JPS6190891A - ロボツト関節装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はジヨイントを用いて球状運動を行なうロボット
の関節装置に関するものである。

（従来技術とその問題点） 第７図は従来のロボット関節装置１に概略的に示す斜視
図、第６図は第７図に示す斜施回機構４０の断面図であ
る。リンク４１．４２それぞれにしゆう動板４３，４４
が固定され、しゆう動板４３，４４はベアリング４５に
より互いに回転自在に連結され、しゅう動板４３に取り
付けられたモータ４６の駆動軸に取り付けた歯車４７が
しゅう動板４４に設けた歯車に噛み合い、モータ４６に
よりしゅう動板４４が回転させられる。リンク４１．４
２に対しベアリング４５を頻けて取り付けであるためリ
ンク４１のψ合軸Ｚ′　に対し関節町α′ケなす軸Ｚ＃
全中心としてしゅう動板４４が回転し、す／り４２はそ
の中心軸の一点が破線で示す軌跡５０を描くように旋回
する。。

しかし、Ｃの従来のロボットの関ｈ１’Ｊ　Ｅ２亘にお
いては第７図からも明らかなようにリンク４２が１分回
運動しかせず、ロボットとしての全体の連動を行わせる
ためには非常に制約が多かった。

（発明の目的） 本発明の目的はこのような従来の欠点全除去せしめて、
８−）旋回機構？なす二つのし少う動板を個々に回転制
（財）することにより、リンク上の一点が球面上の任意
の軌跡を描くようにリンク？動作させることができ、さ
らにリンクの向きの直交座標系による指定又は極座標に
よる指定からしゅう動板の回転角を得ることができるロ
ボット関節装置を提供することにある。

（発明の構成） 本発明のロボット関節装置は、第１０リンクと、第２の
リンクと、前記第１０リンクを傾けて取り付けた弔１の
摺動板と、前記第２のリンクを１…けて取っ付け前記第
１０摺動板に対して相対的に回転する第２の摺動板と、
前記第Ｉのリンクの向きを一定としたときの前記第２の
リンクの向きに対応する前記第１０摺動板の回転角およ
び前記Ｌ：ｐ、１の摺動板に対する前記第２の摺動板の
同転角全得る座標変換手段とを合っで権威され、座標変
換手段が第１０リンクの向きを一定としたときの第２の
リンクの向きの直交座標系で表わせられた成分から第ｌ
の摺動板の回転角および第１０摺動板に対する第２の摺
動板の回１転町を得るものとして、または夷１のリンク
の向きを一定としたときの第２のリンクの向きの極座標
系で表わせられた交差用および方位角から第１０摺動板
の回転角および第１０摺動板に対する第２の摺動板の回
転角を得るものとして構成されることもできる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第３図は本発明の第１０実施例のロボット関節装置のジ
ヨイント機構全体モデルを示す模式図である。本ジヨイ
ント機構は水平方向の回転を台なうジヨイント１と、し
ゅう動板を組合せて斜旋回機構をなすジヨイント２と、
ジヨイント１とジヨイント２を結合するリンク３と、ジ
ヨイント２から先端までのリンク４と台６とジヨイント
１を結合するリンク５から成る。リンク４は水平方向の
旋回と垂直方向の旋回とが合成された運動を行い、リン
ク４の先端は球面（ジヨイント２の斜旋回歳購のしゅう
動板により決定される球面の一部）上のｆ＋：竜の軌跡
を描くことができる。

各′）−１インド１，２及びリンク４の先端の各座標系
ノ各軸ｉＸｉ　、Ｙｉ　、Ｚｉ　ト、中心ｔｏｉ（ｉ＝
０〜２）と表わし２、Ｘ、Ｙ、Ｚ＝ｉ基阜基標座標系軸
とする。またジヨイント１，２それぞれのＺｏ軸及びＺ
ｌ軸に対する回転を各々回転角θ１．θ２で表わす。

