JPS63200986A - ロボツト装置 - 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〕 本発明はロボット装置に係り、特に研磨、パリ取りなど
位置と力を制御する作業に好適なロボット装置に関する
。

〔従来の技術〕

位置と力を制御するロボット装置として、例えばゴム人
工筋により駆動されるロボット装置が知られており第２
回日本ロボット学会学術請講会予稿集Ｎａ２４０３　（
１９８４年１１月）における宇野らによる「ゴム製アク
チュエータを用いたロボットアームの開発」と題する講
演予稿において発表されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は位置および力の制御の精度に関しては配
慮されておらず、その姿勢により位置あるいは力の制御
精度が著しく低下するという問題があった。

本発明の目的は位置および力の制御精度の良いロボット
装置を得ることにある。

〔問題点を解決す、るための手段〕

上記目的は１位置および力を制御する多関節型アームを
大変位移動可能な位置決め装置に搭載することにより達
成される。

〔作用〕

位置決め装置は訃磨あるいはパリ取りを行う場所に対し
、多関節アームが一定の姿勢の範囲にはいるように多関
節アームを位置決めする。それによって、多関節アーム
はたえずほぼ一定の姿勢に保たれるので、一定精度以内
の力および位置の制御が可能となり、良好な研磨あるい
はパリ取り作業を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の装置の実施例を図面により説明する。

第１図において、ＩＡおよびＩＢ支柱、２人および２Ｂ
は支柱ＩＡおよびＩＢにより支持され、°　　平行に配
置されたレール、７はレール２Ａおよび２Ｂに沿ってＸ
方向１１１に移動する台車、９は台車７に懸架し、Ｙ方
向１１２に移動する垂直方向の回転軸自由度０ｏ１１０
まわりに回転するフレーム、１０はフレーム９に配置さ
れた水平方向の回転軸自由度θ１１０１のまわりに回転
する上腕機構、１２は上腕機構１０の先端に配置された
水平方向の回転軸自由度θｚ１０２のまわりに回転する
前腕機構、１３は前腕機構１２の先端に配置された水平
方向の回転軸自由度θ３１０３のまわりに回転する手先
機構、１４は手先機構１３の先端に配置された垂直方向
の回転軸自由度θ４１０４のまわりに回転する研磨機構
である。

第２図および第３図は駆動部の詳細を示したものである
。８Ａ、８Ａ’および８Ｂ、８Ｂ’はレール２Ａに対し
上下に配置された車輪、８Ｃ。

８Ｇ’および８Ｄ、８Ｄ’はレール２Ｂに対し上下に配
置された車軸であり、台車７は車１１！＠８　Ａ。

８Ａ’　、８Ｂ、８Ｂ’　、８Ｃ，８Ｇ’により支持さ
れている。３はフレーム７に配置された第１のモータ、
４は第１のモータ３の出力軸に配置された減速器、５は
減速器４の出力軸に配置され、レール２Ｂに刻まれたラ
ックにかみ合うピニオン歯車であり、台車７は第１のモ
ータ３により駆動される。８３は台車７に配置された第
２のモータ、８４は、第２のモータ８３の出力軸に配置
された減速器、８５Ａは減速器８４の出力軸に配置され
たスプロケット、８６はスプロケット８５Ａおよび８５
Ｂにより環状に配置されエンドブラケット８７Ａおよび
８７Ｂにより、スライダ８８に接続されたチェーン、８
８は台車７に平行に配置されたレール８２Ａ、８２Ｂに
軸受８９Ａおよび８９Ｂにより支持されたスライダであ
り、スライダ８８は第２のモータ８３により駆動される
。９３はスライダ８８に配置された第３のモータ、９４
は第３のモータ９３の出力軸に配置さ九たウオーム歯車
、９５は旋回軸９６に接続されウオーム歯車９４にかみ
合ったウオームホイール、９６はフレーム９を支持する
構造体２０に接続されフレーム９を回転する旋回軸であ
る。

