JP2013202725A - Operating device for link actuation device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、医療機器や産業機器等の精密で広範な作動範囲を必要とするリンク作動装置の操作装置に関する。 The present invention relates to an operating device for a link operating device that requires a precise and wide operating range, such as medical equipment and industrial equipment.
リンク機構本体を具備する作業装置の一例が特許文献1に、医療機器や産業機器等に用いられるリンク作動装置の一例が特許文献2にそれぞれ開示されている。
An example of a working device having a link mechanism main body is disclosed in
特許文献1のリンク機構本体は、各リンクの作動角が小さいため、トラベリングプレートの作動範囲を大きく設定するには、リンク長さを長くする必要がある。それにより、機構全体の寸法が大きくなって、装置が大型になってしまうという問題があった。また、リンク長さを長くすると、機構全体の剛性の低下を招く。そのため、トラベリングプレートに搭載されるツールの重量、つまりトラベリングプレートの可搬重量も小さいものに制限されるという問題もあった。これらの理由から、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が要求される医療機器等に用いるのは難しい。
Since the link mechanism main body of
これに対し、特許文献2のリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3節連鎖の3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結した構成としたことにより、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が可能である。基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢である先端姿勢は、3組以上のリンク機構のうちの2組以上のリンク機構の状態を規定することで決定される。「リンク機構の状態を規定する」とは、例えば、基端側のリンクハブに対する、リンク機構のうちの基端側のリンクハブに連結されたリンクの回転角を規定することである。
On the other hand, the link actuating device of
一般に、上記3節連鎖のリンク機構を3組以上設けたリンク作動装置は、前記先端姿勢を折れ角と旋回角によって定め、その折れ角と旋回角から前記リンクの回転角を演算し、リンクを回転駆動させるアクチュエータの動作位置を位置決めしている。このため、従来は、先端姿勢を変更するに際して、目標とする先端姿勢の指定を、折れ角と旋回角を入力することで行っていた。なお、折れ角は、基端側のリンクハブの中心軸に対して先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度であり、旋回角は、基端側のリンクハブの中心軸に対して先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である。 In general, a link operating device provided with three or more sets of three-link linkage mechanisms determines the tip posture by a folding angle and a turning angle, calculates a rotation angle of the link from the folding angle and the turning angle, The operating position of the actuator to be rotated is positioned. For this reason, conventionally, when the tip posture is changed, the target tip posture is specified by inputting the folding angle and the turning angle. The bend angle is a vertical angle in which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis of the link hub on the proximal end side, and the turning angle is relative to the central axis of the link hub on the proximal end side. This is a horizontal angle at which the central axis of the link hub on the tip side is inclined.
一方、先端側のリンクハブにエンドエフェクタを設置して、リンク作動装置を実際に使用する場合、エンドエフェクタが作業する被作業物の座標位置は直交座標系で扱われることが多い。そのため、折れ角と旋回角による先端姿勢の指定では、リンク作動装置を直感的に操作することが難しかった。例えば、先端側のリンクハブがある先端姿勢で位置決めされていて、その先端姿勢から、直交座標系で指定された移動量だけエンドエフェクタが移動するように先端姿勢を変更する場合、操作者は、直交座標系での移動を折れ角と旋回角で表される角度座標系での移動に変換してアクチュエータの操作量を決めなければならない。そのため、リンク作動装置の操作が難しく、経験や特別な訓練を必要とした。 On the other hand, when the end effector is installed on the link hub on the distal end side and the link actuating device is actually used, the coordinate position of the work piece on which the end effector works is often handled in an orthogonal coordinate system. For this reason, it has been difficult to intuitively operate the link operating device in specifying the tip posture by the bending angle and the turning angle. For example, when the link hub on the tip side is positioned in a certain tip posture and the tip posture is changed so that the end effector moves from the tip posture by the amount of movement specified in the Cartesian coordinate system, the operator The amount of operation of the actuator must be determined by converting the movement in the Cartesian coordinate system into the movement in the angle coordinate system represented by the bending angle and the turning angle. For this reason, it was difficult to operate the link actuating device, requiring experience and special training.
この発明の目的は、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢を直交座標系で指定して、直感的にティーチングできる操作装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an operating device capable of teaching intuitively by designating a target tip posture in an orthogonal coordinate system in a link actuator in which control of an actuator for changing the tip posture is handled in an angular coordinate system. That is.
