JP4170898B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明はロボット装置に関する。

本発明の好ましい実施例は、簡単で廉価に作れるにもかかわらず、高速且つ高効率で作動するロボット装置を提供することを目的としている。

本発明の一実施態様により、次のように成るロボット装置が提供される。すなわち、
ａ 第１および第２のエンドポイント間を延びている第１軌道と、
ｂ 第１軌道に対して非平行であり、第３および第４のエンドポイント間を延びている第２軌道と、
ｃ 前記第１および第２のエンドポイント間で前記第１軌道に沿って移動できるように装着した第１支持体と、
ｄ 前記第３および第４のエンドポイント間で前記第２軌道に沿って移動できるように装着した第２支持体と、
ｅ それぞれのエンドポイント間でそれぞれの軌道に沿って前記第１および第２の支持体を駆動する駆動手段と、
ｆ 第１位置のところで前記第１支持体に枢着され、第１位置から隔たった第２位置のところで前記第２支持体に枢着されたロボット・アームであり、前記第１および第２の支持体のうちの１つに関して摺動することができ、前記軌道に沿った前記支持体の移動によって移動が生じるようになっているロボット・アームと、
からなるロボット装置を提供する。

好ましくは、前記軌道は、共通平面に位置し、前記アームは、前記共通平面において、或いは前記共通平面に対して平行になる平面において移動するように配列されている。

好ましくは、前記軌道のうち少なくとも１つは直線である。

好ましくは、前記両方の軌道共が直線である。

好ましくは、前記両軌道は、相互に直交している。

好ましくは、前記駆動手段は、前記第１支持体を駆動するための第１駆動手段と、この第１駆動手段から離隔した、前記第２支持体を駆動するための第２駆動手段とを含む。

好ましくは、前記駆動手段の各々は、装置のフレーム枠上に装着されていて、駆動力伝達手段によって各支持体へそれぞれ連結されているようになる原動機を含む。

好ましくは、ロボット・アームは、直線であるのがよい。

好ましくは、前記第１位置は、ロボット・アームの第１端にあり、前記第２位置は、ロボット・アームの両端間の中間にある。

好ましくは、前記アームは、前記第１および第２支持体のうちの第２支持体に関してのみ摺動するようになる。

好ましくは、上記のロボット装置は、さらに、前記ロボット・アーム上の第３位置のところに把持手段を含む。

好ましくは、前記第３位置は、ロボット・アームの自由端にある。

好ましくは、上記のロボット装置は、さらに、前記駆動手段を制御する制御手段を含む。

好ましくは、前記制御手段は、前記ロボット・アームに所定経路をたどらせるべく前記駆動手段を制御するようにプログラム可能である。

前記制御装置は、前記ロボット・アームに一連の直線から成る所定経路をたどらせるようにして前記駆動手段を制御するようプログラムされているのがよい。

前記制御手段は、前記ロボット・アームに一連の直線および円弧からなる所定経路をたどらせるようにして前記駆動手段を制御するようプログラムされているのがよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記ロボット・アームに、第１および第２の導関数の両方において連続している空間座標関数によって定義される曲線からなる所定経路をたどらせるようにして前記駆動手段を制御するようプログラムされているのがよい。

好ましくは、前記関数は、その第３の導関数において連続であるとよい。

好ましくは、前記曲線は、ＮＵＲＢ（不均一有理Ｂスプライン）曲線からなるとよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第１導関数（速度）連続曲線を有する多項式関数からなるように前記駆動手段を制御するよう配置されている。

好ましくは、前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第２導関数（加速度）連続曲線を有する多項式関数からなるように前記駆動手段を制御するよう配置されている。

好ましくは、前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第３導関数（ジャーク）連続曲線を有する多項式関数からなるように前記駆動手段を制御するよう配置されている。

別の態様においては、本発明は、先のいずれかの発明に係るロボット装置を運転する方法を提供し、この方法は、
ロボット・アームがそれに沿って移動するようになる、という経路を計算する工程と、
ロボット・アームが前記経路に沿って移動するように抑制する工程と、
からら成る。

