JP2013198942A - Control method of link actuation device and its control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、医療機器や産業機器等の精密で広範な作動範囲を必要とするリンク作動装置の制御方法、およびその制御装置に関する。 The present invention relates to a control method for a link operating device that requires a precise and wide operating range, such as medical equipment and industrial equipment, and a control device therefor.
リンク機構本体を具備する作業装置の一例が特許文献1に、医療機器や産業機器等に用いられるリンク作動装置の一例が特許文献2にそれぞれ開示されている。
An example of a working device having a link mechanism main body is disclosed in
特許文献1のリンク機構本体は、各リンクの作動角が小さいため、トラベリングプレートの作動範囲を大きく設定するには、リンク長さを長くする必要がある。それにより、機構全体の寸法が大きくなって、装置が大型になってしまうという問題があった。また、リンク長さを長くすると、機構全体の剛性の低下を招く。そのため、トラベリングプレートに搭載されるツールの重量、つまりトラベリングプレートの可搬重量も小さいものに制限されるという問題もあった。これらの理由から、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が要求される医療機器等に用いるのは難しい。
Since the link mechanism main body of
特許文献2のリンク作動装置は、3節連鎖のリンク機構を3組以上設けた構成としたことにより、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が可能である。しかし、この構成のリンク作動装置は、リンク機構を介して基端側部材に対する先端側部材の位置および姿勢を変更するため、先端側部材の位置および姿勢の変更を高速で行う場合、リンク機構の剛性により先端側部材の位置決めが完了するまでの時間である整定時間が長くなるといった問題があった。
The link actuating device of
この発明の目的は、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができるリンク作動装置に適用され、先端側部材の高速で高精度の位置決め動作を実現することが可能な制御方法を提供することである。
この発明の他の目的は、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、先端側部材の高速で高精度の位置決め動作を実現することが可能なリンク作動装置の制御装置を提供することである。
An object of the present invention is a control that can be applied to a link actuator capable of operating in a wide operating range while having a compact configuration, and can realize a high-speed and high-precision positioning operation of a tip side member. Is to provide a method.
Another object of the present invention is to control a link operating device that can operate in a wide operating range and achieve a high-speed and high-accuracy positioning operation of a tip side member while having a compact configuration. Is to provide a device.
この発明のリンク作動装置の制御方法は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する方法である。
この制御方法は、前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うことを特徴とする。なお、ここで言う共振周波数は、先端側のリンクハブに搭載物を設置した状態での共振周波数のことである。
In the link actuator control method according to the present invention, the link hub on the distal end side is connected to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms. The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. An act of having a shape symmetrical to the side portion, and allowing two or more of the three or more sets of link mechanisms to arbitrarily change the attitude of the distal end side link hub relative to the proximal end side link hub In link actuator provided with a mediator, a method of controlling the operation of the actuator.
In this control method, the operation of each actuator is controlled by synchronous control in which all of the actuators start operation at the same time and the operation is completed at the same time, and the link hub on the distal end side is in an arbitrary posture. The posture control to be changed is performed, and the synchronization control and the posture control are performed by setting the deceleration time of all the actuators in the vicinity of one cycle of the resonance frequency of the link actuator. In addition, the resonance frequency said here is a resonance frequency in the state which installed the object in the link hub of the front end side.
同時制御を行うことで、すべてのアクチュエータが同時に動作を完了するため、動作完了時における各リンク機構から先端側のリンクハブに作用する力のバランスが良くなり、先端側のリンクハブの整定時間が短くなる。なお、整定時間は、アクチュエータの動作完了から先端側のリンクハブが完全に静止するまでの時間のことである。 By performing simultaneous control, all actuators complete their operations at the same time, so the balance of the forces acting on the link hub on the tip side from each link mechanism at the completion of the operation is improved, and the settling time of the link hub on the tip side is improved. Shorter. The settling time is the time from the completion of the operation of the actuator until the link hub on the distal end side completely stops.
さらに、先端側のリンクハブは共振周波数の約半周期後に加速を打ち消す方向に振動するため、アクチュエータの減速時間がリンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定されていると、周期的に加速するステップ加速を行う場合に、ステップ加速後の先端側のリンクハブの振動が小さくなる。その結果、高速動作時でもアクチュエータの動作完了後の先端側のリンクハブの振動が小さくなり、先端側のリンクハブを高速で高精度の位置決め動作させることが可能となる。なお、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの位置が変わると同時に姿勢も変わるので、位置決め動作は姿勢変更動作と同じ意味である。 Furthermore, since the link hub on the tip side vibrates in a direction that cancels acceleration after about half a cycle of the resonance frequency, if the deceleration time of the actuator is set near one cycle of the resonance frequency of the link actuator, When performing step acceleration to accelerate, the vibration of the link hub on the tip side after step acceleration is reduced. As a result, the vibration of the link hub on the distal end side after the operation of the actuator is reduced even at high speed operation, and the link hub on the distal end side can be positioned at high speed and with high accuracy. Note that the positioning operation has the same meaning as the posture changing operation because the position of the link hub on the distal end side with respect to the link hub on the proximal end side changes at the same time.
前記減速時間は、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期の範囲内に設定するのが良い。
正弦波が最大振幅となるのは、0.75周期と1.25周期である。そこで、減速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、減速時間をリンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期としている。
The deceleration time is preferably set within a range of 0.8 to 1.2 periods of the resonance frequency of the link actuator.
The maximum amplitude of the sine wave is 0.75 period and 1.25 period. Therefore, in order to avoid a state of oscillating with the maximum amplitude after completion of deceleration, the deceleration time is set to 0.8 to 1.2 periods of the resonance frequency of the link actuator.
この発明において、前記すべてのアクチュエータの加速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行っても良い。
先端側のリンクハブは共振周波数の約半周期後に加速を打ち消す方向に振動するため、アクチュエータの加速時間がリンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定されていると、周期的に加速するステップ加速を行う場合に、ステップ加速後の先端側のリンクハブの振動が小さくなる。その結果、始動時に発生する先端側のリンクハブの振動が小さくなり、先端側のリンクハブを高速で高精度の位置決め動作させることが可能となる。
In the present invention, the synchronization control and the attitude control may be performed by setting the acceleration time of all the actuators in the vicinity of one cycle of the resonance frequency of the link actuator.
