JP2015083324A - Work insertion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械部品の組立作業、特にワークを相手部材の挿入孔に挿入する作業を行うワーク挿入装置に関する。 The present invention relates to a workpiece insertion device that performs an assembly operation of machine parts, particularly an operation of inserting a workpiece into an insertion hole of a mating member.
従来から、アーム(移動部)の先端に設けられたハンド(把持部)で把持した例えば棒状のワークを、相手部材の挿入孔に自動で挿入する組立作業ロボット(ワーク挿入装置)がある。このようなロボットは、例えば、ハンドで把持したワークを相手部材に押し付けながら、このワークを挿入する挿入孔(挿入位置)を探索する。この探索方法として、探索範囲内で探索方向を変化させて挿入位置を探索し、ワークを相手部材に押し付ける圧力の変化をセンサで検出することで挿入位置を探索する方法が提案されている(特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is an assembly work robot (work insertion device) that automatically inserts, for example, a bar-shaped workpiece gripped by a hand (gripping portion) provided at the tip of an arm (moving portion) into an insertion hole of a counterpart member. For example, such a robot searches for an insertion hole (insertion position) into which the workpiece is inserted while pressing the workpiece held by the hand against the counterpart member. As this search method, a method has been proposed in which the insertion position is searched by changing the search direction within the search range, and the insertion position is searched by detecting a change in pressure pressing the workpiece against the counterpart member (patent) Reference 1).
また、アームの先端に力・モーメントセンサを備え、アーム先端が外力に対して柔軟に動作する制御機構を持ち、探索中の力・モーメントを検出し、そのモーメントを減少させる方向へアームを移動させるロボットも提案されている(特許文献2)。 In addition, a force / moment sensor is provided at the tip of the arm, and the arm tip has a control mechanism that operates flexibly with respect to external force. It detects the force / moment during search and moves the arm in a direction that reduces the moment. A robot has also been proposed (Patent Document 2).
上述の特許文献1、2に記載された構成の場合、挿入位置を探索するためにセンサを用いているため、センサからデータを取り込み、判定するなどの処理が必要であり、更にデータの変化位置でロボットの動作を止めるなどの複雑な制御が求められる。また、センサにより探索した位置と実際の挿入位置とのズレを極力小さくしなければ、ワークを挿入孔に確実に挿入できないため、アームの位置決め精度を高める必要がある。
In the case of the configuration described in
本発明は、このような事情に鑑み、移動部の位置決め精度を高めることなく、簡単な制御でワークの挿入作業を行える構成を実現すべく発明したものである。 In view of such circumstances, the present invention has been invented to realize a configuration in which a work insertion operation can be performed with simple control without increasing the positioning accuracy of a moving part.
本発明は、ワークを把持可能な把持部と、前記把持部に把持されたワークを相手部材に向けて押し付ける押し付け部と、前記把持部を移動させる移動部と、前記移動部を、前記把持部に把持されたワークを相手部材に押し付けた状態で、ワークの挿入位置を含み、前記押し付け部による押し付け方向と直交する仮想平面上の所定範囲内で移動させる制御部と、前記把持部に把持されたワークが前記挿入位置と一致していない状態では前記把持部を前記移動部に追従して移動させ、前記把持部に把持されたワークが前記挿入位置と一致した状態では、前記移動部が前記所定範囲内で前記把持部に対して相対移動可能に、前記把持部と前記移動部とを接続する接続部と、を備えた、ことを特徴とするワーク挿入装置にある。 The present invention provides a gripping part capable of gripping a work, a pressing part for pressing the work gripped by the gripping part toward a mating member, a moving part for moving the gripping part, and the moving part. A control unit that moves within a predetermined range on a virtual plane that includes the insertion position of the workpiece and is orthogonal to the pressing direction by the pressing unit, while the workpiece held by the pressing member is pressed against the mating member, and is held by the holding unit In a state where the workpiece does not coincide with the insertion position, the gripping portion is moved following the moving portion, and in a state where the workpiece gripped by the gripping portion coincides with the insertion position, the moving portion is A workpiece insertion device comprising: a connection portion that connects the grip portion and the moving portion so as to be relatively movable with respect to the grip portion within a predetermined range.
本発明の場合、ワークが挿入位置と一致していない状態で把持部を移動部に追従して移動させ、一致した状態で移動部が把持部に対して相対移動可能とする接続部を有する。このため、ワークが挿入位置と一致していない状態では、ワークが挿入位置を含む所定範囲内で移動し、この移動中にワークが挿入位置と一致する。このとき、移動部が把持部に対して相対移動可能であるため、ワークが挿入位置と一致してもワークが挿入位置と一致した状態が維持される(位置決めされる)。この結果、移動部の位置決め精度を高めることなく、簡単な制御でワークの挿入作業を行える。 In the case of the present invention, the gripping portion is moved following the moving portion in a state where the workpiece does not coincide with the insertion position, and the moving portion can move relative to the gripping portion in the coincident state. For this reason, in a state where the workpiece does not coincide with the insertion position, the workpiece moves within a predetermined range including the insertion position, and the workpiece coincides with the insertion position during this movement. At this time, since the moving part can move relative to the gripping part, even if the workpiece matches the insertion position, the state where the workpiece matches the insertion position is maintained (positioned). As a result, the work can be inserted with simple control without increasing the positioning accuracy of the moving part.
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図1ないし図4を用いて説明する。まず、本実施形態のワーク挿入装置(組立作業ロボット)10の構成について、図1及び図2を用いて説明する。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the structure of the workpiece insertion apparatus (assembly work robot) 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[ワーク挿入装置の構成]
