JPH0419082A - ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、剛性が高く、かつ高精度の位置・姿勢制御
が可能なロボットの構造に関する。

〔従来の技術〕

ロボットに対して所望の自由度を与えるための構造は既
に種々のものが提案されており、直角座標型ロボットや
円筒座標型ロボット、それに多関節ロボットなどがその
代表的なものである。これら種々のロボットはそれぞれ
に利点を有しているが、基本的には複数のアームを直列
的に順次に結合した構造となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

どころで、これらの従来のロボットにおいては、上記直
列的アーム結合の帰結として次のような問題が生ずる。

その第１は剛性に関するものである。すなわち、先端側
のアームは基端（床面）側のアームによって支持される
ために、基端側のアームにかなりの負担がかかり、その
剛性が低いものとなっている。

逆に言えば、ロボット全体としての剛性を高めるために
は基端側のアームや関節の力学的構造を大型化ないしは
複雑化しなければならないという状況となっている。

第２の問題は制御精度に関するものである。上記のよう
に従来のロボットでは特にその基端側の剛性が低下しや
すいため、各関節における駆動精度を高めてもエンドエ
フェクタにおける位置や姿勢の制御精度には限界がある
。また、各アームや関節における制御誤差が先端側に向
って順次に累積されるため、エンドエフェクタ付近では
誤差が大きくなってしまうという事情もある。

第３の問題は、各アームや関節の構造が同一でないため
、ロボット全体としての製造コストが高くなるという問
題である。

さらに、第４の問題はその制御性の問題である。

すなわち、従来のロボットでは各アームや関節の構造が
同一ではない上に、その幾何学的配置位置の対称性が低
いため、アーム相互の対称性を利用した制御を行うこと
ができない。

〔発明の目的〕

この発明は従来技術における上述の問題の解決を意図し
ており、ロボットの構造において、■　サイズの大きな
部材や複雑な構造を用いなくても剛性を高めることを可
能とすること、■　高精度の制御を可能とすること、 ■　製造コストを低下させること、 ■　構造の幾何学的対称性を高めることによって、対称
性を利用した制御を可能とすること、を目的としている
。

〔課題を解決するための手段〕

まず、請求項１記載のロボットは、上記■、■の目的に
対応した構成を有しており、（ａ）２次元的または３次
元的に分布したＮ個（Ｎ−５または６）の支持点に第１
の球面ジヨイントを介して支持されたＮ本のアームと、
（ｂ）　　所定のエンドエフェクタが取付けられるとと
もに、第、２の球面ジヨイントを介して前記アームのそ
れぞれに結合したエンドエフェクタ保持体と、　（Ｃ）
　　前記アームのそれぞれに結合されて、前記第１と第
２の球面ジヨイントの間の区間における各アームの長さ
を個別に伸縮させるＮ個のアクチュエータとを備えてい
る。

そして、前記アクチュエータのそれぞれを駆動すること
によって前記エンドエフェクタの位置と姿勢とを変化さ
せる。

また、請求項２記載のロボットは、上記■〜■の目的に
対応しており、前記アームのそれぞれの構造が実質的に
同一であり、かつ、前記アクチュエータのそれぞれが実
質的に同一の構造を有している。

さらに、請求項３記載のロボットは■〜■の目的に対応
しており、前記第１の球面ジヨイントのそれぞれは正多
角形の各頂点に相当する位置に存在し、前記エンドエフ
ェクタ保持体における前記第２の球面ジヨイントのそれ
ぞれの配置位置が正多角形または正多面体の頂点位置と
されている。

〔作用〕

エンドエフェクタ保持体は各アームに結合されているこ
とにより、アクチュエータによって各アームを伸縮させ
るとその位置や姿勢を変化させることができる。エンド
エフェクタはこの保持体に取付けられているため、これ
によってエンドエフェクタの位置や姿勢も変化する。

このロボットでは各アームによって並列的にエンドエフ
ェクタ保持体が支持されている。このため、特定の部材
に負担がかかってその剛性が低下することはない。また
、各アームにおける制御誤差が累積されないため、高精
度の制御が可能である。