好ましくは、この方法は、スクリーン上に或る曲線を表示する工程と、前記経路を限定するために曲線の形状を修正する工程を含む。

好ましくは、前記修正工程は、前記曲線から離隔する制御ポイントと、前記曲線の形状に作用する位置とを、「クリック・アンド・ドラッグ」のマウス運動によって移動させることによって達成される。

この方法は、前記経路上の所定ポイントの座標を入力する工程と、前記ポイントから前記曲線を補間する工程と、を含んでいるとよい。好ましくは、この方法は、また、前記経路が位置することになっている面積または体積の図表をスクリーンに表示して、前記経路と重ねて合わす工程を含む。

本発明をより良く理解して貰うため、そして、本発明の実施例をどのようにして実施するかを示すために、以下、添付図面を参照しながら説明をする。

図１は、本発明を具体化したロボット装置の一例を示している。また、図２は、ロボット装置の運転方法を示している。

図１に示されるロボット装置１は、第１および第２の支持体Ａ，Ｃに枢着したロボット・アーム２を含み、それから順に、これらの支持体は、第１および第２の軌道３，４それぞれに沿って摺動できるように配置されている。

第１軌道３は直線であり、エンドポイントＹ１，Ｙ２間を伸長している。第２軌道４も直線であり、それぞれのエンドポイントＸ１，Ｘ２間で、同一平面内で、第１軌道３に直交して伸長している。ロボット・アーム２は、その第１端のところで第１支持体Ａに枢着してあり、そして、両端間の或る１点で第２支持体Ｃに枢着してある。第２支持体Ｃ上にアーム２を配置することにより、アーム２および支持体Ｃ間に相互摺動をもたらす。ロボット・アーム２はその自由端Ｂのところに、ロボット装置１によって運ばれるようになる部品を保持したり放したりするように配置された把持部５を担持している。

各々の支持体Ａ，Ｃは、そのそれぞれの軌道３，４に沿って摺動するように配置されていて、それぞれモータ６，７により駆動され、各モータからの駆動力が、それぞれ歯付きベルト８，９によって伝えられるようになる。モータ６および７は、ロボット装置１のフレーム枠１０上に配置されている。プログラム可能コントローラ１１が、モータ６および７の操作を制御する。

支持体Ａ，Ｃをそれぞれの軌道３，４に沿って移動させることによって、ロボット・アーム２の自由端Ｂが把持部５と共に進路Ｐに沿って移動するようになるのは明白であり、その軌跡は、支持体Ａ，Ｃの動きを変化させることによって変えることができる。ロボットを利用するときは、大体の場合、単に、物品を或る所定位置から摘み上げてそれを別の所定位置へ移す、ということが所望されるところである。本願で図示したロボット装置１は、とりわけ二次元動作として実行される場合、このような単純な「ピック・アンド・プレイス（pick and place）」操作に特に適しており、２本の軌道３，４は、ロボット・アーム２と共に、実質的に同一平面に位置する（実際的な観点から、比較的接近して離隔した、平行な平面にある）。

コントローラ１１は、デカルト座標によって非常に簡単に、ロボット・アーム２の自由端Ｂが実質的に直線になる一連の線に移動するというように、支持体ＡおよびＣが連続的にｙおよびｘ軸線それぞれに沿って移動されるようにプログラムすることができる。支持体Ａ，Ｃの一方の支持体が静止状態から減速されるにつれて、他方の支持体が静止状態か
ら加速度されるような場合、滑らかで効率的な動作を行えるように、経路Ｐの直線部分を曲線でつなぐようにしてもよい。経路Ｐは、一般的に、任意の形状の曲線、あるいは一連の曲線（ここでは直線も含む）などを含む。

図示のロボット装置１の重要な特徴は、数多くの公知のロボット装置とは対照的に、モータ６および７がロボット・アーム２上に担持されておらず、装置１のフレーム１０に取り付けてあるということである。このことは、ロボット・アーム２の質量を非常に小さくできるということを意味し、その結果、速度および効率の点で性能を非常に高くすることができるようになる。たとえば、従来のロボット装置では最大速度約２５サイクル／分で作動できる状況において、本願図示のようなロボット装置は、最高１００サイクル／分で作動することができ、速度および効率を非常に向上させることができることがわかった。