まず第３図からジヨイント１，２の関節角と先端の位置
及び姿勢の関係を表わすジヨイントのマトリックス金求
める。ここで各ジョイ：／ト１．　２及びリンク４の先
端の直交座標系Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ（ｉ＝ｏ〜２）は、各
ジヨイント１，２及びリンク４の先端の回転方向をｚ軸
とし、リンク３とリンク４が直線上になり、Ｚｌ軸が基
準座標系におけるＸ−Ｚ平面上にろる場合を原点とする
。またＹｉ　軸を基準座標系におけるＹ軸と一致するよ
うにとる。さらにＸ１＝（ＹｉＸＺｉ）／１ＹｉＸＺｉ
　ｌ（！：定め、リンク３，４の長さを各々Ｌ３．Ｌ４
とし、Ｙｉ〜１軸のまわりのＺｉ−１とＺｉの馬鹿をα
ｉとする。

次にジヨイントｉの回転角をθｉ−＋−１としたときの
、　Ｘｌ−１−Ｙｉ　−Ｉ　　Ｚｉ−１にそれぞｎｘｉ
−ｙｉ−ｚｉに一致させるために必要な変換マドＩＪッ
クスＴｉを求める。

リンク３ではＸｏ　　Ｙｏ　　Ｚｏ’ｋＸＩ　ＹＩ　Ｚ
ｌに一致させるために式（１）の変換が必要である。

１：〜３：を連続して行なうための変換ｉトリノクス′
７Ｉは次式により求ま）式（２）とする。

リンク４ではＸ、−Ｙ、−右をＸ霊−Ｙ意−２冨に一致
させるために式（３）の変換が心太である。

よって、 ・・・・・・・・・・・・（４） μ上によりジヨイントのマトリックスが求まったが、本
ジフィ／ト鴫（溝の構造によりαｌニーα２で、ジヨイ
ント２の関節角に等しい。従ってαｌ＝−α２−α（関
節角）とおくと１本シロインド機構全体としてのジヨイ
ントマトリックスＴは次式（５）のように求まる。

従りて回転円θｌ、θ２が決まればリンク４の先端の位
置Ｐと、向きλは次式（７）、　（ｓ、ｔ）　、（８，
２）　＊　（８，３）のようにｘ、ｙｌｚ、軸に対する
座標及び成分を求めることができる。

ただし、ジヨイント２の関節角は４５°　とし、Ｃ１５
Ｃ２はｃｏｓθｌ、Ｃｏｇθ２　ｓ　Ｓｌ　ｔｓ２ばｓ
ｉｎθ１．ｓｉｎθ２を表わす。θ１はジヨイント１の
回転円、θ２はジヨイント２の回転角でらる。ジヨイン
ト１の中心Ｏｏを原点とする基準直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ
ｉ用いて各ベクトルを表わすと、リンク４の先端０２の
位置を（７）式の位置ベクトルＰによって表わし、リン
ク４の先端の向きｅ　（８，１）−（８，３）式のアプ
ローチベクトルまで表わせる。この位置ベクトルＰおよ
びアプローチベクトルｌを第４図に示す。

以上のことから基準直交座標系でアプローチベクトル筬
の成分（ａ工＊ａｙ＋ａｇ）を指定する場合について説
明する。ここで、　ａ！”＋ａ　２＋ａｚ”　＝　１な
ので独立なり兄分（ζ２成分となり、（８３）式より、
Ｃ２＝２ａ、１　　　　・・・・・・・・・・・・（１
２）式（１２）より ｓ２＝士Ｊｒ：司７ ””’十ａｓ（１−ａｔ）　　　・・・・・・・・・・
・・（１３）従って 式（１２）、（１３）を（８，１）　、　（８，２）に
代入すると。

ａｘ＝（１ａｓ）Ｃｔ±２ａｚ（１−ａ、）　Ｓ１ａ、
＝（１−ａｘ）Ｓｔ±　２ａ、（１−ａ、）　　Ｃ１曲
・４１５）式（１５）を解くと 従って 以上をまとめると、θｌ、θ２ばａｘ、ａｙ、Ｃ７から
次式（１８）によって求めることが出来る。

弔１図は本発明の第一の実施例の杢気回路部分のブロッ
ク図で、上述の原理によってアプローチベクトル＆の直
交座標系の成分（ａｘ＋ａｙ＋”ｒＪからジョイ／）ｉ
、２それぞれの回転角θｌ、θ２を得る関節座標変換装
置である。図において、点線内が関節座標変（免五本ｉ
ｔ　ｌ　００全体で、直交［電標系による指定値ａｘ、
ａア、ａ２を与えることによって、回転角θ１．θ２　
が得られる。

