CN103328161B - 多关节型臂机器人及其控制方法 - Google Patents

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CN103328161B CN201180004631.5A CN201180004631A CN103328161B CN 103328161 B CN103328161 B CN 103328161B CN 201180004631 A CN201180004631 A CN 201180004631A CN 103328161 B CN103328161 B CN 103328161B
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Abstract

多关节型臂机器人(10)包括：支承部(6)，所述支承部能够在上下方向上伸缩；第一臂部(11)，所述第一臂部的一端经由第一关节部(1)以能够绕横摆轴旋转的方式与支承部(6)连结，在第一臂部(11)的两端间设置有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部(2)；第二臂部(12)，所述第二臂部的一端经由第三关节部(3)以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与第一臂部(11)的另一端连结；末端操纵部(7)，所述末端操纵部经由第四关节部(4)以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与第二臂部(12)的另一端连结；驱动部，所述驱动部分别旋转所述第一至第四关节部(1、2、3、4)，并且使支承部(6)伸缩；以及控制部(8)，所述控制部将臂切换为SCARA模式和垂直模式，来进行第一至第四关节部(1、2、3、4)的驱动部的驱动控制，所述SCARA模式是使第一、第二以及第三臂部(11、12、13)仅在水平面内旋转的模式，所述垂直模式是使第二及第三臂部(12、13)仅在铅垂面内旋转的模式。

Description

多关节型臂机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及具有多个关节部的多关节型臂机器人、控制方法以及控制程序。
背景技术
一般来说，对与人共处进行作业的臂机器人要求高的安全性，为了安全地操作臂机器人，优选充分地降低其驱动力来确保安全性。但是，在类似于人的胳膊的臂轴构成中，当想要通过一般的垂直多关节臂来兼顾大的可动区域和应对大的工件重量时，尤其是力矩长度变长的臂基部的关节需要大的驱动力。因此，不能说是安全且低消耗电力的臂构成。
另一方面，使用组合了水平多关节轴和铅垂轴的SCARA(SCARA：Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂)机器人等产业用机器人，来进行组装作业等。另外，已知有如下的多关节机器人：构成偏移旋转关节，所述偏移旋转关节在主动侧连杆和从动侧连杆之间在相对于连杆轴线倾斜的面上设置旋转控制构造，并且从动侧连杆具有相对于连杆轴线倾斜的偏移旋转轴线，在机器人主体与末端操纵器之间设置有多级该偏移旋转关节(例如参照专利文献1)。
在先技术文献 
专利文献
专利文献1：日本专利文献特开平10-225881号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在上述SCARA机器人中，由于工件和臂自身的重量未作用于转动轴，因此具有能够将其驱动力抑制得较低的优点，但是，另一方面具 有臂的上下方向的可动区域被限定而变狭小的缺点。
另外，在上述专利文献1所示的多关节机器人中，虽然能够扩大可动范围，但是构成有可能复杂化。
本发明是为了解决上述的问题而完成的，其主要目的在于提供能够通过简单的构成以低驱动力驱动臂并且能够在大范围移动的多关节型臂机器人、控制方法以及控制程序。
用于解决问题的手段
用于达到上述目的的本发明的一个方式提供一种多关节型臂机器人，其特征在于，包括：支承部，所述支承部能够在上下方向上伸缩；第一臂部，所述第一臂部的一端经由第一关节部以能够绕横摆轴旋转的方式与所述支承部连结，在所述第一臂部的两端间设置有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部；第二臂部，所述第二臂部的一端经由第三关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第一臂部的另一端连结；末端操纵部，所述末端操纵部经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结；驱动部，所述驱动部分别使所述第一至第四关节部旋转，并且使所述支承部伸缩；以及控制部，所述控制部将臂在使所述第一臂部、所述第二臂部、以及第三臂部仅在水平面内旋转的SCARA模式和使所述第二臂部和所述第三臂部仅在铅垂面内旋转的垂直模式之间切换，来进行所述第一至第四关节部的驱动部的驱动控制。根据该一个方式，能够通过简单的构成以低驱动力驱动臂并且使臂在大范围内移动。