JPS63150177A - 可変コンプライアンスパラレルリンクア−ム - 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】 くイ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はロボットのアームの位置と力の制御技術に関
するものである。

［従来の技術］ 人間の手作業代行のため多節リンクからなるアームが開
発され、人間の行う巧みな動作を実現するため、位置制
御、力制御が行なわれている。

このような１つのアームにより多種の作業を可能とする
には、その作業の種類に応じて、アームの各変位方向の
剛性を独立に選択し調整し得ることが要求される。

例えば、アームの先端に取付Ｆノられているハンドが機
械部品の孔にビンを差込む作業をする場合を考えるど、
その様な作業では、アームの剛性は孔の軸と一致する方
向については大きく、（従ってコンプライアンスは小さ
り〉、孔の半径方向については小ざく（従ってコンプラ
イアンスは大ぎく）する必要があり、こうすることによ
って、ハンドはビンを孔の側面への衝突を避けながらビ
ンを孔に差込むことができる。

このような可変コンプライアンスアームとじては従来、
第７図に示すようなものがある。

すなわち、第７図に示すアーム１２１は基本的には２個
のリンク１２２，１２３と２個の関節１２５と１２６と
からなり、リンク１２３の先端にハンド１２８が取付け
られている。関節１２５゜１２６はそれぞれ別個のアク
チュエータ１３１゜１３２で回転させるように構成され
ている。ハンド１２８には力検出器１３３が設けられて
いる。

ＰＡ節１２５を座標原点におき、関節１２５゜１２６を
回転させることによって、ハンド１２８の位置が決定さ
れる。

ハンド１２８の変位方向の剛性、すなわち、マニピュレ
ータのアーム１２１の剛性は次のようにして決定される
。すなわち、ハンド１２８が作業対象物１３４から受け
る力を力検出器１３３で検出し、かつ、その時の微少変
位を検出し、この力と微少変位からアームの剛性（力／
微小変位）を逐次求め、この値と所定の剛性とを比較し
て目的値が実現されるように、各関節の発生力を決定し
ている。

しかるに、このｊｚうな従来の制御方式では、各関節の
コンプライアンスの決定が作業対象物におよぼす力・位
置の関係を介して決定されるので、対象の特質（例えば
固い柔かいなど）に応じて系のパラメータの調整が悪い
と発振する等の問題があり、かつ操作性、目標剛性値調
整の速度も良好でない。またハンド１２８からアームの
付は根１２５までの距離が長くなり、アームの強度が低
下するという問題もあった。

本件出願人は先にこれらの問題を解決し、アームの剛性
を作業対象物との相互作用を介さずに独立して設定実現
することができ、かつ操作性が良好であり、かつ強度も
大きいアームを、昭和６１年特許願ｍ０７３１４５号に
よって提案した。

これは、多くの３次元空間にお（プる作業が、木　　。

質的に２次元空間を作業空間とづ゛る作業に帰着させ１
つの作業座標系ｘ−ｙにおける運動としてとらえ得て、
必要に応じてＺ軸方向の平行移動を加味することによっ
て行い得る、ということから、作業空間を平面に限定し
て提案されたものである。

平面上の運動においては、位置の制御には、周知の通り
２個のパラメータを制御すればよい。

しかし剛性の制御には、前記昭和６１年特許願第０７３
１４５号の発明の詳細な説明の欄に記載した通り、平面
内にお【プる構造体の剛性は２×２行列で表現でき、か
つその４つの成゛分のうち独立な成分は３個であるため
、３個のパラメータを制御することが必要である。そこ
で３個の関節をそれぞれ独立にばね定数可変な３個のア
クチュエータで駆動するように構成したものであり、例
えば第８図及び第１０図に示ｊ−可変コンブライアンス
マニビュレータ５１のように、［１自由度の対偶で連結
され１節が静止節６１をなし他の４節５２゜５３．５＝
１．．５５が動節をなす５節連鎖のうちの前記４個の動
節を構成する４個のリンクを前記対偶を構成する関節５
６，５７．５８．５９．６０で連結して備え、前記静止
節６１に隣り合わない２個のリンク５３．５４のうちの
いずれかにマニピュレータハンド３０を取イ１け、かつ
前記静止節６１に隣り合う２個のリンク５２．５５の両
端の４個の前記関節５６．５７．５９．６０のうちの少
なくとも３個の関節をばね定数可変のアクチュエータ６
３．６４．６５で駆動するように構成したこと」を特徴
とする。

