JP2023047742A - Work device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、医療機器または産業機器等の高速、高精度、広範な作動範囲、および、木目細かい動作を必要とする機器に用いられる作業装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a work device used for equipment that requires high speed, high precision, wide operating range, and fine movement, such as medical equipment or industrial equipment.
従来技術では、振動を検出する振動検出部と、この振動検出部で検出した振動とは逆位相の力を付与する振動補正部とを備えたロボットアームが提案されている(特許文献1)。 A conventional technology proposes a robot arm that includes a vibration detection unit that detects vibration and a vibration correction unit that applies a force in the opposite phase to the vibration detected by the vibration detection unit (Patent Document 1).
特許文献1のようなロボットアームでは、各関節部が回転可能に直列に配置された構成のため、構造が複雑となり、先端部の振動を検出するには、振動センサのような振動検出部を設ける必要があった。また各関節部が回転可能に直列に配置された構成のため、様々な方向に対して逆位相の振動を付与するためには、一部の関節のみを駆動するだけでは実現できず、ロボットアーム全体を駆動させる必要がある。この場合、ロボットアーム全体の慣性が大きいため、応答性が低く、高速動作時または複雑な木目細かい動作に対して、振動を抑制できないといった課題があった。
In the robot arm disclosed in
本発明の目的は、高速動作時または複雑な木目細かい動作に対して、作動機構の先端部の振動を応答性良く低減することができる作業装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a working device capable of reducing vibrations at the tip of an operating mechanism with good responsiveness during high-speed operations or complicated fine-grained operations.
本発明の作業装置は、作動機構7と移動機構62とを備え、
前記作動機構7は、基端部材6に対し先端部材40がリンク機構14を介して姿勢を変更可能に連結され、前記基端部材6に対する前記先端部材40の姿勢を任意に変更させる姿勢制御用のアクチュエータ10が設けられ、
前記移動機構62は、出力部となる移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raを有し、この移動駆動用のアクチュエータに前記基端部材6が取り付けられた作業装置であって、
前記姿勢制御用のアクチュエータ10および前記移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raを制御する制御装置Cuが設けられ、この制御装置Cuは、前記移動機構62および前記作動機構7のいずれか一方に生じた慣性力を打ち消すように他方のアクチュエータを制御する。
The working device of the present invention includes an
The
The
A controller Cu for controlling the
この構成によると、移動機構62および作動機構7のいずれか一方の加速または減速による慣性力を打ち消すように移動機構62および作動機構7のいずれか他方のアクチュエータを制御することで先端部材40の先端部に生じる振動を低減することができる。このため、高速動作時または複雑な木目細かい動作に対して、作動機構7の先端部の振動を応答性良く低減することができる。
According to this configuration, by controlling the actuator of either the
前記制御装置Cuは、前記移動機構62および前記作動機構7のいずれか一方に生じた慣性力のうち、前記一方の可動方向成分の少なくとも分力に対して反対方向の慣性を生じさせるように他方のアクチュエータを制御してもよい。
前記分力は、振動に起因する方向の力である。
この場合、一方の慣性力の可動方向成分の少なくとも分力に対して反対方向の慣性を生じさせるため、僅かな動きで作動機構7の振動を効果的に且つ迅速に低減することができる。
The control device Cu causes inertia generated in one of the
The force component is a directional force due to vibration.
In this case, since inertia is generated in the direction opposite to at least the component force of the moving direction component of one of the inertia forces, the vibration of the
3組以上の前記リンク機構14を備え、前記各リンク機構14は、それぞれ基端側のリンクハブ12および先端側のリンクハブ13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15,16と、これら基端側および先端側の端部リンク部材15,16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17とを有し、前記3組以上のリンク機構14のうちの2組以上のリンク機構14に、前記姿勢制御用のアクチュエータ10が設けられていてもよい。
