JPH01115583A - コンプライアンス非干渉ロボットアーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は拘束面ならい作業、組立作業等を行うロボッ
トのアーム先端のコンプライアンス（柔かさ）を方向に
よって変える技術に関するものである。

［従来の技術］ 人間の手作業代行のため、多自由度のリンクからなるア
ームを有するロボットが開発され、人間の行う巧みな動
作を実現するため、位置制御、力制御が行なわれている
。

このようなロボットのアームが作業をする場合には、作
業の種類に応じて、アームのコンブライアンスを調整し
て方向によって異なるようにする必要がある。

例えば、アームの先端に取付けられているハンドが機械
部品の孔にビンを差込む組立て作業をする場合を考える
と、その様な作業では、アームのコンプライアンスは孔
の軸方向の変位については小さく、孔の半径方向の変位
については大きくする必要があり、こうすることによっ
て、ハンドはビンの孔側面への衝突を避けながらビンを
孔に差込むことができる。

このようなロボットアームの技術としては従来より昭和
６１年特許出願第０７３１４５号、同第０７３１４６号
がある。後者は、第５図に示すアーム１０１の制御方式
に関するものであって、アーム１０１は３つの関節１０
２，１０３，１０４をもつ多節リンクをなし、各関節は
１自由度をちらそれぞれアクチュエータ１０６，１０７
゜１０８により駆動され、先端のハンド１０５を変位さ
せかつそのコンプライアンスをその変位方向により変化
させようとするものであり、そのための可変ばね定数調
整機構１１１，１１２．１１３をそれぞれ有する。

この場合ハンド１０５に動く外力ベクトルｆの方向とハ
ンド１０５の実際の変位ベクトルｄｘとは一般に異なり
、ｆとｄｘとの関係は次式で表される。

ｄｘ＝Ｃｆ　（Ｃ：アーム先端のコンプライアンス行列
） ハンド１０５が平面上の運動をする場合についていえば
、 と表わせ、 となる。ここに であり、一般にＣｘｙ　””　Ｃｙｘである。

式（１）より、例えばＸ方向の変位ｄ×はｄｘ；Ｃｘａ
Ｆｘ＋ＣｘｙＦｙ で表され、従ってＸ方向の変位はＣｘｙ＝０でない限り
Ｘ方向の力Ｆｘだけで決まるのではなくＸ方向の力Ｆ、
の影響を受けることになる。

そこで、 Ｃｘｙ＝０（Ｃｙｘ＝０） としてＸ方向の変位は力Ｆｘだけで決まり、Ｆ。

め影響を受けないように、同時にＸ方向の変位も力Ｆ　
だけで決まりＦｘの影響を受けないように■ すれば、（１）式は となり、アーム先端のコンプライアンス行列の調整は容
易となる。このように、Ｃの主対角成分以外の成分をＯ
にすることを、コーンブライアンス非干渉化と呼ぶこと
にする。

［発明が解決しようとする問題点コ 前記従来技術では、いずれもこのコンプライアンス非干
渉化を計算機によるソフトウェアサーボ技術により処理
していたため、かなりの演算時間を必要とした。

この発明はコンプライアンス非干渉化を計算機によらず
、直接機構的に実行し得るロボットアームを提供するこ
とを目的としている。

（ロ）発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明のコンプライアンス非干
渉ロボットアーム１ま、２節リンクと、該２節リンクの
関節を駆動可能なアクチュエータＡ１と、該２節リンク
の一方の節に各々その一端で連結し互いに１次独立な２
方向へ各々駆動可能である２つのコンプライアンス可変
アクチュエータＡ２．Ａ３と、前記２節リンクの前記一
方の節に回転自在な関節によって連結されており前記２
つのコンプライアンス可変アクチュエータ〜。

