(57)【要約】【課題】改良されたロボティックアーム装置及びこれに関連する「デルタ」配置で構成されたロボットを改良する方法を提供する。 【解決手段】ロボティックアーム装置は、各々のリニアアクチュエータの各々のエンドが少なくとも１並進自由度を有するように三角形の配置の３つのリニアアクチュエータに接続された３つの実質的に同一の移動可能なアームアセンブリを備える。【選択図】図５
2021500244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良されたデルタ構成のロボティックアーム装置であって、
共通の中間点の周囲にある等角度間隔の３つの回転可能な取付点を有する平面ベースと、
各々の移動可能なアームアセンブリが前記回転可能な取付点の１つに回転可能に取り付けられた、３つの実質的に同一の移動可能なアームアセンブリであって、
・それぞれの前記回転可能な取付点に回転可能に取り付けられた、ジョイントエンド、アクチュエータエンド及びロアアームエンドを有する剛性ベルクランクと；
・ベルクランクロアアームエンドに回転可能に取り付けられたジョイントエンド及び回転可能なプラットフォーム取付点エンドを有するロアアーム対と；を備え、
各々のプラットフォーム取付点がそれぞれのロアアームの回転可能なプラットフォームエンドに取付点に回転可能に取り付けられる、３つの取付点を備えるエンドエフェクタプラットフォームと、
各々のリニアアクチュエータが２つのエンドを有し、３つのリニアアクチュエータが三角形に配置されるように、各々のエンドが２つのベルクランクアクチュエータエンドの間に接続される３つの実質的に同一のリニアアクチュエータと、を備える、ロボットアーム装置。
【請求項２】
前記３つのリニアアクチュエータの各々に別個に電力を供給するように構成された電源と、
前記ベースに対する所望の位置に前記エンドエフェクタプラットフォームを配置する目的で、前記各々のリニアアクチュエータにコントロール可能に電力を印加するようにプログラムされたハードウェアコントローラと、
をさらに備える、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項３】
所望のエンドエフェクタプラットフォーム位置の入力を各々の前記リニアアクチュエータの長さに変換するソフトウェア命令を実行する、前記ハードウェアコントローラと通信するコンピュータプログラム製品をさらに備え、
前記ハードウェアコントローラは、各々の前記リニアアクチュエータに各々の長さを確立するように電力を印加する、請求項２に記載のロボティックアーム装置。
【請求項４】
前記コンピュータプログラム製品が、所望のエンドエフェクタプラットフォーム位置の入力を各々の前記リニアアクチュエータの長さに変換するための変換行列関数を備える、請求項３に記載のロボティックアーム装置。
【請求項５】
前記コンピュータプログラム製品が、第１の位置から前記所望の位置までの前記エンドエフェクタプラットフォームのパスを生成するためのソフトウェア命令をさらに備える、請求項３に記載のロボティックアーム装置。
【請求項６】
各々の前記リニアアクチュエータの各々のエンドが少なくとも１並進自由度を有する、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項７】
前記リニアアクチュエータエンドの少なくとも１つがユニバーサルジョイントを備える、請求項６に記載のロボティックアーム装置。
【請求項８】
前記リニアアクチュエータエンドの少なくとも１つが球形ジョイントを備える、請求項６に記載のロボティックアーム装置。
【請求項９】
前記リニアアクチュエータエンドの少なくとも１つは、各ジョイントが他のジョイント軸と交差しない軸を有する回転ジョイント対を有するオフセットジョイントを備え、さらに、それぞれのリニアアクチュエータは、シャフトの縦軸に沿って回転又は捻じれるように構成されたシャフトを備える、請求項６に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１０】
前記剛性ベルクランクが、三角形、台形、及びトラスアセンブリのうちの１つを備える、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１１】
前記平面ベースを含まない装置の質量中心は、前記平面ベース取付点によって境界付けられた容積内にあり、前記共通中点の側にある、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１２】
前記移動可能なアームアセンブリ及び前記リニアアクチュエータは、前記エンドエフェクタプラットフォームを、前記平面ベースの３つの回転可能な取付点によって規定される平面の両側に配置できるように構成される、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１３】
前記ロアアームは、２つの実質的にパラレルなロアアーム部材のアセンブリを備える、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１４】
前記ロアアームジョイントエンドがオフセットジョイントを備え、前記ロアアームジョイントエンドが少なくとも２回転自由度を有する、請求項１３に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１５】
前記ロアアームジョイントエンドは、回転ジョイントを備える、請求項１に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１６】
前記ロアアームジョイントエンド回転ジョイントは、少なくとも２回転自由度を備える、請求項１５に記載のロボティックアーム装置。
【請求項１７】
修正されたデルタ構成に配置された改良されたロボティックアームシステムをコントロールする方法であって、
請求項２に記載のデルタ構成ロボティックアーム装置を提供するステップと、
前記エンドエフェクタプラットフォームの所望の位置を自動計算するステップと、
前記自動計算ステップに基づいて１以上のアーム装置のリニアアクチュエータに電力を印加するステップと、
前記電力印加ステップに応じて１以上のリニアアクチュエータの所望の長さを確立するステップと、
前記確立ステップに応じて所望の位置にエンドエフェクタプラットフォームを所望の位置とするステップと、
を備える方法。
【請求項１８】
前記自動計算ステップは、コンピュータソフトウェア命令を実行して、機械座標系の所望の位置をアーム座標系に変換することを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記自動計算ステップは、前記アーム座標系の前記所望の位置に対応する各々のリニアアクチュエータの所望の長さの出力をさらに提供する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
所望のエンドエフェクタプラットフォームの速度を取得するステップと、
前記取得ステップに応じて各リニアアクチュエータのリニアアクチュエータ変化率を自動決定するステップと、
１以上のリニアアクチュエータの望ましい速度を確立するために、前記自動決定ステップに基づいてリニアアクチュエータに電力を供給するステップと、
をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良されたロボティックアーム装置及び「デルタ」配置で構成されたロボットを改良する関連方法に関する。
【０００２】
「デルタ」型ロボットは、本発明の技術分野において周知である。デルタロボットの重要なジオメトリな概念は、エンドプラットフォームの移動を純粋な並進に制限するように配置可能なパラレログラムを用いて、すなわち、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のプラットフォームの移動が回転しないようにすることにある。従来のデルタロボットのベースはワークスペース上に据え付けられており、全てのアクチュエータがベースに配置されている。３つのジョイントアームは、ベース中央の境界内に配され、ベースから延びている。ジョイントアームエンドは、小さな三角形のプラットフォームに接続されている。この配置から、アームのベース側での入力リンクが作動すると、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿って三角形のプラットフォームが移動する。
