JP2011104733A

JP2011104733A - ロボット

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Publication number: JP2011104733A
Application number: JP2009263657A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Sasai; 重徳笹井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: JP5521506B2

Abstract

【課題】目標とする位置に処理装置を素早く且つ正確に位置させ、所望の処理を行わせることができるロボットを提供する。
【解決手段】対象物Ｅを把持する把持部１０と、対象物Ｅと把持部１０とを相対移動させるアーム２０と、把持部１０に働く慣性力および対象物Ｅに働く慣性力の差分を検出する慣性センサー４０と、アーム２０を制御して把持部１０を対象物Ｅに向けて相対移動させるとともに、慣性センサー４０の検出結果を用いて把持部１０と対象物Ｅとの間の相対位置のずれを演算し、演算結果に基づいてアーム２０を制御して、ずれが相殺されるように把持部１０と対象物Ｅとの間の相対位置を調節する制御装置６０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーム機構などの可動部を有するロボットに関するものである。

従来、産業用ロボットとして、水平多関節ロボット（スカラロボット）や直交型ロボットなどが開発されており、それらのロボットが各々の特徴に適合する用途に合わせて選択されている。これらのロボットでは、種々の機能を有する処理装置を目標位置に移動させ、該処理装置によって対象物に対する種々の加工処理や、対象物の搬送処理を行っている。

通常、このような産業用ロボットにおいては、作業時間の短縮のために、処理装置の移動を素早く且つ正確に行うことが求められている。例えば特許文献１のロボットでは、処理装置の移動方向前方にセンサーを取り付け、該センサーからの出力情報に基づいて算出された将来目標値に基づいて、精度の高い移動制御を行っている。

特開平９−２６７２８１号公報

しかしながら、このような可動部を有するロボットでは、可動部の動きによって処理装置が振動し、処理装置の目標位置に対するずれが大きくなるという問題があった。

例えば、アーム機構を有するロボットでは、モーター等のアクチュエーターと、エンコーダーと呼ばれる分解能の高い角度センサーと、を用いることで高い位置精度を実現することができる。しかし、アームの動きによって生じる振動は、角度センサーだけでは検出することが困難であるため、振動がおさまるまで十分な時間を経過させないと位置精度が担保された作業を行うことが難しい。従来は、ロボットを設置する筐体の剛性を高くして、振動そのものが発生しないように構成して対処していたが、このような方法では、装置の大きさが大きくなり、コストも嵩むという問題がある。

また、処理装置の目標位置に対するずれを検知するために、光学的な検知手段を用いる方法も検討されている。しかし、例えば検知手段としてカメラのような撮像装置では、撮像レートが位置ずれ検出の限界となり、振動による速い位置ずれの変化を検出できない。

更に、検知手段としてレーザー光源と光学センサーとを用い、レーザースキャンにより高精度な処理装置の位置検出を行うという構成も考えられる。しかし、このような構成だと、検出装置が高コストとなり、また、処理装置がレーザー光源からの死角に入らないようにするためにレーザー光源の配置位置に空間的な制約が生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、目標とする位置に処理装置を素早く且つ正確に位置させ、所望の処理を行わせることができるロボットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明のロボットは、対象物に対して所定の処理を行う処理装置と、前記対象物と前記処理装置とを相対移動させる移動装置と、前記処理装置に働く慣性力および前記対象物に働く慣性力の差分を検出する検出装置と、前記移動装置を制御して前記処理装置を前記対象物に向けて相対移動させるとともに、前記検出装置の検出結果を用いて前記処理装置と前記対象物との間の相対位置のずれを演算し、演算結果に基づいて前記移動装置を制御して、前記ずれが相殺されるように前記処理装置と前記対象物との間の相対位置を調節する制御装置と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、発生する振動を検出装置によって慣性力として検出するため、高価なセンサーを用いることなく簡易な構成で、例えば振動の方向や強さなどの振動状態を検出することができる。また、光学的な撮像手段とは異なり、通常知られた慣性力の検出装置を用いることによって、振動の変化を素早く高精度に検出することができる。そして、このような検出装置による検出結果を用いてずれを相殺するように制御することで、目標とする位置に処理装置を素早く且つ正確に位置させ、所望の処理を行わせるロボットとすることが可能となる。

