JP7765975B2 - 駆動機構、ロボットアーム及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動機構、ロボットアーム及び駆動方法に関する。

メカニカル・コンプライアンスを実現するロボットの駆動機構として、直列弾性アクチュエータが知られている。直列弾性アクチュエータをロボットアームに搭載することにより、ロボットアームが人、ワーク、設備等の障害物に衝突しても、直列弾性アクチュエータの弾性体が衝撃を吸収することから、衝突に伴う被害を抑制することが可能となる。さらに接触時に発生するトルク変動を直列弾性アクチュエータの弾性体が吸収するから、ロボットアームがワークを把持してクリアランスの少ない嵌合対象物に挿入して組み付ける作業や、ロボットアームが清掃ブレードを把持して窓の表面を接触させながら走査して掃除する作業等、以前は困難であった作業等を実現することが可能となる。

しかしながら、直列弾性アクチュエータはバネ等の弾性体を搭載していることから、一般的に制御が困難である。特に弾性体の最低共振周波数が小さい場合、ロボットアームによって保持されるワークが重いと、通常の古典的制御理論に基づいたフィードバック制御では、弾性体が振動したりロボットアームの位置精度が悪化したりするといった問題が生じ得る。

そこで直列弾性アクチュエータの制御が困難な作業においては、従来より広く知られている剛性の高い駆動機構を搭載したロボットアームが使用されている。ロボットアームの剛性を高めることにより振動や位置精度の悪化を抑制することが可能となる。

しかしながら、ロボットアームが障害物に衝突して損傷させてしまうことがある。特許文献１には、剛性の高い駆動機構を搭載したロボットアームが周囲の障害物に衝突して人を含む障害物を損傷させてしまうという課題を解決するためのフェイルセーフ機構が記載されている。具体的には、ロボットアームの２つのリンクを接続する関節部に、ギヤの入力側の角度を検出するための第１の位置センサと、出力側の角度を検出するための第２の位置センサとを備えたロボットアームが記載されている。

特表２０１７－５０７０４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるロボットアームにおいても、衝突によって制御が間に合わないタイミングで瞬間的に大きな衝撃が生じれば、ワークや人等の障害物の損傷は避けられない。特に安全柵等、物理的に人がロボット稼働エリアに入らないで運用される産業用ロボットであっても、ロボットの修理やティーチング修正等、非定常作業ではロボット可動範囲内に人が立ち入る事になるので、ロボットの予期せぬ動き等で人に対する障害の可能性は極めて大きく、実際に、日本国内では多数の事故事例が存在する。

そこで本発明は、剛性の高さを実現しつつ、かつ、衝突による衝撃の吸収を可能とする駆動機構、ロボットアーム及び駆動方法を提供することを目的とする。

本出願は、駆動可能に構成された駆動部と、前記駆動部に設けられた係合部と、被駆動部と、前記被駆動部に設けられ、前記係合部と係合することにより前記被駆動部を駆動可能に構成された被係合部と、前記係合部と前記被係合部との距離に基づいた弾性力を、前記係合部と前記被係合部との距離を小さくする方向に前記被駆動部に対して作用可能に構成された弾性体とを備える駆動機構を開示する。

前記弾性体は、前記係合部及び前記被係合部に接続されており、前記係合部と前記被係合部とが係合した状態で、前記駆動部が前記被駆動部を駆動させる第１動作モードと、前記係合部と前記被係合部とが係合していない状態で、前記駆動部が前記弾性体を介して前記被駆動部を駆動させる第２動作モードを実行可能に構成されてもよい。

回転方向に所定値以上の力が作用したときに、前記係合部と前記被係合部との係合は、解除可能に構成されていてもよい。

前記係合部と前記被係合部とを係合させるための弾性力を、前記係合部又は前記被係合部に対して作用可能に構成された第２弾性体と、前記第２弾性体から前記係合部又は前記被係合部に対して作用する弾性力を調整して前記係合部と前記被係合部との係合を解除可能に構成された調整機構とを備えてもよい。

前記駆動部は、前記駆動部の回転軸を中心軸とする環状部を備え、前記被駆動部は、前記環状部に包囲され、前記回転軸を中心軸とする柱状部を備え、前記係合部は、前記環状部に設けられ、外径方向に窪む凹部を備え、前記被係合部は、前記柱状部に設けられ、外径方向に突出して前記凹部と接触する凸部を備えてもよい。

本出願は、駆動機構と、前記駆動機構の前記駆動部が設けられる第１リンクと、前記駆動機構の前記被駆動部が設けられる第２リンクとを備えるロボットアームを開示する。

さらに本出願は、駆動可能に構成された駆動部に設けられた係合部と、被駆動部に設けられた被係合部とが係合した状態で前記駆動部が駆動することにより、前記被駆動部を駆動させるステップと、前記係合部と前記被係合部との係合が解除されるステップと、前記係合部と前記被係合部との距離に基づいた弾性力を、前記係合部と前記被係合部との距離を小さくする方向に前記被駆動部に対して作用させるステップと、前記駆動部に対して前記被駆動部を移動させて、前記係合部と前記被係合部とを係合させるステップとを含む駆動方法を開示する。

