JP2008296369A - ロボットにおいて結合の角度を決定する角度位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームの回転結合部の角度関係を正確に測定し、その作業点の正確な調整をなすことを可能となるようにすること。
【解決手段】本発明は工業用ロボットのロボットアームの回転結合部（１ａ，１ｂ）により互いに結合された１つ又は数個の結合アーム（１、１ｃ）と、基板（３）に結合された結合アーム（１）を含み、前記結合アーム（１、１ｃ）間、又は前記結合アーム（１）と前記基板（３）の間の角度関係を正確に測定し、前記ロボットアームを好ましい角度位置に調整することを可能にするための角度変換器が前記回転結合部（１ａ，１ｂ）に組み込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は工業用ロボットのロボットアームに関し、更に詳細にはロボットアームの１つ又は数箇の結合における角度関係の正確な調整に関する。

ロボットアームの１つ又は数個の結合における角度関係の正確な測定により、ロボットアームの外方端部、すなわち作業点の正確な調整ができるようにするロボットアームの調整用の適当な装置は現在ない。その代わり、前記結合を回転させるギヤー又は他の駆動装置を、前記作業点が好ましい位置を取るように、画定された最初の状態に基づいて制御できるようにすることが必要であった。特定の結合における設定を確認することも出来ない。

従って、本発明の目的はロボットアームの１つ又は数個の結合における角度関係を正確に測定することができ、その作業点の正確な調整をなすことが可能であり、また特定の結合の角度関係を確認することが可能となるようなロボットアームを得ることである。

上記目的は以下の構成の工業用ロボットのロボットアームにより達成される。すなわち、前記ロボットアームは、回転結合により互いに結合された１つ又は数個の結合アームと、基板に結合された結合アームを含み、前記結合アーム間の又は前記結合アームと前記基板の間の角度関係を正確に測定し、前記ロボットアームを好ましい角度位置に配置できるようにするため、前記回転結合に角度変換器が設けられる。

他の態様によれば、前記角度変換器は第１のディスク、円形に配置され半径方向に向かう受信機電極をもった回転子と、第２のディスク、円形に配置され半径方向に向かい前記受信機電極と同じ半径に配置された送信機電極をもった固定子とを備え、前記２つのディスク上の前記受信機電極と前記送信機電極との間に固定された間隔が設けられ、また前記ディスクは互いに同心かつ回転可能に設けられ、さらに前記受信機ディスクと送信機ディスク上の前記電極システム間の容量的または誘導的結合を可能にするように前記ディスクは薄い空隙で隔離されており、さらに前記送信機電極は各々隣接する電極が異なる位相をもった交流電圧を供給され、供給位相の数Φは２より大きく、前記送信機電極の間隔＝前記受信機電極の間隔／Φであり、また前記受信機電極の幾何学的配列に対する相対的な前記送信機電極の幾何学的配列の誤差が前記回転子の受信機電極に同等であるが反対の誤差信号を生じるように前記固定子の送信機電極が幾何学的に配列されている。

上述の形式の角度変換器は本願と同時に提出された別の特許出願の主題であり、現在の角度変換器及びそれに関連する問題の記載は角度変換器の理論のさらに詳しい説明として、前記別の特許出願に提示されている。

本発明について、添付の図面に図示されている実施例により、それに限定されるものでないが、それを参照して説明する。

図１は例えば工業用ロボットのロボットアームを示す。角度変換器はロボットアーム１の回転結合１ａ，１ｂに組み込まれている。これは角度が直接読まれ、例えばギヤボックスの周期的誤差により数値に歪みが発生するようなことがない、という利点がある。ロボットアームの外方端部２には例えばロボットの握り爪が設けられる。この明細書において、前記端部２をシステムの“作業点”と呼ぶことにする。ロボットアーム１は固定基板３により支持体に取り付けられる。

作業点２は回転結合の異なる角度によって位置２、２ａ、２ｂ、２ｃ、等を自由に選択できる。図１に示される場合、これらの位置は紙面内にあるのみである。さらに回転結合を付加することにより作業点２は３次元システム内の自由に選択された位置とることができる。