本発明においては、前記対象物を支持する支持台を有し、前記検出装置は、前記処理装置に働く慣性力を検出する第１検出装置と、前記支持台に働く慣性力を検出する第２検出装置と、を含み、前記制御装置は、前記第１検出装置および前記第２検出装置の出力と、に基づいて、前記ずれを演算することが望ましい。
この構成によれば、ロボットの駆動によって、対象物を指示する支持台が振動しているとしても、支持台の振動を検出することが可能であると共に、処理装置と支持台との相対的な振動を検出して振動の振幅を算出することができる。このようにして算出される値を用いて、処理装置と対象物との相対位置のずれを演算することにより、より高精度にずれを相殺し、処理装置を用いた処理を位置精度よく行うことができる。

本発明においては、前記移動装置は、前記処理装置を移動させる第１移動装置を含み、前記制御装置は、前記ずれが相殺されるように前記第１移動装置によって前記処理装置を移動させることが望ましい。
この構成によれば、対象物を静置したままで、処理装置の位置ずれを相殺することができる。

本発明においては、前記移動装置は、前記対象物を支持する支持台を移動させる第２移動装置を含み、前記制御装置は、前記ずれが相殺されるように前記第２移動装置によって前記支持台を移動させることとしても良い。
この構成によれば、支持台とともに対象物を移動させて処理装置の位置ずれを相殺することができる。さらに、処理装置と対象物との両方を移動させてずれを相殺する場合には、処理装置および支持台のそれぞれの移動量が少なくて済み、素早くずれを相殺することが可能となる。

本発明においては、前記対象物を支持する第１支持台と第２支持台とを有し、前記検出装置は、前記処理装置に働く慣性力を検出する第１検出装置と、前記第１支持台に働く慣性力を検出する第２検出装置と、前記第２支持台に働く慣性力を検出する第３検出装置と、を含み、前記処理装置の位置を検出する位置検出手段を有し、前記制御装置は、前記第１検出装置が前記第１支持台上にあるときには、前記第１検出装置および前記第２検出装置の出力に基づいて前記差分を検出し、前記第１検出装置が前記第２支持台上にあるときには、前記第１検出装置および前記第３検出装置の出力に基づいて前記差分を検出することが望ましい。
この構成によれば、処理装置と対象物との相対位置の位置ずれを検出するために用いるべき検出装置を、処理装置の位置に応じて適宜選択し、確実に処理装置と対象物との位置ずれを検出してずれを相殺することができる。

本発明においては、前記移動装置は、前記第１支持台を移動させる第２移動装置と、前記第２支持台を移動させる第３移動装置と、を含み、前記制御装置は、前記第１検出装置が前記第１支持台上にあるときには、前記ずれが相殺されるように前記第２移動装置によって前記第１支持台を移動させ、前記第１検出装置が前記第２支持台上にあるときには、前記ずれが相殺されるように前記第３移動装置によって前記第２支持台を移動させることが望ましい。
この構成によれば、対象物を移動させて処理装置の位置ずれを相殺することができる。さらに、処理装置と対象物との両方を移動させてずれを相殺する場合には、処理装置および第１，第２支持台のそれぞれの移動量が少なくて済み、素早くずれを相殺することが可能となる。

本発明の第１実施形態のロボットを示す概略構成図である。本発明の第１実施形態のロボットを示す説明図である。本発明の第２実施形態のロボットを示す概略構成図である。本発明の第２実施形態のロボットを示す平面図である。

［第１実施形態］
以下、図１，図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るロボットについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

