(57)【要約】【課題】  与えられた姿勢指令値を逆運動学演算して求められた各リンクの変位量に基づき、リンク相互間の干渉をさけてスムースに可動テーブルの位置決めを可能とすること。【解決手段】  検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応して制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、差分に対応する制御パラメータを読み出し、読み出された制御パラメータおよび差分に基づいてアクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動テーブルを支持する３本または６本のリンクと、前記各リンクに対応して設けられ各リンクの変位量を制御するアクチュエータとを備えるパラレルリンク装置の制御方法であって、
前記各リンクの変位状態を検出し、
前記可動テーブルの取るべき姿勢を指令する指令値に基づいて前記各リンクの必要変位量を算出し、
前記検出した変位状態と前記必要変位量との差分をリンク毎に算出し、
前記差分が所定の範囲内であるリンクは現状位置を保持する一方、前記差分が所定の範囲外である場合は、その差分に対応する制御パラメータを読み出して前記アクチュエータを駆動させ、そのリンクを変位させることを特徴とするパラレルリンク装置の制御方法。
【請求項２】
複数の制御パラメータを予め保持し、いずれか一つの制御パラメータを選択して用いることを特徴とする請求項１記載のパラレルリンク装置の制御方法。
【請求項３】
可動テーブルを支持する３本または６本のリンクと、前記各リンクに対応して設けられ各リンクの変位量を制御するアクチュエータとを備えるパラレルリンク装置の制御方法であって、
前記可動テーブルの取るべき姿勢を指令する指令値を入力する第１ステップと、
前記指令値に基づいて逆運動学演算を実施し、前記各リンクの必要変位量をリンク毎に算出する第２ステップと、
前記パラレルリンク装置において定められた基準位置に対する各リンクの位置を検出する第３ステップと、
前記算出された必要変位量に対応する制御パラメータを読み出し、前記必要変位量およびその必要変位量に対応する制御パラメータに基づいて前記アクチュエータを駆動させて前記各リンクを変位させる第４ステップと、
前記検出した位置から変位終了位置までの差分を算出する第５ステップと、
すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っているかどうかを判定する第６ステップと、
前記判定の結果、すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っている場合は処理を終了する一方、すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っていない場合は、前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入ったリンクの位置を保持すると共に、前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っていないリンクについては、前記検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応して制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、前記第５ステップで算出した差分に対応する制御パラメータを読み出す第７ステップと、
前記読み出された制御パラメータおよび前記第５ステップで算出した差分に基づいて前記アクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させる第８ステップと、を含み、
前記第３ステップから第８ステップまでの各ステップを繰り返し行なうことを特徴とするパラレルリンク装置の制御方法。
【請求項４】
前記第７ステップは、複数の制御パラメータテーブルからリンクを制御する条件に応じていずれか一つの制御パラメータテーブルを選択するステップを更に含むことを特徴とする請求項３記載のパラレルリンク装置の制御方法。
【請求項５】
前記アクチュエータが、印加電圧に応じた変位を発生させる圧電アクチュエータであって、前記圧電アクチュエータへの印加電圧を制御することによりリンクの変位量を制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のパラレルリンク装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密な位置決めを実現するパラレルリンク装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特公平６−１０４３０８号公報には、一対の６自由度パラレルリンク機構からなるハンドモジュールを利用した２本指のハンドを有するマイクロマニピュレータが開示されている。このマイクロマニピュレータは、６自由度のパラレルリンク機構を備えたハンドモジュールの一対により構成されている。各ハンドモジュールは、ベース部材と、基体上に手先片を取り付けてなるエンドエフェクタと、それらのベース部材と基体を連結する６本のリンクおよびスプリングとにより構成されている。上記６本のリンクは、３本ずつで１群をなしている。ベース部材及び基体との接続点は、中心軸線の周りの円周上にほぼ等分に、かつ両群のリンクを反対方向に傾斜させて配設され、それらのリンクの接続点はピボット結合として、ベース部材と基体とをスプリングにより連結される。６本の各リンクは、それぞれピエゾ圧電素子により伸縮可能となっている。これにより、微小対象物についてのマイクロマニピュレーションを作業性および制御性よく行なおうとしている。
