WO2011059015A1

WO2011059015A1 - ロボットおよびその制御装置

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Publication number: WO2011059015A1
Application number: PCT/JP2010/070074
Authority: WO
Inventors: 文農張; 裕司中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2012-05-12
Also published as: JP5488610B2; US20120221146A1; US8452453B2; CN102612423B; CN102612423A; JPWO2011059015A1

Abstract

　良好な安全性と優れた制御性能を共に達成することができる関節ロボットおよびその制御装置を提供することを目的とする。　基部と、基部に設置された３つのモータと、基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、プーリと、非線形バネが組み込まれた３本のワイヤと、負荷に繋がる出力軸と、ピニオンギアが出力軸に繋がり固定部材が支持柱の上端に設置された差動機構と、差動機構のリングに設置された自在継手と、差動機構の固定部材に設置されたワイヤガイドと、を備え、差動機構の２つサイドギアと２つのモータとをプーリを介して２本のワイヤで一対一に連結し、残りのもう１つのモータと自在継手とをワイヤガイドを通させて残りのもう１本のワイヤで連結する。　

Description

ロボットおよびその制御装置

　本発明は、多自由度姿勢を変えるロボットおよびその制御装置に関する。　

　最近、サービスロボットおよび人協調産業ロボットの研究は盛んに行われている。これらのロボットは人間と直接に接するため、安全性の保証は重要になっている。ロボット全体の安全性を保つため、ロボットの各関節は柔軟かつ軽量であることが要求される。しかし、関節の剛性が低くなると、ロボットの作業精度や応答性などの制御性能が劣化する。
　ロボットに安全性と制御性を両立させるために、従来の関節ロボットは、関節の自由度からみると冗長なワイヤ駆動機構を利用している（例えば、特許文献１参照）。
　ワイヤ駆動機構には非線形バネと張力センサーを入れて各ワイヤの張力を制御しながら、実際の回転角をフィードバックする。
　このように、従来の関節ロボットは、冗長なアクチュエータの力を制御することによってロボットの姿勢と剛性を共に制御するのである。

特開２００４－３２２２８３号公報

　しかしながら、従来の関節ロボットは、すべてのワイヤが直接に末端側部材に接続されてワイヤの張力が変わらなくても姿勢が変わると有効なトルクが大きく変わるので、可動範囲が狭いという問題があり、要望されていた人に近い動作範囲を達成することができないという課題があった。また、従来の関節ロボットの制御装置は姿勢のフィードバック制御に必要なトルク値に指示された剛性に対応するトルクを加算してモータのトルク指令値とするため剛性の制御と姿勢の制御とが互いに干渉するで、剛性が変わる際に姿勢の応答特性が変化し、そして大きな外乱を受けた際に実際の剛性が剛性の指令値から大きく外れて安全性を保証できないというような問題もあった。
　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータと出力軸との間の連結機構としてワイヤと非線形バネ以外に差動機構を導入するとともに姿勢のフィードバック制御に必要なトルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えワイヤの張力を制御し、広い範囲内で関節の姿勢角度と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させ、良好な安全性と優れた制御性能を共に達成することができる関節ロボットおよびその制御装置を提供することを目的とする。

　上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
　請求項１に記載の発明は、基部と、前記基部に設置された３つのモータと、３つの前記モータに各々取り付けられた３つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられたカルダンジョイントと、前記カルダンジョイントに取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された３つの自在継手と、３つの前記巻取装置と３つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた３本のワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備えた関節ロボットにおいて、前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点ｏとし、前記支持柱の軸中心線をｚ軸として前記基部の表面から離れる方向をｚ軸の正方向とし、ｙ軸が前記カルダンジョイントの前記支持柱と接する軸の軸中心線と平行となるように固定直交座標系ｘｙｚｏを設け、前記出力軸の軸中心線と前記可動プレートの下面との交点を原点ｏ’とし、前記出力軸の軸中心線をｚ’軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をｚ’軸の正方向とし、ｘ’軸が前記カルダンジョイントの前記可動プレートと接する軸の軸中心線と平行となり、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設け、１つの前記巻取装置がｘの負軸に、残った２つの前記巻取装置がそれぞれｘｏｙ座標系の第１象限と第４象限にあるように３つの前記モータを配置し、３つの前記自在継手をｘ’ｏ’ｙ’座標系における位相が各々３つの前記巻取装置の前記ｘｏｙ座標系における位相と同じ値になるように配置し、そしてこの異なる２つ座標系の各々同じ位相にある３つの前記巻取装置と３つの前記自在継手とを３つの前記ワイヤで一対一に連結するものである。
　また、請求項２に記載の発明は、基部と、前記基部に設置された３つのモータと、３つの前記モータに各々取り付けられた３つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられた回転軸継手と、前記回転軸継手に取り付けられた回転軸と、前記回転軸の上端に取り付けられた旋回軸継手と、前記旋回軸継手に取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された３つの自在継手と、３つの前記巻取装置と３つの前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれた３本のワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備えた関節ロボットにおいて、前記出力軸の軸中心線と前記可動プレートの下面との交点を原点ｏ’とし、前記出力軸の軸中心線をｚ’軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をｚ’軸の正方向とし、ｙ’軸が前記旋回軸の軸中心線と平行となり、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設け、前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点ｏとし、前記支持柱の軸中心線をｚ軸として前記基部の表面から離れる方向をｚ軸の正方向とし、前記出力軸の軸中心線が前記回転軸の軸中心線と一致した際にｙ軸がｙ’軸と平行となるように固定直交座標系ｘｙｚｏを設け、１つの前記巻取装置がｘの負軸に、残った２つの前記巻取装置がそれぞれｘｏｙ座標系の第１象限と第４象限にあるように３つの前記モータを配置し、３つの前記自在継手をｘ’ｏ’ｙ’座標系における位相が各々３つの前記巻取装置の前記ｘｏｙ座標系における位相と同じ値になるように配置し、そしてｘの負軸にある前記巻取装置とｘ’の負軸にある前記自在継手とを、ｘｏｙ座標系の第１象限にある前記巻取装置とｘ’ｏ’ｙ’座標系の第４象限にある前記自在継手を、ｘｏｙ座標系の第４象限にある前記巻取装置とｘ’ｏ’ｙ’座標系の第１象限にある前記自在継手を３つの前記ワイヤで各々連結するものである。
　また、請求項３に記載の発明は、ワイヤの張力指令と前記ワイヤの張力信号とに基づいて張力の制御を行いながら、姿勢角度の目標指令と剛性の目標指令および前記各モータの回転角度信号に基づいて前記各ワイヤの張力指令を生成し前記関節ロボットの姿勢角度および剛性を制御し、前記各モータの回転角度信号および前記各ワイヤの張力信号に基づいて姿勢角度の推定値を算出する姿勢角度推定部と、前記姿勢角度の目標指令と前記姿勢角度の推定値との偏差を入力し姿勢トルク指令を出力する姿勢角度制御部と、前記姿勢トルク指令と前記剛性の目標指令および前記姿勢角度の推定値に基づいて張力指令を算出する張力指令計算部とを備えたものである。
　また、その他の発明としては、　基部と、前記基部に設置された３つのモータと、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、プーリと、非線形バネが組み込まれた３本のワイヤと、負荷に繋がる出力軸とを備え、ピニオンギアが出力軸に繋がり固定部材が前記支持柱の上端に設置された差動機構と、前記差動機構のリングに設置された自在継手と、前記差動機構の固定部材に設置されたワイヤガイドと、を備え、
前記差動機構の２つのサイドギアに各々連結された２つのプーリと２つの前記モータに各々連結された２つのプーリとの間を２本の前記ワイヤで一対一に連結し、残りのもう１つの前記モータに連結されたプーリと前記自在継手との間を前記ワイヤガイドを通して残りのもう１本の前記ワイヤで連結するものである。

