駆動装置、ロボット装置及び駆動方法
【課題】伝達するトルクの許容値を正確に設定する。
【解決手段】被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、アーム部の関節部に配置され、駆動部によって発生された駆動力を駆動部からリンク部に伝達するとともに、リンク部に伝達される駆動力の許容値が可変であって、リンク部に伝達される駆動力を許容値に基づいて制限するトルク制限部と、リンク部に与えられる力に基づいて駆動力の許容値を算出する制御部とを備える。
【解決手段】被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、アーム部の関節部に配置され、駆動部によって発生された駆動力を駆動部からリンク部に伝達するとともに、リンク部に伝達される駆動力の許容値が可変であって、リンク部に伝達される駆動力を許容値に基づいて制限するトルク制限部と、リンク部に与えられる力に基づいて駆動力の許容値を算出する制御部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置、ロボット装置及び駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば工業分野に限られず、医療や福祉などの広い産業分野において、作業者の負担軽減等を目的として、ロボット装置が用いられている。ロボット装置の構成として、例えばアーム部を構成する複数のリンク部（被駆動体）が連結され、連結部（関節部）を中心としてリンク部が回転する構成が知られている。リンク部の連結部には、駆動力を伝達する動力伝達機構が設けられている。また、リンク部の先端には、例えば物や人などの被移動物体に接触可能で被移動物体を把持したり押圧したりする手先部が設けられている。
【０００３】
このようなロボット装置は、例えば重量物である被移動物体を支持したり、所定の位置へ移動したりするなどの動作をする際のパワー及び精度を求められる。そのため、ロボット装置のアーム部には高い剛性が不可欠となる。一方で、例えばロボット装置がアーム部を移動させる動作を行う場合、ロボット装置周囲の人や物に、アーム部の一部（リンク部など）が衝突する場合が想定されうる。このような場合、アーム部が破損したり、衝突された人や物が損傷したりするおそれがあるため、アーム部や連結部には一定の柔軟性が求められる。従って、ロボット装置は、剛性及び柔軟性という相反的な性質を兼ね備えていることを求められる。
【０００４】
このようなロボット装置を実現するため、例えば、アーム部の連結部の動力伝達機構を機械構造的に柔軟にする構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、ばねなどの弾性体や磁性流体などを用いて、伝達するトルクの許容値を制限するトルク制限機構が知られている。このようなトルク制限機構は、許容値を超える外力が連結部に加わった場合に、連結部をすべらせることにより、リンク部や衝突された人や物の損傷を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようなロボット装置は、トルクの許容値が小さければ連結部の剛性が不足して被移動物体を移動させることができなくなり、トルクの許容値が大きければ連結部の柔軟性が不足して衝突時の損傷を低減することができなくなることがある。したがって、ロボット装置は、アーム部の動作に必要なトルクに応じて、トルクの許容値を正確に設定することが求められる。しかしながら、例えば、上述のようなロボット装置は、伝達するトルクがリンク部（ひいてはアーム部）の姿勢変化に対応して変化するため、伝達するトルクに応じたトルクの許容値を正確に設定できない場合があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、伝達するトルクの許容値を正確に設定することができる駆動装置、及びロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、前記アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部に与えられる力に基づいて前記駆動力の許容値を算出する制御部とを備えることを特徴とする駆動装置である。
【０００９】
また、本発明の一実施形態は、上述の実施形態における駆動装置と、前記アーム部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１０】
また、本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部と、前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部に与えられる力に基づいて算出した前記許容値を前記トルク制限部に設定する制御部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１１】
また、本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部と、前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部の手先部に与えられる力を算出する手段と、算出された前記手先部に与えられる力をもとに前記許容値を前記関節部ごとに算出する手段と、を有する制御部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、ロボット装置が備えるアーム部を構成するリンク部のうち被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力を算出する第１ステップと、前記第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、前記手先部が前記被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する第２ステップと、前記第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、前記アーム部の関節部に配置されるトルク制限部における駆動力の許容値を算出する第３ステップと、を有することを特徴とするトルク制限部における許容値の算出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、駆動装置は、伝達するトルクの許容値を正確に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【図２】本実施形態における関節部（第２関節部）の構成の一例を示す構成図である。
【図３】本実施形態における関節部（第１関節部）の構成の一例を示す構成図である。
【図４】本実施形態におけるトルク制限部の構成の一例を示す断面図である。
【図５】本実施形態における駆動力の伝達経路の一例を示す断面図である。
【図６】本実施形態におけるオイラーの原理に基づく摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと伝達効率の値との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態における駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】本実施形態における駆動装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態における手先部の位置に基づいて許容値を設定する駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】本実施形態における複数の関節部に検出部を備える駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１の実施形態］
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る一例としての駆動装置１０の構成を示す構成図である。
図１に示すように、本実施形態の駆動装置１０は、ロボット装置９０に備えられており、ロボット装置９０のアーム部（アーム）９１を駆動する。アーム部９１は、被移動物体ＷＫを移動させる。アーム部９１は、複数のリンク部（リンク）で構成され、本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂを備えている。なお、本実施形態におけるロボット装置９０は、例えば、複数のリンク部（例、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）を備える多軸（例、６軸）の多関節ロボット装置などに適用することが可能である。
第１リンク部９１ａは、一端が関節部９４（本実施形態においては、第１関節部９４ａ）を介してロボット装置９０の台座部９３に連結されており、他端が関節部９４（本実施形態においては、第２関節部９４ｂ）を介して第２リンク部９１ｂの一端に連結されている。
第２リンク部９１ｂは、一端が関節部９４（本実施形態においては、第２関節部９４ｂ）を介して第１リンク部９１ａに連結されており、他端に被移動物体に接触可能な手先部９２と、手先部９２に加わる力を検出する検出部３０（本実施形態においては、３０ｃ）とを備えている。
手先部９２は、被移動物体ＷＫを、例えば把持し又は押圧して被移動物体ＷＫを移動させる。
検出部３０（本実施形態においては、検出部３０ｃ）は、被移動物体ＷＫからアーム部９１（又はリンク部）に与えられる力Ｆを検出する。また、検出部３０は、例えば力センサであって、第２リンク部９１ｂの端部（先端部）である手先部９２の取り付け部に備えられる。検出部３０は、例えば、手先部９２が被移動物体ＷＫを把持したり押圧したりすることによって手先部９２に与えられる力Ｆを検出する。
このように、本実施形態のロボット装置９０は、台座部９３、第１関節部９４ａ、第１リンク部９１ａ、第２関節部９４ｂ、第２リンク部９１ｂの順に連結されている。ロボット装置９０は、第２リンク部９１ｂの先端部に備えられる手先部９２によって、被移動物体ＷＫを移動させる。
【００１６】
また、駆動装置１０は、駆動部２０（本実施形態においては、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）と、トルク制限部５０と、制御部６０とを備えている。
駆動部２０（駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）は、被移動物体ＷＫを移動させるアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）を駆動する駆動力を発生する。本実施形態においては、駆動部２０ａは、第１リンク部９１ａを駆動する駆動力を発生する。また、駆動部２０ｂは、第２リンク部９１ｂを駆動する駆動力を発生する。
トルク制限部５０は、アーム部９１の関節部９４（本実施形態においては第１関節部９４ａ及び第２関節部９４ｂ）に備えられ、駆動部２０（本実施形態においては、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）によって発生された駆動力を駆動部２０からアーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達するとともに、アーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルク（駆動力）の許容値が可変であって、アーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルクの許容値に基づいて制限する。
制御部６０は、被移動物体ＷＫ（被移動部）からアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に与えられる力に基づいてトルクの許容値を算出する。ここで、制御部６０は、検出部３０（検出部３０ｃ）によって検出されたアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に与えられる力に基づいて許容値を算出する。
【００１７】
なお、以下の説明において、特に明示しない限り、アーム部９１の記載は、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂを含んで示している。同様に、関節部９４の記載は、第１関節部９４ａ及び第２関節部９４ｂを、駆動部２０の記載は、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂをそれぞれ含んで示している。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照して、関節部９４の構成を説明する。
図２は、第２関節部９４ｂの構成の一例を示す図である。
第２関節部９４ｂは、第１リンク部９１ａと第２リンク部９１ｂとを連結している。
第１リンク部９１ａは、駆動部２０ｂを備えている。
駆動部２０ｂは、例えばモータなどの電動機２２ｂと、電動機２２ｂが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸２１（本実施形態においては、駆動軸２１ｂ）とを備えている。
駆動軸２１ｂは、第１リンク部９１ａが備える軸受９５ｂ−１、軸受９５ｂ−２及び軸受９５ｂ−５を貫通しており、第２リンク部９１ｂが備える軸受９５ｂ−３及び軸受９５ｂ−４に接続されている。つまり、第２リンク部９１ｂは、駆動軸２１ｂが回転することによって、駆動軸２１ｂを中心にして回転する。
電動機２２ｂは、第１リンク部９１ａが備える軸受９５ｂ−５に取り付けられており、後述する上位装置８０から供給されるトルク指令値に基づいたトルクによって駆動軸２１ｂを回転させる。
【００１９】
図３は、第１関節部９４ａの構成の一例を示す図である。
第１関節部９４ａは、台座部９３と第１リンク部９１ａとを連結している。
台座部９３は、駆動部２０ａを備えている。
駆動部２０ａは、例えばモータなどの電動機２２ａと、電動機２２ａが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸２１（本実施形態においては、駆動軸２１ａ）とを備えている。
電動機２２ａは、台座部９３の軸受９５ａ−５に取り付けられ、後述する上位装置８０から供給されるトルク指令値に基づいた駆動力によって駆動軸２１ａを回転させる。
駆動軸２１ａは、拡径部２４ａを備えており、台座部９３の軸受９５ａ−１及び軸受９５ａ−２と、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−３及び軸受９５ａ−４と、被駆動軸２３ａとを貫通している。
【００２０】
第１リンク部９１ａは、第１関節部９４ａに、被駆動軸２３ａと、トルク制限部５０とを備えている。
