JP3080791B2 - マニプレータの直接教示用補助装置 - Google Patents

マニプレータの直接教示用補助装置

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JP3080791B2 JP04257730A JP25773092A JP3080791B2 JP 3080791 B2 JP3080791 B2 JP 3080791B2 JP 04257730 A JP04257730 A JP 04257730A JP 25773092 A JP25773092 A JP 25773092A JP 3080791 B2 JP3080791 B2 JP 3080791B2
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淳 時岡
明寛 前川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、いわゆる冗長軸自由度
を有するマニプレータの直接教示(ダイレクトティーチ
ング)における操作性を向上させるための補助装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】マニプレータには、障害物の回避や特異
点の回避のために冗長軸自由度を有するものがある。図
6、図7にそれぞれ例を示す。このような冗長軸自由度
を有するマニプレータを用いて、そのアーム手先を人間
が持って動作、姿勢を直接教示する場合、中間軸の位置
が定まらないため、マニプレータの肘に相当する部分を
人間が支持する必要があり、操作性が損われる。以下、
図6、図7の各例について説明する。
【0003】図6は5軸マニプレータを示す。第1〜第
5の関節の各軸1〜5のうち、第2軸2は第1軸1に対
して直交し、第2軸2から第4軸4は互いに平行し、第
5軸5は第4軸4に対して直交し、第1関節の固定側が
支持部材10に固定されて水平に突き出ている。今、図
6に示すように、第1軸1と第5軸5が同一軸上に重な
っている場合に、第5関節の先端部分の手先グリップ1
1を人間が持って直接教示を行うと、自重及び操作反力
によって、第3軸3部分が矢印A方向(紙面手前側)又
は矢印B方向(紙面奥側)へ旋回して倒れることにな
る。そこで、第3軸3部分に肘グリップ12を取り付
け、これを手先グリップ11の操作時に人間が支持して
倒れないようにする必要がある。又は、カウンタバラン
スウェイト13を取り付ける必要がある。しかし、いず
れにしても操作性が低減し、あるいはマニプレータ重量
が増加する。図6中の符号で14は重力の方向を示す。
【0004】図7は7軸マニプレータを示し、第1関節
の固定側は支持部材10に固定されて水平に突き出てお
り、第2軸2は第1軸1に対し直交し、第3軸3は第2
軸2に対して直交し、第4軸4は第3軸3に対し直交
し、第5軸5は第4軸4に対し直交し、第6軸6は第5
軸5に対して直交し、第7軸7は第6軸6に対し直交
し、第7関節の先端部分に手先グリップ11が取り付い
ている。このような、7軸またはそれ以上の自由度を持
つマニプレータでは、殆ど全ての姿勢で冗長軸自由度が
生じ、肘グリップ12を取り付けて直接教示時に肘部分
を人間が支持する必要がある。図7中、14は重力の方
向を示す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
に鑑み、肘グリップを用いた人間の支持やカウンタバラ
ンスウェイトの取り付けを必要とせずに、冗長軸自由度
を有するマニプレータを操作性良く直接教示できるよう
にするための補助装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のマニプレータの直接教示用補助装置は、冗長軸自由
度を有するマニプレータの直接教示時の目標操作力を設
定する手段と、この目標操作力及び前記マニプレータの
各軸角度検出器の検出角度から、マニプレータ各軸に自
重を支える力及び操作反力に相当る力を発生させるため
のトルク指令値を計算し、マニプレータのトルクサーボ
装置に出力する手段とを具備することを特徴とするもの
である。
【0007】
【作用】冗長軸自由度を有するマニプレータを用いて、
そのアーム先端を人間が持って直接教示する場合、目標
操作力を設定すると、目標操作力と各軸の検出角度から
トルク指令値を計算してトルクサーボ装置に出力する。
これにより、自重を支える力及び操作反力に相当する力
がマニプレータの各軸に発生する。従って、人間は自重
を支える必要もなく、またマニプレータの肘部分を支持
する必要なく、単にアーム先端を軽く操作するだけで良
