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WO2016129624A1 - リンク作動装置を用いた多関節ロボット - Google Patents

リンク作動装置を用いた多関節ロボット Download PDF

Info

Publication number
WO2016129624A1
WO2016129624A1 PCT/JP2016/053902 JP2016053902W WO2016129624A1 WO 2016129624 A1 WO2016129624 A1 WO 2016129624A1 JP 2016053902 W JP2016053902 W JP 2016053902W WO 2016129624 A1 WO2016129624 A1 WO 2016129624A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
link
end side
arm
joint
articulated robot
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/053902
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩 磯部
清悟 坂田
山田　裕之
直樹 丸井
Original Assignee
Ntn株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ntn株式会社 filed Critical Ntn株式会社
Publication of WO2016129624A1 publication Critical patent/WO2016129624A1/ja

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints

Definitions

  • the present invention is a multi-joint articulation with 6 degrees of freedom or more using a link actuating device used in a device such as a medical device or an industrial device that requires high speed, high accuracy, and a wide working range, or a robot coexisting with a person. Regarding robots.
  • Patent Documents 1 and 2 propose articulated robots used for devices such as medical devices and industrial devices that require high speed, high accuracy, and a wide operating range, and robots that coexist with humans.
  • the articulated robot of Patent Document 1 is configured by combining a mechanism with one degree of freedom of rotation.
  • the articulated robot of Patent Document 2 uses a link actuator with two degrees of freedom of rotation.
  • the articulated robot of Patent Document 1 has a configuration in which all the joints have one degree of freedom of rotation. For example, when the articulated robot collides with a person or an object, there is a direction in which the collision is difficult to detect. There's a problem. In addition, it is necessary to drive a plurality of motors even by slightly changing the attitude of the end effector mounted on the tip, and there is a problem that detailed work cannot be performed.
  • the articulated robot of Patent Document 2 can solve the safety problem by providing a link actuator capable of smooth rotation with two degrees of freedom.
  • a link actuator capable of smooth rotation with two degrees of freedom.
  • the drive mechanism portion of the link operating device protrudes outward, the entire device becomes large, and the operating range is narrowed by interference with the protruding portion.
  • the load of the link operating device is large and detailed work cannot be performed.
  • An object of the present invention is to provide an articulated robot using a link actuator that has a wide range of motion, is capable of fine and quick movement, has high movement safety, and is suitable for use in a work site that coexists with humans. That is.
  • An articulated robot using the link actuator of the present invention has a base unit and an articulated arm installed on the base unit, and the articulated arm has a plurality of arm portions from the base end side to the distal end side. Are arranged in series, and the base unit, the most proximal arm part, and the adjacent arm parts are connected to each other via a joint part so as to be relatively displaceable from each other, and are mounted on the most distal arm part.
  • An articulated robot with 6 degrees of freedom or more that works using At least one joint portion of the plurality of joint portions includes a link actuator that relatively rotates the arm portions on both sides of the joint portion around two orthogonal axes,
  • this link actuating device three sets of link hubs on the distal end side fixed to the arm portion on the distal end side with respect to the link hub on the proximal end side fixed to the arm portion on the proximal end side among the arm portions on both sides are set in three groups.
  • the above-mentioned link mechanisms are connected so that their postures can be changed, and the respective link mechanisms are respectively connected to the base end side link hub and the front end side link hub so that one end is rotatably connected to the base end side and the front end.
  • the link actuating device consists of a base end side link hub, a front end side link hub, and three or more sets of link mechanisms, and the front end side link hub is rotatable about two orthogonal axes with respect to the base end side link hub.
  • a two-degree-of-freedom mechanism Although this two-degree-of-freedom mechanism is compact, the movable range of the link hub on the distal end side can be widened.
  • the maximum bending angle between the central axis of the link hub on the proximal end side and the central axis of the link hub on the distal end side is about ⁇ 90 °
  • the swivel angle of the link hub on the distal end side with respect to the link hub on the proximal end side is It can be set in the range of 0 ° to 360 °.
  • the attitude control drive source of the link actuator is arranged in the retracted state inside the arm part to which the link hub on the base end side is fixed, so that the number of protrusions of the articulated robot is reduced and a compact configuration can be realized. Moreover, since the interference between the arm portions of the articulated arms can be reduced, the movable range can be widened. Furthermore, if there are few protrusion parts, the safety
  • each attitude control drive source is provided with torque detection means for detecting the torque applied to the attitude control drive source.
  • the attitude control drive source is a rotary actuator that generates a rotational force
  • the attitude control drive source is installed such that its output shaft is parallel to the central axis of the link hub on the base end side. Then, the rotational force of the posture control drive source is transmitted to the base end side end link member via an axis orthogonal type reduction gear in which the input side shaft and the output side shaft are orthogonal to each other, and the posture control drive
  • the power source and the axis-orthogonal speed reducer may be arranged on the inner diameter side of the rotating pair of the base end side link hub and the base end side end link member.
  • the center axis of the link hub is such that the center axis of each rotation pair of the link hub and the end link member and the center axis of each rotation pair of the end link member and the center link member intersect each other.
  • the spherical link center of the link hub it is a straight line that passes through the spherical link center and intersects the central axis of the rotational pair of the link hub and the end link member at a right angle.
  • At least one of the plurality of arm portions is a shaft in which a proximal end member and a distal end member arranged at the proximal end and the distal end of the arm portion are connected by a plurality of shafts. It is good that it is a connection type arm part.
  • the shaft-linked arm portion can be reduced in weight because a space is formed inside. Further, when the link actuating device is installed in the shaft-coupled arm unit, the attitude control drive source of the link actuating device is easily arranged inside the shaft-coupled arm unit.
  • the shaft connection type arm portion may be an arm portion on a proximal end side of a joint portion formed of the link actuating device.
  • the distal end member of the shaft connection type arm portion is the link hub on the base end side of the link operation device, the shaft connection type arm portion and the link operation device share the member. As a result, the number of parts is reduced, and a lighter and more compact design can be realized.
  • the shaft-coupled arm portion is an arm portion on the proximal end side of the joint portion composed of the link actuator, the number of the shafts of the shaft-coupled arm portion and the number of the posture control drive sources And the shafts may be arranged one by one between the posture control drive sources adjacent to each other.
  • the weight can be balanced, and wiring or the like can be passed through the space formed in the central portion of the arm portion.
  • the articulated arm has n arm portions arranged in series from the proximal end side to the distal end side, the (n ⁇ 1) arm portion and the nth arm portion are arranged from the proximal end side.
  • the joint part to be connected or the joint part to connect the n-th arm part from the base end side and the end effector may be a joint part made of the link actuating device.
  • the arm portion on the most proximal side is installed on the surfaces of the base unit that are symmetrical to each other.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an articulated robot according to a first embodiment of the present invention. It is the elements on larger scale of FIG. It is the figure which abbreviate
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of this articulated robot.
  • the articulated robot 1 includes a base unit 2 and an articulated arm 3 installed on the base unit 2.
  • An end effector 4 for performing work on a work body (not shown) is mounted at the tip of the articulated arm 3.
  • the base unit 2 is installed on the installation surface 5 formed of a horizontal plane.
  • a controller 6 that controls the operation of the articulated robot 1 is built in the base unit 2. The controller 6 may be installed outside the base unit 2.
  • a plurality of (four in this embodiment) arm portions 11 to 14 are arranged in series from the proximal end side to the distal end side, and the base unit 2 and the most proximal arm portion 11 are adjacent to each other.
