JP2020040185A - ロボットアーム、ロボットアームを用いたロボット装置、ロボットアームの制御方法、制御プログラム及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボットアームの干渉回避の為のスペースを小さくでき、かつロボットアームの作業性を悪化させないロボットアームを提供すること。【解決手段】 エンドエフェクタを先端部に備え、複数のリンクを複数の駆動源により回転させて、所定の動作を行うロボットアームであって、基台と、基台に対して第１の回転軸で回転する第１のリンクと、第１のリンクに対して第２の回転軸で回転する第２のリンクと、第２のリンクに対して第３の回転軸で回転する第３のリンクを備え、第２のリンクと前記第３のリンクは、所定の方向から見て互いに重なる位置へと相対的に回転可能であり、第２の回転軸は、前記第１の回転軸の延長線から所定の距離シフトして、配置されていることを特徴とするロボットアームを採用した。【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットアームに関する。

現在、多くの産業において多関節型のロボットアームが、生産現場の省人化や自動化のために工場等で広く利用されている。特に近年では、少子化や人件費の高騰などから生産の自動化が加速している。さらに工場の限られたスペースを有効利用してロボットアームの設置数を増やし、生産性向上を図ることも求められている。

特許文献１に記載のロボットアームは、ロボットアームを構成する一部のリンクを重ねて折り畳みできる機構にしている。こうすることで、ロボットアームの先端を所定の位置から反対の位置に移動させる際、リンクが折りたたまれた状態となる姿勢を介して動作させることで、ロボットアームに大きな回転をさせずに、ロボットアームの先端を所定の位置から反対の位置に移動できる。

これにより、ロボットアームの動作中に他の機器との干渉を防ぐために必要なスペースを小さくすることができる。ゆえに、ロボットアームの設置に必要なスペースを小さくでき、工場の限られたスペースに多くのロボットアームを設置することが可能となる。

特開２０１６−０６８２２６号公報

しかしながら特許文献１に記載のロボットアームでは以下の課題がある。図１３は特許文献１に記載のロボットアームを簡略化して示した模式図である。図１３（ａ）はＸＺ平面図、図１３（ｂ）はＹＺ平面図である。図１３（Ｃ）はロボットアームの真下で作業ができるよう、ロボットアーム本体２００’のリンクの一部を折りたたんだ姿勢を表したＸＺ平面図である。

図１３（ａ）（ｂ）より、従来のロボットアーム本体２００’は、リンク２１０_０’〜リンク２１０_６’でより構成され、リンク２１０_６’にエンドエフェクタとしてロボットハンド本体３００’を備えている。

また、ロボットアーム本体２００’の基端となるリンク２１０_０’は、基台２０９’に設けられ、天井Ｂ’に基台２０９’が埋め込まれた状態で固定されているものとする。

各リンク２１０_１’〜リンク２１０_６’は、各回転軸Ａ_１’〜Ａ_６’を中心に回転するものとする。

同図に示すように、天井Ｂ’側にロボットアーム２００’の基台を固定すると、作業台上に基台を載置するスペースが不要となるため、作業スペースを効率よく使用することができる。

しかしながら、図１３（ｃ）のように、ロボットアーム本体２００’の下方の領域Ｒ’で作業を行う場合、リンクの一部を折りたたむという特殊な姿勢を取るため、ロボットアーム本体２００’の可操作度が下がってしまい、特異点付近の姿勢を取りやすくなる。そのため手先となるロボットハンド本体３００’の移動動作制御を逆運動学計算により行うことができなくなってしまうことがある。

ゆえにロボットアーム本体２００’を素早く動かせなかったり、ロボットアーム本体２００’の一部の関節が急峻に動いたりする可能性が大きくなるため、ロボットアーム本体２００’の作業性が悪化してしまう。よって、作業スペースを有効に活用するために基台を作業台上ではなく、天吊り状態で取り付けたにもかかわらず、ロボットアーム本体２００’下方の作業スペースが制限されてしまう問題を生じている。

以上の課題を鑑み、本発明では、ロボットアームを設置する為のスペースを小さくでき、かつロボットアームの作業性の悪化を低減したロボットアームを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明においては、エンドエフェクタを先端部に備え、複数のリンクを複数の駆動源により回転させて、所定の動作を行うロボットアームであって、基台と、前記基台に対して第１の回転軸で回転する第１のリンクと、前記第１のリンクに対して第２の回転軸で回転する第２のリンクと、前記第２のリンクに対して第３の回転軸で回転する第３のリンクを備え、前記第２のリンクと前記第３のリンクは、所定の方向から見て互いに重なる位置へと相対的に回転可能であり、前記第２の回転軸は、前記第１の回転軸の延長線から所定の距離シフトして、配置されていることを特徴とするロボットアームを採用した。