被駆動軸２３ａは、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−４に接続されており、軸受９５ａ−４とともに回転する。つまり、第１リンク部９１ａは、被駆動軸２３ａが回転することによって、被駆動軸２３ａを中心にして回転する。
トルク制限部５０は、駆動素子５１と、ベルト部５２とを備えている。
駆動素子５１は、一端が第１リンク部９１ａに接続され、他端がベルト部５２の一端に接続されており、制御部６０から出力される制御信号により変形することによってベルト部５２の張力を変化させる。
ベルト部５２は、駆動軸２１ａの拡径部２４ａと被駆動軸２３ａとに対して接触可能にされて（例えば、巻きかけられて）おり、例えば張力に対応する許容値によって駆動軸２１ａの駆動力を被駆動軸２３ａに伝達する。つまり、駆動軸２１ａの拡径部２４ａから被駆動軸２３ａに伝達されるトルクの許容値は、トルク制限部５０が備えるベルト部５２の、例えば張力によって設定される。
【００２１】
次に、図４を参照して、トルク制限部５０が備える駆動素子５１とベルト部５２との詳細な構成について説明する。
図４は、トルク制限部５０の構成を示す断面図である。
ベルト部５２は、その端部（第一端部５２ａ、第二端部５２ｂ）が、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａの周方向の基準位置Ｐを挟むように所定の隙間を空けて対向して配置されている。また、ベルト部５２の形状は、例えば、帯状又は線状などである。
【００２２】
拡径部２４ａと被駆動軸２３ａとは同一の径を有しているため、拡径部２４ａの外周面と被駆動軸２３ａの外周面との間では段差が発生することが無い。このため、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及び、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間には、ほぼ同一の張力及び摩擦力が発生することになる。
【００２３】
駆動素子５１（本実施形態においては、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２）は、ベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間の接触状態を調整する。第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２としては、例えば電歪素子（例、ピエゾ素子）や磁歪素子などの電気機械変換素子が用いられている。例えば、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２は、駆動電圧が供給されることにより、一方向に伸縮する構成である。
【００２４】
第一駆動素子５１−１は、伸縮方向の一方の端部がベルト部５２の第一端部５２ａに接続されている。また、第一駆動素子５１−１の他方の端部は、第１リンク部９１ａの端面から突出した支持部５４に固定されている。したがって、第一駆動素子５１−１は、第一端部５２ａと支持部５４とで挟まれた構成となっている。第一駆動素子５１−１のうち第一端部５２ａとの接続部分には、フレクシャ機構５３−１が形成されている。
【００２５】
第二駆動素子５１−２は、伸縮方向の一方の端部がベルト部５２の第二端部５２ｂに接続されている。また、第二駆動素子５１−２の他方の端部は、第１リンク部９１ａの端面から突出した支持部５４に固定されている。したがって、第二駆動素子５１−２は、第二端部５２ｂと支持部５４とで挟まれた構成となっている。第二駆動素子５１−２のうち第二端部５２ｂとの接続部分には、フレクシャ機構５３−２が形成されている。
【００２６】
上述したように、制御部６０は第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に接続されており、当該第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に対して駆動電圧を供給可能になっている。制御部６０は、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に印加する駆動電圧の電圧値を変化させることにより、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２の伸縮量を調整する。
【００２７】
例えば、第一駆動素子５１−１が伸びると、ベルト部５２の第一端部５２ａが第二端部５２ｂに近づく方向に移動する。また、第二駆動素子５１−２が伸びると、ベルト部５２の第二端部５２ｂが第一端部５２ａに近づく方向に移動する。このため、ベルト部５２が拡径部２４ａの周面（例、外周面や内周面）及び被駆動軸２３ａの周面（例、外周面や内周面）に巻きつき、当該ベルト部５２に張力が加わる。第一駆動素子５１−１が縮むと、第一端部５２ａが第二端部５２ｂから離れる方向に移動する。また、第二駆動素子５１−２が縮むと、第二端部５２ｂが第一端部５２ａから離れる方向に移動する。このため、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａから離れて、ベルト部５２が弛緩する。このように、例えば、ベルト部５２は、駆動素子５１の駆動（例、伸縮）によって駆動軸２１の径方向及び被駆動軸２３ａの径方向に力（例、張力や押圧力）が加えられる。これによって、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及びベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、それぞれ摩擦力が生じる。なお、本実施形態は、例えば、駆動素子５１を縮ませることによって、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに巻きついて、当該ベルト部５２に張力が加わる構成にしてもよい。そして、本実施形態は、駆動素子５１が伸びることによって、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａから離れて弛緩する構成にしてもよい。
【００２８】
次に、図５を参照して、電動機２２ａによって発生される駆動力が被駆動軸２３ａに伝達されるトルク（駆動力）の伝達経路の一例を説明する。
図５は、本実施形態におけるトルク（駆動力）の伝達経路の一例を示す断面図である。
まず、電動機２２ａは、所定の駆動力を発生させて、発生させた駆動力によって駆動軸２１ａを回転させる。この駆動軸２１ａの駆動力は、拡径部２４ａと、トルク制限部５０のベルト部５２との間に生じる摩擦力によって、ベルト部５２に伝達される（図５のＴｑ１）。次に、ベルト部５２の駆動力（トルク）は、ベルト部５２と、被駆動軸２３ａとの間に生じる摩擦力によって、被駆動軸２３ａに伝達される（図５のＴｑ２）。このようにして、電動機２２ａによって発生された駆動力は、被駆動軸２３ａに伝達される。上述したように、電動機２２ａは、台座部９３の軸受９５ａ−５に固定されており、被駆動軸２３ａは、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−４に固定されている。この駆動力によって、第１リンク部９１ａは、台座部９３を基準にして回転される。
【００２９】
次に、本実施形態に係るトルク制限部５０において、駆動軸２１（駆動軸２１ａ）から被駆動軸２３（被駆動軸２３ａ）へ駆動力を伝達し、当該被駆動軸２３に駆動力を作用させる原理を説明する。被駆動軸２３を駆動させる際には、拡径部２４（拡径部２４ａ）及び被駆動軸２３に巻き付いたベルト部５２に有効張力を生じさせ、当該有効張力によって拡径部２４と被駆動軸２３とを連結する。拡径部２４と被駆動軸２３とがベルト部５２によって連結されることで、駆動軸２１から被駆動軸２３へと駆動力が伝達可能となる。
【００３０】
オイラーの摩擦ベルト理論により、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに巻き付いたベルト部５２の第一端部５２ａ側の張力（Ｔ１）及び第二端部５２ｂ側の張力（Ｔ２）が下記（式１）を満たすとき、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、それぞれ摩擦力が生じ、ベルト部５２が拡径部２４の外周面及び被駆動軸２３の外周面に対してすべりを生じることの無い状態（接触状態）となる。なお、本実施形態では、ベルト部５２が短手方向に等しい寸法ずつ拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに掛けられているため、生じる摩擦力の大きさは、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及び、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、ほぼ等しくなる。
【００３１】
ベルト部５２は、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに対して接触状態となったときに、摩擦力によって駆動軸２１ａ及び被駆動軸２３ａと共に移動する。この移動により、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに駆動力が伝達される。ただし、（式１）において、μはベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間の見かけ上の摩擦係数であり、θはベルト部５２の有効巻き付き角（接触角度）である。有効巻き付け角θについては、拡径部２４ａの外周面及び被駆動軸２３ａの外周面のうちベルト部５２に対して接触状態となりうる部分の範囲である。
【００３２】
【数１】
【００３３】
このとき、駆動力の伝達に寄与する有効張力は、（Ｔ１−Ｔ２）によって表される。上記（式１）に基づいて有効張力（Ｔ１−Ｔ２）を求めると、（式２）のようになる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
上記（式２）より、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに伝達される駆動力は、例えば第一駆動素子５１−１の伸縮によってベルト部５２に生じる張力Ｔ１によって一意に決定されることがわかる。（式２）の右辺の張力Ｔ１の係数部分は、ベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間における摩擦係数μ、及び、ベルト部５２の有効巻き付き角θにそれぞれ依存する。
【００３６】
図６は、オイラーの原理に基づく摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと係数部分の値との関係を示すグラフである。グラフの横軸は有効巻き付き角θを示しており、グラフの縦軸は係数部分の値を示している。図６に示すように、例えば摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θが３００°以上のときに係数部分の値が０．８以上となっている。
【００３７】
このことから、摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θを３００°以上とすることにより、第一駆動素子５１−１による張力Ｔ１の８０％以上の力が被駆動軸２３の駆動力に寄与することがわかる。この巻き付き角の他（例、１８０°、２７０°、３６０°、３６０°以上）、図６のグラフから、例えばベルト部５２と、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３との間の摩擦係数を大きくするほど、係数部分の値が大きくなることが推定される。このように、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに伝達される駆動力の上限値（許容値）の大きさは第一駆動素子５１−１による張力Ｔ１によって一意に決定されることになる。このように、本実施形態におけるトルク制限部５０は、駆動軸２１ａ（拡径部２４ａ）と被駆動軸２３ａとの相対的な変位（例、滑り）を生じさせるトルク（駆動力）の許容値を制御部６０によって可変にする。また、これらによって、本実施形態におけるトルク制限部５０は、例えばリンク部に許容値を超えるような過大なトルクが加わった場合などに、駆動軸２１ａ（拡径部２４ａ）と被駆動軸２３ａとに相対的な変位を生じさせることが可能である。
【００３８】
次に、制御部６０の構成について説明する。
図７は、制御部６０の構成の一例を示すブロック図である。
上述したように、本実施形態のロボット装置９０は、上位装置８０に接続されており、上位装置８０が備えるトルク指令部８３から、駆動部２０の電動機２２にトルク指令値が供給される。上位装置８０のトルク指令部８３は、手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘに基づいて、駆動部２０の電動機２２に供給するトルク指令値を算出する。電動機２２の駆動軸２１（駆動軸２１ａ、駆動軸２１ｂ）は、トルク制限部５０を介してリンク部の被駆動軸２３（被駆動軸２３ａ、被駆動軸２３ｂ）に、電動機２２によって発生されたトルクを伝達する。手先部９２は、アーム部９１によって移動される。検出部３０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力を検出する。
【００３９】
制御部６０は、図７に示すように取得部６１と、算出部６２と、記憶部６４とを有している。
取得部６１は、検出部３０（本実施形態においては検出部３０ｃ）によって検出された被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆを、検出部３０から取得する。また、取得部は、上位装置８０の手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘを、手先位置設定部８４から取得する。
算出部６２は、取得部６１によって取得された力Ｆと、位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０からリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルクτの許容値を算出する。また、算出部６２は、算出したトルクτの許容値に基づいた駆動素子５１の駆動電圧、トルク制限部５０に出力する。
記憶部６４には、トルクτの許容値と、駆動素子５１の駆動電圧とが関連付けられて予め記憶されている。
【００４０】
ここで、手先部９２に力Ｆを加えた場合に、各関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）に発生するトルクτは、既知の（式３）によって示される。