  • the matching arm portions 11 to 14 are connected to each other via the joint portions 21 to 24 so as to be capable of relative displacement.
  • the end effector 4 is installed on the most distal end arm portion 14.
  • the respective arm portions 11 to 14 are arranged in order from the one on the proximal end side, “first arm portion 11”, “second arm portion 12”, “third arm portion 13” and “fourth”.
  • the first joint portion 21 that connects the base unit 2 and the first arm portion 11 rotates to rotate the first arm portion 11 relative to the base unit 2 around the rotation axis 7 orthogonal to the installation surface 5.
  • the first arm unit 11 is rotationally driven by a drive source 21 a provided in the base unit 2.
  • the drive source 21a is, for example, a motor.
  • the second joint portion 22 that connects the first arm portion 11 and the second arm portion 12 is a second arm portion with respect to the first arm portion 11 around the rotation axis 8 parallel to the installation surface 5.
  • 12 is a rotation mechanism that relatively rotates 12.
  • the second arm unit 12 is rotationally driven by a drive source 22 a provided in the first arm unit 11.
  • the drive source 22a is, for example, a motor.
  • the third joint portion 23 that connects the second arm portion 12 and the third arm portion 13 is connected to the second arm portion 12 around the rotation axis 9 parallel to the rotation axis 8 of the second joint portion 22.
  • This is a rotation mechanism that relatively rotates the third arm portion 13.
  • the third arm unit 13 is rotationally driven by a drive source 23 a provided in the second arm unit 12.
  • the drive source 23a is, for example, a motor.
  • the fourth joint portion 24 that connects the third arm portion 13 and the fourth arm portion 14 is a link with two degrees of freedom for rotating the fourth arm portion 14 with respect to the third arm portion 13. Actuating device.
  • the link actuator that is the fourth joint portion 24 will be described.
  • the link actuating device has a parallel link mechanism 30 and a posture control drive source 31 that operates the parallel link mechanism 30.
  • 4 and 5 are perspective views of only the parallel link mechanism 30 and show different states from each other.
  • the parallel link mechanism 30 connects the link hub 33 on the distal end side to the link hub 32 on the proximal end side through three sets of link mechanisms 34 so that the posture can be changed. 2 and 3, only one set of link mechanisms 34 is shown. The number of link mechanisms 34 may be four or more.
  • Each link mechanism 34 has a base end side end link member 35, a tip end side end link member 36, and a central link member 37, and is a four-joint link mechanism including four rotary pairs.
  • the end link members 35 and 36 on the proximal end side and the distal end side are L-shaped, and one ends thereof are rotatably connected to the link hub 32 on the proximal end side and the link hub 33 on the distal end side, respectively.
  • the central link member 37 has both ends connected to the other ends of the end link members 35 and 36 on the proximal end side and the distal end side in a freely rotatable manner.
  • the parallel link mechanism 30 has a structure in which two spherical link mechanisms are combined.
  • the rotation pair of the proximal side link hub 32 and the proximal side end link member 35 and the central axis of each rotation pair of the proximal side end link member 35 and the central link member 37 are It intersects at the spherical link center PA (FIG. 3).
  • the central axis of each rotational pair of the distal end side link hub 33 and the distal end side end link member 36 and each rotational pair of the distal end side end link member 36 and the central link member 37 are spherical surfaces on the distal end side. It intersects at the link center PB (FIG. 3).
  • each rotation pair of the link hub 32 on the base end side and the end link member 35 on the base end side and the spherical link center PA on the base end side is the same, and the end link member 35 on the base end side is the same.
  • the distance between each rotation pair of the central link member 37 and the spherical link center PA on the base end side is also the same.
  • the distance between each rotation pair of the link hub 33 on the distal end side and the end link member 36 on the distal end side and the spherical link center PB on the distal end side is the same as each other.
  • the distance between each rotation pair of the member 37 and the spherical link center PB on the tip side is also the same.
  • the central axis of each rotational pair of the proximal and distal end link members 35, 36 and the central link member 37 may have a certain crossing angle ⁇ (FIG. 3) or may be parallel. Good.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the proximal-side link hub 32, the proximal-side end link member 35, and the like.
  • the proximal-side link hub 32 and the proximal-side end link member 35 are shown.
  • the relationship between the center axis O1 of each rotary pair and the spherical link center PA on the base end side is shown.
  • the positional relationship between the distal end side link hub 33 and the distal end side end link member 36 is the same as that in FIG. 6 (not shown).
  • the center axis O1 of each rotation pair of the base end side link hub 32 and the base end side end link member 35, and each rotation of the base end side end link member 35 and the central link member 37 is 90 °, the angle ⁇ may be other than 90 °.
  • the three sets of link mechanisms 34 have the same geometric shape. As shown in FIG. 7, the geometrically identical shape is expressed by a geometric model in which each link member 35, 36, 37 is expressed by a straight line, that is, by each rotation pair and a straight line connecting these rotation pairs. A model says that the base end side part and front end side part with respect to the center part of the center link member 37 are symmetrical shapes.
  • FIG. 7 is a diagram in which a set of link mechanisms 34 is expressed by straight lines.
  • the parallel link mechanism 30 of this embodiment is a rotationally symmetric type, and includes a proximal end side link hub 32 and a proximal end side end link member 35, a distal end side link hub 33 and a distal end side end link member 36. The positional relationship is such that the positional relationship is rotationally symmetric with respect to the center line C of the central link member 37.
  • the central part of each central link member 37 is located on a common track circle D.
  • the link hub 32 on the proximal end side, the link hub 33 on the distal end side, and the three sets of link mechanisms 34 allow the link hub 33 on the distal end side to rotate about two orthogonal axes with respect to the link hub 32 on the proximal end side.
  • the degree mechanism is configured.
  • the position of the link hub 33 on the distal end side with respect to the link hub 32 on the proximal end side is a mechanism whose posture can be freely changed with two degrees of freedom.
  • this two-degree-of-freedom mechanism is compact, the movable range of the link hub 33 on the distal end side with respect to the link hub 32 on the proximal end side can be widened.
  • each rotation pair of the proximal and distal link hubs 32 and 33 and the proximal and distal end link members 35 and 36 passes through the spherical link centers PA and PB on the proximal and distal ends.
  • the straight lines intersecting with the central axis O1 (FIG. 6) at right angles are the central axes QA and QB of the link hubs 32 and 33 on the proximal end side and the distal end side
  • the maximum value of the bending angle ⁇ (FIG. 7) with respect to the center axis QB of the link hub 33 can be about ⁇ 90 °.
  • the turning angle ⁇ (FIG. 7) of the distal end side link hub 33 with respect to the proximal end side link hub 32 can be set in a range of 0 ° to 360 °.
  • the bending angle ⁇ is a vertical angle at which the central axis QB of the distal link hub 33 is inclined with respect to the central axis QA of the proximal link hub 32.
  • the turning angle ⁇ is a horizontal angle at which the central axis QB of the distal link hub 33 is inclined with respect to the central axis QA of the proximal link hub 32.
  • the posture change of the distal end side link hub 33 with respect to the proximal end side link hub 32 is performed with an intersection O between the central axis QA of the proximal end side link hub 32 and the central axis QB of the distal end side link hub 33 as a rotation center.
  • Is called. 4 shows a state in which the central axis QA of the proximal-side link hub 32 and the central axis QB of the distal-side link hub 33 are on the same line
  • FIG. 5 shows the central axis QA of the proximal-side link hub 32.
