JPH04322988A - ロボットの関節機構 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工場の生産ラインや宇宙
の極限環境等で使用されるマニピュレータ、スカラロボ
ット等を含むロボット全般の関節機構に関し、特に、回
転検出器を減速機の出力側に設けるようにしたロボット
の関節機構に関する。

【０００２】近年、ロボットは各分野で利用され、組立
作業のようなより精密で微妙な感覚を必要とする作業に
も有効に利用されつつある。それに伴い、ロボットハン
ドの位置決め精度に対する要求も高くなってきている。 このロボットハンドの位置決めは、回転検出器等のセン
サで検出した各関節の関節角をサーボ制御系にフィード
バックして行われている。したがって、このセンサの検
出データは、ロボットハンドの位置決め精度を左右する
。

【０００３】一方、ロボットの関節は、比較的高速で回
転する回転アクチュエータ及びその回転アクチュエータ
の回転速度を減速する減速機によって構成され、各関節
の関節角は、その回転アクチュエータの回転角によって
決定される。

【０００４】

【従来の技術】従来、回転検出器は、回転アクチュエー
タの回転角をその出力軸側において直接検出するように
設けられ、その検出結果がサーボ制御系にフィードバッ
クされていた。

【０００５】図５は従来のロボットの関節機構を概念的
に示す図である。ロボットの関節は、回転アクチュエー
タ１、減速機２及び出力リンク３によって構成される。 回転アクチュエータ１の回転角θＭ　は、減速比Ｎの減
速機２によって回転角θＧ　に低減され、減速機２の出
力軸５及び出力リンク３はその回転角θＧ　だけ回転す
る。この出力リンク３の回転角θＧは、その他の各関節
の回転角とともに、ロボットハンドの最終的な位置を決
定する。回転検出器４は回転アクチュエータ１の出力軸
６側に設けられ、回転アクチュエータ１の回転角θＭ　
を検出する。その検出結果は、図示しないサーボ制御系
にフィードバックされ、サーボ制御系は指令値との誤差
をなくすべく回転アクチュエータ１のフィードバック制
御を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように、
回転検出器４を回転アクチュエータ１の出力軸６側に設
け、その回転検出器４の出力情報をフィードバック情報
として用いた場合、そのフィードバック情報に基づく制
御では、減速機２の出力軸５側の回転角θＧ　の位置決
め精度は保証されない。それは、たとえ回転角θＭ　が
回転検出器４の分解能レベルまで高精度に位置決めされ
たとしても、その先の減速機２にはコンプライアンスが
存在しており、出力軸５側の回転角θＧ　には、出力リ
ンク３先端側の負荷の変動による位置ずれが生じるため
である。すなわち、回転検出器４によるフィードバック
情報には、この回転角θＧ　の位置ずれに関する情報は
含まれず、その結果、フィードバック制御を行っても、
回転角θＧ　はサーボ制御系からの指令値に対して誤差
を生じてしまう。

【０００７】さらに、ロボットハンドが移動する際には
、ロボットアームの自重およびそのロボットハンドに掛
かる負荷と、減速機２のコンプライアンスとに起因する
振動が発生する。しかし、回転検出器４は、回転アクチ
ュエータ１の出力軸６側に設けられているために、この
振動を検出することができない。このため、フィードバ
ックによる位置制御を行っても、ロボット先端側の振動
を抑制することができない。

【０００８】一方、ＦＡ環境のようにロボットにとって
整備された環境ではなく、一般の環境においては、接触
しようとした対象物が想定された位置より多少の誤差を
もって存在していることが多い。この場合、アームが精
度よく位置決めされても、対象物の位置誤差により、ハ
ンドに対して過度の反力が発生する場合がある。このよ
うな場合、ハンドに対する反力をも評価する制御系を構
成する必要がある。この場合、何らかの力センサをアー
ムに設ける必要があった。

