１１、７１２、７１３、７２１、７２２、７２３、７２４、７３１、７３２、７３３、７４１、７４２、７４３、７４４固定ピン
８手首部
８２ユニバーサルジョイント
９ハンド

Claims

本体と、３自由度変位できる肩関節部と、上腕リンクと、２自由度変位できる肘関節部と、前腕リンクと、を備え、アクチュエータが前記本体に設置され、前記アクチュエータが４本以上の一関節筋を介して前記肩関節部と前記上腕リンクとを駆動し、少なくとも３本の二関節筋を介して前記肘関節部と前記前腕リンクとを駆動するとともに、平面視において交差する２本の前記一関節筋が前記上腕リンクの両側に対称に配置され、さらに２本の前記一関節筋が交差する点は前記一関節筋の中央部よりも前記上腕リンク側に位置されることを特徴とするロボット。
本体と、３自由度変位できる肩関節部と、上腕リンクと、１自由度変位できる肘関節部と、前腕リンクと、３自由度変位できる手首部と、ハンドとを備え、アクチュエータが前記本体に設置され、前記アクチュエータが４本以上の一関節筋を介して前記肩関節部と前記上腕リンクとを駆動し、少なくとも２本の二関節筋を介して前記肘関節部と前記前腕リンクとを駆動し、少なくとも４本の三関節筋を介して前記手首部と前記ハンドとを駆動するとともに、平面視において交差する２本の前記一関節筋が前記上腕リンクの両側に対称に配置され、さらに２本の前記一関節筋が交差する点は前記一関節筋の中央部よりも前記上腕リンク側に位置されることを特徴とするロボット。
前記肩関節部は、受部材が前記本体に固定され球体部が前記上腕リンクに連結された球面ジョイントと、前記球面ジョイントの球体部を包むように一端が本体に固定され残りの一端が前記上腕リンクに固定された３本以上の靭帯と、で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のロボット。
前記球面ジョイントは、受部材の両側面が受部材の球面の中心を挟まないことを特徴とする請求項３記載のロボット。
前記靭帯は、
編みチューブ中に伸縮可能な弾性体を挿入して構成されることを特徴とする請求項３記載のロボット。
前記肘関節部は、回転軸が互いに垂直する軸継手である折れ回動ジョイントと軸回転ジョイントとで構成されることを特徴とする請求項１記載のロボット。
前記肘関節部は、差動機構で構成され、２本の前記二関節筋を各々２つのサイドギアに連結された２つのプーリに巻くことを特徴とする請求項１記載のロボット。
前記手首部は、軸回転ジョイントとユニバーサルジョイントとで構成されることを特徴とする請求項２記載のロボット。