Ａ３の他端と連結して前記２方向が決定する平面α上で
運動可能なパンタグラフとを備え、前記パンタグラフに
おいて一直線上に位置し１点を固定したとき他の２点が
相似の軌跡を描く関係にある３点のうちのいずれか１点
にハンドが取付けられ、残余の２点のうちの一方に前記
コンプライアンス可変アクチュエータＡ２　、Ａ３を連
結し若しくは前記残余の２点に前記コンプライアンス可
変アクチュエータＡ２と前記コンプライアンスアクチュ
エータＡ３を振り分けて連結していることを特徴として
いる。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

第１図において１はコンプライアンス非干渉ロボットア
ームである。コンプライアンス非干渉ロボットアーム１
は静止節ａと、該静止節ａに関節０で連結して自由度１
の回り対偶をなす動節すとからなる２筒機構２と、前記
関節０を駆動可能なアクチュエータＡ１とを備える。静
止節ａや動節すの形状は任意に選択可能であるが、ここ
では共に平板状とする。また２筒機構２の回転軸の方向
は動節すのなす平面βに垂直な方向とする。

コンプライアンス非干渉ロボットアーム１はまた４つの
動節ｃ、ｄ、ｅ、ｆを自由度１の回り対偶をなす４つの
関節Ｑ、Ｒ，Ｓ、Ｔで連結してなるパンタグラフ３を備
える。

すなわち、パンタグラフ３においては動節ｄは動節Ｃと
関節Ｑで連結しかつその自由端Ｕにハンドを取付けられ
ており、動節ｅは動節Ｃ上かつ動節Ｃの一方の端ＰとＱ
を結ぶ線分ＰＱ上に位置する関節Ｒで動節Ｃに連結し、
動節ｆは動節ｄ上かつ線分ＱＵ上に位置する関節Ｓで動
節ｄに連結し、動節ｅと動節ｆとは関節Ｔで連結し、関
節Ｔは関節Ｒ，Ｑ、Ｓとともに平行四辺形の４頂点に位
置しかつ端Ｐと自由端Ｕとを結ぶ線分上に位置している
。

従ってＰ、Ｔ、ＬＪはパンタグラフ３で縮小図若しくは
拡大図を描く場合に固定すべき点と原図をなぞるべき点
と縮小図若しくは拡大図を描くべき点との位置関係にあ
る。

動節すには２つのコンプライアンス可変アクチュエータ
Ａ２．Ａ３の一端がそれぞれ取付けられている。

アクチュエータＡ２．Ａ３はコンプライアンス可変機能
を有し、かつ１次独立な２方向にそれぞれ駆動可能であ
る。この１次独立な２方向としては任意に選択可能であ
るが、例えばパンタグラフ３の運動平面αを動節すのな
す平面βと一致させる場合は、前記１次独立な２方向と
して例えば平面β上の直交する２つの方向４．５をとる
ことができる。アクチュエータＡ２．Ａ３の他端は共に
関節Ｔに取付けられている。

アクチュエータＡ、２　、Ａ３がそれぞれ独立に関節Ｔ
を駆動し得るように、動節すへの取付点にはローラー９
を配設され、一方のアクチュエータが関節Ｔを駆動する
とこれに従って他方のアクチュエータが同じ方向に一緒
に移動するようにされている。

パンタグラフ３は端Ｐを関節として動節すに連結されて
いる。動節すへの連結位置は任意に設定可能であるが、
例えば関節０の位置に重ねることができる。

ここで静止節す上に一定点Ｅをとり、線分ＯＥが方向４
と平行となるようにし、直線ＯＥをＸ軸、０を通って方
向５に平行な直線をＹ軸とすると、コンプライアンス可
変アクチュエータＡ２．Ａ３はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の方
向へ独立に関節Ｔをコンプライアンス可変に駆動可能で
あることになる。

