JP6275196B2 - リンク作動装置の操作装置およびリンク作動システム - Google Patents
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Description
基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間に設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する3組以上のリンク機構と、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に設けられ、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
前記リンク機構は、それぞれが前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、
前記操作装置は、
前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸QAに対して前記先端側のリンクハブの中心軸QBが傾斜した垂直角度である折れ角θと、前記基端側のリンクハブの中心軸QAに対して前記先端側のリンクハブの中心軸QBが傾斜した水平角度である旋回角φとによって規定し、
前記基端側のリンクハブの中心軸QAの延長軸と、前記中心軸QAの延長軸と直交する2次元の直交座標系との交点O′を原点とし、前記2次元の直交座標系(例えば作業平面W)上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心PBを投影した座標位置(X′,Y′)から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢(θ,φ)を取得する姿勢取得手段64を備える。
制御装置61は、前記折れ角θと旋回角φが与えられると、次の関係から各アームの回転角に変換して各アクチュエータを制御することができる。すなわち、前記リンク作動装置において、リンクハブのある姿勢(折れ角、旋回角)A(θa 、φa )と他の姿勢B(θb 、φb )について、姿勢A、Bに対応するアーム回転角は、リンクハブとアーム回転角との関係式より、それぞれ回転角A(β1a、β2a、β3a)、回転角B(β1b、β2b、β3b)として関係が成り立つ。そのため、折れ角θと旋回角φの指定によって各アクチュエータを制御することができる。
中継点Mを定めることで、先端側リンクハブに取付けられるエンドエフェクタによる希望の作業が精度良く行え、またリンク作動装置が姿勢変更動作中に周囲の器物等と干渉することを回避することができる。さらに先端姿勢を広角に姿勢変更させる場合、中継点を設定することで途中経路Lの各アーム回転角の相対位置が関係式を満たす位置から大きく外れることなく位置決め制御させることで、パラレルリンク機構1に過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能となる。
ある姿勢Aから他の姿勢Bに移動する際の途中経路上の中継点Mを設定する場合、リンク作動装置の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標(X,Y,Z)ではなく、先端側球面リンク中心を任意の平面に投射した座標(X′,Y′)を用いることで、前記中継点Mを、収束演算なしに簡単に求めることができる。
ある姿勢Aから他の姿勢Bへ姿勢を変更させる際に、途中経路Lを分割して連続的に通過させる場合、姿勢Aにおける先端側球面リンク中心PBaと基端側球面リンク中心PAa(PAb)と姿勢Bにおける先端側球面リンク中心PBbとでなす角γを等分するように途中経路Lを分割すれば、姿勢変更前後の先端の直交座標を使用した分割に必要な収束演算が不要となる。
ある姿勢Aから他の姿勢Bへ広角に姿勢変更させる場合、駆動途中の各アーム回転角の相対位置が関係式を満たす位置から大きく外れるとリンクに過大荷重がかかってしまう。そのために駆動途中に関係式を満たす中継点を設け、その中継点から大きく外れることなく位置決め制御させることで、リンクに過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能となる。その際の中継点の姿勢を求める際に、先端側球面リンク中心PBの投影座標(X′,Y′)を用いることで簡単に求めることができる。
途中経路Lを所定数で分割する場合、中継点Mの設定が容易に行える。
距離を等分して中継点Mを設定しても、中継点Mの設定が容易に行え、かつその中継点Mを通るようにリンク作動装置が動作することで、円滑な動作が得られる。
直線補間によると、簡単な補間処理により、希望の経路に近いようにリンク作動装置を動作させることができる。
円弧補間によると、前記先端側球面リンク中心の通過する経路が曲線である場合に、簡単な補間処理により、希望の経路により近いようにリンク作動装置を動作させることができる。
このため、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換が、収束演算を行うことなく簡易にかつ迅速に行える。
基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間に設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する3組以上のリンク機構と、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に設けられ、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
前記リンク機構は、それぞれが前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、
前記操作装置は、
前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度である折れ角と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である旋回角とによって規定し、
前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸と、前記中心軸の延長軸と直交する2次元の直交座標系との交点を原点とし、前記2次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置から、前記折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する姿勢取得手段を備えるため、
目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換を行うにつき収束演算が不要で容易で迅速に行えるという効果が得られる。
