JP4268035B2

JP4268035B2 - 産業用ロボットおよびその制御方法

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Publication number: JP4268035B2
Application number: JP2003435112A
Authority: JP
Inventors: 雅幸掃部; 栄一八木
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005193306A

Description

本発明は、複数の関節部で旋回可能な多関節の産業用ロボットに関する。
本発明において、用語「旋回」は、３６０度以上の角変位である回転および３６０度未満の角変位を含む。

工場の生産ラインなどにおいて、加工ロボットを用いてワークを加工する場合に、ワークを保持するために治具ロボットが用いられる。第１の従来の技術である治具ロボットは、手先が、相互に平行な３つのロボット軸まわりに旋回可能かつ１つのロボット軸に沿ってスライド変位可能に構成されている（たとえば特許文献１参照）。

図８は、第２の従来の技術である汎用治具１を簡略化して示す正面図である。汎用治具１は、３本の伸縮アクチュエータ３によって駆動可能に設けた上部基板４に、３軸回転ユニット５を介してクランプ６が設けられて構成される。この汎用治具１は、たとえば複数台、隣接して設置して、ワーク７を保持する（特許文献２）。

図９は、第３の従来の技術である垂直多関節ロボット１０を簡略化して示す正面図である。垂直多関節ロボット１０は、複数のアーム体１１が、アーム体１１の軸線と同軸の旋回軸を有する同軸関節１２と、アーム体１１の軸線に垂直な旋回軸を有する垂直関節１３と、によって連結されている。この垂直多関節ロボット１０もまた、複数台設置して、手先１５に設けられるクランプ１６で把持してワーク１４を保持するために用いることができる。

図１０は、第４の従来の技術である傾斜多関節ロボット２０を簡略化して示す正面図である。傾斜多関節ロボット２は、複数のアーム体２１が、アーム体２１の軸線と同軸の旋回軸を有する同軸関節２２と、アーム体２１の軸線に対して傾斜する旋回軸を有する傾斜関節２３と、によって連結されている。同軸関節２２と傾斜関節２３とは、交互に配置されている。この傾斜多関節ロボット２０もまた、複数台設置して、手先２５にクランプ２７を設けて、ワーク２８を保持するために用いることができる。

特開平８−１４７０１４号公報特開平１１−７７４４６号公報

第１および第２の従来の技術である、治具ロボットおよび汎用治具１は、複数台を近接して設置することは可能であるが、可動範囲が小さく、また構造が複雑であるので製造コストが高くなってしまう。第３の従来の技術である垂直多関節ロボット１０は、簡素な構成で、大きな可動範囲を得ることができるが、アームの中途部が側方へ大きく突出してしまうので、互いに干渉するおそれがあるので、複数台を近接して配置することができない。ここで側方は、アームの伸縮方向に垂直な方向である。

第４の従来の技術である傾斜多関節ロボット２０は、簡素な構成で実現でき、垂直関節ロボット１０に比べてアーム中途部の側方への突出を抑えることができるが、手先２５の可動範囲Ｓ２０は、アームの伸縮方向の寸法が小さく、この伸縮方向に垂直な側方へ広がる範囲である。したがって互いに干渉するおそれがあるので、複数台を近接して配置することができない。また手先２５が、側方へ大きく変位すると、アームに加わるモーメントが大きくなって、たわみ易くなり、高精度な位置制御ができなくなる。さらに傾斜多関節ロボット２０では、可動範囲Ｓ２０を３つに分割する面２６上に、特異点が存在しており、この面２６を横切るように動作させようとすると、制御上エラーを生じ、動作が一時停止してしまう。

本発明の目的は、簡素な構成で、複数台を近接して設置することが可能であるとともに、大きな可動範囲であって、側方への範囲が抑えられ、かつアームの伸縮方向の範囲が大きい、可動範囲を得ることができ、さらに特異点を少なくすことができる産業用ロボットを提供することである。

本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含み、
第２関節部と第３関節部とは、１つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動され、第４関節部と第５関節部とは、１つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動されることを特徴とする産業用ロボットである。

