JPH0416316B2 - - Google Patents

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
うロボツトのアーム先端のコンプライアンス（柔
かさ）を方向によつ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ツトが開発され、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。

このようにロボツトのアームが作業をする場合
には、作業の種類に応じて、アームのコンプライ
アンスを調整して方向によつ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ピ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、こうすることによつて、ハンドは
ピンの孔側面への衝突を避けながらピンを孔に差
込むことができる。

このようなロボツ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つて、アーム１０１は３
つの関節１０２，１０３，１０４をもつ多節リン
クをなし、各関節は１自由度をもちそれぞれアク
チユエータ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に働く外力ベクトル〓の
方向とハンド１０５の実際の変位ベクトルｄ〓と
は一般に異なり、〓とｄ〓との関係は次式で表さ
れる。

ｄ〓＝〓〓（〓：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、 〓＝F_x F_y、ｄ〓＝dx dy と表わせ、 dx dy＝c_xc_xy c_yxc_y F_x F_y ……(1) となる。ここに 〓＝c_xc_xy c_yxc_y であり、一般にc_xy＝c_yxである。

式(1)より、例えばｘ方向の変位dxは dx＝c_x・F_x＋c_xyF_y で表され、従つてｘ方向の変位はc_xy＝０でない
限りｘ方向の力F_xだけで決まるのではなくｙ方
向の力F_yの影響を受けることになる。

そこで、 c_xy＝０（c_yx＝０） としてｘ方向の変位は力F_xだけで決まり、F_yの
影響を受けないように、同時にｙ方向の変位も力
F_yだけで決まりF_xの影響を受けないようにすれ
ば、(1)式は d_x＝c_x・F_x d_y＝c_y・F_y となり、アーム先端のコンプライアンス行列 〓＝c_xＯ Ｏ c_y の調整は容易となる。このように、〓の主対角成
分以外の成分を０にすることを、コンプライアン
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〕

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エアサーボ
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ツトアー
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
ンス非干渉ロボツトアームは、２節リンクと、該
２節リンクの関節を駆動可能なアクチユエータ
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ユエー
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つ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ユエータA₂，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
変アクチユエータ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ユ
エータA₂と前記コンプライアンスアクチユエー
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
ボツトアームである。コンプライアンス非干渉ロ
ボツトアーム１は静止節ａと、該静止節ａに関節
Ｏで連結して自由度１の回り対偶をなす動節ｂと
からなる２節機構２と、前記関節Ｏを駆動可能な
アクチユエータA₁とを備える。静止節ａや動節
ｂ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節機構２の回転軸の方向
は動節ｂ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ツトアーム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。

従つてＰ，Ｔ，Ｕ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ｂには２つのコンプライアンス可変アクチ
ユエータA₂，A₃の一端がそれぞれ取付けられて
いる。

アクチユエータ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ｂ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。アクチユエータA₂，A₃の他端は共に関節
Ｔに取付けられている。

アクチユエータA₂，A₃がそれぞれ独立に関節
Ｔを駆動し得るように、動節ｂへの取付点にはロ
ーラー９を配設され、一方のアクチユエータが関
節Ｔを駆動するとこれに従つて他方のアクチユエ
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ｂに連
結されている。動節ｂへの連結位置は任意に設定
可能であるが、例えば関節Ｏの位置に重ねること
ができる。

ここで動節ｂ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、
Ｏを通つて方向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ユエータ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〕

次にこのような構成されたコンプライアンス非
干渉ロボツトアーム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ツトアーム
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ツトし、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に沿つてハンド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P₁近傍部で作業しようとすると
き、P₁における壁面７の水平接線方向にｙ軸、
法線方向にｘ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
ツトアーム１のアクチユエータA₁によつて関節
Ｏを駆動してＸ軸がｘ軸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ツトアーム１の
側の座標軸Ｘ軸、Ｙ軸の方向は、それぞれ壁面７
側の座標軸ｘ軸、ｙ軸の方向と一致する。アクチ
ユエータA₂は関節Ｔをｘ軸の方向に、アクチユ
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_X＝C₁、C_Y＝c₂（c₂≪c₁） 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
めにアクチユエータA₂，A₃を駆動して関節Ｔに
位置決めするが、ＵとＴの位置関係はパンタグラ
フの性質より、関節ＴをＸ軸方向にΔX変位させ
ると先端ＵはＸ軸方向に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軸方向にΔY変位させると先
端ＵはＹ軸方向にrΔY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 〓＝ｒΔX ΔY ……(2) であり、Ｕの位置は関節Ｔ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〓と関節Ｔの
コンプライアンス行列〓′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、力ベクト
ルをそれぞれ ｄ〓′＝ΔX ΔY ……(3) 〓′＝F_X F_Y ……(4) とおくと、 ｄ〓′＝〓′〓′ ……(5) 〓′＝c₁ Ｏ Ｏ c₂ ……(6) が成立する。また仮想仕事の原理より、 先端Ｕの変位ベクトルｄ〓、力ベクトル〓と、 〓′，〓′との間には ｄ〓^t・〓＝ｄ〓′^t・〓′ ……(7) （ｔ：転置行列を表わす） が成立するから、(2)，(3)より ｄ〓＝rd〓′ ……(8) に注意すれば (7)，(8)より 〓′＝ｒ〓 ……(9) が成立する。