この構成によると、基端側のリンクハブ12と先端側のリンクハブ13と3組以上のリンク機構14とで、基端側のリンクハブ12に対し先端側のリンクハブ13が直交2軸周りに回転自在な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12に対して先端側のリンクハブ13を、回転が2自由度で姿勢変更自在な機構としている。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12に対する先端側のリンクハブ13の可動範囲を広くとれる。
Three or more sets of the
According to this configuration, the
前記制御装置Cuは、前記慣性力およびその方向を演算する慣性力演算部68と、この慣性力演算部68で演算された慣性力およびその方向から前記反対方向の慣性を生じさせる動作量を算出する動作量算出部69と、この動作量算出部69で算出された動作量による動作を実行するタイミングを調整する制御を行う制御部70とを有してもよい。このように、制御装置Cuは、反対方向の慣性を生じさせる動作量を算出し動作を実行するタイミングを調整することで、移動機構62および作動機構7のいずれか一方の移動に対して他方側で逆方向の慣性を生じさせることが可能となる。
The control device Cu calculates an inertia
前記慣性力演算部68は、前記移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raの移動方向と速度から前記移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raの加速または減速時の慣性力を演算してもよい。この場合、移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raの移動方向と速度の指令値から、慣性力の働く方向と慣性力の大きさを容易に演算できるため、振動センサ等の振動検出部を設ける必要がなく構造を簡単化することができる。
The inertia
前記動作量算出部69は、前記慣性力演算部68で演算された慣性力およびその方向を前記作動機構7の動作範囲の接平面方向に分解して前記動作量を算出してもよい。作動機構7の構造上、振動に起因するのは、作動機構7の動作範囲の接平面方向の力であるため、移動機構62の移動駆動用のアクチュエータ65,66,67、Raの加速または減速時の慣性力を、作動機構7の動作範囲の接平面方向に分解し、その分力に対して逆方向の慣性を加えることで、僅かな動きで作動機構7の振動を効果的に低減することができる。
The movement
前記移動機構62は、直交3軸方向に進退する第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67を含む直動ユニット63を備えてもよい。この場合、直動ユニット63と作動機構7とを組み合わせることで、作動機構7を様々な方向に高速に移動することができる。これにより、種々のワークに対し適用可能でタクトタイムの短縮を図れる作業装置とすることができ、また作業装置の汎用性を高め得る。
The
前記移動機構62は、出力部となる回転アクチュエータRaを有してもよい。この場合、回転アクチュエータRaにより作動機構7を回転させることで、ワークに対する作業範囲を大きくとれ、木目細かい動作を行うことができる。よって、段取り替え作業の短縮等を図ることが可能となる。
The
この作業装置は、前記作動機構7に画像処理機器Egが搭載された外観検査装置1A,1Bであってもよい。この場合、これまで人が様々な方向から目視検査していた外観検査工程を、高速、高精度で、自動的にできるようになる。また画像処理機器Egの振動が低減することでブレのない画像を取得することが可能となる。
This work device may be the
本発明の作業装置によれば、移動機構および作動機構のいずれか一方に生じた慣性力を打ち消すように他方のアクチュエータを制御するため、高速動作時または複雑な木目細かい動作に対して、作動機構の先端部の振動を応答性良く低減することができる。 According to the working device of the present invention, the actuator of one of the moving mechanism and the operating mechanism is controlled so as to cancel the inertial force generated in the other mechanism. Vibration at the tip of the can be reduced with good responsiveness.
[第1の実施形態]
本発明の実施形態に係る作業装置を図1ないし図10Bと共に説明する。
図1に示すように、作業装置1は、作動機構であるリンク作動装置7と、移動機構62と、制御装置Cuとを備える。この作業装置1は、例えば、医療機器または産業機器等に用いられる。
<作業装置の概略構造>
この作業装置1は、リンク作動装置7と、移動機構62である直動ユニット63とを組み合わせて構成されている。図示外の架台等に直交3軸方向に進退する直動ユニット63が設置され、直動ユニット63の出力部となる移動駆動用のアクチュエータに、リンク作動装置7が取り付けられている。作業装置1は、リンク作動装置7の先端部材40に取り付けられたエンドエフェクタを、図示外のワークに対し位置決めして作業を行う。リンク作動装置7および直動ユニット63は制御装置Cuに接続され、この制御装置Cuにより同期制御される。
[First embodiment]
A working device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10B.
