JP4221458B2 - 多関節ロボットおよびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は多関節ロボットおよびその駆動方法に関する。さらに詳しくは、非駆動関節を有するロボットおよびその駆動方法に関する。

従来より、各種用途に多関節ロボットが用いられている。これらのロボットは、一般的には、各軸毎にサーボモータ、減速機などの駆動装置が設けられて各軸が駆動されるようにされている。そのため、ロボットの高コスト化、重量の増大などといった問題が生じている。

かかる従来の多関節ロボットの問題を解消すべく、駆動装置の数が軸数より少ないロボットが提案されている。

例えば、特許文献１には、非線形ダイナミクスの特性を利用し、単一のアクチュエータで独立的に制御可能な、自由関節を有する２個のマニピュレータ対を動的に制御することを目的としたマニピュレータの動的制御方法が提案されている。すなわち、単一の直接制御可能なアクチュエータで独立的に制御されうる自由関節を有する複数のマニピュレータ対について、与えられたデータに基づき２個の制御パラメータに関する分岐図を作成し、これを用いて複数のマニピュレータの中のいずれかを選択して、あるいは全部のマニピュレータの運動を使用目的に応じて動的に制御するマニピュレータの動的制御方法が提案されている。

しかしながら、前記提案の制御方法は、図１３および図１４に示すように、駆動関節の回転軸と非駆動関節の回転軸とが平行であるときにのみ適用が可能であるため、３次元における動作を要求される産業用ロボットに適用するには無理がある。

なお、ブレーキの切り替えにより駆動する軸を切り替える技術については、例えば特許文献２に提案がなされている。
特開２０００−３０１４８０号公報 特開平８−１４７０１４号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、３次元における動作がなし得る非駆動関節を有するロボットおよびその駆動方法を提供することを目的としている。

本発明の第１形態は、水平に旋回可能とされた所要数の水平旋回軸と、前記水平旋回軸の傾斜面に傾斜旋回可能に装着された所要数の傾斜旋回軸とを備え、前記旋回軸の関節は、駆動関節または非駆動関節とされ、前記駆動関節の数が、前記非駆動関節の数より少なくされ、少なくとも基部に最も近い水平旋回軸の関節が駆動関節とされ、前記非駆動関節は、ブレーキとエンコーダとを備えてなることを特徴とする多関節ロボットとされる。また、本発明の第１形態においては、前記水平旋回軸のうち基部に装着された水平旋回軸の水平旋回関節が駆動関節とされ、残りの水平旋回軸の水平旋回関節が非駆動関節とされ、前記傾斜旋回軸の傾斜旋回関節が非駆動関節とされ、前記駆動関節は、エンコーダを備えてなるのが好ましい。

本発明の第２形態は、水平に旋回可能とされた所要数の水平旋回軸と、前記水平旋回軸の傾斜面に傾斜旋回可能に装着された所要数の傾斜旋回軸とを備え、前記旋回軸の関節は、駆動関節または非駆動関節とされ、前記駆動関節の数が、前記非駆動関節の数より少なくされ、少なくとも基部に最も近い水平旋回軸の関節が駆動関節とされ、前記非駆動関節は、ブレーキとエンコーダとを備えてなることを特徴とするエンドエフェクタとされる。本発明の第２形態においては、前記水平旋回軸のうち基部に装着された水平旋回軸の水平旋回関節が駆動関節とされ、残りの水平旋回軸の水平旋回関節が非駆動関節とされ、前記傾斜旋回軸の傾斜旋回関節が非駆動関節とされ、前記駆動関節は、エンコーダを備えてなるのが好ましい。このエンドエフェクタは、例えば多関節ロボットに備えられる。

本発明の第３形態の第１態様は、前記多関節ロボットまたは前記エンドエフェクタの駆動方法であって、駆動される非駆動関節の数を、前記非駆動関節を駆動する駆動関節の数を超えないようにしながら、前記駆動関節を有する水平旋回軸を旋回させた際に非駆動関節を有する旋回軸に作用する慣性力と、該旋回軸に作用する重力との協働により、同旋回軸を順次駆動することを特徴とする。本発明の第３形態の第２態様は、前記多関節ロボットまたは前記エンドエフェクタの駆動方法であって、駆動関節を有する水平旋回軸を旋回させた際に非駆動関節を有する旋回軸に作用する慣性力と、該旋回軸に作用する重力との協働により、駆動関節から遠い位置にある非駆動関節から順次所定の角度として最終の所望形態となすことを特徴とする。

