JP6466536B1 - パラレルリンク機構を用いた作業装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなリンク作動装置の先端にエンドエフェクタを搭載し、エンドエフェクタが作業を行う作業空間上の複数の作業点を連続的に移動させる際の制御方法として、特許文献2に示される構成が提案されている。
また、特許文献2に示されるようなリンク作動装置と直動機構を組み合わせた特許文献3に示される構成が提案されている。
また、複数のエンドエフェクタの作業点を連続的に等速で移動させていく場合に、経路の途中に、先端位置の移動量が微小で姿勢だけを大きく変更する区間が存在する場合があるが、このような場合に、先端位置の速度を指令するのでは、その区間では移動時間が短くなることで、多関節ロボットの特異姿勢のように作業装置全体が急に高速で動きだし、モータが破損するだけでなく、作業者に危害を与える可能性がある。
前記先端側のリンクハブ13に取付けられたエンドエフェクタ6と、
前記リンク作動装置7と組み合わせられて前記エンドエフェクタ6の作業点Pと前記リンク作動装置7の基準位置とを相対的に変更する1軸以上の組み合わせ側のアクチュエータ71〜73,85〜87,95〜97と、
前記姿勢制御用のアクチュエータ11および前記組み合わせ側のアクチュエータ71〜73,85〜87,95〜97を制御する制御装置2とを備えたパラレルリンク機構10を用いた作業装置であって、
前記制御装置2は、
前記エンドエフェクタ6が作業する作業空間上の各作業点Pi(i=0,1,2,…)の座標である複数の作業座標(XPi,YPi,ZPi)を記憶しておく記憶部3と、
この記憶部3に記憶された前記作業座標(XPi,YPi,ZPi)から、前記各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動量および作業座標((XPi,YPi,ZPi)間の距離を計算、さらに所定の目標速度を用いて前記各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動速度とを計算し、計算された前記各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動量および移動速度で前記各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97を動作させる制御部4とを有し、
前記記憶部3に、前記目標速度として、前記作業座標(XPi,YPi,ZPi)間を連続的に等速で移動するために設定する所定の作業点移動速度と、前記エンドエフェクタ6の姿勢を所定の角速度で変更するために設定する姿勢変更速度とを記憶し、
前記制御部4は、前記目標速度を、前記作業点移動速度と前記姿勢変更速度とに切り替える切替え機能部4aを有する。
なお、前記「作業点移動速度」および「姿勢変更速度」は、設計により任意に定められる値である。
この過程で、エンドエフェクタ6の作業点Pが変化せず(P=Q)、パラレルリンク機構10の姿勢が変更される(A≠Bとなる)場合に、所定の角速度である前記姿勢変更速度で姿勢を変更するように、前記パラレルリンク機構10の持つアクチュエータ11と前記組み合わせ側のアクチュエータ71〜73,85〜87,95〜97の移動量を制御する。
具体的には、∠APB(=∠AQB)とオペレータが予め設定する姿勢変更速度から姿勢変更にかかる時間(1) を計算し、姿勢Aから姿勢Bに姿勢変更(同時に位置Cから位置Dへ移動)する際の各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動量(2) をそれぞれ求め、各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動速度を計算する。(移動速度=移動量÷時間=(2) ÷(1) )
これにより、エンドエフェクタ6の複数の作業点Pを連続的に移動させる途中に、エンドエフェクタ6の作業点Pが移動せず、エンドエフェクタ6の姿勢のみが変更される区間が存在する場合でも各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動速度を制御できる。
ここで、エンドエフェクタ6の作業点Pが移動しないもしくは移動が微小であるとは、エンドエフェクタ6の作業点Pの移動距離が、予め規定しておいた前記「移動距離閾値」の範囲内であるかどうかで判断する。
エンドエフェクタ6の作業点Pの移動が微小で、かつエンドエフェクタ6の姿勢を大きく変更する場合、エンドエフェクタ6の作業点Pを連続的に移動する際の所定の目標速度(前記「作業点移動速度」)で動作させようとすると、エンドエフェクタ6の姿勢を変更するための速度が過大となってしまい、作業装置全体が急に高速で動く恐れがある。しかし、この移動距離閾値を用いて作業点移動速度から姿勢変更速度に自動で切り替えることで、経験が浅い作業者でも作業装置全体が急に高速で動くことを防止できる。
