JP2014156000A - パラレルリンクロボット及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御部の構成を簡略化でき、安価に製造することができるという条件を満たしたパラレルリンクロボットを提供する。
【解決手段】複数のアクチュエータと、複数のアクチュエータの各々と片側端部が連結された複数のリンク部材と、複数のリンク部材の他の片側端部が連結された少なくとも一つの出力部材と、複数のアクチュエータの速度を制御する速度制御部と、を備え、速度制御部は、複数のアクチュエータの時間に対する速度を線形に変化させる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、制御部の構成を簡略化でき、安価に製造することができるパラレルリンクロボットに関するものである。

一般的な産業用ロボットの出力部材の動作は、教示されたある座標点から座標点に関して、最短距離で点間を動作するために速度を時間に対して線形またはＳ字曲線に変化させ、軌跡も直線に近づけるため、目標点間を細かく区切り、位置修正を行う制御を行うことが通常である。この効果は、出力部材に荷重を取り付けた場合のイナーシャ計算が容易であること、最短距離で動作することでタクトの削減が計れること、容易に教示者が動きを想像できることが挙げられる。

独立した複数のアクチュエータとそれに接続されているリンクとそのリンクをつなぐ少なくとも一つの出力部材で構成されるパラレルリンクロボットにおいて、出力部材に上記のような直線動作を行わせる場合、アクチュエータの配置制限、複雑な計算とアルゴリズム、それに対する記憶領域、処理能力が必要となる。しかし、アクチュエータをシリアルに接続しているロボットと比較して、アクチュエータをパラレルに接続するパラレルリンクロボットは、アクチュエータに関して低価格、低出力で動作することができるという特徴もある。

このようにパラレルリンクロボットの制御を行う場合、より簡易的な計算で出力部材を制御することが重要であり、安価で簡易的なシステムを作る工夫が必要である。例えば特許文献１には、機構的な工夫をすることにより、出力部材の運動を容易に把握できる構造を実現したパラレルリンクロボットが開示されている。

特開２００１−２９３６７６号公報

上述のように、パラレルリンクロボットの場合は、その機械的構造によって出力部材を時間に対して線形に変位させるために多くの処理能力が制御部に必要となってくる。また、出力部材を最短距離で教示点間を動作させる場合、出力部材の距離変化を時間に対して線形に近づける必要がある。結果パラレルリンク構造の特性上アクチュエータを時間に対して非線形に動作させることとなり、その速度変化に対応するためアクチュエータ容量が大きくなる。

また、ロボットを用いて自動化された生産システムにとって、生産品種の追加、治具変更時は生産ライン全体の変更が求められる。このとき、治具、機械、搬送装置といった各種ハードウェアの再設計や、ロボットの教示点の変更、など多大な工数がかかることが予想される。自動化された、またより多くの同品種のロボットを装備している生産ラインにとって、ハードウェア／ソフトウェアの構築工数の削減が重要な課題となっており、故にそのロボット自体の教示工数の削減も望まれている。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御部の構成を簡略化でき、安価に製造することができるパラレルリンクロボットを提供することである。

本発明に係わるパラレルリンクロボットは、複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータの各々と片側端部が連結された複数のリンク部材と、前記複数のリンク部材の他の片側端部が連結された少なくとも一つの出力部材と、前記複数のアクチュエータの速度を制御する速度制御手段とを備え、前記速度制御手段は前記複数のアクチュエータの時間に対する速度を線形に変化させることを特徴とする。

本発明によれば、制御部の構成を簡略化でき、安価に製造することができるという条件を満たしたパラレルリンクロボットを提供することが可能となる。

ロボット本体とその制御部のブロック図である。 ロボット制御部の内駆動量制御部のブロック図である。 教示補助装置のブロック図である。 図３における教示補助装置の発展的構造を表したブロック図である。 情報処理装置と教示補助装置のブロック図である。 一実施形態のシステムの構成を表す図である。 一実施形態の各部位のブロック図である。 ロボット制御部のメモリの構造を表すブロック図である。 ロボット制御部のＭＣＵの構造を表すブロック図である。 ロボット制御部のＭＣＵの動作フロー図である。 教示補助装置に接続される記憶領域を表すブロック図である。 教示補助装置に接続される表示部を表すブロック図である。 ３ＤＣＡＤシステムで作成される構造物の定義方法を表した図である。 ３ＤＣＡＤシステムで作成される出力把持部の構造図である。 ３ＤＣＡＤシステムで作成される一実施形態での出力部材の構造図である。 構造物がある点を含んでいるかどうかを判定する説明図である。 ２つの構造物に対して接触しているかどうかを判定する方法を表した図である。 ２つの構造物に対して接触しているかどうかを判定する方法を表した図である。 一実施形態において、ロボットが実際に動作する座標点とその範囲を表した図である。 一実施形態において、実際にロボットが動作する処理フローを表した図である。 一実施形態において、教示補助部が図２０の動作を判定する処理フローを表した図である。 一実施形態における出力部材の速度変化を示す図である。 一実施形態における出力部材の座標の変化を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のパラレルリンクロボットを示す図であり、パラレルリンクロボットは、ロボット本体１０９と制御部１１０を備えて構成されている。

ロボット本体１０９の構造には、ロボットの出力部材１０２（例えば、チャック、先端部）に取り付けられる部品１０４および、ロボット周辺に設置される治具１０３も含まれる。ロボット本体１０９は、リンク部材１０１の片側端部が連結される複数のアクチュエータ１００を備え、それぞれが少なくとも１つ以上の出力部材１０２に対しリンク部材１０１によって接続されている構成のパラレルリンクロボットである。

制御部１１０は、操作部１０８、演算部１０６、記憶部１０７と駆動量制御部１０５の４つの要素で構成される。操作部１０８は、外部より操作者が操作を行う機能を有する。演算部１０６は、記憶部１０７の教示データより目標座標値（目標位置）、及び動作に関するパラメータを取り出し、駆動量制御部１０５で扱える形式に変換し、駆動量制御部１０５に送る機能を有する。

記憶部１０７は、主に外部より教示された教示データとロボットが動作するためのパラメータを保持する機能を有する。駆動量制御部１０５は、演算部１０６より渡されたデータを元に各アクチュエータに動作設定、移動量と動作指令を出力する機能を有する。