先端Ｕにはハンド１０が取付けられている。

［作用］ 次にこのように構成されたコンプライアンス非干渉ロボ
ットアーム１の作用を説明する。

例えばコンプライアンス非干渉ロボットアーム１が床か
ら立上がる壁６の壁面７に対して作業をする場合の作用
を説明する。

まず静止節ａを、床からの高さｈがある値ｈ１（図示せ
ず）であるように水平にセットし、運動平面αが水平に
なるようにし、運動平面αと壁６の壁面７との交線８に
沿ってハンド３を駆動して、高さｈを順次ｈ１．ｈ２．
ｈ３．・・・と変化させて作業すればよい。

交線８上の点Ｐ１１近傍で作業しようとするとき、Ｐｌ
における壁面７の水平接線方向にｙ軸、法線方向にｙ軸
をとると、この作業では壁面７の凹凸にならうために、
Ｘ軸方向にはコンプライアンスを大きく、ｙ軸方向には
コンプライアンスを小さくする必要がある。

そこでまず例えばコンプライアンス非干渉ロボットアー
ム１のアクチュエータＡ１によって関節Ｏを駆動してＸ
ｌＮ１がＸ＠と並行になるようにすると、コンプライア
ンス非干渉ロボットアーム１の側の座標軸ｘ＠、’ｌの
方向は、それぞれ壁面７側の座標軸Ｘ軸、ｙ＠の方向と
一致する。アクチュエータＡ２は関節Ｔをｙ軸の方向に
、アクチュエータＡ３は関節Ｔをｙ軸の方向に、それぞ
れ独立にコンプライアンス可変に駆動可能であるから、
それぞれのコンプライアンスを所望の値ｃ　　＝ｃ　　
、　　ｃ　　＝ｃ　　　（ｃ、、＜ｃｌ）ＸＩ　　　　
Ｙ２ に設定しておく。

次に先端Ｕの位置をＰ１付近に位置決めするためにアク
チュエータＡ２．Ａ３を駆動して［刀節丁を位置決めす
るが、Ｕと下の位置関係はパンクグラフの性質より、関
ｆｆｉ’ｌＴをＸ＠力方向ΔＸ変位させると先端ＵはＸ
＠力方向ｒΔＸ（但しｒ＝　（ＰＱ／ＰＲ））変位しか
つｙ軸方向には変位せず、また関節ＴをＹ’１１方向に
△Ｙ変位させると先端ＵはＹ＠力方向ｒ△Ｙ変位しかつ
Ｘ軸方向には変位しない。すなわちＵの変位は であり、Ｕの位置は関ｖＪＴの変位をｒ倍することによ
り得られる。

次に先端のコンプライアンス行列Ｃと関節丁のコンプラ
イアンス行列Ｃ′との関係について調べるため、関節ｔ
における変位ベクトル、カベク１〜ルをそれぞれ とおくと ｄｘ’　＝Ｃ’　　ｆ’　　　　　　・・・（５）が成
立する。また仮想仕事の原理より、先ｇＨＵの変位ベク
トルｄｘ、カベクトル１と、ｘ’　、　１’　との間に
は ｄＸｔ−１＝ｄｘ”　−Ｐ　　　　、、、（７）（【：
転置行列を表わす） が成立するから、（２）　、（３）　　よりｔｊｘ＝ｒ
ｄｘ’　　　　　　−（８）に注意すれば　　（７）、
　（８）より丁’＝ｒｆ　　　　　・・・（９） が成立する。

以上の関係を使ってｄｘ’　＝Ｃ’　　Ｐの関係からｄ
ｘとｆの関係を求めると、 ｄｘ＝ｒｄｘ’ ＝ｒ　（Ｃ’　　ｆ”） ＝ｒＣ’　　（ｒｆ） どなる。従って、先端Ｕのコンプライアンスは関節Ｔの
コンプライアンスをｒ２倍したものに等しくなる。更に
式の形より、コンプライアンス非干渉となっている。