このように構成された可変コンプライアンスマニピュレ
ータ５１においては、リンク５２が静止節（ベース）６
１と角θ１をなし、リンク５２がリンク５３と角θ２を
なし、これに従ってリンク５５が静止節６１と角θ３を
なしてマニピュレータハンド３０の位置が決定したとき
に、作業の種類に応じた作業座標系ｘ−ｙにおけるマニ
ピュレータハンド３０の任意の変位方向への剛性は、ア
クチュエータ６３．６４．６５のばね定数をそれぞれ独
立に調節することにＪ：す、その目標値に調整すること
が可能である。

従って、マニピュレータハンド３０の剛性を作業対象物
との相互作用を介さずに独立して設定実現することがで
き、この点での従来技術の大きな問題点を解決したもの
である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、前記ばね定数を変えるためには、モータ等であ
る３つのアクチュエータの電流を操作するのであるが、
マニピュレータアーム５１においては、重量の大きなア
クチュエータ３個のうち、２個までは静止節（ベース）
６１に安定に固定し１ｑるものの、残余の１個のアクチ
ュエータ６４は、リンク５２（または５５）の固定され
てない方の端に取付けられており、マニピュレータアー
ム５１の動きにつれて動かされることとなる。すなわち
マニピュレータアーム５１の質量が増大し、ベース側の
アクチュエータ６３の負荷が増加する。

かつマニピュレータアーム５１を動かしたときの慣性力
が大きくなり、静止しようとした時に直ちに不可能であ
る等、力制御が困難になる。

また、第９図に示すようにマニピュレータアーム５１の
１つの変位に際して同一リンクに取付けられた２つのア
クチュエータ６３．６４が関与するために、両者の間に
著しい干渉が発生し、発振する等、制御を二重に困難に
するという問題がある。

更に、また、マニピュレータアーム５１の先端すなわち
リンク５３の先端５３ａが檗６２を力Ｆ１で押している
とすると、この力Ｆ１を作用させるアクチュエータ６４
は、同時に、同一リンク５２で連結されたアクチュエー
タ６３にその反力を及ぼしているから、アクチュエータ
６３にはその反力に打勝つだけのトルクが必要となり、
前記重量の問題とあいまって装置が大型重量化しやすく
、同時に微小な力の制御が必要な精密作業が困難になる
問題がある。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、アームのコンプライアンスを作業対象物との相互作
用を介さずに独立して設定実現することができるととも
に、３個のアクチュエータがすべてベースに独立に取イ
ーｔけられ得てアクチュエータの質量が互いに他のアク
チュエータの負荷とならず、アームの質量増による慣性
力の増大を招かず、また相互の干渉による発振がなく、
従って力の制御が極めて容易であり、アクチュエータの
必要トルクを増大させることがなく装置の小型軽量化を
図ることが可能な、可変コンプライアンスパラレルリン
クアームを提供することを目的としている。

（ロ）発明の構成 Ｆ問題を解決するだめの手段］ この目的に対応して、この発明の可変コンプライアンス
パラレルリンクアームは、１自由度の対偶で連結され１
節が静止節をなし他の６節が動節をなす７節リンクを前
記対偶を構成する関節で連結して備え、前記静止節には
３つの動節が連結して被駆動関節をなし前記３つの動節
にはそれぞれ残余の３つの動節のうちの１節ずつが連結
して関節をなしかつ前記残余の３つの動節のうちの１つ
には他の２つが連結しており、前記被駆動関節はそれぞ
れ剛性可変のアクチュエータで個別に駆動されるように
構成したことを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

第１図及び第２図にＪ３いて１はアームである。

アーム１は１自由度の対偶で連結された７節リン−〇　
− りを備え、前記７節リンクは静止節２をなすベース３と
、６つの動節４．５．６，７．８．１１からなる。

動節４．５．６はそれぞれ駆動関節１２．”１３゜１４
によってベース３に連結しており、作業平面上での平面
視では、２つの被駆動関節１２．１３は１点上に重なっ
て位置し、他の被駆動関節１／１は駆動関節１２．１３
とは離隔している。