　関節の自由度からみると冗長なモータと、モータと出力軸とを連結して力を伝達する非線形バネを取り込んだワイヤと差動機構とを有する関節ロボットを構成すると共に、姿勢のフィードバック制御に必要な姿勢トルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えワイヤの張力を制御する関節ロボットの制御装置を構築することによって、広い範囲内で関節の姿勢角度と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させることができる。
　また、剛性の目標指令を高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えることにより良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。

本発明の第１実施例を示す関節ロボットの構成図第１制御技術に関わる制御装置のブロック線図第２制御技術に関わる制御装置のブロック線図第２実施例を示す関節ロボットの構成図第３実施例を示す関節ロボットの構成図ローリングとピッチングおよびそれぞれの剛性を独立に制御できる関節ロボットの構成図ヨーイングとピッチングおよびそれぞれの剛性を独立に制御できる関節ロボットの構成図本発明の第４実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第５実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第６実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第７実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第８実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第９実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第１０実施形態に係る関節ロボットの構成図本発明の第１１実施形態に係る関節ロボットの構成図

　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

　図１は、本発明の第１実施例を示す関節ロボットの構成図である。図１ａは正面図、図1ｂは側面図である。図において、モータ１、２、３の固定子が基部４の上部に設置され、回転軸の先端にはプーリ５、６、７が連結されている。支持柱１４は基部４の上部に軸中心線が垂直するように設置されている。差動機構２０は、支持柱１４の先端に設置されている固定部材２１と、固定部材２１の両側に固定されている支持軸２２と、それぞれプーリ２４および２５が付けられて支持軸２２を中心に回転するサイドギア２６および２７と、サイドギア２６および２７と同時に接するピニオンギア２８と、支持軸２２を中心に回転するリング２３とを含んでいる。出力軸１７は、一端がピニオンギア２８に固定され、もう一端が負荷に繋げられ、中部がベアリングを介してリング２３に拘束されている。ワイヤ８はプーリ５とプーリ２４とを、ワイヤ１０はプーリ６とプーリ２５とを連結する。ワイヤ９は固定部材２１に設置されているワイヤガイド１５を通してプーリ６とリング２３に設置されている自在継手１６とを連結する。また、ワイヤ８、９、１０にはそれぞれ非線形バネ１１、１２、１３が組み込まれている。ここで、非線形バネとは、バネ定数が一定な値ではなく変位によって変わるものである。たとえば、ピッチを段階的に変化させたコイルばねを用いている。これに限らず、２つのモータと各々のモータにワイヤで連結された２つの静滑車の間に動滑車を組み合せた構成を取ることができる。モータ１、２および３を駆動することにより、出力軸１７を回転しながら支持軸２２を中心に旋回する。
　図２は第１制御技術に関わる制御装置のブロック線図である。図において、目標指令生成部２０１は、出力軸１７の旋回角度αの目標指令値α^＊、出力軸１７の回転角度βの目標指令値β^＊および剛性の目標指令値η^＊を生成する。エンコーダ１０１、１０２および１０３により、それぞれモータ１、２および３の回転角度θ_１、θ_２およびθ_３を検出する。張力センサー１０４、１０５および１０６はそれぞれワイヤ８、９および１０の張力Ｆ_１、Ｆ_２およびＦ_３を検出する。姿勢角度推定部２０５は、エンコーダー１０１、１０２および１０３の出力と張力センサー１０４、１０５および１０６の出力とを入力して旋回角度αの推定値α_ｓおよび回転角度βの推定値β_ｓを出力する。姿勢角度制御部２０２、２０３は、それぞれ旋回角度αの目標指令値α^＊と推定値α_ｓとの偏差ｅ_αおよび回転角度βの目標指令値β^＊と推定値β_ｓとの偏差ｅ_βを入力して旋回トルク指令Ｔ_αｃおよび回転トルク指令Ｔ_βｃを出力する。張力指令計算部２０４は、旋回トルク指令Ｔ_αｃおよび回転トルク指令Ｔ_βｃに基づいてワイヤ８、９および１０の張力指令Ｆ_１ｃ、Ｆ_２ｃおよびＦ_３ｃを計算する。張力制御部２０６、２０７および２０８は、それぞれワイヤ８の張力指令Ｆ_１ｃと張力Ｆ_１との偏差、ワイヤ９の張力指令Ｆ_２ｃと張力Ｆ_２との偏差およびワイヤ１０の張力指令Ｆ_３ｃと張力Ｆ_３との偏差を入力してモータ１、２および３の電流指令Ｉ_１ｃ、Ｉ_２ｃおよびＩ_３ｃを出力する。また、２０９、２１０および２１１はモータ駆動部であり、それぞれモータ１、２および３の電流指令Ｉ_１ｃ、Ｉ_２ｃおよびＩ_３ｃに基づいて各モータを駆動制御する。
　図３は第２の制御方法に関わる制御装置のブロック線図である。図において、角度センサー１０７、１０８は、それぞれ旋回角度αおよび回転角度βを検出する。本制御装置が第１の制御方法に関わる制御装置と異なる部分は、姿勢角度推定部の代わりに角度センサーを設けた部分である。

