JP3250300B2 - 産業用マニプレータの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用マニプレータの制
御装置に関し、スレーブアームの旋回性能を向上させる
よう工夫したものである。

【０００２】

【従来の技術】産業用マニプレータをその基部から水平
面内で旋回動作させる従来の態様としては、次のものが
ある。

【０００３】スイッチを投入すると産業用マニプレータ
が一定速度で旋回する。

【０００４】ジョイスティックの操作により、産業マニ
プレータが旋回する。この場合、ジョイスティックを傾
けると傾き角に関係なく一定速度で旋回するタイプと、
ジョイスティックの傾き角に応じた速度で旋回するタイ
プがある。

【０００５】スレーブアームと、このスレーブアームに
相似した構造のマスターアームとで構成された産業用ロ
ボットでは、マスターアームを旋回させることにより、
スレーブアームが旋回する。この場合、スレーブアーム
を旋回させようとする角度は一般に広いのに対しマスタ
ーアームの旋回角は狭いので、次のような工夫（１）
（２）をしている。

【０００６】（１）マスターアームの旋回角に所定の倍
率をかけた旋回角でもってスレーブアームを旋回させ
る。

【０００７】（２）マスターアームにデッドマンスイッ
チを備え、デッドマンスイッチを投入した状態でマスタ
ーアームを旋回させたときにのみスレーブアームを旋回
動作させるようにする。このようにすれば、デッドマン
スイッチを投入してマスターアームを一方向に旋回させ
（このときスレーブアームが旋回する）、その後にデッ
ドマンスイッチを開放してマスターアームを逆方向に戻
すよう旋回させ（このときスレーブアームは旋回しな
い）、再びデッドマンスイッチを投入してマスターアー
ムを一方向に旋回させる（このときスレーブアームが旋
回する）動作を繰り返すことにより（これを「インデッ
クス操作」と称する）スレーブアームを広い角度範囲ま
で旋回させることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】産業用マニプレータで
は、対象物に対しスレーブアーム手先を接近させたり位
置決めしたりすることを、短時間で容易に行なえる必要
があるが、上述した従来技術では次のような問題があ
る。

【０００９】スイッチを利用した旋回では、設定した旋
回スピードが速いと対象物に対する位置決めが行いにく
く、設定した旋回スピードが遅いと旋回に時間がかか
る。

【００１０】ジョイスティックを用い一定速度で旋回さ
せるタイプでは、上述したスイッチと同じ問題がある。
ジョイスティックを用い傾き角に応じた速度で旋回させ
るタイプでは、一定の低速度で旋回させようとしたとき
にジョイスティックを所定傾き角で安定して保持しなけ
ればならないが、このようにジョイスティックを安定保
持する操作はむつかしい。

【００１１】マスターアームによるインデックス操作で
は、操作部のスペースが限られていると共に操作者がマ
スターアームを旋回させるため操作者の腕を動かすこと
のできる角度が限られているため、１回に行うことので
きる旋回角度は３０〜４０度程度であり、それ以上の広
い角度まで旋回させようとするときには、数回にわたる
マスターアームの旋回動作（インデックス操作）が必要
となり繁雑である。

【００１２】本発明は、上記従来技術に鑑み、スレーブ
アームが大きく旋回するときは速く旋回し、スレーブア
ームが対象物に接近したり把んだりするときはゆっくり
と旋回させることが容易にできる、産業用マニプレータ
の制御装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、スレーブアームの旋回台に、操作者が座る
運転席とスレーブアームに動作指令を送るマスターアー
ムを備え、マスタ・スレーブ方式により操作を行う産業
用マニプレータにおいて、前記旋回台に、ジョイスティ
ックレバーを備えると共に、前記マスターアームにデッ
ドマンスイッチである操作スイッチを備え、更に操作ス
イッチが投入されているときにジョイスティックレバー
が傾動されると傾動角に応じた速度で前記旋回台を旋回
させるようにスレーブアームに旋回指令を出し、操作ス
イッチが投入されているときにマスターアームが旋回さ
れるとこの旋回に追従して前記旋回台を旋回させるよう
にスレーブアームに旋回指令を出す制御部を備えたこと
を特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明では操作スイッチを投入した状態でジョ
イスティックレバーを傾動させると傾動角に応じてスレ
ーブアームが高速で旋回し、操作スイッチを投入した状
態でマスターアームを旋回させるとマスターアームに追
従してスレーブアームが旋回する。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例に係る垂直多関節の
産業用マニプレータならびにその制御装置を図面に基づ
き詳細に説明する。なお、実施例の産業用マニプレータ
は、具体的には鋳物工場で行う「鋳ばらし作業」をする
ために設計開発したものである。ここで「鋳ばらし作
業」とは、からみ合った鋳物製品を仕分け、更に製品と
湯口を仕分けて整列等させることをいう。

