JPS63501242A - 機械的構造体のジオメトリの監視装置 - 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】 発明の名称 機械的構造体のジオメトリの監視装置 技術分野 本発明は、相互に剛に結合された要素を含む機械的構造体のジオメトリを監視す る装置に関し、本発明は、変形を監視する必要がある固定構造体および追従変位 を行い得る可動要素を含む構造体（例えば、ロボット、マニピユレータ・アーム ）に適用できる。

ロボットは、実際に、比較的複雑な反覆作業を行うため、製造工場または組立工 場においてますます使用されている。ロボットは、一般に、順次に組立ててあり て、ロボットの最終要素に支持した荷または工具を１つの所定点から別の所定点 に移動できるよう、相対変位（即ち、回転または並進）させ得る複数の要素か゛ ら成シ、ロボットの各要素は、このため、駆動電動機と、実施すべき運動をプロ グラムを含む情報処理系に接続された変位センサとを備えている。

ロボットが支持できる荷は、一般に、良い精度を保持するため、ロボット重量の 数％（典型的に約５チ）である。何故ならば、さもないと、ロボットの各要素が 、その移動中、最終要素で支持した荷の性質および寸法ならびに各要素の相対位 置に依存して変化するたわみ変形およびねじれ変形を受けるからである。

従来技術 実験室においてまたは使用中にロボットに対して反覆試験を行い、ロボットが所 定の形状である際に最終要素で支持された荷の理論的位置（要素の変形がない場 合に占める位置）と荷の実際の位置との間の差をめ、ロボットの各要素が占める 実際の位置を修正して上記差をゼロにすることは、すでに公知である。

しかしながら、荷の性質、寸法または移動は一定でないので、その都度、上記試 験および上記調節を行わなければならない。

ロボットの運動、荷の寸法および性質の如何に拘わらず、ロボットの要素の変形 を常に検知、測定し、上記変形を考慮して荷の位置を修正し、理論的位置に対す る差をゼロとすることができる装置は、実在しない。

本発明の説明 本発明は、上記欠陥を補うことを目的とし、上記目的を達成できる装置に関する 。

更に、本発明は、固定構造体の操作が困難なまたは危険な場合も、おるいは、一 般に使用される公知の制御・監視手段を使用できない場合も、固定構造体の要素 の変形を常に検知、測定できる、上記の種類の装置に関する。

従りて、本発明にもとづき、構造体の要素に配され、それぞれ、少くとも隣接要 素との接合点の間の対応する要素を通過する光束から構成されたセグメントから 成る６光学的スケルトン”によつて上記要素の変形を常に検知、測定する手段と 、各要素に配され、光束の少くとも一部を受光する光電検知手段とを含むことを 特徴とする請求の範囲第１項のプレアンブルに記載の種類の装置に関する。

構造体の対応する要素が外部からの負荷を受けてない場合は、各光束は、上記要 素の軸線に沿って進み、上記要素に配された光電検知手段は入射するよう、調節 するのが好ましい。要素のすべての最終的変形は、光電検知手段における光束の 入射点の移動をもたらし、従って、この移動を測定して要素の変形を定めること ができる。

光電検知手段は、基準点（例えば、検知手段の中心）に対する差を測定するター ゲットまたは２次元光電素子であるのが好ましい。

構造体の１つの要素を通過した光束の別の一部は、光学的スケルトンの対応する セグメントを形成するために上記構造体の隣接要素へ向けるのが有利である。

この場合、装置は、例えば構造体の一端の固定点に設けてあって上記光束を発生 する光源と、要素の間に設けてあって構造体の１つの要素から別の要素まで光束 の連続性を確保する光学的接続手段とを含むことができる。

上記光学的接続手段は、ミラーおよびまたはオプティカルファイバから構成でき る。

更に、構造体の少くとも１つの要素は、相互に逆方向へ向き、それぞれ、上記要 素に関連する光電検知手段へ向けられる光学的スケルトンの２つのセグメントを 含む。

更に、上記要素の各種変形を測定、特定できる。

更に、本発明の別の特徴にもとづき、上記光電検知手段は、構造体ユニットの変 形または構造体の少くとも１つの特殊点の変位を決定できる情報処理手段に接続 しである。

更に、固定構造体の変形の進行を監視できる。

構造体が、制御された相対変位を行い得る可動要素から成り、このうち最後の要 素を最初の要素に対してまたは固定支持部材に対して正確に位置決めしなければ ならない場合（例えば、ロボットまたはマニピーレータ・アームの場合）、上記 情報処理手段は、上記可動要素のうち少くとも１つの要素の変位を制御して最後 の要素の位置および方向のすべての偏差を補償するため、上記要素について測定 された変形を処理する。