動節４．５．６のそれぞれには動節７，８゜１１がそれ
ぞれ関節１５．１６．１７で連結している。

このうちの１つの動節８には他の２つの動節７゜１１が
連結しており、関節１６を挟んで一方の端の関節１８に
おいて動節７が連結し他方の端の関節２１において動節
１１が連結している。４つの動節４，５，７．８は作業
平面での平面視上、４つの関節１５，１８，１６．１３
　（１２）を頂点とする平行４辺形をなしている。この
４つの動節／１．．５．７．８の部分だけを取出して考
えると（第３図）、これらは第４図に示す如き一般形の
５節リンク１０において静止節２の部長をＯにし、ベー
ス３ａとベース３ｂとを重ね合せた特殊な場合に相当す
る５節リンク１０ａをなす。５節リンク１０においては
動節４，５をそれぞれ駆動関節１２．１３で独立に駆動
して、動ｍ４，５が静止節２となす角がそれぞれθ１．
θ２どなる位置とすることができく熱論、動節７，８の
部長が許容する範囲で）、これによりアーム１の先端１
ａの位置を制御できるものであるが、このことは５節リ
ンク１０ａについても言える。

駆動関節１２．１３．１４の駆動の仕方とアーム１の剛
性の調整の仕方とについては前記昭和６１年特許願第０
７３１１′１．５号にて詳述したことと変らない。

すなわち、駆動関節１２．１３．及び１４にはそれぞれ
アクチュエータ２２．２３及び２４が取付Ｃプてあり、
駆動関節１２．１３及び１４はアクチュエータ２２．２
３及び２４によって駆動される。アクチュエータ２２．
２３及び２／′Ｉは、それぞれ可変ばね定数調整機１２
５（第５図）を右ずる。可変ばね定数調整機構はそのス
チフネス（ばね定数）を外部から電気信号によって変化
させることができる要素である。

アクチュエータ２２．２３．２４及び可変ばね定数調整
機構２５の制御系は例えば第５図に示す通りである。

すなわちアクチュエータ１３，２２．２３゜２／Ｉの出
力軸２６は可変ばね定数調整機構２５を介して関節１２
．１３．１４を駆動するように構成されている。アクチ
ュエータ２２，２３．２４の圧油の供給量はサーボ弁２
７によって制御され、サーボ弁２７は増幅器２８を介し
て入力される位置制御信号によって動作する。

また、可変ばね定数調整機構２５は後述する手法によっ
て決定されるばね定数によってそのばね定数を調整され
る。

第５図では油圧系で説明したが、図中２２゜２３．２４
．．２７を電気モータとして、電気位置サーボ系を構成
ずれば、電気系でも同様なことができる。また特に電気
ザーボ系ではモータのゲインを調整することによっても
同様なことが行える。

１作用］ このように構成されたアーム１の位置及び剛性の制御は
次のようにして行う。

まず、アーム１の先端１ａの位置を制御する場合は、位
置目標値が与えられるとそれが位置検出器３１によって
検出されたアクチュエータの動きと引算器３３で比較さ
れ、その差がサーボ弁２７に加えられる。サーボ弁２７
に加えられる差信号に応じて、その内部のスプールを動
かして、それによって差信号が零になるように出力軸２
６を動かず。こうしてアーム１の先端１ａの位置を決定
することができる。

次にアームの変位方向の剛性の決定について述べる。

アーム１の先端１ａのコンプライアンスは、例えば、 のように、２×２のマトリックスになり、独立の成分は
３個となる。このうち対角成分は対象となる変位方向の
コンプライアンス（例えばＣｘ−ｄｘ／ｆｘ）成分とな
り、また、対角成分以外は干渉成分（例えばＣｘ、）と
なる。

この発明では関節を駆動するアクチュエータの剛性を外
部電気信号によりうまく指定することによって予め干渉
成分を除ぎＯにする。また上記のマトリックスＣにおけ
る独立の成分が３個であるところから３個のアクチュエ
ータを用いれば、原理的に、７１〜リツクスＣのすべて
の成分を自由に変えることができ、アーム１の先端１ａ
のコンプライアンスに従って剛性を任意に変えることが
できる。

すなわち、先端１ａに外力でか作用し、がっ、この時に
先端１ａがδズ微少変位したとすると、外力ｆど微少変
位δ叉との間にはＣｆ−６文或いは７＝にδズの関係が
成立する。但し、Ｋは剛性を表しに＝Ｃ’である。

ここで、作業平面をｘ−ｙ平面とし、 ｔ δズー（ｄｘ、　ｄ、　） とするく但し、ｔは転置行列を示す）と、ＫはＸ方向の
剛性ｋ　　　Ｖ７５向の剛性ｋＶ１カップリン×　ゝ グの項ｋｘｙ、　ｋＶｘ、の４成分を右するマトリック
と表される。

