JPH0938886A - ロボットの手首機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｘ−Ｙ方向のコンプラアンスを得られても回
転方向（θ方向）のコンプライアンスが得られない。 【解決手段】 ２つの１自由度回転関節及び１自由度の
直動機構を有する３組のリンク１２と、これら３組のリ
ンク１２の一端部を連結したベース部材１１及び他端部
を連結した可動体１３、各リンク１２を駆動するサーボ
制御が可能な回転モータ１４とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットの手首機
構に関し、特に組付部材の位置ずれを吸収するコンプラ
イアンス性を持たせたロボットの手首機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業用ロボットによって２つの部
品のはめ合い作業等の組立作業を行う場合、部品の公
差、位置決め精度、ロボットの位置決め精度等によって
生じる２つの部品間の中心軸線のずれを補うためにロボ
ットのアームに対して作業ツール（ハンド、フィンガー
等の称呼を含む。）を変位自在に連結するコンプライア
ンス機構が用いられている。

【０００３】このコンプライアンス機構の内の所謂受動
的コンプライアンス機構は、一般的に、ｘ方向にのみ変
位可能なステージとｙ方向にのみ変位可能なステージと
を多段構成を採用して、積層ゴム、コイルバネ等によっ
てコンプライアンス性を持たせるとともに、移動時のぶ
れを抑制するためにコンプライアンスを小さくするよう
に可変とする構成が採用されている（特公平４−２０７
５５号公報等参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の受動的コンプライアンス機構にあっては、Ｘ−
Ｙ平面内でのコンプライアンスを得るためにｘ方向にの
み変位可能なステージとｙ方向にのみ変位可能なステー
ジとを多段構成としているので、装置に厚みが大きくな
り、しかもＸ−Ｙ方向のコンプラアンスを得られても回
転方向（θ方向）のコンプライアンスがないためにθ方
向の位置ずれには対応することができない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１のロボットの手首機構は、ロボットのアー
ムと作業ツールとの間に設ける手首機構において、２つ
の１自由度回転関節及び１自由度の直動機構を有する３
組のリンク手段と、これら３組のリンク手段の一端部を
連結したベース部材及び他端部を連結した可動体と、前
記各リンク手段を駆動するサーボ制御が可能なアクチュ
エータとを備えた。

【０００６】請求項２のロボットの手首機構は、上記請
求項１のロボットの手首機構において、前記アクチュエ
ータが回転モータからなる構成とした。

【０００７】請求項３のロボットの手首機構は、上記請
求項１のロボットの手首機構において、前記リンク手段
がラック及びピニオン機構からなり、前記アクチュエー
タが回転モータからなる構成とした。

【０００８】請求項４のロボットの手首機構は、上記請
求項１のロボットの手首機構において、前記リンク手段
がボールネジ機構からなり、前記アクチュエータが回転
モータからなる構成とした。

【０００９】請求項５のロボットの手首機構は、上記請
求項１のロボットの手首機構において、前記アクチュエ
ータがリニアモータからなる構成とした。

【００１０】請求項６のロボットの手首機構は、上記請
求項１乃至５のいずれかのロボットの手首機構におい
て、前記制御手段が、前記サーボ制御を各リンク手段の
長さ又は角度を同じにする目標値を与える比例−微分制
御で行う構成とした。

【００１１】請求項７のロボットの手首機構は、上記請
求項１乃至６のいずれかのロボットの手首機構におい
て、前記制御手段が、前記サーボ制御を重力を補償する
バイアスをかけた比例−微分制御で行う構成とした。

【００１２】請求項８のロボットの手首機構は、上記請
求項１乃至７のいずれかのロボットの手首機構におい
て、前記制御手段が、前記サーボ制御を時系列で変化す
る目標値を与える比例−微分制御で行う構成とした。

