JP6572439B2

JP6572439B2 - 作業装置および作業装置における作業方法

Info

Publication number: JP6572439B2
Application number: JP2015245854A
Authority: JP
Inventors: 高野　健; 健高野; 悟木村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: US20170173792A1; US10259115B2; CN106891321B; JP2017109270A; CN106891321A

Description

本発明は、複数のリンク機構によって移動する可動部に装着されたエンドエフェクタによって作業を行う作業装置及び作業装置における作業方法に関するものである。

産業用途に用いられる作業装置として、部品把持ツールなどのエンドエフェクタが装着された可動部を複数のリンク機構によって駆動する構成のパラレルリンクロボットが知られている。このパラレルリンクロボットでは、機構構成の特性に起因してリンク機構を駆動するモータの回転位置を示す軸座標と可動部の空間位置との対応関係を直感的に把握することが困難である。このため、パラレルリンクロボットの稼働時において可動部が機械的な干渉を生じることなく安全に移動することができる可動範囲を、モータの回転位置を示す軸座標と関連付けて画定して、可動領域データとして記憶させておくことが行われる（例えば特許文献１，２参照）。

特許文献１に示す先行技術では、可動部の動作が許容される可動領域を予め円柱形に画定して記憶させておき、動作中における位置検出部の検出信号に基づき現在位置・姿勢を演算して、記憶された可動領域と比較することにより、干渉または制御不能の事態に対処するようにしている。また特許文献２に示す先行技術では、ロボットの構成に基づいて画定される構造上の可動領域を示す第１可動範囲に加えて、さらに安全側に第１可動範囲よりも小さい第２可動範囲を予め設定しておき、現在位置が第２可動範囲を外れた場合には警告を行う例が記載されている。

特開２００３−２５２６３号公報特開２０１４−２１７９１３号公報

しかしながら上述の先行技術を含め、従来技術においては可動部の機械的な干渉を有効に防止する上で、以下のような課題があった。すなわち、パラレルリンクロボットのリンク機構では、複数の軸廻りの回転を伝達するユニバーサルジョイントが複数箇所に用いられており、可動部にはこれらのユニバーサルジョイントが屈曲することにより動作が伝達される。ところが上述の従来技術では、可動部が動作可能な空間位置は予め記憶された可動領域データによって規定されているものの、可動部がデータ上の可動領域内を移動する際に個々のリンク機構のユニバーサルジョイントに求められる屈曲状態が実現可能であることについては、必ずしも担保されていなかった。このため、ユニバーサルジョイントが機構構成上は本来許容されない屈曲動作を強いられて、ジョイントを構成する軸受け部などの機構部相互の干渉が発生し、機構部の変形や破損などの不具合を招くおそれがあった。

そこで本発明は、ジョイント部において動作可能範囲を超えて屈曲動作が行われることによる干渉を防止することができる作業装置および作業装置における作業方法を提供することを目的とする。

本発明の作業装置は、ベース部と、エンドエフェクタが装着される可動部と、前記ベース部と可動部を連結する複数のリンク機構と、前記ベース部に固定されて前記リンク機構毎に個別に設けられ、前記リンク機構の駆動源として作動する複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータを作動させることにより前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを備え、前記複数のリンク機構のぞれぞれは、リンク部材と、前記リンク部材の一端に設けられ屈曲可能な第１のジョイント部と、前記リンク部材の他端側に設けられ屈曲可能な第２のジョイント部と、を有し、前記制御部は、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれにおける前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定するジョイント角度判定部を備え、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれが、相互に交差する第１回転軸および第２回転軸を有するユニバーサルジョイントであり、前記ジョイント角度判定部は、前記第１のジョイント部および第２のジョイント部のそれぞれに対応するユニバーサルジョイントにおいて正常な屈曲状態に対応する前記第１回転軸を中心とした第１屈曲角度と第２回転軸を中心とした第２屈曲角度の組み合わせを示す動作可能範囲データに基づいて、前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定する。
また、本発明の作業装置における作業方法は、ベース部と、エンドエフェクタが装着される可動部と、前記ベース部と可動部を連結する複数のリンク機構と、前記ベース部に固定されて前記リンク機構毎に個別に設けられ、前記リンク機構の駆動源として作動する複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータを作動させることにより前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを備え、前記複数のリンク機構のぞれぞれは、リンク部材と、前記リンク部材の一端に設けられ屈曲可能な第１のジョイント部と、前記リンク部材の他端側に設けられ屈曲可能な第２のジョイント部と、を有し、前記制御部は、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれにおける前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定するジョイント角度判定部を備えた作業装置における作業方法において、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれが、相互に交差する第１回転軸および第２回転軸を有するユニバーサルジョイントであり、前記第１のジョイント部および第２のジョイント部のそれぞれに対応するユニバーサルジョイントにおいて正常な屈曲状態に対応する前記第１回転軸を中心とした第１屈曲角度と第２回転軸を中心とした第２屈曲角度の組み合わせを示す動作可能範囲データに基づいて、前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定する工程を含み、前記動作可能範囲データは、前記第１のジョイント部における前記第１屈曲角度（α１）と前記第２屈曲角度（β１）の組合せにおいて、前記第１のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第１の上限が規定され、前記第２のジョイント部における前記第１屈曲角度（α２）と前記第２屈曲角度（β２）の組み合せにおいて、前記第２のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第２の上限が規定され、前記判定する工程では、前記第１のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが、前記第１の上限を超えるか否かを判定し、前記第２のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが、前記第２の上限を超えるか否かを判定し、前記第１のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが前記第１の上限を超えると判定された場合、又は前記第２のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが前記第２の上限を超えると判定された場合は、前記アクチュエータを停止させる。

