JPS63318283A - 高精度運動装置 - 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】 目　　　次 Ａ、産業上の利用分野 Ｂ、従来技術 Ｃ８発明が解決しようとする問題点 り１題点を解決する手段 Ｅ、実施例 Ｅ−１，六角形のフロータ Ｅ−２，ペリプレーナ・コイル Ｅ−３，駆動エレメントの構成 Ｅ−４，駆動エレメント Ｅ−５，受動緩衝 Ｅ−６，フロータの浮揚 Ｅ−７，フロータの移動限界 Ｅ−８９球体のフロータ Ｅ−９，ドツキング及び固定 Ｅ−１０，感知 Ｅ−１１，制御 Ｅ−１２，コンプライアンス制御 Ｅ−１３，プログラム可能な限界停止 Ｅ−１４，機構部のエミュレーシＨン Ｆ０発明の効果 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、多数の自由度をもつ高精度の運動装置に関し
、特にプログラム可能な運動とともにプログラム可能な
コンプライアンス（剛性）をもつ磁気浮揚の高精度の運
動装置に関する７Ｂ、従来技術 位置目標を追跡するだけでロボッＩ・制御を行うのは、
現実の世界で実行してみると、様々な制限があることは
従来から認識されていた。コンプライアンスが必要なの
である。即ち力が加えられるとき、弾性的に応じるよう
な能力が必要なのである。過去にもロボッＩ〜・マニピ
ュレータに成る種のコンプライアンス的挙動や力の目標
値等を追跡することによる制御にねらいを定めた試みが
過去にも多々あった。しかしそのような試みも多くは十
分満足を得られなかったし、たとえ得られたとしても量
産段階に適する応用例は殆んどない。このことはマニピ
ュレータそのものの機械的性質に大きく関係する。標準
的な工業用ロボットのコンプライアンスや力を制御しよ
うとすると、その結果は、摩擦効果のほかに高い質量や
慣性に通常は支配される。これらの効果は、一般に貧弱
な性能のアクチュエータで克服するのが困難である。別
の問題は、その制御系の効果的な計算上の帯域幅にある
。

この間層の解決策は、ロボット操作作業を精粗２つの領
域に分けることである。即ち、マニピュレータ自体が冗
長な精粗の自由度をもつことである。ここでは、成る型
式の終了点センシングを使用して、関連作業パラメータ
を直接測定し且つマニピュレータを案内して所望の目標
を達成する。

この活用例は、１９８４年８月２０日から２３日に京都
型で開催されたロボテイックス・リサーチの国際シンポ
ジウムで発表され、又ｒＩＢＭジャーナル・リサーチ・
ディベロプメント」の１９８５年７月号の第３６３頁か
ら第３７６頁にアール・エイチ・テイラ氏、アール・エ
ル・ホリス氏及びエム・ニー・ラビン氏の「終了点セン
シングをもつ高精度マニピユレーション」として記され
ている。

ロボティック・アセンブリ作業の範囲が、特に電子工業
では非常に広範なので、限られた距離にわたる高精度の
コンプライアンス運動、例えば操作しようとする部品の
一部の寸法程度の距離にわたる高精度のコンプライアン
ス運動を与えることが必要なだけである。マニピュレー
タの全運動範囲にわたってのコンプライアンス（順応）
運動能力をもつことが必要でないのは明らかである。従
ってそのような精粗システムでは、粗いマニピュレータ
（ＣＭ）が厳格な位置決め制御モードで作動でき、一方
、そのＣＭに取付けられた精度の高いマニピュレータ（
ＦＭ）がコンプライアンス・モード又は力制御モードで
作動できる。そのＦＭの質量及び慣性モーメントはその
ＣＭのと比べると数次分車さいオーダであり、そのＦＭ
の運動は摩擦なしに行なわれ得る。従って、ある理想に
近いＦＭを行うとすれば、少なくとも理論的には所望の
ロボットの挙動を達成できる。理想のＦＭが含むべきも
のは下記のとおりである。