【０００３】
また、例えば、特開平９−２８１４０３号公報に開示されている顕微鏡では、指令部より圧電アクチュエータを駆動するための指令値が出力されると、前回の指令値と今回の指令値の差分よりステップ入力の振幅が求められ、このステップ入力の振幅により、ルックアップテーブルより、この時のステップ入力の振幅に最適な制御ゲイン（Ｐ（比例）ゲインとＩ（積分）ゲイン）が読み出される。そして、この制御ゲインを用いて、レボルバおよびステージ間の相対距離と指令手段の指令値との差分の制御偏差を考慮したＰＩ制御演算により最適な応答速度が得られる圧電アクチュエータの制御量を演算している。これにより、最適な応答速度により制御できる顕微鏡を実現しようとしている。
【特許文献１】特公平６−１０４３０８号公報
【特許文献２】特開平９−２８１４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、高剛性かつ高速で高精度な姿勢制御が可能な位置決めテーブル（可動テーブル）が半導体や液晶関連の製造装置で要求されている。このような状況下において、例えば、上記特許文献１（特公平６−１０４３０８号公報）には、パラレルリンク機構に関して、固定ゲインのＰＩＤ制御では、効果的な動作を得ることができないので、各ピエゾ圧電素子間の力学的干渉を考慮した適応制御などを行なう旨の記載がある。しかしながら、その対策としての制御方法を提案することが課題となっている。
【０００５】
また、上記特許文献２（特開平９−２８１４０３号公報）では、ルックアップテーブルからステップ入力の振幅に最適な制御ゲインが読み出されるが、ルックアップテーブルに含まれている制御ゲインそのものは予め固定されたものである。リンクの制御の態様・条件に応じて柔軟にリンクを制御するためには、複数の制御パラメータテーブルを保持しておき、これらを使い分けることが必要であると考えられる。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために鋭意検討してなされたものであり、与えられた姿勢指令値を逆運動学演算して求められた各リンクの変位量に基づき、リンク相互間の干渉をさけてスムーズに可動テーブルの位置決めを可能とするパラレルリンク装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明のパラレルリンク装置の制御方法は、以下のような構成を採る。すなわち、可動テーブルを支持する３本または６本のリンクと、前記各リンクに対応して設けられ各リンクの変位量を制御するアクチュエータとを備えるパラレルリンク装置の制御方法であって、前記各リンクの変位状態を検出し、前記可動テーブルの取るべき姿勢を指令する指令値に基づいて前記各リンクの必要変位量を算出し、前記検出した変位状態と前記必要変位量との差分をリンク毎に算出し、前記差分が所定の範囲内であるリンクは現状位置を保持する一方、前記差分が所定の範囲外である場合は、その差分に対応する制御パラメータを読み出して前記アクチュエータを駆動させ、そのリンクを変位させることを特徴としている。
【０００８】
このように、検出したリンクの変位状態と必要変位量との差分に対応する制御パラメータを読み出してそのリンクを変位させるので、差分に応じて制御パラメータが更新されることとなる。すなわち、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分について最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることができる。これにより、リンク相互間の干渉の回避が可能となると共に、可動テーブルのスムーズな位置決めを行なうことが可能となる。
【０００９】
（２）また、本発明のパラレルリンク装置の制御方法は、複数の制御パラメータを予め保持し、いずれか一つの制御パラメータを選択して用いることを特徴としている。
【００１０】
このように、制御パラメータを選択して用いるので、制御する条件に応じて最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることが可能となる。これにより、スムーズに可動テーブルの位置決めを行なうことが可能となる。
【００１１】
（３）また、本発明のパラレルリンク装置の制御方法は、可動テーブルを支持する３本または６本のリンクと、前記各リンクに対応して設けられ各リンクの変位量を制御するアクチュエータとを備えるパラレルリンク装置の制御方法であって、前記可動テーブルの取るべき姿勢を指令する指令値を入力する第１ステップと、前記指令値に基づいて逆運動学演算を実施し、前記各リンクの必要変位量をリンク毎に算出する第２ステップと、前記パラレルリンク装置において定められた基準位置に対する各リンクの位置を検出する第３ステップと、前記算出された必要変位量に対応する制御パラメータを読み出し、前記必要変位量およびその必要変位量に対応する制御パラメータに基づいて前記アクチュエータを駆動させて前記各リンクを変位させる第４ステップと、前記検出した位置から変位終了位置までの差分を算出する第５ステップと、すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っているかどうかを判定する第６ステップと、前記判定の結果、すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