JP2019206038A - ロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアーム機構において、エンドエフェクタの安全性を向上し、その信頼性を確保するとともにエンドエフェクタの動作を阻害することのない安全対策を実現すること。【解決手段】ロボットアーム機構は、支柱部２と、支柱部に移動自在に支持されるアーム５と、アームの先端に装備される手首部６と、手首部の先端に装着される、フィンガー８１，８２を有するエンドエフェクタ８と、エンドエフェクタの少なくともフィンガー８１，８２の全体を覆う筒形状のカバー９とを具備する。【選択図】 図８

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

従来から多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。発明者らは直動伸縮機構の実用化を達成した（特許文献１）。この直動伸縮機構は極座標形ロボットアーム機構の可動領域を拡大して実用性を高め、そして肘間接がないことから安全性が高く安全柵を不要にして、作業員の隣に設置され作業員との協働作業を実現し得る非常に有益な構造である。

このように作業員の隣に設置されるロボットアーム機構には細部にわたるより高い安全性が求められる。例えばエンドエフェクタとしてロボットハンドをアーム先端の手首部に装着しているとき、作業員は自身の指、手、腕、その他各部がロボットハンドのフォンガーに挟み込まれることのないようロボットハンド本体はもちろん、フォンガーにも接触しないよう安全対策を施す必要がある。そのためにフォンガーやその近傍に接触センサや近接センサを取り付けることが考えられるが、誤動作による安全性の低下は完全には排除できない。またロボットハンドの動作を機械的にもソフト的にも妨害しないことのない仕様が要求される。

特許第5435679号公報

目的は、ロボットアーム機構において、エンドエフェクタの安全性を向上し、その信頼性を確保するとともにエンドエフェクタの動作を阻害することのない安全対策を実現することにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、支柱部と、支柱部に移動自在に支持されるアームと、アームの先端に装備される手首部と、手首部の先端に装着される、フィンガーを有するエンドエフェクタと、エンドエフェクタの少なくともフィンガーの全体を覆う筒形状のカバーとを具備する。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す図である。 図４は、図１のロボットアーム機構を図記号により示す図である。 図５は、図１の手首部に装着されるエンドエフェクタとしてロボットハンドの一例を示す斜視図である。 図６は、図５のロボットハンドの側面図である。 図７は、図５のロボットハンドのカバーの斜視図である。 図８は、図７のカバーの側面図である。 図９は、図７の変形例に係るカバーの斜視図である。 図１０は、図９のカバーの側面図である。 図１１は、図７の他の変形例に係るカバーの斜視図である。 図１２は、図１１のカバーの側面図である。 図１３は、図７のさらに他の変形例に係るカバーの斜視図である。 図１４は、図１３のカバーの側面図である。 図１５は、図１３のカバーの変形例に係る斜視図である。 図１６は、図１３のカバーの変形例に係る斜視図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。
図１、図２は本実施形態に係るロボットアーム機構の外観図である。図３は直動伸縮機構の内部構造を示している。図４はロボットアーム機構を図記号で表している。本実施形態に係るロボットアーム機構は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基台１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は主にエンドエフェクタ（手先効果器）の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。第１関節部Ｊ１は旋回用ねじり関節であり、第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構であり、従って本実施形態に係るロボットアーム機構は極座標形ロボットアーム機構として構成される。

第１関節部Ｊ１は、基台１の接地面に対して垂直な第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的にアーム部５が伸縮する直動伸縮機構である。第４関節部Ｊ４は第３移動軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節である。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

図４に示すように、第２関節部Ｊ２は第１関節部Ｊ１に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１には交差しない。第３関節部Ｊ２は第２関節部Ｊ２に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第３関節部Ｊ３の回転軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２には交差しない。複数の関節部Ｊ１−Ｊ６の根元３軸のうちの一つの曲げ関節部を直動伸縮関節部Ｊ３に換装し、第１関節部Ｊ１に対して第２関節部Ｊ２を２方向にオフセットさせ、第２関節部Ｊ２に対して第３関節部Ｊ３を２方向にオフセットさせることにより、ロボットアーム機構は、特異点姿勢を構造上解消している。