本発明によれば、ロボットアームのリンクの一部を重ねて折りたたんだ姿勢を取る際、ロボットアームの基台の回転軸の延長線と、第２リンクの回転軸の延長線とが、ねじれの位置に配置されるような構成にした。これにより、ロボットアームのリンクの一部を重ねて折りたたんだ姿勢を取った場合でも、特異点となる姿勢から離れた姿勢を取りやすくなり、ロボットアームの作業性の悪化を低減することができる。

第１の実施形態におけるロボットシステム１０００の概略構成を示す模式図である。 第１の実施形態における制御装置４００の内部構造を示すブロック図である。 第１の実施形態におけるロボットシステム１０００の制御系を示す制御ブロック図である。 第１の実施形態におけるロボットアーム本体２００の概略構成を示す模式図である。 従来例であるロボットアーム本体２００’の所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータ表である。 第１の実施形態におけるロボットアーム本体２００の所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータ表である。 従来例であるロボットアーム本体２００’の可操作度を表した図である。 第１の実施形態におけるロボットアーム本体２００の可操作度を表した図である。 第２の実施形態におけるロボットアーム本体２００αの概略構成を示す模式図である。 第２の実施形態におけるロボットアーム本体２００αの所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータ表である。 第２の実施形態におけるロボットアーム本体２００αの可操作度を表した図である。 角度付与部２４０を回動させ、ロボットアーム本体の設置面に対するロボットアーム本体の回転軸の傾斜角度を調整する機構の模式図である。 従来例であるロボットアーム本体２００’の概略構成を示す模式図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態におけるロボットシステム１０００を、ＸＹＺ座標系の任意の方向から見た平面図である。図１（ａ）はＸＺ平面図、図１（ｂ）はＹＺ平面図を示す。なお以下の図面において、図中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚはロボットシステム１０００全体の座標系を示す。一般に、ロボットシステムでは、ＸＹＺ３次元座標系は、設置環境全体のグローバル座標系の他に、制御の都合などによって、ロボットハンド、フィンガなどに関して適宜ローカル座標系を用いる場合がある。本実施形態ではロボットシステム１０００全体の座標系をＸＹＺ、ローカル座標系をｘｙｚで表す。

図１に示すように、ロボットシステム１０００は、多関節のロボットアーム本体２００、ロボットハンド本体３００、ロボットアーム本体２００、ロボットハンド本体３００の動作を制御する制御装置４００を備えている。

また、制御装置４００に教示データを送信する教示装置としての外部入力装置５００を備えている。外部入力装置５００の一例としてティーチングペンダントが挙げられ、操作者がロボットアーム本体２００やロボットハンド本体３００の動作を指定するのに用いる。

本実施形態では、ロボットアーム本体２００は垂直多関節である。以下、エンドエフェクタとしてロボットアーム本体２００の先端部に設けられるものが、ロボットハンドである場合について説明するが、これに限定するものではなく、ツール等であってもよい。

ロボットアーム本体２００の基端となるリンク２１０_０は、基台２０９に設けられ、台座Ｂに基台２０９が埋め込まれた状態で固定されている。本実施形態ではロボットアーム本体２００の向きを鉛直下向き（−Ｚ方向）として説明するが、ユースケースによって向きを変えてもよい。

ロボットハンド本体３００は、部品やツール等の対象物を把持するものである。本実施形態のロボットハンド本体３００は不図示の駆動機構により２本の指部を開閉し、上記対象物の把持ないし開放を行う。対象物をロボットアーム本体２００に対して相対的に変位させないように把持できれば良い。

ロボットアーム本体２００は、複数の関節、例えば６つ関節（６軸）を有している。ロボットアーム本体２００は、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６を各回転軸Ａ_１〜Ａ_６まわりにそれぞれ回転駆動させる複数（６つ）のサーボモータ２１１〜２１６を有している。

ロボットアーム本体２００は、複数のリンク２１０_０〜２１０_６が各関節Ｊ_１〜Ｊ_６で回転可能に連結されている。ここで、ロボットアーム本体２００の基端側から先端側に向かって、リンク２１０_０〜２１０_６が順に直列に連結されている。ロボットアーム本体２００は、可動範囲の中であれば、任意の３次元位置で任意の３方向の姿勢に、ロボットアーム本体２００のエンドエフェクタ（ロボットハンド本体３００）を向けることができる。

ロボットアーム本体２００の位置及び姿勢は、座標系で表現することができる。図１中の座標系Ｔｏは、ロボットアーム本体２００の基端、即ち台座Ｂに固定した座標系を表し、座標系Ｔｅはロボットアーム本体２００の手先（ロボットハンド本体３００）に固定した座標系を表す。

