JP2013094935A - ロボットアーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で軽量化が可能なロボットアーム装置を提供する。
【解決手段】ロボットアーム装置１は、基体４とリンク部材３とが第１の関節機構Ｊ_１で連結され、リンク部材３とエンドエフェクタＥとが第２の関節機構Ｊ_２で連結されたロボットアーム２を備える。ロボットアーム装置１は、ロボットアーム２から基体４に作用する力を検出する第１の力検出器Ｆ₁を備え、基体４の基端部の端面４ａにロボットアーム２の制御配線１１用の開口部４ｂが形成され、開口部４ｂの周囲において、第１の力検出器Ｆ₁として、相互に離間して配置されている３個以上の力検出器Ｆ_1-iが配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアームを備えたロボットアーム装置に関する。

基体とリンク部材、リンク部材とエンドエフェクタとがそれぞれ関節機構で連結された多関節式のロボットアームを備えたロボットアーム装置において、基体の基端部に力検出部を設けることが知られている。

例えば、特許文献１には、ロボットアームに加わる力を検出する力検出器を基体（ロボットベース）に設けたロボットアーム装置（ロボット）が記載されている。このロボットでは、力検出器で検出された外力全体から、ロボットアーム自身の動作によって発生した外力相当分を差し引くことによって、ロボットアームに対する接触力を検出している。力検出器は、例えば６軸力センサである。

特開２００６−２１２８７号公報

特許文献１に記載のようなロボットアーム装置では、一般的に、各軸方向の力及び各軸回りのモーメントを精度良く検出するために、１個の６軸力センサをロボットアームの基体の基端部の中央に配置している。そして、６軸力センサを中空状のものとして、その中空部分に給電ケーブルや信号線などの配線を通している。

しかしながら、中空状の６軸力センサは、中実状のものより比較的高価であるという問題がある。また、１個の６軸力センサで力を検出するので、定格容量が大きく高価で大型の６軸力センサが必要となり、ロボットアーム装置が高価、高重量化するという問題がある。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、安価で軽量化が可能なロボットアーム装置を提供することにある。

本発明のロボットアーム装置は、基体とリンク部材とが第１の関節機構で連結され、前記リンク部材とエンドエフェクタとが第２の関節機構で連結されたロボットアームを備えたロボットアーム装置であって、前記ロボットアームから前記基体に作用する力を検出する第１の力検出器を備え、前記基体の基端部の端面に前記ロボットアームの駆動及び制御配線用の開口部が形成され、前記開口部の周囲において、前記第１の力検出器として、相互に離間して配置されている３個以上の力検出器が配置されていることを特徴とする。

本発明のロボットアーム装置によれば、各第１の力検出器を中実状のものとしても、これら各力検出器は互い離間して配置されているので、力検出器同士の間にスペースが生じる。そして、このスペースに、各関節機構のアクチュエータ等への給電ケーブルや信号線など、ロボットアームの内部を通るロボットアームの駆動及び制御配線を、基体の基端部の端面に形成された開口部を介して配設することが可能となる。よって、従来のように配線を通すために中空状の力検出器を用いる必要がないので、第１の力検出器として中実状の安価な力検出器を用いることができる。

また、３個以上の第１の力検出器で力を検出するので、従来のように１個の力検出器で力を検出する場合に比べて、各力検出器を定格容量が小さな安価で小型なものとすることができる。

以上により、第１の力検出器を構成する全ての力検出器を合計しても、従来のような１個の大型の力検出器と比較して、安価で軽量化させることが可能となる。

本発明のロボットアーム装置において、３個以上の前記力検出器が、前記開口部を通り、前記端面の法線としての軸線回りの回転対称性、及び前記軸線に対して垂直な方向に延びる直線を基準とする鏡映対称性のうち少なくとも一方をもって配置されていることが好ましい。

前記のように複数の力検出器が用いられることにより、当該複数の力検出器から複数の出力信号が得られるので、当該複数の出力信号が統合されることによってロボットアームから基体に作用する力が求められる。ここで、複数の力検出器の配置態様が不規則的なものであると、複数の出力信号の統合のための計算方法が比較的複雑なものになってしまい、当該力の検出精度が低下する恐れがある。

しかるに、複数の第１の力検出器が前記軸線又は直線を基準とした対称性を有するように、即ち規則的に配置されることにより、複数の出力信号の統合のための計算方法を比較的簡易なものとすることができる分だけ、力の検出精度の向上が図られる。