【０００９】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、フィードバック制御によりロボットの位置決
め精度を向上させるとともに、ロボット先端の振動をも
抑制することができるロボットの関節機構を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】また、本発明の他の目的は、力センサ等を
必ずしも設けることなく、ロボットハンド等にかかる反
力を検出することができるロボットの関節機構を提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の第１の発
明の原理ブロック図である。本発明の第１の発明による
ロボットの関節機構は、回転アクチュエータ１と、その
回転アクチュエータ１の回転角を減速する減速機２とか
ら構成され、その減速機２の出力軸５側に、その出力軸
５の回転角を検出する第１の回転検出器４０が設けられ
る。

【００１２】図２は本発明の第２の発明の原理ブロック
図である。本発明の第２の発明によるロボットの関節機
構は、回転アクチュエータ１と、その回転アクチュエー
タ１の回転角を減速する減速機２とから構成され、その
減速機２の出力軸５側に、その減速機２の出力軸５の回
転角を検出する第１の回転検出器４０が設けられる。さ
らに、回転アクチュエータ１の出力軸　（減速機２の入
力軸）　６側に、その回転アクチュエータ１の出力軸６
の回転角を検出する第２の回転検出器４１が設けられる
。

【００１３】

【作用】本発明の第１の発明によると、回転アクチュエ
ータ１はサーボ制御系からの指令値に応じて回転する。 その回転は比較的小トルクであるため所定の減速比を持
った減速機２によって減速される。減速機２の出力軸５
は、回転アクチュエータ１が所定の回転角だけ回転する
と、その減速比に応じて回転角が低減される。第１の回
転検出器４０はその低減された回転角を検出し、検出結
果をサーボ制御系に出力する。サーボ制御系は、その回
転検出器４０からの出力情報と指令値との誤差に基づい
て回転アクチュエータ１のフィードバック制御を行う。

【００１４】第１の回転検出器４０は、減速機２の出力
軸５側に設けられる。このため、減速機２のコンプライ
アンスに起因して発生する出力軸５の位置ずれも検出す
ることができる。さらに、ロボットハンドが移動する際
に、ロボットアームの自重およびそのロボットハンドに
掛かる負荷と、減速機２のコンプライアンスとに起因し
て発生する振動をも検出することができる。すなわち、
第１の回転検出器４０の出力情報には、ロボットハンド
の位置決め精度に直接的に影響を与える減速機２の出力
軸５の位置に関する正確な情報が含まれる。したがって
、第１の回転検出器４０の出力情報に基づいて行われる
フィードバック制御は高精度で行われ、その結果、ロボ
ットの位置決め精度が向上する。さらに、ロボット先端
の振動をも抑制することができる。

【００１５】本発明の第２の発明によると、第１の発明
の構成に加えて回転アクチュエータ１の出力軸６側に第
２の回転検出器４１が設けられる。このため、第１の回
転検出器４０による減速機２の出力軸５側の回転角に関
する情報に加えて、第２の回転検出器４１による回転ア
クチュエータ１の出力軸６側の回転角に関する情報も得
られる。この２つの情報の差分（ただし、関節に負荷が
かからず、減速機の変形がない場合の差分を値０とする
。）は、減速機２のコンプライアンスの存在によるもの
であり、この場合、減速機２の出力軸５側の発生トルク
は、その差分とコンプライアンス値の逆数との積に相当
する。すなわち、第１の回転検出器４０及び第２の回転
検出器４１の各出力情報、並びに減速機２のコンプライ
アンス値を利用して減速機２の出力軸５側における発生
トルクを検出することができる。このため、各関節にお
ける発生トルクが、トルクセンサ等を用いずに検出可能
となる。この各関節における発生トルクの検出により、
ロボットハンドでの反力も検出可能となり、力センサ等
は必ずしも設けなくてよい。また各関節にトルク検出機
構を設ける方式となるのでハンドのみならず、リンク部
分の他との干渉による発生反力も検出可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図３は本発明のロボットの関節機構の全体構成
を示す図である。図において、ロボットの関節は、サー
ボモータ１０、減速機２０及び出力リンク３０によって
構成される。ここで、減速機２０は、例えば平歯車で構
成される。出力リンク３０は他の関節（図示せず）に連
結され、最終的にはロボットハンド（図示せず）に連結
されている。サーボモータ１０の回転角θＭ　は、減速
比Ｎの減速機２０によって回転角θＧ　に低減され、減
速機２０の出力軸５０及び出力リンク３０はその回転角
θＧ　だけ回転する。この出力リンク３０の回転角θＧ
　は、その他の各関節の回転角とともに、ロボットハン
ド　（図示せず）　の最終的な位置を決定する。エンコ
ーダ４０Ａは減速機２０の出力軸５０側に設けられ、減
速機２０の回転角θＧ　を検出する。この場合のエンコ
ーダ４０Ａは、減速された回転角θＧ　を検出するのに
十分な分解能を有している。その検出結果は、ロボット
制御装置に設けられた位置制御系７０にフィードバック
され、位置制御系７０は指令値との誤差を補正すべくサ
ーボモータ１のフィードバック制御を行う。