ここで、ロボットアーム本体２００の手先とは、本実施形態では、ロボットハンド本体３００が物体を把持していない場合には、ロボットハンド本体３００のことである。ロボットハンド本体３００が物体を把持している場合は、ロボットハンド本体３００と把持している物体（例えば部品やツール等）とを含めてロボットアーム本体２００の手先という。つまり、ロボットハンド本体３００が物体を把持している状態であるか物体を把持していない状態であるかにかかわらず、エンドエフェクタであるロボットハンド本体３００を手先という。

各関節Ｊ_１〜Ｊ_６は、それぞれモータ２１１〜２１６と、各モータ２１１〜２１６にそれぞれ接続されたセンサ部２２１〜２２６とを有している。各センサ部２２１〜２２６は、各モータの回転軸の位置を検出する位置センサ（角度センサ）と、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６で生じるトルクを検出するトルクセンサとを有している。

また、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６は、不図示の減速機を有し、直接、又は不図示のベルトやベアリング等の伝達部材を介して各関節で駆動されるリンク２１０_０〜２１０_６に接続されている。

基台２０９の内部には、各モータ２１１〜２１６の駆動を制御する駆動制御部としてのサーボ制御部２３０が配置されている。

サーボ制御部２３０は、入力された各関節Ｊ_１〜Ｊ_６に対応する各トルク指令値に基づき、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６のトルクがトルク指令値に追従するよう、各モータ２１１〜２１６に電流を出力し、各モータ２１１〜２１６の駆動を制御する。

なお、本実施形態では、サーボ制御部２３０が１つの制御装置で構成されているものとして説明しているが、各モータ２１１〜２１６にそれぞれ対応した複数の制御装置の集合体で構成されていてもよい。また、本実施形態では、サーボ制御部２３０は、基台２０９の内部に配置されているが、制御装置４００の内部に配置されていてもよい。

同図より、ロボットアーム本体２００の基台２０９に設けられたリンク２１０_０とリンク２１０_１はＺ軸方向の回転軸の周りで回転する関節Ｊ_１で接続されている。関節Ｊ１は、例えば初期姿勢から約±１８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２１０_１とリンク２１０_２は関節Ｊ_２で接続されている。関節Ｊ_２の回転軸は、図示の状態ではＹ軸方向に一致している。この関節Ｊ_２は、例えば初期姿勢から約±８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２１０_２とリンク２１０_３は関節Ｊ_３で接続されている。この関節Ｊ_３の回転軸は、図示の状態ではＹ軸方向に一致している。関節Ｊ_３は、例えば初期姿勢から約±７０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２１０_３とリン２１０_４とは、関節Ｊ_４で接続されている。この関節Ｊ_４の回転軸は、図示の状態ではＸＺ軸方向に位置している。関節Ｊ_４は、例えば初期姿勢から約±１８０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２１０_４とリンク２１０_５は関節Ｊ_５で接続されている。関節Ｊ_５の回転軸はＹ軸方向に一致している。この関節Ｊ_５は、初期姿勢から約±１２０度の可動範囲を有するものとする。

ロボットアーム本体２００のリンク２１０_５とリンク２１０_６は関節Ｊ_６で接続されている。関節Ｊ_６の回転軸はＸＺ平面に位置している。この関節Ｊ_６は、初期姿勢から約±２４０度の可動範囲を有するものとする。

以上の構成により、ロボットアーム本体２００のリンクの一部を折りたたんで、ロボットハンド本体３００を任意の位置に動作させ、所望の作業を行わせることができる。

次に制御装置４００について説明する。図２は、本実施形態における制御装置４００を示すブロック図である。制御装置４００は、コンピュータで構成されており、制御部（処理部）としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０１を備えている。

また制御装置４００は、記憶部として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０３、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）４０４を備えている。また、制御装置４００は、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９を備えている。

ＣＰＵ４０１には、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、ＨＤＤ４０４、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９が、バス４１０を介して接続されている。ＲＯＭ４０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０３は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果等、各種データを一時的に記憶する記憶装置である。

ＨＤＤ４０４は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果や外部から取得した各種データ等を記憶する記憶装置であると共に、ＣＰＵ４０１に、演算処理を実行させるためのプログラム４３０を記録するものである。ＣＰＵ４０１は、ＨＤＤ４０４に記録（格納）されたプログラム４３０に基づいてロボット制御方法の各工程を実行する。

記録ディスクドライブ４０５は、記録ディスク４３１に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。

外部入力装置５００はインタフェース４０６に接続されている。ＣＰＵ４０１はインタフェース４０６及びバス４１０を介して外部入力装置５００からの教示データの入力を受ける。