本実施形態のワーク挿入装置10は、図1に示すように、把持部としてのハンド11と、移動部としてのアーム12と、押し付け部としてのバネ部13と、制御部としての制御装置14とを備える。ハンド11は、例えば棒状のワーク1を把持可能な把持部であり、ワーク1を把持する方向に移動可能な複数の把持部材としてのフィンガー11aを有する。即ち、複数(本実施形態では2本)のフィンガー11aは、互いに近接又は離間可能に設けられている。ハンド11は、一対のフィンガー11aが互いに近づくように移動することで、一対のフィンガー11a同士の間でワーク1を挟持(把持)する。一方、この状態から一対のフィンガー11aが互いに離れるように移動することで、ワーク1の把持の解除(開放)を行なう。なお、フィンガー11aは、3本以上により構成しても良い。
[Configuration of workpiece insertion device]
As shown in FIG. 1, the
このようなハンド11は、例えば空気圧、油圧などの流体の圧力により駆動される不図示の駆動機構を有し、この駆動機構により、フィンガー11aを上述のように移動させる。なお、駆動機構は、電動モータなどの他のアクチュエータとしても良い。また、このような駆動機構は、後述する制御装置14から送られる制御命令に従って駆動される。即ち、ハンド11は、制御装置14からの指令によりワーク1の把持及び開放を行う。
Such a
アーム12は、ハンド11を移動させる移動部であり、不図示の電動モータなどの駆動源により駆動される。このようなアーム12は、ハンド11に把持したワーク1を、相手部材(被対象物)2に設けられた挿入孔3に挿入(或いは嵌合)する方向及び、この挿入方向に直交する方向に移動可能である。即ち、アーム12は、ハンド11に把持したワークを、図2に示すX方向及びY方向(挿入方向に直交する方向)、Z方向(挿入方向)に移動可能である。本実施形態では、Z方向を鉛直方向、X、Y方向を水平方向としている。
The
バネ部13は、コイルスプリングにより構成され、ハンド11に把持されたワーク1を相手部材2に向けて押し付ける押し付け部であり、ハンド11とアーム12との間に配置される。後述するように、ワーク1の挿入位置(挿入孔3)の探索動作を行うべく、アーム12を駆動して、ハンド11に把持したワーク1を相手部材2に押し付ける。このとき、アーム12とハンド11との間に設けられたバネ部13が弾性的に圧縮され、このバネ部13の弾性復元力によりハンド11に把持されたワーク1を相手部材2に向けて押し付ける。本実施形態では、このようにバネ部13によりワーク1を相手部材2に向けて押し付けるため、アーム12と相手部材2との距離を厳密に規制しなくても、安定して押し付け力を発生させられる。また、これと共に、バネ部13が緩衝材として作用することで、ワーク1を相手部材2に押し付けた状態で円滑に移動させることができ、且つ、ワーク1が相手部材2に強く当接して傷が生じることを抑制できる。
The
制御装置14は、アーム12の駆動源を制御して、アーム12を上述のX、Y、Zの各方向に移動可能である。本実施形態では、後述する探索動作を行う場合に、制御装置14は、アーム12を、ハンド11に把持されたワーク1を相手部材2に押し付けた状態で、所定範囲内で移動させる。所定範囲は、図2に示すように、相手部材2に設けられたワーク1を挿入させる挿入孔3(ワーク1の挿入位置)を含み、バネ部13による押し付け方向(挿入方向、Z方向)と直交する仮想平面上(XY平面上)の探索範囲4である。
The
この探索範囲4は、ワーク1を相手部材2の挿入孔3に挿入させるために予め設定された範囲である。具体的には、この探索範囲4は、相手部材2に対する挿入孔3の位置の誤差及び相手部材2のワーク挿入装置10への取り付け誤差を考慮して、挿入孔3がワーク挿入装置10の機械原点に対して存在する範囲内で設定される。また、このような探索範囲4は、後述するアーム12とハンド11との相対移動可能な範囲以下に設定される。図2では、挿入孔3の中心(理論的な挿入孔3の位置)より半径ΔLの円内(即ち、上述の誤差を考慮しても挿入孔3が必ずある範囲)としている。なお、探索範囲4は、任意に設定可能で、範囲の形状も円に限らない。要は、ワーク1の挿入位置がその範囲内に必ずあるように設定されていれば良い。但し、範囲を広くし過ぎると挿入位置の探索に時間がかかると共に、後述するアーム12とハンド11との相対移動を許容できる距離を大きくする必要があるため、上述のような誤差を考慮して、できるだけ範囲を絞ることが好ましい。
The
本実施形態では、制御装置14が、ワーク1を相手部材2に押し付けた状態で、予め設定されたプログラムされた動作に従ってこの探索範囲4内でアーム12を移動させる。このアーム12の移動動作は、例えば、探索範囲4の中心から渦を描くように外側に徐々に向かうようにしても良いし、XY平面上の所定方向に往復動作させつつこの所定方向と直交する方向に移動させるようにしても良い。また、従来から知られているその他の挿入位置の割り出し動作も適用可能である。
In the present embodiment, the
また、制御装置14は、上述のプログラムに従ってアーム12に所定の動作をさせた後、ハンド11によるワーク1の把持を解除する。ハンド11は、把持を解除したワーク1を相手部材2に向けて付勢する付勢手段としての付勢バネ15を有する。本実施形態では、付勢バネ15は、コイルスプリングにより構成しているが、ゴムなどの他の弾性部材としても良い。何れにしても、付勢バネ15は、ハンド11のフィンガー11a同士の間に設けられ、ハンド11がワーク1を把持した状態でワーク1とハンド11との間で弾性的に圧縮される。そして、ハンド11がワーク1の把持を解除した場合に、弾性的に復元してワーク1を相手部材2に向けて付勢する。
Further, the
また、本実施形態の場合、ハンド11とアーム12とを接続部としてのバネ部13により接続している。即ち、バネ部13は、接続部と押し付け部とを兼ねる。このようなバネ部13は、このようなバネ部13は、コイルスプリング以外に、例えばゴムなどの他の弾性部材により構成しても良いが、少なくとも次のような条件を満たすように、長さやばね定数が設定されている。
In the case of this embodiment, the
まず、ハンド11に把持されたワーク1が挿入位置(挿入孔3)と一致していない状態ではハンド11をアーム12に追従して移動させられる。且つ、ハンド11に把持されたワーク1が挿入位置と一致した状態では、アーム12が探索範囲4内(所定範囲内)でハンド11に対して相対移動可能とする。なお、バネ部13によりアーム12とハンド11との相対移動を許容できる距離は、少なくとも相手部材2に設けられた挿入孔3の中心から探索範囲内の最も離れた位置までの距離とする。本実施形態では、上述の半径ΔL分相対移動可能に、バネ部13を設定する。また、バネ部13は、アーム12がハンド11に対してXY平面上の全方向に移動可能に設定される。
First, in the state where the
[ワークの挿入動作]
次に、上述したワーク挿入装置10を用いたワーク1の挿入動作について、図3及び図4を用いて説明する。まず、挿入作業が開始されると(S1)、制御装置14が、ハンド11にワーク1を把持させる。このとき、ハンド11に設けられた付勢バネ15をワーク1とハンド11との間で弾性的に圧縮させた状態で、ワーク1を把持する。そして、ワーク1の挿入位置を探索すべく、図4(a)に示すように、制御装置14が、ハンド11に把持されたワーク1が上述の探索範囲4内に位置するようにアーム12を相手部材2上に移動させる(S2)。
[Work insertion operation]
Next, the operation of inserting the
次いで、制御装置14によりアーム12を下降させて、ワーク1を相手部材2の探索範囲4内の位置に押し付ける。このとき、アーム12とハンド11との間に設けられたバネ部13が弾性的に圧縮し、ハンド11を介してワーク1が相手部材2に向けて押し付けられる(S3)。この状態で、図4(b)に示すように、制御装置14が、アーム12を探索範囲4内で移動(探索動作を実行)させる(S4)。このとき、ハンド11は、アーム12とバネ部13により接続されているため、アーム12に追従して移動する。
Next, the
そして、この移動動作を規定回数繰り返す(S5)。この移動動作が行われている際に、ワーク1が挿入孔3を通り、ワーク1が挿入孔3と一致する。このとき、アーム12とハンド11との間に設けられたバネ部13のコンプライアンス機能により、ワーク1の端部が挿入孔3に一致し易い。なお、一般的に嵌合部品の場合には、ワーク1の直径に対して挿入孔3の直径は僅かに大きく設定され、挿入孔3の入口やワーク1の端面には、面取りなどの案内部が形成され、ワーク1が挿入孔3に入り易いようにしてある。何れにしても、ワーク1の端部が挿入孔3と一致(ワークが挿入位置と一致)した場合、ワーク1はバネ部13により相手部材2に押し付けられているため、この押し付け力によりワーク1が挿入孔3に少し挿入される。
Then, this moving operation is repeated a specified number of times (S5). When this moving operation is performed, the
このようにワーク1が挿入孔3に少し挿入された時点で、上述の規定回数の動作が終了していない場合、アーム12は引き続き移動動作を行う。一方、挿入孔3に一部が挿入されたワーク1を把持するハンド11は、挿入孔3とワーク1との係合による負荷で、その位置に留まろうとする。このとき、ワーク1を把持するハンド11とアーム12とは、上述のように相対移動可能にバネ部13により接続されているため、図4(c)に示すように、アーム12がハンド11に対して相対移動する。そして、ワーク1が挿入孔3と一致した状態が維持される(位置決めされる)。言い換えれば、アーム12が移動しているにも拘らず、ハンド11をその位置に留まらせて、ワーク1の挿入位置との一致状態を維持できる。
When the
次いで、上述の規定回数の動作(所定の動作)が終了すると、制御装置14が、図4(d)に示すように、ハンド11によるワーク1の把持を解除する(S6)。このとき、ハンド11に設けられた付勢バネ15により、ワーク1の挿入孔3への挿入が補助(アシスト)され、ワーク1が挿入孔3に挿入される。なお、ワーク1の形状、質量などによって、必ずしもこのアシストが必要としないのであれば、付勢バネ15を省略しても良い。ハンド11を開放した後は、図4(e)に示すように、制御装置14がアーム12を上昇させ(S7)、挿入作業を終了する(S8)。
Next, when the specified number of operations (predetermined operation) are completed, the
本実施形態の場合、上述したように、ワーク1が挿入位置と一致していない状態でハンド11をアーム12に追従して移動させ、一致した状態でアーム12がハンド11に対して相対移動可能とするバネ部13を有する。このため、上述したように、ワーク1が挿入位置と一致していない状態では、ワーク1が挿入位置を含む所定範囲内で移動し、この移動中にワーク1が挿入位置と一致する。即ち、ワーク1の端部が挿入孔3と一致する。このとき、アーム12がハンド11に対して相対移動可能であるため、ワーク1の端部が挿入孔3と一致してもワーク1が挿入孔3と一致した状態が維持される(位置決めされる)。