コンプライアンス非干渉ロボットアーム１がＰ１近傍で
の作業を終わり、次に交線８上の他の点Ｐ２の近傍で作
業しようとするとき、アクチユエータＡ　　、Ａ　　を
駆動して先端ＵをＰ２近傍へ変位させる必要があり実際
これは可能である。しかし、Ｐ２における水平接線方向
のｙ′軸及び法ｘ軸の方向と一般に一致しないから、ア
クチュエータＡ２．Ａ３の駆動方向がこのままではｙ′
軸。

ｙ′軸の方向と一致しない。そこでこれを一致させるた
めに静止節ａはそのままでまず関節Ｏを駆動して動節す
を関節Ｏの回りにθ回転して、Ｘ＠がｙ′軸と平行にな
るようにする（第２図）。このときのＯＥ＠Ｘ’軸、０
を通ってｙ′軸と垂直な直線をＹ′軸とすると、ｙ′軸
、Ｙ′軸の方向はそれぞれｙ′軸、ｙ′軸の方向と一致
する。次にアクチュエータＡ２　、Ａ３を駆動して先端
Ｕを点Ｐ２の近傍に位置決めする。

このとぎも前述と同様の式が成立し、先端Ｕのコンプラ
イアンス行列のコンプライアンス非干渉となる。

このように交線８上の点Ｐｋ（ｋ−１，２・・・）につ
いては、関ｍｏを駆動することにより壁面７側の座標軸
の方向にコンプライアンス非干渉ロボットアーム１の側
の座標軸の方向（アクチュエータＡ２．Ａ３の駆動方向
）を一致させることが常に駆動することにより先端Ｕを
位置決めしかつ先端Ｕを交線８にならって駆動すること
ができ、このとき、コンプライアンス非干渉化が機構的
に実現される。

以上はコンプライアンス非干渉ロボットアーム１の腕の
長さが壁面７に届く範囲にある場合について説明したが
、届かないときは静止節ａを移動させる。

以上は静止節を水平にセットした場合であるが鉛直にセ
ットすることもでき、この場合動節すをθ回転すること
によりＰｌの水平方向ではなく鉛直方向の他の点Ｐ３　
（図示せず）にハンド３を移動させることができ、静止
節ａを移動することなく壁面７に沿って鉛直方向に作業
することができる。

［他の実施例］ 以上説明した実施例では、コンプライアンス可変アクチ
ュエータＡ２．Ａ３は共に関節Ｔに取付けられているた
め、一方のコンプライアンス可変アクチュエータが関節
Ｔを駆動するとき他方Ｑｐンプライアンス可変アクチュ
エータをも動かすことになり経済的でない。

第３図に示すコンプライアンス非干渉ロボットアーム１
ａでは３点Ｐ、Ｔ、Ｕのうちハンド１０を取付けられた
Ｕを除く残余の２点Ｐ、Ｔにそれぞれコンプライアンス
可変アクチュエータＡ２゜Ａ３を取付ける。この場合こ
れらコンプライアンス可変アクチュエータの動節すへの
取付けにはローラー９は必要ない。ただ、端Ｐもコンプ
ライアンス可変アクチュエータＡ２に対して回転自在な
関節となるように連結する。このように構成したコンプ
ライアンス非干渉ロボットアーム１ａでは一方のコンプ
ライアンス可変アクチュエータの駆動により他方が移動
することがない。

コンプライアンス非干渉ロボットアーム１ａにおけるＵ
の変位は、Ｙ軸方向の変位についてはコンプライアンス
非干渉ロボットアーム１の場合と同じくＴの変位のｒ　
（ＰＱ／ＰＲ）倍であるが、Ｘ軸方向の変位はｒ倍にな
りｒ’　＝　（ＲＱ／ＰＲ）である。

しかしコンプライアンス非干渉性は変らない。

また、以上説明した実施例では、コンプライアンス非干
渉ロボットアーム１，１ａのハンド３の壁面７に対する
姿勢はコントロールすることができないが、第４図に示
すコンプライアンス非干渉ロボットアーム１ｂのように
、ハンド３の姿勢及び回転コンプライアンス成分Ｃθを
もコントロール可能に構成することもできる。