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部通过控制所述驱动部来使所述第二关节部绕侧倾轴旋转，由此进行将臂在所述第一、第三以及第四关节部的旋转轴成为铅垂方向的所述SCARA模式和所述第三及第四关节部的旋转轴成为水平方向的所述垂直模式之间切换的控制。由此，能够在SCARA模式下以低驱动力驱动臂，能够在垂直模式下使臂在大范围内移动。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部在所述SCARA模式下控制所述驱动部来控制所述第一、第三以及第四关节部的旋转，以使施加给所述第二关节部的侧倾轴的转矩最小。由此，能够采用 低驱动力的第二驱动部，能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部通过控制所述驱动部来控制所述第一、第三以及第四关节部的旋转，以使基于从所述第二关节部到末端操纵部的重心位置的、作用于所述第二关节部的力矩力最小。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述重心位置包括工件重量。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部在所述垂直模式下控制所述驱动部来控制所述第三及第四关节部的旋转，以使施加给所述第三关节部的俯仰轴的转矩最小。由此，能够采用低驱动力的第三驱动部，能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部通过控制所述驱动部来控制所述第三及第四关节部的旋转，使得以所述第三关节部的俯仰轴为中心的、基于从所述第三关节部到末端操纵部的重心位置的力矩为最小。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述重心位置包括工件重量。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：在所述第三关节部为比所述第五关节部高的低处姿势的情况下，所述控制部控制所述第三及第四关节部的旋转，以使所述第四关节部相对于所述第三关节部和所述第五关节部的连线位于下侧，在所述第三关节部为比所述第五关节部低的高处姿势的情况下，所述控制部控制所述第三及第四关节部的旋转，以使所述第四关节部相对于所述第三关节部和所述第五关节部的连线位于上侧。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：还包括第三臂部，所述第三臂部的一端经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结，所述末端操纵部经由第五关节部以能够绕侧倾轴、俯仰轴以及横摆轴旋转的方式与所述第三臂部的另一端连结。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：所述控制部通过将臂切换为所述垂直模式来控制所述第三及第四关节部的旋转，由此收存所述第二 臂部、第三臂部以及末端操纵部。由此，能够紧凑收存臂。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：在所述第二关节部上设置有不可逆的动力传递机构，所述动力传递机构将来自所述驱动部侧的输出转矩向所述第二关节部的侧倾轴侧传递，并且不将来自所述第二关节部的侧倾轴侧的转矩向所述驱动部侧传递。由此，能够采用低驱动力的第二驱动部，能够实现安全且低消耗电力的臂构成。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：在所述支承部上设置有重力补偿机构，所述重力补偿机构支承从所述第一关节部到所述末端操纵部的重力。由此，能够采用低驱动力的第六驱动部，能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
在上述一个方式中，也可以采用以下方式：还包括与所述支承部连结并可移动的移动体。由此，能够使臂在更大范围内移动。
另一方面，用于达到上述目的的本发明的一个方式提供一种多关节型臂机器人的控制方法，所述多关节型臂机器人包括：支承部，所述支承部能够在上下方向上伸缩；第一臂部，所述第一臂部的一端经由第一关节部以能够绕横摆轴旋转的方式与所述支承部连结，在所述第一臂部的两端间设置有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部；第二臂部，所述第二臂部的一端经由第三关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第一臂部的另一端连结；末端操纵部，所述末端操纵部经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结；以及驱动部，所述驱动部分别使所述第一至第四关节部旋转，并且使所述支承部伸缩，所述多关节型臂机器人的控制方法的特征在于，将臂在使所述第一臂部、所述第二臂部、以及第三臂部仅在水平面内旋转的SCARA模式和使所述第二臂部和所述第三臂部仅在铅垂面内旋转的垂直模式之间切换，来进行所述第一至第四关节部的驱动部的驱动控制。
