(57)【要約】【課題】本発明の課題は、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性と制御上の複雑性を単純化すると共に、関節の短縮化と、より安全性を高めた実用的なシステムを提供することにある。【解決手段】各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用した多関節ロボットにおいて、モータ等を外付けとし、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するようにした。【選択図】    図１
2005014156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用した多関節ロボットにおいて、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するモジュール化方式の多関節ロボット。
【請求項２】
回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納めて外付けとし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態でモジュール化されている電動アクチュエータ。
【請求項３】
回転修正機構として請求項２に記載のモジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部にも請求項２に記載のモジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態とする関節ユニット。
【請求項４】
モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通孔に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態とする請求項３に記載の関節ユニット。
【請求項５】
エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした関節ユニットにおける回転修正方法。
【請求項６】
基部に請求項４に記載の関節ユニットを複数個連接して取り付けると共に、先端部にエンドエフェクタを取り付けてなる多関節ロボット。
【請求項７】
基本動作についての情報を蓄積したルックアップテーブルと指定動作の制御信号を演算する手段とを備えた制御コンピュータと、各関節ユニットの駆動を制御するコントローラとを備えた請求項６に記載の多関節ロボットを制御するシステム。
【請求項８】
本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御することを特徴とする請求項７に記載の多関節ロボットを制御するシステム。
【請求項９】
本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定することを特徴とする請求項８に記載の多関節ロボットを制御するシステムの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はモジュール化したオフセット型関節ユニットと、それを用いたオフセット型関節ロボットの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】本出願人は先にオフセット型関節ユニットを用いたロボットに関する基本技術について出願（特許文献１）し、特許第３３２６４７２号として登録された。この発明の多関節ロボットは、図９に示すように駆動側アーム１０６と従動側アーム１０７がアーム軸線に対して傾斜したオフセット回転軸線回りに回転駆動されるオフセット回転関節を少なくとも複数個有する多関節ロボットにおいて、前記駆動側アーム１０６先端に高減速比の関節回転伝動機構部１０９が所定のオフセット角度γで傾斜して固定され、該関節回転伝動機構１０９は駆動側であるステータ部と従動側であるロータ部とで構成され、前記ステータ部がステータハウジング１２０、該ステータハウジング１２０に回転自在に固定され外周面にカム面が形成され、モータ１１０で回転駆動される中空回転軸、内周面が前記中空回転軸のカム面１３１と係合するカム作動面で外周面が歯面となって弾性変形可能に固定されてなる入力ギア部材１３２からなり、前記ロータ部材が、ロータハウジング１３０、該ロータハウジング１３０に固定され、前記ステータ部の入力ギア部材１３２と噛合い前記中空軸と同一回転軸心で回転する出力ギア部材１３７からなり、前記ロータハウジング１３０に従動側アーム１０７を固定してオフセット回転関節を構成してなることを特徴とするものである。