また、本発明のロボットアーム装置において、前記基体が設けられた移動体と、前記第１の力検出器の出力に基づいて、前記ロボットアームの前記移動体に対する重心位置を推定する重心位置推定手段と、前記重心位置推定手段が推定した前記ロボットアームの重心位置に基づいて、前記移動体の移動制御を行う移動体制御手段とを備えることが好ましい。

この場合、重心位置推定手段が推定したロボットアームの重心位置に基づいて、ロボットアームの動作制御を行うだけでなく、移動体制御手段によって移動体の移動制御を行うので、ロボットアーム装置のバランスを確実に保つことが可能となる。

また、本発明のロボットアーム装置において、前記エンドエフェクタと前記リンク部材との間に、前記エンドエフェクタを介して前記リンク部材に作用する力を検出する第２の力検出器を備えることが好ましい。

この場合、第２の力検出器が検出した力からエンドエフェクタに外部から作用する力を推定することができ、推定した作業状態に応じた精度の高い作業を実施することが可能となる。

さらに、第２の力検出器が検出した力を参照することによって、第１の力検出器が検出した力に基づいて、ロボットアームが外部環境と接触したときの反力を独立して推定することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るロボット装置の構成を示す説明図。 図１のII−II線矢視断面図。 制御装置の構成説明図。 制御装置の制御ブロック図。

以下、本発明の実施形態に係るロボットアーム装置１について図面を参照して説明する。

図１に示すように、ロボットアーム装置１は、ロボットアーム２を備えている。ロボットアーム２は、複数の関節機構と、当該複数の関節機構を介して連結されている複数のリンクとからなるリンク部材３を備えている。

複数の関節機構には、ロボットアーム２の基端部側に配置されている第１の関節機構Ｊ₁と、ロボットアーム２の先端部側に配置されている第２の関節機構Ｊ₂と、第１の関節機構Ｊ₁と第２の関節機構Ｊ₂との中間に配置されている２つの中間関節機構Ｉ_１及びＩ₂とが含まれている。中間関節機構は省略されてもよい。中間関節機構の数は任意に変更されうる。

本発明のリンク部材３は、中間関節機構Ｉ_１，Ｉ₂と複数のリンクとから構成されている。そして、第１の関節機構Ｊ₁はリンク部材３とロボットアーム２の基体４とを連結している。第２の関節機構Ｊ_２はリンク部材３とエンドエフェクタＥとを連結している。

第１の関節機構Ｊ₁の回転自由度は２（ピッチ及びヨー）であり、第２の関節機構Ｊ₂の回転自由度は３（ロール、ピッチ及びヨー）である。第１の中間関節機構Ｉ₁の回転自由度は１（ロール）であり、第２の中間関節機構Ｉ₂の回転自由度は２（ピッチ及びヨー）である。ロボットアーム２は、各関節機構の各回転自由度に応じた回転角度（関節角度）に応じた信号を出力するロータリエンコーダ等の関節角度センサＳ_i（ｉ＝１，２，‥）を備えている（図３参照）。なお、各関節機構の回転自由度は任意に変更されてもよい。

ロボットアーム２の先端部は、第２の関節機構Ｊ_２を介してエンドエフェクタＥに連結されている。エンドエフェクタＥは、例えばバルブの開閉というタスクを実行するため、当該バルブのハンドルに係合させるための適当な治具として構成されている。

ロボットアーム２の基端部に存在する基体４は、移動体Ｘに固定されている。移動体Ｘは、ここでは、ＸＹステージＸ_１、及びこのＸＹステージＸ_１が固定された台車Ｘ_２から構成されている。

基体４は、ＸＹステージＸ_１の上側のテーブル５に連結されている。ＸＹステージＸ_１は、遠隔操作可能であり、水平面内でロボットアーム２を移動させることができる。ＸＹステージＸ_１は、詳細は図示しないが、例えば、Ｙ軸方向に延びるＹ軸レールに沿って、Ｘ軸方向に延びるＸ軸レールが設けられたＹ軸テーブルが移動可能に配置されており、Ｘ軸レールに沿って移動可能なＸ軸テーブルが配置されている。この場合、Ｘ軸テーブルが上側のテーブル５となる。

ＸＹステージＸ_１は、台車Ｘ_２上に固定されている。台車Ｘ_２は、遠隔操作可能であり、ここでは、車輪を用いた車両であるが、無限軌道を用いた走行装置であってもよい。

ロボットアーム２は、その基端部に配置された第１の６軸力センサＦ₁を備えている。第１の６軸力センサＦ₁は、ロボットアーム２とＸＹステージＸ_１との相対的な３軸（ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸）方向の力及び当該３軸回りのモーメントに応じた信号を出力するように構成されている。なお、基体４に、世界座標系（基準座標系）におけるＸＹステージＸ_１の姿勢に応じた信号を出力するジャイロセンサが配置されていてもよい。