另外，用于达到上述目的的本发明的一个方式提供一种多关节型臂机器人的控制程序，所述多关节型臂机器人包括：支承部，所述支承部能够在上下方向上伸缩；第一臂部，所述第一臂部的一端经由第一关节部以能够绕横摆轴旋转的方式与所述支承部连结，在所述第一臂部的两端间设置 有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部；第二臂部，所述第二臂部的一端经由第三关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第一臂部的另一端连结；末端操纵部，所述末端操纵部经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结；以及驱动部，所述驱动部分别使所述第一至第四关节部旋转，并且使所述支承部伸缩，所述控制程序的特征在于，所述控制程序使计算机执行如下的处理：将臂在使所述第一臂部、所述第二臂部、以及第三臂部仅在水平面内旋转的SCARA模式和使所述第二臂部和所述第三臂部仅在铅垂面内旋转的垂直模式之间切换，来进行所述第一至第四关节部的驱动部的驱动控制。
发明效果
根据本发明，能够通过简单的构成提供能够以低驱动力驱动臂并且使臂在大范围内移动的多关节型臂机器人、控制方法以及控制程序。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的多关节型臂机器人的简要的构成的立体图；
图2是表示本发明的实施方式1涉及的多关节型臂机器人的简要的臂构成的框图；
图3是表示本发明的实施方式1涉及的多关节型臂机器人的简要的***构成的框图；
图4是表示SCARA模式下的多关节型臂机器人的状态的一个例子的侧面图；
图5是表示SCARA模式下的多关节型臂机器人的状态的一个例子的立体图；
图6是表示垂直模式下的多关节型臂机器人的状态的一个例子的侧面图；
图7是表示垂直模式下的多关节型臂机器人的状态的一个例子的立体图；
图8是表示SCARA模式下的臂的可动范围的一个例子的图；
图9是表示垂直模式的低处的臂的可动范围的一个例子的图；
图10是表示垂直模式的高处的臂的可动范围的一个例子的图；
图11是表示SCARA模式以及垂直模式下的臂的可动范围的一个例子的图；
图12的(a)是表示在垂直模式下臂被收存的状态的一个例子的立体图；图12的(b)是表示在垂直模式下臂被收存的状态的一个例子的侧面图；
图13是用于说明在SCARA模式下使第二关节部的侧倾轴的转矩最小化的方法的图；
图14是表示使SCARA模式下的施加给第二关节部的侧倾轴的转矩最小的方法的一个例子的流程图；
图15是表示使SCARA模式下的施加给第二关节部的侧倾轴的转矩最小的方法的一个例子的流程图；
图16是表示在垂直模式的低处第三关节部的俯仰轴的转矩为最小的状态的一个例子的图；
图17是表示在垂直模式的高处第三关节部的俯仰轴的转矩为最小的状态的一个例子的图；
图18是表示本发明的实施方式4涉及的支承部的重力补偿机构的一个例子的图；
图19是表示本发明的实施方式4涉及的支承部的重力补偿机构的一个例子的图；
图20是表示本发明的实施方式5涉及的第二关节部的不可逆的动力传递机构的简要图；
图21是表示与本发明的实施方式6涉及的支承部连结的移动体的一个例子的侧面图。
具体实施方式
实施方式1.
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的实施 方式1涉及的多关节型臂机器人的简要构成的立体图。另外，图2是表示本实施方式1涉及的多关节型臂机器人的简要臂构成的框图。并且，图3是表示本实施方式1涉及的多关节型臂机器人的简要的***构成的框图。
本实施方式1涉及的多关节型臂机器人10包括：支承部6，被固定在预定位置；第一臂部11，其一端经由第一关节部1与支承部6的上端连结；第二臂部12，其一端经由第三关节部3与第一臂部11的另一端连结；第三臂部13，其一端经由第四关节部4与第二臂部12的另一端连结；末端操纵部7，经由第五关节部5与第三臂部13的另一端连结；第一至第六驱动部21、22、23、24、25、26，分别使第一至第五关节部1、2、3、4、5旋转以及使支承部1伸缩；以及控制部8，控制第一至第六驱动部21、22、23、24、25、26的驱动。
支承部(铅垂升降轴)6具有能够向上下方向伸缩的伸缩机构，能够使与支承部6的上端连结的第一关节部1向上下方向移动，从而能够使臂全体向上下方向移动。第一臂部11的一端经由第一关节部1以能够绕横摆轴(肩轴1、水平转动轴)L1旋转的方式与支承部6连结。另外，在第一臂部11的两端间设置有能够绕侧倾轴(肩轴2)L2旋转的第二关节部2。
第二臂部12的一端经由第三关节部3以能够绕横摆轴或俯仰轴(肩轴3)L3旋转的方式与第一臂部11的另一端连结。第三臂部13的一端经由第四关节部4以能够绕横摆轴或俯仰轴(肘轴)L4旋转的方式与第二臂部12的另一端连结。末端操纵部7经由第五关节部5以能够绕侧倾轴(手腕轴1)L5、俯仰轴(手腕轴2)L6以及横摆轴(手腕轴3)L7旋转的方式与第三臂部13的另一端连结。