　以下、動作原理について説明する。
　まず、関節ロボットの運動方程式を導出する。
支持軸２２の軸中心線と出力軸１７の軸中心線との交点を原点ｏとし、支持軸２２の軸中心線をｙ軸とし、支持柱１４の中心線をｚ軸として基部４から離れる方向をｚ軸の正方向とするように直交座標系ｘｙｚｏを設け、出力軸１７の軸中心線がｚ軸と一致した位置を関節ロボット機構の初期位置とする。初期位置における自在継手１６の中心点Ａと直交座標系の原点ｏとを通る直線と、ワイヤ９がワイヤガイド１５の上部と接する点Ｂと直交座標系の原点ｏとを通る直線とのなす角をφとする。また、すべてのワイヤが完全に伸びているが張力が０である（すなわち、非線形バネの伸縮量が０である）状態を初期状態とする。なお、すべてのワイヤが常に完全に伸びている（ワイヤの張力が０以上である）ように制御されると仮定する。
　ワイヤ８、９および１０の張力をそれぞれＦ_１、Ｆ_２およびＦ_３とする。プーリ２４および２５の半径をＲとすると、ワイヤ８と１０の張力Ｆ_１とＦ_３によって発生するトルクはそれぞれ
       Ｔ_１＝Ｆ_１Ｒ                                     （１）
および
       Ｔ_３＝Ｆ_３Ｒ                                     （２）
となる。また、線分Ａｏの長さをＬ_Ａｏとし、線分Ｂｏの長さをＬ_Ｂｏとすると、ワイヤ９の張力Ｆ_２によって発生するトルクは
Ｔ_２＝Ｆ_２ｈ                                     （３）
となる。ただし、ｈは点ｏから直線ＡＢまでの距離であり、式（４）で表される。

よって、関節ロボット１００の機械可動部を支持軸２２の軸中心線を中心に旋回させる旋回トルクは
Ｔ_α＝Ｔ_１＋Ｔ_３―Ｔ_２＝Ｆ_１Ｒ＋Ｆ_３Ｒ―Ｆ_２ｈ（５）
となる。また、関節ロボット１００の機械可動部を出力軸１７の軸中心線を中心に回転させる回転トルクは
Ｔ_β＝（Ｔ_１－Ｔ_３）ｎ＝（Ｆ_１－Ｆ_３）ｎＲ（６）
となる。ただし、ｎはピニオンギアとサイドギアとのギア比である。

　ワイヤ８、９、１０が差動機構と接する点でのワイヤ上端変位量をそれぞれρ_１、ρ_２、ρ_３とする（非線形バネから離れる方向を正とする）。ワイヤ上端変位量ρ_１、ρ_２、ρ_３が旋回角度αおよび回転角度βとの関係を式（７）～式（９）のように表される。
α＝－（ρ_１＋ρ_３）／２Ｒ（７）
β＝－（ρ_１－ρ_３）／ｎＲ（８）

　非線形バネ１１、１２、１３は発生する力ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３が対応する伸縮量σ_１、σ_２、σ_３との関係を式（１０）で表されるものとする。
　ｆ_１＝ｋ_１（σ_１）σ_１，　ｆ_２＝ｋ_２（σ_２）σ_２，　ｆ_３＝ｋ_３（σ_３）σ_３　（１０）
ただし、ｋ_１（・）、ｋ_２（・）、ｋ_３（・）は非線形バネの弾性係数であり、単調増加関数である。ここで、簡単のためにｋ_１（・）、ｋ_２（・）、ｋ_３（・）を線形関数とする。また、非線形バネの張力がワイヤの張力と等しいので、ワイヤ８、９、１０の張力Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３が非線形バネ１１、１２、１３の伸縮量σ_１、σ_２、σ_３との関係は
Ｆ_１＝Ｋ_１σ_１ ^２，　Ｆ_２＝Ｋ_２σ_２ ^２，　Ｆ_３＝Ｋ_３σ_３ ^２（１１）
となる。ただし、Ｋ_１、Ｋ_２、Ｋ_３は定数である。
　ワイヤの伸縮量を０とし（実際のワイヤは伸縮があるがその伸縮分を非線形バネ伸縮の一部と看做せば良い）、各ワイヤの上端変位量がそのワイヤに対応する非線形バネの伸縮量とプーリ（５・６・７）の巻取り量との和となる。また、プーリ５、６、７の半径をｒとすると、
ρ_１＝σ_１＋θ_１ｒ，　ρ_２＝σ_２＋θ_２ｒ，　ρ_３＝σ_３＋θ_３ｒ（１２）
が成り立つ。ただし、θ_１、θ_２、θ_３はそれぞれモータ１、２、３の回転角度（モータとプーリの間にギヤがあった場合にモータの回転角度にギア比を掛けた値）である。
　次に、上述の方程式に基づいて姿勢角度推定部２０５と張力指令計算部２０４の具体的な実現方法を説明する。
　式（１１）より、