すなわち、作業点移動速度から姿勢変更速度に自動で切り替える方法として、作業点移動速度から計算した各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の移動速度が各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97の定格速度を超えてしまう場合に、自動で切り替えるようにしてもよい。これにより、作業装置1の全体が急に高速で動くことを防止するだけでなく、各アクチュエータ11,71〜73,85〜87,95〜97が破損することを防止できる。
部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を変更させる姿勢制御用のアクチュエータが設けられたリンク作動装置と、前記先端側のリンクハブに取付けられたエンドエフェクタと、前記リンク作動装置と組み合わせられて前記エンドエフェクタの作業点と前記リンク作動装置の基準位置とを相対的に変更する1軸以上の組み合わせ側のアクチュエータと、前記姿勢制御用のアクチュエータおよび前記組み合わせ側のアクチュエータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記エンドエフェクタが作業する作業空間上の各作業点の座標である複数の作業座標を記憶しておく記憶部と、この記憶部に記憶された前記作業座標から、前記各アクチュエータの移動量および作業座標間の距離を計算し、さらに所定の目標速度を用いて前記各アクチュエータの移動速度を計算し、計算された前記各アクチュエータの移動量および移動速度で前記各アクチュエータを動作させる制御部とを有し、前記記憶部に、前記目標速度として、前記作業座標間を連続的に等速で移動するために設定する所定の作業点移動速度と、前記エンドエフェクタの姿勢を所定の角速度で変更するために設定する姿勢変更速度とを記憶し、前記制御部は、前記目標速度を、前記作業点移動速度と前記姿勢変更速度とに切り替える切替え機能部を有するため、エンドエフェクタの作業点が移動せず、エンドエフェクタの姿勢のみが変更される場合や、エンドエフェクタの作業点の移動が微小で、かつエンドエフェクタの姿勢を大きく変更する場合でも、作業装置全体が急に高速で動くことを防止でき、作業経験が少ない作業者でも安心して扱うことができる。また、アクチュエータの破損も防止できる。
〔第1の実施形態〕
図1〜図4、および図14〜18は、この発明の第1の実施形態を示す。このパラレルリンク機構を用いた作業装置1は、パラレルリンク機構10およびその姿勢制御用のアクチュエータ11(111,112,113)により構成されるリンク作動装置7と、このリンク作動装置7と組み合わせられる組み合わせ機構70を構成する1軸の組み合わせ側のアクチュエータ71と、エンドエフェクタ6と、制御装置2とを備える。前記姿勢制御用のアクチュエータ11は、図1では模式的に示している。
条件1:各リンク機構14におけるリンクハブ12,13と端部リンク部材15,16との回転対偶の中心軸O1の角度および長さが互いに等しい。
条件2:リンクハブ12,13と端部リンク部材15,16との回転対偶の中心軸O1および端部リンク部材15,16と中央リンク部材17との回転対偶の中心軸O2が、基端側および先端側において球面リンク中心PA,PBで交差する。
条件3:基端側の端部リンク部材15と先端側の端部リンク部材16の幾何学的形状が等しい。
条件4:中央リンク部材17における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件5:中央リンク部材17の対称面に対して、中央リンク部材17と端部リンク部材15,16との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。
エンドエフェクタ6は、同図の例では、先端側のリンクハブ13に中心軸QBに沿って突出して設けられ、先端が作業点Pとなる装置、例えば塗布ノズルとされている。エンドエフェクタ6は、作業点Pがこのエンドエフェクタ6の先端から中心軸QBの延長方向に離れていてもよい。
作業点移動速度は、エンドエフェクタ6が作業する作業空間S上の前記座標(XPi,YPi,ZPi)を連続的に等速で移動するために設定する所定の目標速度であり、任意の値に設定される。
姿勢変更速度は、前記エンドエフェクタ6の姿勢を所定の速度で変更するために設定する所定の目標角速度であり、任意の値に設定される。
また、切替え機能部4aは、前記目標速度を、前記作業点移動速度から計算した前記各アクチュエータ11,71の移動速度のうちの少なくとも一つが判断基準速度として定められた速度閾値を上回ると言う速度条件を満足する場合は前記姿勢変更速度とし、前記速度条件を満足しない場合は前記作業点移動速度とするようにしてもよい。
図1は、リンク作動装置7と前記他の直動1軸のアクチュエータ71とを組み合わせたときの構成例である。この構成において、リンク作動装置7の姿勢A(θa ,φa )のときの姿勢変更用の3つの各アクチュエータ11(111,112,113)の位置を(β1a,β2a,β3a)とする。また、前記組み合わせ側のアクチュエータ71の位置C(図2参照)における移動量をMcとする。このとき、リンク作動装置7の先端に配置したエンドエフェクタ6の作業点Pの作業空間Sにおける座標を(Xp,Yp,Zp)とする。