演算部１０６から動作パルス数を受け取った駆動量制御部１０５は、内部のパラメータ（傾き、目標速度）を参照して、モータに出力するパルス量を自動調整し、モータに出力、速度の線形変化を実現させる。

上記の構成についてその作用を説明する。パラレルリンク構造をもつロボットの制御は、出力部材１０２の時間に対する速度変化を線形に近づけ、さらに軌跡も最短距離（直線）に近づける制御が一般的である。これは、パラレルリンク構造のロボットのみならず、シリアルリンク、スカラロボットまで広く採用されている動作である。

しかし、パラレルリンク構造のロボットにおいて、上述の動作を実現するためには、その特性上アクチュエータ１００を時間に対して非線形に変化させる必要がある。そのためアクチュエータ１００の容量を大きく見積もる必要性が生じ、さらにその処理は複雑となり演算部１０６に高い能力を求められる。

本実施形態は、アクチュエータ１００の少なくとも一部を時間に対して線形な速度変化（速度の増減）で動作させ、さらに位置決めを行う教示点間をＰＴＰ動作すること（アクチュエータの目標点を細かく修正し互いの軸を補完しながら動作する「分割動作」を行わないこと）を前提とすることで、アクチュエータ１００を時間に対して変化させた時に生ずる速度変化を最小限に抑え、制御自体を簡略化し、さらにアクチュエータ１００自体の容量も抑えることを可能としている。

図２は、制御部１１０内の駆動量制御部１０５の詳細構成を示す図である。

前述のとおり、駆動量制御部１０５は各アクチュエータに対して動作設定、移動量と動作指令を出力することでアクチュエータを制御する。パラレルリンクロボットは複数のアクチュエータを備えているため、駆動量制御部１０５は複数のアクチュエータに対してデータ出力できる同数以上の動作指令ユニットを備える。

また、動作指令は、各アクチュエータを独立に動作する指令か、もしくは、それぞれの動作設定、移動量を与えられた複数のアクチュエータを同時に起動して同期動作を行い、同時に終了させる処理（以降補間処理と呼称）による動作を行う指令に分けられる。どちらの指令を動作指令ユニットから出力するかを演算部１０６より受信するデータに応じて判断し、どちらかに切り替える判断部をさらに備える。

上記のように複数のアクチュエータを有するパラレルリンク構造をもつロボットの制御は、一般的にリンク同士で接続されている複数のアクチュエータを同時に動作させ、前記補間処理を行うことが基本である。この補間処理を駆動量制御部１０５で実現する方法は大きく分けて二種類存在する。第１は、ある一つの出力軸から出力される動作速度を基準として、他の軸はそれに合わせて速度を変更する方法で、第２は、基準動作を別のユニットから出力し、それぞれの軸はその基準速度に対して同期して速度指令を出力する方法である。
第２の方法の基準速度はそれぞれの出力軸の合成で表される。

合成距離 Ｄ
Ａの動作指令量 Ａ_ｏｂｊ
Ｂの動作指令量 Ｂ_ｏｂｊ
Ｃの動作指令量 Ｃ_ｏｂｊ
基準速度 Ｖ
とすると、
Ｄ＝√（Ａ_ｏｂｊ²＋Ｂ_ｏｂｊ²＋Ｃ_ｏｂｊ²）
Ａの動作速度＝Ｖ＊｜Ａ_ｏｂｊ｜／Ｄ
Ｂの動作速度＝Ｖ＊｜Ｂ_ｏｂｊ｜／Ｄ
Ｃの動作速度＝Ｖ＊｜Ｃ_ｏｂｊ｜／Ｄ

まず、上述のように、Ａ,Ｂ,Ｃそれぞれの動作指令量の合成である合成距離Ｄを算出し、合成距離Ｄに対して実際に動作させたい基準速度Ｖとすると、Ａ,Ｂ,Ｃそれぞれの動作速度は、合成距離Ｄのそれぞれの軸に対しての割合から基準速度Ｖを乗算することで算出される。基準速度ＶをＡ,Ｂ,Ｃそれぞれの速度の基準として、合成距離Ｄに対して、Ａ,Ｂ,Ｃはそれぞれ速度は異なるが同じ時間に動作を終了する動作を行うことができる。
この動作を利用し、さらに目的地までの合成距離Ｄを細かく分割し、Ａ,Ｂ,Ｃの速度をその都度指定することで、Ａ,Ｂ,Ｃそれぞれのアクチュエータに接続されている出力部材１０２の軌跡を最短距離に、かつ速度変化を線形に制御することを実現することができる。 この動作は、一般的にロボットの先端部材の動作として認知されており、広く採用されている。しかし、この制御を実現するためには、補間制御を行うための基準回路ユニットが必要となることや、複雑な処理を必要とすることよりコスト高になること、処理の多さが課題として挙げられる。従って、本実施形態では第１の方法を採用することで、ロボット本体１０９の制御部は出力部材１０２を制御する部分を削減することができる。

図３における教示補助装置３００の要素は、判断部３０１、表示部３０２、記憶部３０３で構成される。

判断部３０１は教示者から教示点の位置データ修正指令を受信した際、記憶部３０３内教示点ルールを参照しそのルールに従い判断し、その検証結果を表示部３０２に対して知らせる機能と、教示者の指示があった場合、記憶部３０３内のデータを書き換える機能とを備えて構成される。

一方、表示部３０２は、判断部３０１から渡された結果を元に、表示部内で保持している結果を更新する機能と、その結果を知らせる機能とを備えて構成される。

記憶部３０３は、一般的な磁気記憶メモリ（ハードディスクなど）が事例として挙げられ、保持するデータの要素としては、判断部３０１で使用される教示点ルール、教示点等が挙げられる。

図１、２の構成はロボット本体１０９の制御を少なくして簡易的な制御でアクチュエータを動作させた場合、パラレルリンクロボットの特性上、出力部材１０２に時間に対して非線形な速度変化が発生する可能性がある。その場合、軌跡（動作経路）も（距離）同様に時間に対して非線形変化となる。その場合、教示者が教示点を教示する際に、直感的にロボットの出力部材１０２の動作、軌跡がどうなるか判断出来ないという課題が発生する。

