JP2011101938A - Robot and control device for the same - Google Patents

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JP2011101938A JP2009258558A JP2009258558A JP2011101938A JP 2011101938 A JP2011101938 A JP 2011101938A JP 2009258558 A JP2009258558 A JP 2009258558A JP 2009258558 A JP2009258558 A JP 2009258558A JP 2011101938 A JP2011101938 A JP 2011101938A
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axis
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Bunno Cho
Takashi Manba
Yuji Nakamura
裕司 中村
文農 張
崇 萬羽
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Yaskawa Electric Corp
株式会社安川電機
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint robot and a control device for the same independently controlling an attitude angle of a joint and rigidity and capable of attaining both sufficient safety and excellent control performance. <P>SOLUTION: The robot includes: a base; four motors installed on the base; four roll-up devices mounted to of the four motors, respectively; a support pillar installed on a surface of the base so that an axis center line becomes vertical; a spherical surface joint mounted to an upper end of the support pillar; a movable plate mounted to the spherical surface joint; four universal joints installed on a bottom of the movable plate; four wires assembled with a non-linear spring for connecting the four roll-up devices to the four universal joints, respectively; and an output shaft fixed to an upper surface of the movable plate so that an axis center line becomes vertical. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ワイヤと非線形バネを介して駆動剛性と3自由度姿勢を変えることができる関節ロボットおよびその制御装置に関する。 The present invention relates to a joint robot capable of changing drive rigidity and a three-degree-of-freedom posture via a wire and a non-linear spring, and a control device therefor.
最近、サービスロボットおよび人協調産業ロボットの研究は盛んに行われている。これらのロボットは人間と直接に接するため、安全性の保証は重要になっている。ロボット全体の安全性を保つため、ロボットの各関節は柔軟かつ軽量であることが要求される。そこで、従来技術は、センタロッドの周囲に圧縮コイルを配置すると共にワイヤ駆動を用いることにより、装置の柔軟化および軽量化を図っている(例えば、特許文献1参照)。   Recently, researches on service robots and human cooperative industrial robots have been actively conducted. Since these robots are in direct contact with humans, safety assurance is important. In order to maintain the safety of the entire robot, each joint of the robot is required to be flexible and lightweight. Therefore, in the conventional technique, the compression coil is arranged around the center rod and wire driving is used to make the apparatus flexible and light (see, for example, Patent Document 1).
特開平11−77577号公報(第5−8頁、図1)JP 11-77577 A (page 5-8, FIG. 1)
従来は、装置の剛性は圧縮コイルのバネ係数によって決められる。バネ係数を小さくすると、剛性が低くなり安全性が良くなるがエンドエフェクターの位置制御精度が落ちる。一方、バネ係数を大きくすると、エンドエフェクターの位置制御精度を向上することができるが剛性が高くなり安全性が悪くなる。すなわち、安全性と制御性能を両立させることが困難であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ワイヤに非線形バネ要素を組み込み、姿勢のフィードバック制御に必要なトルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えてワイヤの張力を制御し、関節の姿勢角度と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させ、良好な安全性と優れた制御性能を共に達成することができる関節ロボットおよびその制御装置を提供することを目的とする。
Conventionally, the stiffness of the device is determined by the spring coefficient of the compression coil. If the spring coefficient is reduced, the rigidity is lowered and the safety is improved, but the position control accuracy of the end effector is lowered. On the other hand, when the spring coefficient is increased, the position control accuracy of the end effector can be improved, but the rigidity is increased and the safety is deteriorated. That is, there is a problem that it is difficult to achieve both safety and control performance.
The present invention has been made in view of such problems. A nonlinear spring element is incorporated in the wire, and a wire tension command is given according to a torque command and a stiffness target command necessary for posture feedback control. To provide a joint robot capable of controlling the wire tension, causing the posture angle and stiffness of the joint to follow the target command independently and accurately, and achieving both good safety and excellent control performance, and a control device thereof. With the goal.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、基部と、前記基部に設置された4つのモータと、4つの前記モータに各々取り付けられた4つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられた球面ジョイントと、前記球面ジョイントに取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された4つの自在継手と、4つの前記巻取装置と4つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた4本のワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備え、前記球面ジョイントの球体部の球面中心点を原点Oとし、前記出力軸の軸中心線をZ軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をZ軸の正方向とし、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系XYZOを設け、前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点oとし、前記支持柱の軸中心線をz軸として前記基部の表面から離れる方向をz軸の正方向とし、前記出力軸の軸中心線が前記支持柱の軸中心線と一致した際にx軸およびy軸がそれぞれX軸およびY軸と平行となるように固定直交座標系xyzoを設け、4つの前記巻取装置がxoy座標系の異なる象限にあるように4つの前記モータを配置し、4つの前記自在継手をXOY座標系における位相が各々4つの前記巻取装置の前記xoy座標系における位相と同じ値になるように配置し、そして前記xoy座標系の第1象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第2象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第2象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第1象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第3象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第4象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第4象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第3象限にある前記自在継手を4本の前記ワイヤで各々連結するものである。
また、請求項2に記載の発明は、基部と、固定子が前記基部の上方に固定され回転子の軸中心線が前記基部の表面に平行する3つの巻取モータおよび回転子の軸中心線が基部420の表面に垂直する1つの旋回モータと、3つの前記巻取モータに各々取り付けられた3つの巻取装置と、前記旋回モータの可動子に連結された旋回伝動軸と、前記旋回伝動軸の上端に取り付けられたユニバーサルジョイントと、可動プレートと、前記可動プレートの上面の中央に固定された支持台と、2つ以上のスラスト軸受と、3つの自在継手と、3つの前記巻取装置と3つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた3本のワイヤと、前記ユニバーサルジョイントに取り付けられた出力軸とを備え、前記旋回モータが前記基部の中央に設置され、3つの前記巻取モータが前記基部の上方の中心とする円周上の互いに等角度をなす3箇所に設置され、3つの前記自在継手が前記可動プレートの下面の中心とする円周上の互いに等角度をなす3箇所に設置され、前記出力軸と前記支持台との間に2つ以上のスラスト軸受によって拘束されるものである。
また、請求項3に記載の発明は、姿勢角度の目標指令と剛性の目標指令とを生成する目標指令生成部と、前記各モータの回転角度を検出するエンコーダーと、前記各ワイヤの張力を検出する張力センサーとを備え、各ワイヤの張力指令と前記各ワイヤの張力信号とに基づいて張力の制御を行いながら、前記姿勢角度の目標指令と前記剛性の目標指令および前記各モータの回転角度信号に基づいて前記各ワイヤの張力指令を生成し前記関節ロボットの姿勢角度および剛性を制御し、前記各モータの回転角度信号および前記各ワイヤの張力信号に基づいて姿勢角度の推定値を算出する姿勢角度推定部と、前記姿勢角度の目標指令と前記姿勢角度の推定値との偏差を入力しトルク指令を出力する姿勢角度制御部と、前記トルク指令と前記剛性の目標指令および前記姿勢角度の推定値に基づいて張力指令を算出する張力指令計算部とを備えたものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