本発明によるロボットアームの角度変換器に使用される回転子ディスク４の全体が図２に示される。

スエーデン特許７７１４０１０−１により設計された容量性測定システムの特性の１つは、受信機電極の間隔より小さな、例えば１回転の１／８１より小さい相対的回転角度の大きさを直接かつ高精度で決めることができることである。他方、受信機電極の間隔の何れ（実施例において、これは８１の可能な間隔の何れかである）が現在のものか、についての情報は得られない。従って変換器は３６０°、すなわち完全１回転の受信機電極間隔をもった第２の角度測定システムを備えている。この第２のシステムは“粗測定システム”として既知であり、実施例において８１の受信機電極間隔の何れが現在のものであるか、を決めるのに役立つのみである。

図２は回転子ディスク４、受信機電極５、５’、及び粗測定システム（図４、５）から信号を受け取るための内部受信機電極５ｃ，５ｃ’を示す。

外部受信機電極５、５’は固定子ディスク７上の対応する電極６と共に高分解能角度測定システムを形成する。一方、受信機電極５ｃ，５ｃ’は固定子ディスク７上の対応する電極６’と共に３６０°の回転内の角度位置を決める粗測定システムを形成する。図３はより高いスケールで回転子ディスクの断面を示す。

ディスクは好ましくは薄い圧延された銅のフォイルにより構成される導電性被覆で被覆される。黒の線は例えば写真平板エッチングにより形成された絶縁線を示す。

図３の線８、９は受信機電極の限界の極線を形成し該ディスク上の全ての円形の極要素に共通の中心に向かっている。従って電極の幅は好ましくは、電極の幅が電極間の空間に大きさが等しくなるように選ばれる。図２により明確に示され、図３により詳細に示されるように、好ましくは導電性材料の薄い細片２１が電極５の上方境界（upper limit)上に残される。このようにして、回転子ディスク上の全ての電極５は平行接続の形で電気的に接触している。これは、各回転子電極で受信される非常に弱い信号強度が原理的にはディスク４上の回転子電極の数に依存する係数により乗算される、ことを意味する。

１つの可能な実施例において、回転子電極間の角度間隔は、８１の電極が完全１回転３６０°の回りに存在するように選ばれる。

受信信号の強さを更に大きくするために、特に回転子ディスクの電極５により収集される交流電界を発生する外乱源に対する変換器の感度を減少する目的で、回転子ディスクは図２、３に示される回転子電極の第２のシステム５’を備えている。第２の電極組５’は前記第１の電極組５を形成するのと同じ電気絶縁線により形成され、また電極幅が電極間の空間の大きさと同じになるように電極幅が選択されるので、第２の電極組５’の形状、領域、及び幅は第１の電極組５のそれと同じである。

この第２の電極組５’はまた第１の電極組５と同じ方法で電極の下に残された導電材料の薄い細片により電気的に接続される。

１つの好ましい実施例において、図３に示すように電極の場５、５’に発生する信号は、差動増幅器のような信号処理電子回路に接続するため、めっき貫通（through-plated) 孔１２、１３を介してディスクの反対側に存在する装置に伝達される。

ここに説明する好ましい実施例においては、４つの供給信号Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕが使用される。これら信号は相対的にスエーデン特許７７１４０１０−１０に従って次のパターンに示されるように変位している。

表１は供給信号Ｒ，Ｔが相対的に位相が１８０°変位していることを示している。同様に、供給信号Ｓ，Ｕも相対的に位相が１８０°変位している。

図６は回転子ディスク上の電極組５、５’に差動信号が形成されるのを示すことを意図している。図６において、回転子ディスクと固定子ディスクは組み込まれた角度変換器内のそれらが置かれる位置に“Ｘ−線”像として示される。回転子電極の受信配列５、５’の設けられた回転子ディスク４は細い線で示され、一方“送信”心臓型固定子電極Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕが備えられた固定子ディスク７は太い線で示される。差動信号配列は図６の位相Ｓ，Ｕの交流電圧の供給される電極から最も簡単に分かるであろう。

図６はある位置において、位相Ｓの全ての固定子（送信機）電極が内方中心に向かう回転子電極５の直上に位置することを示している。同時に、位相Ｕをもった全ての固定子電極は外方に向かう回転子電極５’の直上に位置している。

上述の如く、２組の回転子電極は幾何学的に互いに回転子電極の間隔の１／２変位している。前記送信機電極Ｓ，Ｕは大きさが同じで位相が相対的に１８０°変位している電圧を供給されるので、回転子電極５、５’で受信される信号は大きさが同じで、反対の符号をもつであろう。これが図７に基本的に示される。２つのグラフは受信機電極５、５’の受信する信号の振幅Ｕが回転子と固定子の間の角度αの相対的変化により変化する状態を示す。