【００１３】請求項９のロボットの手首機構は、ロボッ
トのアームと作業ツールとの間に設ける手首機構におい
て、２つの１自由度回転関節及び１自由度の直動機構を
有する３組のリンク手段と、これら３組のリンク手段の
一端部を連結したベース部材及び他端部を連結した可動
体と、前記可動体にばね要素で求心性を生じさせる求心
手段を備えた。

【００１４】請求項１０のロボットの手首機構は、上記
請求項９のロボットの手首機構において、前記求心手段
が各リンク手段に設けたプーリと、各プーリに張装した
ベルトとからなる構成とした。

【００１５】請求項１１のロボットの手首機構は、上記
請求項９のロボットの手首機構において、前記リンク手
段がエアーダンパからなり、前記求心手段を兼ねている
構成とした。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例を
示す全体構成図、図２は図１のロボットの手首部を示す
要部拡大正面図、図３は図２の底面図、図４は図２の要
部拡大断面図である。

【００１７】ロボット１は、胴体２に第１アーム３をｚ
方向に昇降可能に取付けて直動関節とすると共に、胴体
２に第１アーム３を旋回可能に取付けることで回転関節
とし、この第１アーム３の先端部に第２アーム４を旋回
可能に取付けることで回転関節（肘関節）とし、更にこ
の第２アーム４の先端部に第３アーム５を回転可能に取
付けて、この第３アーム５の先端部に手首機構（コンプ
ライアンス機構）６を介して作業ツールであるハンド７
を取付けている（図２参照）。

【００１８】手首機構６は、図２乃至図４に詳細を示す
ように、ロボット１の第３アーム５の先端部に固定した
ベース部材１１と、２つの１自由度回転関節及び１自由
度の直動機構を有する３組の３組のリンク１２と、ハン
ド７を取付けた可動体１３と、３組のリンク１２を駆動
するサーボ制御が可能なアクチュエータとしての３個の
回転モータ１４とを備えている。

【００１９】リンク１２は、シリンダ部材１５にロッド
部材１６を進退可能の嵌装して１自由度の直動機構と
し、シリンダ部材１５の端部に固定した軸部材１７及び
ロッド部材１６の端部に固定した軸部材１８で２つの１
自由度回転関節を構成するようにし、リンク１２の一端
部であるシリンダ部材１５の軸部材１７を図４に示すよ
うにベース部材１にベアリング２０を介して回転可能に
連結し、リンク１２の他端部であるロッド部材１６の軸
部材１８を可動体１３に回転可能に連結している。これ
ら３個のリンク１２は、図３に示すようにベース部材１
１及び可動体１３に対して等角度で配置している。

【００２０】そして、回転モータ１４は支柱部材２１を
介してベース部材１１に固定したモータ取付板２２に固
定し、回転モータ１４の回転軸２３をカップリング部材
２４を介してリンク１２の軸部材１７に連結している。
この回転モータ１４には回転量を検出するためのエンコ
ーダ２５を備えている。

【００２１】図１に戻って、このロボット１を駆動制御
するためにロボットコントローラ８と、手首機構６の３
個の回転モータ（アクチュエータ）１４を駆動制御する
ための３個のサーボ制御回路９とを備えている。

【００２２】サーボ制御回路９は、目標値と回転モータ
１４の回転量を検出するエンコーダ２５からの検出値と
を加減算する加減算器２７と、この加減算器２７の値に
応じて比例−微分制御（ＰＤ制御）を行うＰＤゲイン回
路２８と、ＰＤゲイン回路２８からのゲイン値に重力補
償回路２９からの重力補償値を加算する加算器３０と、
この加算器３０の加算値を増幅して制御信号として回転
モータ１４に出力するアンプ（ＡＭＰ）３１とを有して
いる。

【００２３】その重力補償回路２９は手首機構６が重力
方向の影響を受ける際に重力と桔抗する方向にバイアス
の力を発生させるため、ロボットコントローラ８から与
えられるロボット１の姿勢情報に基づいて重力の影響を
計算して、その計算値に見合うバイアス値を重力補償値
として出力する。