【００１６】図１は本実施例の産業用マニプレータのう
ちスレーブアームを抽出してその基本構成を示す説明図
である。同図に示すように、旋回台１は、床面２に設置
してある基台３に対し１軸モータ（図示せず）により水
平面内を回動可能に構成してある。

【００１７】垂直アーム４は、その基端部を、旋回台１
で支持して２軸モータ（図示せず）により回動する回動
軸５に固定するとともに、その先端部を、上部ユニット
７で支持して３軸モータ（図示せず）により回動する回
動軸６に回動可能に取付けてある。垂直レバー８は、そ
の基端部を、軸９を介して旋回台１に、またその先端部
を、軸１０を介して上部ユニット７にそれぞれ回動可能
に取付けてある。すなわち、旋回台１、上部ユニット
７、垂直アーム４、垂直レバー８、回動軸５，６及び軸
９，１０により４節の平行リンク機構を形成している。

【００１８】水平アーム１１は、その途中を、前記回動
軸６に固定し、上部ユニット７に対して回動可能に構成
してある。カウンタウェイト１２は水平アーム１１の基
端部に固定してある。また、水平アーム１１の先端部に
は、Ｌ字状の手首部１３が軸１４を介して回動可能に取
付けてある。水平レバー１５はその両端部を軸１６，１
７にそれぞれ回動可能に取付けてある。このとき、軸１
６は、基端部を上部ユニット７に垂直に固着してあるブ
ラケット１８の先端部に、また軸１７は、手首部１３の
ブラケット１３ａの先端部にそれぞれ回動可能に取付け
てある。すなわち、回動軸６、軸１４，１６，１７、ブ
ラケット１３ａ，１８、水平アーム１１及び水平レバー
１５により４節の平行リンク機構を形成している。

【００１９】ハンド部１９は、その上端部を回動軸２０
を介して４軸モータ（図示せず）により回動可能に手首
部１３に取付けて垂下するとともに、先端部である把持
部１９ａと基端部１９ｂとからなり、把持部１９ａが５
軸モータ（図示せず）により図示の状態で水平面内を回
動可能に構成してある。

【００２０】かかるスレーブアームは、オペレータによ
るマスターアーム（詳細は後述）の操作に対応して動作
することにより把持部１９ａで対象物を把んで所定位置
迄搬送するものであるが、このときの動作は次の通りで
ある。

【００２１】１軸モータの駆動により旋回台１が基台３
に対し水平面内を回動する。

【００２２】２軸モータの駆動により回動軸５が回動
し、垂直アーム４を含む平行リンク機構が動作して垂直
アーム４及び垂直レバー８が垂直面内を回動する結果、
上部ユニット７が垂直面内を移動する。

【００２３】３軸モータの駆動により回動軸６が回動
し、水平アーム１１を含む平行リンク機構が動作して水
平アーム１１及び水平レバー１５が垂直面内を回動する
結果、手首部１３及びハンド部１９が垂直面内を移動す
る。このとき、ブラケット１３ａ，１８は平行であり、
しかもブラケット１８は垂直であるため、ブラケット１
３ａも同様に常に垂直となる。すなわち、手首部１３の
姿勢は常に一定に保持される。

