JP2723183B1 - 到達目標点注視型位置・姿勢非干渉型アーム機構 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】ロボットハンドの並進運動と回転運動が干渉す
ることなく、したがってハンドの手先位置／発生力の精
度を向上させることができるとともに、ハンドの先端が
常に作業点に向かっており、操作者が作業対象物やハン
ドの位置や姿勢を認識することが容易で、作業能率や作
業精度を向上させることができるアーム機構を提供する
こと 【解決手段】ベース上に絶対座標系を有しかつ、エンド
エフェクタ５上の一点に座標系９を有し、エンドエフェ
クタの各軸回りの回転を駆動する各軸別の回転アクチュ
エータ１３ａ、ｂ、ｃと、一軸方向の作業対象物３の並
進を駆動する並進アクチュエータ１７、並進制御駆動機
構１０に連結していて作業対象物の絶対座標系上の姿勢
を一定に保つ姿勢保持機構１８とテーブルの水平面内の
並進を行うアクチュエータ２４ａ、ｂを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンドエフェクタの
到達目標点を常に注視している到達目標点注視型位置・
姿勢非干渉型アーム機構に関するものである。この発明
の機構は細胞操作用マニピュレータその他の微細作業マ
ニピュレータや組立て用マニピュレータなどに利用する
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】マニピュレータのエンドエフェクタが対
象物に作業をする場合には、エンドエフェクタの位置と
姿勢を制御する必要がある。従来一般に用いられている
マニピュレータは、アームの先端にエンドエフェクタハ
ンドを備えており、アームはシリアルリンク機構を有し
ていて複数の関節とリンク部材を基端部から先端部にか
けて順次連結して構成したものである。このアームは全
体を駆動して先端のエンドエフェクタの並進と回転を行
って位置と姿勢を決定している。このようなマニピュレ
ータではエンドエフェクタの並進と回転が干渉すること
がある。すなわち、エンドエフェクタをある座標軸の回
りに回転させてその姿勢を変えるためには座標軸回りの
姿勢や他の座標軸方向の位置に影響を与える結果とな
り、また、エンドエフェクタをある座標軸の方向に並進
させてその位置を変えるためには座標軸回りの姿勢や他
の座標軸方向の位置に影響を与える結果となり、このよ
うに並進運動とと回転運動が干渉すると手先位置／発生
力の精度が劣化することになる。このようなことから、
並進運動と回転運動が干渉しない位置・姿勢非干渉型ア
ーム機構の開発が望まれている。

【０００３】このような位置・姿勢非干渉型アーム機構
として従来考えられているものとしては、（１）絶対座
標系のアーム並進機構とジンバル機構を組み合わせて採
用したアーム回転機構（日本機会学会第７３回通常総会
講演会資料集（Ｖ）、ｐｐ１５０−１５１、１９９
６）、（２）絶対座標系のアーム並進機構とパンタグラ
フ機構を組み合わせて採用したアーム回転機構（Ｐｒｏ
ｃ．ｏｆ １９９５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏ
ｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏ
ｎ，Ｖｏｌ．．３，ｐｐ３０８１−３０８８，１９９
５、（３）絶対座標系のアーム並進機構とアーム手先不
動回転機構とテーブル（作業台）並進・回転機構を組み
合わせて採用した機構（日本機械学会ロボティクス・メ
カトロニクス講演会′９５ Ｖｏｌ．Ｂ，ｐｐ１３８６
−１３８９，１９９５）などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、これらの技
術はいずれも構造が極めて複雑であるとともに、ここで
用いられている座標系が絶対座標系であり、操作者が作
業対象物やエンドエフェクタの位置や姿勢を認識するこ
とが必ずしも容易でないので、作業能率や作業精度を向
上させることが困難であった。特に、例えば細い深穴に
針や棒を差し込む作業のようにエンドエフェクタの中心
軸の方向が常に作業対象物上の到達目標点Ｐに向かって
いれば、換言すればエンドエフェクタが作業する作業対
象物上のポイントを注視していることができれば、作業
の能率、作業精度を向上させることができるのである
が、従来のマニピュレータはエンドエフェクタの姿勢を
変えようとすると、エンドエフェクタと作業対象物との
相対的位置のずれが生じて、エンドエフェクタが作業す
る作業対象物上のポイント（到達目標点Ｐ）を注視して
いることができない。