・ＣＭ（粗運動マニピュレータ）のほかに、６つの自由
度（ＤＯＦ）の冗長度 ・ＣＭを間違ってロードするのを防ぐための最小の質量 ・その環境に於る振動外乱に応じることができ且つ最大
のジョブ・スループットを可能ならしめる非常に高い加
速度 ・静摩擦の存在が精度を下げ、制御を困難にするので、
最小の静摩擦 ・高い精度のＣＭよりもはるかに小さいＦＭの位置決め
解像度 ・ＣＭの特別の運動を回避するため、できるだけ大きい
ＦＭの運動範囲 ・適当なダンピング（緩衛） 人間の手や手首は、選択的なコンプライアンスで複数の
自由度の位置決めを与える傑作である。

人間の手は、筋肉や対抗する筋肉の運動及びコンプライ
アンスをもつ骨格の運動を頭脳によるプログラム制御を
用いて、シュートや卵やポーリングゲームのボールを取
扱うことができる。腕は、粗運動装置であり、手は多く
の自由度で選択的なコンプライアンスを与える高精度装
置である。

磁気浮揚ベアリング（通常はスピンドル・ベアリング）
は既知である。一般にこれらの装置は本発明のように電
子動力学的というより電子磁気的であって、できる限り
高い磁場を得るために非常に狭いギャップを使用する。

しかしコンプライアンスについて触れてはいない。何故
ならばぐらぐらしたり摩擦が生じたすせずに高速で回転
することが目的であるからである。その制御システムは
（位置及び方向を維持するため）レギュレータとして設
計されており、その装置は一般的位置決めや方向付は作
業を行なえない。

「単極発電機」などの磁気的アクチュエータでは導電板
中の渦電流により生じる逆向きの磁場によって、受動ダ
ンピングを与えることも知られている。

しかしこの従来技術の複合体は、プログラム可能な複数
の自由度をもち、少なくとも１自由度のプログラム可能
な可変コンプライアンスをもつロボット手首としても適
用できる本発明を教示したり示唆したりしていない。

他にも、米国特許第３２６０４７５号、第３７３２４４
５号、第４４４５２７３号、第４５０９００２号、第４
５１４６７４号、第４６６１７３７号、第４１５５１６
９号などがあるが、本発明を開示していない。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明は従来なかった新規な構造の６自由度の高精度運
動装置を提供することにある。

本発明の目的は、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｘ回転 （ＲＯＬＬ）、Ｙ回転（ＰＩＴＣＨ）、Ｘ回転（ＹＡＷ
）等６自由度の夫々又はこれらの組合せに於て成る限ら
れた距離及び角度にわたる運動を、６自由度までのプロ
グラム可能なコンプライアンスで以って行える高精度運
動のロボット手首を提供することにある。

Ｄ０問題を解決する手段 本発明は、手首及びそのエンド・イフェクタを、プログ
ラム可能な電子的位置決めにより且つ制御システムによ
り導入される同時プログラム可能なコンプライアンスに
より磁気浮揚される６自由度の高精度運動装置を提供し
たことであり、単一の可動部品しかない磁気浮揚構成は
従来にない新規なものである。

Ｅ、実施例 第１図は、本発明の好適な実施例のプログラム可能な可
変コンプライアンスに適する６自由度の高精度運動六角
形ロボットに手首を示す。この手首は、粗運動ロボット
に高精度のコンプライアンス運動を実行する能力を与え
るよう標準的な位置制御ロボットの端部に装着できる。

そのロボットは粗運動即ちＣＭを与え、その手首は高精
度運動即ちＦＭとプログラム制御下での選択的コンプラ
イアンスを与える。好適な実施例の磁気浮揚のＦＭ手首
は単一の可動部で動力学的に浮揚し得るフロータ１を有
する。中空の剛体の外殻のように移動するフロータ殻２
は、平坦な成いはほぼ平坦な曲線状の磁気フロータ・コ
イル３を含む。このフロータ１は、手首の浮揚構造であ
り、磁気ベアリングでもっと広範に知られている既知の
ロータと同じ関係を固定構造（ステータ）に対し有する
ので、「フロータ」と呼ぶ。フロータとステータとは夫
々可動エレメント及び静止エレメントとじて相対的な位
置関係にあるので、互いに入れ替えることができること
に留意されたい。但しこの説明中では・、コイル担持体
をフロータと称する。このフロータ１の構造は工具チャ
ック又は把持器（図示せず）を担持する。この工具チャ
ックや把持器或いはそれと同等のものは、工具があろう
となかろうと、「エンド・イフェクタ」、「把持器」又
は単にｒ手」と呼ばれる。

