JP7289628B2 - 駆動装置、ロボット装置、制御方法、検出装置、制御プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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そこで、モータ回転軸の角度やモータ電流に加え、減速機出力側の角度と、出力軸に伝わるトルクも測定してモータにフィードバックする制御方法が試みられている。
(1)配線や配管に起因するトルク検出誤差が大きい。
多関節ロボットのアームでは、根元から手先まで全ての関節を経由させて、モータやセンサなどに連絡する配線や配管を敷設する必要がある。関節が回転する際に、配線や配管が動くことによって引きずりトルクが発生するが、例えば1Nmといった大きなトルクが発生する。従来技術では、配線や配管の引きずりトルクの影響によるトルクセンサの検出誤差に対して検討が不十分なため、制御の精度が低下していた。
トルクセンサには、歪ゲージや磁歪効果を用いたものが知られているが、これらは測定範囲に対する分解能の比、すなわちダイナミックレンジを高くすることが困難である。このため測定範囲を広くすると、測定精度が低下する。
多関節ロボットへの応用では、自重や搬送品の重量を支えるため根元の関節には大きなトルクがかかる。例えば全長が500mmの小型ロボットにおいても、50Nm程度のトルクとなる。歪ゲージや磁歪効果を用いたトルクセンサでは、例えば1000レベルにわたるダイナミックレンジを設定したとしても、50mNmの分解能しか確保できない。このため、こうしたトルクセンサを用いて多関節ロボットを高精度に力制御することは困難である。
弾性体の変形を利用したトルクセンサを採用する場合には、弾性体は、検出するトルクの方向にだけ柔軟で他の方向成分については硬いことが望ましい。すなわち、弾性体の剛性比が重要である。剛性比を高める設計をするには、一般に設計パラメータの数が多いほうが有利であるが、パラメータ数が多い設計をすると弾性体の形状が複雑になり、小型化が困難で、製造コストも高くなる。さらに、機械加工では実現するのが困難な形状となる場合がある。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態である関節装置と、関節装置を備えた多関節ロボットについて説明する。尚、実施形態及び実施例の説明において参照する複数の図面においては、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して図示するものとする。
まず、図1に示す模式図を参照して、実施形態の関節装置の基本構成を説明する。同図は1台の関節装置の基本構成を示し、1は固定部材で、モータ13と、減速機2と、回転角測定用スケール6が、固定部材1に固定されている。減速機2の入力軸にはモータ13が結合されており、モータ13の回転軸を回転(R1)させると、減速機2の出力軸が減速されて回転(R2)する。減速機2の出力軸には、支持部材3が結合されており、支持部材3は出力軸とともに回転(R2)する。
弾性体4は出力部材5と接続され、出力部材5にはトルク測定用スケール8が固定されている。弾性体4は、支持部材3により伝達される減速機2の出力軸の回転を出力部材5に伝達するが、回転トルクの大きさに応じて回転軸回りにねじれ変形する。
次に、実施形態の関節装置を備えた多関節ロボットについて説明する。図2に、実施形態の関節装置を備えたロボットの一例として、6軸多関節ロボット100(ロボットアーム)の外観図を示す。
リンク200~リンク206を直列に接続する6つの回転関節J1~J6には、実施形態の関節装置が用いられている。各関節装置のトルクセンサは、関節を介してリンクに伝達されるトルクを測定する。先端のリンクには、ロボットハンド210が取付け可能である。
図面を参照して、実施形態の関節装置の具体例として実施例1を説明する。図3は、実施例1の関節装置の一部断面図で、図4は実施例1の関節装置を構成する部材を分解して示した一部断面図である。例えば、この関節装置を図2の6軸多関節ロボット100の回転関節J2に用いる場合には、固定部材1をリンク201に、出力部材5をリンク202に固定する。
以下、関節装置の各部の構成を順に説明する。
まず、配線や配管と、それをグリス等で囲んでシールするシール部について、図3を参照して説明する。当該回転関節J2を経由して回転関節J1側から回転関節J3側に延伸する配線や配管の束線10は、モータ制御やセンサ信号のための電気配線33と、多関節ロボットのエンドイフェクタに圧縮空気を送る配管34などを束ねたものである。
本実施例では、配線チューブ36に束線10を通し、配線チューブ36の周囲空間にグリスを充填して空間をシールする簡便な構造で、信頼性の高い回転関節装置を実現している。
剛体である固定部材1には、モータ13がボルトで固定されている。また、固定部材1には、減速機固定軸18(サーキュラースプライン)が固定されている。また、固定部材1にはクロスローラベアリング20が固定され、クロスローラベアリング20を介して回転軸19(減速機の出力軸)が回転可能に保持されている。固定部材1には、回転角測定用スケール6が固定されている。
本実施例で用いる減速機は波動歯車減速機と呼ばれるもので、減速機入力軸16(ウェーブジェネレータ)、減速機出力軸17(フレクスプライン)、減速機固定軸18(サーキュラースプライン)の3つの主要部品から構成される。