図３に示す教示補助装置３００は、修正される教示点に対し記憶部３０３内に教示点ルールを有しているので、装置単体で教示されたデータを判断することができることにより、上記のパラレルリンクロボットとはオフラインで教示点の変更、修正、削除を行うことが可能である。

よって、教示データが教示点ルールに妥当ではなかった場合、すなわち、修正後の教示点がロボットの作業範囲外である、もしくはその教示点に至る経路にて治具に接触する恐れがあると判断された場合、教示点に対しての結果を教示補助装置３００内にて判断し、表示部３０２をとおして教示者に知らせることができる。

この効果により、教示点を追加したときに発生する問題を事前に防ぐことができ、熟練した教示技術を有していない教示者も容易に教示点を変更することが可能となる。その結果、教示点が不適当な場所に修正されても作業に支障をきたすことが確実に防止され、ロボットに対する動作の安全性、安定性の向上につながる。

図４は、図３の教示補助装置３００の発展的構成を示す機能ブロック図である。まず、図３との構成の違いは、判断部を判断部１（４００）、判断部２（４０１）に分けた構成となっている点である。これにより、修正するデータが教示点と教示点以外の二つの種類のデータに対して対応できる構造となる。教示補助装置３００は、データを受信した際に、まず、そのデータが教示点データか、教示点ルールのデータかどうかを判断する判断部１（４００）を更に備えて構成される。この判断部１により、どちらのデータかを判断して、記憶部から教示点ルールもしくは、教示点ルールの形式ルールの少なくともどちらか一方を読み出し、判定を行う判断部２（４０１）を更に備えて構成される。以降は判断部２（４０１）が図３の判断部３０１と同じ動作を司り、教示者に対して結果を知らせる動作までを行う。

図４に示す教示補助装置３００によれば、教示点か、もしくは教示点ルール自体の修正かどうかを判断する判断部１（４０１）を備えることで、治具やロボットの出力部材１０２に取り付ける部品の変更があった場合でも、教示者は修正データを教示補助装置３００に送付することでそのデータの検証、修正が可能となる。

図５は、図４で記述した教示補助装置３００に対してさらにその外部に接続される情報処理装置（第２の情報処理装置）５００の構成を示すブロック図である。

図５にある情報処理装置５００の構成は例として一般的なパーソナルコンピュータが挙げられる。情報処理装置５００に付随する構成要素は、以下の演算部５０２、インターフェース部５０１が挙げられる。演算部５０２は、３次元空間の座標データを表現できる機能を備える。

インターフェース部５０１は、操作者が操作することのできる機能と、操作者に対して入力した結果を出力することができる機能と、電気的通信回線（通信部）により教示補助装置３００と接続する機能を備える。

教示補助装置３００内の記憶部３０３の教示点ルールに関して、このルールは、ロボットの周辺に配置される治具や、ロボットの出力部材１０２に設置される部材１０４など、実際の構造物の位置座標、その構造物の質量などから作成される。図４の構成での課題として、これらのデータを手動で教示者が教示補助装置３００に設定するのは多くの時間を要してしまうことが挙げられる。

図５に示す情報処理装置５００を教示補助装置３００の外部に備えることで、教示者が手動で教示補助装置３００に教示を実行する情報として複雑なものとして挙げられる上述の項目を情報処理装置５００内で編集でき、構造物の位置情報の演算、教示も教示者ではなく、情報処理装置５００に任せることできる。これにより、より正しい教示を行うことができ、かつ、教示時間短縮につなげることができる。

次に、図６〜図２１を参照して、本発明の一実施形態のロボット制御システムの構成をロボットが実際に実行する作業例を挙げて説明する。

なお、アクチュエータに関してステッピングモータを使用した構成を例として挙げているが、これは１つの例であり、本発明を限定するものではない。

さらに、以下の例で使用されるパラレルリンクロボット、パラレルリンク構造及びロボットはすべて独立した複数のアクチュエータとそれに接続されているリンク部材とそのリンク部材をつなぐ少なくとも一つの出力部材１０２で構成するパラレルリンクロボットと同義である。ここでは、例として４自由度で出力部材１０２は１つのモデルとして扱うが、これは本発明を限定するものではない。

図６は、本発明の第１の実施形態によるロボット制御システムを用いた生産システムの概略図である。ロボット本体１０９は、３つのアクチュエータＡ，Ｂ，Ｃからそれぞれのリンク部材で繋がっている出力部材１０２と、部品を把持するための機構（本実施形態では把持部材）１０４、そして、それを制御するロボット制御部１１０とを備え、出力部材１０２はＸＹ平面上で回転動作を行う４自由度のロボットである。

前記アクチュエータ１００は、それぞれ位置を確認できるセンサ１１１（本実施形態では光センサとする）を有し、図で示すようにアクチュエータＡ、Ｂ、Ｃともに正回転（ＣＷ）を正方向とする。以下紹介される角度は、それぞれの前記センサを基準とした角度となる。

本実施形態のロボットは、パーツフィーダ６０９，６１０でそれぞれフィードされる部品６１１，６１２を把持部材１０４で把持し、作業パレット６０６上に移動し、それぞれを作業パレット６０６上で組み合わせ排出用パレット６０７に排出する処理を繰り返すプレイバック動作を行うこととする。

それぞれ把持部材１０４が把持すべき部品６１１、６１２を供給するパーツフィーダ６０９、６１０は、部品６１１，６１２の部品排出位置として定義されている部位のみロボット可動範囲に入るように設置されている。また、作業用パレット６０６、排出用パレット６０７も同じくロボット可動範囲内に設置されている。パーツフィーダ６０９，６１０とロボット制御部１１０はそれぞれデジタル入出力信号６ｂ、６ｆで接続されており、部品６１１，６１２それぞれがフィード完了を知らせる信号を出力する。同じく把持部材１０４も把持確認用の接触センサ１１２をデジタル入出力信号６ｅでロボット制御部１１０と接続されている。

ロボット動作範囲外に設置されている設備は、操作者がロボットに直接操作指示を与えることができる操作パネル６０８、及び、ロボット自体の制御部１１０、教示補助装置３００、情報処理装置（３ＤＣＡＤシステム、第１の情報処理装置）５００がある。