In the case of the present embodiment, as described above, the
このように、本実施形態では、挿入位置の割り出し後のワーク1の位置は、アーム12の位置精度に依存しないので、アーム12の位置決め精度を高める必要がない。また、センサによって位置補正を行う必要もないので、簡単な制御でワーク1の挿入作業を行える。更に、挿入位置を探索するのに、圧力センサ、力・モーメントセンサなどの特別なセンサを使う必要がない。このため、ワーク挿入装置10のコストダウンも図れる。
Thus, in this embodiment, since the position of the
なお、上述の説明では、押し付け部と接続部とをバネ部13で兼用したが、別々の構成としても良い。例えば、アーム12にワーク1を相手部材2に向けて押し付ける押し付け部を設け、アーム12とハンド11との間には、押し付け部としての機能はないが、接続部としての機能を有する部材を設けるようにしても良い。具体的には、アーム12の駆動部とアーム12のハンド11を支持する部分との間に付勢バネなどの押し付け部材を設ける。一方、アーム12のハンド11を支持する部分とハンド11との間に、接続部としての条件を満たすようなある程度の剛性と弾性を有する、例えば、ワイヤ、ゴム、或いは、金属や樹脂などの棒材などの弾性部材を設ける。
In the above description, the pressing portion and the connecting portion are shared by the
また、この場合、アーム12を相手部材2に向けて移動させる駆動源により押し付け部を構成しても良いし、アーム12とハンド11との間に設ける接続部は、弾性部材でなくても良く、例えば、次のような噛み合い機構としても良い。即ち、噛み合い機構は、ワーク1が相手部材2に押し付けられ、挿入位置と一致していない場合には噛み合って、ハンド11をアーム12に追従して移動可能とする。一方、噛み合い機構は、ワーク1が挿入位置と一致して、ハンド11がアーム12から相手部材2側に少し離れた場合に噛み合いが解除され、ハンド11とアーム12とが相対移動可能とする。
In this case, the pressing portion may be configured by a driving source that moves the
更に、上述の説明では、棒状のワークを相手部材の挿入孔に挿入させる場合について説明したが、ワークの形状は棒状に限らず、また、ワークを挿入する部分も、円形の孔以外に、矩形の孔や溝形状など他の形状であっても良い。要は、ワークと相手部材とが挿入或いは嵌合関係にある場合で、相手部材に押し付けられたワークが挿入位置と一致した際に、ワークが相手部材側に移動することで挿入或いは嵌合が行われるものであれば、本発明を適用可能である。 Furthermore, in the above description, the case where the rod-shaped workpiece is inserted into the insertion hole of the counterpart member has been described. However, the shape of the workpiece is not limited to the rod shape, and the portion into which the workpiece is inserted is not limited to the circular hole. Other shapes such as holes or groove shapes may be used. In short, when the workpiece and the mating member are in an insertion or fitting relationship, when the workpiece pressed against the mating member matches the insertion position, the workpiece moves to the mating member side, so that the insertion or fitting is performed. The present invention is applicable if it is performed.
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態について、図5ないし図14を用いて説明する。本実施形態は、上述の第1の実施形態で説明したワーク挿入装置10をパラレルリンクロボットに適用したものである。なお、以下の説明では、詳細な図示及び説明を省略するが、出力部材103が上述の第1の実施形態で説明した把持部や接続部などの構成を備えるものである。即ち、後述する、出力部材103のエンドエフェクタ104が把持部としてのハンド11に相当し、複数のアーム109、110、112が移動部としてのアーム12に相当する。そして、出力部材103にエンドエフェクタ104と複数のアーム109、110、112とを接続する、不図示の接続部を設けている。また、このような複数のアーム109、110、112を駆動する複数のモータ107、108、111と、エンドエフェクタ104とは、上述の第1の実施形態で説明した不図示の制御装置14の指令により動作する。
<Second Embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the
また、ワークの断面形状及びワークを挿入する部分の形状が円形でない場合、例えば、矩形、楕円形、多角形などの場合、ワークの断面形状と挿入する部分の形状を整合させなければ、ワークを挿入する部分に挿入できない。このため、本実施形態では、ワークを把持するエンドエフェクタ104を回動可能として、ワークの断面形状と挿入する部分の形状を整合可能としている。例えば、ワークの挿入のための探索動作の前に、ユーザがワークの断面形状と挿入する部分の形状を整合させるように、エンドエフェクタ104の回動角度を調整する。そして、この角度を保持しまま探索動作を開始する。或いは、探索動作時にエンドエフェクタ104の回動角度を随時変更して、探索動作中に、ワークの断面形状と挿入する部分の形状とを整合させると共に、ワークの位置を挿入する部分に一致させる。以下、このような構成を実現するための具体的な構成について、詳細に説明する。
In addition, when the cross-sectional shape of the workpiece and the shape of the portion into which the workpiece is inserted are not circular, for example, in the case of a rectangle, an ellipse, a polygon, etc. Cannot insert at the part to insert. For this reason, in this embodiment, the
図5及び図6に示すように、パラレルリンクロボット100は、固定部材としてのベース部材100Aと、出力部材103と、複数のモータ107、108、111、113と、複数のアーム109、110、112、119と、を有する。第1モータ107は第1アクチュエータに、第2モータ108は第2アクチュエータに、第3モータ111は第3アクチュエータに、第4モータ113は第4アクチュエータに、それぞれ相当する。また、109は第1アームに、110は第2アームに、112は第3アームに、119は第4アームに、それぞれ相当する。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
ベース部材100Aは、略水平方向に配置された水平板101と、水平板101から略鉛直方向に設けられた鉛直板102とから構成され、上述の複数のモータ107、108、111、113を支持する。複数のモータ107、108、111、113は、それぞれ鉛直板102の所定位置に固定されている。本実施形態では、鉛直板102の幅方向中央の鉛直方向上側に第3モータ111を、鉛直板102の鉛直方向中間部で、幅方向中央を挟んだ両側に、それぞれ第1モータ107、第2モータ108、第4モータ113を配置している。水平板101上には、ワークなどが配置される。
The
出力部材103は、ワークの把持や移動を行うロボットハンド等のエンドエフェクタ104を装着するためのマニピュレータである。出力部材103には、後述する複数のアームを構成するリンク機構が結合され、エンドエフェクタ104を支持する出力軸としての第1軸(第1軸部)105が同軸上に設けられている。第1軸105には、第1軸105と交差する第2軸(第2軸部)106が固定されている。本実施形態では、第2軸106は、鉛直板102と略平行に配置されると共に第1軸105に直交する。また、第1軸105は略鉛直方向に、第2軸106は略水平方向に、それぞれ配置される。また、第1軸105の鉛直方向上端が第2軸106の水平方向中央部に結合されている。
The
[出力部材の位置決め]
まず、パラレルリンクロボット100による出力部材103の位置決めの構成について、図5ないし図7を用いて説明する。第1アーム109及び第2アーム110は、出力部材103と第1モータ107との間、及び、出力部材103と第2モータ108との間にそれぞれ配設される。第1アーム109及び第2アーム110は、第1軸105をその両側から保持する。そして、第1モータ107及び第2モータ108の駆動により出力部材103を第1軸105に交差する方向(略水平方向)に移動させる。なお、厳密に言えば第3モータ111を停止している場合は、第1モータ107及び第2モータ108によって出力部材103は仮想的な球面上を移動することになる。
[Positioning of output member]
First, a configuration for positioning the
第3アーム112は、出力部材103と第3モータ111との間に設けられている。第3アーム112は、出力部材103を鉛直方向上方側から保持する。そして、第3モータ111の駆動により出力部材103を第1軸105と略平行な方向に移動させる。厳密に言えば、第1モータ107と第2モータ108を停止している場合は、第3モータ111の駆動により出力部材103は仮想的な円弧上を移動することになる。そして、第1モータ107、第2モータ108及び第3モータ111の駆動により、所定の空間内で出力部材103を位置決め可能としている。これら第1アーム109、第2アーム110及び第3アーム112は、出力部材103の姿勢を保持する保持手段を構成する。また、このような保持手段及び出力部材103とでパラレルリンク構造体を構成する。以下、より具体的に説明する。
The
第1アクチュエータとしての第1モータ107は、第1回転アーム107aを略水平方向に回動させて第1リンク軸107bを位置決めする回転型アクチュエータである。第2アクチュエータとしての第2モータ108は、第2回転アーム108aを略水平方向に回動させて第2リンク軸108bを位置決めする回転型アクチュエータである。本実施形態では、第1回転アーム107aの長さと第2回転アーム108aの長さとを同じとしている。