本発明によれば、ジョイント部において動作可能範囲を超えて屈曲動作が行われることによる干渉を防止することができる。

本発明の一実施の形態の作業装置の全体構成を示す斜視図本発明の一実施の形態の作業装置に組み込まれた作業ロボットの構成を示す斜視図本発明の一実施の形態の作業装置に組み込まれた作業ロボットに用いられる第１のジョイント部の屈曲角度の説明図本発明の一実施の形態の作業装置に組み込まれた作業ロボットに用いられる第１のジョイント部の屈曲角度の説明図本発明の一実施の形態の作業装置の制御系の構成を示すブロック図本発明の一実施の形態の作業装置に組み込まれた作業ロボットに用いられる第１のジョイント部および第２のジョイント部の２方向の屈曲角度の組み合わせにおける動作可能範囲を示すグラフ本発明の一実施の形態の作業装置に組み込まれた作業ロボットの動作パターンにおける動作不可能箇所の表示例を示すグラフ

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して、作業装置１の全体構成を説明する。図１において、基台２の上面の作業ベース２ａには載置ステージ３が設けられており、載置ステージ３には作業対象のワーク４が載置されている。ワーク４には、以下に説明する作業ロボット７によって部品５が組みつけられる。

作業ベース２ａのコーナ部にはコーナポスト２ｂが立設されており、コーナポスト２ｂの上端部には水平な架台６が架設されている。架台６の下面には、パラレルリンク機構を備えた作業ロボット７が配設されている。作業ロボット７は、エンドエフェクタ８によって部品５を把持して、ワーク４に組み付ける作業を行う。

架台６の側面にはタッチパネルを備えた操作パネル９が配置されている。作業ロボット７を対象とした操作や動作指示のための指示入力は、操作パネル９を介してのタッチ操作入力によって実行される。なお、作業装置１の座標系については、作業装置の正面からみて左右に水平な方向をＸ軸、Ｘ軸に前後方向に直交する軸をＹ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に上下方向に直行する軸をＺ軸とする。

次に図２を参照して、作業ロボット７の構成および機能を説明する。作業ロボット７は、６自由度を有するパラレルリンクロボットである。図２に示すベース部７ａは、作業ロボット７において駆動源を内蔵して以下に説明する各部を動作させるための機構部であり、架台６の下面に装着される。すなわち、ベース部７ａは、中央部に配置された円環形状の装着部１２によって架台６の下面に固定締結される。装着部１２からは、周方向における３等配位置のそれぞれについて、３つのモータブラケット１１（ブラケット１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が径方向に延出して設けられている。モータブラケット１１および装着部１２は、作業ロボット７における作業ロボット本体部１３を構成する。

各モータブラケット１１には、それぞれ２つのサーボ制御方式のモータＭが駆動軸を対向させる姿勢で直列に配置されている。すなわち、ブラケット１１ａには、同軸配置されたエンコーダＥ１、ブレーキ部Ｂ１を備えたモータＭ１および同じく同軸配置されたエンコーダＥ２、ブレーキ部Ｂ２を備えたモータＭ２が、駆動軸を対向させる姿勢で固定されている。