【０００５】この発明は上記のごとき事情に鑑みてエン
ドエフェクタの並進運動と回転運動が干渉することな
く、したがってエンドエフェクタの手先位置／発生力の
精度を向上させることができるとともに、操作者が作業
対象物やエンドエフェクタの位置や姿勢を認識すること
が容易で、作業能率や作業精度を向上させることがで
き、さらにエンドエフェクタが作業する作業対象物上の
ポイント（到達目標点Ｐ）を注視する状態を維持するこ
とができ、作業の能率、作業精度を向上させることがで
きるアーム機構を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の到達目標点注視型位置・姿勢非干渉型アーム機
構は、作業対象物に対して作業をするロボットアームの
エンドエフェクタの姿勢と相対位置とを駆動制御する駆
動制御機構であって、絶対座標系と前記エンドエフェク
タ上の一点に座標原点を置くエンドエフェクタ座標系を
有し、エンドエフェクタを支持していて前記エンドエフ
ェクタの前記エンドエフェクタ座標系上の姿勢と相対的
な位置を駆動制御するエンドエフェクタ駆動制御機構を
有し、前記エンドエフェクタ駆動制御機構は互いに固定
連結していて前記エンドエフェクタの回転動作を駆動制
御する回転駆動制御機構と前記作業対象物の並進動作を
駆動制御するエンドエフェクタ座標系並進駆動制御機構
とを有し、前記回転駆動制御機構は前記エンドエフェク
タ座標系の各軸回りの前記エンドエフェクタの回転を駆
動する各軸別の回転アクチュエータを有し、前記エンド
エフェクタ座標系並進駆動制御機構は前記エンドエフェ
クタ座標系の前記エンドエフェクタの中心軸方向の前記
作業対象物の並進を駆動するエンドエフェクタ座標系並
進アクチュエータを有し、並びに前記エンドエフェクタ
座標系並進駆動制御機構に連結していて前記作業対象物
の絶対座標上の姿勢を一定に保つ姿勢保持機構と、前記
姿勢保持機構上に支持されていて前記作業対象物の前記
絶対度座標系上の直交２軸方向の並進を駆動制御する各
軸別の絶対座標系並進アクチュエータを有することを特
徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。図１において、１は
駆動制御機構であり、駆動制御機構１はテーブル２上の
作業対象物３に対して作業をするロボットアーム４のエ
ンドエフェクタ５の姿勢と相対位置を駆動制御するもの
である。駆動制御機構１は、エンドエフェクタ５上の一
点に座標原点を置く座標系（この明細書ではエンドエフ
ェクタ座標系９と称する）とベース１５上の絶対座標系
１４を用い、エンドエフェクタ５の手先６の姿勢と相対
位置を駆動制御する。エンドエフェクタ座標系９は例え
ば直交座標系を用い、かつ座標原点の位置については特
に制限はないが、この実施例では機構を簡単にすること
を目的として、エンドエフェクタ座標系９の原点はエン
ドエフェクタの先端（手先６）に置き、またエンドエフ
ェクタ座標系９の座標軸の方向については特に制限はな
いが、この実施例では機構を簡単にする目的で一軸はエ
ンドエフェクタ５の中心軸７と一致している。

【０００８】駆動制御機構１はエンドエフェクタ５の回
転動作を駆動制御する回転駆動制御機構８と作業対象物
３の並進動作を駆動制御するエンドエフェクタ座標系並
進駆動制御機構１０と絶対座標系並進駆動制御機構１１
とを有する。回転駆動制御機構８とエンドエフェクタ座
標系並進駆動制御機構１０とはＫ点において固着連結し
ている。このＫ点はエンドエフェクタ座標系９の原点と
相対変位を生じない点である。