なお、説明の簡明のために、前記作業点Piのうちの任意の一つを「P」と称し、他の一つを「Q」と称して図上に示している。また、特にどの作業点Piであるかを特定しない場合において、単に「作業点P」と称することがある。
このときの座標移動距離L、所定の作業点移動速度をV1とすると、移動する際にかかる時間T1は次の(式1)で表せる。
図4において、判断基準となる所定の速度、つまり速度閾値を上回る速度で作業点を移動させるか否かを判断し(ステップR1)、条件を満足する場合は作業点移動速度を目標速度(ステップR2)とする。
この後、制御部4は、作業点移動距離から前記作業点移動速度で移動させる場合の時間を求め(ステップR3)、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を計算する(ステップR4)。
,71の移動速度を計算する(ステップR4)。
ここで、厳密には作業点Pと作業点Qが一致していなくても、(式1)に示す作業点Pと作業点Qの間の座標移動距離Lが所定の移動距離閾値Th_pos の範囲内にある場合、すなわち(式5)を満たす場合には、エンドエフェクタ6の作業点がPから移動しないとみなし、姿勢変更速度で各アクチュエータ111,112,113,71の速度を計算する。
L≦Th_pos ・・・(式5)
作業点移動距離Lを計算し(ステップU1)、作業点移動距離Lが移動距離閾値Th_pos 以下であるかを判断し(ステップU2)、条件満足の場合は姿勢変更速度を目標速度とする(ステップ3)。姿勢変更角度から、前記姿勢変更速度で動作させた場合の時間を求め(ステップU4)、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を計算する(ステップU5)。
作業点Pと作業点Qの間の座標移動距離L、所定の作業点移動速度V1、および各アクチュエータ111,112,113,71の移動量から計算された各アクチュエータ111,112,113,71のうちのいずれかのアクチュエータ111,112,113,71の移動速度が所定の速度閾値Th_vel を超える場合に、姿勢変更速度から各アクチュエータ111,112,113,71の速度を計算する。これにより、作業点Pと作業点Qの間の座標移動距離Lが所定の移動距離閾値Th_pos の範囲外であっても、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度が過大となることを防止することができる。仮に所定の速度閾値を各アクチュエータ111,112,113,71の定格速度とすれば、作業装置全体が急に高速で動くことを防止するだけでなく、アクチュエータの破損も防止できる。
作業点移動速度V1を目標速度とし(ステップW1)、作業点移動距離(座標移動距離L)から、前記作業点移動速度V1で動作した場合の時間を求め(ステップW2)、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度Vact を計算する(ステップW3)。
オペレータが操作することが可能な前記切替スイッチ5を前述のように設け、制御部4は、この切替スイッチ5により作業点移動速度と姿勢変更速度を任意に切り替え可能として、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を切り替えられるようにしてもよい。この場合に、作業点Piごとに切替スイッチ5による切り替えを可能として各作業点Piにおける切り替え結果を記憶するようにしてもよい。
これにより、作業点Piを連続的に移動する途中の区間でエンドエフェクタ6の姿勢を所定の角速度で変更したい場合にも、容易に変更できる。
ステップN1では所定の角速度で姿勢を変更させることが選択されているか、つまり切替スイッチ5で姿勢変更速度とすることが選択された切替状態となっているかを判断し、条件満足の場合は姿勢変更速度を目標速度とする(ステップN2)。姿勢変更角度から、姿勢変更速度で動作させた場合の時間を求め(ステップN3)、各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を計算する(ステップN4)。
ステップN1で姿勢変更速度とすることが選択されていないと判断された場合は、ステップN5に進み、作業点移動速度を目標速度とする。作業点移動距離から前記目標速度で動作させた場合の時間を求め(ステップN6)、各アクチュエータ111,112,113
,71の移動速度を計算する(ステップN4)。
以上の実施形態1〜4の作業装置1によると、次の作用、効果が得られる。
制御部4が、各姿勢制御用のアクチュエータ111,112,113の移動速度および前記組み合わせ側のアクチュエータ71の移動速度を計算するときに用いる目標速度を、作業点移動速度と姿勢変更速度とに切り替える切替え機能部4aを有するため、エンドエフェクタ6の作業点Pが移動せず、エンドエフェクタ6の姿勢のみが変更される場合でも各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を制御できる。