となる。式（１１）を式（１２）に代入すると、

となる。また、式（１４）を式（７）および式（８）代入し、旋回角度αの推定値α_ｓと回転角度βの推定値β_ｓはそれぞれ式（１５）と式（１６）のように与えられる。

　また、式（７）と式（８）の連立方程式を解くと、
ρ_１＝－Ｒα－０．５ｎＲβ （１７）
ρ_３＝－Ｒα＋０．５ｎＲβ （１８）
となる。式（１７）、式（１８）および式（９）の両辺に対してαの偏微分を行い、式（４）を注意すると、

となる。また、式（１７）、式（１８）および式（９）の両辺に対してβの偏微分を行うと、

となる。
　式（１２）の両辺に対してαの偏微分を行うと、

となる。また、式（１２）の両辺に対してβの偏微分を行うと、

となる。
　式（１１）の両辺に対してαの偏微分を行うと、

となる。また、式（１１）の両辺に対してβの偏微分を行うと、

となる。
　式（１９）を式（２１）に代入し、更に式（２１）を式（２３）に代入すると、

となる。また、式（２０）を式（２２）に代入し、更に式（２２）を式（２４）に代入すると、

となる。
　式（４）の両辺に対してαの偏微分を行うと、

となる。
　式（５）の両辺に対してαの偏微分を行うと、旋回剛性は

となる。また、式（２５）と式（２７）を式（２８）に代入すると、

となる。ただし、

となる。
　式（６）の両辺に対してβの偏微分を行うと、回転剛性は

となる。また、式（２６）を式（３１）に代入すると、

となる。
　式（５）および式（６）によると、
Ｆ_１＝（Ｔ_α＋Ｔ_β／ｎ＋Ｆ_２ｈ）／２Ｒ（３３）
Ｆ_３＝（Ｔ_α－Ｔ_β／ｎ＋Ｆ_２ｈ）／２Ｒ（３４）
となる。
　式（３３）および式（３４）を式（２８）或いは式（３３）に代入すると、旋回剛性η_αと回転剛性η_βが共にＦ_２の関数であることが分かる。すなわち、旋回剛性η_αと回転剛性η_βを別々に制御することができないが、Ｆ_２を制御することで共に変化させることができる。
　よって、張力指令の計算は以下のように実現する。
　Ｔ_αとＴ_βをそれぞれＴ_αＣとＴ_βＣとし、Ｆ_１、Ｆ_２およびＦ_３をそれぞれＦ_１Ｃ、Ｆ_２ＣおよびＦ_３Ｃとし、旋回剛性を安全指標とする場合にはη_αをη^＊とし、また第１制御技術を用いる場合にαをα_ｓとして式（２９）と式（３３）および式（３４）の連立方程式を解き、回転剛性を安全指標とする場合にはη_βをη^＊とし、式（３２）と式（３３）および式（３４）の連立方程式を解くと、張力指令Ｆ_１Ｃ、Ｆ_２ＣおよびＦ_３Ｃを求められる。
　また、剛性の目標指令値η^＊に対応するＦ_２の指令値Ｆ_２Ｃを与えれば、連立方程式を解くことがなく、式（３３）および式（３４）からＦ_１ＣとＦ_３Ｃを簡単に計算できる。

　一般的に、姿勢制御のメインループと較べ、張力制御マイナーループには位相遅れが小さいので、張力制御部のゲインを大きく上げられ、張力制御マイナー閉ループの応答特性が高い。すなわち、張力指令の通りにワイヤの張力が制御される。よって、式（３３）および式（３４）に基づいて求められた張力指令を用いることにより、旋回トルクＴ_αと回転トルクＴ_βを旋回トルク指令Ｔ_αＣと回転トルク指令Ｔ_βＣに追従させることができる。すなわち、剛性制御は姿勢制御に影響を与えず、剛性と姿勢を独立かつ正確に制御できる。
　また、剛性の制御性能に対する影響が大きく現れるのは出力軸１７が高加減速かつ低速度で変位する時である。一方、安全性に配慮すべきのは出力軸１７が高速度変位する時である。よって、剛性の目標指令は高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えれば良い。
　尚、支持軸２２と基部４との距離とワイヤの長さが十分長い場合は、関節ロボット１００の可動範囲は出力軸１７の軸中心まわりの回転が３６０°、支持軸２２の軸中心まわりの旋回が１８０°近い（－ψ＜α＜１８０°－ψ）となることが可能である。また、ワイヤガイド１５の設定位置を変えることによって、旋回の可動範囲がほとんど変わらないが、スタート位置とストップ位置が変わる。この関節ロボットは人のすべての関節より可動範囲が広いが、旋回と回転できることから人の肘関節としては最適である。