The
第1リンク軸107b、第2リンク軸108bは、それぞれ第1モータ107の回転軸、第2モータ108の回転軸に略平行となるように、且つ、傾動不能に、第1回転アーム107a及び第2回転アーム108aの先端に設けられている。本実施形態では、第1モータ107及び第2モータ108の回転軸は、第1軸105と略平行に配置されているため、第1リンク軸107b及び第2リンク軸108bも、第1軸105と略平行に配置される。
The
第1アーム109は、第1軸105と平行な方向に離間して互いに平行に配設される複数の第1リンク109aからなる。本実施形態では、同じ長さの2本の第1リンク109aにより第1アーム109を構成している。このような第1アーム109は、一端が出力部材103に対して、第1軸105を中心とする回動、及び、第1軸105と第1アーム109の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な2自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第1モータ107の駆動部としての第1回転アーム107aに傾動不能に設けられた第1リンク軸107bに接続される。これにより、第1アーム109は、平行リンク機構を構成している。
The
具体的には、2本の第1リンク109aは、それぞれ、一端はエンドエフェクタ104を支持する第1軸105に2自由度のジョイント部109bで接続され、他端は第1リンク軸107bに2自由度のジョイント部109cで接続されている。ここで、ジョイント部109cは、第1リンク軸107bを中心とする回動、及び、第1リンク軸107bと第1リンク109aの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。
Specifically, one end of each of the two
即ち、2本の第1リンク109aは、両端を第1軸105上と第1リンク軸107b上に、それぞれ2自由度で接続している。そして、第1軸105、第1リンク軸107b、2本の第1リンク109aで平行リンク機構を構成している。これにより、エンドエフェクタ104を支持する第1軸105と、傾動不能に設けられた第1リンク軸107bとは、常に平行が保たれる。そして、第1回転アーム107aがどの位置に回動しても、エンドエフェクタ104の姿勢(傾き)が一定(略鉛直方向)に保持される。
That is, the two
第2アーム110は、第1軸105に対する第1アーム109の一対の接続部分(ジョイント部109b)の間に対応して接続される、少なくとも1本の第2リンク110aからなる。本実施形態では、1本の第2リンク110aにより第2アーム110を構成している。また、1本の第2リンク110aの長さは、第1アーム109の2本の第1リンク109aの長さと同じとしている。このような第2アーム110は、一端が出力部材103に対して、第1軸105を中心とする回動、及び、第1軸105と第2アーム110の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な2自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第2モータ108の駆動部としての第2回転アーム108aに傾動不能に設けられた第2リンク軸108bに接続される。
The
具体的には、1本の第2リンク110aは、一端はエンドエフェクタ104を支持する第1軸105に2自由度のジョイント部110bで接続され、他端は第2リンク軸108bに2自由度のジョイント部110cで接続されている。ここで、ジョイント部110cは、第2リンク軸108bを中心とする回動、及び、第2リンク軸108bと第2リンク110aの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。即ち、1本の第2リンク110aは、両端を第1軸105上と第2リンク軸108b上に、それぞれ2自由度で接続している。これにより、第2アーム110は、リンク機構を構成している。
Specifically, one
第3アクチュエータとしての第3モータ111は、第3回転アーム111aを略垂直方向に回動させて第3リンク軸111bを位置決めする回転型アクチュエータである。第3リンク軸111bは、第3モータ111の回転軸に略平行となるように、且つ、傾動不能に、第3回転アーム111aの先端に設けられている。本実施形態では、第3モータ111の回転軸は、第2軸106と略平行に配置されているため、第3リンク軸111bも、第2軸106と略平行に配置される。
The
第3アーム112は、第2軸106と平行な方向に離間して互いに平行に配設される複数の第3リンク112aからなる。本実施形態では、同じ長さの2本の第3リンク112aにより第3アーム112を構成している。このような第3アーム112は、一端が出力部材103に対して、第2軸106を中心とする回動、及び、第2軸106と第3アーム112の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な2自由度を有する状態で接続される。また、他端が第3モータ111の駆動部としての第3回転アーム111aに傾動不能に設けられた第3リンク軸111bに接続される。これにより、第3アーム112は、平行リンク機構を構成している。
The
具体的には、2本の第3リンク112aは、それぞれ、一端は第2軸106に2自由度のジョイント部112bで接続され、他端は第3リンク軸111bに2自由度のジョイント部112cで接続されている。ここで、ジョイント部112cは、第3リンク軸111bを中心とする回動、及び、第3リンク軸111bと第3リンク112aの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。また、第3アーム112の一対の第3リンク112aは、第2軸106の第1軸105が接合された部分から水平方向の対称位置で接続されている。
Specifically, one end of each of the two
即ち、2本の第3リンク112aは、両端を第2軸106上と第3リンク軸111b上に、それぞれ2自由度で接続している。そして、第2軸106、第3リンク軸111b、2本の第3リンク112aで平行リンク機構を構成している。これにより、エンドエフェクタ104を支持する第2軸106と、傾動不能に設けられた第3リンク軸111bとは、常に平行が保たれる。そして、第3回転アーム111aがどの位置に回動しても、エンドエフェクタ104の第1軸105の軸周りの回転が拘束され、向きが一定に保たれる。
That is, the two
図5、図6に円形のジョイントとして図示されている2自由度のジョイント部109b、109c、110b、110c、112b、112cは、図7(a)に例示する構造のものが好適である。図7(a)のジョイント部では、矢印Aに示す支持軸の周りに1回転以上回転する自由度と、この支持軸に垂直な軸を回転軸として矢印Bに示す所定の角度範囲内で回動する自由度を有する。これらのジョイント部は、少なくともこの2自由度を有していれば機能的に問題ないが、ボールジョイントやロッドエンドジョイント等の3自由度を有するジョイントを使用しても良い。これにより、ジョイント部自体をコンパクトにすることが可能である。但し、この場合には、図7(b)に示すように、平行リンク機構のねじれを防止するために、リンクの軸周りの回転を規制する規制部材としてのブリッジ部材201、202が必要となる。
The two-degree-of-freedom
ブリッジ部材201、202は、2本のリンク203、204の両端寄りに、それぞれ2本のリンク203、204に掛け渡されるように配置される。このようなブリッジ部材201、202は、それぞれ、リンク203、204に直交する軸を有し、この軸にリンク203、204をそれぞれ回転自在に支持することで、リンク203、204と接続される。これにより、リンクの軸回りの回転を防止すると共に、2本のリンク同士が配設方向に相対移動可能としている。そして、2本のリンクが3自由度のジョイント部で接続されても、リンクの軸回りの自由度を拘束して、結果的に、2本のリンクにより構成されるアームを2自由度で接続することができる。なお、2本のリンク同士が配設方向に相対移動可能としているため、2本のリンクが平行状態を維持したまま、2本のリンクが接続される軸とリンクの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。
The
例えば、第3アーム112を構成する2本の第3リンク112aを、それぞれが、出力部材103に対して、上述の2自由度に加えて第3リンク112aの軸回りの回動が可能な3自由度を有する状態で接続する。この場合、2本の第3リンク112a同士が第3アーム112の配設方向に相対移動可能に、且つ、それぞれの第3リンクの軸回りの回転を不能に、2本の第3リンクにブリッジ部材201、202を掛け渡す。これにより、第3アーム112が出力部材103や第3リンク軸111bに対して2自由度で接続される。第1アーム109についても同様である。
For example, each of the two
なお、本実施形態では、第1軸105と第2軸106との成す角度が90度で互いに直交するように設けられているが、立体的に直交するようにしても良いし、90度に限らず所定の角度を成すように配置しても良い。
In this embodiment, the angle formed by the
このように、本実施形態では、第1アーム109の形成する平行リンク機構と、第3アーム112の形成する平行リンク機構とによって、出力部材103に装着されたエンドエフェクタ104は一定の姿勢(傾き)と向きとの両方を保つように支持される。
As described above, in this embodiment, the
このように構成される本実施形態の場合、第1モータ107による第1回転アーム107aの駆動と、第2モータ108による第2回転アーム108aの駆動とを行うことで、出力部材103は略水平方向に移動する。また、第3モータ111により第3回転アーム111aを駆動することで、出力部材103を上下方向に移動させると、第1アーム109と第2アーム110は水平からずれる。このため、出力部材103の3次元空間内(所定の空間内)の位置は、第1アーム109と第2アーム110の傾斜を考慮して、第1、第2、第3回転アームの駆動量から幾何学的に算出することが可能である。また、逆運動学の計算により、出力部材103の空間位置座標から第1、第2、第3モータの駆動量を算出することが可能である。
In the case of this embodiment configured as described above, the
[出力部材の向き変更]
次に、出力部材103の向き(エンドエフェクタ104の回動角度)変更のための構成について、図5、図8及び図9を用いて説明する。これは、出力部材103に装着されたエンドエフェクタ104の傾き(略鉛直)を保持したまま、第1軸105の軸周りの回転角度の制御を行うものである。
[Change orientation of output member]
Next, a configuration for changing the direction of the output member 103 (the rotation angle of the end effector 104) will be described with reference to FIGS. This is to control the rotation angle around the