サーボ制御部２３０は、インタフェース４０９に接続されている。ＣＰＵ４０１は、サーボ制御部２３０、インタフェース４０９及びバス４１０を介して各センサ部２２１〜２２６から検知結果を取得する。また、ＣＰＵ４０１は、各関節のトルク指令値のデータを所定時間間隔でバス４１０及びインタフェース４０９を介してサーボ制御部２３０に出力する。

インタフェース４０７には、モニタ４２１が接続されており、モニタ４２１には、ＣＰＵ４０１の制御の下、各種画像が表示される。インタフェース４０８は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の記憶部である外部記憶装置４２２が接続可能に構成されている。

なお本実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がＨＤＤ４０４であり、ＨＤＤ４０４にプログラム４３０が格納される場合について説明するが、これに限定するものではない。プログラム４３０は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。

例えば、プログラム４３０を供給するための記録媒体としては、図２に示すＲＯＭ４０２、記録ディスク４３１、外部記憶装置４２２等を用いてもよい。具体例を挙げて説明すると、記録媒体として、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性メモリ、ＲＯＭ等を用いることができる。

図３は、本実施形態におけるロボット装置の制御系を示す制御ブロック図である。制御装置４００のＣＰＵ４０１（図２）は、プログラム４３０（図２）を実行することにより、力制御部５０４及び位置目標値生成部５０５として機能する。

サーボ制御部２３０は、複数（６関節であるので６つ）の切換制御部５１１〜５１６と、複数の位置制御部５２１〜５２６と、複数のモータ制御部５３１〜５３６として機能する。

各センサ部２２１〜２２６は、位置センサ（角度センサ）５５１〜５５６と、トルクセンサ５４１〜５４６（トルク検出手段）とを有する。位置センサ５５１〜５５６は、モータ２１１〜２１６又は関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度（位置）をそれぞれ検知するものである。

本実施形態では、位置センサ５５１〜５５６は、モータ２１１〜２１６の角度θ_１〜θ_６を直接検知する。なお、関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度ｑ_１〜ｑ_６は、不図示の減速機の減速比等に基づき、位置センサ５５１〜５５６で検出される角度θ_１〜θ_６から求めることができる。したがって、位置センサ５５１〜５５６は、間接的に各関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度ｑ_１〜ｑ_６を検知していることになる。トルクセンサ５４１〜５４６は、関節Ｊ_１〜Ｊ_６のトルクτ_１〜τ_６をそれぞれ検知する。

外部入力装置５００は、操作者の操作により、力教示データ５０１に含まれる力目標値Ｆ_ｄと、位置教示データ５０２に含まれる位置目標値Ｐ_ｄとをＣＰＵ３０１に出力する。力目標値Ｆ_ｄは、ロボットアーム本体２００の手先で生じる力の目標値であり、操作者が外部入力装置５００を用いて設定する。

位置目標値Ｐ_ｄは、ロボットアーム本体２００の手先の位置の目標値であり、操作者が外部入力装置５００を用いて設定する。外部記憶装置４２２にはロボットモデル５０３が記憶されている。

力制御部５０４は、手先負荷モデルを含むロボットモデル５０３、力目標値Ｆ_ｄ、位置目標値Ｐ_ｄ、現在位置Ｐ（ｔ）及び力Ｆを入力する。そして、力制御部５０４は、これら値を用いて、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６に対するトルク指令値τ_Ｆｄ１〜τ_Ｆｄ６を求める。

このとき、手先力Ｆと力目標値Ｆ_ｄとの力偏差、手先の位置Ｐ（ｔ）と位置目標値Ｐ_ｄとの位置偏差が小さくなるようにトルク指令値τ_Ｆｄ１〜τ_Ｆｄ６を求める。力制御部５０４は、求めた各トルク指令値τ_Ｆｄ１〜τ_Ｆｄ６を各切替制御部５１１〜５１６に出力する。

位置目標値生成部５０５は、手先の位置目標値Ｐ_ｄから逆運動学計算により各関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度指令値（位置指令値）ｑ_ｄ１〜ｑ_ｄ６を求め、各角度指令値ｑ_ｄ１〜ｑ_ｄ６を各位置制御部５２１〜５２６に出力する。

各位置制御部５２１〜５２６は、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度ｑ_１〜ｑ_６と各関節Ｊ_１〜Ｊ_６の角度指令値ｑ_ｄ１〜ｑ_ｄ６との角度偏差が小さくなるようトルク指令値τ_Ｐｄ１〜τ_Ｐｄ６を求める。なお、この角度偏差を小さくすることは、各モータ２１１〜２１６の角度と角度指令値ｑ_ｄ１〜ｑ_ｄ６を減速機の減速比等で換算した角度指令値との角度偏差を小さくすることと等価である。各位置制御部５２１〜５２６は、各トルク指令値τ_Ｐｄ１〜τ_Ｐｄ６を各切替制御部５１１〜５１６に出力する。