関節座標変換装置１００内で、回路２３０は成分ａ２か
らに＝±７７１　を得るに回路１回路ゴ：１τ １１０は成分ａ工とＫの横を得る乗算回路、回路１２０
は成分ａ、とＫの債を得る乗算回路、回路１３０は乗ｑ
回路ｌｌＯからのデータに成分ａアを加える加算回路、
臣」路１’４０は成分ａ工から乗算回路１２０からのデ
ータを引く＠算回路、回路１６０はり（Ｂｔ回ｇ１３０
のデータを減算回路１４０のデータで割る除算回路、回
路１８０は除算回路１６０のデータのｊａｎ”ｅ得るｔ
ａｎ−”回路で回転内θｌを出力する。回路２２０は成
分ａ、の２乗を得る２乗回路１回路１５０は成分ａ２か
ら２乗回路２２０のデータを引く減算回路、［０１路２
００は成分ａ２　　から１／２を引くｌ／２城算回路、
回路２１０は減算回路１５０のデータの平方根を縛る平
方根回路、回路１７０は平方ｆｉ＋回路２１０のデータ
７ｆｔ−１／２１成算回路２００のデータで割る除算回
路１回路１９０は除痒回査５１７０のデータのｊａｎ　
’を得るｊａｎ”−”回路で回転角θ２を出力する。

また、第５図に示すように、直交座標におけるアプロー
チベクトル１０各成分（ａ工ｌａ）’ＩａＺ）はそのＸ
軸となす方位角β、Ｚ軸となす交差絢ｒ’６用いて、次
式（１９，１）、（１９，２）、（１９，３）　　によ
り表わせる。

ａｘ＝ｃｏｓβｓｉｎγ　・・・・・・…（１９，１）
ａ、＝ｓｉｎβ５ｉｎｒ　　＝４１９．２）Ｂ　、＝ｃ
ｏｓｒ　　　　　・・・”・（１９，３）式（１９，３
）を式（１４）に代入するとまた式（１９，１）〜（１
９，３）金式（１７）に代入するとに＋ｔａｎβ　　　
　　　　　　　・・・・・・（２１）漏ｔａｎ　　　□ ｉ　−１（ｊａ＊β 以上をまとめるとθｌ、θ２はβ、γから次式（２２）
によって求めることができる となる。

第２図は本発明の第２の実施例の（２２）式に基づく電
気回路部分である関節座標変換装置のブロック図である
（第２の実施例においてもシラインｌ構は、第１０実施
例と同様に第３図に示すものである。）。第２図におい
て、点線内が座標変換装置３００全体で、極座標による
指定値β、ｒを与えることによって回転角θ１．θ２が
得られる。

関節座標変換装置１００内で、回路３９０は交差角ｒの
余弦？得るｃｏｓ回路回路１福路４３０ｏｓ回路３９０
のデータよ’）””７７薯８団７−を得るに回路、回路
３１０は方位角βの正接を得るｔａｎ回路、回路３２０
はｔａｎ回路３１０のデータにＫを加える加算回路５回
路４４０は１／Ｋを得る１／に回路、回路３３０は１／
Ｋからｔａｎ回路３１０のデータを引く減算回路、回路
３３５は減算回路３３０のデータにＫｔ−掛ける乗算回
路、回路３５０に加算回路３２０のデータを乗算回路３
３５のデータで割る除算回路１回路３７０は除算回路３
５０のデータのｊａｎ−”を得る回路で回転角θ１を出
力する。回路４００はＣＯＳ回路３９０のデータの２乗
を得る２乗回路、回路４１０は回路３９０のデータから
１７２ｆ：引（−１／２減算回路、回路３４０は呑絡ｃ
　ｏ　ｓ回路３９０のデータから２乗回路４００のデー
タを引く減算回路、回＠４２０は回路３４０のデータの
平方根を得る平方根回路１回路３６０は平方根回路４２
０のデータを一１／２減算回路４１０のデータで割る除
俸回路、回路３８０は除算回路３６０のデータのｊａｎ
　’　ｆｔ得るｊａｎ１回路で回転角θ２を出力する。