本発明の第３形態においては、非駆動関節を有する旋回軸を、事前に駆動関節を有する水平旋回軸による慣性力が作用する姿勢とするのが好ましい。

本発明のロボットは、駆動関節と非駆動関節とを組み合わせてなるものとされているので、使用するサーボモータの数が低減されてロボットの軽量化およ低コスト化が図られるという優れた効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
本発明の実施形態１に係る多関節ロボット（以下、単にロボットという）を図１に概略図で示す。なお、この実施形態１のロボットは本発明のロボットの基本形を示すものである。

ロボットＲ１は、図１に示すように、水平に配設された基部１と、基部１に水平旋回可能に装着された第１水平旋回軸２と、第１水平旋回軸２の傾斜端面（４５度傾斜端面）２ａに傾斜旋回可能に装着された第１傾斜旋回軸３とを備えてなるものとされ、その第１傾斜旋回軸３先端にエンドエフェクタＥが装着される。

ここで、第１水平旋回軸２の水平旋回関節が駆動関節とされ、第１傾斜旋回軸３の傾斜旋回関節が非駆動関節とされる。

次に、かかる構成とされているロボットＲ１の動作原理について説明する。

ロボットＲ１の動作開始直前の運動方程式は、遠心力およびコリオリ力はゼロであるので、以下のごとく表される。

式（１）をｑ₁”について解き、それを式（２）に代入すると下記式（３）が得られる。

（Ｍ₂／Ｍ₁）τ₁＝τ₂−（Ｍ₄＋Ｍ₂Ｍ₃／Ｍ₁）ｑ₂”−ｃ₅ （３）
前記式（３）は、非駆動関節の始動トルクが駆動関節のモータの最大トルクの（Ｍ₂／Ｍ₁）倍よりも大きければ、非駆動関節を駆動関節の慣性力で操作することが不可能であることを表している。また、式（３）により、非駆動関節の所望の加速度つまり所望の軌跡（例えば、非駆動関節を図１に示す実線に示す位置から点線に示す位置まで移動させる軌跡）を与えれば、それに必要な駆動関節のトルク値が求められる。しかして、そのトルクで駆動関節を動作させることにより、つまりそのトルクで第１水平旋回軸２を旋回させることにより、第１傾斜旋回軸３に慣性力および重力を作用させて第１傾斜旋回軸３を所望角度とすることができる。

このように、この実施形態１によれば、重力と慣性力を利用して第１水平旋回軸２により第１傾斜旋回軸３を所望角度とすることができる。つまり、ロボットに重力と慣性力を利用して所望動作をさせることができる。

実施形態２
本発明の実施形態２に係るロボットを図２に概略図で示す。この実施形態２のロボットＲ２は、実施形態１のロボットＲ１を多段に改変したものであって、図２に示すように、水平に配設された基部１１と、基部１１に水平旋回可能に装着された第１水平旋回軸１２と、第１水平旋回軸１２の傾斜端面（４５度傾斜端面）１２ａに傾斜旋回可能に装着された第１傾斜旋回軸１３と、第１傾斜旋回軸１３の水平端面１３ａに水平旋回可能に装着された第２水平旋回軸１４と、第２水平旋回軸１４の傾斜端面（４５度傾斜端面）１４ａに傾斜旋回可能に装着された第２傾斜旋回軸１５と、第２傾斜旋回軸１５の水平端面１５ａに水平旋回可能に装着された第３水平旋回軸１６と、第３水平旋回軸１６の傾斜端面（４５度傾斜端面）１６ａに傾斜旋回可能に装着された第３傾斜旋回軸１７とを備えてなるものとされ、第３傾斜旋回軸１７先端にエンドエフェクタＥが装着される。

また、図２に示すように、第１、２、３水平旋回軸１２，１４，１６の関節にはサーボモータと、旋回を停止させるブレーキと、旋回角を検出するエンコーダとが備えられ、第１、２、３傾斜旋回軸１３，１５，１７の関節には旋回を停止させるブレーキと、旋回角を検出するエンコーダとが備えられている。つまり、第１、２、３水平旋回軸１２，１４，１６の関節は駆動関節とされ、第１、２、３傾斜旋回軸１３，１５，１７の関節は非駆動関節とされている。

