JPS58154014A - 球体を用いたロボツトの操作装置 - 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】 本発明はロボットの操作装置に関するものである。

一般的に、１個の剛体は３次元空間内で６自由変を有し
ている。たとえば、第１図のような直交座標で示すと、
位置を示す変数（ｘ　＋　ｙ　ｅ　ｚ）と姿勢を示す変
数（θＸ、θｙ、θ２）の６個の変数に対応する６個の
自由度を有している。

これをロボットの手先に当てはめると、例えば第２図に
示すようにロボット腕部の回転Ｒ１，回転Ｒ２及び回転
Ｒ３によって手先の位置が決まし、ハンド部の回転Ｒ４
、回転Ｒ５及び回転部によって手先部の姿勢が決まる。

従って、このように６自由度を有するロボットを操作す
るためには、手先の位置を操作する゛ため０３個の独立
した指令情報と、手先の姿勢を操作するための３個の独
立した指令情報との、計６個の独立した指令情報を与え
なければ々らない。

従来の技術においては、ロボットに対して３個の指令情
報を与え得る操作装置を２組設け、又は、６個の情報を
与え得る掃作装置を１組設けてロボット手先の制御を行
なっている。このような目的に用いられている操作装置
としてボタン形操作装置、ジョイステック形操作装置、
及びＳＲＩ形操作装置が公知である。

ボタン形操作装置は、例えば第３図のように３個のボタ
ンを設けてそれぞれロボット手先の３種類の動きに対応
させるものである。この形の操作装置においては、本図
のようにＡ、Ｂ、Ｃ３個のボタンを設けるとともに切換
えスイッチ（図示せず）により、上記３個のボタンをそ
れぞれ、第２図に示した回転Ｒ１〜Ｒ３に対応させた状
態と、回転Ｉ″１４．１ 〜簡に対応させた状態とのいずれか任意に選択して用い
ることもでき、或いは図示した３個のボタンＡ、Ｂ、Ｃ
の他に更に３個のボタン（図示せず）を設けてロボット
の６自由度を制御することも可能である。

しかし、このボタン形操作装置においては、上記いずれ
の構成を用いて本、操作者にとってロボット手先の運動
のイメージと、各ボタンとの対応が直観的に結びつかな
い。

即ち、例えば、上のボタンを押せば手先が上に動き、下
のボタンを押せば手先が下に動くというように運動イメ
ージとボタンとを直観的に結びつけ易くしようとすると
、多数のボタンを立体的にかつロボットの動きに対応し
て動くように配置しなければならないので構造が複雑と
なり、却って操作が厄介になる。このため、第３図に示
したような単純な形にボタンを配列したものの方が実用
性があるが、これを操作するには、どのボタンがどのよ
うな動きのボタンであるかを覚えこんで反射的に操作し
なけれグならないので高度の熟練を必要とする。

その上、このボタン形操作装置は速度指令又は加速度指
令をすることはできるが位置指令または姿勢指令（以後
、この用語で、姿勢を定める３個の回転角度指令を意味
させる）をすることができない。即ち、ロボット手先の
動きの方向と速さとを指令することはできるが、手先が
所望の位置若しくは所望の姿勢になりかけたとき、操作
者はその状態から、以後停止するまでの運動を予想して
手先の動きを停止させねばならないので、操作のために
多大の労力を要し、人為的な誤操作をする可能性もある
。

ジョイスティック形の操作装置は、例えば第４図に示す
ように、Δθ８方向、Δθ、方向、Δθ２方向の直交３
軸回りの回動自在に支承されたレバーを備えており、こ
れら３方向の回動操作によりセンサ８ｘ、同Ｓｙ、及び
同Ｓｚを作動せしめて独立した３個の情報をロボットに
与えるように構成されている。

このようなジョイスティック形操作装置は、前述のボタ
ン形操作装置に比べて、ロボット手先の運動イメージと
レバー操作との直観的な結びっけが若干容易であるが、
ロボット手先の位置指令又は姿勢指令ができないという
欠点については前述のスイッチ形操作装置（第３図）と
同様である。