【０００９】回転駆動制御機構８は回転リンク機構１２
と３個の回転アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを
備えている。回転リンク機構１２は絶対座標系１４上に
固定されているベース１５に対してエンドエフェクタ５
を支持しており、３個の回転アクチュエータ１３ａ、１
３ｂ、１３ｃはエンドエフェクタ５をエンドエフェクタ
座標系９の各軸回りに回転させる。すなわち、回転アク
チュエータ１３ａはエンドエフェクタ座標系のｘ軸回り
の回転を駆動制御し、回転アクチュエータ１３ｂはエン
ドエフェクタ座標系のｙ軸回りの回転を駆動制御し、回
転アクチュエータ１３ｃはエンドエフェクタ座標系のｚ
軸回りの回転を駆動制御する。ただしこの実施例ではエ
ンドエフェクタ５が針をＺ軸に軸対称な針で現されてい
るために、Ｚ軸回りに例え回転しても対称的な針の姿勢
を変えることはないが、エンドエフェクタが例えばナイ
フのようなＺ軸非対称の形態をもつものの場合は、Ｚ軸
回りの回転によって姿勢を変えることになる。次に、エ
ンドエフェクタ座標系並進駆動制御機構１０は、リンク
１６とエンドエフェクタの中心軸７と平行な相対的な並
進を許容するエンドエフェクタ座標系並進アクチュエー
タ１７を有する。

【００１０】リンク１６の先端にはＬ点において姿勢保
持機構１８が固着連結し、さらに姿勢保持機構１８の先
端に絶対座標系並進駆動制御機構１１が連結され、絶対
座標系並進駆動制御機構１１上にテーブル２が支持され
ている。したがってＬ点の移動に伴って、その動きが絶
対座標系並進駆動制御機構１１に伝達され、テーブル２
が中心軸７上を相対的に並進し、相対的にエンドエフェ
クタ座標系９上でエンドエフェクタ５の作業対象物３に
対する中心軸７上の相対的位置決めがなされる。ただし
エンドエフェクタ５の姿勢を制御するためには作業対象
物３の姿勢を一定にすること、つまりテーブル２は並進
しても、姿勢については水平の一定姿勢を保つ必要があ
るので、このテーブル２を並進を許容しつつも姿勢を一
定に保つために姿勢保持機構１８が機能する。

【００１１】すなわち姿勢保持機構１８はパンタグラフ
機構２１と並進スライダ２２ａ、２２ｂ、２２ｃと回転
スライダ２３を備えており、パンタグラフ機構２１が絶
対座標系並進駆動制御機構１１の運動をテーブルに伝
え、並進スライダ２２ａ、２２ｂ、２２ｃと回転スライ
ダ２３がテーブル２を固定のベース１５上に支持して作
業対象物３の絶対座標系１４上の姿勢を一定に保つ。並
進スライダ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは絶対座標系１４の
直交３軸方向の並進を許容し、回転スライダ２３はエン
ドエフェクタ座標系９の中心軸７以外の一水平座標軸回
りの回転を許容する。

【００１２】姿勢保持機構１８上に絶対座標系並進アク
チュエータ２４ａ、２４ｂが支持されている。絶対座標
系並進アクチュエータ２４ａは作業対象物３の絶対座標
系上の直交２軸の内の一軸方向の並進を駆動制御し、２
４ｂは他軸方向の並進を駆動制御する。

【００１３】次にこのように構成された駆動制御機構の
動作について説明する。 到達目標点注視型位置・姿勢非干渉アーム機構の特徴。 （１）エンドエフェク５の回転運動は、常にエンドエフ
ェクタの先端１点（回転中心）を中心に運動する。 （２）エンドエフェクタ５の各並進運動は１つのアクチ
ュエータの運動により実現される。 （３）１つの並進アクチュエータの運動は、他の並進の
運動および回転の運動を干渉しない。 （４）１つの回転アクチュエータの運動も、他の回転の
運動および並進の運動を干渉しない。 （５）エンドエフェクタ５は、常に到達目標点Ｐを向い
ている。

【００１４】テーブル２を水平に保つ機構 （１）回転アクチュエータ１３ａが動いた時 並進スライダ２２ａ、並進スライダ２２ｂ、並進スライ
ダ２２ｃ、 （２）回転アクチュエータ１３ｂが動いた時 並進スライダ２２ａ、並進スライダ２２ｃ、回転スライ
ダ２３、 （３）エンドエフェクタ座標系並進アクチュエータ１７
が動いた時 の各スライダが非駆動で受動的にスライドして、テーブ
ル２は常に水平状態を保って動く。絶対座標系並進アク
チュエータ２４ａや絶対座標系並進アクチュエータ２４
ｂが動いても、テーブルの水平は常に保たれているの
で、どのスライダも関与しない。

