JP2010058171A - パラレルリンクステージの制御方法およびパラレルリンクステージの制御プログラムならびにパラレルリンクステージ - Google Patents

Abstract

【課題】計算負荷を増大させることなく、また製作時の製造誤差等に影響されることなく、エンドエフェクタの位置制御精度を向上させることが可能なパラレルリンクステージの制御技術を提供する。
【解決手段】ベース６に支持された複数のアクチュエータ５ａ〜５ｆ、リンク３ａ〜３ｆ、駆動リンク４a〜４ｆ、可動リンク２ａ〜２ｆからなるパラレルリンク機構ｐを介してエンドエフェクタ１を可動に支持するパラレルリンクステージ７において、コントローラ２１に実装されたキャリブレーションプログラム２２により、エンドエフェクタ１の目標位置と実際に測定された移動位置との移動誤差を測定して近似式５１を成し、機構演算プログラム２３は、この近似式５１から目標位置に対応した移動誤差を得て補正後の目標位置を算出して移動指令を発行して、演算負荷を増大させることなく、エンドエフェクタ１を高精度に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パラレルリンクステージの制御方法およびパラレルリンクステージの制御プログラムならびにパラレルリンクステージに関する。

たとえば、特許文献１等に開示されているように、剛性が高く、自由度の高い動きを可能にするパラレルリンク機構を備えたパラレルリンクステージは、工作機械や観察装置の台座、ロボット、乗り物等のシュミレータを初めとして広範な応用分野で使用されている。

特許文献１では、駆動対象のトラベリングプレートの位置および姿勢に対する指令値とこの指令値による駆動制御後の前記トラベリングプレートの位置および姿勢の実測値とに基づいて、駆動制御の誤差を補正する媒介変数（機構パラメータ）を算出し、直交座標系で与えられる指令値を、前記媒介変数に基づき前記アクチュエータの出力値に変換して前記アクチュエータを制御する工作機械の制御方法が開示されている。

この従来技術のように機構パラメータを用いるパラレルリンクステージの制御方法では、以下の図５のフローチャートに示される制御方法が考えられる。
まず、キャリブレーション（位置制御系の較正）の実施判定（ステップ１００）において、キャリブレーションを実施する場合は、キャリブレーションを実施する（ステップ１０６）。

次に、キャリブレーションにより最適な機構パラメータを算出する（ステップ１０７）。キャリブレーションの完了判定（ステップ１０８）により、完了していない場合は、再びキャリブレーションを実施し（ステップ１０６）、完了の場合、または、キャリブレーションを実施しない場合は（ステップ１００）、直交座標系の目標値により直交座標系の指令値を生成する（ステップ１０１）。

次に、直交座標系の指令値をアクチュエータ移動量に変換する際に（ステップ１０２）、前述のステップ１０７のキャリブレーションにより算出した最適な機構パラメータを用いて、直交座標系の指令値をアクチュエータ移動量に変換する。次に、ステップ１０２にて算出したアクチュエータ移動量をアクチュエータへ出力する（ステップ１０３）。次に、アクチュエータの回転によりステージが移動し（ステップ１０４）、ステージの移動完了判定（ステップ１０５）により、完了でない場合は、再びステップ１０１〜１０４を実施し、完了の場合はステージの移動が完了し、動作が終了する。

しかし、上述の従来技術では、直交座標系の指令値をアクチュエータの移動量に変換する際（ステップ１０２）に、加工誤差や組立て誤差が原因で生じる機構パラメータの誤差を無くすように補正した機構パラメータ（ステップ１０７）をキャリブレーションにより算出した後、前記補正した機構パラメータを用いて、直交座標系の指令値をアクチュエータの移動量に変換している。

キャリブレーションにより算出した補正機構パラメータの総数は、特許文献１の例では、６軸×９種類＝５４個である。このように多数の機構パラメータを複雑な演算式により算出しなければならず、キャリブレーション時の計算処理の負荷が大きくなってしまう。

また、前記機構パラメータはステージの目標位置と実際の移動位置の誤差が最小になる機構パラメータを算出しているのであって、必ずしも製作時の製造誤差を含んだ真の機構パラメータの値を求めているわけではない。よって、僅かにステージの目標位置と実際の移動位置において誤差を生じる可能性がある。
特開平１１-１１４７７７号公報

