JP6557261B2 - 少なくとも１つの従動軸を備えたジョイント構成 - Google Patents

Description

本発明は、特にロボットの動作を作動させるための、少なくとも１つの従動軸を備えたジョイント構成に関するものである。

ロボティクスでは、いわゆる移動プラットフォームまたは移動ロボットの使用がますます多くなりつつある。これらは、その動作およびハンドリング作業に関して、様々に異なる環境に応じて調整および構成される必要がある。これらのロボットは、ハンドリング作業を実現するためのジョイントを有しており、これらのジョイントによって、要素を把持して、例えば、本体部材およびベースに対して動かすことが可能である。通常は、パンチルトユニットまたは線形固有軸など、ジョイントを使用する。これは、例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３で知られている。しかしながら、これらは、自然な円状の動きを実現できないという欠点がある。また、線形軸は、例えば、上部構造体が架台に対して傾いているロボットでは、線形軸であることで重心移動が生じるという問題がある。このため、多くの場合、その傾きは制限されるが、このことは、それらのロボットを地上での操作に使用できる範囲が制限されることを意味する。

さらに、例えば、特許文献４および特許文献５で知られているように、そのマウントへの固定のために球ジョイントが使用される。このことは、架台に対して上部が前屈する場合の重心移動の問題に関して、何の効果も持たない。

特開２００５−０１４０９７号公報 独国特許出願公開第１０２００４００２４１６号明細書 国際公開第８８／０３８５６号（独語翻訳第３７９０７４３号） 米国特許出願公開第２０１０／００３７７２０号明細書 国際公開第２０１１／１０５４００号

本発明の目的は、ジョイント構成の中心軸に対する重心移動を低減することを可能とするジョイント構成を提案することである。

この目的は、ジョイント構成によって解決され、このジョイント構成では、第１のベース要素に第１の回転要素を組込み、その第１の回転要素を、第１の回転軸の周りで回転取付けし、第１の回転要素に、第１の回転軸から切り離された第２の回転軸を組込み、その周りで、第２の回転要素を、第１の回転要素上で旋回可能に取付ける。さらに、第２の回転要素は、第２の回転軸から切り離された第３の回転軸を有し、その周りで、第２のベース要素は、第２の回転要素に対して回転可能である。第２の回転軸は、第１の回転軸に対して軸オフセットを有するとともに、第１の回転軸に対して傾斜しており、これにより、第１と第２の回転軸は、本ジョイント構成の外に位置する交点を有する。この場合、第１と第２のベース要素の間で傾動または屈曲動を作動させたときの、本ジョイント構成の第１または第３の回転軸からの重心移動は、ほんのわずかであるか、または全くない。第１と第２の回転軸の交点は、第１と第２の回転軸の間の軸オフセットならびに第１の回転軸に対する第２の回転軸の傾斜によって形成され、その交点は、本ジョイント構成の外に位置する。これにより、本質的に安定した系の重心移動が可能な領域は増大する。

本発明によるこの実施形態では、第１のベース要素からの最大傾斜は、第１の回転軸の周りでの第１の回転要素および第２の回転軸の周りでの第２の回転要素の回転可能な構成によって生じるものであり、このとき、第３の回転軸の周りでの回転は、第２のベース要素上のその他の構成のアライメントのためのみに供する。この場合、傾斜を生じさせると、軸オフセットに起因して、一方向への傾動により、その反対方向への重心移動が生じ、このようにして、第１と第２の軸の間の軸オフセットの和によるバランス調整が実現される。

好ましくは、第１の回転要素に対して第２の回転要素が回転可能である構成によって作業空間を形成し、第１と第２の回転要素の回転動は、この作業空間内であり、第１と第２の回転要素の回転軸の交点は、この作業空間の外に位置する。また、この規定によって、第２のベース要素またはその上に配置された上部構造体の重心移動を、ジョイント構成の第１の回転要素に対して、ほんのわずかとするか、または全くなしとすることも可能である。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の回転軸と第３の回転軸との間の別の軸オフセットは、第１と第２の回転軸の間の軸オフセットよりも、小さいか、または大きいものと規定される。好ましくは、それぞれの傾斜角は同じである。この場合、第３の回転軸は、第１の回転軸に平行に位置合わせされる。このような実施形態によっても、重心移動を低減することが可能となる。