一実施形態に係るロボットアームの模式図である。 一実施形態に係る駆動機構を回転軸に垂直な平面で切断した模式的な断面図である。 一実施形態に係る駆動機構の駆動方法を示す模式図である。 一実施形態に係る駆動機構の駆動方法を示す模式図である。 一実施形態に係る駆動機構の駆動方法のフローチャートである。 一実施形態に係る駆動機構の駆動方法において係合が解除される場面を示す模式図である。 他の実施形態に係る駆動機構の模式図である。 他の実施形態に係る駆動機構の駆動方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施形態のみに限定する趣旨ではない。

［第１実施形態］

図１は本実施形態に係る駆動機構３０が搭載されたロボットアーム２０の模式図である。なお説明の便宜上、同図の駆動機構３０は断面図で示されている。

ロボットアーム２０は、多関節（例えば７軸）からなる垂直型の多関節ロボットアームであり、ベース（不図示）と、ベースに接続される複数のリンクを備えている。リンクは、次のリンクを回転軸に従って回転させるためにリンクに対して回転可能に設けられたアクチュエータＡ（図３）を備えている。

図１には、ロボットアーム２０が備える複数のリンクのうちの一のリンクＬ１に設けられリンクＬ１に対して回転可能に構成されたアクチュエータＡの出力部Ｏ１（「駆動部」の一例）と、出力部Ｏ１と係合することによって出力部Ｏ１の回転に伴って回転可能に構成された入力部Ｉ２（「被駆動部」の一例）を備えるリンクＬ２と、リンクＬ２に設けられリンクＬ２に対して回転可能に構成されたアクチュエータの出力部Ｏ２（「駆動部」の一例）と、出力部Ｏ２と係合することによって出力部Ｏ２の回転に伴って回転可能に構成された入力部Ｉ３（「被駆動部」の一例）とを備えるリンクＬ３を示している。同様に他のリンクは、基端側のリンクが備えるアクチュエータと係合する入力部と、先端側のリンクが備える入力部と係合することによって先端側のリンクを回転させるためのアクチュエータの出力部とを備えてよい。更に先端のリンク（例えばリンクＬ３）には、被保持物を保持するためのグリッパ等の保持手段が搭載されてよい。

図２は本実施形態に係る駆動機構３０が備える出力部Ｏ１及び入力部Ｉ２の回転軸ＡＸ１に垂直な平面で切断した断面図を示している。

アクチュエータの出力部Ｏ１は、入力部Ｉ２に駆動力を伝達することにより入力部Ｉ２及びこれと一体的に設けられたリンクＬ２を駆動する部位である。同図に示されるように、本実施形態に係るアクチュエータの出力部Ｏ１は、回転軸ＡＸ１を中心軸として環状に形成された部分（以下、「環状部」という場合がある。）を備えている。アクチュエータにより出力部Ｏ１は、回転軸ＡＸ１を回転軸としてリンクＬ１に対して回転可能に構成されている。ここでアクチュエータは、ロボットアームに搭載されるアクチュエータとして知られた手段を適用することが可能であり、例えば、各リンクを駆動するためのアクチュエータは、電動機であるサーボモータから構成されてよい。

リンクＬ１のアクチュエータの出力部Ｏ１には、リンクＬ２の入力部Ｉ２と係合するための係合部Ｅ１が設けられている。本実施形態に係る係合部Ｅ１は、環状をなす出力部Ｏ１の内周面に設けられ、外径方向に窪む凹部Ｒ１１を備えている。

一方で入力部Ｉ２及びこれと一体的に設けられたリンクＬ２は、アクチュエータの出力部Ｏ１の駆動力が伝達されることにより、駆動される部位（被駆動部）である。同図に示されるように、本実施形態に係る入力部Ｉ２は、出力部Ｏ１の環状部に包囲され、回転軸ＡＸ１を中心軸とする柱状（例えば円柱状）に形成される部分（以下「柱状部」という場合がある。）を備えている。

リンクＬ２の入力部Ｉ２には、リンクＬ１の出力部Ｏ１と係合するための被係合部Ｅ２が設けられている。本実施形態に係る被係合部Ｅ２は、柱状部の外周面に設けられ、外径方向に突出する凸部Ｐ２１を備えている。

本実施形態においてはこのような凸部Ｐ２１を備えた構成をプランジャにより実現している。プランジャは、リンクＬ２と一体的に回転可能に設けられ、柱状部の外周面から回転軸ＡＸ１に略垂直な外径方向に延伸して設けられた筒部Ｐ２１Ｃと、筒部Ｐ２１Ｃの内周面によって支持され、一部が筒部Ｐ２１Ｃから突出した状態で筒部Ｐ２１Ｃに支持されるボールＰ２１Ｂと、ボールＰ２１Ｂと筒部Ｐ２１Ｃの内底面との間に挿入され、ボールＰ２１Ｂを筒部Ｐ２１Ｃの先端方向に付勢するスプリングＰ２１Ｓ（「第２弾性体」の一例。図６）とを備える。

以上のような構成によればボールＰ２１ＢはスプリングＰ２１Ｓによって外径方向に付勢されているから、出力部Ｏ１の凹部Ｒ１１に入力部Ｉ２の凸部であるボールＰ２１Ｂを接触させることにより出力部Ｏ１に設けられた係合部Ｅ１と、入力部Ｏ２の被係合部Ｅ２とを係合させた状態（以下、「ロック状態」と呼ぶ場合がある。）で、出力部Ｏ１から入力部Ｉ２に駆動力を伝達することが可能となる。

