CN110545965A - 多关节机器人以及多关节机器人系统 - Google Patents

Abstract

在例示的实施方式中，本公开的多关节机器人具有：腰部(10)，其具有绕作为垂直轴的第1轴(Z1)旋转的第1关节(J1)，该腰部(10)绕第1轴回旋；第2关节(20)，其与腰部连接，绕与水平面平行的第2轴(Z2)旋转；第1臂(110)，其与第2关节连接，绕第2轴旋转；第3关节(30)，其与第1臂连接，绕与第2轴平行的第3轴(Z3)旋转；以及第2臂(120)，其与第3关节连接，绕所述第3轴旋转。在第2臂与第1臂之间以及第2臂与腰部之间设置有间隙(C)，在第1臂与第1轴平行地延伸时，该间隙(C)能够供绕第3轴旋转的第2臂横穿被第2轴和第3轴夹着的平面区域。

Description

多关节机器人以及多关节机器人系统

技术领域

本申请涉及多关节机器人以及多关节机器人系统。

背景技术

在日本特开2017-13215号公报中，公开了一种用于运送工件的多关节机器人。该多关节机器人可回旋地固定在地面上，在使工件在工作台之间移动时大幅回旋。

在国际公开第2010/013549号中，公开了一种运送基板的多关节机器人。该多关节机器人使用绕水平轴旋转的臂来运送板状工件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-13215号公报

专利文献2：国际公开第2010/013549号

发明内容

发明要解决的课题

日本特开2017-13215号公报所公开的多关节机器人需要用于回旋动作的较大空间。因此，无法紧密地配置工作台。

国际公开第2010/013549号所公开的多关节机器人不绕垂直轴回旋，而是使板状工件绕水平轴大幅旋转。该多关节机器人由于无法绕垂直轴回旋，因此只能实现有限的动作。

本公开提供了一种多关节机器人以及多关节机器人系统，能够在比较狭窄的作业空间中高速地执行各种动作。

用于解决课题的手段

在例示的实施方式中，本公开的多关节机器人具有：腰部，其具有绕作为垂直轴的第1轴旋转的第1关节，该腰部绕所述第1轴回旋；第2关节，其与所述腰部连接，绕与水平面平行的第2轴旋转；第1臂，其与所述第2关节连接，绕所述第2轴旋转；第3关节，其与所述第1臂连接，绕与所述第2轴平行的第3轴旋转；以及第2臂，其与所述第3关节连接，绕所述第3轴旋转，在所述第2臂与所述第1臂之间以及所述第2臂与所述腰部之间设置有间隙，在所述第1臂与所述第1轴平行地延伸时，该间隙能够供绕所述第3轴旋转的所述第2臂横穿被所述第2轴和所述第3轴夹着的平面区域。

发明效果

根据本公开的多关节机器人的实施方式，可以在比较狭窄的作业空间中高速地执行各种动作。

附图说明

图1是示出本公开的多关节机器人系统的示意性的结构例的立体图。

图2是示出本公开的多关节机器人100中的关节的轴的立体图。

图3示出了本实施方式的多关节机器人100中的各关节的关系。

图4是示出滚动关节的图记号的图。

图5是示出俯仰关节的图记号的图。

图6是包含垂直轴的平面中的、与关节J2、J3的旋转轴(第2轴Z2、第3轴Z3)垂直的平面与纸面一致的图。

图7是包含垂直轴以及关节J2、J3的旋转轴(第2轴Z2、第3轴Z3)的平面与纸面一致的图。

图8是示意性地示出图7所示的状态的多关节机器人100的结构例的主视图。

图9是示意性地示出多关节机器人100的另一结构例的图。

图10是示意性地示出多关节机器人100的又一结构例的图。

图11是示意性地示出图10所示的状态的多关节机器人100的结构例的主视图。

图12A是示出在本公开的实施方式中的多关节机器人中，绕第3轴Z3旋转的第2臂即将横穿被第2轴Z2和第3轴Z3夹着的平面区域之前的第2臂的姿势的立体图。

图12B是同时描绘了本公开的实施方式中的多关节机器人在四个不同的时机可以采取的四个姿势的立体图。

图13是示出随着第2臂120的运动而第2臂基准点的投影点Pr所描绘出的轨迹的例子的图。

图14是示出现有的多关节机器人的结构例的立体图。

图15是示出连结初始位置的投影点P11和结束位置的投影点P22的投影线段L12和由投影线段L12确定的第2条投影线段Lsa12的俯视图。

图16是示出本公开的实施方式中的多关节机器人的第2臂基准点的水平面投影路径(实线)的例子的俯视图。

图17是用实线三维地示出图16所示的水平面投影路径的图。

图18是示出本公开的实施方式中的多关节机器人的第2臂基准点的水平面投影路径(实线)的另一例的俯视图。

图19是示出从投影点P11到投影点P22的两个水平面投影路径TR1和TR2的俯视图。

图20A是示出安装有前端执行器的多关节机器人的主视图。

图20B是示出在前端执行器与地面之间确保了间隙的多关节机器人的姿势的主视图。

图20C是示出以第6轴为中心进行旋转的前端执行器的例子的图。

图20D是示出图20C所示的前端执行器旋转的范围的图。

图21是示出收纳本公开的多关节机器人系统的壳体的一例的立体图。

具体实施方式

<术语>

术语“垂直轴”和“水平面”表示以安装多关节机器人的基台(基座)的上表面(设置面)为基准而确定的方向。具体而言，将与设置面垂直的方向称为“垂直轴”，将与该“垂直轴”垂直的平面称为“水平面”。这些术语是为了使发明的结构要素的配置关系容易理解而使用的，并不意图限制使用多关节机器人时的方向。在本公开的实施方式中，垂直轴与铅垂方向一致，但术语“垂直轴”的意义不限于该例子。“垂直轴”也可以从铅垂方向倾斜。