Ｅ−１，六角形のフロータ 第１図は、六角形断面のプリズムの形態であるユニット
状のフロータ１を示す。そのフロータ・コイル３は駆動
（ＦＯＲＣＥＲ）エレメントに不可欠である。各フロー
タ・コイル３は夫々対応する磁石４と、駆動エレメント
５の範囲内で相互に作用してフロータ１の運動を生じる
。好適な実施例では、可撓性のリボン・ケーブルにより
、フロータ１の運動を拘束せずにコイル３への電気接続
が与えられる。即ち、隣接する駆動エレメントは六角形
フロータ１のまわりに、互いに直角に方向づけられる。

フロータ・コイル３は、永久磁石を含む一定のステータ
構造中で大きな磁気ギャップの範囲内で動作する。尚フ
ロータ１は、フロータ及びステータに関係する相対位置
感知装置をも含む。フロータ・コイル３の電流のための
適宜の制御手段が設けられ、これは磁気ギャップで制限
される距離及び角度にわたって高加速度の並進運動及び
回転運動を高精度運動装置に生じさせることができる。

駆動エレメント５は、第１図に示さない制御ユニットに
より特定されるコイル電流で直交する方向の３次元の並
進軸方向の自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ）及び３次元の回転の自
由度（Ｘ回転、Ｙ回転、Ｚ回転）を与える態様で配列さ
れる。第１図に示すように、６個の駆動エレメント５は
同じ態様に配列されていす、隣りの駆動エレメントと９
０’の回転角だけ異なるよう配列されている。

好適な実施例では、交互に水平方向及び垂直方向に配列
されている。これらは、第１図に示すようにフロータ１
の上面に平行であるか、又は＋４５″、−４５°に配列
されるか、或いは、同様な目的で別の態様で配列される
ことができる。その中空の可動式の殻フロータ１は、プ
ログラム制御の下で広範な大きさ及び方向にわたってコ
ンプライアンス（剛性）が変化し得る態様の能動的に制
御される磁気浮場によって懸架される。

Ｅ−２，ペリプレーナ・コイル フロータ１はペリプレーナ・コイルを有する（六角形の
フロータ１の矩形の面と適合するよう平坦か、又は曲面
をもつ異なるフロータ１の形状と適合するよう曲面にな
っている）。６自由度の場合、永久磁石アセンブリによ
り生じる磁界で動作するフラット巻きペリプレーナ（平
坦又は曲面）フロータ・コイル３が、３次元の駆動力及
びトルクを生じるには多数（少なくとも６）必要である
。

そのペリプレーナ・コイル３は、手首の可動部分を含む
軽量の中空殻フロータ１の剛体的に導入される。代りに
、成る種の応用例の場合、磁石４及び関連構造が、静止
したフロータ１のコイル構造に対して可動にされる。こ
の配列は冷却の点では有利である。可動の手首の位置及
び方向はセンサ（感知器）６によって測定される。フロ
ータ１の廻りに配列された発光ダイオード７はステータ
支持体９上の水平方向効果セル８によって感知される。

発光ダイオード７はＣＭ（粗運動マニピュレータ）装置
に固着され、接地記号で図式的に示した固定のベースと
みなしても良い。発光ダイオード７の電力は、コイル３
用に使用されたのと同じ可撓性ケーブルにより提供され
る。側方効果セル８は高精度運動手首の制御のための位
置データ・フィードバックをフロータ１に与える。その
制御はアナログ式又はディジタル式のコントローラ（第
１図には図示せず）がリアルタイムに行う。

即ちロボット組立て動作時のコンプライアンス部分の係
合など、タスク・レベルの目的を達成する態様でリアル
タイムに制御する。

手首への動力源又は（対の）トルク源を与える基本的電
子機械装置は、ペリプレーナ（平坦及び曲ｍ＞コイルの
電子動力学的郭動装置即ち駆動エレメントである。

Ｅ−３、駆動エレメントの構成 ６自由度の運動を達成するのに使用され得るとともに本
発明の詳細な説明を多かれ少ながれ満足するであろう多
くの駆動エレメントが存在する。

