JP5400473B2

JP5400473B2 - ロボット装置

Info

Publication number: JP5400473B2
Application number: JP2009123927A
Authority: JP
Inventors: 雅幸掃部
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010269412A

Description

本発明は、ロボットアーム等のリンク関節部を備えたロボット装置に関する。

従来、通常の多関節ロボット等のリンク関節部は、駆動モータに直結されたエンコーダの角度情報から先端側リンクの角度を算出する、いわゆる、セミクローズド制御が用いられている。しかし、このセミクローズド制御では、関節部に弾性変形（この明細書及び特許請求の範囲の書類中においては、「弾性変形」を「たわみ」ともいう）が生じた場合、先端側リンクの位置決めに誤差を生じてしまう。

そのため、例えば、半導体ウエハなどの基板を搬送するロボット装置等のように、関節部の弾性変形（たわみ）に起因する先端側リンクの位置決め誤差が無視できない精度で制御する必要がある場合、上記駆動モータに直結された第一エンコーダに加えて、先端側リンクを駆動する減速機出力軸の角度を直接検出する第二エンコーダを設け、それらの角度情報を併用して関節部を制御する、いわゆる、クローズド制御を構成することがある。

図３は、従来のロボット装置における関節部構造を示す模式図である。この図では、下側に基台側リンク１０１を示し、上側に先端側リンク１０２を示している。そして、これら基台側リンク１０１と先端側リンク１０２との間の関節部１０３が、減速機１０５を介して動力伝達されている。この減速機１０５としては、入力軸の回転を、この入力軸と同一軸線方向に配置された出力軸から取り出せる形式の減速機１０５が用いられ、この図では、シルクハット型のハーモニックドライブ（R）減速機を例にしている。この減速機１０５は、入力軸１５２（「ウェーブジェネレイタ」ともいう）と、固定軸１５３（「フレックススプライン」ともいう）と、出力軸１５４（「サーキュラスプライン」ともいう）とを有し、例えば、減速比が約５０倍〜数百倍という高減速比で減速できる。

図示する関節部構造では、基台側リンク１０１に駆動モータ１１１が設けられ、この駆動モータ１１１の角度情報は、駆動モータ１１１の後端に直結された第一エンコーダ１１２によって検出されている。この駆動モータ１１１の駆動軸１１３に設けられたギア１１４が、減速機１０５の入力軸１５２に設けられたギア１５１と噛合している。この入力軸１５２に伝達された回転動力は、固定軸１５３を介して上記高減速比で大幅に減速されて出力軸１５４に伝達れ、この出力軸１５４が固定された先端側リンク１０２が駆動されている。

そして、上記先端側リンク１０２の角度情報は、出力軸１５４の外周に設けられた大ギア１６１の回転角が、この大ギア１６１と噛合する小ギア１６２が設けられた第二エンコーダ１２３によって検出され、この第二エンコーダ１２３によって検出された角度情報と、上記第一エンコーダ１１２によって検出された角度情報とに基いて、先端側リンク１０２のたわみが演算されている。この演算結果に基いて、先端側リンク１０２がたわみを考慮して駆動モータ１１１によって駆動制御されている。この駆動モータ１１１の制御は、第一エンコーダ１１２の情報を用いたフィードバック制御である。

なお、ロボットの関節における絶対位置を検出するために、第１アームと第２アームとの間に回転角検出機構を設けて、基準位置からの正確な回転角度を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１６４３６２号公報

ところで、近年、上述した半導体ウエハなどの基板を搬送するロボット装置のように高精度で位置決めをする必要がある関節部には、上述した減速機のように、減速比が約５０倍〜数百倍という高減速比の減速機が用いられることがある。

この場合、上記図３に示すような構成では、例えば、約５０〜数百倍に減速される駆動モータ１１１の回転角度情報を検出する第一エンコーダ１１２の検出値に対して、第二エンコーダ１２３で検出される検出値は、出力軸１５４の外周に設けられた大ギア１６１と第二エンコーダ１２３の小ギア１６２との減速比である１から数倍しか減速されない検出値であるため、分解能が非常に粗くなる。