As shown in FIG. 1, the working
<General structure of working device>
The working
<リンク作動装置について>
図2Aに示すように、リンク作動装置7は、パラレルリンク機構9と、このパラレルリンク機構9を作動させる姿勢制御用のアクチュエータ10とを備える。
<パラレルリンク機構>
パラレルリンク機構9は、基端側のリンクハブ12に対し先端側のリンクハブ13を3組のリンク機構14を介して姿勢変更可能に連結したものである。リンク機構14の組数は4組以上であってもよい。図4では、1組のリンク機構14のみが示され、残りの2つのリンク機構が省略されている。
<About the link actuator>
As shown in FIG. 2A , the
<Parallel link mechanism>
The
各リンク機構14は、基端側の端部リンク部材15、先端側の端部リンク部材16、および中央リンク部材17を有し、4つの回転対偶からなる4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15,16は、図2Bに示すように、略L字形状であり、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ12および先端側のリンクハブ13に回転可能に連結されている。図4に示すように、中央リンク部材17は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材15,16の他端がそれぞれ回転可能に連結されている。
Each
As shown in FIG. 2B, the proximal and distal
パラレルリンク機構9は、2つの球面リンク機構を組み合わせた構造である。基端側のリンクハブ12と基端側の端部リンク部材15の各回転対偶、および基端側の端部リンク部材15と中央リンク部材17の各回転対偶の中心軸が、基端側の球面リンク中心PAで交差している。同様に、先端側のリンクハブ13と先端側の端部リンク部材16の各回転対偶、および先端側の端部リンク部材16と中央リンク部材17の各回転対偶の中心軸が、先端側の球面リンク中心PBで交差している。
The
基端側のリンクハブ12と基端側の端部リンク部材15との回転対偶の中心と基端側の球面リンク中心PA間の距離は同じである。基端側の端部リンク部材15と中央リンク部材17との回転対偶の中心と基端側の球面リンク中心PA間の距離は同じである。同様に、先端側のリンクハブ13と先端側の端部リンク部材16との回転対偶の中心と先端側の球面リンク中心PB間の距離は同じである。先端側の端部リンク部材16と中央リンク部材17との回転対偶の中心と先端側の球面リンク中心PB間の距離は同じである。
The distance between the center of the rotational pair between the
基端側および先端側の端部リンク部材15,16と中央リンク部材17との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γを持っていてもよいし、平行であってもよい。
基端側のリンクハブ12と基端側の端部リンク部材15との各回転対偶の中心軸と、基端側の端部リンク部材15と中央リンク部材17との各回転対偶の中心軸とが成す角度であるアーム角は、定められた角度に規定されている。
The central axes of each rotational pair of the proximal and distal
The central axis of each rotational pair between the proximal
3組のリンク機構14は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図5に示すように、各リンク部材15,16,17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、どのような姿勢をとっていても、中央リンク部材17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、1組のリンク機構14を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構9は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ12および基端側の端部リンク部材15と、先端側のリンクハブ13および先端側の端部リンク部材16との位置関係が、中央リンク部材17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。各中央リンク部材17の中央部は、共通の軌道円上に位置している。
The three sets of
基端側のリンクハブ12と先端側のリンクハブ13と3組のリンク機構14とで、基端側のリンクハブ12に対し先端側のリンクハブ13が直交2軸周りに回転自在な2自由度機構が構成されている。言い換えると、基端側のリンクハブ12に対して先端側のリンクハブ13を、回転が2自由度で姿勢変更自在な機構としている。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12に対する先端側のリンクハブ13の可動範囲を広くとれる。
A
例えば、基端側および先端側の球面リンク中心PA,PBを通り、基端側および先端側のリンクハブ12,13と基端側および先端側の端部リンク部材15,16の各回転対偶の中心軸O1(図2A)と直角に交わる直線を、基端側および先端側のリンクハブ12,13の中心軸QA,QBとした場合、基端側のリンクハブ12の中心軸QAと先端側のリンクハブ13の中心軸QBとの折れ角θの最大値である最大折れ角θmaxを約90°とすることができる。また、図3に示すように、基端側のリンクハブ12に対する先端側のリンクハブ13の旋回角φを0°~360°の範囲に設定できる。図5に示すように、折れ角θは、基端側のリンクハブ12の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ13の中心軸QBが傾斜した垂直角度のことである。一方、旋回角φは、基端側のリンクハブ12の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ13の中心軸QBが傾斜した水平角度のことである。なお最大折れ角θmaxが90°以上であってよい。
For example, through the spherical link centers PA and PB on the proximal and distal sides, each rotational pair of the
基端側のリンクハブ12に対する先端側のリンクハブ13の姿勢変更は、基端側のリンクハブ12の中心軸QAと先端側のリンクハブ13の中心軸QBとの交点Oを回転中心として行われる。図7Bの実線は、基端側のリンクハブ12の中心軸QA(図4)と先端側のリンクハブ13の中心軸QB(図4)とが同一線上にある状態を示し、図7Bの二点鎖線は、基端側のリンクハブ12の中心軸QA(図4)に対して先端側のリンクハブ13の中心軸QB(図4)が或る作動角(折れ角)をとった状態を示す。図5に示すように、基端側のリンクハブ12に対する先端側のリンクハブ13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Lは変化しない。