ロボット本体１０９とロボット制御部１１０は、デジタル入出力信号及び、各アクチュエータのパワーケーブル、エンコーダケーブル、パルス発振用ケーブル６ａで接続されている。ロボット制御部１１０と教示補助装置３００は、１対１のデータのやり取りが出来る通信ケーブル６ｃ（図示の例ではシリアル通信ケーブル）で接続されている。教示補助装置３００と情報処理装置５００は長距離で高速にデータのやり取りが出来る通信ケーブル６ｄ（図示の例ではＬＡＮネットワーク）で接続されている。なお、ロボット制御部１１０と教示補助装置３００、教示補助装置３００と情報処理装置５００との通信は、無線や赤外線などの非接触通信でもよい。

操作パネル６０８は、ロボットに直接動作指示を与えることができ、種類は非常停止、スタートスイッチ、停止スイッチ、原点復帰スイッチがあり、それぞれロボット制御部１１０とデジタル入出力６ｇにて通信を行う。

それそれのスイッチの機能は以下の通りである。

非常停止スイッチ６１３は、ロボット本体１０９に接続される制御部１１０の電源をリモートでＯＮ／ＯＦＦできる機能を有している。スタートスイッチは、ロボットの動作を開始し、状態を『動作中』にする機能を有している。停止スイッチは、作業中のロボットの動作を停止させ、状態を『停止中』にする機能を有する。原点復帰スイッチは、ロボットの状態が『停止中』の時のみ有効となり、ロボットの各アクチュエータに対して原点復帰動作を行う機能を有する。このときのロボットの状態は『原点復帰中』である。

図７は、図６のロボット制御システムの構成を示すブロック図である。ロボット制御部１１０を中心として、その周辺の装置の構造を示す。

ロボット制御部１１０は、バス７００で相互接続されたＣＰＵ７０１、メモリ７０２、デジタル入出力信号回路７０３、教示補助装置通信回路７０４、ＭＣＵ（モーションコントロールユニット）７０５、モータドライバ７０６を備える。

図７において、ロボット制御部１１０内で入出力信号回路７０３は、それぞれ操作パネル６０８、部品Ａ，Ｂ（６１１、６１２）のそれぞれのパーツフィーダ６０９，６１０、ロボット出力部材１０２に装備される把持部材１０４に接続されている。

操作パネル６０８の非常停止スイッチ以外のスイッチ６１４は、二つの信号線が接続されている。第１は、ロボット制御部１１０に対して出力する信号となり、ロボット制御部１１０にスイッチの状態を知らせる。それぞれのスイッチはモーメンタリスイッチで状態を表すランプを装備している。第２は、そのランプの状態を制御する信号をロボット制御部１１０から受信する。

パーツフィーダ６０９，６１０に関しては、部品Ａ（６１１）と部品Ｂ（６１２）それぞれの部品をフィードする部位に分かれており、それぞれロボット制御部１１０に対して、部品取り出し準備完了の状態になった時、信号を出力し知らせる。把持部材１０４に関しては、把持部材１０４が部品Ａ（６１１）もしくは、部品Ｂ（６１２）を把持した際に、接触センサ１１２を用いて正常に把持できたかどうかを判定するために使用する。把持部材１０４は把持が完了した時点でロボット制御部１１０に対して信号を出力する。

図８に示すように、メモリ７０２には、ＣＰＵの命令により実行されるロボットを動作させるための制御プログラム８００と、ロボットを動作させるために使用するすべてのアクチュエータに対して共通なパラメータ８０１、ロボットを動作させるために使用される各アクチュエータ単位のパラメータ８０２と、教示データ８０３が格納された教示データ群が格納される。この教示データ群の教示点データ８０３には、ロボットが把持部材１０４を用いて、パーツフィーダ６０９，６１０からそれぞれの部品６１１，６１２が排出位置に着いたことをデジタル入出力信号で受信した際、部品を取り出す動作を行い、作業用パレット６０６で組み立て、排出用パレット６０７に移動して排出するまでの出力部材１０２の座標データと、その座標での動作、Ｉ／Ｏ情報が格納されている。この教示点データ８０３は、教示補助装置３００によって作成され教示される。

図９で示すように、ＭＣＵ（モーションコントロールユニット）７０５は、デジタル入出力回路９０２、バス通信回路９０３、演算部９０４、メモリ９０５とパルス発振機９０６を備えて構成されている。以下に各部位の具体的な動作を記載する。

デジタル入出力回路９０２は、ＣＰＵ７０１とデジタル信号線９００から受信した結果を演算部９０４に渡し、演算部９０４から指令された結果をＣＰＵ７０１にデジタル信号線９００を介して出力する機能を有する。バス通信回路９０３は、アドレスとデータバスにそれぞれ分かれており、ＣＰＵ７０１とのコマンド通信を行い指定されたアドレスに対して直接メモリ９０５に書き込み読み出しを行う機能を有する。演算部９０４は、デジタル入出力回路９０２から入力を受けた場合の動作及び、動作結果をデジタル入出力回路９０２に出力するとともに、パルス発振機９０６に対してパルス発振命令を出力する機能を有する。

メモリ９０５は、バス通信回路９０３から書き込まれるＣＰＵ７０１からのデータを保持する機能を有する。パルス発振機９０６は、演算部９０４から発振命令を受けて指定されたパルス数分指定された速度でパルスを発振する機能を有する。

動作の具体例を図１０に示す。図１０はＭＣＵ７０５がある軸を動作させるまでの処理を表したフローチャートである。ＭＣＵ７０５の処理は、ＣＰＵ７０１からデジタル入出力回路９０２に対して、動作信号が出力されるまで、ポーリング作業を続ける。その間に、ＣＰＵ７０１よりバスインターフェース９０３を通じて軸１に対しての出力パルス数変更があった場合は、対応するアドレスのメモリ１００５を書き換える。

ＣＰＵ７０１より、軸１の動作信号を受信すると、軸１のパルス数が書き込まれているメモリを読み出し（Ｓ１００３）、軸１のパルス発振機にパルス発振命令を出力する（Ｓ１００４）。パルス発振機が発振を開始すると、モータドライバ（７０６）を通じて、ロボット本体１０９のアクチュエータが動作する。