あるいは、第２の回転軸と第３の回転軸との間の別の軸オフセットは、第１と第２の回転軸の間の軸オフセットに対応するものと規定することができる。好ましくは、それぞれの傾斜角は、やはり同じである。この場合、第３の回転軸は、第１の回転軸と同一直線上に位置合わせされる。これにより、傾動または屈曲動を作動させたときの、中心点からのわずかな重心移動に関して、さらなる最適化が可能となる。

好ましくは、第２の回転軸は、第１の回転軸に対して５０°未満の傾斜角で、特に３０°の傾斜角で傾斜している。これにより、一方で、高い安定性を、他方で、そのようなロボットによる地上での操作の実行を、実現することが可能である。この場合、ジョイントの最大傾斜は、それらの回転軸の間の傾斜角の和に相当する。

好ましくは、第１の回転要素はパン体として、第２の回転要素は球セグメント体として形成され、これらはそれぞれベース要素に連結される。この場合、安定した構成が得られるだけではなく、これにより、第２と第３の回転軸の間の軸オフセットの範囲内で、球面に沿って、第２の回転要素を可動とすることも可能となる。球セグメント体の半径は、好ましくは、パン体の半径に合わせて調整される。特に、この調整によって、球セグメント体とパン体との間にわずかな間隙が得られるようにし、これにより、球セグメント体を、第２の回転軸の周りで、パン体に対して自由に旋回可能に取付ける。

ジョイント構成を作動させるために、各々の回転軸は、個別のモータによって駆動される。このようにして、第１のベース要素に対する第２のベース要素の個別の作動およびアライメント、またはその逆、が可能となる。

各々の回転軸について、好ましくは、ゼロ位置から＋／−３６０°またはそれ未満の角度の回転動を作動させることが可能である。これにより、その空間での最大限の柔軟性およびアライメントが得られる。

あるいは、回転要素の回転動のために、回転軸内にスリップリングを設けることを規定することができ、このスリップリングによって、回転要素および／またはベース要素を無限回転可能とすることができる。

それらの回転要素の互いに対する回転位置、またはベース要素に対する回転位置のそれぞれは、センサによって、特にアブソリュートエンコーダによって、記録される。このような位置の認識は、本ジョイント構成を作動させるための電源切断の場合であっても可能である。開始位置を元に、取り得る傾斜位置をそれぞれ認識することができ、これにより、開始位置に再び戻すように作動させることが可能である。

第１と第２のベース要素は、好ましくは、ベースプレートまたは連結フランジとして形成される。これにより、様々に異なる設置状況および設置位置に応じた柔軟な調整が可能となる。

回転軸は、好ましくは中空軸として形成されて、これにより、例えば、架台部材に固定連結されている第１のベース要素から、回転軸用のさらなる駆動を供給するための、ケーブルブッシングを実現可能である。また、好ましくは、第２のベース要素上に上部構造体が設けられ、その上部構造体の重心は、第１と第２の回転軸の交点に位置する。このような実施形態によって、特に耐傾斜構成が実現される。

第１の代替実施形態によれば、第１のベース要素は、取付プレートとして形成されており、ベアリングによって取付プレートに対して回転取付けされた第１の回転要素を駆動するモータを有している。従って、本ジョイント構成は、多くのベースフレーム、下部構造体などに容易に取付け可能であり、これにより、例えば、第２のベース要素上に配置された上部構造体によって、対応するハンドリングを実現することができる。

あるいは、第１のベース要素は、移動プラットフォームとして形成することができ、その上に第１の回転要素を固定配置する。移動プラットフォームを、その固有軸の周りで回転駆動することができ、このとき、この回転軸は、同時に第１の回転要素の回転軸を形成する。