In the first aspect of the present invention, the base, the four motors installed on the base, the four winding devices respectively attached to the four motors, and the axial center line perpendicular to the surface of the base A support column installed at the top, a spherical joint attached to the upper end of the support column, a movable plate attached to the spherical joint, four universal joints installed at the bottom of the movable plate, and four Four wires incorporating a non-linear spring for connecting the winding device and the four universal joints one-on-one, and an output shaft fixed so that an axial center line is perpendicular to the upper surface of the movable plate A spherical center point of the spherical portion of the spherical joint is defined as an origin O, an axial center line of the output shaft is defined as a Z axis, and a direction away from the upper surface of the movable plate is defined as a positive direction of the Z axis. A moving orthogonal coordinate system XYZO is provided, and the intersection of the axis of the support column and the surface of the base is the origin o, and the axis of the support column is the z-axis away from the surface of the base Fixed orthogonal coordinates so that the x axis and the y axis are parallel to the X axis and the Y axis, respectively, when the direction is the positive direction of the z axis and the axis center line of the output axis coincides with the axis center line of the support column The system xyz is provided, the four motors are arranged so that the four winding devices are in different quadrants of the xy coordinate system, and the four universal joints have four phases in the XOY coordinate system. The xoy coordinate system is arranged so as to have the same value as the phase in the xoy coordinate system, and the winding device in the first quadrant of the xoy coordinate system and the universal joint in the second quadrant of the XOY coordinate system are In the second quadrant of the system The winding device and the universal joint in the first quadrant of the XOY coordinate system, the winding device in the third quadrant of the xy coordinate system and the universal joint in the fourth quadrant of the XOY coordinate system, The winding device in the fourth quadrant of the xoy coordinate system and the universal joint in the third quadrant of the XOY coordinate system are respectively connected by four wires.
According to a second aspect of the present invention, there are provided a base portion, three winding motors in which the stator is fixed above the base portion, and the axial center line of the rotor is parallel to the surface of the base portion, and the axial center line of the rotor One swing motor perpendicular to the surface of the base 420, three winding devices respectively attached to the three winding motors, a swing transmission shaft connected to a mover of the swing motor, and the swing transmission A universal joint attached to the upper end of the shaft, a movable plate, a support fixed to the center of the upper surface of the movable plate, two or more thrust bearings, three universal joints, and three winding devices Three wires incorporating a nonlinear spring for connecting the three universal joints one-to-one and an output shaft attached to the universal joint, and the swing motor is provided at the center of the base. The three winding motors are installed at three equiangular positions on the circumference centered above the base, and the three universal joints are on the circumference centered on the lower surface of the movable plate. And are constrained by two or more thrust bearings between the output shaft and the support base.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a target command generator for generating a posture angle target command and a stiffness target command, an encoder for detecting a rotation angle of each motor, and detecting a tension of each wire. The posture angle target command, the stiffness target command, and the rotation angle signal of each motor while controlling the tension based on the tension command of each wire and the tension signal of each wire. A posture that generates a tension command for each wire based on the control signal, controls a posture angle and rigidity of the joint robot, and calculates an estimated value of the posture angle based on a rotation angle signal of each motor and a tension signal of each wire An angle estimation unit; a posture angle control unit that inputs a deviation between the posture angle target command and the posture angle estimation value and outputs a torque command; and the torque command and the stiffness target. Based on the estimated value of decrees and the posture angle is obtained by a tension command calculation unit for calculating a tension instruction.
関節の自由度からみると冗長なモータと、モータと可動プレートとを連結して力を伝達する非線形バネを取り込んだワイヤとを有する関節ロボットを構成すると共に、姿勢のフィードバック制御に必要なトルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えてワイヤの張力を制御する関節ロボットの制御装置を構築することによって、3自由度の姿勢角度を目標指令に正確に追従させながら、機械の剛性も制御することができる。また、剛性の目標指令を高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えることにより良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。   Torque commands required for posture feedback control while configuring a joint robot having a redundant motor and a wire incorporating a non-linear spring that transmits force by connecting the motor and movable plate in terms of joint freedom By constructing a joint robot control device that controls the wire tension by giving a wire tension command according to the target command of rigidity and the machine, while making the posture angle of three degrees of freedom accurately follow the target command, the machine The rigidity of the can also be controlled. Further, by giving the rigidity target command to a small value at high speed displacement and a large value at high acceleration / deceleration and low speed displacement, both good safety and excellent control performance can be achieved.