【００２４】４軸モータの駆動により回動軸２０が回動
し、ハンド部１９が垂直面内を回動する。また、５軸モ
ータの駆動により把持部１９ａが水平面内を回動する。

【００２５】かかる１軸〜５軸モータの駆動による各部
の移動により把持部１９ａを所定位置から所定位置へ移
動させる

【００２６】図２は、図１に示すスレーブアームを有す
る本実施例に係る産業用マニプレータを示す右側面図、
図３はその背面図、図４はその平面図である。これら図
２〜図４中、図１と同一部分には同一番号を付し重複す
る説明は省略する。

【００２７】図２〜図４に示すように、旋回台１には運
転席２１、マスターアーム２２及びジョイスティックレ
バー２３が配設してある。旋回台１を回動する１軸モー
タは、基台３内に収納してある。垂直アーム４を回動す
る２軸モータ２４は、支持部２５を介して旋回台１に配
設してある。水平アーム１１を回動する３軸モータ２６
は上部ユニット７に配設してある。ハンド部１９を垂直
面内で回動する４軸モータ２７は、手首部１３に水平に
突出して配設してある。把持部１９ａを水平面内で回動
する５軸モータ２８は、手首部１３に垂直に突出して配
設してある。

【００２８】上述の１軸〜５軸モータで回動する旋回台
１、垂直アーム４、水平アーム１１、ハンド部１９及び
把持部１９ａの回動中心を図２〜図４中にそれぞれ
Ｏ₁ ，Ｏ ₂ ，Ｏ₃ ，Ｏ₄ ，Ｏ₅ で示す。これら各回動中
心Ｏ₁ 〜Ｏ₅ には回動角を検出するためにポテンショメ
ータが備えられている。

【００２９】マスターアーム２２は、スレーブアームと
相似形に形成してあり、このマスターアーム２２をオペ
レータが操作することによりスレーブアームがマスター
アームと相似形となるように制御される。ジョイスティ
ックレバー２３は、これをオペレータが左右に倒すこと
により旋回台１を大きく、高速度で左右方向に回動する
ためのものである。マスターアーム２２は運転席２１の
オペレータが右手で操作するように運転席２１の右側
に、ジョイスティックレバー２３は前記オペレータが左
手で操作するように運転席２１の左側にそれぞれ配設し
てある。

【００３０】図５は、図２に示す産業用マニプレータの
マスターアーム２２を抽出・拡大して示す右側面図、図
６はその背面図、図７はその平面図である。

【００３１】図５〜図７に示すように、マスターアーム
２２は、スレーブアームの各構成部品に対応する各部品
をスレーブアームと同様の結合関係を保ちながら相似形
に構成したものである。すなわち、アーム及びレバーの
長さはスレーブアームに相似で、関節回動範囲はスレー
ブアームと等しく構成してある。

【００３２】図５〜図７中、３３は旋回台１に対応する
旋回部、３４は垂直アーム４に対応する垂直アーム、３
５，３６，３９，４０，４４，４６，４７，５０は回動
軸５，６，２０及び軸９，１０，１４，１６，１７にそ
れぞれ対応する軸、３７は上部ユニット７に対応する上
部ユニット、３８は垂直レバー８に対応する垂直レバ
ー、４１は水平アーム１１に対応する水平アーム、４２
はカウンタウエイト１２に対応するカウンタウエイト、
４３は手首部１３に対応する手首部、４３ａはブラケッ
ト１３ａに対応するブラケット、４５は水平レバー１５
に対応する水平レバー、４８はブラケット１８に対応す
るブラケットである。

【００３３】操作部５１は軸５０を介して手首部４３
に、垂直面内を回動可能に取付けてある。また、この操
作部５１の頂部には、水平面内を回動するハンド操作部
５１ａが設けてあり、このハンド操作部５１ａを回動す
ることにより５軸モータ２８（図２参照）でハンド部１
９を回動させる。操作部５１に配設してあるハンド開閉
スイッチ５２、操作スイッチ（デッドマンスイッチ）５
３は、その操作によりハンド部１９（図２参照）の把持
部１９ａの開閉を行なうとともに、スレーブアームの制
御操作を起動することができる。