各切替制御部５１１〜５１６は、トルクベース力制御を行う力制御モードと、位置制御を行う位置制御モードとを切り替え制御する。各切替制御部５１１〜５１６は、力制御モード時は、各トルク指令値τ_Ｆｄ１〜τ_Ｆｄ６を各トルク指令値τ_ｄ１〜τ_ｄ６として各モータ制御部５３１〜５３６に出力する。また、各切替制御部５１１〜５１６は、位置制御モード時は、各トルク指令値τ_Ｐｄ１〜τ_Ｐｄ６を各トルク指令値τ_ｄ１〜τ_ｄ６として各モータ制御部５３１〜５３６に出力する。

各モータ制御部５３１〜５３６は、各電動モータ２１１〜２１６の角度（位置）θ_１〜θ_６に基づき、各トルク指令値τ_ｄ１〜τ_ｄ６を実現するように各電流Ｃｕｒ_１〜Ｃｕｒ_６を各モータ２１１〜２１６に通電する。

以上の構成により、ロボットアーム本体２００に、位置情報により制御する位置制御と、トルク等の力情報により制御する力制御とを実行させることが可能となる。

図４は、本実施形態におけるロボットアーム本体２００を簡略化して示した模式図である。図４（ａ）はＸＺ平面図、図４（ｂ）はＹＺ平面図である。図４（Ｃ）はロボットアーム本体２００の下方の領域Ｒで作業ができるよう、ロボットアーム本体２００のリンクの一部を折りたたんだ姿勢を表したＸＺ平面図である。

図４（ａ）及び（ｃ）で示すように本実施形態のロボットアーム本体２００は、リンク２１０_１に突出部７００を設け、突出部７００に関節Ｊ２を設け、リンク２１０_２を接続している。

図４（ａ）より突出部７００は、リンク２１０_１の回転軸Ａ_１に対して、＋Ｘ軸方向に２００ｍｍ突出しているものとする。

図４（ｂ）では、突出部７００は分かりにくいが、リンク２１０_２〜リンク２１０_６、ロボットハンド本体３００が、回転軸Ａ_１に対して−Ｘ軸方向にズレているものとする。

つまり、回転軸Ａ_１の延長線と回転軸Ａ_２の延長線とがねじれの位置の関係で配置され、回転軸Ａ_２が回転軸Ａ_１に対して２００ｍｍシフトされた状態となる。

これによりＸＹＺ座標系において、図４（ｃ）よりロボットハンド本体３００をロボットアーム本体２００の下方に位置させるようリンク２１０_２、リンク２１０_３とをなす角が０度になるように折りたたんで配置しても、特異点姿勢になり辛くすることができる。

よって作業性を向上させることができる。以下、実際の数値を用いて従来のロボットアーム本体２００’と、本実施形態のロボットアーム本体２００との作業性について説明する。

図５は、図１３に示す従来のロボットアーム本体２００’の所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータを表している。図５（ａ）は各関節における座標系Ｔ_１’〜Ｔ_６’を表示させた模式図、図５（ｂ）は各リンクのリンクパラメータを示した表である。

図６は、図１、図４に示す本実施形態におけるロボットアーム本体２００の所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータを表している。図６（ａ）は各関節における座標系Ｔ_１〜Ｔ_６を表示させた模式図、図６（ｂ）は各リンクのリンクパラメータを示した表である。

図５（ｂ）、図６（ｂ）における表中のＴ_１’〜Ｔ_６’、Ｔ_１〜Ｔ_６は各関節Ｊ_１’〜Ｊ_６’、Ｊ_１〜Ｊ_６の座標系を表しており、その添え字は各関節に対応した番号である。Ｔｅ’、Ｔｅは、ロボットアーム本体２００’、２００の手先を制御するためのツールセンターポイントである。

なお、図５（ｂ）、図６（ｂ）における表中の数字は、ロボットアーム本体２００’、２００の各関節の回転角度をすべて０度にした上での、回転軸Ａ_１’、Ａ_１に対する各回転軸におけるオフセット量を表している。

表中のｘ［ｍｍ］、ｙ［ｍｍ］、ｚ［ｍｍ］は回転軸Ａ_１’、Ａ_１の座標系Ｔｏ’、Ｔｏで表した並進方向のオフセット量である。α［ｄｅｇ］、β［ｄｅｇ］、γ［ｄｅｇ］はそれぞれ回転軸Ａ_１’、Ａ_１の座標系Ｔｏ’、Ｔｏで表したＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸回りの回転方向の弧度法表現のオフセット量である。以下に現れる模式図とリンクパラメータ表も同様の記載で表す。