　このように、関節の自由度からみると冗長なモータと、モータと出力軸とを連結して力を伝達する非線形バネを取り込んだワイヤと差動機構とを有する関節ロボットを構成すると共に、姿勢のフィードバック制御に必要な姿勢トルク指令と剛性の目標指令とに応じてワイヤの張力指令を与えワイヤの張力を制御する関節ロボットの制御装置を構築することによって、広い範囲内で関節の姿勢角度と剛性を目標指令に独立かつ正確に追従させることができる。また、剛性の目標指令を高速度変位時小さい値、高加減速かつ低速度変位時大きい値に与えることにより良好な安全性と優れた制御性能を両立させることができる。

　図４は第２実施例を示す関節ロボットの構成図である。図において、４０１、４０２、４０３はモータであり、固定子が基部４２０の上部に設置されている。４０４、４０５、４０６は巻取装置であり、モータの回転子と一緒に回転しながらワイヤの巻取りをする。４０８、４０９、４１０はワイヤであり、非線形バネ１１、１２、１３が組み込まれている。４０７は支持柱であり、基部４２０の上面に軸中心線が垂直するように設置されている。４１４は可動プレートであり、上部には出力軸４１９が垂直に固定されている。４１５は互いに垂直する２軸を持つカルダンジョイントであり、一軸が支持柱４０７の先端に、もう一軸が可動プレート４１４に繋げられている。支持柱１４の軸中心線と基部４２０の上面との接点を原点ｏとし、支持柱１４の中心線をｚ軸として基部４２０の上面から離れる方向をｚ軸の正方向とし、ｙ軸がカルダンジョイント４１５の支持柱１４と接する軸の軸中心線と平行となるように固定直交座標系ｘｙｚｏを設ける。また、カルダンジョイント４１５の中心点を原点ｏ’とし、出力軸４１９の軸中心線をｚ’軸として基部４２０から離れる方向をｚ’軸の正方向とし、ｘ’軸がカルダンジョイント４１５の可動プレート４１４と接する軸の軸中心線と一致し、可動プレート４１４と一緒に移動するような移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設ける。モータ４０３と巻取装置４０６がｘの負軸に、モータ４０１と巻取装置４０４は固定直交座標系ｘｙｚｏの第４象限に、モータ４０２と巻取装置４０５は固定直交座標系ｘｙｚｏの第１象限に設置される。移動平面座標系ｘ’ｏ’ｙ’における位相がそれぞれ巻取装置４０４、４０５、４０６のワイヤ出入口Ａ、Ｂ、Ｃ点が固定平面座標系ｘｏｙにおける位相と同じである可動プレート４１４下面のＡ’、Ｂ’、Ｃ’点に自在継手４１６、４１７、４１８が設置されている。また、巻取装置４０４と自在継手４１６の間、巻取装置４０５と自在継手４１７の間および巻取装置４０６と自在継手４１８の間にそれぞれ非線形バネ４１１が取り込まれたワイヤ４０８、非線形バネ４１２が取り込まれたワイヤ４０９および非線形バネ４１３が取り込まれたワイヤ４１０が取り付けられている。

　以下、動作原理について説明する。
　カルダンジョイント４１５に拘束されたため、可動プレート４１４がｙ’軸とｚ’軸まわりの回転運動をしかすることができない。可動プレート４１４のｙ’軸とｚ’軸まわりの回転角をそれぞれα、βとし、実施例１と同じように運動方程式を立って第１制御技術或いは第２制御技術を用いて関節ロボットの制御装置を構成できる。ここでその詳細な説明を省略する。
　ワイヤ４０８とワイヤ４０９が共に引き込むと、可動プレート４１４がｙ’軸まわりの正方向に回転する。Ａ点とＢ点がｙ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。一方、ワイヤ４１０が引き込むと、可動プレート４１４がｙ’軸まわりの負方向に回転する。Ｃ点がｙ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。
　ワイヤ４０８が引き込むと、可動プレート４１４がｘ’軸まわりの正方向に回転する。Ａ点がｘ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。一方、ワイヤ４０９が引き込むと、可動プレート４１４がｘ’軸まわりの負方向に回転する。Ｂ点がｘ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。

　以上のように、２自由度の姿勢を変えるため、２本ワイヤをのみ用いて操作できるため、３本ワイヤを用いると剛性も調整できる。
　また、図６のようにモータと巻取装置と非線形バネが組み込まれたワイヤおよび自在継手で構成された駆動ユニットを１セット増やし、４つ巻取装置が取り付けられたモータを固定平面座標系ｘｏｙの異なる象限に、４つ自在継手を移動平面座標系ｘ’ ｏ’ｙ’の異なる象限に配置し、固定平面座標系ｘｏｙの各象限にあるモータと移動平面座標系ｘ’ ｏ’ｙ’の同じ象限にある自在継手とをワイヤで連結することにより、ローリング（ｘ’軸まわりの回転）とピッチング（ｙ’軸まわりの回転）およびそれぞれの剛性を独立に制御できる。

　図５は第３実施例を示す関節ロボットの構成図である。図において、５０１は回転軸継手、５０２は回転軸、５０３は旋回軸継手である。また、図４と同一ものは同じ記号を付しその説明を省略する。旋回軸継手５０３の回転中心線をｙ’軸とし、旋回軸継手５０３の回転中心線と支持柱４０７の中心線との交点を原点ｏ’とする。そして出力軸４１９の軸中心線が回転軸５０２の軸中心線と一致した際にｙ軸がｙ’軸と平行となり、他は図４の実施例２と同じように固定直交座標系ｘｙｚｏおよび移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設ける。回転軸５０２はｚ軸まわり回転する。
　図５に示された本実施例の関節ロボットは、カルダンジョイント４１５の代わりに回転軸継手５０１と回転軸５０２および旋回軸継手５０３を有する部分と、巻取装置４０４と自在継手４１６の間および巻取装置４０５と自在継手４１７の間にそれぞれワイヤを取り付けている代わりに巻取装置４０４と自在継手４１７の間および巻取装置４０５と自在継手４１６の間にそれぞれワイヤを取り付けている。