例えば３次元空間で並進運動と回転運動を生じるための
駆動エレメントの配列として立方体の６個の面や、６個
の相互に直交するへら状の翼の面に。

それらのエレメントを配列したり、六角形のリングに８
つの力を与えたり、ＸＹの力の対をＺ方向にのびる軸状
のエレメントによって分けさせたりする駆動エレメント
群を用いる等である。唯一の厳格な要求は、それらの駆
動エレメントが単独で或いはその組合せにより、３つの
互いに独立で線形の並進運動の力の成分と３つの互いに
独立で線形のトルク成分を可動エレメントに与えられる
ことである。もし所望の並進運動の力とトルクとが要素
６のベクトルＦ＝　［Ｆｘ、Ｆｙ−Ｆｚ、ｆＸ。

τｙ、τ２］で表わされ、また駆動力の大きさが要素６
のベクトルｆ＝　［ｆ□、・・・中、ｆ、］で表わさ°
れるなら、それらは６×６のマトリックスＴとして、 →　　　　　　→ Ｆ＝Ｔｆ という関係が成り立つ。

その手首が６自由度で作動するために必要且つ十分な条
件は、Ｔが正則であること即ち逆行列Ｔ−１を計算でき
ることである。更に、マトリックスＴの「条件数」は設
計品質の測度である。平方マトリックスの数字及びマト
リックスの固有値の計算及び逆マトリックスの計算は知
られている。

当業者には駆動エレメントの多数の配列がこの拘束に従
って構成できる。

好適な実施例は６個の駆動エレメントとリング状の殻を
有するフロータ１を設ける。この閉じた構成は手首をロ
ボットの腕に装着するのに都合の良い構成であり、更に
は手首に工具や他のエンド・イフェクタを装着するのに
都合の良い構成である。

第１図は六角形の断面をもつリングのまわりに且つ交互
に垂直方向及び水平方向に配列された６個の駆動エレメ
ント５を示す、磁石の内側リングと戻し板がリング状機
械的支持部（図示せず）と剛体的に結合され、磁石の外
側のリング及び戻し板も同様である。これらの内側及び
外側のリングは、閉じた二重の周面を有する静止ステー
タ構造を形成する。尚その周面はＣＭ（ロボット）の腕
にとりつけられる。コイル群を含む中央のリング即ちフ
ロータはステータ支持ユニット９の２つの周面の間に入
れられたフロータ１の周面の物理的に動ける範囲内で６
自由度に移動できる。六角形の上部板（図示せず）はエ
ンド・イフェクタ装着台として働らく。

第１図では、手首が、０位置にあって磁気ギャップ中で
浮いた状態を示す。この構成では、フロータのＸＹＺ枠
及びステータのｘ’　ｙ’　ｚ’枠は一致する。直径約
２００ｍの手首の場合、±４Ｉ及び±５°のオーダーの
並進運動及び回転運動は容易に達成できる。これは大抵
の高精度コンプライアンス運動の組立てタスクにとって
十分な値である。

Ｅ−４，駆動エレメント 第２図は、典型的な駆動エレメント５を示す。

２個の透磁性復帰板１０をもつ４個の永久磁石４は大き
なギャップ１２中に高い磁界（矢印１１）を生じる。ペ
リプレーナ・コイル３中の電流は、その磁力線の方向及
び電流の方向に共に直交する力を生じる。今日もっとも
高いエネルギ積の磁石は、ネオジウム鉄ボロン（ＮｄＦ
ｅＢ）（ＢｍａｘＨｍａｘ＝３５メガガウス・エルステ
ッド）である。１対の透磁性の（軟鉄又は１００８鋼）
復帰板１０は磁束を復帰させる働きがある。

好適な実施例の典型的なギャップ磁束密度Ｂは約７ＫＧ
である。ペリプレーナ・コイル３は高温のエポシキ絶縁
体をもつ平坦な銅ワイヤを巻いたものである。フロータ
・コイル３中の電流ｉは、磁気ギャップ１２中のワイヤ
の実効長さをＬとして、力Ｆ＝Ｂ　ｉ　Ｌを生じる磁界
と相互作用する。ここで説明したのと同様の駆動エレメ
ントで使用されるようなフラット・コイルは、ディスク
・ファイル中でアクチュエータとして通常は使用される
。