減速機入力軸16は、転がり軸受けを有する楕円カムである。減速機出力軸17は、カップ形状をした楕円変形する外歯車である。減速機固定軸18は、減速機出力軸とは歯数の異なる内歯車である。減速機入力軸16は、減速機出力軸17(フレクスプライン)を楕円カムの長径両端の2箇所で押し広げて減速機固定軸18(サーキュラースプライン)と噛み合わせる。このとき、両者の歯数が異なるので、減速機入力軸が1回転したとき、減速機固定軸に対して減速機出力軸が歯数の差だけ回転する。この原理に基づく波動歯車減速機の典型的な減速比は50である。
減速機の磨耗を防ぐため、歯が接触する部分には潤滑のためのグリスを充填しておくことが必要である。そこで、固定部材1と回転軸19の間にオイルシール38cを設け、グリスが漏れ出すのをシールしている。
図1で説明した支持部材3について、実施例1における具体的な構成を説明する。実施例1では、図3、図4に示すセンサベース73とセンサ基板21により図1の支持部材3が構成されている。
図4に示すように、センサベース73には配線用穴部60aと配線用穴部60bが形成されており、センサベース73は回転軸19に固定されている。センサベース73には、トルクセンサの弾性体4が固定されている。
また、センサベース73の少なくとも2箇所には窓穴54が設けられているが、これは回転角測定用スケール6を回転角測定用センサ7が読み取ることができるようにするための窓である。
図6は、支持部材3と出力部材5を接続する弾性体4の具体的形状を示すための外観斜視図である。トルクセンサ用の弾性体4は、弾性体の外側リング28、弾性体の内側リング29、および、両リングを接続する複数の板状弾性体30で構成されている。板状弾性体30は、主面を曲げる方向に変形する場合の剛性が、他の方向に曲がる場合の剛性よりも低いという特徴を有している。そこで、図6のように複数の板状弾性体を、回転軸を中心に放射状に配置し、各板状弾性体の主面が回転方向θと直交するようにリングに固定することにより、Z軸まわりの回転方向θだけが柔らかく、他のX軸、Y軸まわりには硬い弾性体を実現できる。トルクを検出する回転方向とは異なる方向の剛性を高くすることにより、非測定方向の変形が小さくなり、測定誤差を小さくすることができる。
センサ基板21に設けた回転角測定用センサ7で測定した回転した角度E1と、トルク測定用センサ9で測定した角度E2を用い、次式から出力部材の回転角度θとトルクTを検出する。ここで、Kは弾性体のねじり剛性である。
さらに、本実施形態における関節装置は、測定対象となる回転角度θと、トルクTを、ある2つの物体の相対変位(角度)を基に検出している(回転角度θは角度E1と角度E2、トルクTは角度E2)。よって、どちらも同じ物理量に基づくため、回転角測定用のセンサの一部と、トルク測定用のセンサの一部とを、同一の部材(本実施形態ではセンサ基板21を含むセンサベース73)に設けることができ、関節装置の小型化を図ることができる。
図面を参照して、実施形態の関節装置の別の具体例として、実施例2を説明する。実施例2は、実施例1に対して弾性体の構成と固定方法が異なる。
図7は実施例2の関節装置の一部断面図で、図8は弾性体4の具体的形状を示すための外観斜視図である。実施例1では弾性体の外側リングをセンサベースに固定したが、本実施例では出力部材に固定する。ここでは、実施例1と共通する部分の説明はできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
図9乃至図13を参照して、実施例3を説明する。
すでに説明した実施例と異なる主な点は、弾性体の作成を、三次元造形装置を用いて粉末積層造形法により行う点である。かかる造形方法は、例えば特開2018-100445号公報に開示されている。ここでは、他の実施例と共通する部分についてはできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
造形治具50は、不図示の三次元造形装置にセンサベース73と内側リング29を取付けるための治具である。造形治具50には、センサベース73と嵌合する嵌合部51と、弾性体の内側リング29を固定する支柱52が設けられている。
センサベース73の上面には、平坦な造形開始面55が予め設けられている。センサベース73には、センサベースの基板保持用のくぼみ部53が設けられているが、センサを固定した基板を下側から組立て可能にするため、すでに説明した実施例の断面図に対して上下逆さまになる向きにくぼみ部53を配置する。
内側リング29の上面には平坦な造形開始面56が、下面には位置決め用のピン穴57が予め設けられている。
造形材粉末層形成装置は、電磁弁335を制御してホッパー334に充填された造形材の粉末301を粉末層として容器330上に敷き詰め、ならし板336(スキージとも呼ぶ)を走査して粉末層の表面を平坦にする。容器330の上に造形材の第一層目の粉末層301aを敷き詰めると、レーザー304を部分的に照射し、301bの部分を焼結させて固化する。
このように、粉末層を敷き詰める工程と、レーザーを照射して部分的に焼結させる工程を繰返し、図11(c)のように焼結部301bの積層体を形成する。
最後に、造形物349を容器330から取り出せば、造形物を得ることができる。
造形治具50をはずすと、図13に示すように、センサベース73と内側リング29と板状弾性体30が一体化した弾性体4が得られる。尚、造形治具50は再利用できるので、経済性に優れる。