【００１５】４５度回転運動の原理および運動 （１）回転アクチュエータ１３ａが４５度回転する。
（図２） （２）パンタグラフ機構をなす回転リンク機構１２によ
り、エンドエフェクタ５は先端である手先６を回転中心
として４５度回転する。（図２） （３）同時に、エンドエフェクタ５と絶対座標系並進駆
動制御機構１１で囲まれた部分（図３）もエンドエフェ
クタ５の手先６を中心に回転運動を起こす。 （４）テーブル２は姿勢保持機構１８により常に水平に
保たれているため、結局、作業対象物３（テーブル２）
へのエンドエフェクタ５の進入姿勢を変えることができ
る。（図２） （５）このとき、回転運動中もエンドエフェクタ５の先
端である手先６は到達目標点Ｐを向いている。（図２） ９０度回転運動の原理および運動 （１）原理は４５度回転時と同じである。 （２）回転アクチュエータ１３ａが９０度回転する。
（図４） （３）パンタグラフ機構により、エンドエフェクタ５は
先端である手先６を回転中心として９０度回転する。
（図４） （４）同時に、エンドエフェクタ５とエンドエフェクタ
座標系並進駆動制御機構１０で囲まれた部分（図５）も
エンドエフェクタ５の先端の手先を中心に回転運動を起
こす。 （５）テーブル２は姿勢保持機構１８により常に水平に
保たれているため、結局、作業対象物３（テーブル２）
の到達目標点Ｐへのエンドエフェクタ５の進入姿勢を変
えることができる。（図４） （６）このとき、回転運動中もエンドエフェクタ５の先
端は到達目標点Ｐを向いている。（図４） エンドエフェクタ軸方向の並進運動の原理および運動 （１）エンドエフェクタ座標系並進アクチュエータ１７
が伸縮する。（図６） （２）エンドエフェクタ座標系並進アクチュエータ１７
とエンドエフェクタ５は機構的に常に平行に保たれたい
るため、並進アクチュエータの運動はエンドエフェクタ
５の姿勢（回転）に影響を与えない。（図７） （３）テーブル２は姿勢保持機構１８により常に水平に
保たれているため、結局、テーブル２および到達目標点
Ｐもエンドエフェクタ５の先端の手先６を起点として並
進運動を行う。（図６） （４）このとき、エンドエフェクタ５の中心軸７方向の
並進運動中も、エンドエフェクタ５の先端の手先６は到
達目標点Ｐを向いている。（図６） テーブル平面内の並進運動の原理および運動 （１）絶対座標系並進アクチュエータ２４ａまたは２４
ｂが可動する。（図８） （２）絶対座標系並進アクチュエータ２４ａ及び２４ｂ
はテーブル２に配置されているため、絶対座標系並進ア
クチュエータ２４ａ及び２４ｂの運動はエンドエフェク
タ５の姿勢（回転）に影響を与えない。（図８） （３）テーブル２は姿勢保持機構１８により常に水平に
保たれているため、結局、テーブル２はエンドエフェク
タ５の中心軸７となす角を一定に保ちながら直交方向に
並進運動を行う。（図８） （４）この時、テーブル２の並進運動は、最終的な目標
作業点を変える働きがある。（図９）

【００１６】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、この発明
によれば、エンドエフェクタの姿勢制御の回転運動をそ
れぞれ別個の回転アクチュエータで行い、またエンドエ
フェクタの位置決めのための並進運動をそれぞれ別個の
並進アクチュエータでテーブルを駆動して、その相対的
変位として行うので、１つの並進アクチュエータの運動
は、他の並進の運動および回転の運動を干渉することは
なく、また、１つの回転アクチュエータの運動も、他の
回転の運動および並進の運動を干渉することがなく、結
局、エンドエフェクタの並進運動と回転運動が干渉する
ことなく、したがってエンドエフェクタの手先位置／発
生力の精度を向上させることができるとともに、特に、
エンドエフェクタの中心軸の方向が常に作業対象物上の
到達目標点に向かうようにすることができるので、作業
の能率、作業精度を向上させることができる。このよう
にこの発明によればエンドエフェクタの並進運動と回転
運動が干渉することなく、したがってエンドエフェクタ
の手先位置／発生力の精度を向上させることができると
ともに、操作者が作業対象物やハンドの位置や姿勢を認
識することが容易で、作業能率や作業精度を向上させる
ことができ、さらにエンドエフェクタが作業する作業対
象物上のポイントを注視する状態を維持することがで
き、作業の能率、作業精度を向上させることができるア
ーム機構を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例到達目標点注視型の位置・姿
勢非干渉型アーム機構をしめす構成説明図