本発明の第1実施例を示す関節ロボットの構成図The block diagram of the joint robot which shows 1st Example of this invention 関節ロボットの制御装置を示すブロック線図Block diagram showing joint robot controller 第2実施例を示す関節ロボットの構成図The block diagram of the joint robot which shows 2nd Example
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施例を示す関節ロボットの構成図である。図において、モータ101、102、103および104は、回転子の軸中心線が基部121の表面に平行するように固定子が基部121の上方に設置されている。巻取装置105、106、107および108は、それぞれモータ101、102、103および104の回転軸に連結され、各々モータの回転子と一緒に回転しながらワイヤの巻取りをする。ワイヤ111、112、113および114は、それぞれ非線形バネ115、116、117および118が組み込まれている。ここで、非線形バネとは、バネ定数が一定な値ではなく変位によって変わるものである。たとえば、ピッチを段階的に変化させたコイルばねを用いている。これに限らず、2つのモータと各々のモータにワイヤで連結された2つの静滑車の間に動滑車を組み合せた構成を取ることができる。支持柱122は、基部121の上面に軸中心線が垂直するように設置されている。可動プレート124は、上方の中央には出力軸125が垂直に固定されている。球面ジョイント123は、球体部が支持柱122の先端に、受部材が可動プレート124に繋げられている。支持柱122の軸中心線と基部121の上面との接点を原点oとし、支持柱122の中心線をz軸として基部121の上面から離れる方向をz軸の正方向とするように固定直交座標系xyzoを設ける。また、球面ジョイント123の球体部の球面中心点を原点Oとし、出力軸125の軸中心線をZ軸として可動プレート124の上面から離れる方向をZ軸の正方向とし、初期位置においてX軸、Y軸およびZ軸がそれぞれx軸、y軸およびz軸に平行となり、可動プレート124と一緒に移動するような移動直交座標系XYZOを設ける。モータ101と巻取装置105が固定平面座標系xoyの第1象限に、モータ102と巻取装置106が固定平面座標系xoyの第2象限に、モータ103と巻取装置107が固定平面座標系xoyの第4象限に、モータ104と巻取装置108が固定平面座標系xoyの第3象限にあるように設置される。移動平面座標系XOYにおける位相がそれぞれ巻取装置105、106、107、108のワイヤ出入口a、b、c、d点が固定平面座標系xoyにおける位相と同じである可動プレート124下面のA、B、C 、D点に自在継手131、132、133、134が設置される。また、巻取装置106と自在継手131の間、巻取装置105と自在継手132の間、巻取装置107と自在継手133の間および巻取装置108と自在継手134の間にそれぞれ非線形バネ115が取り込まれたワイヤ111、非線形バネ116が取り込まれたワイヤ112、非線形バネ117が取り込まれたワイヤ113および非線形バネ118が取り込まれたワイヤ114が取り付けられている。
図2は関節ロボットの制御装置を示すブロック線図である。図において、目標指令生成部201は、出力軸の姿勢角度の目標指令値α、β、γおよび剛性の目標指令値ηを生成する。エンコーダー141、142、143および144は、それぞれモータ101、102、103および104の回転角度θ、θ、θおよびθを検出する。張力センサー151、152、153および154は、それぞれワイヤ111、112、113および114の張力F、F、FおよびFを検出する。姿勢角度推定部204は、エンコーダー141、142、143および144の出力と張力センサー151、152、153および154の出力とを入力して姿勢角度α、βおよびγの推定値α、βおよびγを出力する。姿勢角度制御部202は、それぞれ姿勢角度αの目標指令値αと推定値αとの偏差eα、姿勢角度βの目標指令値βと推定値βとの偏差eβおよび姿勢角度γの目標指令値γと推定値γとの偏差eγを入力してトルク指令TXc、YcおよびTZcを出力する。張力指令計算部204は、トルクTXc、Yc、TZc、剛性の目標指令値ηおよび姿勢角度の推定値α、β、γをに基づいて張力指令F1c、F2c、F3cおよびF4cを計算する。張力制御部211、212、213および214は、それぞれワイヤ111の張力指令F1cと張力Fとの偏差、ワイヤ112の張力指令F2cと張力Fとの偏差、ワイヤ113の張力指令F3cと張力Fとの偏差およびワイヤ114の張力指令F4cと張力Fとの偏差を入力してモータ101、102、103および104の電流指令I1c、I2c、I3cおよびI4cを出力する。また、モータ駆動部221、222、223および224は、それぞれモータ101、102、103および104の電流指令I1c、I2c、I3cおよびI4cに基づいて各モータを駆動制御する。
FIG. 1 is a configuration diagram of an articulated robot showing a first embodiment of the present invention. In the figure, the motors 101, 102, 103, and 104 have a stator installed above the base 121 so that the axial center line of the rotor is parallel to the surface of the base 121. Winding devices 105, 106, 107, and 108 are connected to the rotation shafts of motors 101, 102, 103, and 104, respectively, and wind the wire while rotating together with the rotor of the motor. The wires 111, 112, 113 and 114 incorporate non-linear springs 115, 116, 117 and 118, respectively. Here, the term “non-linear spring” means that the spring constant is not a constant value but changes according to displacement. For example, a coil spring whose pitch is changed stepwise is used. Not only this but the structure which combined the movable pulley between two motors and the two static pulleys connected with each motor with the wire can be taken. The support pillar 122 is installed on the upper surface of the base 121 so that the axis center line is perpendicular. The movable plate 124 has an output shaft 125 fixed vertically at the upper center. The spherical joint 123 has a spherical portion connected to the tip of the support column 122 and a receiving member connected to the movable plate 124. Fixed orthogonal coordinates so that the contact point between the axial center line of the support column 122 and the top surface of the base 121 is the origin o, the center line of the support column 122 is the z axis, and the direction away from the top surface of the base 121 is the positive direction of the z axis A system xyzo is provided. Further, the spherical center point of the spherical portion of the spherical joint 123 is the origin O, the axis center line of the output shaft 125 is the Z axis, and the direction away from the upper surface of the movable plate 124 is the positive direction of the Z axis. A moving orthogonal coordinate system XYZO is provided in which the Y axis and the Z axis are parallel to the x axis, the y axis, and the z axis, respectively, and move together with the movable plate 124. The motor 101 and the winding device 105 are in the first quadrant of the fixed plane coordinate system xoy, the motor 102 and the winding device 106 are in the second quadrant of the fixed plane coordinate system xoy, and the motor 103 and the winding device 107 are the fixed plane coordinate system. The motor 104 and the winding device 108 are installed in the third quadrant of the fixed plane coordinate system xoy in the fourth quadrant of xoy. A and B on the lower surface of the movable plate 124 whose phases in the moving plane coordinate system XOY are the same as the phases in the fixed plane coordinate system xoy at the wire entrances a, b, c and d of the winding devices 105, 106, 107 and 108, respectively. , C and D, universal joints 131, 132, 133 and 134 are installed. Further, the non-linear spring 115 is provided between the winding device 106 and the universal joint 131, between the winding device 105 and the universal joint 132, between the winding device 107 and the universal joint 133, and between the winding device 108 and the universal joint 134, respectively. The wire 111 into which the nonlinear spring 116 is incorporated, the wire 113 into which the nonlinear spring 117 is incorporated, and the wire 114 into which the nonlinear spring 118 is incorporated are attached.