図７、図８はロボットアーム本体２００’とロボットアーム本体２００の可操作度を表した図である。図７は従来のロボットアーム本体２００’の計算結果、図８は本実施形態におけるロボットアーム本体２００の計算結果である。各関節Ｊ_１からＪ_６により移動するツールセンターポイントの座標系Ｔｅ’、Ｔｅの位置を表した図である。各関節および各関節の座標系Ｔ_１’〜Ｔ_６’、Ｔ_１〜Ｔ_６は簡略化のため不図示とする。

図７、図８におけるロボットアーム本体の姿勢は、どちらもロボットアーム本体の各関節の角度を関節Ｊ_１からＪ_６を順にそれぞれ０ｄｅｇ、−７０ｄｅｇ、１００ｄｅｇ、０ｄｅｇ、−３０ｄｅｇ、０ｄｅｇとしたときである。関節の回転角度の符号は、紙面向かって時計周りが＋、反時計周りが−とする。

図７（ａ）、図８（ａ）は斜視図、図７（ｂ）、図８（ｂ）はＸＺ平面図、図７（ｃ）、図８（ｃ）はＹＺ平面図である。また図７、図８中のグラフの各軸は座標系Ｔｏを基準としている。

図７、図８より、従来のロボットアーム本体２００’における座標系Ｔｅ’の可操作楕円体ｅｐ１と、本実施形態のロボットアーム本体２００における座標系Ｔｅの可操作楕円体ｅｐ２とを比較する。

ここで可操作性楕円体とはロボットアーム本体のある姿勢において、その姿勢がロボットアーム本体の特異姿勢となる姿勢からどれだけ遠ざかっているかを表している。可操作性楕円体の体積は可操作度と呼ばれ、その姿勢からロボットアーム本体の手先の位置や姿勢をどの程度自由に操作できるのか、を表す指標となる。可操作性楕円体は、ロボットアーム本体のヤコビ行列を特異値分解することで得られる。

可操作性楕円体の体積が０となる姿勢は特異姿勢となり、その姿勢からロボットアーム本体の手先の位置や姿勢を動かすことができなくなる。

逆に、ある姿勢における可操作性楕円体が大きい、すなわち可操作性楕円体の体積が大きくなるにつれ、その姿勢は特異姿勢から遠ざかっており、特異姿勢になり辛いことを表している。

また、可操作性楕円体が球に近ければ近いほど、あらゆる方向にロボットアーム本体の手先を動かせる、ということを表す。

さらに、可操作楕円体の主軸半径が長いほど、その主軸半径の方向に速度を出しやすい、ということを表している。なお、主軸の長さはヤコビ行列の特異値、主軸の方向を表す単位ベクトルはヤコビ行列を特異値分解して得られる直交行列の各列ベクトルから得られる。

このように、可操作性楕円体の形により、ロボットアーム本体の手先を操作する際の方向の自由度、主軸半径の長さにより、ロボットアーム本体の手先を操作する際の速度の自由度を定量的に測ることができる。

図７（ａ）と図８（ａ）、及び図７（ｂ）と図８（ｂ）を比較すると、可操作楕円体ｅｐ１と可操作楕円体ｅｐ２とにおいては、あまり大きな差は無い。

しかしながら、図７（ａ）と図８（ａ）を比較すると、図８（ａ）の可操作性楕円体ｅｐ２の方が、図７（ａ）の可操作性楕円体ｅｐ１よりも球に近い形をしていることが分かる。

これは、上記で述べた姿勢において、従来のロボットアーム本体２００’よりも本実施形態のロボットアーム本体２００の方が、ロボットアーム本体の手先を操作する際の方向の自由度が高い、ということを表している。

また、従来例である図７（ｃ）における可操作性楕円体ｅｐ１を見ると、Ｙ軸方向に突出して主軸半径が短いことが分かる。逆に本実施形態の図８（ｃ）における可操作性楕円体ｅｐ２は、図７（ｃ）における可操作性楕円体ｅｐ１よりも、Ｙ軸方向の主軸半径が大きくなっていることがわかる。

これは、同じ姿勢であっても、本実施形態におけるロボットアーム本体２００の方が、従来のロボットアーム本体２００’よりも、手先におけるＹ軸方向への速度を出しやすいことを示している。ゆえに従来のロボットアーム本体２００’よりも本実施形態のロボットアーム本体２００の方が、ロボットアーム本体の手先をＹ軸方向へ操作する際の速度の自由度が高い、ということを表している。

また、図８（ｃ）の可操作性楕円体ｅｐ２の方が、図７（ｃ）の可操作性楕円体ｅｐ１よりも球に近い形をしていることから、ロボットアーム本体の手先を操作する際の方向の自由度が高い、ということを表している。