ディスク・ファイルでは、実効磁界を最大にし且つ浮遊
磁界を減じるようギャップの長さを最小化する試みが為
される。本発明では、ギャップ１２を６自由度全部の運
動を許容できるようなフロータ・コイル３の厚さよりも
かなり大きくする必要がある。

駆動力およびトルクの効率を挙げるため、ギャップは最
小にすべきであるが、これが高精度の並進運動の度合を
決定する。実際にも、折衷案を取らねばならないが、そ
のギャップは電子動力学的効率の点から最小のギャップ
よりも常に大きくなければならない。

Ｅ−５，受動ダンピング 第２図は、受動ダンピングのために設けることが望まし
い駆動エレメント５を示す。フロータ・ユニット１の各
運動が休止中及び運動中の空中浮揚のため能動的に制御
されるので、制御プログラムは能動ダンピングを合成し
ても良い。しかし、好適な実施例は、この能動ダンピン
グのほかに受動ダンピングをも導入する。（第９図参照
、後述）この受動ダンピングが使用されるのは、速度を
直接測定するセンサを導入するのが難しいかもしれない
からである。受動ダンピングは、好適な実施例の場合、
銅などの導電性物質のシート１３をコイル３と向い合う
ように加えるという駆動エレメント５の構成として与え
られる。導電性シートが磁気ギャップ中を横切るので、
その速度に比例する渦電流が発生し、速度に比例してそ
の移動に抗するダンピング（緩衛）力が発生する。この
受動ダンピングは、構造上振動しがちな傾向を抑制し、
制御アルゴリズムを簡素化する働きがある。

Ｅ−６，フロータの浮揚 第３図は、手首の垂直断面図であり、駆動磁石４の近く
にペリプレーナ・コイル３を保持するフロータ１を示す
。フロータ１は空中浮揚される。

即ち磁力によって空間中に懸架される。フロータ１はエ
ンド・イフェクタ１４を担持する。粗運動マニピュレー
タ９は適宜の箇所に手首全体を担持する。位置及び方向
はダイオード７等の軽量のダイオード群を含むセンサ６
（図示せず）によってモニタされる。

Ｅ−７，フロータの移動限界 第４図は、全ての自由度で移動可能範囲の限界に向かっ
て移動されている手首を示す。第４図の高精度運動マニ
ピュレータのＦＭ座標ｘＹｚは、粗運動マニピュレータ
のＣＭ座標Ｘ’　Ｙ’　Ｚ’　と殆んど最大の差の分異
なる。

Ｅ−８７球体のフロータ 第５図は、球体のフロータ殻］、５及び球体のベリプレ
ーナ・フロータ・コイル３とを用いて球体の手首の設計
のフロータ１を示す。この設計は。

六角形の殻の設計よりも作業スペースの点で有利な設計
である。球体の殻のフロータの変形例の設計は図示しな
いが、球体の赤道により上部の扇形体であり、上向きに
移動されるコイルを有する。

第６図は、並進運動及び回転運動の拘束を示す。

これまで第１図乃至第４図に関して手首のための六角形
殻２のリング構造を説明してきた。残念乍ら、そのよう
な手首の作業スペースは成る種の困難を生じる。凸面で
ない６次元配置空間中で移動する点として手首をとらえ
てみよう。配［Ａと配置１Ｂとの「結合スペース」中を
直線で移動することが望ましいならば、作動スペースの
限界に達するであろう。即ち、例えばＸ回転、Ｙ回転、
Ｘ回転に於て小さい角度だけ手首を回転させる際、並進
運動の自由はかなり切り詰められる。フロータ１の周面
がステータ支持体９の二重の周面の表面にぶつかるから
である。

しかし、第５図に示すように手首が球体として形成され
ていれば、６次元配置空間は、回転用及び並進用の１対
の３次元空間にきちんと要素分けできる。配置Ａから配
置Ｂへの移動の場合の並進運動の自由は、手首のＸ回転
、Ｙ回転、Ｘ回転が起っても全部保持される。遂にＸ、
Ｙ、Ｚの並進運動の場合の回転の自由も保持される。