っている場合は処理を終了する一方、すべての前記リンクにおいて前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っていない場合は、前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入ったリンクの位置を保持すると共に、前記第５ステップで算出した差分が予め定められた範囲内に入っていないリンクについては、前記検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応して制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、前記第５ステップで算出した差分に対応する制御パラメータを読み出す第７ステップと、前記読み出された制御パラメータおよび前記第５ステップで算出した差分に基づいて前記アクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させる第８ステップと、を含み、前記第３ステップから第８ステップまでの各ステップを繰り返し行なうことを特徴としている。
【００１２】
このように、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応して制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、差分に対応する制御パラメータを読み出して、その読み出された制御パラメータおよび差分に基づいてアクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させるので、差分に応じて制御パラメータが更新されることとなる。すなわち、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分について最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させるのである。これにより、リンク相互間の干渉の回避が可能となると共に、可動テーブルのスムーズな位置決めを行なうことが可能となる。
【００１３】
（４）また、本発明のパラレルリンク装置の制御方法は、前記第７ステップは、複数の制御パラメータテーブルからリンクを制御する条件に応じていずれか一つの制御パラメータテーブルを選択するステップを更に含むことを特徴としている。
【００１４】
このように、複数の制御パラメータテーブルから、リンクを制御する条件に応じていずれか一つの制御パラメータテーブルを選択するので、制御する条件に応じて最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることが可能となる。これにより、スムーズに可動テーブルの位置決めを行なうことが可能となる。
【００１５】
（５）また、本発明のパラレルリンク装置の制御方法は、前記アクチュエータが、印加電圧に応じた変位を発生させる圧電アクチュエータであって、前記圧電アクチュエータへの印加電圧を制御することによりリンクの変位量を制御することを特徴としている。
【００１６】
このように、アクチュエータとして圧電アクチュエータを用いるので、変位量の正確な制御を行なうことが可能となる。すなわち、圧電アクチュエータは、印加する電圧が定まれば変位量も正確に定まるため、極めて微小な変位を制御するためには好適である。さらに、駆動時に磁界を発生させないため、磁界の影響を受けやすい装置の付近でも用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るパラレルリンク装置の制御方法によれば、検出したリンクの変位状態と必要変位量との差分に対応する制御パラメータを読み出してそのリンクを変位させるので、差分に応じて制御パラメータが更新されることとなる。すなわち、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分について最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることができる。これにより、リンク相互間の干渉の回避が可能となると共に、可動テーブルのスムーズな位置決めを行なうことが可能となる。
【００１８】
また、制御パラメータを選択して用いるので、制御する条件に応じて最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることが可能となる。これにより、スムーズに可動テーブルの位置決めを行なうことが可能となる。
【００１９】
また、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応して制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、差分に対応する制御パラメータを読み出して、その読み出された制御パラメータおよび差分に基づいてアクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させるので、差分に応じて制御パラメータが更新されることとなる。すなわち、検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分について最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させるのである。これにより、リンク相互間の干渉の回避が可能となると共に、可動テーブルのスムーズな位置決めを行なうことが可能となる。