The link hub on the tip side vibrates in a direction that cancels acceleration after about half a cycle of the resonance frequency. Therefore, if the acceleration time of the actuator is set near one cycle of the resonance frequency of the link actuator, the link hub accelerates periodically. When performing step acceleration, vibration of the link hub on the tip side after step acceleration is reduced. As a result, the vibration of the link hub on the distal end side that occurs at the time of starting is reduced, and the link hub on the distal end side can be positioned at high speed and with high accuracy.
前記加速時間は、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期の範囲内に設定するのが良い。
正弦波が最大振幅となるのは、0.75周期と1.25周期である。そこで、加速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、加速時間をリンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期としている。
The acceleration time is preferably set within a range of 0.8 to 1.2 periods of the resonance frequency of the link actuator.
The maximum amplitude of the sine wave is 0.75 period and 1.25 period. Therefore, in order to avoid a state of oscillating at the maximum amplitude after completion of acceleration, the acceleration time is set to 0.8 to 1.2 periods of the resonance frequency of the link actuator.
この発明において、前記姿勢制御は、目標となる前記先端側のリンクハブの姿勢から前記アクチュエータごとに指令動作量を決定し、前記同期制御は、前記すべてのアクチュエータの指令動作量の比率により各アクチュエータの動作速度を設定すると良い。
リンク作動装置の姿勢制御時には、各アクチュエータの指令動作量が異なるため、その比率により指令速度を設定すれば、容易に同期制御が可能になる。
In the present invention, the attitude control determines a command operation amount for each actuator from a target attitude of the link hub on the distal end side, and the synchronous control determines each actuator according to a ratio of the command operation amounts of all the actuators. It is good to set the operation speed.
At the time of controlling the attitude of the link actuator, the command operation amount of each actuator is different. Therefore, if the command speed is set according to the ratio, synchronous control can be easily performed.
前記各アクチュエータの指令動作量は、次のようにして求めることができる。すなわち、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度をθ、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、容易に指令動作量を求めることができ、姿勢制御が簡略になる。
The command operation amount of each actuator can be obtained as follows. That is, the rotation angle of the end link member on the base end side with respect to the link hub on the base end side is βn, the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the base end side, The angle formed by the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and the end link members on the base end side with respect to the reference end link member on the base end side Is the vertical angle at which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis of the link hub on the proximal end side, and θ is the central axis of the link hub on the proximal end side. When the horizontal angle at which the central axis of the link hub on the tip side is inclined is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
The target rotation angle of each base end side end link member in the posture control is obtained by inversely transforming the expression represented by the formula, and the target rotation angle and each base end side end are obtained. The command operation amount of each actuator is calculated based on a difference from the current rotation angle of the partial link member.
According to this method, the command operation amount can be easily obtained, and posture control is simplified.
また、前記各アクチュエータの指令動作量は、次のようにして求めてもよい。すなわち、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度をθ、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と、前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成し、このテーブルを用いて、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、事前に基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢と各基端側の端部リンク部材の回転角との関係をテーブル化しておくことにより、上記式を用いた指令動作量の計算時間が短くすることができ、より一層高速な姿勢制御が可能となる。
Further, the command operation amount of each actuator may be obtained as follows. That is, the rotation angle of the end link member on the base end side with respect to the link hub on the base end side is βn, the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the base end side, The angle formed by the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and the end link members on the base end side with respect to the reference end link member on the base end side Is the vertical angle at which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis of the link hub on the proximal end side, and θ is the central axis of the link hub on the proximal end side. When the horizontal angle at which the central axis of the link hub on the tip side is inclined is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
A table showing the relationship between the posture of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub and the rotation angle of the end link member on each proximal end side by inversely transforming the expression expressed by The target rotation angle of each base end side end link member in the posture control is obtained using this table, and the target rotation angle and each base end side end link member are obtained. The command operation amount of each actuator is calculated based on the difference from the current rotation angle.
According to this technique, the above formula was used by preliminarily tabulating the relationship between the attitude of the distal-side link hub with respect to the proximal-side link hub and the rotation angle of each proximal-side end link member. The calculation time of the command operation amount can be shortened, and the posture control can be performed at higher speed.
前記各アクチュエータの動作速度は、この動作速度をVn、ベース速度をV、前記基端側の端部リンク部材の現在の回転角をβn、前記姿勢制御における前記基端側の端部リンク部材の目標とする回転角をβn´とした場合に、
上記式を用いることで、ベース速度Vは各アクチュエータの動作速度Vnの合成速度となり、どのような状況においても基端側のリンクハブの移動速度がほぼ一定となるように制御できる。
The operating speed of each actuator is Vn, the base speed is V, the current rotation angle of the end link member on the base end side is βn, and the end link member on the base end side in the posture control is When the target rotation angle is βn ′,
By using the above formula, the base speed V becomes the combined speed of the operating speed Vn of each actuator, and can be controlled so that the moving speed of the link hub on the base end side is almost constant in any situation.
また、前記各アクチュエータの動作速度は、この動作速度をVn、最高速度をVmax、前記基端側の端部リンク部材の現在の回転角をβn、前記姿勢制御における前記基端側の端部リンク部材の目標とする回転角をβn´、(βn´−βn)の最大値をΔβmaxとした場合に、
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax
で表される式を用いて計算しても良い。
この場合は、常に少なくても1つのアクチュエータを最高速度で位置決め駆動することができ、基端側のリンクハブの移動速度が最大となるように制御できる。
The operating speed of each actuator is Vn, the maximum speed is Vmax, the current rotation angle of the end link member on the base end side is βn, and the end link on the base end side in the posture control When the target rotation angle of the member is βn ′ and the maximum value of (βn′−βn) is Δβmax,
Vn = Vmax (βn′−βn) / Δβmax
You may calculate using the formula represented by these.
In this case, at least one actuator can always be positioned and driven at the maximum speed, and the movement speed of the link hub on the base end side can be controlled to be maximum.
この発明において、前記3組以上のリンク機構のすべてに、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設け、これら各アクチュエータを冗長制御により制御すると良い。
冗長制御を行うことで、先端側のリンクハブがどのような姿勢である場合においても、各アクチュエータの駆動バランスを良くすることができ、また先端側のリンクハブの整定時間を短くできる。さらに、アクチュエータおよびその周辺部分のガタやリンク機構のガタを詰めるように制御できるため、アクチュエータを停止した後のガタによる先端側のリンクハブの振動を抑制でき、整定時間が短くなる。
In this invention, it is preferable that all of the three or more sets of link mechanisms are provided with actuators for arbitrarily changing the attitude of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub, and these actuators are controlled by redundant control. .
