JP2018015821A - パラレルリンクロボットの直接教示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で安価な構成で、使い勝手が良く安定的な直接教示を行うことが可能なパラレルリンクロボットの直接教示装置を提供する。【解決手段】基体部と可動部とを連結し、前記基体部と前記可動部との間に関節が配置された少なくとも３つのリンク機構と、前記基体部に設けられ、前記リンク機構のそれぞれの前記関節で屈曲させて前記可動部を前記基体部に対して相対的に移動させるステッピングモータを駆動源とするパラレルリンクロボットにおいて、前記可動部に直接触れて動作させることが可能な把持部を備えるとともに、前記把持部の近傍に前記ステッピングモータの励磁をＯＮ/ＯＦＦするスイッチを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、パラレルリンクロボットの教示装置に関し、特に教示作業者がパラレルリンクロボットの可動部を直接動作させて教示を行う直接教示装置に関するものである。

パラレルリンクロボットの教示方法としては、他の産業用ロボットと同様に、各軸をジョグ動作させて、可動部に設けられたエンドエフェクタを所望の位置・姿勢にして教示点として記録する方法の他、教示作業者が直接ロボットの可動部を動作させる直接教示が知られている。

特許文献１には、各軸の駆動部にサーボモータと電磁ブレーキを備えたパラレルリンクロボットにおいて、ロボットの基体部と可動部を繋ぎ、伸縮によって重力に抗する力を可動体に付加する懸架手段を備えることにより、教示時においては、駆動部のサーボモータと電磁ブレーキをオフすることで、教示作業者が軽い力で出力部である可動体部を容易に動作させることが可能なパラレルリンクロボットが記載されている。

特許第５０５４８４２号公報

上述した特許文献１に記載されたロボットでは、教示作業者が直接可動部に触れて、かつ軽い力で可動部を動作させることは可能であるが、教示作業者の動作をそのまま取り入れることによって作業プログラムが作成される。これは教示作業者が教示したい軌跡に沿った動作をさせつつ、その全経路に亘ってロボットの各軸の位置を一定のサンプリング時間毎に読出し記録することになる。従って、作業者が教示の途中で無駄な動作をしてしまったり、経路を誤ってしまったりした場合には、記録した作業プログラムを編集し修正しなければならない。このような作業プログラムの編集作業は、ロボットに接続された操作盤やパソコンを用いて頻繁に行う必要があるため、手間の掛かる作業となる。また、教示時に作業者が可動部を軽い力で動かせるようにするための構造的な機構が必要となり、コストアップの要因となる。

一方、従来のロボットの各軸をジョグ動作させて、出力部のエンドエフェクタを所望の位置・姿勢にして、その座標を教示点として記録することで作業プログラムを作成する方法は確実ではあるが、ロボットの各軸をジョグ動作させて位置座標を合わせ込む作業は非常に手間の掛かる作業である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単で安価な構成で簡易的な直接教示を行うことが可能なパラレルリンクロボットの直接教示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のパラレルリンクロボットの直接教示装置は、基体部と可動部とを連結し、前記基体部と前記可動部との間に関節が配置された少なくとも３つのリンク機構と、前記基体部に設けられ、前記リンク機構のそれぞれの前記関節で屈曲させて前記可動部を前記基体部に対して相対的に移動させるステッピングモータを駆動源とするパラレルリンクロボットにおいて、教示作業者が前記可動部に直接触れて動作させることが可能な把持部材を備えるとともに、前記把持部材の近傍に前記ステッピングモータの励磁をＯＮ/ＯＦＦするスイッチを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、簡単で安価な構成で簡易的なパラレルリンクロボットの直接教示を行うことが可能であり、可動部に明確な把持部を設けることにより、教示動作時の操作性が向上し、安定して可動部を動かすことができる。また、可動部分の把持部の近傍に、教示動作に必要なスイッチやボタン類を配設することにより、教示作業者が可動部から手を離すことなく教示動作を行うことができるので、操作性に優れた効率の良いパラレルリンクロボットの直接教示装置を実現できる。

本発明の実施形態に係るパラレルリンクロボットの概略構成図 ステッピングモータの制御系の一部を示すブロック図 ２相励磁方式のパルス信号を示す図 本発明の実施形態に係るパラレルリンクロボットのバランサ機構の概略構成図 バランサ機構の動作説明図 重力による負荷トルクとバランサが発生するカウンタトルクの線図 パラレルリンクロボットの可動部の部分拡大図 本発明の実施形態に係るブロック構成図 教示データの一例を示す図