【０００３】
デルタロボットの作動は、リニアアクチュエータ又は回転アクチュエータのいずれかを用いて実行することができる。アクチュエータは、減速機構の有無に拘わらず、直接駆動モータなどで構成できる。従来のデルタロボットの設計者は、ベースに全てのアクチュエータを配置し、アームを軽量複合材料で製作しようとする。その結果、デルタロボットの移動部の慣性が小さくなる場合がある。また、小さな慣性によって、アームはより高速化され、かつ、高加速化される。全てのアームがエンドエフェクタに一緒に接続されると、ロボットの剛性は向上するが、この配置はそのワーキングボリューム及び運動範囲を減少させる場合がある。デルタロボットの設計の更なる詳細は、Https://en.wikipedia.org/wiki/Delta_robot#Designを参照することができる。
【０００４】
図１は、移動可能なエンドプラットフォームに配置された固定ベースにスライド可能に配された３つのリニアアクチュエータを有する、典型的な従来技術のデルタロボット１０を示す。リニアアクチュエータは、直動方向に沿って固定ベースの中央ジョイントの周囲に配置され、ロアアーム対のエンドに配置されるプラットフォームに影響を与える。この従来技術のデバイスのようなデルタロボットは、ピックアンドプレース操作など、軽負荷で高速を必要とする操作に最適である。
【０００５】
ここで説明される改良されたハイブリッドデルタロボットは、特に３Ｄプリンティング、レーザーカッター、ライトミーリングのように、適度な負荷及び速度を必要とするワーキング条件では、従来のデルタ設計よりも優れている場合がある。これらの用途では、アクチュエータ一体型モータの重量及び慣性は許容される。しかし、そのような従来技術のデルタロボットには、いくつかの欠点がある。図１からわかるように、ベースの配置は、エンドプラットフォームの位置付けをベースの片側に制限するため、これでは所望の運動範囲を取得するためにワークボリュームの更に上でベースを支持することによって高価になる場合がある。従来技術のアームにおけるリニア方式の位置合わせは、正確に操作するためは複雑となる場合があり、これによってデバイスを迅速に分解して移動する性能が制限される。さらに、従前の設計で要求される直動リニア方式は非常に高価であり、大型ロボットにとっては莫大な費用がかかる。精密なロータリーアクチュエータも、一般的に高価である。
【０００６】
したがって、従来技術によって示される問題を回避する、より良いデルタ構成ロボットが必要である。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の原則に従い、新規かつ進歩した改変の「デルタ」型のアーム構造を備える改良されたロボッティックアームデバイス装置が記載されている。改良されたハイブリッドデルタロボットの設計は、新規かつ有用に配置された幾つかの部品を備えている。固定ベースは、３つのベルクランクアームを支持する。各々のベルクランクアームは、それぞれのロアアーム対に回転可能に接続されており、本アームデルタロボットの設計のものと同様であってもよいし、そうでなくてもよい。エンドプラットフォームは、各々のロアアームに取り付けられており、また、エンドプラットフォームは、本デルタロボットの設計のものと同様となるであろう。
【０００８】
３つのリニアアクチュエータは、ロボットを駆動する。アクチュエータはユニークな三角形状に配置され、各々のアクチュエータエンドは２つのベルクランクアームのベースエンド以外に接続される。コントローラ及び電力増幅器は、アクチュエータモータの動力及びコントロールを供給する。
【０００９】
改良されたデルタロボットのコントロールは、ソフトウェア命令を実行するハードウェアコンピュータプロセッサ形式で、電子コントロールソフトウェア及び／又はファームウェアにコンピュータライズされることが好ましい。コンピュータは、リニアアクチュエータのセットを駆動して、エンドプラットフォームを所望の位置とするように、関連パワー及びモータコントロール回路をコントロールする。
【００１０】
標準的なデルタ設計と対比すると、改良された装置は同様にロアアーム対及びエンドプラットフォームがジオメトリである。しかし、改良されたデルタロボットのベースは、ロアアーム及びワークエリアの上方の中間の高さにオプションとして配されてもよい。さらに、従来技術のリニアアクチュエータは、高価な直動方式に代わる回転ジョイントと組み合わせることもできる。
【００１１】
本発明のハイブリッドロボットの利点はいくつかあり、ここでの説明から明らかになる。本発明のハイブリッドデルタロボットは、高価な回転アクチュエータの代わりにリニアアクチュエータを用いることによって安コストを実現し、同時にバックラッシュのない許容可能な速度及び正確さを有する。改良された設計では、ロータリージョイントが高価な直動リニア方式に代わって用いられるので、さらにコストが削減される。
【００１２】
第二に、本発明のハイブリッドデルタの設計における質量及び力の大半は、簡易な三角形のベースの中間の高さにあるので、他のデルタの高く完全に囲まれたフレームを排除することができる。本質的に軽量で硬い四面体アームを、この設計に採用することもできる。また、設計は容易に拡張し得る。改良されたデルタロボットの基本設計は、卓上に収まるほどの小さいものから、建物を３Ｄプリントするような十分大きいものまで同じである。
【００１３】
標準的なデルタロボットと対比して、ハイブリッド設計は、以下の際立った特徴も有する。
【００１４】
１．ツール及びアームの重力によって生成される力の大部分は、アームが内側に回転するように作用する。軽量での用途の場合、この特性はアクチュエータのバックラッシュを更に減少又は排除する。
【００１５】
２．本設計の３点のベースによって反りを最小限に抑えることができるので、従来の設計の典型的な長方形ベースと対比して、常にしっかり固定される。デカルト座標系つまりＸＹＺ座標で操作するデバイスは、一般的に、３軸全てが相互に直角になるように構築（又は校正）することが必要であり、そのため各々の軸はパラレル方式でしばしば構築される。このような従来の機械は、設置後に水平にする必要があり、そうしないとこれらは自重で反ってしまう。
【００１６】
３．本設計の較正はより簡易である。平面上での円形経路の簡易なプロービングによって、その配置に直交するＸＹＺ運動が生じるはずである。
【００１７】
４．三角形の構造は、分解することができ、まったく同じ形に容易に再組立することができる。これは、戸口を通って移動して車に運搬するときの携帯性、及び、未使用時に床のスペースを占有しない保管性の点で有利である。
【００１８】
このように、本発明の様々な実施形態に従えば、改良されたデルタ構成のロボティックアーム装置は、共通の中間点の周囲に等角度間隔で配置された３つの回転可能な取付点を有する平面ベースを備えると説明される。各々が回転可能な取付点の１つに回転可能に取り付けられた３つの実質的に同一の移動可能なアームアセンブリは、各々、それぞれの回転可能な取付点に回転可能に取り付けられた、ジョイントエンド、アクチュエータエンド及びロアアームエンドを有する剛性ベルクランクを備えている。各々のロアアームは、ベルクランクロアアームエンドに回転可能に取り付けられたジョイントエンド及び回転可能なプラットフォーム取付点エンドを含む。この装置は、３つの取付点を備えるエンドエフェクタプラットフォームをさらに含み、各々のプラットフォーム取付点は、それぞれのロアアームの回転可能なプラットフォーム取付点エンドに回転可能に取り付けられる。３つの実質的に同一のリニアアクチュエータは、各々２つのエンドを有する。各々のリニアアクチュエータエンドは、２つのベルクランクアクチュエータエンドの間に接続され、３つのリニアアクチュエータが三角形に配置される。好ましい実施形態では、各々のリニアアクチュエータの各々のエンドは、正確な１並進自由度を有する。