２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｇ、２１０は自由度１０１を駆動
するゴム人工筋であり、一端はフレーム９の構造体２０
に接続され、２１Ａ、２１Ｂは駆動軸２４に接続された
プーリ２３Ａに巻き付けられたワイヤロープ２２Ａを介
して対向配置されており、同様に２１Ｇ、２ＬＤは駆動
軸２４に接続されたプーリ２３Ｂに巻き付けられたワイ
ヤロープ２２Ｂを介して対向配置されている６構造体２
０に支持された駆動＃２４は上腕機構１０の構造体３０
に接続されこれを回転する。また、駆動軸２４の回転角
はカップリング３６を介して接続された回転角度検出器
３７により検出する。

３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｇ、３１１）は自由度１０２を駆
動するゴム人工筋であり、３１Ａ、３］ｓの一端は上腕
機構１０の構造体３０にワイヤ：３５　Ａ　。

３５Ｂを介して接続され、他端は駆動軸；３４に接続さ
れたプーリ３３Ａに巻き付けられたワイヤ［Ｉ−プ３２
Ａを介して連結され対向配置されており、同様に３１Ｇ
、３１Ｄの一端は上腕機構１０の構造体３０にワイヤ３
５Ｇ、３５Ｄを介して接続され、他端は駆動Ｉ＃３４に
１１’続さ九たプーリ３３ｔ（に巻き付けられたワイヤ
ロープ３２Ｂを介して連結され対向配置されている。構
造体３０に支持された駆動軸３４は前腕機構１２の構造
体４０に接続されており二九を回転する。また、駆動軸
：Ｓ４の回転角は駆＃ｌ１１ｍ３４に接続されたプーリ
３８Ａ。

タイミングベルト３６およびプーリ３８Ｂを介して回転
角度検出器３７により検出する。

４１Ａ、４１Ｂは自由度１０３を駆動するゴム人工筋で
あり、４ＬＡ、４１Ｂの一端は前腕機構１２の構造体４
０にワイヤ４ｊＡ、４５Ｂを介して接続され、他端は駆
動軸４４に接続されたプーリ４３に巻き付けられたワイ
ヤロープ４２を介して連結され対向配置されている。構
造体４０に支持された駆動軸４４は構造体６０に接続さ
れておりこれを回転する。また、駆動軸４４の回転角は
駆動軸４４に接続されたプーリ４８Ａ、タイミングベル
ト４６およびプーリ４８Ｂを介して回転角度検出器４７
により検出する。

５］、Ａ、５１Ｂは自由度１０４を駆動するゴム人工筋
であり、５１Ａ、５１Ｂの一端は前腕機構１２の構造体
４０にワイヤ５５Ａ、５５Ｂを介して接続され、他端は
プーリ６１Ａ、６２Ａおよびプーリ６１Ａ、６２Ｂを介
して駆動軸５４に接続されたプーリ５３に巻き付けられ
たワイヤロープ５２を介して連結され対向配置されてい
る。構造体６ｏに支持された駆動軸５４は研磨機構１４
のアクチュエータ７０に接続されておりこれを回転する
。また、駆動軸５４の回転角はカップリング５６を介し
て回転角度検出器５７により検出する。

研磨機＠１４のアクチュエータ７０は研磨へラド７１を
駆動する。

第４図および第５図は研磨機構の一実施例の詳細を示し
た図である。自由度０番１０４の駆動軸５４に配置され
たアクチュエータたとえばエアモータ７０の回転軸７０
１の先端に配置された偏心ビン７０２は、この偏心ビン
７０２に配置されたフォロワ７０３を介して、アクチュ
エータ７０に配置されたハウジング７０５のリニヤガイ
ド７０７Ａおよび７０７Ｂにより摺動するスライダ７０
４を揺動する。スライダ７０４はハウジング７０５に対
しバネ７０６によりフォロワ７０３に押し付けられてい
る。また研磨ヘッドたとえば砥石材７１は、クッション
材たとえばゴム７０８を介し、固定ボルト７０９Ａ、７
０９Ｂ、７０９Ｇ、７０９０によりスライダ７０４に固
定されている。すなわち、アクチュエータ７０の回転軸
７０１が同軸すると偏心ビン７０２および偏心ビン７０
２に配置されたフォロワ７０３は偏心運動を生じるが、
ハウジング７０５のリニヤガイド７０７Ａおよび７０７
Ｂにより一方向のみ運動を規制されバネ７０６によりフ
ォロワ７０３におしつけられたスライダは自由度θｈ　
１０４の軸と平行な方向ｗ７２０の往復直線運動を行う
。