  • a state in which the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side takes an arbitrary operating angle is shown. Even if the posture changes, the distance L (FIG. 7) between the spherical link centers PA and PB on the proximal end side and the distal end side does not change.
  • the base end side link hub 32 includes a base end member 40 and three rotary shaft connecting members 41 provided integrally with the base end member 40. .
  • the base end member 40 constitutes a part of the third arm portion 13.
  • the base end member 40 has a circular through hole 40a at the center, and three rotary shaft coupling members 41 are arranged at equal intervals in the circumferential direction around the through hole 40a.
  • the center of the through hole 40a is located on the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side.
  • a rotating shaft 42 (FIGS. 4 and 5) is rotatably connected to each rotating shaft connecting member 41.
  • the axis of the rotary shaft 42 intersects the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side.
  • One end of an end link member 35 on the base end side is connected to the rotating shaft 42.
  • the rotating shaft 42 is rotatably supported by the rotating shaft connecting member 41 through two bearings 43.
  • the bearing 43 is a ball bearing such as a deep groove ball bearing or an angular ball bearing. These bearings 43 are installed in a fitted state in an inner diameter hole 44 provided in the rotary shaft connecting member 41, and are fixed by a method such as press fitting, bonding, or caulking. The same applies to the types and installation methods of the bearings provided in other rotating pairs.
  • the rotating shaft 42 includes a fan-shaped bevel gear 45 that forms one end of an end link member 35 on the base end side and a part of an axis orthogonal reduction device 77 described later so as to rotate integrally with the rotating shaft 42. And are combined. More specifically, a notch 46 is formed at one end of the base end side end link member 35, and both side portions of the notch 46 constitute inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48. A rotary shaft connecting member 41 is disposed between the inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48. The bevel gear 45 is disposed in contact with the inner surface of the inner rotary shaft support 47.
  • the rotation shaft 42 includes a through hole formed in the bevel gear 45, a through hole formed in the inner rotation shaft support portion 47, an inner ring of the bearing 43, and a through hole formed in the outer rotation shaft support portion 48.
  • the nut 50 is screwed into the threaded portion 42 b of the rotating shaft 42.
  • the bevel gear 45, the inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48, and the inner ring of the bearing 43 are clamped and coupled to each other by the head portion 42a of the rotary shaft 42 and the nut 50.
  • Spacers 51 and 52 are interposed between the inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48 and the bearing 43, and a preload is applied to the bearing 43 by screwing the nut 50.
  • the rotating shaft 55 is coupled to the other end of the end link member 35 on the base end side.
  • the rotary shaft 55 is rotatably connected to one end of the central link member 37 via two bearings 53.
  • a notch 56 is formed at the other end of the base end side end link member 35, and both side portions of the notch 56 constitute inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58.
  • One end of the central link member 37 is disposed between the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58.
  • the rotation shaft 55 is inserted from the outside through the through hole formed in the outer rotation shaft support portion 58, the inner ring of the bearing 53, and the through hole formed in the inner rotation shaft support portion 57.
  • 55 b is screwed to the nut 60.
  • the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58 and the inner ring of the bearing 53 are sandwiched and coupled to each other by the head portion 55a of the rotary shaft 55 and the nut 60.
  • Spacers 61 and 62 are interposed between the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58 and the bearing 53, and a preload is applied to the bearing 53 by screwing of the nut 60.
  • the link hub 33 on the distal end side has a distal end member 70 fixed to the fourth arm portion 14 (FIG. 2), and an inner surface of the distal end member 70 at an equal circumferential direction.
  • the three rotation shaft connecting members 71 are provided.
  • the center of the circumference where each rotary shaft connecting member 71 is arranged is located on the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side.
  • a rotating shaft 73 is rotatably connected to each rotating shaft connecting member 71.
  • the axis of the rotation shaft 73 intersects the center axis QB of the link hub 33 on the distal end side.
  • One end of the end link member 36 on the front end side is connected to the rotation shaft 73 of the link hub 33 on the front end side.
  • a rotating shaft 75 that is rotatably connected to the other end of the central link member 37 is connected to the other end of the end-side end link member 36.
  • the rotating shaft 73 of the link hub 33 on the distal end side and the rotating shaft 75 of the central link member 37 are respectively connected to the rotating shaft connecting member 71 and the rotating shaft connecting member 71 via two bearings (not shown), like the rotating shafts 42 and 55.
  • the other end of the central link member 37 is rotatably connected.
  • the attitude control drive source 31 for operating the parallel link mechanism 30 is installed on the base end member 40 and disposed inside the third arm portion 13.
  • the third arm portion 13 constitutes the “arm portion to which the base end side link hub is fixed”.
  • the output shaft 31a of the attitude control drive source 31 is parallel to the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side.
  • the number of posture control drive sources 31 is three, which is the same as the number of link mechanisms 34.
  • the attitude control drive source 31 is a rotary actuator.
  • a bevel gear 76 is attached to the output shaft 31 a of the attitude control drive source 31, and a fan-shaped bevel gear 45 is attached to the rotary shaft 42 of the proximal-side link hub 32, and the bevel gear 76 and the bevel gear 45 are engaged with each other.
  • the pair of bevel gears 76 and 45 constitute an axis orthogonal reduction device 77 in which the input side shaft and the output side shaft are orthogonal to each other.
  • the attitude control drive source 31 and the axis orthogonal reduction gear 77 are arranged on the inner diameter side of the rotating pair of the base end side link hub 32 and the base end side end link member 35. Has been.
  • the same number of attitude control drive sources 31 as the link mechanisms 34 are provided. However, as long as at least two of the three sets of link mechanisms 34 are provided with the attitude control drive sources 31.
  • the posture of the distal end side link hub 33 with respect to the proximal end side link hub 32 can be determined.
  • 4th joint part 24 consisting of a link actuating device operates parallel link mechanism 30 by rotationally driving each attitude control drive source 31. Specifically, when the attitude control drive source 31 is rotationally driven, the rotation is transmitted to the rotary shaft 42 via the axis orthogonal reduction gear 77 composed of a pair of bevel gears 76 and 45, and the link hub 32 on the proximal end side is transmitted. The angle of the end link member 35 on the base end side is changed. As a result, the position and posture of the distal end side link hub 33 relative to the proximal end side link hub 32 are determined.
  • the axis orthogonal reduction gear 77 is composed of a pair of bevel gears 76 and 45, a mechanism using a worm gear and a pinion gear, a mechanism using a hypoid gear (trade name), or the like may be used. .
  • each attitude control drive source 31 is provided with torque detection means 78 for detecting torque applied to the attitude control drive source 31.
  • the detection signal of the torque detection means 78 is sent to the load estimation means 79 in the controller 6.
  • the load estimating means 79 estimates the load acting on the distal end side link hub 33 from the detection results of the torque detecting means 78.
  • the third arm portion 13 has a shaft connection in which a proximal end member 91 and a distal end member 92 arranged at the proximal end and the distal end are connected by a plurality of shafts 93.
  • This is the arm part of the mold.
  • the distal end member 92 is the same member as the proximal member 40 constituting a part of the link hub 32 on the proximal side of the link actuating device.
  • the number of shafts 93 is the same as the number of posture control drive sources 31 (three in this embodiment), and one shaft 93 is disposed between adjacent posture control drive sources 31. ing.
  • the attitude control drive source 31 and the shaft 93 are both equally arranged in the circumferential direction.
  • the fourth arm portion 14 is provided with a tip rotation mechanism 80, and the end effector 4 is supported via the tip rotation mechanism 80.