另外，第五关节部5的侧倾轴L5、俯仰轴L6以及横摆轴L7分别被配置成正交的三轴。由此，能够得到臂的反向运动学的解析解，因此可容易进行控制。末端操纵部7例如具有多个指部，构成为能够把持物体的把持部，但是不限于此，能够应用任意的构成。
第一至第五驱动部21、22、23、24、25例如是内置于第一至第五关节部1、2、3、4、5中的伺服马达等执行器，分别经由减速机构等旋转驱 动第一至第五关节部1、2、3、4、5。第六驱动部26例如是内置于支承部6中的油压或电动执行器，使用伸缩机构使支承部6向上下方向伸缩。第一至第六驱动部21、22、23、24、25、26经由驱动电路等与控制部8连接，根据从控制部8发送的控制信号来旋转驱动第一至第五关节部1、2、3、4、5或者使支承部6伸缩。
在第一至第五关节部1、2、3、4、5上分别设置有能够检测第一至第五关节部1、2、3、4、5的旋转角度的第一至第五旋转角传感器31、32、33、34、35。第一至第五旋转角传感器31、32、33、34、35例如是电位计，分别与控制部8连接，并向控制部8输出检测出的第一至第五关节部1、2、3、4、5的旋转角度。
另外，第一旋转角传感器31能够检测第一关节部1绕横摆轴L1(#1)的旋转角度，第二旋转角传感器32能够检测第二关节部2绕侧倾轴L2(#2)的旋转角度，第三旋转角传感器33能够检测第三关节部3绕横摆轴或俯仰轴L3(#3)的旋转角度，第四旋转角传感器34能够检测第四关节部4绕横摆轴或俯仰轴L4(#4)的旋转角度，第五旋转传感器35能够分别检测第五关节部5绕侧倾轴L5(#5)、俯仰轴L6(#6)以及横摆轴L7(#7)的旋转角度。 
另外，在支承部6上设置有检测支承部6的高度位置(#O)的位置传感器36。位置传感器36与控制部8连接，向控制部8输出检测出的支承部6的高度位置。 
控制部8例如基于来自第一至第五旋转角传感器31、32、33、34、35的旋转角度进行反馈控制，以使第一至第五关节部1、2、3、4、5成为目标的旋转角度，或者基于来自位置传感器36的高度位置进行反馈控制，以使支承部6成为目标的高度位置。
另外，控制部8以微型计算机为中心通过硬件构成，所述微型计算机例如包括：进行控制处理、运算处理等的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)8a，存储有由CPU 8a执行的控制程序、运算程序等的ROM(Read Only Memory，只读存储器)8b，以及存储处理数据等的RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)8c等。
控制部8将臂切换为使第一、第三以及第四关节部1、3、4仅在水平方向上旋转的SCARA模式(图4以及图5)以及使第三及第四关节部3、4仅在垂直方向上旋转的垂直模式(图6以及图7)来进行第一至第五关节部1、2、3、4、5的第一至第五驱动部21、22、23、24、25的驱动控制。
第二关节部2的侧倾轴L2具有作为用于切换为SCARA模式和垂直模式的模式切换轴的功能。控制部8通过控制第二驱动部22使第二关节部2绕侧倾轴L2旋转，由此如上所述进行切换控制，以切换到第一、第三以及第四关节部1、3、4的旋转轴L1、L3、L4成为铅垂方向的SCARA模式和第三及第四关节部3、4的旋转轴L3、L4成为水平方向的垂直模式。以下，详细说明SCARA模式以及垂直模式。
(SCARA模式)
控制部8当使第二关节部2绕侧倾轴L2旋转而将臂切换为SCARA模式(图4以及图5)时，经由第一、第三以及第四驱动部21、23、24来控制第一、第三以及第四关节部1、3、4的水平方向的旋转，并控制臂姿势。由此，例如，能够在重量物的把持、运送作业时等，有效地减轻施加给根部的关节轴(尤其是，第二关节部2的侧倾轴L2)的负荷。
这里，在SCARA模式中，由臂和工件的重力产生的负荷作用于支承部6、第二关节部2、以及第五关节部5。另一方面，第五关节部5的力矩长度短、其力矩力小，驱动第五关节部5的第五驱动部25的驱动力能够较低地抑制。另外，第二关节部2如后面所述能够较低地抑制驱动力，另一方面支承部6的伸缩需要大的驱动力，然而对于支承部6的驱动力，也如后面所述，通过使用重力补偿机构61，即使是低驱动力也能够产生大的伸缩力。这样，控制部8通过将臂切换为SCARA模式，能够以低驱动力且低消耗电力来驱动臂。
另外，在SCARA模式中，第五关节部5的上下方向的位置仅根据支承部6的高度位置来确定，因此根据支承部6的上下方向的伸缩范围来确定第五关节部5的上下可动区域(图8)。因此，例如优选主要以在桌上作业这样的中间左右的高度进行作业。
(垂直模式)
控制部8当使第二关节部2绕侧倾轴L2旋转来将臂切换为垂直模式时(图6以及图7)，经由第三以及第四驱动部23、24来控制第三以及第四关节部3、4的垂直方向的旋转，并控制臂姿势。由此，例如，能够进行位于低处或高处的物体的把持、运送作业等的大可动区域的臂动作。
例如，在诸如地板上的低处，控制部8在经由第六驱动部26使支承部6收缩而降低了第一关节部1的状态下，将臂切换为垂直模式，使末端操纵部7移动到第一至第三关节部(肩轴1至3)1、2、3的下侧来进行作业(图9)。