また可操作度を見ても、従来例であるロボットアーム本体２００’の可操作度は、０．００３であるのに対し、本実施形態におけるロボットアーム本体２００の可操作度は、０，０２３と、８倍程度向上させることができていることが分かる。

以上説明したように、本実施形態では、リンク２１０_０の回転軸Ａ_１の延長線と、リンク２１０_１の回転軸の延長線とが、ねじれの位置に配置されるよう、突出部７００を設け、回転軸Ａ_１と回転軸Ａ_２を所定の距離シフトして配置している。

これにより、ロボットアームの下方で作業を行う為に、リンクの一部を重ねて折りたたむという特殊な姿勢を取る場合でも、特異点となる姿勢から離れた姿勢を取りやすくなり、ロボットアームの作業性の悪化を低減することができる。ゆえにロボットアームを設置する為のスペースを小さくでき、かつロボットアームの作業性の悪化を低減したロボットアームを提供することができる。

なお、上記実施形態では突出部７００を２００ｍｍとしたが、突出部７００にスライドガイド等の調整機構を用い、シフトする量を可変させても良い。これによりロボットアーム本体２００の配置環境に合わせてシフト量を調整でき、ロボットアーム本体２００の可操作度を配置環境に合わせて向上させることができる。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、リンク２１０_０の回転軸Ａ_１の延長線と、リンク２１０_１の回転軸の延長線とが、ねじれの位置に配置されるよう、リンク２１０_０に突出部７００を設けた。しかしながら、リンク２１０_０の回転軸Ａ_１を、ロボットアーム本体の取り付け面の垂直な軸に対して角度を付け、リンク２１０_０の回転軸Ａ_１の延長線と、リンク２１０_１の回転軸の延長線とが、ねじれの位置に配置されるよう構成しても本発明を実施できる。以下詳述する。

以下では、第１の実施形態とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、第１の実施形態と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

図９は、本実施形態におけるロボットアーム本体２００αを簡略化して示した模式図である。図９（ａ）はＸＺ平面図、図９（ｂ）はＹＺ平面図である。

図９（ａ）より、本実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、リンク２１０_１αの回転軸Ａ_１αが、天井Ｂαにおけるロボットアーム本体２００αの取り付け面の垂直な軸Ａ_０に対して角度θを付ける角度付与部２４０を設けている点である。

角度付与部２４０により、回転軸Ａ_１αは、垂直軸Ａ_０に対して、Ｙ軸周りに２０度傾いているものとする。

これにより、回転軸Ａ_１αの延長線と回転軸Ａ_２αの延長線とがねじれの位置に配置され、回転軸Ａ_２αが回転軸Ａ_１αに対してオフセットされた状態となる。

よって本実施形態も、第１の実施形態と同様にロボットアーム本体２００αの作業性を向上させることができる。以下、実際の数値を用いて本実施形態のロボットアーム本体２００αの作業性について説明する。

図１０は、ロボットアーム本体２００αの所定の姿勢における模式図と、リンクパラメータを表している。図１０（ａ）は各関節における座標系Ｔ_１α〜Ｔ_６αを表示させた模式図、図１０（ｂ）は各リンクのリンクパラメータを示した表である。

本実施形態では、第１の実施形態でのロボットアーム本体の構成に加え、回転軸Ａ_１が座標系Ｔｏに対しＹ軸回りに−２０ｄｅｇ回転するようリンク２１０_１αを配置している。

図１１は、第１の実施形態と同様な計算手法により、ロボットアーム本体２００αの可操作度を表した図である。

図１１におけるロボットアーム本体２００αの姿勢は、第１の実施形態と同様に各関節の角度を関節Ｊ_１からＪ_６を順にそれぞれ０ｄｅｇ、−７０ｄｅｇ、１００ｄｅｇ、０ｄｅｇ、−３０ｄｅｇ、０ｄｅｇとしたときである。関節の回転角度の符号は、紙面向かって時計周りが＋、反時計周りが−とする。

図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）はＸＺ平面図、図１１（ｃ）はＹＺ平面図である。また図７、図８中のグラフの各軸は座標系Ｔｏを基準としている。

図１１より、ロボットアーム本体２００αの可操作性楕円体ｅｐ３を見ると、第１の実施形態と同様に突出して短い主軸半径はなく、可操作性楕円体の形も球に近く、どの方向にも動かしやすいことが分かる。

また、ロボットアームの可操作性を表す可操作度は０．０２８と第１の実施形態の可操作度よりも大きく、さらなる作業性の向上を図ることができていることが分かる。

以上説明したように、本実施形態においてもロボットアームのリンクの一部を重ねて折りたたんだ姿勢を取った場合でも、特異点となる姿勢から離れた姿勢を取りやすくなり、ロボットアームの作業性の悪化を低減することができる。