  • the tip rotation mechanism 80 is obtained by attaching an end effector installation member 80b to the rotation shaft of the rotation drive source 80a.
  • the rotational drive source 80a is, for example, a motor.
  • the end effector 4 is fixed to the end effector installation member 80b.
  • the end effector 4 for example, a hand, a welding machine, a coating machine, or the like is used, but the end effector 4 is not limited to these.
  • This multi-joint robot 1 has one degree of freedom of the first joint portion 21 composed of a rotation mechanism, one degree of freedom of the second joint portion 22 composed of the rotation mechanism, and one freedom of the third joint portion 23 composed of the rotation mechanism.
  • This is a configuration with a total of 6 degrees of freedom, that is, 2 degrees of freedom of the fourth joint portion 24 composed of the link actuating device and 1 degree of freedom of the tip rotation mechanism 80 provided in the fourth arm portion 14. With a 6-degree-of-freedom configuration, it is possible to approximate the movement of a human hand.
  • a link actuator for one of the plurality of joints 21 to 24 by using a link actuator for one of the plurality of joints 21 to 24, a smooth operation having no singular point is possible within an operating range of a folding angle of 90 ° and a turning angle of 360 °.
  • the fine motion is, for example, a motion that moves around a human wrist joint, such as a character writing motion or a motion using a snap.
  • detailed operations are not limited to these operations.
  • the joint portion 24 can be made compact while having two degrees of freedom of rotation.
  • the fourth joint portion 24 between the most distal arm portion (fourth arm portion) 14 and the second arm portion (third arm portion) 13 from the distal end side is linked. It is a joint composed of a device.
  • the (n ⁇ 1) arm portion 13 and the nth arm portion 14 from the proximal end side The joint portion 24 connecting the two is a joint portion formed of a link actuating device.
  • Torque detection means 78 for detecting the torque applied to each posture control drive source 31 and load estimation means 79 for estimating the load acting on the distal end side link hub 33 from the detection result of the torque detection means 78 are provided. Yes. For this reason, when an unexpected load is applied to the articulated robot 1, for example, when it collides with a person or an object, this can be detected. As a result, when an unexpected load is applied, an avoidance operation such as stopping the operation can be performed, which is safe.
  • the torque detection means 78 in the attitude control drive source 31 it is possible to estimate the load acting on the link hub 33 on the tip side without providing a load detection sensor separately. As a result, the articulated robot 1 can be made compact and cost reduced. Further, there is no singular point within the operating range of the fourth joint portion 24 composed of the link operating device, and the configuration can be smoothly moved in all directions. Therefore, even when a load is applied to the link hub 33 on the distal end side from various directions, the torque is reliably transmitted to the posture control drive source 31, and an accurate load can be estimated.
  • the attitude control drive source 31 is disposed in a housed state inside the third arm 13 which is a shaft-coupled arm. Thereby, there are few protrusion parts of the articulated robot 1, and a compact structure is realizable. Further, when the number of protrusions is small, interference between the arm portions 11 to 14 of the multi-joint arm 1 can be reduced, so that the movable range can be widened. Furthermore, if there are few protrusion parts, the safety
  • the posture control drive source 31 can be easily arranged inside the third arm portion 13.
  • the attitude control drive source 31 is installed so that the output shaft 31a of the attitude control drive source 31 is parallel to the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side.
  • the mold speed reducer 77 is arranged on the inner diameter side of the rotating pair of the link hub 32 on the base end side and the end link member 35 on the base end side. Accordingly, the drive mechanism unit including the attitude control drive source 31, the axis orthogonal reduction gear 77, and the like can be configured to be compact in the radial direction, and the attitude control drive source 31 of the third arm unit 13 can be used. It is easy to store inside.
  • the third arm portion 13 which is a shaft connection type arm portion can be reduced in weight because a space is formed inside. Further, the distal end member 92 of the third arm portion 13 which is a shaft-coupled arm portion is the same member as the proximal end member 40 of the link hub 32 on the proximal end side of the link operating device. Therefore, the number of parts is reduced, and light weight and compactness can be realized.
  • the number of the shafts 93 of the third arm portion 13 that is a shaft connection type arm portion is the same as the number of the posture control drive sources 31, and one shaft 93 is provided between the adjacent posture control drive sources 31. It is arranged one by one. Accordingly, there is an advantage that the weight can be balanced and a space is formed in the central portion of the arm portion, so that wiring or the like can be passed through this space.
  • FIG. 8 shows a second embodiment.
  • the multi-joint robot 1 of the second embodiment is the same as the first embodiment in that it has a multi-joint arm 3 in which four arm portions 11 to 14 are arranged in series, but differs from the first embodiment in the following points. .
  • the fourth joint portion 24 that connects the third arm portion 13 and the fourth arm portion 14 rotates the fourth arm portion 14 around the rotation axis 10 relative to the third arm portion 13. It consists of a rotating mechanism.
  • the fourth arm unit 14 is rotationally driven by a drive source 24 a provided in the third arm unit 13.
  • the drive source 24a is, for example, a motor.
  • an end effector support mechanism 81 including a link actuator is provided on the fourth arm 4, and the end effector 4 is supported via the end effector support mechanism 81.
  • the fourth arm portion 14 is, for example, a shaft-coupled arm portion, and a posture control drive source 31 of the link operating device is built in the fourth arm portion 14.
  • the multi-joint robot 1 of the second embodiment has a configuration with 6 degrees of freedom as a whole, as in the first embodiment. Therefore, the movable range is wide, fine and quick operation is possible, and the operation is highly safe and suitable for use in a work site where people coexist.
  • FIG. 9 further shows a third embodiment.
  • the second joint portion 22 that connects the first arm portion 11 and the second arm portion 12 is configured by a link actuator, and the other joint portions 21, 23, 23 are connected.
  • Reference numeral 24 is a rotating mechanism.
  • the end effector 4 is supported by a tip rotation mechanism 80 provided on the fourth arm portion 14.
  • the third embodiment also has a configuration with six degrees of freedom as a whole. Therefore, the movable range is wide, fine and quick operation is possible, and the operation is highly safe and suitable for use in a work site where people coexist.
  • FIG. 10 further shows a fourth embodiment.
  • the articulated robot 1 of the fourth embodiment two articulated arms 3 are installed in one base unit 2.
  • the first arm portions 11 of the two articulated arms 3 are installed on side surfaces of the base unit 2 that are symmetrical to each other.
  • Each articulated arm 3 has the same configuration as the articulated arm 3 of the articulated robot 1 of the first embodiment shown in FIG.