FIG. 2 is a block diagram showing a control device for the joint robot. In the figure, a target command generation unit 201 generates target command values α * , β * , γ * and a stiffness target command value η * of the attitude angle of the output shaft. The encoders 141, 142, 143, and 144 detect the rotation angles θ 1 , θ 2 , θ 3, and θ 4 of the motors 101, 102, 103, and 104, respectively. The tension sensors 151, 152, 153 and 154 detect the tensions F 1 , F 2 , F 3 and F 4 of the wires 111, 112, 113 and 114, respectively. The posture angle estimation unit 204 inputs the outputs of the encoders 141, 142, 143, and 144 and the outputs of the tension sensors 151, 152, 153, and 154, and estimates the posture angles α, β, and γ, α s , β s, and γ s is output. The posture angle control unit 202 includes a deviation e α between the target command value α * and the estimated value α s of the posture angle α , a deviation e β between the target command value β * and the estimated value β s of the posture angle β, and the posture angle. A deviation e γ between the target command value γ * of γ and the estimated value γ s is input, and torque commands T Xc, T Yc and T Zc are output. Based on the torques T Xc, T Yc , T Zc , the stiffness target command value η * and the posture angle estimation values α s , β s , γ s , the tension command calculation unit 204 generates tension commands F 1c , F 2c , Calculate F 3c and F 4c . The tension controllers 211, 212, 213, and 214 are respectively a deviation between the tension command F 1c and the tension F 1 of the wire 111, a deviation between the tension command F 2c and the tension F 2 of the wire 112, and a tension command F 3c of the wire 113. a tension F 3 and the deviation and the wire 114 of the tension instruction F 4c and the tension F 4 and the deviation by inputting the motor 101, 102, 103 and 104 of the current command I 1c, I 2c, outputs the I 3c and I 4c To do. The motor drive units 221, 222, 223, and 224 drive and control each motor based on the current commands I 1c , I 2c , I 3c, and I 4c of the motors 101, 102, 103, and 104, respectively.
以下、制御装置の各補償部の実現方法について説明する。
まず、姿勢角度推定部204の実現方法を説明する。
可動プレート124のX−Y−Zオイラ−角(ここで姿勢角度と称す)をα、β、γとし、それに対応する姿勢変換行列Rは式(1)で表される。
Hereinafter, a method for realizing each compensation unit of the control device will be described.
First, a method for realizing the posture angle estimation unit 204 will be described.
The XYZ Euler angles (herein referred to as posture angles) of the movable plate 124 are α, β, and γ, and the corresponding posture conversion matrix R is expressed by Equation (1).
ただし、Rの要素は式(2)〜式(10)で表される。 However, the element of R is represented by Formula (2)-Formula (10).
a、b、c、d点の絶対座標をそれぞれ(x,y,z)、(x,y,z)、(x,y,z)、(x,y,z)とし、また、O点の絶対座標を(x,y,z)とすると、a、b、c、d点の相対座標は式(11)〜式(14)のように与えられる。
(X,Y,Z)={(x,y,z)−(x,y,z)}R−1 (11)
(X,Y,Z)={(x,y,z)−(x,y,z)}R−1 (12)
(X,Y,Z)={(x,y,z)−(x,y,z)}R−1 (13)
(X,Y,Z)={(x,y,z)−(x,y,z)}R−1 (14)
そして、A、B、C、D点の相対座標をそれぞれ(X,Y,Z)、(X,Y,Z)、(X,Y,Z)、(X,Y,Z)とすると、ベクトル
The absolute coordinates of the points a, b, c, and d are respectively (x a , y a , z a ), (x b , y b , z b ), (x c , y c , z c ), (x d , y d , z d ), and the absolute coordinates of point O are (x O , y O , z O ), the relative coordinates of points a, b, c, and d are expressed by equations (11) to (14). Is given as follows.
(X a , Y a , Z a ) = {(x a , y a , z a ) − (x O , y O , z O )} R −1 (11)
(X b , Y b , Z b ) = {(x b , y b , z b ) − (x O , y O , z O )} R −1 (12)
(X c, Y c, Z c) = {(x c, y c, z c) - (x O, y O, z O)} R -1 (13)
(X d , Y d , Z d ) = {(x d , y d , z d ) − (x O , y O , z O )} R −1 (14)
Then, the relative coordinates of points A, B, C, and D are respectively (X A , Y A , Z A ), (X B , Y B , Z B ), (X C , Y C , Z C ), (X D, Y D, When Z D), the vector
ただし、I、J、KはそれぞれX軸、Y軸、Z軸方向を向く単位ベクトルである。
従って、A点とb点との間の距離L、B点とa点との間の距離L、C点とd点との間の距離LおよびD点とc点との間の距離Lは式(19)〜式(22)のように与えられる。
However, I, J, and K are unit vectors facing the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, respectively.
Therefore, the distance L 1 between the points A and b, the distance L 2 between the points B and a, the distance L 3 between the points C and d, and the distance between the points D and c. the distance L 4 are given by equation (19) to (22).
関節ロボットの機構は定まると、a、b、c、d、O点の絶対座標とA、B、C、D点の相対座標は既知なものとなり、式(1)〜式(14)より式(19)〜式(22)は姿勢角度α、β、γの関数となる。
一方、非線形バネが発生する力Fと対応する伸縮量σとの関係を式(53)で表されるものとする。
F=f(σ) (23)
また、巻取装置のプーリの半径をrとすると、式(24)〜式(27)が成り立つ。
=f−1(F)+θr (24)
=f−1(F)+θr (25)
=f−1(F)+θr (26)
=f−1(F)+θr (27)
ただし、F、F、FおよびFはそれぞれワイヤ111、112、113および114の張力、θ、θ、θおよびθはそれぞれモータ101、102、103および104の回転角度(モータと巻取装置との間にギヤがあった場合にモータの回転角度にギア比を掛けた値)である。
張力センサー151、152、153および154が検出した張力F、F、FおよびFの値と、エンコーダー141、142、143および144が検出した回転角度θ、θ、θおよびθの値とを式(24)〜式(27)に代入し、L、L、LおよびLを計算する。そして、L、L、LおよびLの値を式(19)〜式(22)に代入して連立方程式を解くと、姿勢角度α、β、γを求めることができる。このように求めた姿勢角度α、βおよびγの値を姿勢角度α、βおよびγの推定値α、βおよびγとする。
次に、姿勢角度制御部202の実現方法を説明する。
姿勢角度の指令値α、βおよびγからそれぞれ姿勢角度の推定値α、βおよびγを差し引いて得た偏差eα、eβおよびeγに各々PID補償を掛けてトルク指令TXc、YcおよびTZcが得られる。
次に、張力指令計算部204の実現方法を説明する。
すべてのワイヤが常に完全に伸びている(ワイヤの張力が0以上である)ように制御されるとすると、各ワイヤが可動プレート124に働く力のベクトルは式(28)〜式(31)のように表される。
When the mechanism of the joint robot is determined, the absolute coordinates of the points a, b, c, d, and O and the relative coordinates of the points A, B, C, and D are known, and the equations are obtained from the equations (1) to (14). Expressions (19) to (22) are functions of the posture angles α, β, and γ.
On the other hand, the relationship between the force F generated by the non-linear spring and the corresponding expansion / contraction amount σ is expressed by Expression (53).
F = f (σ) (23)
Further, when the radius of the pulley of the winding device is r, Expressions (24) to (27) are established.