（その他の実施形態）
第２の実施形態では、角度付与部２４０はリンク２１０_０に固定されているが、図１２に示すように角度付与部２４０に軸受２５１、リンク２１０_０α内部にクロス・ピース２５０を設け、角度付与部２４０を矢印Ｆ方向に回動できるようにしても良い。

こうすることで、回転軸Ａ_１αも矢印Ｆ方向に回動させることができ、垂直軸Ａ_０と回転軸Ａ_１αのなす角を調整することができる。よってロボットアーム本体の設置面に対して、回転軸Ａ_１αの傾斜角度を変更することが可能になる。

これにより、ロボットアーム本体２００αの設置位置により、回転軸Ａ_１αの延長線と回転軸Ａ_２αの延長線とがねじれの位置に配置しづらい場合でも、ロボットアーム本体の設置面に対して、回転軸Ａ_１αの傾斜角度を変更することで対応することができる。

ゆえに、ロボットアーム本体の設置位置の自由度も向上させることができ、さらなるロボットアームの作業性向上を図ることができる。

もちろん、第１の実施形態のリンク２１０_０に、上記の軸受２５１、クロス・ピース２５０から成る角度調整機構を設け、回転軸Ａ_１の、ロボットアーム本体の設置面に対する傾斜角度を変更しても良い。また、上記角度調整機構はこれに限定されず、用途に応じ適宜変更してかまわない。

また第１の実施形態、第２の実施形態におけるロボットアーム本体の関節の構成はこれだけに限定されるものではなく、当業者において任意に設計変更が可能である。また、各モータは、上述の構成に限定されるものではなく、各関節を駆動する駆動源は例えば人工筋肉のようなデバイス等であってもよい。

また上記第１の実施形態、第２の実施形態は、制御装置の記憶装置の情報に基づき、伸縮、屈伸、上下移動、左右移動もしくは旋回の動作またはこれらの複合動作を自動的に行うことができる機械に適用可能である。

２０９ 基台
２１０_０〜２１０_６、２１０_０α〜２１０_６α リンク
２１１〜２１６ モータ
２２１〜２２６ センサ部
２３０ サーボ制御部
２４０ 角度付与部
２５０ クロス・ピース
２５１ 軸受
３００、３００α ロボットハンド本体
４００ 制御装置
５００ 外部入力装置
７００ 突出部

Claims (10)

1. エンドエフェクタを先端部に備え、複数のリンクを複数の駆動源により回転させて、所定の動作を行うロボットアームであって、
   基台と、
   前記基台に対して第１の回転軸で回転する第１のリンクと、
   前記第１のリンクに対して第２の回転軸で回転する第２のリンクと、
   前記第２のリンクに対して第３の回転軸で回転する第３のリンクを備え、
   前記第２のリンクと前記第３のリンクは、所定の方向から見て互いに重なる位置へと相対的に回転可能であり、
   前記第２の回転軸は、前記第１の回転軸の延長線から所定の距離シフトして、配置されていることを特徴とするロボットアーム。
2. 請求項１に記載のロボットアームにおいて、
   前記第２の回転軸と、前記第１の回転軸は、互いに交わることのないねじれの位置の関係で配置されていることを特徴とするロボットアーム。
3. 請求項１または請求項２に記載のロボットアームにおいて、
   前記所定の距離を調整できる調整機構を有していることを特徴とするロボットアーム。
4. 請求項１に記載のロボットアームにおいて、
   前記第１の回転軸は、
   前記第１の回転軸の延長線が、前記第２の回転軸に対して所定の角度、傾斜されて配置されていることを特徴とするロボットアーム。
5. 請求項４に記載のロボットアームにおいて、
   前記ロボットアームの設置面に対する、前記第１の回転軸の傾斜角度を変更できることを特徴とするロボットアーム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、
   前記第１の回転軸の延長線と、前記第３の回転軸の延長線とが、ねじれの位置に配置されていることを特徴とするロボットアーム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、
   前記第２のリンクと、前記第３のリンクとを、所定の方向から見て互いに重なる位置へと配置する際、
   前記第２のリンクと、前記第３のリンクとのなす角度が０度となるように配置することを特徴とするロボットアーム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、
   前記所定の方向は、前記第２の回転軸の方向であることを特徴とするロボットアーム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、
   前記複数のリンクに作用するトルクを検出する、トルク検出手段を有することを特徴とするロボットアーム。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のロボットアームの前記エンドエフェクタはロボットハンドであり、該ロボットハンドを前記ロボットアームに備えたロボット装置。

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