本発明の目的は、計算負荷を増大させることなく、また製作時の製造誤差等に影響されることなく、エンドエフェクタの位置制御精度を向上させることが可能なパラレルリンクステージの制御技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、を含むパラレルリンクステージの制御方法であって、
前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１工程と、
本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２工程と、
を含むパラレルリンクステージの制御方法を提供する。

本発明の第２の観点は、ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、を含むパラレルリンクステージの制御プログラムであって、
前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１工程と、
本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２工程と、
をコンピュータに実行させるパラレルリンクステージの制御プログラムを提供する。

本発明の第３の観点は、ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、
前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１制御機能、および本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２制御機能を具備した制御手段と、
を含むパラレルリンクステージを提供する。

本発明によれば、計算負荷を増大させることなく、また製作時の製造誤差等に影響されることなく、エンドエフェクタの位置制御精度を向上させることが可能なパラレルリンクステージの制御技術を提供することができる。

本実施の形態の一態様では、キャリブレーションにより目標位置と実際の移動位置の誤差を求め、誤差の算出結果から、直交座標系の目標値を補正する補正量の近似式を算出する。本来の直交座標系の目標位置に前記近似式より算出した補正量を加算して、指令値を生成することで、本来の直交座標系の目標位置は、実際のパラレルリンクステージの移動位置と一致し、ステージの位置誤差が生じない。このように容易にキャリブレーションを行い、目標位置に補正量を加算するだけで、パラレルリンクステージの高精度化が実現できる。

すなわち、本実施の形態の第１態様にかかるパラレルリンクステージの制御方法を提供する手段を以下に説明する。本実施の形態のパラレルリンクステージは、エンドエフェクタであるテーブルを移動させるためのアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するためのドライバと、前記ドライバを制御するためのコントローラを具備する。上位機器からの命令で、コントローラに直交座標系の目標位置が入力される時に前記直交座標系の目標位置とキャリブレーションにより求めた補正量の近似式を用いて算出した補正量を加算して、補正後の目標位置として、指令生成部へ送出し、ステージの位置補正を行う。

また、本実施の形態の第２態様にかかるキャリブレーションの方法は、ステージであるエンドエフェクタの可動領域において、変位計等を用いて、直交座標系の目標位置に対する実際の移動位置の誤差を実測し、その測定値から目標位置に対する実際の移動位置の誤差の近似式を求める。

本実施の形態の上述の各態様のパラレルリンクステージの制御方法の作用を以下に説明する。まず、キャリブレーションにより目標位置と実際の移動位置の誤差を求め、誤差の算出結果から、直交座標系の目標位置を補正する補正量の近似式を算出する。

次に、前記目標位置に前記近似式より算出した補正値を加算して、補正後の目標位置より指令値を生成することで、本来の直交座標系の目標位置が、実際のステージの移動位置と一致し、誤差が生じない。

このように、容易にキャリブレーションを行い、目標位置を移動誤差分だけ補正し命令することによって、設計値と製作後の機械パラメータの誤差が原因で、目標位置通りに移動しないステージ位置の高精度化を実現させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（構成）
図１は、本発明の一実施の形態であるパラレルリンクステージの構成例を示す概念図である。

本実施の形態では、一例として、並進の３自由度と回転の３自由度、の合計で６自由度の相対運動が可能なパラレルリンク機構ｐを備えたパラレルリンクステージ７について説明する。

本実施の形態のパラレルリンクステージ７は、６自由度に移動するステージであるエンドエフェクタ１と、ベース６と、エンドエフェクタ１とベース６の間に配置されたパラレルリンク機構ｐを備えている。

パラレルリンク機構ｐには、エンドエフェクタ１に連結された可動リンク２ａ、可動リンク２ｂ、可動リンク２ｃ、可動リンク２ｄ、可動リンク２ｅ、可動リンク２ｆが備えられている。

また、パラレルリンク機構ｐには、ベース６に固定されたアクチュエータ５ａ、アクチュエータ５ｂ、アクチュエータ５ｃ、アクチュエータ５ｄ、アクチュエータ５ｅ、アクチュエータ５ｆを備えた駆動リンク４a、駆動リンク４ｂ、駆動リンク４ｃ、駆動リンク４ｄ、駆動リンク４ｅ、駆動リンク４ｆが設けられている。