またブラケット１１ｂには、同軸配置されたエンコーダＥ３、ブレーキ部Ｂ３を備えたモータＭ３および同じく同軸配置されたエンコーダＥ４、ブレーキ部Ｂ４を備えたモータＭ４が、駆動軸を対向させる姿勢で固定されている。さらに、ブラケット１１ｃには、同軸配置されたエンコーダＥ５、ブレーキ部Ｂ５を備えたモータＭ５および同じく同軸配置されたエンコーダＥ６、ブレーキ部Ｂ６を備えたモータＭ６が、駆動軸を対向させる姿勢で固定されている。

なお、以下の記述においては、作業ロボット７に備えられたモータＭ１〜モータＭ６、ブレーキ部Ｂ１〜ブレーキ部Ｂ６、エンコーダＥ１〜エンコーダＥ６の６基の要素について、それぞれを個別に特定して区別する必要がある場合を除き、単にモータＭ、ブレーキ部Ｂ、エンコーダＥのように総称して記載する。

ここで、作業ロボット７のベース部７ａに、上述配置で固定されたモータＭの機能について、図２において駆動軸１４が明瞭に図示されたモータＭ５を代表例として説明する。モータＭ５の駆動軸１４には、ベース部７ａの中心から径方向外側に延出するアーム部材１５が結合されている。モータＭ５を駆動して駆動軸１４を正逆方向に回転させることにより、アーム部材１５は垂直面内において駆動軸１４廻りの揺動を行う。

アーム部材１５の先端部には、ユニバーサルジョイントである第１のジョイント部１６を介してリンク部材１７が下方に延出して結合されている。さらにリンク部材１７の下端部は、ユニバーサルジョイントである第２のジョイント部１８を介して可動部２０に結合されている。可動部２０の下面には、エンドエフェクタ８が装着されており、ここに示す例では、エンドエフェクタ８として２つの把持爪８ａを備えた部品把持ツールの例を示している。

上記構成において、アーム部材１５、第１のジョイント部１６、リンク部材１７および第２のジョイント部１８は、可動部２０を移動させるリンク機構１９を構成する。そしてリンク機構１９は、ベース部７ａに固定された６基のモータＭ（モータＭ１〜モータＭ６）の全てについて設けられており、それぞれのモータＭは、対応するリンク機構１９の動力源として作動する。

すなわち本実施の形態に示す作業ロボット７は、エンドエフェクタ８が装着される可動部２０と、ベース部７ａと可動部２０とを連結する複数のリンク機構１９と、これらのリンク機構１９毎に個別に設けられてリンク機構１９の動力源として作動し、ベース部７ａに固定された複数（ここでは６基）のアクチュエータであるモータＭ（モータＭ１〜モータＭ６）を備えた構成となっている。

そしてこれらのモータＭによるリンク機構１９の動作において、エンコーダＥはモータＭの回転量を示すパルスデータを出力する。換言すればエンコーダＥは、リンク機構１９の動作量を示す座標データを出力する位置検出部として機能する。またモータＭによるリンク機構１９の動作において、ブレーキ部Ｂを作動させることにより、モータＭが制動されてリンク機構１９の動作が制限される。

作業装置１の作業ベース２ａ上の空間内に設定される固定座標系において、作業ロボット７に備えられた可動部２０の位置および姿勢が自由に定義されるためには、可動部２０が６自由度を有することが必要である。本実施の形態に示す作業ロボット７においては、前述構成のリンク機構１９およびモータＭを６組備えるとともに、各組のモータＭを個別独立に制御することによって、可動部２０の位置および姿勢を自在に設定することができるようになっている。

ここで可動部２０は６基のアーム部材１５の回転角度に応じてその位置および姿勢が変化し、可動部２０の位置および姿勢は、各モータＭが備えた前述の位置検出部としてのエンコーダＥから出力される座標データによって求めることができる。そして作業ロボット７に手づたえにより作業動作を教示する教示作業などにおいて、可動部２０の位置や姿勢を保持する必要がある場合には、所望のタイミングにおいてブレーキ部Ｂを作動させることによりモータＭが制動され、可動部２０は動作を停止して位置保持されるようになっている。

次に、図３、図４を参照して、リンク機構１９を構成する第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８の詳細構造およびこれらのジョイント部における屈曲角度について説明する。図３（ａ）は、アーム部材１５の先端部に結合された第１のジョイント部１６の詳細構造を示している。アーム部材１５の先端部には、軸受部２２を介して第１回転軸２１ａが片持ち支持形態で軸支されている。第１回転軸２１ａはアーム部材１５の延出方向に対して直角をなす水平方向に軸支されており、水平方向の回転中心線Ａ１廻りに回転自在となっている。

