JP3612637B2 - Manipulator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、6自由度の運動を行うマニプレータに関し、とりわけ自動組立、位置決め装置等に応用できるマニプレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、可動部材をベース部材に対して移動させる構成のマニプレータとして、ベース部材と可動部材を6組の伸縮可能なリンク対により接続したパラレルリンクマニプレータが知られている。この機構は、各リンク対の直動部を伸縮させることにより、可動部材の位置、姿勢を制御する構成を特徴としており、その利点としては、以下のようなものがある。
【0003】
先ず、各リンク対をベース部材と可動部材間に収める構造とすることにより、6自由度(位置3自由度、姿勢3自由度)の運動機構をコンパクトに構成することができる。
また、可動部材にかかる力が6基のリンク対という、比較的多い構造部分に分配されるため、結果的に高剛性となる。
さらに、リンク対の持つ関節機構のガタが平均化されることから、通常の6自由度の産業用ロボットに比較して、高精度となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような6基のリンク対構成では、これらの並列リンク間に相互干渉が発生して、動作範囲が狭くなるという問題点があった。
本発明は、前記のような従来技術における問題点を解決するためなされたもので、各リンク対の間の相互干渉がなく、可動領域が広いマニプレータを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係るマニプレータは、ベース部材、可動部材、及びそれらを連結する3組のリンク対を備えるマニプレータであって、前記各リンク対は前記ベース部材から前記可動部材に向かい、順に回転型第1関節、回転型第2関節、直動型第3関節、ボールソケット型第4関節の4基の関節及びそれらを連結する第1リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ前記回転型第1関節および前記回転型第2関節ベースには回転角を検出するエンコーダを持つ回転式アクチュエータを備え、
前記回転型第2関節の軸中心と前記回転型第1関節の軸中心は、同一平面上にあり、かつ互いに直交し、
前記回転型第2関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第2関節と前記直動型第3関節とをリンクなしに直結して構成されたことを特徴とする。
【0006】
前記の構成のように本発明に係るマニプレータは、少ないリンク対により、可動部材とベース部材が連結されているから、各リンク対間の相互干渉領域がほとんどなくなり、従って可動領域が広くなる。
【0007】
本発明に係るマニプレータは、前記ボールソケット型第4関節を、3つの回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成したことを特徴とする。この構成により、さらに広い可動範囲が実現でき、さらに機構のガタ等が低く抑えられる。
【0008】
本発明に係るマニプレータは、前記回転型第2関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第2関節と前記直動型関節とをリンクなしに直結して構成したことを特徴とする。この構成により、構成部品点数が削減されるとともに、角度から可動部分の位置と姿勢を求める演算が簡略化される。
【0009】
本発明に係るマニプレータは、前記エンコーダにより検出された角度に基づいて前記可動部材の位置および姿勢を求める構成としたことを特徴とする。この構成により、可動部材の位置、姿勢を観測するためのセンサを余分に設ける必要がなく、可動部材の位置、姿勢が安価に求められる。
【0010】
本発明に係るマニプレータは、前記直動型関節部に、前記直動リンク8の長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成したことを特徴とする。この構成により、可動部材の位置および姿勢を求める演算が簡略化でき、よって高速な演算が可能となる。
【0011】
本発明に係るマニプレータは、前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチュエータにフィードバックする構成としたことを特徴とする。この構成により、力のかかる状態を観測、または制御する必要のある作業にも適用することが可能となる。
【0012】
本発明に係るマニプレータは、前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、前記トルクセンサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする。この構成により、コンパクトに力を計測する装置が可能になる。
【0013】
本発明に係るマニプレータは、前記可動部材に6軸力覚センサを付設し、前記6軸力覚センサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする。この構成により、デカルト空間における力が直接計測される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。また図2は、図1に示されるマニプレータの要部の上面図である。
図1に示されるように、本実施形態に係るマニプレータMは、ベース部材1、可動部材9、及びそれらを連結する3組のリンク対L1〜L3からなる。
【0015】
リンク対L1は、ベース部材1から可動部材9に向かい、回転モータ2Aが付いた回転型第1関節2、回転モータ3Aが付いた回転型第2関節3、直動型第3関節4、ボールソケット型第4関節5の、4つの関節により連結されている。