The posture of the
このパラレルリンク機構9において、以下の各条件を全て満たすとき、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ12および基端側の端部リンク部材15と、先端側のリンクハブ13および先端側の端部リンク部材16とは同じに動く。よって、パラレルリンク機構9は、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して機能する。
In this
条件1:図2Cおよび図5に示すように、各リンク機構14における基端側および先端側のリンクハブ12,13と基端側および先端側の端部リンク部材15,16の回転対偶の中心軸O1,O2の角度α並びに基端側および先端側の球面リンク中心PA,PBからの長さが互いに等しい。
条件2:各リンク機構14の基端側および先端側のリンクハブ12,13と基端側および先端側の端部リンク部材15,16の回転対偶の中心軸、および基端側および先端側の端部リンク部材15,16と中央リンク部材17の回転対偶の中心軸が、基端側および先端側において基端側および先端側の球面リンク中心PA,PBと交差する。
条件3:基端側の端部リンク部材15と先端側の端部リンク部材16の幾何学的形状が等しい。
条件4:中央リンク部材17における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件5:中央リンク部材17の対称面に対して、中央リンク部材17と基端側および先端側の端部リンク部材15,16との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。
Condition 1: As shown in FIGS. 2C and 5, the centers of the rotational pairs of the
Condition 2: the central axis of the rotational pair of the
Condition 3: The geometric shapes of the proximal
Condition 4: The geometric shapes of the proximal side portion and the distal side portion of the
Condition 5: With respect to the plane of symmetry of the
図2Aに示すように、基端側のリンクハブ12は、平板状の基端部材6と、この基端部材6と一体に設けられた3個の回転軸連結部材21とを有する。基端部材6は中央部に円形の貫通孔6aを有し、この貫通孔6aの周囲に3個の回転軸連結部材21が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔6aの中心は、基端側のリンクハブ12の図4に示す中心軸QA上に位置する。各回転軸連結部材21には、軸心が基端側のリンクハブ12の中心軸QAと交差する図3に示す回転軸22が回転自在に連結されている。この回転軸22に、基端側の端部リンク部材15の一端が連結されている。
As shown in FIG. 2A , the
先端側のリンクハブ13は、平板状の先端部材40と、この先端部材40の底面に円周方向等配で設けられた3個の回転軸連結部材41とを有する。各回転軸連結部材41が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ13の中心軸QB上に位置する。各回転軸連結部材41には、軸心が先端側のリンクハブ13の中心軸QBと交差する回転軸43が回転自在に連結されている。この回転軸43に、先端側の端部リンク部材16の一端が連結されている。先端側の端部リンク部材16の他端には、中央リンク部材17の他端に回転自在に連結された回転軸45が連結されている。
The
<姿勢制御用のアクチュエータ>
図2Aに示す姿勢制御用のアクチュエータ10は、減速機構52を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ12の基端部材6の一平面に前記回転軸22と同軸上に設置されている。姿勢制御用のアクチュエータ10と減速機構52は一体に設けられ、モータ固定部材53により減速機構52が基端部材6に固定されている。なお、姿勢制御用のアクチュエータ10は、ブレーキ付きのものを使用してもよい。
<Actuator for attitude control>
The
この例では、3組のリンク機構14のすべてに姿勢制御用のアクチュエータ10が設けられているが、3組のリンク機構14のうち少なくとも2組に姿勢制御用のアクチュエータ10を設ければ、基端側のリンクハブ12に対する先端側のリンクハブ13の姿勢を確定することができる。
3つの姿勢制御用のアクチュエータ10は、それらの回転軸22が基端側のリンクハブ12の中心軸QA(図4)と直交するように配置され、これらの姿勢制御用アクチュエータ10の回転軸22の交点である中央位置が、基端側のリンクハブ12の中心軸QA(図4)上にある。
In this example, all of the three
The three
図3に示すように、リンク作動装置7は、各姿勢制御用アクチュエータ10を回転駆動することで、パラレルリンク機構9が作動する。詳しくは、姿勢制御用アクチュエータ10を回転駆動すると、その回転が減速機構52を介して減速して回転軸22に伝達される。それにより、基端側のリンクハブ12に対する基端側の端部リンク部材15の角度が変わり、基端側のリンクハブ12に対する先端側のリンクハブ13の姿勢が任意に変更される。
As shown in FIG. 3 , the
<エンドエフェクタ>
先端側のリンクハブ13の先端部材40には、先端部であるエンドエフェクタが取り付けられている。エンドエフェクタは、例えば、グリッパを含むハンド、洗浄用ノズル、ディスペンサ、溶接トーチ、画像処理機器Eg(図9A,図9B)等が挙げられる。
<End effector>
An end effector, which is a tip portion, is attached to the
図9Aに示す画像処理機器Egは、例えば、ワークを撮像するカメラCmを有する。この場合の作業装置は、図10Aに示すように、リンク作動装置7に画像処理機器Egが搭載された外観検査装置1Aである。図9Bに示す画像処理機器Egは、例えば、ワークを撮像するカメラCm、およびワークを照らす照明具Le等を含む。この場合の作業装置は、図10Bに示すように、リンク作動装置7に画像処理機器Egが搭載された外観検査装置1Bである。図10A,図10Bの各作業装置において、少なくともカメラCmは、配線を介して図示外のカメラ制御システムと電気的に繋がっており、前記カメラ制御システムにより撮影時の各種制御が行われる。
The image processing equipment Eg shown in FIG. 9A has, for example, a camera Cm that captures an image of a work. The working device in this case is a
<直動機構>