  • Base end side end link member 36 ... Front end side end link member 37 ... Center link member 77 ... Axis-reduction gear 78 ... Torque detection means 79 ... Load estimation means 91 ... Base end member 92 ; End member 93 ... Shaft PA, PB ... Spherical link centers QA, QB ... Link hub Central axis

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Abstract

可動範囲が広く、きめ細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適したリンク作動装置を用いた多関節ロボットを提供する。多関節ロボット（１）は、ベースユニット（２）と多関節アーム（３）とを有し、多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部（１１～１４）が直列に並び、ベースユニット（２）と最も基端側のアーム部（１１）、および隣り合うアーム部（１１～１４）同士がそれぞれ関節部（２１～２４）を介して互いに相対変位可能に連結されている。最も先端側のアーム部（１４）に、エンドエフェクタ（４）が搭載される。関節部（２４）は、この関節部（２４）の両側のアーム部（１３，１４）同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、リンク作動装置の姿勢制御用駆動源（３１）が、基端側のリンクハブ（３２）が固定されたアーム部（１３）の内部に収納状態で配置されている。

Description

リンク作動装置を用いた多関節ロボット 関連出願
　この出願は、２０１５年２月１３日出願の特願２０１５－０２５９２７の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、医療機器や産業機器のような高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられるリンク作動装置を用いた６自由度以上の多関節ロボットに関する。
　医療機器や産業機器のような高速、高精度、および広範な作動範囲を必要とする機器や人と共存するロボット等に用いられる多関節ロボットが、特許文献１、２に提案されている。特許文献１の多関節ロボットは、回転１自由度の機構を組み合わせて構成されている。特許文献２の多関節ロボットは、回転２自由度のリンク作動装置が用いられている。
特開２００５－３２９５２１号公報 米国特許第６，６５８，９６２号明細書
　特許文献１の多関節ロボットは、すべての関節部が回転１自由度の構成であるため、例えば多関節ロボットが人や物に衝突した場合、その衝突を検知し難い方向があり、安全面で問題がある。また、先端に搭載するエンドエフェクタの姿勢を少し変更するだけでも複数のモータを駆動する必要があり、きめ細かい作業が出来ないといった問題がある。
　特許文献２の多関節ロボットは、滑らかな回転２自由度の動作が可能なリンク作動装置を設けたことにより、安全面の問題は解決できる。しかし、リンク作動装置の駆動機構部が外向きに突出しており、装置全体が大きくなり、また突出する部分と干渉して作動範囲が狭くなるといった問題がある。また、リンク作動装置の負荷が大きく、きめ細かい作業が出来ないことが予想される。
　この発明の目的は、可動範囲が広く、きめ細かい素早い動作が可能で、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適したリンク作動装置を用いた多関節ロボットを提供することである。
　この発明のリンク作動装置を用いた多関節ロボットは、ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣り合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
　前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、この関節部の両側のアーム部同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
　このリンク作動装置は、前記両側のアーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源が設けてなり、
　この姿勢制御用駆動源が、前記基端側のリンクハブが固定された前記アーム部の内部に収納状態で配置されている。
　リンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸回りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°～３６０°の範囲に設定できる。複数の関節部のうち少なくとも１つの関節部に上記リンク作動装置を用いることで、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、きめ細かい動作を実現できる。
　前記リンク作動装置の姿勢制御用駆動源を、基端側のリンクハブが固定されたアーム部の内部に収納状態で配置したので、多関節ロボットの突出部が減り、コンパクトな構成を実現できる。また、多関節アームのアーム部同士の干渉を低減できるため、可動範囲を広くとれる。さらに、突出部が少なければ、装置全体の安全性が向上し、人と共存する作業現場で使用することができる。
　この発明において、前記姿勢制御用駆動源が回転力を発生させるロータリアクチュエータである場合、各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けても良い。
　これにより、多関節ロボットに不測の負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。各姿勢制御用駆動源にトルク検出手段を設けたので、様々な方向からの外力を検知できる。このため、不測の負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。
　姿勢制御用駆動源にトルク検出手段を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブに作用する荷重を推定することができる。これにより、多関節ロボットのコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成であるので、先端側のリンクハブに様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。
　この発明において、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータである場合、前記姿勢制御用駆動源をその出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように設置し、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機を介して前記姿勢制御用駆動源の回転力を前記基端側の端部リンク部材に伝達し、前記姿勢制御用駆動源および前記軸直交型減速機を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材との回転対偶部よりも内径側に配置すると良い。
　なお、リンクハブの中心軸は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称する場合に、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線のことである。この構成であると、姿勢制御用駆動源、軸直交減速機等からなる駆動機構部を径方向にコンパクトな構成とすることができるから、姿勢制御用駆動源をアーム部の内部に収納し易い。
　この発明において、前記複数のアーム部のうちの少なくとも１つのアーム部は、このアーム部の基端と先端にそれぞれ配置された基端エンド部材と先端エンド部材とを複数本のシャフトで連結したシャフト連結型のアーム部であると良い。シャフト連結型のアーム部は、内部に空間ができるため軽量化が可能である。また、シャフト連結型のアーム部にリンク作動装置を設置する場合、このリンク作動装置の姿勢制御用駆動源をシャフト連結型のアーム部の内部に配置し易い。
　前記シャフト連結型のアーム部は、前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であっても良い。この場合に、前記シャフト連結型のアーム部の前記先端エンド部材が前記リンク作動装置の前記基端側のリンクハブであると、シャフト連結型のアーム部とリンク作動装置とで部材を共用することとなり、部品点数が減り、軽量・コンパクト化を実現できる。
　また、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部である場合、前記シャフト連結型のアーム部の前記シャフトの個数と前記姿勢制御用駆動源の個数とが同じであり、隣合う前記姿勢制御用駆動源の間に前記シャフトを１つずつ配置すると良い。この構成であると、重量的にバランスが取れるうえ、アーム部の中央部にできた空間に配線等を通すことができる。
　この発明において、前記多関節アームが、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個の前記アーム部を有する場合、基端側から（ｎ－１）のアーム部とｎ番目のアーム部とを連結する関節部、または基端側からｎ番目のアーム部と前記エンドエフェクタとを連結する関節部が、前記リンク作動装置からなる関節部であると良い。この構成であると、この多関節ロボットの多関節アームを人間の腕と見なした場合、手首関節に相当する箇所に、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置からなる関節部が配置される。したがって、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速できめ細かい動作が可能となる。
　この発明において、１つの前記ベースユニットに前記多関節アームを２つ設置すると良い。これにより、人が両手で行うような作業が可能となる。
　前記２つの多関節アームは、前記ベースユニットの互いに対称となる面に最も基端側の前記アーム部が設置されていると良い。この構成とすることで、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボットが機能不全となった場合、多関節ロボットを撤去した跡のスペースに人が入って代替して作業を行うことができるため、生産性を大幅に下げることを防止できる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
