JPS5914484A - ロボツトの直接テイ−チ装置 - 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動作教示装置に関するものである。

一般的に剛体は６自由度全持っている。これ全第１図の
直交座標系で示すと１位置金示す変数（Ｘ＋ｙ、ｚ）と
、姿勢ヶ示す変数（θ、、θ７．θ、）の６個の変数に
対応させることができる。

ロボットのハンド部も剛体であるから６個の変数Ｖｃ工
って定めることができる。たとえば第２図に示す関節形
ロボットにおいては、ハンド１の位置と姿勢は図示の回
１２．同５＋ｆ”Ｊ４＋同５．同６、及び同７の６個の
回転によって定まる。

こうしたロボットに６個の変数、若しくは６個未満の変
数全教示するため従来一般に第３図に示すようなボタン
形操作盤、若しくは第４図に示す工りなジョイスティッ
ク形操作杆が用いられる。

第３図のＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ操作ボタンである。

第４図のＳｘ＋Ｓｙ＋Ｓｍはそれぞれθ８．θｙ、θ２
万同の回＆を検出するためのセンナである。

これらのティーチ装置はロボットの具体的な動作と操作
部材の実際の動きとの間に類似性が少ないため、操作者
の意図が操作部材の動きと直観的に結ひつかないといり
欠廓がある。

上記の不具会ヶ解消して、操作者が直観的に直接教示装
置し得るよう、第５図に図すハンドル形教示装置が提案
されている。

このハンドル形教示装置は水平杆状部材８の一端全ベー
ス１５に一定し、他端に垂直杆状部材９゜水平杆状部材
１０ケ介して枠状部材１１を順次連設して支承しである
。これらの各部材に複数個のストレンゲ−ｉ；／（図示
せず）を貼着しておくと、枠状部材１１に並進力１回転
力、若しくはこれらの複合カエシなる操作力を加えた際
、ストレンゲージによって並進力お工ひ回転力を表わす
教示信号が得られる。

しかし、この直接教示装置（第５図）には１次に述べる
エラに回転の中心店ケ定めることに関しての困難があっ
て操作が難かしい。

例えば第６図に示し定ハンド１を回転させる場合１，４
Ｄを中心にして回転させるか、ＲＥを中心として回転さ
せるかを予め定めておかないと、ロボットに所望の動作
を行なわせることができない。

ロボットの場合は、上記の回転中心を定めるという事は
設計的に自由に選定し得る一つの約束に過ぎないので、
／ｉ５Ｄ又は、４Ｆ若しくはその他の任意の戸を回転中
心として設定しておけばよい。

しかし、前記の教示装置（第５図）の場合、例えば／１
５Ｐｔ＋やＰ２１若しくは廓Ｐ５というように任意に中
心を定めただけでは所望の教示信号が得られない。即ち
、例えば卓Ｐ１　　を基準点と定めたならば、操作者は
枠形部材１１を手で持ってθ８方向の操作力を加える場
合も、θ、力方向操作力を加える場合も、θ１方向の操
作力を加える場合も、すべて基準ρＰ１を中心とする回
転操作力を加えねばならない。

もし、操作者が０８方向の回転操作だけをする心算であ
っても、仮りに虞Ｐ２　を中心とするθ８方向の回転操
作力を加えたとすると、検出手段であるストレンゲージ
はθ菫方回の回転力の他にＸ方向の並進力を検出するこ
とになる。

このような不具合を生ずる原因を構造の面から見れば、
操作者が手で持つ個所と基準廓とが離れていることによ
るものである。しかし第５図に示したような従来形の装
置においては、ストレンゲージを貼着する関係からこの
不具合を避は難い。

枠形部材１１を手で持って、基準Ａ　Ｐ　＋　にＸ方向
、Ｘ方向、若しくは２方向の並進力を加えることは前記
よりも更に難かしい。

その上、Ｘ＋　ｙ＋Ｚ各方向について構成部材のバネ強
さが異なるので、操作者が意図して加えた操作力とロボ
ットの動きとが比例関係を保ち難いという不具合もあっ
て、この＠接教示装置（第５図）の操作は極めて高度の
熟練を必要とし、しかも正確な教示が困難である。

