JP5353500B2 - ロボット - Google Patents

Description

本発明は、力制御機能を備えたロボットに関する。

自動車や家電製品などの工業製品の組立作業は、従来人手に頼っており、作業の自動化が求められている。
従来人手で行なわれる作業は、複数の部材を嵌合させる嵌合作業や力倣い作業（具体的に）や部材を一定の力で別の部材に押し付ける作業等、比較的繊細な動作を必要とする作業が多く、かかる作業を人に代わってロボットで行う場合、ロボットが、取り扱う部材（ワーク）を取り扱う力（外力という）を高精度に制御する必要がある。
ロボットにより力を制御する手法として、特許文献１には、ロボットのアームの表面に感圧センサ等の接触センサ等を取り付けて、アームに作用する外力を測定し、測定結果に基づいてロボットの各関節の駆動部（アクチュエータ）を制御するものが開示されている。
また、特許文献２には、ロボットの手首部に６軸力覚センサを取り付け、ハンド部においてワークが受ける力及びモーメントを求め、これに基づいて各駆動部の駆動量を制御する技術が開示されている。

特許第３３８３６１４号 特開２００８−３０７６３４

ところで、特許文献１のごとく、アームの表面にセンサ等を取り付ける構成で、十分な精度で外力を測定してロボットを制御するためには、本来、センサはアクチュエータの近傍に配置されることが好ましい。アクチュエータの近傍において外力を測定することで、より正確にアクチュエータ部分にかかる外力を検出することができる。

しかしながら、複数の方向の力の方向を検出するためには、アームの径方向に複数のセンサを設ける必要があり、各センサから制御装置へと接続される配線が数多く必要となる。即ち、かかる配線をアクチュエータの近傍のアームの内部に収めるためには配線の処理が複雑となってしまう。また、センサの配線がアクチュエータの近傍等の狭いスペースに配索されるので、アクチュエータの動作等によって配線が大きく変形することが考えられる。配線の変形等が大きくなると測定信号にノイズが多く含まれ、却って検出精度が低下してしまう。

また、特許文献２のごとく、ロボットの手首部に力覚センサを取付ける場合には、力覚センサのサイズ分だけロボットアームの手首部の寸法が長くなってしまう。手首部の寸法が長くなると、ロボットのハンド部がワークに接触する位置（即ち、作用点）とロボットアームの支持機構（即ち、支点）との距離が大きくなり、ロボットアームの支持機構にかかる負荷トルクが増大するため、力覚センサを取り付けない場合と比較してロボットの可搬能力が低下するという課題が生じる。

本発明は、上記従来の課題に鑑み創案されたもので、ロボットの可搬能力を維持しながらも精度良く外力を制御することができるようにした、ロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
本願発明（請求項１）は、管状に形成された円筒部を有する第１アーム構造材と、前記第１アーム構造材に対して回転可能に前記第１アーム構造材の先端側に接続された第２アーム構造材と、前記円筒部の内側に固定され、前記第１アーム構造材に対して前記第２アーム構造材を回転するアクチュエータと、前記円筒部の部材内部に埋設され、当該第１アーム構造材にかかる荷重を測定する荷重センサと、前記荷重センサの検出結果に基づいて、前記アクチュエータの動作を制御するコントローラと、前記円筒部の部材内部のうち前記アクチュエータと対向する領域に形成され、前記荷重センサが配置されるセンサ孔と、前記円筒部の部材内部に形成され、前記荷重センサから前記コントローラに接続されるセンサラインを、前記センサ孔から前記円筒部の延伸方向に沿った経路を経由して前記第１アーム構造材の基端側の内部空間に導入する配線孔と、を備えていることを特徴としている。
また、前記第１アーム構造材の基端側の前記内部空間に前記荷重センサの信号を増幅する増幅器が設置されていることが好ましい（請求項２）。
また、前記アクチュエータは、その回転軸中央に中空孔を有し、当該中空孔には配線が結束されたハーネスが挿通されており、前記増幅器からの配線が前記ハーネスに合流していることが好ましい（請求項３）。
また、前記荷重センサが前記円筒部の断面をなす円の周方向に等間隔で複数配置されていることが好ましい（請求項４）。
また、前記荷重センサが前記円筒部の断面をなす円の周方向に等間隔で３つ配置されていることが好ましい（請求項５）。
また、前記荷重センサは、前記第１アーム構造材の変形による歪みを検出する歪みセンサであることが好ましい（請求項６）。