図5、図8、図9において、第4アクチュエータとしての第4モータ113は、回転型アクチュエータの一例である。第4モータ113は、回転軸が、第2モータ108の回転軸と同軸に位置するように配置されている。本実施形態では、第4モータ113を第2モータ108の鉛直方向下側に配置している。
5, 8, and 9, the
第4モータ113の回転軸には、プーリ114が軸支固定されている。一方、第2モータ108の回転軸に軸支された第2回転アーム108aの先端に設けられた第2リンク軸108bには、プーリ115が回転自在に軸支されている。プーリ114とプーリ115の歯数及び径は同一であり、2つのプーリ間にはタイミングベルト116が張架されている。また、プーリ115には、リンクプレート117がプーリ115と共に回転するように連結されている。
A
また、出力部材103には、第1軸105を回転軸とする回動部103a(図10)が設けられている。この回転軸が、エンドエフェクタ104に把持されたワークを相手部材に押し付ける押し付け方向に平行な回転軸である。回動部103aと第4モータ113との間には、第4モータの駆動により回動部103aを回動させる伝達部材としての第4アーム119が配設されている。これら回動部103aから第4モータ113までの構成が、エンドエフェクタ104を上述の回転軸を中心に回動させる回動駆動部に相当する。更に、回動部103aには、後述する増速回転機構300を介してリンクプレート118が連結されている。
Further, the
第4アーム119は、第2リンク110aと平行に配置される少なくとも1本の第4リンク119aからなる。本実施形態では、1本の第4リンク119aにより第4アーム119を構成している。このような第4アーム119は、一端が回動部103aに連結されるリンクプレート118に対して、少なくとも、第1軸105と平行な軸を中心とする回動、及び、第1軸105に平行な軸と第4アーム119の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な2自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第2リンク軸108bを中心として回動する駆動回動部としてのリンクプレート117の、第2リンク軸上から外れた位置で接続される。
The
具体的には、1本の第4リンク119aは、一端をリンクプレート118の先端に2自由度のジョイント部119bで接続し、他端をリンクプレート117の先端に2自由度のジョイント部119cで接続している。ここで、ジョイント部119cは、第2リンク軸108bに平行な軸を中心とする回動、及び、第2リンク軸108bに平行な軸と第4リンク119aの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。
Specifically, one
ジョイント部119b、119cは、前述の図7に示す構造のものと同様であり、少なくとも2自由度を有すれば良い。また、ジョイント部119b、119cとして、ボールジョイントやロッドエンドジョイント等の3自由度を有するジョイントを使用しても良い。
The
また、第4リンク119aの一端が接続される回動部側の位置(ジョイント部119b)と第1軸105との距離と、第4リンク119aの他端が接続される駆動回動部側の位置(ジョイント部119c)と第2リンク軸108bとの距離とを同じとしている。本実施形態では、リンクプレート117とリンクプレート118として、同じ形状、同じ大きさのものを使用し、それぞれの回転中心とジョイント部との長さを互いに一致させている。また、第2リンク110aと第4リンク119aとの長さを同じとしている。そして、第4リンク119aと第2リンク110aとで平行リンク機構を構成するようにしている。これにより、第4アーム119は、出力部材103の位置及び回動部103aの回動状態に拘らず、第2アーム110との平行状態が維持されるように配置される。
In addition, the distance between the position (
次に、第4モータ113の駆動により回動部103aを回動させる場合の動作について、図9を用いて説明する。図9(a)において、第4モータ113を矢印α方向に回動させると、プーリ114、115とタイミングベルト116によりリンクプレート117が矢印β方向に回動する。そして、リンクプレート117と連結した第4アーム119により、リンクプレート118が矢印γ方向に回動する。第4アーム119を構成する第4リンク119aと第2アーム110を構成する第2リンク110aとが平行リンク機構を構成するため、図9(b)に示すようにリンクプレート117の回動角度とリンクプレート118の回動角度は一致する。
Next, an operation in the case of rotating the
また、図9(c)に示すように、プーリ114とプーリ115の歯数及び径を同一としているので、第2モータ108を駆動し、第2回転アーム108aがどの位置に回動しても、第4モータ113を駆動させずに保持すれば、リンクプレート117の角度は一定に保持される。従って、第2アーム110と第4アーム119との平行リンク機構により、リンクプレート118の角度もまた一定に保持される。
Further, as shown in FIG. 9C, since the number of teeth and the diameter of the
[増速回転機構]
次に、第1軸上(エンドエフェクタ104の回転軸上)に配置され、第4アーム119の回動(回転駆動部の駆動)を増速して回動部103aに伝達する増速手段としての増速回転機構300について、図10ないし図12を用いて説明する。まず、リンクプレート118の回動軸を、エンドエフェクタ104を支持する第1軸105に直接又は間接的に連結することによって、エンドエフェクタ104の回転制御を行うことが可能である。しかも、エンドエフェクタ104の回転量は第4モータ113の駆動量によって一意的に定まり、第1乃至第3モータの駆動量に影響を受けることはない。
[Speed-up rotation mechanism]
Next, as a speed increasing means that is arranged on the first axis (on the rotation axis of the end effector 104) and accelerates the rotation of the fourth arm 119 (drive of the rotation drive unit) and transmits it to the
しかしながら、平行リンク機構によるエンドエフェクタ104の回転制御においては、リンクプレート118が回動することにより、第4アーム119がエンドエフェクタ104に干渉する為、回動角度が制限され十分な回転量を得ることは困難である。
However, in the rotation control of the
このため、本実施形態では、リンクプレート118に連結する回動部103aに増速回転機構300を設けて、エンドエフェクタ104の回動角度を増大させるようにしている。増速回転機構300は、回動部103aの回転軸上、即ち、第1軸105と同軸上に配置され、伝達部材としての第4アーム119の回動を増速して回動部103aに伝達する。本実施形態の増速回転機構300は、遊星歯車機構により構成している。
For this reason, in this embodiment, the rotational
即ち、増速回転機構300は、図12に示すように、太陽歯車301と、内歯車302と、複数の遊星歯車303と、キャリア304とから構成される。太陽歯車301及び内歯車302は、回動部103aの回転軸上にそれぞれ配置されている。複数の遊星歯車303は、太陽歯車301と内歯車302との間に配置され、太陽歯車301及び内歯車302と噛合する。キャリア304は、複数の遊星歯車303を回転可能に保持する。そして、太陽歯車301を回動部103aに接続され、内歯車302とキャリア304とのうちの何れか一方が第4アーム119に接続され、他方が出力部材103の第1軸(出力軸)105に固定される。
That is, as shown in FIG. 12, the speed increasing
なお、増速回転機構300は、内歯車302が回動部103aに接続され、キャリア304が第4アーム119に接続され、太陽歯車301が出力部材に固定されるようにしても良い。何れの構造であっても、第4アーム119による入力が、遊星歯車機構により増速されて回動部103aに出力される。本実施形態では、太陽歯車301を回動部103aに接続され、キャリア304が第4アーム119に接続され、内歯車302が第1軸(出力軸)105に固定される。図10及び図11を用いて具体的に説明する。
The speed increasing
第4アーム119にジョイント部119bを介して連結されたリンクプレート118は、キャリア304が一体に形成され、キャリア304には、同一円周上に等分配置された3つのギア軸305が固定されている。そして、各ギア軸305には、それぞれ同一の遊星歯車303が回転自在に軸支されている。
The
複数の遊星歯車303の外側には、これと噛合うリング状の内歯車302がケース306に固定され、ケース306は出力部材103の第1軸105にセットビス307で固定されている。
A ring-shaped
一方、複数の遊星歯車303の内側には、これと噛合う太陽歯車301が設けられている。太陽歯車301は、図11に示すように、軸受308aと軸受308bによって第1軸105と同軸上にこの第1軸105に対して回転自在に支持されている。また、第1軸105の下端部に設けられたEリング309により、軸受308bを介して太陽歯車301が第1軸105から軸方向に抜けることを防止している。
On the other hand, a
太陽歯車301の下端には回動部103aが一体に形成されており、回動部103aには、エンドエフェクタ104の装着部310が形成されている。装着部310は、エンドエフェクタ104の精確な位置決めを行うための嵌合部310a、切欠溝310b及びビス固定用のタップ穴310cを有している。
A
第4アーム119が接続されるリンクプレート118は、内歯車302及び太陽歯車301と同軸に配置されたホルダ311にビス312で固定されている。ホルダ311は、スペーサ313により所定間隔で配置された2つの軸受314によって、太陽歯車301のスリーブ部分301aに回転自在に軸支されている。
The
このような構成において、リンクプレート118が回動すると、3つの遊星歯車303が公転しながら自転して、太陽歯車301を回転させる。本実施形態では、太陽歯車301の歯数Za=18、遊星歯車303の歯数Zb=18、内歯車302の歯数Zc=54とし、内歯車302を固定、遊星歯車のキャリア304を入力、太陽歯車301を出力とする構成としている。このため、遊星歯車機構の増速比は、
(Za+Zc)/Za=(18+54)/18=4
となる。
In such a configuration, when the
(Za + Zc) / Za = (18 + 54) / 18 = 4
It becomes.