教示補助装置通信回路７０４はシリアル通信ケーブル６ｃを介して教示補助装置３００と接続される。さらに、ロボット制御部１１０と教示補助装置３００は教示補助装置内の教示データをロボット制御部１１０に対して送信、もしくは受信する際に接続する必要があり、それ以外は接続状態がなくてもお互いの動作に支障はない。

教示補助装置３００には、記憶領域７１３が接続される。あるいは教示補助装置３００は、記憶領域７１３を内包している。図１１に示すように、記憶領域７１３には、教示点群が収められている教示点データベース１１００と教示点ルール１１０１の二種類のデータが存在する。

教示点データベース１１００は、目標座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）（ロボットの基準原点を（０，０，０）とした出力部材１０２の座標）および、動作後の待ち時間を表すＷＡＩＴ（ミリ秒）、動作後のＩ／Ｏ情報、目標点間の速度設定がそれぞれの教示点に対して設定できるよう領域が確保されている。

教示点ルール１１０１には、ロボット本体１０９の機械的構造による動作範囲と出力部材１０２に取り付ける把持部材１０４、および周辺の治具の座標データ１１０３が保存されている。これらの情報は、情報処理装置５００からＬＡＮネットワークを通して教示される。

教示補助装置３００には、表示部７１４が外部に接続、もしくは内包されている。表示部７１４は、教示者が記憶領域７１３に保持されている教示データを編集する際に、教示補助装置３００をロボット制御部１１０に接続せず、教示補助装置単体にて編集結果を確認するために設けられている。

図１２に示すように、表示部７１４は、教示者が教示点のデータベース１２０４のある特定の２点を選択し、計算１２０３を指示することで、その教示点間の各アクチュエータの時間に対する速度変化１２００と軌跡の変化１２０２を視覚的に表示することができる。それぞれの結果において問題がある場合は、メッセージウィンドウ１２０１にメッセージを表示し、教示者に知らせる。教示点のデータベースは手動にて挿入、修正、削除が行えるほか、ロボット制御部１１０に接続すれば、送受信指示１２０５により、教示点を本体から受信、もしくは、現在の設定を送信することができる。

教示補助装置３００には、ＬＡＮネットワークにて情報処理装置５００が外部に接続されている。３ＤＣＡＤシステムは、教示補助装置３００内の記憶領域７１３に保持されている教示ルール１１０１の基準となる治具、把持部材１０４等の構造物を編集し、教示補助装置３００にそれらの座標値を教示することを目的としている。

情報処理装置（以下、３ＤＣＡＤシステムと称す）５００を使用して教示補助装置３００の教示ルールを作成する際に、以下のルール、データフォーマットにて表現する。なお、ここでの（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）はロボットの機械原点を表し、３ＤＣＡＤシステム５００の原点座標ではない。

まず、治具、ロボット出力部材１０２とその部材に設置する把持部材１０４に関して、そのまま表現した場合、特に複雑な図形が多く存在するデータの場合には、その座標データ量は膨大となり、教示補助装置３００にも大きな処理負荷がかかり、記憶領域も圧迫される問題が発生する。そのため、本システムにおいて、３ＤＣＡＤシステム５００で登録できる図形は、以下の種類に限定する。
・直方体、立方体、その他同じ多角形平面を上底下底に持つ多角柱
・球、もしくは欠損球
・直円柱、直円錐、直多角錐
直方体（図１３（ａ））を出力する場合、ある目標点がこの立体に内包されているかどうかを判定するため、追加情報として各面の法線ベクトルを出力する。また定義も各面に対して行う。
Begin obj_a1 … オブジェクト（直方体、立方体）宣言開始
Begin plane_1 … 面１の設定
X 2343222 Y 3333422 Z 233422 … 面１頂点の座標値（0.1μm）
X …
X 1233222 Y 343322 Z 14533 … 面１の法線ベクトル
End plane_1
Begin plane_2
…
End plane_n
G 890 … 質量（ｇ）
End obj_a1 … オブジェクト宣言終了

円柱を通常描画された状態をそのまま出力すると（図１３（ｃ））のようにスプラインの連続データとなるため、座標データは膨大となる。そこで、そのようなデータの場合は、中心座標、半径にデータを３ＤＣＡＤシステム５００内にて変換し、出力する（図１３（ｂ））。
Begin obj_b1 … オブジェクト(立体物)宣言開始
Column_pillar … 円柱
X 1240000 Y 1340000 Z 0 … 中心座標（Z=0に近い値を指定）
R 400000 … 半径(0.1μm)
H 1200000 … 高さ(0.1μm)
G 890 … 質量( g )
End obj_b1 … オブジェクト(立体物)宣言終了

図１４は、ロボット出力部材と設置される把持部材と治具に関して、３ＤＣＡＤシステム５００にてどのように表現されるかを把持部材を例に挙げて示す図である。例えば把持部は、ロボット出力部材１４００、本体１４０１、把持部１４０２、部品１４０３から成る。また、状態は１４Ａ〜１４Ｃまでのバリエーションがある。

１４Ａの状態を３ＤＣＡＤシステム５００にて表現した図が１４０４となる。ロボット出力部材１４００はＸＹ平面上で回転すると考えてすべて円柱を組み合わせた構造体とし、部品１４０３がない状態の場合は、把持部１４０２の状態がどの状態でも、把持部本体１４０１と同じ径の円柱として表現する。

次に、本実施形態で使用するロボットの出力部材１０２および把持部材１０４を３ＤＣＡＤシステム５００上でどのように表現するか、図１５を用いて具体的に示す。

実際のパラレルリンクロボットとその出力部材１０２と把持部材１０４をＹＺ平面上で表現した構図１５００から構造を簡略化した１５０１を作成する。ロボットの原点位置を１５Ｇと設定した場合の出力部材１０２の中心座標を１５Ａとした場合、出力部材１０２と把持部材１０４はその中心から生成されている構造物として考えられる。出力部材１０２と把持部材１０４のみを抽出した実施形態の構造１５０２を図１４の事例に従い３ＤＣＡＤシステム５００上で構造化したデータを１５０３とする。

