(57)【要約】  本発明はベース１２を含むロボット１０のためのものである。複数のリンク１Ａ、１Ｂ、２、３、４、５は、直列に連結される。６つのアクチュエータは、ベースに取り付けられ、各々がドライブトレインによってリンク１Ａ、１Ｂ、２、３、４、５に駆動連結される。ドライブトレインの少なくともいくつかは、駆動軸と、傘歯車と、を含み、アクチュエータから関連づけられたリンクに駆動を伝達する。【選択図】図１
2020506815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
少なくとも２つのリンクと、
前記ベースに取り付けられ、各々の前記リンクに関連づけられたアクチュエータと、
各々の前記アクチュエータを関連する前記リンクに駆動連結するドライブトレインであって、少なくとも１つの前記ドライブトレインが、少なくとも一つの駆動軸と、駆動伝達のための傘歯車配列と、を含むドライブトレインと、
を備えたロボット。
【請求項２】
少なくとも一つの前記ドライブトレインが、傘歯車配列によって、当該少なくとも１つのドライブトレインの後続の駆動軸に駆動連結されている駆動軸を含む、請求項１記載のロボット。
【請求項３】
直列に連結された複数の細長いリンクを含み、
当該複数のリンクのうちの少なくともいくつかの各々のための前記ドライブトレインは、先行する前記リンクの少なくとも１つに関連づけられた駆動軸を含む、請求項１または２記載のロボット。
【請求項４】
前記駆動軸が、関連づけられた前記先行するリンクと平行に延びる、請求項３に記載のロボット。
【請求項５】
前記駆動軸の少なくとも一部が同軸配置されている、請求項３または４に記載のロボット。
【請求項６】
前記少なくとも２つのリンクのうちの第１のリンクは、前記ベースに連結され、前記ベースに対して変位可能であり、
前記少なくとも２つのリンクのうちの第２のリンクは、前記第１のリンクと前記ベースとの連結部から離間した位置で前記第１のリンクに連結され、
前記第１のリンクは、第１のドライブトレインによって前記第１のリンクに駆動連結された第１のアクチュエータによって、第１の軸を中心に前記ベースに対して角度変位可能であり、
前記第２のリンクは、長手形状であり、横断方向の第２の軸を中心とする前記第１のリンクに対する角度変位のために前記第１のリンクに連結され、
第２のドライブトレインは、第２のアクチュエータを前記第２のリンクに駆動連結し、前記第１のリンクと平行に延在する駆動軸と、その遠位端で連結された駆動傘歯車と、を含み、該駆動傘歯車が前記第２のリンクに連結された被動傘歯車に駆動係合する、請求項１に記載のロボット。
【請求項７】
長手形状であり、前記第２のリンクと前記第１のリンクとの連結部から長手方向に離間した位置に、第３の軸を中心とする前記第２のリンクに対する角度変位のために、前記第２のリンクに枢動可能に連結された第３のリンクと、
第３のアクチュエータを前記第３のリンクに駆動連結する第３のドライブトレインであって、前記第１のリンクと平行に延びる第１の駆動軸と、前記第２のリンクと平行に延び、前記第３のリンクと第１の傘歯車配列に駆動連結された第２の駆動軸と、を含み、前記第１の駆動軸が前記第２の駆動軸に駆動連結される、第３のドライブトレインと、
を含む、請求項６記載のロボット。
【請求項８】
前記第１の傘歯車配列は、前記第２の駆動軸と同軸に延びる中間軸を含み、
前記中間軸は、前記第１の駆動軸及び前記第２の駆動軸にそれぞれ設けられた相補的な傘歯車と駆動係合する傘歯車を両端に有する、請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
前記第３の軸は前記第２のリンクに対して横断方向に延び、
前記第２の駆動軸は、前記第３のリンクに連結された被動傘歯車と駆動係合する、遠位端に連結された傘歯車を含む、請求項７または８に記載のロボット。
【請求項１０】
長手形状であり、前記第３のリンクと前記第２のリンクとの連結部から長手方向に離間した位置で前記第３のリンクに連結された第４のリンクであって、該第４のリンクは、第４の軸を中心に前記第３のリンクに対して角度変位可能である、第４のリンクと、
第４のアクチュエータを前記第４のリンクに駆動連結する第４のドライブトレインであって、前記第１のリンクと平行に延びる第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動連結された前記第２のリンクと平行に延びる第２の駆動軸と、前記第２の駆動軸に駆動連結された第３の駆動軸であって、前記第３のリンクと平行に延び、前記第４のリンクに駆動連結される第３の駆動軸と、を備える第４のドライブトレインと、
を含む、請求項７から９のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項１１】
前記第４のドライブトレインにおいて、前記第１の駆動軸から前記第２の駆動軸への伝動は第１の傘歯車配列を介して行われ、前記第２の駆動軸から前記第３の駆動軸への伝動は第２の傘歯車配列を介して行われ、前記第４の軸が前記第３のリンク及び前記第４のリンクの長手方向軸と平行に延びるように、前記第３のリンク及び前記第４のリンクは、端部と端部とが連結され、前記第３の駆動軸が、前記第４のリンクに駆動連結された駆動端部と、前記第２の傘歯車配列を介して前記第２の駆動軸に駆動連結された被動端部と、を有する請求項１０に記載のロボット。
【請求項１２】
第５の軸を中心に角度変位するために前記第４のリンクに連結された第５のリンクと、
第５のアクチュエータを前記第５のリンクに駆動連結する第５のドライブトレインであって、第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動連結された前記第２のリンクと平行に延びる第２の駆動軸と、前記第３のリンクの長手方向軸と同軸に延び、前記第２の駆動軸に駆動連結され、前記第５のリンクに駆動連結された第３の駆動軸と、を含む第５のドライブトレインと、
を含む請求項１０または１１に記載のロボット。
【請求項１３】
前記第５の軸は前記第４のリンクに対して横断方向に延び、
前記第３の駆動軸は、遠位端に連結された駆動傘歯車を有し、前記第５のリンクに駆動連結される、請求項１２記載のロボット。
【請求項１４】
第６の軸を中心に相対的に角度変位するために、前記第５のリンクと前記第４のリンクとの連結部から離間した位置で前記第５のリンクに連結された第６のリンクと、
第６のアクチュエータを前記第６のリンクに駆動連結する第６のドライブトレインであって、該第６のアクチュエータに連結された第１の駆動軸と、前記第２のリンクと平行に延び、前記第１の駆動軸に駆動連結された第２の駆動軸と、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクと同軸に延び、前記第２の駆動軸に駆動連結された第３の駆動軸と、前記第５のリンクと平行に延び、前記第３の駆動軸に駆動連結され、前記第６のリンクに駆動連結された駆動端部を有する第４の駆動軸と、を含む第６のドライブトレインと、
を含む、請求項１２又は請求項１３に記載のロボット。
【請求項１５】
前記第６のリンクは長手形状であり、前記第５のリンクに端部と端部とが連結されており、
前記第６の軸は、前記第５のリンクの長手方向軸と同軸に延びる、請求項１４に記載のロボット。
【請求項１６】
横断軸を中心に角度変位可能なリンクの間の連結部において、前記傘歯車配列は、各々の前記駆動軸に関連づけられた駆動傘歯車と、前記ドライブトレインにおける各々の後続の駆動軸に関連づけられた被動傘歯車と、を含み、前記駆動傘歯車は、中間軸によって前記被動傘歯車に駆動連結され、該中間軸は、前記駆動傘歯車と前記被動傘歯車にそれぞれ係合する傘歯車を両端に有する、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項１７】
前記中間軸は、前記横断軸と同軸に延び、該横断軸を中心に前記連結されたリンクが相対的に変位可能である、請求項１６記載のロボット。
【請求項１８】
複数のドライブトレインの駆動軸間の駆動がリンク間の前記連結部を介して伝達する際に、前記中間軸が同軸に配置される、請求項１７に記載のロボット。
【請求項１９】