【０００３】
上記のような構成を持つことにより、この発明のオフセット回転関節は、従動側リンクがリンク軸線とオフセット回転軸線との交点を頂点として、オフセット角度の円錐回転運動するので、該オフセット回転関節を複数設けることによって、回転運動のみの簡単な機構で、エンドエフェクタの広可動範囲での精密な三次元位置決めができる。しかも、各関節は、関節内の関節回転伝動機構部が高減速比伝動・トルク増加機構となっているので、小型の駆動モータを採用してより強い回転トルクを伝えることができ、関節を小型軽量に形成することができる。このことは、多連の多関節ロボットにとって非常に有利であり、小型軽量でよりペイロードの高いオフセット回転関節を得ることができ、且つ精密な位置決め制御が可能な高機能な多関節ロボットを得ることができる。
【０００４】
図１１は特許文献１の多関節ロボットの制御方法の基本的構成を示すブロック線図である。このロボットシステムは、作業計画系Ａ、マニピュレータ系（アーム、関節、エンドエフェクタ、及びこれらを直接コントロールする制御部を含む駆動作業部を指す）Ｂ、画像認識系Ｃで構成されている。作業計画系Ａは、各種データベース１７０、作業計画手段１７１、軌道生成手段１７２、又必要に応じてリモート教示用又は手動操作用としてジョイスティック又はキーボード等の手動制御入力機器１７３から構成されている。各種データベース１７０にはロボットに必要な作業を行わせるための作業計画に必要なあらゆる情報・データを決定して入力しておく。作業計画に必要な情報・データとしては、多関節ロボット本体の形態情報（例えば各関節の機能構成、エンドエフェクタの機能構成等）、多関節ロボット本体の設置情報（多関節ロボット本体と画像認識用カメラと対象物等の固定位置座標、多関節ロボットの動作範囲等）、多関節ロボットの操作方法（手動操作モード、プログラム操作モード、自動操作モード等の決定情報）がある。そして、予めブロック教示されたブロック毎のブロック領域データも格納しておく。また、各種の作業対象物の形状等をデータベース化した対象物形状データベース、組立法、加工法等の各種基本作業内容をデータベース化した各種作業データベースをＲＯＭ化しておくことによって、種々の形状の対象物に種々の作業をデータベースから呼び出して行うことができる。
【０００５】
マニピュレータ系Ｂは，軌道生成手段１７２からの手先トルク指令に応じて各関節の関節トルクを決定する関節トルク分配手段１７５、手先角や手先位置指令に基づいて各関節の関節角度を計算する関節角度計算手段１７６、及び各関節１７９に設けられたサーボモータ１８０、回転速度計１８１、エンコーダ１８２等からなる関節単位手段、及びエンドエフェクタ１８６に設けられた力／トルクセンサ１８７、角度センサ１８８、重力センサ１８９等から構成されている。各関節には、通信インターフェース、前記関節トルク分配手段１７５及び関節角度計算手段１７６を兼ね、コマンドの実行と報告を行うＣＰＵ、及び関節データベースも備えている。
【０００６】
この多関節ロボットのオフセット回転関節は、回転機構のみで関節を構成することができるので、比較的小型のアームで高負荷に対応できるが、筒体軸に対してオフセット角（斜交角）を持たせた軸を円錐状に回転させることで、筒体軸に対する曲げ角度をとる構造となっているために、途中の曲げ角度の方向が定まらない欠点がある。そのため、例えば、指関節のような単純な二次元的な曲げ動作を行うことが困難である等の問題点があった。そこで、本出願人は、回転機構のみで二次元動作ができ且つ小型から大型まで対応でき、高負荷加重を支持できる回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット（特許文献２）を先に提示した。この回転修正機構付きオフセット回転関節ユニットは、図１０に示すように第１アーム、該第１アームの軸線を中心として回転駆動される回転修正アーム、該回転修正アームと斜交する軸線を中心として回転駆動される第２アームとで１組のオフセット回転関節ユニットを構成し、前記第１アームと前記回転修正アームとが回転修正関節機構部を介して連結され、前記回転修正アームと前記第２アームがオフセット回転関節機構部を介して連結されていることを特徴とするものである。前記回転修正関節機構部及び前記オフセット回転関節機構部が同一駆動源により、２軸反転機構部を介して駆動されることにより、制御が容易になり、微小な動作遅れを解消することができ、且つ組合せ関節の小型化ができる利点がある。前記オフセット回転関節機構部の回転に伴って、前記回転修正関節機構部が逆回転することによって、回転機構のみで前記第２アームが前記第１アームに対して、２次元曲げ動作を可能にする。