１５ＢはＸＹ平面上で回転動作を行うため、１５Ｂ〜Ｆはすべて円柱の構造体で表現する。また、出力部材１０２はアクチュエータが動作することにより変化するため、構造体１５０３のぞれぞれの円柱底面の中心点は変数として定義する必要がある。よって構造体１５０３の円柱底面の中心点はそれぞれ中心点から１５Ａの座標値に対してＺ方向にオフセット値を与えることで定義する。
Begin obj_top
Begin obj_top1
Column_pillar
X xc Y yc Z zc … 円柱底辺中心座標はロボット出力部材１０２の座標（可変より変数指定xc,yc,zc）
R 400000
H 200000
G 560
End obj_top1
Begin obj_top2
Column_pillar
X xc Y yx Z zc -100000 ・・・ 出力部材１０２中心点よりオフセット分加える
R 300000
H 250000
G 400
End obj_top2
Begin obj_top3
…
End obj_top

次に、３ＤＣＡＤシステム５００で設定した構造物に対してある点が内包されているかどうか判定する手段について、図１６に示す。また、以下の事例に関しては、XY平面に対して底面が並行になる構造体に対して判定手段を挙げる。なお、前記構造体はロボットの作業対象となる治具、及びロボットに設置される把持部を表している。

（直方体、立方体の場合）
まず、各Ａ〜Ｅおのおのの面に対して外側に向く法線ベクトルを設定する。ある点ａがこの立体に対して内部か外部かの判定は、その面の重心から点ａを結んだベクトルと法線ベクトルとの角度を確認し、すべて鈍角（＞90度）なら内側、一つでも鋭角がある場合は外側として判定する。

（球体、欠損球体の場合）
点ｂと球体Ｆの中心の距離を比較して、その距離が球体Ｆの半径以下の場合、点ｂは球体Ｆ内に内包されていると判定する。また欠損球体について欠損部は常に底面とする。

（円柱、円錐の場合）
円柱Ｇの底面中心と、点ｃから円柱Ｇの底面を含む平面に対して垂直に降ろした垂線の交点とを結んだ線分が円柱Ｇの半径より小さい場合、点ｃは円柱Ｇに内包されているとして判定する。円錐Ｈの頂点座標と、点ｄをつないだ線分と頂点から底面中心に下ろした垂線の角度がこの円錐の頂点角度／２以下なら点ｄは円錐Ｈに内包されているとして判定する。

ロボットの出力部材１０２はＸＹ平面において回転動作を行うため、３ＤＣＡＤシステム５００上では円柱の構造体で表現される。治具構造が直方体、立方体もしくは球、欠損球の場合は、円柱底面の中心点と治具構造の重心を含む平面と、円柱底辺が交わる点をそれぞれの図１６ａ，ｂとし、図１６にならい判定する。

治具構造が円錐、円柱の場合は、それぞれ図１７、１８にてその方法を示す。

図１７Ａ，Ｂ，Ｃより、円錐構造１７ａと円柱構造１７ｂにおいて、円錐構造１７ａの頂点座標と、円柱構造１７ｂの底面中心を含む平面を求め、この平面と円柱構造１７ｂの底辺とが交わる点をｄとする。円錐構造１７ａの頂点から点ｄを結んだ線分と、頂点から底面中心に下ろした垂線の角度がこの円錐構造１７ａの頂点角度／２以下、もしくは、円錐構造１７ａの頂点から底面中心に下ろした垂線と点ｄと同一平面状で最短距離となる線分の長さが円錐構造１７ａの半径より大きい場合、互いの構造物は接触していないと判定する。

図１８Ａ，Ｂ、Ｃより、円柱構造１８ａと円柱構造１８ｂにおいて、円柱構造１８ａの底面中心座標と円柱構造１８ｂの底面中心を含む平面と円柱構造１８ｂの底辺と交わる点をｃとする。点ｃと円柱構造１８ａの重心から底面中心に下ろした垂線に対して、最短距離となる線分が円柱構造１８ａの半径より大きい場合、互いの構造物は接触していないと判定する。

図６〜１８までで示した本実施形態での構造、それぞれの装置の役割、処理手段より、図６で示したシステムで実際にどのような教示データを使用してロボットが動作を行うか、そしてその教示データを検証する教示補助装置３００内の処理に関して、図１９〜２１をもって示す。

図１９には、本実施形態でのロボット本体が実際に作業する作業範囲とその内部にある治具、部品のそれぞれの座標値を示す。１９００は図１９内に記載されているＸＹＺ方向を基にするＸＹ平面上から見たロボット出力部材１０２の動作範囲（制限される範囲）を示したものである。その範囲内に、排出パレット６０７、作業パレット６０６、パーツフィーダ６０９，６１０が内包されるよう設置されている。

本実施形態では、部品Ｂと部品Ｃを作業パレット６０６上Ｄにて組み合わせて排出パレット６０７のＥへ排出する動作とする。

この動作に関して、図２０に処理フローを示す。

原点復帰を実施終了しているロボット本体に対して、まずパーツフィーダ６１０の部品排出信号を待ち（Ｓ２０００）。排出信号をロボット制御部にて受信すると、パーツフィーダ６１０の部品Ｂ上へ移動（Ｓ２００１）し、到着すると、部品Ｂを把持する動作（Ｓ２００２〜２００５）を行う。この時、精度の高い軌跡制御、速度制御が必要なため、目的地間の距離に対して細かく経由点を分割するデータを作成する。

部品Ｂ把持後、作業パレット６０６に部品Ｂを移動させ、作業パレット６０６上地点Ｄ上で部品Ｂを排出する作業を行う（Ｓ２００６〜２０１０）。次に作業パレット６０６上に設置された部品Ｂに対して、部品Ｃを組み合わせるため、パーツフィーダ６０９の部品Ｃを取得するために移動する。その際、パーツフィーダ６０９から部品排出信号が発生していることを条件とする（Ｓ２０１２）。

Ｓ２０１１〜２０１６の処理にて部品Ｃを取得した後、部品Ｃを作業パレット６０７の部品Ｂ上に搬送し、ＢとＣの部品を組み合わせる（Ｓ２０１７〜２０２０）。組み合わされたＢとＣの部品をその場でもう一度把持部材を下降させ（Ｓ２０２１）、把持（Ｓ２０２２）し、排出パレット６０７のＥの位置へ移動する（Ｓ２０２５）。ＢとＣの部品をＥの位置で開放し（Ｓ２０２６〜２０２９）、次に置くべきＥの位置情報をロボット制御部１１０内で更新する。

