JPH01257579A - マニピユレータ - 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〕 本発明はマニピュレータに係り、特に、作業対象とエン
ドエフェクタとの間に一定の拘束関係を保ちながら作業
するのに好適なマニピュレータに関する。

〔従来の技術〕

マスタスレーブ式のマニピュレータでは、エンドエフェ
クタの位置、姿勢を一定に保つ拘束動作を伴った作業を
マスタスレーブ制御だけで実現するのは困難である。

また、長尺マニピュレータでも、長尺マニピュレータの
動的なたわみ、関節駆動の減速機構のバンクラッシュな
どによって、エンドエフェクタと作業対象の関係を一定
に保つことはむずかしい。

１）１ｊ者に対する従来技術は、作業対象とエンドエフ
ェクタの関係を検出し、その出力によりスレーブの位置
、姿勢を規定するマスタマニピュレータのアーム関節に
コンプライアンスを発生させて生しるマスクの反力によ
って、操作者に作業対象とエンドエフェクタの関係を検
知させる方法がある。

長尺マニピュレータでは、作業動作を教示する時に、Ｔ
Ｖカメラ等によりマニピュレータの先端を監視し、教示
内容をトライアンドエラーにより修正してから、実際の
作業に入っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

マスタスレーブ式に対する従来技術では、操作者は、常
に、マスクに伝わる反力を感じ、その反力がなくなるよ
うにスレーブの位置姿勢を規定するマスクの多くの自由
度を微妙に操作することが要求されるため、操作者の疲
労は大きくなる問題がある。

後者の長尺マニピュレータでは、教示時間がかかり、教
示者の疲労も大きくなる。

従って、本発明の目的は、マスクなどにより大まかな教
示でも、作業を確実に、かつ、容易に実現する手段を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、作業対象とエンドエフェクタとの関係を検
出する検出センサ、作業を実行するスレーブ、作業内容
教示装置、及び、検出センサの出力をマスタなどの作業
内容教示装置とスレーブのうち、スレーブの位置姿勢を
規定する以外の部分にフィードバックする制御装置を構
成することにより達成される。

（作用〕 スレーブは、教示手段、例えば、マスクによってエンド
エフェクタの大まかな位置・姿勢を規定する。検出セン
サは、この時のエンドエフェクタの作業対象に対する位
置・姿勢を検出する。スレーブの位置・姿勢を規定する
以外の部分は、スレーブでは、スレーブの位置・姿勢を
自由度（これを主自由度と呼ぶ）以外の自由度（これを
補助自由度と呼ぶ）があり、マスクでは、エンドエフェ
クタ操作器などがある。スレーブの補助自由度を例にと
って説明すれば、検出センサによりスレーブの補助自由
度は、エンドエフェクタの作業対象に対する位置・姿勢
が、一定の状態になるように制御装置によって制御され
る。このことによって、スレーブに対する教示内容が大
まかであっても、作業を確実に、かつ、容易に実現でき
る。特に、マスタスレーブ制御では、マスクの操作が簡
単になり、操作者の疲労も少なくなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例をプラズマ切断作業を例にとって
説明する。

第一の実施例として、補助自由度をエンドエフェクタに
設けた場合を第１図から第５図を用いて説明する。第１
図で、スレーブ８は、アーム８１エンドエフエクタ１、
検出センサ２及びプラズマトーチ３から構成される。ア
ーム８１はエンドエフェクタ１の位置・姿勢を規定でき
るように六自由度の主自由度から構成される。第２図は
、エンドエフェクタ１と検出センサ２の一実施例を示す
。

第３図は、検出センサ２のエンドエフェクタ１の作業対
象９に対する姿勢検出の説明図である。検出センサは、
リング状の検出センサプレートと検出センサプレート２
１の上下、左右に取り付けられた距離センサ２ｕ、２ａ
、２しｙ　２Ｒからなる。

添字ｕ、ｄ、Ｌ、Ｒは、各々距離センサの取り付は位置
が上、下、左及び右であることを示す。距離センサ２ｕ
、ＳＬ、２Ｒ１２Ｌは、各々、作業対象９との距離をＱ
ｕ、Ｑａｒ　ＱＲｌ及びＱ、Ｌを検出する。