本発明に従えば、アームの遊端部の大きな可動範囲を得ることができる。この可動範囲は、アームの側方に関して範囲が抑えられかつアームの伸縮方向に関して大きい可動範囲である。また遊端部の可動範囲に存在する特異点は、線上に存在する構成となり、特異点を少なくして、円滑な動作を可能にすることができる。さらにアームの遊端部を可動させることに伴ってアームの中途部が側方へ突出してしまうことがなく、複数台の産業用ロボットを近接して設置しても、互いに干渉することがない。したがって、複数台の産業用ロボットを近接して設置して用いることができる。しかもこのような産業用ロボットを簡素な構成によって実現し、安価に実現することができる。また、このように動作させるために必要な駆動源の数を少なくし、構成を簡素にしてコストを低減することができる。

また本発明は、第２関節部と第３関節部との間の距離と、第４関節部と第５関節部との間の距離とが、同一であることを特徴とする。

本発明に従えば、第２関節部と第３関節部との間の距離と、第４関節部と第５関節部との間の距離とが異なる場合に比べて、遊端部の可動範囲を大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を第１〜第６軸である各旋回軸の角度位置によって表す式を用いてロボットを制御するにあたって、前記式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。

また本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第２関節部と第３関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第４関節部と第５関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第６アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、前記演算によって求めた各旋回角度だけ各関節部を旋回駆動させることを特徴とする産業用ロボットの制御方法である。

本発明に従えば、第２関節部と第３関節部との間の距離と、第４関節部と第５関節部との間の距離とが異なる場合に比べて、遊端部の可動範囲を大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を第１〜第６軸である各旋回軸の角度位置によって表す式を用いてロボットを制御するにあたって、前記式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。産業用ロボットを制御するにあたって、遊端部の位置を入力して、逆変換によって、第１〜第６軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができる。

また本発明は、基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第２関節部と第３関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第４関節部と第５関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第６アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、第６アーム体の姿勢のみを変更するための各関節部の旋回角度補正値を求め、前記旋回角度と前記旋回角度補正値とを加算した旋回角度だけ各関節部を旋回駆動することを特徴とする産業用ロボットの制御方法である。

本発明に従えば、産業用ロボットを制御するにあたって、遊端部の位置を入力して、逆変換によって第１〜第６軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができる。したがって制御が容易になる。さらに、遊端部の姿勢を変更した状態に、産業用ロボットを制御するにあたっては、遊端部の姿勢を変更していない状態を基準にして、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の旋回角度を求めて加算して、最終的な旋回角度を求めることができる。

本発明によれば、側方への広がりが抑えられる大きい可動範囲を得ることができ、しかもアームが側方へ突出しないので、複数台の産業用ロボットを近接して設置しても、互いに干渉することがない。また可動範囲の側方への広がりが抑えられているので、産業用ロボットを、第１軸が鉛直となるように設置して用いる場合、アームに働くモーメントが小さくなり、たわみを抑えて、高精度な制御を実現することができる。また特異点を少なくして、円滑な動作を可能にすることができるとともに、簡素な構成として、安価に実現することができる。またこのように動作させるために必要な駆動源の数を少なくし、構成を簡素にしてコストを低減することができる。

また本発明によれば、遊端部の可動範囲を可及的に大きくすることができる。また特異点をさらに少なくし、より円滑な動作を達成することができる。さらに遊端部の位置を各旋回軸の角度位置によって表す式を簡単化することができ、制御を容易にすることができる。

また本発明によれば、遊端部の位置を入力して、逆変換によって第１〜第６軸である旋回軸の角度位置および角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができ、制御が容易になる。

また本発明によれば、遊端部の位置を入力して、逆変換によって、第１〜第６軸である旋回軸の角度位置および、角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求めることができ、制御が容易になる。さらに遊端部が任意姿勢をとれるように制御する場合、第６軸が第１軸と同じ向きにする状態を基準にして、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の旋回角度補正値を求めて加算して、最終的な旋回角度を求めることができる。

図１は、本発明の実施の一形態の産業用ロボット３０を簡略化して示す正面図である。産業用ロボット３０は、たとえば加工装置によってワークを加工するときに、そのワークを保持するための治具ロボットであってもよいし、ワークなどの物品を搬送するための搬送ロボットであってもよいし、その他、溶接および塗装などの加工など、各種の用途に好適に用いるロボットであってもよい。本実施の形態では、産業用ロボット３０は、治具ロボットである。この産業用ロボット３０は、基台３７と、複数、本実施の形態では第１〜第６アーム体３１〜３６と、複数、本実施の形態では第１〜第６関節部４１〜４６と、エンドエフェクタ４０とを有する、多関節ロボットである。