【００３４】このとき、旋回部３３は、旋回台１に、水
平面内を回動可能に配設してある。垂直アーム３４、垂
直レバー３８、水平アーム４１、水平レバー４５及び操
作部５１は、軸３５，３９，３６，４６，５０を回動中
心として垂直面内を回動し得るように構成してある。こ
のときの各回動中心を図５中にＯ₆ ，Ｏ₇ ，Ｏ₈ ，
Ｏ ₉ ，Ｏ₁₀の符号を付して示す。また、軸４０，４４，
４７の各中心を図５中にＯ ₁₁，Ｏ₁₂，Ｏ₁₃の符号を付し
て示す。

【００３５】マスターアーム２２における各部の回動量
は、各軸毎に設けたポテンショメータ５４，５５，５
６，５７，５８により検出する。かくして、これら１〜
５軸ポテンショメータ５４〜５８の検出信号に基づき制
御部を介してスレーブアームの１軸モータ、２軸モータ
２４、３軸モータ２６、４軸モータ２７及び５軸モータ
２８（図２参照）を駆動するように構成してある。

【００３６】引張りバネ５９は、その両端部を旋回部３
３と上部ユニット３７とに係止してあり、通常時（非操
作時）には垂直アーム３４及び垂直レバー３８を、垂直
状態に保持するように構成してある。カウンタウエイト
４２は、水平アーム４１の基端部に固着してあり、通常
時には水平アーム４１を基本姿勢である水平状態に保持
するように構成してある。さらに旋回部３３及び操作部
５１には、それぞれ捩りバネ（図示せず）が介装してあ
り、各部の操作力に抗して旋回部３３、ハンド操作部５
１ａが原点位置に復帰するように旋回部３３及びハンド
操作部５１ａをその回動軸回りに水平面内で回動すると
ともに、操作部５１が原点位置に復帰するように操作部
５１をその回動軸回りに垂直面内で回動するように構成
してある。

【００３７】かくして、マスターアーム２２の操作部５
１を手６０で把持して所定の操作を行なった後、この手
６０を離すことにより各部は原点位置に復帰し、基本姿
勢を保持するように構成してある。

【００３８】図８は、図２に示す産業用マニプレータの
ジョイスティックレバー部分を抽出・拡大して示す右側
面図である。同図に示すように、ジョイスティックレバ
ー２３は、旋回台１に立設した支柱６１の上端に固着し
てあり、そのレバー部２３ａを左右に倒して所定の操作
を行なうように構成してある。

【００３９】上記実施例において、オペレータは運転席
２１に着席してマスターアーム２２若しくはジョイステ
ィックレバー２３を操作する。すなわち、マスターアー
ム２２の操作スイッチ５３を押した状態でジョイスティ
ックレバー２３を前後に倒すことにより制御部（後述）
を介して１軸モータが駆動される結果、旋回台１は大き
く、迅速に水平面内を回動する。

【００４０】一方、オペレータがマスターアーム２２の
操作部５１を把持して旋回部３３を回動することによ
り、このときの回動量を１軸ポテンショメータ５４で検
出する結果、前記制御部を介して１軸モータが駆動さ
れ、旋回部３３の回動量に応じて旋回台１を旋回する。
かかる旋回制御をさせる制御装置については後述する。

【００４１】以下、同様にオペレータの操作により垂直
アーム３４、水平アーム４１、操作部５１及びハンド操
作部５１ａを回動・操作することにより、このときの回
動量を２軸〜５軸ポテンショメータ５５，５６，５７，
５８で検出する結果、前記制御部を介して２軸〜５軸モ
ータ２４，２６，２７，２８が駆動され、垂直アーム３
４、水平アーム４１、操作部５１及びハンド操作部５１
ａの回動量に応じて垂直アーム４、水平アーム１１、ハ
ンド部１９及び把持部１９ａをそれぞれ回動する。

【００４２】次に実施例に係る産業用マニプレータの制
御部のうち、旋回制御にかかわる部分を、ブロック図で
ある図９及び旋回制御動作を示すフロー図である図１０
を参照して説明する。