【００４１】
【数３】
【００４２】
上記の（式３）において、Ｊは手先部９２の位置座標Ｘと関節角θの関係を表す式（Ｘ＝ｆ（θ））のヤコビアン行列であり、次の（式４）から求められる。なお、（式３）において、ＪＴはＪの転置行列を示す。
【００４３】
【数４】
【００４４】
上記の（式４）において、手先部９２の位置座標Ｘは、直交座標（ｘ、ｙ、ｚ）及びオイラー角（Φ、Θ、Ψ）を用いて、（式５）によって示される。なお、（式５）において、Ｔは転置行列を示す。
【００４５】
【数５】
【００４６】
上記の（式３）〜（式５）によれば、手先部９２に与えられる力Ｆと手先部９２の位置座標Ｘとから、各関節部９４に発生するトルクτを求めることができる。つまり、手先部９２に与えられる力Ｆの許容値を定めたとすれば、上記の（式３）〜（式５）によって、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。
本実施形態の算出部６２は、取得部６１が取得した手先部９２に与えられる力Ｆと、手先部９２の位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０から第１リンク部９１ａに伝達される駆動力（トルクτ）の許容値を算出する。このとき、制御部６０は、被移動物体ＷＫからアーム部９１を構成するリンク部に与えられる力Ｆと所定の係数とに基づいて、駆動力の許容値を算出する。ここで、所定の係数は、例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。例えば、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４に発生するトルクτに、所定の係数（例えば、１．２）を乗じて、駆動力の許容値を算出する。このようにして、制御部６０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいて駆動力の許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢に対応した各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢が変化しても、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
【００４７】
次に、図８を参照して、制御部６０がトルクの許容値を算出する手順を説明する。
図８は、制御部６０が許容値を算出する手順の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部６０は、ロボット装置９０が備えるアーム部９１を構成するリンク部のうち被移動物体ＷＫに接触可能で被移動物体ＷＫを移動させる手先部９２に与えられる力Ｆを算出する（ステップＳ１１０）。本実施形態において、制御部６０の取得部６１は、検出部３０（本実施形態においては検出部３０ｃ）によって検出された被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆを、算出すべき力Ｆとして検出部３０から取得する。本実施形態の検出部３０ｃは、手先部９２に与えられる力Ｆを検出する。
【００４８】
次に、制御部６０の算出部６２は、ステップＳ１１０において算出した力Ｆに基づいて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する（ステップＳ１２０）。本実施形態において、算出部６２は、被移動物体ＷＫからリンク部（本実施形態においては第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に与えられる力Ｆに、例えば所定の係数を乗じて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する。この所定の係数は、上述したように例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。
【００４９】
次に、制御部６０の算出部６２は、ステップＳ１２０において算出された力の最大値に基づいて、アーム部９１の関節部９４（第１関節部９４ａ）に配置されるトルク制限部５０における駆動力の許容値を算出する（ステップＳ１３０）。本実施形態において、制御部６０の取得部６１は、上位装置８０の手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘを、手先位置設定部８４から取得する。そして、制御部６０の算出部６２は、上述した（式３）〜（式５）により、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値と手先部９２の位置座標Ｘとから、トルク制限部５０に設定するトルクτの許容値を算出する。
【００５０】
次に、制御部６０の算出部６２は、算出したトルクτの許容値に基づいて、トルク制限部５０の駆動素子（電歪素子）５１を駆動して手順を終了する（ステップＳ１４０）。本実施形態において、算出部６２は、算出したトルクτの許容値に関連付けられている駆動素子５１の駆動電圧を記憶部６４から読み出して、読み出した駆動電圧によってトルク制限部５０の駆動素子５１を駆動する。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の駆動装置１０は、被移動物体ＷＫを移動させるアーム部９１を構成するリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）を駆動する駆動力を発生する駆動部２０を備えている。また、本実施形態の駆動装置１０は、アーム部９１の関節部９４に配置され、駆動部２０によって発生された駆動力を駆動部２０からリンク部に伝達するとともに、リンク部に伝達される駆動力の許容値が可変であって、リンク部に伝達される駆動力を許容値に基づいて制限するトルク制限部５０を備えている。また、本実施形態の駆動装置１０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいて駆動力の許容値を算出する制御部６０を備えている。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、伝達するトルクの許容値がアーム部の姿勢変化に対応して変化するロボット装置においても、アーム部の姿勢変化に対応して正確に許容値を設定することができる。
【００５２】
また、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、リンク部のうちの手先部９２に与えられる力に基づいて、駆動部２０からリンク部に伝達される駆動力の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０からリンク部を駆動する駆動トルクを取得することなく、アーム部の姿勢変化に対応する許容値を設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０が設定する駆動トルクの大きさによらずに、手先部９２に与えられる力の上限値を、予め定めておくことができる。
【００５３】
また、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力と所定の係数とに基づいて、駆動力の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて、駆動力の許容値を所定の範囲内に設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、リンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）が衝突した場合の衝撃力の上限値を予め定めておくことができる。
【００５４】
また、本実施形態の駆動装置１０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力を検出する検出部３０を備えている。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０からリンク部を駆動する駆動トルクを取得することなく、リンク部（ひいてはアーム部）の姿勢変化に対応する許容値を設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０が設定する駆動トルクの大きさによらずに、手先部９２に与えられる力の上限値を、予め定めておくことができる。
【００５５】
また、本実施形態の駆動装置１０は、第１ステップによって、ロボット装置９０が備えるアーム部９１を構成するリンク部の手先部９２に与えられる力を算出する。また、本実施形態の駆動装置１０は、第２ステップによって、第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する。また、本実施形態の駆動装置１０は、第３ステップによって、第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、アーム部９１の関節部９４に配置されるトルク制限部５０におけるトルク（駆動力）の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、伝達するトルクの許容値がアーム部の姿勢変化に対応して変化するロボット装置においても、アーム部の姿勢変化に対応して正確に許容値を設定することができる。
【００５６】
なお、図９に示すように、駆動装置１０は、制御部６０の取得部６１が、上位装置８０の手先位置検出部８５が検出した手先部９２の位置座標Ｘ２を、手先位置検出部８５から取得してもよい。
図９は、本実施形態における手先部９２の位置に基づいて許容値を設定する、駆動装置１０の構成の一例を示すブロック図である。
この場合、制御部６０の算出部６２は、上述した所定の係数に代えて、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆと、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘと、手先位置検出部８５から取得された手先部９２の位置座標Ｘ２とに基づいて、トルクの許容値を算出してもよい。この場合、例えば、算出部６２は、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘと、手先位置検出部８５から取得された手先部９２の位置座標Ｘ２とに基づいて、手先部９２の位置座標Ｘ２の目標位置（すなわち位置座標Ｘ）からの誤差（すなわち、位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差）を算出する。ここで、手先位置検出部８５は、例えば各関節部９４に備えるエンコーダなどの角度検出センサによって、各関節部９４におけるリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）の角度を取得し、取得した各関節部９４におけるリンク部の角度に基づいて手先部９２の位置を検出してもよい。
【００５７】
そして、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４に発生するトルクτに、この位置座標の誤差に応じた係数を乗じて、駆動力の許容値を算出してもよい。つまり、制御部６０は、手先部９２の目標の位置と手先部９２の実際の位置との差に応じて、駆動力の許容値を算出してもよい。これにより、手先部９２の位置座標Ｘ２に適応させて係数を変化させることができるため、所定の係数に基づいて許容値を算出した場合に比べて、さらに正確に許容値を設定することができる。
【００５８】
なお、図１０に示すように、ロボット装置９０は、関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）にリンク部を駆動する駆動軸に生じるトルクを検出する検出部３０（検出部３０ａ、検出部３０ｂ）を備えていてもよい。
図１０は、本実施形態における複数の関節部９４に検出部３０を備える駆動装置１０の構成の一例を示す構成図である。
この場合、上記の（式３）〜（式５）によれば、各関節部９４に発生するトルクτと手先部９２の位置座標Ｘとから、手先部９２に与えられる力Ｆとを求めることができる。つまり、算出部６２は、各関節部９４に発生するトルクτに基づいて、手先部９２に与えられる力Ｆを求めることができる。このようにして本実施形態の駆動装置１０は、求めた手先部９２に与えられる力Ｆに例えば所定の係数を演算して（乗じて）各関節部９４に発生するトルクの許容値を求めることができる。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力Ｆを検出する例えば力センサがなくても、各関節部９４の駆動部２０が備える例えばトルクセンサによって、許容値を設定することができる。
【００５９】
［第２の実施形態］
次に、図１１を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る一例としてのロボット装置９０の構成を示すブロック図である。
図１１に示すように、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、推定部６３を備えている。推定部６３は、上位装置８０のトルク指令部８３からトルク指令値を取得し、関節角検出部８６から、関節角検出部８６が検出した各関節部９４の関節角を取得する。そして、推定部６３は、これら取得したトルク指令値及び各関節角を入力にして構成する、リンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に与えられる力を推定する外乱オブザーバ（オブザーバ）によって推定された力に基づいて許容値を算出する。
【００６０】
本実施形態の外乱オブザーバは、次のように構成されている。まず、各関節部９４の運動方程式は、（式６）によって示される。
【００６１】
【数６】
【００６２】
ここで、ωは関節部９４の回転速度である。また、ドットは一階微分である。つまり、（式６）におけるωドットは、関節部９４の回転加速度である。また、Ｔは指令トルク値であり、Ｉは駆動系のイナーシャであり、τｄは変動トルク（外乱トルク）である。
この（式６）を状態方程式によって表すと、例えば、（式７）になる。
【００６３】
【数７】
【００６４】
なお、上述したようにθは関節角である。ここで、変動トルクτｄをゼロ次の外乱と仮定して、変動トルクτｄを既知のシステム行列に拡張すると、（式７）は、例えば（式８）になる。
【００６５】
【数８】
【００６６】
この（式８）を用いて、トルク指令値Ｔと関節角θとから、外乱トルク推定値τｄハットを求める既知の外乱オブザーバを構成する。本実施形態においては、外乱オブザーバの係数行列Ａを、例えば（式９）に示す行列にする。
【００６７】
【数９】