By performing redundancy control, the driving balance of each actuator can be improved regardless of the posture of the link hub on the distal end side, and the settling time of the link hub on the distal end side can be shortened. Furthermore, since it is possible to control the backlash of the actuator and its peripheral part and the backlash of the link mechanism, the vibration of the link hub on the tip side due to the backlash after stopping the actuator can be suppressed, and the settling time is shortened.
この発明において、前記先端側のリンクハブに前記リンク作動装置の持つ共振周波数を検出する共振周波数検出用センサを設置し、その信号から共振周波数測定器により共振周波数を計算し、その計算結果から前記アクチュエータの加速時間および減速時間の設定値を更新すると良い。
先端負荷やリンク作動装置の剛性が変わっても、容易に加速時間および減速時間を更新できるため、どのような状況においてもアクチュエータを停止した後の先端側のリンクハブの振動が小さくなり、高速で高精度の位置決め動作が可能となる。
In this invention, a resonance frequency detection sensor for detecting the resonance frequency of the link actuator is installed in the link hub on the distal end side, and the resonance frequency is calculated from the signal by a resonance frequency measuring device. It is recommended to update the set values of acceleration time and deceleration time of the actuator.
Even if the tip load or the rigidity of the link actuator changes, the acceleration time and deceleration time can be easily updated, so the vibration of the link hub on the tip side after stopping the actuator is reduced in any situation and at high speed. High-precision positioning operation is possible.
前記共振周波数検出用センサとして加速度ピックアップを用い、かつ前記共振周波数測定器としてFFTアナライザを用いると良い。
加速度ピックアップは小型で設置しやすく、FFTアナライザは容易に加速時間および減速時間を設定できる。
An acceleration pickup may be used as the resonance frequency detection sensor, and an FFT analyzer may be used as the resonance frequency measuring device.
The acceleration pickup is small and easy to install, and the FFT analyzer can easily set the acceleration time and deceleration time.
この発明のリンク作動装置の制御装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する装置であって、前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行う同期・姿勢制御手段を設けたことを特徴とする。 The control device for the link actuating device according to the present invention connects the link hub on the distal end side to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms, The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. An act of having a shape symmetrical to the side portion, and allowing two or more of the three or more sets of link mechanisms to arbitrarily change the attitude of the distal end side link hub relative to the proximal end side link hub An apparatus for controlling the operation of the actuator in a link actuator provided with an eta, and the operation for each actuator by synchronous control for controlling all of the actuators to start and complete simultaneously. And controlling the position of the link hub on the distal end side to an arbitrary position, setting the deceleration time of all the actuators to around one cycle of the resonance frequency of the link actuator, A synchronization / attitude control means for performing synchronization control and attitude control is provided.
同時制御を行うことで、すべてのアクチュエータが同時に動作を完了するため、動作完了時における各リンク機構から先端側のリンクハブに作用する力のバランスが良くなり、先端側のリンクハブの整定時間が短くなる。 By performing simultaneous control, all actuators complete their operations at the same time, so the balance of the forces acting on the link hub on the tip side from each link mechanism at the completion of the operation is improved, and the settling time of the link hub on the tip side is improved. Shorter.
さらに、先端側のリンクハブは共振周波数の約半周期後に加速を打ち消す方向に振動するため、アクチュエータの減速時間がリンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定されていると、周期的に加速するステップ加速を行う場合に、ステップ加速後の先端側のリンクハブの振動が小さくなる。その結果、高速動作時でもアクチュエータの動作完了後の先端側のリンクハブの振動が小さくなり、先端側のリンクハブを高速で高精度の位置決め動作させることが可能となる。 Furthermore, since the link hub on the tip side vibrates in a direction that cancels acceleration after about half a cycle of the resonance frequency, if the deceleration time of the actuator is set near one cycle of the resonance frequency of the link actuator, When performing step acceleration to accelerate, the vibration of the link hub on the tip side after step acceleration is reduced. As a result, the vibration of the link hub on the distal end side after the operation of the actuator is reduced even at high speed operation, and the link hub on the distal end side can be positioned at high speed and with high accuracy.
この発明のリンク作動装置の制御方法は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する方法であって、前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うため、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができるリンク作動装置に適用することができ、先端側部材である先端側のリンクハブの高速で高精度の位置決め動作を実現できる。 In the link actuator control method according to the present invention, the link hub on the distal end side is connected to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms. The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. An act of having a shape symmetrical to the side portion, and allowing two or more of the three or more sets of link mechanisms to arbitrarily change the attitude of the distal end side link hub relative to the proximal end side link hub A method for controlling the operation of the actuator in a link actuating device provided with an etater, the operation for each actuator being performed by synchronous control for controlling all of the actuators to start and complete simultaneously. And controlling the position of the link hub on the distal end side to an arbitrary position, setting the deceleration time of all the actuators to around one cycle of the resonance frequency of the link actuator, Because it performs synchronous control and attitude control, it can be applied to a link actuator that can operate in a wide range of operation while having a compact configuration, and at the high speed of the link hub on the tip side that is the tip side member. A highly accurate positioning operation can be realized.
この発明のリンク作動装置の制御装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させるアクチュエータを設けたリンク作動装置における、前記アクチュエータの動作を制御する装置であって、前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行う同期・姿勢制御手段を設けたため、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、先端側部材である先端側のリンクハブの高速で高精度の位置決め動作を実現できる。 The control device for the link actuating device according to the present invention connects the link hub on the distal end side to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms, The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. An act of having a shape symmetrical to the side portion, and allowing two or more of the three or more sets of link mechanisms to arbitrarily change the attitude of the distal end side link hub relative to the proximal end side link hub An apparatus for controlling the operation of the actuator in a link actuator provided with an eta, and the operation for each actuator by synchronous control for controlling all of the actuators to start and complete simultaneously. And controlling the position of the link hub on the distal end side to an arbitrary position, setting the deceleration time of all the actuators to around one cycle of the resonance frequency of the link actuator, Synchronous and attitude control means for performing synchronization control and attitude control are provided, so that it can operate in a wide range of operation while having a compact configuration, and high speed and high accuracy of the link hub on the tip side, which is the tip side member. Positioning operation can be realized.
