JP5966320B2 - 駆動装置、ロボット装置及び駆動方法 - Google Patents
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Description
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る一例としての駆動装置10の構成を示す構成図である。
図1に示すように、本実施形態の駆動装置10は、ロボット装置90に備えられており、ロボット装置90のアーム部(アーム)91を駆動する。アーム部91は、被移動物体WKを移動させる。アーム部91は、複数のリンク部(リンク)で構成され、本実施形態においては、第1リンク部91a及び第2リンク部91bを備えている。なお、本実施形態におけるロボット装置90は、例えば、複数のリンク部(例、第1リンク部91a及び第2リンク部91b)を備える多軸(例、6軸)の多関節ロボット装置などに適用することが可能である。
第1リンク部91aは、一端が関節部94(本実施形態においては、第1関節部94a)を介してロボット装置90の台座部93に連結されており、他端が関節部94(本実施形態においては、第2関節部94b)を介して第2リンク部91bの一端に連結されている。
第2リンク部91bは、一端が関節部94(本実施形態においては、第2関節部94b)を介して第1リンク部91aに連結されており、他端に被移動物体に接触可能な手先部92と、手先部92に加わる力を検出する検出部30(本実施形態においては、30c)とを備えている。
手先部92は、被移動物体WKを、例えば把持し又は押圧して被移動物体WKを移動させる。
検出部30(本実施形態においては、検出部30c)は、被移動物体WKからアーム部91(又はリンク部)に与えられる力Fを検出する。また、検出部30は、例えば力センサであって、第2リンク部91bの端部(先端部)である手先部92の取り付け部に備えられる。検出部30は、例えば、手先部92が被移動物体WKを把持したり押圧したりすることによって手先部92に与えられる力Fを検出する。
このように、本実施形態のロボット装置90は、台座部93、第1関節部94a、第1リンク部91a、第2関節部94b、第2リンク部91bの順に連結されている。ロボット装置90は、第2リンク部91bの先端部に備えられる手先部92によって、被移動物体WKを移動させる。
駆動部20(駆動部20a及び駆動部20b)は、被移動物体WKを移動させるアーム部91(第1リンク部91a及び第2リンク部91b)を駆動する駆動力を発生する。本実施形態においては、駆動部20aは、第1リンク部91aを駆動する駆動力を発生する。また、駆動部20bは、第2リンク部91bを駆動する駆動力を発生する。
トルク制限部50は、アーム部91の関節部94(本実施形態においては第1関節部94a及び第2関節部94b)に備えられ、駆動部20(本実施形態においては、駆動部20a及び駆動部20b)によって発生された駆動力を駆動部20からアーム部91(本実施形態においては、第1リンク部91a及び第2リンク部91b)に伝達するとともに、アーム部91(本実施形態においては、第1リンク部91a及び第2リンク部91b)に伝達されるトルク(駆動力)の許容値が可変であって、アーム部91(本実施形態においては、第1リンク部91a及び第2リンク部91b)に伝達されるトルクの許容値に基づいて制限する。
制御部60は、被移動物体WK(被移動部)からアーム部91(第1リンク部91a及び第2リンク部91b)に与えられる力に基づいてトルクの許容値を算出する。ここで、制御部60は、検出部30(検出部30c)によって検出されたアーム部91(第1リンク部91a及び第2リンク部91b)に与えられる力に基づいて許容値を算出する。
図2は、第2関節部94bの構成の一例を示す図である。
第2関節部94bは、第1リンク部91aと第2リンク部91bとを連結している。
第1リンク部91aは、駆動部20bを備えている。
駆動部20bは、例えばモータなどの電動機22bと、電動機22bが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸21(本実施形態においては、駆動軸21b)とを備えている。
駆動軸21bは、第1リンク部91aが備える軸受95b−1、軸受95b−2及び軸受95b−5を貫通しており、第2リンク部91bが備える軸受95b−3及び軸受95b−4に接続されている。つまり、第2リンク部91bは、駆動軸21bが回転することによって、駆動軸21bを中心にして回転する。