図示のロボット装置が簡単かつ経済的に構築し得ることは明らかであろう。

あるいはまた、参照符号３，４で示した軌道を互いに対して異なった角度で配置することができ、直線である必要はない。たとえば、一方の軌道が直線であり、他方の軌道が曲線であってもよい。軌道およびロボット・アームは同一平面にある必要はない。しかしながら、このような代替構成では、１１のようなコントローラについて、もうちょっと複雑なプログラミングが必要かも知れない。

図示のようなモータ６および７は、典型的には、回転駆動モータである。あるいはまた、リニアモータや、適切な駆動力伝達装置を備える原動機を使用してもよい。単一の原動機は、適切な駆動力伝達装置を介して、両方の支持体Ａ，Ｃを駆動できる。

好ましい配置では、ＸおよびＹ（又は、ｒおよびθ）運動経路Ｐは、第１及び第２の両方の導関数において連続しているようになる曲線を含む。必要とあらば、第３(third order)（あるいは、より高い）導関数を特定してもよい。

経路は、２つ以上のセクションまたはセグメントから構成され、その長さに沿って『区分的に連続している』というように呼ぶことができる。連続曲線に見合う導関数の次数は、各セクションまたはセグメント間で特定され得る。

また、運動（時間−距離）は、第１および／または第２の導関数（速度および加速度）連続曲線として経路Ｐに沿って特定されると好ましい。必要ならば、第３の導関数（ジャーク：jerk）（或いは、より高い）連続性を特定することもできる。すべての導関数の開始値、終了値、そして最大値を特定することもできる。上記属性を有する多項関数として経路Ｐに沿って運動を特定することによって、運動は、非常に滑らかで、運動の両端において加速度がゼロで速度がゼロにすることが確実にできるようになる。

所望の経路Ｐを設計するのに特に効果的な方法は、ＮＵＲＢ（不均一有理Ｂスプライン：non-uniform rational B-spline）曲線による方法である。ＮＵＲＢ曲線は、第１およ
び第２の両方の導関数において望ましい連続特性を有していて、数学について深い知識や使用法を持ち合わせなくても容易に操作され得る。ＮＵＲＢ曲線により、連続曲線に見合う所望次数の導関数を確保すると共に、曲線を幾何学的に整形できるようになる、効率的で融通性に富んだ技術を得ることができる。

スプラインは、長年にわたって使用されてきており、たとえば、造船会社などは、選定ポイントで重量を加えることによって所望の形状に引き延ばすことのでき得る長い可撓性のある材料片（たとえば、木材）−スプライン−を使用したりする。材料の可撓性のせいで、その結果、当然、滑らかな曲線が得られるようになる。

コンピュータ・スクリーンにラインまたはスプラインを表示し、ラインの曲率に作用する制御ポイントによりラインを所望の形状に引き延ばすことによって、類似した制御又は運転（operation）方法をグラフィック的に得ることができるようになり、ラインの挙動は、ＮＵＲＢアルゴリズムによって定義される。

たとえば、図２において、コンピュータ・スクリーン５０上に示される経路Ｐは、エンドポイント２１，２５と、経路Ｐが必ず通過しなければならない３つの中間ポイント２２，２３，２４とを有する。制御ポイント３１〜３６は、経路Ｐのライン１５に作用して、それを所望の形状に引き延ばす。ライン１５はＮＵＲＢの性質を有するように定義（プログラム）されているので、制御ポイント３１〜３６の移動に反応し、したがって、上記したように、たとえば、第１および第２の導関数の両方における連続性を持って作用する。

制御ポイント３１〜３６は、「クリック・アンド・ドラッグ」のマウス運動によって、経路Ｐが所望点２１〜２５全てを通過するまで、スクリーン上で好都合に動かされる。制御ポイント３１〜３６は、別の方法でも動かすことができる。オペレータは、所望に応じて制御ポイントを加えたり減らしたりすることができ、および／または、個々の制御ポイント或いは全ての制御ポイントの「重み付け」、すなわち、１つ以上の制御ポイントの移動がライン１５の形状に与える結果の程度を修正する選択肢を持つことができる。