【００１９】
ロボティックアーム装置のコントロールは、所望のエンドプラットフォームの位置をリニアアクチュエータの長さセットに変換し、各々のリニアアクチュエータを所望の長さにするための電力に対応する信号を生成するためのソフトウェア命令を実行するコンピュータプログラム製品のコントロールの下で、ハードウェアコンピュータシステムを用いることもできる。
【００２０】
ハイブリッドデルタロボットにおける移動可能な部材間のジョイントの様々な実施形態も説明される。ジョイントの例としては、ユニバーサルジョイント、球面ジョイント、オフセットジョイントがある。
【００２１】
本発明の別の実施形態に従えば、上記要約のハイブリッドデルタロボットの位置決めのコントロール方法が説明される。１つの好ましい方法は、前述のデルタ構成ロボティックアーム装置を提供するステップと、エンドエフェクタプラットフォームの所望の位置を自動計算するステップと、前記自動計算ステップに基づいて１以上のアーム装置のリニアアクチュエータに電力を印加するステップと、前記電力印加ステップに応じて１以上のリニアアクチュエータの所望の長さを確立するステップと、前記確立ステップに応じてエンドエフェクタプラットフォームを所望の位置とするステップと、を含む。
【００２２】
上記方法の実現は、好ましくは、機械座標系の所望の位置をアーム座標系に変換するためのコンピュータソフトウェア命令の実行による。エンドプラットフォームの速度及び経路は、オプションとして、この方法に含めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術のデルタ構成ロボットを示す。
【図２】本発明に従うハイブリッドデルタロボットの一実施形態を示す。
【図３】ハイブリッドデルタロボットベースの一実施形態を示す。
【図４】ハイブリッドデルタロボットのベルクランクアームの一実施形態を示す。
【図５】ハイブリッドデルタロボットのアクチュエータ配置の一実施形態を示す。
【図６】ハイブリッドデルタロボットの移動アームの接続配置の一実施形態を示す。
【図７】ハイブリッドデルタロボットのベルクランクアームの他の実施形態を示す。
【図８】アクチュエータ回転可能なエンドジョイントへのベルクランクアームの一実施形態を示す。
【図９】アクチュエータ回転可能なエンドジョイントへのベルクランクアームの他の実施形態を示す。
【図１０】アクチュエータ回転可能なエンドジョイントへのベルクランクアームのさらに別の実施形態を示す。
【図１１】各々のジョイントアセンブリがオフセットリンクを備える、ベルクランクとロアアームのロアアームエンドとエンドプラットフォームとの間のジョイントアセンブリの実施形態を示す。
【図１２】ベルクランクとロアアームとエンドプラットフォームとの間のオフセットリンクを有するジョイントアセンブリの実施形態の詳細図を示す。
【図１３】オフセットリンクのない装置コントロールシステムの理解に用いる座標系図を示す。
【図１４】オフセットリンクを含む装置コントロールシステムの理解に用いる代替座標系図を示す。
【図１５】本発明のハイブリッドデルタロボットアセンブリの使用方法を示す。
【図１６】本発明のハイブリッドデルタロボットの例示的なコントロールシステムを示す。
【発明の実施の形態】
【００２４】
ここで例示に移ると、図２は、本発明のハイブリッドデルタ構成のロボティックアーム装置１００の基本的な実施形態のワイヤフレーム斜視図である。ロボット装置は、幾つかの部品で構成されている。固定平面ベース１１０は、機構全体の支持を提供する。図２では、平面ベース１１０は、説明を簡単にするために円で示されているが、他の形状で配置されてもよい。
【００２５】
ベース１１０には、３つの取付点１３１，１３２，１３３が付加されており、好ましくは、これらは図３に示すようにベースの中心点などの共通の内部の中間点の周囲に、等間隔すなわち１２０度間隔で配置される。各々の取付点１３１，１３２，１３３は、取付点によって規定される円に概ね接する回転可能な軸を含む。
【００２６】
この装置は、３つの実質的に同一の移動可能なアームアセンブリを含み、各々がベースの回転可能な取付点１３１，１３２，１３３の１つに回転可能に取り付けられている。各々のアームアセンブリは、いくつかの要素を含む。ベルクランクアーム要素１２１，１２２，１２３は、それぞれ、ベース取付点１３１，１３２，１３３の１つに回転可能に取り付けられたジョイントエンドを含む。
【００２７】
各々のベルクランクアーム要素は、さらに２つの他の取付点を含む。ベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５１，１５２，１５３は、各々のベルクランクを３つのリニアアクチュエータ１６１，１６２，１６３のうち２つに回転可能に接続する。この配置によって、リニアアクチュエータのコントロールされた長さの変化によって引き起こされる、ベース取付点周りでの各々のベルクランクの回転移動が可能となる。
【００２８】
各々のベルクランクアーム要素の３つの取付点は、概してジョイント１７０とも示される、ベルクランク−ロアアームジョイント１７１，１７２，１７３である。各々のベルクランク−ロアアームジョイント１７１，１７２，１７３は、ロアアーム１４１，１４２，１４３に回転可能に取り付けられように配されている。従来技術のデルタロボットのように、各々のロアアームは、パラレルリンクを形成する内側アーム対として配されている。３つの内側アーム対が組み合わされた動作は、エンドプラットフォーム１８０を、回転のない並進移動可能にのみ制限する。また、各々のロアアーム１４１，１４２，１４３は、エンドエフェクタプラットフォーム１８０に接続するためのジョイント１８１，１８２，１８３を備える。ジョイント１８１，１８２，１８３は、ジョイント１７１，１７２，１７３と同様とすることができる。
【００２９】
エンドプラットフォーム１８０は、ツーリング、ピックデバイス、コーティングスプレーヘッドなどを据え付けることができるロボットのエンドエフェクタを備える。プラットフォーム１８０は、そのようなツーリングの取り付け（図示せず）を可能にする従来技術の特徴を含むことができる。エンドプラットフォーム１８０は、各々のロアアーム取付点に回転可能に取り付けられる結果、プラットフォームは、動作中に、回転せずに好ましくは操作ボリューム全体を並進する。
【００３０】
また、図２においてｄ１，ｄ２及びｄ３で示す、リニアアクチュエータ１６１，１６２，１６３の各々の長さについては後述する。各々のアクチュエータは相互に実質的に同一であり、既知のリニアアクチュエータから選択することができる。各々のリニアアクチュエータの一エンドは、一のベルクランクアクチュエータエンドに接続されており、アクチュエータの他エンドは、他のベルクランクアクチュエータエンドに接続されている。したがって、リニアアクチュエータ１６１（ｄ１），１６２（ｄ２）及び１６３（ｄ３）は、アクチュエータのそれぞれコントロールされた長さに関係なく、三角形状に現れるように配置される。
【００３１】
図１６は、アクチュエータモータ用のコントローラ及び電力増幅器の例示的な配置１６００を示す。これらの配置は、リニアアクチュエータｄ１，ｄ２及びｄ３の各々を所望の長さで位置させることによって、ハイブリッドデルタロボットエンドプラットフォームを置き、それらの組み合わせは所望のエンドプラットフォームの位置に対応している。所望のエンドプラットフォーム位置に対するｄ１，ｄ２，ｄ３の所望の長さの各々の組み合わせは、コンピュータプログラム製品のコントロールの下で、コンピュータハードウェアコントローラ１６０４によって確立されるジオメトリ変換を通じて計算することができる。コンピュータプログラム製品は、所望のエンドエフェクタプラットフォーム位置の入力、たとえば図１６に示す「Ｃ」を各々のリニアアクチュエータの長さに変換するソフトウェア命令を実行する。
【００３２】