この発明のリンク作動装置の操作装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢である先端姿勢を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、このアクチュエータを制御する制御装置は、前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度である折れ角と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である旋回角とによって規定するリンク作動装置に設けられる。
操作装置は、前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸上に原点が位置し、前記中心軸の延長軸と直交する2次元の直交座標系上の座標位置で、目標とする前記先端姿勢を人為操作で指定する姿勢指定手段と、この姿勢指定手段により指定された座標位置から、演算により前記折れ角および旋回角で表される前記先端姿勢を取得する姿勢取得手段と、この姿勢取得手段により取得された前記先端姿勢の情報を前記制御装置に与える姿勢情報付与手段とを備える。
The operation device of the link actuating device of the present invention connects the link hub on the distal end side to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms, The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. The side portion has a symmetrical shape, and two or more sets of the three or more sets of link mechanisms may have any distal end posture that is the posture of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub. Turn into An actuator for controlling the actuator is provided, and the control device for controlling the actuator is configured such that the distal end posture is bent at a vertical angle in which the central axis of the distal link hub is inclined with respect to the central axis of the proximal link hub. It is provided in a link actuating device defined by an angle and a turning angle that is a horizontal angle at which the central axis of the distal end side link hub is inclined with respect to the central axis of the proximal end side link hub.
The operating device has the origin on the extension axis of the central axis of the link hub on the base end side, and the target tip at a coordinate position on a two-dimensional orthogonal coordinate system orthogonal to the extension axis of the central axis Posture specifying means for specifying the posture by human operation, posture acquiring means for acquiring the tip posture expressed by the bending angle and the turning angle by calculation from the coordinate position specified by the posture specifying means, and the posture acquisition Posture information giving means for giving information on the tip posture acquired by the means to the control device.
この構成によると、姿勢指定手段による人為操作で、目標とする先端姿勢を直交座標系の座標位置で指定する。姿勢取得手段は、指定された座標位置から、演算により折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する。この先端姿勢の情報を、姿勢情報付与手段により制御装置に与える。そして、制御装置が、折れ角および旋回角で表される先端姿勢の情報を用いて、アクチュエータを制御する。このように、直交座標系上の座標位置で目標とする先端姿勢の指定を行うので、被作業物の座標位置が直交座標系で扱われる場合でも、リンク作動装置を直感的に操作することができる。 According to this configuration, the target tip posture is designated by the coordinate position of the orthogonal coordinate system by human operation by the posture designation means. The posture acquisition means acquires the tip posture represented by the bending angle and the turning angle by calculation from the designated coordinate position. Information on the tip posture is given to the control device by the posture information adding means. Then, the control device controls the actuator using information on the tip posture represented by the bending angle and the turning angle. In this way, since the target tip posture is designated by the coordinate position on the orthogonal coordinate system, the link actuator can be operated intuitively even when the coordinate position of the work piece is handled in the orthogonal coordinate system. it can.
前記姿勢取得手段は、前記折れ角および旋回角で表される前記先端姿勢を取得するための演算として、例えば最小二乗法による収束演算を用いることができる。
最小二乗法によると、先端姿勢を表わす適切な折れ角および旋回角を簡単な演算で得られる。
The posture acquisition means can use, for example, a convergence calculation by a least square method as a calculation for acquiring the tip posture represented by the bending angle and the turning angle.
According to the least square method, an appropriate folding angle and turning angle representing the tip posture can be obtained by a simple calculation.
前記制御装置は、次のようにして前記各アクチュエータの指令動作量を算出すると良い。すなわち、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記折れ角度をθ、前記旋回角をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、目標とする前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角を求め、この求められた回転角と、現在の前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角との差分から、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、容易に指令動作量を求めることができ、アクチュエータの制御が簡略になる。
The control device may calculate the command operation amount of each actuator as follows. That is, the rotation angle of the end link member on the base end side with respect to the link hub on the base end side is βn, the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the base end side, The angle formed by the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and the end link members on the base end side with respect to the reference end link member on the base end side When the separation angle in the circumferential direction is δn, the folding angle is θ, and the turning angle is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
By inversely transforming the expression represented by the following equation, the rotation angle of each base end side end link member in the target distal end posture is obtained, and the obtained rotation angle and the current distal end posture are The command operation amount of each actuator is calculated from the difference from the rotation angle of the end link member on each base end side.
According to this method, the command operation amount can be easily obtained, and the control of the actuator is simplified.
また、制御装置は、次のようにして前記各アクチュエータの指令動作量を算出しても良い。すなわち、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβn、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記折れ角をθ、前記旋回角をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記先端姿勢と前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成しておき、このテーブルを用いて、目標とする前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角を求め、この求められた回転角と、現在の前記各基端側の端部リンク部材の回転角との差分から、前記各アクチュエータの指令動作量を算出する。
この手法によると、事前に先端姿勢と各基端側の端部リンクの回転角との関係をテーブル化しておくことにより、上記式を用いた指令動作量の計算時間を短くすることができ、アクチュエータの制御をより一層高速で行うことが可能となる。
Further, the control device may calculate the command operation amount of each actuator as follows. That is, the rotation angle of the end link member on the base end side with respect to the link hub on the base end side is βn, the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the base end side, The angle formed by the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the front end side is γ, and the end link members on the base end side with respect to the reference end link member on the base end side When the circumferential separation angle is δn, the bending angle is θ, and the turning angle is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
A table indicating the relationship between the distal end posture and the rotation angle of the end link member on each proximal end side is created by inversely transforming the expression represented by the equation, and this table is used as a target. The rotation angle of the end link member on the base end side in the distal end posture is obtained, and from the difference between the calculated rotation angle and the rotation angle of the end link member on the base end side, Calculate the command operation amount of the actuator.