制御装置61は、コンピュータによる数値制御式のものである。制御装置61は、操作装置62の姿勢情報付与手段67から与えられる先端姿勢の角度情報(θ,φ)に応じて、各基端側の端部リンク部材5の目標とする回転角βn(β1a,β2a,β3a)(図1)を求め、姿勢検出手段68(図1)によって検出される実際の回転角βnが目標とする回転角βnとなるように、各アクチュエータ51をフィードバック制御する。
なお、前記リンク作動装置50において、先端側リンクハブ3のある姿勢(折れ角、旋回角)A(θa 、φa )と他の姿勢B(θb 、φb )について、姿勢A、Bに対応するアーム回転角は、リンクハブとアーム回転角との関係式(1) より、それぞれ回転角A(β1a、β2a、β3a)、回転角B(β1b、β2b、β3b)として関係が成り立つ。
姿勢指定手段64は、前記基端側のリンクハブ2の中心軸QAの延長軸上に原点O′が位置し、前記中心軸QAの延長軸と直交する2次元の直交座標系上(作業平面W上)に前記先端側のリンクハブ3の球面リンク中心PBを投影した点の座標(X′,Y′)から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢(θ,φ)を取得する手段であり、姿勢取得部64aおよび計算部64bからなる。
姿勢取得部64aは、目標とする先端姿勢を人為操作で指定する手段であり、前記基端側のリンクハブ2の中心軸QAの延長軸上に原点O′が位置して前記中心軸QAの延長軸と直交する2次元の直交座標系上(作業平面W上)に先端側のリンクハブ3の球面リンク中心PBを投影した点の座標(X′,Y′)が指定されるようにする。
前記2次元の直交座標系上に投影した点の座標(X′,Y′)を用いれば、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢(θ,φ)への変換は、収束演算を行うことなく容易に行える。その理由および計算式については後に説明する。
中継点Mを定めることで、先端側リンクハブに取付けられるエンドエフェクタ61による希望の作業が精度良く行え、またリンク作動装置50が姿勢変更する動作中に周囲の器物等と干渉することを回避することができる。
ある姿勢Aから他の姿勢Bに移動する際の途中経路L上の中継点Mを設定する場合、リンク作動装置50の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標(X,Y,Z)ではなく、先端側球面リンク中心PBを任意の平面に投射した座標(X′,Y′)を用いることで、前記中継点Mを、収束演算なしに簡単に求めることができる。
数値入力ボタン105を用いて目標のX′座標値およびY′座標値を入力すると、その値が目標値表示部103,104を表示される。
図2において、前記「球面リンク中心PA,PB」は、前記リンクハブ2,3と前記アーム(端部リンク部材5,6)の各回転対偶、および前記各アームと前記中央リンク部材7の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を言う。
前記姿勢取得手段64は、前記基端側のリンクハブ2の中心軸QAの延長軸上に原点O′が位置し、前記中心軸QAの延長軸と直交する2次元の直交座標系(作業平面W)の上に前記先端側のリンクハブ3の球面リンク中心PBを投影した座標位置(X′,Y′)から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢(θ,φ)を取得する。
前記2次元の直交座標系となる平面は、前記基端側のリンクハブ2の中心軸QAの延長軸上に原点が位置しておれば良く、基端側のリンクハブ2からの距離は問わない。前記平面は、一般的に、先端側のリンクハブに取付けられエンドエフェクタ61によるの作業平面とされるため、ここでは作業平面Wと称して説明する。
しかし、姿勢Aにおける先端側球面リンク中心を作業平面Wに投影した点(Xa′,Ya′)から折れ角θaおよび旋回角φaで表される先端姿勢を求めるには、次式の関係から、収束演算無しに簡単に求めることができる。この式は、基端側と先端側の各球面リンク中心間の距離(図5のD)は常に一定であるため成り立つ。
先端姿勢A(θa,φa)を取得する処理の流れを図6と共に説明する。まず、先端姿勢A決定する(ステップS1)。先端姿勢Aの決定については、例えば、作業者により入力装置68(図2参照)に数値入力が行われ、かつその入力を確定させる操作が行われると、姿勢取得部64aがその入力された座標によって決定する。リンク作動装置50を手動操作で先端姿勢Aに移動させることにより行っても良い。
姿勢取得部64aは、この決定した3次元座標(X,Y,Z)等による先端姿勢Aの情報から、前記作業平面Wへ先端側球面リンク中心PBを投影した点の座標(Xa′,Ya′)を換算して取得する(ステップS2)。
この取得した作業平面W上の点の座標(Xa′,Ya′)から、折れ角θaおよび旋回角φaで表される先端姿勢(θa,φa)を、計算部64bが計算して求める(ステップ3)。
この先端姿勢A(θa,φa)の取得と同様にして、先端姿勢B(θb,φb)の取得が行われる。
曲線(1)(図では丸囲み数字で示す)は先端位置Aから先端位置Bへの姿勢変更において、位置Aから位置Bまで線形的にPoint-to-Pointでアームを駆動させた場合の各アームの回転角位置の軌跡を示す。
曲線(2)は、先端位置Aから先端位置Bへの姿勢変更において、折れ角θを連続的に変化させたときの各アームの回転角位置の軌跡を示す。
先端位置Aから先端位置Bまで広角に移動する際、中継点を設けない場合には各アーム回転角位置は曲線(1)に示す軌跡を描き、各折れ角と旋回角において各アーム回転角の相対位置が関係式(1)を満たす位置(曲線(2))から大きく外れてしまい、パラレルリンク機構1に過大荷重がかかってしまうことになる。
前述した図6に示す手順と同様に、先端姿勢Aの決定(ステップS1)、作業平面W上の先端側球面リンク中心位置(Xa′,Ya′)の取得(ステップS2)、折れ角θaおよび旋回角φaで表される先端姿勢A(θa,φa)の計算を行う(ステップS3)。
先端姿勢Aの場合と同様に、先端姿勢Bの決定(ステップS4)、作業平面W上の先端側球面リンク中心位置(Xb′,Yb′)の取得(ステップS5)、折れ角θaおよび旋回角φaで表される先端姿勢B(θa,φa)の計算を行う(ステップS6)。
このように設定された中継点M(θm,φm)の情報は、前記先端姿勢A(θa,φa)および先端姿勢B(θa,φa)の情報と共に、姿勢情報付与手段67によって制御装置61に与えられる。制御装置61は、リンク作動装置50の先端側球面リンク中心が先端姿勢Aが各中継点M(θm,φm)を通り、先端姿勢B(θa,φa)に移動させる(ステップS11)。