上方の図面は基本的に回転子電極５に発生する信号の振幅を示し、一方下方の図面は回転子電極５’に発生する信号の対応を示す。図面から明らかなように、電極組５’により受信される信号は電極組５の信号のミラー像を構成する。これは、２つの信号の各々を前述の差動増幅器の１つの入力に印加することが極めて適当であることを示している。このようにして、２つの信号が加算され、その結果の増幅器の出力信号は大きさが２倍の振幅をもつ、という結果が得られる。更に、外部電気的交流の場により受信機電極５、５’に発生する外乱信号の影響は、このように、同じ位相をもった入力の信号を弱めるという差動増幅器の特性（共通モード阻止）を利用して減少される。

図１のような、１つまたは数個の結合されたアーム１、１ｃを含むロボットアームシステムを使用するとき、アームの軸受けに従来型の角度変換器を使用するときは、もしその作業点２におけるシステムの精度を維持せんとすると重い負担を背負うことになる。軸受けの貧弱な精度は図８に示されるような形式の確率的傾き、又は図９による半径方向変位を招くかもしれない。その結果、結合アームシステム１の作業点２が、図８に図示される傾き、及び／又は図９に図示される半径方向と軸方向の変位、に基づく余弦誤差（cosine error)を受けるようになる。

しかしながらここに記載の発明を使用するとき、図８の固定子７に対する相対的な回転子４の傾き又は図９の固定子に対する相対的な回転子の単なる半径方向変位の影響は、図９の電極５、６のパターンの特別な設計により直接読まれる（read off) 回転角度に関して補正し除去することができる。電極システムの余弦誤差または半径方向変位が無視できることも本発明の第１部分の特徴である。しかし、図１の例に従って実際のシステムに適用したとき、システムの作業点２への影響もまた考慮しなければならない。システムの作業点２における運動の完全な制御のためにはシステムは、図８、９による確率的軸方向変位と共に、図８に示される形式の確率的角度誤差、図９による確率的半径方向変位、に関する情報を収集しなければならない。これら現象は通常１つの共通用語“遊び”と呼ばれる。

本発明によれば、電極システムは図１０、図１０ａに示すように更に別のシステムを追加することができる。円形の送信機電極１４が固定子ディスク７上に配置される。受信機電極１５、１６は回転子ディスク４上に配置され送信機電極１４からの信号を容量性伝導により収集する。１５、１６で受信する信号の振幅は１５／１６と送信機電極１４との相対的位置に依存する。電極１５、１６の振幅は対称の場合同じ大きさとなる。対称位置から変位する場合は、振幅は電極１５、１６の一方で増加し、他方で減少する。

少なくとも３対の電極１５、１６を角度変換器の周囲に等間隔に配置することにより、結合アーム１の半径方向変位は電極１５、１６からの振幅値の適当な数学的処理により計算できる。

図８による誤った角度設定を決めるため、図１１に示すように電極システムは更に別のシステムが追加される。円形送信機電極１７が固定子ディスク７上に配置される。少なくとも３つの受信機電極１８が角度変換器の周囲に等間隔に配置される。電極１８と電極１７の容量性結合が全ての可能性のある半径方向変位により影響を受けないようにするため、電極１８の半径方向長さは電極１７の半径方向長さより小さくされる。

受信機電極１８は各々容量性伝導により送信機電極１７から信号を収集する。電極１８で受信する信号の振幅は１８と送信機電極１７の間の相対距離に依存する。全ての電極１８の振幅は対称の場合同じ大きさである。図８により結合アーム１が傾斜する場合、各電極１８の信号の振幅はその誤差の大きさと方向に依存するであろう。結合アーム１の角度誤差と軸方向変位は電極１８からの振幅値の適当な数学的処理により計算できる。

図１２は１つの好ましい実施例を示す。送信機電極１４、１７は好ましい実施例において同じ半径に配置され、１つの同じ電極１９により構成される。受信機電極１５、１６、１８は、角度変換器の周囲の１つ置きの位置を電極グループ１５、１６が占有し、１つ置きの位置が電極１８により占有されるように、配置される。この構成が半径方向の空間の使用を最小にする。