【００６８】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｂを、例えば（式１０）に示す行列にする。
【００６９】
【数１０】
【００７０】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｃを、例えば（式１１）に示す行列にする。
【００７１】
【数１１】
【００７２】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｄを、例えば（式１２）に示す行列にする。
【００７３】
【数１２】
【００７４】
本実施形態の外乱オブザーバは、上述した係数行列Ａ〜Ｄを用いれば（式１３）及び（式１４）によって示される。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
【数１４】
【００７７】
この（式１３）においてＫは、この外乱オブザーバのゲイン行列である。また、（式１３）においてθハットは関節角θの推定値である。また、（式１３）においてＸハットは、関節角θの推定値θハットと、関節角の回転速度ωの推定値ωハットと、外乱トルク推定値τｄハットとを要素にする、（式１５）によって示される行列である。
【００７８】
【数１５】
【００７９】
このように、本実施形態において制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部（ひいてはアーム部９１）に与えられる力を推定する。
【００８０】
次に、本実施形態の算出部６２が許容値を算出する構成の一例について説明する。
算出部６２は、時刻Ｎにおける変動トルクτｄＮから、手先部９２の負荷推定値ＦＮハットを次の（式１６）によって求める。
【００８１】
【数１６】
【００８２】
この（式１６）は、上述した（式３）の左辺と右辺とを入れ替えた式に、（式１３）及び（式１４）によって推定される変動トルクτｄＮを代入した式である。この（式１６）において、ＪＴインバースは、上述したヤコビアン行列の転置行列の逆行列である。
ここで、時刻Ｎにおける手先部９２の負荷推定値ＦＮハットのｘ方向成分をＦ１、ｙ方向成分をＦ２、ｚ方向成分をＦ３とすれば（式１７）によって示される。
【００８３】
【数１７】
【００８４】
また、算出部６２は、時刻Ｎの次の時刻（Ｎ＋１）における手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１を、（式１８）によって求める。
【００８５】
【数１８】
【００８６】
ここで、係数Ｋｓは、Ｋｓ＞０である。また、係数Ｋｆは、手先部９２の負荷推定値ＦＮハットに対する許容幅を決めるゲインである。また、ｒＮは、手先位置検出部８５が検出した手先部９２の位置座標Ｘ２を示すベクトル、つまり手先部９２の位置ベクトルである。また、ｒ０は、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘ、つまり手先部９２の位置指令値である。この（式１８）の右辺第２項は、手先部９２の位置誤差、つまり位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差が、負荷の力の方向と同じ場合には、手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が大きくなることを示している。同様に、（式１８）の右辺第２項は、手先部９２の位置誤差、つまり位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差が、負荷の力の方向と逆の場合には、手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が小さくなることを示している。つまり、（式１８）の右辺第２項は、正であれば手先部９２が負荷によって引かれている状態を示しており、負であれば手先部９２が負荷によって押されている状態（つまり衝突状態）を示している。
【００８７】
さらに、算出部６２は、時刻（Ｎ＋１）における変動トルクτｄの許容値τＬＮ＋１を（式１９）によって求める。
【００８８】
【数１９】
【００８９】
そして、算出部６２は、この（式１９）によって求めた変動トルクτｄの許容値τＬＮ＋１にトルク指令値Ｔを加えて、トルク制限部５０に設定する設定値ＴＬＮ＋１を求める（式２０）。
【００９０】
【数２０】
【００９１】
算出部６２は、このようにして求めた設定値ＴＬＮ＋１をトルク制限部５０に出力する。
【００９２】
このように、本実施形態において制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部に与えられる力を推定する。そして、本実施形態の算出部６２は、推定部６３によって推定された力、すなわち外乱トルク推定値τｄハットに基づいて許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力を検出する検出部３０を備えていなくても、許容値を算出することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０（例えば、圧力センサ）によらず許容値を算出することができるため、検出部３０の校正や交換を不要にすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。さらに、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０が不要であるため、コストを低減させることができるとともに、小型化することができる。
また、本実施形態におけるロボット装置９０は、作業者などの物体をリンク部やアーム部によって挟み込んでしまう場合に対して安全に作用することが可能である。例えば、ロボット装置９０がワークなどの被移動物体を鉛直方向に降ろす時に作業者がワークの下側で挟まれた場合、位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差（手先部９２の位置誤差）が負荷の力の方向と逆の方向であるため、上記したように（式１８）に基づいて手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が小さくなる。したがって、ロボット装置９０は、（式１９）により設定値ＴＬＮ＋１は更に小さくなり、駆動軸２１ａと被駆動軸２３ａとに相対的な変位が生じる（例、駆動軸２１ａが空回りする）ことによって作業者を挟む力が小さくなるため、安全に作用することが可能となる。
【００９３】
［第３の実施形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る一例としてのロボット装置９０の構成を示す構成図である。
【００９４】
本実施形態のロボット装置９０は、台座部９３と第１リンク部９１ａとを連結する第１関節部９４ａと、第１リンク部９１ａと第２リンク部９１ｂとを連結する第２関節部９４ｂとの各関節部９４に、トルク制限部５０（トルク制限部５０ａ、トルク制限部５０ｂ）をそれぞれ備えている。また、本実施形態の制御部６０は、手先部９２に与えられる力に基づいて、複数の関節部９４が有するトルク制限部５０ごとにトルク（駆動力）の許容値を算出する。アーム部９１はトルク制限部５０を有する複数の関節部９４を備えており、制御部６０は手先部９２に与えられる力に基づいて複数の関節部９４が有するトルク制限部５０ごとにトルクの許容値を算出する。
【００９５】
本実施形態の制御部６０は、（式３）〜（式５）によれば、手先部９２に与えられる力Ｆと手先部９２の位置座標Ｘとから、各関節部９４に発生するトルクτを求めることができる。
例えば、本実施形態の算出部６２は、取得部６１が取得した手先部９２に与えられる力Ｆと、手先部９２の位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０（駆動部２０ａ）から第１リンク部９１ａに伝達されるトルクの許容値と、駆動部２０（駆動部２０ｂ）から第２リンク部９１ｂに伝達されるトルクの許容値とを算出する。このとき、制御部６０は、被移動物体ＷＫから第１リンク部９１ａに与えられる力Ｆ１と所定の係数とに基づいて、駆動部２０ａから第１リンク部９１ａに伝達されるトルクの許容値を算出する。また、制御部６０は、被移動物体ＷＫから第２リンク部９１ｂに与えられる力Ｆ２と所定の係数とに基づいて、駆動部２０ｂから第２リンク部９１ｂに伝達されるトルクの許容値を算出する。ここで、所定の係数は、上述したように、例えばリンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。例えば、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）に発生するトルクτ（トルクτａ、トルクτｂ）に、所定の係数（例えば、１．２）を乗じて、トルクの許容値を算出する。このようにして、制御部６０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいてトルクの許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢に対応した各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部６０は、アーム部９１の姿勢が変化しても、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
【００９６】
なお、本実施形態のロボット装置９０は、第２の実施形態において説明した駆動装置１０を備えていてもよい。この場合、本実施形態のロボット装置９０が備える制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部に与えられる力を推定する。そして、本実施形態の算出部６２は、推定部６３によって推定された力、すなわち外乱トルク推定値τｄハットに基づいて許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力を検出する検出部３０を備えていなくても、許容値を算出することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０（例えば、圧力センサ）によらずトルクの許容値を算出することができるため、検出部３０の校正や交換を不要にすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。さらに、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０が不要であるため、コストを低減させることができるとともに、小型化することができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
なお、上記の各実施形態におけるロボット装置９０は、各関節部９４に発生するトルクの許容値を求める手段を有するため、予め記憶されたトルクの許容値を用いることが困難であるような場合（例、重さや形状が常に一定でない被移動物体に対してロボット装置９０を力制御する場合、や複数台のロボット装置９０を非同期で協調させて動作させる場合、など）であっても、安全に正確に動作させることができる。
【００９８】
なお、上記の各実施形態における制御部６０又はこの制御部６０が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
【００９９】
なお、この制御部６０又はこの制御部６０が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この制御部６０又はこの制御部６０が備える各部はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
【０１００】
また、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１０１】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…駆動装置、２０…駆動部、３０…検出部、５０…トルク制限部、６０…制御部、９０…ロボット装置、９１…アーム部、９１ａ，９１ｂ…リンク部、９２…手先部、９４…関節部、ＷＫ…被移動物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置、ロボット装置及び駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば工業分野に限られず、医療や福祉などの広い産業分野において、作業者の負担軽減等を目的として、ロボット装置が用いられている。ロボット装置の構成として、例えばアーム部を構成する複数のリンク部（被駆動体）が連結され、連結部（関節部）を中心としてリンク部が回転する構成が知られている。リンク部の連結部には、駆動力を伝達する動力伝達機構が設けられている。また、リンク部の先端には、例えば物や人などの被移動物体に接触可能で被移動物体を把持したり押圧したりする手先部が設けられている。
【０００３】
このようなロボット装置は、例えば重量物である被移動物体を支持したり、所定の位置へ移動したりするなどの動作をする際のパワー及び精度を求められる。そのため、ロボット装置のアーム部には高い剛性が不可欠となる。一方で、例えばロボット装置がアーム部を移動させる動作を行う場合、ロボット装置周囲の人や物に、アーム部の一部（リンク部など）が衝突する場合が想定されうる。このような場合、アーム部が破損したり、衝突された人や物が損傷したりするおそれがあるため、アーム部や連結部には一定の柔軟性が求められる。従って、ロボット装置は、剛性及び柔軟性という相反的な性質を兼ね備えていることを求められる。
【０００４】
このようなロボット装置を実現するため、例えば、アーム部の連結部の動力伝達機構を機械構造的に柔軟にする構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、ばねなどの弾性体や磁性流体などを用いて、伝達するトルクの許容値を制限するトルク制限機構が知られている。このようなトルク制限機構は、許容値を超える外力が連結部に加わった場合に、連結部をすべらせることにより、リンク部や衝突された人や物の損傷を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようなロボット装置は、トルクの許容値が小さければ連結部の剛性が不足して被移動物体を移動させることができなくなり、トルクの許容値が大きければ連結部の柔軟性が不足して衝突時の損傷を低減することができなくなることがある。したがって、ロボット装置は、アーム部の動作に必要なトルクに応じて、トルクの許容値を正確に設定することが求められる。しかしながら、例えば、上述のようなロボット装置は、伝達するトルクがリンク部（ひいてはアーム部）の姿勢変化に対応して変化するため、伝達するトルクに応じたトルクの許容値を正確に設定できない場合があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、伝達するトルクの許容値を正確に設定することができる駆動装置、及びロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、前記アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部に与えられる力に基づいて前記駆動力の許容値を算出する制御部とを備えることを特徴とする駆動装置である。
