JPH10118971A

JPH10118971A - マニプレータ

Info

Publication number: JPH10118971A
Application number: JP29456696A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yamada; 茂山田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 1998-05-12
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: JP3612637B2

Abstract

(57)【要約】【課題】各リンク対の間の相互干渉がなく、可動領域
が広いマニプレータを提供する。【解決手段】ベース部材１、可動部材９、及びそれら
を連結する３組のリンク対Ｌ１〜Ｌ３を備え、各リンク
対Ｌ１〜Ｌ３はベース部材１から可動部材９に向かい、
順に回転型第１関節２、回転型第２関節３、直動型第３
関節４、ボールソケット型第４関節５の４基の関節及び
それらを連結する第１リンク６、第２リンク７および直
動リンク８により連結され、かつ回転型第１関節２およ
び回転型第２関節３にはモータ２Ａ、３Ａと回転角を検
出するエンコーダ２Ｂ、３Ｂとトルクセンサ２Ｃ、３Ｃ
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、６自由度の運動を
行うマニプレータに関し、とりわけ自動組立、位置決め
装置等に応用できるマニプレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、可動部材をベース部材に対して移
動させる構成のマニプレータとして、ベース部材と可動
部材を６組の伸縮可能なリンク対により接続したパラレ
ルリンクマニプレータが知られている。この機構は、各
リンク対の直動部を伸縮させることにより、可動部材の
位置、姿勢を制御する構成を特徴としており、その利点
としては、以下のようなものがある。

【０００３】先ず、各リンク対をベース部材と可動部材
間に収める構造とすることにより、６自由度（位置３自
由度、姿勢３自由度）の運動機構をコンパクトに構成す
ることができる。また、可動部材にかかる力が６基のリ
ンク対という、比較的多い構造部分に分配されるため、
結果的に高剛性となる。さらに、リンク対の持つ関節機
構のガタが平均化されることから、通常の６自由度の産
業用ロボットに比較して、高精度となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような６基のリンク対構成では、これらの並列リンク間
に相互干渉が発生して、動作範囲が狭くなるという問題
点があった。本発明は、前記のような従来技術における
問題点を解決するためなされたもので、各リンク対の間
の相互干渉がなく、可動領域が広いマニプレータを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明に係るマニプレータは、ベース部材、可動部
材、及びそれらを連結する３組のリンク対を備えるマニ
プレータであって、前記各リンク対は前記ベース部材か
ら前記可動部材に向かい、順に回転型第１関節、回転型
第２関節、直動型第３関節、ボールソケット型第４関節
の４基の関節及びそれらを連結する第１リンク、第２リ
ンクおよび直動リンクにより連結され、かつ前記回転型
第１関節および前記回転型第２関節ベースには回転角を
検出するエンコーダを持つアクチュエータを備えて構成
されたことを特徴とする。

【０００６】前記の構成のように本発明に係るマニプレ
ータは、少ないリンク対により、可動部材とベース部材
が連結されているから、各リンク対間の相互干渉領域が
ほとんどなくなり、従って可動領域が広くなる。

【０００７】本発明に係るマニプレータは、前記ボール
ソケット型第４関節を、３つの回転型の関節、及びそれ
らを連結するリンクで置き換えて構成したことを特徴と
する。この構成により、さらに広い可動範囲が実現で
き、さらに機構のガタ等が低く抑えられる。

【０００８】本発明に係るマニプレータは、前記回転型
第２関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差さ
せ、前記回転型第２関節と前記直動型関節とをリンクな
しに直結して構成したことを特徴とする。この構成によ
り、構成部品点数が削減されるとともに、角度から可動
部分の位置と姿勢を求める演算が簡略化される。

【０００９】本発明に係るマニプレータは、前記エンコ
ーダにより検出された角度に基づいて前記可動部材の位
置および姿勢を求める構成としたことを特徴とする。こ
の構成により、可動部材の位置、姿勢を観測するための
センサを余分に設ける必要がなく、可動部材の位置、姿
勢が安価に求められる。

【００１０】本発明に係るマニプレータは、前記直動型
関節部に、前記直動リンク８の長さを検出するリニアエ
ンコーダを備えて構成したことを特徴とする。この構成
により、可動部材の位置および姿勢を求める演算が簡略
化でき、よって高速な演算が可能となる。