電動機22bは、第1リンク部91aが備える軸受95b−5に取り付けられており、後述する上位装置80から供給されるトルク指令値に基づいたトルクによって駆動軸21bを回転させる。
第1関節部94aは、台座部93と第1リンク部91aとを連結している。
台座部93は、駆動部20aを備えている。
駆動部20aは、例えばモータなどの電動機22aと、電動機22aが発生させた駆動力の出力軸としての駆動軸21(本実施形態においては、駆動軸21a)とを備えている。
電動機22aは、台座部93の軸受95a−5に取り付けられ、後述する上位装置80から供給されるトルク指令値に基づいた駆動力によって駆動軸21aを回転させる。
駆動軸21aは、拡径部24aを備えており、台座部93の軸受95a−1及び軸受95a−2と、第1リンク部91aの軸受95a−3及び軸受95a−4と、被駆動軸23aとを貫通している。
被駆動軸23aは、第1リンク部91aの軸受95a−4に接続されており、軸受95a−4とともに回転する。つまり、第1リンク部91aは、被駆動軸23aが回転することによって、被駆動軸23aを中心にして回転する。
トルク制限部50は、駆動素子51と、ベルト部52とを備えている。
駆動素子51は、一端が第1リンク部91aに接続され、他端がベルト部52の一端に接続されており、制御部60から出力される制御信号により変形することによってベルト部52の張力を変化させる。
ベルト部52は、駆動軸21aの拡径部24aと被駆動軸23aとに対して接触可能にされて(例えば、巻きかけられて)おり、例えば張力に対応する許容値によって駆動軸21aの駆動力を被駆動軸23aに伝達する。つまり、駆動軸21aの拡径部24aから被駆動軸23aに伝達されるトルクの許容値は、トルク制限部50が備えるベルト部52の、例えば張力によって設定される。
図4は、トルク制限部50の構成を示す断面図である。
ベルト部52は、その端部(第一端部52a、第二端部52b)が、拡径部24a及び被駆動軸23aの周方向の基準位置Pを挟むように所定の隙間を空けて対向して配置されている。また、ベルト部52の形状は、例えば、帯状又は線状などである。
図5は、本実施形態におけるトルク(駆動力)の伝達経路の一例を示す断面図である。
まず、電動機22aは、所定の駆動力を発生させて、発生させた駆動力によって駆動軸21aを回転させる。この駆動軸21aの駆動力は、拡径部24aと、トルク制限部50のベルト部52との間に生じる摩擦力によって、ベルト部52に伝達される(図5のTq1)。次に、ベルト部52の駆動力(トルク)は、ベルト部52と、被駆動軸23aとの間に生じる摩擦力によって、被駆動軸23aに伝達される(図5のTq2)。このようにして、電動機22aによって発生された駆動力は、被駆動軸23aに伝達される。上述したように、電動機22aは、台座部93の軸受95a−5に固定されており、被駆動軸23aは、第1リンク部91aの軸受95a−4に固定されている。この駆動力によって、第1リンク部91aは、台座部93を基準にして回転される。
図7は、制御部60の構成の一例を示すブロック図である。
上述したように、本実施形態のロボット装置90は、上位装置80に接続されており、上位装置80が備えるトルク指令部83から、駆動部20の電動機22にトルク指令値が供給される。上位装置80のトルク指令部83は、手先位置設定部84が設定した手先部92の位置座標Xに基づいて、駆動部20の電動機22に供給するトルク指令値を算出する。電動機22の駆動軸21(駆動軸21a、駆動軸21b)は、トルク制限部50を介してリンク部の被駆動軸23(被駆動軸23a、被駆動軸23b)に、電動機22によって発生されたトルクを伝達する。手先部92は、アーム部91によって移動される。検出部30は、被移動物体WKからリンク部に与えられる力を検出する。
取得部61は、検出部30(本実施形態においては検出部30c)によって検出された被移動物体WKからリンク部に与えられる力Fを、検出部30から取得する。また、取得部は、上位装置80の手先位置設定部84が設定した手先部92の位置座標Xを、手先位置設定部84から取得する。
算出部62は、取得部61によって取得された力Fと、位置座標Xとに基づいて、駆動部20からリンク部(第1リンク部91aや第2リンク部91b)に伝達されるトルクτの許容値を算出する。また、算出部62は、算出したトルクτの許容値に基づいた駆動素子51の駆動電圧、トルク制限部50に出力する。
記憶部64には、トルクτの許容値と、駆動素子51の駆動電圧とが関連付けられて予め記憶されている。