このように、第１または第２の実施例のいずれにおいて
も任意にアプローチベクトルａから回転角θ１．θ２が
得られる。またこの回転角θ五、θ２でジヨイント１．
２のしゅう動板を回転駆動させれば所要のアプローチベ
クトルａの状態となるようにリンク４′ｆｉｒ：動かす
ことができ、容易にリンク４の動きを制御できる。

（発明の効果） 本発明のロボット関節機構は、以上説明したようにジヨ
イントのしゆう動板にリンクラ傾けて取り付けることに
よりリンクの先端が球面上を動くようにすることができ
、さらにリンクの向きを直交座標系によるか極座標系の
何れかで指定することによりしゅう動板の回転角を求め
ることができ。

マイクロコンピユータやＲＯＭのテーブルルックアップ
方式等を聞いて簡単にリンクの連動を制御することが出
来る効果かめる。又、ジツイントヲ複数連結した場合も
、この方式を用いたロボット関節座標ｆ１臭装置の拡張
により容易に連結出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は不発明の第ｌの実施、例の電気回路部分のブロ
ック図、第２図は本発明の第２の実施例の電気回路部分
のブロック図、第３図は本発明の第１および第２の実施
例のジヨイント機構全体のモデルを示す模式図％第４図
および第５図は第３図に示すリンク４の先端のアプロー
チベクトルａを示す図およびアプローチベクトル類の中
心Ｏ１における極座標を示す図、第７図および第６図は
従来のロボット関節装置の斜視構成図および斜旋回機Ｐ
ｇ４０の断面図でめる。 １．２・・・・・・ジヨイント、３，４．５・・・・・
・リンク。 ６・・・・・・台、Ｐ・・・・・・位置ベクトル、ｔ・
・・・・・アプローチベクトル、Ｘ、Ｙ、Ｚ−・−・−
・基準座標、Ｘｉ　、Ｙｉ　。 Ｚｉ（ｉｍ（１〜２）・・・・・・各ジヨイントにおけ
る座標、Ｏｉ　（１＝ａＱ〜２）・・・・・・各ジヨイ
ントにおける中心、θｌ・・・・・・Ｚｏ軸における回
転角、θ２・・・・・・Ｚｌ軸における回転角、Ｌ３　
ｔ　Ｌ４・旧・・リンク３，４の長さ、β・・・・・・
方位角、ｒ・・・・・・交差角、４ｏ・・・用斜旋回機
構、４１，４２・・・・・・リンク、５０・・・・・・
軌跡、ａ、、ａ、。 ａ、・・・・・・直交座標系のアプローチベクトル署の
各成分、１００〜２３０・・・・・・演算回路ブロック
、３００〜４４０　・・・・・・演算回路ブロック。 偽　ｌ　２ 偽　　　　　　　　　　　　　　　　（（べ） 第Ｓ″図 手続補正書（自発） ６０．１２．１７ 昭和　　年　　月　　口 盟

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１のリンクと、第２のリンクと、前記第１のリン
   クを傾けて取り付けた第１の摺動板と、前記第２のリン
   クを傾けて取り付け前記第１の摺動板に対して相対的に
   回転する第２の摺動板と、前記第１のリンクの向きを一
   定としたときの前記第２のリンクの向きに対応する前記
   第１の摺動板の回転角および前記第１の摺動板に対する
   前記第２の摺動板の回転角を得る座標変換手段とを含む
   ことを特徴とするロボット関節装置。 ２、座標変換手段が第１のリンクの向きを一定としたと
   きの第２のリンクの向きの直交座標系で表わせられた成
   分から第１の摺動板の回転角および第１の摺動板に対す
   る第２の摺動板の回転角を得る特許請求の範囲第１項記
   載のロボット関節装置。 ３、座標変換手段が第１のリンクの向きを一定としたと
   きの第２のリンクの向きの極座標系で表わせられた交差
   角および方位角から第１の摺動板の回転角および第１０
   摺動板に対する第２の摺動板の回転角を得る特許請求の
   範囲第１項記載のロボット関節装置。