コントローラ１６０４は、コントロール信号を電源１６０２に送信し、リニアアクチュエータ１６１，１６２，１６３の各々を所望の長さまで別個に駆動する。別個にコントロールされる電力供給１６０２ａ，１６０２ｂ，１６０２ｃは、図１６ではメイン電源内に配されているように示されているが、電力供給はリニアアクチュエータ自体にあってもよいと理解される。
【００３３】
電源１６０２は、バッテリーで駆動されてもよい。もちろん、電源１６０２は、外部電源１６０６から電力供給されてもよい。
【００３４】
コンピュータコントローラ１６０４は、好ましくは、所望の位置にエンドプラットフォームが位置するように、各々のリニアアクチュエータにコントロール可能に電力を印加する、ハードウェアコンピュータプロセッサ及び関連回路である。電子コントロールソフトウェア及び／又はファームウェアは、ソフトウェア命令を実行するハードウェアコンピュータプロセッサ形式であることに加えて、電力コントロール回路に関連するものが好ましい。図１６にＦＢと示されているフィードバックコントロールのアルゴリズムは、位置センサからの入力を受け取り、プラットフォームをより正確かつ確実に位置させるためにオプションとして用いることができる。
【００３５】
また、図２は、長さｄ１がベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５１（後述する目的のためにＡ１としても示されている）に対向することを示す。長さｄ２は同様にベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５２に対応している。長さｄ３も同様にベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５３に対応している。このような参照符号は、その装置のコントロール方法の説明で明らかとなる。
【００３６】
図３〜図１１は、ハイブリッドロボットコンポーネントの様々な好ましい詳細を示す。図３は、３つのベルクランクアームの各々の３つの取付点１３１，１３２，１３３を支持する好適な固定平面ベース１１０の上面斜視図及び側面図を示す。各点は、理想的には、円の周囲にΘで示されるように１２０度間隔で配されている。機械のデカルト（ｘｍ，ｙｍ，ｚｍ）座標系の原点は、３つの接続点間の位置（０，０，０）によって表される中間点にある。この実施形態では、取付点に取り付けられるアームは、反時計回りに番号が付されている。
１．取付点１３１は、ｘｍ軸の左側に配されている。
２．取付点１３２は、ｘｍ軸の右下側に配されている。
３．取付点１３３は、ｘｍ軸の右上側に配されている。
【００３７】
平面ベース１１０は、図示及び説明を簡易にするために円で示されているが、機能を変更することなく、三角形又は六角形などの他の形状で構築することもできる。
【００３８】
コントロール方程式の展開を説明するために、各点１３１，１３２，１３３に接続された各アームたとえばベルクランクアーム１２１／１２２／１２３は、独自の局所座標フレームと規定される。下付き文字「ｉ」は、各点１３１，１３２，１３３でのそれぞれの角度又は軸１，２，３を指す。各々の位置「ｉ」の基準フレームは、以下のような機械座標系に関連している。
【００３９】
ｘｍ及びｙｍの並進は、機械原点（０，０，０）に関連する。
【００４０】
ｚｉ周りの回転（角度ａｉ）は、ｘｉと機械原点とが交差する。
【００４１】
各々のｚｉはｚｍとパラレルである。
【００４２】
各々のｙｉは、右手座標フレームを成す。
【００４３】
各々のジョイント１３１，１３２，１３３が回転するため、ｙｉ軸周りの回転自由度（ＤＯＦ）が許容される。図３から、一般的に、各々のジョイントのｘ軸点は機械原点に向いており、各々のジョイントのｙ軸点は機械のｘ−ｙ平面で機械原点に接していることがわかる。全てのｚ軸は相互にパラレルである。
【００４４】
この配置の位置又は回転の僅かな変動は、説明されるコントロールアルゴリズムで測定され、補正される。これには、ｘｉ軸周りの「傾斜」回転の変動が含まれる。ただし、大きな変動は、移動部品間の干渉による運動範囲を制限する場合があったり、アームが倒れたり又はアームを移動可能するために過剰な力が必要になり、特異性が生じる場合があったりする。このため、指定された配置からの変動を回避することが必要である。
【００４５】
図４（ａ），図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、角運動のために構成された一般的な三角形のベルクランクアーム１２０の一実施形態の図を示す。アーム１２０は、実質的に同一のアーム１２１，１２２，１２３の一例であることが理解される。アーム１２０は、ベース−ベルクランクの回転可能な取付点１３０（図１３のコントロールジオメトリな点「Ｂ」も参照）での、ｙｉ軸周りの１回転ＤＯＦを有するベルクランクである。さらに、取付点１３０は、ピンなどの既知の手段を介して取付点１３１，１３２又は１３３に回転可能に接続するように配されていると理解される。
【００４６】
また、アーム１２０は、２つのリニアアクチュエータに回転可能に取り付けられるために配されたベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５０（図１３のコントロールジオメトリな点「Ａ」も参照）を含む。ジョイント１５０は、好ましくは、各々のアクチュエータエンド用の３回転ＤＯＦジョイントである。
【００４７】
また、アーム１２０は、アーム１２０の各々の側部の位置で、ロアアーム対１４１，１４２，１４３を回転可能に受けるベルクランク−ロアアームジョイント１７０を含む。ジョイント１７０の位置は、図１３のコントロールジオメトリな点「Ｅ」に対応する。運動コントロールの目的で、ジョイント１７０はｘｉ−ｚｉ平面内での単一点として理想化することができる。ジョイント１７０は、好ましくは、各々のロアアームエンド用の３回転ＤＯＦジョイントである。
【００４８】
図４の実施形態では、アーム１２０は、ラインＢＡ（ジョイント１３０とジョイント１５０との間）がｚｉ軸上にある場合に、中立位置となる。ジョイント１５０に接続されるリニアアクチュエータは、好ましくは、中立位置の両側で約３０度のアーム回転に適応する大きさである。この制限された移動範囲内では、ジョイント１５０の点「Ａ」を横切る弧は、ほぼ直線に近似される。
【００４９】
ジョイント１３０，１５０，１７０によって形成されるベルクランク１２０の角度「ｂ」（「ＡＢ」と「ＢＥ」とが為す角度）は、リニアアクチュエータによる駆動に従って水平方向へアクチュエートされるジョイント運動を、エンドプラットフォーム１８０の位置決めに適した、位置、方向及び速度に変換する。こうして、ジョイント１７０（すなわち点「Ｅ」）は、ジョイント１５０「Ａ」と同じ角度幅で移動し、同様にほぼ直線運動に近似される。 
【００５０】
図５は、リニアアクチュエータ１６１（ｄ１），１６２（ｄ２）及び１６３（ｄ３）の三角形の配置の好ましい一実施形態を示す上面斜視図を示す。本発明のデルタ設計は、各々のリニアアクチュエータの各々のエンドが少なくとも１並進ＤＯＦを有するジョイントに取り付けられているという点で新規である。これとは対照的に、既存の設計は、並進ＤＯＦのない固定された少なくとも１つのアクチュエータの一エンドを有するアクチュエータを含む。
【００５１】
エンドプラットフォーム１８０を所望の位置に移動させるために、図１６のコントローラ１６０４によって用いられるようなコントロールソフトウェアは、ジョイント対（Ａ２−Ａ３，Ａ３−Ａ１，Ａ１−Ａ２）間の必要な距離ｄ１，ｄ２，ｄ３を計算し、電源１６０２を介して移動させるようにアクチュエータにコントロール可能に命令する。各々のアクチュエータの長さｄｉは、説明のためにジョイントＡｉに対向すると規定される。
【００５２】
前図に示されている本発明の配置は、いくつかの利点を有している。固定ベース１１０は、その装置よりも小さくてもよく、固定アクチュエータエンドに対して適切な取付点を提供するために、必要な構造的一体性の向上を要求する。各々のリニアアクチュエータによって印加される力は、その２つの取り付けられたアームの各々で等しい。機械的な利点は、各々のアームに要求される力を提供するために、２つのアクチュエータを有することで改善することができる。また、機械的な利点は、一エンドが固定された各々のアクチュエータの構成に比して、移動距離が２倍であるから改善可能である。