エンドエフェクタ１は、プラズマトーチをアーム８１に
対して前後に移動させる伸縮軸１１、左右に施回させる
左右旅回軸１２、及び、上下に施回させる上下旅回軸１
３をもつ。伸縮軸１１は、モータ１１１、エンコーダ１
１２及びボールネジ１１３から構成される。プラズマト
ーチ３は、プラズマトーチ保持部１４に固定され、ボー
ルネジ１１３により前後に移動する。検出センサ２も、
検出センサガイド捧２２を介してプラズマトーチ保持部
に固定され、プラズマトーチとともに、ボールネジ１１
３によって前後に移動する。左右旅回軸１２は、モータ
１２１、エンコーダ１２２ベアリング１２３、及びシャ
フト１２４から構成され、モータ１２１を駆動すること
によって、モータ１２１のロータに固定されたシャフト
１２４によってエンドエフェクタ１全体を左右に施回す
る。

上下旅回軸１３も左右旅回軸１２と同様に構成され、エ
ンドエフェクタ１の全体を上下に施回する。

次に、検出センサ２によって、エンドエフェクタ１にあ
る補助自由度の制御方法について説明する。第４図は、
その制御装置６のブロック図を示し、伸縮軸１１を制御
する場合を示す。制御装置６は検出センサ２の出力Ｑに
より各軸の指令値演算部６１、指令値により所望の制御
を行なうために操作量を決める制御要素６２、及び、モ
ータドライバ６３からなる。第５図に、指令演算部にお
ける制御アルゴリズムを示す。プラズマ切断では。

プラズマトーチ３と作業対象９との距離（これをスタン
ドオフと呼ぶ）を一定にし、かつ作業対象９に対するプ
ラズマトーチ３の姿勢を垂直に保つことが望まれる。ス
タンドオフを一定に保つため、四つの距離センサの平均
値りを求め、（シーケンス１０、これ以後シーケンスを
Ｓと略す）望むべきスタンドオフＬｏと比較しく５２０
）、その差によって伸縮軸１１を制御する（Ｓ３０，５
４０）。

制御要素６２を第４図に示すような不感帯を持つ非線形
要素で構成すれば、伸縮軸１１はオンオフ的に制御され
ることになる。また、プラズマトーチの姿勢を一定に保
つため、左右の距離センサＱＬ＋　Ｑｎを比較しく５５
０）、その差によって左右旅回軸１２を制御（Ｓ６０．
７０）Ｌ、上下の距離ＱＬ、ＯＲによって同様に上下流
回転１３を制御する（Ｓ８０，９０，１００）。この制
御を作業終了までくり返す。第６図は、作業対象９の端
部で、４つの距離センサのうちの一つが作業対象との距
離を検出できない時の処理を示し、上側の距離センサＱ
ｕの場合を示す。距離センサの値がＱｕがある一定以上
（Ｑ　ｕｕ）になった時、作業対象９を検出できないと
定義する。スタンドオフαは、左右距離センサ２１．、
２Ｒの平均値でも、上下距離センサ２．．２．の平均値
でも求まるから、この場合は前者によって求める（Ｓ２
１０）、伸縮軸１１と左右旋回転の処理は、第４図と同
じである（Ｓ２２０）。上下流回転に対しては、このス
タンドオフＬと下側の距離センサＱ−との比較によって
、第４図と同じように制御する（Ｓ２５０゜２６０．２
７０）。このように、検出センサ２とエンドエフェクタ
１にある補助自由度によって、エンドエフェクタ１の位
置・姿勢を大まかに教示しても、作業対象とプラズマト
ーチ３との関係を所望の状態に保持でき作業が確実、か
つ、容易にできる。

次に、第二の実施例として補助自由度をアーム内に配置
し、かつ補助自由度を主自由度で兼ねる場合を第７図か
ら第９図を用いて説明する。第８図は、本発明を適用と
するマニピュレータ８の自由度配置の一例を示す０本マ
ニピュレータ８は、根元側からロールθ１．ピッチθ２
．ピッチ０３．ロールθ番、ピッチθ６及びロールθＧ
の自由度配置をもち、先端に第８図に示すエンドエフェ
クタ５を装着している。マニピュレータ８は、θ＋、Ｏ
ｚ。