本実施形態の算出部62は、取得部61が取得した手先部92に与えられる力Fと、手先部92の位置座標Xとに基づいて、駆動部20から第1リンク部91aに伝達される駆動力(トルクτ)の許容値を算出する。このとき、制御部60は、被移動物体WKからアーム部91を構成するリンク部に与えられる力Fと所定の係数とに基づいて、駆動力の許容値を算出する。ここで、所定の係数は、例えば、リンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、1.2が予め設定されている。例えば、算出部62は、上述したように求めた各関節部94に発生するトルクτに、所定の係数(例えば、1.2)を乗じて、駆動力の許容値を算出する。このようにして、制御部60は、リンク部に与えられる力Fに基づいて駆動力の許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部60は、リンク部(ひいてはアーム部91)の姿勢に対応した各関節部94に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部60は、リンク部(ひいてはアーム部91)の姿勢が変化しても、各関節部94に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
図8は、制御部60が許容値を算出する手順の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部60は、ロボット装置90が備えるアーム部91を構成するリンク部のうち被移動物体WKに接触可能で被移動物体WKを移動させる手先部92に与えられる力Fを算出する(ステップS110)。本実施形態において、制御部60の取得部61は、検出部30(本実施形態においては検出部30c)によって検出された被移動物体WKからリンク部に与えられる力Fを、算出すべき力Fとして検出部30から取得する。本実施形態の検出部30cは、手先部92に与えられる力Fを検出する。
図9は、本実施形態における手先部92の位置に基づいて許容値を設定する、駆動装置10の構成の一例を示すブロック図である。
この場合、制御部60の算出部62は、上述した所定の係数に代えて、被移動物体WKからリンク部に与えられる力Fと、手先位置設定部84から取得された手先部92の位置座標Xと、手先位置検出部85から取得された手先部92の位置座標X2とに基づいて、トルクの許容値を算出してもよい。この場合、例えば、算出部62は、手先位置設定部84から取得された手先部92の位置座標Xと、手先位置検出部85から取得された手先部92の位置座標X2とに基づいて、手先部92の位置座標X2の目標位置(すなわち位置座標X)からの誤差(すなわち、位置座標X2と位置座標Xとの差)を算出する。ここで、手先位置検出部85は、例えば各関節部94に備えるエンコーダなどの角度検出センサによって、各関節部94におけるリンク部(第1リンク部91aや第2リンク部91b)の角度を取得し、取得した各関節部94におけるリンク部の角度に基づいて手先部92の位置を検出してもよい。
図10は、本実施形態における複数の関節部94に検出部30を備える駆動装置10の構成の一例を示す構成図である。
この場合、上記の(式3)〜(式5)によれば、各関節部94に発生するトルクτと手先部92の位置座標Xとから、手先部92に与えられる力Fとを求めることができる。つまり、算出部62は、各関節部94に発生するトルクτに基づいて、手先部92に与えられる力Fを求めることができる。このようにして本実施形態の駆動装置10は、求めた手先部92に与えられる力Fに例えば所定の係数を演算して(乗じて)各関節部94に発生するトルクの許容値を求めることができる。これにより、本実施形態の駆動装置10は、手先部92に与えられる力Fを検出する例えば力センサがなくても、各関節部94の駆動部20が備える例えばトルクセンサによって、許容値を設定することができる。
次に、図11を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。なお、第1の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図11は、本発明の第2の実施形態に係る一例としてのロボット装置90の構成を示すブロック図である。
図11に示すように、本実施形態の駆動装置10の制御部60は、推定部63を備えている。推定部63は、上位装置80のトルク指令部83からトルク指令値を取得し、関節角検出部86から、関節角検出部86が検出した各関節部94の関節角を取得する。そして、推定部63は、これら取得したトルク指令値及び各関節角を入力にして構成する、リンク部(第1リンク部91aや第2リンク部91b)に与えられる力を推定する外乱オブザーバ(オブザーバ)によって推定された力に基づいて許容値を算出する。
