JP5503642B2 - 折り畳み式ロボットアームを備えたロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、限定作業領域内で工作面に接触するエンドエフェクタを正確に位置決めすることができるロボットシステムが必要である。また、アクセスポートを通過して限定作業領域内に進入するエンドエフェクタを操作するロボットシステムも必要である。

ある実施形態では、システムはエンドエフェクタ、エンドエフェクタを方向付けするためのロボット手首；及びスタック状に折り畳み可能なロボットアームを含む。ロボット手首はロボットアームの最端連結部に取り付けられている。

別の実施形態では、システムは複数の連結部と平行軸関節配置を有するロボットアームを含み、これにより連結部が互いに重なり合ってコンパクトな形状に折り畳まれることができる。システムはさらに、ロボットアームの最端連結部に取り付けられたロボット手首と、ロボット手首に取り付けられたエンドエフェクタを含む。ロボットアームはエンドエフェクタを位置決めするのに使用され、ロボット手首はエンドエフェクタを方向付けするのに使用される。

図１はロボットシステムのブロック図である。 図２ａ及び２ｂはロボットシステムの一実施形態の図である。 図３はエンドエフェクタとロボット手首の図である。 図４は限定作業領域と限定作業領域へ続くアクセスポートを有する構造の図である。 図５は図２ａ及び２ｂのロボットシステムを使用する方法の図である。

ロボットシステム１００を示す図１を参照する。システム１００はエンドエフェクタ１１０を含む。エンドエフェクタ１１０の設計は意図される作業によって変わる。例えば、エンドエフェクタは（例えばカメラ又は他のセンサで）検査する、（例えば掘削、打抜き又はミリング等の）切削作業を行う、（例えばリベット又はネジ等の）締結作業を行う、又は他の組立作業を行うためのツーリングを支持するように設計することができる。

システム１００はまた、エンドエフェクタ１１０を方向付けするためのロボット手首１２０も含む。ロボット手首１２０はいかなる特定の種類にも限定されない。手首１２０の可動域及び自由度は、異なる工作面に配置方向がいくつあるかによって決まる。ある実施例としては、自由度３を有する球形の手首を使用してエンドエフェクタ１１０を方向付けすることができる。

システム１００はさらに、スタック状に折り畳み可能な複数の連結部を有するロボットアーム１３０を含む。ロボットアーム１３０は、複数の連結部と平行軸関節配置を有するＳＣＡＲＡ型アームであってよい（頭字語のＳＣＡＲＡはＳｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ（選択適合性多関節ロボットアーム）の略である）。これらの関節軸は重力ベクトルに対して公称的に平行であってよく、これにより関節の重力トルクが最小限に抑えられる。複数の連結部は、連結部をスタック状に互いに重ね合わせることにより、コンパクトな形状に折り畳むことができる。

ロボットアーム１３０によりエンドエフェクタ１１０が位置決めされる。手首１２０により、ロボットアーム１３０だけでは届かない可能性のある配置方向にエンドエフェクタ１１０を届かせることができる。

システム１００はさらに、アーム１３０の基部を位置決めする、持上げる及び角度調節するための外部装置１４０を含むことができる。装置１４０は、限定作業領域と、作業領域へと続くアクセスポートを有する構造向けの特定のユティリティーを有する。装置１４０は折り畳まれたアーム１３０をアクセスポートを通して限定作業領域の中へと操作することができる。例えば、装置１４０は、垂直軸に沿ってアーム１３０を平行移動させる（つまり、アーム１３０の高さを調節する）、垂直軸周囲でアーム１３０を回転させる、そしてピッチング運動をさせてアーム１３０全体を上下に揺らすために、自由度３を有する基部を含むことができる。作業領域内に入ると、アーム１３０を展開させて作業領域内で工作面に接触してエンドエフェクタ１１０を位置決めするのに使用することができる。