“第1臂”被用作相当于“上臂”的术语，但“第2臂”被用作可以包含“前臂和手腕这两者”的术语。第2臂可以包含多个关节，但不包含前端执行器。

“前端执行器”是用于安装在第2臂上以使多关节机器人能够进行作业的设备。前端执行器的典型例包含把持部、螺母转动部、焊枪以及喷枪。根据多关节机器人的用途，用户可以适当更换前端执行器来使用。

所谓“第2臂的前端”是第2臂所具有的前端执行器的安装面。安装面也被称为机械接口。“第2臂的前端”也可以被称为工具中心点。

所谓“第2臂的中心轴”是绕第2臂所延伸的方向旋转的关节的旋转轴。当这样的关节的个数为多个时，将最接近第2臂的根部(第3关节)的关节(第4关节)的旋转轴设为“第2臂的中心轴”。在后述的实施方式中，绕第2臂所延伸的方向旋转的关节是第4关节和第6关节。在实施方式中，当第2臂笔直地延伸时，第4关节的旋转轴和第6关节的旋转轴位于同轴(第2臂的中心轴)上。另外，第4关节根据其位置有时也被称为第2肘关节，但在本公开中，有时将第4至第6关节统称为“手腕关节”。

所谓“第2臂基准点”是第2臂笔直地延伸时的第2臂的前端、或者所谓的“手腕基准点(手腕中心点)”。手腕基准点(手腕中心点)是2个或3个手腕关节中的2个或3个旋转轴的交点。在后述的实施方式中，第4至第6关节的旋转轴在一点处交叉。该交叉点是手腕基准点。

<多关节机器人的基本结构>

以下，一边参照附图，一边对本公开的多关节机器人的基本结构例进行说明。在附图中，优先考虑多关节机器人的结构和动作的容易理解程度，简化地记载了各结构要素的形状。图示的各结构要素的形状对实施方式中的各结构要素的具体形状没有任何限制。

首先，参照图1和图2。如这些附图所示，在非限定性且例示性的实施方式中，本公开的多关节机器人系统具有：多关节机器人100；以及控制器200，其控制多关节机器人100。多关节机器人通常也被称为机器人臂或机械手。

控制器200是所谓的计算机，例如具有未图示的CPU、存储器、二次存储装置、以及用于在与多关节机器人100之间发送和接收数据的通信端子。在存储器中存储有计算机程序。计算机程序是由CPU执行的指令的集合。通过CPU执行控制器200的该计算机程序，CPU能够使多关节机器人100的各关节的各马达旋转，对姿势进行控制。以下所说明的多关节机器人100的动作根据来自控制器200的CPU的指令来实现。

多关节机器人100具有绕图2所示的第1轴Z1回旋的腰部10。腰部10具有绕第1轴Z1旋转的第1关节，该第1轴Z1是与水平面H垂直的垂直轴(vertical axis)。第1关节是旋转关节(revolute joint)。在本公开中，“关节”可以包含引起关节的运动的马达和减速器等机电要素、以及检测关节的旋转角度(关节变量)的传感器。因此，“关节”的术语可以被用作具有“关节部”或“关节单元”的意义的术语。但是，驱动图示的“关节”的马达的位置并不限定于标注了表示“关节”的标号的结构要素的内部。

多关节机器人100具有：第2关节20，其与腰部10连接，绕与水平面平行的第2轴Z2旋转；第1臂110，其与第2关节20连接，绕第2轴Z2旋转；第3关节30，与第1臂110连接，绕与第2轴Z2平行的第3轴Z3旋转；以及第2臂120，其与第3关节30连接，绕第3轴Z3旋转。

在本公开的实施方式中，第2臂120还具有：第4关节40，其绕与第3轴Z3垂直的第4轴Z4旋转；第5关节50，其绕与第4轴Z4垂直的第5轴Z5旋转；以及第6关节60，其绕与第5轴Z5垂直的第6轴Z6旋转。在第2臂120的前端122安装有前端执行器。

在图1中记载有表示多关节机器人100的“正面侧”的箭头F、以及表示“背面侧”的箭头R。在图1所示的例子中，多关节机器人100的“正面侧”和“背面侧”由包含第1轴Z1的平面(垂直面)中的与第2轴Z2平行的平面(基准垂直面)划分。基准垂直面随着腰部10的回旋而绕第1轴Z1回旋。

如后所述，根据本公开的实施方式中的多关节机器人100，能够使第2臂的前端从多关节机器人100的“正面侧”移动(path-through)到“背面侧”，或者从“背面侧”移动到“正面侧”。另外，如上所述，在图1和图2等附图中记载的多关节机器人100具有极其简化了实施例的具体结构(例如图12A和图12B所示的结构)后的结构。

在图14中示出了与本实施方式中的多关节机器人100进行对比的现有的多关节机器人的结构例。图14的多关节机器人具有：腰部1；第2关节2，其与腰部1连接，与水平面平行地旋转；第1臂7，其与第2关节2连接，绕第2关节2的轴旋转；第3关节3，其与第1臂7连接，绕与第2关节2的轴平行的轴旋转；以及第2臂8，其与第3关节3连接，绕与第3关节3的轴垂直的轴旋转。第2臂8还具有：第4关节4，其绕与第3关节3的轴垂直的轴旋转；第5关节5，其绕与第4关节4的轴垂直的轴旋转；以及第6关节6，其绕与第5关节5的轴垂直的轴旋转。沿着第4关节4的轴观察时的从第3关节3经过第4关节4至第5关节5的端部的长度比从第3关节3至第2关节2上端的距离长。当第2臂8在比第3关节3靠下的位置意图从“正面侧”向“背面侧”或从“背面侧”向“正面侧”移动时，会与第2关节2碰撞。

根据这样的现有的多关节机器人，要想使第2臂8的前端从多关节机器人的“正面侧”向“背面侧”、或者从“背面侧”向“正面侧”移动，需要使第2臂8绕第3关节3的旋转轴向上方大幅旋转而经过第1臂7和第2臂8呈直线状延伸的状态的运动。要想执行这样的运动，需要在多关节机器人的上方确保较大的空间。