【００１７】エンコーダ４０Ａは、減速機２０の出力軸
５０側に設けられるため、減速機２０のコンプライアン
スに起因して発生する出力軸５０の位置ずれを検出する
ことができる。さらに、ロボットハンドが移動する際に
、ロボットアームの自重とそのロボットハンドに掛かる
負荷と、減速機２０のコンプライアンスとに起因して発
生する振動をも検出することができる。すなわち、エン
コーダ４０Ａの出力情報には、ロボットハンドの位置決
め精度に直接的な影響を与える減速機２０の出力軸５０
の位置に関する正確な情報が含まれる。したがって、エ
ンコーダ４０Ａの検出データに基づいて行われるフィー
ドバック制御は高精度で行われ、その結果、ロボットの
位置決め精度が向上する。さらに、ロボット先端の振動
をも抑制することができる。

【００１８】図４は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。第１の実施例との相違点は、サーボモータ１０の出
力軸６０側にエンコーダ４１Ａを設けた点である。この
ため、エンコーダ４０Ａによる減速機２０の出力軸５０
側の回転角θＧ　に関する検出データに加えて、エンコ
ーダ４１Ａによるサーボモータ１０の出力軸６０側の回
転角θＭ　に関する検出データが得られる。この２つの
検出データに差分が生じるのは、減速機２０のコンプラ
イアンスの存在によるものであり、この場合、減速機２
０の出力軸５０側の発生トルクＴは、次式（１）に示す
ように、２つの検出データの差分とコンプライアンス値
Ｃの逆数との積に相当する。

【００１９】 Ｔ＝１／Ｃ・（θＭ　／Ｎ−θＧ　）─────（１）
ここで、Ｔ：発生トルク〔Ｎ・ｍ〕 Ｃ：減速機の出力軸換算コンプライアンス〔ｒａｄ／Ｎ
・ｍ〕 Ｎ：減速比 θＭ　：モータ軸の回転角（エンコーダ４１Ａの検出デ
ータ）〔ｒａｄ〕 θＧ　：減速機の回転角（エンコーダ４０Ａの検出デー
タ）〔ｒａｄ〕 ただし、関節に対する負荷が０のとき、θＭ　／Ｎ＝θ
Ｇ　であるよう、エンコーダ４０Ａ、４１Ａの原点が初
期化されているとする。また、コンプライアンス値Ｃは
、減速機２０の入力軸６０を固定した状態で出力軸５０
に負荷をかけ、出力軸５０の変位角度を測ることにより
求められた値である。

【００２０】この発生トルクＴはロボット制御装置に設
けられた発生トルク検出部７１において算出される。

【００２１】このように、エンコーダ４０Ａ及び４１Ａ
の各検出データ、並びに減速機２０のコンプライアンス
値Ｃを利用して減速機２０の出力軸５０側における発生
トルクＴを検出することができる。このため、各関節に
おける発生トルクが、トルクセンサ等を用いずに検出可
能となる。この各関節における発生トルクの検出により
、ロボットハンドでの反力およびリンク部分での発生反
力も検出可能となり、力センサ等は、必ずしも必要でな
い。