図6に示すように、移動機構である直動ユニット63には、直交3軸方向に進退するXYZステージが適用されている。直動ユニット63は、移動駆動用のアクチュエータである第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67を有する。第1の直動アクチュエータ65は、図6の左右方向であるX軸方向に進退する。出力部となる第2の直動アクチュエータ66は、X軸方向に直交する前後方向であるY軸方向に進退する。第3の直動アクチュエータ67は、X軸方向およびY軸方向にそれぞれ直交するZ軸方向に進退する。この例では、前記Z軸方向が上下方向となるように設定されている。
<Linear motion mechanism>
As shown in FIG. 6, an XYZ stage that advances and retreats in orthogonal three-axis directions is applied to a
第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67は、それぞれ駆動源であるモータ65a,66a,67aで駆動され、各モータ65a,66a,67aの回転をそれぞれ直線往復動作に変換するボールねじ等の変換機構(図示せず)を有する。各直動アクチュエータ65,66,67は、対応する軸方向に沿って延びるガイド65b,66b,67bと、前記各ガイド65b,66b,67bに沿って摺動するスライドテーブルと、モータ65a,66a,67aとを有する。この例では、出力部となる第2の直動アクチュエータ66のスライドテーブルに、リンク作動装置7の基端側のリンクハブ12が取り付けられている。このように直交3軸方向に進退する直動ユニット63を配置し、その最終ステージ上にリンク作動装置7を取り付けることで、先端部材40に取り付けられたエンドエフェクタは自由度の高い動きが実現可能となっている。
The first, second and third
<制御系について>
図1に示す制御装置Cuは、直動ユニット63の加速または減速による慣性力を打ち消すように、リンク作動装置7の姿勢制御用のアクチュエータ10を制御する。具体的には、制御装置Cuは、直動ユニット63の位置決め時等の加速または減速時に、リンク作動装置7の折れ角θおよび旋回角φ(図3)を制御する。
前記位置決め時等の加速または減速時は、この例では、直動ユニット63の停止状態から等速運動になるまでの加速領域、またはその反対に直動ユニット63の等速運動から停止状態になるまでの減速領域を言う。この位置決め時等の加速または減速時を、以後、「整定時」という場合がある。
<Regarding the control system>
The controller Cu shown in FIG. 1 controls the
During acceleration or deceleration during positioning or the like, in this example, the
制御装置Cuは、整定時、リンク作動装置7の折れ角θおよび旋回角φ(図3)を制御して、直動ユニット63とは逆方向の慣性をエンドエフェクタの先端に生じさせることで、エンドエフェクタに生じる振動を低減する。
At the time of stabilization, the control device Cu controls the bending angle θ and turning angle φ (FIG. 3) of the
<リンク作動装置7の先端の描く軌跡について>
ここで、リンク作動装置7の先端部材40にエンドエフェクタを取り付け、このエンドエフェクタの先端の質点Aを考えたときに、質点Aがリンク作動装置7の動作により描く軌跡を示したものが図7A、図7Bである。図7Aに示すように、質点Aがリンク作動装置7により描く軌跡Lsは略半球面状となり、リンク作動装置7はこの略半球面状の動作範囲S上で高速、高精度且つ滑らかな位置決め動作を行う。
<Regarding the trajectory drawn by the tip of the
Here, when an end effector is attached to the
図6に示すように、直動ユニット63の最終ステージ上にリンク作動装置7を取り付けた構成において、直動ユニット63によりリンク作動装置7が矢印A1のように移動した場合、その移動により慣性が生じ、移動完了時にはその慣性による力が作用する。同図6には、エンドエフェクタの先端の質点Aについて作用する慣性力Fを示す。
As shown in FIG. 6, in a configuration in which the
<ステージの減速度によってエンドエフェクタの先端に作用する負荷とその逆方向の慣性について>
図6の作業装置1においてリンク作動装置7に注目する。図8Aでは、リンク作動装置7のある姿勢(折れ角θ、旋回角φ)において、直動ユニット63(図6)におけるXYZステージの少なくともいずれか一つの移動によって、質点Aに慣性力Fが加わっている。
<Regarding the load acting on the tip of the end effector due to the deceleration of the stage and the inertia in the opposite direction>
Attention is paid to the
図8Bにはリンク機構等を省略した概念図を示す。同図8Bにおいて、質点Aとリンク作動装置の姿勢(折れ角θ、旋回角φ)、質点Aに作用する慣性力Fを表記する。斜線部で示しているのは、リンク作動装置が現姿勢(折れ角θ、旋回角φ)から微小角度動かしたときの質点Aの動作範囲Saである。この斜線部の動作範囲Saは、動作範囲S(図7A)の一部を部分的に切り抜いた部分球面状の範囲である。図8Bにおいて二点鎖線で示す四角形Sbは、動作範囲Sの略半球面との質点Aにおける接平面を示している。 FIG. 8B shows a conceptual diagram in which the link mechanism and the like are omitted. In FIG. 8B, the mass point A, the posture of the link actuating device (bending angle θ, turning angle φ), and the inertial force F acting on the mass point A are shown. The shaded area indicates the movement range Sa of the mass point A when the link actuating device is moved by a small angle from the current posture (the bending angle θ and the turning angle φ). The shaded motion range Sa is a partially spherical range obtained by partially cutting out a portion of the motion range S (FIG. 7A). A quadrangle Sb indicated by a chain double-dashed line in FIG.