本発明は以上の事情に鑑みて為され、別設の熟練を要せ
ず、容易に、かつ正確に、直観的に操作し得る直接ティ
ーチ装置を提供することを目的とする。

本発明の基本的原理は、前述の従来形装置における不具
合原因を解消するため、操作ハンドルの幾何学的な中心
と該操作ハンドルの回転力、並進力検出の基準点とを一
致せしめることにある。

次に、操作ハンドルの中心と操作の基準点とを一致せし
めるための構成について、その基本的原理を説明する。

第７図（Ａｌは、矢印Ｆ・Ｆ′力方向１自由度の回転運
動に捩りバネ要素を加えた機構をコイルバネ状の略図と
して表わしにものである。上記の捩りバネのバネ強さを
にθとし、これを同図（Ｂｌのごとく表わす。

第８図に示すように、直交３軸に関する回転方向の３自
由度を有する回転機構を想定する。１２は操作力の駆動
杆、１３は回転機構の支持杆を表わしている。上記の３
自由度の回転機構を包囲する中空球１４を想定し、駆動
杆１２を中空球１４の内面に内層したものと考える。１
４ａは支持杆１３を挿通する開口である。第９図は上述
の操作機構を模式化して描いた外観図である。支持杆１
３の他端をベース１５に固定して中空球１４を手で持っ
て回転ベクトルθを加えると、この中空球１４内に収納
した回転機構は与えられた回転ベクトルθを直交３軸に
関する回転要素θ翼、θｙ、θ、に分解し、それぞれ捩
りバネ要素の捩り企によって吸収する。従って、上記捩
りバネ要素の歪を検出すると回転要素θＸ、θｙ、θ襲
をそれぞれ導き出すことができる。

第１０図は前述の操作機構に回転モーメン）Ｍを加えた
状態を模式的に表わし、第１１図は回転モーメントＭを
加えられた場・会の中空球１４の回転ベクトルθを模式
的に表わした図である。一般的にはＭとθとは必ずしも
方向が一致しないが、第８図に示した直交３軸に関する
捩りバネ強さをＫｅ＝＝Ｋｅ２＝Ｋｅｓ とおけば盲と１との方向が一致する。即ちθ＝Ｃ０Ｍ となる。

前述の１自由度の捩りバネ（第７図）と同様に第１２図
に示すごとく矢印Ｇ、Ｇ’方回の１自由度の並進運動に
並進バネ要素を加えた機構を考える。

Ｋ１はバネ強さである。

＠５！：３軸に関する３自由度を持った機構を第１３図
のごとく想定し、中空球１４と支持杆１３との間に介装
する。第１４図は上記の直交３軸に関する並進操作機構
を模式的に表わしたもので、Ｓは並進方向の変位を表わ
している。

第１５図は上記の並進操作機構に並進力Ｆを加えた状態
を表わす。

第１６図におけるバネ強さを Ｋｓ＋　＝　Ｋ＃２−　Ｋ５ と置くとＳの方向とＦの方向とが一致してＳ＝Ｃ，Ｆ　
　となる。

以上のごとき想定によれば、直交３軸に関する３自由度
の回転操作と６自由度の並進操作とを一つの機構で検出
することが理論的に可能であることがわかる。

以上のように想定した理論上の機構を具体化すると第１
６図のごとくである。１３はベース１５に固定された支
持杆、１４は支持杆１３の自由端を抱持する中空球状部
材である。上記の中空球状部材の内面と支持杆１３の自
由端との間に、Ｘ。

ｙＩｚＩθＩ、θ７＋”ｍの６自由度のバネ要素を有す
る機Ｗｌ！１６を介装し、かつ、上記６自由度の変位を
検出す、る手段を付設すると、６自由度の操作機構が構
成される。１７は基＊虞である。

上述の原理に基づいて％　ロボットを直観的に、正確か
つ容易に直接ティーチすると贋う目的を達成するため、
本発明は、支持部材および上記支持部材の先端を包持す
る形状の中空球状のハンドルを設け、上記の中空球状の
ハンドルの中に少なくとも６自由度を有する機構部を設
けてハンドルと支持部材との間に介装し、上記の機構部
に応力検出器を取りつけ、へンドノνに加えられた並進
力の要素と、同じく回転力の要素とを検出してロボット
の制御装置に入力せしめることを特徴とする。