【００１１】本発明に係るマニプレータは、前記ベース
部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチ
ュエータにフィードバックする構成としたことを特徴と
する。この構成により、力のかかる状態を観測、または
制御する必要のある作業にも適用することが可能とな
る。

【００１２】本発明に係るマニプレータは、前記各回転
型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、前記トル
クセンサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動
部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とす
る。この構成により、コンパクトに力を計測する装置が
可能になる。

【００１３】本発明に係るマニプレータは、前記可動部
材に６軸力覚センサを付設し、前記６軸力覚センサから
の出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかか
る力を検出する構成としたことを特徴とする。この構成
により、デカルト空間における力が直接計測される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を説
明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマニプレー
タの要部の概要構成を示す説明図である。また図２は、
図１に示されるマニプレータの要部の上面図である。図
１に示されるように、本実施形態に係るマニプレータＭ
は、ベース部材１、可動部材９、及びそれらを連結する
３組のリンク対Ｌ１〜Ｌ３からなる。

【００１５】リンク対Ｌ１は、ベース部材１から可動部
材９に向かい、回転モータ２Ａが付いた回転型第１関節
２、回転モータ３Ａが付いた回転型第２関節３、直動型
第３関節４、ボールソケット型第４関節５の、４つの関
節により連結されている。さらに回転型第１関節２と回
転型第２関節３は第１リンク６で結合され、回転型第２
関節３と直動型第３関節４は第２リンク７で結合され、
直動型第３関節４とボールソケット型第４関節５は直動
リンク８で結合されている。

【００１６】また、リンク対Ｌ２は同様に、回転モータ
１２Ａが付いた回転型第１関節１２、回転モータ１３Ａ
が付いた回転型第２関節１３、直動型第３関節１４、ボ
ールソケット型第４関節１５の、４つの関節により連結
されている。さらに回転型第１関節１２と回転型第２関
節１３は第１リンク１６で結合され、回転型第２関節１
３と直動型第３関節１４は第２リンク１７で結合され、
直動型第３関節１４とボールソケット型第４関節１５は
直動リンク１８で結合されている。

【００１７】さらにリンク対Ｌ３は、同様に、回転モー
タ２２Ａが付いた回転型第１関節２２、回転モータ２３
Ａが付いた回転型第２関節２３、直動型第３関節２４、
ボールソケット型第４関節２５の、４つの関節により連
結されている。また回転型第１関節２２と回転２関節２
３は第１リンク２６で結合され、回転型第２関節２３と
直動型第３関節２４は第２リンク２７で結合され、直動
型第３関節２４とボールソケット型第４関節２５は直動
リンク２８で結合されている。

【００１８】また、ベース部材１、可動部材９と各々の
リンク対Ｌ１〜Ｌ３の接続部は、図２に示すように正三
角形をなしている。

【００１９】図３は、リンク対Ｌ１の構成を詳しく示す
斜視図である。また図４は、リンク対Ｌ１の側面図であ
る。同図に示されるように、ベース部材１から数えて１
番目と２番目の回転型第１および第２関節２、３には回
転モータ２Ａ、３Ａが装備され、さらに各回転モータ２
Ａ、３Ａは回転角度を計測するためのエンコーダ２Ｃ、
３Ｃを備え、且つトルクを測定するためのトルクセンサ
２Ｂ、３Ｂをそれぞれ備える。

【００２０】前記の構成に対応した制御系を、図５に示
されるように組むことにより、各関節角を制御し、可動
部材をベース部材に対して６自由度の位置、姿勢制御を
することが可能となる。同図に示される制御系では、目
標位置ブロック１０１から与えられるデータ１０１ａが
逆運動学変換ブロック１０２で変換され、逆運動学変換
ブロック１０２からの角度出力１０２ａが、エンコーダ
（たとえば２Ｃ）情報に基づく速度／位置の帰還ループ
のリファランス入力となる。

【００２１】また、図１における第２リンク７の長さを
０とする構成も可能である。これは、回転型第２関節３
の軸中心と直動リンク８の軸中心とを交差させる構成と
して具現される。この構成により、図５の制御系中のブ
ロック１０２で行っている逆運動学変換（デカルト空間
における位置座標を関節角座標に変換する）を簡略化す
ることができる。この結果、高速のサーボ制御ループを
構成することができ、あるいは性能の低いマイコンによ
る制御にも適応可能になる。

