(57)【要約】【課題】パラレルリンクロボットの駆動モータには、常に過大な負荷が繰返しかかることが多い。更に高速な動作や、過大な負荷をかける必要があるときには、一般には、より大型で高出力なモータを採用するか、減速機等をもちいて、トルクを増大する方法を採択することになる。しかしながら前記従来の技術では、パラレルリンクロボット自体の構成が、高出力化、大型化するために、コストアップを伴うという課題がある。【解決手段】本発明のパラレルリンクロボット２１は、移動開始点と移動終了点座標情報から、適切な移動姿勢を演算する機能を有し、移動開始前もしくは、移動中に、駆動負荷が軽減する姿勢をとり、移動を行うことを可能とする。【選択図】図１
2011230242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定プレートと可動プレートとをアームで連結したパラレルリンクロボットの可動プレートを移動させる動作方法において、
各アームの姿勢と前記アームに取付けられた各モータの負荷の姿勢負荷関係を予め求めておき、
前記可動プレートの移動目的位置が入力された場合に、前記姿勢負荷関係に基づいて前記可動プレートの姿勢を変化させて前記移動目的位置まで移動させること
を特徴とするパラレルリンクロボットの動作方法。
【請求項２】
前記可動プレートの姿勢を変化させて前記移動目的位置まで移動させる際に、前記可動プレートの移動開始前に、前記姿勢負荷関係に基づいて前記可動プレートの姿勢を変化させること
を特徴とする請求項１に記載のパラレルリンクロボットの動作方法。
【請求項３】
前記可動プレートの姿勢を変化させて前記移動目的位置まで移動させる際に、前記可動プレートの移動途中に、前記姿勢負荷関係に基づいて前記可動プレートの姿勢を変化させること
を特徴とする請求項１に記載のパラレルリンクロボットの動作方法。
【請求項４】
前記可動プレートの面中心の法線が前記固定プレートの略中心を向く方向に制御しながら前記可動プレートを移動させること
を特徴とする請求項２または３に記載のパラレルリンクロボットの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用途を主とするロボットの制御に関するものである。中でも、ロボットを固定する固定プレートと、エンドエフェクタなどの作用部材が取り付けられる可動プレートとの間を、複数のアームで連結した構造を持つパラレルリンクロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パラレルリンクロボットは、ロボットを固定する固定プレート、エンドエフェクタなどの作用部材が取り付けられる可動プレート、これらの間を連結するアーム及びロッドで構成される。アームは、固定プレートに対して、固有の１軸周りに固有の面内を旋回するよう取り付けられている。ロッドの両端は、ボールジョイントなど空間内を自由旋回する軸受で結合されており、各々のアーム、ロッドは、可動プレートで結合・拘束されながら、空間内で位置・姿勢を変えることができる。アーム回転位置をモータなどの駆動源で制御することによって、可動プレートの位置や姿勢を制御することができる。
【０００３】
パラレルリンクロボットとして、６軸のモータを独立制御することによって、可動プレート面を６自由度制御する方式などが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図９は、特許文献１の従来のパラレルリンクロボットの概略図である。図９に示すように、パラレルリンクロボット１は、可動プレート３およびエンドエフェクタ８が空間内で位置及び姿勢を自由に定義できるために、６つの自由度（可動軸）を有している。この例では、アーム４、ロッド７およびモータ５を、６組用い、それらの回転位置を独立に制御することによって、可動プレート３の位置及び姿勢を自在に設定する構造である。
【０００５】
図９に示すように、可動プレート３が水平保持されており、その中心位置が、固定プレート２中心の真下にあるような場合、６台のモータ５には、ほぼ均等なトルクが必要となる。しかし、可動プレート３の中心位置が固定プレート２中心の真下から離れる方向に移動したり、傾斜するなどした場合、各モータ５に必要な駆動力はモータごとに大きく異なることがある。各モータに必要な駆動力の一例を、図１０に示す。
【０００６】
ここで、それぞれのアーム４に、便宜上、軸１〜軸６の呼び名をつけ、軸１はアーム４ａ、軸２はアーム４ｂ、軸３はアーム４ｃ、軸４はアーム４ｄ、軸５はアーム４ｅ、軸６はアーム４ｆとする。これらのアーム４ａ〜４ｆは、それぞれ別個のモータ５ａ〜５ｆに一つずつ取り付けられ、その回転位置を独立に制御できる。また、便宜上、固定プレート２の中心を原点とし、アーム４ａ、アーム４ｂの中央外側に向かう方向をＸ軸、これに直交する方向をＹ軸と定義する。
【０００７】