【００２０】
また、複数の制御パラメータテーブルから、リンクを制御する条件に応じていずれか一つの制御パラメータテーブルを選択するので、制御する条件に応じて最適な制御パラメータを用いてリンクを変位させることが可能となる。これにより、スムーズに可動テーブルの位置決めを行なうことが可能となる。
【００２１】
また、アクチュエータとして圧電アクチュエータを用いるので、変位量の正確な制御を行なうことが可能となる。すなわち、圧電アクチュエータは、印加する電圧が定まれば変位量も正確に定まるため、極めて微小な変位を制御するためには好適である。さらに、駆動時に磁界を発生させないため、磁界の影響を受けやすい装置の付近でも用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態に関し、図面を参照しながら説明する。ただし、これは実施形態の一例であって、本発明がこの実施形態に限定されるものではない。また、ここでは６自由度のパラレルリンク機構を例にとって説明するが、３自由度であっても良い。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係るパラレルリンク装置の側面図であり、図２は、同平面図である。パラレルリンク装置１は、６本のリンク２により可動テーブル４を支持している。すなわち、固定台１ａ上には６個のリンク固定部１ｂが設けられており、各リンク固定部１ｂに、それぞれ１本ずつ、合計６本のリンク２がユニバーサルジョイント３を介して取り付けられている。また、各リンク２の反対側の端部はユニバーサルジョイント３を介して可動テーブル４のリンク取り付け部４ａに取り付けられている。
【００２４】
各リンク２には、圧電アクチュエータ５が設けられており、圧電アクチュエータ５が駆動されることによってリンク２が長くまたは短くなる。また、各リンク２には、静電容量式の位置センサ６が設けられており、基準位置に対する各リンク２の位置がリアルタイムで検出されるように構成されている。この基準位置は、パラレルリンク装置において都合の良い位置を定めれば良く、例えば、可動テーブル４のリンク取り付け部４ａとすることができる。リンク取り付け部４ａからの距離を測ることによってリンク２の位置を把握するようにすることができる。
【００２５】
図３は、制御方法として一般に使用されるＰＩＤ制御を使用したパラレルリンク装置１の電気的なブロック構成図の一実施例である。ホスト３０から制御コントローラ３１に対して、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θＸ、θＹ、およびθＺの６自由度の指令値が入力される。制御コントローラ３１では、逆運動学演算部３２が、入力されたＸ、Ｙ、Ｚ、θＸ、θＹ、およびθＺの６自由度の指令値を逆運動学演算して各リンク２の必要変位量を算出する。この逆運動学演算とは、パラレルリンク機構において、可動テーブルの６自由度姿勢情報から６本のリンクの長さを演算で求める手法である。
【００２６】
次に、ＰＩＤ演算部３３において必要変位量に応じたＰＩＤ制御パラメータが適用される。ここで、ＰＩＤ制御とは、自動制御方式の中でもっとも良く使われる方式であって、Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ（比例）、Ｉｎｔｅｇｒａｌ（積分）、そしてＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（微分）の３つを組み合わせて制御することによってきめ細かでスムーズな制御を可能とするものである。
【００２７】
ＰＩＤ演算部３３の出力信号は、アンプ３４によって増幅され、パラレルリンク機構３５における各圧電アクチュエータ５に入力される。各リンク２には、位置センサ６が設けられており、位置センサ６の検出結果がフィードバックされる。なお、制御コントローラ３１の機能は、ＣＰＵがメモリを用いながらプログラムを実行することによって発揮される。
【００２８】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係るパラレルリンク装置の動作について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。上記のように、ホスト３０からＸ、Ｙ、Ｚ、θＸ、θＹ、およびθＺの６自由度の指令値が入力されると、制御コントローラ３１は、指令値を読み込む（ステップＳ１）。次に、指令値に基づいて逆運動学演算を実施し、各リンク２の必要変位量をリンク毎に算出する（ステップＳ２）。次に、各リンクの現在の位置を検出し（ステップＳ３）、必要変位量に対応するＰＩＤ制御パラメータを読み出して、必要変位量およびその必要変位量に対応するＰＩＤ制御パラメータに基づいてアクチュエータを駆動させて各リンク２を変位させる（ステップＳ４）。次に、リンクの現在位置から変位終了位置までの差分を算出する（ステップＳ５）。
【００２９】
次に、すべてのリンクについて、ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入っているかどうかを判定し（ステップＳ６）、判定の結果、すべてのリンクについて差分が範囲内に入っていない場合は、上記ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入ったリンクについては現状位置を保持する（ステップＳ７）。すなわち、必ずしも差分がゼロになるまで制御をするのではなく、ある一定の許容範囲に入ったら制御を止めても良いという趣旨である。