加えて、ロボットシステム１００はキャリッジアセンブリ１５０上に載せることができる。キャリッジアセンブリを使用して、システム１００を床に沿って移動させてアクセスポートに対してシステム１００を設置することができる。

ここで、ロボットシステム２１０の一実施例を示す図２ａを参照する。ロボットシステム２１０は関節２２４によって接続されている複数の連結部２２２を有するロボットアーム２２０を含む。連結部２２４は平行軸に配向している。等しい長さの５つの連結部２２２が図２ａに図示されているが、本明細書に記載されたロボットアームはそのように限定されない。

連結部２２４は、アーム２２０を折り畳み、また展開するための軸受及びアクチュエータ（例えば電気モータ）を含むことができる。これらの関節軸は重力ベクトルに対して公称的に平行であってよい。このような関節の配置により、関節２２４の重力トルクを最小限に抑えることができる。主荷重の軸受関節がすべて重力に対して平行である場合、アクチュエータのサイズ及び電力要件が劇的に下がる。

ロボットシステム２１０はさらに、ロボット手首２３０及びエンドエフェクタ２４０を含む。ロボット手首２３０は最端連結部の端に取り付けられている。ロボットアーム２２０を位置決めし、持上げ、そして角度調節するためのアクチュエータシステム２５０もまた図示されている。

連結部２２２が互いにスタック状に重なりあってコンパクトな形状のロボットアーム２１０を示す図２ｂをここで参照する。図２ｂに示す連結部２２２の形状は「同延スタック」と呼ばれる。図２ｂはまた、ロボット手首２３０とエンドエフェクタ２４０が最端連結部で収納位置にあり、ロボットシステム２１０がさらにコンパクトになるように方向づけされているロボット手首２３０も示す。

エンドエフェクタ３００とロボット手首３１０の一実施例を示す図３を参照する。ロボット手首３１０は３自由度を有する球形の手首の運動を模倣する。手首３１０は、エンドエフェクタ３００のピッチ、ヨー及びロールを制御するための第１、第２及び第３回転関節３２０、３３０及び３４０を含む。

第３回転関節３４０により、エンドエフェクタ３００がＢ軸周囲を回転することが可能になる。Ｂ軸はエンドエフェクタ３００の真ん中近くを通り、第３関節３４０が回転する時に、エンドエフェクタ３００による行程容積が最小限に抑えられる。

第２回転関節３３０により、エンドエフェクタ３００がＡ軸周囲を回転することが可能になる。第１回転関節３２０により、エンドエフェクタ３００がＣ軸周囲を回転することが可能になる。

３つの軸は共通点（つまり中心点）ＣＰにおいて交差し、軸のオフセットが全て排除される。３つの軸が全て交差していることにより、運動学的計算が簡略化され、さらに小型化し、制御の複雑性が緩和される。

手首３１０はさらに、エンドエフェクタ３００をＡ、Ｂ及びＣ軸に対して駆動させるためのモータ３２５、３３５及び３４５を含む。モータ３２５、３３５及び３４５は、遊星歯車リデューサー等の内蔵式伝動装置を有するブラッシュ型ギアモータであってよい。上記モータ３２５、３３５及び３４５を手首３１０に配置することによって、ロボットシステム全体のより優れたモジュール性とサービス性が得られる。手首３１０はモジュラ型であり自己完結型である。手首を設置する又は取り外すには、手首をロボットアームの最端連結部３０５に取り付ける又は最端連結部３０５から取り外すだけでよい。

２つの微細ポジショナーモジュール３５０をエンドエフェクタ３００の反対側に取り付けることができる。微細ポジショナーモジュール３５０は、エンドエフェクタ３００の細かい調節を行う。ロボットアームの連結部の長さ及び数は、剛性及び位置決めの精度に影響を与え得る。微細な位置決めは、エンドエフェクタ３００のＸ−Ｙ（−Ｚ）位置の位置誤差を修正するために行われる。また手首の方向誤差によってもエンドエフェクタ３００の幾らかの位置誤差が引き起こされうる。微細な位置調節により、このような位置誤差もまた修正可能である。微細ポジショナーモジュール３５０の実施形態は、参照により本明細書に組み込まれる２００８年５月１３日出願の米国整理番号第１２／１１９５１３号明細書に開示されている。