これらの各アームおよびそれを駆動する各アクチュエー
タの構造を実質的に同一とすることにより、このロボッ
トの製造コストを低下させることができる。さらに、第
１と第２の球面軸受のそれぞれの配置を幾何学的に対称
とすることによって、ロボット全体としての幾何学的対
称性が向上する。

その結果、対称性を利用した制御が可能となる。

なお、この発明における「球面ジヨイント」とは、球面
軸受や球面リンクなど、立体的に方向を変え得る各種の
機構の総称である。

〔実施例〕

＜Ａ、機構的構成〉 第１図はこの発明の一実施例であるロボット１の概念的
斜視図である。このロボット１は天井面２から吊下げら
れた構造を有しており、エンドエフェクタとしてのレー
ザトーチＬＴからレーザビームをワーク（図示せず）に
向けて照射するレーザ切断ロボットとして構成されてい
る。各部の詳細は次の通りである。

天井面２上に想定された正六角形の各頂点位置には６個
の球面軸受４８〜４ｆか取り付けられている。そして、
各球面軸受４８〜４ｆには合計６本のアーム５ａ〜５ｆ
がそれぞれ挿通されている。

これらのアーム５ａ〜５ｆはボールネジ軸によって構成
されて、互いに同一の構造を有している。

球面軸受４８〜４ｆの上方において、このアーム５ａ〜
５ｆにはボールネジ駆動用のアクチュエータ３ａ〜３ｆ
がそれぞれ連結されている。これらのアクチュエータ３
３〜３ｆは互いに同一の構造を有する電動シリンダとな
っており、その詳細がひとつのアクチュエータ３ａにつ
いて第２図に示されている。

第２図において、アクチュエータ３ａは、ハウジング２
１の内壁に固定されたステータ２２を有している。また
、このステータ２２に対向する位置には中空のロータ軸
２３が設けられており、ロータ軸２３の周囲には永久磁
石２４が固定されている。そして、これらの組合せによ
ってダイレクトドライブ型のサーボモータＭの主要部が
構成されている。

ロータ軸２３にはボールナツト２５が同軸に取付けられ
ており、ボールネジ軸５ａがこのナツト２５の中に螺合
されている。また、第３図に拡大断面図として示すよう
に、ボールネジ軸５ａの外周面には平坦面５ｓが形成さ
れている。そして、ハウジング２１の下方開口部に設け
られたボス３１（第２図）の内壁には、この平坦面５ｓ
に対応する平坦面３１Ｓ　（第３図）が形成されており
、これらの平坦面５ｓ、３１ｓがスプライン係合するこ
とによって、ボールネジ軸５ａの回転を防止している。

したがって、サーボモータＭ１を駆動するとナツト２５
も回転し、それによってボールネジ軸（アーム）５ａは
その軸方向（±Ａ）に移動する。

一方、ボス３１の中心部は管状に延長されて、球面軸受
４ａの内輪３３に挿入、固定されている。

そして、ボールネジ軸５ａはこの内輪３３の中空部を通
って天井面２の下方へと伸びている。また、球面軸受４
ａの外輪３４は天井面２に穿設した透孔３５に固定され
ている。

このため、ボールネジ軸５ａおよびアクチュエータ３ａ
は球面軸受４ａの中心点Ｂを支点としてその姿勢を自在
に変えることができる。第２図中に仮想線で示した姿勢
はこのような姿勢変化の例を示している。

また、アクチュエータ３ａ内のポールナツト２５には、
その上部に中空シャフト２６が固定されている。このシ
ャフト２６はナツト２５の回転に伴って回転し、その回
転角がロータリーエンコーダ２８によって読取られる。

さらに、シャフト２６の外側にはブレーキ機構２７が配
設されており、必要に応じてシャフト２６（したがって
ナツト２５）の回転を停止させることかできる。ボール
ネジ軸５ａの上端部には脱落防止部材３ｏが取付けられ
ており、誤動作によってボールネジ軸５ａの全体が天井
面２から落下しないようになっている。