【０００７】
このように改良が加えられた多関節ロボットは、生産ライン系の産業ロボット（溶接、搬送、組立等）や癒し系のロボット（人型ロボット、アミューズメント・ロボット、動物型ロボット等）に広く適用が期待されている。しかし、従来の試作開発済みのオフセット型多関節ロボットの関節機構の技術では、各関節毎にモータ、高減速比の歯車列、エンコーダ、ブレーキ等をアーム内に内蔵させるため、どうしても軸方向に長い構造となってしまう。そのため、オフセット回転関節と修正関節機構とが機構上、離れた構成となり一体化、小型化が難しく、各関節毎に細かい２次元曲げ動作（指の折り曲げ動作）をスムーズに行うことが不可能である。また、生産性（組立・調整・修理）も難しく、ユーザとのギャップ（価格、量産化、操作の利便性等）が大きく、なかなか市場への投入まで至らなかった。また、駆動系の高減速比伝動機構として、ハーモニックドライブ機構が用いられてきたが、一般に平歯車列からなるため、制御系の故障時など駆動電源が落ちたとき、姿勢保持機能が無くアームが自重などにより勝手に動き始め人や物に衝突してしまうという事故を起こす危険があり、安全上の問題もあった。また、制御系の構成として各関節ユニットの各アクチュエータ毎にコントローラを個別に設置する等、構造的に複雑でコストの面でも実用化の妨げとなっている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１３８２７９号公報「多関節ロボットとその制御方法」  平成１３年５月２２日公開  図１，図２
【特許文献２】特開２００３−２５２６９号公報「回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット」  平成１５年１月２９日公開
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性と制御上の複雑性を単純化すると共に、より細かな作業を可能とすべく関節間隔を短くし、かつ安全性を高めた実用的なシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用した多関節ロボットにおいて、本発明は、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するようにした。
【００１１】
本発明の電動アクチュエータは、回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納め外付けとし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態でモジュール化されている。
【００１２】
本発明の関節ユニットは、回転修正機構として上記モジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部には上記モジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態とする。
更に、本発明の関節ユニットは、モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通軸に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態とする。
本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした。
【００１３】
本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御するようにし、更にコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定する。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明では、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性については、基本的に各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用し、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ電動アクチュエータを用いることで、機構の単純化とコストの削減を図るようにした。また、駆動電源が落ちたとき、姿勢保持機能が無くアームが自重などにより勝手に動き始めて人や物に衝突してしまうという事故を防止する、安全上の問題対策としては、該電動アクチュエータに用いる減速機構にウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するようにした。