直動ユニット63(図6)の移動による慣性力Fは、接平面方向の力Ftと、その面直方向の力Fnに分解できる。リンク作動装置はその構造上、面直方向の力Fnに対しては剛性が高い一方で、接平面方向の力Ftに対しての剛性が低く、慣性力Fの可動方向成分であるFt成分が振動の原因の一つとなっている。
本実施形態は、同図8Bに示すように、慣性力Fの接平面方向成分Ftに対して、リンク作動装置を制御し、反対方向の慣性Frを作用させるように制御する、つまり(dθ、dφ)動かすことでFt成分を小さくすることを特徴とする。面直方向のFn成分には作用しないが、そもそも面直方向に対してリンク作動装置は剛性が高く、振動には影響しない。
The inertial force F caused by the movement of the linear motion unit 63 (FIG. 6) can be decomposed into a tangential plane force Ft and a perpendicular force Fn. Due to its structure, the link actuating device has high rigidity against force Fn in the perpendicular direction, but low rigidity against force Ft in the tangential plane direction. This is one of the causes of vibration.
In this embodiment, as shown in FIG. 8B, the tangential plane direction component Ft of the inertia force F is controlled by the link operating device so that the inertia Fr in the opposite direction is applied, that is, (dθ, dφ) to reduce the Ft component. Although it does not act on the Fn component in the direction perpendicular to the plane, the link actuator has high rigidity in the direction perpendicular to the plane and does not affect vibration.
慣性力を低減するためにリンク作動装置がdθ、dφ動くことで指定した姿勢から変化する[(θ、φ)→(θ+dθ、φ+dφ)]が、予め動く量を考慮した点に移動しておき、その移動点から指定点となる[(θ-dθ、φ-dφ)→(θ、φ)]ように制御してもよい。この場合、リンク作動装置をより高精度に位置決めすることが可能となる。 [(θ, φ) → (θ + dθ, φ + dφ)], which changes from the specified posture by moving the link actuator dθ and dφ in order to reduce the inertial force, is moved to a point considering the amount of movement in advance. , the moving point may be controlled to become a designated point [(θ-dθ, φ-dφ)→(θ, φ)]. In this case, it is possible to position the link actuating device with higher accuracy.
以上の機能は、図1の制御装置Cuにおいて制御する。具体的には、制御装置Cuは、慣性力演算部68と、動作量算出部69と、制御部70とを有する。慣性力演算部68は、直動ユニット63による慣性力およびその方向を演算する。例えば、慣性力演算部68は、直動ユニット63の第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67の移動方向と速度の指令値から、これら直動アクチュエータ65,66,67の加速または減速時の慣性力の働く方向と慣性力の大きさを容易に且つ迅速に演算し得る。
The above functions are controlled by the controller Cu in FIG. Specifically, the control device Cu has an
動作量算出部69は、リンク作動装置7の現在姿勢(θ、φ)および演算された前記慣性力およびその方向から、反対方向の慣性を生じさせる動作量(dθ、dφ)を算出する。この動作量算出部69は、慣性力演算部68で演算された慣性力およびその方向を、リンク作動装置7の動作範囲の接平面方向に分解して前記動作量を算出する。制御部70は、算出された動作量による動作を実行するタイミングを調整する。このタイミングは、通常、直動アクチュエータ65,66,67の加速または減速時とするが、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切なタイミングを求めて定められてもよい。
The
<作用効果>
以上説明した作業装置1によれば、直動ユニット63の加速または減速による慣性力を打ち消すようにリンク作動装置7の折れ角、旋回角(θ、φ)を制御して、直動ユニット63とは逆方向の慣性をエンドエフェクタの先端に生じさせる。これによりリンク作動装置7の先端部材40に取り付けられたエンドエフェクタに生じる振動を低減することができる。このため、振動センサ等の振動検出部を設ける必要がなく、高速動作時または複雑な木目細かい動作に対して、エンドエフェクタの振動を応答性良く低減することができる。本作業装置1により、加速度を大きく設定しても安定して作業を実施できるため、高速動作時または複雑な木目細かい動作時でも安価な構成でタクトタイムの短縮を図れる。
<Effect>
According to the working
リンク作動装置7の先端の動作範囲は略半球面状であり、折れ角、旋回角(θ、φ)で制御できる慣性力およびその方向は前記略半球面の接平面方向に制限されるが、リンク作動装置7の構造上、振動に起因するのはその接平面方向の力である。このため、直動ユニット63の加速または減速時の慣性力(XYZ軸の合力)をリンク作動装置7の動作範囲の接平面方向に分解し、その接平面方向の力に対して反対方向の慣性を加える。これにより、僅かな動きでリンク作動装置7の振動を効果的に低減することができる。