图3示出了本实施方式的多关节机器人100中的各关节的关系。图3中所记载的图记号包含图4和图5所示的两种关节。图4和图5分别示意性地示出了旋转运动的不同方向。图4的关节是旋转关节的一种，被称为滚动关节或扭转关节。图5的关节是旋转关节的一种，被称为俯仰关节或枢轴关节。串联连结了6个旋转关节而成的多关节机器人通常被称为“6轴垂直多关节机器人”。

在图3中记载了从固定在基台上的关节J1起串联连结的关节J2、J3、J4、J5、J6，该基座具有与水平面H平行的上表面。在该例子中，关节J1、J4、J6是滚动关节，关节J2、J3、J5是俯仰关节。为了简单起见，连结相邻的两个关节的连杆均为直线状，但相当于连杆的刚体部分的形状并不限于直线状。6个关节J1-J6相当于上述第1关节至第6关节。从靠近基台的一侧数第k个(k＝1、2、…、6)关节Jk的旋转角度、即关节变量为θk。6个关节变量θk(k＝1、2、…、6)规定了关节空间内的坐标。与此相对，作业空间的坐标由第2臂120的前端的位置和姿势的坐标(x，y，z，α，β，γ)^T规定。这里，上标“T”是指矢量或矩阵的转置的记号。

图3的“基准点”表示第2臂基准点。该基准点与手腕基准点一致。将第2臂基准点向水平面H垂直地投影而得的点Pr称为“第2臂基准点的投影点”或“投影点”。即使关节J5的关节变量θ5的大小从图3所示的状态变化，第2臂基准点的位置也不变化，因此投影点Pr在水平面H内的位置也不变化。即使关节J4、J6的关节变量θ4、θ6的大小变化，也是同样的。但是，例如当关节J1的关节变量θ1的大小变化时，第2臂基准点的位置以及投影点Pr在水平面H内的位置绕第1轴Z1(垂直轴)旋转。这样，第2臂基准点和投影点Pr的位置依赖于关节变量θ1、θ2、θ3，但不依赖于关节变量θ4、θ5、θ6。

再次参照图2。如图2所示，本实施方式中的第4轴Z4、第5轴Z5以及第6轴Z6相互垂直，并且在一点处交叉。图1和图2所示的第4关节40、第5关节50以及第6关节60形成欧拉型的手腕。手腕可以是仅由滚动关节构成的三辊型，也可以是其他型。

接下来参照图6和图7。图6是包含垂直轴的平面中的、与关节J2、J3的旋转轴(第2轴Z2、第3轴Z3)垂直的平面与纸面一致的图。另外，图7是包含垂直轴以及关节J2、J3的旋转轴(第2轴Z2、第3轴Z3)的平面与纸面一致的图。对图6的状态和图7的状态进行比较，关节J3的关节变量的值θ3存在差异，但其他关节J1、J2、J4-J6的各关节变量没有差异。在图6和图7的任一状态下，第1臂均沿与垂直轴平行的方向延伸。另外，虽然第2臂120所延伸的方向不同，但第2臂120本身笔直地延伸。

在本公开中，将图7的状态定义为多关节机器人的基准状态。基准状态下的6个关节J1-J6的关节变量的值均为0弧度。通过从图7的状态仅增大或减小关节J3的关节变量θ3的大小，实现图6的状态。

图8是示意性地示出图7所示的状态的多关节机器人100的结构例的主视图。在多关节机器人100中，在第2臂120与第1臂110之间以及第2臂120与腰部10之间设置有间隙，在第1臂110与第1轴Z1平行地延伸时，该间隙能够供绕第3轴Z3旋转的第2臂120横穿被第2轴Z2和第3轴Z3夹着的平面区域。该间隙由图8中的箭头C示意性地表示。

对于任意的第4关节40的关节变量θ4和第5关节50的关节变量θ5的各值，不需要始终确保间隙。例如，考虑了如下状态：第4关节40的关节变量θ4的大小从图8所示的状态变化，第5关节50的旋转轴(第5轴Z5)与第2轴Z2和第3轴Z3垂直。在该状态下，当第5关节50的关节变量θ5的大小从图8的状态变化时，第2臂120的一部分有可能与腰部10等发生干涉。因此，只要至少在第4关节40和第5关节50的关节变量θ4、θ5具有限定的范围内的大小时获得间隙即可。典型地说，要求在第2臂120笔直地延伸时，例如在多关节机器人的基准状态下，确保上述间隙。

在图7和图8所示的结构例中，第2臂120的中心轴(与第4轴Z4一致)在与垂直轴(第1轴Z1)平行时，从垂直轴(第1轴Z1)沿水平方向偏移。如果存在这样的偏移，则能够利用腰部10的旋转，提高第2臂120的前端的移动速度。这里，将腰部10的第1关节的旋转速度设为ω1，将第3关节30的旋转速度设为ω3，将从第3轴Z3至手腕基准点的距离设为L3，将偏移的大小设为L_off。L_off是从第1轴Z1至第2臂120中心轴(第4轴Z4)的距离。此时，使第2臂120以呈直线状延伸的状态旋转时的手腕基准点的移动速度用ω3·L3+ω1·L_off表示。因存在非零的L_off，腰部10的旋转能够使手腕基准点的移动速度和速度增加。

图9和图10是示意性地示出其他结构例的图。

在图9的例子中，关节J4的位置离开关节J3，而接近关节J5。关节J4只要位于关节J3与关节J5之间，则可以位于第2臂的中心轴上的任何位置。当关节J4位于接近关节J3的位置时，可以说关节J4与关节J3一起形成了自由度为2的肘。另一方面，当关节J4位于接近关节J5的位置时，可以说关节J4与关节J5和关节J6一起形成自由度为3的手腕。