以下の説明においては、ｘｙｚ直交座標系を設定し、このｘｙｚ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ここでは、水平面内の所定方向をｘ軸方向、水平面内においてｘ軸方向と直交する方向をｙ軸方向、ｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をｚ軸方向とする。

図１は、本実施形態のロボットを示す概略構成図である。図に示すように、本実施形態のロボット１は、対象物Ｅを把持する把持部（処理装置）１０と、把持部１０を先端に有するアーム（移動装置、第１移動装置）２０と、対象物Ｅを戴置する支持台３０と、把持部１０および支持台３０に設けられた慣性センサー（検出装置）４０と、アーム２０および支持台３０を支持する基台５０と、ロボット１自身の動作を制御する制御装置６０と、制御装置６０へ入力指示を行う入力装置７０と、を有している。

アーム２０は、第１アーム２１、第２アーム２２，第３アーム２３がこの順に連結されており、第１アーム２１がｚ軸方向に回転軸を有する円柱状の主軸２４および平面視略矩形の基底部２５を介して基台５０に接続されている。第１アーム２１は主軸２４との連結箇所において、また、第２アーム２２は第１アーム２１との連結箇所において、水平方向（ｘｙ平面内を）でそれぞれ回転軸Ｌ１，Ｌ２周りを正逆回転可能に設けられている。第３アーム２３は、第２アーム２２との連結箇所において、水平方向に回転軸Ｌ３周りを正逆回転可能であると共に、垂直方向（ｚ軸方向）に上下駆動可能に設けられている。

支持台３０は、対象物Ｅを戴置する天板３１と、天板３１を支えるベース部（移動装置、第２移動装置）３５と、を備えている。ベース部３５は、例えば、ｘ方向に天板３１を水平移動させる移動機構と、ｙ方向に天板３１を水平移動させる移動機構と、がそれぞれ独立に収納されており、天板３１をｘｙ平面内で移動可能に設けられている。

慣性センサー４０は、把持部１０に設けられた第１慣性センサー（第１検出装置）４１と、天板３１に設けられた第２慣性センサー（第２検出装置）４２とを有している。それぞれの慣性センサー４１，４２は、振動によって生じる慣性力を検知することにより、把持部１０および天板３１の振動を検知している。慣性センサー４０には、例えば加速度センサーや、ジャイロセンサーのような角速度センサーを用いることができる。

制御装置６０は、メモリー、ＣＰＵ、電源回路等を内蔵している。制御装置６０では、入力装置７０から入力されるロボット１の動作内容を規定する動作プログラム等を記憶し、ＣＰＵによってメモリーに記憶された各種プログラムを起動しロボット１を統括制御する。

ここで、ロボット１が対象物Ｅを把持し移動させるという動作を行う場合、把持部１０やアーム２０の動きによってアーム２０が振動するおそれがある。また、アーム２０の振動が基台５０を介して支持台３０に伝わり、支持台３０が振動することも考えられる。

例えば、アーム２０の水平方向の回転運動によって、アーム２０全体が水平方向に振動する場合、図中ｚ方向に延びる二点鎖線で示した対象物Ｅのｘｙ平面での座標Ｐ１と、把持部１０のｘｙ平面での座標Ｐ２と、の間でずれが生じ、正確に対象物Ｅを把持することができないおそれが生じる。すなわち、目標位置である対象物Ｅの座標Ｐ１と把持部１０の座標Ｐ２との間に位置ずれが生じるおそれがある。

このように想定される不具合に対し、本実施形態のロボット１では、慣性センサー４０によって把持部１０や天板３１の振動状態を検出し、検出結果に基づいてアーム２０やベース部３５の駆動条件を算出することで、振動によるずれを相殺するように駆動条件が設定される構成となっている。

図２は、ロボット１を示す説明図であり、ｘｚ平面における概略断面図である。図に示すように、主軸２４の内部であって主軸２４と第１アーム２１との連結箇所には、第１アーム２１を回転軸Ｌ１周りに正逆回転させるアクチュエーター２１１と、第１アーム２１の基準位置からの回転角を検出する角度センサー２１２と、が設けられている。