The operating range of the tip of the
第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67を含む直動ユニット63と、リンク作動装置7とを組み合わせているため、各直動アクチュエータ65,66,67の移動方向と速度の指令値から、慣性力の働く方向と慣性力の大きさを容易に演算することができる。このため、振動センサ等の振動検出部を設ける必要がなく作業装置1の構造を簡単化することができる。
Since the
また、例えば、加速度センサまたは速度センサをリンク作動装置7の先端部に取り付けることも可能で、制御装置Cuは、検出されたセンサ出力から、直動ユニット63の移動によって発生する慣性力の方向を算出する。さらに制御装置Cuは、リンク作動装置7の現在姿勢(θ、φ)から直動ユニット63の慣性力の接平面方向とは逆方向の慣性となるリンク作動装置7の動作量(dθ、dφ)を算出する演算機能を有する。このため、直動ユニット63の移動に対してリンク作動装置側で効率的に逆方向の慣性を生成することが可能となる。
Further, for example, an acceleration sensor or a speed sensor can be attached to the tip of the
ところでエンドエフェクタにカメラ・照明具等の画像処理ユニットを搭載した場合、撮影時に振動があるとブレのある像となる場合がある。露光時間を短くすることでブレのない像を取得することは可能であるが、光量が必要になり、搭載できる照明具の選択肢が少なくなる。 By the way, when an image processing unit such as a camera or a lighting device is mounted on the end effector, the image may be blurred if there is vibration during shooting. Although it is possible to obtain a blur-free image by shortening the exposure time, the amount of light is required, and the options for lighting fixtures that can be mounted are limited.
本実施形態では、エンドエフェクタが図9Aに示すカメラCm、または図9Bに示すカメラCmおよび照明具Le等を含む画像処理機器Egである場合に、振動を低減し得る装置構成とすることで、ブレのない画像を取得することが可能となる。したがって、搭載できる画像処理機器の選択肢が増えることで、設計の自由度を高めることができる。また、使用条件によっては、図9Aに示す照明具のない画像処理機器Egを選択することが可能となり、照明具を有する画像処理機器よりもコスト低減を図れる。また、画像処理機器Egが搭載された外観検査装置1A(図10A),1B(図10B)により、これまで人が様々な方向から目視検査していた外観検査工程を、高速、高精度で、自動的にできるようになる。
In this embodiment, when the end effector is the camera Cm shown in FIG. 9A, or the image processing device Eg including the camera Cm and lighting fixture Le shown in FIG. It is possible to acquire an image without blurring. Therefore, the degree of freedom in design can be increased by increasing the options of image processing devices that can be mounted. In addition, depending on the usage conditions, it is possible to select the image processing equipment Eg without lighting fixtures shown in FIG. 9A, and the cost can be reduced as compared with the image processing equipment with lighting fixtures. In addition, by using
<他の実施形態について>
以下の説明においては、各実施形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成は同一の作用効果を奏する。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
<About other embodiments>
In the following description, the same reference numerals are given to the parts corresponding to the items previously described in each embodiment, and redundant description is omitted. When only a portion of the configuration is described, the other portions of the configuration are the same as those previously described unless otherwise specified. The same configuration has the same effect. It is possible not only to combine the parts specifically described in each embodiment, but also to partially combine the embodiments if there is no problem with the combination.