この発明にかかる制御方法が適用されたリンク作動装置の一実施形態を図1〜図7と共に説明する。図1に示すように、このリンク作動装置51は、リンク機構本体1と、このリンク機構本体1を支持する基台52と、リンク機構本体1を作動させる複数(後記リンク機構4と同数)のアクチュエータ53と、これらアクチュエータ53を制御する制御装置58とを備える。この例では、制御装置58がコントローラ54内に設けられているが、制御装置58はコントローラ54と別に設けてもよい。
An embodiment of a link actuator to which a control method according to the present invention is applied will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
リンク機構本体1から説明する。図2および図3はリンク機構本体1のそれぞれ異なる状態を示す正面図であり、このリンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2に対し先端側のリンクハブ3を3組のリンク機構4を介して姿勢変更可能に連結したものである。図2および図3では、1組のリンク機構4のみが示されている。
The link mechanism
図4は、リンク機構本体1を三次元的に表わした斜視図である。各リンク機構4は、基端側の端部リンク部材5、先端側の端部リンク部材6、および中央リンク部材7で構成され、4つの回転対偶からなる3節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材5,6はL字状をなし、基端がそれぞれ基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3にそれぞれ回転自在に連結されている。中央リンク部材7は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材5,6の先端がそれぞれ回転自在に連結されている。
FIG. 4 is a perspective view showing the
基端側および先端側の端部リンク部材5,6は球面リンク構造で、3組のリンク機構4における球面リンク中心PA,PB(図2、図3)は一致しており、また、その球面リンク中心PA,PBからの距離Dも同じである。端部リンク部材5,6と中央リンク部材7との各回転対偶の中心軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。
The
つまり、3組のリンク機構4は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材5,6,7を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材7の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図5は、一組のリンク機構4を直線で表現した図である。
That is, the three sets of
この実施形態のリンク機構4は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ2および基端側の端部リンク部材5と、先端側のリンクハブ3および先端側の端部リンク部材6との位置関係が、中央リンク部材7の中心線Cに対して回転対称となる位置構成になっている。図2は、基端側のリンクハブ2の中心軸QAと先端側のリンクハブ3の中心軸QBとが同一線上にある状態を示し、図3は、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構4の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心PA,PB間の距離Dは変化しない。
The
基端側のリンクハブ2と先端側のリンクハブ3と3組のリンク機構4とで、基端側のリンクハブ2に対し先端側のリンクハブ3が直交2軸方向に移動自在な2自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ2に対して先端側のリンクハブ3を、回転が2自由度で姿勢変更自在な機構である。この2自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブ2の中心軸QAと先端側のリンクハブ3の中心軸QBの折れ角θの最大値(最大折れ角)を約±90°とすることができる。また、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の旋回角φを0°〜360°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが傾斜した水平角度のことである。
The
このリンク機構本体1において、各リンク機構4の端部リンク部材5,6の軸部材13(図6)の角度、および長さが等しく、かつ基端側の端部リンク部材5と先端側の端部リンク部材6の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材7についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材7の対称面に対して、中央リンク部材7と端部リンク部材5,6との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ2および基端側の端部リンク部材5と、先端側のリンクハブ3および先端側の端部リンク部材6とは同じに動く。例えば、基端側と先端側のリンクハブ2,3にそれぞれの中心軸QA,QBと同軸に回転軸を設け、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手となる。この等速回転するときの中央リンク部材7の対称面を等速二等分面という。
In this
このため、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3を共有する同じ幾何学形状のリンク機構4を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構4が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材7が等速二等分面上のみの動きに限定される。これにより、基端側と先端側とが任意の作動角をとっても、基端側と先端側とが等速回転する。
Therefore, by arranging a plurality of
基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3は、その中心部に貫通孔10が軸方向に沿って形成され、外形が球面状をしたドーナツ形状をしている。貫通孔10の中心はリンクハブ2,3の中心軸QA,QBと一致している。これら基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3の外周面の円周方向に等間隔の位置に、基端側の端部リンク部材5および先端側の端部リンク部材6がそれぞれ回転自在に連結されている。
The
図6は、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、および基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶を示す断面図である。基端側のリンクハブ2は、前記軸方向の貫通孔10と外周側とを連通する半径方向の連通孔11が円周方向3箇所に形成され、各連通孔11内に設けた二つの軸受12により軸部材13がそれぞれ回転自在に支持されている。軸部材13の外側端部は基端側のリンクハブ2から突出し、その突出ねじ部13aに基端側の端部リンク部材5が結合され、ナット14によって締付け固定されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a rotational pair of the proximal-
前記軸受12は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪(図示せず)が前記連通孔11の内周に嵌合し、その内輪(図示せず)が前記軸部材13の外周に嵌合している。外輪は止め輪15によって抜け止めされている。また、内輪と基端側の端部リンク部材5の間には間座16が介在し、ナット14の締付力が基端側の端部リンク部材5および間座16を介して内輪に伝達されて、軸受12に所定の予圧を付与している。
The
基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶は、中央リンク部材7の両端に形成された連通孔18に二つの軸受19が設けられ、これら軸受19により、基端側の端部リンク部材5の先端の軸部20が回転自在に支持されている。軸受19は、間座21を介して、ナット22によって締付け固定されている。
The rotating pair of the
前記軸受19は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪(図示せず)が前記連通孔18の内周に嵌合し、その内輪(図示せず)が前記軸部20の外周に嵌合している。外輪は止め輪23によって抜け止めされている。軸部20の先端ねじ部20aに螺着したナット22の締付力が間座21を介して内輪に伝達されて、軸受19に所定の予圧を付与している。
The
以上、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、および基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶について説明したが、先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶、および先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶も同じ構成である(図示省略)。
The rotation pair of the base end
このように、各リンク機構4における4つの回転対偶、つまり、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7と回転対偶、および先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶に、軸受12,19を設けた構造とすることにより、各回転対偶での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