以上の関係を使つてｄ〓′＝〓′〓′の関係から
ｄ〓と〓の関係を求めると、 ｄ〓＝rd〓′ ＝ｒ（〓′〓′） ＝ｒ〓′（ｒ〓） ＝r²c₁O Ｏ r²c₂〓 すなわち、 ｄ〓＝r²c₁O Ｏ r²c₂ F_x F_y となる。従つて、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
となつている。

コンプライアンス非干渉ロボツトアーム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A₂，A₃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′軸及び法線方向
のx′軸の方向は、P₁におけるｙ軸及びｘ軸の方向
と一般に一致しないから、アクチユエータA₂，
A₃の駆動方向がこのままではx′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ｂを
関節Ｏの回りにθ回転して、Ｘ軸がx′軸と平行に
なるようにする（第２図）。このときのOEを
X′軸、Ｏを通つてX′軸と垂直な直線をY′軸とす
ると、X′軸、Y′軸の方向はそれぞれx′軸、y′軸の
方向と一致する。次にアクチユエータA₂，A₃を
駆動して先端Ｕを点P₂の近傍に位置決めする。

このとき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P_k（ｋ＝１，２……）
については、関節Ｏ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
ツトアーム１の側の座標軸の方向（アクチユエー
タA₂，A₃の駆動方向）を一致させることが常に
出来るから、あとはアクチユエータA₂，A₃を駆
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にならつ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ツトアーム
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ツトした場合であるが
鉛直にセツトすることもでき、この場合動節ｂを
θ回転することによりP₁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に沿つ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
変アクチユエータ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
クチユエータが関節Ｔを駆動するとき他方のコン
プライアンス可変アクチユ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ツト
アーム１ａ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ユエータA₂，
A₃を取付ける。この場合これらコンプライアン
ス可変アクチユエータの動節ｂ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
ンス可変アクチユエータ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ツトアーム１ａでは
一方のコンプライアンス可変アクチユエータの駆
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ツトアーム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ツトアーム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
ンス非干渉ロボツトアーム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
ロボツトアーム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c〓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ツトア
ーム１ｂではコンプライアンス非干渉ロボツトア
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１１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はアクチユエータA₄によ
つてＰの回りに回転可能に構成する。更に滑車１
１，１２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、アクチユ
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回転し、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ツトアーム
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
C〓も制御可能である。

この場合、アクチユエータA₂，A₃，A₄のコン
プライアンスをそれぞれc_x＝c₁，c_r＝c₂，c〓＝C₃
とおくと、先端Ｕにおける変位ベクトル及び力ベ
クトルの関係は dx dy dθ＝r²c₁O Ｏ Ｏ r²c₂O Ｏ Ｏ c₃ F_x F_y Ｍ となり、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ユエータA₄はコンプ
ライアンス非干渉ロボツトアーム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
ボツトアーム１ａのアーム先端の重量が増えるこ
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ツ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ツトアームの平面説明図であ
つて、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
渉ロボツ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ロボツ
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ツトアームと作業面の関係
を示す平面図、及び第５図は従来のロボツトアー
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
ボツトアーム、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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２節リンクと、該２節リンクの関節を駆動可
   能なアクチユエータ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
   ス可変アクチユエータ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つて連結
   されており前記２つのコンプライアンス可変アク
   チユエータA₂，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ユエータ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
   アンス可変アクチユエータA₂と前記コンプライ
   アンスアクチユエータA₃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
   ボツトアーム。