【０００９】
また、本発明の一実施形態は、上述の実施形態における駆動装置と、前記アーム部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１０】
また、本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部と、前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部に与えられる力に基づいて算出した前記許容値を前記トルク制限部に設定する制御部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１１】
また、本発明の一実施形態は、被移動物体を移動させるアーム部と、前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、前記リンク部の手先部に与えられる力を算出する手段と、算出された前記手先部に与えられる力をもとに前記許容値を前記関節部ごとに算出する手段と、を有する制御部とを備えることを特徴とするロボット装置である。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、ロボット装置が備えるアーム部を構成するリンク部のうち被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力を算出する第１ステップと、前記第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、前記手先部が前記被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する第２ステップと、前記第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、前記アーム部の関節部に配置されるトルク制限部における駆動力の許容値を算出する第３ステップと、を有することを特徴とするトルク制限部における許容値の算出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、駆動装置は、伝達するトルクの許容値を正確に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【図２】本実施形態における関節部（第２関節部）の構成の一例を示す構成図である。
【図３】本実施形態における関節部（第１関節部）の構成の一例を示す構成図である。
【図４】本実施形態におけるトルク制限部の構成の一例を示す断面図である。
【図５】本実施形態における駆動力の伝達経路の一例を示す断面図である。
【図６】本実施形態におけるオイラーの原理に基づく摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと伝達効率の値との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態における駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】本実施形態における駆動装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態における手先部の位置に基づいて許容値を設定する駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】本実施形態における複数の関節部に検出部を備える駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る駆動装置の構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１の実施形態］
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る一例としての駆動装置１０の構成を示す構成図である。
図１に示すように、本実施形態の駆動装置１０は、ロボット装置９０に備えられており、ロボット装置９０のアーム部（アーム）９１を駆動する。アーム部９１は、被移動物体ＷＫを移動させる。アーム部９１は、複数のリンク部（リンク）で構成され、本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂを備えている。なお、本実施形態におけるロボット装置９０は、例えば、複数のリンク部（例、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）を備える多軸（例、６軸）の多関節ロボット装置などに適用することが可能である。
第１リンク部９１ａは、一端が関節部９４（本実施形態においては、第１関節部９４ａ）を介してロボット装置９０の台座部９３に連結されており、他端が関節部９４（本実施形態においては、第２関節部９４ｂ）を介して第２リンク部９１ｂの一端に連結されている。
第２リンク部９１ｂは、一端が関節部９４（本実施形態においては、第２関節部９４ｂ）を介して第１リンク部９１ａに連結されており、他端に被移動物体に接触可能な手先部９２と、手先部９２に加わる力を検出する検出部３０（本実施形態においては、３０ｃ）とを備えている。
手先部９２は、被移動物体ＷＫを、例えば把持し又は押圧して被移動物体ＷＫを移動させる。
検出部３０（本実施形態においては、検出部３０ｃ）は、被移動物体ＷＫからアーム部９１（又はリンク部）に与えられる力Ｆを検出する。また、検出部３０は、例えば力センサであって、第２リンク部９１ｂの端部（先端部）である手先部９２の取り付け部に備えられる。検出部３０は、例えば、手先部９２が被移動物体ＷＫを把持したり押圧したりすることによって手先部９２に与えられる力Ｆを検出する。
このように、本実施形態のロボット装置９０は、台座部９３、第１関節部９４ａ、第１リンク部９１ａ、第２関節部９４ｂ、第２リンク部９１ｂの順に連結されている。ロボット装置９０は、第２リンク部９１ｂの先端部に備えられる手先部９２によって、被移動物体ＷＫを移動させる。
【００１６】
また、駆動装置１０は、駆動部２０（本実施形態においては、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）と、トルク制限部５０と、制御部６０とを備えている。
駆動部２０（駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）は、被移動物体ＷＫを移動させるアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）を駆動する駆動力を発生する。本実施形態においては、駆動部２０ａは、第１リンク部９１ａを駆動する駆動力を発生する。また、駆動部２０ｂは、第２リンク部９１ｂを駆動する駆動力を発生する。
トルク制限部５０は、アーム部９１の関節部９４（本実施形態においては第１関節部９４ａ及び第２関節部９４ｂ）に備えられ、駆動部２０（本実施形態においては、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂ）によって発生された駆動力を駆動部２０からアーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達するとともに、アーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルク（駆動力）の許容値が可変であって、アーム部９１（本実施形態においては、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルクの許容値に基づいて制限する。
制御部６０は、被移動物体ＷＫ（被移動部）からアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に与えられる力に基づいてトルクの許容値を算出する。ここで、制御部６０は、検出部３０（検出部３０ｃ）によって検出されたアーム部９１（第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂ）に与えられる力に基づいて許容値を算出する。
【００１７】
なお、以下の説明において、特に明示しない限り、アーム部９１の記載は、第１リンク部９１ａ及び第２リンク部９１ｂを含んで示している。同様に、関節部９４の記載は、第１関節部９４ａ及び第２関節部９４ｂを、駆動部２０の記載は、駆動部２０ａ及び駆動部２０ｂをそれぞれ含んで示している。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照して、関節部９４の構成を説明する。
図２は、第２関節部９４ｂの構成の一例を示す図である。
第２関節部９４ｂは、第１リンク部９１ａと第２リンク部９１ｂとを連結している。
第１リンク部９１ａは、駆動部２０ｂを備えている。
駆動部２０ｂは、例えばモータなどの電動機２２ｂと、電動機２２ｂが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸２１（本実施形態においては、駆動軸２１ｂ）とを備えている。
駆動軸２１ｂは、第１リンク部９１ａが備える軸受９５ｂ−１、軸受９５ｂ−２及び軸受９５ｂ−５を貫通しており、第２リンク部９１ｂが備える軸受９５ｂ−３及び軸受９５ｂ−４に接続されている。つまり、第２リンク部９１ｂは、駆動軸２１ｂが回転することによって、駆動軸２１ｂを中心にして回転する。
電動機２２ｂは、第１リンク部９１ａが備える軸受９５ｂ−５に取り付けられており、後述する上位装置８０から供給されるトルク指令値に基づいたトルクによって駆動軸２１ｂを回転させる。
【００１９】
図３は、第１関節部９４ａの構成の一例を示す図である。
第１関節部９４ａは、台座部９３と第１リンク部９１ａとを連結している。
台座部９３は、駆動部２０ａを備えている。
駆動部２０ａは、例えばモータなどの電動機２２ａと、電動機２２ａが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸２１（本実施形態においては、駆動軸２１ａ）とを備えている。
電動機２２ａは、台座部９３の軸受９５ａ−５に取り付けられ、後述する上位装置８０から供給されるトルク指令値に基づいた駆動力によって駆動軸２１ａを回転させる。
駆動軸２１ａは、拡径部２４ａを備えており、台座部９３の軸受９５ａ−１及び軸受９５ａ−２と、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−３及び軸受９５ａ−４と、被駆動軸２３ａとを貫通している。
【００２０】
第１リンク部９１ａは、第１関節部９４ａに、被駆動軸２３ａと、トルク制限部５０とを備えている。
被駆動軸２３ａは、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−４に接続されており、軸受９５ａ−４とともに回転する。つまり、第１リンク部９１ａは、被駆動軸２３ａが回転することによって、被駆動軸２３ａを中心にして回転する。
トルク制限部５０は、駆動素子５１と、ベルト部５２とを備えている。
駆動素子５１は、一端が第１リンク部９１ａに接続され、他端がベルト部５２の一端に接続されており、制御部６０から出力される制御信号により変形することによってベルト部５２の張力を変化させる。
ベルト部５２は、駆動軸２１ａの拡径部２４ａと被駆動軸２３ａとに対して接触可能にされて（例えば、巻きかけられて）おり、例えば張力に対応する許容値によって駆動軸２１ａの駆動力を被駆動軸２３ａに伝達する。つまり、駆動軸２１ａの拡径部２４ａから被駆動軸２３ａに伝達されるトルクの許容値は、トルク制限部５０が備えるベルト部５２の、例えば張力によって設定される。
【００２１】
次に、図４を参照して、トルク制限部５０が備える駆動素子５１とベルト部５２との詳細な構成について説明する。
図４は、トルク制限部５０の構成を示す断面図である。
ベルト部５２は、その端部（第一端部５２ａ、第二端部５２ｂ）が、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａの周方向の基準位置Ｐを挟むように所定の隙間を空けて対向して配置されている。また、ベルト部５２の形状は、例えば、帯状又は線状などである。
【００２２】
拡径部２４ａと被駆動軸２３ａとは同一の径を有しているため、拡径部２４ａの外周面と被駆動軸２３ａの外周面との間では段差が発生することが無い。このため、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及び、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間には、ほぼ同一の張力及び摩擦力が発生することになる。
【００２３】
駆動素子５１（本実施形態においては、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２）は、ベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間の接触状態を調整する。第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２としては、例えば電歪素子（例、ピエゾ素子）や磁歪素子などの電気機械変換素子が用いられている。例えば、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２は、駆動電圧が供給されることにより、一方向に伸縮する構成である。
【００２４】
第一駆動素子５１−１は、伸縮方向の一方の端部がベルト部５２の第一端部５２ａに接続されている。また、第一駆動素子５１−１の他方の端部は、第１リンク部９１ａの端面から突出した支持部５４に固定されている。したがって、第一駆動素子５１−１は、第一端部５２ａと支持部５４とで挟まれた構成となっている。第一駆動素子５１−１のうち第一端部５２ａとの接続部分には、フレクシャ機構５３−１が形成されている。
【００２５】
第二駆動素子５１−２は、伸縮方向の一方の端部がベルト部５２の第二端部５２ｂに接続されている。また、第二駆動素子５１−２の他方の端部は、第１リンク部９１ａの端面から突出した支持部５４に固定されている。したがって、第二駆動素子５１−２は、第二端部５２ｂと支持部５４とで挟まれた構成となっている。第二駆動素子５１−２のうち第二端部５２ｂとの接続部分には、フレクシャ機構５３−２が形成されている。