【００２４】以上のように構成したロボットの手首機構
において、サーボ制御回路９の各リンク１２の角度の目
標値として可動体１３が中央に位置し、回転角がゼロの
位置になる値を与える。この状態で、ハンド７に対して
部品のはめ合い作業でＸ方向、Ｙ方向或いはθ方向の位
置ずれが生じた場合、可動体１３の位置ずれの方向に応
じて対応するリンク１２が伸縮ないし回転することによ
って可動体１３が位置ずれの方向に変位して、位置ずれ
を吸収する（コンプライアンスを発生する。）

【００２５】ここで、コンプライアンス特性は、サーボ
制御回路９における制御ループのＰＤゲイン回路２８で
比例ゲイン（Ｐ）及び微分ゲイン（Ｄ）を変化させるこ
とによって、回転モータ１４がリンク１２を所定の状態
に保持しようとする力が変化するので、可動体１３のコ
ンプライアンス特性を所要の値に変化させることができ
る。また、上述したようにロボット１の姿勢から手首機
構６が重力方向の影響を受けるときには、重力と桔抗す
る方向のバイアスの力を発生させる重力補償値をＰＤゲ
インに加算入力するので、ロボット１の姿勢にかかわら
ず、可動体１３の中心軸のずれを起こさずに、同じコン
プライアンス特性を持たせることができる。

【００２６】これにより、次のような横組立作業をスム
ーズに行うことができる。すなわち、垂直方向に軸受
を取りに行く：コンプライアンスを大きく設定する。
組立位置まで軸受を移送する：コンプライアンスを小さ
く設定し、ぶれを低減する。ハンドを水平方向に向
け、挿入動作をする：コンプライアンスを再び大きく設
定し、重力方向にはバイアスをかけて、ハンドの重みに
よる垂れを起こすことなく挿入作業を遂行する。

【００２７】次に、図５は本発明の第２実施例のロボッ
トの手首部を示す要部拡大正面図、図６は図５の底面
図、図７は図５の要部拡大断面図である。この実施例に
おける手首機構６のリンク３２は、直動ガイド３３で直
動部材３４を進退可能に保持して１自由度の直動機構と
し、直動ガイド３３に固定した軸部材３５及び直動部材
３４の一端部に固定した軸部材３６で２つの１自由度回
転関節を構成するようにし、リンク３２の一端部である
直動ガイド３３の軸部材３５を図７に示すようにベース
部材１にベアリング３７を介して回転可能に連結し、リ
ンク３２の他端部である直動部材３４の軸部材３６を可
動体１３に回転可能に連結している。

【００２８】そして、直動部材３４の後端部側にはラッ
ク部３７を形成するとともに、直動ガイド３３上面にモ
ータホルダ３８を固着し、このモータホルダ３８にアク
チュエータである回転モータ１４を取付けて、回転モー
タ１４の回転軸２３に直動部材３４のラック部３７に噛
み合うピニオン３９を取付けている。なお、その他のメ
カニズム及びサーボ制御の構成は上記実施例と同様であ
る。

【００２９】この実施例においては、上記実施例と同様
に各リンク３２の長さの目標値として可動体１３が中央
に位置し、長さが同じになる位置になる値を与える。こ
の状態で、ハンド７に対して部品のはめ合い作業でＸ方
向、Ｙ方向或いはθ方向の位置ずれが生じた場合、可動
体１３の位置ずれの方向に応じて対応するリンク３２が
伸縮ないし回転することによって可動体１３が位置ずれ
の方向に変位して、位置ずれを吸収する（コンプライア
ンスを発生する。）。そして、回転モータ１４をサーボ
制御してＰＤゲイン（パラメータ）を変えることによっ
て回転モータ１４がリンク３２を所定の状態に保持しよ
うとする力が変化するので、可動体１３のコンプライア
ンス特性を所要の値に変化させることができる。