第１回転軸２１ａには、回転中心線Ａ１に直交する回転中心線Ｃ１を有して相互に交差する第２回転軸２１ｂが結合されている。第２回転軸２１ｂは、リンク部材１７の上端部に結合された略コ字形状の軸受部２３に両持ち支持形態で軸支されている。この構成により、リンク部材１７は回転中心線Ｃ１廻りに回動自在となっている。上記構成において、第１回転軸２１ａおよび第２回転軸２１ｂは、クロスジョイント部２１を構成する。そしてクロスジョイント部２１に、軸受部２２、軸受部２３を併せて、ユニバーサルジョイントである第１のジョイント部１６が構成される。すなわち第１のジョイント部１６は、相互に交差する第１回転軸２１ａおよび第２回転軸２１ｂを有するユニバーサルジョイントである。

作業ロボット７におけるリンク機構１９の動作では、第１のジョイント部１６が屈曲しながらリンク部材１７にアーム部材１５の動作を伝達する。図３（ｂ）、（ｃ）は、リンク機構１９の動作時における第１のジョイント部１６の屈曲角度を示している。すなわち図３（ｂ）に示すように、第１屈曲角度α１は、アーム部材１５の延長線とリンク部材１７の軸線とがなす回転中心線Ａ１を中心とした角度である。また図３（ｃ）に示す第２屈曲角度β１は、Ｚ軸（図１、図２参照）とリンク部材１７の軸線とがなす回転中心線Ｃ１を中心とした角度である。

図４（ａ）は、リンク部材１７の下端部に結合された第２のジョイント部１８の詳細構造を示している。リンク部材１７の下端部には、略コ字形状の軸受部２６を介して第１回転軸２５ａが両持ち支持形態で軸支されている。第１回転軸２５ａはリンク部材１７の軸線方向に直交する方向に軸支されており、リンク部材１７は回転中心線Ａ２廻りに回動自在となっている。

第１回転軸２５ａには、回転中心線Ａ２に直交する回転中心線Ｃ２を有して相互に交差する第２回転軸２５ｂが結合されている。第２回転軸２５ｂは、略コ字形状の軸受部２７に両持ち支持形態で軸支されており、軸受部２７は可動部２０の上面に垂直な軸廻りの回転が許容された状態で結合されている。そして第２回転軸２５ｂは、回転中心線Ｃ２廻りに回転自在となっている。上記構成において、第１回転軸２５ａおよび第２回転軸２５ｂは、クロスジョイント部２５を構成する。そしてクロスジョイント部２５に、軸受部２６、軸受部２７を併せて、ユニバーサルジョイントである第２のジョイント部１８が構成される。すなわち第２のジョイント部１８は、相互に交差する第１回転軸２５ａおよび第２回転軸２５ｂを有するユニバーサルジョイントである。

作業ロボット７におけるリンク機構１９の動作では、第２のジョイント部１８が屈曲しながらリンク部材１７から可動部２０に動作を伝達する。図４（ｂ）、（ｃ）は、リンク機構１９の動作時における第２のジョイント部１８の屈曲角度を示している。すなわち図４（ｂ）に示すように、第１屈曲角度α２は、Ｚ軸とリンク部材１７の軸線とがなす回転中心線Ａ２を中心とした角度である。また図３（ｃ）に示す第２屈曲角度β２は、可動部２０と垂直に交わる仮想線２０ａとリンク部材１７の軸線とがなす回転中心線Ｃ２を中心とした角度である。

リンク機構１９を介して可動部２０を駆動する際には、各リンク部材１７において第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８に屈曲動作を行わせながら可動部２０へ駆動を伝達する。このとき、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８は無制限に屈曲が許容されているわけではなく、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８を構成する機構部の形状によって制約される動作可能範囲内でのみ屈曲が許容される。例えば、第１のジョイント部１６においては、軸受部２３がアーム部材１５に干渉するような屈曲動作は許容されない。同様に第２のジョイント部１８においては、軸受部２６が軸受部２７に干渉するような屈曲動作は許容されない。

このような動作可能範囲を超えてしまうような動作指令でモータＭを駆動すると、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８で機械的な干渉が生じた状態でモータＭが駆動される結果、モータＭの過負荷による損傷や機構部の破損などの不具合を招くおそれがある。本実施の形態に示す作業装置１では、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８が動作可能範囲を超えて屈曲動作を行うような動作指令をモータＭに対して出力することのないように、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８における正常な屈曲状態に対応する屈曲角度の条件を、予め動作可能範囲データとして規定しておくようにしている。