ロボットアーム２は、その先端部に、第２の６軸力センサＦ₂と第１のジャイロセンサＧ_１とを備えている。第２の６軸力センサＦ₂は、ロボットアーム２とエンドエフェクタＥとの相対的な３軸（ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸）方向の力及び当該３軸回りのモーメントに応じた信号を出力するように構成されている。第１のジャイロセンサＧ_１は、世界座標系（基準座標系）におけるエンドエフェクタＥの姿勢（水平方向に対する傾斜角度など）に応じた信号を出力するように構成されている。

また、台車Ｘ_２は第２のジャイロセンサＧ_２を備えている。第２のジャイロセンサＧ_２は、世界座標系における台車Ｘ_２の姿勢に応じた信号を出力するように構成されている。なお、ＸＹステージＸ_１は台車Ｘ_２上に剛に固定されており、ＸＹステージＸ_１と台車Ｘ_２との姿勢は同一とみなすことが可能である。

ロボットアーム２、エンドエフェクタＥ、ＸＹステージＸ_１及び台車Ｘ_２のうち少なくとも１つに、図示していない撮像装置が取り付けられ、当該撮像装置により撮像された画像がロボットアーム２から離れた場所に設置されている画像装置に表示される。操作者はこの画像を見ながら遠隔操作装置１０（図３参照）を操作することにより、ロボットアーム２を構成する各関節機構の関節動作に加えて、ＸＹステージＸ_１及び台車Ｘ_２の動作を遠隔制御することができる。

（第１の６軸力センサの配置）
第１の６軸力センサＦ₁は、第１の関節機構Ｊ₁を介して基体に作用する力及びモーメント（以下、力、モーメント、力及びモーメントの何れかを意味して単に「力」ともいう。）検出する力検出器であり、基体４の基端部（下端部）に相互に離間して配置されている。

第１の６軸力センサＦ₁は、３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉ（ｉ＝１，２，３，…）からなり、これら６軸力センサＦ_1−ｉは、基体４の基端部の端面４ａに形成された開口部４ｂ（図２参照）の周囲に配置されている。この開口部４ｂは、ロボットアームの駆動及び制御配線、実施形態では各関節機構のアクチュエータＡ_i、エンドエフェクタＥ、関節角度センサＳ_i等への給電ケーブルや信号線などの配線１１（図２参照）を通すために形成されている。

これにより、各６軸力センサＦ_1−ｉを中実状のものとしても、これらの６軸力センサＦ_1−ｉ同士の間にスペースが生じ、配線１１を、前記スペース及び開口部４ｂを通して配設することができる。よって、従来のように配線を通すために中空状の６軸力センサを用いる必要がないので、第１の６軸力センサＦ₁の各６軸力センサＦ_1−ｉとして中実状の安価なものを用いることができる。

また、３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉで力を検出するので、従来のように１個の６軸力センサで力を検出する場合に比べて、各６軸力センサＦ_1−ｉを定格容量が小さな安価で小型なものとすることができる。そして、第１の６軸力センサＦ₁を構成する全ての６軸力センサＦ_1−ｉを合計しても、従来のような１個の大型の６軸力センサと比較して、安価で軽量化することが可能となる。

そして、３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉは、開口部４ｂを通り、基体４の端面４ａの法線としての軸線回りの回転対称性、及び前記軸線に対して垂直な方向に延びる直線を基準とする鏡映対称性のうち少なくとも一方をもって配置されている。

３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉが用いられることにより、３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉから複数の出力信号が得られるので、これら複数の出力信号が統合されることによってロボットアーム２から基体４に作用する力が求められる。ここで、６軸力センサＦ_1−ｉの配置態様が不規則的なものであると、複数の出力信号の統合のための計算方法が比較的複雑なものになってしまい、当該力の検出精度が低下する恐れがある。

しかるに、３個以上の６軸力センサＦ_1−ｉが前記軸線又は直線を基準とした対称性を有するように、即ち規則的に配置されることにより、複数の出力信号の統合のための計算方法を比較的簡易なものとすることができる分だけ、力の検出精度の向上が図られる。