さらに回転型第1関節2と回転型第2関節3は第1リンク6で結合され、回転型第2関節3と直動型第3関節4は第2リンク7で結合され、直動型第3関節4とボールソケット型第4関節5は直動リンク8で結合されている。
【0016】
また、リンク対L2は同様に、回転モータ12Aが付いた回転型第1関節12、回転モータ13Aが付いた回転型第2関節13、直動型第3関節14、ボールソケット型第4関節15の、4つの関節により連結されている。
さらに回転型第1関節12と回転型第2関節13は第1リンク16で結合され、回転型第2関節13と直動型第3関節14は第2リンク17で結合され、直動型第3関節14とボールソケット型第4関節15は直動リンク18で結合されている。
【0017】
さらにリンク対L3は、同様に、回転モータ22Aが付いた回転型第1関節22、回転モータ23Aが付いた回転型第2関節23、直動型第3関節24、ボールソケット型第4関節25の、4つの関節により連結されている。
また回転型第1関節22と回転2関節23は第1リンク26で結合され、回転型第2関節23と直動型第3関節24は第2リンク27で結合され、直動型第3関節24とボールソケット型第4関節25は直動リンク28で結合されている。
【0018】
また、ベース部材1、可動部材9と各々のリンク対L1〜L3の接続部は、図2に示すように正三角形をなしている。
【0019】
図3は、リンク対L1の構成を詳しく示す斜視図である。また図4は、リンク対L1の側面図である。
同図に示されるように、ベース部材1から数えて1番目と2番目の回転型第1および第2関節2、3には回転モータ2A、3Aが装備され、さらに各回転モータ2A、3Aは回転角度を計測するためのエンコーダ2C、3Cを備え、且つトルクを測定するためのトルクセンサ2B、3Bをそれぞれ備える。
【0020】
前記の構成に対応した制御系を、図5に示されるように組むことにより、各関節角を制御し、可動部材をベース部材に対して6自由度の位置、姿勢制御をすることが可能となる。
同図に示される制御系では、目標位置ブロック101から与えられるデータ101aが逆運動学変換ブロック102で変換され、逆運動学変換ブロック102からの角度出力102aが、エンコーダ(たとえば2C)情報に基づく速度/位置の帰還ループのリファランス入力となる。
【0021】
また、図1における第2リンク7の長さを0とする構成も可能である。これは、回転型第2関節3の軸中心と直動リンク8の軸中心とを交差させる構成として具現される。
この構成により、図5の制御系中のブロック102で行っている逆運動学変換(デカルト空間における位置座標を関節角座標に変換する)を簡略化することができる。この結果、高速のサーボ制御ループを構成することができ、あるいは性能の低いマイコンによる制御にも適応可能になる。
【0022】
さらに、各モータに備わる、トルクセンサ(例えば図3中の2Bあるいは3B)の出力値2Baに基づき演算をすることにより、可動部材−ベース部材間にかかるデカルト空間での6次元ベクトルF(力成分のFx、Fy、Fz、およびトルク成分のTx、Ty、Tz)を得ることができる。この演算は、図5におけるトルク−力座標変換ブロック103において行うことができる。
【0023】
図6は、本発明にかかる第2の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
本発明にかかる第2の実勢形態のマニプレータM2は、図6に示されるように、第1の実施例におけるボールソケット型第4関節5を、3つの回転型関節31、32、33により置き換えて構成する。
【0024】
通常のボールソケット型の球面軸受は、コンパクトに3自由度の関節を構成できるという利点を持つが、軸受けと軸間の隙間が大きい場合は精度の劣化を招くおそれがあり、また許容動作範囲が狭くなることで全体の可動範囲を制限するおそれがある。そこで本実勢形態は、このボールソケット型球面軸受を通常の回転型軸受に置き換えて関節を構成することにより、精度が高く、また動作範囲も大きい機構とすることができる。
【0025】
本発明にかかる第3の実勢形態は、図3の直動型第3関節4にリニアエンコーダを設けて構成される。
この構成により、直動リンク8の移動距離(移動長さ)を計測できるので、図5における逆運動学変換ブロック102、トルク−力座標変換ブロック103における演算がさらに関略化でき、且つ精度を向上させることができる。
【0026】
図7は、第4の実施形態にかかるマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
この第4の実施形態は、前記第1の実施形態において各モータにトルクセンサを設けるかわりに、可動部材に6軸の力覚センサ60を設け、さらに3組のリンク対L11〜L13を備えて構成される。この6軸の力覚センサ60により、可動部材9にかかる力を直接計測することができ、精度良く、デカルト空間における力Fを制御することができる。
【0027】
この第4の実施形態にかかるマニプレータの制御系の例を、図8に示す。
同図で、力覚センサ60から得られる情報Fに基づき、座標変換ブロック110によって可動部材9の位置、姿勢に基づく一次変換を行う。その変換出力110aに乗算器111でコンプライアンスゲインを掛け、目標位置からの出力112aに足すことにより、可動部材9のコンプライアンス制御ができる。
【0028】
また、変換出力110aと目標力からの出力113aとの差を積分器114で積分し、乗算器115で力制御ゲインを掛けた結果を、目標位置からの出力112aに足すことにより、目標力にならう力制御が可能になる。