【００２６】
上述したように、制御部６０は第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に接続されており、当該第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に対して駆動電圧を供給可能になっている。制御部６０は、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２に印加する駆動電圧の電圧値を変化させることにより、第一駆動素子５１−１及び第二駆動素子５１−２の伸縮量を調整する。
【００２７】
例えば、第一駆動素子５１−１が伸びると、ベルト部５２の第一端部５２ａが第二端部５２ｂに近づく方向に移動する。また、第二駆動素子５１−２が伸びると、ベルト部５２の第二端部５２ｂが第一端部５２ａに近づく方向に移動する。このため、ベルト部５２が拡径部２４ａの周面（例、外周面や内周面）及び被駆動軸２３ａの周面（例、外周面や内周面）に巻きつき、当該ベルト部５２に張力が加わる。第一駆動素子５１−１が縮むと、第一端部５２ａが第二端部５２ｂから離れる方向に移動する。また、第二駆動素子５１−２が縮むと、第二端部５２ｂが第一端部５２ａから離れる方向に移動する。このため、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａから離れて、ベルト部５２が弛緩する。このように、例えば、ベルト部５２は、駆動素子５１の駆動（例、伸縮）によって駆動軸２１の径方向及び被駆動軸２３ａの径方向に力（例、張力や押圧力）が加えられる。これによって、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及びベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、それぞれ摩擦力が生じる。なお、本実施形態は、例えば、駆動素子５１を縮ませることによって、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに巻きついて、当該ベルト部５２に張力が加わる構成にしてもよい。そして、本実施形態は、駆動素子５１が伸びることによって、ベルト部５２が拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａから離れて弛緩する構成にしてもよい。
【００２８】
次に、図５を参照して、電動機２２ａによって発生される駆動力が被駆動軸２３ａに伝達されるトルク（駆動力）の伝達経路の一例を説明する。
図５は、本実施形態におけるトルク（駆動力）の伝達経路の一例を示す断面図である。
まず、電動機２２ａは、所定の駆動力を発生させて、発生させた駆動力によって駆動軸２１ａを回転させる。この駆動軸２１ａの駆動力は、拡径部２４ａと、トルク制限部５０のベルト部５２との間に生じる摩擦力によって、ベルト部５２に伝達される（図５のＴｑ１）。次に、ベルト部５２の駆動力（トルク）は、ベルト部５２と、被駆動軸２３ａとの間に生じる摩擦力によって、被駆動軸２３ａに伝達される（図５のＴｑ２）。このようにして、電動機２２ａによって発生された駆動力は、被駆動軸２３ａに伝達される。上述したように、電動機２２ａは、台座部９３の軸受９５ａ−５に固定されており、被駆動軸２３ａは、第１リンク部９１ａの軸受９５ａ−４に固定されている。この駆動力によって、第１リンク部９１ａは、台座部９３を基準にして回転される。
【００２９】
次に、本実施形態に係るトルク制限部５０において、駆動軸２１（駆動軸２１ａ）から被駆動軸２３（被駆動軸２３ａ）へ駆動力を伝達し、当該被駆動軸２３に駆動力を作用させる原理を説明する。被駆動軸２３を駆動させる際には、拡径部２４（拡径部２４ａ）及び被駆動軸２３に巻き付いたベルト部５２に有効張力を生じさせ、当該有効張力によって拡径部２４と被駆動軸２３とを連結する。拡径部２４と被駆動軸２３とがベルト部５２によって連結されることで、駆動軸２１から被駆動軸２３へと駆動力が伝達可能となる。
【００３０】
オイラーの摩擦ベルト理論により、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに巻き付いたベルト部５２の第一端部５２ａ側の張力（Ｔ１）及び第二端部５２ｂ側の張力（Ｔ２）が下記（式１）を満たすとき、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、それぞれ摩擦力が生じ、ベルト部５２が拡径部２４の外周面及び被駆動軸２３の外周面に対してすべりを生じることの無い状態（接触状態）となる。なお、本実施形態では、ベルト部５２が短手方向に等しい寸法ずつ拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに掛けられているため、生じる摩擦力の大きさは、ベルト部５２と拡径部２４ａとの間、及び、ベルト部５２と被駆動軸２３ａとの間で、ほぼ等しくなる。
【００３１】
ベルト部５２は、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａに対して接触状態となったときに、摩擦力によって駆動軸２１ａ及び被駆動軸２３ａと共に移動する。この移動により、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに駆動力が伝達される。ただし、（式１）において、μはベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間の見かけ上の摩擦係数であり、θはベルト部５２の有効巻き付き角（接触角度）である。有効巻き付け角θについては、拡径部２４ａの外周面及び被駆動軸２３ａの外周面のうちベルト部５２に対して接触状態となりうる部分の範囲である。
【００３２】
【数１】
【００３３】
このとき、駆動力の伝達に寄与する有効張力は、（Ｔ１−Ｔ２）によって表される。上記（式１）に基づいて有効張力（Ｔ１−Ｔ２）を求めると、（式２）のようになる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
上記（式２）より、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに伝達される駆動力は、例えば第一駆動素子５１−１の伸縮によってベルト部５２に生じる張力Ｔ１によって一意に決定されることがわかる。（式２）の右辺の張力Ｔ１の係数部分は、ベルト部５２と拡径部２４ａ及び被駆動軸２３ａとの間における摩擦係数μ、及び、ベルト部５２の有効巻き付き角θにそれぞれ依存する。
【００３６】
図６は、オイラーの原理に基づく摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θと係数部分の値との関係を示すグラフである。グラフの横軸は有効巻き付き角θを示しており、グラフの縦軸は係数部分の値を示している。図６に示すように、例えば摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θが３００°以上のときに係数部分の値が０．８以上となっている。
【００３７】
このことから、摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θを３００°以上とすることにより、第一駆動素子５１−１による張力Ｔ１の８０％以上の力が被駆動軸２３の駆動力に寄与することがわかる。この巻き付き角の他（例、１８０°、２７０°、３６０°、３６０°以上）、図６のグラフから、例えばベルト部５２と、拡径部２４ａ及び被駆動軸２３との間の摩擦係数を大きくするほど、係数部分の値が大きくなることが推定される。このように、駆動軸２１ａから被駆動軸２３ａに伝達される駆動力の上限値（許容値）の大きさは第一駆動素子５１−１による張力Ｔ１によって一意に決定されることになる。このように、本実施形態におけるトルク制限部５０は、駆動軸２１ａ（拡径部２４ａ）と被駆動軸２３ａとの相対的な変位（例、滑り）を生じさせるトルク（駆動力）の許容値を制御部６０によって可変にする。また、これらによって、本実施形態におけるトルク制限部５０は、例えばリンク部に許容値を超えるような過大なトルクが加わった場合などに、駆動軸２１ａ（拡径部２４ａ）と被駆動軸２３ａとに相対的な変位を生じさせることが可能である。
【００３８】
次に、制御部６０の構成について説明する。
図７は、制御部６０の構成の一例を示すブロック図である。
上述したように、本実施形態のロボット装置９０は、上位装置８０に接続されており、上位装置８０が備えるトルク指令部８３から、駆動部２０の電動機２２にトルク指令値が供給される。上位装置８０のトルク指令部８３は、手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘに基づいて、駆動部２０の電動機２２に供給するトルク指令値を算出する。電動機２２の駆動軸２１（駆動軸２１ａ、駆動軸２１ｂ）は、トルク制限部５０を介してリンク部の被駆動軸２３（被駆動軸２３ａ、被駆動軸２３ｂ）に、電動機２２によって発生されたトルクを伝達する。手先部９２は、アーム部９１によって移動される。検出部３０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力を検出する。
【００３９】
制御部６０は、図７に示すように取得部６１と、算出部６２と、記憶部６４とを有している。
取得部６１は、検出部３０（本実施形態においては検出部３０ｃ）によって検出された被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆを、検出部３０から取得する。また、取得部は、上位装置８０の手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘを、手先位置設定部８４から取得する。
算出部６２は、取得部６１によって取得された力Ｆと、位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０からリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に伝達されるトルクτの許容値を算出する。また、算出部６２は、算出したトルクτの許容値に基づいた駆動素子５１の駆動電圧、トルク制限部５０に出力する。
記憶部６４には、トルクτの許容値と、駆動素子５１の駆動電圧とが関連付けられて予め記憶されている。
【００４０】
ここで、手先部９２に力Ｆを加えた場合に、各関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）に発生するトルクτは、既知の（式３）によって示される。
【００４１】
【数３】
【００４２】
上記の（式３）において、Ｊは手先部９２の位置座標Ｘと関節角θの関係を表す式（Ｘ＝ｆ（θ））のヤコビアン行列であり、次の（式４）から求められる。なお、（式３）において、ＪＴはＪの転置行列を示す。
【００４３】
【数４】
【００４４】
上記の（式４）において、手先部９２の位置座標Ｘは、直交座標（ｘ、ｙ、ｚ）及びオイラー角（Φ、Θ、Ψ）を用いて、（式５）によって示される。なお、（式５）において、Ｔは転置行列を示す。
【００４５】
【数５】
【００４６】
上記の（式３）〜（式５）によれば、手先部９２に与えられる力Ｆと手先部９２の位置座標Ｘとから、各関節部９４に発生するトルクτを求めることができる。つまり、手先部９２に与えられる力Ｆの許容値を定めたとすれば、上記の（式３）〜（式５）によって、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。
本実施形態の算出部６２は、取得部６１が取得した手先部９２に与えられる力Ｆと、手先部９２の位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０から第１リンク部９１ａに伝達される駆動力（トルクτ）の許容値を算出する。このとき、制御部６０は、被移動物体ＷＫからアーム部９１を構成するリンク部に与えられる力Ｆと所定の係数とに基づいて、駆動力の許容値を算出する。ここで、所定の係数は、例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。例えば、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４に発生するトルクτに、所定の係数（例えば、１．２）を乗じて、駆動力の許容値を算出する。このようにして、制御部６０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいて駆動力の許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢に対応した各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢が変化しても、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
【００４７】
次に、図８を参照して、制御部６０がトルクの許容値を算出する手順を説明する。
図８は、制御部６０が許容値を算出する手順の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部６０は、ロボット装置９０が備えるアーム部９１を構成するリンク部のうち被移動物体ＷＫに接触可能で被移動物体ＷＫを移動させる手先部９２に与えられる力Ｆを算出する（ステップＳ１１０）。本実施形態において、制御部６０の取得部６１は、検出部３０（本実施形態においては検出部３０ｃ）によって検出された被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆを、算出すべき力Ｆとして検出部３０から取得する。本実施形態の検出部３０ｃは、手先部９２に与えられる力Ｆを検出する。
【００４８】
次に、制御部６０の算出部６２は、ステップＳ１１０において算出した力Ｆに基づいて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する（ステップＳ１２０）。本実施形態において、算出部６２は、被移動物体ＷＫからリンク部（本実施形態においては第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に与えられる力Ｆに、例えば所定の係数を乗じて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する。この所定の係数は、上述したように例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。
【００４９】