さて、本発明にもとづき、ロボットまたはマニピュレータ・アームの重量を減少 するとともに、その精度を１Ｏ−１００倍だけ改善できる。

事実、良く知られているように、ロボットまたはマニピュレータ・アームの重量 は、所望の精度に逆比例し、Ｌｎ（Ｌは、上記ロボットまたは上記アームを構成 する要素の長さの和であシ、ｎは、３．５である）に比例する。従って、精度を １０倍だけ改善したい場合は、ロボットまたはマニピュレータ・アームの重量は １０倍に増加され、要素の全長を５０％だけ増加する場合は、重量は約４倍に増 加される。ロボットまたはアームの各種変形を常に測定し、考慮できる本発明に もとづき、上記制約を排除でき、重量を減少するとともに精度を改善できる。

図面の簡単な説明 第１図は、３つの要素から成るマニピーレータ・アームの略図で上記要素の変形 を示すもの、 第２図は、本発明に係る装置を備えた、３つの要素から成るマニピュレータ・ア ームの略図、 第３図は、上記アームの制御手段の略図、第４，５図は、本発明の別の実施例の 略図である。

本発明の実施方法 第１図に、３つの要素１０，１２，１４を有するマニピュレータ・アームを模式 的に示した。第１要素１０の一端は、実質的に変形しない固定支持部材１６に結 合してｓｂ、第２要素１２の一端は、軸１８のまわシに回転自在なよう第１要素 １０の他端に取付けてあシ、第３要素１４の一端は、軸２０のまわシに回転自在 なよう要素１２の他端に取付けてあシ、第３要素１４の自由端は、軸１８，２０ のまわシに要素１２．１４を回転して１つの所定点から別の所定点へ移動する荷 または工具を支持する。

破線１０’、　１２’、　１４’は、無負荷の場合に要素１０，１２゜１４が占 める位置を示し、実線１０，１２，１４は、負荷を受けてたわみ変形およびねじ れ変形された上記要素が占める実際の位置を示した。従って、第３要素１４の自 由端Ｅが実際に占める位置と、アームで荷を支持してない場合に上記自由端が占 める理論的位置Ｅ′との間に誤差が存在する。この誤差は、点Ｅと点Ｅ′との間 の距離と、真直ぐなセグメント１４′と曲ったセグメント１４の端部Ｅにおける タンジェントとの間の角度とから定義される。上記誤差をゼロとしまたは少くと も減少してアームの精度を改善するため、軸１８のまわシの要素１２の回転およ び軸２０のまわシの要素１４の回転を制御して、点Ｅを点Ｅ′の近傍にもどし、 セグメント１４′とセグメント１４の端部におけるタンジェントとの間の角度を 減少するかゼロとする必要がある。

第３要素１４に支持した荷の性質または寸法が変化する毎に且つまた荷の軌道を 変更する毎に、上記調節を行わなければならない。アームの可動要素１２．１４ は、駆動電動機と、実施すべき運動のプログラムを含む情報処理系（例えば、コ ンピー−タ）に接続された変位センサとを備えているので、この調節は、デリケ ートであシ、時間がかかシ、特に、工業的条件において実施するのに適さない。

さて、本発明に係る制御装置を含む、３要素から成るマニピュレータ・アームを 示す第２図を参照して説明する。

アームの３つの要素および回転軸は、それぞれ、第１図と同一の参照数字１０， １２，１４，１８で示しである。要素１０゜１２．１４は管状であるので、本発 明に係る制御装置を上記要素内に設置して保護することができる。

第１要素１０の端部は、基にまたは固定フレーム１６に結合してｓｂ、第１要素 １０の他端の方向へ光束２４（有利には１、コヒーレントな光束）を放射する光 源２２を備えている。第１要素が変形されていない場合、上記光束２４は、要素 １０の軸線と一致し、第２要素１２の回転軸−１８にぶつかる。軸１８を通る偏 向ミラー２６は、光束２４の少くとも一部を要素１２の軸線に沿って第３要素１ ４０回転軸２０の方向へ反射し、光束２４の一部を光電検知手段２８の方向へ通 過させる。この光電検知手段は、２次元の光電素子ユニットから成シ、上記ユニ ットの中心と光束の入射点との間の誤差距離を測定できる。この光電検知手段２ ８は、要素１０の端部に不変に配しである。第１要素１０の上端に固定した別の ミラー３０は、光源２２とミラー２６との間に配置してｓｂ、上記光源から放射 された光束２４の一部をミラー２６の方向へ通過させ、第１要素１０の下端に固 定した光電検知手段３２（手段２８と同一）ρ方向へ上記光束の一部を送る。