【0029】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項1に係るマニプレータは、ベース部材、可動部材、及びそれらを連結する3組のリンク対を備え、各リンク対はベース部材から可動部材に向かい、順に回転型第1関節、回転型第2関節、直動型第3関節、ボールソケット型第4関節の4基の関節及びそれらを連結する第1リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ回転型第1関節および回転型第2関節ベースには回転角を検出するエンコーダを持つアクチュエータを備えるものであるから、この構成によりリンク対が3本で済み、リンク間の相互干渉を少なくでき、可動範囲の広い6自由度マニプレータを実現できる。また、構成部品点数を、従来のパラレルリンクマニプレータに比べて少なくでき、安価で信頼性に優れたマニプレータを実現できる。
また、回転型第2関節の軸中心と回転型第1関節の軸中心を、同一平面上に配置するとともに、互いに直交させ、回転型第2関節の軸中心と直動リンクの軸中心とを交差させ、回転型第2関節と直動型第3関節とをリンクなしに直結するものであるから、構成部品を減らせる。加えて、角度から可動部分の位置と姿勢を求める演算を簡略化できるため、高速な演算が可能である。また、処理速度が比較的遅い安価なマイコンを用いての制御も可能となる。
【0030】
本発明の請求項2に係るマニプレータは、前記ボールソケット型第4関節を、3つの回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成するものであるから、より広い可動範囲を得ることができ、さらに機構のガタ等も低く抑えることができる。
【0032】
本発明の請求項3に係るマニプレータは、前記エンコーダにより検出された角度に基づいて可動部材の位置および姿勢を求めるものであるから、可動部材の位置、姿勢を観測するためのセンサを余分に設けることなしに、可動部材の位置、姿勢を求めることができる。
【0033】
本発明の請求項4に係るマニプレータは、前記直動型関節部に、直動リンクの長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成するものであるから、可動部材の位置および姿勢を求める演算を簡略化でき、よって高速な演算が可能となる。あるいは、比較的低性能のマイコンによる制御も可能となる。
【0034】
本発明の請求項5に係るマニプレータは、前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチュエータにフィードバックする構成とするものであるから、力のかかる状態を観測、または制御する必要のある作業にも適用することが可能となる。
【0035】
本発明の請求項6に係るマニプレータは、前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、トルクセンサからの出力に基づきベース部材と可動部材間にかかる力を検出するものであるから、これを用いたコンパクトに力を計測する装置を構成することができる。
【0036】
本発明の請求項7に係るマニプレータは、前記可動部材に6軸力覚センサを付設し、この6軸力覚センサからの出力に基づきベース部材と可動部材間にかかる力を検出するものであるから、直接、デカルト空間における力を計測でき、よって高精度の力制御系を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図2】図1に示されるマニプレータの要部の上面図である。
【図3】図1に示されるリンク対の構成を示す斜視図である。
【図4】図3に示されるリンク対の側面図である。
【図5】図1に示されるマニプレータの制御系のチャートである。
【図6】本発明の他の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図7】本発明の別の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図8】図7に示されるマニプレータの制御系のチャートである。
【符号の説明】
M マニプレータ
L1 リンク対
L2 リンク対
L3 リンク対
1 ベース部材
2、12、22 回転型第1関節
2A、12A、22A モータ
2B、3B トルクセンサ
2C、3C エンコーダ
3、13、23 回転型第2関節
3A、13A、23A モータ
4、14、24 直動型第3関節
5、15、25 ボールソケット型第4関節
6、16、26 第1リンク
7、17、27 第2リンク
8、18、28 直動リンク
9 可動部材
60 軸力覚センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manipulator that performs a six-degree-of-freedom motion, and more particularly to a manipulator that can be applied to automatic assembly, positioning devices, and the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a manipulator configured to move a movable member relative to a base member, a parallel link manipulator in which the base member and the movable member are connected by six sets of extendable link pairs is known. This mechanism is characterized by a configuration in which the position and posture of the movable member are controlled by expanding and contracting the linear motion portion of each link pair, and the advantages include the following.