また、先端姿勢Aから先端姿勢Bへ姿勢を変更させる際に、途中経路Lを分割して連続的に通過させる場合、上記のように、先端姿勢Aにおける先端側球面リンク中心PBaと基端側球面リンク中心PAa(=PAb)と先端姿勢Bにおける先端側球面リンク中心PBbとでなす角γを等分するように経路を分割することが好ましく、これにより、姿勢変更前後の先端の直交座標を使用した分割に必要な収束演算が不要となる。
図7の例と同様に、先端姿勢Aと先端姿勢B間の角度γの計算(ステップS7)を行った後、移動量が所定量以下であるか否かを判定する(ステップS8)。前記移動量は、例えば、角度γで定めてもよい。また、前記移動量は、先端姿勢Aおよび先端姿勢Bにおいて、それぞれの先端側球面リンク中心を、任意の平面である作業平面Wに投射した座標(X′,Y′,Z′)を用いて定めてもよい。移動量が所定量以下である場合は、中継点Mを設定せず、中継点Mを経由せずに先端姿勢Aと先端姿勢Bへ移動させる(ステップS9)。
cos (θ/2)sin βn−sin (θ/2)sin (φ+δn)cos βn+sin (ε/2)=0
;(n=1,2,3)
ここで、εは、基端側の端部リンク部材5に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸と、先端側の端部リンク部材6に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸とが成す角度である。δnは、基準となる基端側の端部リンク部材5に対する各基端側の端部リンク部材5の円周方向の離間角である。
2…基端側のリンクハブ
3…先端側のリンクハブ
4…リンク機構
5…基端側の端部リンク部材
6…先端側の端部リンク部材
7…中央リンク部材
50…リンク作動装置
51…アクチュエータ
60…コントローラ
61…制御装置
62…操作装置
64…姿勢取得手段
64a…姿勢取得部
64b…計算部
66…中継点設定手段
67…姿勢情報付与手段
68…入力装置
69…補間手段
O…回転中心
PAa…基端側の球面リンク中心
PBa…先端側の球面リンク中心
QAa…基端側のリンクハブ中心軸
QBa…先端側のリンクハブ中心軸
θ…折れ角
φ…旋回角
W…作業平面
(Aa,Ya)…作業平面の交点
(Aa′,Ya′)…投影した点
Claims (10)
- 基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間に設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する3組以上のリンク機構と、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に設けられ、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
前記リンク機構は、それぞれが前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、
前記操作装置は、
前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度である折れ角と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である旋回角とによって規定し、
前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸と、前記中心軸の延長軸と直交する2次元の直交座標系との交点を原点とし、前記2次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置から、前記折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する姿勢取得手段を備え、
前記折れ角および前記旋回角が変化しても、基端側と先端側の各球面リンク中心間距離が一定であるリンク作動装置の操作装置。 - 請求項1に記載のリンク作動装置の操作装置であって、前記姿勢取得手段は、前記2次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置を人為操作で指定する姿勢取得部と、この姿勢取得部で指定された座標位置から折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する計算部とを有するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項1または請求項2に記載のリンク作動装置の操作装置において、先端姿勢を変更するときに通過する中継点を定める中継点設定手段を有し、この中継点設定手段は、前記先端側の球面リンク中心を前記2次元の直交座標系上に投影した点の座標を用いて、定められた規則に従い前記中継点を計算して設定するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、先端姿勢変更前の先端側球面リンク中心と、基端側球面リンク中心と、先端姿勢変更後の先端側球面リンク中心とでなす角を分割して前記中継点を計算して設定するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3または請求項4に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記中継点を、先端姿勢が所定の移動量以上動作する場合に、前記移動量を前記所定量以下にするために分割して設定するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3または請求項4に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記中継点を、先端姿勢の途中経路を所定数で分割して設定するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3ないし請求項6のいずれか1項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を等分するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3ないし請求項7のいずれか1項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を直線補間する補間手段を有するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項3ないし請求項7のいずれか1項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を円弧補間する補間手段を有するリンク作動装置の操作装置。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のリンク作動装置の操作装置と、前記リンク作動装置とを備えるリンク作動システム。
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