半径方向の空間が余り重要でない場合は、別実施例として、電極１５、１６、１８が角度変換器の周囲に互いに独立に分布されるように送信機電極１９を充分に広くする。

ここに記載の原理の４−相の容量性システムの送信機電極は、それら電極間の間隔が（回転子（受信機）電極の間隔）／Φに等しい、すなわち、この場合（回転子（受信機）電極）／４に等しいという条件を満足しなければならない。これは、実施例において送信機電極の間隔が１回転の１／８１＊１／４、すなわち１／３２４であらねばならないことを意味する。

従って、同時に出願された第２の特許出願、ＰＣＴ／ＳＥ０１／０１７７３に記載のような固定子の位相供給電極の置換により、それに続く位相供給電極Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ間の回転子電極間隔の１／４という基本の機能的間隔(functional separation) が維持される。

これは図６に図示される。図示の位置において送信機電極Ｒは受信機電極５’の上方中間、かつ受信機電極５の上方中間に置かれる。送信機電極Ｓは受信機電極５の直上に位置し、従って電極Ｒに対して相対的に受信機電極の間隔の１／４だけ機能的に変位している。次の電極Ｔは受信機電極５の上方中間、かつ受信機電極５’の上方中間に位置し、従って電極Ｒに対して相対的に受信機電極の間隔の１／２、電極Ｓに対して相対的に受信機電極の間隔の１／４だけ変位している。このように全ての電極は依然として、受信機電極の１つに対して相対的に受信機電極の間隔の１／４の間隔をもって機能的に分布されることが明らかである。

ロボットアームの角度変換器は変換器の取り付けられる機械要素の軸受けの欠陥から起きる角度仕様の誤差を除去するが、位置決め精度は依然としてその軸受けの遊び、ぐらつきにより全体のシステムにおいて機械的、幾何学的に影響される。例え、角度位置が角度測定システムにより正確に読まれたとしても、図１の作業点２の位置は図８、９に示される形式の遊びや変位により影響を受ける。

そのような誤差も更に電子システムを追加することにより実時間で測定し、補正することができる。そのような電子システムが図１０、１１、１２に示される。図面において、図１０、１１は個々に半径方向ぐらつきと軸方向変位がそれぞれどのようにして測定されるかを示す。図１２はこれら２つのシステムがどのように１つの共通のシステムに結合されるかを示す。

図１０、１２の各個々の板１５、１６からの出力信号が電子ユニットに接続されるという事実を、この機能の最初の説明に付加すべきである。電子ユニットは６個の板１５、１６に存在する振幅を測定することにより半径方向ぐらつきの大きさ、方向を直ちに測定することができる。

同様に、図１１、１２の各個々の板１８は電子ユニットに接続され、図８に示すような軸方向変位やその角度の大きさを、もし存在するなら直ちに測定できる。

異なる設定位置をもったロボットアームの概略を示す図面。 本発明によるロボットアームにおける角度変換器の回転子ディスクの全体の１例を示す図面。 図２の拡大された断面を示す図面。 本発明による固定子ディスクの全体、但し遊びを測定する手段は無い、を示す図面。 図４の拡大された断面を示す図面。 固定子電極と回転子電極間の相互作用を示す図面。 ２つの差動受信機電極の場５、５’の信号の推定される外観の１例を示す図面。 図１のロボットアームが傾きを受けた場合の詳細を示す図面。 図１のロボットアームの半径方向変位を示す図面。 ロボットアームの結合における回転の中心から半径方向の偏向（ぐらつき）を検査するための追加の電極を示す図面。 ロボットアームの結合における回転の中心に対する相対的な角度偏差（軸方向動き、ぐらつき）を検査するための追加の電極を示す図面。 図１０、１１の電極の改良された構成を示す図面。

Claims (1)

1. 互いに回転結合（１ａ，１ｂ）により結合された１つ又は数個の結合アーム（１、１ｃ）と基板（３）に結合された結合アーム（１）を含む工業用ロボットのロボットアームにおいて、前記結合アーム（１、１ｃ）間、又は前記結合アーム（１）と前記基板（３）の間の角度関係を正確に測定し、また前記ロボットアームを好ましい角度位置に調整することを可能にするため、角度変換器（４〜７）が前記回転結合（１ａ，１ｂ）に設けられている、ことを特徴とする前記ロボットアーム。

Images