　以下、動作原理について説明する。
　ワイヤ４０８とワイヤ４０９が共に引き込むと、可動プレート４１４がｙ’軸まわりの正方向に回転する。Ａ点とＢ点がｙ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。一方、ワイヤ４１０が引き込むと、可動プレート４１４がｙ’軸まわりの負方向に回転する。Ｃ点がｙ軸に近くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。
　ワイヤ４０８が引き込むと、可動プレート４１４がｚ軸まわりの負方向に回転する。Ａ点がｘ軸に遠くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。一方、ワイヤ４０９が引き込むと、可動プレート４１４がｚ軸まわりの正方向に回転する。Ｂ点がｘ軸に遠くなるほど、可動範囲が大きくなるが引き込み力が小さくなる。

　以上のように、２自由度の姿勢を変えるため、２本ワイヤをのみ用いて操作できるため、３本ワイヤを用いると剛性も調整できる。
　また、図７のようにモータと巻取装置と非線形バネが組み込まれたワイヤおよび自在継手で構成された駆動ユニットを１セット増やし、４つ巻取装置が取り付けられたモータを固定平面座標系ｘｏｙの異なる象限に、４つ自在継手を移動平面座標系ｘ’ ｏ’ｙ’の異なる象限に配置し、固定平面座標系ｘｏｙの第１、第４、第２、第３象限にあるモータをそれぞれ移動平面座標系ｘ’ ｏ’ｙ’の第４、第１、第３、第２象限にある自在継手とワイヤで連結することにより、ヨーイング（ｚ軸まわりの回転）とピッチング（ｙ’軸まわりの回転）およびそれぞれの剛性を独立に制御できる。

　図８に示すように、本実施形態に係る関節ロボット１０００は、固定プレート６０１と、２つの関節（以下、すべての関節は２つの回転軸が互いに垂直するユニバーサルジョイントである）と、リンク６０４と、６つの回転アクチュエータ（ここで、回転アクチュエータは少なくとも回転モータ、ギヤおよびプーリを含む）と、６本の二関節筋（以下、２つの関節を跨る関節筋を二関節筋、１つの関節を跨る関節筋を一関節筋と称す）と、可動プレート６０２とを有する。

　固定プレート６０１の下面中心部に第１関節３１が連結され、可動プレート６０２の上面中心部に第２関節３２が連結され、そして第１関節３１と第２関節３２との間にはリンク６０４が連結されている。また、第１関節３１は固定プレート側の回転軸が固定プレート６０１の平面に平行しリンク側の回転軸がリンク６０４に垂直し、第２関節３２は可動プレート側の回転軸が可動プレート６０２の平面に平行しリンク側の回転軸がリンク６０４に垂直するように設置される。また、６つの回転アクチュエータ５１～５６は固定プレートの円周にほぼ等間隔の６箇所に配置され、６本の二関節筋６１～６６はそれぞれの一端がそれぞれ回転アクチュエータ５１～５６に連結し、それぞれの残りのもう一端がそれぞれ固定ピン７１～７６によって可動プレート６０２の円周に６つの回転アクチュエータに対応する６箇所に連結される。

　次に、本実施形態に係る関節ロボット１０００の動作について説明する。
　第１関節３１と第２関節３２は共に２自由度のユニバーサルジョイントであり、しかも第１関節３１の２つの回転軸が互いに垂直しながら固定プレート側の回転軸が固定プレート６０１の平面に平行しリンク側の回転軸がリンク６０４に垂直し、第２関節３２の２つの回転軸が互いに垂直しながら可動プレート側の回転軸が可動プレート６０２の平面に平行しリンク側の回転軸がリンク６０４に垂直するため、可動プレートは第１関節３１の２つの回転軸および第２関節３２の２つの回転軸のまわりに４自由度回転変位できる。一方、６本の二関節筋６１～６６は任意の３本が同じ平面上に入らない。また、可動プレート６０２が固定プレート６０１に対して平行状態から９０°近く姿勢変位しない限りに各二関節筋が各関節の各回転軸に平行とならないため、各二関節筋が発生する力が可動プレートの変位に対して独立にトルクを発生する。
　前述したようにロボットの自由度数より２つ多い関節筋を用いて、二関節筋がプーリの溝から外れないように常に一定な予張力を掛けるようにロボットを拮抗駆動することができる。更に、各回転アクチュエータの回転モータとプーリとの間に非線形バネ要素を挿入することにより、ロボットの位置姿勢制御に影響を与えずロボットの２自由度の剛性も独立に調整できる。ここで、非線形バネとは、バネ定数が一定な値ではなく変位や張力によって変わるものである。

　以上説明したように、本実施形態に係る関節ロボット１０００は、すべてのアクチュエータが固定プレートに配置され、１つのリンクと２つの関節および数本の関節筋を通して可動プレートを駆動することにより、関節ロボットは可動部が軽量になり、安全性が高くなる。また、非線形バネ要素を挿入して必要に応じて剛性を調整することにより、良好な安全性と優れた制御性能を両立させることも可能である。

　図９は、本発明の第５実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
　関節ロボット２０００は、旋回アクチュエータ６０８が追加され、そして固定プレート６０１の代わりに旋回アクチュエータ６０８の可動子に第１関節３１が連結される点で、第４実施形態に係る関節ロボット１０００と異なり、他の構成は同様に構成される。
　旋回アクチュエータ６０８は、旋回モータとギアとで構成され、旋回軸が固定プレート６０１と垂直する。従って、可動プレート６０２は、６つの二関節筋を介して６つの回転アクチュエータによって第１関節３１の２つの回転軸および第２関節３２の２つの回転軸のまわりに４自由度回転変位されながら、第１関節３１とリンク６０４および第１関節３２を介して旋回アクチュエータ６０８によって垂直軸のまわりに回転されることができる。