本実施形態では、同種の４個の６軸力センサＦ_1−ｉ（ｉ＝１，２，３，４）からなっている。各６軸力センサＦ_1−ｉは、基体４の基端部に一体的に設けられた基板４ｃと、ＸＹステージＸ_１の上側のテーブル５との間に配置されている。基板４ｃの中央部には円形の開口部４ｂが形成されており、この開口部４ｂの中心Ｏを通るＺ軸（基体４の端面４ａの法線としての軸線）回りの回転対称、及び、Ｘ軸及びＹ軸（Ｚ軸に対して対して垂直方向に延びる直線）を基準とする鏡映対称性を有して、４個の６軸力センサＦ_1−ｉが配置されている。なお、第１の関節機構Ｊ₁の関節中心は、開口中心Ｏの真上、即ちＺ軸上に位置している。

そして、本実施形態は、２個の６軸力センサＦ₁₋₁，Ｆ₁₋₂の中心がＹ軸より前側（開口中心ＯよりＸ軸正方向側）に配置され、他の２個の６軸力センサＦ₁₋₃，Ｆ₁₋₄の中心がＹ軸より後側に配置されている。

また、図示しないが、２個の６軸力センサＦ_1−ｉの中心をＸ軸上に位置させ、他の２個の６軸力センサＦ_1−ｉの中心をＹ軸上に位置させてもよい。これらにより、ロボットアーム２から基体４に作用するＸ軸、Ｙ軸各方向の力を各６軸力センサＦ_1−ｉで精度良く検出することができる。ただし、第１の６軸力センサＦ₁を構成する各６軸力センサＦ_1−ｉの配置はこれに限定されない。

６軸力センサＦ_1-iをこのように配置することにより、６軸力センサＦ_1-iが例え１個故障しても、Ｘ軸を含めた両側には正常な６軸力センサＦ_1-iが少なくとも１個存在するので、左右方向においてロボットアーム２から基体４に作用する力を良好に検出することができる。

そして、エンドエフェクタＥが前方（Ｘ軸正方向）に突き出てロボットアーム２の重心位置が開口中心Ｏより前方にずらせて作業させることが多い場合には、第１の力検出器Ｆ₁を構成する各６軸力センサＦ_1−ｉを、開口中心Ｏより後側以上に前側に配置されることが好ましい。このように、６軸力センサＦ_1−ｉを配置することにより、エンドエフェクタＥを突き出て重心位置が前方に移動したロボットアーム２から基体４に作用する力を精度良く検出することができる。

また、この場合、前側の６軸力センサＦ_1−ｉが例え１個故障しても、開口中心Ｏより前側に配置された正常な６軸力センサＦ_1−ｉが少なくとも１個存在するので、重心位置が前側に移動したロボットアーム２から基体４に作用する力を良好に検出することができる。

さらに、第１の６軸力センサＦ₁が３個の６軸力センサＦ_1−ｉ（ｉ＝１，２，３）からなる場合には、２個の６軸力センサＦ₁₋₁，Ｆ₁₋₂の中心をＹ軸より前側に位置させ、他の１個の６軸力センサＦ₁₋₃の中心をＹ軸より後側に位置させて、左右対称に配置することが好ましい。また、第１の６軸力センサＦ₁が５個以上の６軸力センサＦ_1−ｉ（ｉ＝１，２，３，４，５，…）からなる場合には、Ｙ軸より前側に中心を位置させる個数がＹ軸より後側に中心を位置させる個数以上となるようにして、Ｘ軸に対して鏡映対称に配置することが好ましい。

さらに、エンドエフェクタＥがバルブ開閉作業を行う場合、開閉各々の作業で基体４に左右不均一に力が作用する。ここでは、各６軸力センサＦ_1−ｉはＸ軸に対して左右対称に配置されているので、基体４に作用する左右方向の力を何れも同等に検出することができる。

（６軸力センサの出力に基づいた制御）
第１の６軸力センサＦ₁は基体４の基端部に取り付けられ、ロボットアーム２とＸＹステージの上側のテーブル５との連結部分には第１の６軸力センサＦ₁のみが介在している。よって、第１の６軸力センサＦ₁は、基体４を含めロボットアーム２全体から基体４に作用する力を検出することになる。

また、第１の６軸力センサＦ₁が検出した力は、ＸＹステージＸ_１の上側のテーブル５に基体４から作用する反力でもある。そして、ＸＹステージＸ_１及び台車Ｘ_２の剛性は既知であるので、第１の６軸力センサＦ₁が検出した力から、ＸＹステージＸ_１及び台車Ｘ_２の変位量を推定し、さらに、基体４、即ちロボットアーム２の基端部の傾きを逆キネマティクスモデルを用いて推定することが可能となる。