また、Ｗ１０５方向に往復直線運動する研磨ヘッドの動
きはたえず自由度θ１１０１，１７ｚ１０２゜θ８１０
３に対し直交している。

第６図は自由度の配置をスケルトンモデルで示したもの
であり、水平面内で直交する直線移動自由度ｘ１１１お
よびＹ１１２．水平面内で回転する自由度θｏ　１１０
はそれぞれモータ３，８３゜９３により駆動され、垂直
面内で回転する自由度θ！１０１はゴム人工筋２１Ａ、
２１Ｃおよび２１Ｂ、２１Ｄのそれぞれの収縮および伸
展により駆動され、自由度０ｚ１０２はゴム人工筋３１
Ａ。

３１Ｇおよび３１Ｂ、３１０のそれぞれの収縮および伸
展により駆動され、自由度Ｏｓ　１０３はゴム人工筋４
１Ａおよび４１Ｂの収縮および伸展により駆動され１手
先機構に配置された回飢自由度θ番１０４はゴム人工筋
５１Ａおよび５１Ｂの収縮および伸展により駆動される
。

次に前述したサーボ機構３１，３２，３３゜３４の具体
的橘成の例を第８図に示す、１００１はベース、１００
２Ａ、１００２Ｂはそれぞれ一端をベース１００１に固
定されたゴム人工筋すなわち弾性管状構造体で、この弾
性管状構造体１００２Ａ、１００２Ｂは伸縮性に富むゴ
ムチューブの外周に繊維コードの偏組を被覆した構造と
外っており、その内部に圧縮流体を供給すると半径方向
への膨張を伴いながら長手方向に収縮する。

１００３はベース１００１に固定されたプーリ保持体、
１００４はこのブーり保持体１００３に回転可能に設け
られたプーリ、１００５はプーリ１００４と同軸上でプ
ーリ保持体１００３に回転可能に設けられた可動体、１
０１０は可動体１００５の同軸上に結合された回転角検
出器、１００６Ａ。

１００６Ｂはその一端をそれぞれ弾性管状構造体１００
２Ａ、１００２Ｂに結合したワイヤ口−ブでＪその他端
はプーリ１００４にほぼ一周巻き付けたのち、可動体１
００５の先端に固定されている６弾性管状構造体１００
２Ａ、１００２Ｂはそれぞれ管路１００７Ａ、１００７
Ｂを介し圧力制御手段１００８Ａ、１００８Ｂにより圧
縮流体を供給されてその内部の圧力を制御される。

次に本発明の制御系の一例を第７図に示す。

３０はロボット制御手段、３１〜３５はそれぞれ自由度
θ１１０１．　　θｚ１０２ｐ　　θｓ　１０３゜θ４
１０４を駆動するサーボ機構とブロックとして表わした
もの、３５〜３７はそれぞれ自由度Ｘ１ｌｌ、Ｙ１１２
．　θｏｌｌｏを駆動するサーボ機構をブロックとして
表わしたものである。信号０１１〜θ１番およびθｒｏ
はロボット制御手段３０から各サーボ機構３１〜３５に
出力される目標角度信号、信号θｏ１〜００４およびθ
ｏｏは各サーボ機構３１〜３５からロボット制御手段３
０に出力される動作角度信号である。またｘｒおよびＹ
、はロボット制御手段３０かもサーボ機構３６および３
７に出力される目標変位信号、信号ｘＯおよびＹｏはサ
ーボ機構３６および３７からロボット制御手段３０に出
力される動作変位信号である。