另一方面，在诸如支架上的高处，控制部8在经由第六驱动部26使支承部6伸长而提高了第一关节部1的状态下，将臂切换为垂直模式，使末端操纵部7移动到第一至第三关节部(肩轴1至3)1、2、3的上侧来进行作业(图10)。这样，控制部8将臂从SCARA模式切换为垂直模式，由此能够将末端操纵部7的可动区域从低处到高处在大范围内运动(图11)。
另外，在垂直模式下，第三及第四关节部3、4绕俯仰轴L3、L4旋转，因此容易作用由重力产生的负荷，与SCARA模式相比可运重量变小。因此，低处或高处(图11的区域X)的作业以不把持超过最大驱动转矩的重量物为前提。这样，控制部8能够通过切换为垂直模式使臂在从低处至高处的大范围移动而进行作业。
另外，控制部8通过将臂切换为垂直模式来控制第三及第四关节部3、4的旋转，以收存第二臂部12、第三臂部13以及末端操纵部7(图12的(a)以及(b))。例如，控制部8将臂切换为垂直模式，使第三关节部3旋转，以使第二臂部12成为铅垂向下方向，使第四关节部4旋转，以使第三臂部13成为铅垂向上方向。
这里，第二臂部12和第三臂部13如图12(a)及(b)所示，通过以在臂收存时使第四关节部4旋转时不相互干涉的方式构成各臂，从而能够更紧凑地收存。
在通常的SCARA型臂中，第二臂部在臂收存时从第三关节部的位置 水平突出大于等于第二臂部的长度，因此臂机器人全体的占地面积(地面投影面积)变大。另一方面，根据本实施方式1涉及的多关节型臂机器人10，通过将臂切换为垂直模式，并折叠各臂，从而能够减小在收存了各臂的状态下的占地面积。这样，能够在具有SCARA型臂的优点的同时改善作为其缺点的收存性。
以上，在本实施方式1涉及的多关节型臂机器人10中，控制部8通过将臂切换为使第一、第三以及第四关节部1、3、4仅在水平方向上旋转的SCARA模式和使第三以及第四关节部3、4仅在垂直方向上旋转的垂直模式，来进行第一至第四关节部1、2、3、4的第一至第四驱动部21、22、23、24的驱动控制。由此，能够在SCARA模式下以低驱动力驱动臂，能够在垂直模式下使臂在大范围内移动。
另外，在第一臂部11上在两端间设置第二关节部2，使该第二关节部2绕侧倾轴L2旋转，从而能够容易实现SCARA模式和垂直模式的切换。即，能够通过简单的构成来提供以低驱动力驱动臂并且使臂在大范围内移动的多关节型臂机器人10。
实施方式2.
在本发明的实施方式2涉及的多关节型臂机器人10中，控制部8在SCARA模式下控制第一、第三以及第四驱动部21、23、24，来控制第一、第三以及第四关节部1、3、4的旋转，以使施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩最小。在SCARA模式下，容易对第二关节部2的侧倾轴L2作用大的转矩，但是通过使该第二关节部2的转矩最小化，能够采用低驱动力的第二驱动部22，从而能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
例如，控制部8控制第一、第三以及第四驱动部21、23、24，来控制第一、第三以及第四关节部1、3、4的旋转，以使基于从第二关节部2至末端操纵部7的重心位置G的力矩力(力矩长度X1)最小(图13)。
接着，对如上所述在SCARA模式下使施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩为最小的方法的一个例子进行详细说明。图14是表示使本实施方式2涉及的SCARA模式下的施加给第二关节部的侧倾轴的转矩为最小 的方法的一个例子的流程图。
首先，控制部8设定末端操纵部7的目标位置姿势、即目标手尖位置姿势(步骤S101)。接着，控制部8使用冗余自由度参数进行公知的反向运动学运算，以使臂成为设定的目标手尖位置姿势(步骤S102)，并计算出第一至第五关节部1、2、3、4、5的目标旋转角度(步骤S103)。
这里，在上述反向运动学运算中，例如，将第一关节部1的旋转角度设定为冗余自由度参数并作为常数处理，第二关节部2在SCARA模式的状态下被固定，因此本实施方式2涉及的臂构成包含升降轴在内是8轴，但是可以视为6轴臂，如果将第五关节部5设为正交三轴，则能够得到反向运动学的解析解。
之后，控制部8基于预先设定的第一至第三臂部11、12、13以及末端操纵部7的重量参数以及计算出的第一至第五关节部1、2、3、4、5的目标旋转角度来进行公知的正向运动学运算(步骤S104)，并计算出从第二关节部2到末端操纵部7的重心位置G(步骤S105)。
另外，控制部8计算出包括第二关节部2的侧倾轴L2的铅垂平面S1(步骤S106)。另外，重量参数例如被预先设定在控制部8的ROM 8b或RAM 8c中。
另外，控制部8计算出从计算出的第二关节部2到末端操纵部7的重心位置G与包括第二关节部2的侧倾轴L2的铅垂平面S1的距离(力矩长度)X1〔图13)(步骤S107)。
控制部8通过牛顿法等收敛运算法改变冗余自由度的参数，并进行设定，以使从第二关节部2到末端操纵部7的重心位置G与包括第二关节部2的侧倾轴L2的铅垂平面S1的距离X1为最小(步骤S108)，并返回到上述(步骤S102)。