さらに、移動プラットフォームは、好ましくは、モータによって移動可能に駆動されるシャーシを有し、これは、回転要素の回転軸のモータ用アキュムレータと、ベース要素と、シャーシのモータと、を収容している。

本発明ならびにさらなる効果的な実施形態およびそのさらなる開発について、図面に示す例を参照して、以下でより詳細に記載および説明する。説明および図面で取り上げる特徴は、単独または任意の組み合わせで、本発明に従って適用することができる。

図１は、開始位置にあるジョイント構成の一実施形態の概略断面図である。 図２は、本発明によるジョイント構成の概略構成である。 図３は、傾斜位置にある図１のジョイント構成の概略断面図である。 図４ａは、開始位置にあるロボットの概略図である。 図４ｂは、図４ａのロボットの概略断面図である。 図５ａは、傾斜位置にあるロボットを概略的に示す斜視図である。 図５ｂは、図５ａの概略断面図である。 図６は、図１の代替実施形態の概略側面図である。

図１に、開始位置１２またはゼロ位置にあるジョイント構成１１の一実施形態の概略断面図を示している。図３は、傾斜位置にあるジョイント構成１１を示している。このジョイント構成１１は、第１のベース要素１５上に固定配置された第１の回転軸１４を備える。この第１の回転軸１４によって、第１の回転要素１６を、第１の回転軸１４の周りでベース要素１５に対して旋回可能に組込んでいる。

第１の回転要素１６に、第２の回転軸１８を組込んでいる。これは、第１の回転軸１４に対して軸オフセット１９（図２）を有して、第１の回転軸１４に関して配置されており、また、第１の回転軸１４に対して傾斜角２１で傾斜している。第２の回転軸１８の周りで第２の回転要素２２を回転配置し、そしてこの回転要素に、別の軸オフセット２４を有する第３の回転軸２５を組込んでおり、この回転軸の周りで第２のベース要素２６を回転配置している。その別の軸オフセット２４は、効果的には、第１の軸オフセット１９に対応しており、第１と第２の回転軸１４、１８の間の第１の傾斜角２１は、効果的には、第２と第３の回転軸１８、２５の間の第２の傾斜角２１に対応しており、この場合、第３の回転軸２５は、第１の回転軸１４と同一直線上に位置合わせされる。

第１の回転軸１４を形成するために、ベース要素１５にベアリング４１を設けており、このベアリングは、取付プレート４２に固定されて、好ましくはハウジング４３で包囲されている。このベアリング４１に、回転用の中空軸４５を組込んでおり、これに第１の回転要素１６を固定している。中空軸４５は、さらに詳細には図示していないモータによって回転駆動される。この第１の回転要素１６は、支持構造体として形成することができ、これは、曲面として形成されて、特に、皿状またはパラボラリフレクタ状の形状を有する。支持構造体は、好ましくは、剛性かつ高強度の材料で形成される。この回転要素１６に、閉じた面を有するパン体４６を組込むことができ、これにより、下にある第１の回転要素１６の支持構造体を保護する。第２の回転軸１８は、第１の回転要素１６上に形成されて、この回転軸は、構成的に第１の回転軸１４に対応している。中空軸４５は、第１の回転要素１６上に固定配置されており、これにより、ベアリング４１は、第２の回転軸１８の周りで回転可能な第２の回転要素２２を回転させる。そして、別の回転動を作動させることとは独立に、第１の回転要素１６に対する第２の回転要素２２の回転を制御するための回転駆動用として、モータ４４を設ける。第２の回転要素２２は、支持構造体４７を有し、これは下面に、パン体４６に対して相補的に形成されたカバーまたは球セグメント体４８を組込んでいる。この場合、パン体４６と球セグメント体４８は、これらの間の隙間を小さく維持できるように、互いから間隔をあけることで、第１の回転要素１６に対する第２の回転要素２２の旋回動の最中の挟みまたはリムを破砕するリスクを防いで、これにより、構造安全性を確保している。さらに、この場合、このようなジョイント構成の全体構造において、より小さい設置スペースを実現することも可能である。そして、ベアリング４１ならびにモータ４４を、第２の回転要素２２に固定配置することで、第２のベース要素２６の取付プレート４２が配置された中空軸４５を回転駆動するための第３の回転軸２５を形成している。