本明細書に記載されているロボットシステムは任意の特定の用途に限定されない。しかしながら、ある構造のアクセスポートを通して限定空間へとエンドエフェクタを操作するのに特に有用である。

図４は限定空間と、限定空間へのアクセスポート４２０を有する構造４１０の図である。例えば、小さい限定空間の寸法は１×３×３フィートであってよく、一方大きい限定空間の寸法は３×１０×４フィートであってよい。両空間へのアクセスポート４２０の寸法は９×１８インチであってよい。

ここで、限定空間内の目的物の上にエンドエフェクタを位置決めする方法を示す図５を参照する。例えば、この方法を使用して、工作面の孔に対してエンドエフェクタのツール中央点を位置決めすることができる。

ブロック５１０においては、連結部がコンパクトに互いにスタック状に重ね合わさるようにロボットアームが折り畳まれている。加えて、ロボット手首とエンドエフェクタが折り畳まれたロボットアームの最端連結部に収納されるように、ロボット手首を方向付けすることができる。こうすれば、折り畳まれたアームはアクセスポートを通って動くのに十分小さくなる。

ブロック５２０においては、折り畳まれたアームはアクセスポートを通って限定空間へと操作される。例えば、折り畳まれたアームを水平に、持上げて角度調節して位置決めすることができる。アームはロボット手首、微細ポジショナーモジュール、及び限定空間内のエンドエフェクタを運ぶ。

ブロック５３０において、ロボットアームは限定空間内に入ると少なくとも部分的に展開される。限定空間の形状によって、幾つか又は全ての連結部を延ばすことができる。

ブロック５４０において、ロボットアームは工作面に対してエンドエフェクタの粗いｘ−ｙ−ｚ位置決めに使用され、ロボット手首はエンドエフェクタを適切な配置方向に置くのに使用される。粗い位置決めは、空間内の目的物の位置及び配置方向の情報とともに、測定した関節角度とアーム形状に基づいていてよい。開ループ制御装置により、エンドエフェクタを所望の位置及び配置方向に置く関節角度を決定することができる。限定空間の情報と、ロボットシステムの形状及び位置の情報から、制御装置は限定空間におけるエンドエフェクタの位置を、部品の精度、遊び及び剛性、及びサーボ制御誤差の許容範囲内で予測可能である。様々な較正手順を実行して、これらの誤差の幾つかを最小限に抑えることができる。粗い位置決めの終了時に、エンドエフェクタは工作面の目的物の位置近くに粗く位置決めされる。