另外，控制部8例如通过对工件重量预先模型化，或者在工件把持后使用载荷传感器等进行检测，来修正上述重量参数，从而能够更高精度地计算出重心位置G。
另外，控制部8也可以基于由转矩传感器等测量出的第二关节部2的侧倾轴L2的转矩来使SCARA模式下施加给第二关节部2的侧倾轴L2的 负荷转矩最小。由此，即使是在难以通过力传感器等直接测量工件重量或与环境的接触力等作用于臂的外力的情况下，也能够容易降低施加给第二关节部2的侧倾轴L2的负荷转矩。
在此情况下，如图15所示，首先，控制部8设定末端操纵部7的目标位置，设定目标手尖位置姿势(步骤S201)。接着，控制部8使用冗余自由度参数进行公知的反向运动学运算，以使臂姿势成为设定的目标手尖位置姿势(步骤S202)，并计算出第一至第五关节部1、2、3、4、5的旋转角度指令值(步骤S203)。
控制部8对第一至第五驱动部21、22、23、24、25输出计算出的第一至第五关节部1、2、3、4、5的旋转角度指令值，第一至第五驱动部21、22、23、24、25根据来自控制部8的第一至第五关节部1、2、3、4、5的旋转角度指令值分别使第一至第五关节部1、2、3、4、5旋转(步骤S204)。
第二关节部2的转矩传感器检测出施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩(步骤S205)，并对控制部8输出检测出的转矩。
控制部8设定冗余自由度参数，以使施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩变小(步骤S206)，并返回到上述(步骤S202)。另外，对在SCARA模式下使施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩最小化的方法进行了说明，但是上述方法是一个例子，不限于此，可以使用任意的方法来求出。
以上，根据本实施方式2涉及的多关节型臂机器人10，在SCARA模式下，成为对作为臂基部的第二关节部2容易作用大的转矩的状态，但是控制部8如上所述控制第一、第三以及第四关节部1、3、4的旋转，以使施加给第二关节部2的侧倾轴L2的转矩最小。由此，能够采用低驱动力的第二驱动部22，因此能够实现安全且低消耗电力的臂构成。
实施方式3.
在本发明的实施方式3涉及的多关节型臂机器人10中，控制部8在垂直模式下控制第三以及第四驱动部23、24，来控制第三以及第四关节部3、4的旋转，以使得施加给第三关节部3的俯仰轴L3的转矩最小。在垂 直模式下，容易对第三关节部3作用大的转矩，但是通过使该第三关节部3的转矩最小化，能够采用低驱动力的第三驱动部23，从而能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
例如，控制部8选择以第三关节部3的俯仰轴L3为中心的、基于从第三关节部3到末端操纵部7的重心位置G的力矩力(力矩长度X2)更小的反向运动学的解，来控制第三以及第四驱动部23、24，从而控制第三以及第四关节部3、4的旋转。
更简单地说，控制部8在第三关节部3为比第四以及第五关节部4、5高的低处姿势的情况下，控制第三以及第四关节部3、4的旋转，以使第四关节部4相对于第三关节部3与第五关节部5的连线位于下侧(图16)。
另一方面，控制部8在第三关节部3为比第四以及第五关节部4、5低的高处姿势的情况下，控制第三以及第四关节部3、4的旋转，以使第四关节部4相对于第三关节部3与第五关节部5的连线位于上侧(图17)。
以上，根据本实施方式3涉及的多关节型臂机器人10，在垂直模式下，成为容易对作为臂基部的第三关节部3作用大的转矩的状态，但是控制部8如上所述控制第三以及第四关节部3、4的旋转，以使施加给第三关节部3的俯仰轴L3的转矩最小，由此能够采用低驱动力的第三驱动部23，因此能够实现安全且低消耗电力的臂构成。
实施方式4.
在本发明的实施方式4涉及的多关节型臂机器人10中，支承部6可以具有支承从第一关节部1到末端操纵部7的重力的重力补偿机构41。在臂基部的支承部6的伸缩上需要大的驱动力，但是通过在支承部6上设置重力补偿机构41，由此从第一关节部1到末端操纵部7的重力始终由重力补偿机构41支承，使支承部6以应对近似有效作业力的必要最小限度的驱动力进行伸缩即可。即，能够对支承部6的伸缩采用低驱动力的第六驱动部26，从而能够提高臂的安全性以及实现低消耗电力化。
例如，支承部6具有固定于预定位置的基座42、与基座42连结固定的下侧部件43、以及以能够在上下方向上移动的方式与下侧部件43卡合 的上侧部件44(图18)。在下侧以及上侧部件43、44内，使上侧部件44相对于下侧部件43在上下方向上相对移动的直动执行器(第六驱动部)26沿其长度方向设置。另外，在下侧以及上侧部件43、44内，通过与从第一关节部2到末端操纵部7的重力同等的力始终对上侧部件44向上方施力的气簧(重力补偿机构)41相对于直动执行器26并列设置。
另外，作为重力补偿机构41例如可以使用气簧，但是不限于此，例如可以是使用了配重的构成，只要能够支承从第一关节部1到末端操纵部7作用的重力，则可以使用任意的机构。
实施方式5.