中空軸４５は、個々のモータ４４を作動させるための、さらに詳細には図示していない供給ラインを誘導して通すように機能する。例えば、エネルギー供給装置および制御装置を設けているロボットの架台に、第１のベース要素１５が固定されているならば、そこから、第１の回転軸の中空軸４５を通して第２の回転軸１８のモータ４４へと、さらには第２の回転軸１８の中空軸４５を通して、第３の回転軸２５の周りでベース要素２６の回転動を作動させるためのモータ４４へと、供給ラインを誘導することができる。さらに、第２のベース要素２６に固定された、さらなる構成要素、動作駆動装置、制御および／または演算ユニット、ならびに操作要素への供給のために、供給ラインを、第３の回転軸２５の中空軸４５を通して誘導することができる。第２のベース要素２６から第１のベース要素１５への逆方向についても、同様である。

好ましくは、中空軸４５の両端部の一方に、ケーブルリールを設けて、このケーブルリールを格納部として形成し、回転要素１６、２２またはベース要素１５、２６の作動される回転動に応じて、供給ラインの自動巻取りおよび巻戻しを可能とする。

図２は、回転軸１４、１８、２５の構成と、その軸オフセット１９、２４、ならびに回転軸１４に対する回転軸１８の傾斜角２１または回転軸１８に対する回転軸２５の傾斜角２１について例示するために、図１のジョイント構成１１の運動学的概略図を示している。例えば、第１の回転軸１４は、垂直方向に位置合わせされるものとして示している。第２の回転軸１８は、第１の回転軸１４に対して例えば３０°の傾斜角２１で傾斜している。同時に、第２の回転軸１８は、第１の回転軸１４に対して、軸オフセット１９で離間している。第１の回転要素１６が第１の回転軸１４の周りで回転する最中には、第２の回転軸１８は、交点２９で第１の回転軸１４に交差している。この交点２９は、好ましくは、第１の回転要素１６として形成されたパン体４６の球中心点を示している。第２と第３の回転軸１８、２５の間の軸オフセット２４は、第１と第２の回転軸１４、１８の間の軸オフセットに対応しているので、第３の回転軸２５は、第１の回転軸１４と一致する開始位置に配置されている。第２の回転軸１８の回転動の最中には、第３の回転軸２５は、第２の回転軸１８の周りで回転し、このとき、第３の回転軸２５は、やはり常に交点２９を通っている。これにより、例えば図３または図５ｂに示す最大傾斜位置３１を実現することができる。この場合、第１と第２の回転軸１４、１８の間の軸オフセット１９と、第２の回転軸１８と第３の回転軸２５の間の軸オフセット２４が実質的に足し上げられて、これにより、第３の回転軸２５は、例えば垂直方向に位置合わせされた第１の回転軸１４に対して、その最大傾斜が規定される。

この最大傾斜角に基づいて、第１と第２の回転軸１４、１８の間の傾斜角２１は、最大傾斜角２１を１／２にすることによって定まり、このように、回転軸１４、１８、２５は相互に位置合わせされる。

図３に示す傾斜位置では、第２の回転要素２２を、第１の回転要素１６に対する最大展開位置で示しており、第２の回転要素は、第１の回転要素１６に対して３６０°回転可能である。こうして、ジョイント装置１１のための作業空間すなわち第１、第２の回転要素１６、２２の可動範囲５０が形成される。回転軸１４、１８および／または２５の交点２９は、この作業空間５０の外に位置する。交点２９は、好ましくは仮想空間４９内にあり、すなわち、特にパン体４６である回転要素１６の外周を投影させた円筒状空間内であって、第１の回転要素１６の上方かつ本ジョイント構成の作業空間５０の外にある。これにより、例えば上部構造体３５が傾斜位置をとる場合であっても、安定した位置を実現する。