【００３０】次に、図８は本発明の第３実施例のロボッ
トの手首部を示す要部拡大正面である。この実施例の手
首機構６においては、上記第２実施例における直動部材
３４を進退させるためのラック部３７及びピニオン３９
に代えてボールネジ機構を用いている。すなわち、リン
ク４２の直動部材３４にボールネジ４３を進退可能に螺
着し、このボールネジ４３の後端部にタイミングプーリ
４４を取付ける一方、直動ガイド３３に略Ｌ字状のモー
タホルダ４５を取付け、このモータホルダ４５に回転モ
ータ１４を取付けてその回転軸にタイミングプーリ４６
を取付けて、これらのボールネジ４３及び回転モータ１
４の各タイミングプーリ４４，４６間にタイミングベル
ト４７を張装している。

【００３１】この実施例においても上記第２実施例と同
様にリンク４２の長さを制御することで可動体１３の位
置を制御することができると共に、コンプライアンス特
性を変化させることができる。

【００３２】なお、上記各実施例においてはアクチュエ
ータとして回転モータを用いた例について説明したが、
リニアモータを用いて各リンクを長さを制御することで
可動体の位置を制御するようにすれば、機構のコンパク
ト化を図れる。また、アクチュエータをサーボ制御する
ときに、目標値として時系列的に変化する目標値を与え
るようにすれば、可動体を平面内で任意の方向、姿勢に
制御することができ、挿入作業を行う際にハンドで把持
している部品を振動させつつ挿入させるなど、より人間
の作業に近い高度な作業を遂行させることができるよう
になる。

【００３３】次に、図９は本発明の第４実施例を示すロ
ボットの手首機構の要部拡大正面図、図１０は図９の底
面図である。この実施例の手首機構においては、上記第
１実施例と同様に、ベース部材１１にリンク１２の一端
部に取付けた軸部材１７を回転可能に連結し、リンク１
２の他端部に取付けた軸部材１８を可動体１３に回転可
能に連結している。これら３個のリンク１２は、図１０
に示すようにベース部材１１及び可動体１３に対して等
角度で配置している。

【００３４】そして、図１０に示すように可動体１３と
ベース部材１１との間に３個の等配置した求心手段とし
ての引張りばね５１を介設している。これら３個の引張
りばね５１は可動体１３に対して中央に位置させるよう
に初期張力を設定してあり、また引張りばね５１とベー
ス部材１１及び可動体１３との連結部５２，５３は引張
りばね５１をベース部材１１及び可動体１３に対して回
転可能に連結する。

【００３５】この手首機構においては、可動体に１３は
水平方向の力が作用したときでも引張りばね５１により
に柔らかくその力の方向に動くことができ、力が取り除
かれると引張りばね５１の復元力で元の位置に復元す
る。したがって、ハンド７に対して部品のはめ合い作業
でＸ方向、Ｙ方向或いはθ方向の位置ずれが生じた場
合、可動体１３は位置ずれの方向に変位して、位置ずれ
を吸収する（コンプライアンスを発生する。）。このよ
うに薄型で、平面内での並進、回転方向にコンプライア
ンスを有する手首機構を得ることができる。

【００３６】次に、図１１は本発明の第５実施例を示す
ロボットの手首機構の図１０と同様な底面図である。こ
の実施例の手首機構においては、上記第４実施例におけ
る各リンク１２にプーリ５５を取付け、これらの各リン
ク１２のプーリ５５に求心手段としてのシームレスの弾
性ベルト５６を張装し、この弾性ベルト５６によって可
動体１３を中央に位置させるようにしている。

【００３７】この手首機構においては、上記第４実施例
と同様に可動体に１３は水平方向の力が作用したときで
も弾性ベルト５６によりに柔らかくその力の方向に動く
ことができ、力が取り除かれると弾性ベルト５６の復元
力で元の位置に復元するので、コンプライアンスを発生
すると共に、弾性ベルト５６を交換することによってコ
ンプライアンス特性を変更することができる。