更に、後述するように周方向に大きな力が入力部Ｉ２又は出力部Ｏ１に作用したときに、出力部Ｏ１の係合部Ｅ１と入力部Ｉ２の被係合部Ｅ２とは、係合を解除可能にも構成されている。スプリングＰ２１Ｓは内径方向に圧縮できるから、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との係合が解除されるとき、入力部Ｉ２のボールＰ２１Ｂは、係合部Ｅ１から外れて環状部の円筒状の内周面に乗り上げる。スプリングＰ２１Ｓは圧縮状態を維持するため、入力部Ｉ２のボールＰ２１Ｂは、出力部Ｏ１の内周面を外径方向に押圧する。

なお係合部Ｅ１及び被係合部Ｅ２の構成は、本実施形態に示されるものに限られるものではない。例えば、係合部が内径方向に突出する凸部を有し、被係合部が内径方向に窪む凹部を有してもよい。またボールプランジャに替えて、電磁摩擦クラッチ等の電磁力を利用したトルク伝達機構、流体クラッチ等の流体を利用したトルク伝達機構、磁性粉体クラッチ等の磁性体を利用したトルク伝達機構、力リミッタ機構、リンクロック機構乃至動力付ロック機構等の知られた構成を採用してもよい。また、入力部を柱状に出力部を環状に形成してもよいし、係合部及び被係合部をその他の形状から実現してもよい。ただし後述するようにボールプランジャ等のメカニカルロック機構を使用した場合、回転方向に所定値未満の力が作用する限りは、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間のロック状態を維持することが可能で、電気や圧縮空気等外部駆動力を必要としない為、外部駆動力のトラブル等に依存しない。

駆動機構３０は更に、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離に基づいた弾性力を、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離を小さくする方向に入力部Ｉ２に作用する弾性体を備えている。本実施形態においてはこのような弾性体として一端が出力部Ｏ１に接続され他端が入力部Ｉ２に接続される第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２を備えている。さらに具体的に説明すると、出力部Ｏ１の環状部には、所定の中心角（例えば３０度以上９０度以下）を有する領域にわたって内周面から外径方向に窪んだ凹部（以下、「第２凹部Ｒ１２」という場合がある。）が形成され、一方で入力部Ｉ２には、第２凹部Ｒ１２に囲まれる領域に一部が存在するように第２凹部Ｒ１２の底面に近接して外径方向に突出した凸部（以下、「第２凸部Ｐ２２」という場合がある。）が形成される。

そして一方の弾性体である第１ばねＳ１１は、一端が第２凹部Ｒ１２の側面（周方向を向いた面）に接続され他端が第２凸部Ｐ２２の側面（第２凹部の壁面に周方向に対向する面）に接続されて周方向に延在し、他方の弾性である第２ばねＳ１２は、一端が第２凹部Ｒ１２の他方の側面（周方向を向いた面）に接続され他端が第２凸部Ｐ２２の他方の側面（第２凹部Ｒ１２の壁面と周方向に対向する面）に接続されて周方向に延在する。さらに第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合しているとき自然長となるように構成されている。

以上のような構成によれば係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合しているとき第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２は、自然長であることから入力部Ｉ２に弾性力をほとんど作用させない。しかしながら、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との係合が解除されたとき第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２の一方は圧縮し他方は伸長することにより、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離を小さくする弾性力をそれぞれ入力部Ｉ２に作用させる。

なお弾性体の構成は、本実施形態に示されるものに限られるものではない。例えば、用途に応じてばねの数を１本にし、又は、３本以上にしてもよい。ただしばねの数が１本の場合と比較して、複数のばねを対称的に設けることにより安定性を高めることが可能となる。

また係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合する位置において第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２は必ずしも自然長でなくてもよく、例えば、圧縮乃至伸長していてもよい。複数のばねから入力部Ｉ２に作用する力の合力がゼロであれば、例えば、第１ばね及び第２ばねを圧縮ばねとして設けても、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合する位置において安定するように入力部Ｉ２を支持することが可能となる。

本実施形態に係る駆動機構３０は更に弾性体による振動を減衰するための減衰要素を備えている。本実施形態においてはこのような減衰要素として一端が出力部Ｏ１に接続され他端が入力部Ｉ２に接続される第１ダンパＤ１１及び第２ダンパＤ１２を備えている。さらに具体的に説明すると、一方の減衰要素である第１ダンパＤ１１は、一端が第２凹部Ｒ１２の側面（周方向を向いた面）に接続され他端が第２凸部Ｐ２２の側面（第２凹部Ｒ１２の壁面に周方向に対向する面）に接続されて周方向に延在し、他方の弾性である第２ダンパＤ１２は、一端が第２凹部Ｒ１２の他方の側面（周方向を向いた面）に接続され他端が第２凸部Ｐ２２の他方の側面（第２凹部Ｒ１２の壁面と周方向に対向する面）に接続されて周方向に延在する。

更に駆動機構３０は係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量及び変位量に基づく荷重を取得するための変位センサＳＥ１を備える。変位センサは、例えば、スケールや磁石等の被読み取り部と、スケールに対するリードヘッドや磁石に対するホール素子等の読み取り部とを備えてよく、被読み取り部又は読み取り部の一方は第２凹部Ｒ１２（例えばロック状態において、第２凹部Ｒ１２のうち第２凸部Ｐ２２に近接する位置）に設けられてよく、他方は第２凸部Ｐ２２に設けられてよい。変位センサＳＥ１は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量を取得可能であるから、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合しているロック状態であるか、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合していない非ロック状態（ロック脱状態）であるかを検出することが可能である。また、非ロック状態において、変位センサＳＥ１は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量を取得することが可能であるから、変位量に基づいて弾性体（第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２）から作用する弾性力を取得することが可能である。