図１０に示す表は、可動領域の端部に可動プレート３を移動した際の、各モータ負荷率を示すものである。この場合、可動プレート水平時の負荷率は、軸１、軸４の負荷が高く、それ以外の軸の負荷が低い。特に軸５は、極めて負荷が低く、ほぼゼロに近い。その他の軸も１、４軸の数分の一というレベルである。すなわち、可動領域の端部に可動プレート３が移動する場合、各モータ負荷率には、大きな差が存在する。
【０００８】
パラレルリンクロボットのモータには、常に過大な負荷が繰返しかかることが多い。そのため、高速な動作や、過大な負荷をかける必要があるときには、一般には、より大型で高出力なモータを採用するか、減速機等をもちいて、トルクを増大する方法を採択することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２７００７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記従来の技術では、パラレルリンクロボットの可動プレート位置によって、モータの負荷にアンバランスが生じる。そのため、モータの負荷にバラツキがあっても、ピークの負荷率を呈するモータによって動作が制限され、他のモータに余裕があっても高速動作が望めないことがある。高速な動作や、過大な負荷をかける必要があるときには、一般には、より大型で高出力なモータを採用するか、減速機等をもちいて、トルクを増大する方法を採択することになる。だが、この場合、パラレルリンクロボット自体の構成が、高出力化、大型化するために、コストアップを伴うという課題がある。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであって、大型化せずに高速動作を実現しうるパラレルリンクロボットの動作方法を実現する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のパラレルリンクロボットの動作方法は、固定プレートと可動プレートとをアームで連結したパラレルリンクロボットの可動プレートを移動させる動作方法において、各アームの姿勢と前記アームに取付けられた各モータの負荷の姿勢負荷関係を予め求めておき、前記可動プレートの移動目的位置が入力された場合に、前記姿勢負荷関係に基づいて前記可動プレートの姿勢を変化させて前記移動目的位置まで移動させること
を特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、モータ負荷のピーク値が低減し、同じモータの定格内で、より迅速な動作を行うことが可能となる。または、同じ速度を実現するのに、より低出力なモータを選定することが可能となり、パラレルリンクロボットの部材コストを低減することが可能となる。したがって、パラレルリンクロボットにおいて、大型化せずに高速動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１のパラレルリンクロボットの概略図
【図２】本実施の形態１のパラレルリンクロボットの軸配置を示す概念図
【図３】本実施の形態１の可動プレートの姿勢例を示す概念図
【図４】本実施の形態１の予め可動プレートを傾斜する場合のフローチャート
【図５】本実施の形態１の可動プレート傾斜角を変えながら移動する場合のフローチャート
【図６】本実施の形態１のモータ各軸の負荷の変化を示す図
【図７】本実施の形態１の可動プレートの傾きによるモータ負荷の変化を示す図
【図８】本実施の形態１のモータ負荷の高い駆動方向例を示す図
【図９】従来のパラレルリンクロボットの概略図
【図１０】従来のパラレルリンクロボットでのモータ負荷割合を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して、適宜説明を省略する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のパラレルリンクロボットの概略図である。
【００１７】
図１において、パラレルリンクロボット２１は、固定プレート２と可動プレート３とをアーム４で結合しており、このアーム４の位置や姿勢を制御して、可動プレート３の自動動作を制御する。アーム４は、モータ５の主軸に接続されており、モータ５は、そのフランジ面をプレート６に固定し、このプレート６を、固定プレート２に結合している。可動プレート３が、空間内で位置及び姿勢を自由に定義できるためには、６つの自由度（可動軸）が必要である。本実施の形態１では、アーム４およびモータ５を６組用い、それらの回転位置を独立に制御することによって、可動プレート３の位置及び姿勢を自在に設定する構造である。
【００１８】
アーム４は、固有の１軸周りに固有の面内を旋回するよう取り付けられている。ロッド７の両端は、ボールジョイントなど空間内を自由旋回する軸受で結合されており、各々のアーム４、ロッド７は、可動プレート３で結合されながら、空間内で位置と姿勢を変えることができる。アーム４の回転位置をモータ５などの駆動源で制御することによって、可動プレート３の位置や姿勢を制御することができる。動作制御を行うのは、動作制御部９である。動作制御部９は、姿勢制御部１０を有する。可動プレート３には、対象物を把持するためのエンドエフェクタ８が取り付けられている。
【００１９】