また、第１アーム２１の内部であって第１アーム２１と第２アーム２２との連結箇所には、第２アーム２２を回転軸Ｌ２周りに正逆回転させるアクチュエーター２２１と、第２アーム２２の基準位置からの回転角を検出する角度センサー２２２と、が設けられている。

同様に、第２アーム２２の内部であって第２アーム２２と第３アーム２３との連結箇所には、第３アーム２３を回転軸Ｌ３周りに正逆回転させ、または上下運動させるアクチュエーター２３１と、第３アーム２３の基準位置からの回転角および把持部１０の上下方向（ｚ方向）の位置を検出する位置センサー２３２と、が設けられている。

制御装置６０は、把持部１０と天板３１との加速度の相対値を検出する振動検知部６１と、天板３１に対する把持部１０の相対的な振動量を算出する振動量算出部６２と、把持部１０の目標位置からのずれ量を算出する振動補正部６３と、ずれを相殺するために各アクチュエーターに伝えるべき駆動信号を生成する駆動信号生成部６４と、を含んでいる。

振動検知部６１は、第１慣性センサー４１および第２慣性センサー４２による検出結果を取得し、両センサーの検出結果の相対値を算出する。すなわち、把持部１０に加わる加速度と天板３１に加わる加速度との相対値を検出する。

振動量算出部６２は、振動検知部６１で求められる相対値と、メモリー６５に保存された伝達関数とを用いて、把持部１０と天板３１との相対的な振動量を算出する。

振動補正部６３は、把持部１０の振動量、アーム２０が有する各角度センサーや位置センサーの検知結果、およびアーム２０の寸法を用いて、現在の把持部１０の位置（座標）を求め、把持部１０が位置すべき目標位置（例えば対象物Ｅの位置）とのずれ量を算出する。

駆動信号生成部６４は、振動補正部６３で求められるずれ量と、メモリー６６に記憶された伝達関数と、を用いて、ずれを相殺するために各アクチュエーターへ伝えるべきトルク指令値を駆動信号として生成する。アーム２０が有する各アクチュエーターでは、トルク指令値を受け取り、振動による位置ずれが相殺されるように駆動することで、把持部１０を目標位置に配置し、正確な把持を実現する。

また、アーム２０の他に、支持台３０のベース部３５が駆動することによって位置ずれを相殺することとしても良い。これらアーム２０と支持台３０とによる位置ずれの補正は、いずれか一方のみで行っても良く、双方が協働して行うこととしても良い。アーム２０および支持台３０が協働して振動による位置ずれを相殺するように駆動するとする場合、それぞれの駆動量が少なくて済むため、位置ずれを補正しやすく好適である。

以上のような構成のロボット１によれば、慣性センサー４０による検出結果を用いて振動に起因したずれを相殺し、目標位置に把持部１０を素早く且つ正確に位置させて処理（把持）を行わせることが可能となる。

なお、本実施形態のロボット１は、天板３１に第２慣性センサー４２が設けられていることとしたが、把持部１０の振動を検知する第１慣性センサー４１のみを有することとしても良い。このような構成であっても、把持部１０に生じる振動を相殺するようにアーム２０を駆動させることで、把持部１０による正確な把持が可能となる。

［第２実施形態］
図３，４は、本発明の第２実施形態に係るロボット２の説明図である。本実施形態のロボット２は、第１実施形態のロボット１と一部共通している。異なるのは、対象物Ｅを戴置する支持台を複数（図では２つ）備え、各支持台にそれぞれ慣性センサーを備えることである。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３は、第２実施形態のロボット２を示す概略構成図である。図に示すように、ロボット２は、第１支持台３０Ａおよび第２支持台３０Ｂを有しており、それぞれ、天板３１Ａとベース部（移動装置、第２移動装置）３５Ａ、天板３１Ｂとベース部（移動装置、第３移動装置）３５Ｂ、を有している。各ベース部３５Ａ，３５Ｂには、それぞれ天板３１Ａ，３１Ｂをｘｙ平面内で駆動可能とする移動機構が設けられている。