ＳＲＩ形の操作装置は第５図に示すような構造で、ロボ
ット手先の６自由度を掃作するための６個の独立した情
報を１組の操作装置で与え得る機能を有しているが、変
数が６個であるだけ構造が複雑であり、またこの変数は
相互に影響を及はし合う性質があるので高精度の指令が
困難であるという欠点が有り、更に、ロボット手先の位
置指令又は姿勢指令ができないということについては前
述のボタン形およびジョイスティック形の操作装置と同
様の欠点を有している。また、このＳＲＩ形模作装置を
操作して６個の変数を独立に制御することは非常に難か
しく、高度の熟練を要する。

このＳＲＩ形操作装置の操作において、手先の運動イメ
ージとの直観的結びつきの難易度は、ボタン形とジョイ
スティック形との中間程度である。

本発明は上述の事情に鑑みて為され、ロボット手先の運
動イメージと手動操作部材の動きとが極めて容易に直観
的に結びつき、しかもロボット手先の位置指令及び姿勢
指令が可能な四ボットの操作装置を提供することを目的
とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、手動操作し得る
球体を直交３軸の回９に自在に回動せしめ得るように支
承するとともに、上記３軸の回りの変位をそれぞれ独立
に検出する３個のセンサを設けることを特徴とする。

本発明の原理は、操作のために手を触れて動かす部材と
して球形の剛体を用い、この球体を直交３軸について回
動または回転自在に支承すると共に、各軸の回りの変位
をそれぞれ検出することによって独立した３個の情報を
得るものである。第６図は概要的表外観図で、１は球体
、２は球体を支承するベースである。球体１がペース２
によって覆われている部分に後述のごとく球体の動きを
検出する手段を設け、球体１が霧出している部分に指先
を触れて操作力を加えるように構成する。

第７図は上記の球体１を回動自１′在に支承すると共に
直交３軸の回りの変位を検出する機構を示す。

球体ｌの中心を通って互いに直交する３千面を想定【２
、これら３千面と球体１との交線をそれぞれ大円３ａ、
大円３ｂ、大円３Ｃと名付ける。その関係位置を地球に
たとえると、大円３ａは赤道に相当し、大円３ｂは緯度
０”　、　１８０°の円に相当ｕ大円３Ｃは緯度９０’
　、　２７０’の円に相当する。

赤道に相当する大円３ａに接してその回転方向の変位量
を検出するセンサ４ａを、ベース２に対して回転自在に
支承する。

同様に大円３ｂに接する回転変位検出センサ４ｂ。

および大円３Ｃに接する回転変位検出センサ４Ｃを、そ
れぞれペースに対して回転自在に支承する。

各センサ４ａ　、　４ｂ　、　４Ｃはそれぞれ輪状の摩
擦伝動部材を備えていて、球体ｌの直交３軸回シの回動
変位量をそれぞれ独立に検出する機能を有している。

ただし、各センサ４ａ　、　４ｂ　、　４ｃがそれぞれ
の回転軸と平行な軸の回りの回転変位を検出し、かつ、
上記と異なる方向の軸（他の２軸）の回りの球体の回動
を妨げないように、各センサ４ａ　、　４ｂ　、　４ｃ
は次記のように構成する。

第８図Ａはセンサ４ａの概要的な輪郭を示し、第７図の
センサ４ａとほぼ同形に描いである。そして、第８図Ｂ
はその構造の詳細を示している。

４ａ−１は回転軸、４ａ−２は上記の回転軸４ａ−１に
放射状に固着したアーム、４ａ−５は上船のアーム４ａ
−２によって回転軸４ａ−１と同心状に支承した輪形軸
である。上記の輪形軸４ａ−５により、多数の小形ロー
ラ４ａ−４を並べて矢印り、Ｄ’力方向回転自在に支承
する。第７図に輪郭のみを描いたセンサ４ａは上述（第
８図Ｂ）のように構成しであるので、球体１が大円３ｂ
と垂直な軸の回シに回転したとき、小形ロー９４ａ−ａ
（第８図Ｂ）が空転して球体１の回動を妨げない。そし
て球体１が大円３ａに垂直な軸の回りに回動すると、回
転軸４ａ−１が矢印Ｂ、Ｅ／方向に摩擦伝動によって回
転せしめられる。