加えて駆動機構３０は、出力部Ｏ１と入力部Ｉ２との間に生じる負荷トルク（又は荷重）を検出するためのセンサＳＥ２を備えている。特に本実施形態におけるロック状態において、第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２は自然長であり、また、変位センサＳＥ１は係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量はゼロであるから、出力部Ｏ１と入力部Ｉ２との間に生じる負荷トルクに関する情報を取得することが困難である。そこで特にロック状態において、制御装置１０は、センサＳＥ２が検出した負荷トルクに関する情報を取得し、センサＳＥ２が検出した負荷トルクに関する情報に基づいてロボットアーム２０を制御可能に構成されている。センサＳＥ２は、例えば、プランジャ支持部材（例えば筒部Ｐ２１Ｃ）に取り付けられるひずみゲージから構成されてよい。
なお駆動機構３０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間に作用する荷重を検出するためのセンサをさらに有してもよい。センサＳＥ２は、例えば、スプリングＰ２１Ｓのひずみ量を取得するひずみゲージから構成されてよい。ひずみゲージがスプリングＰ２１Ｓのひずみ量を取得することにより入力部Ｉ２（ボールＰ２１Ｂ）が出力部Ｏ１を押圧する荷重を検出することが可能となる。この荷重が大きいほど係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との係合の度合いが強くなるため、センサは、出力部Ｏ１と入力部Ｉ２とがしっかりと係合し、力が効率的に伝達できているか否かを検出することが可能である。制御装置１０は、センサが検出したスプリングＰ２１Ｓのひずみ量に関する情報（ひずみ量に応じて変動する情報を含む）を取得し、この情報に基づいてロボットアーム２０を制御可能に構成されている。

以上のような構成を備える駆動機構３０は、例えば、ロボットアーム２０の各リンクの筐体内にそれぞれ収容される。

ロボットアーム２０は更に、アクチュエータであるサーボモータの負荷及び変位量（出力軸の角度位置）を取得するための各センサを備えている。負荷の大きさは、例えば、サーボモータに流れる電流量を取得する電流センサから取得することが可能である。サーボモータの変位量は、エンコーダ等の光学的センサや電磁気センサ（電磁誘導式や静電容量式を含む）、ホール素子等の磁気センサ、又は、歪センサ等から取得することが可能である。

［制御装置の構成］

図３は、本実施形態に係るロボットシステム１００の機能ブロック図である。制御装置１０（図３）は、ロボットアーム２０を制御する。本実施形態に係る制御装置１０は、ロボットアーム２０の基準となる位置（例えば、手先位置に相当するリンクのセンターポイント。以下、「基準位置」又は「基準部位」という。）の開始位置及びその時の姿勢を取得する開始位置取得部１０Ａと、目標位置及びその時の姿勢を取得する目標位置取得部１０Ｂと、開始位置と目標位置を結ぶ経路を取得する経路取得部１０Ｃと、経路取得部１０Ｃによって取得された経路に従って、各アクチュエータＡの駆動部に相当するサーボモータを制御するための制御命令を取得する制御命令取得部１０Ｄと、記憶部１０Ｅとを備える。

開始位置取得部１０Ａは、例えば、制御装置１０に接続可能な教示装置（不図示）から入力された開始位置及びその時のロボットアーム２０の姿勢を取得する。教示装置は、現場で実際にロボットアーム２０を動かしてその時の基準位置及び姿勢を開始位置として教示するオンラインティーチングに従う教示装置でもよいし、コンピュータプログラムによって基準位置の位置及び姿勢を開始位置として教示する、テキスト型、シミュレータ型、エミュレータ型、又は、自動ティーチング型等のオフラインティーチングに従う教示装置でもよい。

目標位置取得部１０Ｂは、例えば、開始位置と同様に、教示装置から入力された目標位置及びその時の姿勢を取得する。目標位置取得部１０Ｂは、複数の目標位置及びその時の姿勢を取得することが可能である。

経路取得部１０Ｃは、開始位置と目標位置を接続する経路（計画軌跡）を演算処理等により取得する。

制御命令取得部１０Ｄは、基準位置を経路に従って移動させるために各アクチュエータＡの駆動部にそれぞれ搭載される各モータを制御するための制御命令を演算処理等により取得し、ロボットアーム２０に供給する。例えば、制御命令取得部１０Ｄは、逆運動学演算（インバースキネマティクス）により、基準位置が経路上に位置するための各モータの回転角度を算出し、これに基づいて制御命令を生成して、記憶部１０Ｅに格納することが可能である。