【００２２】さらに、各モータに備わる、トルクセンサ
（例えば図３中の２Ｂあるいは３Ｂ）の出力値２Ｂａに
基づき演算をすることにより、可動部材−ベース部材間
にかかるデカルト空間での６次元ベクトルＦ（力成分の
Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、およびトルク成分のＴｘ、Ｔｙ、Ｔ
ｚ）を得ることができる。この演算は、図５におけるト
ルク−力座標変換ブロック１０３において行うことがで
きる。

【００２３】図６は、本発明にかかる第２の実施形態に
係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図であ
る。本発明にかかる第２の実勢形態のマニプレータＭ２
は、図６に示されるように、第１の実施例におけるボー
ルソケット型第４関節５を、３つの回転型関節３１、３
２、３３により置き換えて構成する。

【００２４】通常のボールソケット型の球面軸受は、コ
ンパクトに３自由度の関節を構成できるという利点を持
つが、軸受けと軸間の隙間が大きい場合は精度の劣化を
招くおそれがあり、また許容動作範囲が狭くなることで
全体の可動範囲を制限するおそれがある。そこで本実勢
形態は、このボールソケット型球面軸受を通常の回転型
軸受に置き換えて関節を構成することにより、精度が高
く、また動作範囲も大きい機構とすることができる。

【００２５】本発明にかかる第３の実勢形態は、図３の
直動型第３関節４にリニアエンコーダを設けて構成され
る。この構成により、直動リンク８の移動距離（移動長
さ）を計測できるので、図５における逆運動学変換ブロ
ック１０２、トルク−力座標変換ブロック１０３におけ
る演算がさらに関略化でき、且つ精度を向上させること
ができる。

【００２６】図７は、第４の実施形態にかかるマニプレ
ータの要部の概要構成を示す説明図である。この第４の
実施形態は、前記第１の実施形態において各モータにト
ルクセンサを設けるかわりに、可動部材に６軸の力覚セ
ンサ６０を設け、さらに３組のリンク対Ｌ１１〜Ｌ１３
を備えて構成される。この６軸の力覚センサ６０によ
り、可動部材９にかかる力を直接計測することができ、
精度良く、デカルト空間における力Ｆを制御することが
できる。

【００２７】この第４の実施形態にかかるマニプレータ
の制御系の例を、図８に示す。同図で、力覚センサ６０
から得られる情報Ｆに基づき、座標変換ブロック１１０
によって可動部材９の位置、姿勢に基づく一次変換を行
う。その変換出力１１０ａに乗算器１１１でコンプライ
アンスゲインを掛け、目標位置からの出力１１２ａに足
すことにより、可動部材９のコンプライアンス制御がで
きる。

【００２８】また、変換出力１１０ａと目標力からの出
力１１３ａとの差を積分器１１４で積分し、乗算器１１
５で力制御ゲインを掛けた結果を、目標位置からの出力
１１２ａに足すことにより、目標力にならう力制御が可
能になる。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の請求項１
に係るマニプレータは、ベース部材、可動部材、及びそ
れらを連結する３組のリンク対を備え、各リンク対はベ
ース部材から可動部材に向かい、順に回転型第１関節、
回転型第２関節、直動型第３関節、ボールソケット型第
４関節の４基の関節及びそれらを連結する第１リンク、
第２リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ回転
型第１関節および回転型第２関節ベースには回転角を検
出するエンコーダを持つアクチュエータを備えるもので
あるから、この構成によりリンク対が３本で済み、リン
ク間の相互干渉を少なくでき、可動範囲の広い６自由度
マニプレータを実現できる。また、構成部品点数を、従
来のパラレルリンクマニプレータに比べて少なくでき、
安価で信頼性に優れたマニプレータを実現できる。

【００３０】本発明の請求項２に係るマニプレータは、
前記ボールソケット型第４関節を、３つの回転型の関
節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成する
ものであるから、より広い可動範囲を得ることができ、
さらに機構のガタ等も低く抑えることができる。

【００３１】本発明の請求項３に係るマニプレータは、
前記回転型第２関節の軸中心と直動リンクの軸中心とを
交差させ、回転型第２関節と直動型関節とをリンクなし
に直結するものであるから、構成部品を減らせるととも
に、角度から可動部分の位置と姿勢を求める演算を簡略
化できるため、高速な演算が可能であり、また、処理速
度が比較的遅い安価なマイコンを用いた制御も可能とな
る。

