JPS5894988A - 位置、姿勢の制御を簡易にする腕機構 - 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】 本発明は、ロボット、マニプＶ−タ、各檀＃１定装置等
の腕機構の改良に係り、特に位置、姿勢の刺−を簡易に
した腕機構に関するものである。

ロボット等の腕をｗＩ４＠する場合、　ｌＩｉＪｍとな
るのは１手に所定の位置と姿勢をとらせること、ＭＩＪ
ち、希望する位置と姿勢をとるために、各アクチュエー
タの回転角度、綾位をいくらに設定すればよいか計算す
ることである。

この点例えば６個の自由度をもつ真の場合、この計算は
、６釧の非線形連立方程式の根を求めねばならず、極め
て複雑でｍ個であり、プログラムミス等の生じる可能性
が高い。

従って本発明の目的は、連立方捏式の計算処理を聞易化
しうるような機構をロボット等の腕部に導入することで
あり、腕先端部に平行リンクより成る限定リンク１１槓
を導入して腕の機構に制限条件を与え、椀の姿勢決定計
算を簡単にぜんとするものである。

はド、添付した図面を参照して本発明を具体化した★に
嘴について詳しく説明する。仁ζに第１図は、位ｗ１３
目出度、姿勢３自由度の計６自由度をもつ本発明の第１
の実施例に係るＪ１ｉＩＩＩ構全体の模式図、！Ａ２図
は、同−横の姿勢制御部のみを示す模式図、第３図は、
＠２の実施例に係る腕機構の（ｆｉｌｌ餠ＩｔｈＯ図で
ある。

４１図及び第２図に２いてＯ・は空間内の固定へである
０点０３には第１回＃ｉｈ＃（１）が回転自在に取り付
けられて８す、このｓ１回転輪（１）−上にはこれと交
差する平行な２本の第１平行リンク（２１１）及び（２
ｂ）がまわり対偶（Ｑｌ）、（Ｑｓ）によって連結され
ている。４１回転軸（１）の回転角度をＱ４．第１平行
リンク（２ａ）、（２ｂ）の回転角度をＱｓとする。

上記第１平行リンク（２ｍ）、（２ｂ）には、第１回転
軸（１）に平行の第２平行リンク（３ａ）、１３ｏ）が
まわり対偶（Ｑｉ）、ｔＱｉ）、（Ｑｓ）、ｔＱｓ）Ｋ
よッテ連結さｒｔｒいる。但し上記４１１ｍのまわり対
ｇＩ４（Ｑｌ）、（見４）。

（Ｑｉ）、（Ｑｌ）１２）内の１つは省＄０１１１であ
る。ｌた第２平行リンク（３ｍ）、（３１））には、前
記−１平行リンク（２ｍ）、（２ｂ）に平行な制御軸（
４）が、まわり対偶（Ｑ？）、（Ｑｌ）によって取り付
けられている。この制−軸１車の延長上にはＩｇＩＩＩ
ｉｋ自由度を有するツール等の制御対象物１５１が取り
付けられる。この−一対家一■の回転角度をＱ・としそ
の先端を０６とすると、まわり対偶（Ｑｓ）と先端０＠
との距１１ｉ（ｔｌ）は。

まわり対偶（Ｑｌ）と（Ｑ・）　との距離に等しく決だ
される。ここに先端の点０６が１６＋ｌＪｉｉｉｍ象点
である。

従って四角形Ｑ＊ＱｉＱｓＯｓは平行四辺形となるから
Ｑｏｏｓ　ｗ　１２　ｅｘ　ＱｓＱｓ　ｗ一定となり、
且ッ０３Ｑｌ／Ｑ＠Ｑ−であるからＯ−は常に第１回転
軸（Ｘｍ軸）上にあり、０３と０６の距離は一定となる
。即ち。

制一対象物１６１の先端０−は、第２図に２いて二点鎖
線で示すように［１１対象物１ｉ５ｊの姿勢を檀々変化
させても、第１回転軸＋１１（Ｘｍ軸）上の定点に存在
し、その位置は不動である。

１６２図に示す機構を１位置を決定するための３自由屓
ｔらつ腕（０６０ｍ＞に取り付けると、制御対象物＋５
１の位−１姿勢の計算は１次のようにで會る。

いま、床に一定した座−系をΣ・、第３番目のリンク（
Ｘ３輔）に固定した座−系をｚ３とする（以下第１図８
繍）、制一対象物−５１の先端位置０・の一定庫纏Σ・
に於るベクトルＰは、　０ｓｅｓ■敷（庫櫃系Σ３上で
一定）　であるから で与えられる・従って＾ｌ、＾：、＾ｊ　に含まれる３
−のｔ敏は、式（３，１）の連立方程式を解くことによ
り計算される。