各々の前記アクチュエータが前記ベースに取り付けられた電動モータである、請求項１から１８のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項２０】
前記ロボットの前記リンクの位置を検出し、各々の前記リンクの位置に応じて信号を生成するように構成された位置センサ配列を含む、請求項１から１９のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項２１】
ベースと、直列に連結された複数のリンクと、各々の前記リンクに関連付けられ、前記ベースに取り付けられたアクチュエータと、各々の該アクチュエータを関連づけられた前記リンクに駆動連結するドライブトレインと、を含むロボットの作動方法であって、
１つのリンクを目標位置に変位させるようにアクチュエータを動作させ、
前記１つのリンクの変位に起因する後続の前記リンクの間接的変位または誘導変位を補償するように、前記後続のリンクの前記アクチュエータを動作させる、方法。
【請求項２２】
各々の前記リンクによって必要とされる変位の程度を決定し、
１つ以上の先行するリンクの前記変位に起因する各々の前記リンクの誘導変位を決定し、
各々の前記リンクの目標変位を達成するように前記アクチュエータを作動させ、
前記リンクの任意の誘導変位を補償する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
ベースと、エンドエフェクタに連結可能であり、直列に連結された複数のリンクと、前記ベースに取り付けられ、各々の前記リンクに関連づけられたアクチュエータと、前記各アクチュエータを関連する前記リンクに駆動的連結するドライブトレインと、を有するロボットであって、少なくとも１つの前記ドライブトレインが、少なくとも１つの駆動軸と、駆動を伝達する傘歯車配列と、を含む、ロボットと、
各々の前記リンクに関連づけられた位置センサであって、該関連づけられたリンクの位置に対応する信号を生成するように構成された位置センサと、
前記位置センサから信号を受け取り、前記リンクおよび前記エンドエフェクタを目標位置にまたは目標変位軌道で変位させるために前記アクチュエータを制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項２４】
前記ロボットは、請求項１から２０のいずれか１項に記載のロボットであることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コントローラは、１つ以上の先行するリンクの移動に起因するリンクの任意の誘導変位を補償するように前記アクチュエータを制御するように構成されている、請求項２４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット工学に関する。本開示は、より詳細には、ロボットに関する。さらに、ロボットの作動方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、二つの広いカテゴリーのロボット、すなわち直列運動機械及び平行ロボット機械を把握している。
【０００３】
特定の用途には、直動ジョイントおよび回転ジョイントの組合せが使用されるが、直列型運動学的機構は、主として回転ジョイントから構成される。直列型運動学的機構は、典型的には、直列に接続される複数のリンクを含み、後続のリンクを作動させるアクチュエータが先行するリンクによって運ばれる。これは、各リンクが、全てのリンクの累積荷重と、そのリンクに続くそれらのそれぞれのアクチュエータとを、ペイロードの質量に加えて運んでいることを意味する。アクチュエータは、ペイロードと物理的なロボット構造体との両方に、より高い電力をかけて、動きの始動と維持とを補償しなければならない。スプレーガンのような低質量のペイロードを搬送するエンドエフェクタを考慮した場合、物理的なロボット構造体を作動させるために使用される電力の割合は、大きいかもしれない。この配置の結果、典型的な台形速度プロファイルの定速に達するために高加速度が要求される高速において、慣性力が増大し、動的性能が低下する。また、システムの振動及び剛性に悪影響がある。これは、エンドエフェクタの精度およびシステムの反復性に否定的な影響を及ぼし、また、より高い消費電力をもたらす。これは、より大きな柔軟性及び動作作業スペースのために一般に配備される６自由度システムのような高次又は高自由度（ＤＯＦ）システムに特に当てはまる。直列型運動学的機構は、並列型運動学的機構と比較して、エンドエフェクタリーチに対する低いフットプリント率(大きなエンドエフェクタリーチに対する小さなフットプリント)に加えて、大きな作業空間と、大きな敏捷性を提供するという利点を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、並列型運動学的機構では、必要とされるＤＯＦを提供するアクチュエータは、ベースまたはそれに最も近い位置に配置され、最も低い質量中心を確保する。この構造は、特に高速及び高加速度における動的応答及び動的性能を改善し、振動低下及び機械のシステム剛性、姿勢安定性、精度及び反復性の増大を提供する。後続のリンク及びアクチュエータを変位させる必要がないので、消費電力およびアクチュエータの要求も低減される。リンク構造は、後続のアクチュエータ及びリンクを搬送するために機械的強度を増大させる必要がないので、より軽量である。アクチュエータから要求される電力は、ペイロード又はエンドエフェクタ及びペイロードの組み合わせを主に移動させるために使用される。したがって、物理的なロボット構造を作動させるために使用される電力の比率は低く、電力容量の大部分は、ペイロードの移動に用いられる。並列型運動学的機構は多くの形態をとり、その構造は、(この用途に最も一般的である)直動ジョイント、回転ジョイントまたはそれらの組み合わせを含むことができる。並列型運動学的機構の欠点は、それらが比較的大きなフットプリントを有する傾向があり、したがって、エンドエフェクタリーチに対する高いフットプリント率が得られることである。さらに、それらは、直列型運動学的機構と比較した場合に、比較的小さな作業空間と低い敏捷性を有する傾向がある。
【０００５】
本発明の目的は、本発明者が少なくともこの問題を改善すると考える手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
ベースと、
少なくとも２つのリンクと、
前記ベースに取り付けられ、各々の前記リンクに関連づけられたアクチュエータと、
各々の前記アクチュエータを関連する前記リンクに駆動連結するドライブトレインであって、少なくとも１つの前記ドライブトレインが、少なくとも一つの駆動軸と、駆動伝達のための傘歯車配列と、を含むドライブトレインと、
を備えたロボットが提供される。
【０００７】
少なくとも一つの前記ドライブトレインが、傘歯車配列によって、当該少なくとも１つのドライブトレインの後続の駆動軸に駆動連結されている駆動軸を含む。
【０００８】
上記ロボットは、直列に連結された複数の細長いリンクを含んでよく、
当該複数のリンクのうちの少なくともいくつかの各々のための前記ドライブトレインは、先行する前記リンクの少なくとも１つに関連づけられた駆動軸を含んでもよい。各々の駆動軸は、傘歯車配列によって後続の駆動軸に駆動連結されてよい。
【０００９】
後続のリンクに関連付けられた前記駆動軸が、先行するリンクと平行に延びてもよい。一つの実施形態において、前記駆動軸の少なくとも一部が同軸配置されてよい。
【００１０】
前記少なくとも２つのリンクのうちの第１のリンクは、前記ベースに連結され、前記ベースに対して変位可能とされてよく、
前記少なくとも２つのリンクのうちの第２のリンクは、前記第１のリンクと前記ベースとの連結部から離間した位置で前記第１のリンクに連結されてよく、
前記第１のリンクは、第１のドライブトレインによって前記第１のリンクに駆動連結された第１のアクチュエータによって、第１の軸を中心に前記ベースに対して角度変位可能であり、
前記第２のリンクは、長手形状であり、横断方向の第２の軸を中心とする前記第１のリンクに対する角度変位のために前記第１のリンクに連結され、
第２のドライブトレインは、第２のアクチュエータを前記第２のリンクに駆動連結し、前記第１のリンクと平行に延在する駆動軸と、その遠位端で連結された駆動傘歯車と、を含み、該駆動傘歯車が前記第２のリンクに連結された被動傘歯車に駆動係合してよい。