上記の回転軸４ａ−１の回転角度は球体１の大円３ａに
垂直な軸の回りの回転変位に比例するので、回転軸４ａ
−１に適宜の回転検出手段、例えばポテンショメータ（
図示せず）を連結して球体１０大円３ａに垂直な軸の回
９０回動変位を電気的信号に変換する。

同様にして、センサ４ｂ　、　４ｃにより大円３ｂ　、
　３ｃに垂直な軸の回りの球体１０回回動位置を電気的
信号として検出する。

（第７図参照）センサ４ａ　、　４ｂ　、　４ｃはそれ
ぞれ球体１を回転自在に支承する機能をも分担している
が、球体１の表面のなるべく多くの部分を露出させて掃
作のために指を触れ易くシ、シかも球体１を安定に支承
するため、本実施例では１個のガイド５を設けて球体１
を回転自在に支承しである。

このガイド５は複数個設置しても良い。

以上のようにして設けた３個のセンサ４ａ　、　４ｂ　
。

４Ｃによって得られたデータから球体１０回転軸の姿勢
と回転角度とを求めるアルゴリズムの一例を第９図につ
いて説明する。同図の６は球体の回転軸である。

前述のセンサ４ａ　、　４ｂ　、　４ｃによって検出さ
れた球体の角度変化をΔθ２．Δθ９．Δａｘで示す。

第７図に示した実施例においては、第１０図に示すよう
に球体１の回転軸１ａとセンサ４ａの回転軸とが平行に
なっている。このような場合に球体の角変化をΔθ、セ
ンサの角質化をΔθ□とおくと、Δ　０　　＝Δ　θ で表示できる。

また、第１１図のように球体１の回転軸１ａとセンサの
回転軸とが角α。だけ傾いたときはΔθ。＝　Δθ・ｃ
ｏｓα。

となる。

これを空間に拡張した場合を第９図について次に説明す
る。

６は球体の回転軸である。

図のとと（、ｘ軸と回転軸６との為す角をαＸ％３’軸
と回転軸６との為す角をαＶ、Ｚ軸と回転軸６との為す
角をα　とすると、回転軸６の方向余弦１ｘ＝ＣｏＳα
ｘ、１ｙ＝ｃｏｓαｙｇ１２＝ｃｏｓα２、を用いて と表示できる。

すると、方向余弦であることによシ、 Δθｌ十ΔθＩ十Δθ：＝　＜ｉｘ”−＋＊、’＋ｔ、
”＞Δθ１＝Δ０″ よって、 このようにして、検出されたデータ（Δθ８．Δ０゜、
Δθ２）により球体の回転軸の姿勢Ｃ１ｘ、ｌ、。

ｌｚ）と回転角度（Δ０）とを求めることができる。

上述の原理により、本発明に係るロボット操作装置は球
体を用い１り″２ト手先０方向制御をすることができる
。即ち、手先に対して運動方向や加速度方向を指令する
だけでなく、運動の結果として手先がとるべき姿勢（方
向）を指令するととができる。

従って、この操作装置から発せられる指令情報をロボッ
トに与えてロボット手先の方向を制御するように構成す
ると、操作者は手先を向けようとする方向に球体１を回
すだけでロボットの手先がその方向になるように動いて
、所望の方向を向いたら内勤的に停止するように構成す
ることが公知の技術を用いて容易に可能となる。

次に、本発明に係る操作装置を用いてロボット手先の位
置制御を行なうには、たとえば第９図において ８、７．Δア）を定める として位・置の変位量（Δ　　Δ ことにより、検出されたデータ（Δθ８．Δθ、。

Δ０．）によシロボット手先の座標位置の変化（Δ８゜
Δ９．Δ８）を指令することができ、る。従って、この
操作装置から発せられる指令情報をロボットに与えてロ
ボット手先の位置を制御するように構成すると、操作者
が手先を位置せしめようとする３次元的な位置を指令し
たとき、ロボットの手先を所望の位置まで動かして自動
的に停止せしめることは公知の技術を用いて容易に可能
となる。

以上説明したように、本発明に係る掃作装置を適用する
と、１組の操作装置によってロボット手先の位置指令、
若しくは姿勢指令を行なうことができる。従って、２組
の操作装置を設けると位置指令と姿勢指令との両方が可
能になる。