在图10的例子中，关节J4的旋转轴(第4轴Z4)与关节J1的旋转轴(第1轴Z1)一致。换言之，第2臂120的中心轴在与垂直轴平行时，不从垂直轴沿水平方向偏移。因此，第2臂基准点和投影点Pr位于关节J1的旋转轴(第1轴Z1)上。

图11是示意性地示出图10所示的状态的多关节机器人100的结构例的主视图。在该多关节机器人100中，也在第2臂120与第1臂110之间以及第2臂120与腰部10之间设置有间隙，在第1臂110与第1轴Z1平行地延伸时，该间隙能够供绕第3轴Z3旋转的第2臂120横穿被第2轴Z2和第3轴Z3夹着的平面区域。该间隙由图11的箭头C示意性地表示。

在上述的任一例子中，腰部10均位于第2轴Z2的下方。因此，当第2臂120运动时，确保相对于腰部10的间隙是很重要的。

图12A是示出绕第3轴Z3旋转的第2臂120即将横穿被第2轴Z2和第3轴Z3夹着的平面区域之前的第2臂120的姿势的立体图。另外，图12B是同时描绘了多关节机器人100在不同的4个时机T1、T2、T3、T4可以采取的4个姿势的立体图。在图示的例子中，多关节机器人100的姿势从时机T1至T4变化。此时，第2臂120的前端通过腰部10的附近。

控制器200为了确保间隙，可以对关节变量θ4、θ5设定预先确定的角度。“预先确定的角度”是能够确保上述间隙的第4关节40和第5关节50的角度。第4关节40和第5关节50的各马达旋转，以使得第4关节40和第5关节50成为由关节变量θ4、θ5分别指定的角度。由此，第4关节40和第5关节50的各马达旋转，确保上述的间隙。

各马达的旋转的开始时刻可以根据预先确定的“规定时间”来决定。第4关节40的马达的“规定时间T4”是使第4关节40的角度与关节变量θ4一致为止所需的规定时间。第5关节50的马达的“规定时间T5”是使第5关节50的角度与关节变量θ5一致为止所需的规定时间。

在本说明书中，将绕第3轴Z3旋转的第2臂120横穿被第2轴Z2和第3轴Z3夹着的平面区域时的多关节机器人100的姿势称为“臂特异姿势”或简称为“特异姿势”。当多关节机器人100采取特异姿势时，第1臂110和第2臂120成为折叠的状态。在本公开中，多关节机器人100采取特异姿势时的第3关节30的关节变量(第3轴Z3的旋转角度)θ3为0度。当多关节机器人100采取特异姿势时，只要在第2臂120与腰部10之间确保间隙即可。

另外，第2关节20的角度或第1臂110相对于水平面H的角度不会影响多关节机器人100的特异姿势。当多关节机器人100采取特异姿势时，第1臂110可以与第1轴Z1平行，也可以不平行于第1轴Z1。在多关节机器人100采取特异姿势的前后，第1臂110可以运动，也可以不运动。即使维持第1臂110相对于水平面H倾斜的状态，通过第2臂120运动，多关节机器人100也能够采取特异姿势。

控制器200从多关节机器人100采取特异姿势的时刻T起算，从时刻T4以上之前的时刻开始第4关节40的马达的旋转，从该时刻T起算，从时刻T5以上之前的时刻开始第5关节50的马达的旋转。由此，最迟在多关节机器人100采取上述特异姿势之前，换言之，在第2臂120横穿上述平面区域之前，确保了上述的间隙。

以下，一边参照图13，一边对随着第2臂120的运动而第2臂基准点的投影点Pr所描绘出的轨迹的例子进行说明。对于具有图1和图2所示的结构的多关节机器人100，首先对腰部10不回旋的动作的例子进行说明。图13的(a1)～(a4)是示意性地示出多关节机器人100的姿势的立体图，图13的(b1)～(b4)是示出水平面上的投影点Pr的轨迹的图。该水平面是包含第2轴Z2并且与第1轴Z1垂直的平面。在图13的(b1)～(b4)中记载的圆Cs是第1臂110与第1轴Z1平行，并且第1臂110和第2臂120处于特异姿势时的第2臂基准点的投影点通过腰部10的旋转而形成的轨迹。在本公开中，有时将圆Cs称为“特异点的轨迹圆”。

在图13的(a1)、(b1)所示的状态下，将第2臂120的基准点投影到水平面而得的点(投影点)Pr位于远离第1轴Z1的位置。

在图13的(a2)、(b2)所示的状态下，通过第2臂120绕第3轴Z3旋转，投影点Pr接近第1轴Z1。

在图13的(a3)、(b3)所示的状态下，第1臂110和第2臂120采取特异姿势。此时，投影点Pr位于特异点的轨迹圆Cs上，最接近第1轴Z1。

在图13的(a4)、(b4)所示的状态下，投影点Pr逐渐远离第1轴Z1。

在图13的例子中，由于腰部10不回旋，因此手腕基准点的投影点Pr形成直线的轨迹。该轨迹是特异点的轨迹圆Cs的切线。投影点Pr的轨迹与圆Cs的切点的位置根据腰部10的第1关节J1的关节变量(θ1)而不同。

在本公开的多关节机器人100通过前端执行器把持对象物并进行运送的情况下，需要进行比图13所示的运动复杂的运动。这种复杂的运动可以包含腰部10的回旋。但是，本公开的多关节机器人100的特征在于，即使在腰部10回旋时，也能够进行采取图13的(a3)所示的特异姿势的运动。

如上所述，图14所示的现有的多关节机器人未设置上述的间隙。根据这样的多关节机器人，无法实现图13所示那样的运动。

一般来说，在控制多关节机器人的姿势时，避免了积极地采取特异姿势。其原因是，在多关节机器人接近特异姿势时或采取特异姿势时，尽管前端执行器的移动很小，但产生了多关节机器人非常大幅移动或者因错误而停止的情况。