すなわち弾性管状構造体１００２Ａの内圧が上昇し弾性
管状構造体１００２Ｂの内圧が低下すると前者は収縮し
、後者は伸展し可動体１００５は反時計方向に回転する
。逆に弾性管状構造体１００２Ａの内圧が低下し、弾性
管状構造体１００２Ｂの内圧が上昇すると、可動体１０
０５は時計方向に回転する。

以上の構成が第１図における自由度１０１．　。

１０２．１０３，１０４に対応する。

本す−ボ機楕に対しロボット制御手段３０から目標角度
信号θ「が入力され、可動体１００５の回転軸に連結し
た回転角検出器１０１０から出力される実際の可動体１
００５の動作角０．が動作角度信号としてフィードバッ
クされる。１０３０はサーボ補償手段であり、可動体１
００５の動作角θ０のフィードバックによりサーボ機構
をｗＡａし、比較器１０２３Ａ、１０２３Ｂに差動的な
圧力偏差目標信号ΔＰｒとして出力する。、ＬＯ２５は
バイアス圧力目標信号発生器で、このバイアス圧力目標
信号発生器１０２５は予め設定したバイアス圧力目標信
号ｐｂ＾、Ｐｂａを比較器１０２３Ａ。

１０２３Ｂに出力する。これらの比較１１０２３Ａ　。

１０２３Ｂはサーボ補償手段１０３０の出力する圧力偏
差目標信号ΔＰｒと、バイアス圧力目標信号発生ｆＢ１
０２５が出力するバイアス圧力目標信号ｐｂ＾、ＰｂＢ
から前述した弾性管状構造体１００２Ａ、１００２Ｂの
内圧に対する圧力目標値信号Ｐｒ＾、Ｐｒ８を後述する
圧力制御手段１００８Ａ、１００８Ｂに出力する。

次に第８図に示したサーボ機構の動作を説明する。

目標角度信号θ「と可動体１００５の回転軸に連結した
回転角度検出器１０１０から出力される実際の可動体１
００５の動作角θ０から補償器１０３０は圧力偏差目標
信号ΔＰｒを出力し、比較器１０２３Ａ、１０２３Ｂに
よりバイアス圧力目標信号ｐｂ＾、ＰｂＢとから圧力目
標値信号ｐｒＡ、Ｐｒｅが演算される。すなわちそれぞ
れの圧力制御手段の圧力目標値は、バイアス圧力ｐｂ＾
、Ｐｂ８を中心に差動的に変化し、上述した圧力サーボ
機構の働きでそれぞれの弾性管状構造体の内圧Ｐ＾、Ｐ
ａはそれに追従して差動的に変化し、結果として、可動
体１００５の回転角θ０は目標角度信号θ、にほぼ比例
する。

ここで１弾性管状構造体１００２Ａおよび１００２Ｂは
バネ特性を有し、可動体１００５は外力に対し一定のコ
ンプライアンスすなわち復元力を持つにのコンプライア
ンスはバイアス圧力目標値ｐｂ＾、ＰｂＢおよび補償器
１０３０のゲインにより調整できる。すなわち、可動体
１００５が回転角Ｏｏで対象物に接触した場合、上記コ
ンプライアンスに応じ対象物の奥方向に目標角度信号ｏ
ｒを与えることにより対象物に一定の力を加えることが
できる。

次に上述した圧力制御手段１００８　Ａ、　１００８Ｂ
の構成および動作の一例を第９図を用いて説明する。こ
の図において、１２０１は管状弾性構造体、１２０２は
先端が分岐した管路、１２０３は管路１２０２に配置さ
れた圧力検出器、１２０４Ａ。

１２０４Ｂは分岐した管路１２０２の先端に配置された
圧力制御弁で圧力［１２０５から圧力流体を供給され、
排出口１２０６に圧力流体を排出する。１２０７Ａ、１
２０７Ｂはそれぞれ圧力制御弁１２０４Ａ、１２０４Ｂ
を駆動するパワアンプ、１２０８Ａ、１２０８Ｂは非線
形関数発生器。