Thus, the four rotation pairs in each
この軸受12,19を設けた構造では、軸受12,19に予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、回転対偶のがたつきを抑えることができ、基端側のリンクハブ2側と先端側のリンクハブ3側間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受12,19の軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
In the structure in which the
軸受12を基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3に埋設状態で設けたことにより、リンク機構本体1全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3の外形を拡大することができる。そのため、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3を他の部材に取付けるための取付スペースの確保が容易である。
By providing the
図1において、基台52は縦長の部材であって、その上面にリンク機構本体1の基端側のリンクハブ2が固定されている。基台52の上部の外周にはつば状のアクチュエータ取付台55が設けられ、このアクチュエータ取付台55に前記アクチュエータ53が垂下状態で取付けられている。アクチュエータ53の数は、リンク機構4と同数の3個である。アクチュエータ53はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取付けたかさ歯車56と基端側のリンクハブ2の軸部材13(図6)に取付けた扇形のかさ歯車57とが噛み合っている。
In FIG. 1, a
このリンク作動装置51は、コントローラ54を操作して各アクチュエータ53を回転駆動することで、リンク機構本体1を作動させる。詳しくは、アクチュエータ53が回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車56,57を介して軸部材13に伝達されて、基端側のリンクハブ2に対する基端側の端部リンク部材5の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の位置および姿勢(以下、「先端位置姿勢」とする)が決まる。ここでは、かさ歯車56、57を用いて基端側の端部リンク部材5の角度を変更しているが、その他の機構(例えば、平歯車やウォーム機構)でも良い。
The
リンク機構本体1を作動させるためのアクチュエータ53の回転駆動は、コントローラ54に設けられた指令操作器(図示せず)による指令に基づき、制御装置58による自動制御で行う。制御装置58は、コンピュータによる数値制御式のものであり、同期・姿勢制御手段58aを有する。同期・姿勢制御手段58aは、3つのアクチュエータ53のすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御と、アクチュエータ53ごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブ3を任意の姿勢に変更する姿勢制御とを行う。
The rotation of the
姿勢制御は以下のように行う。まず、指令された先端位置姿勢に応じて、各基端側の端部リンク部材5の回転角βn(図7)を求める。ここで言う回転角βnは、指令された先端位置姿勢に対応する各基端側の端部リンク部材5の回転角(水平面からの角度)のことである。
Attitude control is performed as follows. First, the rotation angle βn (FIG. 7) of each
回転角βnは、例えば、下記の式1を逆変換することで求められる。逆変換とは、基端側のリンクハブ2の中心軸QAと先端側のリンクハブ3の中心軸QBの折れ角θ(図4)、および基端側のリンクハブ2に対する出力側のリンクハブ3の旋回角φ(図4)から基端側の端部リンク部材5の回転角βnを算出する変換のことである。折れ角θおよび旋回角φと、回転角βnとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
;(n=1,2,3) …(式1)
ここで、γ(図4)は、基端側の端部リンク部材5に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸と、先端側の端部リンク部材6に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸とが成す角度である。δn(図4におけるδ1,δ2,δ3)は、基準となる基端側の端部リンク部材5に対する各基端側の端部リンク部材5の円周方向の離間角である。
The rotation angle βn is obtained, for example, by inversely transforming the following
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
(N = 1, 2, 3) (Formula 1)
Here, γ (FIG. 4) is rotatably connected to the connecting end shaft of the
指令ごとに式1を逆変換して回転角βnを求めてもよいが、事前に、表1のように先端位置姿勢と回転角βnとの関係を示すテーブルを作成しておいても良い。テーブル化されていると、先端位置姿勢の指令があったら、すぐにテーブルを用いて回転角βnを求めることができる。そのため、より一層高速な姿勢制御が可能となる。
回転角βn(β1,β2,β3)を求めたなら、アクチュエータ53(531,532,533)ごとに制御パラメータを決める。各アクチュエータ53(531,532,533)の制御パラメータは、例えば図8のような波形になる。すなわち、回転開始からt1時までは加速し、t1時からt2時までは指令速度Vn(V1,V2,V3)を維持し、その後、減速してt3時に回転を停止する。アクチュエータ531の場合、ハッチングで示された範囲の面積が、アクチュエータ531の動作量、すなわち基端側の端部リンク部材5の回転角β1を示す。他のアクチュエータ532,533についても同様である。図から明らかなように、同期制御により、各アクチュエータ53(531,532,533)が同時に動作を開始して同時に動作を完了し、かつ加速時間および減速時間も各アクチュエータ53(531,532,533)で同じになるように制御されている。
When the rotation angle βn (β1, β2, β3) is obtained, the control parameter is determined for each actuator 53 (53 1 , 53 2 , 53 3 ). The control parameters of the actuators 53 (53 1 , 53 2 , 53 3 ) have waveforms as shown in FIG. 8, for example. That is, the vehicle accelerates from the start of rotation to t1 and maintains the command speed Vn (V1, V2, V3) from t1 to t2, and then decelerates and stops rotating at t3. When the
例えば、前記指令速度Vn(V1,V2,V3)は、現在の回転角βn(β1,β2,β3)と指令姿勢の回転角βn´(β1´,β2´,β3´)との差分の比率で定義されており、指令速度Vnの基準となるベース速度をVとすると、指令速度Vnは式2で表される。
この場合、ベース速度Vは各アクチュエータ53の指令速度Vnの合成速度となり、どのような状況においても基端側のリンクハブ5の移動速度がほぼ一定となるように制御できる。
For example, the command speed Vn (V1, V2, V3) is a ratio of the difference between the current rotation angle βn (β1, β2, β3) and the command posture rotation angle βn ′ (β1 ′, β2 ′, β3 ′). If the base speed that serves as a reference for the command speed Vn is V, the command speed Vn is expressed by
In this case, the base speed V is a combined speed of the command speed Vn of each actuator 53, and can be controlled so that the moving speed of the
また、指令速度Vnは、最高速度をVmax、現在の回転角βnと指令姿勢の回転角βn´の差分(βn´−βn)の最大をΔβmaxとした場合に、式3で表される関係式を用いて計算しても良い。
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax ;(n=1,2,3) …(式3)
この場合、常に少なくても1つのアクチュエータ53を最高速度で駆動でき、基端側のリンク部材5の回転速度が最大となるように制御できる。
Further, the command speed Vn is a relational expression expressed by
Vn = Vmax (βn′−βn) / Δβmax; (n = 1, 2, 3) (Formula 3)
In this case, at least one
このように3つのアクチュエータ53の指令速度Vnを設定することで、3つのアクチュエータ53の同期制御が可能となる。ベース速度Vや最高速度Vmaxは、先端側のリンクハブ3の整定時間により調整すればよい。整定時間とは、アクチュエータ53の動作完了から先端側のリンクハブ3が完全に静止するまでの時間のことである。アクチュエータ53が回転を開始してから指令速度Vnに達するまでの加速度、および指令速度Vnから回転を停止するまでの減速度は、図8における直線の傾きで表され、加速時間と指令速度Vn、並びに減速時間と指令速度Vnによってそれぞれ決まる。