また、本発明に係る１組の操作装置を設け、モード切換
スイッチ（図示せず）を介して指令情報をロボットの制
御装置に与えるように構成すると、１組の操作装置によ
って位置指令と姿勢指令と両方の機能を発揮せしめるこ
とも公知技術を用いて容易に可能である。

そして、本発明装置において、は前述の８ＲＩ形のよう
に位置の操作量と姿勢の操作量とが相互に影響を及はし
合う虞れが無い。

また、本発明の応用例として、上記のごとく切換スイッ
チを付設することにより、上述しだところの （イ）位置指令と姿勢指令との切換えの他、（ロ）粗調
整と微調整との切換え、 （ハ）本発明特有の機能であるところの位置指令及び姿
勢指令と、従来技術と同様の速度指令及び加速度指令と
の切換併用、および、 に）第１２図について次に詳述するところの回転中心点
位置の切換えを行なうことも容易に可能である。

第１２図はロボットの手先を示す。この手先を回転させ
る場合、そのワーク保持部材の最先端の点ｊを中心にし
て回転角度（θ８．θ９．θ２）を表わすか、保持され
たワーク（図示せず）の中心点Ｋを中心にして回転角度
を表わすか、ワーク保持部材の根元の点りを中心にして
回転角度を表わすかを定めなければならない。本発明に
係る操作装置１ を用いてロボット手先の姿勢制御をする場合、装置を構
成する際にその中心点を定めて設定するとと本可能であ
り、また、切換スイッチによって前記の回転中心点ｊ　
ｓ　Ｋ−又はＬを切９換えるように構成することもでき
る。

以上に述べたように、本発明に係る掃作装置によって得
られる３個の独立した指令情報を、モード切換スイッチ
を介して日ボットに与えるように構成すると制御可能範
囲を拡げることができる。

特に、１個の操作装置を用いて位置制御と姿勢制御との
いずれか任意の方に切り換え得るように構成すると、簡
単な構成でロボット手先の６自由廣を制御することがで
きる。

以上説明したように、本発明は、手動操作し得る球体を
回動自在に支承するとともに、互いに異なる方向の軸の
回りの変位を検出する３個のセンサを設けることにより
、四ボット手先の運動イメージと手動操作部材の動きと
が直観的に容易に結びつくので操作が容易であり、しか
もロボット手先の位置指令及び姿勢指：、５令が可能で
あるという優れた実用的効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

・　第１図はロボットの運動座標を示す図表、第２図は
ロボットの自由度を胛明するための斜視図、第３図はボ
タン形操作装置の斜視図、第４図はジョイスティック形
操作装置の斜視図、第５図はＳＲＩ形操作装置の分解斜
視図、第６図は本発明の一実施例に係る操作装置の概要
的な外観を示す斜視図、第７図は同原理説明の為の斜視
図、第８図Ａは第７図に示したセンサの概要的な拡大図
、第８図Ｂは同詳細図、第９図は本発明の詳細な説明す
るための立体的図表、第１０図及び第１１図はそれぞれ
球体の回転軸とセンサの回転軸との関係の説明図、第１
２図はロボット手先の運動を説明するための斜視図であ
る。 ｌ・・・球体、２・・・ペース、３ａ、３ｂ、３ｃ・・
・前記球体の大円、４ａ、４ｂ、４Ｃ・・・センサ、５
・・・ガイド、６・・・前記球体の回転軸。 代理人　弁理士　　　　秋　　本　　正　　実第１図 第２因 第６図 第７１Ａ 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、手動操作し得る球体を回動または回転を自５在に支
   承するとともに、上記球体の互いに異なる３方向の軸の
   回りの変位を検出する３個のセンサを設けたことを特徴
   とする球体を用いたロボットの操作装置＠ ２、前記３個のセンサによって得られる３個の独立した
   情報によってロボット手先部の゛姿勢を制御するように
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の球体を用いたロボットの操作装置。 ３、　前記３個のセンサによって得られた３個の独立し
   た情報によってロボット手先部の位置を制御するように
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の球体を用いたロボットの操作装置。 ４、　　ＡｆＪ記３個のセンサによって得られた３個の
   独立した情報を、モード変換スイッチを介してロボット
   に与えることにより、ロボット手先部の位置若しくは姿
   勢のいずれか一方を任意に選択して。 制御し得るように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の球体を用いたロボットの掃作装置。