当用户示教前端执行器在三维空间内的移动路径时，控制器根据移动路径的微小的变化量计算出各关节的角度的变化量来设定关节变量。这样的多关节机器人的动作模式可以被称为按照“逆运动学”的控制模式。要想在按照逆运动学的控制模式下计算出角度的变化量，需要求出后述的雅可比矩阵的逆矩阵。随着接近特异姿势，雅可比矩阵的矩阵式接近0，因此逆矩阵的要素变得非常大，其结果是，有时角度的变化量急剧变大。并且，由于在特异姿势中不要求逆矩阵，因此也可能发生控制器无法设定关节变量而因错误停止的情况。

本申请发明人发现了允许多关节机器人采取特异姿势，并且使多关节机器人顺畅且快速地动作的控制方法。

以下，一边参照图15至图18，一边对在腰部10回旋的动作的中途第1臂110和第2臂120采取特异姿势的动作的例子进行说明。图15、图16以及图18示出了将位于三维空间(作业空间)内的各种位置的点向水平面垂直地投影时的水平面上的点或点的轨迹。轨迹圆Cs像上述那样是第1臂110与第1轴Z1平行时的特异点的轨迹。在本公开中，将三维空间内的点向水平面垂直地投影而得的点称为“投影点”。另外，将连结三维空间内的2个点的线段向水平面垂直地投影而得的线段称为“投影线段”。“投影线段”有时也意味着连结水平面上的两个投影点的线段。

在图15、图16以及图18中示出了投影点P11和P22。投影点P11和P22分别表示开始多关节机器人100的移动的初始位置和结束移动的结束位置的各投影点。“初始位置”和“结束位置”通常是抓住工件的位置和放置工件的位置，可以通过设置有多关节机器人100的作业线的配置等来确定。另外，“初始位置”和“结束位置”的坐标可以由控制器200根据使用安装在多关节机器人100的前端执行器附近的照相机获取的图像数据来决定。另外，在本说明书中，有时将初始位置称为“第1位置”，将结束位置称为“第2位置”。

特异点的轨迹圆Cs的外侧的圆Cy表示在圆Cy的内部规定的就位区域的边界。“就位区域”是指能够看作第2臂基准点的投影点Pr到达了轨迹圆Cs的附近的区域。就位区域的范围(大小)可以任意设定。另外，圆Cy与为了确保上述的间隙而第4关节40和第5关节50的各马达开始旋转的位置没有特别关系。

图15示出了连结初始位置的投影点P11和结束位置的投影点P22的投影线段L12、由投影线段L12确定的第2条投影线段Lsa12。投影线段Lsa12是使投影线段L12平行移动至与特异点的轨迹圆Cs相接的位置(切点)S时的由与圆Cy的交点Ps1和Ps2张紧的弦。

在本公开中，控制器200控制关节变量θ1、θ2、θ3，以使得第2臂基准点的投影点Pr的路径(水平面投影路径)通过点Ps1和Ps2。以下，更具体地进行说明。

图16示出了第2臂基准点的水平面投影路径(实线)。图17用实线三维地示出图16所示的水平面投影路径。图17中的点P11’的水平面投影点是图16所示的点P11。同样地，图17中的点P22’、Ps1’、Ps2’、S’的水平面投影点分别是图16所示的点P22、Ps1、Ps2、S。另外，将图17中的点Ps1’和Ps2’作为两端点的线段或者将曲线Lsa12投影到水平面而得的线段是图16所示的投影线段Lsa12。在图16中，投影线段Lsa12通过切点S。同样地，在图17中，上述线段或曲线Lsa12’也通过切点S’。

控制器200根据第2臂基准点的投影点Pr的位置是位于水平面投影路径上的“就位区域”的外部还是位于内部，切换后述的逆运动学运算和顺运动学运算来驱动多关节机器人100。更详细地说，在使第2臂基准点的投影点Pr在就位区域的外部移动时，控制器200根据作业空间内的坐标进行逆运动学运算，计算出腰部10的第1关节、第2关节20以及第3关节30的关节变量的各值。此时，控制器200设定前端执行器的姿势，还计算出第4关节40、第5关节50以及第6关节的关节变量的各值。但是，第4关节40、第5关节50以及第6关节的关节变量的值对本实施方式中的第2臂基准点的位置没有影响。因此，在以下的说明中，为了简单起见，只要不特别需要，就不提及第4关节40、第5关节50以及第6关节60的动作。

控制器200以使腰部10的第1关节、第2关节20以及第3关节30旋转与计算出的关节变量的各值相当的角度的方式使设置在各关节上的马达旋转，控制第2臂基准点的动作。

在使第2臂基准点的投影点Pr在就位区域的内部移动时，控制器200使第2关节20和第3关节30的关节变量的各值依次变化。所谓“依次”是指例如在每1毫秒将控制指令值提供给马达的驱动电路。马达的控制通常可以通过伺服动作来执行。第2臂基准点在作业空间内的位置和姿势可以根据各关节变量的值通过顺运动学运算来计算出。

控制器200以使第2关节20和第3关节30旋转与变化后的关节变量的各值相当的角度的方式使设置在各关节上的马达旋转，控制第2臂基准点的运动。当第2臂基准点的投影点Pr到达切点S的位置时，第1臂110和第2臂120与腰部10的Z1轴平行，并且，多关节机器人100采取特异姿势。另外，在该例子中，在就位区域的内部，腰部10的第1关节可以不回旋。即，在就位区域的内部，控制器200固定腰部10的第1关节的关节变量的值。第2臂基准点的投影点Pr从点Ps1直线地移动至点Ps2。

当进行使第2关节20和第3关节30的关节变量的各值依次变化，使第2臂基准点的投影点Pr从位置Ps1移动至Ps2的动作(以下，称为“本公开的实施方式的动作”)时，可以得到以下优点。