【００５３】
本発明のデルタ配置の別の利点は、アクチュエータをワークボリュームの周囲近くに配することができるので、中央エリアを開けたままにし、かつ、ベルクランク−ロアアームジョイント１７０すなわち点「Ｅ」及びエンドプラットフォーム１８０のリンクを障害なく上方に移動することである。本発明の設計によって、エンドエフェクタプラットフォーム１８０が平面ベースの３つの回転可能な取付点によって規定される平面の両側に位置することが可能になる。図６は、これらの利点を示す。ベルクランク１２０は、ベース１１０と、１つのリニアアクチュエータの一エンド（例えば、エンドジョイント１５０でエンド１６２）と、ジョイント１７０でロアアーム１４０の１つと、に回転可能に接続される。図６に示すように、１５０「Ａ」、１３０「Ｂ」及び１７０「Ｅ」での各々の接続は、少なくとも１回転自由度を有する。例えば、この実施形態では、「Ａ」が３ＤＯＦを備え、「Ｂ」が１ＤＯＦを備え、「Ｅ」が２ＤＯＦを備える。また、この配置によって、平面ベースを含まない装置の質量中心の位置が、平面ベース取付点によって境界付けられた範囲内であって、共通の中点側にあることも容易に分かる。このように、この装置の重量は、エンドプラットフォーム１８０に向かうバイアス重量を配置することによって、様々なジョイントに本質的に予め荷重がかかる傾向にあるので、バックラッシュが排除される。
【００５４】
図７（ａ），図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、３つの異なるベルクランクの実施形態を示す。図示するように、各々のアームの長さ「ＢＥ」は、アームの長さ「ＢＡ」に対して変えることができ、利用可能なリニアアクチュエータの最大力及び移動距離と必要な移動距離とのバランスを取ることができる。角度「ｂ」は、矢印によって示されるように、駆動点「Ａ」での移動方向に対応して、点Ｅでの移動方向を変更するように構成することもできる。図７（ａ）及び図７（ｂ）における２つの代替例では異なる形状を表し、図７（ｃ）における第３の実施形態では構造的な配置を示している。
【００５５】
図７（ａ）は、ロアアームジョイント１７０’での垂直運動に最適化されたアームを示す。このオプションは、垂直方向のリニアレールを用いる標準的なデルタロボットに類似するエンドプラットフォーム運動を提供する。この実施形態では、ジョイント１７０’に取り付けられたロアアーム対（図示せず）が、エンドプラットフォーム１８０のワークエリアが固定ベース及びアクチュエータの上方、すなわちｚ軸上でジョイント１５０’よりも高く位置するように反転させてもよい。
【００５６】
図７（ｂ）は、水平運動に最適化された台形の剛性ベルクランクアーム１２０”を示す。この実施形態は、固定プラットフォーム１１０及びアーム１４０の上方（above）のエンドプラットフォーム１８０のワークエリアで最適であり、また、完全に反転されて固定プラットフォーム１１０が上部（top）にある状態としてもよい。この文脈では、「上方（above）」及び「上部（top）」は、ジョイント１７０よりもz軸上で高いことを示す。前の実施形態のように、リニアアクチュエータ１６０はジョイント１５０”に回転可能に配され、アーム１２０”はジョイント１３０”で固定ベース１１０に回転可能に取り付けられている。
【００５７】
図７（ｃ）は、ベルクランクアーム１２０''’のための軽量の四面体スペースのフレームトラスの構造的な構成を示す。本発明のハイブリッドデルタロボットが非常に大きい場合の実施形態では、図７（ａ）に例示されるような簡易な三角形プレートは、過度に重く、構築することは高価である。したがって、四面体スペースフレームのトラスアセンブリは、剛性のある軽量品の代替品となる。ジョイント１５０''’，１７０''’及び１３０''’は、一般的に、図７（ａ）の実施形態の場合とほぼ同じそれぞれの位置に配置される。
【００５８】
ハイブリッドデルタロボットの最適化された設計の１つは、各々のベルクランクアームのジョイント１５０に球面ジョイントを含む。これによって、アームとリニアアクチュエータに接続されたそれらの１つとの間の３回転自由度（ＤＯＦ）の移動が可能となる。このことは、アクチュエータが純粋な張力又は圧縮でワークし、正確な運動に貢献することを可能にするが、製造がより複雑となって困難となる場合がある。そこで、ベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５０のいくつかの代替設計を図８，図９及び図１０に示す。各々の代替設計は、複雑性、強度性（剛性／順応性／正確さ）、及び、コントロールアルゴリズムの計算の複雑性の間の設計のトレードオフに従って選択することができる。
【００５９】
各々のベルクランク−リニアアクチュエータジョイント１５０の設計は、ほぼ同じ設計構成を共有している。
【００６０】
１．ジョイント１５０の内部軸の向きは、局所座標フレームにほぼ位置合わせされたままである。アームはｙｉの周りのみ回転し、アクチュエータはｘｉ及びｙｉに僅かに撓みを伴って主にｚｉの周りに回転する。
【００６１】
２．リニアアクチュエータ間の公称角度は、約６０度（正三角形の１つの頂点）である。
【００６２】
３．アーム間の相対運動は、ｚｉ軸周りにリニアアクチュエータ毎、ほぼ±１２度の回転を生じさせる。
【００６３】
４．シングルアームの運動は、ｙｉ軸の周りにその「Ａｉ」ジョイント１５０で約±３０度の回転を生じさせる。
【００６４】
５．アーム間の相対運動は、ｘｉ軸の周りに各々の「Ａｉ」ジョイント１５０で約±３度の回転を生じさせる。
【００６５】
図８は、そのようなベルクランク−リニアアクチュエータジョイント設計１５１の１つを示す。ジョイント１５１は、ベルクランクアクチュエータエンド１２１に対して回転をプラスしたユニバーサルジョイントとして説明することができる。３点（例えば、図５に示すＡ１，Ａ２及びＡ３）は平面上にあると規定されることに留意されたい。したがって、エンドが重複する３つのアクチュエータは三角形（及び平面）を形成し、３つのシャフトは平面に対して垂直であって相互にパラレルに位置合わせされるであろう。この特性は、図８のジョイント上部でｚ軸のそれぞれの共通シャフト周囲のリニアアクチュエータ１６１，１６２，１６３用の回転ジョイントによって可能となる。
【００６６】
さらに、図８のジョイント設計は、各々のｚｉ軸がｘ軸及びｙ軸のそれぞれの周りに対して、２つの追加的な回転ＤＯＦで別個に向きが合わせられる、ユニバーサルジョイントを組み込んでいる。リニアアクチュエータに対するシャフトは、ユニバーサルジョイントの上半分に取り付けられ、ｚ軸の周囲の３回転自由度を提供する。
【００６７】
リニアアクチュエータの三角形の配置がｚｉ軸にパラレルに保持されることで、アクチュエータとユニバーサルジョイントの中心との間の如何なる共通オフセットが相殺されるため、コントロールアルゴリズムを修正する必要がない。
【００６８】
図９（ａ），図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、別のベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５０「Ａ」の詳細図を示す。ここで設計されているものは、ベルクランクアクチュエータエンド１２１を２つのリニアアクチュエータ１６２，１６３に接続する球面ジョイントである。このジョイント設計は、図９（ｂ）に示すような大型の回転ハウジング及び複雑なアクチュエータエンドを犠牲にして、リニアアクチュエータを所望のコントロール点に完全に位置合わせする。
【００６９】
図９（ｂ）は、球面ジョイントの内側部分の側面図を詳細に示す。外側のリングはハウジング内でｙｉ軸周りに回転し、クロスバーによってジョイントはｘｉ軸周りに回転し、最内シャフトによってアクチュエータはｚｉ軸周りに回転する。
【００７０】