在本发明的实施方式5涉及的多关节型臂机器人10中，可以在第二关节部21上设置不可逆的动力传递机构51，所述动力传递机构51将来自第二驱动部22侧的输出转矩向第二关节部2的侧倾轴L2侧传递，并且不将来自第二关节部2的侧倾轴L2侧的转矩向第二驱动部22侧传递(图20)。作为不可逆的动力传递机构51，例如可以使用转矩二极管(torque diode)(注册商标)或蜗轮等来防止逆驱动。
尤其是，在SCARA模式下，容易对作为臂基部的第二关节部2作用大的转矩，但是仅在SCARA模式和垂直模式的模式切换动作时驱动作为驱动模式切换轴的第二关节部2的侧倾轴L2。并且，在模式切换后，通过不可逆的动力传递机构51来保持来自第二关节部2的侧倾轴L2的臂重力和由工件作业产生的外力，从而即使是在没有第二驱动部22的驱动力的状态下，也能够维持模式切换后的臂姿势。由此，第二驱动部22可仅输出模式切换动作所需的驱动力即可。因此，能够采用低驱动力的第二驱动部22，能够实现安全且低消耗电力的臂构成。
例如，在第二关节部2中，减速器52的输入轴与作为第二驱动部22的伺服马达的输出轴连结，不可逆的动力传递机构51的输入轴与减速器52的输出轴连结，第二关节部2的侧倾轴L2与不可逆的动力传递机构51的输出轴连结。
根据该构成，即使在第二驱动部22的输出轴不旋转的状态下产生了来自第二关节部2的侧倾轴L2的臂重力和由工件作业产生的外力，第二 关节部2的侧倾轴L2也可由不可逆的动力传递机构51锁定。因此，即使第二驱动部22的驱动力是零，也能够保持第二关节部2的侧倾轴L2的旋转角度。另外，也可以在不可逆的动力传递机构51的允许输入转速大于减速器52的输入轴的最高转速的情况下，颠倒减速器52和不可逆的动力传递机构51的组装顺序。另外，不可逆的动力传递机构51是设置在第二关节部2的侧倾轴L2上的构成，另外也可以是设置在第三关节部3的横摆轴或俯仰轴L3和/或第四关节部4的横摆轴或俯仰轴L4的构成。
实施方式6.
本发明的实施方式6涉及的多关节型臂机器人10也可以具有与支承部6连结并可移动的移动体61(图21)。作为移动体61，例如构成为具有多个车轮62的底盘部61，但是不限于此，可以使用任意的构成。
由此，即使是在把持、操作对象物不存在于地面、桌上、支架上等臂的到达范围的情况下，也能够将移动体61移动到可作业的场所，能够进行把持等并运送，因此能够进行大范围内的物品的把持、搬送。即，能够通过简单的构成以低驱动力驱动臂并且使臂在大范围内移动。
另外，本发明不限于上述实施方式，可以在不脱离主旨的范围内酌情改变。
在上述的实施方式中，将本发明作为硬件的构成进行了说明，但是本发明不限于此。本发明也可以通过使CPU 8a执行计算机程序来实现控制部8执行的处理。
程序可使用各种类型的非临时性的计算机可读介质(non-transitory computer readable medium)存储而提供给计算机。非临时性的计算机可读介质包括各种类型的实体记录介质(tangible storage medium)。非临时的计算机可读介质的例子包括磁记录介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如，光磁盘)、CD-ROM(Read Only Memory，只读存储器)、CD-R、CD-R/W、半导体存储器(例如，掩模ROM、PROM(Programmable ROM，可编程只读存储器)、EPROM(Erasable PROM，可擦可编程序只读存储器)、闪存(flash ROM)、RAM(random access memory，随机存取存储器)。
另外，程序可以通过各种类型的临时性的计算机可读介质(transitory computer readable medium)提供给计算机。临时性的计算机可读介质的例子包括电信号、光信号、以及电磁波。临时性的计算机可读介质经由电线以及光纤等有线通信路或无线通信路将程序提供给计算机。
产业上的利用可能性
本发明例如可以应用于与人共处并进行使人或物等移动的作业的机器人臂。
符号说明
1  第一关节部 
2  第二关节部 
3  第三关节部 
4  第四关节部 
5  第五关节部 
6  支承部
7  末端操纵部7
8  控制部
10 多关节型臂机器人
11 第一臂部
12 第二臂部
13 第三臂部
21 第一驱动部 
22 第二驱动部 
23 第三驱动部 
24 第四驱动部 
25 第五驱动部 
26 第六驱动部 

Claims (14)

1.一种多关节型臂机器人，包括：
支承部，所述支承部能够在上下方向上伸缩；
第一臂部，所述第一臂部的一端经由第一关节部以能够绕横摆轴旋转的方式与所述支承部连结，在所述第一臂部的两端间设置有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部；
第二臂部，所述第二臂部的一端经由第三关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第一臂部的另一端连结；
第三臂部，所述第三臂部的一端经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结；
末端操纵部，所述末端操纵部经由第五关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第三臂部的另一端连结；
驱动部，所述驱动部分别使所述第一至第四关节部旋转，并且使所述支承部伸缩；