図14に、実施例4の一部断面を示す。他の実施例に対し、清掃用の給気孔を設けた点が異なる。すなわち、減速機の回転角測定用のスケールとセンサが対向する空間に、クリーニング用の流体を流すための流路を備えている。ここでは、他の実施例と共通する部分の説明はできるだけ省略し、異なる部分について説明する。
本発明の実施は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの組合せや変形が可能である。
また、実施形態および実施例では光学式のエンコーダをベースとしたセンサを用いたが、磁気読取式のエンコーダを用いてもよい。
これらの場合にも、配線や配管の引きずりによる弾性体への影響を抑制することが可能である。
Claims (29)
- 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、を備える駆動装置であって、
前記支持部材には、前記第1センサと前記第2センサとが設けられている、
ことを特徴とする駆動装置。 - 前記支持部材と前記出力部材と連結する弾性体、をさらに備え、
前記駆動部の出力軸と前記支持部材とが連結されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。 - 前記弾性体は、前記出力部材の回転軸を中心に放射状に配置された板状弾性体であり、
各板状弾性体の主面が前記出力部材の回転軸を中心とする円周と直交する向きになるように前記支持部材と前記出力部材に連結されている、
ことを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。 - 前記弾性体と前記支持部材との連結部、および前記弾性体と前記出力部材との連結部は
、結合する互いの材料が溶融しあった領域を有する、
ことを特徴とする請求項2または3に記載の駆動装置。 - 前記支持部材は、基板を備えており、
前記基板に、前記第1センサと前記第2センサとが設けられている、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 前記第1センサは、前記基板の第1面に設けられており、
前記第2センサは、前記基板の前記第1面とは異なる第2面に設けられている、
ことを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。 - 前記第1面は前記基板における表面または裏面のいずれか一方であり、前記第2面は前記基板における前記表面または前記裏面の他方である、
ことを特徴とする請求項6に記載の駆動装置。 - 前記基板は、ピンにより位置決めされて前記支持部材に設けられている、
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 前記基板には、前記第1センサと前記第2センサの信号を処理する、信号処理回路が設けられている、
ことを特徴とする請求項5から8のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 前記第1センサと前記第2センサは、それぞれ2つずつ設けられており、
2つの前記第1センサは略180°対向して配置されており、2つの前記第2センサは略180°対向して配置されている、
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、を備える駆動装置であって、
前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する、第1スケールまたは第1センサのいずれか一方が設けられ、
前記支持部材には、前記第1スケールまたは第1センサの他方と、前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する、第2スケールまたは第2センサのいずれか一方が設けられ、
前記出力部材には、前記第2スケールまたは第2センサの他方が設けられており、
前記駆動装置を経由して延伸する配線及び/または配管が、前記固定部材と前記支持部材に支持されている、
ことを特徴とする駆動装置。 - 前記固定部材と前記支持部材に支持された前記配線及び/または配管は、前記駆動装置が回転した場合、前記固定部材と前記支持部材の間で緊張しないように支持されている、
ことを特徴とする請求項11に記載の駆動装置。 - 前記配線及び/または配管の一部は、前記固定部材と前記支持部材の間のグリスが充填された空間に配置されている、
ことを特徴とする請求項11または12に記載の駆動装置。 - 制御部をさらに備えており、
前記制御部は、前記第1センサの検出結果と前記第2センサの検出結果とに基づき、前記固定部材と前記出力部材との相対的な変位を取得し、当該変位に基づき前記駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、前記第2センサの検出結果に基づき、トルクを取得する、
ことを特徴とする請求項14に記載の駆動装置。 - 前記弾性体は、三次元造形装置を用いて粉末積層造形法により造形されている、
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、を備える駆動装置であって、
前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する、第1スケールまたは第1センサのいずれか一方が設けられ、