本発明によれば、荷重センサがアーム構造材の部材内部に埋設されているので、アーム構造材の撓み等を荷重センサが精度良く検出することができる。また、荷重センサを手首部（即ち、アームの先端）設ける必要がないので、手首部にセンサを設けることにより、手首部の寸法が長くなってロボットの可搬能力が低下するという不都合が生じることもない。
さらに、センサラインが配線孔を通ってアームの内部空間に導入されるので、センサラインがアーム構造材により支持され、ロボットが稼動しても配線孔の内部にあってはセンサラインの変形が小さくてすみ、センサラインの変形によるノイズの発生や断線等の不都合を防止することができる。
したがって、簡単で信頼性の高い構成で、ロボットに加わる外力を制御するための最良の形態を提供することができる。

実施形態にかかるロボットの先端側をより詳細にしめした図 実施形態にかかるロボットの模式的な正面図 図１のＡ−Ａ断面を示す模式的な断面図

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２に示すように、本実施形態にかかるロボット（アーム）９は、基台１，アーム構造材２〜７，フランジ部８，アクチュエータ（関節部）１１〜１７及びコントローラ２０を有して構成されている。なお、これらの基台１，アーム構造材２〜７及びアクチュエータ（関節部）１１〜１７で多関節のアームが形成される。
基台１は、フロア（あるいは、天井等の固定面）に図示しないアンカーボルトで固定されている。
アーム構造材２〜７は、例えば、金属鋳物等で形成された構造支持部材であり、それぞれ基台１から順に直列に配置されている。

基台１とアーム構造材２との間には、基台１とアーム構造材２とを矢印１１Ａ方向に回転可能なアクチュエータ（関節部）１１が介装されている。また、各アーム構造材２〜７の連結部にはそれぞれアクチュエータ１２〜１６が介装されている。さらに、アーム構造材７の先端側にはアクチュエータ１７が内蔵されている。
各アクチュエータ１１〜１７はそれぞれサーボモータ及び減速機並びにブレーキを有しており、制御装置２０からの信号に応じて動作を制御されるようになっている。

即ち、アクチュエータ１１の駆動によりアーム構造材２とこれに支持されているアーム構造材３〜７が矢印１１Ａ方向に旋回し、アクチュエータ１２の駆動によりアーム構造材３とこれに支持されているアーム構造材４〜７が矢印１２Ａ方向に旋回し、アクチュエータ１３の駆動によりアーム構造材４とこれに支持されているアーム構造材５〜７が矢印１３Ａ方向に旋回し、アクチュエータ１４の駆動によりアーム構造材５とこれに支持されているアーム構造材６，７が矢印１４Ａ方向に旋回し、アクチュエータ１５の駆動によりアーム構造材６とこれに支持されているアーム構造材７が矢印１５Ａ方向に旋回し、アクチュエータ１６の駆動によりアーム構造材が矢印１６Ａ方向に旋回するようになっている。
また、アクチュエータ１７の駆動によりフランジ８が矢印１７Ａ方向に旋回するようになっている。なお、隣接するアクチュエータ１１〜１７の回転軸は互いに直交している。

フランジ８には、図示省略の冶具が設けられており、フランジ８に冶具を介してエンドエフェクタを着脱できるようになっている。
ロボット９（制御装置２０）は、各アクチュエータ１１〜１７と、フランジ８に装着される図示しない種々のエンドエフェクタとの動作をそれぞれ制御して、嵌合作業、力倣い作業、押し付け作業等の種々の作業を行うようになっている。これらの力制御についての詳細な説明については省略する。

各アクチュエータ１１〜１７はそれぞれ回転軸１１Ａ〜１７Ａ中央に中空孔が設けられており、各中空孔には、それぞれアクチュエータ１１〜１７及びエンドエフェクタに接続される配線が結束されたハーネス１９が挿通されている。また、ハーネス１９は基台１からロボット９の外部へ導出され、制御装置２０及び図示しない電源装置に接続されている。

図１に示すように、ロボット９の最も先端側のアーム構造材７とアーム構造材７を支持するアーム構造材６の部材内部には、それぞれセンサ（荷重センサ）２１，２２が埋設されている。
各センサ２１,２２は、歪み量を測定可能な歪みセンサであり、それぞれアーム構造材６，７の変形量を測定できるようになっている。

より詳しく説明すると、図３にも示すように、センサ２１は、アクチュエータ１７を支持するように円筒状に形成されたアーム構造材７の円筒部７Ａの部材内部に設けられたセンサ設置用孔２１Ａの内部に配設されている。また、センサ２１は円筒部７Ａの断面をなす円の径方向（アクチュエータ１７の回転軸を中心とする円弧）に沿って３箇所等間隔に設置されている。
これら３個のセンサ２１により３箇所の変形量から制御装置２０により各方向Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚは互いに直交する）の３方向成分の力を算出するようになっている。
なお、断面を図示していないが、センサ２２は、アクチュエータ１６を支持するアーム構造材６の円筒部６Ａの部材内部に設けられたセンサ設置用孔の内部に３箇所等間隔に設置されている。