第１図に戻って、このような構成によって支持・駆動さ
れる６本のアーム（ボールネジ軸）５ａ〜５ｆは、その
下端がエンドエフェクタ保持体１０に結合されている。

この結合は球面リンク６ａ〜６ｆを介してなされている
が、これらの球面すンク６ａ〜６ｆは互いに同一の構造
を有している。

第４図に示すように球面リンク６ａ（６ｂ〜６ｆ）は、
アーム５ａ　（５ｂ〜５ｆ）の下端にリンクボール４１
を取付け、このリンクボール４１はホルダ４２内で立体
的に回転自在である。このため、第４図中に矢印で示す
ように、ホルダ４２に対してアーム５ａ　（５ｂ〜５ｆ
）はその姿勢を立体的に変更することができる。

第１図に示すように、エンドエフェクタ保持体１０にお
いては、正八面体の各頂点にこれらの球面リンク６８〜
６ｆを取付けている。この正八面体はフレーム７の組合
せによって規定されており、下面側三角形の各頂点にア
ーム５ａ、５ｃ、５ｅが、また、上面側三角形の各頂点
にアーム５ｂ。

５ｄ、５ｆがそれぞれ結合されている。したがって、第
５Ａ図に模式的平面図として示すように、天井面側の球
面軸受４ａ〜４ｆの左まわり配列とエンドエフェクタ保
持体１０上の球面リンク６ａ〜６ｆの左まわり配列との
間を、アーム５ａ〜５ｆがそれぞれ結合していることに
なる。球面リンク６ａ〜６ｆをひとつおきに上面側三角
形と下面側三角形との上に配置するのは、後述する動作
においてアーム５８〜５ｆの相互干渉を特に有効に防止
できるからである。なお、ボールネジ軸５８〜５ｆの軸
まわりの回転自由度（ロール回転）については、第１図
の球面軸受４ａ〜４ｆおよび球面リンク６８〜６ｆのう
ち少なくとも一方がこの自由度を持てばよく、双方にこ
の自由度を持たせることは必須ではない。

エンドエフェクタ保持体１０の下面側三角形部分（第１
図）には、エンドエフェクタ取付板８が固定されている
。レーザトーチＬＴはこの取付板８の中央に固定されて
おり、その筒先は取付板８と垂直な方向に向いている。

また、レーザトーチＬＴへのレーザ光の供給は光ファイ
バ束９によって行われる。

＜Ｂ、電気的構成〉 第６図はロボット１の制御系のブロック図である。コン
トローラ１００はＣＰＵおよびメモリを有しており、レ
ーザ発振器］０１に対してレーザ発振制御信号を出力す
る。レーザ発振器１０１からのレーザ光は光ファイバ束
９を介してレーザトーチＬＴに供給される。

一方、コントローラ１００はロボット１の動作指令信号
を発生し、それをモータドライバ１０２に与える。モー
タドライバ１０２はその動作指令信号に応じて各アクチ
ュエータ３ａ〜３ｆ内のモータＭに電力を供給し、各モ
ータＭを回転させる。

また、各アクチュエータ３ａ〜３ｆ内のそれぞれのエン
コーダ２８の出力パルスはエンコーダ出力パルス処理回
路１０３に取込まれ、この回路１０３において回転角指
示信号に変換された後にコントローラ１００に与えられ
る。なお、図示していないが各アクチュエータ３ａ〜３
ｆ内のブレーキ機構２７に対する制御も同様に実行され
る。

このロボット１の構成は新規なものであるが、その制御
方式は特に限定されるものではなく、プレイバック制御
やＮＣ制御など種々の制御方式を適用可能である。

くＣ１動作原理と特性〉 次に、このロボット１の動作原理について述べる。周知
のように、エンドエフェクタの位置と姿勢とを任意に変
えるためには６自由度が必要である。そして、この実施
例におけるエンドエフェクタ（レーザトーチＬＴ）はエ
ンドエフェクタ保持体１０に固定されていることから、
この保持体］Ｏに対して６自由度を与えればエンドエフ
ェクタの位置・姿勢を任意に変えることができる。