　図３は、本発明の第６実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
　この第６実施形態に係る関節ロボット３０００は、リンク６０４の代わりにリニアアクチュエータ６０９を有する点で、第４実施形態に係る関節ロボット１０００と異なり、他の構成は同様に構成される。
　リニアアクチュエータ６０９は、両端に２つの関節が連結され、伸縮方向が各関節のリニアアクチュエータに近い回転軸と垂直する。従って、可動プレート６０２は、６つの二関節筋を介して６つの回転アクチュエータによって第１関節３１の２つの回転軸および第２関節３２の２つの回転軸のまわりに４自由度回転変位されながら、リニアアクチュエータ６０９によって垂直方向に並進移動されることができる。

　図１１は、本発明の第７実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
　関節ロボット４０００は、旋回アクチュエータ６０８が追加され、そして固定プレート６０１の代わりに旋回アクチュエータ６０８の可動子に第１関節３１が連結される点で、ある。
　旋回アクチュエータ６０８は、旋回軸が固定プレート６０１と垂直する。従って、可動プレート６０２は、６つの二関節筋を介して６つの回転アクチュエータによって第１関節３１の２つの回転軸および第２関節３２の２つの回転軸のまわりに４自由度回転変位され、そしてリニアアクチュエータ６０９によって垂直方向に並進移動されながら、第１関節３１とリニアアクチュエータ６０９および第１関節３２を介して旋回アクチュエータ６０８によって垂直軸のまわりに回転されることができる。

　図１２は、本発明の第８実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
　関節ロボット５０００は、二関節筋の一部を一関節筋に換え、そしてすべての一関節筋の一端をリンク６０４に連結している。
　それぞれ一端が回転アクチュエータに連結された一関節筋６７、６８は、それぞれ残りのもう一端が固定ピン７７、７８によってリンク６０４に連結される。一関節筋６７、６８は関節ロボットの根元に近いところに配置されているため、微小な伸縮で可動プレート６０２に大きな変位を引き起こす。一方、二関節筋６１～６４は、直接可動プレート６０２に連結されるため、可動プレート６０２に連結される大きな負荷を負担することができる。従って、必要に応じて一関節筋か、或いは二関節筋か、また一関節筋と二関節筋との組み合わせかを伸縮させることによって、本実施形態に係る関節ロボット５０００は、４自由度で高速度移動や重い負荷の搬送などの作業をすることができる。

　図１３は、本発明の第９実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
関節ロボット６０００は、二関節筋の一部を一関節筋に換え、そしてすべての一関節筋の一端をリンク６０４に連結している。
　それぞれ一端が回転アクチュエータに連結された一関節筋６７、６８は、それぞれ残りのもう一端が固定ピン７７、７８によってリンク６０４に連結される。一関節筋６７、６８は関節ロボットの根元に近いところに配置されているため、微小な伸縮で可動プレート６０２に大きな変位を引き起こす。一方、二関節筋６１～６４は、直接可動プレート６０２に連結されるため、可動プレート６０２に連結される大きな負荷を負担することができる。従って、必要に応じて一関節筋か、或いは二関節筋か、また一関節筋と二関節筋との組み合わせかを伸縮させることによって、本実施形態に係る関節ロボット６０００は、５自由度で高速度移動や重い負荷の搬送などの作業をすることができる。

　図１４は、本発明の第１０実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
関節ロボット７０００は、二関節筋の一部を一関節筋に換え、そしてすべての一関節筋の一端をリニアアクチュエータ６０９に連結している。
　それぞれ一端が回転アクチュエータに連結された一関節筋６７、６８は、それぞれ残りのもう一端が固定ピン７７、７８によってリニアアクチュエータ６０９に連結される。一関節筋６７、６８は関節ロボットの根元に近いところに配置されているため、微小な伸縮で可動プレート６０２に大きな変位を引き起こす。一方、二関節筋６１～６４は、直接可動プレート６０２に連結されるため、可動プレート６０２に連結される大きな負荷を負担することができる。従って、必要に応じて一関節筋か、或いは二関節筋か、また一関節筋と二関節筋との組み合わせかを伸縮させることによって、本実施形態に係る関節ロボット７０００は、５自由度で高速度移動や重い負荷の搬送などの作業をすることができる。

　図１５は、本発明の第１１実施形態に係る関節ロボットの構成図である。
関節ロボット８０００は、二関節筋の一部を一関節筋に換え、そしてすべての一関節筋の一端をリニアアクチュエータ６０９に連結している。
　それぞれ一端が回転アクチュエータに連結された一関節筋６７、６８は、それぞれ残りのもう一端が固定ピン７７、７８によってリニアアクチュエータ６０９に連結される。一関節筋６７、６８は関節ロボットの根元に近いところに配置されているため、微小な伸縮で可動プレート６０２に大きな変位を引き起こす。一方、二関節筋６１～６４は、直接可動プレート６０２に連結されるため、可動プレート６０２に連結される大きな負荷を負担することができる。従って、必要に応じて一関節筋か、或いは二関節筋か、また一関節筋と二関節筋との組み合わせかを伸縮させることによって、本実施形態に係る関節ロボット８００は、６自由度で高速度移動や重い負荷の搬送などの作業をすることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
　例えば、回転アクチュエータの個数および二関節筋の本数を共に例に６としたが、共に５以上とすれば良い。また、実施形態５～８では、回転アクチュエータの個数を例に６とし、二関節筋および一関節筋の本数をそれぞれ例に４および２としたが、回転アクチュエータの個数が５以上であり、二関節筋の本数が３以上であり、そして二関節筋の本数と一関節筋の本数との和が回転アクチュエータの個数と等しければ良い。