１２０９は圧力目標値信号Ｐｒと圧力検出器１２０３の
出力である圧力信号Ｐとの差である圧力偏差信号Ｐｅを
演算し、非線形関数発生器１２０８Ａ。

１２０８Ｂに出力する比較器である。ここで、圧力目標
値信号Ｐｒは第８図ではＰｒ＾、ＰｒＢに相当するもの
である。

いま、圧力目標値信号Ｐｒに対し、圧力検出器１２ｏ３
の出力である出力信号Ｐが低いと、圧力偏差信号Ｐａは
プラスとなり、非線形関数発生器１２０８Ｂの出力はゼ
ロ、非線形関数発生器１２０８Ａは圧力偏差信号Ｐｅに
比例した信号をパワアンプ１２０７Ａに出力し、圧力制
御弁１２０４Ａはその信号に比例して弁の弁開度を設定
し、圧力源１２０５から流体が圧力制御弁１２０４Ａ、
管路１２０２を通って管状弾性構造体１２０１に流入し
、管状弾性構造体１２０１の内圧を上げる。逆に、圧力
目標値信号Ｐｒに対し。

圧力検出ｗ１１２０３の出力である圧力信号Ｐが高いと
、圧力偏差信号Ｐｇはマイナスとなり、非線形関数発生
器１２０８Ａの出力はゼロ、非線形関数発生器１２０８
Ｂは圧力偏差信号Ｐθに比例した信号をパワアンプ１２
０７Ｂに出力し、圧力制御弁１２０４Ｂはその信号に比
例して弁の弁開度を設定し、管状弾性構造体１２０１内
部の流体は管路１２０２．圧力制御弁１２０４Ａを通っ
て排出口１２０６から流出し、管状弾性構造体１２０１
の内圧は下がる。つまり、上記の機構は圧力目標値信号
Ｐｒに追従して管状弾性構造体１２０１内の圧力が変化
する圧力サーボ機構を構成する。

次に前述したサーボ機構３５，３６，３７の具体的構成
の例を第１０図に示す、１１０１はモータ、１１０２は
モータ１１０１の出力軸１１００に直結されたタコジェ
ネレータ、１１０３はモータ１１０１の出力軸１１００
に直結されたインクリメンタルエンコーダ、１１１１は
第１の比較器、１１１２はサーボ補償回路、１１１３は
第２の比較器、１１１４はプリアンプ、１１１５はパワ
アンプ、１１１６はカウンタである。サーボ機構に入力
される目標値Ｓ、に対し、第１の比較器１１１１は目標
値Ｓｒとカウンタ１１１６の出力する出力値Ｓｏの差Ｓ
ｓを演算し、サーボ補償回路１１１２に入力する。サー
ボ補償回路１１１２の出力は第２の比較器１１１３に入
力され、第２の比較器１１１３はタコジェネレータ１１
０２の出力との差を演算し、プリアンプ１１１４に人力
する。プリアンプ１１１４の出力はパワアンプ１１１５
に入力され、電力増幅されモータ１１０１に入力される
。インクリメントエンコーダ１１０３の出力はカウンタ
１１１６に入力され、カウンタ１１１６はインクリメン
タルカウンタ１１ｏ３の出力信号であるパルス列をカウ
ントし、Ｄ／ＡＲ換し、モータ１１０１の出力軸１１０
０の回転角に応じた出力値Ｓｏを出力する。

ここで、目標値Ｓ、はサーボ機構３５の目標角度信号θ
ｏｏ、サーボ機構３６および３７の目標変位信号Ｘｏお
よびＹｏ、出力値Ｓｏはサーボ機構３５の動作角度信号
、サーボ機構３６および３７の動作変位信号に対応する
。

次に第１１ｍにより本装置の動作を説明する。

台車７の移動方向であるＸ方向および鉛直のＺ方向に対
しそれぞれφ１１３．ψ１１４傾斜している寸法Ｕ１２
１．Ｖ１２２なる研磨動作面］２０に対し、まず水平面
内で直交する直線移動自由度ｘ１１１およびＹ１１２、
水平面内で回転する自由度θｏ１１０にて大局的な位置
決めがなされる。