図９（ｃ）は、ジョイント１５０の軸に沿ってリニアアクチュエータ１６２，１６３を維持するために望ましいであろう折り曲がったアクチュエータエンドコネクタの球面ジョイント１５０の上面図を詳細に示す。この設計は、正確な球面ジョイントの動作を提供するため、コントロールソフトウェアは修正する必要がない。
【００７１】
図１０は、ベルクランク−アクチュエータエンドジョイント１５０「Ａ」の別の実施形態を示す。この実施形態では、ベルクランク１２１にとって最も簡易なアクチュエータエンドを用いているが、小さな軸方向の捻じれ（約±５度）に適応するために、リニアアクチュエータ１６２，１６３を必要とする。このような捻じれは、アクチュエータの固有の設計を通じて、又は、適切な柔軟材料を用いることによって許容される。
【００７２】
図１０のベルクランク１２１のジョイント１５０は、２つの半部で構成されている。各々の半部は、ベルクランクの中心点の位置の両側にあり、ｙｉ軸にパラレルな僅かな並進によってオフセットされる。各々の半部は、ｙｉ軸及びｚｉ軸の周りに２回転ＤＯＦを別個に提供する。ｘｉ周りの回転がジョイント１５０によって提供されないから、各々のアクチュエータ１６２，１６３が動作中にそれらの長さに沿ってそれ自体を捻じることを強制する。
【００７３】
ジンバルロックを回避する捻じれを低減／除去するための他の回転シーケンスは、この実施形態の範囲内にある。例えば、コントロールソフトウェアは、この設計のアクチュエータエンドジョイントの並進オフセットを修正すべきである。オフセットがｙｉにパラレルであるため、これらはアームの回転に関して不変であり、機械座標フレームで一度に予め計算することができる。また、コントロールソフトウェアは、例えば一端に依存するナット方向の粗いピッチの送りネジが採用されて、アクチュエータの長さが捻じれに起因して変化した場合にも、軸方向の捻じれを修正することができる。
【００７４】
また、バネ、カウンターウェイト及び／又はケーブルの追加は、本発明の設計性能を改善することを考慮している。当該説明は、圧縮力と張力との両方を供給することができる油圧型又は電気駆動型のシリンダータイプのアクチュエータを暗示している。ベルクランクアームを外側に引っ張るように作用するスプリング又はカウンターウェイトの追加によって、アクチュエータとして作用する、張力のみのケーブルを用いることができる。
【００７５】
これまでの設計で採用されているジョイントは、交差軸を有するユニバーサル型又は球面型のジョイントである。この発明の一実施形態では、短い「オフセットリンク」で分離された２つの非交差回転軸によって、実行時の計算の複雑さが僅かに増加し、かつ、ワークボリュームが僅かに減少するだけで、製造コストを削減できる。全体的な機能は、その他の点で、前述のハイブリッドデルタロボットの実施形態と同じである。 
【００７６】
図１１は、ベルクランクアーム１２０と、ロアアーム対１４０，１４０’と、エンドエフェクタプラットフォーム１８０とを接続するジョイントの代替の実施形態を示す。この実施形態では、ベルクランク−ロアアームジョイント１７０は、局所ｙ軸周り及び局所ｚ軸の回転を許容する接続ピンを備えるオフセット２軸ジョイントとして構成されている。この実施形態の各々オフセットリンクは、「Ｌ」字形部分１２１０，１２２０を備える。「Ｌ」字形部分は、図示するように、各々がロアアーム対１４０／１４０ 'の一方にそれぞれ取り付けられる２つの部品とすることができ、又は、適切な設計クリアランスを備える１つの部品として配することもできる。ロアアームエンドエフェクタプラットフォームジョイント１８１は、ジョイント１７０と実質的に対向している構成である。したがって、ロアアーム対１４０，１４０’は、プラットフォーム１８０の回転のない、ｘ，ｙ及びｚ機械座標軸におけるプラットフォーム１８０の並進を可能にする。
【００７７】
ハイブリッドデルタロボットで用いられるジョイントのスタイルを選択する際の１つの目標は、任意の２点間の長さの変化を最小化することにある。たとえば、リンクＥＨの有効長さ（図５を参照）は、剛性リンクの長さに対して、各々のエンドでのジョイントの傾斜又は自由な遊びをプラス又はマイナスしたものである。この長さの如何なる変化も、プラットフォームでの位置誤差及びバックラッシュの原因となる。図１１で説明したオフセットリンクの使用は、位置誤差の原因となることがあるため、適切な補償が望まれる。
【００７８】
オフセットリンクを用いる実施形態によって、簡易な回転ジョイントの使用が許容される。ジョイントにおける全ての遊びを排除する予圧を許容するために、理想的には十分な軸の荷重能力を備えるボールベアリングを用いることができる。低コストのヒンジピンを採用することもできるが、これらには径方向の寸法に厳密な公差が要求される。ピンは、ジョイントの片側にしっかり取り付けられていなければならないが、時間の経過とともに摩耗が予想されるので、容易に取外可能でなければならない。
【００７９】
図１２は、ここではロアアームアセンブリ１２００として識別される、図１１のオフセットリンクジョイント接続の代替となる詳細図を示す。ロアアームジョイント１７０は、ベルクランク１２０とロアアーム対１４０／１４０ 'との中間にあるオフセットピース１２１０を含む。エンドエフェクタジョイント１８１は、ロアアーム対１４０／１４０’とエンドプラットフォーム１８０との中間にある「Ｌ」字型のオフセットピース１２２０を含む。ジョイントの両側、すなわちロアアーム対１４０／１４０ 'のエンドは、ネジ山付きピン１２０２，１２０４，１２０６及び１２０８をネジ込み可能な雌ネジ山のセットを有する。したがって、その結果として、ジョイント１７０及びジョイント１８１でのジョイントは、２つの直交方向にそれぞれのネジ付きピンの周りに回転する。また、ネジ付きピン１２０２，１２０４，１２０６及び１２０８は、コストを最小限に抑えるために、任意の一般的なファスナー又はネジ付きロッドとすることもできる。図１２に「ｇ」として示されている小さなギャップは、この手法で嵌合された部品間に要求され、この分離は相互に回転する部品によって変化することに留意されたい。ネジ山付きピンは、ファスナーヘッドを一側に対して締め付ける、又は、ナット（図示せず）をネジ付きロッドに付加することによって、自由に回転しないようにする（図示せず）。また、この配置では、回転軸の方向をリンクに対して正常に拘束することによって、自由な遊びを排除することに役立つ。
【００８０】
単一のネジジョイントを用いる場合には、追加される運動学的な補正は、両側が回転する際の回転軸に沿った位置の変化を補正するために要求される場合がある。この効果は、細目ネジを選択することで減少させることもできる。ピン１２０４とピン１２０８との間のリンクは、両端のネジ山のピッチが同じであるため、補正が要求されることはない。パラレルリンクにより、各々のアームに対してピン１２０４とピン１２０８との周りを同じ速度で確実に回転して同じギャップを保持する。これは、ロアアーム１４０／１４０’が、常に、アーム１２０のエンドジョイントとエンドプラットフォーム１８０との間のラインとパラレルであることを意味する。図１１に示すように、同様の関係は、ジョイントＢ，Ｅ及びＨのセットについても成立する。ベースはＢにおいて水平であり、プラットフォームはＨにおいて水平に拘束されているため、３つ全てのジョイントＢ／Ｅ／Ｈが共通のネジピッチを有する場合には、リンクの回転がベースとプラットフォームと間の局所Ｙ軸に沿った正味の並進移動が生じない。Ｂにおいてネジジョイントを使用することによって、ジョイントＡに向けてＹに沿った外側アームの並進移動が生じるが、これはＡにおけるＹ軸のネジジョイントによって補正することができる。アクチュエータの平面が水平に対して数度変化するため、僅かなオフセットが存在することに留意されたい。
【００８１】
ネジジョイントは、Ａにおける３つのｚ軸ジョイントのセットでも用いることができる。各々のネジピンは、２つのアクチュエータをＡジョイント機構の残りの部分に接続する。各々のアクチュエータは、名目上、３つのＡジョイントを介して平面に対してパラレルのままである。ネジジョイントの利点には、初期コストが低いこと、サービスや交換のための取り外しが容易であること、ラジアル荷重とアキシャル荷重との双方をサポートすること、大きな軸受表面積があること、及び、適切な材料の選択によって過剰な荷重の下でピンが摩耗と初期破壊との両方を犠牲にするように設計できること、が含まれる。