Ｅ−９，ドツキング及び固定 第７図は、フロータ１用の好適なドツキング兼固定機構
を示す。粗運動（ＣＭ）及び高精度運動（ＦＭ）能力を
もつ完全なロボット・システムでは、本発明で説明した
高精度運動の手首はロボットの粗運動中は作動する必要
がない。即ち、高精度運動は、粗のロボットがその運動
を完了した後、・静止又は略静止するときに実行される
必要があるだけである。このドツキング機構は、ＣＭロ
ボットに対してＦＭ手首の位置を決める。手首がドツキ
ングされ、固定される間、手首用コイルは、減勢され、
動力を節約するとともにフロータ・コイル３が冷却でき
るようにするのが望ましい。

移動するフロータ１は、空中浮揚時に手首の運動を拘束
しないようソレノイド機構１６やつなぎ鎖である可撓性
ケーブル１７などのロッキング手段に、移動するフロー
タ１が取付けられる。ロボット粗運動中など手首をロッ
キングしたいときは。

ドツキング・ソケット１９中にドツキング球１８が係止
されるまでプログラム制御下で手首が移動される。３個
のドツキング球１８及び３個のソケット１９が図示され
ている。ドツキング球１８及びソケット１９は両者で着
地用歯即ち「係止手段」を形成する。磁石などの他のロ
ッキング手段や、ソケット、線形エツジ及び板の組合せ
など他の係止手段が代りのドツキング手段である。これ
らは、有効であり且つ動作や位置感知と矛盾しない限り
、運動学的に妥当な構成である。

手首をドツキングするために、制御電流はドツキング位
置にフロータを飛行させるよう順序づけられる。ドツキ
ング位置では、ドツキング球１８がソケット１９中に納
まり、ピストン又はソレノイド１６が縮んで手首をその
場所にロッキングする。コイルへの電力はここでオフに
切換えられる。

高精度運動手首を再び付勢したい場合、ピストン又はソ
レノイド１６がロッキングを解除するよう伸びるまでの
間、ソケット１９中八球１８を押込めておくコイルの力
は再び成る順序で回復される。

ロッキングが解除された後、手首は能動制御下でそのド
ツキング位置から離れるように「飛行」し得る。その時
点で、成る種の高精度のコンプライアンス運動作業を実
行する用意が再び備う。

Ｅ−１０，感知 第８図は、第１図に示した感知手段の図である。

３次元の位置及び方向の正確な感知乃至検知は°高精度
運動手首の動作にとって非常に重要である。

本件の場合、半厚体の側方効果位置感知フォトダイオー
ド８に基づくセンサ機構が選択された。測方効果デバイ
ス８は、それに注ぐ光ビームの図心の位置を測定できる
市販のＰＩＮダイオードである。コイル構成に関しては
、種々の組合せのセンサがあり、必要な情報をもたらす
であろう。手首の並進運動及び回転運動の感知は、手首
の静止部（ステータ）に３個の２次元測方効果ダイオー
ド８を組合せて配置することにより為される。ここでは
、側方効果フォトダイオード群８が手首の静止部乃至固
定部の中心軸を中心として対称に配列される。

フロータ１に取付けられた３個の光プロジェクタ７によ
り放射方向に１２０°ずつ離れた３本の光ビーム（第８
図の破線）は、測方効果フォトダイオード８に突き当る
。光ビーム・プロジェクタ７は、適宜の光学系や固体レ
ーダと結合されたＬＥＤ（発光ダイオード）群でも良い
。手首の一般的な位置及び方向については、第８図に示
すように、側方効果フォトダイオード座標系（Ｘａ、Ｙ
ｂ）、（Ｘｂ、Ｙｂ）、（Ｘｃ、Ｙｃ）で測定される。

重要な視点は、測方効果座標系と第４図に示した本体の
座標系Ｘ’　Ｙ’　Ｚ’　との間の独得の数学的変形及
び独得の逆変換があることである。

測方効果フォトダイオード８の位置解像度は約０゜５μ
ｍであり、手首の並進運動及び回転運動の解像度は約１
μｍ及び０．００１°である。センサ及びコマンド情報
は所望の挙動を生じさせるようアクチュエータを制御す
る安定システムに於て組合わされる必要がある。