【００３２】本発明の請求項４に係るマニプレータは、
前記エンコーダにより検出された角度に基づいて可動部
材の位置および姿勢を求めるものであるから、可動部材
の位置、姿勢を観測するためのセンサを余分に設けるこ
となしに、可動部材の位置、姿勢を求めることができ
る。

【００３３】本発明の請求項５に係るマニプレータは、
前記直動型関節部に、直動リンクの長さを検出するリニ
アエンコーダを備えて構成するものであるから、可動部
材の位置および姿勢を求める演算を簡略化でき、よって
高速な演算が可能となる。あるいは、比較的低性能のマ
イコンによる制御も可能となる。

【００３４】本発明の請求項６に係るマニプレータは、
前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して
前記アクチュエータにフィードバックする構成とするも
のであるから、力のかかる状態を観測、または制御する
必要のある作業にも適用することが可能となる。

【００３５】本発明の請求項７に係るマニプレータは、
前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設
し、トルクセンサからの出力に基づきベース部材と可動
部材間にかかる力を検出するものであるから、これを用
いたコンパクトに力を計測する装置を構成することがで
きる。

【００３６】本発明の請求項８に係るマニプレータは、
前記可動部材に６軸力覚センサを付設し、この６軸力覚
センサからの出力に基づきベース部材と可動部材間にか
かる力を検出するものであるから、直接、デカルト空間
における力を計測でき、よって高精度の力制御系を構成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るマニプレータの要部
の概要構成を示す説明図である。

【図２】図１に示されるマニプレータの要部の上面図で
ある。

【図３】図１に示されるリンク対の構成を示す斜視図で
ある。

【図４】図３に示されるリンク対の側面図である。

【図５】図１に示されるマニプレータの制御系のチャー
トである。

【図６】本発明の他の実施形態に係るマニプレータの要
部の概要構成を示す説明図である。

【図７】本発明の別の実施形態に係るマニプレータの要
部の概要構成を示す説明図である。

【図８】図７に示されるマニプレータの制御系のチャー
トである。

【符号の説明】

ＭマニプレータＬ１リンク対Ｌ２リンク対Ｌ３リンク対１ベース部材２、１２、２２回転型第１関節２Ａ、１２Ａ、２２Ａモータ２Ｂ、３Ｂトルクセンサ２Ｃ、３Ｃエンコーダ３、１３、２３回転型第２関節３Ａ、１３Ａ、２３Ａモータ４、１４、２４直動型第３関節５、１５、２５ボールソケット型第４関節６、１６、２６第１リンク７、１７、２７第２リンク８、１８、２８直動リンク９可動部材６０軸力覚センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース部材、可動部材、及びそれらを連
結する３組のリンク対を備えるマニプレータであって、前記各リンク対は前記ベース部材から前記可動部材に向
かい、順に回転型第１関節、回転型第２関節、直動型第
３関節、ボールソケット型第４関節の４基の関節及びそ
れらを連結する第１リンク、第２リンクおよび直動リン
クにより連結され、かつ前記回転型第１関節および前記回転型第２関節ベー
スには回転角を検出するエンコーダを持つアクチュエー
タを備えて構成されたことを特徴とするマニプレータ。
【請求項２】前記ボールソケット型第４関節を、３つ
の回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換
えて構成したことを特徴とする請求項１記載のマニプレ
ータ。
【請求項３】前記回転型第２関節の軸中心と前記直動
リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第２関節と前
記直動型関節とをリンクなしに直結して構成したことを
特徴とする請求項１または２記載のマニプレータ。
【請求項４】前記エンコーダにより検出された角度に
基づいて前記可動部材の位置および姿勢を求める構成と
したことを特徴とする請求項１、２または３記載のマニ
プレータ。
【請求項５】前記直動型関節部に、前記直動リンクの
長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成したこと
を特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【請求項６】前記ベース部材と前記可動部材間にかか
る力を検出して前記アクチュエータにフィードバックす
る構成としたことを特徴とする請求項１記載のマニプレ
ータ。
【請求項７】前記各回転型のアクチュエータにトルク
センサを付設し、前記トルクセンサからの出力に基づき
前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する
構成としたことを特徴とする請求項１記載のマニプレー
タ。
【請求項８】前記可動部材に６軸力覚センサを付設
し、前記６軸力覚センサからの出力に基づき前記ベース
部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成とした
ことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。