基台３７は、たとえば工場の床などの設置対象物３８に固定される。各アーム体３１〜３６は、第１アーム体３１から第６アーム体３６に直列に並んで設けられ、これら各アーム体３１〜３６によってアーム３９が構成される。このアーム３９は、アーム３９の基端部となる第１アーム体３１の一端部で基台３７に連結される。

各関節部４１〜４６は、各アーム体を旋回自在に連結する構成であり、同軸関節部と傾斜関節部とを有する。同軸関節部は、アーム体の軸線と同じ向き、具体的には同軸の旋回軸まわりに旋回自在に連結する。傾斜関節部は、アーム体の軸線に対して傾斜する旋回軸まわりに旋回自在に連結する。第１および第６関節部４１，４６は、同軸関節部であり、第２〜第５関節部４２〜４５は、傾斜関節部である。

各関節部４１〜４６は、各アーム体３１〜３６の軸線Ｌ３１〜Ｌ３６が同一軸線（以下「基準軸線」という）Ｌ３０上に配置される状態（以下「基準状態」という）となり得るように、各アーム体３１〜３６を連結することができる。このように各アーム体３１〜３６が同軸配置される状態は、アーム３９が最も伸長した状態であって、第６アーム体３６が基台３７から最も離反した位置に配置される状態である。基準軸線Ｌ３０は、アーム３９の動作に拘らず、第１軸Ｌ４１と同軸である。

第１アーム体３１は、その一端部が、第１関節部４１によって基台３７に、第１アーム体３１の軸線Ｌ３１と同軸の第１軸Ｌ４１まわりに旋回自在に連結される。第２アーム体３２は、その一端部が、第２関節部４２によって第１アーム体３１の他端部に、第１および第２アーム体３１，３２の軸線Ｌ３１，Ｌ３２に対して傾斜する第２軸Ｌ４２まわりに旋回自在に連結される。第３アーム体３３は、その一端部が、第３関節部４３によって第２アーム体３２の他端部に、第２および第３アーム体３２，３３の軸線Ｌ３２，Ｌ３３に対して傾斜する第３軸Ｌ４３まわりに旋回自在に連結される。

第４アーム体３４は、その一端部が、第４関節部４４によって第３アーム体３３の他端部に、第３および第４アーム体３３，３４の軸線Ｌ３３，Ｌ３４に対して傾斜する第４軸Ｌ４４まわりに旋回自在に連結される。第５アーム体３５は、その一端部が、第５関節部４５によって第４アーム体３４の他端部に、第４および第５アーム体３４，３５の軸線Ｌ３４，Ｌ３５に対して傾斜する第５軸Ｌ４５まわりに旋回自在に連結される。第６アーム体３６は、その一端部が、第６関節部４６によって第５アーム体３５の他端部に、第５および第６アーム体３６の軸線Ｌ３６と同軸の第６軸Ｌ４６まわりに旋回自在に連結される。

第２軸Ｌ４２と第３軸Ｌ４３とは、第３アーム体３３の軸線Ｌ３３に対する傾斜方向が互いに同じ向き、具体的には平行である。また第４軸Ｌ４４と第５軸とＬ４５は、第３アーム体３３の軸線Ｌ３３に対する傾斜方向が互いに同じ向き、具体的には平行である。第３軸Ｌ４３と第４軸Ｌ４４とは、第３アーム体３３の軸線Ｌ３３に対する傾斜方向が互いに逆向き、具体的には第３アーム体３３の軸線Ｌ３３に垂直な面に関して対称な向き、言い換えるならば、第３アーム体３３の軸線Ｌ３３を含む平面内に配置され、軸線Ｌ３３に対する傾斜方向が逆方向でかつ傾斜角度の絶対値が同一である。第２軸Ｌ４２が第２アーム体３２の軸線Ｌ３２に対して成す傾斜角度、第３軸Ｌ４３が第３アーム体３３の軸線Ｌ３３に対して成す傾斜角度、第４軸Ｌ４４が第４アーム体３４の軸線Ｌ３４に対して成す傾斜角度および第５軸Ｌ４５が第５アーム体３５の軸線Ｌ３５に対して成す傾斜角度は、本実施の形態では、たとえばそれぞれ４５度である。したがって第３および第４軸Ｌ４３，Ｌ４４は、互いに垂直である。