次に、本発明の一実施例を第１７図乃至第１９図につい
て説明する。

第１７図は、先に第１６図について説明した操作機構を
具体的に構成した一実施例を示し、１３は前述の支持杆
、１４は前述の中空球体、１６は６自由度の機構部であ
る。

本発明を実地に適用する場合、支持杆は必ずしも杆状に
形成しなくてもよい。中空球体は必ずしも球形でなくて
もよく、例えば中空正２０面体若しくはこれに類似する
形状としてもよい。

上記の中空球体１４の内部に設置した諸部材は第１６図
において６自由度の機構１６として示した機構を構成し
ており、その詳細を次に述べる。

３１〜４６は板バネ状の弾性を有する薄板状部材である
。

第１８図は上記の６自由度の機構１６を構成する諸部材
の内の一部を抽出して示したものである。

次にその構造を数学的解析と対応せしめつつ説明する。

本実施例においては、変換式を簡便にするため薄板状部
材３１．同３２、同３５および同３４を支持杆１５に関
して対称に配設するとともに、変換式中のクロストーク
を少なくシ、かつ、設計。

解析を簡便ならしめるために薄板状部材３１〜３４をそ
れぞれ同寸同形向材質の部材としである。

第１８図に示すごとぐ＠交座標糸Ｘ　＋　ｙ＋　Ｚを定
め、薄板状部材３１〜３４によって、カＦ−（Ｆｘ＋Ｆ
ｙ＋Ｆｚ）、モーメントＭ　＝　（Ｍｌｌ　＋Ｍｙ　＋
Ｍｇ）の内ｔ　　Ｆ＊＋Ｍｘ＋Ｍｙを検出できるように
構成しである。即ち、支持杆１３の先端の基ｍ虜１７に
、ｘ、Ｘ軸方向に薄板状部材３１〜３４を固定し、それ
ぞれの先端を支持部材２１〜２４によって支承する。（
支承相手部材については第１７図により後述する）。こ
れらの薄板状部材３１〜３４にストレンゲージ（図示せ
ず）を貼着してその歪を検出することにより、Ｘ軸回り
のモーメントＭ、、ｙ軸回りのモーメントＭ、、及び２
軸方向の並進力Ｆ。

を検出することができる。

上述の第１８図の機構の上に第１９図の機構を積み上げ
る。読回の便宜上、第１９図において。

第１８図に示した構成部材を仮想線で描くとともに、第
１８図に示した構成部材の図面診照査号に括弧を付しで
ある。これにより、薄板状部材３５〜３日の盃を検出し
て２軸回りのモーメントＭ。

を検出することができる。

更にＸ軸方向の並進力Ｆｆｆｉｉ　及びＸ軸方向の並進
力Ｆ、を検出するため、第１７図に示すごとく、前述の
構成（１９図）を薄板状部材３９〜４６を介して中空球
体１４に支承し、薄板状部材３９〜４２の盃を検出して
Ｆつを、薄板状部材４３〜４６の歪によってＦ、をそれ
ぞれ検出し得るように構成する。

前述の薄板状部材３１〜４６それぞれの適宜の個所に貼
着したストレンゲージ（図示せず）による検出子を表わ
す出力電圧をそれぞれＶ、〜ｖ、６　　とすると、 となる。

ここにマトリックスの係数ＰＱＲはそれぞれ第１．８図
に示しｒｃ−１ｔｌ＋）ｌの各寸法、および薄板状部材
のヤングＸＥ、並びに前述のストレンゲージ（図示せず
）の貼着位置ｄの関数である。

薄板状部材３１〜４６０個数が１６個であるから、パラ
メータとしては λ’＋ｂｉ＋）１１＋Ｋｔνｄｉ＋　　　　　　ｉ＝１
〜１６で構成される。

前掲の第１式に示すごとく、マトリックス中の係数はＰ
、Ｑ、Ｈの３種類のみであり、かつ、マトリックス中に
００項が多いので計算処理が簡便である。

本実施例のごとく、並進力を検出する薄板状部材のバネ
係数を＠父座標系の３方向で等しく、かつ、回転力を検
出する薄板状部材のバネ係数を直焚座標系の３方向で等
しく構成すると、検出したデータの処理が簡単であり、
かつ、操作者が直観的に操作し易いという効果がある。