既述したように、ロボット］ではアクチュエータ３ａ〜
３ｆを個別に駆動することにより、球面軸受４Ｂ〜４ｆ
と球面リンク６８〜６ｆとの間におけるアーム５８〜５
ｆの長さを個別に伸縮可能である。そして、このような
駆動機構が合計６組設けられていることにより、エンド
エフェクタ保持体１０（したがってレーザトーチＬＴ）
はその任意および姿勢を種々変化させることができる。

この実施例では冗長自由度を持たせていないため、レー
ザトーチＬＴの位置・姿勢に対応する各アクチュエータ
３３〜３ｆの駆動量は一義的に定まる。

第７図および第８図はこのような位置・姿勢変化の例を
模式的に示している。図中の黒丸は天井面側の球面軸受
４ａ〜４ｆを概念的に示しており、白丸゛はエンドエフ
ェクタ保持体１０上の球面リンク６８〜６ｆを示してい
る。また、直線はアーム５ａ〜５ｆを示し、理解を容易
にするために各部に補助口が付されている。これらの図
からもわかるように、アーム５ａ〜５ｆのそれぞれの伸
縮がレーザトーチＬＴの位置・姿勢変化をもたらすこと
ができるのは各ジヨイント部４ａ〜４ｆ、６ａ〜６ｆが
球面的なジヨイントとなっているためである。そして、
レーザトーチＬＴの位置・姿勢と各アーム５８〜５ｆの
伸縮量との関係を表現した変換式は、ロボット制御工学
の分野で知られている通常の手法で求めることができる
。

具体的には次のような解析を行うことができる。

まず、第１図において球面軸受４ａ〜４ｆの位置を規定
する正六角形の中心を原点とし、水平面内にＸＹ軸を、
また垂直方向にＺ軸をとったＸＹＺ絶対座標系を考える
。そして、第５Ａ図に対応する第５Ｂ図において、この
絶対座標系における球面輪受４ａ〜４ｆの位置ベクトル
をＱ　　−０６とする。また、この絶対座標系における
球面リンクする。

さらに、レーザトーチＬＴに固定された局所座標系Ｅに
おける球面リンク６ａ〜６ｆの位置ベクトルを、 （ａ　　、　　ｂ、　、　　Ｃ，）　　　（ｉ＝１〜６
）　　−（１）とする。エンドエフェクタ保持体１０の
内部配置が固定されていることから、　（１）式のベク
トルは定数ベクトルである。

一方、絶対座標系から見たレーザトーチＬＴの位置と姿
勢とを、座標マトリクス： で表現する。ただし、α、β、γは方向余弦であり、「
ネ」は、上記（２）のマトリクスの左上側３×３部分マ
トリクスにおいて、各行の要素の二乗和と各列の要素の
二乗和とが共に“１′となるように定まる定数である。

このとき、ベクトルＰ。

（１−１〜６）の各成分： Ｐ、−（Ｘ、Ｙ６．Ｚ　）　　　　・・（３）１ｊ　　
　　］　　　　１ は、 のように書ける。ただし、口は計算結果として利用され
ない部分である。

したがって、レーザトーチＬＴの位置および姿勢をｘｒ
Ｙ、ｚ−α、β、γで指定したとき、（４）式の計算を
行うことによって、　（３）式の各ベクトルＰ、の成分
ｘ、、ｙ、、ｚ、すなわち各法１　　　　　　　　　　
　１　　　　　　　］面リすク６８〜６ｆの絶対座標が
わかる。そして、球面軸受４ａ〜４ｆと球面リンク６ａ
〜６ｆとの間の区間における各アーム５８〜５ｆの長さ
１１〜ｐ６を１ 、２　＝　、−＝；Ｊ、−百　Ｉ　２（ｉ−１〜６）・
・・（５）とすれば、レーザトーチＬＴについて指定さ
れた位置と姿勢とをとらせることができる。