首先，根据本公开的实施方式的动作，能够使第2臂基准点高速地移动。第2臂基准点以基于第2关节20的旋转的速度V2和基于第3关节30的旋转的速度V3合成而得的速度V移动。第2关节20和第3关节30均向从位置Ps1朝向位置Ps2的方向旋转。因此，速度V2和V3的符号相同。并且，由于第2臂基准点的投影点Pr沿着投影线段Lsa12直线地移动，因此当将速度V投影到水平面时，只出现移动方向的速度分量。因此，第2臂基准点可以高速地移动。

作为比较对象，考虑基于使腰部10回旋的动作的第2臂基准点的移动速度。这里所说的“使腰部10回旋的动作”是指第2臂基准点的投影点Pr关于连结投影点P11和投影点P22的投影线段L12在腰部10的与Z1轴相反的一侧的水平面上一边较大地描绘弧一边移动的动作。

腰部10的第1关节需要支撑第1臂110、第2臂120以及前端执行器的所有重量，并且使它们一体地回旋。因此，在第1关节上设置有用于产生比其他关节大的扭矩的马达和减速机构。通过设置注重扭矩的减速机构，第1关节的回旋速度(旋转速度)被抑制，第2臂基准点的移动速度相对变慢。因此，根据本公开的实施方式的动作，能够使第2臂基准点比使腰部10回旋的动作高速地移动。并且，本公开的实施方式的动作可以仅通过使第2关节20和第3关节30的关节变量的各值依次变化来实现，因此控制器200的处理负荷非常轻。

另外，多关节机器人100在采取特异姿势进行动作时，由于第1臂110和第2臂120被折叠，因此第1臂110和第2臂120的惯性力矩最小。当处于特异姿势时，能够抑制第2关节20旋转时产生的扭矩的大小。由于能够抑制负荷而使第2关节20进行动作，因此第2关节20和第1臂110的举动稳定，由此，设置在第1臂110的另一端的第3关节30也能够稳定地进行动作。能够将第2关节20和第3关节30的各马达所要求的加速扭矩抑制得更小。

并且，当进行本公开的实施方式的动作时，能够将设置多关节机器人100所需的空间(设置空间)抑制得更小。比较的对象是进行使腰部10回旋的动作的情况下的多关节机器人100的设置空间的大小。现在，考虑在水平面上的与投影线段L12垂直的方向上，第2臂基准点的投影点Pr从腰部10的Z1轴位移的量(位移量)D。

在本公开的实施方式的操作中，该位移量D的最大值是从切点S至投影线段L12的距离。另一方面，在“使腰部10回旋的动作”中，该位移量D的最大值由在投影线段L12的相反侧描绘出的圆弧决定，明显比从切点S至投影线段L12的距离大。多关节机器人100的设置空间的大小由多关节机器人100的可动区域决定。因此，根据本公开的实施方式的动作，能够将多关节机器人100的设置空间抑制得更小。

这里，补充说明按照顺运动学的控制模式与按照逆运动学的控制模式之间的不同点。

式(1)示出了规定第2臂120的前端的位置和姿势的坐标与6个关节变量的关系。

【数学式1】

作业空间内的位置坐标用x、y、z表示，姿势坐标用α、β、γ表示。如式(1)所示，这些坐标分量分别是关节变量θ1～θ6的函数(非线性函数)。6个函数用f₁～f₆表示。

在坐标分量的微分与关节变量的微分之间，式(2)所示的线性关系成立。

【数学式2】

式(2)中的6行6列的矩阵被称为雅可比矩阵(雅可比)。如式(3)所示，将式(2)的关系式中的左边的矢量设为Δx，将右边的矢量设为Δθ，将雅可比矩阵设为J。

【数学式3】

根据式(2)得到式(4)的关系式。如果将式(4)的雅可比矩阵J的逆矩阵表示为J-¹，则根据式(4)可以得到式(5)的关系式。

【数学式4】

Δx＝JΔθ…(4)

【数学式5】

Δθ＝J^-1Δx…(5)

根据式(4)，能够根据Δθ计算出Δx(顺运动学运算)。另外，根据式(5)，能够根据Δx计算出Δθ(逆运动学运算)。为了在作业空间内决定第2臂120的前端的轨道，并使多关节机器人执行沿着该轨道的动作，需要进行根据Δx计算出Δθ的运算(逆运动学运算)。但是，为了执行该运算，需要雅可比矩阵的逆矩阵(J^-1)。在特异点处，由于雅可比矩阵的矩阵式为零，因此不存在雅可比矩阵的逆矩阵(J^-1)。

在本公开的实施方式中，当第2臂基准点位于特异点及其附近时，换言之，当第2臂基准点的投影点Pr位于就位区域的内部时，进行基于顺运动学运算的控制。由此，能够顺利地执行不避免特异姿势的通过动作(图13)。

上述优点在与为了避免特异姿势而使腰部10大幅回旋而将工件从初始位置运送至结束位置的情况进行比较时尤其显著。此外，上述优点在与一边使腰部10的第1关节、第2关节20以及第3关节30进行复杂的动作一边使第2臂基准点的投影点Pr从投影点P11直线地移动至投影点P22的情况进行比较时也是显著的。

图18示出了与图16所示的例子相比能够使多关节机器人100更高速且顺畅地进行动作的水平面投影路径Lsb12(实线)的例子。在作为圆Cy的内部的就位区域内，水平面投影路径Lsb12是通过上述切点S的曲线。与图16的例子同样地，当第2臂基准点的投影点Pr到达切点S的位置时，第1臂110和第2臂120与腰部10的Z1轴平行，并且，多关节机器人100采取特异姿势。

为了使第2臂基准点的投影点Pr沿着图示的曲线的水平面投影路径Lsb12移动，控制器200除了使第2关节20和第3关节30的关节变量的各值依次变化之外，还使腰部10的第1关节的值也依次变化。“依次”的例子像上述那样。