すなわち第１のジョイント部１６において正常な屈曲状態に対応する第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせ、第２のジョイント部１８において正常な屈曲状態に対応する第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせを示す動作可能範囲データを作成して記憶させておく。そして可動部２０を予め記憶された動作パターンに基づいて移動させるためにモータＭを制御するに際して、動作可能範囲データを参照して不具合の有無を判定するようにしている。

次に図５を参照して、作業装置１の制御系の構成を説明する。図５において、制御部３０は、複数のアクチュエータであるモータＭを作動させることにより、エンドエフェクタ８を移動させる機能を有しており、インターフェイス部３１、記憶部３２、動作部３３、教示部３４、編集部３５、判定部３６を備えている。

さらに制御部３０には、表示部３７、操作・入力部３８、コンピュータ３９が接続されている。表示部３７、操作・入力部３８は、操作パネル９に作り込まれた表示機能、操作入力機能である。表示部３７は操作パネル９の液晶パネルなどの表示画面に各種の画面を表示させる。また操作・入力部３８は、作業者が操作パネル９にアクセスしてタッチ操作を行うことにより、各種の操作入力を行う。

コンピュータ３９はＬＡＮシステムなどを介して作業装置１に接続された外部コンピュータである。コンピュータ３９の処理機能としては、動作パターンの記憶、作成、編集などの処理、動作パターンを含む各種データのアップロード・ダウンロードなどのデータ管理、作業装置１の操作に必要な動作指令データの出力などが含まれる。すなわちコンピュータ３９は制御部３０の機能の一部または全てを、必要に応じて制御部３０に代替して実行可能な機能を備えている。

インターフェイス部３１には、モータＭ（モータＭ１〜モータＭ６）およびこれらに付随するエンコーダＥ（エンコーダＥ１〜エンコーダＥ６）が接続されている。制御部３０からの制御指令を、インターフェイス部３１を介して複数のアクチュエータであるモータＭ１〜モータＭ６に伝達して動作させることにより、エンドエフェクタ８を移動させることができる。これにより、所定の作業動作が実行される。このモータＭ１〜モータＭ６を動作させる機能は、動作部３３が備えた処理機能によって実行される。またエンコーダＥ（エンコーダＥ１〜エンコーダＥ６）から出力される軸座標データはインターフェイス部３１を介して取り込まれ、以下に説明する記憶部３２、教示部３４に伝達される。

記憶部３２は、軸座標記憶部３２ａ、エンドエフェクタ座標記憶部３２ｂ、マシンデータ記憶部３２ｃ、判定情報記憶部３２ｄを備えている。軸座標記憶部３２ａ、エンドエフェクタ座標記憶部３２ｂはいずれもエンドエフェクタ８によって実行される作業動作の動作パターンを記憶する動作パターン記憶部である。軸座標記憶部３２ａは、複数のモータＭ（モータＭ１〜モータＭ６）の個別の軸回転位置を示す軸座標データ（θ１〜θ６）によって記述した動作パターンを記憶する。エンドエフェクタ座標記憶部３２ｂは、エンドエフェクタ８の幾何学的な３次元座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）によって記述した動作パターンを記憶する。なおエンドエフェクタ８の３次元座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）と軸座標データ（θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、θ６）とは一意的に対応しており、演算により相互にデータ変換が可能である。

マシンデータ記憶部３２ｃは、作業ロボット７を構成する機構部のサイズなどのマシンデータを特定する諸元データであり、判定部３６による各種判定ではこれらのデータが参照される。例えばジョイント角度判定部３６ｄによる屈曲動作可否の判定では、マシンデータ記憶部３２ｃに含まれるデータに基づき、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８の屈曲動作における機械的な干渉の有無が判断される。判定情報記憶部３２ｄは、以下に説明する判定部３６による各種の判定に使用される判定閾値などの判定情報を記憶する。これらの判定情報には、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８における正常な屈曲状態に対応する屈曲角度の条件を予め規定した動作可能範囲データが含まれる。

図６は、判定情報記憶部３２ｄに含まれる動作可能範囲データの例を示している。図６（ａ）に示す動作可能範囲グラフ４０Ａは、第１のジョイント部１６における正常な屈曲状態に対応する屈曲角度の条件を規定している。すなわち動作可能範囲グラフ４０Ａでは、横軸が第１屈曲角度α１、縦軸が第２屈曲角度β１より成る直交座標上で規定される第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせにおいて、第１のジョイント部１６の機構部分に機械的な干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す上限線Ｌ１が規定されている。上限線Ｌ１は、横軸に示される第１屈曲角度α１に対応して許容される第２屈曲角度β１の上限値を示しており、上限線Ｌ１よりも下の領域に属する第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせであれば、正常な屈曲動作が可能であることを示している。