【００１１】
上記ロボットは、長手形状であり、前記第２のリンクと前記第１のリンクとの連結部から長手方向に離間した位置に、第３の軸を中心とする前記第２のリンクに対する角度変位のために、前記第２のリンクに枢動可能に連結された第３のリンクと、
第３のアクチュエータを前記第３のリンクに駆動連結する第３のドライブトレインであって、前記第１のリンクと平行に延びる第１の駆動軸と、前記第２のリンクと平行に延び、前記第３のリンクと第１の傘歯車配列に駆動連結された第２の駆動軸と、を含み、前記第１の駆動軸が前記第２の駆動軸に駆動連結される、第３のドライブトレインと、を含んでもよい。
【００１２】
前記第１の傘歯車配列は、前記第２の駆動軸と同軸に延びる中間軸を含み、
前記中間軸は、前記第１の駆動軸及び前記第２の駆動軸に設けられた相補的な傘歯車と駆動係合する傘歯車を両端に有してもよい。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記第３の軸は前記第２のリンクに対して横断方向に延び、前記第２の駆動軸は、前記第３のリンクに連結された被動傘歯車と駆動係合する、遠位端に連結された傘歯車を含む。
【００１４】
上記ロボットは、長手形状であり、前記第３のリンクと前記第２のリンクとの連結部から長手方向に離間した位置で前記第３のリンクに連結された第４のリンクであって、該第４のリンクは、第４の軸を中心に前記第３のリンクに対して角度変位可能である、第４のリンクと、
第４のアクチュエータを前記第４のリンクに駆動連結する第４のドライブトレインであって、前記第１のリンクと平行に延びる第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動連結された第２のリンクと平行に延びる第２の駆動軸と、前記第２の駆動軸に駆動連結された第３の駆動軸であって、前記第３のリンクと平行に延び、前記第４のリンクに駆動連結される第３の駆動軸と、を備える第４のドライブトレインと、
を含んでもよい。
前記第４のドライブトレインにおいて、前記第１の駆動軸から前記第２の駆動軸への伝動は第１傘歯車配列を介して行われてよく、前記第２の駆動軸から前記第３の駆動軸への伝動は第２傘歯車配列を介して行われ、前記第４の軸が前記第３のリンク及び前記第４のリンクの長手方向軸と平行に延びるように、前記第３のリンク及び前記第４のリンクは、端部と端部とが連結され、前記第３の駆動軸が、前記第４のリンクに駆動連結された駆動端部と、前記第２の傘歯車配列を介して前記第２の駆動軸に駆動連結された被動端部と、を有する。
【００１５】
上記ロボットは、第５の軸を中心に角度変位するために前記第４のリンクに連結された第５のリンクと、
第５のアクチュエータを前記第５のリンクに駆動連結する第５のドライブトレインであって、第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動連結された前記第２のリンクと平行に延びる第２の駆動軸と、前記第３のリンクの長手方向軸と同軸に延び、前記第２の駆動軸に駆動連結され、前記第５のリンクに駆動連結された第３駆動軸と、を含む第５のドライブトレインと、
を含んでもよい。
前記第５の軸は前記第４のリンクに対して横断方向に延びてよく、前記第３の駆動軸は、遠位端に連結された駆動傘歯車を有し、前記第５のリンクに駆動連結されてよい。
【００１６】
上記ロボットは、第６の軸を中心に相対的に角度変位するために、前記第５のリンクと前記第４のリンクとの連結部から離間した位置で前記第５のリンクに連結された第６のリンクと、
第６のアクチュエータを前記第６のリンクに駆動連結する第６のドライブトレインであって、該第６のアクチュエータに連結された第１の駆動軸と、前記第２のリンクと平行に延び、前記第１の駆動軸に駆動連結された第２の駆動軸と、前記第３のリンクおよび前記第４のリンクと同軸に延び、前記第２の駆動軸に駆動連結された第３の駆動軸と、前記第５のリンクと平行に延び、前記第３の駆動軸に駆動連結され、前記第６のリンクに駆動連結された駆動端部を有する第４の駆動軸と、を含む第６のドライブトレインと、
を含んでもよい。
前記第６のリンクは長手形状であり、前記第５のリンクに端部と端部とが連結されてよく、前記第６の軸は、前記第５のリンクの長手方向軸と同軸に延びてもよい。
【００１７】
リンクの間の連結部において、前記傘歯車配列は、各々の前記駆動軸に関連づけられた駆動傘歯車と、前記ドライブトレインにおける各々の前記後続の駆動軸に関連づけられた被動傘歯車と、を含んでよく、前記駆動傘歯車は、中間軸によって前記被動傘歯車に駆動連結され、該中間軸は、前記駆動傘歯車と前記被動傘歯車にそれぞれ係合する傘歯車を両端に有する。
前記中間軸は、その旋回軸と同軸に延びてよく、該軸を中心に前記連結されたリンクが相対的に変位可能である。
複数のドライブトレインの駆動軸間の駆動がリンク間の前記連結部を介して伝達する際に、前記中間軸が同軸に配置されてよい。
【００１８】
各々の前記アクチュエータが前記ベースに取り付けられた電動モータであってよい。
【００１９】
上記ロボットが、前記ロボットの前記リンクの位置を検出し、該各リンクの位置に応じて信号を生成するように構成された位置センサ配列を含んでもよい。
【００２０】
本発明者らは、１つのリンク用のドライブトレインが、１つ以上の先行リンクと平行に延びる１つ以上の駆動軸を含むという理由で、１つのリンクが変位すると、後続のリンクの間接的または誘導変位が生じることを見出した。
【００２１】
本発明の別の態様では、ベースと、直列に連結された複数のリンクと、各々の前記リンクに関連付けられ、前記ベースに取り付けられたアクチュエータと、各々の該アクチュエータを関連づけられた前記リンクに駆動連結するドライブトレインと、を含むロボットの作動方法であって、
１つのリンクを目標位置に変位させるようにアクチュエータを動作させ、
前記１つのリンクの変位に起因する後続の前記リンクの間接的変位または誘導変位を補償するように、前記後続のリンクの前記アクチュエータを動作させる、方法が提供される。
【００２２】
特定の動作を実行するために、自ずと多くのリンクが同時に変位することが求められ得る。従って、上記方法は、各々の前記リンクによって必要とされる変位の程度を決定し、１つ以上の先行するリンクの前記変位に起因する各々の前記リンクの誘導変位を決定し、各々の前記リンクの目標変位を達成するように前記アクチュエータを作動させ、前記リンクの任意の誘導変位を補償してもよい。
【００２３】
本発明の別の態様では、
ベースと、エンドエフェクタに連結可能であり、直列に連結された複数のリンクと、前記ベースに取り付けられ、各々の前記リンクに関連づけられたアクチュエータと、前記各アクチュエータを関連するリンクに駆動的連結するドライブトレインと、を有するロボットであって、少なくとも１つの前記ドライブトレインが、少なくとも１つの駆動軸と、駆動を伝達する傘歯車配列と、を含む、ロボットと、
各々の前記リンクに関連づけられた位置センサであって、該関連づけられたリンクの位置に対応する信号を生成するように構成された位置センサと、
前記位置センサから信号を受け取り、前記リンクおよび前記エンドエフェクタを目標位置にまたは目標変位軌道で変位させるためにアクチュエータを制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステムが提供される。
【００２４】
ロボットは、上述したタイプのロボットであってもよい。ドライブトレインの配置により、先行するリンクに対する各リンクの角度運動は、先行するリンクの各々とそのそれぞれの先行するリンクとの間の角度運動によって影響をうける。したがって、特定のリンクの軌跡を考慮する際に、各先行リンクの回転速度および回転角度を考慮しなければならない。エンドエフェクタを１つの位置から別の位置に変位させるために、リンクの少なくとも一部が、それらの現在位置から、リンクの自然変位（natural displacement）と呼ばれる変位位置に変位されることが必要である。しかし、上述したように、特定のリンクの変位によって、後続のリンクで誘導変位が生じる。したがって、コントローラは、リンクの任意の誘導変位を補償するようにアクチュエータを制御するように構成されうる。