L 1 = f −1 (F 1 ) + θ 1 r (24)
L 2 = f −1 (F 2 ) + θ 2 r (25)
L 3 = f −1 (F 3 ) + θ 3 r (26)
L 4 = f −1 (F 4 ) + θ 4 r (27)
Where F 1 , F 2 , F 3 and F 4 are the tensions of the wires 111, 112, 113 and 114, respectively, and θ 1 , θ 2 , θ 3 and θ 4 are the rotation angles of the motors 101, 102, 103 and 104, respectively. (A value obtained by multiplying the rotation angle of the motor by the gear ratio when there is a gear between the motor and the winding device).
The values of the tensions F 1 , F 2 , F 3 and F 4 detected by the tension sensors 151, 152, 153 and 154, and the rotation angles θ 1 , θ 2 , θ 3 and the encoders 141, 142, 143 and 144 detected Substituting the value of θ 4 into the equations (24) to (27), L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are calculated. Then, when the simultaneous equations are solved by substituting the values of L 1 , L 2 , L 3 and L 4 into the equations (19) to (22), the posture angles α, β and γ can be obtained. The values of the posture angles α, β, and γ thus determined are assumed to be estimated values α s , β s, and γ s of the posture angles α, β, and γ.
Next, a method for realizing the posture angle control unit 202 will be described.
Torque by applying PID compensation to the deviations e α , e β and e γ obtained by subtracting the estimated values α s , β s and γ s of the posture angle from the posture angle command values α * , β * and γ * , respectively. Commands T Xc, T Yc and T Zc are obtained.
Next, a method for realizing the tension command calculation unit 204 will be described.
Assuming that all the wires are always fully extended (the wire tension is 0 or more), the force vector acting on the movable plate 124 by each wire is expressed by the equations (28) to (31). It is expressed as follows.
また、A、B、C、D点の相対座標を用いてベクトル A vector using the relative coordinates of points A, B, C, and D
が発生するトルクのベクトルは式(36)〜式(39)のように表される。 A vector of torque generated by is expressed by equations (36) to (39).
従って、可動プレート124に働く総トルクTのX、Y、Z方向の分量は式(40)〜式(42)のように表される。 Therefore, the amount of the total torque T acting on the movable plate 124 in the X, Y, and Z directions is expressed as in Expression (40) to Expression (42).
ただし、 However,
X、、Tの代わりにそれぞれTXc、Yc、TZcを、F、F、F、Fの代わりにそれぞれF1c、F2c、F3c、F4cを式(40)〜式(42)に代入すると、式(55)〜式(57)となる。 T Xc, T Yc , and T Zc are substituted for T X, T Y , and T Z , respectively, and F 1c , F 2c , F 3c , and F 4c are substituted for F 1 , F 2 , F 3 , and F 4 respectively. Substituting into (40) to (42) results in (55) to (57).
姿勢角度α、βおよびγの代わりに姿勢角度推定部204で計算した姿勢角度の推定値α、βおよびγを式(2)〜式(10)に代入して姿勢変換行列Rの各要素を計算し、また、式(11)〜式(14)のようにa、b、c、d点の相対座標を計算する。a、b、c、dおよびA、B、C、D点の相対座標を、式(19)〜式(22)に代入して得たL、L、LおよびLと一緒に式(43)〜式(54)に代入してkX1〜4、kY1〜4およびkZ1〜4を計算する。そして、姿勢角度制御部202から入って来たトルク指令TXc、YcおよびTZcを式(55)〜式(57)に代入すると、式(55)〜式(57)がF1c、F2c、F3c、F4cの線形方程式となる。
一方、非線形バネは変形量が大きくなるほどばね定数が大きくなるものとすると、剛性が高く要求される場合に各ワイヤの張力を大きくすれば良い。それで、剛性の目標指令値ηに対応する各ワイヤの張力の和Fの指令値F を式(58)のように与える。
=g(η) (58)
ただし、g(・)単調増加関数である。
一般的に、式(55)〜式(57)に式(59)を加えて連立方程式を解くと、F1c、F2c、F3c、F4cを一意的に決められる。
1c+F2c+F3c+F4c=F (59)
ところが、式(55)〜式(57)と式(59)の連立方程式が特異になることもある。その場合に、各変数F1c、F2c、F3c、F4cの前に各々適当な重み係数k、k、k、kを掛け、式(59)を式(60)のように書き直せば良い。
1c+k2c+k3c+k4c=F (60)
また、ある向きの安全性をより重視したい場合は、その向きの剛性を低くするため、その向きに近いワイヤに対応する重み係数を大きく設定すれば良い。
なお、連立方程式を解いて得た張力指令の値が負になった場合に、関数g(・)を式(61)のように修正を行う。
g(η)=g(η)+F (61)
ただし、F が適当な正の数である。式(59)を連立方程式に取り込んだ場合は、F を負になった変数の和の絶対値の2倍より少し大きい値に与えれば良い。また、修正後の連立方程式は依然負の解が存在する場合に、連立方程式の解がすべて正になるまで以上の修正方法で繰り返して行えば良い。
最後に、張力制御部の実現方法を説明する。
張力制御部にはPI補償器を込みこめば良い。
Instead of the posture angles α, β, and γ, the posture angle estimation values α s , β s, and γ s calculated by the posture angle estimation unit 204 are substituted into the equations (2) to (10), and the posture conversion matrix R Each element is calculated, and the relative coordinates of points a, b, c, and d are calculated as in equations (11) to (14). Together with L 1 , L 2 , L 3 and L 4 obtained by substituting the relative coordinates of points a, b, c, d and points A, B, C, and D into equations (19) to (22) Substituting into equations (43) to (54), kX1-4 , kY1-4, and kZ1-4 are calculated. Then, when the torque commands T Xc, T Yc, and T Zc that have entered from the attitude angle control unit 202 are substituted into Expressions (55) to (57), Expressions (55) to (57) are expressed as F 1c , F It becomes a linear equation of 2c , F3c , F4c .
On the other hand, if the non-linear spring has a larger spring constant as the amount of deformation increases, the tension of each wire may be increased when high rigidity is required. Therefore, the command value F s * of the sum of the tensions F s of each wire corresponding to the stiffness target command value η * is given as shown in Expression (58).
F s * = g (η * ) (58)
However, g (·) is a monotonically increasing function.
In general, when the simultaneous equations are solved by adding the formula (59) to the formulas (55) to (57), F 1c , F 2c , F 3c , and F 4c can be uniquely determined.