さらに、パラレルリンク機構ｐは、一端が駆動リンク４a〜４ｆの各々に、他端が可動リンク２a〜２ｆの各々と連結された複数のリンク３ａ、リンク３ｂ、リンク３ｃ、リンク３ｄ、リンク３ｅ、リンク３ｆを有している。

また、本実施の形態のパラレルリンクステージ７は、パラレルリンク機構ｐのアクチュエータ５ａ〜５ｆを駆動するためのアクチュエータ駆動ドライバ２０と、前記アクチュエータ駆動ドライバ２０を制御するためのコントローラ２１を備えている。

また、パラレルリンクステージ７には、エンドエフェクタ１の位置を実測する図示しないセンサが配置されており、計測結果がコントローラ２１に入力される構成となっている。

コントローラ２１は、たとえば、コンピュータで構成され、パラレルリンクステージ７のパラレルリンク機構ｐを制御するための制御プログラム２１ａが実装されている。
この制御プログラム２１ａは、たとえば、パラレルリンク機構ｐの較正を行うキャリブレーションプログラム２２（第１制御機能）と、パラレルリンク機構ｐの制御を行う機構演算プログラム２３（第２制御機能）からなる。

キャリブレーションプログラム２２は、後述のように、エンドエフェクタ１の目標位置５３と、実測された移動誤差５４から、近似式５１を生成する処理をコントローラ２１に行わせる。

機構演算プログラム２３は、キャリブレーションプログラム２２から生成された近似式５１を用いて、目標位置５３から補正後の目標位置５２を得て、アクチュエータ駆動ドライバ２０を介して、個々のアクチュエータ５ａ〜５ｆを制御し、エンドエフェクタ１を、補正後の移動位置５５に移動させる制御を行う。

図２は、本実施の形態によるパラレルリンクステージ７の制御方法の一例を示すフローチャートである。
まず、制御プログラム２１ａは、キャリブレーションの実施判定（ステップ３０）において、キャリブレーションを実施する場合は、キャリブレーションプログラム２２を起動してキャリブレーションを開始する（ステップ３６）。

すなわち、キャリブレーションプログラム２２は、キャリブレーションにより目標位置５３と実際のステージの移動位置５６との誤差（移動誤差５４）を求め、誤差の近似式５１を算出する（ステップ３７）（第１工程）。

次に、キャリブレーションの完了判定（ステップ３８）で、完了していない場合は、再びキャリブレーションを実施する（ステップ３６）。
次に、キャリブレーションの完了判定（ステップ３８）で、完了している場合は（または、上述のステップ３０でキャリブレーションを実施しない場合は）、機構演算プログラム２３は、直交座標系の目標位置５３と、前記ステップ３７にて得られた近似式５１から得られる補正値を加算して、補正後の目標位置５２を決定する（ステップ３９）（第２工程）。

次に、機構演算プログラム２３は、ステップ３９にて生成される直交座標系の補正後の目標位置５２により直交座標系の指令値５２ａを生成する（ステップ３１）。
次に、機構演算プログラム２３は、直交座標系の指令値５２ａをアクチュエータ５ａ〜５ｆの各々のアクチュエータ移動量５２ｂに変換する（ステップ３２）。

次に、機構演算プログラム２３は、ステップ３２にて算出したアクチュエータ移動量５２ｂを、アクチュエータ駆動ドライバ２０を介してアクチュエータへ出力する（ステップ３３）。

次に、アクチュエータ５ａ〜５ｆの回転（作動）によりエンドエフェクタ１であるステージが移動し（ステップ３４）、アクチュエータ５ａ〜アクチュエータ５ｆからフィードバックされる検出移動量５２ｃ等に基づくエンドエフェクタ１の移動完了判定（ステップ３５）により、移動未完と判定された場合は、再びステップ３１〜３４を実施し、移動完了の場合はエンドエフェクタ１の移動が完了し、パラレルリンクステージ７の制御動作が終了する。

図３は、本実施の形態によるパラレルリンクステージ７に実装されたキャリブレーションプログラム２２によるキャリブレーションにより算出される誤差を示す量の近似式の一例を示す線図である。