この結果、第4アーム119によるリンクプレート118の回動角度が4倍に増大されて、エンドエフェクタ104が回動する。したがって、エンドエフェクタ104がどの位置にあっても、第4アーム119がエンドエフェクタ104に干渉することなく、エンドエフェクタ104の1回転以上の回動動作を得ることが可能である。しかも、エンドエフェクタ104の回転量及び回転速度は、第4モータ113の回転駆動量及び駆動速度に常に比例するので、精確な回転制御が可能である。
As a result, the rotation angle of the
なお、上述のように、内歯車302を固定、キャリア304を入力、太陽歯車301を出力とすることで、最も高い増速比を得られる利点がある。但し、部品の配置や構成上の都合により、キャリア304を固定、内歯車302を入力、太陽歯車301を出力とする構成としてもよい。この場合の遊星歯車機構の増速比は、
−Zc/Za=−54/18=−3
となり、第4アーム119によるリンクプレート118の回動角度が3倍に増大されて、エンドエフェクタ104が回動する。但し、入力に対する出力の回転方向は反転する。
As described above, there is an advantage that the highest speed increase ratio can be obtained by fixing the
-Zc / Za = -54 / 18 = -3
Thus, the rotation angle of the
また、太陽歯車301を固定、キャリア304を入力、内歯車302を出力とする構成としても良い。この場合の遊星歯車機構の増速比は、
(Za+Zc)/Zc=(18+54)/54=1.33・・・
となり、第4アーム119によるリンクプレート118の回動角度が約1.3倍に増大されて、エンドエフェクタ104が回動する。この場合、増速比が小さいため、エンドエフェクタ104の回動角度を少し増速させたいような構成に用いることが好ましい。
Alternatively, the
(Za + Zc) / Zc = (18 + 54) /54=1.33
Thus, the rotation angle of the
なお、上述の説明では、第4アーム119を第2アーム110と常に平行となるように設けたが、第1アーム109と常に平行となるように設けても良い。その場合には、第4モータ113の回転軸は、第1モータ107の回転軸と同軸の位置に配置し、同様のプーリとタイミングベルトによる回転伝達機構を採用することが可能である。
In the above description, the
また、上述の説明では、エンドエフェクタ104を支持する第1軸105の軸周りの回転角度を制御する構成としたが、第1軸105と所定の角度を成す第2軸106の軸周りの回転角度を制御する構成としても良い。その場合には、第4アーム119を第3アーム112と常に平行となるように設け、第4モータ113の回転軸は、第3モータ111の回転軸と同軸の位置に配置し、同様のプーリとタイミングベルトによる回転伝達機構を採用することが可能である。
In the above description, the rotation angle around the axis of the
更に、上述の説明では、第4モータ113の駆動を回動部103aに伝達する伝達部材を第4アーム119としたが、伝達部材の構成は、これに限らない。例えば、第4モータ113の回転軸上に固定された回転部材と回動部103aとをワイヤにより接続して、回転を伝達するようにしても良い。
Furthermore, in the above description, the transmission member that transmits the drive of the
[ステッピングモータ]
また、本実施形態の場合、上述の第1モータ107(第1アクチュエータ)、第2モータ108(第2アクチュエータ)、第3モータ111(第3アクチュエータ)、第4モータ113(第4アクチュエータ)をステッピングモータとしている。即ち、出力部材103を駆動する全てのアクチュエータを、ステッピングモータとしている。本実施形態のステッピングモータは、回転子が永久磁石により構成され、固定子が巻線により構成される。そして、巻線に所定のパルスで電流を印加することで、回転子を回転させる。
[Stepping motor]
In the present embodiment, the first motor 107 (first actuator), the second motor 108 (second actuator), the third motor 111 (third actuator), and the fourth motor 113 (fourth actuator) described above are used. It is a stepping motor. That is, all actuators that drive the
このような本実施形態のステッピングモータについて、図13及び図14を用いて説明する。図13において、1001は、パラレルリンクロボットの出力部材103を駆動するためのステッピングモータであり、第1モータ107、第2モータ108、第3モータ111、第4モータ113に相当する。1002は、ステッピングモータ1001に動作指令を出力する制御装置であり、モータドライバ1003を介してステッピングモータ1001に接続される。モータドライバ1003は、ステッピングモータ1001を駆動するためのパワートランジスタ1005と、制御装置1002からの指令を受けて所定のタイミングでパルス信号を出力する信号出力ポート1004とから構成されている。
Such a stepping motor of this embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 13,
ステッピングモータ1001は、制御装置1002からの指令に応じて図14に示すパルス信号p1〜p4が信号出力ポート1004から出力されると、パルス信号p1〜p4を受けたパワートランジスタ1005により、ステップ角を単位として回転駆動される。このように駆動されるステッピングモータ1001は、回転量下降時にハンチングせず、停止時に高保持トルクで位置を保つことができる。
When the pulse signals p1 to p4 shown in FIG. 14 are output from the
図5及び図6を参照しつつ、より具体的に説明する。パラレルリンクロボット100は、出力部材103を並進運動させるために、第1モータ107、第2モータ108、第3モータ111の回転量を協調させて制御すればよく、第4モータ113の回転量は出力部材103の位置の決定に作用しない。即ち、第1、第2、第3モータ107、108、111が位置決定のためのアクチュエータ、第4モータ113が姿勢変更のためのアクチュエータであり、出力部材の並進運動と回転運動は互いに干渉しない。
More specific description will be given with reference to FIGS. 5 and 6. The
例えば、出力部材103の位置を現在位置Xnから目標位置Xn+1に移動させる作業の場合、第1、第2、第3モータ107、108、111を必要量駆動させると、第1、第2、第3アーム109、110、112は協調して出力部材103の位置を移動させる。出力部材103の位置が目標位置Xn+1に到達すると同時に第1、第2、第3モータ107、108、111の駆動量は0とならなければ作業は遂行できない。したがって、第1モータ107、第2モータ108、第3モータ111をステッピングモータとすることで、回転量下降時にハンチングせず、第1、第2、第3モータ107、108、111の駆動量に影響を受けずに、出力部材の位置を要求に即して静定させることができる。よってパラレルリンクロボットにおいて出力部材の位置を保持しつつ姿勢を変える微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高める効果がある。
For example, in the operation of moving the position of the
また、パラレルリンクロボット100は、出力部材103を回転運動させるために、第4モータ113の回転量を制御すればよく、第1モータ107、第2モータ108、第3モータ111の回転量は出力部材103の姿勢の変更に作用しない。例えば、出力部材103の姿勢を現在姿勢Rnから目標姿勢Rn+1に変更する作業の場合、第4モータ113を必要量駆動させると、第4アーム119は出力部材103の姿勢を変更する。出力部材103の姿勢が目標姿勢Rn+1に到達すると同時に第4モータ113の駆動量は0とならなければ作業は遂行できない。したがって、第4モータ113をステッピングモータとすることで、回転量下降時にハンチングせず、第4モータ113の駆動量に影響を受けずに、出力部材103の姿勢を要求に即して静定させることができる。よってパラレルリンクロボットにおいて出力部材の姿勢を保持しつつ位置を移動させる微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高める効果がある。
Further, the
このように、本実施形態の場合、出力部材103を駆動する第1モータ107、第2モータ108、第3モータ111、第4モータ113をステッピングモータとしている。ステッピングモータは、回転量下降時にハンチングせず、停止時に高保持トルクで位置を保つことができる。このため、モータの駆動量に影響を受けずに、出力部材103の位置や姿勢を要求に即して静定させることができ、位置を保持しつつ姿勢を変える微小な動作及び姿勢を保持しつつ位置を移動させる微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高めたパラレルリンクロボットを提供することができる。
As described above, in this embodiment, the
なお、上述の説明では、パラレルリンクロボットの制御系は、オープンループ制御として説明したが、セミクローズド又はクローズドループ制御として、更に適宜組み合わせて実現してもよい。また、パルス信号は2相励磁方式に限定されない。また、上述の説明では、姿勢変更のためのアクチュエータは第4アクチュエータのみであるが、より多数のアクチュエータを第4アクチュエータと並列に備え、出力部材に更に複雑な姿勢変更を遂行させても良い。 In the above description, the control system of the parallel link robot has been described as open loop control. However, the control system may be realized by appropriately combining semi-closed or closed loop control. The pulse signal is not limited to the two-phase excitation method. In the above description, the actuator for changing the posture is only the fourth actuator, but a larger number of actuators may be provided in parallel with the fourth actuator so that the output member can perform a more complicated posture change.