【００１５】
また、本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、機械的な機構を用いずにエンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角を制御系にフィードバックし、その分の回転修正を、制御動作として行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとした。そして、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材がある多関節ロボットの動作制御については、個々の関節ユニット当たり１組の電動アクチュエータに別々のコントローラを備え、それぞれを制御コンピュータによって駆動することに替え、複数組の関節ユニットの電動アクチュエータの制御を共通したコントローラを時系列的に切換使用することで部品数の削減を図って省エネ型でコストの安いシステムを提供する。
【００１６】
【実施例１】以下に本発明のモジュール化した電動アクチュエータの実施例の構成について図１を参照しながら説明する。図中Ａは側面図、Ｂは正面図である。１は電動アクチュエータで、２はサーボモータ、ステッピングモータあるいはパルスモータといった回転量を制御できる小型モータ、３は歯車列、４は該歯車列の出力歯車とウオーム軸と一体の手動回転軸５とを回転伝達するベルト、６はウオーム、７は該ウオーム６の回転速度をモニタするエンコーダ、８は前記ウオーム６と噛合するウオームホイール、９は固定側フランジ、１０は出力側フランジ、１１は隣接する回動機構間の信号を伝達するスリップリングであり１２は固定側フランジ９に対する出力側フランジ１０の角度を検出するエンコーダである。モータ２とウオーム６の回転軸はケーシング内でコンパクトに平行に配置されている。固定側フランジ９の固定系にモータ２とウオーム６を内蔵したケーシングが固定され、この固定系に対してベアリングを介してウオームホイール８が回転自在に支承されている。該ウオームホイール８はその固定側フランジ９と反対側に出力側フランジ１０が、一体構造となって形成されている。固定側フランジ９の貫通孔内にはスリップリング１１と角度エンコーダ１２がウオームホイール８に固定されている。また、前記の手動回動軸５の端部には６角穴が空けられており、故障等により電動アクチュエータ１の駆動が停止した場合に、６角ハンドルを嵌合して手動で駆動できるようにしてある。
【００１７】
以上のような構成の電動アクチュエータ１はモータ２が回転駆動されると歯車列３、ベルト４を介してウオーム６が回転させられる。この回転の状態（回転速度）はエンコーダ７でパイロット表示的にモニタすることができる。このウオームの回転は噛合関係にあるウオームホイール８を回転させるが、この歯車の回転比は１／１０〜１／３０程度とされる。このウオームギヤー関係によりウオーム６の回転はウオームホイール８に回転を伝えるが、ウオームホイール８の回転はウオーム６に回転を伝えることはない、所謂一方向伝達機構を構成する。これが本発明の電動アクチュエータの特徴点の１つである。ウオームホイール８の回転は出力側フランジ１０と、スリップリング１１並びに角度エンコーダ１２とを回動させ、固定側フランジ９と出力側フランジ１０との角度差を角度エンコーダ１２が検出する。
以上のようなモジュール化された電動アクチュエータは、モータ２からウオーム６とエンコーダ７までの部材を収納するケーシングを、固定側フランジ９と出力側フランジ１０とを有する回転機構部に対して図２に示すようにモータ部を立てた状態Ｂに限らず固定側Ａ或いは出力側に寝かせた状態Ｃで取り付けることが可能である。実際の関節部に組み込む場合にはコンパクトに収まる取り付け形態を採用することができる。
【００１８】
【実施例２】次に本発明のモジュール化した電動アクチュエータの実施例の構成について図３を参照しながら説明する。図中Ａは下半分を断面図とした側面図、Ｂは図Ａ中のａ−ａ断面図、Ｃは図Ａ中のｂ−ｂ断面図である。１’は電動アクチュエータで、２は回転量を制御できる小型モータ、３は歯車列、４は該歯車列の出力歯車とウオーム軸と一体の手動回転軸５とを回転伝達するベルト、５ａは手動回転軸５に一体的に取り付けられた伝達歯車、６ａ，６ｂは同軸に固定された伝達歯車６ｃ，６ｄを介して伝達歯車５ａに回転される２つのウオーム、７は前記伝達歯車５ａの回転速度をモニタするエンコーダ、８ａ，８ｂは前記ウオーム６ａ，６ｂとそれぞれ噛合するウオーム歯車でありウオームホイール８の円周面に２列に形成されている。