この発明の第１実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 一部を破断して表した図１の部分拡大図である。 同多関節ロボットのリンク作動装置の一部を省略した図である。 同リンク作動装置のパラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態の斜視図である。 同パラレルリンク機構の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の断面図である。 同パラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 この発明の第２実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明の第３実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。 この発明の第４実施形態にかかる多関節ロボットの概略構成を示す図である。
　この発明の第１実施形態に係るリンク作動装置を用いた多関節ロボットを図１～図７と共に説明する。図１はこの多関節ロボットの概略構成を示す図である。多関節ロボット１は、ベースユニット２と、このベースユニット２に設置された多関節アーム３とを有している。多関節アーム３の先端に、被作業体（図示せず）に対して作業を行うエンドエフェクタ４が搭載されている。この実施形態では、ベースユニット２は、水平面からなる設置面５に設置されている。ベースユニット２内には、この多関節ロボット１の動作を制御するコントローラ６が内蔵されている。コントローラ６は、ベースユニット２の外部に設置しても良い。
　多関節アーム３は、基端側から先端側へ複数（この実施形態では４つ）のアーム部１１～１４が直列に並んでおり、ベースユニット２と最も基端側のアーム部１１、および隣り合うアーム部１１～１４同士が、それぞれ関節部２１～２４を介して互いに相対変位可能に連結されている。エンドエフェクタ４は、最も先端側のアーム部１４に設置されている。以下の説明では、各アーム部１１～１４を、基端側のものから順に「第１のアーム部１１」、「第２のアーム部１２」、「第３のアーム部１３」および「第４のアーム部１４」と称し、各関節部２１～２４を、基端側のものから順に「第1の関節部２１」、「第２の関節部２２」、「第３の関節部２３」および「第４の関節部２４」と称する。
　ベースユニット２と第１のアーム部１１とを連結する第１の関節部２１は、設置面５に直交する回転軸７回りにベースユニット２に対して第１のアーム部１１を相対回転させる回転機構である。第１のアーム部１１の回転駆動は、ベースユニット２に設けられた駆動源２１ａにより行われる。駆動源２１ａは、例えば、モータである。
　第１のアーム部１１と第２のアーム部１２とを連結する第２の関節部２２は、設置面５と平行な回転軸８回りに第１のアーム部１１に対して第２のアーム部１２を相対回転させる回転機構である。第２のアーム部１２の回転駆動は、第１のアーム部１１に設けられた駆動源２２ａにより行われる。駆動源２２ａは、例えば、モータである。
　第２のアーム部１２と第３のアーム部１３とを連結する第３の関節部２３は、第２の関節部２２の回転軸８と平行な回転軸９回りに第２のアーム部１２に対して第３のアーム部１３を相対回転させる回転機構である。第３のアーム部１３の回転駆動は、第２のアーム部１２に設けられた駆動源２３ａにより行われる。駆動源２３ａは、例えば、モータである。
　第３のアーム部１３と第４のアーム部１４とを連結する第４の関節部２４は、第３のアーム部１３に対して第４のアーム部１４を姿勢変更させる回転２自由度のリンク作動装置である。
　第４の関節部２４であるリンク作動装置について説明する。図２および図３に示すように、リンク作動装置は、パラレルリンク機構３０と、このパラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１とを有している。図４および図５は、パラレルリンク機構３０のみの斜視図であり、互いに異なる状態を示している。これら図２～図５に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３を３組のリンク機構３４を介して姿勢変更可能に連結する。なお、図２、図３では、１組のリンク機構３４のみが示されている。リンク機構３４の数は、４組以上であっても良い。
　各リンク機構３４は、基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６と中央リンク部材３７とを有し、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構である。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ３２および先端側のリンクハブ３３に回転自在に連結されている。中央リンク部材３７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。
　パラレルリンク機構３０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造である。基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶、および基端側の端部リンク部材３５と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、基端側の球面リンク中心ＰＡ（図３）で交差している。同様に、先端側のリンクハブ３３と先端側の端部リンク部材３６の各回転対偶、および先端側の端部リンク部材３６と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、先端側の球面リンク中心ＰＢ（図３）で交差している。
　また、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶と基端側の球面リンク中心ＰＡとの距離は互いに同じであり、基端側の端部リンク部材３５と中央リンク部材３７の各回転対偶と基端側の球面リンク中心ＰＡとの距離も互いに同じである。同様に、先端側のリンクハブ３３と先端側の端部リンク部材３６の各回転対偶と先端側の球面リンク中心ＰＢとの距離も互いに同じであり、先端側の端部リンク部材３６と中央リンク部材３７の各回転対偶と先端側の球面リンク中心ＰＢとの距離も互いに同じである。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図３）を持っていてもよいし、平行であってもよい。
　図６は基端側のリンクハブ３２、基端側の端部リンク部材３５等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、基端側の球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６の位置関係も図６と同様である（図示せず）。図６では、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、基端側の端部リンク部材３５と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、角度αは９０°以外であっても良い。
　３組のリンク機構３４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図７に示すように、各リンク部材３５，３６，３７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材３７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図７は、一組のリンク機構３４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構３０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６との位置関係が、中央リンク部材３７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材３７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。
　基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と３組のリンク機構３４とで、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成されている。言い換えると、基端側のリンクハブ３２に対して先端側のリンクハブ３３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の可動範囲を広くとれる。
　例えば、基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、基端側および先端側のリンクハブ３２，３３と基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図６）と直角に交わる直線を基端側および先端側のリンクハブ３２，３３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図７）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の旋回角φ（図７）を０°～３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことである。旋回角φは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。
　基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが任意の作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図７）は変化しない。
　このパラレルリンク機構３０において、以下の（条件１）～（条件４）をすべて満たすとき、中央リンク部材３７の対称面に対して、中央リンク部材３７と基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６とは同じに動く。
（条件１）各リンク機構３４における基端側および先端側のリンクハブ３２，３３と基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しい。
（条件２）各リンク機構３４の基端側および先端側のリンクハブ３２，３３と基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差する。
（条件３）基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６の幾何学的形状が等しい。
（条件４）中央リンク部材３７についても基端側と先端側とで幾何学的形状が等しい。
　図２～図５に示すように、基端側のリンクハブ３２は、基端部材４０と、この基端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とを有している。後述のように、基端部材４０は第３のアーム部１３の一部分を構成する。基端部材４０は中央部に円形の貫通孔４０ａを有し、この貫通孔４０ａの周囲に３個の回転軸連結部材４１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔４０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材４１には、回転軸４２（図４、図５）が回転自在に連結されている。回転軸４２の軸心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する。この回転軸４２に、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結されている。