各関節部４１〜４６は、たとえば各アーム体４１〜４６を旋回自在に支持するベアリングなどによって実現される。第１〜第６軸Ｌ４１〜Ｌ４６は、旋回軸である。

また本実施の形態では、第２アーム体３２のリンク長Ｄ３２と、第４アーム体３４のリンク長Ｄ３４とは、同一である。第２アーム体３２のリンク長Ｄ３２は、第２および第３関節部４２,４３間の距離であって、第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３と第２アーム体３２の軸線Ｌ３２との交点間の距離である。第４アーム体３４のリンク長Ｄ３４は、第４および第５関節部４４，４５間の距離であって、第４および第５軸Ｌ４４，Ｌ４５と第４アーム体３４の軸線Ｌ３４との交点間の距離である。

エンドエフェクタ４０は、アーム３９の遊端部となる第６アーム体３６の他端部に、固定される。エンドエフェクタ４０は、産業用ロボット３０の用途に応じた機器であって、たとえば溶接用トーチおよびハンドリング装置であってもよい。本実施の形態では、産業用ロボット３０は治具ロボットであり、エンドエフェクタ４０は、ワークを把持するハンドリング装置である。

産業用ロボット３０は、各アーム体３１〜３６を、各関節部４１〜４６で相対的に旋回駆動するための駆動手段４８を有する。駆動手段４８は、１または複数の駆動源、本実施の形態では複数の電動モータを有する。駆動源は、各関節部４１〜４６毎に１つずつ設けられてもよいし、複数の関節部に関して１つの駆動源を共用する構成であってもよい。実際には、駆動源は、各アーム体３１〜３６のいずれかに内蔵されるが、駆動手段４８は、種々の構成をとり得るので、図１では、駆動手段４８を、基台３７に１つのブロックで示す。もちろん本発明は、駆動手段４８が基台３７内にだけ設けられる構成に限定されるものではない。

基台３８および各アーム体３１〜３６は、中空筒状に形成されており、駆動手段は、基台および各アーム体３１〜３６のうちの少なくといずれか１に内蔵される。また各アーム体３１〜３６内を挿通するようにして、１またたは複数のケーブルが設けられる。ケーブルは、産業用ロボットを動作させるために必要な動力および指令信号を伝達するためのケーブルであって、たとえば電動モータに電力および指令信号を与えるケーブル、エンドエフェクタに電力および指令信号を与えるケーブル、エンドエフェクタで利用される流体を導くためのケーブルである。

各アーム体３１〜３６を駆動手段によって旋回させる旋回機構は、図１０に示すような従来の技術の傾斜関節部を有するロボットの機構と、同様の機構であってもよい。具体的一例を挙げると、中空形状の波動歯車機構、たとえばハーモニックドライブ（登録商標）を用いてもよい。波動歯車機構は、入力側部材と出力側部材とを備え、それらが相対的に回転する。入力側部材は、各関節部４１〜４６によって連結する２つの部材（基台およびアーム体）の一方に連結され、出力側部材は、前記２つの部材のうちの他方に連結される。駆動源からの回転が入力側部材に与えられると、入力側部材と出力側部材とが相対的に回転し、前記２つの部材が相対的に回転される。したがって各アーム体３１〜３６が旋回される。

産業ロボット３０は、このような基台３７、アーム３９、各関節部４１〜４６、および駆動手段４８を含んでロボット本体４９が構成され、このロボット本体４９を制御する制御装置５０をさらに含む。制御装置５０は、入力部５１および中央演算処理部５２を備える。入力部５１は、キーボードなどによって実現され、操作者の操作によってアーム３９の遊端部の位置および姿勢のいずれか一方を指示する指示情報が入力され、入力される指示情報を中央演算処理部５１に与える。中央演算処理部５１は、たとえばＣＰＵおよびメモリなどによって実現され、入力される指示情報に基づいて、アーム３９の遊端部を移動させるために必要な本体４９の動作、具体的には指示情報が表す位置および姿勢となる場合の各関節部４１〜４６における角度位置およびこの角度位置まで旋回させるための旋回角度を演算して求め、その演算結果を表す情報を、動作指令として多関節ロボット１の駆動手段４８に与える。