本実施形態の場合、出力部材103を鉛直方向に移動させる第3モータ111を、回転子が永久磁石により構成されるステッピングモータとしている。このため、第3モータ111への通電が遮断されても、コギングにより出力部材103の落下を抑制できる。即ち、第3モータ111への通電が遮断された場合でも、回転子を構成する永久磁石と固定子との間に作用する磁力によりコギングが発生して、少なくとも出力部材103が落下する速度を遅くできる、或いは、落下を防止できる。この結果、電磁ブレーキを設けることなく、出力部材103が急激に落下することを防止でき、出力部材103に保持されたワークなどがステージなどに衝突して破損することを防止できる。本実施形態では、このように電磁ブレーキを設ける必要がなく、また、安価なステッピングモータを使用しているため、パラレルリンクロボットの低コスト化を図れる。
In the case of the present embodiment, the
なお、本実施形態の場合、出力部材103を駆動する全てのモータをステッピングモータとしているが、通電が遮断された場合の出力部材103の落下を抑制するためには、少なくとも第3モータ111がステッピングモータであれば良い。また、各モータの配置等を変更し、複数のモータにより出力部材を鉛直方向に移動させる場合には、これら複数のモータをステッピングモータとする。要は、駆動を停止することで出力部材の鉛直方向の移動を支えられるモータをステッピングモータとする。
In the present embodiment, all the motors that drive the
このように構成される本実施形態の場合、上述したように、出力部材103の移動位置に拘らず、出力部材103の姿勢と向きを一定に保つことができる。例えば、特許第4901057号公報には、駆動機構(アクチュエータ)により駆動される3本のアームを構成するリンクを、それぞれ3自由度を有するジョイント装置を用いてマニピュレータ(出力部材)に連結した構造が記載されている。この構造の場合、マニピュレータが出力軸周りの回転に対して拘束されていないため、マニピュレータに取り付けられるエンドエフェクタの向きが移動位置によって変わってしまう。即ち、3本のアームが3自由度を有するジョイント装置でマニピュレータに連結されるため、マニピュレータの回転は拘束されない。このため、3本のアームを用いてマニピュレータを移動させた場合に、移動の前後でマニピュレータの回転角度(向き)が変わってしまう。このように移動位置によってマニピュレータの向きが変わってしまうと、ロボットの作業として、ワークの搬送や位置決めを行い難い。
In the case of this embodiment configured as described above, the posture and orientation of the
これに対して本実施形態では、上述のように構成することで、出力部材103の移動位置に拘らず、出力部材103の姿勢と向きを一定に保つことができる。そして、上述の構成で出力部材103の位置決め制御を行うことで、出力部材103に装着されたエンドエフェクタ104の姿勢(傾き)と向きを保持したまま、エンドエフェクタ104を移動させることができる。また、ワークを挿入する部分の探索動作を行う際に、エンドエフェクタ104を随時回動させる場合でも、エンドエフェクタ104の向きを、例えば、予め設定されたプログラム通りの向きに正確に変更できる。
On the other hand, in the present embodiment, by configuring as described above, the posture and orientation of the
また、出力部材103の姿勢と向きが第1アーム109及び第3アーム110により保持されるため、第2アーム110は、少なくとも1本の第2リンク110aを備えていれば良く、本実施形態では、第2アーム110を1本の第2リンク110aにより構成しているため、装置の小型化及び低コスト化を図れる。
In addition, since the posture and orientation of the
更に、本実施形態の場合、出力部材103に回動部103aを設け、回動部103aを回動させることで、エンドエフェクタ104の回転を制御するようにしている。このため、第3アーム112が接続される第1軸105を回転させる必要がなく、第3アーム112と第1軸105との接続部を簡単な構成にできる。この結果、出力部材103の可動範囲が大きく制限されることなく、簡単な構成でエンドエフェクタ104の向きの変更を行うことができ、装置の低コストも図れる。また、増速回転機構300を用いることでワーク1が挿入位置と一致していない状態が発生する可能性を低減することができる。
Furthermore, in the case of this embodiment, the
例えば、前述した特許文献1には、3本のアームのうちの1本のアームを構成するリンクを、ユニバーサル/カルダンジョイントによりマニピュレータに連結した構造も記載されている。このように1本のアームを構成するリンクを、ユニバーサル/カルダンジョイントによりマニピュレータに連結した構造の場合、このアームを軸回転させることにより、マニピュレータ及びこれに装着するエンドエフェクタの回転を制御できる。
For example,
但し、このようにアームをユニバーサル/カルダンジョイントによりマニピュレータに連結した場合、マニピュレータの回転を制御するために、このユニバーサル/カルダンジョイントを介して行うことになる。このため、このアームの駆動機構が非常に複雑となりコストアップの要因となる。また、ユニバーサル/カルダンジョイントは、作動角度の制限が存在するので、マニピュレータの制御可能な位置範囲(可動範囲)が大きく制限されてしまう。 However, when the arm is connected to the manipulator by the universal / cardan joint in this way, the universal / cardan joint is used to control the rotation of the manipulator. For this reason, the drive mechanism of this arm becomes very complicated and causes an increase in cost. In addition, since the universal / cardan joint has a limitation on the operating angle, the position range (movable range) of the manipulator that can be controlled is greatly limited.