【００２５】
本発明を、例示的に図表を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明によるロボットを概略的に示す。
【図２】図２は、図１のロボットの部分的三次元視図である
【図３】図３は、図２のロボットの平面図である。
【図４】図４は、異なる姿勢のロボットにおける図２と同様の三次元視を示す。
【図５】図５は、ロボットの２つのリンクの連結部におけるドライブトレインの配置を概略的に示す。
【図６】図６は、本発明によるシステムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
参照番号１０は、概して、本発明によるロボットを示す。ロボット１０は、ベース１２と、直列に配置された複数のリンクとを含む。特に、ロボット１０は、いわゆる６自由度（ＤＯＦ）である第１、第２、第３、第４、第５、第６のリンク１Ａ、１Ｂ、２、３、４、５を備え、これらの構成については、以下に詳細に説明する。ロボット１０は、典型的には電気モータの形態の６個のアクチュエータ１６をさらに含み、それらのうちのいくつかのみが図示されており、それらは、以下でより詳細に説明するように、ドライブトレインによってリンク１Ａ、１Ｂ、２、３、４、５にそれぞれ駆動可能に連結される。
【００２８】
ベース１２は、典型的には、床のような支持面に固定され、第１のリンク１Ａは、縦方向に延びる第１の回転軸１８（回転のための第１の軸）を中心に変位するためにベースに回転可能に連結され、第１の自由度を形成する。第２のリンク１Ｂは、横方向に延在する第２の回転軸２０（回転のための第２の軸）を中心に回転可能にリンク１Ａに連結され、第２の自由度を形成する。リンク１Ｂは長手形状であり、第３のリンク２は、横方向に延びる第３の回転軸２２（回転のための第３の軸）を中心に回転するように、リンク１Ａから離間したリンク１Ｂの端部に向かって連結され、第３の自由度を形成する。リンク２および第４のリンク３は共に長手形状であり、リンク３が、長手方向に延びる第４の回転軸２４（回転のための第４の軸）を中心にリンク２に対して回転可能となるように、リンク２および第４のリンク３は端部と端部とが連結され、第４の自由度を形成する。第５のリンク４は長手形状であり、横方向に延びる第５の回転軸２６（回転のための第５の軸）を中心とする回転可能な変位のために、その一端部に向かってリンク３の自由端部に連結され、第５の自由度を形成する。第６のリンク５は長手形状であり、長手方向に延在する第６の回転軸２８（回転のための第６の軸）を中心に回転するように、リンク４に端部と端部とが連結され、第６の自由度を形成する。
【００２９】
第１のアクチュエータ１６は、第１のドライブトレインによってリンク１Ａに駆動連結されており、第１のドライブトレインは、典型的には該アクチュエータによって駆動される平歯車を含み、該平歯車は、リンク１Ａを、軸１８を中心にベース１２に対して回転させるために、リンク１Ａにおける相補的な平歯車にしっかりと駆動係合する。
【００３０】
それぞれ第２、第３、第４、第５、第６のドライブトレイン３０、３２、３４、３６、３８によって、リンク１Ｂ、２、３、４、５に、関連づけられたアクチュエータ１６からの伝動が行われる。
【００３１】
第２のドライブトレイン３０は、第２のアクチュエータ１６を第２のリンク１Ｂに駆動連結するものであり、図示しない第１の駆動軸を含み、かかる第１の駆動軸は、関連づけられたアクチュエータに駆動連結され、回転軸１８と同軸に延び、図示しない傘歯車で終端し、かかる傘歯車は傘歯車４０と駆動係合され、傘歯車４０は回転軸２０を中心に回動可能であり、回転軸２０はリンク１Ｂに固定されている。
【００３２】
第３のドライブトレイン３２は、関連付けられた第３のアクチュエータ１６を第３のリンク２に駆動連結するものであり、図示しない第１の駆動軸を含み、第１の駆動軸の下端は、関連するアクチュエータに駆動連結される。かかる駆動軸は、回転軸１８と同軸に延び、傘歯車４２と駆動係合する傘歯車で終端する。傘歯車４２は、回転軸２０と同軸に延びる、リンク１Ａとリンク１Ｂとの間の中間軸４４の一端に取り付けられている。傘歯車４６は、中間軸４４の他端、すなわちリンク１Ｂ内に位置する端部に取り付けられる。第２の駆動軸４８は、リンク１Ｂの長手方向軸５０と平行に延び、一端に傘歯車４６に駆動係合する傘歯車５２と、他端に傘歯車５４とを有し、傘歯車５４は回転軸２２と同軸にリンク２に固定された相補的な傘歯車５６と駆動係合する。
【００３３】
第４のドライブトレイン３４は、関連付けられた第４のアクチュエータ１６を第４のリンク３に駆動連結するものであり、図示しない第１の駆動軸を含む。第１の駆動軸の下端は、関連するアクチュエータに駆動連結され、第１の駆動軸は、回転軸１８と同軸に延び、傘歯車６０に駆動係合する傘歯車で終端する。傘歯車６０は、中間軸６２の一端に取り付けられ、かかる中間軸６２は、回転軸２０とリンク１Ａとリンク１Ｂとの間の中間軸４４と同軸に延びる。傘歯車６４は、中間軸６２の他端、すなわちリンク１Ｂ内に位置する端部に取り付けられる。第２の駆動軸６６は、リンク１Ｂの長手方向軸５０と平行に延び、駆動軸６６の一端に傘歯車６８と、他端に傘歯車６９と、を有し、他端の傘歯車６９は相補的な傘歯車７０に駆動係合する。傘歯車７０は、リンク１Ｂとリンク２との間の回転軸２２と同軸に延びる中間軸７２の一端部に取り付けられている。傘歯車７４は、中間軸７２の他端、すなわちリンク２内に位置する端部に取り付けられる。第３の駆動軸７６は、回転軸２４と平行に延び、一端に傘歯車７４と駆動係合する傘歯車７８を有する。駆動軸７６は、リンク２を通ってリンク３に延び、リンク３に駆動連結され、軸２４の周りのリンク３の回転を支援する。
【００３４】
第５のドライブトレイン３６は、関連付けられた図示しない第５のアクチュエータ１６を第５のリンク４に駆動連結するものであり、第１の駆動軸を含み、第１の駆動軸の下端は、関連するアクチュエータに駆動連結され、第１の駆動軸は、回転軸１８と同軸に延び、傘歯車８２と駆動係合する傘歯車で終端する。傘歯車８２は、回転軸２０とリンク１Ａとリンク１Ｂとの間の軸４４、６２と同軸に延びる中間軸８４の一端に取り付けられる。傘歯車８６は、中間軸８４の他端、すなわちリンク１Ｂ内に位置する端部に取り付けられる。第２の駆動軸８８は、リンク１Ｂの長手方向軸５０と平行に延び、一端に傘歯車８６と駆動係合する傘歯車９０と、他端に相補的な傘歯車９４と駆動係合する傘歯車９２とを有する。傘歯車９４は、中間軸９６に取り付けられ、かかる中間軸９６はリンク１Ｂとリンク２との間に回転軸２２と同軸に延び、その他端、すなわちリンク２内に位置する中間軸９６の端部に傘歯車９８が取り付けられている。傘歯車９８は、第３の駆動軸１０２の一端に取り付けられた傘歯車１００と駆動係合し、第３の駆動軸１０２は、リンク２からリンク３に回転軸２４と同軸に、軸７６の内側において延在する。傘歯車１０４は、駆動軸１０２の他端に取り付けられ傘歯車１０６と駆動係合し、かかる傘歯車１０６は、リンク４をリンク３に対して回転軸２６を中心に変位させるために、リンク４に駆動連結される。
【００３５】
第６のドライブトレイン３８は、第６のアクチュエータ１６を第６のリンク５に駆動連結するものであり、図示しない第１の駆動軸を含む。第１の駆動軸の下端は、関連するアクチュエータに駆動連結され、第１の駆動軸は、回転軸１８と同軸に延び、傘歯車１１０と駆動係合する傘歯車で終端する。傘歯車１１０は、リンク１Ａとリンク１Ｂとの間の回転軸２０と同軸に延びる中間軸１１２の一端に取り付けられる。傘歯車１１４は、中間軸１１２の他端、すなわちリンク１Ｂ内に位置する端部に取り付けられる。第２の駆動軸１１６は、リンク１Ｂの長手方向軸５０と平行に延び、一端に傘歯車１１４と駆動係合する傘歯車１１８と、他端に相補的な傘歯車１２２と駆動係合する傘歯車１２０とを有する。傘歯車１１２は、中間軸１２４に取り付けられ、かかる中間軸１２４は、リンク１Ｂとリンク２の間を回転軸２２と同軸に延び、その他端、すなわちリンク２内に位置する中間軸１２４の端部に取り付けられた傘歯車１２６を有する。傘歯車１２６は、第３の駆動軸１３０の一端に取り付けられた傘歯車１２８に駆動係合し、第３の駆動軸１３０は、リンク２からリンク３に回転軸２４と同軸に延び、傘歯車１３２で終端する。傘歯車１３２は、中間軸１３６の一端に取り付けられた傘歯車１３４に駆動連結され、中間軸１３６は、リンク３とリンク４との間に回転軸２６と同軸に延びる。傘歯車１３８は、中間軸１３６の他端、すなわちリンク４内に配置された端部に取り付けられる。ドライブトレイン３８は、その一端に傘歯車１４２を有する第４の駆動軸１４０をさらに含み、この傘歯車１４２は、傘歯車１３８に駆動係合する。駆動軸１４０は、回転軸２８と同軸にリンク４からリンク５に延びる。駆動軸１４０の自由端、すなわち傘歯車１４２から離間した端部は、リンク５に駆動連結され、リンク４に対する回転軸２８を中心としたリンク５の変位を可能とする。