（実施例）
図１は、本発明の実施形態のパラレルリンクロボット１００の概略構成図である。

図１において、パラレルリンクロボット１００は、固定部材としての基体部１０１と、３組のリンク構造部と出力軸を含む可動部１０２より構成される。また、基体部１０１の下方には、基体部１０１を支持するスタンド１０３が配置されている。

基体部１０１は箱体形状であり、基体部１０１の側面部の左右対称位置には、第１モータ１０４および第２モータ１０５が、上面部には第３モータ１０６がそれぞれ取付部材を介して固定されている。第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６は、減速機を内蔵したステッピングモータであり、それぞれの回転出力軸には第１アーム１０７、第２アーム１０８、第３アーム１０９が連結されている。各アーム１０７、１０８、１０９には、それぞれジョイント部材１１０ｂ、１１１ｂ、１１２ｂを介して、一対の平行リンクからなる第１リンク１１０、第２リンク１１１、第３リンク１１２が連結され、さらに各リンクの他端は可動部である出力軸１１３にジョイント部材１１０ａ、１１１ａ、１１２ａを介して，それぞれ接続されている。

箱体形状の基体部１０１を囲うように配置された３つのモータは、第１モータ１０４および第２モータ１０５が、回転軸が鉛直方向となるように、また第３モータ１０６が、回転軸が水平方向となるように支持されている。

出力軸１１３には、中心軸線上から斜め前方に向かって水平方向に突出した突起軸が設けられ、ジョイント部材１１０ａ、１１１ａを介して、第１リンク１１０および第２リンク１１１が、それぞれ左右両側から連結している。また、出力軸１１３の上端部には、出力軸１１３と直交する支持軸１１３ａが装着固定されており、この支持軸１１３ａの両端には、ジョイント部材１１２ａを介して、第３リンク１１２が上方から連結している。

第１リンク１１０および第２リンク１１１の平行リンクにより、第１アーム１０７、第２アーム１０８がどの位置に回転しても、出力軸１１３の姿勢（傾き）が一定（略鉛直方向）に保持される。また、第３リンク１１２の平行リンクにより、第３アーム１０９がどの位置に回転しても、出力軸１１３の軸回りの回転が拘束され、向きが一定に保持される。

本発明の一実施形態におけるパラレルリンクロボット１００においては、ジョイント部材１１０ａ、１１０ｂおよびジョイント部材１１１ａ、１１１ｂは回転に対して３自由度を有するボールジョイント、ジョイント部材１１２ａ、１１２ｂは回転に対して２自由度を有するユニバーサルジョイントを使用している。これらのジョイント部材は、いずれも２自由度を有していれば機能的に問題ないが、ボールジョイントを使用することでジョイント部材自体をコンパクトにすることが可能である。但し、この場合には、平行リンク機構のねじれを防止するために、第１リンク１１０および第２リンク１１１の軸周りの回転を規制する規制部材としてのブリッジ部材１１４、１１５が必要となる。ブリッジ部材１１４、１１５は、２本のリンク軸の両端寄りに、それぞれ２本のリンク軸に掛け渡されるように配置される。このようなブリッジ部材１１４、１１５は、それぞれ、第１リンク１１０および第２リンク１１１に直交する軸を有し、この軸にそれぞれ回動自在に支持される。これにより、２本のリンク軸が平行状態を維持したまま相対移動が可能であり、各リンクの軸回りの自由度を拘束することができる。

第１モータ１０４による第１アーム１０７の駆動と、第２モータ１０５による第２アーム１０８の駆動とを行うことで、出力軸１１３は略水平方向に移動する。また、第３モータ１０６により第３アーム１０９を駆動することで、出力軸１１３を上下方向に移動させると、第１リンク１１０と第２リンク１１１は水平からずれて傾斜する。このため、出力軸１１３の３次元空間内（所定の空間内）の位置は、第１リンク１１０と第２リンク１１１の傾斜量を考慮して、第１、第２、第３アームの駆動量から幾何学的に算出することが可能である。また、逆運動学の計算により、出力軸１１３の空間位置座標から第１、第２、第３モータの駆動量を算出することが可能である。