従って、この第二エンコーダ１２３で検出された検出値では、高精度のたわみ補正等を行うことが非常に困難である。仮に、上記小ギア１６２の検出値で高分解能を実現しようとすると、例えば、定格負荷時に０．１°たわむ減速機の場合、１％の検出精度を確保するには、１９ビット以上の高分解能の第二エンコーダ１２３が必要になり、廉価なエンコーダでは対応できなくなって高コストを招き、実現は難しい。

また、上記図３に示すような構成では、関節部１０３の外周に、大ギア１６１などの検出機構が必要になり、関節部１０３が大型化する。仮に、この関節部１０３に設ける上記大ギア１６１で上記第二エンコーダ１２３の減速比を大きくしようとすると、関節部１０３がさらに大型化され、ロボット装置全体の大型化を招いてしまう。

その上、上記した分解能が粗い検出機構でギア１６１，１６２を用いた場合、バックラッシュの影響によって位置決め精度がさらに悪化する。仮に、このバックラッシュ除去手段として、シザーズ方式のギアを採用することも考えられるが、その場合には関節部はさらに大型化し、高コストになる。また、ベルト・プーリを用いた場合には、ベルトの疲労変形から、位置決め精度が経年変化によって早期に悪化してしまう。

このように、従来のロボット装置の関節部における先端側リンクの角度検出方法では、関節部の大型化や、分解能が非常に粗く、ギヤを用いた場合にはバックラッシュの影響を受けるため、高精度化が困難で、高精度化を求めると非常に高コストになって実現は難しくなる。この課題は上記特許文献１には何ら開示されておらず、この特許文献１で解決できるものではない。

一方、上記ロボット装置の関節部においては、上述した正確なたわみ検出とともに、力制御、衝突検知等の制御も行いたい。この検知手段として、例えば、歪みゲージ式の力センサを設けることが考えられる。しかし、歪みゲージ式の力センサの出力信号は電磁ノイズの影響を受けて不正確となる場合があり、しかも、例えば、先端側リンクが固定物に当接して大きな負荷が作用した場合に、歪ゲージ式の力センサは損傷を受けやすい。

そこで、本発明は、低コストで信頼性が高く、正確なロボット関節部における弾性変形（たわみ）補正、力制御等ができるロボット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第一リンクに備えた駆動モータを駆動制御する制御装置と、該駆動モータの動力を入力軸、固定軸、出力軸の３要素を有する減速機を介して第二リンクに伝達する関節部とを備えたロボット装置であって、前記関節部は、前記第一リンクに筐体が固定され、検出部で前記減速機の入力軸の角度情報を検出する第一角度検出器と、前記第二リンクに筐体が固定され、検出部で前記減速機の入力軸の角度情報を検出する第二角度検出器とを備え、前記制御装置は、前記第二角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報とともに、前記第一角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報に基いて第二リンクの弾性変形量を演算して前記駆動モータを駆動制御するよう構成されている。これにより、第一リンクと第二リンクとにそれぞれ筐体が固定された第一角度検出器と第二角度検出器とによって減速機の入力軸の角度情報を高精度で検出し、第二角度検出器で検出した角度情報に基いて駆動モータの駆動制御を行うことで第二リンクのたわみ補正等を高精度で行うことができる。この駆動モータの制御は、第二角度検出器の情報を用いたフィードバック制御であり、高精度で検出した角度情報に基いて高精度な制御を行うことができる。

また、第二角度検出器とともに第一角度検出器で検出した減速機の入力軸における高精度な角度情報に基いて関節部における弾性変形量を演算し、その結果に基いて行う第二リンクのたわみ補正等の駆動モータ制御を高精度で行うことができる。

さらに、前記第一角度検出器又は前記第二角度検出器は、前記入力軸とギア機構を介して接続されていてもよい。このようにすれば、簡単な構成のギア機構を介して第一角度検出器又は第二角度検出器を比較的自由な配置で備えさせることができる。この場合、第二角度検出器も高精度で角度検出できるので、ギア機構を介しても高精度で角度検出することが可能である。

また、前記入力軸は中空部を有し、前記第二角度検出器は、前記第一リンクから前記入力軸の中空部を介して前記第二リンクまで延びて該第二リンクに固定された検出器支持体の第一リンク部分に支持されていてもよい。このようにすれば、第二角度検出器を第一リンクに設けて第二リンクの構成を簡略化することができる。

さらに、前記第一リンクは基台側リンクであり、前記第二リンクは先端側リンクであってもよい。このようにすれば、駆動モータが備えられて重量が増加する基台側リンクに対して、ハンド等が備えられる軽量の先端側リンクを高精度で制御するように構成できる。