図４ａに、ロボット３３の概略構成を示しており、これは、上部構造体３５を有する移動プラットフォーム３４を備え、上部構造体は、移動プラットフォームに対して可動であり、その重心５１を図示している。明確さを確保するため、例えばアームのようなハンドリング要素、さらには、必要な構成要素および／またはセンサおよび／または例えばタッチスクリーンのような制御用の操作要素は、図示していない。図４ｂでは、概略断面図を示しており、この図面では、ジョイント構成１１のアラインメントを示している。これは、例えば、図１に示すように構成されたベース要素１５を、移動プラットフォーム３４に固定したものである。

ベース要素１５は、ロボットの架台に固定可能な、例えばベースプレートおよび連結フランジとすることができる。これに対し、第２のベース要素２６は、ロボット３３の上部構造体３５を支持するための、プレート、プラッタ、または連結フランジとして設けることができる。

あるいは、このようなジョイント構成１１は、肩、腕、膝、手、または首の関節として用いることもできる。作動されるべき動作に応じて、連結されるべき２つの構成要素の間で、ジョイント構成のアラインメントを実現する。

図５ａおよび５ｂに、そのようなロボット３３を、最大傾斜位置３１で示している。図５ｂは、交点２９で交差する回転軸１４、１８および２５の構成を示している。これにより、第１と第２の回転軸１４、１８の間の軸オフセット１９に起因して、重心移動は、第１の回転軸１４に対する軸オフセット１９の程度で生じることが明らかとなる。重心５１は、例えば交点２９に位置する。これにより、一方で、向上した安定性を、他方で、拡大された傾斜角を、実現することが可能となる。あるいは、重心５１は、交点２９と一致しないことが可能である。そのような場合、重心５１は、軸１４の辺りで交点２９に近づくように移動するが、ただし、このとき、仮想空間４９内に交点２９があることで、向上した安定性は依然として得られる。

本ジョイント構成１１によって、球ジョイントと類似した動作が可能となるが、ただし、本ジョイント構成１１は、必要となる設置スペースはより小さい。さらに、傾斜位置をとる際の重心移動は、安定性を高めるとともに、作業領域を拡大するように、実現することができる。また、このような構成は、一方で、必要とする設置スペースが小さく、他方で、大きな作業空間を可能とする。

図６に、図１のジョイント構成１１の代替実施形態の概略図を示している。ベース要素１５は、移動プラットフォーム３４として形成されており、この場合、第１の回転要素１６は、移動プラットフォーム３４に回転不能に固定されている。第１の回転要素１６は、移動プラットフォーム３４の連結面に対して、例えば着脱可能な連結によって、特にねじ連結で、連結することができる。図１による、ベース要素１５に対して回転要素１６を回転可能な構成は、本実施形態では省くことができる。代わりに、移動プラットフォーム３４は、車輪５４などを備えたシャーシ５３を有し、これにより、移動プラットフォーム３４を、その固有の中心軸の周りで回転駆動することができ、このとき、移動プラットフォーム３４の中心軸は、第１の回転要素１６の第１の回転軸１４を形成する。移動プラットフォームは、さらに、シャーシ５３または車輪５４を駆動するための少なくとも１つのモータ５６を有する。さらに、移動プラットフォーム３４および／またはジョイント構成１１を作動させるための、制御装置５５およびデータ処理装置５５を設ける。さらに、移動プラットフォーム３４および／またはジョイント構成１１のモータを駆動するように機能するアキュムレータ５７を、移動プラットフォーム３４内に設けることができる。

Claims (15)