F 1c + F 2c + F 3c + F 4c = F s * (59)
However, the simultaneous equations of equations (55) to (57) and (59) may be singular. In that case, each variable F 1c , F 2c , F 3c , F 4c is multiplied by an appropriate weighting factor k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , respectively, and equation (59) is expressed as equation (60). You can rewrite to
k 1 F 1c + k 2 F 2c + k 3 F 3c + k 4 F 4c = F s * (60)
Also, when the safety in a certain direction is more important, the weighting coefficient corresponding to the wire close to that direction may be set large in order to reduce the rigidity in that direction.
When the value of the tension command obtained by solving the simultaneous equations becomes negative, the function g (•) is corrected as shown in Equation (61).
g (η * ) = g (η * ) + F a * (61)
However, F a * is an appropriate positive number. When the equation (59) is incorporated in the simultaneous equations, F a * may be given to a value slightly larger than twice the absolute value of the sum of the negative variables. Further, when there is still a negative solution for the modified simultaneous equations, the above correction method may be repeated until all the solutions of the simultaneous equations become positive.
Finally, a method for realizing the tension control unit will be described.
A PI compensator may be included in the tension control unit.
以下、関節ロボットの動作原理について説明する。
一般的に、姿勢制御のメインループと較べ、張力制御マイナーループには位相遅れが小さいので、張力制御部のゲインを大きく上げられ、張力制御マイナー閉ループの応答特性が高い。すなわち、張力指令の通りにワイヤの張力が制御される。
一方、張力指令が式(55)〜式(57)に基づいて求められたので、式(55)〜式(57)と式(40)〜式(42)とを比較することで移動座標系の各軸まわりのトルクTX、、Tがそれらの指令TXc、TYc、TZcに追従することが分かる。すなわち、剛性制御は姿勢制御に影響を与えず、剛性と姿勢を独立かつ正確に制御できる。
また、剛性の制御性能に対する影響が大きく現れるのは出力軸125が高加減速かつ低速度で変位する時である。一方、安全性に配慮すべきは出力軸125が高速度変位する時である。よって、剛性の目標指令は高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えれば良い。
Hereinafter, the operation principle of the joint robot will be described.
In general, the tension control minor loop has a smaller phase delay than the main loop for posture control, so that the gain of the tension control unit can be increased greatly, and the response characteristic of the tension control minor closed loop is high. That is, the wire tension is controlled according to the tension command.
On the other hand, since the tension command is obtained based on the equations (55) to (57), the moving coordinate system is compared by comparing the equations (55) to (57) with the equations (40) to (42). It can be seen that the torques T X, T Y , and T Z around the respective axes follow the commands T Xc , T Yc , and T Zc . That is, the stiffness control does not affect the posture control, and the stiffness and the posture can be controlled independently and accurately.
The influence of the rigidity on the control performance is significant when the output shaft 125 is displaced at high acceleration / deceleration and at low speed. On the other hand, safety should be considered when the output shaft 125 is displaced at a high speed. Therefore, the rigidity target command may be given to a small value at high speed displacement and a large value at high acceleration / deceleration and low speed displacement.
このように、関節の自由度からみると冗長なモータと、モータと可動プレートとを連結して力を伝達する非線形バネを取り込んだワイヤとを有する関節ロボットを構成すると共に、姿勢のフィードバック制御に必要なトルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えてワイヤの張力を制御する関節ロボットの制御装置を構築することによって、3自由度の姿勢角度を目標指令に正確に追従させながら、機械の剛性も制御することができる。また、剛性の目標指令を高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えることにより良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。   Thus, in view of the degree of freedom of the joint, a joint robot having a redundant motor and a wire incorporating a non-linear spring that transmits the force by connecting the motor and the movable plate is configured, and for posture feedback control. By constructing a joint robot controller that controls the wire tension by giving the wire tension command according to the required torque command and the stiffness target command, the posture angle of 3 degrees of freedom is accurately followed by the target command. In addition, the rigidity of the machine can be controlled. Further, by giving the rigidity target command to a small value at high speed displacement and a large value at high acceleration / deceleration and low speed displacement, both good safety and excellent control performance can be achieved.
図3は第2実施例を示す関節ロボットの構成図である。図において、旋回モータ320は、回転子の軸中心線が基部321の表面に垂直するように固定子が基部321の中央に設置されている。巻取モータ301、302、303は、固定子が基部321の上方の中心とする円周上の互いに等角度をなす3箇所に設置されている。巻取装置304、305、306は、巻取モータの回転子と一緒に回転しながらワイヤの巻取りをする。ワイヤ311、312、313は、それぞれ非線形バネ314、315、316が組み込まれている。旋回伝動軸322は、旋回モータ320の回転子に連結されている。可動プレート324は、上面の中央には円筒型支持台326が設置されている。ユニバーサルジョイント323は、旋回伝動軸322と出力軸325とを連結する。スラスト軸受327と328は、出力軸325を支持台326に拘束する。基部321の中心を原点oとし、旋回伝動軸322の中心線をz軸として基部321の上面から離れる方向をz軸の正方向とするように固定直交座標系xyzoを設ける。また、ユニバーサルジョイントの中心を原点Oとし、出力軸419の軸中心線をZ軸として可動プレート324の上面から離れる方向をZ軸の正方向とし、可動プレート324の下面が基部321の上面と平行になった際にX軸およびY軸がそれぞれx軸およびy軸と平行になるように、可動プレート324と一緒に移動するような移動直交座標系XYZOを設ける。移動平面座標系XOYにおける位相がそれぞれ巻取装置304、305、306のワイヤ出入口a、b、c点が固定平面座標系xoyにおける位相と同じであり可動プレート324下面の中心とする円周上の互いに等角度をなすA、B、C点に自在継手317、318、319が設置されている。また、巻取装置304と自在継手317の間、巻取装置305と自在継手318の間および巻取装置306と自在継手319の間にそれぞれ非線形バネ314が取り込まれたワイヤ311、非線形バネ315が取り込まれたワイヤ312および非線形バネ316が取り込まれたワイヤ313が取り付けられている。 FIG. 3 is a block diagram of the joint robot showing the second embodiment. In the figure, the turning motor 320 has a stator installed at the center of the base 321 so that the axial center line of the rotor is perpendicular to the surface of the base 321. The winding motors 301, 302, and 303 are installed at three positions that are equiangular with each other on the circumference with the stator as the center above the base 321. The winding devices 304, 305, and 306 wind the wire while rotating together with the rotor of the winding motor. The wires 311, 312, and 313 incorporate non-linear springs 314, 315, and 316, respectively. The turning transmission shaft 322 is connected to the rotor of the turning motor 320. The movable plate 324 is provided with a cylindrical support 326 at the center of the upper surface. The universal joint 323 connects the turning transmission shaft 322 and the output shaft 325. Thrust bearings 327 and 328 restrain the output shaft 325 to the support base 326. The fixed orthogonal coordinate system xyzo is provided so that the center o of the base 321 is the origin o, the center line of the swivel transmission shaft 322 is the z axis, and the direction away from the upper surface of the base 321 is the positive direction of the z axis. The center of the universal joint is the origin O, the axis center line of the output shaft 419 is the Z axis, the direction away from the upper surface of the movable plate 324 is the positive direction of the Z axis, and the lower surface of the movable plate 324 is parallel to the upper surface of the base 321. A moving orthogonal coordinate system XYZO that moves together with the movable plate 324 is provided so that the X axis and the Y axis are parallel to the x axis and the y axis, respectively. The phase in the moving plane coordinate system XOY is the same as the phase in the fixed plane coordinate system xoy where the wire entrances a, b, c of the winding devices 304, 305, 306 are on the circumference around the lower surface of the movable plate 324. Universal joints 317, 318, and 319 are installed at points A, B, and C that are equiangular with each other. Further, a wire 311 and a nonlinear spring 315 in which a nonlinear spring 314 is taken in between the winding device 304 and the universal joint 317, between the winding device 305 and the universal joint 318, and between the winding device 306 and the universal joint 319, respectively. The taken-in wire 312 and the wire 313 into which the non-linear spring 316 is taken in are attached.