いから、操作性が極めて高くなる。
【0008】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例と共に説明
する。図1は本発明の第1実施例に係るマニプレータの
直接教示用補助装置の構成を示す。図1において、補助
装置20は目標操作力設定器21と、各軸トルク分配用
演算器22と、各軸自重トルクの演算器23と、加算器
24とで構成される。
【0009】目標操作力設定器21には目標操作力がベ
クトルHとして設定される。ベクトルHはマニプレータ
の取付方向によって決まる基準座標(XYZ3次元直交
座標)により表わされ、H=(HX ,HY ,HZ )とな
る。
【0010】2つの演算器22,23と加算器24とが
トルク指令値Tn を計算する。但し、添字nは5軸マニ
プレータ30の軸の番号に一致し、本実施例はn=1〜
5である。一方の演算器22は、マニプレータ30の各
軸角度検出器31から関節角度θ=(θ1 ,θ2
θ3 ,θ4 ,θ5 )を用いてヤコビ行列Jを生成し、そ
の転置行列JT と目標操作力ベクトルHとから、マニプ
レータ各軸1〜5に分配するトルクTnHを計算する。但
し、n=1〜5となる。
【0011】他方の演算器23は、全軸の関節角度θを
用いて、各軸1〜5の自重を支えるためのトルクTnG
計算する。即ち、前述の基準座標によって表わした重力
ベクトルG=(GX ,GY ,GZ )がマニプレータに作
用すると、第n軸の自重を支えるために必要なトルクT
nG(n=1〜5)は、 TnG=GX・fnX(θ)+GY・fnY(θ)+GZ・fnZ(θ) で表わすことができ、この式を演算器23が計算する。
但し、fnX(θ),fnY(θ),fnZ(θ)は各軸の関
節角度θ1 〜θ5 の関数である。
【0012】加算器24は、演算器22で得たトルクT
nHと演算器23で得たトルクTnGとを軸毎に加算して各
軸のトルク指令値Tn (=TnH+TnG)とし、これをマ
ニプレータ30のトルクサーボ装置32に与える。トル
クサーボ装置32は指令された通りのトルクをマニプレ
ータ各軸のアクチュエータに発生させる。
【0013】図2は、本発明の第2実施例に係るマニプ
レータの直接教示用補助装置の構成を示す。図2におい
て、補助装置20は目標操作力設定器21と、演算器2
5,26と、加算器27とで構成される。マニプレータ
30は7軸のものであり、図5に外観を示す。
【0014】目標操作力設定器21には目標操作力がベ
クトルHとして設定される。ベクトルHは、図3に示す
ようにマニプレータの取付方向によって決まる基準座標
(XYZ3次元直交座標)により表わされ、H=
(HX ,HY ,HZ )となる。
【0015】2つの演算器25,26と加算器27とが
トルク指令値Tn を計算する。但し、添字nは7軸マニ
プレータ30の軸の番号に一致し、本実施例はn=1〜
7である。
【0016】前述の如く、基準座標によって表わした重
力ベクトルG=(GX ,GY ,GZ)がマニプレータに
作用すると、第n軸の自重を支えるために必要なトルク
nG(n=1〜7)は、 TnG=GX・fnX(θ)+GY・fnY(θ)+GZ・fnZ(θ) で表わすことができる。但し、fnX(θ),f
nY(θ),fnZ(θ)は各軸1〜7の関節角度θ1 〜θ
7 の関数である。
【0017】一方、任意の目標操作力Hが与えられた時
に、これを正確に再現するためには第1実施例の如くヤ
コビ転置行列の生成等が必要になるが、力の正確性より
もマニプレータの操作性向上を重視する場合は、目標操
作力Hを重力の変化として近似することにより、目標操
作力を再現することができる。即ち、各軸のトルク指令
値Tn は、 Tn =(GX+αnX)・fnX(θ)+(GY+αnY)・fnY(θ) +(GZ+αnZ)・fnZ(θ) で表わすことができる。
【0018】但し、αn =(αnX,αnY,αnZ)は目標
操作力Hによる第n軸(n=1〜7)での近似重力変化
であり、マニプレータ30の第n軸の質量をMn とする
とき、目標操作力ベクトルH=(HX ,HY ,HZ )か
ら、次式によって与えられる。但し、kはマニプレータ
30の軸数であり、本例ではk=7。
【数1】
【0019】以上のことから、演算器25は目標操作力
ベクトルHによる各軸の近似重力変化αn を計算し、加
算器27は各軸毎に重力ベクトルGに近似重力変化αn
を加算し、演算器26は加算結果G′=G+αn に対応
した各軸のトルク指令値Tnを、関数fnX(θ),fnY
(θ),fnZ(θ)及び各軸の角度検出器31から得ら
れる関節角度θ(=θ1 〜θ7 )を用いて計算して、こ
れをマニプレータ30のトルクサーボ装置32に与え