ロボットアーム機構の基台１には概略的に円筒体をなす支柱部２が設置される。支柱部２は上下に分離され、支柱下部３１の上部フレーム２１と支柱上部３２の上部フレーム２２とは第１関節部Ｊ１で接続される。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は例えば鉛直方向に平行である。第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５は水平に旋回する。支柱下部３１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。上部フレーム２２は、第１関節部Ｊ１の回転部に接続され、回転軸ＲＡ１を中心に軸回転する。円筒体をなす支柱部２のフレーム２１，２２の内部中空には後述する第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列５１，５２が収納される。支柱上部３２のフレーム２２上には第２関節部Ｊ２を収容する起伏部４が設置される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は例えば水平である。起伏部４は、第２関節部Ｊ２の固定部としての一対のサイドフレーム２３を有する。一対のサイドフレーム２３は、上部フレーム２２に載置される。一対のサイドフレーム２３にモータハウジングを兼用する第２関節部Ｊ２の回転部としての円筒体２４が支持される。円筒体２４の周面には、支持部（送り出し機構）２５が取り付けられる。送り出し機構２５は、ローラユニット５８、ドライブギア５６、ガイドローラ５７を支持する。送り出し機構２５は、第１、第２コマ列５１，５２を前後移動自在に支持するとともに、第１、第２コマ列５１，５２が前方に移動するとき第１、第２コマ５３，５４を接合させ、第１、第２コマ列５１，５２が後方に引き戻されるとき第１、第２コマ５３，５４を分離させる。円筒体２４の軸回転に伴って送り出し機構２５は回動し、送り出し機構２５のローラユニット５８に支持されたアーム部５が起伏する。

第３関節部Ｊ３を成す直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、従前の直動範囲が限定的であって、直動範囲と同長の引き込み範囲を備えたソリッドな直動関節とは明確に区別される。第１、第２コマ列５１，５２は送り出し機構２５から前方に送り出されるときはその中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿って直線的剛性を確保されてアーム部（柱状体）５に構成される。第１、第２コマ列５１，５２は送り出し機構２５に引き戻されるときはローラユニット５８の後方で屈曲自在な状態に復帰される。

第１コマ列５１は屈曲自在に連結された複数の第１コマ５３からなる。典型的には第１コマ５３は略平板形に構成される。第１コマ５３は平板形状に限定されることはなく、溝状体又は筒状体であってもよく、さらにその横断面形状も、その横断面形状は、コ字形状、ロ字形状といった四角形（矩形）に限定されることはなく、三角形や五角形などの多角形状、さらに円形、楕円形、円や楕円の一部が切り欠かれた円弧形状であっても良い。ここでは第１コマ５３は略平板形に構成されるものとして説明する。

第２コマ列５２は屈曲自在に連結された複数の第２コマ５４からなる。第２コマ５４は典型的には横断面コ字形状の溝状体をなす。第２コマ５４は横断面コ字形状の溝状体に限定されることはなく、他の様々な横断面形状の溝状体又は筒状体を採用する事ができる。例えば第２コマ５４は横断面ロ字形状の筒状体であってもよい。第２コマ５４は溝状体又は筒状体をなし、その横断面形状は、四角形（矩形）に限定されることはなく、三角形や五角形などの多角形状、さらに円形、楕円形、円や楕円の一部が切り欠かれた円弧形状であっても良い。ここでは第２コマ５４は横断面コ字形状の溝状体に構成されるものとして説明する。

後述の通り、第１コマ５３と第２コマ５４は接合される。上述した第１コマ５３と第２コマ５４の各形状のもとで、第１コマ５３と第２コマ５４が接合された状態での横断面の全体形状としては、四角形、三角形、ひし形、台形、それ以外の多角形、Ｈ形、円形、楕円形をなす。

第２コマ５４は底板どうしで屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の屈曲は、第２コマ５４の側板の端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列５２は直線的に配列する。第１コマ列５１のうち先頭の第１コマ５３と、第２コマ列５２のうち先頭の第２コマ５４とは結合コマ５５により接続される。

結合コマ５５はその上部が下部よりも後方に突出した形状を有するブロックである。上部の下部に対する突出長は、第２コマ５４の長さの半分の長さである。上部は第１コマ５３と同厚、下部は第２コマ５４と同厚である。上部に先頭の第１コマ５３が屈曲可能に接続され、下部に先頭の第２コマ５４が屈曲可能に接続される。第１コマ５３同士の連結位置は、第２コマ５４同士の連結位置に対して１／２長ずれている。前後の第２コマ５４の開閉位置（連結位置）は第１コマ５３の前後中央に位置する。この位置に後述するロック機構が装備される。