慣性センサー４０は、把持部１０に設けられた第１慣性センサー４１と、天板３１Ａに設けられた第２慣性センサー４２と、天板３１Ｂに設けられた第３慣性センサー（第３検出装置）４３と、を有している。第２慣性センサー４２は、振動によって生じる慣性力を検知することにより、天板３１Ａの振動を検知し、第３慣性センサー４３は、振動によって生じる慣性力を検知することにより、天板３１Ｂの振動を検知している。

制御装置６０には、各慣性センサー４１，４２，４３の検出結果が入力され、検出された振動を相殺するように、アーム２０、ベース部３５Ａ，３５Ｂの動作制御を行う。制御装置６０では、把持部１０が第１支持台３０Ａおよび第２支持台３０Ｂのいずれの支持台上で作業を行うかによって、慣性センサー４２，４３からの信号のうちいずれを採用するかを選択している。

図４は、本実施形態のロボット２の平面図である。図４（ａ）に示すように、把持部１０が第１支持台３０Ａ上で作業を行う場合、換言すると、把持部１０が位置すべき目標位置が、第１支持台３０Ａ上にある場合には、第１慣性センサー４１と第２慣性センサー４２との検出結果を用いて、把持部１０の加速度と第１支持台３０Ａの天板の加速度との相対値を算出してずれ量を求める。

対して、図４（ｂ）に示すように、把持部１０が第２支持台３０Ｂ上で作業を行う場合、換言すると、把持部１０が位置すべき目標位置が、第２支持台３０Ｂ上にある場合には、第１慣性センサー４１と第３慣性センサー４３との検出結果を用いて、把持部１０の加速度と第１支持台３０Ｂの天板の加速度との相対値を算出してずれ量を求める。

これら第２慣性センサー４２および第３慣性センサー４３の検出結果のうち、いずれを採用するかについては、例えば、アーム２０に内蔵された角度センサー（位置検出手段）の検出結果と、アーム２０の各構成の長さとから、現在の把持部１０の位置を算出し、対応する慣性センサーの検出結果を採用することができる。

また、把持部１０が通過すべき軌道の情報を元に、把持部１０の位置を把握し、把持部１０が第１支持台３０Ａおよび第２支持台３０Ｂのいずれの支持台上にあるかを検知することで、対応する慣性センサーの検出結果を採用することとしても良い。例えば、アーム２０が決められた動きを決められた速度で繰り返す場合には、作業開始からの時間を測定することで、制御装置６０内で把持部１０の現在位置を演算し算出することができる。このように、設定値に基づいて把持部１０の位置を検出する場合には、位置検出の演算を行う制御装置６０が本発明の位置検出手段に該当する。

このようにして得られたずれ量を相殺するように、アーム２０と、第１，第２支持台３０Ａ，３０Ｂの各ベース部３５Ａ，３５Ｂとのいずれか一方、または両方を協働して駆動させ、把持部１０による位置精度が高い把持を実現する。

以上のような構成のロボット２においては、目標位置が設定されている支持台の慣性センサーを用いて把持部１０のずれを検出するため、目標とする位置に把持部１０を素早く且つ正確に位置させ、所望の処理を行わせることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、処理装置として把持部１０を備えたロボットについて説明したがこれに限らず、対象物に対して処理を行う他の構成を採用することもできる。例えば、処理装置としては、液状体を対象物に塗布するノズルや、レーザー光を照射する照射装置などを例示することができる。