本実施の形態のパラレルリンクステージ７のキャリブレーションプログラム２２によるキャリブレーリョンにより求めたステージ（エンドエフェクタ１）の目標位置に対する実際のステージの移動誤差５４と、移動誤差５４により算出した誤差の近似式５１を示す。

この近似式５１は、たとえば、図３のように得られた曲線を示す関数Ｆとして生成され、この関数Ｆの引数として目標位置５３を与えることにより、当該目標位置５３に対応した移動誤差５４が得られる。

図４は、本実施の形態のパラレルリンクステージ７におけるエンドエフェクタ１の位置の補正制御過程を示す概念図である。
この図４に例示されるように、目標位置５３への移動を実行した時に、本実施の形態の補正を行わない場合には、移動誤差５４の影響によって、ステージ（エンドエフェクタ１）は移動位置５６のように、目標位置５３から逸れた位置に移動する。

一方、本実施の形態のように、目標位置５３と誤差の近似式５１（関数Ｆ）より算出した誤差量（移動誤差５４）を補正値として目標位置５３に加算した補正後の目標位置５２を用いて移動指令を実行した場合には、補正後の移動位置５５は、目標位置５３に精度よく一致するように制御される。
（作用）
次に、本実施の形態のパラレルリンクステージの制御系の作用について説明する。

まず、パラレルリンクステージ７を制御するコントローラ２１内のキャリブレーションプログラム２２を用いたキャリブレーションにより、エンドエフェクタ１（ステージ）の目標位置５３に対する実際のステージの移動位置５６との誤差であるステージの移動誤差５４を求める。

次に、キャリブレーションプログラム２２は、前記ステージの複数の目標位置５３に対して測定された複数の移動誤差５４により、たとえば最小二乗法等を用いて、誤差の近似式５１（関数Ｆ）を算出する。

この近似式５１は、エンドエフェクタ１の全可動範囲内における任意の目標位置５３に対応した移動誤差５４を与える。
次に、パラレルリンクステージ７は、前記コントローラ２１に、直交座標系の目標位置５３が与えられると、機構演算プログラム２３は、直交座標系の目標位置５３を前記キャリブレーションにより算出した誤差の近似式５１に与え、移動誤差５４＝Ｆ（目標位置５３）のようにして、前記目標位置５３に対する移動誤差５４を求める。

次に、前記目標位置５３と前記移動誤差５４を加算し、補正後の目標位置５２として直交座標系の指令値５２ａを生成し、アクチュエータ移動量５２ｂに変換し、アクチュエータ駆動ドライバ２０へ出力することで、ステージであるエンドエフェクタ１の補正後の移動位置５５は、前記目標位置５３と同じ位置に移動する。

このようにして、パラレルリンク機構ｐの可動リンク２ａ〜２ｆや、駆動リンク４ａ〜４ｆ等の加工誤差や組立て誤差が原因で生じる機構パラメータの誤差を、計算負荷の小さい簡易なキャリブレーション方法を用いて、目標位置５３を補正することで吸収し、パラレルリンクステージ７のエンドエフェクタ１の高精度な移動制御が可能になる。

以上のような本発明の実施の形態によれば、計算負荷の小さい簡易なキャリブレーション方法にてパラレルリンク機構ｐの補正量を算出することができる。また、エンドエフェクタ１の実際の移動位置から移動誤差５４を与える近似式５１を生成するので、近似式５１が与える移動誤差５４は、可動リンクや駆動リンク等の加工誤差や組立て誤差が原因で生じる機構パラメータの誤差を含むものとなる。

従って、パラレルリンク機構ｐを構成する可動リンクや駆動リンク等の加工誤差や組立て誤差が原因で生じる機構パラメータの誤差を吸収したエンドエフェクタ１の位置補正が可能になり、高精度なパラレルリンクステージ７の移動制御を実現できる。