この(式6)を状態方程式によって表すと、例えば、(式7)になる。
算出部62は、時刻Nにおける変動トルクτdNから、手先部92の負荷推定値FNハットを次の(式16)によって求める。
ここで、時刻Nにおける手先部92の負荷推定値FNハットのx方向成分をF1、y方向成分をF2、z方向成分をF3とすれば(式17)によって示される。
また、本実施形態におけるロボット装置90は、作業者などの物体をリンク部やアーム部によって挟み込んでしまう場合に対して安全に作用することが可能である。例えば、ロボット装置90がワークなどの被移動物体を鉛直方向に降ろす時に作業者がワークの下側で挟まれた場合、位置座標X2と位置座標Xとの差(手先部92の位置誤差)が負荷の力の方向と逆の方向であるため、上記したように(式18)に基づいて手先部92の負荷許容値SN+1が小さくなる。したがって、ロボット装置90は、(式19)により設定値TLN+1は更に小さくなり、駆動軸21aと被駆動軸23aとに相対的な変位が生じる(例、駆動軸21aが空回りする)ことによって作業者を挟む力が小さくなるため、安全に作用することが可能となる。
次に、図12を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。なお、第1の実施形態及び第2の実施形態において説明した構成及び動作と同一の構成及び動作は、説明を省略する。
図12は、本発明の第3の実施形態に係る一例としてのロボット装置90の構成を示す構成図である。
例えば、本実施形態の算出部62は、取得部61が取得した手先部92に与えられる力Fと、手先部92の位置座標Xとに基づいて、駆動部20(駆動部20a)から第1リンク部91aに伝達されるトルクの許容値と、駆動部20(駆動部20b)から第2リンク部91bに伝達されるトルクの許容値とを算出する。このとき、制御部60は、被移動物体WKから第1リンク部91aに与えられる力F1と所定の係数とに基づいて、駆動部20aから第1リンク部91aに伝達されるトルクの許容値を算出する。また、制御部60は、被移動物体WKから第2リンク部91bに与えられる力F2と所定の係数とに基づいて、駆動部20bから第2リンク部91bに伝達されるトルクの許容値を算出する。ここで、所定の係数は、上述したように、例えばリンク部が衝突した場合の衝撃力の許容値に基づいて設定される係数であって、例えば、1.2が予め設定されている。例えば、算出部62は、上述したように求めた各関節部94(第1関節部94a、第2関節部94b)に発生するトルクτ(トルクτa、トルクτb)に、所定の係数(例えば、1.2)を乗じて、トルクの許容値を算出する。このようにして、制御部60は、リンク部に与えられる力Fに基づいてトルクの許容値を算出する。このことにより、本実施形態の制御部60は、リンク部(ひいてはアーム部91)の姿勢に対応した各関節部94に発生するトルクτの許容値を求めることができる。つまり、制御部60は、アーム部91の姿勢が変化しても、各関節部94に発生するトルクτの許容値を求めることができるため、正確に許容値を設定することができる。
なお、上記の各実施形態におけるロボット装置90は、各関節部94に発生するトルクの許容値を求める手段を有するため、予め記憶されたトルクの許容値を用いることが困難であるような場合(例、重さや形状が常に一定でない被移動物体に対してロボット装置90を力制御する場合、や複数台のロボット装置90を非同期で協調させて動作させる場合、など)であっても、安全に正確に動作させることができる。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
Claims (16)
- 被移動物体を移動させるアーム部を駆動する駆動装置であって、
前記アーム部を構成するリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力と、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部の位置と、演算の重みを示す第1所定値とに基づいて、前記手先部の位置に応じた前記駆動力の前記許容値を算出する制御部と
を備えることを特徴とする駆動装置。 - 前記制御部は、
前記関節部が複数ある場合に、前記手先部に与えられる力に基づいて、前記関節部毎に生じる力を算出することにより、前記許容値を算出する