る。
【0020】図4を参照して具体例を説明する。図4の
如く基準座標をとり、nを軸の番号とする。図4ではn
=1〜7。そして、 Sn = sin(θn ) Cn = cos(θn ) Ln =各軸の長さ(但し、L1 ,L3 ,L5 及びL7
0と仮定) Mn =各軸の質量 LMn =各軸の重心位置 G′X =GX +αnX G′Y =GY +αnY G′Z =GZ +αnZn =各軸に印加するトルク としたとき、Tn (n=1〜7)の演算式は以下のよう
になる。
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】T7 =0
【0028】図5に示した7軸マニプレータの構成は次
の通りである。図5において、図示しない作業床面や作
業壁面等に固定される取付面41が形成された取付ベー
ス42には、前記取付面41に対して垂直な第1軸周り
に旋回し得る旋回台43が連結されており、この旋回台
43には前記第1軸に対して直交する第2軸周りに回動
する腕スリーブ44の基端部が連結されている。又、こ
の腕スリーブ44の先端部には、前記第2軸に対して直
交する第3軸周りに回転する中間腕45の基端部が連結
されており、この中間腕45の先端部には前記第3軸に
対して直交する第4軸周りに回動する接続スリーブ46
の基端部が連結されている。更に、この接続スリーブ4
6の先端部には、前記第4軸に対して直交する第5軸周
りに回転する延長スリーブ47の基端部が連結されてお
り、この延長スリーブ47の先端部には前記第5軸に対
して直交する第6軸周りに回動する手首部48が連結さ
れている。そして、この手首部48には前記第6軸に対
して直交する第7軸周りに回転し且つ各種作業機器等の
負荷が組み付けられる面板49が取り付けられている。
これら第1軸〜第7軸の各関節にはそれぞれ関節駆動用
の減速機を有する電動アクチュエータが内蔵され、また
角度検出器が内蔵されている。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば冗長軸自由度を有するマ
ニプレータを人間が直接教示する際に、各軸の自重を支
える力と操作反力に相当する力が発生するので、マニプ
レータを軽く操作でき、且つ肘部分を人間が支える必要
がなくなり、操作性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図。
【図2】本発明の第2実施例を示す図。
【図3】基準座標の一例を示す図。
【図4】第2実施例における演算式の説明図。
【図5】7軸マニプレータの外観例を示す図。
【図6】冗長軸自由度を有する5軸マニプレータの直接
教示における従来技術を示す図。
【図7】7軸マニプレータの直接教示における従来技術
を示す図。
【符号の説明】
20 補助装置 21 目標操作力設定器 22,23,25,26 演算器 24,27 加算器 30 マニプレータ 31 各軸角度検出器 32 トルクサーボ装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−54302(JP,A) 特開 昭63−57185(JP,A) 特開 昭63−68381(JP,A) 特開 平4−372384(JP,A) 実開 平5−192885(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 19/18 - 19/46 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/20 - 19/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冗長軸自由度を有するマニプレータの直
    接教示時の目標操作力を設定する手段と、この目標操作
    力及び前記マニプレータの各軸角度検出器の検出角度か
    ら、マニプレータ各軸に自重を支える力及び操作反力に
    相当する力を発生させるためのトルク指令値を計算し、
    マニプレータのトルクサーボ装置に出力する手段とを具
    備することを特徴とするマニプレータの直接教示用補助
    装置。
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WO2007037131A1 (ja) * 2005-09-27 2007-04-05 Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki 多関節マニピュレータ
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