なお、位置および姿勢の微小変化に対する変換マトリク
スは、　（５）式を用いてｆ　＋　（＋−１〜ｅ）とＰ
、（ｉ＝１〜６）とのヤコビアンを求めればよい。

】 このロボット１において特徴的なことは、各アーム５ａ
〜５ｆか並列的にエンドエフェクタ保持体１０に結合さ
れているため、特定のアームに負荷が集中することがな
いという点である。レーザトーチＬＴを傾けたときには
各アーム５３〜５ｆの負荷はアンバランスにはなるがそ
の差は比較的小すい。すなわち、エンドエフェクタ保持
体１０は６本のアーム５ａ〜５ｆによって常に均等もし
くはそれに近い状態の分担比で支持されている。

このため、各部材のサイズや構造を大型化しなくても十
分な剛性を確保できる。

また、レーザトーチＬＴの位置決め誤差は各アーム５ａ
〜５ｆにおける伸縮量誤差のそれぞれと同程度であり、
各アーム５ａ〜５ｆの誤差の和にはならない。このｔ二
め、レーザトーチＬＴの位置決め精度は著しく向上する
。上記のように剛性が高いことも、精度向上に寄与する
。

一方、アクチュエータ６８〜６ｆや各アーム５ａ〜５ｆ
の構成を互いに同一としていることにより、ロボット全
体としての製造コストも低下する。

故障等による交換部品も共通化できるため、保守コスト
も低減する。

各球面軸受４８〜４ｆを正六角形の頂点に配置し、各球
面リンク６ａ〜６ｆを正八面体の各頂点に配置している
ことにより、ロボット１ではその中心垂直軸２（第１図
）のまわりに１２０’ごとの回転対称性を有する。した
がって、レーザ）−チＬＴについてひとつの軌跡が与え
られたとき、その軌跡に対応する制御データを求めてお
けば、当該軌跡をＺ軸まわりに１２０’　ｘｎ　（ｎ−
１゜２、・・・）だけ回転させた他の軌跡についての制
御データは、各アームごとの駆動量を循環的に置換する
ことによって容易に得ることができる。

＜Ｄ、他の実施例〉 （１）　　第９図に示した構成ではエンドエフェクタ保
持体１０Ａを正六角形とし、その頂点に球面リンクを取
付けている。この場合、第１図のロボット１と比較して
アーム間の干渉域はある程度法がるが、エンドエフェク
タ保持体１０Ａの立体的サイズが小さくなるという利点
がある。また、幾何学的対称性もさらに高まる。

（２）　　第１０図では、球面軸受とアクチュエータと
の組合せを５組とし、アームも５本のみを有している。

そして、エンドエフェクタ保持体］ＯＢ上に球面リンク
を正五角形配置しており、天井面側の球面軸受も正五角
形配置としている。これは、次のような事情を反映して
いる。

すなわち、エンドエフェクタがレーザトーチのようにそ
の軸まわりの回転対称性を有する場合には、その姿勢三
要素のうちピッチおよびヨーのみが重要であり、ロール
角の制御は不要である。このため、エンドエフェクタの
位置・姿勢制御にあたフては５自由度で足りることが多
く、それに応して駆動系も５組のみとしている。

一般に、この発明においてエンドエフェクタの位置およ
び姿勢を定めるために必要とされるアムおよびアクチュ
エータの数Ｎは５または６である。Ｎ−６の場合におい
て、上記のようにロール角の制御が不要の場合にはその
うちの１組を冗長自由度と考えて利用することもできる
。なお、既述したように、アーム支持点側の球面軸受を
正多角形の頂点に配置し、エンドエフェクタ側の球面リ
ンクを正多角形または正多面体の頂点に配置することが
好ましい。

（３）　　第１１図の例では、第９図の６個の球面リン
クのうち隣接する２個ずつを実質的に同一の位置にまと
めて配置している。ただし、ひとつの位置から伸びる２
本のアームは独立にその姿勢を変えることかできるよう
にしておく。エンドエフェクタ保持体１０Ｃは、その上
に定義された（同一直線上にない）３点の位置を定めれ
ばその位置および姿勢が一義的に定まるため、このよう
な簡略化も可能となるのである。