同じく、偏向ミラー３４が、要素１２．１４の間に設けてあシ、回転軸２０を通 シ、既述の手段と同一の光電検知手段３６が、第２要素１２の第２端に不変に配 してあシ、ミラー３０と同一の偏向ミラー３８が、要素１２の上記第２端に不変 に配してあり、既述の手段と同一の光電検知手段４０は、要素１２の第１端に不 変に配しである。かくして、ミラー２６で反射された光束２４の一部は、ミラー ３８によって光電検知手段４ｏの方向へ送られ、光束の別の一部は、ミ？−３４ に達する。このミラーは、光束の一部を光電検知手段３６の方向へ通過させ、別 の一部を第３要素１４の自由端に固定した光電検知手段４２の方向へ反射する。

更に、ミラー３０．３８と同一のミラー４４が、上記自由端に固定してｈｌ）、 光電検知手段４２へ向う光束の光路に配置してｓｂ、要素１４の第１端に固定し た光電検知手段４６に上記光束の一部を送る。

かくして、マニピュレータ・アームの「光学的スケルトン」が構成される。この 光学的スケルトンは、それぞれ要素１０゜１２．１４に関連するセダメン）Ａ、 　Ｂ、　Ｃから形成され、各セグメントは、セグメント端との間に配した要素を 通シ、変形が全くない場合は上記要素の軸線に一致する。更に、各セグメントＡ 、　Ｂ、　Ｃは、それぞれ、要素１０，１２，１４が負荷によって変形されてな い場合に関連の光電検知手段３２，４０゜４６の中心に達する逆方向に延びるセ グメン）　ｆｉ、Ｉ　、　Ｂ／　、　Ｃ／に夫々関連する。

ミラー２６，３０，３４，３８．４４は、その機能をよシ良く理解できるよう、 ハーフミラ−の形に示しである。光学的スケルトンの要素Ａ、Ｂ、Ｃの間の光学 的接続手段を形成するミラー２６．３４は、それぞれ、要素１２．１４の回転に 追従する。即ち、要素１２が軸１８のまわシに２ａに等しい角度だけ回転すると 、ミラー２６は上記軸のまわシに角度ａだけ回転する。ミラー３４および要素１ ４についても同様である。上記ミラーおよびミラー３０，３８．４４の代わシに 、同一機能を果すオプティカルファイバを使用できる。

装置は、最初、要素１０，１２，１４を変形する負荷がない場合には光学的スケ ルトンのセグメントＡ、　Ｂ、　Ｃが要素１０゜１２．１４の軸線と一致し、光 束の一部が光電検知手段の中心に達するよう、調節する。最初に上記の如く調節 すれば、アームの要素のすべての変形は、光束の入射点と上記要素に配した光電 検知手段の中心との間に誤差を生ぜしめる。

第２図の実施例の場合、従って、各要素１０．１２または１４について４つの情 報（光電検知手段毎に２つの情報）が得られる。よシ多数の情報を得たい場合は 、マニピュレータ・アームの対応する要素に補助光電検知手段を配し、光源２２ から放射された光束まだは上記光源から放射された別の光束から形成された光学 的スケルトンの補助セグメントを上記補助手段へ向ける。

要素１０，１２，１４の変形に関してかくして集められた情報は、情報処理手段 ５０を含むデータ処理システム（第３図）によって処理する。この場合、上記処 理手段５ｏの若干の入力は、それぞれ、光電検知手段２８，３２，３６，４０， ４２，４６の出力に接続してあシ、別の入力は、軸１８のまわシの要素１２の回 転および軸２０のまわシの要素１４の回転をそれぞれ測定する変位センサＤＩ、 Ｄ２に接続してあシ、２つの出力は、要素１２．１４を軸１８，２０のまわシに それぞれ回転する電動機Ｍｌ、Ｍ２に接続しである。

光電検知手段から供給される測定値は、変位センサＤＩ　、Ｄ２から供給される 測定値とともに、情報処理手段５０によって処理する。この場合、上記情報処理 手段は、上記測定値から電動機Ｍｌ、Ｍ２０制御信号を形成し、かくして、マニ ピュレータ・アームの最終要素の自由端は、運搬される荷の寸法または性質に関 係なく、占めるべき理論的位置にもどされ、所望の角度方向を取る。