以下、動作原理について説明する。
旋回伝動軸322が旋回モータ320の可動子に固定されたため、その先端に連結されたユニバーサルジョイント323の中心位置が変わらないので、ユニバーサルジョイント323に連結された出力軸325はユニバーサルジョイント323の中心点を中心に変位しかできない。すなわち、出力軸325の先端はユニバーサルジョイント323の中心点を中心に3自由度の球面運動をする。また、支持台326と出力軸325とはスラスト軸受327および328によってに拘束されたため、両者の相対運動は出力軸325の軸中心の回転運動しかない。よって、支持台326および支持台326が固定された可動プレート324もユニバーサルジョイント323の中心点を中心に変位しかできない。
スラスト軸受の摩擦力が十分小さい場合は出力軸325と支持台326とのZ軸まわりの回転運動は互いに影響しない。出力軸325のX軸およびY軸方向の姿勢は可動プレート324の姿勢に定められるが、Z軸方向の姿勢は完全に旋回モータ320の回転角度に決められる。すなわち、3本のワイヤを用いて出力軸325の2自由度の運動を操作する。そのため、X軸およびY軸方向の姿勢と剛性を独立に調整できる。一方、Z軸まわりの剛性を調整できないが、Z軸中心の回転の最大半径が小さいため大きなトルクを出力しないので、外部のものに大きな被害を与えない。
Hereinafter, the operation principle will be described.
Since the turning transmission shaft 322 is fixed to the mover of the turning motor 320, the central position of the universal joint 323 connected to the tip of the turning transmission shaft 322 does not change. It can only be displaced around. In other words, the tip of the output shaft 325 performs a spherical motion with three degrees of freedom around the center point of the universal joint 323. Further, since the support base 326 and the output shaft 325 are constrained by the thrust bearings 327 and 328, the relative motion between them is only the rotational motion about the axis of the output shaft 325. Therefore, the support base 326 and the movable plate 324 to which the support base 326 is fixed can only be displaced around the center point of the universal joint 323.
When the frictional force of the thrust bearing is sufficiently small, the rotational motion around the Z axis between the output shaft 325 and the support base 326 does not affect each other. The posture of the output shaft 325 in the X-axis and Y-axis directions is determined by the posture of the movable plate 324, but the posture in the Z-axis direction is completely determined by the rotation angle of the turning motor 320. That is, the two-degree-of-freedom motion of the output shaft 325 is operated using three wires. Therefore, the posture and rigidity in the X-axis and Y-axis directions can be adjusted independently. On the other hand, although the rigidity around the Z-axis cannot be adjusted, a large torque is not output because the maximum radius of rotation around the Z-axis is small, so that no great damage is caused to the outside.
以上のように、3本のワイヤを用いて出力トルクが大きくなる方向の姿勢と剛性を独立に調整するため、関節ロボットに良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。
第1実施例と較べ、本実施例の技術を用いた場合は、構造が若干複雑になるが、可動範囲が広くなる。
As described above, since the posture and rigidity in the direction in which the output torque increases are independently adjusted using three wires, it is possible to achieve both good safety and excellent control performance for the joint robot.
Compared with the first embodiment, when the technique of this embodiment is used, the structure is slightly complicated, but the movable range is widened.