すなわち、コンプライアンス非干渉ロボットアーム１ｂ
ではコンプライアンス非干渉ロボットアーム１における
先端Ｕに滑車１１を枢着し、かつハンド１０ｂを滑車１
１と一体的に取付け、関節Ｑ及び関節Ｐの位置にもそれ
ぞれ滑車１２．１３を枢着して、滑車１３はアクチュエ
ータＡ４によってＰの回りに回転可能に構成する。更に
滑車１１．１２にはワイヤ１４を巻き回し、かつ滑車１
２．１３にはワイヤ１５を巻き回して、アクチュエータ
Ａ４を駆動して滑車１３をＰの回りにψ回転させること
により滑車１１がψ回転Ｃ１これによりハンド１０ｂが
ψ回転し壁面７に対する姿勢が変化するように構成され
ている。このように構成されたコンプライアンス非干渉
ロボットアーム１ｂではハンド１０ｂの姿勢が制御可能
であるのみならず、ハンド１０ｂの回転コンプライアン
スＣ６も制御可能である。

この場合、アクチュエータＡ、、、Ａ３．Ａ４のコンプ
ライアンスをそれぞれＣｘ＝Ｃ，。

ｃ、＝ｃ２．ｃθ＝　Ｃ３とおくと、先端Ｕにおけどな
り、先端Ｕにおけるコンプライアンス行列は回転成分ま
で含めてコンプライアンス非干渉となる。

このために増えるアクチュエータＡ４はコンプライアン
ス非干渉ロボットアーム１ｂの固定用端に取付けられる
ので、コンプライアンス非干渉ロボットアーム１ａのア
ーム先端の型組が増えることによるトラブルが回避され
得る。

（ハ〉発明の効果 以上の説明から明らかな通り、この発明によればコンプ
ライアンス非干渉化を計算によらず直接機構的に実現し
得るロボットアームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わるコンプライアンス
非干渉ロボットアームの平面説明図であって、ハンドが
作業面上の一点にある状態を示す図、第２図は第１図に
示すコンプライアンス非干渉ロボットアームのハンドが
作業面上の他の一点に移動した状態を示す図、第３図は
この発明の他の実施例に係わるコンプライアンス非干渉
［１ボツトアームと作業面との関係を示す平面説明図、
第４図はこの発明の更に他の実施例に係わるコンプライ
アンス非干渉ロボットアームと作業面の関係を示す平面
図、及び第５図は従来のロボットアームを示す平面説明
図である。 １、１ａ、１ｂ・・・コンプライアンス非干渉ロボット
アーム　　２・・・２節機構　　３・・・パンタグラフ
４．５・・・方向　　６・・・壁　　７・・・壁面　　
８・・・交線　　１０．１０ｂ・・・ハンド 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２節リンクと、該２節リンクの関節を駆動可能なアクチ
   ュエータＡ＿１と、該２節リンクの一方の節に各々その
   一端で連結し互いに１次独立な２方向へ各々駆動可能で
   ある２つのコンプライアンス可変アクチュエータＡ＿２
   、Ａ＿３と、前記２節リンクの前記一方の節に回転自在
   な関節によって連結されており前記２つのコンプライア
   ンス可変アクチュエータＡ＿２、Ａ＿３の他端と連結し
   て前記２方向が決定する平面α上で運動可能なパンタグ
   ラフとを備え、前記パンタグラフにおいて一直線上に位
   置し１点を固定したとき他の２点が相似の軌跡を描く関
   係にある３点のうちのいずれか１点にハンドが取付けら
   れ、残余の２点のうちの一方に前記コンプライアンス可
   変アクチュエータＡ＿２、Ａ＿３を連結し若しくは前記
   残余の２点に前記コンプライアンス可変アクチュエータ
   Ａ＿２と前記コンプライアンスアクチュエータＡ＿３を
   振り分けて連結していることを特徴とするコンプライア
   ンス非干渉ロボットアーム