【００３０】
また、ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入っていないリンクについては、ステップＳ４において検出したリンクの位置から変位終了位置までの差分に対応してＰＩＤ制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、ステップＳ５で算出した差分に対応するＰＩＤ制御パラメータを読み出す（ステップＳ８）。そして、読み出されたＰＩＤ制御パラメータおよびステップＳ５で算出した差分に基づいてアクチュエータを駆動させてそのリンクを変位させる（ステップＳ９）。
【００３１】
以上の動作は、すべてのリンクにおける上記差分が一定の範囲内に入るまで繰り返し行なわれる。すなわち、ステップＳ６における判定の結果、すべてのリンクについて差分が範囲内に入っている場合は、処理を終了する（ステップＳ１０）。
【実施例１】
【００３２】
上記のように、パラレルリンク装置１においては、６本のリンクに対して、予め決められたＰＩＤ制御パラメータにより、位置決めがなされる。例えば、指令値に対する逆運動学演算により、第１および第２のリンクには大きな必要変位量が、また、第３および第４のリンクには小さな必要変位量が、さらに、第５および第６のリンクは現状位置保持、といった結果となる場合がある。通常、位置決めパラメータを決定する際には、位置決め速度の要求にかかわらず、外乱に対する補償のため、ある程度の高速な位置決めパラメータとする必要がある。この際、大きな変位量駆動が必要な第１および第２のリンクにおいて、振動的な位置決め制御となり、最終的な可動テーブルの位置決め整定時間が余計にかかる場合がある。
【００３３】
そこで、位置決めにかかる時間は少しかかっても良いが、過渡的にオーバーシュートが許されない場合や、位置決め完了後の外乱などに強い位置静止安定性が求められる場合は、以下のようにパラメータを定める。すなわち、位置決め残差（変位終了位置と現在位置の差分）が大きい場合は、位置決め速度が低速な位置決めパラメータ（例えばＰＩＤ定数）で、小さい場合は高速な位置決めパラメータとなるような制御パラメータテーブルを予め作成しておき、位置決めサイクルごとにその制御パラメータテーブルを参照して、最終的に最適と想定される共通の位置決めパラメータとなるようにする。この場合のＰ（比例）定数に関する制御パラメータテーブルを図５に示す。
【実施例２】
【００３４】
次に、過渡的にオーバーシュートが発生させても、位置決めにかかる時間を短縮させて、かつ位置決め完了後も外乱などに強い位置静止安定性が求められる場合は、以下のようにパラメータを定める。すなわち、位置決め残差（変位終了位置と現在位置の差分）が大きい場合は、位置決め速度を高速な位置決めパラメータ（例えばＰＩＤ定数）にし、位置決め残差が小さくなるに従って、通常の位置決めパラメータとなるような制御パラメータテーブルを予め作成しておき、位置決めサイクルごとにその制御パラメータテーブルを参照して、最終的に最適と想定される共通の位置決めパラメータとなるようにする。この場合のＰ（比例）定数に関する制御パラメータテーブルを図６に示す。
【実施例３】
【００３５】
次に、可動テーブルの過渡的な位置決めに関して制御するために６本のリンクの位置決め完了時刻が同じになるような制御を各リンクにかけたい場合は、以下のようにパラメータを定める。すなわち、各リンク２の位置決め残差（変位終了位置と現在位置の差分）を位置決めサイクルごとに確認して、残差が大きいリンクのみ駆動していき、各リンクの残差が同じになった段階で全てのリンクを同じ位置決めパラメータで駆動する。パラメータ対応表（制御パラメータテーブル）は、要求に応じて、例えば実施例１または実施例２のものを使用することが可能である。この場合のＰ（比例）定数に関する制御パラメータテーブルを図７に示す。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るパラレルリンク装置の側面図である。
【図２】本発明に係るパラレルリンク装置の平面図である。
【図３】制御方法として一般に使用されるＰＩＤ制御を使用したパラレルリンク装置の電気的なブロック構成図である。
【図４】本発明に係るパラレルリンク装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】差分とＰ（比例）定数とを関係付けた制御パラメータテーブルの例を示す図である。
【図６】差分とＰ（比例）定数とを関係付けた制御パラメータテーブルの例を示す図である。
【図７】差分とＰ（比例）定数とを関係付けた制御パラメータテーブルの例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    パラレルリンク装置
１ａ  固定台
１ｂ  リンク固定部
２    リンク
３    ユニバーサルジョイント
４    可動テーブル
４ａ  リンク取り付け部
５    圧電アクチュエータ
６    位置センサ
３０  ホスト
３１  制御コントローラ
３２  逆運動学演算部
３３  ＰＩＤ演算部
３４  アンプ
３５  パラレルリンク機構
【図１】
2005246541.tif 000003
【図２】
2005246541.tif 000004
【図３】
2005246541.tif 000005
【図４】
2005246541.tif 000006
【図５】
2005246541.tif 000007
【図６】
2005246541.tif 000008
【図７】
2005246541.tif 000009