【００３８】次に、図１２は本発明の第６実施例を示す
ロボットの手首機構の図１０と同様な底面図である。こ
の実施例の手首機構においては、上記第４、第５実施例
におけるリンク１２として、シリンダ部材５８内にピス
トン部を有するロッド部材５９を摺動可能に嵌装してエ
アーを封入したエアーダンパー５７を用いることで、リ
ンク手段と求心手段とを兼ねたものであり、このエアー
ダンパー５７によるばね要素によって可動体１３を中央
に位置させるようにしている。これにより、部品点数の
削減及び一層の小型化を図ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のロボッ
トの手首機構によれば、２つの１自由度回転関節及び１
自由度の直動機構を有する３組のリンク手段と、これら
３組のリンク手段の一端部を連結したベース部材及び他
端部を連結した可動体と、前記各リンク手段を駆動する
サーボ制御が可能なアクチュエータとを備えたので、各
リンク手段を駆動することによって可動体の平面内での
並進、回転方向に運動可能な手首機構を得ることができ
るとともに、サーボ制御のパラメータを変えることによ
って可変コンプライアンスを得ることができる。

【００４０】請求項２のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１のロボットの手首機構において、アクチュ
エータが回転モータからなる構成としたので、各リンク
手段の角度（回転角）を制御することによって可動体の
位置を制御することができる。

【００４１】請求項３のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１のロボットの手首機構において、リンク手
段がラック及びピニオン機構からなり、アクチュエータ
が回転モータからなる構成としたので、各リンク手段の
長さを制御することによって可動体の位置を制御するこ
とができる。

【００４２】請求項４のロボットの手首機構は、上記請
求項１のロボットの手首機構において、リンク手段がボ
ールネジ機構からなり、アクチュエータが回転モータか
らなる構成としたので、各リンク手段の長さを制御する
ことで可動体の位置を制御することができ、上記請求項
３の手首機構よりはコンパクト化を図れる。

【００４３】請求項５のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１のロボットの手首機構において、アクチュ
エータがリニアモータからなる構成としたので、各リン
ク手段の長さを制御することで可動体の位置を制御する
ことができ、上記請求項４の手首機構よりはコンパクト
化を図れる。

【００４４】請求項６のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１乃至５のいずれかのロボットの手首機構に
おいて、制御手段が、サーボ制御を各リンク手段の長さ
又は角度を同じにする目標値を与える比例−微分制御で
行う構成としたので、各リンクを独立してＰＤ制御する
ことにより制御系の構成を簡単にできると共に、そのゲ
インを変化させることで可変の仮想バネダンパー系を構
成することができる。

【００４５】請求項７のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１乃至６のいずれかのロボットの手首機構に
おいて、制御手段が、サーボ制御を重力を補償するバイ
アスをかけた比例−微分制御で行う構成としたので、重
力の影響を受ける姿勢になったときでも中心軸のずれを
生ぜず、かつ同じコンプライアンス特性を持たせること
ができる。

【００４６】請求項８のロボットの手首機構によれば、
上記請求項１乃至７のいずれかのロボットの手首機構に
おいて、制御手段が、サーボ制御を時系列で変化する目
標値を与える比例−微分制御で行う構成としたので、可
動体を平面内で任意の方向、姿勢にすることができて、
挿入作業時に振動させつつ挿入するなど、より人間の作
業に近い高度な作業を行うことが可能になる。

【００４７】請求項９のロボットの手首機構によれば、
２つの１自由度回転関節及び１自由度の直動機構を有す
る３組のリンク手段と、これら３組のリンク手段の一端
部を連結したベース部材及び他端部を連結した可動体
と、可動体にばね要素で求心性を生じさせる求心手段を
備えたので、薄型で平面内での並進、回転方向にコンプ
ライアンス性を有する手首機構を得ることができる。

【００４８】請求項１０のロボットの手首機構によれ
ば、上記請求項９のロボットの手首機構において、求心
手段が各リンク手段に設けたプーリと、各プーリに張装
したベルトとからなる構成としたので、ベルトを交換す
ることで容易にコンプライアンス特性を変化させること
ができる。