第１、第２コマ列５１，５２は四角筒体形状のローラユニット５８の上下ローラ５９に押圧されて接合される。接合された第１、第２コマ列５１，５２は柱状のアーム部５を構成する。なお、第１、第２コマ５３，５４がそれぞれ上述した典型的な横断面形状であれば、第１、第２コマ５３，５４は接合により硬直して直線的な柱状体をなす。しかし、第１、第２コマ５３，５４の平面形状が台形形状又は円環形状の一部形状であれば、第１、第２コマ５３，５４は接合により硬直して曲線的な柱状体をなす。

ローラ５９の列の後方にはドライブギア（ピニオン）５６が設けられる。ドライブギア５６は減速器を介して図示しないモータに接続される。第１コマ５３の内壁の幅中央には前後にわたってリニアギア（図示しない）が設けられている。複数の第１コマ５３が直線状に整列されたときに前後のリニアギアは直線状につながって長いリニアギア（ラック）を構成する。ドライブギア（ピニオン）５６は、直線状のリニアギアに噛合される。直線状につながったリニアギアはドライブギア５６とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギア５６が順回転するときアーム部５が前方に伸長する。ドライブギア５６が逆回転するときアーム部５が起伏部４の内部に引き戻され収縮する。ローラユニット５８の後方まで引き戻され、上下ローラ５９による押圧から開放された第１、第２コマ列５１，５２は互いに分離する。分離した第１、第２コマ列５１，５２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１、第２コマ列５１，５２は、起伏部４内でともに同じ方向（第２コマ５４の底板側）に屈曲し、支柱部２の内部に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行な状態で収納される。

アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６は直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

エンドエフェクタは、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部１１に設けられた例えば円盤形のアダプタ７に取り付けられる。エンドエフェクタは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に変化される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが特徴的である。

図５、図６（ａ）、図６（ｂ）にはエンドエフェクタとして例えば複数、典型的には一対の指（フィンガー）８１，８２によりワークを把持する２指把持型ロボットハンドを示している。周知の通り、エンドエフェクタはワーク（作業対象物）に直接的に作用する部分（作用部又は可動部と称される）を備える。本ロボットハンド８では作用部又は可動部として、互いに接近・離反（開閉）するフィンガー８１，８２である。ロボットハンド８に代えて、真空吸着部や電磁石等の様々な作用部又は可動部を備えたエンドエフェクタを適用可能であるのは言うまでもない。

ロボットハンド８の本体（グリッパ）８０は一対のフィンガベースがリニアガイド機構に接近／離反する方向に移動自在に設けられてなる。一対のフィンガベースには一対のフィンガー８１，８２がそれぞれ取り付けられる。一対のフィンガー８１，８２の指間距離は一対のフィンガベースの可動範囲（ストローク）で変化する。例えば把持対象物（ワーク）のサイズに応じて一対のフィンガー８１，８２の最小の指間距離が決定され、それに従ってフィンガベースへのフィンガー８１，８２の取り付け位置が調整される。一対のフィンガー８１，８２が最も離反したときの一対のフィンガー８１，８２の総幅（外幅、外寸）を、一対のフィンガー８１，８２の一方の外側面から他方の外側面までの間の距離（最大幅）をＷmaxと表記し、一対のフィンガー８１，８２が最も接近したときの一対のフィンガー８１，８２の総幅を一対のフィンガー８１，８２の最小幅をＷminと表記する。

図７、図８に示すようにハンドカバー９はエンドエフェクタの少なくともフィンガー（可動部）８１，８２の全体をその先端まで覆う長さであって、一対のフィンガー８１，８２の最大幅Ｗmaxよりも少し長い内径（内寸）の円筒形状に構成される。ハンドカバー９の先端部分は、把持対象物の全体又は一部がハンドカバー９を導通可能な直径で開口されている。

なお、筒形状とは、把持対象物（ワーク）が導通できる大きさで先端が開口し、後端はグリッパ８０又はアダプタ７への取り付け部分として開口している中空形状として定義され、円筒形状に限定されず、角筒形状を含み、さらに半球形状、箱形状等を含んでいるものである。

ハンドカバー９によりフィンガー８１，８２がその先端まで覆われているため、作業員の指、手、腕、その他各部はフィンガー８１，８２に接触する前にハンドカバー９に必ず接触することとなる。従って作業員の指、手、腕、その他各部がフィンガー８１，８２に挟み込まれる事態を回避する事ができ、安全性を大幅に向上できることはもちろん、近接センサや接触センサを用いた電気的、ソフト的な対策ではないため誤動作が生じる恐れが本質的になく、その信頼性を高いレベルで安定して確保することが可能となる。またハンドカバー９は、フィンガー８１，８２で把持対象物をピックアップし、移送し、リリースするタスクを阻害する事態は生じない。