[0003]
First, by adopting a structure in which each link pair is accommodated between the base member and the movable member, a motion mechanism having 6 degrees of freedom (
In addition, since the force applied to the movable member is distributed to a relatively large number of structural parts such as six link pairs, the result is high rigidity.
Furthermore, since the play of the joint mechanism of the link pair is averaged, the accuracy becomes higher than that of a normal 6-DOF industrial robot.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the six link pair configuration as described above has a problem in that mutual interference occurs between these parallel links, resulting in a narrow operating range.
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a manipulator that has no mutual interference between each link pair and has a wide movable region.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a manipulator according to the present invention is a manipulator including a base member, a movable member, and three sets of link pairs connecting them, and each link pair is transferred from the base member to the movable member. Oppositely connected by four joints of a rotary type first joint, a rotary type second joint, a direct acting type third joint, a ball socket type fourth joint, and a first link and a direct acting link connecting them, and The rotary first joint and the rotary second joint base include a rotary actuator having an encoder for detecting a rotation angle,
The axial center of the rotary second joint and the axial center of the rotary first joint are on the same plane and orthogonal to each other,
The shaft center of the rotary second joint and the shaft center of the linear link are crossed, and the rotary second joint and the linear motion third joint are directly connected without a link. And
[0006]
In the manipulator according to the present invention as described above, since the movable member and the base member are connected by a small number of link pairs, there is almost no mutual interference area between the link pairs, and thus the movable area becomes wide.
[0007]
The manipulator according to the present invention is characterized in that the ball socket type fourth joint is replaced with three rotary joints and a link connecting them. With this configuration, a wider movable range can be realized, and the play of the mechanism can be kept low.
[0008]
The manipulator according to the present invention is configured by intersecting the axis center of the rotary second joint and the axis center of the linear link and directly connecting the rotary second joint and the linear joint without a link. It is characterized by that. With this configuration, the number of component parts is reduced, and the calculation for obtaining the position and orientation of the movable part from the angle is simplified.
[0009]
The manipulator according to the present invention is characterized in that the position and orientation of the movable member are obtained based on the angle detected by the encoder. With this configuration, it is not necessary to provide an extra sensor for observing the position and orientation of the movable member, and the position and orientation of the movable member are required at low cost.
[0010]
The manipulator according to the present invention is characterized in that a linear encoder that detects the length of the
[0011]
The manipulator according to the present invention is characterized in that a force applied between the base member and the movable member is detected and fed back to the actuator. With this configuration, it can be applied to work that requires observation or control of a state where a force is applied.
[0012]
The manipulator according to the present invention is configured such that a torque sensor is attached to each of the rotary actuators, and a force applied between the base member and the movable member is detected based on an output from the torque sensor. . This configuration enables a device for measuring force in a compact manner.
[0013]
The manipulator according to the present invention includes a six-axis force sensor attached to the movable member, and detects a force applied between the base member and the movable member based on an output from the six-axis force sensor. Features. With this configuration, the force in the Cartesian space is directly measured.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a main part of a manipulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view of the main part of the manipulator shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the manipulator M according to this embodiment includes a
[0015]
The link pair L1 is directed from the
Furthermore, the rotary type
[0016]
Similarly, the link pair L2 includes a rotary
Further, the rotary
[0017]
Further, the link pair L3 similarly includes a rotary
Further, the rotary first joint 22 and the rotary two joint 23 are connected by a
[0018]
Moreover, the connection part of the
[0019]
FIG. 3 is a perspective view showing in detail the configuration of the link pair L1. FIG. 4 is a side view of the link pair L1.
As shown in the figure, the first and second rotary type first and
[0020]
By constructing a control system corresponding to the above configuration as shown in FIG. 5, it is possible to control each joint angle and control the position and posture of the movable member with respect to the base member with six degrees of freedom. Become.