また、前記制御装置は、前記第一角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報と、前記第二角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報とに基いて前記関節部に作用する負荷トルクを算出して前記駆動モータを制御する機能を備えていてもよい。このようにすれば、第一角度検出器と第二角度検出器との検出値に基く弾性変形量から関節部に作用する負荷トルクを算出し、力制御や剛性制御を高精度で実施することができ、第二リンクの構造物当接時等における迅速な駆動停止等を行うことができる。

本発明によれば、低コストで信頼性が高いロボット関節部における正確な弾性変形（たわみ）補正、力制御等ができるロボット装置を提供することが可能となる。

本発明に係るロボット装置における関節部構造の第１実施の形態を示す模式図である。本発明に係るロボット装置における関節部構造の第２実施の形態を示す模式図である。従来のロボット装置における関節部構造を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基いて説明する。以下の実施の形態では、上述した高減速比の減速機であるシルクハット型のハーモニックドライブ（R）を例に説明する。図１は、本発明に係るロボット装置における関節部構造の第１実施の形態を示す模式図であり、内部構造を模式的に表した断面図である。以下の説明では、第一リンクである基台側リンク１と第二リンクである先端側リンク２との間の関節部３を例に説明する。

図示するように、基台側リンク１には駆動モータ１１が設けられ、この駆動モータ１１の角度情報は、駆動モータ１１の後端に直結された第一エンコーダ１２（第一角度検出器）によって検出されている。この実施の形態の第一エンコーダ１２は、筐体が駆動モータ１１と一体的に結合されている。この駆動モータ１１の駆動軸１３に設けられたギア１４が、減速機５の入力軸５２（ウェーブジェネレイタ）に設けられたギア５１と噛合している。この入力軸５２に伝達された回転動力は、減速機５の固定軸５３（フレックススプライン）を介して入力軸５２と同一軸線方向に配置された出力軸５４（サーキュラスプライン）に伝達され、この出力軸５４が上述した高減速比（約５０〜数百倍）で大幅に減速された回転数で回転させられ、この出力軸５４に固定された先端側リンク２が高精度で駆動されている。

この実施の形態では、第一エンコーダ１２が駆動モータ１１の後端に直結されているため、この第一エンコーダ１２の検出部（駆動モータ１１の駆動軸１３と一体）は駆動モータ１１に直結されているが、減速機５の入力軸５２に直結されていてもよい。

そして、上記先端側リンク２の角度情報は、この先端側リンク２に筐体２１が固定され、検出部２２（軸）が上記減速機５の入力軸５２とギア機構２４で接続された第二エンコーダ２３（第二角度検出器）によって検出されている。このギア機構２４は、検出部２２（軸）に設けられたギア２５と、上記減速機５の入力軸５２に設けられたギア２６とを有している。この実施の形態の第二エンコーダ２３は、ギア機構２４を介して入力軸５２と接続されているが、二点鎖線で示すように入力軸５２に直結されていてもよい。

このように、上記第一エンコーダ１２は、筐体（駆動モータ１１と一体）が基台側リンク１に固定されて検出部（駆動軸１３と一体）が入力軸５２に連結され、第二エンコーダ２３は筐体２１が先端側リンク２に固定されて検出部２２が入力軸５２に連結されているので、第一エンコーダ１２、第二エンコーダ２３ともに、角度情報の検出は高減速される前の高回転数で駆動される入力軸５２において高分解能で検出することができ、それぞれの筐体が固定された基台側リンク１と先端側リンク２との角度情報を高分解能で検出することができる。

従って、第二エンコーダ２３によって検出された角度情報と、第一エンコーダ１２によって検出された角度情報とに基いて、先端側リンク２の弾性変形量（たわみ）等を演算で正確に求めることができる。そして、この高分解能で演算された両エンコーダ１２，２３の角度情報の差（たわみ量）を考慮して駆動モータ１１を駆動制御することにより、先端側リンク２におけるたわみ補正等を高精度で正確に行うことができる。

以上のようなロボット装置６の関節部３によれば、以下のように高精度で先端側リンク２のたわみ補正等を行うことができ、高精度で関節部３の位置制御が可能なロボット装置６を構成することができる。この説明では、第一エンコーダ１２、第二エンコーダ２３ともに、ギアを介さず、減速機５の入力軸５２に直結している場合を考える。