ブロック５５０において、微細ポジショナーモジュールによりエンドエフェクタの位置を調節して、残りの位置決め誤差を修正する。ある実施形態では、エンドエフェクタの位置の微細制御装置は、工作面のイメージを用いて目的物を探す。目的物が見つかると、微細位置決めプロセスを開始して、ツーリングの中央を目的物の上に移動させる。微細ポジショナーモジュールは、工作面に沿ってエンドエフェクタを移動させながら、エンドエフェクタと工作面の間の接触を一時的に遮断することにより、エンドエフェクタを移動させる。複数のエンドエフェクタの接点部材を同調的に移動させて、工作面に沿ってエンドエフェクタの微細な位置決めを達成し維持することができる。同期運動を行うために、微細ポジショナーモジュールが同時にコマンドを受け取り、高精度時計で個別に経路を生成することが可能である。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
アクセスポートを通してアクセス可能な限定空間内でエンドエフェクタを位置決めするためのシステムであって：
連結部が互いに重なり合ってコンパクトな形状に折り畳まれることができるように、複数の連結部と平行軸関節配置を有するロボットアーム；
ロボットアームの最端連結部に取り付けられたロボット手首；
ロボット手首に取り付けられたエンドエフェクタ；及び
エンドエフェクタの反対側に設けられた微細ポジショナーモジュール；
を含み、
ロボットアームはエンドエフェクタを位置決めするためであり、ロボット手首はエンドエフェクタを方向付けするためであり、微細ポジショナーモジュールはロボットアームおよびロボット手首の位置的誤差を修正するために限定空間の作業面に沿ってエンドエフェクタの微細調節を行うためである、システム。
（態様２）
ロボットアームが同延スタック状に折り畳み可能である、態様１に記載のシステム。
（態様３）
ロボットアームを位置決めし、持上げて角度調節してアクセスポートを通り抜けさせる手段をさらに含む、態様１に記載のシステム。
（態様４）
システムをアクセスポートまで移動させるキャリッジアセンブリをさらに含む、態様３に記載のシステム。
（態様５）
ロボット手首が、３自由度を有する球形の手首を模倣し；そして手首の回転軸全てが共通点において交差する、態様１に記載のシステム。
（態様６）
限定空間内でエンドエフェクタを位置決めするために、請求項１に記載のロボットシステムを操作する方法であって：
ロボットアームを折り畳んで、ロボットアームの連結部を互いに重なり合わせ；
折り畳まれたアームをアクセスポートを通して限定空間へと操作し；
限定空間内で少なくとも部分的にアームを展開させ；
ロボットアームおよびロボット手首を使用して限定空間内で目的物の上にエンドエフェクタを位置決めし；
微細ポジショナーモジュールを使用してロボットアームおよびロボット手首の位置的誤差を修正する
ことを含む方法。
（態様７）
折り畳まれたアームをアクセスポートを通して操作する前に、ロボット手首とエンドエフェクタを折り畳まれたロボットアームの最端連結部に収納することをさらに含む、態様６に記載の方法。

Claims (7)

1. アクセスポートを通してアクセス可能な限定空間内でエンドエフェクタを位置決めするためのシステムであって：
   連結部が互いに重なり合ってコンパクトな形状に折り畳まれることができるように、複数の連結部と平行軸関節配置を有するロボットアーム；
   ロボットアームの最端連結部に取り付けられたロボット手首；
   ロボット手首に取り付けられたエンドエフェクタ；及び
   エンドエフェクタの反対側に設けられた微細ポジショナーモジュール；
   を含み、
   ロボットアームはエンドエフェクタを位置決めするためであり、ロボット手首はエンドエフェクタを方向付けするためであり、微細ポジショナーモジュールはロボットアームおよびロボット手首の位置的誤差を修正するために限定空間の作業面に沿ってエンドエフェクタの微細調節を行うためである、システム。
2. ロボットアームが同延スタック状に折り畳み可能である、請求項１に記載のシステム。
3. ロボットアームを位置決めし、持上げて角度調節してアクセスポートを通り抜けさせる手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
4. システムをアクセスポートまで移動させるキャリッジアセンブリをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. ロボット手首が、３自由度を有する球形の手首を模倣し；そして手首の回転軸全てが共通点において交差する、請求項１に記載のシステム。
6. 限定空間内でエンドエフェクタを位置決めするために、請求項１に記載のロボットシステムを操作する方法であって：
   ロボットアームを折り畳んで、ロボットアームの連結部を互いに重なり合わせ；
   折り畳まれたアームをアクセスポートを通して限定空間へと操作し；
   限定空間内で少なくとも部分的にアームを展開させ；
   ロボットアームおよびロボット手首を使用して限定空間内で目的物の上にエンドエフェクタを位置決めし；
   微細ポジショナーモジュールを使用してロボットアームおよびロボット手首の位置的誤差を修正する
   ことを含む方法。
7. 折り畳まれたアームをアクセスポートを通して操作する前に、ロボット手首とエンドエフェクタを折り畳まれたロボットアームの最端連結部に収納することをさらに含む、請求項６に記載の方法。

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