【００４３】図９に示すように、スレーブアームの１軸
の旋回を検出するポテンショメータＰＴ１からは旋回台
１の旋回角に応じた値の旋回角度信号Ａ_S が出力され、
マスターアームの１軸の旋回を検出するポテンショメー
タ５４からは旋回部３３の旋回角に応じた値の旋回角度
信号Ａ_M が出力され、操作スイッチ５３からはスイッチ
投入時に操作信号Ｓが出力され、ジョイスティックレバ
ー２３からはレバーの傾き角に応じた値の旋回速度指令
信号Ｖが出力される。これら信号Ａ_S ，Ａ_M ，Ｓ，Ｖは
アナログデジタル変換器Ａ／Ｄによりデジタル信号に変
換されてコンピュータＣＰＵに送られる。

【００４４】コンピュータＣＰＵは、操作スイッチ５３
が投入されて操作信号Ｓが入力されているときにのみ、
スレーブアームの１軸モータＭ１を駆動させる１軸モー
タ駆動信号Ｄを出力し、操作信号Ｓが入力されていない
ときには１軸モータ駆動信号Ｄは出力せず（図１０のス
テップ１）、停止指令を出力する（ステップ２）。

【００４５】コンピュータＣＰＵは、操作スイッチ５３
が投入されているときには、ポテンショメータＰＴ１，
ポテンショメータ５４，ジョイスティックレバー２３の
電圧値を読み取り（ステップ３）、旋回角度信号Ａ_S ，
Ａ_M 及び旋回速度指令信号Ｖを得る（ステップ４）。更
に旋回速度指令信号Ｖについて不感帯処理をする（ステ
ップ５）。つまり、ジョイスティックレバー２３のレバ
ー部２３ａを前後に倒すと、図１１に示すような左右の
旋回速度指令信号Ｖ_R ，Ｖ_L を得る演算をする。即ち、
レバー部２３ａを垂直位置から前方に傾けていく場合、
所定角度（例えば１０度）を越えると傾き角に応じた値
の右旋回速度指令信号Ｖ_R を得、レバー部２３ａを垂直
位置から後方に傾けていく場合、所定角度を越えると傾
き角に応じた値の左旋回速度指令信号Ｖ_L を得、垂直位
置から前後方向にレバー部２３ａを所定角度動かしても
旋回速度指令信号Ｖの値が零となるような演算処理をす
る。

【００４６】旋回速度指令信号Ｖ（Ｖ_R またはＶ_L ）が
あるときには（ステップ６）、この旋回速度指令信号Ｖ
の値と方向に応じた、値と極性を有する１軸モータ駆動
信号Ｄが計算され出力される（ステップ７，８）。この
１軸モータ駆動信号Ｄはデジタルアナログ変換器Ｄ／Ａ
によりアナログ信号に変換されサーボドライバＳＤに送
られる。サーボドライバＳＤは１軸モータ駆動信号Ｄに
応じた値の電力を、スレーブアームの１軸モータＭ１に
送る。このため、ジョイスティックレバー２３の傾き角
に応じた速度でもってスレーブアームの旋回台１が旋回
する。しかもジョイスティックレバー２３の傾き角を大
きくすれば、極めて高速で旋回台１を旋回させることが
できる。旋回方向は、ジョイスティックレバー２３の傾
き方向（左右）を変えるだけで選択できる。

【００４７】ステップ６において旋回速度指令信号Ｖが
無いときには、スレーブ側の旋回角度信号Ａ_S とマスタ
側の旋回角度信号Ａ_M の差があるかどうか判定し（ステ
ップ９）、差があるときにはこの差に応じた値の１軸モ
ータ駆動信号Ｄが計算され出力される（ステップ１０，
８）。この１軸モータ駆動信号Ｄはデジタルアナログ変
換器Ｄ／Ａによりアナログ信号に変換され、サーボドラ
イバＳＤは１軸モータ駆動信号Ｄに応じた値の電力を、
スレーブアームの１軸モータＭ１に送る。このため、マ
スターアーム２２の旋回動作に応じてスレーブアームの
旋回台１が旋回し、低速で位置精度よく動かすときに好
適である。