まず、固定軸５３から見た出力軸５４の相対角度は、第一エンコーダ１２の検出値θ１を用いて、θ１／（Ｒｇ＋１）で算出される（Ｒｇ：ハーモニックドライブ（R）の減速比）。各部の弾性変形が無視できる軽負荷の使用条件においては、この値は出力軸５４の実際の回転角度にほぼ等しいが、高負荷の使用条件になると、減速機５の、とりわけ、最も剛性の低い固定軸５３（フレックススプライン；金属弾性体）の付け根部に弾性変形θｓが生じ、出力軸５４の実際の回転角度は、θ１／（Ｒｇ＋１）−θｓとなる。

一方、第二エンコーダ２３の検出値θ２を利用すれば、固定軸５３から見た出力軸５４の相対角度は、θ１−θ２で算出される。この時、先端側リンク２に高負荷が作用したとしても入力軸５２の剛性は比較的高いため、入力軸５２に接続された第二エンコーダ２３の検出部２２における弾性変形量の影響は無視できる。

そして、両者から、関節部３に生じる弾性変形量は、θｓ＝θ２−Ｒｇ／（Ｒｇ＋１）θ１で算出され、この値を用いて、たわみ補正、剛性制御などの、各種高機能制御を実施することができる。

図２は、本発明に係るロボット装置における関節部構造の第２実施の形態を示す模式図であり、内部構造を模式的に表した断面図で示している。なお、上記第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図示するように、この第２実施の形態では、上記第二エンコーダ２３が基台側リンク１に設けられている。この第二エンコーダ２３は、入力軸５２の軸中心に設けられた中空部５５に挿通された検出器支持体５６の基台側リンク部分に支持されている。この検出器支持体５６は、基台側リンク１から上記中空部５５の中心を通って先端側リンク２まで延び、この先端側リンク２に固定されている。このような検出器支持体５６により、基台側リンク１内に、先端側リンク２に筐体２１が固定された第二エンコーダ２３が配置されている。この検出器支持体５６に支持された第二エンコーダ２３は、検出部２２のギア２５が入力軸５２のギア５１と噛合するギア機構５７によって連結されており、駆動モータ１１に設けられた第一エンコーダ１２と同一の分解能で角度情報を検出することができる。

従って、この第２実施の形態によっても、第二エンコーダ２３によって検出された角度情報と、第一エンコーダ１２によって検出された角度情報とに基いて、先端側リンク２の弾性変形量（たわみ）等を演算で正確に求めることができ、その高分解能で演算された両エンコーダ１２，２３の角度情報の差（たわみ量）を考慮して駆動モータ１１を駆動制御することにより、先端側リンク２におけるたわみ補正等を高精度で正確に行うことができる。

また、この第２実施の形態では、減速機５の入力軸５２の軸中心を中空構造とし、その中空部５５を検出器支持体５６が通るようにする必要があるが、入力軸５２を短くできるとともに、入力軸５２の先端側リンク２にギア２６を設ける必要がなくなり、先端側リンク２における構成を簡略化することができる。

以上のように、上記ロボット装置６，７によれば、高減速比の減速機５を用いているため、基台側リンク１の第一エンコーダ１２と先端側リンク２の第二エンコーダ２３との両方によってそれぞれのリンク１，２の角度情報を高分解能で検出することができるので、それらの検出値から関節部３における弾性変形量を高精度で演算し、その演算結果に基いて駆動モータ１１を高精度で制御することができる。従って、関節部３におけるたわみ補正や力制御、剛性制御等を高精度で実施することができる。

しかも、入力軸５２の回転角度を、ギア２５，５１，２６を介して検出したとしても、ギア２５，５１，２６のバックラッシュ量に対して、上記θ１、θ２、θｓの値は大きく、その影響は小さい。例えば、バックラッシュ量１°、減速比Ｒｇ＝１００、弾性変形の最大値θｓ＝１°とすれば、フルストロークに対して、１％の誤差で済む。そのため、角度検出器を廉価な低分解能のエンコーダとするとともに、その駆動系を簡単な構成としてコストの低減を図ることができる。