In the control system shown in the figure,
[0021]
Moreover, the structure which makes the length of the 2nd link 7 in FIG. 1 0 is also possible. This is embodied as a configuration in which the axis center of the rotary second joint 3 intersects the axis center of the
With this configuration, it is possible to simplify the inverse kinematic transformation (converting the position coordinates in the Cartesian space to the joint angle coordinates) performed in the
[0022]
Further, by calculating based on an output value 2Ba of a torque sensor (for example, 2B or 3B in FIG. 3) provided in each motor, a 6-dimensional vector F (force component) in a Cartesian space between the movable member and the base member is calculated. Fx, Fy, Fz, and torque components Tx, Ty, Tz). This calculation can be performed in the torque-force coordinate conversion block 103 in FIG.
[0023]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a main part of a manipulator according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the manipulator M2 of the second actual form according to the present invention replaces the ball socket type fourth joint 5 in the first embodiment with three
[0024]
Ordinary ball socket type spherical bearings have the advantage of being able to form a joint with 3 degrees of freedom in a compact manner. However, if the clearance between the bearing and the shaft is large, the accuracy may be degraded, and the allowable operating range is limited. Narrowing may limit the entire movable range. In view of this, in the present embodiment, the ball socket type spherical bearing is replaced with an ordinary rotary type bearing to constitute a joint, whereby a mechanism with high accuracy and a large operating range can be obtained.
[0025]
The third actual form according to the present invention is configured by providing a linear encoder in the direct acting third joint 4 of FIG.
With this configuration, the movement distance (movement length) of the
[0026]
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a main part of a manipulator according to the fourth embodiment.
In the fourth embodiment, instead of providing a torque sensor for each motor in the first embodiment, a six-
[0027]
An example of the control system of the manipulator according to the fourth embodiment is shown in FIG.
In the figure, based on the information F obtained from the
[0028]
Further, the difference between the converted output 110a and the output 113a from the target force is integrated by the
[0029]
【The invention's effect】
As described above in detail, the manipulator according to
In addition, the axis center of the rotary second joint and the axis center of the rotary first joint are arranged on the same plane and orthogonal to each other, and the axis center of the rotary second joint and the axis center of the linear link are Since it intersects and directly connects the rotary second joint and the direct acting third joint without a link, the number of components can be reduced. In addition, since the calculation for obtaining the position and orientation of the movable part from the angle can be simplified, high-speed calculation is possible. Also, control using an inexpensive microcomputer with a relatively slow processing speed is possible.
[0030]
Since the manipulator according to
[0032]
Since the manipulator according to
[0033]
Since the manipulator according to claim 4 of the present invention is configured to include a linear encoder that detects the length of the linear motion link in the linear motion joint, the calculation for obtaining the position and orientation of the movable member is performed. It can be simplified, and thus high-speed computation is possible. Alternatively, control by a relatively low performance microcomputer is also possible.
[0034]
Since the manipulator according to
[0035]
Since the manipulator according to
[0036]
A manipulator according to a seventh aspect of the present invention includes a six-axis force sensor attached to the movable member, and detects a force applied between the base member and the movable member based on an output from the six-axis force sensor. Therefore, the force in the Cartesian space can be measured directly, and thus a highly accurate force control system can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a main part of a manipulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view of a main part of the manipulator shown in FIG.
3 is a perspective view showing a configuration of a link pair shown in FIG. 1. FIG.
4 is a side view of the link pair shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a chart of a control system of the manipulator shown in FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a main part of a manipulator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a main part of a manipulator according to another embodiment of the present invention.
8 is a chart of a control system of the manipulator shown in FIG.
[Explanation of symbols]
M Manipulator L1 Link pair L2 Link pair
Claims (7)
前記回転型第2関節の軸中心と前記回転型第1関節の軸中心は、同一平面上にあり、かつ互いに直交し、
前記回転型第2関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第2関節と前記直動型第3関節とをリンクなしに直結して構成されたことを特徴とするマニプレータ。A manipulator comprising a base member, a movable member, and three sets of link pairs connecting them, wherein each link pair is directed from the base member to the movable member, and in turn a rotary first joint and a rotary second joint 4 joints of a linear motion type third joint and a ball socket type 4th joint, and a first link and a linear motion link connecting them, and the rotary type first joint and the rotary type second joint base Has a rotary actuator with an encoder that detects the rotation angle,
The axial center of the rotary second joint and the axial center of the rotary first joint are on the same plane and orthogonal to each other,
The axial center of the rotary second joint and the axial center of the linear link are crossed, and the rotary second joint and the linear third joint are directly connected without a link. And manipulator.
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