次に垂直面内で回転する自由度θｚ　１０１．自由度θ
２１０２にて局所的位置決めが行われ、垂直面内で回転
する自由度θ８１０３と自由度θ８１０３に垂交する自
由度θ４１０４により研磨機構１４の方向が決められ、
研磨動作面１２０に対し研磨機構１４がほぼ垂直に配置
される。

次に研磨機構１４の先端の位置決め目標値を研磨動作面
１２０に対し垂直方向かつ研磨面より奥の方向の一定値
とすることにより、主として自由度θ１１０１．自由度
θ２１０２のコンプライアンスにより研磨動作面１２０
に対し所定の押し付は力が発生される。

この時、自由度θ１１０１．自由度θｚ１０２による局
所的位置決めおよび自由度θδ１０３および自由度θ４
１０４による方向状めは、前述したたとえば第８図に示
したゴム人工筋による駆動機構により行われるが、良好
なコンプライアンス特性を祷ることのできる動作範囲す
なわちアームの姿勢は限られる。したがって、あらかじ
め研磨動作面１２０の寸法Ｕ１２１．およびｖ１２２を
これらの自由度の良好な特性の得られる動作範囲から決
まる寸法とし、各自由度がそれぞれの動作範囲の中心値
をとった時、研磨機構１４の先端が、研摩面１２０のほ
ぼ中心となるように自由度Ｘ１ｌｌ、Ｙ１１２およびθ
ｏ１１０で大局的な位置決めを行う、より大きな面を研
磨する時は、上記Ｘ１ｌｌ、Ｙ１１２．０．１１０の各
自由度を駆動し研磨動作面１２０が逐次全研磨面をおお
うように移動すればよい０図においては研磨動作面１２
０は平面を例として示したが凹凸がある場合も一定量以
下の凹凸に対しては自由度θａ　１０３゜自由度０番１
０４により局所的に対応し、研磨機構１４の先端を研磨
面に対してたえずほぼ垂直に保つ、一定量以上の方向変
化に対しては自由度Ｘ１１１．自由度Ｙ１１２．自由度
θｏ１１０の大局的位置決め動作により対応する。これ
らの動作はあらかじめティーチングしプレイバック動作
することにより実現される。

また、研磨機構１４の先端の研磨ヘッド７１の動きＷ７
２０の方向は自由度０１１０１．自由度θ２１０２＊　
自由度Ｏｓ　１０３に対し垂直であるため、研磨ヘッド
の動きＷ７２０により生じる機構系振動はこれらの自由
度により吸収され、上腕機構１０および前腕機＃！１２
の機械的剛性に依頼せず研磨ヘッド先端は正確に位置決
めされる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、大局的位置決めを直線および回転位置
決め機構で行い９局所的位置決めおよび力の制御をコン
プライアンスの高い回転自由度機構で行えるので、アー
ムの姿勢はほぼ一定となり位置および力を良好に制御で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体を示した図。 第２図および第３図は本発明の一実施例の部分を示した
図、第４図および第５図は本発明の一実施例の手先機ホ
彎を示した図、第６図は本発明の一実施例の自由度配置
を示した図、第７図は本発明の一実施例の制御系の構成
を示した図、第８図および第９図および第１０図は本発
明の一実施例の駆動機構の構成を示した図、第１１図は
本発明の一実施例の動作を示した図である。 ＩＡ、ＩＢ・・・支柱、２Ａ、２Ｂ・・・レール、７・
・・台車、１０・・・上腕機構、１２・・・前腕機構、
１４・・・手先機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体とその移動体に設けられたアーム手段とアー
   ム手段先端に配置された研磨手段とから構成されるロボ
   ットにおいて、前記アーム手段がゴム人工筋アクチュエ
   ータにより駆動される複数個のアームを備えたことを特
   徴とするロボット装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のロボット装置において
   、前記アーム手段は、いくつかの平行な回転軸で連結し
   、前記研磨手段の可動部可動方向は前記アーム手段の回
   転軸と垂直な方向に配置したことを特徴とするロボット
   装置。