ここで各関節部４１〜４６における角度位置は、各関節部４１〜４６によって連結される２つの部材のうち、基台３７側の部材に対する第６アーム体３６側の部材の基準位置からの角変位角度である。基準位置は、たとえばアーム３９が基準状態にあるときの位置である。

図２は、本発明の制御方法に従って、中央演算処理部５２で実行される制御動作を示すフローチャートである。中央演算処理部５２における制御動作は、入力部５１の操作によって指示情報が入力されると、ステップｓ０で開始され、ステップｓ１に進む。ステップｓ１では、入力される指示情報に基づいて、姿勢は一定か否か判定し、姿勢が一定であると判定すると、ステップｓ２に進み、姿勢が一定でなく変化すると判定すると、ステップｓ５に進む。

ステップｓ２では、第２および第３関節部４２，４３を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させ、かつ第４および第５関節部４４，４５を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させることを前提として、アーム３９の遊端部を指示情報の表す位置に変位させた状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算する。このような演算が終了するとステップｓ３に進み、演算結果に基づいて、各関節部４１〜４６において必要な旋回角度だけ旋回駆動するように、駆動手段に４８に動作指令を与えて駆動手段を制御する。駆動手段４８の制御が終了すると、ステップｓ４に進んで、制御動作を終了する。

ステップｓ５では、姿勢が一定あると仮定して、第２および第３関節部４２，４３を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させ、かつ第４および第５関節部４４，４５を互いに異なる方向へ同一の角度旋回させることを前提として、アーム３９の遊端部を指示情報の表す位置に変位させた状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算する。このような演算が終了するとステップｓ６に進み、遊端部の姿勢だけを変更した状態の各関節部の角度位置を演算し、その角度位置に旋回させるために必要な旋回角度を演算し、これをステップｓ５で求めた旋回角度に加算して、最終的に必要な旋回角度を求める。このような演算が終了すると、ステップｓ３に進む。

このような制御動作を実行して、アーム３９の遊端部を移動させている。制御動作において、ステップｓ２，ｓ５における演算では、アーム３９の遊端部を指示情報の表す位置に基づいて、解析的な逆変換によって、各関節部４１〜４６の角度位置を求めている。この解析的な逆変変換は、多関節のロボットにおける制御では、一般的に利用される演算であるので、詳細な説明は省略するが、本実施の形態における利点を以下に簡単に説明する。

この解析的な逆変換によって各関節部４１〜４６の角度位置を求めるにあたって、前述のように第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３を同じ向きとし、第４および第５軸Ｌ４４，Ｌ４５を同じ向きでかつ第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３と逆向きとすることによって、次式（１）および式（２）の条件を満たすことになる。
ｑ３＝−ｑ２ …（１）
ｑ５＝−ｑ４ …（２）
ここでｑ２〜ｑ５は、アーム３９の遊端部を指示情報の表す位置まで移動させるために必要な、第２〜第５軸Ｌ４２〜Ｌ４５の旋回角度である。ｑ２は、第２軸Ｌ４２まわりの旋回角度である。ｑ３は、第３軸Ｌ４３まわりの旋回角度である。ｑ４は、第４軸Ｌ４４まわりの旋回角度である。ｑ５は、第５軸Ｌ４５まわりの旋回角度である。

式（１）および式（２）の関係を満たす場合、これを逆変換のための式に代入することによって、その逆変換式を、式（３）のような、単変数、たとえばｑ２だけが変数となる４次方程式で表すことが可能になる。
cosｑ２^４＋ａ３cosｑ２^３＋ａ２cosｑ２^２＋ａ１cosｑ２＋ａ０＝０ …（３）
ここでａ３，ａ２，ａ１，ａ０は、各アーム体４１〜４６のリンク長、アーム３９の遊端部の指令位置（指示情報が表す位置）に関する関数であり、未知の変数は含んでいない。

このような簡単な逆変換式とすることができるので、逆変換解を解析的に容易に導くことができ、演算を容易にして、制御を容易にすることができる。しかも第２アーム体３２のリンク長Ｄ３２と第４アーム体３４のリンク長Ｄ３４とが同一である場合、ａ３＝０およびａ１＝０となるので、単変数の２次方程式へと低次元化することができ、さらに演算およびこれに伴う制御を容易にすることができる。このような逆変換による演算ができない場合、収束演算されるが、逆変換による演算は、収束演算に比べて極めて演算量が少なく、制御を容易にすることができる。