By setting the command speed Vn of the three
各アクチュエータ53の加速時間および減速時間(「加減速時間」とする)は、リンク作動装置1の持つ共振周波数の1周期付近に設定してある。具体的には、リンク作動装置1の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期の範囲内に設定するのが望ましい。その理由を、以下に説明する。なお、ここで言う共振周波数は、先端側のリンクハブ3に搭載物を設置した状態での共振周波数のことである。
The acceleration time and deceleration time (referred to as “acceleration / deceleration time”) of each actuator 53 is set in the vicinity of one cycle of the resonance frequency of the
図9は、加減速時間を一定にしてベース速度V(または指令速度Vn)により加減速度を変更した場合における加減速度と整定時間との関係を示すグラフである。また、図10は、ベース速度V(または指令速度Vn)を一定にして加減速時間により加減速度を変更した場合における加減速度と整定時間との関係を示すグラフである。図9のように、加減速度が小さいほど整定時間が短くなるのが一般的であるが、図10ではある加減速度までは整定時間は短くなり、その後、整定時間は一定または長くなる傾向が見られる。整定時間の傾向が変わる変曲点は、図11で示すように、リンク作動装置1の持つ共振周波数の1周期付近で見られる。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the acceleration / deceleration and the settling time when the acceleration / deceleration time is fixed and the acceleration / deceleration is changed by the base speed V (or command speed Vn). FIG. 10 is a graph showing the relationship between acceleration / deceleration and settling time when the base speed V (or command speed Vn) is constant and the acceleration / deceleration is changed by the acceleration / deceleration time. As shown in FIG. 9, the smaller the acceleration / deceleration, the shorter the settling time is. In FIG. 10, the settling time becomes shorter until a certain acceleration / deceleration, and then the settling time tends to be constant or longer. It is done. As shown in FIG. 11, the inflection point where the tendency of settling time changes can be seen in the vicinity of one cycle of the resonance frequency of the
図12は、共振周波数の1周期分ごとに加速するステップ加速を行う場合の先端側のリンクハブ3の振動の振幅を示す。先端側のリンクハブ3は半周期後に加速を打ち消す方向に振動するため、ステップ加速後の先端側のリンクハブ3の振動が小さくなると考えられる。そのため、加減速度時間をこの付近(0.8〜1.2周期)に設定すれば、整定時間の短縮が可能となる。また、正弦波が最大振幅となるのは、0.75周期と1.25周期である。そこで、加速終了後や減速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、加減速時間をリンク作動装置の持つ共振周波数の0.8ないし1.2周期としている。
FIG. 12 shows the amplitude of vibration of the
より好ましくは、加減速時間を、リンク作動装置1の持つ共振周波数の0.9〜1.1周期(±10%)の範囲内に設定すると良い。上記範囲内に加減速時間を設定すれば、加減速終了時の振幅が共振周波数の最大振幅に対して1/2以下となり、余剰エネルギーが小さくなる。その結果、高速動作時でもアクチュエータが動作を完了した後の先端側のリンクハブの振動が小さくなり、さらに先端側のリンクハブの高速で高精度の位置決め動作が可能となると共に、さらなる整定時間の短縮が可能となる。
More preferably, the acceleration / deceleration time may be set within a range of 0.9 to 1.1 periods (± 10%) of the resonance frequency of the
このリンク作動装置51のリンク機構本体1は、4つの回転対偶からなる3節連鎖のリンク機構4を3組備えた構成であり、3組のリンク機構4のうち少なくとも2組にアクチュエータ53が設けられていれば、先端位置姿勢を確定することができる。しかし、このリンク作動装置51は、3組すべてのリンク機構4にアクチュエータ53が設けられており、各アクチュータ53の回転を冗長制御により制御するようになっている。それにより、どのような先端位置姿勢においても、各アクチュエータ53の駆動トルクのバランスを良くすることができ、また先端側のリンクハブ3の整定時間を短くできる。さらに、アクチュエータ53およびその周辺部分のガタやリンク機構4のガタを詰めるように制御できるため、アクチュエータ53を停止した後のガタによる先端側のリンクハブ3の振動を抑制でき、整定時間が短くなる。
The link mechanism
図13ないし図15は、リンク作動装置の異なる実施形態を示す。このリンク作動装置61は、図13に示すように、リンク機構本体1を介して、基端側の基台62に対して先端側に、各種器具等が取付けられる先端取付部材63を姿勢変更可能に連結したものである。基台62と、リンク機構本体1の基端側のリンクハブ2との間にはスペーサ64を介在させてある。
Figures 13 to 15 show different embodiments of the link actuating device. As shown in FIG. 13, the
図14および図15に示すように、リンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3に対して端部リンク部材5,6をそれぞれ回転自在に支持する軸受31を外輪回転タイプとしたものである。基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶を例にとって説明すると、基端側のリンクハブ2の円周方向の3箇所に軸部32が形成され、この軸部32の外周に二つの軸受31の内輪(図示せず)が嵌合し、基端側の端部リンク部材5に形成された連通孔33の内周に軸受31の外輪(図示せず)が嵌合している。軸受31は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット34による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶も、上記同様の構造である。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
また、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶に設けられた軸受36は、基端側の端部リンク部材5の先端に形成された連通孔37の内周に外輪(図示せず)が嵌合し、中央リンク部材7と一体の軸部38の外周に内輪(図示せず)が嵌合している。軸受36は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット39による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶も、上記同様の構造である。
Further, the bearing 36 provided at the rotation pair of the
リンク機構本体1の3組のリンク機構4のすべてに、基端側の端部リンク部材5を回動させて先端位置姿勢を任意に変更させるアクチュエータ70と、このアクチュエータ70の動作量を基端側の端部リンク部材5に減速して伝達する減速機構71とが設けられている。アクチュエータ70はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機70a付きのサーボモータであって、モータ固定部材72により基台62に固定されている。減速機構71は、アクチュエータ70の減速機70aと、歯車式の減速部73とでなる。以下では、減速機構71に平歯車を使用しているが、その他の機構(例えば、かさ歯車やウォーム機構)でも良い。
All of the three sets of
歯車式の減速部73は、アクチュエータ70の出力軸70bにカップリング75を介して回転伝達可能に連結された小歯車76と、基端側の端部リンク部材5に固定され前記小歯車76と噛み合う大歯車77とで構成されている。図示例では、小歯車76および大歯車77は平歯車であり、大歯車77は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車77は小歯車76よりもピッチ円半径が大きく、アクチュエータ70の出力軸70bの回転が基端側の端部リンク部材5へ、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の回転軸O1回りの回転に減速して伝達される。その減速比は10以上とされている。
The gear