【００２２】上記の説明では、減速機２０を平歯車で構
成するようにしたが、他の歯車、例えば、ハーモニック
ドライブ、遊星歯車、かさ歯車、ウォームギヤ等で構成
することもできる。

【００２３】また、回転検出器にエンコーダを用いたが
、他の回転検出器、例えば、レゾルバ、ポテンショメー
タ等を用いるようにすることもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、第１の
回転検出器を減速機の出力軸側に設けるように構成した
。このため、第１の回転検出器は、減速機のコンプライ
アンスに起因して発生する出力軸の位置ずれを検出する
ことができる。さらに、ロボットハンドが移動する際に
、ロボットアームの自重とそのロボットハンドに掛かる
負荷と、減速機のコンプライアンスとに起因して発生す
る振動をも検出することができる。すなわち、第１の回
転検出器の出力情報には、ロボットハンドの位置決め精
度に直接的な影響を与える減速機の出力軸の位置に関す
る正確な情報が含まれる。したがって、第１の回転検出
器の出力情報に基づいて行われるフィードバック制御は
高精度で行われ、その結果、ロボットの位置決め精度を
向上させることができる。さらに、ロボット先端の振動
をも抑制することができる。

【００２５】さらに、第１の回転検出器に加えて、回転
アクチュエータの出力軸側に第２の回転検出器を設ける
ように構成した。このため、第１の回転検出器による減
速機の出力軸側の回転角に関する情報に加えて、第２の
回転検出器による回転アクチュエータの出力軸側の回転
角に関する情報も得られる。この２つの情報の差分は、
減速機のコンプライアンスの存在によるものであり、こ
の場合、減速機の出力軸側の発生トルクは、その差分と
コンプライアンス値の逆数との積に相当する。すなわち
、第１の回転検出器及び第２の回転検出器の各出力情報
、並びに減速機のコンプライアンス値を利用して減速機
の出力軸側における発生トルクを検出することができる
。このため、各関節における発生トルクが、トルクセン
サ等を用いずに検出可能となる。この各関節における発
生トルクの検出により、ロボットハンドでの反力および
リンク部分での発生反力も検出可能となり、力センサ等
は、必ずしも必要でない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明の原理ブロック図である。

【図２】本発明の第２の発明の原理ブロック図である。

【図３】本発明のロボットの関節機構の全体構成を示す
図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図５】従来のロボットの関節機構を概念的に示す図で
ある。

【符号の説明】

１　　回転アクチュエータ ２　　減速機 ３　　出力リンク ５　　減速機の出力軸 ６　　回転アクチュエータの出力軸 ４０，４１　　回転検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転または屈曲する関節を組み合わせ
   て構成するロボットの関節機構において、前記関節を回
   転させる回転アクチュエータ（１）　と、前記回転アク
   チュエータ（１）　の回転速度を減速する減速機（２）
   　と、前記減速機（２）　の出力軸（５）　側に設けら
   れ、前記減速機（２）　の出力軸（５）　の回転角を検
   出する第１の回転検出器（４０）と、を有することを特
   徴とするロボットの関節機構。
2. 【請求項２】　　前記第１の回転検出器（４０）の出力
   値は、位置決めのフィードバック情報として用いられる
   ことを特徴とする請求項１記載のロボットの関節機構。
3. 【請求項３】　　前記回転アクチュエータ（１）　の出
   力軸（６）　側に設けられ、前記回転アクチュエータ（
   １）　の出力軸（６）　の回転角を検出する第２の回転
   検出器（４１）を有することを特徴とする請求項１記載
   のロボットの関節機構。
4. 【請求項４】　　前記第１及び第２の回転検出器（４０
   ，４１）　の各出力値及び前記減速機（２）　のコンプ
   ライアンス値を利用して前記関節における発生トルクを
   検出することを特徴とする請求項３記載のロボットの関
   節機構。