次に、かかる構成とされているロボットＲ２の動作制御の一例について説明する。

ここでは、図２示す棒状の状態から図３に示す形態とする場合について説明する。

（１）図２に示す棒状の状態において、第３水平旋回軸１６の関節のブレーキおよび操作しようとする非駆動関節つまり第３傾斜旋回軸１７の関節のブレ−キを外し、ついで第１および第２水平旋回軸１２，１４の関節に設けられたブレーキならびに第１および第２傾斜旋回軸１３，１５の関節に設けられたブレーキを掛けながら、第３水平旋回軸１６の関節に設けられたモータを所定の回転数で駆動して、第３傾斜旋回軸１７に作用する慣性力および重力により第３傾斜旋回軸１７を１８０度回転させ、図４に示す状態になった時点（この時点は、第３傾斜旋回軸１７に設けられたエンコーダの値により検知される。）で第３水平旋回軸１６の関節に設けられたブレーキおよび第３傾斜旋回軸１７の関節に設けられたブレーキを掛ける。

（２）図４に示す状態において、第１水平旋回軸１２の関節および操作しようとする非駆動関節つまり第１傾斜旋回軸１３の関節のブレ−キを外し、ついで第２および第３水平旋回軸１４、１６の関節に設けられたブレーキならびに第２および第３傾斜旋回軸１５，１７の関節に設けられたブレーキを掛けながら、第１水平旋回軸１２の関節に設けられたモータを所定の回転数で駆動して第１傾斜旋回軸１３に作用する慣性力および重力により第１傾斜旋回軸１３を１８０度回転させ、図３に示す状態になった時点（この時点は、第１傾斜旋回軸１３に設けられたエンコーダの値により検知される。）で第１水平旋回軸１２の関節に設けられたブレーキおよび第１傾斜旋回軸１３の関節に設けられたブレーキを掛ける。

このように、実施形態２では、第１〜第３水平旋回軸１２，１４，１６の関節に設けられたモータおよびブレーキ、ならびに第１〜第３傾斜旋回軸１３，１５，１７の関節に設けられたブレーキを適宜装置操作することにより、慣性力および重力を利用してロボットＲ２を所望形態とすることができる。つまり、ロボットＲ２に対して所望の動作をさせることができる。

実施形態３
本発明の実施形態３に係るロボットを図５に概略図で示す。この実施形態３のロボットＲ３は、実施形態２のロボットＲ２を改変してなるものであって、図５に示すように、水平に配設された基部２１と、基部２１に水平旋回可能に装着された第１水平旋回軸２２と、第１水平旋回軸２２の傾斜端面（４５度傾斜端面）２２ａに傾斜旋回可能に装着された第１傾斜旋回軸２３と、第１傾斜旋回軸２３の水平端面２３ａに水平旋回可能に装着された第２水平旋回軸２４と、第２水平旋回軸２４の傾斜端面（４５度傾斜端面）２４ａに傾斜旋回可能に装着された第２傾斜旋回軸２５と、第２傾斜旋回軸２５の水平端面２５ａに水平旋回可能に装着された第３水平旋回軸２６と、第３水平旋回軸２６の傾斜端面（４５度傾斜端面）２６ａに傾斜旋回可能に装着された第３傾斜旋回軸２７とを備えてなるものとされ、第３傾斜旋回軸２７先端にエンドエフェクタＥが装着される。

また、図５に示すように、第１水平旋回軸の関節２２にはサーボモータと、旋回を停止させるブレーキと、旋回角を検出するエンコーダとが備えられ、第２、第３水平旋回軸２４，２６の関節および第１、２、３傾斜旋回軸２３，２５，２７の関節には旋回を停止させるブレーキと、旋回角を検出するエンコーダとが備えられている。つまり、第１水平旋回軸２２の関節は駆動関節とされ、第２、第３水平旋回軸２４，２６の関節および第１、２、３傾斜旋回軸２３，２５，２７の関節は非駆動関節とされている。

次に、かかる構成とされているロボットＲ３の動作制御について、実施形態２と同様の動作をさせる場合を例に取り説明する。

（１）図５に示す棒状の状態において、第１水平旋回軸２２の関節のブレ−キおよび第３傾斜旋回軸２７の関節のブレ−キを外し、ついで第２および第３水平旋回軸２４，２６の関節に設けられたブレーキならびに第１および第２傾斜旋回軸２３，２５の関節に設けられたブレーキを掛けながら、第１水平旋回軸２２の関節に設けられたモータを所定の回転数で駆動して第３傾斜旋回軸２７に作用する慣性力および重力により第３傾斜旋回軸２７を１８０度回転させ、図６に示す状態になった時点（この時点は、第３傾斜旋回軸２７に設けられたエンコーダの値により検知される。）で第１水平旋回軸２２の関節に設けられたブレーキおよび第３傾斜旋回軸２７の関節に設けられたブレーキを掛ける。