【００３６】
図１に見られるように、リンク１Ａとリンク１Ｂとの間と、リンク１Ｂとリンク２との間と、及びリンク３とリンク４との間とに延在する中間軸は、同軸に配置されている。これにより、隣接するリンクが互いに３６０°を超えて変位することが可能になる。
【００３７】
アクチュエータは、典型的には、電動モータの形態である。
【００３８】
図２から図４に最もよく見られるように、位置センサ１６０は、ベースに対するリンク１Ａの位置を検出するように配置される。位置センサ１６２は、リンク１Ｂとリンク１Ａとの間の相対変位を検出するように配置される。位置センサ１６４は、リンク２とリンク１Ｂとの間の相対変位を検出するように配置される。位置センサ１６６は、リンク３とリンク２との間の相対変位を検出するように配置される。位置センサ１６８は、リンク４とリンク３との間の相対変位を検出するように配置される。位置センサ１７０は、リンク５とリンク４との間の相対変位を検出するように配置される。
【００３９】
ロボット１０は、典型的には、システムの一部を形成し、該システムはロボットに加えて、センサ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０と、センサ１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０からの信号を受信し、リンク５に取り付けられたエフェクタを目標位置へまたは目標動作シーケンスにおける変位を可能とするようにアクチュエータを制御するように構成されたコントローラ１７１（図６）と、含む。エンドエフェクタの所望の移動の詳細は、任意の適切なインターフェース１７３によってコントローラに入力することができる。
【００４０】
コストを抑えるために、駆動軸４８、６６、８８、１１６は、実質的に同じであってもよい。さらに、汎用性を高めるために、各駆動軸は、長さの調節を可能にする２つの入れ子式に連結された部品を含むことができ、それにより、異なる長さのリンクでの使用に適したものとされる。
【００４１】
さらに、ロボットの特定の構成および自由度の数は変化し得ることが理解されよう。したがって、横方向に離間した平行な配列に配置する代わりに、駆動軸４８、６６、８８、１１６を、図面の図５に示すように同軸に配置することができる。
【００４２】
本発明者らは、上述の機械的動力伝達装置のために、各アクチュエータの速度及び位置は、各リンクの移動が、それに先行するリンクの位置及び動きによって影響を受けるので、各アクチュエータが駆動するリンクの速度及び位置とは異なることがあるということを見出した。以下、先行するリンクの動きの結果としてのリンクのこの移動を、誘導成分と呼ぶ。
【００４３】
ロボットの各リンクは、システムにおける先行するリンクに対して目標方向に目標速度で目標位置に独立して必ず移動可能であることが望まれる。これを以下では、目標成分と呼ぶ。目標成分のみを明確にするために、いかなる誘導成分の影響も、リンクの動作中に打ち消されなければならない。従来の直列型運動学的機構とは異なり、これは、それぞれのリンクを駆動しているモータが、目標成分の角速度と等しくない角速度で回転することを必要とする。
【００４４】
特定のリンクの変位を計算するために制御システムで使用することができる方程式が、例証として、以下に述べられる。これに関して、特定のリンクの角度変位は依存する、特にドライブトレインに組み込まれた様々なギアセットのギア比に依存することが理解されよう。ギアセットは、用途に応じて、それらの比および構成において変化させられうる。表１には、ギアセットの例示的な配置が示されている。表１はギアセットの例示的な配置が提示される。表１のブロック内の各群の数値は、ギア構成における機械歯車に含まれる歯数を表す。例えば、リンク１Ａのための番号７０、７０を含むブロックは、各７０個の歯を有する２つの機械歯車の構成を表し、言い換えると１：１の比を表す。したがって、リンク１Ａの回転は、それに駆動連結されたアクチュエータまたはモータの回転に対応する。
【００４５】
【表１】
2020506815.tif 000003
【００４６】
基準視点から各リンクを見ると、採用されている規則において、反時計回り（ＣＣＷ）回転が正であり、時計回り（ＣＷ）回転が負とみなされる。この規則は、以下に示すように、リンクの角度位置と回転方向とを参照するときに使用される。
【００４７】
2020506815.tif 000004
【００４８】
各リンクが現在の角度位置Ａ０から次の目標角度位置Ａ１へ移動するときに各リンクが完了しなければならない角度変位ＡＤは、下記２つの差である。
【００４９】
ＡＤ  ＝  Ａ１−Ａ０                                                （３．１）
規則を維持するために、差の絶対値が使用され、ＣＣＷ回転に対して正のままとされ、ＣＷ方向に対して負の１が乗算される。
【００５０】
リンクがＣＣＷ方向に移動しているときに正しいＡＤが示されるようにするために、Ａ１がＡ０よりも小さい場合には、ＣＣＷ方向に移動するときにＡ１は０°位置を通過したことになるので、Ａ１はＡ１＋３６０°に修正される。同様に、リンクがＣＷ方向に移動しているときに正しいＡＤが示されるようにするために、Ａ０がＡ１より小さい場合には、ＣＷ方向に移動するときにＡ０は０°位置を通過したことになるので、Ａ０はＡ０＋３６０°に補正される。
【００５１】
上記段落に記載されているケースのいずれも真でない場合、ＡＤは｜Ａ１−Ａ０｜である。リンクがシーケンス中に静止のままである場合には直感的にＡＤはゼロに等しくなければならない。計算されたＡＤは、リンクの目標成分を表す。誘導成分の影響が除去されると、要求される合成リンク運動（ＲＲＬＭ）が残る。これは、各リンクが、目標成分のみを生成するために、誘導成分を補償するために経なければならない運動である。
ＲＲＬＭ  ＝  目標成分−誘導成分                                    （３．２）
【００５２】
あるリンクの運動の後続のリンクへの影響を決定するために、目標成分ではなく、リンクのＲＲＬＭが使用されなければならない。これは、ＲＲＬＭが、目標成分を達成するためにリンクが経る実際の動きであるからである。リンクの回転方向及びＡＤの大きさは、システム内のさらに上位のリンクに対する正確な影響を決定するために重要である。表２．５を参照して、各リンクが後続のリンクに及ぼす運動学的影響は、以下に記載される。リンク１ａは、システム内の第１の可動リンクであるので、誘導成分による誘導運動を経験しない。この場合、このリンクのためのＲＲＬＭは、このリンクの目標成分である。
【００５３】
［表２．５］
2020506815.tif 000005
【００５４】
リンク１ａが動作中である場合には、リンク１ｂのみが誘導運動（θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ）を受ける。リンク１ａがＣＷに移動するとき、リンク１ｂに対する影響は、リンク１ａのＲＲＬＭ（θＬ１ａ＿ＲＲＬＭ）の絶対値であり、これは、リンク１ｂは、リンク１ａの変位に等しい変位でＣＣＷ方向に押されて回転するからである。
θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ  ＝  ｜θＬ１ａ＿ＲＲＬＭ｜                        （３．３）
【００５５】
リンク１ａがＣＣＷに移動すると、リンク１ｂに対する影響は、リンク１ａのＲＲＬＭの絶対値の負の値である。これは、リンク１ｂがリンク１ａと等しい変位でＣＷ方向に押されて回転するからである。
θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ  ＝  −｜θＬ１ａ＿ＲＲＬＭ｜                      （３．４）
【００５６】
リンク１ｂのＲＲＬＭ（θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ）は、リンク１ｂの目標成分（θＬＨ１ｂ）から、式（３．５）に示すリンク１ａの運動の結果として生じる誘導成分（θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ）を減算したものである。この場合の負の符号は、ＣＷ回転を示唆するものではなく、むしろ、誘導運動の影響を減算することを示唆するものである
θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ１ｂ−（θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ）            （３．５）
【００５７】
リンク１ｂの運動によって、リンク２、リンク３及びリンク４のための誘導運動が生じる。リンク１ｂがＣＷ方向に回転すると、以下が生じる。
【００５８】
リンク２は、誘導運動（θＬ１ｂ＿Ｌ２）を示し、これはθＬ１ｂ＿ＲＲＬＭの絶対値の半分である。これは、リンク２がリンク１ｂの半分の変位でＣＣＷ方向に回転するためである。
θＬ１ｂ＿Ｌ２  ＝  ０．５×｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                  （３．６）
【００５９】
リンク３は、誘導運動（θＬ１ｂ＿Ｌ３）を示し、これはθＬ１ｂ＿ＲＲＬＭの絶対値の負の値の半分である。リンク３は、リンク１ｂの半分の変位でＣＷ方向に回転するからである。
θＬ１ｂ＿Ｌ３  ＝  −０．５×｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                （３．７）
【００６０】
リンク４は、誘導運動（θＬ１ｂ＿Ｌ４）を示し、これはθＬ１ｂ＿ＲＲＬＭの絶対値に等しい。リンク４は、リンク１ｂの変位に等しい変位でＣＣＷ方向に回転するからである。
θＬ１ｂ＿Ｌ４  ＝  ｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                          （３．８）
【００６１】
リンク１ｂがＣＣＷ方向に回転すると、リンクの各々に対する誘導運動はＣＷ回転に示されたときと大きさが等しいが、以下の３つの式に示されるように方向が反対である。
θＬ１ｂ＿Ｌ２  ＝  −０．５×｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                （３．９）
θＬ１ｂ＿Ｌ３  ＝  ０．５×｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                （３．１０）
θＬ１ｂ＿Ｌ４  ＝  −｜θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ｜                      （３．１１）
【００６２】
リンク２の運動により、リンク３およびリンク４の誘導運動が生じる。リンク１ｂがＣＷ方向に回転すると、以下が生じる。
【００６３】
リンク３は、誘導運動（θＬ２＿Ｌ３）を示し、これはリンク２のＲＲＬＭ（θＬ２＿ＲＲＬＭ）の絶対値の負の値に等しい。これは、リンク３がリンク２と同じ変位でＣＷ方向に回転するためである。
θＬ２＿Ｌ３  ＝  −｜θＬ２＿ＲＲＬＭ｜                          （３．１２）
【００６４】
リンク４は、誘導運動（θＬ２＿Ｌ４）を示し、これはθＬ２＿ＲＲＬＭの絶対値の２倍に等しい。これは、リンク４がリンク１ｂの２倍の変位でＣＣＷ方向に回転するからである。
θＬ２＿Ｌ４  ＝  ２×｜θＬ２＿ＲＲＬＭ｜                        （３．１３）
【００６５】
リンク２がＣＣＷ方向に回転すると、リンクの各々についての誘導運動は、ＣＷ回転に示されたときと大きさが等しいが、下記の式に示されるように方向が反対である。
θＬ２＿Ｌ３  ＝  ｜θＬ２＿ＲＲＬＭ｜                            （３．１４）
θＬ２＿Ｌ４  ＝  −２×｜θＬ２＿ＲＲＬＭ｜                      （３．１５）
【００６６】
リンク３の運動は、リンク４のみの誘導運動をもたらす。リンク３がＣＷ方向に回転すると、リンク４は誘導運動（θＬ３＿Ｌ４）を示し、これは、リンク３のＲＲＬＭ（θＬ３＿ＲＲＬＭ）の絶対値に等しい。これは、リンク４がリンク３と同じ変位でＣＣＷ方向に回転するからである。
θＬ３＿Ｌ４  ＝  ｜θＬ３＿ＲＲＬＭ｜                            （３．１６）
【００６７】
リンク３がＣＣＷ方向に回転すると、リンク４への影響は、ＣＷ回転に示されたときと大きさが等しいが、以下に示すように方向が反対である。
θＬ３＿Ｌ４  ＝  −｜θＬ３＿ＲＲＬＭ｜                          （３．１７）
【００６８】
最後に、リンク４の運動はリンク５にのみ誘導運動をもたらす。リンク４がＣＷ方向に回転すると、リンク５は誘導運動（θＬ４＿Ｌ５）を示し、これはリンク４のＲＲＬＭ（θＬ４＿ＲＲＬＭ）の絶対値に等しい。これは、リンク５がリンク３と同じ変位でＣＣＷ方向に回転するからである。
θＬ４＿Ｌ５  ＝  ｜θＬ４＿ＲＲＬＭ｜                            （３．１８）
【００６９】
リンク４がＣＣＷ方向に回転すると、リンク５への影響はＣＷ回転に示されたときと大きさが等しいが、以下に示すように方向が反対である。
θＬ４＿Ｌ５  ＝  −｜θＬ４＿ＲＲＬＭ｜                          （３．１９）
【００７０】
式（３．２）を思い起こすと、リンクのＲＲＬＭは、リンクのための目標成分からシステム内でそれに先行するリンクの運動の結果生じる誘導成分を減じたものである。ＲＲＬＭ方程式における負の符号は、ＣＷ回転を示唆するものではなく、むしろ誘導運動の影響を減算することを示唆するものである。リンク１ａおよびリンク１ｂについてのＲＲＬＭについて説明された。表２．５において上から下に列を見た場合に見られるように、システムの下位のリンクが各リンクに影響を有するということを考慮して、以下の式はリンク２からリンク５のＲＲＬＭを示す。なお、θＬＨ２からθＬＨ５は、各リンクの目標成分を示している。
θＬ２＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ２−（θＬ１ｂ＿Ｌ２）                （３．２０）
θＬ３＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ３−（θＬ１ｂ＿Ｌ３＋θＬ２＿Ｌ３）  （３．２１）
θＬ４＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ４−（θＬ１ｂ＿Ｌ４＋θＬ２＿Ｌ４＋θＬ３＿Ｌ４）
（３．２２）
θＬ５＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ５−（θＬ４＿Ｌ５）                  （３．２３）
完全性のために：
θＬ１ａ＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ１ａ                                （３．２４）
θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ  ＝  θＬＨ１ｂ−（θＬ１ａ＿Ｌ１ｂ）            （３．５）
【００７１】
モータが各リンクに対する目標運動を生成するために供給しなければならない速度及び方向を達成するために、各リンクについてのＲＲＬＭとともに、リンク運動とモータ回転の関係を考慮しなければならない。この関係を表２．３に示す。