これを一連の作業とした際の図１１（１１００）にて紹介している教示点データベースの内容は以下のようになる。

それぞれ左よりＸ座標(0.1mm)／Ｙ座標(0.1mm)／Ｚ座標(0.1mm)／位置決め時間(ms)／速度割合(%)／IO番号／IO状態を表す。
Ｘ座標 Ｙ座標 Ｚ座標 位置決 速度 IO番号 IO状態 符号
0 1974367 2000000 0 0
800000 1200000 1800000 0 0 I20 0 (S2000)
800000 1200000 1800000 3 100 (S2001)
800000 1200000 1799000 0 20 (S2002)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
800000 1200000 1700000 3 20
800000 1200000 1700000 0 0 O21 1 (S2003)
800000 1200000 1700000 3 0 I21 0 (S2004)
800000 1200000 1701000 0 20 (S2005)
… +1000(0.1mm)単位でＺ変更
800000 1200000 1800000 3 20
500000 1974367 1800000 3 100 (S2006)
500000 1974367 1799000 0 20 (S2007)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
500000 1974367 1700000 3 20
500000 1974367 1700000 0 0 O21 0 (S2008)
500000 1974367 1700000 3 0 I21 1 (S2009)
500000 1974367 1701000 0 20 (S2010)
… +1000(0.1mm)単位でＺ変更
500000 1974367 1800000 3 20
800000 2200000 1900000 3 100 (S2011)
800000 2200000 1900000 0 0 I22 0 (S2012)
800000 2200000 1899000 0 20 (S2013)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
800000 2200000 1800000 0 20
800000 2200000 1800000 0 0 O21 1 (S2014)
800000 2200000 1800000 3 0 I21 0 (S2015)
800000 2200000 1801000 0 20 (S2016)
… +1000(0.1mm)単位でＺ変更
800000 2200000 1900000 3 20
500000 1974367 1900000 3 100 (S2017)
500000 1974367 1899000 0 20 (S2018)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
500000 1974367 1800000 3 20
500000 1974367 1800000 0 0 O21 0 (S2019)
500000 1974367 1800000 0 0 I21 1 (S2020)
500000 1974367 1799000 0 20 (S2021)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
500000 1974367 1700000 3 20
500000 1974367 1700000 0 0 O21 1 (S2022)
500000 1974367 1700000 0 0 I21 0 (S2023)
500000 1974367 1701000 0 20 (S2024)
… +1000(0.1mm)単位でＺ変更
500000 1974367 1900000 3 20
-500000 1450000 1900000 3 100 (S2025)
-500000 1450000 1899000 0 20 (S2026)
… -1000(0.1mm)単位でＺ変更
-500000 1450000 1400000 3 20
-500000 1450000 1400000 0 0 O21 0 (S2027)
-500000 1450000 1400000 0 0 I21 1 (S2028)
-500000 1450000 1400000 0 20 (S2029)
… +1000(0.1mm)単位でＺ変更
-500000 1450000 1600000 3 20
0 1974367 2000000 3 100

前述のとおり、パラレルリンクロボットの出力部材１０２を備えている複数の軸を時間に対して速度を線形変化させることを前提とした制御を行うと、その特徴上ロボットの出力部材１０２の速度は時間に対して連続した非線形変化を起こす。

この変化に対して、図２３に具体例を示す。３軸に１つの出力部材１０２を備えているパラレルリンクロボットをモデルとして、２３００が各軸の角度の変化を表している。（図１６に記述の基準センサ１１１からの角度、θa θb θc）変化は一定速とし、線形変化である。（グラフ２３０２ａ〜２３０２ｃ参照）その角度に対し、２３０１は順運動学計算により、出力部材１０２の先端座標に変換した表である。その変換した座標とそれぞれＸを横軸とした場合のＹ、Ｚの座標を表したグラフが２３０３ａ、２３０３ｂとなる。グラフから見られるように軌跡は非線形変化となることが分かる。

このような出力部材１０２の動作特徴より、前記出力部材のイナーシャ、軌跡の変化は一定ではなく不確定なものとなる。そのため、始終点ごとに軌道が正しいか、速度変化が急激ではないか確認し、問題を伴う場合は修正を行う必要がある。

図２１に教示補助装置３００内で、図２０にて定義された教示点データベースに対して確認、修正を行う処理フローを示す。

まず図２０のフローで作成した教示データベースを教示補助装置３００に接続されている記憶領域７１３から読み出す（Ｓ２１００）。

まず、記憶領域７１３から読み出した教示データベースより、現在の先端位置始点（Ｘ_ｓ，Ｙ_ｓ，Ｚ_ｓ）と先端位置終点（Ｘ_e，Ｙ_e，Ｚ_e）をさらに読み出す（Ｓ２１０１）。

出力部材１０２の軌跡を求めるため、前記出力部材が通過する座標を求める（Ｓ２１０２）。

図２２のＳ２２００〜Ｓ２２０６において上述Ｓ２１０２での詳細工程を示す。ここでは実施例ロボットモデルから、Ａ，Ｂ，Ｃ３軸１０９に対して出力部材１０２が一つ接続されている構成で説明する。

まず、先端出力部の始終点座標（Ｓ２２００）から、逆運動学計算を用いて（Ｓ２２０１）、始点座標値（Ｘ_ｓ,Ｙ_ｓ,Ｚ_ｓ）から求められる始点角度（θa,θb,θc）と、目標となる先端位置終点（Ｘ_e，Ｙ_e，Ｚ_e）に到達する時の角度（θa＋１,θb＋１,θc＋１）を算出する（Ｓ２２０２）。Ｓ２２０２で算出された各軸の角度に対して、それぞれの速度変化モデル（各軸の各速度変化は直線加減速とする）２２０７を作成し（Ｓ２２０３）、あらかじめ設定されている分割数Ｎにて分割、それぞれの速度から角度（θa[０]、θb[０]、θc[０]）…（θa[Ｎ]、θb[Ｎ]、θc[Ｎ]）を算出する（Ｓ２２０４）。それぞれの角度に対して順運動学計算を用いて先端出力部座標値に再変換を行う（Ｓ２２０５）。この工程を経て、Ｎ分割された先端座標（Ｘ[n]、Ｙ[n]、Ｚ[n]）（ｎ＝０〜Ｎ）を算出する（Ｓ２２０６）。