９は固定側フランジ、１０は出力側フランジ、１１は隣接する回動機構間の信号を伝達するスリップリングであり１２は固定側フランジ９に対する出力側フランジ１０の角度を検出するエンコーダである。先の実施例と異なるのはモータ２と伝達歯車５ａの回転軸と更に２つのウオーム６ａ，６ｂがケーシング内でコンパクトに平行に配置されている点と、前記２つのウオーム６ａ，６ｂと噛合するウオームホイール８の円周面に２列に形成されている点である。そしてこの例ではウオーム６ａと６ｂはピッチは同じであるが歯形は逆傾斜角になっておりこれと噛合するウオーム歯車８ａ，８ｂも同じ関係にある。固定側フランジ９にモータ２と伝達歯車５ａの回転軸と更に２つのウオーム６ａ，６ｂを内蔵したケーシングが固定され、この固定系に対してベアリングを介してウオームホイール８が回転自在に支承されている。該ウオームホイール８はその固定側フランジ９と反対側に出力側フランジ１０が、一体構造となって形成されている。固定側フランジ９の貫通孔内にはスリップリング１１と角度エンコーダ１２がウオームホイール８に固定されている点、及び手動回転軸５に手動用ハンドルが取り付けられるようになっている点は先の例と変わりはない。
【００１９】
以上のような構成の電動アクチュエータ１’はモータ２が回転駆動されると歯車列３、ベルト４、伝達歯車５ａを介してウオーム６ａ，６ｂが同方向に回転させられる。この回転の状態は伝達歯車５ａの回転軸に取り付けられているエンコーダ７でパイロット表示的にモニタすることができる。このウオーム６ａ，６ｂの回転は噛合関係にあるウオーム歯車８ａ，８ｂに回転力を与えるが共にウオームホイール８を同じ方向に回転させる。この歯車の回転比はやはり１／１０〜１／３０程度とされる。このウオームギヤー関係によりウオーム６ａ，６ｂの回転はウオームホイール８に回転を伝えるが、所謂一方向伝達機構としてウオームホイール８の回転はウオーム６に回転を伝えることはなく、しかも噛合する歯形が異なるようにしているため逆転時には１組のウオーム歯車が噛み込む関係になり強い逆転防止機能を持つ。これが本実施例の電動アクチュエータ１’の特徴点の１つである。ウオームホイール８の回転は出力側フランジ１０と、スリップリング１１並びに角度エンコーダ１２とを回動させ、固定側フランジ９と出力側フランジ１０との角度差を角度エンコーダ１２が検出する点は先の実施例と同様である。以上のようなモジュール化された電動アクチュエータ１’も、モータ２からウオーム６ａ，６ｂとエンコーダ７までの部材を収納するケーシングを、固定側フランジ９と出力側フランジ１０とを有する回転機構部に対して固定側或いは出力側に寝かせた状態で取り付けることが可能である。ウオーム歯車機構が逆歯形の１組によって構成されている点で異なる他、駆動動作については先の実施例と大きく異なるところはない。
【００２０】
上記したようなモジュール化された電動アクチュエータ１（又は１’）をオフセット型関節ロボットの関節ユニットに組み込む実施形態について説明する。図４と図５に示すように本発明の関節ユニット２０は基部側の基筒体に接続される回転修正関節機構部２１と、先端側オフセット回転関節機構部２２から構成されるもので、２つの回転機構部に同じ上記したモジュール化された電動アクチュエータ１をそれぞれに組み込む。このオフセット回転関節機構部２２は基部側部材２２ａと従筒体と一体の先端側部材２２ｂがオフセット角γの関係で回転自在に支承されている。すなわち、回転修正関節機構部２１では１つの電動アクチュエータＡがそのまま基部側の回転修正関節機構部２１として用いられ、その固定側フランジ９は基部又は隣接する基部側関節ユニットのオフセット回転関節の出力端に固定され、出力側フランジ１０は自らのオフセット回転関節の基部側部材２２ａに固定される。オフセット回転関節機構部２２ではその基部側部材２２ａ内に貫通孔が形成されており、その空洞部に１つの電動アクチュエータＢが装填されその固定側フランジ９がこのオフセット回転関節の基部側部材２２ａにオフセット角γで固定され、出力側フランジ１１は自らのオフセット回転関節２２の先端側部材２２ｂの回転面に固定される。電動アクチュエータＡと電動アクチュエータＢに同じモジュール化された電動アクチュエータ１（又は１’）を採用できる点が本発明の１つのメリットである。
【００２１】