記憶部１０Ｅは、各実施形態に示される各処理を実行するためのコンピュータプログラム（経路生成アルゴリズムを含む）及び必要なデータその他の情報を格納する。

以上述べた制御装置１０のハードウェア構成に関し、制御装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphical Processing Unit）等のプロセッサである演算素子と、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性記憶素子と、ＮＯＲフラッシュメモリ、ＮＡＮＤフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の不揮発性記憶素子と、これらを接続するバス等の通信手段を備えるコンピュータから構成することが可能である。不揮発性記憶素子は、非一時的（Non-transitory）に情報を記憶する記憶媒体である。揮発性記憶素子は、これらコンピュータプログラムの少なくとも一部及び演算処理結果等を一時的に記憶する。記憶部１０Ｅは、これら記憶素子により構成される。また、記憶部１０Ｅに格納されるコンピュータプログラムを演算素子が実行することにより、開始位置取得部１０Ａ、目標位置取得部１０Ｂ、経路取得部１０Ｃ、制御命令取得部１０Ｄとして機能する。但し、これら演算素子、不揮発性記憶素子等の少なくとも一部は、インターネット等の通信ネットワークに接続された遠隔地に設置されていてもよい。例えば、演算素子は、通信ネットワークを介して、コンピュータプログラム又は必要なデータを取得するように構成されてもよい。また制御装置１０は、２又は３以上のプロセッサを演算素子として備えてもよい。更に制御装置１０は、複数のコンピュータプログラムを実行可能に構成され、制御装置１０による制御を第１コンピュータプログラムに基づいて実現してもよい。第１コンピュータプログラムは、記憶部１０Ｅの不揮発性記憶素子に非一時的（non-transitory）に格納されてもよい。

制御装置１０とロボットアーム２０は、無線又は有線による通信手段によって情報の送受信が可能に構成されている。

なお制御装置１０には、ロボットシステム１００に動作教示するための教示装置が接続、又は、一体的に設けられてもよい。また、教示装置は、ロボットアーム２０に設けられてもよく、例えば、ディスプレイを含む入出力手段を教示装置の一部として利用してもよい。教示装置は、例えば、携帯型の教示ペンダントを備える。教示装置は、制御装置１０と同様に、演算素子、揮発性記憶素子、不揮発性記憶素子を備え、更に、ディスプレイを有する表示手段及び複数の操作キー並びにレバーを有する入力手段を備えている。入力手段は、ディスプレイを押圧して入力を行うタッチパネル式の入力手段から構成されてもよい。

［駆動方法］

以下、ロボットアーム２０及びロボットアーム２０に搭載される駆動機構３０の駆動方法について説明する。図４は、ロボットアーム２０及びロボットアーム２０に搭載される駆動機構３０の駆動方法を示す模式図である。図４の例では、ロボットアーム２０の先端のリンクが入力部Ｉ２と一体的に設けられたリンクＬ２に相当する例を示している。先端のリンクＬ２には、被保持物を保持するための保持部が設けられている。図５は、このような駆動方法のフローチャートを示している。

制御装置１０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合しているロック状態の下、ロボットアーム２０を制御して、各リンクを駆動する（ステップＳ５１）。具体的には、制御装置１０の経路取得部１０Ｃは、開始位置取得部１０Ａが取得した開始位置と、目標位置取得部１０Ｂが取得した一または複数の目標位置を接続する経路（計画軌跡）を演算処理等により取得し、制御命令取得部１０Ｄは、経路取得部１０Ｃが取得した経路に従って各アクチュエータＡを制御するための制御命令を演算処理等により取得し、ロボットアーム２０に供給する。ロック状態下では、アクチュエータの出力部Ｏ１の駆動力は、係合部Ｅ１及び被係合部Ｅ２との係合を介して、入力部Ｉ２に伝達される。このためリンクＬ１のアクチュエータの出力部Ｏ１の回転に伴って、入力部Ｉ２及びこれと一体的に設けられるリンクＬ２及びリンクＬ２の先端に設けられる保持部は回転する（図４（Ａ））。

このような通常動作においてロボットアーム２０の一部が障害物（人、ワーク、設備及び他のロボットアームの場合がある）と干渉し、衝突してしまうことがある（ステップＳ５２、図４（Ｂ））。同図では、リンクＬ２が障害物と干渉し、衝突してしまった様子を示している。このときリンクＬ２は障害物と干渉しているため、回転することが妨げられている。このため回転しようとするリンクＬ１と回転することが妨げられているリンクＬ２との間には回転方向に大きな力が作用することとなる。

駆動機構３０は、リンクＬ１とリンクＬ２との間において、回転方向に所定の力が作用すると、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間の係合が解除されるように構成されている。図６（Ａ）は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合している平常時（ロック状態）において凸部の一例であるボールＰ２１Ｂに作用する力を説明する模式図であり、図６（Ｂ）は、係合が解除するときの力Ｆｐの大きさを説明するための模式図である。なお説明の便宜上、同図において筒部Ｐ２１Ｃは省略している。

上述したようにボールＰ２１Ｂには、スプリングＰ２１Ｓから外径方向に向かう力Ｆｇが作用している。一方でボールＰ２１Ｂは出力部Ｏ１の凹部Ｒ１１に接触しているから、ボールＰ２１Ｂには、出力部Ｏ１の凹部Ｒ１１からも力が作用している。同図に示されるように凹部Ｒ１１が外径方向に対して角度θをなして傾斜する二つの対称的な傾斜面を有するとき、ボールＰ２１Ｂには、各傾斜面から、傾斜面と垂直な方向に力Ｆｃが作用している。そしてボールＰ２１Ｂが静止しているとき、外径方向に向かう力と内径方向に向かう力が釣り合うから、力Ｆｇと力Ｆｃは、Ｆｇ＝２Ｆｃ（ｓｉｎθ）の関係を有する。