１、２、３、４０１、４０２、４０３　モータ
４、４２０　基部
５、６、７、２４、２５　プーリ
８、９、１０、４０８、４０９、４１０　ワイヤ
１１、１２、１３、４１１、４１２、４１３　非線形バネ
１４、４０７　支持柱
１５　ワイヤガイド
１６、４１６、４１７、４１８　自在継手
１７、４１９　出力軸
２０　差動機構
２１　固定部材
２２　支持軸
２３　リング
２６、２７　サイドギア
２８　ピニオンギア
１００　関節ロボット
２０１　目標指令生成部
２０２、２０３　姿勢角度制御部
２０４　張力指令計算部
２０５　姿勢角度推定部
２０６、２０７、２０８　張力制御部
２０９、２１０、２１１　モータ駆動部
１０１、１０２、１０３　エンコーダー
１０４、１０５、１０６　張力センサー
１０７、１０８　角度センサー
４０４、４０５、４０６　巻取装置
４１４　可動プレート
４１５　カルダンジョイント　
５０１　回転軸継手
５０２　回転軸　
５０３　旋回軸継手

Claims

　基部と、前記基部に設置された少なくとも３つのモータと、前記モータに各々取り付けられた少なくとも３つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられたカルダンジョイントと、前記カルダンジョイントに取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された少なくとも３つの自在継手と、前記巻取装置と前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれたワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備え、
　前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点ｏとし、前記支持柱の軸中心線をｚ軸として前記基部の表面から離れる方向をｚ軸の正方向とし、ｙ軸が前記カルダンジョイントの前記支持柱と接する軸の軸中心線と平行となるように固定直交座標系ｘｙｚｏを設け、
　前記出力軸の軸中心線と前記可動プレートの下面との交点を原点ｏ’とし、前記出力軸の軸中心線をｚ’軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をｚ’軸の正方向とし、ｘ’軸が前記カルダンジョイントの前記可動プレートと接する軸の軸中心線と平行となり、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設け、
　１つの前記巻取装置がｘの負軸に、２つ以上のの前記巻取装置がそれぞれｘｏｙ座標系の第１象限と第４象限にあるように前記モータを配置し、前記自在継手をｘ’ｏ’ｙ’座標系における位相が各々の前記巻取装置の前記ｘｏｙ座標系における位相と同じ値になるように配置し、そしてこの異なる２つの座標系の各々同じ位相にある前記巻取装置と前記自在継手とを前記ワイヤで一対一に連結することを特徴とするロボット。
　基部と、前記基部に設置された少なくとも３つのモータと、前記モータに各々取り付けられた少なくとも３つの巻取装置と、前記基部の表面に軸中心線が垂直するように設置された支持柱と、前記支持柱の上端に取り付けられた回転軸継手と、前記回転軸継手に取り付けられた回転軸と、前記回転軸の上端に取り付けられた旋回軸継手と、前記旋回軸継手に取り付けられた可動プレートと、前記可動プレートの底部に設置された少なくとも３つの自在継手と、前記巻取装置と前記自在継手とを一対一に連結する非線形バネが組み込まれたワイヤと、前記可動プレートの上面に軸中心線が垂直するように固定された出力軸とを備え、
　前記出力軸の軸中心線と前記可動プレートの下面との交点を原点ｏ’とし、前記出力軸の軸中心線をｚ’軸として前記可動プレートの上面から離れる方向をｚ’軸の正方向とし、ｙ’軸が前記旋回軸の軸中心線と平行となり、前記可動プレートと一緒に移動するような移動直交座標系ｘ’ｙ’ｚ’ｏ’を設け、
　前記支持柱の軸中心線と前記基部の表面との交点を原点ｏとし、前記支持柱の軸中心線をｚ軸として前記基部の表面から離れる方向をｚ軸の正方向とし、前記出力軸の軸中心線が前記回転軸の軸中心線と一致した際にｙ軸がｙ’’軸と平行となるように固定直交座標系ｘｙｚｏを設け、
　１つの前記巻取装置がｘの負軸に、残った２つの前記巻取装置がそれぞれｘｏｙ座標系の第１象限と第４象限にあるように３つの前記モータを配置し、３つの前記自在継手をｘ’ｏ’ｙ’座標系における位相が各々３つの前記巻取装置の前記ｘｏｙ座標系における位相と同じ値になるように配置し、そしてｘの負軸にある前記巻取装置とｘ’の負軸にある前記自在継手とを、ｘｏｙ座標系の第１象限にある前記巻取装置とｘ’ｏ’ｙ’座標系の第４象限にある前記自在継手を、ｘｏｙ座標系の第４象限にある前記巻取装置とｘ’ｏ’ｙ’座標系の第１象限にある前記自在継手を３つの前記ワイヤで各々連結することを特徴とするロボット。
　ワイヤの張力指令と前記ワイヤの張力信号とに基づいて張力の制御を行いながら、姿勢角度の目標指令と剛性の目標指令および前記各モータの回転角度信号に基づいて前記各ワイヤの張力指令を生成し前記関節ロボットの姿勢角度および剛性を制御し、
　前記各モータの回転角度信号および前記各ワイヤの張力信号に基づいて姿勢角度の推定値を算出する姿勢角度推定部と、
　前記姿勢角度の目標指令と前記姿勢角度の推定値との偏差を入力し姿勢トルク指令を出力する姿勢角度制御部と、
　前記姿勢トルク指令と前記剛性の目標指令および前記姿勢角度の推定値に基づいて張力指令を算出する張力指令計算部と
を備えたことを特徴とするロボットの制御装置。