また、エンドエフェクタＥとリンク部材３との間に、エンドエフェクタＥからリンク部材に作用する力を検出する第２の６軸力センサＦ_２が設けられている。よって、この第２の６軸力センサＦ_２が実際に検出した力から、エンドエフェクタＥがバルブを開閉するときの反力など、エンドエフェクタＥからロボットアーム２に作用する力を逆キネマティクスモデルを用いて推定することができ、推定した作業状態に応じた精度の高い作業を実施することが可能となる。

そして、ロボットアーム２の自重によって基体４に作用する力は、リンク部材３の構成が既知であるので、関節角度などからキネマティクスモデルを用いて推測することができる。

そこで、ロボットアーム２の自重による力と第２の６軸力センサＦ_２で実際に検出した力とを統合することによって、ロボットアーム２から基体４に作用する力をキネマティクスモデルを用いて推測することができ、この力が作用したときの第１の６軸力センサＦ₁での検出値を推測することができる。

よって、この推測値と第１の６軸力センサＦ₁で実際に検出した力の検出値との差異を求めることによって、ロボットアーム２が障害物などの外部環境に接触したときの反力を逆キネマティクスモデルを用いて推測することができる。

このように、第２の６軸力センサＦ_２が検出した力を参照することによって、第１の６軸力センサＦ₁で実際に検出した力などに基づいて、ロボットアーム２が外部環境と接触したときの反力を独立して推定することが可能となる。

従って、ロボットアーム２に外部から作用する力及びその状況を推定することができるので、ロボットアーム装置１が状況に応じた好適な動作を行うように制御させることが可能となる。

例えば、ロボットアーム２が外部環境と接触したことを推定したときには、接触を回避するようにロボットアーム２を動作させる制御を行うことができ、さらに、これと共に若しくは単独でＸＹステージＸ_１や台車Ｘ_２を移動させるように制御を行うこともできる。

ロボットアーム装置１は、図３に示される制御装置６を備える。制御装置６は、プログラマブルコンピュータにより構成される。制御装置６には、遠隔操作装置１０からエンドエフェクタＥの目標運動軌道が入力される。変数の「軌道」とは、当該変数の時間変化態様を表わす時系列的な変数値を意味する。

制御装置６には、そのほか、第１の６軸力センサＦ₁、第２の６軸力センサＦ₂、第１のジャイロセンサＧ₁及び第２のジャイロセンサＧ₂に加えて、各関節機構Ｊ₁、Ｊ₂、Ｉ₁、Ｉ₂の関節角度センサＳ_iから出力される信号が入力される。

制御装置６は、当該入力信号に基づき、ロボットアーム２の各関節機構Ｊ₁、Ｊ₂、Ｉ₁、Ｉ₂、ＸＹステージＸ_１、及び台車Ｘ_２の動作制御指令信号を生成し、これらのアクチュエータＡ_iに対して当該信号を出力するという制御処理を実行するように構成される。

ここで、制御装置６が演算処理を実行するように構成されるとは、制御装置６を構成するＣＰＵ（中央演算処理）が、必要なソフトウェア及びデータをメモリ（記憶装置）から読み取り、当該ソフトウェアに従って当該演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

また、制御装置６が、第１の６軸力センサＦ₁の出力に基づいて、ロボットアーム２の重心位置を推定する重心位置推定手段７と、重心位置推定手段７が推定したロボットアーム２の重心位置に基づいて、移動体Ｘの移動制御を行う移動体制御手段８とを備えている。

なお、重心位置推定手段７は、ロボットアーム２の重心位置を、第１の６軸力センサＦ₁からの出力のみに基づいて推定してもよいし、関節角度センサＳ_ｉ、ジャイロセンサＧ_１，Ｇ₂からの出力などを含めて推定してもよい。また、重心位置推定手段７は、第１の６軸力センサＦ₁を構成する各６軸軸力センサＦ_1−ｉからの出力に基づいて求めた力の検出値の平均値から重心位置を推定してもよいが、各６軸力センサＦ_1−ｉの配置位置を考慮して重心位置を推定してもよい。

重心位置推定手段７が推定したロボットアーム２の重心位置が所定の安定位置からずれている場合には、そのずれが補償されるように移動体制御手段がＸＹステージＸ_１を制御する。この補償制御のみでは足りない場合には、第１の関節機構Ｊ₁若しくは台車Ｘ_２又はこれら双方についても追加的に補償制御を行う。