次に、制御部６０の算出部６２は、ステップＳ１２０において算出された力の最大値に基づいて、アーム部９１の関節部９４（第１関節部９４ａ）に配置されるトルク制限部５０における駆動力の許容値を算出する（ステップＳ１３０）。本実施形態において、制御部６０の取得部６１は、上位装置８０の手先位置設定部８４が設定した手先部９２の位置座標Ｘを、手先位置設定部８４から取得する。そして、制御部６０の算出部６２は、上述した（式３）〜（式５）により、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値と手先部９２の位置座標Ｘとから、トルク制限部５０に設定するトルクτの許容値を算出する。
【００５０】
次に、制御部６０の算出部６２は、算出したトルクτの許容値に基づいて、トルク制限部５０の駆動素子（電歪素子）５１を駆動して手順を終了する（ステップＳ１４０）。本実施形態において、算出部６２は、算出したトルクτの許容値に関連付けられている駆動素子５１の駆動電圧を記憶部６４から読み出して、読み出した駆動電圧によってトルク制限部５０の駆動素子５１を駆動する。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の駆動装置１０は、被移動物体ＷＫを移動させるアーム部９１を構成するリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）を駆動する駆動力を発生する駆動部２０を備えている。また、本実施形態の駆動装置１０は、アーム部９１の関節部９４に配置され、駆動部２０によって発生された駆動力を駆動部２０からリンク部に伝達するとともに、リンク部に伝達される駆動力の許容値が可変であって、リンク部に伝達される駆動力を許容値に基づいて制限するトルク制限部５０を備えている。また、本実施形態の駆動装置１０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいて駆動力の許容値を算出する制御部６０を備えている。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、伝達するトルクの許容値がアーム部の姿勢変化に対応して変化するロボット装置においても、アーム部の姿勢変化に対応して正確に許容値を設定することができる。
【００５２】
また、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、リンク部のうちの手先部９２に与えられる力に基づいて、駆動部２０からリンク部に伝達される駆動力の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０からリンク部を駆動する駆動トルクを取得することなく、アーム部の姿勢変化に対応する許容値を設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０が設定する駆動トルクの大きさによらずに、手先部９２に与えられる力の上限値を、予め定めておくことができる。
【００５３】
また、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力と所定の係数とに基づいて、駆動力の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて、駆動力の許容値を所定の範囲内に設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、リンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）が衝突した場合の衝撃力の上限値を予め定めておくことができる。
【００５４】
また、本実施形態の駆動装置１０は、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力を検出する検出部３０を備えている。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０からリンク部を駆動する駆動トルクを取得することなく、リンク部（ひいてはアーム部）の姿勢変化に対応する許容値を設定することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、上位装置８０が設定する駆動トルクの大きさによらずに、手先部９２に与えられる力の上限値を、予め定めておくことができる。
【００５５】
また、本実施形態の駆動装置１０は、第１ステップによって、ロボット装置９０が備えるアーム部９１を構成するリンク部の手先部９２に与えられる力を算出する。また、本実施形態の駆動装置１０は、第２ステップによって、第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、手先部９２が被駆動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する。また、本実施形態の駆動装置１０は、第３ステップによって、第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、アーム部９１の関節部９４に配置されるトルク制限部５０におけるトルク（駆動力）の許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、伝達するトルクの許容値がアーム部の姿勢変化に対応して変化するロボット装置においても、アーム部の姿勢変化に対応して正確に許容値を設定することができる。
【００５６】
なお、図９に示すように、駆動装置１０は、制御部６０の取得部６１が、上位装置８０の手先位置検出部８５が検出した手先部９２の位置座標Ｘ２を、手先位置検出部８５から取得してもよい。
図９は、本実施形態における手先部９２の位置に基づいて許容値を設定する、駆動装置１０の構成の一例を示すブロック図である。
この場合、制御部６０の算出部６２は、上述した所定の係数に代えて、被移動物体ＷＫからリンク部に与えられる力Ｆと、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘと、手先位置検出部８５から取得された手先部９２の位置座標Ｘ２とに基づいて、トルクの許容値を算出してもよい。この場合、例えば、算出部６２は、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘと、手先位置検出部８５から取得された手先部９２の位置座標Ｘ２とに基づいて、手先部９２の位置座標Ｘ２の目標位置（すなわち位置座標Ｘ）からの誤差（すなわち、位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差）を算出する。ここで、手先位置検出部８５は、例えば各関節部９４に備えるエンコーダなどの角度検出センサによって、各関節部９４におけるリンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）の角度を取得し、取得した各関節部９４におけるリンク部の角度に基づいて手先部９２の位置を検出してもよい。
【００５７】
そして、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４に発生するトルクτに、この位置座標の誤差に応じた係数を乗じて、駆動力の許容値を算出してもよい。つまり、制御部６０は、手先部９２の目標の位置と手先部９２の実際の位置との差に応じて、駆動力の許容値を算出してもよい。これにより、手先部９２の位置座標Ｘ２に適応させて係数を変化させることができるため、所定の係数に基づいて許容値を算出した場合に比べて、さらに正確に許容値を設定することができる。
【００５８】
なお、図１０に示すように、ロボット装置９０は、関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）にリンク部を駆動する駆動軸に生じるトルクを検出する検出部３０（検出部３０ａ、検出部３０ｂ）を備えていてもよい。
図１０は、本実施形態における複数の関節部９４に検出部３０を備える駆動装置１０の構成の一例を示す構成図である。
この場合、上記の（式３）〜（式５）によれば、各関節部９４に発生するトルクτと手先部９２の位置座標Ｘとから、手先部９２に与えられる力Ｆとを求めることができる。つまり、算出部６２は、各関節部９４に発生するトルクτに基づいて、手先部９２に与えられる力Ｆを求めることができる。このようにして本実施形態の駆動装置１０は、求めた手先部９２に与えられる力Ｆに例えば所定の係数を演算して（乗じて）各関節部９４に発生するトルクの許容値を求めることができる。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力Ｆを検出する例えば力センサがなくても、各関節部９４の駆動部２０が備える例えばトルクセンサによって、許容値を設定することができる。
【００５９】
［第２の実施形態］
次に、図１１を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る一例としてのロボット装置９０の構成を示すブロック図である。
図１１に示すように、本実施形態の駆動装置１０の制御部６０は、推定部６３を備えている。推定部６３は、上位装置８０のトルク指令部８３からトルク指令値を取得し、関節角検出部８６から、関節角検出部８６が検出した各関節部９４の関節角を取得する。そして、推定部６３は、これら取得したトルク指令値及び各関節角を入力にして構成する、リンク部（第１リンク部９１ａや第２リンク部９１ｂ）に与えられる力を推定する外乱オブザーバ（オブザーバ）によって推定された力に基づいて許容値を算出する。
【００６０】
本実施形態の外乱オブザーバは、次のように構成されている。まず、各関節部９４の運動方程式は、（式６）によって示される。
【００６１】
【数６】
【００６２】
ここで、ωは関節部９４の回転速度である。また、ドットは一階微分である。つまり、（式６）におけるωドットは、関節部９４の回転加速度である。また、Ｔは指令トルク値であり、Ｉは駆動系のイナーシャであり、τｄは変動トルク（外乱トルク）である。
この（式６）を状態方程式によって表すと、例えば、（式７）になる。
【００６３】
【数７】
【００６４】
なお、上述したようにθは関節角である。ここで、変動トルクτｄをゼロ次の外乱と仮定して、変動トルクτｄを既知のシステム行列に拡張すると、（式７）は、例えば（式８）になる。
【００６５】
【数８】
【００６６】
この（式８）を用いて、トルク指令値Ｔと関節角θとから、外乱トルク推定値τｄハットを求める既知の外乱オブザーバを構成する。本実施形態においては、外乱オブザーバの係数行列Ａを、例えば（式９）に示す行列にする。
【００６７】
【数９】
【００６８】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｂを、例えば（式１０）に示す行列にする。
【００６９】
【数１０】
【００７０】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｃを、例えば（式１１）に示す行列にする。
【００７１】
【数１１】
【００７２】
また、この外乱オブザーバの係数行列Ｄを、例えば（式１２）に示す行列にする。
【００７３】
【数１２】
【００７４】
本実施形態の外乱オブザーバは、上述した係数行列Ａ〜Ｄを用いれば（式１３）及び（式１４）によって示される。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
【数１４】
【００７７】
この（式１３）においてＫは、この外乱オブザーバのゲイン行列である。また、（式１３）においてθハットは関節角θの推定値である。また、（式１３）においてＸハットは、関節角θの推定値θハットと、関節角の回転速度ωの推定値ωハットと、外乱トルク推定値τｄハットとを要素にする、（式１５）によって示される行列である。
【００７８】
【数１５】
【００７９】
このように、本実施形態において制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部（ひいてはアーム部９１）に与えられる力を推定する。
【００８０】
次に、本実施形態の算出部６２が許容値を算出する構成の一例について説明する。
算出部６２は、時刻Ｎにおける変動トルクτｄＮから、手先部９２の負荷推定値ＦＮハットを次の（式１６）によって求める。
【００８１】
【数１６】
【００８２】
この（式１６）は、上述した（式３）の左辺と右辺とを入れ替えた式に、（式１３）及び（式１４）によって推定される変動トルクτｄＮを代入した式である。この（式１６）において、ＪＴインバースは、上述したヤコビアン行列の転置行列の逆行列である。
ここで、時刻Ｎにおける手先部９２の負荷推定値ＦＮハットのｘ方向成分をＦ１、ｙ方向成分をＦ２、ｚ方向成分をＦ３とすれば（式１７）によって示される。
【００８３】
【数１７】
【００８４】
また、算出部６２は、時刻Ｎの次の時刻（Ｎ＋１）における手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１を、（式１８）によって求める。
【００８５】
【数１８】
【００８６】
ここで、係数Ｋｓは、Ｋｓ＞０である。また、係数Ｋｆは、手先部９２の負荷推定値ＦＮハットに対する許容幅を決めるゲインである。また、ｒＮは、手先位置検出部８５が検出した手先部９２の位置座標Ｘ２を示すベクトル、つまり手先部９２の位置ベクトルである。また、ｒ０は、手先位置設定部８４から取得された手先部９２の位置座標Ｘ、つまり手先部９２の位置指令値である。この（式１８）の右辺第２項は、手先部９２の位置誤差、つまり位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差が、負荷の力の方向と同じ場合には、手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が大きくなることを示している。同様に、（式１８）の右辺第２項は、手先部９２の位置誤差、つまり位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差が、負荷の力の方向と逆の場合には、手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が小さくなることを示している。つまり、（式１８）の右辺第２項は、正であれば手先部９２が負荷によって引かれている状態を示しており、負であれば手先部９２が負荷によって押されている状態（つまり衝突状態）を示している。
【００８７】
さらに、算出部６２は、時刻（Ｎ＋１）における変動トルクτｄの許容値τＬＮ＋１を（式１９）によって求める。
【００８８】
【数１９】
【００８９】
そして、算出部６２は、この（式１９）によって求めた変動トルクτｄの許容値τＬＮ＋１にトルク指令値Ｔを加えて、トルク制限部５０に設定する設定値ＴＬＮ＋１を求める（式２０）。
【００９０】
【数２０】
【００９１】