【００７２】
［表２．３］
2020506815.tif 000006
【００７３】
以下の式は、各リンクと対応するモータとの関係を表している。以下の式における負の符号はＣＷ回転を示さず、リンクが、モータがリンクに動力を供給する方向と反対方向に回転することを示している。なお、各リンクの回転方向は、図２に示す基準位置から見たものである。特に、各リンク１Ａ、１Ｂ、２、３、４、５の基準方向は、矢印２１０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０によってそれぞれ示されている。モータの回転方向は、図２に示すリンク１ａの基準位置２１０から見たものである。
【００７４】
リンク１ａは、モータがそれに動力を供給する方向とは反対方向に、モータと等しい角度変位で移動する。
θＭｏｔｏｒ１ａ  ＝  −θＬ１ａ＿ＲＲＬＭ                        （３．２５）
【００７５】
リンク１ｂは、モータがそれに動力を供給する方向と反対方向に、関連付けられたモータの４分の１の角度変位で移動する。したがって、モータ角度変位は、リンク角度変位の４倍である。これは、ドライブトレインにおける第１の組の歯車の１：４歯車比によるものである。
θＭｏｔｏｒ１ｂ  ＝  −４×θＬ１ｂ＿ＲＲＬＭ                    （３．２６）
【００７６】
リンク２は、モータがそれに動力を供給する方向と反対方向に、モータの半分の角度変位で移動する。したがって、モータの角度変位は、リンク角度変位の２倍である。これは、ドライブトレインにおける最後の歯車対の１：２歯車比によるものである。
θＭｏｔｏｒ２  ＝  −２×θＬ２＿ＲＲＬＭ                        （３．２７）
【００７７】
リンク３は、モータがそれに動力を供給する方向と同じ方向に、モータと等しい角度変位で移動する。
θＭｏｔｏｒ３  ＝  θＬ３＿ＲＲＬＭ                              （３．２８）
【００７８】
リンク４は、モータがそれに動力を供給する方向と反対方向に、モータと等しい角度変位で移動する。
θＭｏｔｏｒ４  ＝  −θＬ４＿ＲＲＬＭ                            （３．２９）
【００７９】
リンク５は、モータがそれに動力を供給する方向と同じ方向に、モータと等しい角度変位で移動する。
θＭｏｔｏｒ５  ＝  θＬ５＿ＲＲＬＭ                              （３．３０）
【００８０】
計算されたモータの角度変位を用いて、各移動の速度プロファイルは、以下に説明する方法を用いて計算することができる。
【００８１】
次のステップは、各リンクの速度を制御する役割を果たすコントローラのために、基準または設定点ジェネレータとして使用される台形速度プロファイルを導出することである。エンドエフェクタを一点から次の点へ移動させる速度を計算することに関して取り得る２つのアプローチがある。しかし、両方のアプローチでは、所与のシーケンスまたはタスクのためにシステム内で動作しなければならない全てのリンクが、同時かつ同じ期間に必ず動作する、つまり、動作中の全てのリンクが共通の固定期間に必ず動作することが望ましい。これにより、システムの円滑な移動が可能になり、システムでより上位のリンクがまだ動作中の間に、先行するリンクの停止および始動から生じるリンクのバウンシングを低減することができる。各リンクの速度は、各リンクが動作しなければならない定められた時間に対する各リンクが移動しなければならない角度距離に応じて変化する。タスク時間最適化アプローチと名付けられた第１のアプローチは、モータが（百分率の安全率を差し引いた）所与の負荷以下で回転することができる最大速度を使用して、エンドエフェクタを１つの位置から次の位置に移動させることができる最短時間を算出する。
【００８２】
所定タスク時間アプローチと名付けられた第２のアプローチは、エンドエフェクタが一点から次の点に移動しなければならない割り付けられた目標時間を使用する。システム内の任意のモータの最大許容速度を超える速度でリンクが移動することを確実にするために、上記アプローチの各々について、以下に示すステップに従う必要がある。両アプローチは、各タスクの各リンクの速度プロファイルを決定する、タスクの前後の各リンクの角度位置の関係、移動時間、上昇、下降および一定速度持続時間、ならびに加速、減速および一定速度値に基づいている。これらの関係は、以下の２つのセクションにおいて導出され、詳しく述べられる。
【００８３】
＜タスク時間最適化アプローチ＞
定まった期間に対して、モータがその現在位置Ａ０から、θＭｏｔｏｒｘによって決定される次の要求角度位置Ａ２に移動することが求められる場合は、要求される一定速度ωは、図３．２に示すように、角度変位を移動時間によって割ったものである。しかし、これは、ほぼ瞬時に定速値に到達することを要求するだけでなく、モータまたはリンクにほぼ瞬時に停止するように要求する。これは非実用的であるだけでなく、高加減速がロボットマニピュレータの望ましくない振動につながる。このため、定速に徐々に上昇及び定速から徐々に下降することを導入して、図３．３と図３．４に示すような台形速度プロファイルを生成する。図３．２から図３．４に関連して式（３．３１）から式（３．４７）が導かれる。
2020506815.tif 000007
図３．２：ほぼ瞬時の傾斜を有する定速角速度プロファイル
2020506815.tif 000008
図３．３：プロファイルの各成分に時間割付をした台形角速度プロファイル
2020506815.tif 000009
図３．４：プロファイルの各成分に角度割付をした台形角速度プロファイル
【００８４】
タスク時間最適化アプローチは、各タスクについて、エンドエフェクタが空間内の１つの位置から次の位置に移動することができる最大速度を決定することを目指す。このアプローチは、以下のステップを使用して実施される。
【００８５】
１．式（３．５）と式（３．２０）から式（３．２４）を使用して各リンクについてＲＲＬＭを決定する。
２．式（３．２５）から式（３．３０）を使用して、タスクのために各リンクを前の位置から新しい位置に移動させるために各モータが回転しなければならない角度距離θＭｏｔｏｒｘを決定する。
３．どのモータが上記タスクのために前の位置から新しい位置までの最大の角度距離を移動しなければらないかを決定する。
４．各リンクを作動させるのに必要なトルクを決定しなければならない。これは、システムが設計されている機械工学ソフトウェア環境で検証することができる。
５．各モータについて特定された速度対トルク曲線を参照して、各モータの（百分率の安全率を差し引いた）最大定速度を決定し、一定速度を決定する。
６．各モータが各リンクを移動させる時間は、上記５．で計算された、百分率の安全率（２０％が本モデルに使用される）を差し引いた各モータの最大速度を、上記２．で計算された移動しなければならない各モータの角度距離によって、除算することによって計算される。
７．各モータが移動しなければならない期間は、全モータのうちの移動最大時間を決定するために評価されなければならない。
８．この時間の値ｔＯｒｇは、全てのリンク及びモータが動作している期間として使用される。
９．算出された一定速度プロファイルへの加速および一定速度プロファイルからの減速に用いられる時間ｔｒ、つまり、加速成分と減速成分は、式（３．３１）に示す共通時間ｔＯｒｇに対する百分率ｋとして割り付けられる。傾斜時間は、計算された合計時間のパーセンテージとして計算される。これらは、完全な台形速度プロファイルの加速、減速、及び定速成分である。時間ｔｒは、各タスクに対して異ならせることができ、上昇および下降プロファイルに対しても異ならせることができる。
ｔｒ  ＝  ｋｔＯｒｇ                                              （３．３１）
ここで、ｋは百分率値である。
１０．各リンクのための加速度及び減速度は、各リンクの一定速度を７．で決定された共通時間で除算することによって計算される。なお、元の時間の同じパーセンテージが両成分に割り付けられているため、加速度および減速度の値は等しい。加速成分の間、各モータは、位置Ａ０からＡ０Ｎに移動し、したがって、角度距離ＲＲＬＭＡＤＲａｍｐを移動する。減速成分の間、各モータは、位置Ａ２からＡ２Ｎに移動し、したがって、角度距離ＲＲＬＭＡＤＲａｍｐを移動する。