マニピュレータ・アームの要素の変形を常に測定、処理することによって、アー ムの運動中、すべての時点に理論的位置に対するアーム端の位置の誤差を修正で き、従って、理論的軌道に完全に一致する軌道に沿って荷を運搬できる。

さて、本発明の別の実施例を示す第４，５図について説明する。

同図に示したマニピュレータ・アームは、垂直軸線５６のまわシに回転自在なよ うアームの第１要素５４を取付けたベースまたはフレーム５２を有する。アーム の第２要素５８は、水平軸線６０のまわシに回転自在なよう第１要素５４の上端 に取付けてあシ、第３要素６２は、第２要素５８に支持してあシ、縦軸線６４に 沿って、即ち、軸線６０に垂直に並進運動できる。

本発明に係る装置は、第１要素５４のベースに支持してあって垂直軸５６にぶつ かシ均一なエネルギ分布を有する断面円形の水平光束を放射するコヒーレントな 光源６６を含む。要素５４のば一部に固定した第１ミラー６８は、同じく要素５ ４のベースに支持した第２ミラー７０の方向へ光束の一部を水平に通過させ、第 １要素５４の上端に固定し、同じく第２要素５８に固定した第４ミラー７４とと もに回転軸線６０上に設置した第３ミラー７２の方向へ光束の別の部分を垂直に 反射する。ミラー７２．７４は、回転軸線６０に対して４５°だけ傾斜している 。ミラー７４は、ミラー７２によって軸線６ｏに沿って反射された光束部分を受 光し、第３要素に固定した光電検知手段７６の方向へ反射する。

ミラー７２．７４の組合せの代わシに、第２図のミラー２６および第２要素の回 転をいに減少する追従手段を設ければ、本発明に係る装置の構造を著しく簡単化 できる。第１要素５４が変形すると、ミラー７２，７４・の間で反射された光束 は、もはや、回転軸線６０を正確には通らず、この軸線のまわシに円を描き、こ の偏差は、光電検知手段７６によって測定できる。

更に、特に要素５４のその軸線のまわシのねじれを測定できるよう、第２ミラー ７０は、ミラー６８から受光した光束を第１要素５４の上端に固定したミラー７ ８の方向へ反射する。上記ミラー７８は、第１要素５４の上端に固定した光電検 知手段８０の方向へ光束の一部を通過させ、要素５４の（−スに固定した光電検 知手段８２の方向へ別の一部を反射する。ミラー７２は、同じく、ミラー６８か ら受光した光束の一部を要素５４の上端に固定した光電検知手段８４の方向へ反 射する。

かくして、２つの平行光束が、ミラー６８．７０によって要素５４の軸線の両側 に放射され、上記要素に固定した３つの光電検知手段８０，８２．８４にぶつか シ、従って、要素の変形に関して６つの情報が得られる（各光電検知手段は、上 記手段の中心と光束入射点との間の距離を測定し、２つの情報を供給する）。従 って、これら６つの情報から、要素の６つの自由度に対応するすべての変形をめ ることができる（３つの垂直軸線に対する３つの変位および３つの角度変形）。

−の変形が考慮されない場合（例えば縦方向軸線に沿う要素の伸長）、測定可能 な５つの変形について６つの情報が得られ、従って、点検時、１つの情報は不要 である。

本発明に係る装置にもとづき、既述の如く、ロボットまたはマニピュレータ・ア ームの変位および位置に関する精度を１０〜１００倍だけ改善できる。

本装置は、ロボットまたはマニピュレータ・アームの作動中、実験時および設計 時に有用であシ、構造体の要素の変形を常に測定、補償して所望の精度を確保す るとともに構造体を可成シ軽量化できる。

本装置は、更に、構造体の要素を回転自在に結合する軸受の変形を検知、測定で きる。この場合、軸受自体にミラーおよび光電検知手段を配すればよい。

光電検知手段は、光束入射点の変位を１μの精度で測定できる４象限光電池であ −りでよい。これは、光電池と光束の出発点との間の距離が１ｍの場合、１０− ６ラジアンの角度差に対応する。従って、構造体の要素の検知精度および測定精 度は、極めて高い。