通过追加进行腰部10的回旋动作，若以图16的例子为基准，则在第2臂基准点的速度V中还合成有随着回旋的速度Vr。随着回旋的速度Vr是作为腰部10的第1关节的角速度与从回旋中心至第2臂基准点的水平面上的长度的乘积而得到的。第2臂基准点以基于第2关节20的旋转的速度V2、基于第3关节30的旋转的速度V3以及随着回旋的速度Vr的分量之和进行移动。因此，第2臂基准点可以比图16所示的例子高速地进行动作。

另外，图16中的从投影点P11至投影点Ps1的路径以及从投影点Ps2至投影点P22的路径是直线，但也可以是曲线。另外，在三维地示出图16的图17中，从投影点P11’至投影点Ps1’的路径以及从投影点Ps2’至投影点P22’的路径也是直线，但也可以是曲线。在图18的例子中，从投影点P11至水平面投影路径Lsb12与圆Cy最初交叉为止的路径以及从水平面投影路径Lsb12与圆Cy第2次交叉的点至投影点P22的路径可以是直线，也可以是曲线。在三维空间中看到的第2臂基准点的轨迹也是任意的。图19示出了从投影点P11至投影点P22的两个水平面投影路径TR1和TR2。水平面投影路径TR1是如下的路径：通过在就位区域的内外切换顺运动学运算和逆运动学运算，使工件从初始位置的投影点P11移动至结束位置的投影点P22。即，在水平面投影路径TR1的中途，多关节机器人100采取特异姿势。水平面投影路径TR1可以与图18中的水平面投影路径Lsb12相同。

另一方面，水平面投影路径TR2是如下的路径：主要通过多关节机器人100的腰部10的回旋动作，使工件从初始位置的投影点P11移动至结束位置的投影点P22。水平面投影路径TR2上也可以说是多关节机器人100避免特异姿势的路径。

控制器200选择两个路径中的一个路径。选择的基准例如是用户的指示、所需时间的长短。

在选择的基准是用户的指示的情况下，用户使用未图示的输入装置、例如悬挂件、键盘或鼠标，指定是采取特异姿势的路径TR1还是避免特异姿势的路径TR2。控制器200选择由用户指定的路径，并按照该路径进行动作。

在选择的基准是所需时间的长短的情况下，控制器200针对路径TR1和TR2，分别计算出使第2臂120的前端从初始位置移动至结束位置的所需时间，选择所需时间较短的路径。

图20A示出了在第2臂120的前端122安装有前端执行器130的多关节机器人100。图20A所示的多关节机器人100是图1及图2等所示的方式的机器人。

当多关节机器人100的第2臂120向正下方笔直地延伸并且采取特异姿势时，前端执行器130的前端部与地面G发生干涉。因此，控制器200例如在使第5关节50的马达旋转而采取特异姿势时，在前端执行器130与地面G之间设置间隙。

图20B示出了在前端执行器130与地面G之间确保了间隙C的多关节机器人100的姿势。在图20B的例子中，通过第5关节50的马达旋转而使第5关节50旋转90度，使第6关节60的第6轴Z6朝向与纸面垂直的方向，确保了间隙C。

使第5关节50旋转的角度可以根据前端执行器130的形状、大小等参数来决定。用户使用未图示的输入装置，例如悬挂件、键盘或鼠标来指定参数。或者，用户也可以将保存有参数的电子文件导入到控制器200中。

控制器200根据所指定的参数，判定在第6关节60上安装有前端执行器130的状态下且多关节机器人100采取了特异姿势时的前端执行器130的下端位置是比地面G的水平面高还是与该水平面相同或比它低。控制器200在前端执行器130的下端位置与地面G的水平面相同或比它低的情况下，以使第5关节50旋转90度的方式设定关节变量θ5。由此，当多关节机器人100采取特异姿势时，确保了间隙C。

另外，即使将关节变量设定为90度，在前端执行器130的下端位置成为地面G的水平面以下的情况下，控制器200也能够选择在安装了这样的前端执行器130的状态下不进行本公开的实施方式的动作。此时，控制器200也可以通过声音、文字、警报、光的闪烁等向用户通知进行避免特异姿势的动作。

当在第2臂120的前端122安装有姿势变化的前端执行器130的情况下，前端执行器130的参数可以包含可动区域的数据。

图20C示出了以第6关节60的第6轴Z6为中心而进行旋转的前端执行器140的例子。图20D示出了作为前端执行器140的参数的、以图20C作为基准位置时的前端执行器140的旋转的范围(角度)

控制器200在多关节机器人100采取特异姿势并且前端执行器140以能够采取的最大角度位移的情况下，判定前端执行器140的最远端是否与腰部10或第1臂110发生干涉。前端执行器140的最远端是指离作为旋转中心的第6轴Z6最远的点或面。前端执行器140的最远端可以根据作为前端执行器140的参数而赋予的形状、尺寸来决定。在前端执行器140的最远端与腰部10等发生干涉的情况下，控制器200例如以使第4关节40向与腰部10或第1臂110相反的一侧旋转90度的方式设定关节变量θ4。由此，当多关节机器人100采取特异姿势时，确保了间隙C。

图21是示意性地示出本公开的多关节机器人系统的实施例的立体图。在图21中，同时描绘了在图12B所示的不同的四个时机下的多关节机器人100的姿势。这是为了明确多关节机器人100的动作范围。在图21的多关节机器人系统中，安装在第2臂120的前端的作为前端执行器的把持部把持从托盘台接收到的托盘上的工件(未图示)，并向图中的左侧运送。

图21的多关节机器人系统配置在壳体内，该壳体具有第1罩140A和第2罩140B，该第1罩140A具有弯曲面，该第2罩140B具有平坦面。为了示出多关节机器人100的动作，第1罩140A和第2罩140B被描绘为透明的，但这些罩的一部分或全部也可以由不透明的材料形成。