次にｗ４＃対欧物の姿勢は。

で与えられる。但し、　ｔ、　ｍ　、　Ｉｌｌは座纏系
Σ６の単位ベクトルである。

と仁ろで、＾１．＾３．＾８の値は、＠１１述の位置の
計算の際、算出済みである。またｚ　、　ｍ　、　ｎの
藺の関係がある。従って、Ａ４．＾２．八−に含まれる
３個のＳ数０４．０＆　、ｏｓ　ハ（３−２−Ｉ　）　
〜（３−２−Ｍｌ）及び（３−３）の式から、３伽の式
を連立させることにより、計算できる。

即ち第１図、第２図に示し・た−構により、６個の未知
に＊をもつ連立方程式で決められるロボットの位置と姿
勢の計算が３個の未知数をもつ２１１の連立方程式に分
離される。

上記賽廠例では、制一対象物に回転の自由度が必要な場
合であり、＠えは、第４閏に示すよりな牟−、ｔｌｌ付
きの輸（７Ｂを牟−ＩＩ＠付きの穴（９）に差し込む場
合のように、軸（７）の穴（９＋に対する角度が闘■と
なる場合である。このよりな−構は組立てロボット、溶
接ロボット、マニプＶ−夕等のように。

軸まわりの方向性がＩＩ−となる場合に極めて重要であ
る。しかし、第５図に示すよう６ｃ、単に−（至）を大
曲に同−的に挿入するような場合には、軸まわりの方向
性は間−とならない、このような場合には、　ｊｇｌｅ
ｔＪに示したＱ、・で示される回転自由度は不要で、ｗ
４＃対家物の姿勢はもっばら０４とＯｓによって決定さ
れる。

！ｓ３図は、かかる２自由度の腕先端に三次元−−の１
定ヘツド（鯛御対歌物）を設けた場合の−断−図である
０図に１いて、Ｇ３は第１回転輪、　０３は、該１１ｇ
１回転軸−に内蔵されたプッシュプルロッドで、その先
端に設けた軸受（＾）を介して第２平行リンク（１４ｍ
）に固着した遅結板拳崎と接続されている・第１回転軸
りの先端ｇ＠ｓに軸受Ｈａ）　、　Ｇ）を介して揺動自
在に取り付けた２本の第１平行リンク（１７烏）、（１
７ｂ）の各先端は、軸受１１）ｌ　、　（Ｅｌ　ｆ介し
て前記第２平行リンク（１４亀）に係着されている。軸
受（３１）　、　ｆｃ）　、　（ＤＪ　、　（Ｅｌの中
心点は平行四辺形をなす。第ｌ平行リンク（１７ｂ）の
延長上には輪受（１１を介して第２平行リンク（１４ｂ
）が係着され、＠２２平リン？　（１４＠）、ｔ１４ｂ
）ノ先端ｍ　ｃ　ｔｔ、　輪ｆｉｌ　、　Ｈ））　介Ｌ
Ｔ劇定ヘッドａｓが第１平行リンク（１７ｂ）に取り付
けられて８す、輪受間、（Ｆｌ、Ｇ１．川の中心点は平
行四辺形を構成しているｅ＊た軸受（Ｂ）　、　ＩｃＩ
は、第ｌ＆ｇＩ＠−−３の延長繰上【ある、従ってこの
一４１１Ｉに８いても、第２ｂｔＡに示した腕機構とま
った＜Ｘｓの構造になって８す、＃１定ヘッド自−の醐
定点轢と輪受・轡の中心との距離を軸受４）　、　（０
１間の距４ｋ［郷しくすれｄ％第１回転輪・３をいかに
回転させても。

また、プッシュプルロッド健−を矢印−の方向へ移ＩＩ
ＪＪさせてＩＪ１１ＧＩ平行リンク（１７ｍ）、（１７
１））を二点鎖線で示した（１７ｍ’）、（１７ｂ’）
の位置まで傾ける仁とによってＩＩｓ電ヘッド軸を同じ
角度だけ傾けても、制一対家点である測定４舖は、常に
第１ＩｇＵ＆軸−１の輪＃ＩＩ（２）上の定位−に存在
する。

従って、第１回転輪・雪の矢印一方向の回転及びプッシ
ュプルロッドＯｉｌの移動による測定ヘッドの蟻きを過
当に１１１１Ｉ督することによって、任意の曲−一に対
して測定ヘッド軸を垂Ｉ［に姿勢制御することかＯＴ能
となり、他の三次元位置制＃−構を用いて、副定点１１
−を曲−■上の任意の点と合致させることができ、こう
することによって曲ｄｉｉａの三次元庫櫨に８ける位置
を検出することができる。この場合、＃定ヘッド拳睡は
電磁力や静電容量を利用する非接触型のものを用いるの
がｆｆ１ｔＬい。