図２はまた、経路Ｐが避けなければならない２つの障害物４１，４２を示している。制御ポイント３１〜３６は、これらの障害物が実際に確実に回避されるように調節される。

したがって、オペレータは、コンピュータ・プログラミングをほとんど全く必要とせずに、容易に新しい経路Ｐを設計することができるのである。たとえば、床配置図（または垂直配置図）が、ＣＡＤ（Computer Aided Design：コンピュータ支援設計）プログラム
によってコンピュータ・スクリーン５０に表示され、制御ポイント３１〜３６（または所望のように）を伴ったライン１５がこの床配置図上に重ね合される。そして、制御ポイント３１〜３６が操作されてライン１５を形作り、限定された中間ポイントを通過しながら、或いはまた、定義された障害物を避けながら、限定されたエンドポイント間に所望形状の曲線を示す。

制御ポイント３１〜３６を操作する別の手段として、オペレータは、４１，４２のような障害物と共に、エンドポイントおよび中間ポイント２１〜２５を特定することができ、そうすると、ライン１５のＮＵＲＢ曲線形状が、ＮＵＲＢアルゴリズムを用いて、これら所与のポイントから補間されるようになる。

本発明の実施例を二次元で説明したが、この原理を三次元にも容易に適用できることは明らかであろう。たとえば、図１の実施例は、図示の軌道に対して直交する軌道を加えて適用してもよい。

ライン１５の曲線形状は、曲線形状を描くのに非常にコンパクトな数学的方法を提供する、ＮＵＲＢ形態に好都合に記載されるのであるが、別の多項式形態を使用して描くこともできる。

オペレータは、また、エンドポイントまたは中間ポイントにおいて、ゼロ速度と滞留時間のポイントを限定することもでき、これらのポイントから、最小移動時間（最大平均速度）で、しかし、第１および第２の（そして、選択肢として第３の）導関数において所望の特性の連続曲線で、運動の多項関数を導くことができるのである。

このような技術を使用することの利点は、運動が２つのポイント間（開始および終了間）において非常に滑らかで非常に速くなる、ということである。これは、また、間に位置する障害物を超えて簡単に経路を誘導するためにＮＵＲＢ制御ポイントを使用して、エンドポイント間における自己最適化でもある。

したがって、ユーザは、上述した連続性を維持しながらも、自分が双方向に視覚的に曲線を整形することできるような、或いはまたは、ユーザが限定した一組の２Ｄまたは３Ｄポイントを曲線に対して補間することができるような幾何学的な『制御ポイント』を使用して、二次元または三次元で経路Ｐの形状を指定することができるようになる。

グラフィック・ディスプレイを用いると、オペレータは、障害物を避ける運動を限定するのが容易になる。運動は、オペレータがどのようにしてこれを行なうかを指定する必要がなくても、迅速で且つ滑らかである。

この明細書において、「からなる」または「含む」という動詞は、通常の辞書的意味合いを有するものであり、包括的なものを含むことを意味する。すなわち、１つまたはそれ以上の構成を含むように「からなる」または「含む」（あるいは、それからの派生語）を使用する場合、更なる特徴をも含む可能性を排除ものではない。

本発明を具体化したロボット装置の一例を示す説明図。 経路Ｐが避けなければならない２つの障害物４１，４２を示す説明図。

符号の説明

１ ロボット装置
Ａ 第１支持体
Ｂ ロボット・アームの自由端
Ｃ 第２支持体
２ ロボット・アーム
３ 第１軌道
４ 第２軌道
５ 把持部
６ モータ
７ モータ
８ 歯付きベルト
９ 歯付きベルト
１０ ロボット装置のフレーム枠
１１ プログラム可能コントローラ
１５ ライン
Ｙ１ エンドポイント
Ｙ２ エンドポイント
Ｐ 経路
２１，２５ エンドポイント
２２，２３，２４ 中間ポイント
３１〜３６ 制御ポイント
５０ コンピュータ・スクリーン

Claims (27)