ω  ＝  （Ａ２−Ａ０）  ／  ｔＯｒｇ                              （３．３２）
ここで、ωは、角度／秒における一定の角速度である。
上昇加速度は、
α  ＝  （ω−ω０）  ／  ｔｒ                                    （３．３３）
ここで、ω０＝０である。
式（３．３３）に式（３．３１）と式（３．３２）を代入することにより、
α  ＝  （Ａ２−Ａ０）  ／  ｋｔＯｒｇ２                          （３．３４）
時間ｔｒの間の角度変位ＲＲＬＭＡＤＲａｍｐは、
ＲＲＬＭＡＤＲａｍｐ  ＝ω０ｔ  ＋  ０．５αｔｒ２                （３．３５）
ここで、ω０は、１秒あたりの初期角速度であり、ω０＝０である。
式（３．３５）に式（３．３１）及び式（３．３４）を代入することにより、
ＲＲＬＭＡＤＲａｍｐ  ＝  ０．５ｋ（Ａ２−Ａ０）                  （３．３６）
下降加速度（減速度）は、
α  ＝  （ω１−ω）  ／  ｔｒ                                    （３．３７）
ここで、ω１＝０である
式（３．３７）に式（３．３１）及び式（３．３２）を代入することにより、
α  ＝  −（Ａ２−Ａ０）  ／  ｋｔＯｒｇ２                        （３．３８）
角度Ａ０Ｎは、一定速度プロファイルの始点である。
Ａ０Ｎ  ＝  Ａ０＋θ  ＝  Ａ０  ＋  ０．５ｋ（Ａ２−Ａ０）        （３．３９）
角度Ａ２Ｎは、一定速度プロファイルの終点である。
Ａ２Ｎ  ＝  Ａ２−θ  ＝  Ａ２−０．５ｋ（Ａ２−Ａ０）            （３．４０）
一定定速プロファイルのための新しい角度変位ＲＲＬＭＡＤＮｅｗは、
ＲＲＬＭＡＤＮｅｗ  ＝  Ａ２Ｎ−Ａ０Ｎ                            （３．４１）
式（３．４１）に式（３．３９）及び式（３．４０）を代入することにより、
ＲＲＬＭＡＤＮｅｗ  ＝  （Ａ２−Ａ０）（１−ｋ）                  （３．４２）
一定角速度ωでＲＲＬＭＡＤＮｅｗをカバーするのに必要な時間ｔＣＶｎは、
ω  ＝  （Ａ２Ｎ−Ａ０Ｎ）／ｔＣＶｎ                              （３．４３）
式（３．４３）に式（３．４１）を代入して並べ替えることにより、
ｔＣＶｎ  ＝  ＲＲＬＭＡＤＮｅｗ／ω                              （３．４４）
式（３．４４）に式（３．３２）と式（３．４２）とを代入することにより、
ｔＣＶｎ  ＝  （１−ｋ）ｔＯｒｇ                                  （３．４５）
台形プロファイルにおける全リンク移動時間ｔＴＮは、
ｔＴＮ  ＝  ｔｒ＋ｔＣＶｎ＋ｔｒ                                  （３．４６）
式（３．４６）に式（３．４５）及び式（３．３１）を代入すると、
ｔＴＮ  ＝  （１＋ｋ）ｔＯｒｇ                                    （３．４７）
１１．したがって、このアプローチにおいて、各リンクに対して新たな一定角速度ωＮｅｗが、新しい角度変位ＲＲＬＭＡＤＮｅｗを新たな一定速度時間ｔＣＶｎによって割ることによって計算される。ここで式（３．４２）を用いてＲＲＬＭＡＤＮｅｗが算出され、式（３．４５）を用いてｔＣＶｎが算出される。
ωＮｅｗ  ＝  ＲＲＬＭＡＤＮｅｗ  ／  ｔＣＶｎ                    （３．４８）
１２．モータ及びリンクが台形プロファイル全体の間に運動する、新しい全リンク移動時間ｔＴＮは、式（３．４７）に示すように、上昇、下降及び新たな一定速度時間の合計である。この新しい一定速度時間ｔＣＶｎ、及び全リンク移動時間ｔＴＮは、式（３．４５）及び式（３．４７）にそれぞれ示すように、共通の移動時間ｔＯｒｇ及び傾きに割り付けられるｔＯｒｇの百分率にのみ依存するので、各リンクについて同じである。従って、これは各リンクの個々の速度および加速度から独立している。
【００８６】
＜所定タスク時間アプローチ＞
所定タスク時間アプローチは、各タスクについて、エンドエフェクタが所定時間内に空間の一つの位置から次の位置へ移動することができる速度を決定することを目指す。これは、以下のステップを使用して実施される。
１．一つのタスクのために全てのリンクが前の位置から新しい位置に移動しなければならない時間ｔＴＮを割り付ける。これは、台形プロファイル全体が実行されなければならない時間である
２．式（３．５）及び式（３．２０）から式（３．２４）を使用して各リンクについてＲＲＬＭを決定する。
３．式（３．２５）から式（３．３０）を使用して、各リンクをタスク毎にその前の位置からその新しい位置に移動させるための各モータが回転しなければならない角度距離θＭｏｔｏｒｘを決定する。
４．式（３．４７）を並べ替えてｔＯｒｇを算出する。
５．ｔＯｒｇとして計算された値と、割り付けられたパーセンテージｋとを使用して、式（３．３１）に代入して、上昇および下降時間ｔｒを計算する。
６．ｔＯｒｇとして計算された値を使用して、式（３．４５）に代入し、一定速度プロファイルの移動時間ｔＣＶｎを算出する。
７．式（３．３９）と式（３．４０）とｋの値と各モータのＡ０、Ａ２の値とを使用して、Ａ０Ｎ、Ａ２Ｎを算出する。
８．式（３．４１）を使用して、各モータについてＲＲＬＭＡＤＮｅｗを計算する。
９．各モータについて、ＲＲＬＭＡＤＮｅｗをｔＣＶｎで除算することにより、それぞれの一定速度プロファイルの値を計算する。
１０．セクション３．４．１に記載されているように、トルクを計算／決定する。
１１．このトルクの値は、速度ｖｓトルク曲線を参照して、モータが計算されたトルク値に対して移動できる最大許容速度を決定するために、使用する必要がある。
１２．各モータの上記９．で計算された速度を１１．で決定された最大モータ速度と比較して、最大モータ速度が超えられていないことを確認する。
【００８７】
両方のアプローチを使用して、タスクのために、１つの点から次の点へのモータとリンクの運動の速度プロファイルを決定することができる。全てのタスクが一緒になって、アームが機能を満足するために実行しなければならないシーケンスが生成される。モータおよびリンクが所定の期間にわたって一定の姿勢で静止しなければならない、各タスクの端部における保持姿勢は、時間ｔＴＮをゼロ速度タスクに割り付けることにより実施される。
【００８８】
各リンクの角度は、モータ及びリンクの角度並びにそれぞれの実行時の速度を生成するアルゴリズムに記録される。これらの値は、コントロールシステムのための基準または設定点プロファイルとして入力され、コントロールシステムはまたセンサ１６，１６２，１６４，１６６，１６８，１７０からの信号を受信する。
【００８９】
発明者らが行った試験は、システムにおける各リンクに対する回転の誘導成分のすべての影響を、上で概説した式および方法を使用して良好に無効化することができることを示した。
【００９０】
提示されるロボット構成は、可能な構成の一例であることが理解されよう。この機構を使用するロボットは、ＤＯＦ、リンク構成、ドライブトレイン構成、ギア構成、および比率などに関して多くの形態を取ることができる。
【００９１】
本発明者らは、本発明によるロボットが、従来技術に従って構築された直列運動機械と比較して、軽量化された構造をもたらすと確信する。さらに、発明者らは、リンクの動きを最適化し、任意の誘導された変位を補償するために、上述のようにロボットを制御することにより、アクチュエータを制御することができると確信する。
【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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【国際調査報告】
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