100 関節ロボット
101、102、103、104 モータ
105、106、107、108 巻取装置
111、112、113、114、311、312、313 ワイヤ
115、116、117、118、315、316、317 非線形バネ
131、132、133、134、317、318、319 自在継手
121、321 基部
122 支持柱
123 球面ジョイント
124、324 可動プレート
125、325 出力軸
141、142、143、144 エンコーダー
151、152、153、154 張力センサー
201 目標指令生成部
202 姿勢角度制御部
203 張力指令計算部
204 姿勢角度推定部
211、212、213、214 張力制御部
221、222、223、224 モータ駆動部
301、302、303 巻取モータ
304、305、306 巻取装置
320 旋回モータ
322 旋回伝動軸
323 ユニバーサルジョイント
327、328 スラスト軸受
100 Joint robot 101, 102, 103, 104 Motor 105, 106, 107, 108 Winding device 111, 112, 113, 114, 311, 312, 313 Wire 115, 116, 117, 118, 315, 316, 317 Non-linear spring 131, 132, 133, 134, 317, 318, 319 Universal joint 121, 321 Base 122 Support column 123 Spherical joint 124, 324 Movable plate 125, 325 Output shaft 141, 142, 143, 144 Encoder 151, 152, 153, 154 Tension sensor 201 Target command generation unit 202 Attitude angle control unit 203 Tension command calculation unit 204 Attitude angle estimation units 211, 212, 213, 214 Tension control units 221, 222, 223, 224 Motor drive units 301, 302, 303 Winding motor 04,305,306 retractor 320 pivot motor 322 turning the transmission shaft 323 universal joint
327, 328 Thrust bearing

Claims (3)

  1. 基部と、前記基部に設置された4つのモータと、4つの前記モータに各々取り付けられた4つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられた球面ジョイントと、前記球面ジョイントに取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された4つの自在継手と、4つの前記巻取装置と4つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた4本のワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備え、 前記球面ジョイントの球体部の球面中心点を原点Oとし、前記出力軸の軸中心線をZ軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をZ軸の正方向とし、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系XYZOを設け、
    前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点oとし、前記支持柱の軸中心線をz軸として前記基部の表面から離れる方向をz軸の正方向とし、前記出力軸の軸中心線が前記支持柱の軸中心線と一致した際にx軸およびy軸がそれぞれX軸およびY軸と平行となるように固定直交座標系xyzoを設け、
    4つの前記巻取装置がxoy座標系の異なる象限にあるように4つの前記モータを配置し、4つの前記自在継手をXOY座標系における位相が各々4つの前記巻取装置の前記xoy座標系における位相と同じ値になるように配置し、そして前記xoy座標系の第1象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第2象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第2象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第1象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第3象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第4象限にある前記自在継手を、前記xoy座標系の第4象限にある前記巻取装置と前記XOY座標系の第3象限にある前記自在継手を4本の前記ワイヤで各々連結することを特徴とするロボット。
    A base, four motors installed on the base, four winding devices respectively attached to the four motors, and a support column installed so that an axial center line is perpendicular to the surface of the base, A spherical joint attached to the upper end of the support column, a movable plate attached to the spherical joint, four universal joints installed at the bottom of the movable plate, four winding devices and four universal Four wires incorporating nonlinear springs that connect the joints one-to-one, and an output shaft fixed so that an axial center line is perpendicular to the upper surface of the movable plate, The spherical center point is the origin O, the axis center line of the output shaft is the Z axis, the direction away from the upper surface of the movable plate is the positive direction of the Z axis, and the moving straight line moves along with the movable plate. A cross coordinate system XYZO is provided,
    The intersection point between the axis center line of the support column and the surface of the base is the origin o, the axis center line of the support column is the z axis, the direction away from the surface of the base is the positive direction of the z axis, and the output shaft A fixed orthogonal coordinate system xyzo is provided so that the x axis and the y axis are parallel to the X axis and the Y axis, respectively, when the axis center line coincides with the axis center line of the support column;
    The four motors are arranged so that the four winding devices are in different quadrants of the xoy coordinate system, and the four universal joints have phases in the XOY coordinate system, respectively, in the xoy coordinate system of the four winding devices. The winding device in the first quadrant of the xoy coordinate system and the universal joint in the second quadrant of the XOY coordinate system are arranged so as to have the same value as the phase, and the second quadrant of the xoy coordinate system The winding device in the first quadrant of the XOY coordinate system and the universal joint in the third quadrant of the xy coordinate system and the universal joint in the fourth quadrant of the XOY coordinate system The robot is characterized in that the winding device in the fourth quadrant of the xoy coordinate system and the universal joint in the third quadrant of the XOY coordinate system are respectively connected by four wires.
  2. 基部と、固定子が前記基部の上方に固定され回転子の軸中心線が前記基部の表面に平行する3つの巻取モータおよび回転子の軸中心線が基部420の表面に垂直する1つの旋回モータと、3つの前記巻取モータに各々取り付けられた3つの巻取装置と、前記旋回モータの可動子に連結された旋回伝動軸と、前記旋回伝動軸の上端に取り付けられたユニバーサルジョイントと、可動プレートと、前記可動プレートの上面の中央に固定された支持台と、2つ以上のスラスト軸受と、3つの自在継手と、3つの前記巻取装置と3つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた3本のワイヤと、前記ユニバーサルジョイントに取り付けられた出力軸とを備え、前記旋回モータが前記基部の中央に設置され、3つの前記巻取モータが前記基部の上方の中心とする円周上の互いに等角度をなす3箇所に設置され、3つの前記自在継手が前記可動プレートの下面の中心とする円周上の互いに等角度をなす3箇所に設置され、前記出力軸と前記支持台との間に2つ以上のスラスト軸受によって拘束されることを特徴とするロボット。   A base, three winding motors in which the stator is fixed above the base, and the axial centerline of the rotor is parallel to the surface of the base, and one pivot in which the axial centerline of the rotor is perpendicular to the surface of the base 420 A motor, three winding devices respectively attached to the three winding motors, a turning transmission shaft connected to a mover of the turning motor, and a universal joint attached to an upper end of the turning transmission shaft; A movable plate, a support base fixed to the center of the upper surface of the movable plate, two or more thrust bearings, three universal joints, three winding devices and three universal joints on a one-to-one basis 3 wires incorporating nonlinear springs to be connected, and an output shaft attached to the universal joint, the swing motor is installed in the center of the base, and the three winding motors Installed at three equiangular positions on the circumference centered above the base, and the three universal joints at three equiangular positions on the circumference centered on the lower surface of the movable plate. A robot installed and restrained by two or more thrust bearings between the output shaft and the support base.
  3. 姿勢角度の目標指令と剛性の目標指令とを生成する目標指令生成部と、前記各モータの回転角度を検出するエンコーダーと、前記各ワイヤの張力を検出する張力センサーとを備え、各ワイヤの張力指令と前記各ワイヤの張力信号とに基づいて張力の制御を行いながら、前記姿勢角度の目標指令と前記剛性の目標指令および前記各モータの回転角度信号に基づいて前記各ワイヤの張力指令を生成し前記関節ロボットの姿勢角度および剛性を制御し、
    前記各モータの回転角度信号および前記各ワイヤの張力信号に基づいて姿勢角度の推定値を算出する姿勢角度推定部と、
    前記姿勢角度の目標指令と前記姿勢角度の推定値との偏差を入力しトルク指令を出力する姿勢角度制御部と、
    前記トルク指令と前記剛性の目標指令および前記姿勢角度の推定値に基づいて張力指令を算出する張力指令計算部とを備えたことを特徴とするロボットの制御装置。
    A target command generation unit that generates a target command for posture angle and a target command for rigidity, an encoder that detects the rotation angle of each motor, and a tension sensor that detects the tension of each wire, and the tension of each wire While controlling the tension based on the command and the tension signal of each wire, the tension command for each wire is generated based on the posture angle target command, the rigidity target command, and the rotation angle signal of each motor. Control the posture angle and rigidity of the joint robot,
    A posture angle estimator for calculating an estimated value of the posture angle based on the rotation angle signal of each motor and the tension signal of each wire;
    A posture angle control unit that inputs a deviation between the posture angle target command and the estimated value of the posture angle and outputs a torque command;
    A robot control device comprising: a tension command calculation unit that calculates a tension command based on the torque command, the stiffness target command, and the estimated value of the posture angle.
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