続いて本発明の一実施形態が備えるステッピングモータについて説明する。図２は本発明のパラレルリンクロボットの駆動源であるステッピングモータの制御系の一部を示すブロック図である。図３は２相励磁方式のパルス信号を示す図である。図２において、１１はパラレルリンクパラレルリンクロボットのアームを駆動するためのステッピングモータ、１２は動作指令を出力するＣＰＵ（制御装置）であり、モータドライバＤを介して接続される。モータドライバＤはステッピングモータ１１を駆動するためのパワートランジスタと、ＣＰＵ１２からの指令を受けて所定のタイミングでパルス信号を出力する信号出力ポート１４から構成されている。ステッピングモータ１１は、ＣＰＵ１２からの指令に応じて図３に示すパルス信号ｐ１〜ｐ４が信号出力ポート１４から出力されると、パルス信号ｐ１〜ｐ４を受けたパワートランジスタ１５により、ステップ角を単位として回転駆動される。ステッピングモータ１１は、停止時（非励磁状態）においてもローター磁石の吸引力によるディテントトルクが作用するため、高保持トルクで回転位置を保つことが可能である。

第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６の回転量をそれぞれ協調して制御することにより、出力軸１１３を含む可動部１０２は固定部材である基体部１０１に対して、３軸並進運動を行うことができる。

次に、第３アーム１０９に設けられたバランサ機構２００について説明する。可動部１０２の先端には、チャック１１７等のエンドエフェクタが装着され、さらにワーク重量を含めると重力による大きなモーメントが作用する。バランサ機構２００は、主に出力軸１１３を上下方向に移動させる第３アーム１０９に対して、この重力によるモーメントとは反対方向に作用するカウンタトルクを付与することにより、重力によるモーメントを相殺して、第３アーム１０９に加わる負荷を軽減したり、第３モータ１０６の停止時に、電磁ブレーキ等の高価な部品を使用せずに、第３アーム１０９の降下を防止し、エンドエフェクタの位置を保持したりすることが可能となる。

図４において、第３アーム１０９には、支持軸Ｊ２を支点に揺動する補助アーム２０１が連結リンク２０２を介して回動自在に連結固定されている。第３アーム１０９の先端部に配設された第３リンク１１２のジョイント支持軸１１２ｃと、補助アーム２０１の先端部の固定孔２０１ａには引張バネ２０３の両端部が固定されており、この引張バネ２０３によって、第３アーム１０９は補助アーム２０１側に常に付勢されている。

上記構成において、第３アーム１０９が第３モータ１０６の出力軸Ｊ１を中心に回動すると、補助アーム２０１が連動して支持軸Ｊ２を支点に揺動する。その際、連結リンク２０２の関節部Ｊ３とＪ４の位置に関して、第３アーム１０９の関節部Ｊ１からＪ３までの距離をＬ１、補助アーム２０１の関節部Ｊ２からＪ４までの距離をＬ２とし、Ｌ１＜Ｌ２となるように設定することによって、補助アーム２０１の回動角度を第３アーム１０９の回動角度よりも小さくすることが可能である。

この場合の、第３アーム１０９の回動角度（入力角）に対する補助アーム２０１の回動角度（出力角）は、関節部Ｊ１と関節部Ｊ２を固定関節とする４節リンク機構モデルから幾何学的に算出することができる。

第３アーム１０９に作用する重力トルクは、アームおよびアームに連結するリンク、チャック、ワークを含めた全重力によるトルクであるが、アームの姿勢（回動角度）によって異なる。第３アーム１０９が水平面と成す角度をθとすると、アームに作用する重力トルクは、ｃｏｓθの関数となるので、例えば、０°≦θ≦９０°の範囲において、θ＝０°即ち、第３アーム１０９が水平となったときに最大となり、図５に示すように、θが大きくなるに従って小さくなる。

第３アーム１０９と補助アーム２０１を連結する引張バネ２０３は、この第３アーム１０９に作用する重力トルクをアームの回動角度に応じて補償するものである。上述の第３アーム１０９と補助アーム２０１の連動による回動角度の違いにより、第３アーム１０９の回動角度に応じて、引張バネ２０３の伸び量を可変することができる。θ＝０°即ち、第３アーム１０９が水平のときには、引張バネ２０３の伸び量が大きく、第３アーム１０９に大きな引張力が作用し、大きな補償トルクが発生する。図５に示すように、第３アーム１０９の回動角度θが大きくなるに従って、引張バネ２０３の伸び量は小さくなり、引張バネ２０３による引張力は低下し、第３アーム１０９に発生する補償トルクも小さくなる。

図６は、アームの姿勢（回動角度）に応じて、アームに作用する重力トルクと、引張バネ２０３によって、アームに発生する補償トルクの関係を示すグラフの一例である。図６において、横軸は第３アーム１０９が水平面と成す角度（回動角度）θ（ｄｅｇ）、縦軸はトルクＴ（Ｎｍ）である。Ａは、第３アーム１０９に作用する重力トルクで、ｃｏｓθの関数となり、図のような曲線となる。Ｂは、引張バネ２０３によって、第３アーム１０９に発生する補償トルクを示すものであるが、アームの回動角度に応じて、引張バネ２０３の伸び量と引張方向（第３アーム１０９と引張バネ２０３との成す角度）が変化することから、図のような曲線となる。