大歯車77のピッチ円半径は、基端側の端部リンク部材5のアーム長Lの1/2以上としてある。前記アーム長Lは、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の中心軸O1の軸方向中心点P1から、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7との回転対偶の中心軸O2の軸方向中心点P2を基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶軸O1に直交してその軸方向中心点P1を通る平面に投影した点P3までの距離である。この実施形態の場合、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長L以上である。そのため、高い減速比を得るのに有利である。
The pitch circle radius of the
小歯車76は、大歯車77と噛み合う歯部76aの両側に突出する軸部76bを有し、これら両軸部76bが、基台62に設置された回転支持部材79に設けられた二つの軸受80によりそれぞれ回転自在に支持されている。軸受80は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。二つの軸受80の各外輪(図示せず)間にはシム(図示せず)を設け、軸部76bに螺合したナット81を締め付けることにより、軸受80に予圧を付与する構成としてある。軸受80の外輪は、回転支持部材79に圧入されている。
The
この実施形態の場合、大歯車77は、基端側の端部リンク部材5と別部材であり、基端側の端部リンク部材5に対してボルト等の結合具82により着脱可能に取付けられている。大歯車77は基端側の端部リンク部材5と一体であってもよい。
In the case of this embodiment, the
アクチュエータ70の回転軸心O3および小歯車76の回転軸心O4は同軸上に位置する。これら回転軸心O3,O4は、基端側のリンクハブ24と基端側の端部リンク部材5の回転対偶軸O1と平行で、かつ基台62からの高さが同じとされている。
The rotation axis O3 of the
このリンク作動装置61も、コントローラ84に設けられた指令操作器(図示せず)の指令に基づき、制御装置85による自動制御で行う。制御装置85は同期・姿勢制御手段85aを有し、この姿勢制御手段85aにより、3つのアクチュエータ70のすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御と、アクチュエータ70ごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブ3を任意の姿勢に変更する姿勢制御とを行う。それにより、前記同様の作用・効果が得られる。
The
このリンク作動装置61は、3組のリンク機構4のすべてにアクチュエータ70および減速機構71を設けたことで、リンク機構本体1や減速機構71のガタを詰めるように制御することが可能となり、先端側のリンクハブ3の位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置61自体の高剛性化を実現できる。
This
また、減速機構71の歯車式の減速部73は、小歯車76と大歯車77の組合せからなり、10以上の高い減速比が得られる。減速比が高いと、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなるため、先端側のリンクハブ3の位置決め分解能が向上する。また、低出力のアクチュエータ70を使用することができる。この実施形態では減速機70a付きのアクチュエータ70を使用しているが、歯車式の減速部73の減速比が高ければ、減速機無しのアクチュエータ70を使用することも可能となり、アクチュエータ70を小型化できる。
The gear-
大歯車77のピッチ円半径を、基端側の端部リンク部材5のアーム長Lの1/2以上としたことで、先端負荷による基端側の端部リンク部材5の曲げモーメントが小さくなる。そのため、リンク作動装置61全体の剛性を必要以上に高くしなくて済むと共に、基端側の端部リンク部材5の軽量化を図れる。例えば、基端側の端部リンク部材5をステンレス鋼(SUS)からアルミに変更できる。また、大歯車77のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車77の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置61全体の剛性が高くなる。
また、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長の1/2以上であると、大歯車77が、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶に設置する軸受12の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車77の歯部と軸受12との間にスペースができ、大歯車77の設置が容易である。
By setting the pitch circle radius of the
Further, when the pitch circle radius of the
特にこの実施形態の場合、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長L以上であるため、大歯車77のピッチ円半径がさらに大きくなり、前記作用・効果がより一層顕著に現れる。加えて、小歯車76をリンク機構4よりも外径側に設置することが可能となる。その結果、小歯車76の設置スペースを容易に確保することができ、設計の自由度が増す。また、小歯車76と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置61の可動範囲が広くなる。
In particular, in the case of this embodiment, the pitch circle radius of the
小歯車76および大歯車77は、それぞれ平歯車であるため、製作が容易であり、しかも回転の伝達効率が高い。小歯車76は軸方向両側で軸受80により支持されているため、小歯車76の支持剛性が高い。それにより、先端負荷による基端側の端部リンク部材5の角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置61の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。また、アクチュエータ70の回転軸心O3、小歯車76の回転軸心O4、および基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の中心軸O1が同一平面上にあるため、全体的なバランスが良く、組立性が良い。
Since the
大歯車77は、基端側の端部リンク部材5に対して着脱自在であるため、歯車式の減速部73の減速比や、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の作動範囲等の仕様の変更が容易となり、リンク作動装置61の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置61を、大歯車77を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能である。また、メンテナンス性が良い。例えば、歯車式の減速部73に障害が生じた場合に、同減速部73のみを交換するだけで対処可能である。
Since the
図16は、上記制御方法とは別の制御方法によりアクチュエータを制御するリンク作動装置を示す。このリンク作動装置91は、リンク機構本体1が前記リンク作動装置61のものと同じ構成であるが、前記リンク作動装置51のものと同じ構成であっても良い。この制御方法は、いずれの場合にも適用できる。
FIG. 16 shows a link actuator that controls an actuator by a control method different from the above control method. The
この制御方法では、先端側のリンクハブ3に、先端側のリンクハブ3にリンク作動装置91の持つ共振周波数を検出する共振周波数検出用センサ92を設置する。共振周波数検出用センサ92は、先端位置姿勢の変化に伴い出力が変動するものであれば良く、例えば加速度ピックアップを用いる。加速度ピックアップは小型で設置し易い。他に、傾斜角センサを用いても良い。また、リンク作動装置91の基端側に、共振周波数検出用センサ92の信号から共振周波数を計算する共振周波数測定器93を設置する。共振周波数測定器93としては、例えばFFTアナライザを用いる。FFTアナライザで容易に加速時間および減速時間を設定できる。共振周波数検出用センサ92と共振周波数測定器93とは、可撓性のケーブル94により接続されている。
In this control method, a resonance
この制御方法によると、共振周波数測定器93により共振周波数検出用センサ92の信号から共振周波数を計算し、その計算結果に基づいてアクチュエータ(図示せず)の加減速時間の設定値を変更する。これにより、先端負荷やリンク作動装置91の剛性が変わっても、容易に加速時間および減速時間を更新できる。例えば、先端側のリンクハブ3の搭載物を変更したり取付け位置を変えたりした場合にも、加速時間および減速時間を最適に設定することができる。そのため、どのような状況においても、アクチュエータを停止した後の先端側のリンクハブ3の振動を小さくでき、高速で高精度の位置決め動作が可能となる。
According to this control method, the resonance
加速時間および減速時間の更新は、電源投入時に行なってもよく、一定周期ごとに行ってもよく、人為的に任意のタイミングで行ってもよい。また、正常動作時において、共振周波数検出用センサ92が常に共振周波数を監視し、加速時間および減速時間の設定値と比較して、ずれが生じた場合に自動で加速時間および減速時間の設定値を更新するようにしてもよい。
The acceleration time and deceleration time may be updated when the power is turned on, at regular intervals, or artificially at arbitrary timing. Also, during normal operation, the resonance
2…基端側のリンクハブ
3…先端側のリンクハブ
4…リンク機構
5…基端側の端部リンク部材
6…先端側の端部リンク部材
7…中央リンク部材
51,61,91…リンク作動装置
53,70…アクチュエータ
58,85…制御装置
58a,85a…同期・姿勢制御手段
92…共振周波数検出用センサ
93…共振周波数測定器
QA…基端側のリンクハブの中心軸
QB…先端側のリンクハブの中心軸
2.