例えば、重心位置推定手段７が推定したロボットアーム２の重心位置が台車Ｘ₂を基準として座標系における所定の領域外にあり、台車Ｘ_２が転倒するおそれが生じた場合には、ロボットアーム２自体を動作させる他、移動体制御手段８によって、ＸＹステージＸ_１や台車Ｘ_２を移動させるように補償制御してもよい。これにより、例えば、ロボットアーム２が前方に突出し過ぎて台車Ｘ_２が前方に転倒しそうになっても、ＸＹステージＸ_１のテーブルを後方に移動させる、又は台車Ｘ_３を前方に移動させるように制御することによって、台車Ｘ_２のバランスを取り戻すことが可能となる。

また、台車Ｘ_２に搭載された第２のジャイロセンサＧ_２から台車Ｘ_２が大きく傾斜していることを検出したとき、台車Ｘ_２が転倒しないように、ロボットアーム２の重心位置を移動させるように、移動体制御手段８によってＸＹステージＸ_１を移動させ、これとともにロボットアーム２を動作させるように制御してもよい。これにより、例えば、台車Ｘ_２が不整地を走行中に右方に側転しそうになっても、ロボットアーム２の重心位置を左方に移動させるようにロボットアーム２やＸＹステージＸ_１を制御することによって、台車Ｘ_２のバランスを取り戻すことが可能となる。

以下、制御装置６による制御の一実施形態について図面を参照して説明する。ただし、制御装置６による制御はこれに限定されない。

図４に示されるように、制御装置６は、ＸＹステージＸ_１、第１の関節機構Ｊ_１、及び台車Ｘ_２の補償制御を行うための構成として、ロボットアーム２の推定重心位置軌道gc_actを生成する推定重心位置軌道生成要素３１と、第１の関節機構Ｊ_１及び台車Ｘ_２それぞれの補償制御を行う場合を規定する補償制御規定要素３２及び３３と、補償制御規定要素３２からの位置による補償量の軌道を第１の関節機構Ｊ_１の回転角度（ヨー軸回り及びピッチ軸回りの角度）による角度補償軌道θ_compに変換する角度変換要素３４とを備える。

補償制御規定要素３２は、リミッタ３２１と、リミッタ３２１の出力側に接続された一次遅れ要素３２２とを備える。補償制御規定要素３３は、リミッタ３３１と、リミッタ３３１の出力側に接続された一次遅れ要素３３２とを備える。

この構成において、制御装置６は、ＸＹステージＸ_１、第１の関節機構Ｊ_１、及び台車Ｘ_２の制御に際し、制御装置６に対して入力されたロボットアーム２の目標運動軌道により、ロボットアーム２の目標重心位置の軌道である目標重心位置軌道gc_cmdと、ＸＹステージＸ_１の目標位置の軌道である目標ステージ位置軌道sp_cmdと、第１の関節機構Ｊ_１の目標回転角度の軌道である目標角度軌道θ_cmdと、台車Ｘ_２の目標位置の軌道である台車目標位置軌道cp_cmdとを定める。

目標重心位置軌道gc_cmdは、台車Ｘ_２を基準とする所定の基準平面上の位置の軌道として表され、ロボットアーム装置１の姿勢が最も安定するようなロボットアーム２の重心位置の軌道として設定される。この台車Ｘ_２の基準平面は、台車Ｘ_２が水平な床の上に位置するときに水平となるような平面である。この平面に沿って、ＸＹステージＸ_１が移動する。従って、目標ステージ位置軌道sp_cmdは、台車Ｘ_２の基準平面に沿った位置として表される。目標角度軌道θ_cmdは、ＸＹステージＸ_１又は台車Ｘ_２を基準とする第１の関節機構Ｊ_１のピッチ及びヨー軸回りの角度として表される。

推定重心位置軌道生成要素３１により、第１の６軸力センサＦ_１の検出出力軌道f_actに基づいてロボットアーム２の推定重心位置軌道gc_actを生成する。このとき、例えば、上述したように、第１の６軸力センサＦ_１として、ＸＹステージＸ_１を４点で支持する４つの６軸力センサＦ_１-iを採用した場合には、各６軸力センサＦ_１-iにより検出される力に基づいてロボットアーム２の重心位置を算出することができる。

この重心位置は、上述の台車Ｘ_２の基準平面上の位置として算出される。その算出に際しては、第２のジャイロセンサＧ_２に基づいて得られるＸＹステージＸ_１（台車Ｘ_２）の傾きが考慮される。