【図２】４５度回転運動の原理および運動の状態を示す
構成説明図

【図３】４５度回転運動の原理および運動の状態を示す
構成説明図

【図４】９０度回転運動の原理および運動の状態を示す
構成説明図

【図５】９０度回転運動の原理および運動の状態を示す
構成説明図

【図６】エンドエフェクタ軸方向の並進運動の原理およ
び運動の状態を示す構成説明図

【図７】エンドエフェクタ軸方向の並進運動の原理およ
び運動の状態を示す構成説明図

【図８】テーブル平面内の並進運動の原理および運動の
状態を示す構成説明図

【図９】テーブル平面内の並進運動の原理および運動の
状態を示す構成説明図

【符号の説明】

１ 駆動制御機構 ２ テーブル ３ 作業対象物 ４ ロボットアーム ５ エンドエフェクタ ６ 手先 ７ 中心軸 ８ 回転駆動制御機構 ９ エンドエフェクタ座標系 １０ エンドエフェクタ座標系並進駆動制御機構 １１ 絶対座標系並進駆動制御機構 １２ 回転リンク機構 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ 回転アクチュエータ １４ 絶対座標系 １５ ベース １６ リンク １７ エンドエフェクタ座標系並進アクチュエータ １８ 姿勢保持機構 ２１ パンタグラフ機構 ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 並進スライダ ２３ 回転スライダ ２４ａ、２４ｂ 絶対座標系並進アクチュエータ

フロントページの続き (56)参考文献 日本機械学会ロボティクス、メカトロ ニクス講演会’95 Ｖｏｌ．Ｂ，ＰＰ 1386−1389，1995年

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業対象物に対して作業をするロボットア
   ームのエンドエフェクタの姿勢と相対位置とを駆動制御
   する駆動制御機構であって、絶対座標系と前記エンドエ
   フェクタ上の一点に座標原点を置くエンドエフェクタ座
   標系を有し、エンドエフェクタを支持していて前記エン
   ドエフェクタの前記エンドエフェクタ座標系上の姿勢と
   相対的な位置を駆動制御するエンドエフェクタ駆動制御
   機構を有し、前記エンドエフェクタ駆動制御機構は互い
   に固定連結していて前記エンドエフェクタの回転動作を
   駆動制御する回転駆動制御機構と前記作業対象物の並進
   動作を駆動制御するエンドエフェクタ座標系並進駆動制
   御機構とを有し、前記回転駆動制御機構は前記エンドエ
   フェクタ座標系の各軸回りの前記エンドエフェクタの回
   転を駆動する各軸別の回転アクチュエータを有し、前記
   エンドエフェクタ座標系並進駆動制御機構は前記エンド
   エフェクタ座標系の前記エンドエフェクタの中心軸方向
   の前記作業対象物の並進を駆動するエンドエフェクタ座
   標系並進アクチュエータを有し、並びに前記エンドエフ
   ェクタ座標系並進駆動制御機構に連結していて前記作業
   対象物の絶対座標上の姿勢を一定に保つ姿勢保持機構
   と、前記姿勢保持機構上に支持されていて前記作業対象
   物の前記絶対度座標系上の直交２軸方向の並進を駆動制
   御する各軸別の絶対座標系並進アクチュエータを有する
   ことを特徴とする到達目標点注視型位置・姿勢非干渉型
   アーム機構。
2. 【請求項２】前記エンドエフェクタ座標系の座標軸の一
   つは前記エンドエフェクタの軸心と一致していることを
   特徴とする請求項１記載の到達目標点注視型位置・姿勢
   非干渉型アーム機構
3. 【請求項３】前記姿勢保持機構は並進スライダと回転ス
   ライダを介して前記作業対象物を固定体上に支持してい
   ることを特徴とする請求項１記載の到達目標点注視型位
   置・姿勢非干渉型アーム機構