θ３の根元側三軸によって、エンドエフェクタの位置を
規定し、θ番、θ５．θＢの先端側３軸によってエンド
エフェクタ５の姿勢を決定する。エンドエフェクタ５は
、θＢ軸の先端に固定されている。第８図に示すエンド
エフェクタ４は、プラズマトーチ３、プラズマトーチ保
持部４１、及び、接触型検出センサ５から構成されてい
る。接触型検出センサ５は、検出センサの第二の実施例
であり、作業対象９との距離Ｑｕｌ　Ｑａ＋　ＱＬ＋　
ＱＲ（添字内容は、検出センサ２と同じ）を検出するの
に接触型距離センサ５ｕ＋　５ｄ＋　５Ｌｌ　５Ｒを用
いたものである。接触型距離センサ５．．５＝、５Ｌ、
５Ｒは、バネ５１で摺動棒５２を常に作業対象９に押付
ける機構となっており、摺動棒５２の先端には、摺動棒
５２が作業対象９を滑らかにすべることができるように
ポールキャスタ５３を装着している。

距離Ｑは摺動棒５２のガイド５４に対する位置で検出す
る。接触型検出センサ５では、スタンドオフは、バネ５
１によって自動的に補正される。従って、本発明ではア
クティブに制御しなくてはならないのは、エンドエフェ
クタの姿勢である。この姿勢を効率的に補正するマニピ
ュレータの自由度は、θ４軸の左右旅回軸と、０５軸の
上下旅回軸である。

次に、０４軸、０５軸の制御方法について説明する。第
９図は１本実施例における制御装置のブロック図を示す
。制御装置６の基本的構成は、第一の実施例と同じであ
るが、指令部演算部６１の構成が多少異なる。指令部演
算部６１は、検出センサ５の出力Ｑ、〜ＱＲにより目標
値変更量を計算する目標値変更部６１１と、目標値を計
算する目標値計算部６１１である。目標値変更部６１１
の処理内容は、第５図、第６図で示した第一の実施例の
制御アルゴリズムのうち、左右及び上下旅回に相当する
処理を行なう。例えば、θ４軸によりエンドエフェクタ
の左右の姿勢を補正するための姿勢補正１ｔＲｃ４は次
式で定める。

ＲＣ４＝Ｋ　　ＣＱＲ１２ｒ）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　−（１）ここでに：定数 また、目標値計算部６１１は式（２）の計算により、動
作信号量を計算する。

Ｑ＋＝　（Ｐ１１４＋ＲＣ４）　　Ｐｓ４　　　　　　
−（２）ここで　Ｐ、：マスタの位置信号 Ｐｓニスレープの位置信号 添字４：０４軸を示す θδ軸についても同様に求まる。式（２）に示すように
本実施例の制御の特徴は、従来のマスタスレーブ制御の
スレーブ制御系（第９図で破線内７の部分）において、
目標値であるマスクの位置信号Ｐｓに、検出センサ５に
よって決る姿勢補正量を重畳した制御方策を採ることに
ある。このように制御すれば、マスクによってスレーブ
の位置を概略指定するだけで、エンドエフェクタ４の姿
勢を自動的に所望の状態に保持できる。従って、操作者
は従来例のように微妙な反力に注意を払いながら操作す
るといった負担が無いので疲労も少なく、簡単、かつ、
確実に操作できる。

最後に、第三の実施例を第１０図及び第１１図を用いて
説明する。第三の実施例は、検出センサによって決る姿
勢補正量を、スレーブの補助自由度ではなく、マスクの
エンドエフェクタ操作器に反力としてフィードバックす
る方法である。本実施例では、プラズマトーチ３のスタ
ンドオフ量りを姿勢補正量とする場合を考える。