各センサ２１のセンサ設置用孔２１Ａからは、ロボット９の基端側には配線用の配線孔２１Ｂが設けられ、センサ２１からの配線（以下、センサラインという）２１Ｃをアクチュエータ１７よりも基端側のアーム構造材７内部空間側に導くようになっている。
また、アクチュエータ１７よりも基端側のアーム構造材７内部空間には、センサライン２１Ｃからの信号を増幅するアンプ１０が各センサライン２１Ｂに対応して設けられており、各アンプ１０からの配線はハーネス１９に合流するようになっている。

同様に各センサ２２のセンサ設置用孔からは、ロボット９の基端側には配線用の配線孔が設けられ、センサ２２からのセンサラインがアクチュエータ１６よりも基端側のアーム構造材６の内部空間側に導かれ当該内部空間には、センサラインからの信号を増幅するアンプ１０が設けられ、各アンプ１０からの配線はハーネス１９に合流するようになっている。

本実施形態のロボットはこのように構成されているので、アクチュエータ１７の周囲に等間隔に配置された３個のセンサ２１により、アクチュエータを支持する円筒部７Ａにおいて、アーム構造材７に生じる撓み（歪み）からアーム構造材７により支持される力を精度良く検出することができる。
また、各センサ２１からのセンサライン２１Ｃがアーム構造材７の部材内部に設けられた配線孔２１Ｂを通ってアクチュエータ１７の基端側のスペースまで導かれるので、ロボット９が動作してもセンサライン２１Ｃがアーム構造材７により支持されるため、過度な変形が生じることなく、安定して外力を検出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明にかかるロボットは上述の実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して適用可能である。
例えば、上述の実施形態では荷重センサをアクチュエータの回転軸を中心とする円弧に沿って３個等間隔に配置しているが、センサの数量や設置の場所について実施形態のものに限定されるものではない。
また、実施形態では、荷重センサをロボット先端側の２個のアーム構造材にのみ取付けた例について説明したが、荷重センサは一のアーム構造材にのみ取り付けてもよく、また、全てのアーム構造材（基台も含む）に取り付けてもよい。

１ 基台
２〜７ アーム構造材
７Ａ 円筒部
８ フランジ
９ ロボット
１０ アンプ
１１〜１７ アクチュエータ
１９ ハーネス
２０ 制御装置
２１，２２ センサ（荷重センサ）
２１Ａ センサ（荷重センサ）
２１Ｂ 配線孔
２１Ｃ センサライン

Claims (6)

1. 管状に形成された円筒部を有する第１アーム構造材と、
   前記第１アーム構造材に対して回転可能に前記第１アーム構造材の先端側に接続された第２アーム構造材と、
   前記円筒部の内側に固定され、前記第１アーム構造材に対して前記第２アーム構造材を回転するアクチュエータと、
   前記円筒部の部材内部に埋設され、当該第１アーム構造材にかかる荷重を測定する荷重センサと、
   前記荷重センサの検出結果に基づいて、前記アクチュエータの動作を制御するコントローラと、
   前記円筒部の部材内部のうち前記アクチュエータと対向する領域に形成され、前記荷重センサが配置されるセンサ孔と、
   前記円筒部の部材内部に形成され、前記荷重センサから前記コントローラに接続されるセンサラインを、前記センサ孔から前記円筒部の延伸方向に沿った経路を経由して前記第１アーム構造材の基端側の内部空間に導入する配線孔と、を備えている
   ことを特徴とする、ロボット。
2. 前記第１アーム構造材の基端側の前記内部空間に前記荷重センサの信号を増幅する増幅器が設置されている
   ことを特徴とする、請求項１記載のロボット。
3. 前記アクチュエータは、その回転軸中央に中空孔を有し、当該中空孔には配線が結束されたハーネスが挿通されており、
   前記増幅器からの配線が前記ハーネスに合流している
   ことを特徴とする請求項２記載のロボット。
4. 前記荷重センサが前記円筒部の断面をなす円の周方向に等間隔で複数配置されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット。
5. 前記荷重センサが前記円筒部の断面をなす円の周方向に等間隔で３つ配置されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット。
6. 前記荷重センサは、前記第１アーム構造材の変形による歪みを検出する歪みセンサである
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット。

Images