一方で図６（Ｂ）に示されるように係合が解除するときボールＰ２１Ｂには、回転方向の力Ｆｐが作用し、一方の傾斜面からボールＰ２１Ｂに作用する垂直抗力は０となる。他方の傾斜面からボールＰ２１Ｂに作用する力を力Ｆｃ１とすると、力Ｆｇ、力Ｆｃ１及び力Ｆｐは、ボールＰ２１Ｂが動く直前において、Ｆｇ＝Ｆｃ１（ｓｉｎθ）及びＦｐ＝Ｆｃ１（ｃｏｓθ）の関係を有するから、Ｆｐ＝Ｆｇ／（ｔａｎθ）の関係を有する。

よってリンクＬ１とリンクＬ２との間に回転方向にＦｇ／（ｔａｎθ）未満の力が作用する限りは、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間のロック状態が維持され、Ｆｇ／（ｔａｎθ）以上の力が作用すると、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間の係合が解除可能となるように係合部Ｅ１及び被係合部Ｅ２は、構成されている。なおリンクＬ２が回転することに伴う遠心力の影響、及び、スプリングＰ２３が圧縮することによる弾性力の影響等を更に考慮してロック状態が解除されるときのより正確な値を取得してもよい。

図４（Ｃ）は、リンクＬ２が障害物と衝突してしまったため、回転方向Ｆｇ／（ｔａｎθ）以上の力が作用したために、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との間の係合が解除された状態を模式的に示している。このとき係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２は離間する（ステップＳ５４）。制御装置１０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量を取得する変位センサＳＥ１の信号に基づいて、ロック脱状態に遷移したと判断するとロボットアーム２０の駆動を停止する。

ロック脱状態になると第１ばねＳ１１は圧縮し、第２ばねＳ１２は伸長する。よって第１ばねＳ１１から入力部Ｉ２の第２凸部Ｐ２２に対して、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離が小さくなる方向（紙面時計回り）の弾性力が作用する。同様に第２ばねＳ１２から入力部Ｉ２の第２凸部Ｐ２２に対して、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離が小さくなる方向（紙面時計回り）の弾性力が作用する。

よって図４（Ｄ）に示されるようにリンクＬ２の駆動を妨げていた障害物を除くと、入力部Ｉ２は係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との距離が小さくなる方向（紙面時計回り）、すなわち係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが接近する方向に移動する（ステップＳ５５）。

そして係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とはロック状態に復帰する（ステップＳ５６）。すなわち第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２の弾性力により入力部Ｉ２は周方向に回転移動するため、ボールＰ２１Ｂは出力部Ｏ１の環状部の内周面上を摺接して回転移動してやがて凹部Ｒ１２内に嵌る。

制御装置１０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との変位量を取得する変位センサＳＥ１の信号に基づいてロック状態に復帰したと判断すると、ロック状態の下、ロボットアーム２０を制御して、各リンクを再駆動する。なお制御装置１０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２との係合を促進するためにロック脱状態において出力部Ｏ１を駆動させてもよい。

以上のとおりであるから、本実施形態に係る駆動機構３０及び駆動方法によれば、ロック状態においては、剛性の高いロボットアーム２０の駆動が可能となる。また、衝突による衝撃が生じるとロック状態が解除されて剛性が低下するように構成されているから、ロック状態が維持された場合と比較して、衝突時の安全性を高めることが可能となる。更に障害物等の負荷が除かれると、弾性力によって自動的に調心して、自動的にロック状態に復帰させることも可能となる。

［第２実施形態］

以下本発明の第２実施形態について説明する。なお各実施形態において、他の実施形態と同様の機能又は構成を有する構成要素については同様の名称等を付して詳細な説明を省略し異なる部分を中心に説明する。

第１実施形態は回転駆動する駆動機構に本発明を適用したが、第２実施形態は直動する駆動機構に本発明を適用した実施形態に相当する。図７は本実施形態に係る駆動機構３００の模式図である。この駆動機構３００は、アクチュエータＡ０としてのモータと、モータによって回転するボールねじと、ボールねじと螺合することにより往復移動可能なナット部３１０と、ナット部３１０と一体的に駆動可能に構成された出力部Ｏ１０（「駆動部」の一例）と、出力部Ｏ１０と係合することによって出力部Ｏ１０の往復移動に伴って往復移動可能に構成された入力部Ｉ２０（「被駆動部」の一例）を示している。出力部Ｏ１０は、例えば、物品の搬送用ステージとして設けられてよい。

出力部Ｏ１０には、入力部Ｉ２０と係合するための係合部Ｅ１０として、紙面下方に窪む凹部が形成されている。

入力部Ｉ２０は、アクチュエータの出力部Ｏ１０の駆動力が伝達されることにより、駆動される部位（被駆動部）である。同図に示されるように、本実施形態に係る入力部Ｉ２０には、出力部Ｏ１０と係合するための被係合部Ｅ２０として、紙面下方に突出する凸部が設けられている。凸部は第１実施形態と同様にプランジャから構成されてもよい。

駆動機構３００は更に、係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０との距離に基づいた弾性力を、係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０との距離を小さくする方向に入力部Ｉ２０に作用する弾性体として、一端が出力部Ｏ１０に接続され他端が入力部Ｉ２０に接続される第１ばねＳ１１０及び第２ばねＳ１２０を備えている。

以上のような構成によれば、制御装置（不図示）は、係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０とが係合しているロック状態の下、アクチュエータＡ０としてのモータを制御して、入力部Ｉ２０及びこれによって搬送される物品を往復移動させる。