　図６に示すように、回転軸４２は、２個の軸受４３を介して回転軸連結部材４１に回転自在に支持されている。軸受４３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受４３は、回転軸連結部材４１に設けられた内径孔４４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定されている。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。
　回転軸４２には、この回転軸４２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端と、後述の軸直交型減速機７７の一部を構成する扇形のかさ歯車４５とが結合されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の一端に切欠き部４６が形成されており、この切欠き部４６の両側部分が内外の回転軸支持部４７，４８を構成する。この内外の回転軸支持部４７，４８間に回転軸連結部材４１が配置されている。かさ歯車４５は、内側の回転軸支持部４７の内側面に当接して配置されている。
　回転軸４２が内側から、かさ歯車４５に形成された貫通孔、内側の回転軸支持部４７に形成された貫通孔、軸受４３の内輪、外側の回転軸支持部４８に形成された貫通孔の順に挿通され、回転軸４２のねじ部４２ｂにナット５０が螺着されている。これにより、回転軸４２の頭部４２ａとナット５０とで、かさ歯車４５、内外の回転軸支持部４７，４８、および軸受４３の内輪がそれぞれ挟持され、互いに結合されている。内外の回転軸支持部４７，４８と軸受４３との間にスペーサ５１，５２が介在されており、ナット５０を螺着することで軸受４３に予圧が付与されている。
　基端側の端部リンク部材３５の他端には、回転軸５５が結合されている。回転軸５５は、２個の軸受５３を介して中央リンク部材３７の一端に回転自在に連結されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の他端に切欠き部５６が形成されており、この切欠き部５６の両側部分が内外の回転軸支持部５７，５８を構成する。この内外の回転軸支持部５７，５８間に中央リンク部材３７の一端が配置されている。
　回転軸５５が外側から、外側の回転軸支持部５８に形成された貫通孔、軸受５３の内輪、内側の回転軸支持部５７に形成された貫通孔の順に挿通され、回転軸５５のねじ部５５ｂがナット６０に螺着されている。これにより、回転軸５５の頭部５５ａとナット６０とで、内外の回転軸支持部５７，５８、および軸受５３の内輪がそれぞれ挟持され、互いに結合されている。内外の回転軸支持部５７，５８と軸受５３との間にスペーサ６１，６２が介在されており、ナット６０の螺着により軸受５３に予圧が付与されている。
　図４、図５に示すように、先端側のリンクハブ３３は、第４のアーム部１４（図２）に固定される先端部材７０と、この先端部材７０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材７１とを有している。各回転軸連結部材７１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材７１には、回転軸７３が回転自在に連結されている。回転軸７３の軸心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢと交差する。
　この先端側のリンクハブ３３の回転軸７３に、先端側の端部リンク部材３６の一端が連結されている。先端側の端部リンク部材３６の他端には、中央リンク部材３７の他端に回転自在に連結された回転軸７５が連結されている。先端側のリンクハブ３３の回転軸７３および中央リンク部材３７の回転軸７５は、それぞれ前記回転軸４２，５５と同様に、２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材７１および中央リンク部材３７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。
　図２、図３に示すように、パラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用駆動源３１は、基端部材４０に設置され、第３のアーム部１３の内部に配置されている。第３のアーム部１３が、「基端側のリンクハブが固定されたアーム部」を構成する。姿勢制御用駆動源３１の出力軸３１ａは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと平行である。姿勢制御用駆動源３１の数は、リンク機構３４と同数の３個である。
　姿勢制御用駆動源３１はロータリアクチュエータからなる。姿勢制御用駆動源３１の出力軸３１ａにかさ歯車７６が取り付けられ、基端側のリンクハブ３２の回転軸４２に扇形のかさ歯車４５が取り付けられ、かさ歯車７６とかさ歯車４５とが噛み合っている。これら一対のかさ歯車７６，４５が、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機７７を構成する。図６に示すように、姿勢制御用駆動源３１および軸直交型減速機７７は、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５との回転対偶部よりも内径側に配置されている。
　なお、この実施形態では、リンク機構３４と同数の姿勢制御用駆動源３１が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用駆動源３１が設けられていれば、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。
　リンク作動装置からなる第４の関節部２４は、各姿勢制御用駆動源３１を回転駆動することで、パラレルリンク機構３０を作動させる。詳しくは、姿勢制御用駆動源３１を回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車７６，４５からなる軸直交型減速機７７を介して回転軸４２に伝達され、基端側のリンクハブ３２に対する基端側の端部リンク部材３５の角度が変更する。これにより、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の位置および姿勢が決まる。ここでは、軸直交型減速機７７が一対のかさ歯車７６，４５から構成されているが、その他に、ウォームギヤとピニオンギヤを用いた機構、ハイポイドギヤ（商標名）を用いた機構等であっても良い。
　図１において、各姿勢制御用駆動源３１には、この姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８が設けられている。このトルク検出手段７８の検出信号は、コントローラ６内の荷重推定手段７９に送られる。荷重推定手段７９は、各トルク検出手段７８の検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する。
　図２、図３に示すように、第３のアーム部１３は、基端と先端とにそれぞれ配置された基端エンド部材９１と先端エンド部材９２とを複数本のシャフト９３で連結したシャフト連結型のアーム部である。先端エンド部材９２は、リンク作動装置の基端側のリンクハブ３２の一部を構成する基端部材４０と同一部材である。図６に示すように、シャフト９３の本数は姿勢制御用駆動源３１と同数（この実施形態では３個）であり、隣り合う姿勢制御用駆動源３１の間にシャフト９３が１つずつ配置されている。姿勢制御用駆動源３１およびシャフト９３は、共に円周方向に等配に配置されている。
　図１、図２において、第４のアーム部１４には先端回転機構８０が設けられ、この先端回転機構８０を介してエンドエフェクタ４が支持されている。先端回転機構８０は、回転駆動源８０ａの回転軸にエンドエフェクタ設置部材８０ｂを取り付けたものである。回転駆動源８０ａは、例えば、モータである。このエンドエフェクタ設置部材８０ｂに、エンドエフェクタ４が固定されている。エンドエフェクタ４として、例えばハンド、溶接機、塗布機等が使用されるが、これらに限定されない。
　この多関節ロボット１は、回転機構からなる第１の関節部２１の１自由度、回転機構からなる第２の関節部２２の１自由度、回転機構からなる第３の関節部２３の１自由度、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の２自由度、および第４のアーム部１４に設けられた先端回転機構８０の１自由度の、計６自由度の構成である。６自由度の構成であると、人間の手の動作に近いが可能である。
　特に、複数の関節部２１～２４のうちの１つの関節部２４にリンク作動装置を用いたことで、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲内において特異点を持たないスムーズな動作が可能となり、きめ細かい動作を実現できる。きめ細かい動作とは、例えば、文字書き動作やスナップを利かせた動きのような特に人間の手首関節を中心に動かす動作のことである。ただし、きめ細かい動作は、これらの動作に限定されない。リンク作動装置を用いることで、回転２自由度でありながらコンパクトな関節部２４とすることができる。
　この実施形態では、最も先端側のアーム部（第４のアーム部）１４と先端側から２番目のアーム部（第３のアーム部）１３との間の第４の関節部２４が、リンク作動装置からなる関節部である。言い換えると、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個のアーム部１１～１４を有する多関節アーム３において、基端側から（ｎ－１）のアーム部１３とｎ番目のアーム部１４とを連結する関節部２４がリンク作動装置からなる関節部である。
　この構成とすると、多関節ロボット１の多関節アーム３を人間の腕と見なした場合、手首関節に相当する箇所に、手首関節に近い動作が可能な回転２自由度のリンク作動装置からなる関節部２４が配置される。このため、各関節部２１～２４の動きとエンドエフェクタ４の動きとの関係をイメージし易くなり、操作性が良い。また、リンク作動装置に作用する負荷が小さく、より高速できめ細かい動作が可能となる。基端側からｎ番目のアーム部１４とエンドエフェクタ４とを連結する関節部を、リンク作動装置からなる関節部としても、上記と同様な作用・効果が得られる。
　各姿勢制御用駆動源３１にかかるトルクを検出するトルク検出手段７８と、このトルク検出手段の７８検出結果から先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定する荷重推定手段７９とが設けられている。このため、多関節ロボット１に不測の負荷がかかった場合、例えば人や物に衝突した場合にこれを検知することができる。これにより、不測の負荷がかかったときに、動作を停止する等の回避動作をとることができ、安全である。