すなわち、計算負荷を増大させることなく、また製作時の製造誤差等に影響されることなく、エンドエフェクタの位置制御精度を向上させることが可能となる。
このため、コントローラ２１として、簡易なパーソナルコンピュータ等を用いて安価に、パラレルリンクステージ７の制御システムを構築することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、キャリブレーションでは、近似式５１の代わりに、目標位置５３に対応した移動誤差５４が格納されたデータテーブルを生成し、機構演算プログラム２３は、このデータテーブルにアクセスして目標位置５３から、対応する移動誤差５４を得るようにしてもよい。

（付記１）
ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が駆動リンクに、他端が可動リンクと連結された少なくとも３本のリンクを有するパラレルリンクステージにおいて、キャリブレーリョンにより算出した目標位置に対する実際の移動位置の誤差と本来の目標位置を加算し、補正後の目標位置として命令することにより、移動誤差補正することを特徴とするパラレルリンクステージ。

（付記２）
付記１記載のパラレルリンクステージにおいて、前記キャリブレーションでは、エンドエフェクタの可動領域において、目標位置に対する実際の移動位置の誤差を実測し、その測定値から目標位置に対する実際の移動位置の誤差の近似式を求めることを特徴とするパラレルリンクステージ。

本発明の一実施の形態であるパラレルリンクステージの構成例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるパラレルリンクステージの制御方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態であるパラレルリンクステージにおけるキャリブレーションの作用の一例を示す線図である。 本発明の一実施の形態であるパラレルリンクステージにおけるエンドエフェクタの位置の補正制御過程を示す概念図である。 本発明の参考技術である従来のパラレルリンクステージの制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンドエフェクタ
２a〜２ｆ 可動リンク
３ａ〜３ｆ リンク
４a〜４ｆ 駆動リンク
５ａ〜５ｆ アクチュエータ
６ ベース
７ パラレルリンクステージ
２０ アクチュエータ駆動ドライバ
２１ コントローラ
２１ａ 制御プログラム
２２ キャリブレーションプログラム
２３ 機構演算プログラム
５１ 近似式
５２ 補正後の目標位置
５２ａ 指令値
５２ｂ アクチュエータ移動量
５２ｃ 検出移動量
５３ 目標位置
５４ 移動誤差
５５ 補正後の移動位置
５６ 移動位置
ｐ パラレルリンク機構
Ｆ 近似式５１の関数

Claims (6)

1. ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、を含むパラレルリンクステージの制御方法であって、
   前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１工程と、
   本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２工程と、
   を含むことを特徴とするパラレルリンクステージの制御方法。
2. 請求項１記載のパラレルリンクステージの制御方法において、
   前記第１工程では、前記エンドエフェクタの可動領域において、前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を実測し、前記誤差の測定値から任意の前記目標位置に対する実際の移動位置の誤差を与える近似式を求め、
   前記第２工程では、前記近似式に基づいて本来の前記目標位置に対応した前記誤差を得ることを特徴とするパラレルリンクステージの制御方法。
3. ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、を含むパラレルリンクステージの制御プログラムであって、
   前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１工程と、
   本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２工程と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするパラレルリンクステージの制御プログラム。
4. 請求項３記載のパラレルリンクステージの制御プログラムにおいて、
   前記第１工程では、前記エンドエフェクタの可動領域において、前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を実測し、前記誤差の測定値から任意の前記目標位置に対する実際の移動位置の誤差を与える近似式を生成し、
   前記第２工程では、前記近似式に基づいて本来の前記目標位置に対応した前記誤差を得ることを特徴とするパラレルリンクステージの制御プログラム。
5. ベースと、エンドエフェクタと、前記ベースに固定されたアクチュエータを備える駆動リンクと、前記エンドエフェクタに連結された可動リンクと、一端が前記駆動リンクに連結され、他端が前記可動リンクに連結された少なくとも３本のリンクと、
   前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１制御機能、および本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いて前記アクチュエータを作動させることにより、前記エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２制御機能を具備した制御手段と、
   を含むことを特徴とするパラレルリンクステージ。
6. 請求項５記載のパラレルリンクステージにおいて、
   前記第１制御機能では、前記エンドエフェクタの可動領域において、前記エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を実測し、前記誤差の測定値から任意の目標位置に対する実際の移動位置の誤差を与える近似式を生成し、
   前記第２制御機能では、前記近似式に基づいて本来の前記目標位置に対応した前記誤差を得ることを特徴とするパラレルリンクステージ。