第一、第二の実施例では、スタンドオフ量りは、エンド
エフェクタ１の伸縮軸、又は、接触型距離センサ５ｕ〜
５Ｒのバネ５１によっである程度調整可能である。しか
し、両者の調整範囲を越える場合もあり得る。これに対
処するために、スタンドオフ量りが許容範囲にあるかど
うかを操作者にフィードバックしたほうが操作性の向上
のために得策である。この場合、マスクの自由度のうち
、スレーブの位置姿勢を規定する自由度にフィードバッ
クしたのでは、スレーブの位置姿勢への外乱となり操作
上好ましくない。従って、スレーブの位置姿勢には関係
のないマスクのエンドエフェクタ操作器に反力としてフ
ィードバックする。

第１０図は、エンドエフェクタ操作器１０１を含むマス
タのグリッパ１０の一実施例を示す。操作者はグリッパ
１０３を握り、人差し指でエンドエフェクタ操作器１０
１の部分を操作する。モータ１０２にトルクを与えるこ
とによって操作者は反力を感じることができる。１０４
は、トルク検出器である。第１１図は、本実施例におけ
る制御装置２０のブロックを示す。制御装置の基本構成
は、第二の実施例と同じである。異なる点は第二の実施
例がスレーブの位置Ｐｓをフィードバックしていたのに
対し、本実施例では、マスクのグリッパの反力ｆ、をフ
ィードバックすることである。

トルク指令部２１１では、モータ１０２に発生させるト
ルクＴは、 Ｔ＝Ｒ（１、−Ｌ　Ｏ）　　　　　　　　　　　　　−
（３）そこで、目標値計算部２１３では破線内３０で示
す従来のマスクのグリッパトルク制御系に与える目標値
を計算する。従って、本実施例によれば、エンドエフェ
クタ２、又は、４を作業対象から離すことも無く、作業
を確実に実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マスタなどの作業内容教示装置の概略
的な教示でも、作業を確実、かつ、容易に実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、補助自由度をエンドエフェクタに持たせた時
の本発明の一実施例の斜視図、第２図は、第１図のエン
ドエフェクタと検出センサの断面図。 第３図は、検出センサと作業対象との関係を示す斜視図
、第４図は、制御装置のブロック図、第５図は、指令演
算部の通常の制御アルゴリズム図、第６図は、エンドエ
フェクタが作業対象の端部にきた時の指令演算部の制御
アルゴリズム図、第７図は、本発明の第二の実施例に適
用するスレーブマニピュレータの一構成例図、第８図は
、本発明の第二の実施例のエンドエフェクタと検出セン
サの構成図、第９図は、第二の実施例の制御装置のブロ
ック図、第１０図は、第三の実施例に使用するマスクの
グリッパを示す図、第１１図は、第三の実施例の制御装
置のブロック図である。 ２・・・検出センサ、２ｕ〜２Ｒ・・・距離センサ、３
・・・プラズマトーチ、５・・・接触型検出センサ、６
・・・制御装置、８・・・スレーブマニピュレータ、９
・・・作業対第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 ８（θ６） 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作業対象とエンドエフェクタとの関係の検出センサ
   、作業を実行するスレーブマニピュレータ、作業内容教
   示装置から構成され、前記検出センサの出力を前記作業
   内容教示装置のうち前記スレーブマニピュレータの位置
   姿勢を規定する以外の部分にフィードバックする制御装
   置からなることを特徴とするマニピュレータ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータにおい
   て、 前記スレーブマニピュレータを位置姿勢を規定する主自
   由度とそれ以外の補助自由度とにより構成し、前記検出
   センサの出力を前記補助自由度にフィードバックする制
   御装置からなることを特徴とするマニピュレータ。 ３、特許請求の範囲第２項記載のマニピュレータにおい
   て、 補助自由度を前記エンドエフェクタに持たせたことを特
   徴とするマニピュレータ。 ４、特許請求の範囲第２項記載のマニピュレータにおい
   て、 補助自由度を主自由度で兼ねたことを特徴とするマニピ
   ュレータ。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第４項記載のマニピュ
   レータにおいて、 前記作業内容教示装置をマスタマニピュレータとしたこ
   とを特徴とするマニピュレータ。６、特許請求の範囲第
   ５項記載のマニピュレータにおいて、 前記検出センサの出力を前記マスタマニピュレータのエ
   ンドエフェクタ制御する自由度にフィードバックする制
   御装置からなることを特徴とするマニピュレータ。