Claims (13)
前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行うことを特徴とするリンク作動装置の制御方法。 The link hub on the distal end side is connected to the link hub on the proximal end side through three or more sets of link mechanisms in such a manner that the posture can be changed, and each of the link mechanisms includes a link hub on the proximal end side and a link hub on the distal end side. End link members on the base end side and the tip end side, one end of which is rotatably connected to the link hub, and a center on which both ends are rotatably connected to the other ends of the end link members on the base end side and the tip end side, respectively. Each of the link mechanisms is a geometric model in which the link mechanism is represented by a straight line, and the base end side portion and the tip end side portion are symmetrical with respect to the center portion of the center link member, In the link operating device, of the three or more sets of link mechanisms, two or more sets of link mechanisms are provided with an actuator for arbitrarily changing the attitude of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub. A method for controlling the operation of said actuator,
The posture control for controlling the operation of each actuator and changing the link hub on the distal end side to an arbitrary posture by the synchronous control that controls so that all the actuators start the operation at the same time and complete the operation at the same time. And performing a synchronization control and a posture control by setting deceleration times of all the actuators in the vicinity of one cycle of the resonance frequency of the link actuator.
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の制御方法。 6. The connecting end of a central link member rotatably connected to the base end side end link member according to claim 5, wherein a rotation angle of the base end side end link member with respect to the base end side link hub is βn. The angle formed between the shaft and the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and each base end on the base end link member serving as a reference The circumferential separation angle of the link member is δn, the vertical angle at which the central axis of the distal link hub is inclined with respect to the central axis of the proximal link hub is θ, and the proximal link hub When the horizontal angle at which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
The target rotation angle of each base end side end link member in the posture control is obtained by inversely transforming the expression represented by the formula, and the target rotation angle and each base end side end are obtained. A control method for a link actuating device that calculates a command operation amount of each actuator based on a difference from a current rotation angle of a local link member.
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と、前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成し、このテーブルを用いて、前記姿勢制御における前記各基端側の端部リンク部材の目標とする回転角を求め、この目標とする回転角と、前記各基端側の端部リンク部材の現在の回転角との差分により、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の制御方法。 6. The connecting end of a central link member rotatably connected to the base end side end link member according to claim 5, wherein a rotation angle of the base end side end link member with respect to the base end side link hub is βn. The angle formed between the shaft and the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and each base end on the base end link member serving as a reference The circumferential separation angle of the link member is δn, the vertical angle at which the central axis of the distal link hub is inclined with respect to the central axis of the proximal link hub is θ, and the proximal link hub When the horizontal angle at which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
A table showing the relationship between the posture of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub and the rotation angle of the end link member on each proximal end side by inversely transforming the expression expressed by The target rotation angle of each base end side end link member in the posture control is obtained using this table, and the target rotation angle and each base end side end link member are obtained. A control method for a link actuating device that calculates a command operation amount of each actuator based on a difference from a current rotation angle.
Vn=Vmax(βn´−βn)/Δβmax
で表される式を用いて計算するリンク作動装置の制御方法。 8. The operating speed of each actuator according to claim 5, wherein the operating speed is Vn, the maximum speed is Vmax, the current rotation angle of the end link member on the base end side is βn, When the target rotation angle of the base end side end link member in the posture control is βn ′, and the maximum value of (βn′−βn) is Δβmax,
Vn = Vmax (βn′−βn) / Δβmax
The control method of the link actuator which calculates using the formula represented by this.
前記アクチュエータのすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御により、前記アクチュエータごとの動作を制御して、前記先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更する姿勢制御を行い、前記すべてのアクチュエータの減速時間を、前記リンク作動装置の持つ共振周波数の1周期付近に設定して、前記同期制御および姿勢制御を行う同期・姿勢制御手段を設けたことを特徴とするリンク作動装置の制御装置。 The link hub on the distal end side is connected to the link hub on the proximal end side through three or more sets of link mechanisms in such a manner that the posture can be changed, and each of the link mechanisms includes a link hub on the proximal end side and a link hub on the distal end side. End link members on the base end side and the tip end side, one end of which is rotatably connected to the link hub, and a center on which both ends are rotatably connected to the other ends of the end link members on the base end side and the tip end side, respectively. Each of the link mechanisms is a geometric model in which the link mechanism is represented by a straight line, and the base end side portion and the tip end side portion are symmetrical with respect to the center portion of the center link member, In the link operating device, of the three or more sets of link mechanisms, two or more sets of link mechanisms are provided with an actuator for arbitrarily changing the attitude of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub. An apparatus for controlling the operation of said actuator,
The posture control for controlling the operation for each actuator and changing the link hub on the distal end side to an arbitrary posture by synchronous control for controlling all the actuators to start operation simultaneously and complete the operation simultaneously. And a synchronization / attitude control means for performing the synchronization control and attitude control by setting the deceleration time of all the actuators to around one period of the resonance frequency of the link actuator. Actuator control device.
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