図４に示した状態は関節ユニット２０において基部側の回転修正関節機構部２１の基部側固定端と、先端側オフセット回転関節機構部２２の先端側出力端とが一直線状にある所謂変角０のときのものである。この状態から関節をα角曲げようとする際には、まず、オフセット回転関節機構部２２内の電動アクチュエータ１を回転駆動させ、基部側部材２２ａと先端側部材２２ｂの軸のなす角αとなるようにその電動アクチュエータをβ角回転駆動させる。ただし、αとβとの関係はオフセット角γに依存するため、オフセット角γが決まればαとβは一義的に対応する関係にある。この駆動によって、この関節ユニット２０における基部側固定端と先端側出力端とは変角αの状態になるが、その角度は図４の紙面上の角ではなくβ角回転した面における角度となる。そこで、この変角αを図４の紙面上における角度にするため、本発明では該関節ユニット２２の基部側にある回転修正関節機構部２１においてこのβ角を修正するべく−β角の駆動をさせて回転修正を施す。この基部側の回転修正関節機構部２１の基部側固定端と、先端側オフセット回転関節機構部２２との双方の動作によって、関節ユニット２０において２次元平面内での変角制御が可能となる。図５に示した状態はオフセット角γが３０度である関節ユニット２０において最大変角２γすなわち、この場合６０°の曲げを二次元空間において行った結果を示している。ここに示した例では余分な突部を少なくしコンパクト化を図るため、電動アクチュエータＡも電動アクチュエータＢも共にモータ部のケーシングを固定側に倒した形態で組み込むようにした。
【００２２】
図７を参照しながら、本発明の多関節ロボットの構成とその動作を説明する。ここに示した例は基部に対して５個の関節ユニットを連接設置し、先端部にエンドエフェクタＥを取り付けた多関節ロボットである。関節の数は５に限られず一般数Ｎであってよい。基部ＲＢから先端部にかけての各腕は徐々に細くなる構成がとられているが、各関節ユニットにはそれぞれ回転修正関節用の電動アクチュエータＡとオフセット回転関節用の電動アクチュエータＢとして全く同じモジュール化された電動アクチュエータが組み込まれている。なお、この電動アクチュエータの大きさはすべて同じということではなく、基部側では大きくエンドエフェクト側が小型のものとなるのが一般的である。この多関節ロボットシステムには制御部として基部ＲＢの回転コントローラＣＲとエンドエフェクターＥのコントローラＣＥと、５つの関節ユニットの電動アクチュエータＡ１乃至Ａ５と電動アクチュエータＢ１乃至Ｂ５のコントローラＣＡ１〜ＣＡ５とＣＢ１からＣＢ５が備えられ、各コントローラに対する制御信号が制御用コンピュータＣＣから送信され、インターフェースを介して入力される。ロボットの基本的な動きはパターン化され、各電動アクチュエータを駆動させるためのコントローラへ出力する制御信号の情報は、それぞれのパターンに対応して記憶装置にルックアップテーブルとして蓄積されている。ルーティン動作であればその基本パターンに対応した記憶情報をそのまま利用して動作できるが、オリジナルの動作についてはコンピュータが類似パターン情報を読み出すと共に、各アクチュエータに対する補正分を演算して制御信号を出力する。また、各電動アクチュエータＡ１〜Ａ５とＢ１〜Ｂ５の駆動がエンコーダ７によって速度モニターされて信号ＭＡ１〜ＭＡ５とＭＢ１〜ＭＢ５として出力されると共に、駆動された各関節ユニット２０の回転修正関節機構部２１と、先端側オフセット回転関節機構部２２の角度情報はそれぞれの角度エンコーダ１２から出力され、角度検出信号ＥＡ１〜ＥＡ５とＥＢ１〜ＥＢ５として対応するそれぞれのコントローラＣＡ１〜ＣＡ５とＣＢ１〜ＣＢ５へ送り返される。
【００２３】
図７に示した多関節ロボットの動作とその制御信号について図６を参照しながら詳しく説明する。まず各関節ユニット２０と基部ＲＢ及びエンドエフェクタＥのコントローラの電源をＯＮ状態とする信号Ｄ０が制御コンピュータＣＣから出され、各アクチュエータがＯＮ状態となる。続いて制御コンピュータＣＣにおいて指定されたロボットの動作に対応した各アクチュエータＡ，Ｂへの駆動制御信号ＭＣＡ１〜ＭＣＡ５とＭＣＢ１〜ＭＣＢ５が制御コンピュータＣＣにおいて演算され、各アクチュエータＡ，ＢのコントローラＡ１〜Ａ５とＢ１〜Ｂ５へ出力される。駆動制御信号ＭＣＢ１〜ＭＣＢ５はオフセット関節の角度を指定されたα°とするためのものであり、各関節ユニットのアクチュエータＢをそのように駆動制御する。その動作結果として該関節が角度βだけ回動してしまうため、そのβ°分を撚り戻すために回転修正機構部２１のアクチュエータＡを駆動させる必要がある。そこで本発明ではオフセット回転関節機構部２２の駆動によって変位した角度情報である、アクチュエータＢの角度エンコーダ１２の検出信号ＥＢ１〜ＥＢ５を制御コンピュータＣＣにフィードバックし、回転修正機構部２１のアクチュエータＡを駆動制御することにより回転修正する。回転修正機構部２１のアクチュエータＡへの駆動制御信号ＭＣＡ１〜ＭＣＡ５は、各関節の本来の回転駆動制御信号にこの回転修正分の信号が重畳され制御コンピュータＣＣから各アクチュエータＡに出力している。この結果当該関節は指定された方向で指定された曲げ角度の状態となるべく３次元で駆動制御される。