Ｅ−１１，制御 第９図は制御システムを示す。このような非線形６自由
度組合せシステムの場合、制御が非常に難しい。この複
雑な制御システムはディジタル計算に依存する。高精度
運動手首の制御のためにここで何かが使用されるかにも
依存する。適正な動作は下記１．２に依存する。

１、数学的に正しい制御方法を選択するか２、そのルー
プの周波数がその電子機械の帯域幅に比べて高い態様で
高速の（おそらくはマルチプル・プロセッサの）コンピ
ュータ・システムにそれを導入するか 複数個の推進装置（手首駆動エレメントに似たもの）を
オンオフすることによって慣性センサ（手首位置センサ
に似たもの）によって測定されるような空中飛行体の姿
勢を制御する場合に同様の制御問題が解決されてきた。

第９図に示すように、プラントから出発しくブロック１
）、手首の位置及び方向はセンサ６により測定され、計
算ブロック２１によって手首中心の座標枠Ｘ’　Ｙ’　
Ｚ″に変換される。これらの値は合計点２２で位置誤差
及び角度誤差を生じるため所望の位置及び方向から減算
される。制御計算ブロック２３は、全部で６個の誤差値
を同時に小さくするような大きさ及び方向の力乃至トル
クを計算する。ＰＩＤ　（比例−積分−導関数）の導入
に際し、制御しようとする大きさは誤差に比例する。移
動する手首の角速度及び線速度に比例する項によって制
御しようとする量は小さくなる。これらの速度は直接に
は測定されないが、位置及び方向の誤差により駆動され
る観測モデルから誘導される。最後に、誤差の積分値に
比例する項が加えられ、これによって誤差をセンサのノ
イズの限界まで下げる。制御ブロック２３に続き、計算
ブロック２４に於て手首コイルのための電流値に制御量
が変換される。

Ｅ−１２，コンプライアンス制御 ソフトウェア制御の場合、ブロック２３中のフィードバ
ック利得効率が高精度運動手首のコンプライアンスを最
もソフトなものから最も剛体的なものへと変えるよう変
えることができる。実際にも、これはフックの法則の関
係式、即ちＦを力。

Ｘを変位として Ｆ＝Ｋｘ で表すされる式のばね定数Ｋを変えることになる。

単純な１次元ばねとは異なり、手首（フロータ）の可動
構造は６自由度の運動を許容するばね群の系から懸架さ
れると考えられる。各ばねは手首の制御機能を実行する
コンピュータ・プログラムによって合成される。即ち、
変位Ｘが感知されるとき、コイル３中の電流は、記憶済
みのパラメータＫに従って比例する力Ｆを生じるよう調
整される。

上述の説明は、線形のばね群について行なったが。

同様の説明がτをトルク、θを角変位として、τ＝に、
θ で表わされる合成された捩りばね群についても確保され
る。

Ｅ−１３，プログラム可能な限界停止 手首の位置及び方向が制御できるので、これは剛性に加
え、各ばねの［ゼロ点」を設定することになる。最後に
、機械的運動の限界にかなり近づく時、例えば非常に大
きなＫの値に変えると云ったように非線形バネをモデル
とすることも含めてソフトウェア設定可能なｒ限界停止
］が合成され得る。これは機械的な限界ストッパを、極
端な過負荷の場合を除き、使用しないようにする。達成
しようとするソフトウェアで可変のコンプライアンスで
は、実際上下記の少なくとも２個の条件が合致しなけれ
ばならない。