前記支持部材には、前記第1スケールまたは第1センサの他方と、前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する、第2スケールまたは第2センサのいずれか一方が設けられ、
前記出力部材には、前記第2スケールまたは第2センサの他方が設けられており、
前記第1センサと前記第1スケールとが対向する第1空間、または前記第2センサと前記第2スケールとが対向する第2空間に空気を流入する流路を備えており、
前記流路は、前記支持部材に設けられている、
ことを特徴とする駆動装置。 - 前記駆動部は、モータと減速機とを備える、
ことを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載の駆動装置。 - 前記モータの回転軸が前記減速機の入力軸に接続されており、
前記モータの駆動を前記減速機により減速することで、前記支持部材と前記出力部材とを前記固定部材に対して移動させる、
ことを特徴とする請求項18に記載の駆動装置。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、
制御部と、を備える駆動装置の制御方法であって、
前記支持部材には前記第1センサと前記第2センサとが設けられており、
前記制御部が、前記第1センサと前記第2センサとの検出結果に基づき、前記駆動部を制御する、
ことを特徴とする制御方法。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、
を備えるロボット装置であって、
前記支持部材には、前記第1センサと前記第2センサとが設けられている、
ことを特徴とするロボット装置。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、
制御部と、を備えるロボット装置の制御方法であって、
前記支持部材には、前記第1センサと前記第2センサとが設けられており、
前記制御部が、前記第1センサと前記第2センサとの検出結果に基づき、前記駆動部を制御する、
ことを特徴とする制御方法。 - 請求項21に記載のロボット装置を用いて物品の製造を行うことを特徴とする物品の製造方法。
- 固定部材に設けられた駆動部を有する装置に設けられる検出装置であって、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、を備え、
前記支持部材には、前記第1センサと前記第2センサとが設けられている、
ことを特徴とする検出装置。 - 固定部材に設けられた駆動部を有する装置に設けられる検出装置の制御方法であって、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する第1センサと、
前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する第2センサと、
制御部と、を備え、
前記支持部材には、前記第1センサと前記第2センサとが設けられており、
前記制御部が、前記第1センサと前記第2センサとの検出結果に基づき、前記出力部材の位置を検出する、
ことを特徴とする制御方法。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
制御部と、を備える駆動装置の制御方法であって、
前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する、第1スケールまたは第1センサのいずれか一方が設けられ、
前記支持部材には、前記第1スケールまたは第1センサの他方と、前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する、第2スケールまたは第2センサのいずれか一方が設けられ、
前記出力部材には、前記第2スケールまたは第2センサの他方が設けられており、
前記駆動装置を経由して延伸する配線及び/または配管が、前記固定部材と前記支持部材に支持されており、
前記制御部が、前記第1センサと前記第2センサとの検出結果に基づき、前記駆動部を制御する、
ことを特徴とする制御方法。 - 固定部材に設けられた駆動部と、
前記駆動部によって前記固定部材に対して移動する支持部材と、
前記支持部材と共に移動する出力部材と、
制御部と、を備える駆動装置の制御方法であって、
前記固定部材には、前記固定部材と前記支持部材との相対的な変位を検出する、第1スケールまたは第1センサのいずれか一方が設けられ、
前記支持部材には、前記第1スケールまたは第1センサの他方と、前記支持部材と前記出力部材との相対的な変位を検出する、第2スケールまたは第2センサのいずれか一方が設けられ、
前記出力部材には、前記第2スケールまたは第2センサの他方が設けられており、
前記第1センサと前記第1スケールとが対向する第1空間、または前記第2センサと前記第2スケールとが対向する第2空間に空気を流入する流路を備えており、
前記流路は、前記支持部材に設けられており、
前記制御部が、前記第1センサと前記第2センサとの検出結果に基づき、前記駆動部を制御する
ことを特徴とする制御方法。 - 請求項20または22または25または26または27のいずれか1項に記載の制御方法を実行可能な制御プログラム。
- 請求項28に記載の制御プログラムを格納した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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