１に１本実施例のように板バネ状の薄板を組み合わせて
６自由度の機構を構成すると、ストレンゲージを貼着し
て歪を検出することが容易であり、かつ、操作者が適当
な手応えを感じるように構成することが容易であるとい
う効果がある。

本実施例においては、第１８図及び第１９図に示したよ
うに各４′対の薄板状部材を十字形に組み合わせて６自
由度の機構１６を構成したが、理論的には３対の薄板状
部材で構成することも可能であり、５対若しくはそれ以
上の薄板状部材で構成することもできる。薄板状部材の
個数が増せば構造が複雑になるが精度を高くすることが
できる。

箇た、以上に説明した原理を適用して７自由度若しくは
それ以上の機構を構成することも′５′Ｊ能である。

本実施例の操作機構（第１７図）の各薄板状部材のφを
検出し、簡単な数式的処理をしてロボットの制御装置（
図示せず）に入力せしめてロボットの面接ティーチ装置
を構成すると、中窒球状若しくはこれに類似する形状の
部材を手で持って、その幾何的中心を回転中心として自
在に６自由度の操作力を加え、直観的にロボットの作動
をティーチすることができる。上記のごとく操作部材（
本例においては中空球体１４）の幾何的中心と回転操作
の中心とが一致しているため、純粋の回転操作、純粋の
並進操作、若しくは回転と並進との複合操作を容易かつ
正確に行ない得る。

以上説明したように、本発明を適用すると、別設の熟練
を要せず、容易にかつ正確に、直観的に操作し得るロボ
ットの＠接ティーチ装置を構成することができるという
優れた芙用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はロボット操作の座標を示す図表、第２図は関節
形ロボットの斜視図、第３図は操作盤形ティーチ装置の
斜視図、第４図はジョイスティック形ティーチ装置の一
部を破断して描いた斜視図。 第５図はハンドル形ティーチ装置の斜視図、第６図はロ
ボットハンドの斜視図、第７図（Ａｌ及び（Ｂｌは１自
由度の回転機構のシンボル図、第８図は３自由度の回転
機構のシンボル図、第９図は同模式化した外観図、第１
０図及び第１１図は同作用の説明図、第１２図（Ａ）及
び＋ＢＪは１自由度の並進機構のシンボル図、第１３図
は３自由度の並進機構のシンボル図、第１４図及び第１
５図は同作用の説明図、第１−６図は本発明の一笑施例
を模式化して描いた断面図、第１７図は同詳細構成を示
す斜視図、第１８図及び第１９図は上記実施例の一部を
抽出して描いた斜視図である。 １・・・ハンド、８・・・水平杆状部材、９・・・垂直
杆状部材、１０・・・水平杆状部材、１１・・・枠形部
材、１２・・・駆動杆、１３・・・支持杆、１４・・・
中空球体、１５・・・ベース、１６・・・６自由度の機
構部、１７・・・基準虜、２１．２２〜２５・・・支持
部材、３１．３２〜４６°°・薄板状部材。 ”Ｙ−（ ミ賃 ベー ；７ ＼７ 一４′。 、、　　　　　＋３１１Ｂ ノ ア 沖４図 ７１−５図 ボア図 片８図 井’ｕ図 ？Ｉｏ図 ■ −）ｔ７１３図 岸Ｉ５図 片１８図 ？！ 沖ｌｑ１閉 （ｔ’７）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　支持部材の先端を包持する形状の中空球状の
   ハンドルケ設け、上記の中空球状ハンドルの中に少なく
   とも６自由１１’に有する機構部全般けてハンドルと支
   持部材との間に介装し、上記の機構部に応力検出器を取
   りつけ、ハンドルに加えられた並進力の要素と回転力の
   要素とを検出してロボットの制御装置に入力せしめるこ
   と全特徴とするロボットの直接ティーチ装置。
2. （２）前記の機構部は、並進力に対する部材の並進バネ
   係数が直交座標系の３方向で等しく、かつ。 回転力に対する部材の回転バネ係数が直交座標系の３方
   向で等しいように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のロボットの直接ティーチ装置。
3. （３）前記の機構部は板バネ状の薄板状部［ｋ組み会わ
   せて構成したものであることｔｌ″特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載のロボットの直接ティーチ装置。