図２１の説明に戻る。

Ｓ２２０６で算出された、（Ｘ＿ｓ、Ｙ＿ｓ、Ｚ＿ｓ）、（Ｘ＿ｅ、Ｙ＿ｅ、Ｚ＿ｅ）を各Ｎ分割したときの座標（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ） ( ｎ ＝ ０ 〜 Ｎ )の座標データを使用し、記憶領域７１３にある治具座標、ロボット動作範囲と比較して、それぞれの座標値が動作範囲内か動作範囲外かどうか、治具との接触がないかを判断する処理を行う。

軌跡に関しては、速度変化が急激なほど出力部材１０２の慣性による「振れ」が治具との接触を発生させる可能性があるため、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向それぞれのマージンを固定値に持ちそれを加算したデータを比較対象とし、Ｓ２１０２より算出した座標値（Ｘ［ｎ］、Ｙ［ｎ］、Ｚ［ｎ］）から出力部材に取り付ける部品、および、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの移動振れマージンを加えて座標変換(Ｘ［ｎ］‘、Ｙ［ｎ］’、Ｚ［ｎ］‘) を算出する（Ｓ２１０３）。この座標値と比較する値は、記憶領域７１３に記憶されている座標データ１１０３であり、記憶領域７１３から座標データ１１０３を読み出し、比較作業を実施する（Ｓ２１０４）。比較後、結果を表示部７１４に出力する。

結果に問題があり、操作者が修正を行う場合、修正値を記憶領域７１３から読み出している教示データベースの座標データ１１０３に上書きし、再度Ｓ２１００から処理を行い再判定を行う。問題ない場合は、自動で次の工程（Ｓ２１０５以降）へ移行する。

Ｓ２０１５以降の処理を説明する。

Ｓ２０１４以前で算出された動作軌跡座標値群に対して、それぞれ微分処理を行うことで各Ｎ分割した座標での速度（Ｓ２１０５）を求め、その速度変化の最大値（最大加速度）を求めることで（Ｓ２１０６）、出力部材１０２のイナーシャ判断の材料とする。

Ｓ２１０６のデータにおいて、現在出力部材１０２に備えてある部材の質量、その教示点データベース１１００内のパラメータ速度割合(%)を加味して算出された０〜Ｎ分割内での最大速度変化量（最大加速度）と、出力部材１０２に接続されている把持部の把持力から決められた加速度上限閾値を比較し（Ｓ２１０７）、結果を表示部７１４に出力する。

この処理まで異常なしに進んだ場合は、教示データベースより新たな始終点を検索し、存在する場合はＳ２１００より再度繰返し処理を行う。

この間操作者は表示部７１４の結果を見て判断し、途中で処理を止めたい場合はいつでも停止可能である。処理を停止し、教示点を修正し、再度この装置に対してこの処理を実行する。

最終的に作成したデータは、シリアル通信ケーブル６ｃを通してロボット制御部１１０に教示され、ロボット本体１０９は、操作パネル６０８の指示により、教示された座標点を指定されたパラメータによって、動作を行う。

以上のように、上記の実施形態によれば、アクチュエータを時間に対して線形に動作させることで、出力部材１０２を時間に対して線形に動作させる動作に比べ、アクチュエータ自体の速度の変化量が一定となり、よりアクチュエータの容量を抑えることができる。また、細かい作業を伴う箇所以外は位置決めする場所のみ移動目標点とすることで、パラレルリンクロボットの特性上、前記出力部材の移動距離は伸びる傾向にあるが、動作制御自体を単純にできる。その結果、ロボット自体を生産する際の部品コスト、設計コストを削減することができる。

また、ロボット本体の外部に登録すべき教示点を検証できる教示補助装置と、前記ロボットの出力部材１０２とその周辺治具の構造を座標化して、教示補助装置に送信できる情報処理装置を備えることで、ロボット本体とは別の場所で事前に教示すべき教示点の是非が検証でき、検証するデータの更新も行うことができる。その結果、ロボット本体を停止させる時間は教示補助装置からデータをロボット本体に送付する時のみとなり、ロボット自体の生産性が向上させることができる。また、情報処理装置にて新しい治具などの構造を登録し、教示補助装置の内部データを更新することで、治具設計者が作成したデータをそのまま座標データに利用できる、教示速度の向上、座標データの精度を向上させることができる。

Claims (6)

1. 複数のアクチュエータと、
   前記複数のアクチュエータの各々と片側端部が連結された複数のリンク部材と、
   前記複数のリンク部材の他の片側端部が連結された少なくとも一つの出力部材と、
   前記複数のアクチュエータの速度を制御する速度制御手段と、を備え、
   前記速度制御手段は、前記複数のアクチュエータの時間に対する速度を線形に変化させることを特徴とするパラレルリンクロボット。
2. 前記パラレルリンクロボットは、
   前記パラレルリンクロボットに関する教示が可能な装置であり、教示された位置情報と前記パラレルリンクロボットの構造とその周辺の情報とに基づき算出された結果から、前記パラレルリンクロボットの作業に適するかどうかを検証する手段を備える教示補助装置と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
3. 前記教示補助装置は、
   前記パラレルリンクロボットと共に用いる治具を描画し、データを出力することが可能な第１の情報処理装置と接続されていることを特徴とする請求項２に記載のパラレルリンクロボット。
4. 前記教示補助装置は、
   前記パラレルリンクロボットと共に用いる治具を使用する際の前記パラレルリンクロボットの動作を制限するデータを出力することが可能な第２の情報処理装置と接続されていることを特徴とする請求項２に記載のパラレルリンクロボット。
5. 複数のアクチュエータと、
   前記複数のアクチュエータの各々と片側端部が連結された複数のリンク部材と、
   前記複数のリンク部材の他の片側端部が連結された少なくとも一つの出力部材と、
   を備えたパラレルリンクロボットの制御方法であって、
   速度制御手段が、前記複数のアクチュエータの速度を制御する速度制御工程を有し、
   前記速度制御工程では、前記複数のアクチュエータの時間に対する速度を線形に変化させることを特徴とするパラレルリンクロボットの制御方法。
6. コンピュータを請求項１に記載のパラレルリンクロボットの各手段として機能させるためのプログラム。

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