また、各種力制御を実施する場合には、事前に負荷トルクと弾性変形の関係を求めておけば、上記で算出される弾性変形量θｓの値から負荷トルクを容易に推定することができる。そのため、電磁ノイズや衝撃負荷に脆弱な歪みゲージ式のトルクセンサを必要とせず、低コストでコンパクトな構成で、信頼性の高いシステムを実現することができる。

このように、上記ロボット装置６，７によれば、重量物の搬送時のたわみ補正、高速動作時のねじれ補正、人間協動時の衝突衝撃緩和、人手主導のダイレクトティーチ、触覚機能を要する倣い組立作業（例えば、穴の中に棒を挿入する作業であるペグ・イン・ホール等）が、低コストで、高性能な分解能による高信頼性を保って実現することができる。

なお、上記実施の形態では、第二エンコーダ２３によって検出された角度情報と、第一エンコーダ１２によって検出された角度情報とに基いて、駆動モータ１１を制御する例を説明したが、第二エンコーダ２３の角度情報に基いて駆動モータ１１をフィードバック制御しても、減速機５におけるたわみの影響を受けずに先端側リンク２の位置を高精度で制御することができる。第二エンコーダ２３の情報のみか、第一エンコーダ１２の情報も含めて制御するかは、ロボット装置６，７の構成等に応じて決定すればよい。

また、上記実施の形態では、高減速比の減速機５としてシルクハット型のハーモニックドライブ（R）を例に説明したが、高減速比の減速機５としては、入力軸５２の回転を、この入力軸５２と同一軸線方向に配置された出力軸５４から取り出せる形式の減速機５であれば同様であり、例えば、サイクロ減速機等でもよく、シルクハット型のハーモニックドライブ（R）に限定されるものではない。

さらに、上記実施の形態では、第一エンコーダ１２及び第二エンコーダ２３によって高分解能で角度情報を検出できる高減速比の減速機５を例に説明したが、減速比は「１」より大きければよく、高減速比に限定されるものではない。

また、上記実施の形態では、基台側リンク１（第一リンク）と先端側リンク２（第二リンク）との関節部３を例に説明したが、他の関節部であっても同様に実施することはでき、関節部の構成は上記実施の形態に限定されるものではない。

さらに、上述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明に係るロボット装置は、正確な精度でたわみ等を検出して関節部を制御したい多関節ロボット等に広範に利用され、人と共存する環境で動作する人間協動型ロボット等に有効である。

１基台側リンク（第一リンク）
２先端側リンク（第二リンク）
３関節部
５減速機
６ロボット装置
７ロボット装置
１１駆動モータ
１２第一エンコーダ
１３駆動軸
１４ギア
１５仕切壁
２２検出部
２３第二エンコーダ
２４ギア機構
２５ギア
２６ギア
５１ギア
５２入力軸（ウェーブジェネレイタ）
５３固定軸（フレックススプライン）
５４出力軸（サーキュラスプライン）
５５中空部
５６検出器支持体
５７ギア機構

Claims

第一リンクに備えた駆動モータを駆動制御する制御装置と、該駆動モータの動力を入力軸、固定軸、出力軸の３要素を有する減速機を介して第二リンクに伝達する関節部とを備えたロボット装置であって、
前記関節部は、前記第一リンクに筐体が固定され、検出部で前記減速機の入力軸の角度情報を検出する第一角度検出器と、前記第二リンクに筐体が固定され、検出部で前記減速機の入力軸の角度情報を検出する第二角度検出器とを備え、
前記制御装置は、前記第二角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報とともに、前記第一角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報に基いて第二リンクの弾性変形量を演算して前記駆動モータを駆動制御するよう構成されていることを特徴とするロボット装置。
前記第一角度検出器又は前記第二角度検出器は、前記入力軸とギア機構を介して接続されている請求項１に記載のロボット装置。
前記入力軸は中空部を有し、
前記第二角度検出器は、前記第一リンクから前記入力軸の中空部を介して前記第二リンクまで延びて該第二リンクに固定された検出器支持体の第一リンク部分に支持されている請求項１又は２に記載のロボット装置。
前記第一リンクは基台側リンクであり、前記第二リンクは先端側リンクである請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット装置。
前記制御装置は、前記第一角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報と、前記第二角度検出器で検出した前記入力軸の角度情報とに基いて前記関節部に作用する負荷トルクを算出して前記駆動モータを制御する機能を備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボット装置。