図２に示すのは、本実施の形態１のパラレルリンクロボット２１の軸配置を示す概念図である。これは、固定プレート２を上方から俯瞰した概念図であり、６本のアーム４は、平行な２本を一組として、３組を円周方向に１２０度均等割で配置する構造をとる。
【００２０】
ここで、それぞれのアーム４に、便宜上、軸１〜軸６の呼び名をつけ、軸１はアーム４ａ、軸２はアーム４ｂ、軸３はアーム４ｃ、軸４はアーム４ｄ、軸５はアーム４ｅ、軸６はアーム４ｆとする。これらのアーム４ａ〜４ｆは、それぞれ別個のモータ５に一つずつ取り付けられ、その回転位置を独立に制御できる。また、便宜上、固定プレート２の中心を原点とし、アーム４ａ、アーム４ｂの中央外側に向かう方向をＸ軸、これに直交する方向をＹ軸と定義する。
【００２１】
なお、以下の説明において、アームの負荷と記載しているのは、そのアームに取付けられたモータの負荷のことを示す。
【００２２】
ここで、可動プレート３の中心が、ある任意の点１１（座標の参考として、Ｘ＝１４０ｍｍ，Ｙ＝１４０ｍｍ）にあるとき、各軸のモータ負荷率を計測した例が、図１０に示す表である。この例において、可動プレート３と固定プレート２は、平行である。このとき、可動プレート水平時の負荷率は、軸１（アーム４ａ）、軸４（アーム４ｄ）の負荷が高く、それ以外の軸の負荷が低い。特に軸５（アーム４ｅ）は、極めて負荷が低く、ほぼゼロに近い。その他の軸も軸１（アーム４ａ）、軸４（アーム４ｄ）の数分の一というレベルである。動作領域１２は、可動プレート３の中心が動作可能な範囲の境界を示している。この動作領域１２は、図では円形状で示しているが、厳密に円形になるとは限らない。
【００２３】
前述のとおり、ピークの負荷率を呈するモータ５によって動作は制限されるため、他のモータ５に余裕があっても、高速動作が望めないことがある。
【００２４】
パラレルリンクロボット２１は、構造上、固定プレート２から可動プレート３を、長さの等しいアーム４ａ〜４ｆで吊り下げる構造であるため、固定プレート２の中心の真下へ、可動プレート３の中心が向かう方向へ移動する場合は、比較的負荷が軽い。逆に、動作領域１２の境界に向かう方向へ移動する場合は、比較的負荷が高い。そこで、発明者らは、軸１（アーム４ａ）、軸４（アーム４ｄ）のように、負荷の高いモータ軸の負荷を低減し、その他の軸のように、負荷の低いモータ軸の負荷を高めて、各軸間のモータ負荷バランスを平準化し、安定した駆動力を確保する方法について検討し、考案した。
【００２５】
発明者らが考案したパラレルリンクロボットにおいて、各軸間のモータ負荷バランスを平準化し、安定した駆動力を確保する方法について、図３〜図８を用いて説明する。
【００２６】
図３は、本発明の特徴である、より小さな初動負荷の姿勢をとった後に直線移動を行う場合の、本実施の形態１の可動プレートの姿勢例を示す概念図である。本実施の形態１では、姿勢３０１〜３０４のように、可動プレート３中央の法線が、およそ固定プレート２の中央付近を向くように、プレート面を変化させながら移動させることで、動作負荷を低減する。なお、ここで、初動時の負荷を低減するため、姿勢３０２を予めとり、この状態を保持して目的位置まで移動した後、必要な姿勢に遷移させてもよい。
【００２７】
図４に示すのは、実施の形態１の予め可動プレートを傾斜して移動する場合のフローチャートである。
【００２８】
図４において、θは、可動プレート３がその場で傾斜可能な角度であり、θ０は、固定プレート２の中央と可動プレート３の中央を結ぶ直線が、鉛直となす角である。また、θ１は、可動プレート３の上面が水平となす角である。
【００２９】
まず、傾斜可能な角度θが、θ０より大きいか否かを調べる。（ステップＳ１）。
【００３０】
傾斜可能な角度θが大きく、可動プレート３中央の法線が固定プレート２の中央付近を向くようにプレート面を傾斜できる場合（ステップＳ１のｙｅｓの場合）、可動プレート３をθ０傾斜させる。（ステップＳ２）。
【００３１】
逆に、傾斜可能な角度θが小さく、可動プレート３中央の法線が固定プレート２の中央付近を向くようにプレート面を傾斜できない場合（ステップＳ１のｎｏの場合）、傾斜可能な角度θだけ、固定プレート２の中央付近を向くように可動プレート３を傾斜させる。（ステップＳ３）。
【００３２】
そして、ステップＳ２またはステップＳ３で可動プレート３を傾斜させた状態で、可動プレート３を目的の位置へ移動させる。（ステップＳ４）。
【００３３】
図５に示すのは、本実施の形態１の別形態の可動プレート３の傾斜角を変えながら移動する場合のフローチャートである。
【００３４】
この別形態では、まず、移動経路を複数の区間（点）に分割し、各点におけるθ０を求める。（ステップＳ１１）。
【００３５】
その後、図４で説明した姿勢制御部１０からの指示に従い、各点における傾斜角を求める。（ステップＳ１、Ｓ１２、Ｓ１３）。
【００３６】
そして、各点ごとに傾斜角を変化させながら、目的の位置へ移動させる。（ステップＳ１４）。
【００３７】
そして、これらの動作を目的の位置にたどり着くまで続ける。（ステップＳ１５）。
【００３８】