由第2臂120的动作可知，第1罩140A的弯曲面具有与第3关节30的轨迹的一部分(描绘出弧的轨迹部分)相匹配的形状。因此，与由垂直的平坦面构成第1罩140A的情况相比，能够减小从第1罩140A至第3关节30的间隙。

通过采用这样弯曲的壳体，由于在空间中产生了富余部分，因此也可以在第1罩140A的外侧配置未图示的显示器和扫描面板等而有效地利用空间。

另外，由图21可知，根据本公开的多关节机器人100，能够在现有的多关节机器人中无法实现的那样的紧凑的空间的内部实现运送动作。

产业上的可利用性

本公开的多关节机器人可以在要求在紧凑的空间内执行工件运送、部件组装、涂装等作业的各种领域中很好地利用。

标号说明

10：腰部；20：第2关节；30：第3关节；40：第4关节；50：第5关节；60：第6关节；100：多关节机器人；110：第1臂；120：第2臂；200：控制器。

Claims (17)

1.一种多关节机器人，其具有：

腰部，其具有绕作为垂直轴的第1轴旋转的第1关节，该腰部绕所述第1轴回旋；

第2关节，其与所述腰部连接，绕与水平面平行的第2轴旋转；

第1臂，其与所述第2关节连接，绕所述第2轴旋转；

第3关节，其与所述第1臂连接，绕与所述第2轴平行的第3轴旋转；以及

第2臂，其与所述第3关节连接，绕所述第3轴旋转，

在所述第2臂与所述第1臂之间以及所述第2臂与所述腰部之间设置有间隙，在所述第1臂与所述第1轴平行地延伸时，该间隙能够供绕所述第3轴旋转的所述第2臂横穿被所述第2轴和所述第3轴夹着的平面区域。

2.根据权利要求1所述的多关节机器人，其中，

所述第2臂具有：

第4关节，其绕与所述第3轴垂直的第4轴旋转；以及

第5关节，其绕与所述第4轴垂直的第5轴旋转。

3.根据权利要求2所述的多关节机器人，其中，

所述第2臂还具有第6关节，该第6关节绕与所述第5轴垂直的第6轴旋转。

4.根据权利要求3所述的多关节机器人，其中，

所述第4关节和所述第6关节分别是滚动关节，

所述第5关节是俯仰关节。

5.根据权利要求2至4中的任意一项所述的多关节机器人，其中，

所述间隙至少在所述第4关节和所述第5关节的关节变量具有限定的范围内的大小时得到。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的多关节机器人，其中，

所述第2臂的中心轴在与所述垂直轴平行时，从所述垂直轴沿水平方向偏移。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的多关节机器人，其中，

所述腰部位于所述第2轴的下方。

8.一种多关节机器人系统，其具有：

权利要求1至7中的任意一项所述的多关节机器人；以及

控制器，其控制所述多关节机器人，

各关节具有与所述控制器电连接的马达，

所述控制器通过使各马达旋转，而使所述第2臂产生横穿所述平面区域的运动。

9.根据权利要求8所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器在使所述第2臂的前端从第1位置移动到第2位置的情况下，选择在所述第2臂横穿所述平面区域时采取特异姿势的第1路径和所述第2臂不横穿所述平面区域而避免所述特异姿势的第2路径中的一方。

10.根据权利要求9所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器针对所述第1路径和所述第2路径分别计算使所述第2臂的前端从所述第1位置移动到所述第2位置的所需时间，选择所述所需时间较短的路径。

11.根据权利要求9所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器按照用户的指示选择所述第1路径和所述第2路径中的一方。

12.根据权利要求8所述的多关节机器人系统，其中，

在所述第2臂横穿所述平面区域而使所述第2臂的前端从第1位置移动到第2位置的情况下，将所述第2臂横穿所述平面区域时的特异姿势下的第2臂基准点向所述水平面垂直地投影而得的投影点通过所述腰部的回旋而描绘出的圆作为特异点轨迹圆，

所述控制器选择与将从所述第1位置至所述第2位置的线段向所述水平面垂直地投影而得的投影线段平行的所述特异点轨迹圆的切线，将所述第2臂基准点的所述投影点通过所述切线与所述特异点轨迹圆的交点的路径选择为所述第2臂基准点的水平面投影路径。

13.根据权利要求11所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器选择在所述水平面内向所述特异点轨迹圆的外侧扩展的就位区域，

将所述第2臂基准点的所述水平面投影路径划分成所述就位区域外的逆运动学运算部分和所述就位区域内的顺运动学运算部分，

当所述第2臂基准点的所述投影点在所述逆运动学运算部分移动时，所述控制器通过逆运动学运算，根据所述水平面投影路径上的坐标，计算所述第1关节和所述第2关节的关节变量的值，根据所述关节变量的计算出的所述值，使所述第1关节和所述第2关节各自的马达旋转，

当所述第2臂基准点的所述投影点在所述顺运动学运算部分移动时，所述控制器至少使所述第2关节的关节变量的值依次变化，并根据变化后的所述值，使所述第2关节的马达旋转。

14.根据权利要求13所述的多关节机器人系统，其中，

当所述第2臂基准点的所述投影点在所述顺运动学运算部分移动时，所述控制器还使所述第1关节的关节变量的值依次变化，并根据变化后的所述值，使所述第1关节的马达旋转。

15.根据权利要求8至14中的任意一项所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器根据前端执行器和运送物的形状使所述第2臂的姿势发生变化，以使得当所述第2臂横穿所述平面区域时所述前端执行器和所述运送物不与所述腰部发生干涉。

16.根据权利要求8至15中的任意一项所述的多关节机器人系统，其中，

所述控制器在所述第2臂横穿所述平面区域时，使所述腰部绕所述第1轴回旋。

17.根据权利要求8至16中的任意一项所述的多关节机器人系统，其中，

该多关节机器人系统还具有罩，该罩具有与所述第3关节的轨迹的至少一部分匹配的弯曲面。