この場合、空間内での測定ヘッド−の姿勢を決定するに
は、測定ヘッドの方向を示すペクトｗｔのみを与えれば
十分である。

即ち％一定ヘッドや第ＢｅｌＣｌに示した輪−の自由度
は２であると言える。故に、この場合、目標物の位置、
姿勢の決定には、位置決定のために３自由度、姿勢決定
のために２自由度で十分である。

即ち、６自由度の場合と同Ｓに、ｍ定ヘッドの測定点ａ
嚇の位置のペクト、４／Ｐは で与えられる。従って＾１．Ａｍ、ＡＩに含まれる３−
の変数（位置ペクトＡ／ｌ’を決定するたみのロボッ）
１１３１１の変位）１虞１式（３，１）’　の連立方程
式を解く仁とにより計算される。

次に姿勢は ＝−（３・２）Ｉ ただし　Ｌｘ２＋ｊｙ”＋１１−１　　　　　　・・・
（！ｌ・３）’で与えられる。＾１．＾３．＾３　の値
は既知であり、＾４．ＡＳに含まれる２個の曖数０４．
Ｏ８（姿勢を決だするためのロボット１１ｍの変位）は
、（３・２）１、（３・３）′か６２１４ａｔの式を連
立させることにより計算できる。

即ち、６自由度の場合と同様、５自由度の場合も３１−
の未知［をもつ連立方程式と、２偵の未知ｋｘ紮もつ連
立方程式の２組に分離できる。

本発明は以上述べた如く、第１回転軸と交差す該Ｍｓ２
平行りンクと交差し第１平行りンクに平行な−」両輪と
を有してなり、上記５１１回転軸と第１平行りンク、第
１平行り４りと第２平行リンク、第２平行りンクと制御
軸の各交！！部をまわり対偶となし、制御軸の延長上に
設定した刺一対ｗ！点の位置が、常に第１回転輪の延！
に縁上の定ｄに存在するようになしたものであるから、
位［ｊｋ決Ｗする連立方程式と、姿勢を決定する連立方
程式との２組の連立方程式の解を分離して求めることが
できるので、計算手−を極めて簡素化でき、プログラム
ミスや計算誤差の発生を着しく減少させることができる
ものである。

又、−一対欧物に回転の自由度を付加すれば。

組立ロボットや加工ロボット等のように組Ｎｒｊ中加工
すべき対破がいかなる方向性をもっていても。

これに対して制一対象物の姿勢を任意に一督する仁とが
でき、用途の拡大に多大の貢献をなすものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は、第１の実施例に係る１位置３目出度、姿ｌＩ
３自由度の計６自由度をもつ腕−構全体の横式図、第２
図は、ＸＩ砿構の姿勢制＃部のみを示す模式図、第３ｖ
ｌＪは、１Ｉｉ２の実施−に係る。姿勢２１由度をもつ
腕機構の細断−図、１１４図、第５図は、それぞれ軸を
穴に差し込む場合の回転の自由度を讐する場合と参しな
い場合の説明のための斜視図である。 １．１２・・・ｊｉ１回転輪、２ｍ、２ｂ、１７ｍ。 １７ｂ−４１平行リンク、３ｍ、３ｂ、１４ｍ。 １４ｂ・・・第２平行リンク、４．１８−・・制−軸、
偽、１９・・・ａｊＩＪ御対象点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１１回−輪と交差する２本の第１平行リンクと、ｇｒ
   ＆４１平行リンクと交差し第１回転軸に平行の２本の１
   ｇ２平行リンクと、該１１２ｊＬ行リンクと父差い１平
   行リンクに平行な制御軸とを何してなり、上記！ｌｌｉ
   ！！１転軸とｖｓｌ平行リンク、４１平行リンクと第２
   平行りンク、ｊＩ２平行リンクと制御軸の各交差Ｓをま
   わり対偶となし、−一輪の延長上に設定した制御対象点
   の位置が。 富にｍ１回−−の延長線上の定点に存在するようになし
   た位ｉｔ−姿１１６制−を１易にする腕機構。 ２．４１１！！１転軸と交差する２本の第１平行りンク
   と、譲４１半行リンクと交差し第１回転輪に平行の２本
   の第２平行リンクと、該第２率行りンクと交差い１平行
   リンクに平行ｒｚ制御輪とを有し、該制御輪の延長上に
   ｌＩｌ惧付けた制御対象＠に回転の自由度を付加すると
   共に、上記第１回転軸と第１平行りンク、第１平行リン
   クと第２平行リンク、１ｇ２平行リンクと制御軸の各交
   差部をまわり対偶となし、制御輪の延長上に設定した制
   御対象点の位置が、常に第１Ｉ！！１転軸の延長線上の
   定点に存在するようになした位置。 姿勢の制−を簡易にする腕−構。