算出部６２は、このようにして求めた設定値ＴＬＮ＋１をトルク制限部５０に出力する。
【００９２】
このように、本実施形態において制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部に与えられる力を推定する。そして、本実施形態の算出部６２は、推定部６３によって推定された力、すなわち外乱トルク推定値τｄハットに基づいて許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力を検出する検出部３０を備えていなくても、許容値を算出することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０（例えば、圧力センサ）によらず許容値を算出することができるため、検出部３０の校正や交換を不要にすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。さらに、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０が不要であるため、コストを低減させることができるとともに、小型化することができる。
また、本実施形態におけるロボット装置９０は、作業者などの物体をリンク部やアーム部によって挟み込んでしまう場合に対して安全に作用することが可能である。例えば、ロボット装置９０がワークなどの被移動物体を鉛直方向に降ろす時に作業者がワークの下側で挟まれた場合、位置座標Ｘ２と位置座標Ｘとの差（手先部９２の位置誤差）が負荷の力の方向と逆の方向であるため、上記したように（式１８）に基づいて手先部９２の負荷許容値ＳＮ＋１が小さくなる。したがって、ロボット装置９０は、（式１９）により設定値ＴＬＮ＋１は更に小さくなり、駆動軸２１ａと被駆動軸２３ａとに相対的な変位が生じる（例、駆動軸２１ａが空回りする）ことによって作業者を挟む力が小さくなるため、安全に作用することが可能となる。
【００９３】
［第３の実施形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る一例としてのロボット装置９０の構成を示す構成図である。
【００９４】
本実施形態のロボット装置９０は、台座部９３と第１リンク部９１ａとを連結する第１関節部９４ａと、第１リンク部９１ａと第２リンク部９１ｂとを連結する第２関節部９４ｂとの各関節部９４に、トルク制限部５０（トルク制限部５０ａ、トルク制限部５０ｂ）をそれぞれ備えている。また、本実施形態の制御部６０は、手先部９２に与えられる力に基づいて、複数の関節部９４が有するトルク制限部５０ごとにトルク（駆動力）の許容値を算出する。アーム部９１はトルク制限部５０を有する複数の関節部９４を備えており、制御部６０は手先部９２に与えられる力に基づいて複数の関節部９４が有するトルク制限部５０ごとにトルクの許容値を算出する。
【００９５】
本実施形態の制御部６０は、（式３）〜（式５）によれば、手先部９２に与えられる力Ｆと手先部９２の位置座標Ｘとから、各関節部９４に発生するトルクτを求めることができる。
例えば、本実施形態の算出部６２は、取得部６１が取得した手先部９２に与えられる力Ｆと、手先部９２の位置座標Ｘとに基づいて、駆動部２０（駆動部２０ａ）から第１リンク部９１ａに伝達されるトルクの許容値と、駆動部２０（駆動部２０ｂ）から第２リンク部９１ｂに伝達されるトルクの許容値とを算出する。このとき、制御部６０は、被移動物体ＷＫから第１リンク部９１ａに与えられる力Ｆ１と所定の係数とに基づいて、駆動部２０ａから第１リンク部９１ａに伝達されるトルクの許容値を算出する。また、制御部６０は、被移動物体ＷＫから第２リンク部９１ｂに与えられる力Ｆ２と所定の係数とに基づいて、駆動部２０ｂから第２リンク部９１ｂに伝達されるトルクの許容値を算出する。ここで、所定の係数は、上述したように、例えばリンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、１．２が予め設定されている。例えば、算出部６２は、上述したように求めた各関節部９４（第１関節部９４ａ、第２関節部９４ｂ）に発生するトルクτ（トルクτａ、トルクτｂ）に、所定の係数（例えば、１．２）を乗じて、トルクの許容値を算出する。このようにして、制御部６０は、リンク部に与えられる力Ｆに基づいてトルクの許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部６０は、リンク部（ひいてはアーム部９１）の姿勢に対応した各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部６０は、アーム部９１の姿勢が変化しても、各関節部９４に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
【００９６】
なお、本実施形態のロボット装置９０は、第２の実施形態において説明した駆動装置１０を備えていてもよい。この場合、本実施形態のロボット装置９０が備える制御部６０の推定部６３は、外乱オブザーバ（オブザーバ）によってリンク部に与えられる力を推定する。そして、本実施形態の算出部６２は、推定部６３によって推定された力、すなわち外乱トルク推定値τｄハットに基づいて許容値を算出する。これにより、本実施形態の駆動装置１０は、手先部９２に与えられる力を検出する検出部３０を備えていなくても、許容値を算出することができる。つまり、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０（例えば、圧力センサ）によらずトルクの許容値を算出することができるため、検出部３０の校正や交換を不要にすることができ、メンテナンスを容易にすることができる。さらに、本実施形態の駆動装置１０は、検出部３０が不要であるため、コストを低減させることができるとともに、小型化することができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
なお、上記の各実施形態におけるロボット装置９０は、各関節部９４に発生するトルクの許容値を求める手段を有するため、予め記憶されたトルクの許容値を用いることが困難であるような場合（例、重さや形状が常に一定でない被移動物体に対してロボット装置９０を力制御する場合、や複数台のロボット装置９０を非同期で協調させて動作させる場合、など）であっても、安全に正確に動作させることができる。
【００９８】
なお、上記の各実施形態における制御部６０又はこの制御部６０が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。
【００９９】
なお、この制御部６０又はこの制御部６０が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この制御部６０又はこの制御部６０が備える各部はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
【０１００】
また、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御部６０、又はこの制御部６０が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１０１】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…駆動装置、２０…駆動部、３０…検出部、５０…トルク制限部、６０…制御部、９０…ロボット装置、９１…アーム部、９１ａ，９１ｂ…リンク部、９２…手先部、９４…関節部、ＷＫ…被移動物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、
前記アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力に基づいて前記駆動力の許容値を算出する制御部と
を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記アーム部は複数の前記関節部を備え、
前記複数の関節部に前記トルク制限部が配置され、
前記制御部は、前記手先部に与えられる力に基づいて、前記複数の関節部が有する前記トルク制限部ごとに前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記手先部の目標の位置と前記手先部の実際の位置との差に応じて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力と所定の係数とに基づいて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記リンク部に与えられる力を推定するオブザーバによって推定された力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力を検出する検出部を備え、
前記制御部は、
前記検出部によって検出された前記リンク部に与えられる力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記検出部は、前記リンク部を駆動する駆動軸に生じるトルクを検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記アーム部と、
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１０】
被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力に基づいて算出した前記許容値を前記トルク制限部に設定する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１０に記載のロボット装置。
【請求項１２】
被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部の手先部に与えられる力を算出する手段と、算出された前記手先部に与えられる力をもとに前記許容値を前記関節部ごとに算出する手段と、を有する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１３】
ロボット装置が備えるアーム部を構成するリンク部のうち被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力を算出する第１ステップと、
前記第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、前記手先部が前記被移動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する第２ステップと、
前記第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、前記アーム部の関節部に配置されるトルク制限部における駆動力の許容値を算出する第３ステップと、
を有することを特徴とするトルク制限部における許容値の算出方法。
【請求項１】
被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、
前記アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力に基づいて前記駆動力の許容値を算出する制御部と
を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記アーム部は複数の前記関節部を備え、
前記複数の関節部に前記トルク制限部が配置され、
前記制御部は、前記手先部に与えられる力に基づいて、前記複数の関節部が有する前記トルク制限部ごとに前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記手先部の目標の位置と前記手先部の実際の位置との差に応じて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力と所定の係数とに基づいて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記リンク部に与えられる力を推定するオブザーバによって推定された力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力を検出する検出部を備え、
前記制御部は、
前記検出部によって検出された前記リンク部に与えられる力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記検出部は、前記リンク部を駆動する駆動軸に生じるトルクを検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記アーム部と、
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１０】
被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力に基づいて算出した前記許容値を前記トルク制限部に設定する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項１０に記載のロボット装置。
【請求項１２】
被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部の手先部に与えられる力を算出する手段と、算出された前記手先部に与えられる力をもとに前記許容値を前記関節部ごとに算出する手段と、を有する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項１３】
ロボット装置が備えるアーム部を構成するリンク部のうち被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力を算出する第１ステップと、
前記第１ステップにおいて算出された当該力に基づいて、前記手先部が前記被移動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する第２ステップと、
前記第２ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、前記アーム部の関節部に配置されるトルク制限部における駆動力の許容値を算出する第３ステップと、
を有することを特徴とするトルク制限部における許容値の算出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９４９２８（Ｐ２０１３−９４９２８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４２１３８（Ｐ２０１１−２４２１３８）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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