また、処理装置が、例えば支持台上に戴置された基板に液状体を塗布して描画するような、連続した処理を行う場合、処理を行っている間常に振動を検出しながら、振動によるずれを相殺すると良い。このような処理では、上述の目標位置が時間的に変化することにより定まる目標軌跡と、処理装置の軌跡とのずれに基づいて、振動量を求めることもできる。このような連続処理の場合、プログラムされた処理装置の動きに応じて、処理装置の軌道が曲がる箇所など、処理装置に加わる加速度が変化するタイミングを予め設定値として備えておき、予め定められた加速度変化と、振動による加速度変化と、の区別を行う処理を加えることとしても良い。

また、上述した実施形態では、処理装置をスカラロボットによって移動させる際に、生じる振動を相殺する構成としたが、これに限らず、直交型ロボットなど他の形式のロボットによって処理装置を移動させる際の振動を相殺することもできる。

また、上述した実施形態では、基台上にアーム（移動装置）が取り付けられた構成としていたが、基台に支持台をまたぐ橋梁部を取り付け、該橋梁部からアームをつり下げる構成とすることも可能である。

１，２…ロボット、１０…把持部（処理装置）、２０…アーム（第１移動装置、移動装置）、３０…支持台、３０Ａ…第１支持台（支持台）、３０Ｂ…第２支持台（支持台）、３５，３５Ａ…ベース部（第２移動装置、移動装置）、３５Ｂ…ベース部（第３移動装置、移動装置）、４０…慣性センサー（検出装置）、４１…第１慣性センサー（第１検出装置）、４２…第２慣性センサー（第２検出装置）、４３…第３慣性センサー（第３検出装置）、６０…制御装置、Ｅ…対象物、

Claims

対象物に対して所定の処理を行う処理装置と、
前記対象物と前記処理装置とを相対移動させる移動装置と、
前記処理装置に働く慣性力および前記対象物に働く慣性力の差分を検出する検出装置と、
前記移動装置を制御して前記処理装置を前記対象物に向けて相対移動させるとともに、前記検出装置の検出結果を用いて前記処理装置と前記対象物との間の相対位置のずれを演算し、演算結果に基づいて前記移動装置を制御して、前記ずれが相殺されるように前記処理装置と前記対象物との間の相対位置を調節する制御装置と、を有することを特徴とするロボット。
前記対象物を支持する支持台を有し、
前記検出装置は、前記処理装置に働く慣性力を検出する第１検出装置と、前記支持台に働く慣性力を検出する第２検出装置と、を含み、
前記制御装置は、前記第１検出装置および前記第２検出装置の出力と、に基づいて、前記ずれを演算することを特徴とする請求項１に記載のロボット。
前記移動装置は、前記処理装置を移動させる第１移動装置を含み、
前記制御装置は、前記ずれが相殺されるように前記第１移動装置によって前記処理装置を移動させることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
前記移動装置は、前記対象物を支持する支持台を移動させる第２移動装置を含み、
前記制御装置は、前記ずれが相殺されるように前記第２移動装置によって前記支持台を移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロボット。
前記対象物を支持する第１支持台と第２支持台とを有し、
前記検出装置は、前記処理装置に働く慣性力を検出する第１検出装置と、前記第１支持台に働く慣性力を検出する第２検出装置と、前記第２支持台に働く慣性力を検出する第３検出装置と、を含み、
前記処理装置の位置を検出する位置検出手段を有し、
前記制御装置は、前記第１検出装置が前記第１支持台上にあるときには、前記第１検出装置および前記第２検出装置の出力に基づいて前記差分を検出し、前記第１検出装置が前記第２支持台上にあるときには、前記第１検出装置および前記第３検出装置の出力に基づいて前記差分を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロボット。
前記移動装置は、前記第１支持台を移動させる第２移動装置と、前記第２支持台を移動させる第３移動装置と、を含み、
前記制御装置は、前記第１検出装置が前記第１支持台上にあるときには、前記ずれが相殺されるように前記第２移動装置によって前記第１支持台を移動させ、前記第１検出装置が前記第２支持台上にあるときには、前記ずれが相殺されるように前記第３移動装置によって前記第２支持台を移動させることを特徴とする請求項５に記載のロボット。