【００４８】ステップ９において旋回角度信号Ａ_S ，Ａ
_M に差が無いときには停止指令を出力する（ステップ
２）。

【００４９】結局、大きな旋回を行うときには操作スイ
ッチ５３を投入した状態でジョイスティックレバー２３
を傾動させ、対象物近くの細かい旋回動作は操作スイッ
チ５３を投入した状態でマスターアーム２２を旋回させ
ることにより行う。またスレーブアームの旋回を行わな
いときには操作スイッチ５３を開放しておけばよく、こ
のようにしておけばたとえジョイスティックレバー２３
を傾動させたりマスターアーム２２を旋回させても、ス
レーブアームが旋回することはない。

【００５０】

【発明の効果】以上実施例と共に具体的に説明したよう
に本発明によれば、ジョイスティックの傾動操作により
スレーブアームを広い角度で高速旋回できると共に、マ
スターアームの旋回操作に追従して位置精度よくスレー
ブアームを旋回させることができ、マニプレータの旋回
操作性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る垂直多関節の産業用マニ
プレータのうちスレーブアームを抽出してその基本構成
を示す説明図である。

【図２】図１に示すスレーブアームを有する本実施例に
係る産業用マニプレータを有する右側面図である。

【図３】図２の背面図である。

【図４】図２の平面図である。

【図５】図２に示す産業用マニプレータのマスターアー
ムを抽出・拡大して示す右側面図である。

【図６】図５の背面図である。

【図７】図５の平面図である。

【図８】図２に示す産業用マニプレータのジョイスティ
ックレバー部分を抽出・拡大して示す右側面図である。

【図９】本発明の実施例に係る産業用マニプレータの制
御装置を示すブロック図である。

【図１０】実施例の旋回制御の手法を示すフロー図であ
る。

【図１１】ジョイスティックレバーの不感帯処理を示す
特性図である。

【符号の説明】

１ 旋回台 ２ 床面 ３ 基台 ４ 垂直アーム ５ 回動軸 ６ 回動軸 ７ 上部ユニット ８ 垂直レバー ９ 軸 １０ 軸 １１ 水平アーム １２ カウンタウエイト １３ 手首部 １３ａ ブラケット １４ 軸 １５ 水平レバー １６ 軸 １７ 軸 １８ ブラケット １９ ハンド部 １９ａ 把持部 １９ｂ 基端部 ２０ 回動軸 ２１ 運転席 ２２ マスターアーム ２３ ジョイスティックレバー ３３ 旋回部 ３４ 垂直アーム ３５ 回動軸 ３６ 回動軸 ３７ 上部ユニット ３８ 垂直レバー ３９ 軸 ４０ 軸 ４１ 水平アーム ４２ カウンタウエイト ４３ 手首部 ４３ａ ブラケット ４４ 軸 ４５ 水平レバー ４６ 軸 ４７ 軸 ４８ ブラケット ５３ 操作スイッチ ５４ ポテンショメータ ＣＰＵ コンピュータ Ａ／Ｄ アナログデジタル変換器 Ｄ／Ａ デジタルアナログ変換器 ＳＤ サーボドライバ Ｍ１ １軸モータ ＰＴ１ ポテンショメータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 3/00 - 3/04 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/8 B25J 19/02 - 19/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スレーブアームの旋回台に、操作者が座
   る運転席とスレーブアームに動作指令を送るマスターア
   ームを備え、マスタ・スレーブ方式により操作を行う産
   業用マニプレータにおいて、 前記旋回台に、ジョイスティックレバーを備えると共
   に、前記マスターアームにデッドマンスイッチである操
   作スイッチを備え、 更に操作スイッチが投入されているときにジョイスティ
   ックレバーが傾動されると傾動角に応じた速度で前記旋
   回台を旋回させるようにスレーブアームに旋回指令を出
   し、操作スイッチが投入されているときにマスターアー
   ムが旋回されるとこの旋回に追従して前記旋回台を旋回
   させるようにスレーブアームに旋回指令を出す制御部を
   備えたことを特徴とする産業用マニプレータの制御装
   置。