【００４９】請求項１１のロボットの手首機構によれ
ば、上記請求項９のロボットの手首機構において、リン
ク手段がエアーダンパからなり、求心手段を兼ねている
構成としたので、部品点数の削減及び一層の小型化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す全体構成図

【図２】図１のロボットの手首部を示す要部拡大正面図

【図３】図２の底面図

【図４】図２の要部拡大断面図

【図５】本発明の第２実施例のロボットの手首部を示す
要部拡大正面図

【図６】図５の底面図

【図７】図５の要部拡大断面図

【図８】本発明の第３実施例のロボットの手首部を示す
要部拡大正面図

【図９】本発明の第４実施例のロボットの手首部を示す
要部拡大正面図

【図１０】図９の底面図

【図１１】本発明の第５実施例のロボットの手首部を示
す図１０と同様な底面図

【図１２】本発明の第６実施例のロボットの手首部を示
す図１０と同様な底面図

【符号の説明】

１…ロボット、５…第３アーム、７…ハンド、８…ロボ
ットコントローラ、９…サーボ制御回路、１１…ベース
部材、１２…リンク、１３…可動体、１４…回転モー
タ、３２…リンク、３３…直動ガイド、３４…直動部
材、３７…ラック部、３９…ピニオン、４３…ボールネ
ジ、４７…タイミングベルト、５１…引張りばね、５６
…弾性ベルト、５７…エアーダンパー。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットのアームと作業ツールとの間に
   設ける手首機構において、２つの１自由度回転関節及び
   １自由度の直動機構を有する３組のリンク手段と、これ
   ら３組のリンク手段の一端部を連結したベース部材及び
   他端部を連結した可動体と、前記各リンク手段を駆動す
   るサーボ制御が可能なアクチュエータとを備えたことを
   特徴とするロボットの手首機構。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のロボットの手首機構に
   おいて、前記アクチュエータが回転モータからなること
   を特徴とするロボットの手首機構。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のロボットの手首機構に
   おいて、前記リンク手段がラック及びピニオン機構から
   なり、前記アクチュエータが回転モータからなることを
   特徴とするロボットの手首機構。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のロボットの手首機構に
   おいて、前記リンク手段がボールネジ機構からなり、前
   記アクチュエータが回転モータからなることを特徴とす
   るロボットの手首機構。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のロボットの手首機構に
   おいて、前記アクチュエータがリニアモータからなるこ
   とを特徴とするロボットの手首機構。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載のロボ
   ットの手首機構において、前記制御手段が、前記サーボ
   制御を各リンク手段の長さ又は角度を同じにする目標値
   を与える比例−微分制御で行うことを特徴とするロボッ
   トの手首機構。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載のロボ
   ットの手首機構において、前記制御手段が、前記サーボ
   制御を重力を補償するバイアスをかけた比例−微分制御
   で行うことを特徴とするロボットの手首機構。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載のロボ
   ットの手首機構において、前記制御手段が、前記サーボ
   制御を時系列で変化する目標値を与える比例−微分制御
   で行うことを特徴とするロボットの手首機構。
9. 【請求項９】 ロボットのアームと作業ツールとの間に
   設ける手首機構において、２つの１自由度回転関節及び
   １自由度の直動機構を有する３組のリンク手段と、これ
   ら３組のリンク手段の一端部を連結したベース部材及び
   他端部を連結した可動体と、前記可動体にばね要素で求
   心性を生じさせる求心手段を備えたことを特徴とするロ
   ボットの手首機構。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載のロボットの手首機構
    において、前記求心手段が各リンク手段に設けたプーリ
    と、各プーリに張装したベルトとからなることを特徴と
    するロボットの手首機構。
11. 【請求項１１】 請求項９に記載のロボットの手首機構
    において、前記リンク手段がエアーダンパからなり、前
    記求心手段を兼ねていることを特徴とするロボットの手
    首機構。