【００２４】
図６を基に説明した本発明の多関節ロボットとその制御方式は、多関節ロボットのシステム中に取り付けられた多数のモジュール化された電動アクチュエータに対して１対１に対応するコントローラを備え、同時並列的に駆動を行うことができるものであるため、応答性の速いシステムとなるが、コントローラを電動アクチュエータの数だけ必要とするため、コスト的には高価となってしまうデメリットがある。そこで、本発明の変形例では図８に示すようなアクチュエータＡとアクチュエータＢを含むＮ（図ではＮ＝５）組の関節ユニットに対し、アクチュエータＡとアクチュエータＢのコントローラを含むＭ（ＭはＮより小さい整数）個のコントローラだけを備え、時系列的に切換使用して１つのコントローラが複数の関節ユニットを制御する制御方式を提示する。図示の例では各関節ユニットのアクチュエータＡ，Ｂを切換接続するスイッチ群に対してスキャニイング動作で選択的にコントローラと接続する形態となっている。現在コントローラと接続されているものは実線で、非接続状態のものは一点鎖線で表示している。この方式を採用することにより、作動時間が余計にかかるというデメリットを生じるが、コントローラの数を削減したデメリットを小さくするため、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するように、コントローラの使用条件を設定すれば、制御時間に大きな遅れを出すことなく、この方式でロボットの駆動制御を行うことが可能となる。大きな動作は多くの作動時間を要し、小さな動作は作動時間は短いからである。なお、制御速度を要求されないロボットにおいては究極的には１つのコントローラだけを備え、各関節ユニットを順次切換制御するシステムでもよく、その分廉価に提供できる。
【００２５】
本発明の関節ユニットは上記のような連接設置した多関節ロボット用に限らず、ディスプレイや照明器具といった機器を取り付け載置するステージ駆動用に単一ユニットで使用することもできる。制御角度が小さいものの場合には速度モニター用エンコーダ７の検出速度を積分して角度検出するようにしてもよく、その場合には角度エンコーダ１２の設置は省略してもよい。
【００２６】
【発明の効果】本発明のモジュール化方式の多関節ロボットは、各関節ユニットに回転修正機構とオフセット回転機構との組み合わせを採用したものにおいて、各関節の回転修正機構とオフセット回転機構にはモジュール化された同じ方式の電動アクチュエータを用い、該電動アクチュエータに用いる減速機構にはウオームとウオームホイールからなる逆転防止機能を備えたウオーム歯車機構を採用するものであるから、各関節ユニット毎に異なる制御をする多数の駆動部材があることに伴う多関節ロボットとしての構成上の複雑性と制御上の複雑性を単純化することができた上に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときでも、姿勢保持機能を備えており、アームが自重などにより勝手に動き始め人や物に衝突する事故を起こす危険性を排除し安全性を高めることができた。
【００２７】
また、本発明のモジュール化された電動アクチュエータは、回転量調整機能を持った小型モータと、該モータの回転が伝達機構を介して結合されているウオームと、該ウオームの回転量を検出するエンコーダとをケーシングに納めて外付けし、前記ウオームは固定側フランジに対してベアリング機構を介して回転自在に支承されているウオームホイールと噛合されると共に該ウオームホイールには出力側フランジが一体化されている形態となっているので、構造的にコンパクトであり、固定端と出力端間の距離を短くして細かい作業対応できる。
【００２８】
本発明の関節ユニットは、回転修正機構として請求項２に記載のモジュール化された電動アクチュエータをそのまま用い、その出力側フランジにオフセット回転機構の基部側を固定し、該オフセット回転機構の基部にも請求項２に記載のモジュール化された電動アクチュエータの固定フランジをγ角傾斜させて固定すると共に、その出力側フランジにオフセット回転機構の出力側部材を固定した形態であるから、構成上の単純化を図れると共に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときにも姿勢保持機能を備えており、安全性を高めた。