【００８２】
コントロールアルゴリズム
【００８３】
図１３は、ハイブリッドデルタロボットの例示的なコントロール理論を説明するための座標系１０００を示す。図１３では、ロボットの一アームの逆運動学を解決する際に用いられる変数名を規定している。３つの局所座標フレームの変数に関する添え字「i」が暗示されているが、図では明示的には示されていない。
【００８４】
ジオメトリ変数は、以下の表１で説明することができる。
【表１】
2021500244.tif 000003
【００８５】
逆運動学−位置
【００８６】
位置の逆運動学は、機械座標フレーム（Ｔｍ）におけるツールの所望の位置を入力とし、３つのアクチュエータ１６１，１６２，１６３のそれぞれの要求される長さｄ１，ｄ２，ｄ３を出力する。このアプローチでは、シリアルリンケージとして各々のアームを別個に解決し、Ａｉジョイント対間の距離を計算する。この場合のシリアルリンケージの解決は標準的なデルタの場合よりも複雑ではないため、コンピュータの計算はより効率的になり、計算時間が短くなる点に留意されたい。角度がアクチュエータによって直接駆動されないため、これらはアクチュエートされたジョイントの角度と一致するのではなく、解決の利便性のために規定することができ、逆三角関数を計算する必要はない。
【００８７】
各々のアーム「i」の位置決めパラメータを決定する方法の概要を以下に示す。ステップ１，２及び９における添え字「ｍ」は機械座標フレームの座標を示し、ステップ３〜８はベルクランクアームによって規定される局所座標フレームを用いることに留意されたい。この座標変換は、３Ｄ問題を２Ｄ計算に単純化する。機械座標フレームにおける入力ツール位置Ｔｍの場合、各ステップが３つのベルクランクアームの各々に対して繰り返される。各出力Ａｍは、機械座標フレームにおけるＡ１，Ａ２又はＡ３のいずれかである。エンドエフェクタプラットフォーム１８０上にツールを配置するためのステップは以下を含む。
【００８８】
１．ＴｍからＨｍへの変換。エンドプラットフォームは回転しないため、これは座標の僅かな並進である。
【００８９】
２．局所座標フレームへの変換：Ｈ＝Ｉｎｖ（Ｘｓ）・Ｈｍ
【００９０】
３．三角形ＥＧＨの各辺について解く。
Ｇは、Ｈのｙ座標を０に設定したものである。
ＧＨは、Ｈのｙ座標での絶対値である。
ＥＨは、既知である（ロアアーム対の長さ）。
ピタゴラスの定理を用いると長さＥＧが求まる。
【００９１】
４．∠ＥＢＧを解く。
【００９２】
ｅを長さＢＧ、ｂを長さＥＧ、ｇを長さＢＥと規定する。
【００９３】
ｃｂ＝ｃｏｓ（∠ＥＢＧ）及びｓｂ＝ｓｉｎ（∠ＥＢＧ）と規定する。
【００９４】
コサインの法則：ｂ２＝ｇ２＋ｅ２−２・ｇ・ｅ・ｃｂを用いてｃｂを解く。
【００９５】
三角関数の公式：ｓｂ２＋ｃｂ２＝１を用いてｓｂを解く。
【００９６】
５．三角形ＥＢＧの回転を解く。
【００９７】
長さＢＧとＧのｘ及びｚ座標を用いて、
【００９８】
ｘ軸上のＢＧの角度のｓｉｎ及びｃｏｓを解く。
【００９９】
ｓｇ＝ｓｉｎ（ＢＧの角度）／ＢＧ＝Ｇ．ｚ／ｅ及びｃｇ＝ｃｏｓ（ＢＧの角度）／ＢＧ＝Ｇ．ｘ／ｅと規定する。
【０１００】
６．複素数学を用いてＳｉとｃｌとを解く。
【０１０１】
（ｃｌ＋ｊ・ｓｌ）＝（ｃｂ＋ｊ・ｓｂ）−（ｃｇ＋ｊ・ｓｇ）
【０１０２】
７．Ｅを解く。
Ｅｘ＝ＢＥ・ｃｌ
【０１０３】
Ｅｙ＝０
【０１０４】
Ｅｚ＝ＢＥ・ｓｌ
【０１０５】
８．Ａを解く。
複素係数Ｋは、アームがその中立位置にある場合に、事前に計算される。
【０１０６】
Ｋ＝（Ａｘ＋ｊ・Ａｚ）／（Ｅｘ ＋ｊ・Ｅｚ）
【０１０７】
アームの任意の回転に対して、２つのジョイントの位置は次の方程式に関連付けられたままである。
【０１０８】
（Ａｘ＋ｊ・Ａｚ）＝Ｋｘ（Ｅｘ ＋ｊ・Ｅｚ）
【０１０９】
このステップについては、ベルクランクアームの任意の図を参照されたい。
【０１１０】
９．Ａｍを解く。
【０１１１】
Ａｍ＝Ｘｓ・Ａ
【０１１２】
ロボットが正確な球面ジョイントで構築されていない場合、Ａｉ位置間の距離を計算する前に、Ａｉ位置の補正が必要な場合がある。例えば、図１０に示す実施形態のジョイント設計は、各々がｙｉ軸にパラレルなオフセットによって移動される２つに球面ジョイントを分割する。アームがｙ軸周りに回転するため、並進ベクトルはＸｓ変換行列によって関連付け事前に乗じることができる。その結果、ベクトルは機械座標フレームに適用することができ、これにより各々の分割Ａｍに対して実行すべき２回目の大きな犠牲を払う行列乗算の必要性を回避することができる。
【０１１３】
図１４は、座標系１０００に類似する座標系１０１０を示す。ただし、ハイブリッドデルタロボットの例示的なコントロール理論の説明に用いるオフセットリンクの変換のためのダイヤグラムを含む点で座標系１０００とは異なる。図１４では、上記のようにロボットの一アームの逆運動学を解く際に用いられる変数名を規定しており、追加の名前は次のとおりである。３つの局所座標フレームに変数を関連付ける添え字「i」が暗示されているが、図には明示的に示されていない。
【０１１４】
追加のジオメトリ変数は、以下の表２で説明することができる。
【表２】
2021500244.tif 000004
【０１１５】
逆運動学−位置−オフセットリンクの代替実施形態
【０１１６】
オフセットジョイントを備えるエンドエフェクタプラットフォーム１８０上にツールを配置するステップは、既に概説したオフセットジョイントのない場合のステップと同様である。上記ステップ３は、三角形Ｅ’Ｇ’Ｈ’の各辺を解くために、以下の数式を備えるオフセットジョイント計算をするために変更することもできる。
長さＧ’Ｈ’＝Ｈのｙ座標の絶対値。
長さＥ’Ｈ’は既知である（オフセットリンクを除く、ロアアーム対の長さ）。
ピタゴラスの定理を用いて長さＥ’Ｇ’を見つける。
Ｇ’＝ｙ座標を０に設定したＨ’
Ｅ’Ｇ’にリンクのオフセットの長さを追加して、長さＥＧを見つける。
【０１１７】
逆運動学−速度
【０１１８】
アクチュエータの速度を計算する場合には、各々のエンドでのＡｉジョイントの速度を計算すること、それらの速度を２つのジョイント間の線に投影すること、及び、アクチュエータの長さの正味の変化率を取得して合計することが要求される。各点Ｂ，Ｅ，Ｇ及びＨの局所座標フレーム内の位置は、最初に計算しておく必要がある。図８及び図９に示されるジョイント設計は、隣接するアクチュエータエンドの間で単一点を共有するため、両エンドは明らかに運動ベクトルが同じであることに留意されたい。
【０１１９】
３×３ヤコビ行列は、３つの角度の変化率（ｄΘ１／ｄｔ，ｄΘ２／ｄｔ，ｄΘ３／ｄｔ）に対して、エンドプラットフォームのデカルト座標のオーバー時間（ｄｘ／ｄｔ，ｄｙ／ｄｔ，ｄｚ／ｄｔ）の変化率を確立して作成することができる。所望のエンドプラットフォーム速度の場合、方程式がｄΘ１／ｄｔについて解かれる（他の２つの角速度は不要である）。角度のｓｉｎ及びｃｏｓは、現在のジョイント座標から直接計算できることに留意されたい。逆トリガー関数を用いる必要はない。
【０１２０】
小角近似を用いると、ジョイントＥの速度は、直角の際、マグネチュードの長さＢＥ・ｄΘ１／ｄｔを有するＢＥである。ジョイントＡの速度は、直角の際、マグネチュードの長さＢＡ・ｄΘ１／ｄｔを有するＢＡである。
【０１２１】
図１０のジョイント設計は、分割された半部が理想的な球面ジョイントと運動ベクトルが同じであるため、速度補正をする必要がない。
【０１２２】
上述の計算は、ハイブリッドデルタロボットの動作をコントロールするために、コントローラ１６０４などのコンピュータハードウェアで実行されるコンピュータソフトウェア命令に実装してもよい。コンピュータコントロールは、当技術分野で一般的であるような、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、標準的なコンピュータプロセッサ及びメモリなどとは異なる形態になり得ると理解される。