目標重心位置軌道gc_cmdと推定重心位置軌道gc_actとの偏差に基づき、関係式（１）に従って、ステージ位置補償軌道sp_compが生成される。ステージ位置補償軌道sp_compは、ロボットアーム２の重心位置の安定位置からのずれを、ＸＹステージＸ_１の制御により補償するための軌道である。「Kp」は比例ゲイン係数であり、「Kd」は微分ゲイン係数である。Kp及びKdのうち一方が０とされてもよい。

sp_comp=(Kp+Kds)(gc_cmd-gc_act) ..(1)。

目標ステージ位置軌道sp_cmdが、ステージ位置補償軌道sp_compに基づき、関係式（２）に従って補正されることにより、補正目標ステージ位置軌道sp_cmd_mdfdが生成される。

sp_cmd_mdfd=sp_cmd+sp_comp ..(2)。

この補正目標ステージ位置軌道sp_cmd_mdfdに従ってＸＹステージＸ_１が駆動されることにより、ロボットアーム２の重心位置が、台車Ｘ_２上の安定位置である目標重心位置軌道gc_cmdからずれている場合には、そのずれ量分だけ、ＸＹステージＸ_１が、ずれ方向とは反対方向に移動される。これにより、ロボットアーム２の重心位置が常に台車Ｘ_２上の安定位置に位置するように制御されるので、ロボットアーム装置１の姿勢が安定する。

ＸＹステージＸ_１の制御のみでは、ロボットアーム２の重心位置の安定位置からのずれが補償できない場合には、さらに、第１の関節機構Ｊ_１のピッチ軸回りの角度及びヨー軸回りの角度と、台車Ｘ_２の位置が制御される。

すなわち、目標重心位置軌道gc_cmdと推定重心位置軌道gc_actとの偏差がリミッタ３２１の上限値Lmaxを超え、又は下限値Lminを下回る場合には、それぞれ関係式（３ａ）又は（３ｂ）に従い、一次遅れ要素３２２を経て、関節機構補償軌道ｊ_compが生成される。当該偏差が上限値Lmax以下で下限値Lmin以上である場合には、関節機構補償軌道ｊ_compの値は０（ゼロ）である。

j_comp=(gc_cmd-gc_act-Lmax)K1/(T1s+1) ..(3a)。

j_comp=(gc_cmd-gc_act-Lmin)K1/(T1s+1) ..(3b)。

関節機構補償軌道ｊ_compは、後述する台車Ｘ_２の移動に応じた分だけ、その移動とは逆方向にロボットアーム２の重心位置が移動するように、第１の関節機構Ｊ_１の角度を補償するための軌道である。Ｔ1は時定数であり、Ｋ1はゲイン定数である。

関節機構補償軌道ｊ_compは、角度変換要素３４を経て、第１の関節機構Ｊ_１のピッチ軸回りの角度及びヨー軸回りの角度で表した補償量の軌道である角度補償軌道θ_compに変換される。この変換は、通常の幾何学的計算によって行われる。角度補償軌道θ_compに基づき、目標角度軌道θ_cmdが関係式（４）に従って補正され、補正目標角度軌道θ_cmd_mdfdが生成される。

θ_cmd_mdfd=θ_cmd+θ_comp ..(4)。

一方、目標重心位置軌道gc_cmdと推定重心位置軌道gc_actとの偏差がリミッタ３３１の上限値Lmaxを超え、又は下限値Lminを下回る場合には、それぞれ関係式（５ａ）又は（５ｂ）に従い、一次遅れ要素３３２を経て、台車位置補償軌道cp_compが生成される。当該偏差が上限値Lmax以下で下限値Lmin以上である場合には、台車位置補償軌道cp_compの値は０（ゼロ）である。

cp_comp=(gc_cmd-gc_act-Lmax)K2/(T2s+1)..(5a)。

cp_comp=(gc_cmd-gc_act-Lmin)K2/(T2s+1)..(5b)。

台車位置補償軌道cp_compは、ロボットアーム２の重心位置の安定位置からのずれを、台車Ｘ_２の制御により、上述の第１の関節機構Ｊ_１の角度補償と協働して補償するための軌道である。Ｔ２は時定数であり、Ｋ２はゲイン定数である。上述の関係式（３ａ）及び（３ｂ）における時定数Ｔ１と時定数Ｔ２との大小関係は、Ｔ１＝Ｔ２、Ｔ１＞Ｔ２又はＴ１＜Ｔ２の何れであってもよい。

台車目標位置軌道cp_cmdが、台車位置補償軌道cp_compに基づき、関係式（６）に従って補正され、補正目標台車位置軌道cp_cmd_mdfdが生成される。

cp_cmd_mdfd=cp_cmd-cp_comp ..(6)。

そして、補正目標台車位置軌道cp_cmd_mdfdにより台車Ｘ_２のアクチュエータが駆動され、補正目標角度軌道θ_cmd_mdfdにより第１の関節機構Ｊ_１のアクチュエータが駆動される。