　姿勢制御用駆動源３１にトルク検出手段７８を設けることで、荷重検出用のセンサを別に設けることなく、先端側のリンクハブ３３に作用する荷重を推定することができる。その結果、多関節ロボット１のコンパクト化やコスト低減に繋がる。また、リンク作動装置からなる第４の関節部２４の作動範囲内において、特異点がなく全方向にスムーズに動かせる構成である。したがって、先端側のリンクハブ３３に様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用駆動源３１に確実にトルクが伝達され、正確な荷重を推定することができる。
　姿勢制御用駆動源３１が、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３の内部に収納状態で配置されている。これにより、多関節ロボット１の突出部が少なく、コンパクトな構成を実現できる。また、突出部が少ないと、多関節アーム１のアーム部１１～１４同士の干渉を低減できるので、可動範囲を広くとれる。さらに、突出部が少なければ、装置全体の安全性が向上し、人と共存する作業現場で使用することができる。
　第３のアーム部１３をシャフト連結型のアーム部としたことにより、第３のアーム部１３の内部に姿勢制御用駆動源３１を配置し易くなっている。加えて、姿勢制御用駆動源３１の出力軸３１ａが基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと平行となるように姿勢制御用駆動源３１を設置し、姿勢制御用駆動源３１および軸直交型減速機７７が、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５との回転対偶部よりも内径側に配置されている。これにより、姿勢制御用駆動源３１、軸直交型減速機７７等からなる駆動機構部を径方向にコンパクトな構成とすることができるとともに、姿勢制御用駆動源３１を第３のアーム部１３の内部に収納し易くなっている。
　シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３は、内部に空間ができるため軽量化が可能である。また、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３の先端エンド部材９２が、リンク作動装置の基端側のリンクハブ３２の基端部材４０と同一部材である。したがって、部品点数が減り、軽量・コンパクト化を実現できる。
　さらに、シャフト連結型のアーム部である第３のアーム部１３のシャフト９３の個数と姿勢制御用駆動源３１の個数が同じであり、隣り合う姿勢制御用駆動源３１の間にシャフト９３が１つずつ配置されている。これにより、重量的にバランスが取れるうえ、アーム部の中央部に空間ができるので、この空間に配線等を通すことができるという利点がある。
　図８は第２実施形態を示す。第２実施形態の多関節ロボット１は、４つのアーム部１１～１４が直列に並ぶ多関節アーム３を有する点で第１実施形態と同じであるが、以下の点で第１実施形態と異なる。
　すなわち、第３のアーム部１３と第４のアーム部１４とを連結する第４の関節部２４が、第３のアーム部１３に対して第４のアーム部１４を回転軸１０回りに相対回転させる回転機構からなる。第４のアーム部１４の回転駆動は、第３のアーム部１３に設けられた駆動源２４ａにより行う。駆動源２４ａは、例えば、モータである。
　また、第４のアーム４にリンク作動装置からなるエンドエフェクタ支持機構８１が設けられ、このエンドエフェクタ支持機構８１を介してエンドエフェクタ４が支持されている。第４のアーム部１４は、例えば、シャフト連結型のアーム部であり、この第４のアーム部１４の内部に、リンク作動装置の姿勢制御用駆動源３１が内蔵されている。
　その他の構成は、第１実施形態と同じである。第２実施形態の多関節ロボット１は、第１実施形態と同様に、全体で６自由度の構成である。したがって、可動範囲が広く、きめ細かい素早い動作が可能で、しかも、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。
　図９はさらに第３実施形態を示す。第３実施形態の多関節ロボット１は、第１のアーム部１１と第２のアーム部１２とを連結する第２の関節部２２がリンク作動装置で構成され、他の関節部２１，２３，２４は回転機構で構成されている。また、第４のアーム部１４に設けられた先端回転機構８０によりエンドエフェクタ４が支持されている。この第３実施形態も、第１の実施形態と同様に、全体で６自由度の構成である。したがって、可動範囲が広く、きめ細かい素早い動作が可能で、しかも、動作の安全性が高く、人と共存する作業現場で使用するのに適する。
　図１０はさらに第４実施形態を示す。第４実施形態の多関節ロボット１は、１つのベースユニット２に多関節アーム３が２つ設置されている。具体的には、ベースユニット２の互いに対称となる側面に、２つの多関節アーム３の各第１アーム部１１が設置されている。各多関節アーム３は、図１の第１実施形態の多関節ロボット１の多関節アーム３と同じ構成である。
　このように、多関節アーム３を２つ設けることにより、人が両手で行うような作業が可能となる。特に、２つの多関節アーム３をベースユニット２における対称となる面に配置することにより、人と同じような双腕型のロボットの形状となり、人と同じような作業を行うことができる。また、多関節ロボット１が機能不全となった場合、多関節ロボット１を撤去した跡のスペースに人が入り代替して作業を行うことができるので、生産性を大幅に下げることを防止できる。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内またはこれと均等の範囲内のものと解釈される。
１…多関節ロボット
２…ベースユニット
３…多関節アーム
４…エンドエフェクタ
５…設置面
１１…第１のアーム部
１２…第２のアーム部
１３…第３のアーム部（基端側のリンクハブが固定されたアーム部、シャフト連結型のアーム部）
１４…第４のアーム部
２１…第１の関節部（回転機構）
２２…第２の関節部（回転機構）
２３…第３の関節部（回転機構）
２４…第４の関節部（リンク作動装置）
３０…パラレルリンク機構
３１…姿勢制御用駆動源
３２…基端側のリンクハブ
３３…先端側のリンクハブ
３４…リンク機構
３５…基端側の端部リンク部材
３６…先端側の端部リンク部材
３７…中央リンク部材
７７…軸直交型減速機
７８…トルク検出手段
７９…荷重推定手段
９１…基端エンド部材
９２…先端エンド部材
９３…シャフト
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸

Claims (9)

  1. 　ベースユニットと、このベースユニットに設置された多関節アームとを有し、この多関節アームは、基端側から先端側へ複数のアーム部が直列に並び、前記ベースユニットと最も基端側のアーム部、および隣り合うアーム部同士がそれぞれ関節部を介して互いに相対変位可能に連結され、最も先端側のアーム部に搭載されたエンドエフェクタを用いて作業を行う６自由度以上の多関節ロボットであって、
    　前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、この関節部の両側のアーム部同士を互いに直交２軸回りに相対回転させるリンク作動装置からなり、
    　このリンク作動装置は、前記両側のアーム部のうちの基端側のアーム部に固定された基端側のリンクハブに対し先端側のアーム部に固定された先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用駆動源を設けてなり、
    　この姿勢制御用駆動源が、前記基端側のリンクハブが固定された前記アーム部の内部に収納状態で配置されている作動装置を用いた多関節ロボット。
  2. 　請求項１に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータであり、各姿勢制御用駆動源にこの姿勢制御用駆動源にかかるトルクを検出するトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出結果から前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けたリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記姿勢制御用駆動源は回転力を発生させるロータリアクチュエータであり、
    　前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称する場合、
    　前記姿勢制御用駆動源をその出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように設置し、入力側軸と出力側軸とが互いに直交した軸直交型減速機を介して前記姿勢制御用駆動源の回転力を前記基端側の端部リンク部材に伝達し、前記姿勢制御用駆動源および前記軸直交型減速機を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材との回転対偶部よりも内径側に配置したリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記複数のアーム部のうちの少なくとも１つのアーム部は、このアーム部の基端と先端にそれぞれ配置された基端エンド部材と先端エンド部材とを複数本のシャフトで連結したシャフト連結型のアーム部である多関節ロボット。
  5. 　請求項４に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であり、前記シャフト連結型のアーム部の前記先端エンド部材が前記リンク作動装置の前記基端側のリンクハブである多関節ロボット。
  6. 　請求項４または請求項５に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記シャフト連結型のアーム部が前記リンク作動装置からなる関節部の基端側のアーム部であり、前記シャフト連結型のアーム部の前記シャフトの個数と前記姿勢制御用駆動源の個数とが同じであり、隣り合う前記姿勢制御用駆動源の間に前記シャフトを１つずつ配置した多関節ロボット。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記多関節アームは、基端側から先端側へ直列に並ぶｎ個の前記アーム部を有し、基端側から（ｎ－１）のアーム部とｎ番目のアーム部とを連結する関節部、または基端側からｎ番目のアーム部と前記エンドエフェクタとを連結する関節部が、前記リンク作動装置からなる関節部である多関節ロボット。
  8. 　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、１つの前記ベースユニットに前記多関節アームを２つ設置したリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
  9. 　請求項８に記載のリンク作動装置を用いた多関節ロボットにおいて、前記２つの多関節アームは、前記ベースユニットの互いに対称となる面に最も基端側の前記アーム部が設置されているリンク作動装置を用いた多関節ロボット。
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