本発明は、更に、相互に結合された要素がら成シ、変形を監視しなければならな い構造体に適用できる。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　丁ＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰ ＯＲＴ　ＯＮにＢ−Ａ−２１１７５１１１２／１０／８３　Ｎｏｎｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）相互に剛に結合された複数の要素を有する機械的構造体のジオメトリを監 視する装置において、構造体の上記要素に関連しかつそれぞれ、少くとも隣接す る該要素との接合部間の対応する要素を通過する光束（２４）から構成されたセ グメント（Ａ，Ｂ，Ｃ）から成る「光学的スケルトン」によって上記要素（１０ ，１２，１４）の変形を常に検知、測定する手段と、該各要素に関連し、光束（ ２４）の少くとも一部が投射される光電検知手段（２８，３２，３６，４０，４ ２，４６）とを含むことを特徴とする装置。 （２）光束（２４）の別の一部が、光学的スケルトンの対応するセグメント（Ｂ ，Ｃ）を形成するため、構造体の隣接要素（１２，１４）へ投射されることを特 徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 （３）構造体の少くとも１つの要素が、相互に逆方向へ向きかつそれぞれ上記要 素に関連した光電検知手段（２８，３２；３６，４０；４２，４６）へ向けられ る光学的スケルトンの２つのセグメント（Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′，Ｃ，Ｃ′）を含 むてとを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の装置。 （４）例えば構造体の一端（１６）の固定点に設けてあって上記光束（２４）を 発生する唯一つの光源（２２）と、要素（１０，１２，１４）の間に設けてあっ て構造体の１つの要素から別の要素まで光束（２４）の連続性を確保する光学的 接続手段（２６，３４）とを含むことを特徴とする請求の範囲第１ないし第３項 のうち何れか１項記載の装置。 （５）光源（２２）が、コヒーレントな光束を放射することを特徴とする請求の 範囲第４項記載の装置。 （６）光学的接続手段が、ミラー（２６，３４）およびオプティカルファイバの うち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求の範囲第４項または第５項記載 の装置。 （７）構造体の少くとも１つの要素（１０，１２，１４）が、上記要素に不変に 配され、上記要素に不変に配された光電検知手段（３２，４０，４６）へ送るた めに光束（２４）の一部を遮断するミラー（３０，３８，４４）を含むことを特 徴とする請求の範囲第１互いし第６項のうち何れか１項に記載の装置。 （８）光電検知手段（２８，３２，３６，４０，４２，４６）が、中心に対する 光束（２４）の入射点の誤差を測定する２次元光電素子（例えば、４象限光電池 ）であることを特徴とする請求の範囲第１ないし第７項のうち何れか１項に記載 の装置。 （９）光電検知手段が、全体としての構造体の変形または構造体の少くとも１つ の特殊点の変位を決定できる情報処理手段（５０）に接続してあることを特徴と する請求の範囲第１ないし第８項のうち何れか１項に記載の装置。 （１０）上記構造体が、制御された相対変位を互いに行うことができる要素（１ ０，１２，１４）から成り、上記要素のうち最後の要素は、最初の要素に対して または固定支持部材に対して正確に位置決めしなければならず、上記情報処理手 段（５０）が、可動要素（１２，１４）のうち少くとも１つの要素の変位を制御 して最後の要素（１４）の位置および方向のすべての誤差を補償するため、上記 要素について測定した変形を考慮することを特徴とする請求の範囲第９項記載の 装置。 （１１）構造体の可動要素（１２，１４）に設けた変位センサ（Ｄ１，Ｄ２）お よび駆動電動機（Ｍ１，Ｍ２）が、上記情報処理手段（５０）に接続してあるこ とを特徴とする請求の範囲第１０項記載の装置。 （１２）相対回転する要素（１０，１２，１４）のうちの２つのうちの少くとも １つの光学的接続手段が、回転軸線（１８，２０）に対して傾斜したミラー（２ ６，３４）から成り、２つの要素（１０，１２；１２，１４）の相対回転に追従 することを特徴とする請求の範囲第１０項または第１１項記載の装置。 （１３）軸線（６０）のまわりに相対回転する２つの要素（５４，５８）の間の 少くとも１つの光学的接続手段が、上記軸線に対して４５°の角度で上記軸線上 に設置した２つのミラー（７２，７４）を含み、このうち１つのミラー（７２） は、１つの要素（５４）に固定してあり、別のミラー（７４）が、別の要素（５ ８）に固定してあり、ミラー（７２）が、要素（５４）を通過した光束を受光し て軸線（６０）に沿って別のミラー（７２）へ向って反射し、上記別のミラーが 、光束を別の要素の軸線（６４）に平行に反射することを特徴とする請求の範囲 第１０項または第１１項記載の装置。 （１４）要素軸線（５６）のまわりの要素（５４）のねじれの測定のため、要素 （５４）の軸線（５６）の両側に２つの平行光束を放射する手段（６８，７０） と、上記光束の光路上の要素（５４）の端部に固定された３つの光電検知手段（ ８０，８２，８４）とを含むことを特徴とする請求の範囲第１ないし第１３項の うち何れか１項に記載の装置。