このような通常動作において入力部Ｉ２０等が障害物と干渉し、衝突してしまうと、駆動方向に大きな力が作用するため係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０との係合が解除されてしまう。しかしながら係合が解除されて係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０との距離が大きくなると、第１ばねＳ１１０及び第２ばねＳ１２０の一方は伸長又は圧縮するため、係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０との距離が小さくなる方向の弾性力が作用し、係合部Ｅ１０と被係合部Ｅ２０とはロック状態に復帰する。

以上のとおりであるから、本実施形態に係る駆動機構３００及び駆動方法によっても、ロック状態においては、剛性の高い駆動が可能となる。また、衝突による衝撃が生じるとロック状態が解除されて剛性が低下するように構成されているから、ロック状態が維持された場合と比較して、衝突時の安全性を高めることが可能となる。更に弾性力によって自動的にロック状態に復帰させることも可能となる。

［第３実施形態］

第１実施形態及び第２実施形態において、ロボットアーム等が障害物に衝突等することによって大きな力が作用すると、駆動機構は、係合部と被係合部とが係合していたロック状態から、係合部と被係合部との係合が解除されたロック脱状態に遷移するように構成されていた。また、制御装置は、ロック脱状態を検出すると、ロボットアーム等の駆動を停止していた。

しかしながら、以下に記載するように、能動的にロック状態からロック脱状態に切り替え可能に駆動機構を構成してもよい。さらにロック脱状態において制御装置は、ロボットアーム等を駆動するように構成してもよい。

［切り替え機構］

第３実施形態に係る駆動機構は、係合部と被係合部とが係合するロック状態と、係合部と被係合部とが係合しないロック脱状態を能動的に切り替えるための切り替え機構を備えている。切り替え機構は、例えば、進退可能に構成されたプランジャと、プランジャを進退させるための電磁力を発生させる電磁コイルと、プランジャに付勢力を付与するためのスプリングを備えた電磁プランジャから構成されてもよい。例えば第１実施形態における駆動機構は、プランジャに替えて、切り替え機構として機能する電磁プランジャを搭載してもよい。このような駆動機構は、通常動作時においては、第１実施形態と同様にスプリングからの付勢力によって係合部と被係合部との間のロック状態を維持し、制御装置からの制御命令に基づいて電磁コイルにより電磁力を発生させて係合が解除される方向（例えば第１実施形態における内径方向）にプランジャを移動させることにより、ロック状態からロック脱状態に遷移可能に構成されてもよい。

［ロック脱状態における制御］

出力部Ｏ１と入力部Ｉ２とは、弾性体である第１ばねＳ１１及び第２ばねＳ１２とを介して接続されているから、ロック脱状態（例えば図４（Ｄ））において、出力部Ｏ１が駆動すると出力部Ｏ１の駆動力は、弾性体を介して入力部Ｏ２に伝達される。従って駆動機構３０を、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ; Series Elastic Actuators）として機能させることが可能となる。モータから出力されるトルクは、弾性体を介して、剛性を有するリンクに伝達されるため、ロボットアームにより部材を対象物に接触させながら移動させる倣い動作を容易に実現することが可能になる。例えば、特許第６３２９１４９号及び欧州特許第２８９０５２８号には、ＳＥＡの一例が記載されている。

以下では、係合部と被係合部とが係合した状態で、駆動部が被駆動部を駆動させる動作モードを第１動作モードと呼び、係合部と被係合部とが係合していない状態で、駆動部が弾性体を介して被駆動部を駆動させる動作モードを第２動作モードと呼ぶ場合がある。

第２動作モードにおいては、ＳＥＡによって駆動される部分の慣性、質量及び長さ、外力並びに直列弾性アクチュエータが備える弾性体である機械ばねの弾性率をパラメータとする運動方程式が成立する。このため、制御装置１０は、機械ばねの弾性率及び変位量等に基づいて、インピーダンスを制御するメカニカル・コンプライアンス制御を行うように構成される。なお、直列弾性アクチュエータは、駆動部であるサーボモータの駆動軸に接続され、動力を機械ばね等の弾性体に伝達するギヤを備えていてもよい。更に、直列弾性アクチュエータは、粘性に基づいて衝撃を緩和させるダンパ機構及び動力の伝達をスイッチするためのクラッチ機構を備えてもよい。粘性を有するダンパ機構等の粘性体を付与する場合、又は、ギヤの歯車間の摩擦等から生じる減衰を加味する場合、運動方程式には、粘性定数がパラメータとして加えられた運動方程式が成立する。

例えば、サーボモータの駆動軸にギヤが接続され、ギヤの出力軸に弾性体を介して負荷（下流側のリンク等）が接続される直列弾性アクチュエータの場合、ギヤの出力軸に生じるトルクは、サーボモータに流れる電流及びギヤ比に比例し、このトルクが、ギヤの出力軸の角加速度に慣性を乗じた値と、ギヤの出力軸の角加速度にギヤの粘性を乗じた値と、弾性体の変位量に弾性率を乗じた値との和と等しくなる運動方程式が成立する。この運動方程式に基づいて、直列弾性アクチュエータの伝達関数を導くことにより、インピーダンスを制御するメカニカル・コンプライアンス制御が可能となる。尚、伝達関数を予め計測したり、可搬重量毎の挙動をプリセットする等で予測制御（フィードフォワード制御）する事も可能である。