本発明のコンセプトは、カバー９でエンドエフェクタのフィンガー８１，８２等の可動部（作用部）をその先端まで全体を、把持対象物の全体又は一部分とともに覆うことにより高い信頼性のもとで高レベルの安全性を確保することにある。このコンセプトの範疇には、カバー９が円筒形状以外にも様々な形状であることを含んでいる。例えば、カバー９は円筒形であることに限定されず、三角、四角、五角、六角、八角等の角筒形であってもよいし、把持対象物の形状に合わせて半球形状、箱形状等であってもよい。またカバー９の内寸はフィンガー８１，８２の最大幅Ｗmaxよりも少し長いと上述したが、カバー９の内寸は把持対象物の寸法に応じてフィンガー８１，８２の最大幅Ｗmaxよりも大幅に長いものであってもよい。またカバー９でエンドエフェクタのフィンガー８１，８２等の可動部（作用部）をその先端まで全体を覆うものとして上述したが、フィンガー８１，８２等の可動部（作用部）を、エンドエフェクタのグリッパ等の本体８０とともに覆う、つまりエンドエフェクタの全体を覆うように校正しても良い。以下具体的に説明する。

図９、図１０に示すようにハンドカバー９−１は一対のフィンガー８１，８２の最大幅Ｗmaxよりも大きな把持対象物１０１の直径よりも長い内径の円筒部分と円錐部分とが結合された形状である。円滑なピッキングタスクの実現との観点から、ハンドカバー９−１の内径は一対のフィンガー８１，８２の最大幅Ｗmaxの１．５乃至３倍の範囲であることが望ましい。

また図１１、図１２に示すように把持対象物１０２が例えば前後に長い棒体や直方体である場合にはハンドカバー９−２は把持対象物１０２の長さ及び幅より少し長い内寸の箱形状に構成される。

また図１３、図１４に示すようにハンドカバー９はフィンガー８１，８２とともに本体（グリッパ）８０を覆う長さの筒形状であってもよい。さらにハンドカバー９は典型的には一定径の円筒形であるが、図１５に示すように先端部分９１が階段状に又は図１６に示すように先端部分９２が円錐状に幅拡されているものであってもよい。その場合、エンドエフェクタのハンド等の作用部の様々な形状や動きに対応することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

８…ロボットハンド、９…ハンドカバー、８０…グリッパ、８１，８２…フィンガー。

Claims (10)

1. 支柱部と、
   前記支柱部に移動自在に支持されるアームと、
   前記アームの先端に装備される手首部と、
   前記手首部の先端に装着される、可動部を有するエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタの少なくとも前記可動部の全体を覆う筒形状のカバーとを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記カバーは前記可動部に干渉しないように前記可動部の最大幅よりも長い内径を有することを特徴とする請求項1記載のロボットアーム機構。
3. 前記エンドエフェクタは、少なくとも一対のフィンガーにより把持対象物を把持する把持型ロボットハンドであることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 前記カバーは円筒形状又は角筒形状であることを特徴とする請求項1記載のロボットアーム機構。
5. 前記カバーは先方に向かって階段状又は円錐状に拡がる形状を有することを特徴とする請求項４記載のロボットアーム機構。
6. 前記カバーは可撓性材料で構成されることを特徴とする請求項1記載のロボットアーム機構。
7. 支柱部と、
   前記支柱部に移動自在に支持されるアームと、
   前記アームの先端に装備される手首部と、
   前記手首部の先端に装着されるエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタをその先端まで覆う筒形状のカバーとを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
8. 支柱部と、
   前記支柱部に移動自在に支持されるアームと、
   前記アームの先端に装備される手首部と、
   前記手首部の先端に装着され、把持対象物を把持部により把持するエンドエフェクタと、
   前記把持部の全体を前記把持対象物の少なくとも一部とともに覆うカバーとを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
9. 可動部と、
   前記可動部を支持する本体と、
   前記可動部の全体を覆う筒形状を有するカバーとを具備することを特徴とするロボットハンド。
10. ロボットアーム又は前記ロボットアームの先端に装備される手首部に装着可能な、可動部を有するエンドエフェクタのカバーであって、前記可動部の全体を覆う筒形状を有することを特徴とするエンドエフェクタカバー。

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