図６（ｂ）は、第２のジョイント部１８における正常な屈曲状態に対応する屈曲角度の条件を規定している。すなわち動作可能範囲グラフ４０Ｂでは、横軸が第１屈曲角度α２、縦軸が第２屈曲角度β２より成る直交座標上で規定される第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせにおいて、第２のジョイント部１８の機構部分に機械的な干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す上限線Ｌ２が規定されている。同様に上限線Ｌ２は、横軸に示される第１屈曲角度α２に対応して許容される第２屈曲角度β２の上限値を示しており、上限線Ｌ２よりも下の領域に属する第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせであれば、正常な屈曲動作が可能であることを示している。

動作部３３は、動作パターン記憶部である軸座標記憶部３２ａもしくはエンドエフェクタ座標記憶部３２ｂに記憶された動作パターンに従って、モータＭ（Ｍ１〜Ｍ６）を駆動する機能を有する。すなわち制御部３０が有する動作部３３は、動作パターンに従って制御指令をインターフェイス部３１を介してモータＭ１〜モータＭ６に伝達して動作させる。教示部３４は、エンドエフェクタ８によって実行すべき作業動作を教示するティーチング処理を実行する。

このティーチング処理は作業者が制御部３０に対して教示機能を有効にするための操作、例えば予め記憶させた教示プログラムを起動する操作を、操作・入力部３８を介して実行することにより行われる。ティーチング処理では、各モータＭのエンコーダＥから出力される情報を一定周期でインターフェイス部３１を介して読み取り、各モータＭについての軸座標データ（θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、θ６）として軸座標記憶部３２ａに書き込む。編集部３５は、軸座標記憶部３２ａに書き込まれた軸座標データに基づき、動作パターンを作成するデータ編集処理を行う。

判定部３６は、モータ速度判定部３６ａ、モータトルク判定部３６ｂ、可動範囲判定部３６ｃ、ジョイント角度判定部３６ｄを備えている。モータ速度判定部３６ａは、軸座標記憶部３２ａもしくはエンドエフェクタ座標記憶部３２ｂに記憶された動作パターンに従ってモータＭを作動させる作業動作において、モータＭに求められる回転速度が当該モータＭについて許容された許容回転数の範囲内であるか否かを、判定情報記憶部３２ｄに記憶された判定情報に基づいて判定する。

同様にモータトルク判定部３６ｂは、記憶された動作パターンに従ってモータＭを作動させる作業動作において、モータＭに求められるトルクが当該モータＭについて許容された許容トルクの範囲内であるか否かを、判定情報記憶部３２ｄに記憶された判定情報に基づいて判定する。可動範囲判定部３６ｃは、記憶された動作パターンに従ってモータＭを作動させる作業動作において、可動部２０に求められる移動範囲が、予め判定情報記憶部３２ｄに記憶された可動範囲内であるか否かを判定する。

ジョイント角度判定部３６ｄは、軸座標記憶部３２ａもしくはエンドエフェクタ座標記憶部３２ｂに記憶された動作パターンを用いてモータＭを作動させる作業動作において、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８におけるリンク機構１９の屈曲角度が、動作可能範囲内であるか否かを判定する。すなわち相互に交差する第１回転軸２１ａおよび第２回転軸２１ｂを有するユニバーサルジョイントである第１のジョイント部１６については、第１回転軸２１ａを中心とした第１屈曲角度α１と第２回転軸２１ｂを中心とした第２屈曲角度β１の組み合わせが、図６（ａ）に示す動作可能範囲グラフ４０Ａに規定された動作可能範囲内（上限線Ｌ１よりも下の領域）であるか否かを判定する。

同様に、相互に交差する第１回転軸２５ａおよび第２回転軸２５ｂを有するユニバーサルジョイントである第２のジョイント部１８については、第１回転軸２５ａを中心とした第１屈曲角度α２と第２回転軸２５ｂを中心とした第２屈曲角度β２の組み合わせが、図６（ｂ）に示す動作可能範囲グラフ４０Ｂに規定された動作可能範囲内（上限線Ｌ２よりも下の領域）であるか否かを判定する。

上述のジョイント角度判定部３６ｄによる判定処理においては、まず軸座標記憶部３２ａもしくはエンドエフェクタ座標記憶部３２ｂに記憶された動作パターンより、動作実行過程におけるモータＭ１〜モータＭ６の軸座標データ（θ１〜θ６）またはエンドエフェクタ８の３次元座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）を求める。次いで動作実行過程の各タイミングにおいて第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８に求められる屈曲角度を演算する。すなわち、第１のジョイント部１６における第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１、第２のジョイント部１８における第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２を求める。