この方法について、図５に説明する。
【００３９】
好適な傾斜角θ１と、固定プレート２の中央と可動プレート３の中央を結ぶ直線が、鉛直となす角度θ０との関係は、下記（式１）の関係を満たす。
【００４０】
【数１】
2011230242.tif 000003
【００４１】
上記（式１）となる根拠を、実測に基づき、次に述べる。
【００４２】
図６は、ある任意の点１１（座標の参考として、Ｘ＝１４０ｍｍ，Ｙ＝１４０ｍｍ）に可動プレート３を移動させ、その位置で静止した際の、各モータ負荷率を表に示したものである。
【００４３】
図６では、可動プレート３を保持する角度θ１ごとに各軸の負荷率を示している。この位置において、θ０＝１０°であった。６台のモータ負荷の合計は、θ１＝５°のときが最も小さいとわかる。また、比較的負荷の高い軸１はθ１＝１０°あたり、軸４はθ１＝５°あたりで比較的負荷が低減している。このときの低減率は、水平保持時と比較して、総合負荷で約５％、負荷の高い軸では約７〜９％程度負荷が低減することがわかる。
【００４４】
図６の結果より、本実施の形態１の方法を用いれば、高負荷のモータ軸のピーク値を低減することが出来る。そのため、負荷限度状態で、それ以上負荷のかかる方向へ駆動できない状況であっても、余裕を生み出して動作可能とすることが出来る。また、そのような限界状況でない場合でも、より大きな加減速や速度を出すことが可能となり、パラレルリンクロボットの持つポテンシャルを最大限に発揮することを可能とする。よって、予め図６に示す対応表（姿勢負荷関係の対応表）を求めておき、この表に基づいて、可動プレートを予め傾斜または移動中に傾斜させながら移動させることで、負荷の低いモータ軸の負荷を高めて、各軸間のモータ負荷バランスを平準化し、安定した駆動力を確保する方法を実現できる。このように動作制御によって負荷を低減できるので、パラレルリンクロボットを大型化させることなく、高速化などを行うことができる。
【００４５】
図７は、可動プレートの傾きによる、モータ負荷の合計、すなわち総合負荷の変化を示すグラフである。前述のとおり、θ１＝５°において、最も負荷が低減している。これによって、前述の（式１）が妥当性であることが分かる。
【００４６】
図８は、本実施の形態１のモータ負荷の高い駆動方向例を示す図である。なお、図８は、固定プレート２を上方から俯瞰した概念図である。
【００４７】
従来の構成の場合、軸１および軸４の負荷が高かった。このとき、固定プレート２の中心から、軸１および軸４へ向かうベクトルの合算方向である矢印１４が、可動プレート３を駆動するのに、負荷がより高まる方向である。従来の構成の場合は、軸１と軸４が最大出力で可動プレートを保持しているので、この方向１４へ可動プレート３を動かすことはできなかった。
【００４８】
しかしながら、本発明では、可動プレート３を前述の方法で傾斜させて軸１及び軸４の負荷を低減することが可能である。そのため、本実施の形態１では、この方向１４へ可動プレート３を動かすことが可能となる。
【００４９】
このように、本発明のパラレルリンクロボットの動作方法は、モータ負荷のピーク値や全モータ総合負荷を低減し、モータの定格内で、駆動力に余裕をもたらすことが、可能である。
【００５０】
パラレルリンクロボットは、高速動作を特徴とするため、その能力の限界近傍で動作させることが多い。従って、モータには常に過大な負荷が繰返しかかる。更に過大な負荷をかける必要があるとき、一般には、大型で高出力なモータを採用するか、減速機等をもちいて、トルクを増大する方法を採択することになる。現状の構成のままで、更に過負荷をかけうる制御機能を有することは、パラレルリンクロボットの持つポテンシャルを最大限に発揮することを可能とする重要機能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の方法及び装置によれば、パラレルリンクロボットの駆動動作おいて、駆動力に余裕をもたらすことが可能であり、このようなパラレルリンクロボットに利用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１、２１  パラレルリンクロボット
２    固定プレート
３    可動プレート
４    アーム
５    モータ
６    プレート
７    ロッド
８    エンドエフェクタ
９    動作制御部
１０  姿勢制御部
１１  任意の点
１２  動作領域
１４  矢印
３０１〜３０４  姿勢
【図１】
2011230242.tif 000004
【図２】
2011230242.tif 000005
【図３】
2011230242.tif 000006
【図４】
2011230242.tif 000007
【図５】
2011230242.tif 000008
【図６】
2011230242.tif 000009
【図７】
2011230242.tif 000010
【図８】
2011230242.tif 000011
【図９】
2011230242.tif 000012
【図１０】
2011230242.tif 000013