更にこれをばねモデルのモデル式で表１と、但しＱ＝（
ｉ＝１．２．　ｊ＝１．２）はアクチュエータの可変Ｊ ばね定数と作業座標軸方向の剛性とを結合する関数でに
１．に２．に３．θ１．θ２．θ３の関数、となる（但
しｋ・は各アクチュエータの可変ばね１５一 定数、θ　は各アクチュエータの回転角）。

ここで０１．θ２．θ３のうちの１つは他の２つが決定
するとこれに従属して決まるから１組のθ・（ｉ　＝１
．２．３）が固定されると、（１）式より連立方程式 ％式％） が得られ、ここで前記干渉成分ＣｘｙがＯになったとき
はｋ　　＝Ｏだからｋｘ、−〇と指定することが×ｙ できるから、」一式を解いて、 ・°・ｋ１″″ｑ１〈ｋｘ・ｋｙ）・ ｋ２＝ｑ２（ｋｘ、　ｋＶ）。

ｋ３＝ｑ３（ｋｘ、　ｋ、、　） となる。

従って、作業座標系での剛性ｋｘ、に、に所望値を与え
れば、各アクチュエータのばね定数が定まるので、この
ばね定数を各アクチュエータの可変ばね定数調整機構２
５に入力して各アクチュエータのばね定数を調整する。

第６図に示すように、こうして先端１ａにはｋ　−α、
に、−β。

ｋ　−０（α、βは設定値）が実現する。

×ｙ （ハ）発明の効果 このようにこの発明の可変コンプライアンスパラレルリ
ンクアームでは、マニピュレータの関節アクチュエータ
の剛性を特定することによってアーム運動を介さず、直
接構造体の剛性を調整することができる。また予めコン
プライアンスの干渉成分を除くことも容易にできるので
、外的拘束に適応した操作性の良い制御をすることがで
きる。

この可変コンプライアンスパラレルリンクアームは閉連
鎖系を構成するので、アームの剛性を広範囲にわたって
変えることができる。

しかも、３つのアクチュエータ１２，１３゜１４はすべ
てベースに独立に取付は得て、アクチュエータの質量が
互いに他のアクチュエータの負荷とらなず、アームの質
最増による慣性力の増大を招かず、また相互の干渉によ
る発振がなく、従って力の制御が極めて容易であり、ア
クチュエータの必要トルクを増大させることがなく、装
置の小型軽量化を図ることが可能なコンプライアンスパ
ラレルリンクアームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる可変コンプライア
ンスパラレルリンクアームを示ず斜視説明図、第２図は
第１図に示す可変コンプライアンスパラレルリンクアー
ムを示す平面説明図、第３図は第２図の要部を取出した
図、第４図は第３図に示した４節リンクを一般化した図
、第５図はアームの制御装置を示す構成説明図、第６図
は可変ばね定数の算出過程を示す説明図、第７図は従来
のアームを示す平面説明図、第８図は従来の他のアーム
を示す平面説明図、第９図は第６図の一部分を取出して
示す図、及び第１０図は第６図に示すアームを図式的に
示す平面図である。 １・・・アーム　　２・・・静止節　　３・・・ベース
４．５．６．７．８．１１・・・動節　　１２，１３゜
１４・・・駆動関節　　１５．１６．１７・・・関節１
８．２１・・・関節　　２２，２３．２４・・・アクチ
ュエータ　　２５・・・可変ばね定数調整機構２６・・
・出力軸　　２７・・・サーボ弁　　２８・・・増幅器
　　３０・・・マニピュレータハンド　　３１・・・位
置検出器　　３２・・・サーボ弁 第６図 第７図 第８図 第９図 ６２　　　　　Ｆ″ ５７　　　　　　　　　５３ａ Ｓｃ−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １自由度の対偶で連結され１節が静止節をなし他の６節
   が動節をなす７節リンクを前記対偶を構成する関節で連
   結して備え、前記静止節には３つの動節が連結して被駆
   動関節をなし前記３つの動節にはそれぞれ残余の３つの
   動節のうちの１節ずつが連結して関節をなしかつ前記残
   余の３つの動節のうちの１つには他の２つが連結してお
   り、前記被駆動関節はそれぞれ剛性可変のアクチュエー
   タで個別に駆動されるように構成したことを特徴とする
   可変コンプライアンスパラレルリンクアーム