【０１２３】
上記の計算は、変更されたデルタ構成に配置された、改良されたロボティックアームシステムをコントロールするための方法１３００に組み込むことができる。この方法は、図１３に示されている。この方法は、スタートのステップ１３０２から開始され、ここではソフトウェアコードをカスタマイズして、所望の手法でアームを動作させることを含めてもよい。ステップ１３０４で、請求項１及び２に記載されているような、デルタ構成のロボティックアーム装置が提供される。ハードウェアが所望の位置にセットアップされ、所望のソフトウェアコードがデバイスで開始される。
【０１２４】
自動計算ステップ１３０６は、エンドエフェクタプラットフォーム又はツールを所望の位置とするために、必要なリニアアクチュエータの長さを確立する。このステップでは、所望の位置信号から入力を取得する。外部ソースからの入力として、図１６の「Ｃ」を参照されたい。この方法では、コントローラ１６０４内のメモリに既に存在する、事前にプログラムされたシーケンスの位置から代替的に入力を取得することもできる。さらに、自動計算ステップ１３０６は、機械座標系から各々の局所座標フレームに所望の位置を変換するコンピュータソフトウェア命令の実行を備える。さらに、自動計算ステップは、所望のツール位置に対応する各々のリニアアクチュエータの所望の長さの出力を提供する。これらの計算を取得する方法の例は、既に提供した。
【０１２５】
フォローされるツールパスが特定のアプリケーションにとって重要である場合、コントローラ１６０４は、所望のパスを確立するために、リニアアクチュエータの長さのシーケンシャルのセットの計算をオプションとして有効化することもできる。パス計算ステップ１３０８は、ロボットルーチンを開始してから又は開始前のいずれかに、コントローラ１６０４によって自動的に実行してもよい。
【０１２６】
特定のツール位置が所望である場合、コントローラ１６０４は、１以上のアーム装置リニアアクチュエータへの電力印加ステップ１３１０を始める。コントロールされる電力供給１６０２ａ／ｂ／ｃからの電力供給量及び電力印加レートは、自動計算ステップ１３０６及びオプションとされるステップ１３０８に基づくものとすることもできる。この時点で、リニアアクチュエータが長さを変更し始めるため、ツールは所望の位置に向かって移動し始める。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、ロボット機構の正確さ及びタスクによって要求される精度は、コントローラ１６０４へのツール位置のフィードバックを必要としないデルタロボット操作を十分に可能とする。他の実施形態では、ツール位置のフィードバックは、適切なツール位置を確認するために必要としてもよい。フィードバックは、図１６における「ＦＢ」の入力を介して供給することができる。フィードバック信号により、電力印加ステップに応答して１以上のリニアアクチュエータの所望の長さの確立ステップ１３１２を提供することができる。これに代えて、ツール自体からのフィードバック位置が提供されてもよい。このオプションのステップ１３１２は、フィードバック信号に基づいてリニアアクチュエータの長さが調整されたセットの取得コントローラ１６０４を備えてもよい。その後、コントローラ１６０４は、電源１６０２を駆動して、所望のツール位置を確立するために必要な調整を行うであろう。
【０１２８】
方法１３００では、動作中のツールを所望の速度にするための機能をオプションとして備えることもできる。したがって、所望のエンドエフェクタプラットフォームの速度の取得ステップ１３１８は、ツールの所望の位置を計算することと実質的にパラレルに実行することもできる。所望の位置と同様に、所望の速度も、コントローラ１６０４への外部信号「Ｃ」から取得することができ、又は、コントローラメモリに事前にプログラムすることができる。
【０１２９】
取得ステップ１３１８で確立される所望のツール又はプラットフォーム１８０の速度に応じて、ステップ１３２０の方法は、各々のリニアアクチュエータの長さを所望の変化率を自動的に決定する。その後、コントローラ１６０４は、電力印加ステップ１３１０を調整して、リニアアクチュエータを所望のレートで所望の位置に駆動する。
【０１３０】
本発明の方法は、リニアアクチュエータの長さが確立ステップに応じて確立される場合には、所望のエンドエフェクタプラットフォーム１８０及び／又はそのツール位置に到達するステップ１３１４で終了する。このステップでは、ツールは所望の位置にあり、さらに、必要とされる、ピッキング、デポジット、切断などの機能を果たす。
【０１３１】
上記のデバイス、ジョイント方法、及びディスプレイの変形は、本発明の範囲内に含まれる。例えば、既述の本発明の目的を満足する位置決めアームアセンブリの様々な構成は、本願の特許請求の範囲内に含まれる。また、装置の特定の外観及び配置は異なっていてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１０  従来技術のデルタアームロボット
１００  デルタ構成のロボティックアーム装置
１１０  平面ベース
１２０  ベルクランク
１２１  第１のベルクランク
１２２  第２のベルクランク
１２３  第３のベルクランク
１３０  ベース−ベルクランクの回転可能な取付点
１３１  第１の回転可能な取付点
１３２  第２の回転可能な取付点
１３３  第３の回転可能な取付点
１４０  ロアアーム
１４１  第１のロアアーム
１４２  第２のロアアーム
１４３  第３のロアアーム
１５０  ベルクランク−アクチュエータのエンドジョイント
１５１  Ａ１ベルクランク−アクチュエータのエンドジョイント
１５２  Ａ２ベルクランク−アクチュエータのエンドジョイント
１５３  Ａ３ベルクランク−アクチュエータのエンドジョイント
１６０  リニアアクチュエータ
１６１  ｄ１第１のリニアアクチュエータ
１６２  ｄ２第２のリニアアクチュエータ
１６３  ｄ３第３のリニアアクチュエータ
１７０  ベルクランク−ロアアームジョイント
１７１  第１のベルクランク−ロアアームジョイント
１７２  第２のベルクランク−ロアアームジョイント
１７３  第３のベルクランク−ロアアームジョイント
１８０  エンドエフェクタプラットフォーム
１８１  ロアアーム−エンドエフェクタプラットフォームジョイント
１８２  第２のロアアーム−エンドエフェクタプラットフォームジョイント
１８３  第３のロアアーム−エンドエフェクタプラットフォームジョイント
１０００  ハイブリッドデルタロボットの座標系
１０１０  ハイブリッドデルタロボットの代替座標系
１２００  ロアアームアセンブリ
１２０２  ネジ付きピン
１２０４  第２のネジ付きピン
１２０６  第３のネジ付きピン
１２０８  第４のネジ付きピン
１２１０  「Ｌ」字状パーツ、ベルクランクエンドオフセットリンク
１２２０  「Ｌ」字状パーツ、プラットフォームジョイントエンドオフセットリンク
１３００  デルタアームロボットのコントロール方法
１３０２  スタートステップ
１３０４  提供ステップ
１３０６  自動計算ステップ
１３０８  パス計算ステップ
１３１０  電力印加ステップ
１３１２  所望の長さの確立ステップ
１３１４  エンドエフェクタプラットフォームの位置ステップ
１３１８  所望の速度の取得ステップ
１３２０  プラットフォームの所望の速度の自動決定ステップ
１６００  アクチュエータモータ用のコントローラ及び電力増幅器の配置
１６０２  コントロール電源
１６０２ａ  コントロール電力供給、第１のリニアアクチュエータ
１６０２ｂ  コントロール電力供給、第２のリニアアクチュエータ
１６０２ｃ  コントロール電力供給、第３のリニアアクチュエータ
１６０４  ハードウェアコントローラ
１６０６  外部電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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