１、非常に高い加速（例えば１重力による加速の４０倍
を越す加速）を手首が行なえること。

２、制御プログラムを非常に高速に実行できること（例
えば１０００　Ｈｚ以上）。

Ｅ−１４，機構部のエミュレーション プログラム制御下でコンプライアンスを変えることによ
り１本発明による高精度運動手首は多くの簡単な機構を
エミュレートする（即ちそのような機構と同様の動作を
する。）第１０図にはこれらの機構の例を示す。もしば
ね定数Ｋが一つの方向を除く全ての運動方向に沿って高
く設定されるなら、単一方向プランジャ２５が合成され
る。もし２つの並進運動方向を除く全てのばね定数が大
きければ、スライダ機構２６となる。全ての回転につい
ての定数を高く設定することにより、唯一の並進運動２
７が許容される。逆に、並進運動の定数を高く設定する
ことによって、球及びソケットの回転子２８となる。成
る程度の回転運動及び並進運動を許容することによって
云ねゆるりモート・センタ・コンプライアンス（ＲＣＣ
１遠隔弾性中心）装置２９が合成される。これらの全て
の合成機構は自由度を適宜拘束することによって生じ、
例えばロボット組立てに於て数々の有用な応用例を生じ
る。従来の物理的な機構とは異なり、プログラム制御に
より実時間ですべて選択でき。

一つのジョブサイクル中でさえ数回変更することができ
る。多くの点で、本発明は従来技法から容易には為し得
ない真に有用なユニバーサル機構を提供することができ
る。

Ｆ０発明の効果 本発明によれば、非常に高精度に高速の位置決めを行な
え、また下記の特徴がある。

・６自由度全部のコンプライアンスの高精度運動が可能 ・軽い有効負荷に対し性能が非常に良い・唯一の可動部
品だけであり、非常に簡単な構成 ・付勢、支持、感知及び制御の各手段の新規な組合せ ・粗の運動中、コイルを冷却できるドツキング機構を設
けても良い ・約１μｍの解像度で無接触の位置決め感知及び方向付
は感知ができる可能性 ・機構部の挙動を最小にするような能動的なコンプライ
アンス制御を含み、多数の制御モードが可能

【図面の簡単な説明】

第１図は、対応する座標系をもつ６個の駆動ユニットを
もつ６自由度の六角形の高精度運動の手首の図である。 第２図は、フラットなコイル、４個の永久磁石及び２個
の復帰板をもつ１個の駆動ユニットの図である。 第３図は、高精度運動の手首の説明図である。 第４図は、第１図の手首の並進運動及び回転運動を示す
説明図である。 第５図は、高精度運動をする球面状の手首を示す説明図
である。 第６図は、六角形手首及び球面状手首の並進運動及び回
転運動を表わす図式図である。 第７図は、第３図の手首に導入されたドツキング機構を
示す簡単な平面図である。 第８図は、高精度運動の手首用の位置決め及び方向付は
感知機構の図式である。 第９図は、高精度運動の手首の制御を示すブロック図で
ある。 第１０図は、高精度運動手首により、プログラム制御下
で、エミュレートされ得る代表的な機構の図式図である
。 １・・・フロータ、２・・・フロータ殻、３・・・コイ
ル、４・・・磁石、 ５・・・駆動エレメント、６・・・センサ９・・・ステ
ータ支持ユニット。 出願人　　インターナシミナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 唯一の可動部をもつ６自由度の高精度運動装置にして、 二つの周面を画成するよう基部から立上った二重壁を有
   する二つの包囲体と、基部とを画成するステータ支持ユ
   ニット９と、 上記二つの周面の付近で離隔した位置に設けた複数個の
   駆動磁石４と、 上記ステータ支持ユニット９の上記二つの周面内に入れ
   られた対応する周面を有するフロータ１と、 上記複数個の駆動磁石４の配列に対応して上記フロータ
   １の周面に配列された複数個のフロータ・コイル３であ
   って、上記駆動磁石４とともに並置されて個々の組の駆
   動エレメント５を構成する上記フロータ・コイル３と、 上記ステータ支持装置９の上記２つの周面の付近及び上
   記フロータの周面の付近に配設され、それらの相対位置
   及び方向を感知する位置方向感知手段６と、 所望の開始位置及び方向での平衡を維持するのに適し、
   カー変位比Ｋに従って所望の終了位置及び方向への運動
   を生じさせるのに適し、且つ少なくとも１つの自由度に
   於る所望のコンプライアンスを、対応する組の駆動エレ
   メント５のカー変位比Ｋを選択的に小さくすることによ
   って、与えるのに適するよう、上記個々の駆動エレメン
   ト５に電子動力学的付勢を与えるため、フィードバック
   ・モードで上記位置方向感知手段６に結合された制御手
   段とを具備する高精度運動装置。