実施形態2のように予め移動距離閾値を規定しておき、作業点Pの移動距離が移動距離閾値の範囲内であるときには、作業点移動速度ではなく、姿勢変更速度から各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を求める場合は、エンドエフェクタ6の作業点Pの移動が微小で、かつエンドエフェクタ6の姿勢を大きく変更する場合でも、エンドエフェクタ6の姿勢を変更するための速度が過大とならず、作業装置1の全体が急に高速で動くことを防止できる。そのため、作業経験が少ない作業者でも安心して作業装置1を扱うことができる。
さらに、実施形態3のように作業点移動速度から計算した各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度がこれらのアクチュエータ111,112,113,71の定格速度を超えてしまう場合に、作業点移動速度からではなく、姿勢変更速度から各アクチュエータ111,112,113,71の移動速度を計算するようにした場合は、作業装置1の全体が急に高速で動くことを防止できるだけでなく、各アクチュエータ111,112,113,71の破損も防止できる。
また、実施形態4のように作業点移動速度から姿勢変更速度に自動で切り替える方法として、オペレータが任意で切り替えることのできる切替スイッチ5を設けることによって、エンドエフェクタ6の作業点Pの移動が移動距離閾値の範囲外であった場合にも姿勢変更速度へ変更可能とすることで、オペレータが任意で作業点移動速度と姿勢変更速度とを切り替えることができるようになり、作業点Pが連続的に移動する場合にも、ある区間において姿勢変更速度を一定として動作させることが可能となる。
図8は第5の実施形態を示す。第1の実施形態では、前記組み合わせ機構70が1軸の直動アクチュエータで構成された例につき説明したが、図8に示すように、直動型の2つのアクチュエータ71,72を直交配置した2軸の組み合わせ機構70Aを前記リンク作動装置7と組み合わせてもよい。この構成の作業装置1においても、第1の実施形態と同様に前記制御装置2を構成される。ただし、制御装置2は、組み合わせ機構70Aにおける各アクチュエータ71,72を取り扱う構成とされる。
図9はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、リンク作動装置7と組み合わせる組み合わせ機構80が垂直多関節ロボットである場合の例である。この組み合わせ機構80は、ベースユニット81上に上方へ垂直に延びる第1のアーム82が、垂直軸心回りに回転自在に設置され、第1のアクチュエータ85により回転させられる。第1のアーム82の先端に第2のアーム83が水平軸心回りに回動自在に設置され、第2のアクチュエータ86により回動させられる。第2のアーム83の先端に第3のアーム84が前記水平軸心と平行な水平軸心回りに回動自在に設置され、第3のアクチュエータ87により回動させられる。第3のアーム84の先端に前記リンク作動装置7が設置されている。前記第1ないし第3のアクチュエータ85〜87が、特許請求の範囲で言う組み合わせ側のアクチュエータである。
制御装置2は、第1の実施形態に係る作業装置1の制御装置2と同様の構成とされる。ただし、制御装置2は、組み合わせ機構80における各アクチュエータ85〜87を取り扱う構成とされる。
図10はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、リンク作動装置7と組み合わせる組み合わせ機構90が水平多関節ロボットである場合の例である。この組み合わせ機構90は、ベースユニット91上に上方へ垂直に延びる第1のアーム92が水平旋回自在に設置されている。第1のアーム92は上端に水平アーム部92aを有していて、その先端に第2のアーム93が垂直軸心回りに回転自在に設置されている。第2のアーム93は上端に水平アーム部93aを有し、先端に第3のアーム94が上下移動自在な直動機構として構成されている。第1のアーム92を旋回駆動するアクチュエータ95、第2のアーム93を旋回駆動するアクチュエータ95、および第3のアーム94を上下動させる直動アクチュエータ97が、それぞれリンク作動装置7に対する組み合わせ側のアクチュエータである。
図11はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、エンドエフェクタ6としてカメラ6Aおよびレンズ6Bをリンク作動装置7の先端に搭載した外観検査装置に適用した例である。リンク作動装置7は、3つの直動型のアクチュエータ71〜73が互いに直交して組み合わされた3次元型の組み合わせ機構70Bにおける第3の直動型のアクチュエータ73に搭載されている。
図12はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、作業装置1が、エンドエフェクタとしてエアーノズル6Cをリンク作動装置の先端に搭載した洗浄装置である場合を示す。リンク作動装置7と組み合わせる組み合わせ機構70Bは、この例では、図11と共に前述した直交する第1ないし第3の直動型のアクチュエータ71,72,73で構成されている。