そして演算により求められた第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせを、図６（ａ）に示す動作可能範囲グラフ４０Ａと比較し、動作可能範囲内であるか否かを判定する。同様に、第２のジョイント部１８における第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせを図６（ｂ）に示す動作可能範囲グラフ４０Ｂと比較し、動作可能範囲内であるか否かを判定する。

なお、ジョイント角度判定部３６ｄによる動作可能範囲内であるか否かの判定を実行するタイミングは、作業装置１の稼働中において作業ロボット７を作動させながら行うようにしてもよい。この場合には、動作部３３によって各モータＭに動作指令が出力される直前の動作パターンに基づいて上述の動作可能範囲内であるか否かの判定を行う。そして判定の結果、第１のジョイント部１６における第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせ、第２のジョイント部１８における第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせが、動作可能範囲を外れると判定された場合には、ジョイント角度判定部３６ｄはアクチュエータであるモータＭの駆動を停止させる。これにより、動作パターンにおいて動作可能範囲を外れる動作不可能箇所の有無を常に監視することができる。

また、ジョイント角度判定部３６ｄによる動作可能範囲内であるか否かの判定を、作業ロボット７による作業の開始に先立って実行し、判定結果を表示部３７に表示させるようにしてもよい。この場合には、ジョイント角度判定部３６ｄは表示部３７に動作パターンを示すグラフとともに、第１のジョイント部１６における第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせ、第２のジョイント部１８における第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせが、動作可能範囲を外れると判定された該当箇所を強調する表示を行い、作業者が動作不可能箇所を容易に認識できるようにする。

図７は、このような動作不可能箇所の表示例を示している。すなわち図７において、グラフ４１は判定対象とする動作パターンを示しており、ここでは動作パターンにおけるエンドエフェクタ８の動作軌跡を示す３次元座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）の経時変化が、横軸を時間軸とするグラフで示されている。このグラフ４１において、ハッチングで示されたタイミングｔａ〜ｔｂの範囲は、ジョイント角度判定部３６ｄによる動作可能範囲内であるか否かの判定において動作不可能箇所と判定された範囲を示している。

すなわち、ジョイント角度判定部３６ｄは、第１のジョイント部１６における第１屈曲角度α１、第２屈曲角度β１の組み合わせ、第２のジョイント部１８における第１屈曲角度α２、第２屈曲角度β２の組み合わせが動作可能範囲を外れる場合は、表示部３７に表示された動作パターンの該当箇所を強調するようにしている。これにより、作業者は作業ロボット７による作業の開始に先立って動作不可能箇所が存在することを容易に認識することができる。なお、グラフ４１においては、動作不可能箇所と判定された範囲の強調の例として、ハッチングを施した例を示したが、該当箇所の背景画像のパターンや色彩を変化させる方法、該当箇所を視認しやすい図形で囲む方法、表示画面において該当箇所を点滅させる方法など、各種の表示手法を適用することができる。

上記説明したように、本実施の形態に示す作業装置１は、複数のリンク機構１９を介してベース部７ａに固定された可動部２０と、複数のリンク機構１９を駆動する複数のアクチュエータであるモータＭと、これらを動作パターンに基づいて制御する制御部３０とを備えた作業装置１において、制御部３０に、各リンク機構が備えたジョイント部におけるリンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを、マシンデータ記憶部３２ｃに記憶されたマシンデータと、判定情報記憶部３２ｄに記憶され予めジョイント部において許容される屈曲角度の組み合わせを予め規定した判定情報とに基づいて判定するジョイント角度判定部３６ｄを設けるようにしている。これにより、第１のジョイント部１６、第２のジョイント部１８において動作可能範囲を超えて屈曲動作が行われることによる軸受け部などの機構部相互の干渉を防止することができ、機構構成上は本来許容されない屈曲動作を強いられることによる機構部の変形や破損などの不具合を防止することができる。

本発明の作業装置は、ジョイント部において動作可能範囲を超えて屈曲動作が行われることによる干渉を防止することができるという効果を有し、パラレルリンクロボットなどジョイント部を介して可動部を駆動するリンク機構を備えた作業装置を用いて作業を行う分野において有用である。

１作業装置
７作業ロボット
８エンドエフェクタ
７ａベース部
１６第１のジョイント部
１７リンク部材
１８第２のジョイント部
１９リンク機構
２０可動部
２１ａ，２５ａ第１回転軸
２１ｂ，２５ｂ第２回転軸
Ｍ，Ｍ１〜Ｍ６モータ
Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２回転中心線
α１，α２第１屈曲角度
β１，β２第２屈曲角度