請求項1に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記関節部が複数ある場合に、前記関節部毎に前記駆動部によって発生された前記駆動力のそれぞれに対して、前記手先部の位置の誤差に応じた重みを示す第2所定値を乗じて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記手先部に与えられる力と、前記手先部の位置とに基づいて、前記関節部に発生するトルクを算出する
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記アーム部は複数の前記関節部を備え、
前記複数の関節部に前記トルク制限部が配置され、
前記制御部は、前記手先部に与えられる力に基づいて、前記複数の関節部が有する前記
トルク制限部ごとに前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記手先部の目標の位置と前記手先部の実際の位置との差に応じて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力と所定の係数とに基づいて、前記駆動力の許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記リンク部に与えられる力を推定するオブザーバによって推定された力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記被移動物体から前記リンク部に与えられる力を検出する検出部を備え、
前記制御部は、
前記検出部によって検出された前記リンク部に与えられる力に基づいて前記許容値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記検出部は、前記リンク部を駆動する駆動軸に生じるトルクを検出する
ことを特徴とする請求項10に記載の駆動装置。 - 請求項1から請求項11のうちいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記アーム部と、
を備えることを特徴とするロボット装置。 - 被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動部によって発生された前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部に与えられる力と、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部の位置と、演算の重みを示す第1所定値とに基づいて算出した、前記手先部の位置に応じた前記許容値を前記トルク制限部に設定する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。 - 前記制御部は、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力に基づいて、前記駆動部から前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値を算出することを特徴とする請求項13に記載のロボット装置。
- 被移動物体を移動させるアーム部と、
前記アーム部のうちのリンク部を駆動する駆動力を発生する駆動部と、
前記アーム部における複数の関節部に配置され、前記駆動力を前記駆動部から前記リンク部に伝達するとともに、前記リンク部に伝達される前記駆動力の許容値が可変であって、前記リンク部に伝達される前記駆動力を前記許容値に基づいて制限するトルク制限部と、
前記リンク部の手先部に与えられる力を算出する手段と、算出された前記手先部に与えられる力と、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部の位置と、演算の重みを示す第1所定値とをもとに、前記手先部の位置に応じた前記許容値を前記関節部ごとに算出する手段と、を有する制御部と
を備えることを特徴とするロボット装置。 - ロボット装置が備えるアーム部を構成するリンク部のうち被移動物体に接触可能な手先部に与えられる力を算出する第1ステップと、
前記第1ステップにおいて算出された当該力と、前記リンク部のうちの前記被移動物体に接触可能な手先部の位置と、演算の重みを示す第1所定値とに基づいて、前記手先部が前記被移動物体から与えられることが許容される力の最大値を算出する第2ステップと、
前記第2ステップにおいて算出された当該最大値に基づいて、前記アーム部の関節部に配置されるトルク制限部における、前記手先部の位置に応じた駆動力の許容値を算出する第3ステップと、
を有することを特徴とするトルク制限部における許容値の算出方法。
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