図３は、産業用ロボット３０の可動範囲Ｓ３０を示すグラフである。縦軸は、基準軸線Ｌ３０に平行なアーム３９の伸縮方向であり、横軸は、基準軸線Ｌ３０に垂直な一方向である。図３には、第６軸Ｌ３６が第１軸Ｌ３１と平行に配置される状態で、アーム３９の遊端部の姿勢を変化させない場合の可動範囲Ｓ３０であって、基準軸線Ｌ３０を含む平面での断面における基準軸線Ｌ３０の片側だけを示す。また図３には、可動範囲Ｓ３０の輪郭を点線で示す。前述のように遊端部の姿勢を変化させない場合の実際の可動範囲Ｓ３０は、図３に示すような形状の面を、図３の縦軸と一致する基準軸線Ｌ３０まわりに回転させた回転体と同様の範囲であり、図１に示す範囲である。

このように産業用ロボット３０は、図１０に示す従来の産業用ロボット２０に比べて、基準軸線Ｌ３０と交差する方向である側方の範囲が抑えられ、基準軸線Ｌ３０と平行なアーム３０の伸縮方向の範囲が大きい、楕円体状の可動範囲Ｓ３０を得ることができる。さらに本実施の形態のように、第２アーム体３２のリンク長Ｄ３２と、第４アーム体３４のリンク長Ｄ３４とを同一の値にすることによって、基準軸線Ｌ３０上の位置にも移動できる広い可動範囲を得ることができる。またアーム３９の遊端部の特定の方向の自由度が失われる特異点５５は、図３に示す断面上では１点だけであり、したがって、可動範囲には、１つの円上にだけ存在する。

このように産業ロボット３０は、第１〜第６軸Ｌ４１〜Ｌ４６が前述のような関係を満たす構造とすることによって、前述のように基準軸線Ｌ３０に近い位置で、かつ基準軸線Ｌに沿って広がる大きな可動範囲Ｓ３０を得ることができる。特に第２および第４アーム体３２，３４のリンク長Ｄ３２，Ｄ３４を同一にすることによって、より大きい可動範囲Ｓ３０を得ることができる。

また特異点５５を少なく、線上にしか存在しないようにすることができる。特に第２および第４アーム体３２，３４のリンク長Ｄ３２，Ｄ３４を同一にすれば、特異点５０を１つの円上の点だけとすることができ、特異点５５を避けて動作することが容易になり、円滑な動作を達成することができる。

図４は、産業用ロボット３０の用途の一例を示す斜視図である。産業用ロボット３０は、たとえば加工ロボット６０によって加工されるワーク６１を保持するための治具ロボットとして用いられる。この場合、複数台の産業用ロボット３０が設置され、エンドエフェクタ４０としてハンドリング装置が設けられ、協働してワーク６１を保持している。

産業用ロボット３０では、アーム３９の遊端部を可動させることに伴ってアーム３９の中途部が側方へ突出してしまうことがなく、図４に示すように、複数台の産業用ロボット３０を近接して設置しても、互いに干渉することがない。したがって、複数台の産業用ロボット３０を近接した設置して用いることができる。しかも図４に示すように、作業者６１が産業用ロボット３０に近接した位置で作業することが可能であり、作業を容易にすることができる。したがって治具ロボットして構成に用いることができる。さらにこのような産業用ロボット３０を前述のような簡素な構成によって実現し、安価に実現することができる。

また治具ロボットとして用いる場合、産業用ロボット３０を床に設置して、アーム３９を上方へ延ばすように設置して用いられるが、この場合、アームの遊端部の可動範囲Ｓ３０が、基準軸線Ｌ３０と交差する方向へ大きく離れた位置に移動することがなく、アーム３９に大きなモーメントが働くことがなく、たわみを小さく抑えることができる。これによってアーム３９の遊端部の位置精度が高くなり、治具ロボットとして好適に用いることができる。また治具ロボットでは、アーム３９の遊端部は、一定の姿勢のまま平行移動できればよく、前述のような第２および第３関節部４２，４３を、同一角度異方向へ旋回する構成とし、第４および第５関節部４４，４５を、同一角度異方向へ旋回する制御が好適に実施される。