1. 動作要素またはハンドリング要素の動作を作動させるための、少なくとも１つの従動軸を備えたジョイント構成であって、
   第１のベース要素（１５）に第１の回転要素（１６）を組込み、前記第１の回転要素（１６）は、第１の回転軸（１４）の周りで回転可能である、ことと、
   前記第１の回転要素（１６）に、前記第１の回転軸（１４）から切り離された第２の回転軸（１８）を組込み、その周りで、第２の回転要素（２２）は、前記第１の回転要素（１６）上で旋回可能である、ことと、
   前記第２の回転要素（２２）は、前記第２の回転軸（１８）から切り離された第３の回転軸（２５）を有し、その周りで、第２のベース要素（２６）は、前記第２の回転要素（２２）に対して回転可能である、ことと、
   前記第２の回転軸（１８）は、前記第１の回転軸（１４）に対して軸オフセット（１９）を有し、前記第２の回転軸（１８）は、前記第１の回転軸（１４）に対して傾斜している、ことと、
   前記第１と第２の回転軸（１４，１８）は、当該ジョイント構成（１１）の外に位置する交点（２９）を有すること、及び
   前記第１の回転要素（１６）はパン体（４６）として形成され、前記第２の回転要素（２２）は球セグメント体（４８）として形成されており、前記球セグメント体の半径は、前記パン体（４６）の半径に合わせて調整されること
   を特徴とするジョイント構成。
2. 前記第１の回転要素（１６）に対して前記第２の回転要素（２２）が回転可能である構成によって該第１、第２の回転要素（１６、２２）の可動範囲（５０）が定められ、前記第１と第２の回転要素（１６，２２）の回転動は、前記可動範囲（５０）内で生ぜられ、前記第１と第２の回転要素（１６，２２）の前記回転軸（１４，１８）の前記交点（２９）は、前記可動範囲（５０）の外に位置する、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
3. 前記第２の回転軸（１８）と前記第３の回転軸（２５）との間の別の軸オフセット（２４）は、前記第１と第２の回転軸（１４，１８）の間の前記軸オフセット（１９）よりも、小さいか、または大きく、前記第３の回転軸（２５）は、開始位置にある時、第１の回転軸（１４）に平行に位置合わせされる、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
4. 前記第２の回転軸（１８）と前記第３の回転軸（２５）との間の別の軸オフセット（２４）は、前記第１と第２の回転軸（１４，１８）の間の前記軸オフセット（１９）に対応しており、前記第３の回転軸（２５）は、開始位置にある時、第１の回転軸（１４）に平行に位置合わせされる、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
5. 各々の回転軸（１４，１８，２５）は、個別のモータによって駆動されることを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
6. 各々の回転軸（１４，１８，２５）について、ゼロ位置から＋／−３６０°またはそれ未満の角度の回転動を作動させることが可能であることを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
7. 前記回転軸（１４，１８，２５）内にスリップリングを設けており、前記スリップリングによって、前記回転要素（１６，２２）および前記ベース要素（１５，２６）の回転可能性を制御可能である、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
8. 前記回転要素（１６，２２）および少なくとも１つの前記ベース要素（１５，２６）のそれぞれの回転位置は、センサによって、記録されることを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
9. 前記第１のベース要素（１５）および前記第２のベース要素（２６）は、ベースプレートまたは連結フランジとして形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
10. 前記回転軸（１４，１８，２５）は、ケーブルブッシングとして機能する中空軸として形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
11. 前記第２のベース要素（２６）上に上部構造体（３５）を配置しており、前記上部構造体（３５）の重心（５１）は、前記第１と第２の回転軸（１４，１８）の前記交点（２９）に位置する、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
12. 前記第１のベース要素（１５）は、取付プレート（４２）として形成されており、ベアリング（４１）によって前記取付プレート（４２）に対して回転取付けされた前記第１の回転要素（１６）を駆動するモータ（４４）を有している、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
13. 前記第１のベース要素（１５）は、移動プラットフォーム（３４）として形成されており、その上に前記第１の回転要素（１６）を固定配置している、ことを特徴とする、請求項１に記載のジョイント構成。
14. 前記移動プラットフォーム（３４）は、モータ（５６）によって移動可能に駆動される少なくとも１つのシャーシ（５３）を有することを特徴とする、請求項１３に記載のジョイント構成。
15. 前記動作要素またはハンドリング要素はロボットの構成要素である、請求項１に記載のジョイント構成。

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