第３アーム１０９に発生する補償トルクも、第３アーム１０９の回動角度θによる関数として、計算により算出することが可能であるから、ＡとＢの曲線が一致するように、補助アーム２０１や連結リンク２０２の位置、引張バネ２０３のバネ定数や取付位置等を設定することにより、第３アーム１０９の関節部Ｊ１まわりのトルクバランスを保つことが可能となる。

ステッピングモータの非励磁状態では、第３アーム１０９には第３モータ１０６のディテントトルクが作用する。従って、この第３モータ１０６のディテントトルク値を考慮して、両者の差が所定の範囲内に収まっていれば、即ち、あらゆる回動角度θにおいて、アームに発生する補償トルクとモータのディテントトルクの和を、アームに作用する重力トルクに等しいか、または、これよりも大きく設定することにより、電源停止時に、ステッピングモータへの電源が断たれ場合に、第３アーム１０９の降下を防止し、エンドエフェクタの位置を保持することができる。

本実施例のバランサ機構２００においては、簡単で安価な構成でアームの回転角度に依存せず、広いアーム回転範囲において自重補償を可能とするとともに、補償に必要なトルクを発生するためのバネ力を小さくすることができるので、バネ部材がコンパクトになりロボット本体を小型化することができる。

次に、本発明の一実施形態におけるパラレルリンクロボット１００の直接教示方法について説明する。図７は、パラレルリンクロボット１００の可動部１０２の部分拡大図であり、同図において、出力軸１１３の下方には、操作部１１９を挟んでエンドエフェクタ支持部材１１８が同軸上に設けられている。エンドエフェクタであるチャック１１７は、エンドエフェクタ支持部材１１８の装着部に嵌合装着され、ボルト１２０で着脱自在に固定されている。

操作部１１９には、教示時に作業者が直接可動部１０２を安全に把持して動かすことができる把持部材１２１が設けられている。また、第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６の各ステッピングモータを同時に、励磁ＯＮ／ＯＦＦ切替を可能とする切替ボタン１２２と、切替ボタン１２２に連動して励磁ＯＮ／ＯＦＦ状態を表示するＬＥＤ（表示手段）１２３と、可動部１０２の位置情報を教示データに登録する登録ボタン１２４とを備える。

励磁ＯＮ／ＯＦＦの切替ボタン１２２と登録ボタン１２４は、教示作業者が把持部材１２１を把持した状態で操作できるように把持部材１２１の近傍にあることが望ましい。
また、切替ボタン１２２に連動して励磁ＯＮ／ＯＦＦ状態を表示するＬＥＤ（表示手段）１２３により、教示作業者はステッピングモータの励磁状態が可動部１０２を操作しながら一目で確認できるので、教示作業の効率が向上する。例えば、本実施例においては、励磁ＯＮ時にＬＥＤ（表示手段）１２３が点灯し、励磁ＯＦＦ時にＬＥＤ（表示手段）１２３が消灯する。

図８は、電気的なブロック構成を示す図で、パラレルリンクロボット１００の可動部１０２の操作部１１９に設けられたボタン類の信号はコントローラ１２５に入力される。パラレルリンクロボット１００の動作を制御するコントローラ１２５は、マイコンを主体とした構成であり、ＣＰＵ１２、記憶手段としてのＲＯＭ１６およびＲＡＭ１７を備えている。ＲＯＭ１６は、一般的な読み出し専用のメモリに加えて、電気的に書き換え可能なフラッシュメモリ等のメモリを含むものである。このＲＯＭ１６には、後述する直接教示に関する制御プログラムを含めてパラレルリンクロボット１００を駆動制御するための各種制御プログラムが記憶されている。

また、ＣＰＵ１２には、モータドライバＤ１〜Ｄ３を介して第１〜第３モータ１０４〜１０６の各ステッピングモータが連結され、さらに各モータの出力軸にはエンコーダＳ１〜Ｓ３が設けられ、各モータの回転検知信号をコントローラ１２５に出力することで、可動部１０２の位置検出が行われる。可動部１０２の位置情報（Ｘ、Ｙ、Ｚ座標）は、コントローラ１２５に接続したＰＣや操作盤等の表示部１２５に逐次モニタリングされる。