（２）図６に示す状態において、第１水平旋回軸２２の関節のブレ−キおよび第１傾斜旋回軸２３の関節のブレ−キを外し、ついで第２および第３水平旋回軸２４，２６の関節に設けられたブレーキならびに第２および第３傾斜旋回軸２５，２７の関節に設けられたブレーキを掛けながら、第１水平旋回軸２２の関節に設けられたモータを所定の回転数で駆動して第１傾斜旋回軸２３に作用する慣性力および重力により第１傾斜旋回軸２３を１８０度回転させ、図７に示す状態になった時点（この時点は、第１傾斜旋回軸に設けられたエンコーダの値により検知される。）で第１水平旋回軸２２の関節に設けられたブレーキおよび第１傾斜旋回軸２３の関節に設けられたブレーキを掛ける。

このように、実施形態３では、モータの数を低減させて重量を軽減しながら、実施形態２と同様の動作をなすことができる。ただし、実施形態３では第１水平旋回軸２２の関節だけが駆動関節とされているので、ロボットＲ３の動作態様によっては、第１水平旋回軸によるコントロールが可能な中間形態を経て所望形態とする必要がある。つまり、ロボットＲ３に所望動作をさせるために余分な動作をさせる必要がある場合が生ずる。また、この動作は駆動関節から遠い位置にある非駆動関節から順に所定の角度とされて最終の所望形態とされる。

実施形態４
次に、図８〜図１２を参照しながら、本発明の実施形態４に係るロボットＲ４により円柱状ワークＷ側面に部品を取り付ける場合について説明する。

ロボットＲ４は、ベース３１に装着された第１旋回軸３２と、第１旋回軸３２先端に装着された第２旋回軸３３と、第２旋回軸３３先端に装着されたツールＴとを備えてなるものとされる。ここで、第１旋回軸３２の関節は、駆動関節とされ、第２旋回軸およびツール軸の関節は、非駆動関節とされている。

（１）ツールＴに部品を装着してロボットＲ４を初期状態とする（図８参照）。つまり、第１旋回軸３２と第２旋回軸３３とを直角とし、かつツールＴをワークＷの図中右側近傍所定位置とする。

（２）第１旋回軸３２と第２旋回軸３３とを直角としたまま、つまり第２旋回軸３３の関節に設けられたブレーキを掛けたまま第１旋回軸３２を図中時計回り方向に所定角度旋回させる（図９参照）。

（３）慣性力と重力の協働により、第２旋回軸３３の角度およびツールＴの角度を所望の値に操作する（図１０参照）。つまり、第１旋回軸３２、第２旋回軸３３およびツールＴの各関節のブレーキを解除した状態で第１旋回軸３２を図中時計回り方向に所定の角加速度で所定角度旋回させ、ついで図中反時計回り方向に所定の角加速度で所定角度旋回させて第１旋回軸３２の関節のブレーキを掛け、ついで第１旋回軸３２と第２旋回軸３３との角度および第２旋回軸３３とツールＴとの角度がそれぞれ所望角度のなった時点で、第２旋回軸３３およびツールＴの各関節のブレーキを掛ける。

（４）第１旋回軸３２と第２旋回軸３３との角度および第２旋回軸３３とツールＴとの角度をそれぞれ所望角度としたまま、つまり第２旋回軸３３およびツールＴの各関節のブレーキを掛けたまま、第１旋回軸３２を図中反時計回り方向に所定角度旋回させてツールＴをワークＷの作業位置近傍とする（図１１参照）。

（５）ツールＴを動作させて部品をワークＷに取り付ける（図１２参照）。

このように、本発明の実施形態４に係るロボットＲ４は、アクチュエータの数がロボットＲ４の関節の数よりも少ないにもかかわらず、部品をワークＷに取り付けるなどの作業がなし得る。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々改変が可能である。

例えば、本発明のロボットを一般の多関節ロボットや走行軸を有するロボットのエンドエフェクタやツールとして用いることもできる。また、実施形態では傾斜端面は４５度の傾斜面とされているが、傾斜端面の傾斜面は任意の角度とすることができ、例えば３０度の傾斜面とされてもよい。