図５は、本発明の実施の他の形態の産業用ロボットの可動範囲Ｓ３０ａを示すグラフである。縦軸は、基準軸線Ｌ３０に平行なアーム３９の伸縮方向であり、横軸は、基準軸線Ｌに垂直な一方向である。図５には、図３と同様の断面で示す。本実施の形態では、第２アーム体３２のリンク長Ｄ３２が第４アーム体３４のリンク長Ｄ３４よりも長い。その他の構成は、図１〜図４の産業用ロボット３０と同様であり、対応する部分の同一の符号を用いる。このような構成では、可動範囲Ｓ３０ａは、第２および第４アーム体３２，３４のリンク長Ｄ３２，Ｄ３４が同一の場合に比べて、基準軸線Ｌ３０付近に可動範囲が存在しないが、従来に比べて、基準軸線Ｌ３０に垂直な方向の範囲を抑え、かつ基準軸線Ｌに沿って大きい範囲となる。したがって、このような構成であっても同様の効果を得ることができる。また特異点５５も、２つの円上となるが、従来に比べて、少なくすることができる。

図６は、産業用ロボット３０の駆動手段４８の一例を示す正面図である。図６には、第１〜第３アーム体３１〜３３は、厚みなどを省略して簡略化して示す。図６には、駆動手段４８の一部の構成であって、第２アーム体３２に内蔵される構成を示す。この構成は、第２および第３関節部４２，４３を、同一角度異方向へ旋回する構成に限定する場合に、駆動手段４８に適用することができる構成である。

第２アーム体３２には、第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３まわり回転自在に伝達軸７０がそれぞれ設けられ、各伝達軸７０は、第１および第３アーム体３１，３２に相互の角変位が阻止された状態で連結される。各伝達軸７０には傘歯車７１がそれぞれ設けられる。また第２アーム体３２には、その軸線Ｌ３２と平行に駆動軸７２が回転自在に設けられ、両端部に前記傘歯車７１に噛合する傘歯車７３が設けられる。この駆動軸７２は、電動モータ７５によって歯車列７６を介して回転駆動される。このような構成によって、１つの電動モータ７５によって、第２および第３関節部４２，４３において、アーム体を旋回駆動することができる。第４および第５関節部４４，４５に関連する構成においても、同様の構成を適用することができる。

図７は、産業用ロボット３０の駆動手段４８の他の例を示す正面図である。図７には、第１〜第３アーム体３１〜３３は、厚みなどを省略して簡略化して示す。図７には、駆動手段４８の一部の構成であって、第２アーム体３２に内蔵される構成を示す。この構成は、図６の構成と同様に、第２および第３関節部４２，４３を、同一角度異方向へ旋回する構成に限定する場合に、駆動手段４８に適用することができる構成である。

第２アーム体３２には、第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３まわり回転自在に伝達軸８０がそれぞれ設けられ、各伝達軸８０は、第１および第３アーム体３１，３２に相互の角変位が阻止された状態で連結される。各伝達軸８０には平歯車８１がそれぞれ設けられる。また第２アーム体３２には、その軸線Ｌ３２と平行に主動駆動軸８２ａが回転自在に設けられ、その両端部に自在継手８２ｂを介して２つの従動駆動軸８２ｃが連結されている。各従動駆動軸８２ｃは、第２および第３軸Ｌ４２，Ｌ４３と平行な軸線まわりに回転自在である。これら各従動駆動軸８２ｃに前記平歯車８１に噛合する平歯車８３が設けられる。主動駆動軸８２ａは、電動モータ８５によって歯車列８６を介して回転駆動される。このような構成によって、１つの電動モータ８５によって、第２および第３関節部４２，４３において、アーム体を旋回駆動することができる。第４および第５関節部４４，４５に関連する構成においても、同様の構成を適用することができる。

このように産業用ロボット３０では、第２および第３関節部４２，４３を、同一角度異方向へ旋回する構成とし、第４および第５関節部４４，４５を、同一角度異方向へ旋回する構成とする場合、第２関節部４２と第３関節部４３とは、１つの駆動源によって旋回駆動し、第４関節部４４と第５関節部４５とは、１つの駆動源によって旋回駆動することができる。これによって産業用ロボット３０の構成を簡単にすることができる。