教示時に励磁ＯＮ／ＯＦＦの切替ボタン１２２により、第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６の各ステッピングモータを非励磁状態とすると、各モータの保持力が解除されるのでパラレルリンクロボット１００の可動部１０２は容易に動かすことが可能となる。また、ステッピングモータのディテントトルクと上述したバランサ機構２００によって、非励磁状態であっても可動部１０２の位置は安定的に保持される。さらに、非励磁状態であっても各モータの位置検出手段（エンコーダ）Ｓ１〜Ｓ３はカウントしているので、可動部１０２の位置情報は常に出力される。

エンドエフェクタを装着した可動部１０２を所定の教示ポイントに合わせて動かした後、登録ボタンを押すことによってその教示ポイントの位置情報（Ｘ、Ｙ、Ｚ座標）を図９に示す教示データに登録することが可能である。一連の教示ポイントに沿って、可動部１０２を動かし、各教示ポイントの位置情報を逐次登録することで簡易的な教示データを作成することができる。

教示データは、ＰＣまたは操作盤により作成、編集されて制御部１２内のＲＯＭまたはＲＡＭに記憶される。

図９の教示データには、教示点の位置情報（Ｘ、Ｙ、Ｚ座標）の他、目標移動速度、停止時間、エンドエフェクタを含む外部と接続するＩ／Ｏの条件設定（ＩＯ入出力）、外部と接続するシリアル通信でのコマンド（ＣＯＭ）等を設定することができる。これら位置情報以外の項目は、直接教示作業とは別に入力し、作成したものである。また、直接教示作業で大まかな教示点を設定登録した後、従来のジョグ動作で各教示点の位置を微調整して教示データを作成するという使い方も可能である。この場合、初めからジョグ動作のみで、可動部の位置出しを行うよりも遥かに効率的である。

本実施においては、３軸のステッピングモータを備えたパラレルリンクロボットについて、説明したが、同様に各軸の駆動源にステッピングモータを使用した第４軸〜第６軸を備えたパラレルリンクロボットに対しても、適用することができる。この場合も同様に、可動部に設けた励磁ＯＮ／ＯＦＦ切替ボタンと教示点登録ボタンにより、各ステッピングモータの励磁ＯＦＦ時に教示動作を行い可動部に装着したエンドエフェクタの位置や姿勢（回転角度）を逐次教示データに登録することが可能である。

また、本実施における把持部材の大きさや形状、位置等は、図示したものに限らず、教示作業の作業性を考慮したものであれば良く、エンドエフェクタに直接設けても良い。ＬＥＤ（表示手段）１２３は、励磁ＯＮ／ＯＦＦ切替ボタン１２２に連動して、点灯色を変えても良い。また、ＬＥＤに限らずＬＣＤ等の表示手段を用いても良い。

１００ パラレルリンクロボット
１０１ 基体部
１０２ 可動部
１０４ 第１モータ（ステッピングモータ）
１０５ 第２モータ（ステッピングモータ）
１０６ 第３モータ（ステッピングモータ）
１０９ 第３アーム
１１７ チャック
１１９ 操作部
１２１ 把持部材
１２２ 励磁ＯＮ／ＯＦＦ切替ボタン
１２３ ＬＥＤ（表示手段）
１２４ 教示点登録ボタン
２００ バランサ機構
Ｓ１〜Ｓ３ エンコーダ

Claims (3)

1. 基体部と可動部とを連結し、前記基体部と前記可動部との間に関節が配置された少なくとも３つのリンク機構と、前記基体部に設けられ、前記リンク機構のそれぞれの前記関節で屈曲させて前記可動部を前記基体部に対して相対的に移動させるステッピングモータを駆動源とするパラレルリンクロボットにおいて、前記可動部に直接触れて動作させることが可能な把持部材を備えるとともに、前記把持部材の近傍に前記ステッピングモータの励磁をＯＮ/ＯＦＦするスイッチを設けたことを特徴とするパラレルリンクロボットの直接教示装置。
2. 前記ステッピングモータの出力軸に設けられたエンコーダにより、前記可動部の位置を検知可能な位置検知手段を備え、前記ステッピングモータの励磁ＯＦＦ時に教示動作を行い、前記可動部の所定の位置情報を教示点の位置情報として、教示データに逐次登録可能な教示点登録ボタンを、前記把持部材の近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載のパラレルリンクロボットの直接教示装置。
3. 前記ステッピングモータの励磁ＯＦＦ時に、前記可動部の重力によるモーメントを打消し、位置を保持するバランサ機構を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルリンクロボットの直接教示装置。
   

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