本発明の実施形態１に係るロボットの概略図である。 本発明の実施形態２に係るロボットの概略図である。 同実施形態のロボットの動作説明図であって、ロボットが所望形態とされた状態を示す。 同実施形態のロボットの動作説明図であって、途中状態を示す。 本発明の実施形態３に係るロボットの概略図である。 同ロボットの動作説明図であって、途中状態を示す。 同ロボットの動作説明図であって、ロボットが所望形態とされた状態を示す。 本発明の実施形態４に係るロボットの動作説明図であって、初期状態を示す。 同ロボットの動作説明図であって、姿勢制御開始前の状態を示す。 同ロボットの動作説明図であって、姿勢制御後の状態を示す。 同ロボットの動作説明図であって、作業位置に位置決めされた状態を示す。 同ロボットの動作説明図であって、ワークに部品を取付けている状態を示す。 従来の非駆動関節を有するロボットの一例の概略図である。 従来の非駆動関節を有するロボットの他の例の概略図である。

符号の説明

Ｒ ロボット
Ｅ エンドエフェクタ
Ｔ ツール
Ｗ ワーク
１ 基部
２ 第１水平旋回軸
２ａ 傾斜端面
３ 第１傾斜旋回軸

Claims (8)

1. 水平に旋回可能とされた所要数の水平旋回軸と、前記水平旋回軸の傾斜面に傾斜旋回可能に装着された所要数の傾斜旋回軸とを備え、
   前記旋回軸の関節は、駆動関節または非駆動関節とされ、
   前記駆動関節の数が、前記非駆動関節の数より少なくされ、
   少なくとも基部に最も近い水平旋回軸の関節が駆動関節とされ、
   前記非駆動関節は、ブレーキとエンコーダとを備えてなる
   ことを特徴とする多関節ロボット。
2. 前記水平旋回軸のうち基部に装着された水平旋回軸の水平旋回関節が駆動関節とされ、残りの水平旋回軸の水平旋回関節が非駆動関節とされ、
   前記傾斜旋回軸の傾斜旋回関節が非駆動関節とされ、
   前記駆動関節は、エンコーダを備えてなる
   ことを特徴とする請求項１記載の多関節ロボット。
3. 水平に旋回可能とされた所要数の水平旋回軸と、前記水平旋回軸の傾斜面に傾斜旋回可能に装着された所要数の傾斜旋回軸とを備え、
   前記旋回軸の関節は、駆動関節または非駆動関節とされ、
   前記駆動関節の数が、前記非駆動関節の数より少なくされ、
   少なくとも基部に最も近い水平旋回軸の関節が駆動関節とされ、
   前記非駆動関節は、ブレーキとエンコーダとを備えてなる
   ことを特徴とするエンドエフェクタ。
4. 前記水平旋回軸のうち基部に装着された水平旋回軸の水平旋回関節が駆動関節とされ、残りの水平旋回軸の水平旋回関節が非駆動関節とされ、
   前記傾斜旋回軸の傾斜旋回関節が非駆動関節とされ、
   前記駆動関節は、エンコーダを備えてなる
   ことを特徴とする請求項３記載のエンドエフェクタ。
5. 請求項３または４記載のエンドエフェクタを備えてなることを特徴とする多関節ロボット。
6. 請求項１記載の多関節ロボットまたは請求項３記載エンドエフェクタの駆動方法であって、
   駆動される非駆動関節の数を、前記非駆動関節を駆動する駆動関節の数を超えないようにしながら、前記駆動関節を有する水平旋回軸を旋回させた際に非駆動関節を有する旋回軸に作用する慣性力と、該旋回軸に作用する重力との協働により、同旋回軸を順次駆動することを特徴とする駆動方法。
7. 請求項２記載の多関節ロボットまたは請求項４記載エンドエフェクタの駆動方法であって、
   駆動関節を有する水平旋回軸を旋回させた際に非駆動関節を有する旋回軸に作用する慣性力と、該旋回軸に作用する重力との協働により、駆動関節から遠い位置にある非駆動関節から順次所定の角度として最終の所望形態となすことを特徴とする駆動方法。
8. 非駆動関節を有する旋回軸を、事前に駆動関節を有する水平旋回軸による慣性力が作用する姿勢とすることを特徴とする請求項６または７記載の駆動方法。

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