其特征在于，还包括：
控制部，所述控制部以如下方式进行所述第一至第四关节部的驱动部的驱动控制：当以低驱动力驱动所述第一臂部、所述第二臂部、以及所述第三臂部时，将臂切换为使所述第一臂部、所述第二臂部、以及所述第三臂部仅在水平面内旋转的SCARA模式，当使所述第二臂部和所述第三臂部在铅垂方向上大范围移动时，将臂切换为使所述第二臂部和所述第三臂部仅在铅垂面内旋转的垂直模式。
2.如权利要求1所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部通过控制所述驱动部来使所述第二关节部绕侧倾轴旋转，由此进行将臂在所述第一、第三以及第四关节部的旋转轴成为铅垂方向的所述SCARA模式和所述第三及第四关节部的旋转轴成为水平方向的所述垂直模式之间切换的控制。
3.如权利要求1所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部在所述SCARA模式下控制所述驱动部来控制所述第一、第三以及第四关节部的旋转，以使施加给所述第二关节部的侧倾轴的转矩最小。
4.如权利要求3所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部通过控制所述驱动部来控制所述第一、第三以及第四关节部的旋转，以使基于从所述第二关节部到末端操纵部的重心位置的、作用于所述第二关节部的力矩力最小。
5.如权利要求4所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述重心位置包括工件重量。
6.如权利要求1至5中任一项所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部在所述垂直模式下控制所述驱动部来控制所述第三及第四关节部的旋转，以使施加给所述第三关节部的俯仰轴的转矩最小。
7.如权利要求6所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部通过控制所述驱动部来控制所述第三及第四关节部的旋转，使得以所述第三关节部的俯仰轴为中心的、基于从所述第三关节部到末端操纵部的重心位置的力矩力最小。
8.如权利要求7所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述重心位置包括工件重量。
9.如权利要求6所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
在所述第三关节部为比第五关节部高的低处姿势的情况下，所述控制部控制所述第三及第四关节部的旋转，以使所述第四关节部相对于所述第三关节部和所述第五关节部的连线位于下侧，
在所述第三关节部为比所述第五关节部低的高处姿势的情况下，所述控制部控制所述第三及第四关节部的旋转，以使所述第四关节部相对于所述第三关节部和所述第五关节部的连线位于上侧。
10.如权利要求1所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
所述控制部通过将臂切换为所述垂直模式来控制所述第三及第四关节部的旋转，由此收存所述第二臂部、第三臂部以及末端操纵部。
11.如权利要求1至5中任一项所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
在所述第二关节部上设置有不可逆的动力传递机构，所述动力传递机构将来自所述驱动部侧的输出转矩向所述第二关节部的侧倾轴侧传递，并且不将来自所述第二关节部的侧倾轴侧的转矩向所述驱动部侧传递。
12.如权利要求1至5中任一项所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
在所述支承部上设置有重力补偿机构，所述重力补偿机构支承从所述第一关节部到所述末端操纵部的重力。
13.如权利要求1至5中任一项所述的多关节型臂机器人，其特征在于，
还包括与所述支承部连结并能够移动的移动体。
14.一种多关节型臂机器人的控制方法，所述多关节型臂机器人包括：
支承部，所述支承部能够在上下方向上伸缩；
第一臂部，所述第一臂部的一端经由第一关节部以能够绕横摆轴旋转的方式与所述支承部连结，在所述第一臂部的两端间设置有能够绕侧倾轴旋转的第二关节部；
第二臂部，所述第二臂部的一端经由第三关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第一臂部的另一端连结；
第三臂部，所述第三臂部的一端经由第四关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第二臂部的另一端连结；
末端操纵部，所述末端操纵部经由第五关节部以能够绕横摆轴或俯仰轴旋转的方式与所述第三臂部的另一端连结；以及
驱动部，所述驱动部分别使所述第一至第四关节部旋转，并且使所述支承部伸缩；
所述多关节型臂机器人的控制方法的特征在于，
以如下方式进行所述第一至第四关节部的驱动部的驱动控制：当以低驱动力驱动所述第一臂部、所述第二臂部、以及所述第三臂部时，将臂切换为使所述第一臂部、所述第二臂部、以及所述第三臂部仅在水平面内旋转的SCARA模式，当使所述第二臂部和所述第三臂部在铅垂方向上大范围移动时，将臂切换为使所述第二臂部和所述第三臂部仅在铅垂面内旋转的垂直模式。
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