洗浄装置に適用した場合、作業点は洗浄位置PWであり、エアーノズル6Cのノズル口6Caの軸上の規定の距離だけ離れた点となる。洗浄したいポイントである洗浄位置PWが固定であって複数の方向から洗浄する場合には、作業点移動速度ではなく姿勢変更速度を用いることで一定の速度での洗浄が可能となる。洗浄位置PWが移動する場合は、作業点移動速度とすることで効率的に洗浄できる。
図12はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、作業装置1が、エンドエフェクタとして把持機構6Mをリンク作動装置7の先端に搭載したマニピュレータとされた例である。把持機構6Mは、把持機構本体6Maから一対のチャック爪6Mb,6Mbが突出し、これらチャック爪6Mb,6Mbを駆動源(図示せず)の駆動により開閉させる構成である。リンク作動装置7と組み合わせる組み合わせ機構70Bは、この例では、図11と共に前述した直交する第1ないし第3の直動型のアクチュエータ71,72,73で構成されている。
このようなマニピュレータの場合、作業点は把持機構6Mの作用点PMとなる。ワークWを把持した状態で、作用点PMを中心にワークWを回転させる場合には、作業点移動速度ではなく姿勢変更速度を用いることで一定の速度での回転が可能となる。ワークWを移動させる場合は、作業点移動速度とすることで効率的に移動させることができる。
2…制御装置
3…記憶部
4…制御部
4a…切替え機能部
5…切替スイッチ
6…エンドエフェクタ
6A…カメラ(エンドエフェクタ)
6B…レンズエンドエフェクタ)
6C…エアーノズル(エンドエフェクタ)
6M…把持機構(エンドエフェクタ)
7…リンク作動装置
10…パラレルリンク機構
11,111,112,113…姿勢制御用アクチュエータ
12…基端側のリンクハブ
13…先端側のリンクハブ
14…リンク機構
15…基端側の端部リンク部材
16…先端側の端部リンク部材
17…中央リンク部材
70,70A,70B…組み合わせ機構
71,72,73…組み合わせ側のアクチュエータ
76…回転中心
80,90…組み合わせ機構
85〜87,95〜97…組み合わせて側のアクチュエータ
O…交点
O1…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
O2…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
Pi,P、Q…作業点
QA…基端側のリンクハブの中心軸
QB…先端側のリンクハブの中心軸
Claims (4)
- 基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、 前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を変更させる姿勢制御用のアクチュエータが設けられたリンク作動装置と、
前記先端側のリンクハブに取付けられたエンドエフェクタと、
前記リンク作動装置と組み合わせられて前記エンドエフェクタの作業点と前記リンク作動装置の基準位置とを相対的に変更する1軸以上の組み合わせ側のアクチュエータと、
前記姿勢制御用のアクチュエータおよび前記組み合わせ側のアクチュエータを制御する制御装置とを備えたリンク作動装置を用いた作業装置であって、
前記制御装置は、
前記エンドエフェクタが作業する作業空間上の各作業点の座標である複数の作業座標を記憶しておく記憶部と、
この記憶部に記憶された前記作業座標から、前記各アクチュエータの移動量および作業座標間の距離を計算し、さらに所定の目標速度を用いて前記各アクチュエータの移動速度を計算し、計算された前記各アクチュエータの移動量および移動速度で前記各アクチュエータを動作させる制御部とを有し、
前記記憶部に、前記目標速度として、前記作業座標間を連続的に等速で移動するために設定する所定の作業点移動速度と、前記エンドエフェクタの姿勢を所定の角速度で変更するために設定する姿勢変更速度とを記憶し、
前記制御部は、前記目標速度を、前記作業点移動速度と前記姿勢変更速度とに切り替える切替え機能部を有する、
パラレルリンク機構を用いた作業装置。 - 請求項1に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記切替え機能部は、前記目標速度を、前記エンドエフェクタの移動距離が移動距離閾値を上回る場合は前記作業点移動速度とし、前記移動距離閾値を下回る場合は前記姿勢変更速度とするパラレルリンク機構を用いた作業装置。
- 請求項1に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記切替え機能部は、前記目標速度を、前記作業点移動速度から計算した前記各アクチュエータの移動速度のうちの少なくとも一つが速度閾値を上回ると言う速度条件を満足する場合は前記姿勢変更速度とし、前記速度条件を満足しない場合は前記作業点移動速度とするパラレルリンク機構を用いた作業装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記目標速度として前記作業点移動速度と前記姿勢変更速度とをオペレータの操作で任意に切り替え可能とする切替スイッチを有するパラレルリンク機構を用いた作業装置。
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