1. ａ 第１および第２のエンドポイント間に伸長する第１軌道と、
   ｂ 第１軌道に非平行であり、第３および第４のエンドポイント間に伸長する第２軌道と、
   ｃ 前記第１および第２のエンドポイント間の前記第１軌道に沿って移動できるように装着した第１支持体と、
   ｄ 前記第３および第４のエンドポイント間の前記第２軌道に沿って移動できるように装着した第２支持体と、
   ｅ それぞれのエンドポイント間のそれぞれの軌道に沿って前記第１および第２の支持体を駆動するための駆動手段と、
   ｆ アーム上の第１位置で前記第１支持体に枢着され、前記第１位置から離隔して、アーム上の第２位置で前記第２支持体に枢着されるようになるロボット・アームと、から成り、前記ロボット・アームが、前記第１および第２の支持体のうち一方の支持体に関して摺動し、前記支持体の前記軌道に沿った移動がロボット・アームの動きを生じさせる、
   ようにしたことを特徴とするロボット装置。
2. 前記軌道は共通平面に位置しており、前記アームは、前記共通平面において或いは該共通平面に対して平行な平面において移動するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記軌道のうちの少なくとも一方は直線であることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット装置。
4. 前記軌道は両方とも直線であることを特徴とする請求項３に記載のロボット装置。
5. 前記軌道は相互に直交していることを特徴とする請求項４に記載のロボット装置。
6. 前記駆動手段は、前記第１支持体を駆動する第１駆動手段と、該第１駆動手段から離隔した、前記第２支持体を駆動する第２駆動手段と、からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
7. 前記各々の駆動手段は、装置のフレーム枠に装着され且つ各支持体のそれぞれに駆動力伝達手段によって接続された原動機を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
8. ロボット・アームは直線であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
9. 前記第１位置はロボット・アームの第１端にあり、前記第２位置はロボット・アームの両端間の中間にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
10. 前記アームは、前記第１および第２支持体のうち第２支持体に関してのみ摺動できるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置。
11. 前記ロボット装置は、更に、前記ロボット・アーム上の第３位置にある把持手段を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
12. 前記第３位置はロボット・アームの自由端にあることを特徴とする請求項１１に記載のロボット装置。
13. 前記ロボット装置は、更に、前記駆動手段を制御する制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
14. 前記制御手段は、前記ロボット・アーム上の１点が、所定経路をたどらされるよう、前記駆動手段を制御するようにプログラム可能であるようにしたことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
15. 前記制御手段は、前記ロボット・アーム上の１点が一連の直線からなる所定経路をたどらされるよう、前記駆動手段を制御するようにプログラムされることを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置。
16. 前記制御手段は、前記ロボット・アーム上の１点が、一連の直線および円弧からなる所定経路をたどらされるよう、前記駆動手段を制御するようにプログラムされることを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置。
17. 前記制御手段は、前記ロボット・アーム上の１点が、第１および第２の両方の導関数において連続である空間座標関数によって限定される曲線からなる所定経路をたどらされるよう、前記駆動手段を制御するようにプログラムされることを特徴する請求項１４に記載のロボット装置。
18. 前記関数はその第３導関数において連続であることを特徴とする請求項１７に記載のロボット装置。
19. 前記曲線はＮＵＲＢ（不均一有理Ｂスプライン）曲線からなることを特徴とする請求項１７に記載のロボット装置。
20. 前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第１導関数（速度）連続曲線を有する多項関数からなるよう、前記駆動手段を制御するように配置されていることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のロボット装置。
21. 前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第２導関数（加速度）連続曲線を有する多項関数からなるよう、前記駆動手段を制御するように配置されていることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のロボット装置。
22. 前記制御手段は、前記経路に沿った運動の時間−距離関数が第３導関数（ジャーク）連続曲線を有する多項関数からなるよう、前記駆動手段を制御するように配置されていることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のロボット装置。
23. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボット装置を運転する方法であって、
    ａ． ロボット・アームがそれに沿って移動するようになる、という経路を計算する工程と、
    ｂ． ロボット・アームを前記経路に沿って移動させる工程と
    から成る方法。
24. 前記方法は、スクリーン上に曲線を表示する工程と、前記経路を限定するように曲線の形状を修正する工程と、を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記修正工程は、前記曲線から離隔した制御ポイントと、前記曲線の形状に作用するその位置と、を「クリック・アンド・ドラッグ」のマウス運動によって移動させることによって達成されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記方法は、前記経路上に所定ポイントの座標を入力する工程と、前記ポイントから前記曲線を補間する工程と、を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
27. 前記経路が位置づけられる予定になる、そしてそこに前記経路が重ね合わされる面積或いは体積の図表をスクリーン上に表示する工程も含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。