これに対して本実施形態の場合、第3アーム112と出力部材103の第1軸105との接続部に、ユニバーサル/カルダンジョイントを使用することなく、エンドエフェクタ104の回転を制御している。このため、簡単な構成で出力部材103の回動部103aの回転制御を行え、エンドエフェクタの向きの変更を行うことが可能である。
On the other hand, in the case of the present embodiment, the rotation of the
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、図15ないし図20を用いて説明する。なお、上述の第3の実施形態との相違は、第1アーム109の2本の第1リンク109aを出力部材103の第1軸105と平行に配設された第3軸(第3軸部)400に連結した点と、第2アーム110を2本の第2リンク110aとした点である。このため、第3の実施形態と共通する構成要素には、同一符号を付して、その説明を省略又は簡略にし、以下、第3の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the difference from the third embodiment described above is that the two
第1軸105には、図15及び図16に示すように、連結部材401がノックピン等で固定され、更に連結部材401には、第1軸上から外れ、且つ、第1軸105と平行な第3軸400がノックピンなどで固定されている。これにより、第1軸105と第3軸400は、所定の間隔(オフセット)を置いて常に平行が保たれている。
As shown in FIGS. 15 and 16, the connecting
第1アーム109は、平行リンク機構を形成する2本の第1リンク109aからなり、一端は第3軸400に2自由度のジョイント部109bで接続され、他端は第1リンク軸107bに2自由度のジョイント部109cで接続されている。
The
第2アーム110は、平行リンク機構を形成する同じ長さの2本の第2リンク110aからなり、一端は第1軸105に2自由度のジョイント部110bで接続され、他端は第2リンク軸108bに2自由度のジョイント部110cで接続されている。なお、このような第2アーム110についても、ジョイント部110b、110cを3自由度としても良い。この場合には、前述の図7(b)に示したように、平行リンク機構のねじれを防止するために、リンクの軸周りの回転を規制する規制部材としてのブリッジ部材201、202を配置する。
The
第1アーム109と第2アーム110の平行リンクにより、エンドエフェクタ104を支持する第1軸105は、第1リンク軸107b及び第2リンク軸108bと常に平行が保たれる。これにより、第1回転アーム107a及び第2回転アーム108aがそれぞれどの位置に回動しても、エンドエフェクタ104の姿勢(傾き)が一定(略鉛直)に保たれる。本実施形態の場合、上述の第1の実施形態の構成と比較して、より安定して姿勢(傾き)を一定(略鉛直)に保つことが可能である。
By the parallel link of the
第1アーム109及び第2アーム110の形成する2つの平行リンク機構と、第3アーム112の形成する平行リンク機構とによって、出力部に装着されるエンドエフェクタ104は一定の姿勢(傾き)と向きの両方を保つように支持される。
Due to the two parallel link mechanisms formed by the
また、本実施形態の場合、上述の第1の実施形態と比較して、第1モータ107のベース部材100Aに対する固定位置を、第1軸105と第3軸400との軸間距離(オフセット値)と同じ方向に同じ距離にオフセットさせている。このように第1モータ107の位置をオフセットすることによって、第1回転アーム107a及び第1アーム109の長さや第1モータ107の回転制御量を変えることなく、上述の第1の実施形態の構成と同じ条件でエンドエフェクタ104の移動制御を行うことができる。
In the case of this embodiment, as compared with the first embodiment described above, the fixed position of the
また、エンドエフェクタ104の装着中心軸である第1軸105の軸周りの回転角度制御機構に関しても、図17及び図18に示すように、第1の実施形態と同様である。本実施形態においても、第4アーム119を第2アーム110と常に平行となるように設けられており、第1の実施形態と同様にエンドエフェクタ104の回転量は第4モータ113の駆動量によって一意的に定まり、第1乃至第3モータの駆動量に影響を受けることはない。更に、本実施形態の場合も、図19及び図20に示すように、第1の実施形態と同様の増速回転機構300を設けている。
Further, the rotation angle control mechanism around the
このように構成される本実施形態の場合、第1アーム109の出力部材103に接続する位置を、第2アーム110が接続される第1軸105に対してオフセットしているため、第1軸105の長さを短くできる。即ち、第1の実施形態のように、第1アーム109及び第2アーム110を第1軸105に接続する必要がないため、第1軸105をその分短くできる。この結果、出力部材103のコンパクト化を図れる。
In this embodiment configured as described above, the position of the
なお、本実施形態の場合も、第1の実施形態と同様に、第2アーム110を1本の第1リンク110aにより構成しても良い。また、第1アーム109を出力部材103に対してオフセットする構成として、上述の第3軸400を設ける以外に、例えば、第1軸105に突起部を設け、その突起部に第1アーム109を接続するようにしても良い。この場合、第1アーム109は、第1軸105と平行な、上述の第3軸400に相当する仮想軸上で突起部に接続する。その他の構成及び作用は、上述の第3の実施形態と同様である。
In the case of this embodiment as well, the
<他の実施形態>
なお、上述の説明では、第1、第2、第3、第4アクチュエータは、それぞれ電動の回転型アクチュエータ(モータ)としたが、例えば直線方向に駆動力を変換する機構を追加し、リニア(直動)アクチュエータとしても良い。
<Other embodiments>
In the above description, each of the first, second, third, and fourth actuators is an electric rotary actuator (motor). However, for example, a mechanism that converts a driving force in a linear direction is added, and linear ( (Linear motion) Actuator may be used.
1 ワーク
2 相手部材
3 挿入孔(挿入位置)
4 探索範囲(所定範囲)
10 ワーク挿入装置
11 ハンド(把持部)
12 アーム(移動部)
13 バネ部(押し付け部、接続部)
14 制御装置(制御部)
15 付勢バネ(付勢手段)
100 パラレルリンクロボット
103 出力部材(マニピュレータ)
104 エンドエフェクタ(把持部)
109 第1アーム(移動部)
110 第2アーム(移動部)
112 第3アーム(移動部)
113 第4モータ(回転駆動部)
103a 回動部(回転駆動部)
300 増速回転機構(増速手段)
1
4 Search range (predetermined range)
10
12 Arm (moving part)
13 Spring part (pressing part, connecting part)
14 Control device (control unit)
15 Biasing spring (Biasing means)
100
104 End effector (grip)
109 First arm (moving part)
110 Second arm (moving part)
112 Third arm (moving part)
113 4th motor (rotation drive part)
103a Rotation part (rotation drive part)
300 Speed increasing rotation mechanism (speed increasing means)
Claims (7)
前記把持部に把持されたワークを相手部材に向けて押し付ける押し付け部と、
前記把持部を移動させる移動部と、
前記移動部を、前記把持部に把持されたワークを相手部材に押し付けた状態で、ワークの挿入位置を含み、前記押し付け部による押し付け方向と直交する仮想平面上の所定範囲内で移動させる制御部と、
前記把持部に把持されたワークが前記挿入位置と一致していない状態では前記把持部を前記移動部に追従して移動させ、前記把持部に把持されたワークが前記挿入位置と一致した状態では、前記移動部が前記所定範囲内で前記把持部に対して相対移動可能に、前記把持部と前記移動部とを接続する接続部と、を備えた、
ことを特徴とするワーク挿入装置。 A gripping part capable of gripping a workpiece;
A pressing portion that presses the workpiece gripped by the gripping portion toward the counterpart member;
A moving unit for moving the gripping unit;
A control unit that moves the moving unit within a predetermined range on a virtual plane that includes the insertion position of the workpiece and is orthogonal to the pressing direction of the pressing unit while pressing the workpiece held by the holding unit against the counterpart member. When,
When the work gripped by the gripping part does not match the insertion position, the gripping part is moved following the moving part, and when the work gripped by the gripping part matches the insertion position, A connecting portion that connects the gripping portion and the moving portion so that the moving portion can move relative to the gripping portion within the predetermined range.
A workpiece insertion device characterized by that.
ことを特徴とする、請求項1に記載のワーク挿入装置。 The connection part is an elastic member provided between the grip part and the moving part, and also serves as the pressing part.
The work insertion device according to claim 1, wherein
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載のワーク挿入装置。 The control unit releases the gripping of the workpiece by the gripping unit after causing the moving unit to perform a predetermined operation.
The workpiece insertion device according to claim 1, wherein the workpiece insertion device is characterized.
ことを特徴とする、請求項1ないし3のうちの何れか1項に記載のワーク挿入装置。 The gripping portion has a biasing means that biases the workpiece released from gripping toward the counterpart member.
The workpiece insertion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the workpiece insertion device is characterized in that:
ことを特徴とする、請求項1ないし4のうちの何れか1項に記載のワーク挿入装置。 A rotation drive unit that rotates the gripping unit about a rotation axis parallel to the pressing direction;
The workpiece insertion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the workpiece insertion device is characterized in that:
ことを特徴とする、請求項5に記載のワーク挿入装置。 A speed increasing means arranged on the rotating shaft of the gripping portion and speeding up the driving of the rotation driving portion and transmitting the speed to the gripping portion;
The work insertion device according to claim 5, wherein
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2013
- 2013-10-25 JP JP2013221845A patent/JP2015083324A/en active Pending
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