前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば、産業用ロボットは、ワークを保持するための治具ロボットに代えて、ワークを搬送する搬送ロボットとして用いるようにしてもよいし、溶接および塗装などのワークを加工するためのロボットとして用いてもよい。

本発明の実施の一形態の産業用ロボット３０を簡略化して示す正面図である。本発明の制御方法に従って、中央演算処理部５２で実行される制御動作を示すフローチャートである。産業用ロボット３０の稼動範囲を示すグラフである。産業用ロボット３０の用途の一例を示す斜視図である。本発明の実施の他の形態の産業用ロボットの可動範囲Ｓ３０ａを示すグラフである。産業用ロボット３０の駆動手段４８の一例を示す正面図である。産業用ロボット３０の駆動手段４８の他の例を示す正面図である。第２の従来の技術である汎用治具１を簡略化して示す正面図である。第３の従来の技術である垂直多関節ロボット１０を簡略化して示す正面図である。第４の従来の技術である傾斜多関節ロボット２０を簡略化して示す正面図である。

符号の説明

３０産業用ロボット
３１第１アーム体
３２第２アーム体
３３第３アーム体
３４第４アーム体
３５第５アーム体
３６第６アーム体
４１第１関節部
４２第２関節部
４３第３関節部
４４第４関節部
４５第５関節部
４６第６関節部
４８駆動手段
５０制御装置
５２中央演算処理部
５５特異点
Ｌ４１第１軸
Ｌ４２第２軸
Ｌ４３第３軸
Ｌ４４第４軸
Ｌ４５第５軸
Ｌ４６第６軸
Ｓ３０，Ｓ３０ａ可動範囲

Claims

基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含み、
第２関節部と第３関節部とは、１つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動され、第４関節部と第５関節部とは、１つの駆動源によって同一角度で異方向へ旋回駆動されることを特徴とする産業用ロボット。
第２関節部と第３関節部との間の距離と、第４関節部と第５関節部との間の距離とが、同一であることを特徴とする請求項１記載の産業用ロボット。
基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第２関節部と第３関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第４関節部と第５関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第６アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、前記演算によって求めた各旋回角度だけ各関節部を旋回駆動させることを特徴とする産業用ロボットの制御方法。
基台と、
基台から順に並んで直列に設けられる第１アーム体、第２アーム体、第３アーム体、第４アーム体、第５アーム体および第６アーム体を含むアームと、
第１アーム体を基台に旋回自在に連結する第１関節部、第２アーム体を第１アーム体に旋回自在に連結する第２関節部、第３アーム体を第２アーム体に旋回自在に連結する第３関節部、第４アーム体を第３アーム体に旋回自在に連結する第４関節部、第５アーム体を第４アーム体に旋回自在に連結する第５関節部および第６アーム体を第５アーム体に旋回自在に連結する第６関節部を含み、第１関節部が、第１アーム体の軸線と同じ向きの第１軸まわりに旋回する同軸関節部であり、第２関節部が、第２アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる第２軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第３関節部が、第２軸と同じ向きの第３軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第４関節部が、第４軸まわりに旋回する傾斜関節部であって、前記第４軸は第３アーム体の軸線を含む平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わり、前記第３軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向と、前記第４軸が前記第３アーム体の軸線を含む前記平面内で前記第３アーム体の軸線に対して平行でなく、かつ交わる方向とは、前記第３軸と前記第３アーム体の軸線との交点と、前記第４軸と前記第３アーム体の軸線との交点間を２等分する位置で前記第３アーム体の軸線に対して垂直な面に対して対称であり、第５関節部が、第４軸と同じ向きの第５軸まわりに旋回する傾斜関節部であり、第６関節部が、第６アームの軸線と同じ向きの第６軸まわりに旋回する同軸関節部である複数の関節部とを含む産業用ロボットの制御方法であって、
第２関節部と第３関節部とを逆方向へ同一角度旋回させ、かつ第４関節部と第５関節部とを逆方向へ同一角度旋回させて、第６アーム体の遊端部を目標位置に変位させるときの各関節部の旋回角度を演算して求め、第６アーム体の姿勢のみを変更するための各関節部の旋回角度補正値を求め、前記旋回角度と前記旋回角度補正値とを加算した旋回角度だけ各関節部を旋回駆動することを特徴とする産業用ロボットの制御方法。