更に、モジュール化された電動アクチュエータの固定側フランジに、その貫通孔に隣接する回転機構間の電力・信号を伝達するスリップリングと、該電動アクチュエータにおけるウオームホイールの回転角を検出する角度エンコーダとが固定されている形態をとった本発明の関節ユニットは、貫通孔を有効利用するものであるから、構造の単純化とコンパクト化が図れ、特に連接設置された多関節ロボット用に適する。
【００２９】
本発明の関節ユニットにおける回転修正方法は、エンコーダで検出したオフセット回転機構の回転角に応じた分だけ回転修正を行わせるように回転修正機構の電動アクチュエータを駆動制御するものとしたものであるから、２軸反転機構部のような回転修正用の機械的機構を備える必要が無く、制御信号の上で本来の回転制御動作に重畳させて容易に実行することができる。
【００３０】
本発明の多関節ロボットは、基部に請求項４に記載の関節ユニットを複数個連接して取り付けると共に、先端部にエンドエフェクタを取り付けてなるものであるから、構成上の単純化を図れると共に、制御系の故障時など駆動電源が落ちたときにも姿勢保持機能を備えており、安全性を高いロボットが提供できる。更に、貫通孔を有効利用して角度エンコーダや信号伝達を行うものであるから、関節ユニットを連接設置された多関節ロボットとして単純化とコンパクト化が図る。
【００３１】
本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、基本動作についての情報を蓄積したルックアップテーブルと指定動作の制御信号を演算する手段とを備えた制御コンピュータと、各関節ユニットの駆動を制御するコントローラとを備えたものであるから、多関節ロボットの駆動制御を容易に演算処理時間も短く実行することができる。
また、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラと切換手段とを備え、時系列的に切換使用することによって各関節ユニットを駆動制御する構成を採用した本発明の多関節ロボットを制御するシステムは、少ない構成部品でロボットの駆動制御ができるためシステムの簡素化とコスト面で有利なシステムを提供できる。
更に、本システム中の組み込まれたアクチュエータの数より少ないコントローラの切換は、大きな動作を求められる関節に対しては優先度を高くし、小さな動作の関節についてだけ切換使用するようにコントローラの使用条件を設定した本発明の多関節ロボットを制御するシステムの使用方法は、一部の制御を時系列的に順次実行するものでありながら、時間遅れを最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモジュール化された電動アクチュエータの１実施例を示す図である。
【図２】本発明のモジュール化された電動アクチュエータにおけるモータ固定形態のバリエーションを示す図である。
【図３】本発明のモジュール化された電動アクチュエータの異なる実施例を示す図である。
【図４】変角０時の態様を示す本発明の関節ユニットの図である。
【図５】最大変角時の態様を示す本発明の関節ユニットの図である。
【図６】本発明の多関節ロボット制御動作を説明する図である。
【図７】本発明の多関節ロボットの構造とその基本システムを説明する図である。
【図８】本発明の多関節ロボットの構造と合理化したシステムを説明する図である。
【図９】本発明の基礎となるオフセット型多関節ロボット用関節ユニットの従来構造を示す図である。
【図１０】回転修正機構を備えたオフセット型多関節ロボット用関節ユニットの従来構造を示す図である。
【図１１】本発明の基礎となるオフセット型多関節ロボットの制御技術を説明する図である。
【符号の説明】
１，１’  モジュール化された電動アクチュエータ
２  モータ                  １１  スリップリング
３  歯車列                  １２  角度エンコーダ
４  ベルト                  ２０  関節ユニット
５  手動回動軸              ２１  回転修正機構部
６，６ａ，６ｂ  ウオーム    ２２  オフセット関節機構
７  回転速度エンコーダ      ２２ａ  基部側部材
８  ウオームホイール        ２２ｂ  先端側部材
８ａ，８ｂ  ウオーム歯車    ＣＣ  制御コンピュータ
９  固定側フランジ          ＲＢ  基部
１０  出力側フランジ        Ｅ    エンド・エフェクタ
【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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