（４）　　各アームは必ずしも天井面で支持する必要は
なく、天井面、壁面、床面など、種々の支持点で支持す
ればよい。第１２図は天井面５１と壁面５２との双方か
ら支持した例を示している。ただし、各支持点が一直線
上にあると３次元的制御ができなくなるため、各アーム
を支持する球面ジヨイントは２次元的または３次元的に
分布して固定されねばならない。

（５）　　第１３図の例では天井面５３に球面リンク５
４を取付け、それから伸びるアーム５５の途中に電動シ
リンダ５６を設けている。このようなアームを用いてこ
の発明を構成することも可能であるが、この配置の場合
には電動シリンダ５６のストロークを大きくとれないこ
とやアーム５５の上部に余分な負担がかかることなどの
事情があるため、既述した各実施例の配置が好ましい。

（６）　　この発明のロボットではそのエンドエフェク
タとして何を用いるかは問題とする必要はなく、゛ハン
ドリングロボットや溶接ロボット、組立てロボットなど
各種のロボットとして利用できる。

支持点は固定構造物上に設定しなくてもよく、たとえば
レール上を走行する構造物上に設定してもよい。さらに
、アームが屈曲部を持っていてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、５
または６本のアームで並列的にエンドエフェクタ保持体
を支持するため、特定の部位に負担がかかることがない
。このため、大型または複雑な構造を用いなくてもロボ
ットの剛性を高めることができる。

また、各アームにおける制御誤差が累積せず、ロボット
全体としての剛性も高いため、高精度の制御が可能とな
る。

請求項２の発明では、さらに各アームや各アクチュエー
タの構造を実質的に同一としているため、その製造コス
トが低下する。

さらに、請求項３の発明では各アームを支持する位置や
、エンドエフェクタ保持体上における各アームの結合位
置の幾何学的対称性を高めているため、対称性を利用し
た制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例であるロボットの模式的
斜視図、 第２図は、実施例におけるアクチュエータと球面軸受と
の断面図、 第３図は、第２図のアクチュエータとアーム（ボールネ
ジ軸）との間のスプライン係合を示す断面図、 第４図は、実施例において用いられる球面リンクの斜視
図、 第５Ａ図は、実施例におけるアーム配置を示す模式的平
面図、 第５Ｂ図は、実施例における座標変換の説明図、第６図
は、実施例のロボットにおいて用いられる制御系のブロ
ック図、 第７図および第８図は、実施例のロボットについてその
動作を例示する図、 第９図から第１３図は、この発明の変形例を示す図であ
る。 １・・・ロボット、２・・・天井面、 ３ａ〜３ｆ・・・アクチュエータ（電動シリンダ）、４
ａ〜４ｆ・・・球面軸受（第１の球面ジヨイント）５８
〜５ｆ・・・アーム（ボールネジ軸）、６ａ〜６ｆ・・
・球面リンク （第２の球面ジヨイント）、 〕Ｏ・・・エンドエフェクタ保持体、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元的または３次元的に分布したＮ個（Ｎ＝５
   または６）の支持点に第１の球面ジョイントを介して支
   持されたＮ本のアームと、 所定のエンドエフェクタが取付けられるとともに、第２
   の球面ジョイントを介して前記アームのそれぞれに結合
   したエンドエフェクタ保持体と、前記アームのそれぞれ
   に結合されて、前記第１と第２の球面ジョイントの間の
   区間における各アームの長さを個別に伸縮させるＮ個の
   アクチュエータとを備え、 前記アクチュエータのそれぞれを駆動することによって
   前記エンドエフェクタの位置と姿勢とを変化させること
   を特徴とするロボット。
2. （２）請求項１記載のロボットにおいて、 前記アームのそれぞれの構造が実質的に同一であり、か
   つ 前記アクチュエータのそれぞれが実質的に同一の構造を
   有していることを特徴とするロボット。
3. （３）請求項２記載のロボットにおいて、 前記第１の球面ジョイントが正多角形の各頂点に相当す
   る位置に存在し、 前記エンドエフェクタ保持体における前記第２の球面ジ
   ョイントのそれぞれの配置位置が正多角形または正多面
   体の頂点位置とされていることを特徴とするロボット。