Claims

ベース部と、
エンドエフェクタが装着される可動部と、
前記ベース部と可動部を連結する複数のリンク機構と、
前記ベース部に固定されて前記リンク機構毎に個別に設けられ、前記リンク機構の駆動源として作動する複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータを作動させることにより前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを備え、
前記複数のリンク機構のぞれぞれは、リンク部材と、前記リンク部材の一端に設けられ屈曲可能な第１のジョイント部と、前記リンク部材の他端側に設けられ屈曲可能な第２のジョイント部と、を有し、
前記制御部は、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれにおける前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定するジョイント角度判定部を備え、
前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれが、相互に交差する第１回転軸および第２回転軸を有するユニバーサルジョイントであり、
前記ジョイント角度判定部は、
前記第１のジョイント部および第２のジョイント部のそれぞれに対応するユニバーサルジョイントにおいて正常な屈曲状態に対応する前記第１回転軸を中心とした第１屈曲角度と第２回転軸を中心とした第２屈曲角度の組み合わせを示す動作可能範囲データに基づいて、前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定する、作業装置。
前記制御部は、予め記憶された動作パターンに基づいて前記複数のアクチュエータを駆動する動作部とを有し、
前記ジョイント角度判定部は、前記動作パターンを用いて前記第１のジョイント部におけるリンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定する、請求項１記載の作業装置。
前記ジョイント角度判定部は、前記組み合わせが動作可能範囲を外れる場合は表示部に表示された動作パターンの該当箇所を強調する、請求項１又は２に記載の作業装置。
前記ジョイント角度判定部が、前記組み合わせが動作可能範囲を外れると判定した場合は前記アクチュエータを停止させる、請求項１から３のいずれかに記載の作業装置。
前記動作可能範囲データは、前記第１のジョイント部における前記第１屈曲角度（α１）と前記第２屈曲角度（β１）の組み合わせにおいて、前記第１のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第１の上限が規定され、
前記第２のジョイント部における前記第１屈曲角度（α２）と前記第２屈曲角度（β２）の組み合わせにおいて、前記第２のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第２の上限が規定されている、請求項１から４のいずれかに記載の作業装置。
前記動作可能範囲は、
前記第１の上限および前記第２の上限の何れも超えない範囲である、請求項５に記載の作業装置。
ベース部と、
エンドエフェクタが装着される可動部と、
前記ベース部と可動部を連結する複数のリンク機構と、
前記ベース部に固定されて前記リンク機構毎に個別に設けられ、前記リンク機構の駆動源として作動する複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータを作動させることにより前記エンドエフェクタを移動させる制御部とを備え、
前記複数のリンク機構のぞれぞれは、リンク部材と、前記リンク部材の一端に設けられ屈曲可能な第１のジョイント部と、前記リンク部材の他端側に設けられ屈曲可能な第２のジョイント部と、を有し、
前記制御部は、前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれにおける前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定するジョイント角度判定部を備えた作業装置における作業方法において、
前記第１のジョイント部および前記第２のジョイント部のそれぞれが、相互に交差する第１回転軸および第２回転軸を有するユニバーサルジョイントであり、
前記第１のジョイント部および第２のジョイント部のそれぞれに対応するユニバーサルジョイントにおいて正常な屈曲状態に対応する前記第１回転軸を中心とした第１屈曲角度と第２回転軸を中心とした第２屈曲角度の組み合わせを示す動作可能範囲データに基づいて、前記リンク機構の屈曲角度が動作可能範囲内であるか否かを判定する工程を含み、
前記動作可能範囲データは、前記第１のジョイント部における前記第１屈曲角度（α１）と前記第２屈曲角度（β１）の組合せにおいて、前記第１のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第１の上限が規定され、
前記第２のジョイント部における前記第１屈曲角度（α２）と前記第２屈曲角度（β２）の組み合せにおいて、前記第２のジョイント部の機構部分に干渉を生じることなく正常に屈曲動作を行うことが可能な領域の限界を示す第２の上限が規定され、
前記判定する工程では、
前記第１のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが、前記第１の上限を超えるか否かを判定し、
前記第２のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが、前記第２の上限を超えるか否かを判定し、
前記第１のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが前記第１の上限を超えると判定された場合、又は前記第２のジョイント部における第１屈曲角度と第２屈曲角度の組み合わせが前記第２の上限を超えると判定された場合は、前記アクチュエータを停止させる、作業装置における作業方法。