［駆動方法］

以下本実施形態に係る駆動方法について説明する。図８は、このような駆動方法のフローチャートを示している。

制御装置１０は、係合部Ｅ１と被係合部Ｅ２とが係合しているロック状態の下、第１動作モードに従ってロボットアーム２０を制御して、各リンクを駆動する（ステップＳ８１）。第１動作モードは、入力部Ｉ２と出力部Ｏ１とが一体的に駆動する動作モードである。第１動作モードは、第１実施形態におけるステップＳ５１と同様であるため詳細な説明を省略する。

次いで制御装置１０は、ロボットアームにより被保持物を対象物に接触させながら移動させる倣い動作をする場面になると、第２動作モードに移行する。具体的には、電磁コイルに電磁力を発生させてプランジャ（例えば、ボールＰ２１Ｂ）を内径方向に移動させた状態で出力部Ｏ１を回転させることにより、係合部と被係合部との係合を解除する（ステップＳ８２）。

そして制御装置１０は、第２動作モードの下、弾性体を介して出力部Ｏ１から入力部Ｉ２に駆動力を伝達することによりメカニカル・コンプライアンス制御を実行する（ステップＳ８３）。なお第２動作モードにおいてプランジャは、出力部Ｏ１の環状部の内周面上を摺接可能に構成されてもよい。プランジャが環状部の内周面上を摺接するときに弾性力を弱める摩擦力が生じるから、弾性力による振動を低減させることが可能となる。

以上のとおりであるから、本実施形態に係る駆動機構及び駆動方法によれば、ロック状態においては、剛性の高いロボットアームの駆動が可能となり、ロック脱状態においては、剛性の低いロボットアーム等の駆動が可能となる。このため状況において動作モードを切り替えることにより好適にロボットアーム等を駆動することが可能となる。

また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。たとえば、当業者の通常の創作能力の範囲内で、ある実施形態における一部の構成要素を、他の実施形態に追加することができる。また、ある実施形態における一部の構成要素を、他の実施形態の対応する構成要素と置換することができる。

１０ 制御装置
２０ ロボットアーム
３０ 駆動機構
３００ 駆動機構
Ｅ１ 係合部
Ｅ２ 被係合部
Ｅ１０ 係合部
Ｅ２０ 被係合部
Ｐ２１ 凸部
Ｐ２２ 凸部
Ｒ１１ 凹部
Ｒ１２ 凹部

Claims (7)

1. ロボットアームにおける駆動機構であって、
   駆動可能に構成された駆動部と、
   前記駆動部に設けられた係合部と、
   被駆動部と、
   前記被駆動部に設けられ、前記係合部と係合することにより前記被駆動部を駆動可能に構成された被係合部と、
   前記係合部と前記被係合部との距離に基づいた弾性力を、前記係合部と前記被係合部との距離を小さくする方向に前記被駆動部に対して作用可能に構成された弾性体と、
   前記係合部と前記被係合部とが係合していないロック脱状態において、前記係合部と前記被係合部との変位量を取得可能な検出手段と、
   を備える駆動機構。
2. 前記弾性体は、前記係合部及び前記被係合部に接続されており、
   前記係合部と前記被係合部とが係合した状態で、前記駆動部が前記被駆動部を駆動させる第１動作モードと、
   前記係合部と前記被係合部とが係合していない状態で、前記駆動部が前記弾性体を介して前記被駆動部を駆動させる第２動作モードを実行可能に構成される請求項１に記載の駆動機構。
3. 回転方向に所定値以上の力が作用したときに、前記係合部と前記被係合部との係合は、解除可能に構成されている請求項１又は２に記載の駆動機構。
4. 前記係合部と前記被係合部とが係合しているロック状態又は、前記係合部と前記被係合部とが係合していないロック脱状態を検出する検出部と、
   前記検出部が前記ロック脱状態を検出したとき、前記駆動部を制御して、前記係合部と前記被係合部との係合を促進する制御手段と、
   を備える請求項１又は２に記載の駆動機構。
5. 前記駆動部は、前記駆動部の回転軸を中心軸とする環状部を備え、
   前記被駆動部は、前記環状部に包囲され、前記回転軸を中心軸とする柱状部を備え、
   前記係合部は、前記環状部に設けられ、外径方向に窪む凹部を備え、
   前記被係合部は、前記柱状部に設けられ、外径方向に突出して前記凹部と接触する凸部を備える請求項１乃至４の何れか一項に記載の駆動機構。
6. 請求項１に記載の駆動機構と、
   請求項１に記載の前記駆動機構の前記駆動部が設けられる第１リンクと、
   請求項１に記載の前記駆動機構の前記被駆動部が設けられる第２リンクと
   を備えるロボットアーム。
7. ロボットアームにおける駆動機構の駆動方法であって、
   駆動可能に構成された駆動部に設けられた係合部と、被駆動部に設けられた被係合部とが係合した状態で前記駆動部が駆動することにより、前記被駆動部を駆動させるステップと、
   前記係合部と前記被係合部との係合が解除されるステップと、
   前記係合部と前記被係合部との距離に基づいた弾性力を、前記係合部と前記被係合部との距離を小さくする方向に前記被駆動部に対して作用させるステップと、
   前記係合部と前記被係合部とが係合していないロック脱状態において、前記係合部と前記被係合部との変位量を取得するステップと、
   前記駆動部を制御することにより、前記駆動部に対して前記被駆動部を移動させて、前記係合部と前記被係合部とを係合させるステップと
   を含む駆動方法。