これにより、台車Ｘ_２は、ロボットアーム２の重心位置の安定位置（目標重心位置gc_cmd）からのずれ量に応じた量だけ、そのずれの方向へ移動するように（台車Ｘ_２が移動中の場合にはそのずれの方向への移動量が増加するように）補償制御される。また、第１の関節機構Ｊ_１は、そのずれ方向とは反対方向にロボットアーム２の重心位置が移動するように、ピッチ軸回りの角度及びヨー軸回りの角度が制御される。これにより、ロボットアーム２の重心位置の安定位置からのずれが、より確実に補償される。

なお、この重心位置の制御のほか、制御装置６は、６軸力センサＦ₁、Ｆ₂、ジャイロセンサＧ₁、Ｇ₂、及び各関節機構Ｊ₁、Ｊ₂、Ｉ₁、Ｉ₂の関節角度センサＳ_iからの出力に基づき、各関節機構Ｊ₁、Ｊ₂、Ｉ₁、Ｉ₂の各アクチュエータＡ_iを制御することにより、たわみ補償や、コンプライアンス補償を行うことができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、上述した実施形態においては、リンク部材３は、中間関節機構Ｉ_１，Ｉ₂と複数のリンクとから構成されている。しかし、本発明におけるリンク部材３の構成はこれに限定されない。例えば、リンク部材は１本のリンクからなるものであってもよい。また、リンク部材３は、直交座標系型、極座標系型、円筒座標系型、スカラー型等の可動機構を有する部材から構成されていてもよい。

また、上述した実施形態においては、移動体ＸはＸＹステージＸ_１と台車Ｘ_２から構成されている。しかし、本発明における移動体Ｘはこれに限定されない。例えば、ＸＹステージＸ_１の代わりに、リニアステージや２次元直動ステージ等の他の水平移動機構を用いてもよい。台車Ｘ_２の代わりに、脚を用いた歩行装置、船舶、航空機など周知の移動体を用いてもよい。さらに、移動体Ｘは、ＸＹステージＸ_１やこれに類似するもの、又は、台車Ｘ_２やこれに類似するものの少なくとも一方を有するものとして構成されてもよい。

また、上述した実施形態においては、エンドエフェクタＥを冶具として用いているが、その代わりに、計測器等のような受動的な機能を有するものとして用いてもよい。

また、上述した実施形態においては、力検出器として６軸力センサを用いているが、その代わりに、３分力検出器等の他の力センサを用いるようにしてもよい。

１…ロボットアーム装置、２…ロボットアーム、３…リンク部材、４…基体、４ａ…端面、４ｂ…開口部、４ｃ…基板、５…上側のテーブル、６…制御装置、７…重心位置推定手段、８…移動体制御手段、１０…遠隔操作装置、１１…配線、Ｊ₁…第１の関節機構、Ｊ₂…第２の関節機構、Ｆ₁…第１の６軸力センサ（第１の力検出器）、Ｆ_1-i…６軸力センサ（力検出器）、Ｆ₂…第２の６軸力センサ（第２の力検出器）、Ｅ…エンドエフェクタ、Ｘ…移動体、Ｘ_１…ＸＹステージ、Ｘ_２…台車。

Claims (4)

1. 基体とリンク部材とが第１の関節機構で連結され、前記リンク部材とエンドエフェクタとが第２の関節機構で連結されたロボットアームを備えたロボットアーム装置であって、
   前記ロボットアームから前記基体に作用する力を検出する第１の力検出器を備え、前記基体の基端部の端面に前記ロボットアームの駆動及び制御配線用の開口部が形成され、前記開口部の周囲において、前記第１の力検出器として、相互に離間して配置されている３個以上の力検出器が配置されていることを特徴とするロボットアーム装置。
2. ３個以上の前記力検出器が、前記開口部を通り、前記端面の法線としての軸線回りの回転対称性、及び前記軸線に対して垂直な方向に延びる直線を基準とする鏡映対称性のうち少なくとも一方をもって配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム装置。
3. 前記基体が設けられた移動体と、
   前記第１の力検出器の出力に基づいて、前記ロボットアームの前記移動体に対する重心位置を推定する重心位置推定手段と、
   前記重心位置推定手段が推定した前記ロボットアームの重心位置に基づいて、前記移動体及び前記第１の関節機構を制御することにより前記ロボットアームの重心位置を所定の安定位置に位置するように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットアーム装置。
4. 前記エンドエフェクタと前記リンク部材との間に、前記エンドエフェクタから前記リンク部材に作用する力を検出する第２の力検出器を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のロボットアーム装置。

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