[第2の実施形態:図11(回転アクチュエータ)]
移動機構62は、前述の直動ユニットだけに限定されず、図11に示す回転アクチュエータRaを適用してもよい。この作業装置1Cでは、図示外の架台等に、移動機構62の出力部となる回転アクチュエータ(移動駆動用アクチュエータ)Raが設置され、この回転アクチュエータRaにリンク作動装置7の基端側のリンクハブ12が取り付けられている。この例の作業装置1Cでは、リンク作動装置7における基端側のリンクハブ12の中心軸QA(図4参照)と、回転アクチュエータRaの回転軸Caとが同軸となるように設けられている。
[Second embodiment: FIG. 11 (rotary actuator)]
The moving
この場合、回転アクチュエータRaの慣性力の方向を検出できれば、リンク作動装置7にてその接線方向の慣性力を低減することが可能である。また回転アクチュエータRaによりリンク作動装置7を回転させることで、ワークに対する作業範囲を大きくとれ、木目細かい動作を行うことができる。よって、段取り替え作業の短縮等を図ることが可能となる。その他前述と同様の作用効果を奏する。
In this case, if the direction of the inertial force of the rotary actuator Ra can be detected, the
[第3の実施形態:図12(直動ユニット+回転アクチュエータ)]
図12に示すように、移動機構62は、直動ユニット63と回転アクチュエータRaとを組み合わせたものであってもよい。この作業装置1Dでは、図示外の架台等に、直動ユニット63が設置され、直動ユニット63の出力部となる第2の直動アクチュエータ66に、回転アクチュエータRaを介してリンク作動装置7の基端側のリンクハブ12が取り付けられている。この場合、リンク作動装置7の先端部材40に取り付けられたエンドエフェクタは、直動ユニット63による直動運動と回転アクチュエータRaによる回転運動によりさらに自由度の高い動きを実現し得る。その他前述と同様の作用効果を奏する。
[Third Embodiment: Fig. 12 (linear motion unit + rotary actuator)]
As shown in FIG. 12, the moving
第1および第3の実施形態の直動ユニット63は、それぞれXYZの3軸方向に進退するXYZステージが適用されているが、XYZのいずれか2軸方向に進退する2つの直動アクチュエータを備えた構成であってもよい。
移動機構として、垂直多関節ロボットまたは水平多関節ロボットを適用し、出力部となるロボットの先端にリンク作動装置を取り付けた構成であってもよい。
The
A vertically articulated robot or a horizontally articulated robot may be applied as the movement mechanism, and a link actuator may be attached to the tip of the robot serving as the output unit.
移動機構によって生じた慣性力をリンク作動装置で打ち消すことを上述したが、その逆も可能で、リンク作動装置によって生じた慣性力を移動機構で打ち消してもよい。具体的には、図1の制御装置Cuは、リンク作動装置7に生じた慣性力を打ち消すように移動機構用のアクチュエータである第1,第2および第3の直動アクチュエータ65,66,67を制御する。この場合に、制御装置Cuの慣性力演算部68は、姿勢制御用のアクチュエータ10の移動方向と速度から姿勢制御用のアクチュエータ10のエンドエフェクタ先端の加速または減速時の慣性力を演算する。但し、移動機構の方式によっては逆方向の慣性について制限がないため、リンク作動装置の慣性力を完全に打ち消す動作の生成も可能となる。
Although it has been described above that the inertial force generated by the moving mechanism is canceled by the link actuator, the reverse is also possible, and the inertial force generated by the link actuator may be canceled by the moving mechanism. Specifically, the control device Cu in FIG. to control. In this case, the inertia
リンク作動装置としてパラレルリンク型構造の装置にて図示したが、折れ角θ、旋回角φを制御できる構成であればよいため、作動機構としてパン・チルト構成(図示せず)を適用してもよい。 Although the link actuating device is illustrated as a device with a parallel link structure, a pan/tilt structure (not shown) may be applied as the actuating mechanism as long as it is capable of controlling the bending angle θ and the turning angle φ. good.
以上、本発明の実施形態を説明したが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and are not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and range of equivalents of the scope of the claims.
1,1C,1D…作業装置、1A,1B…外観検査装置(作業装置)、6…基端部材、7…リンク作動装置(作動機構)、10…姿勢制御用のアクチュエータ、12…基端側のリンクハブ、13…先端側のリンクハブ、14…リンク機構、15…基端側の端部リンク部材、16…先端側の端部リンク部材、17…中央リンク部材、40…先端部材、62…移動機構、63…直動ユニット、65,66,67…第1,第2および第3の直動アクチュエータ(移動駆動用のアクチュエータ)、68…慣性力演算部、69…動作量算出部、70…制御部、Cu…制御装置、Eg…画像処理機器、Ra…回転アクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記作動機構は、基端部材に対し先端部材がリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記基端部材に対する前記先端部材の姿勢を任意に変更させる姿勢制御用のアクチュエータが設けられ、
前記移動機構は、出力部となる移動駆動用のアクチュエータを有し、この移動駆動用のアクチュエータに前記基端部材が取り付けられた作業装置であって、
前記姿勢制御用のアクチュエータおよび前記移動駆動用のアクチュエータを制御する制御装置が設けられ、この制御装置は、前記移動機構および前記作動機構のいずれか一方に生じた慣性力を打ち消すように他方のアクチュエータを制御する、作業装置。 Equipped with an operating mechanism and a moving mechanism,
The operating mechanism includes a distal member connected to a proximal member via a link mechanism so as to be able to change its posture, and an actuator for posture control that arbitrarily changes the posture of the distal member relative to the proximal member,
The movement mechanism has a movement drive actuator that serves as an output unit, and the work device includes the base end member attached to the movement drive actuator,
A control device is provided for controlling the attitude control actuator and the movement drive actuator, and the control device controls the actuator so as to cancel the inertial force generated in one of the movement mechanism and the actuation mechanism. A working device that controls
9. The work device according to claim 1, wherein the work device is a visual inspection device in which an image processing device is mounted on the operating mechanism.
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