According to this method, the calculation time of the command operation amount using the above formula can be shortened by tabulating the relationship between the tip posture and the rotation angle of each proximal end link in advance, The actuator can be controlled at a higher speed.
例えば、前記姿勢指定手段は、前記直交座標系上での座標位置を数値入力により指定する。その場合、前記直交座標系上での座標位置の指定は、定められた基準点に対する絶対座標の数値入力であってもよく、あるいは現在の座標位置から目標とする座標位置までの差分の数値入力であってもよい。 For example, the posture designating unit designates a coordinate position on the orthogonal coordinate system by numerical input. In that case, the designation of the coordinate position on the orthogonal coordinate system may be a numerical input of an absolute coordinate with respect to a predetermined reference point, or a numerical input of a difference from the current coordinate position to the target coordinate position. It may be.
また、前記姿勢指定手段は、前記直交座標系上での座標位置を、操作時間または操作回数に応じて決まる操作量で指定してもよい。この場合、操作と座標位置との関係が感覚的に分かり易い。 The posture designating unit may designate the coordinate position on the orthogonal coordinate system with an operation amount determined according to an operation time or the number of operations. In this case, the relationship between the operation and the coordinate position is easy to understand sensuously.
前記姿勢取得手段は、前記最小二乗法による収束演算により、現在の座標位置を基準にその近辺から順に探索して前記折れ角を求めるのが良い。これにより、演算回数を減らすことができる。 It is preferable that the posture acquisition means obtains the bending angle by searching in order from the vicinity with the current coordinate position as a reference by the convergence calculation by the least square method. Thereby, the number of calculations can be reduced.
前記制御装置は、前記姿勢指定手段から与えられる前記先端姿勢の情報を、定められた変換式により前記アクチュエータの動作量に変換し、その動作量だけ前記アクチュエータを動作させるとよい。
このように先端姿勢の情報をアクチュエータの動作量に変換することで、アクチュエータの制御を容易に行える。
The control device may convert the tip posture information given from the posture designation means into an operation amount of the actuator by a predetermined conversion formula, and operate the actuator by the operation amount.
Thus, by converting the information on the tip posture into the operation amount of the actuator, the actuator can be easily controlled.
この発明のリンク作動装置の操作装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記3組以上のリンク機構のうち2組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢である先端姿勢を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、このアクチュエータを制御する制御装置は、前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度である折れ角と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である旋回角とによって規定するリンク作動装置における操作装置であって、前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸上に原点が位置し、前記中心軸の延長軸と直交する2次元の直交座標系上の座標位置で、目標とする前記先端姿勢を人為操作で指定する姿勢指定手段と、この姿勢指定手段により指定された座標位置から、演算により前記折れ角および旋回角で表される前記先端姿勢を取得する姿勢取得手段と、この姿勢取得手段により取得された前記先端姿勢の情報を前記制御装置に与える姿勢情報付与手段とを備えるため、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢を直交座標系で指定して、直感的にティーチングできる。 The operation device of the link actuating device of the present invention connects the link hub on the distal end side to the link hub on the proximal end side so that the posture can be changed via three or more sets of link mechanisms, The proximal end and distal end end link members, one end of which is rotatably connected to the proximal end link hub and the distal end link hub, and the other ends of the proximal end and distal end end link members And each link mechanism has a geometric model expressing the link mechanism as a straight line, a proximal end portion and a distal end with respect to a central portion of the central link member. The side portion has a symmetrical shape, and two or more sets of the three or more sets of link mechanisms may have any distal end posture that is the posture of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub. Turn into An actuator for controlling the actuator is provided, and the control device for controlling the actuator is configured such that the distal end posture is bent at a vertical angle in which the central axis of the distal link hub is inclined with respect to the central axis of the proximal link hub. An operating device in a link actuating device defined by an angle and a turning angle that is a horizontal angle at which a central axis of the distal link hub is inclined with respect to a central axis of the proximal link hub, The origin is located on the extension axis of the center axis of the link hub on the end side, and the target tip posture is specified manually by a coordinate position on a two-dimensional orthogonal coordinate system orthogonal to the extension axis of the center axis. Posture specifying means for performing, posture acquiring means for acquiring the tip posture represented by the folding angle and the turning angle by calculation from the coordinate position specified by the posture specifying means, and the posture acquiring means And a posture information providing means for providing the control device with the information on the tip posture acquired in the above-mentioned manner, in a link actuator in which the control of the actuator for changing the tip posture is handled in an angle coordinate system, the target tip posture is set. Specify in the Cartesian coordinate system for intuitive teaching.
この発明の操作装置を備えたリンク作動装置の一実施形態を図1〜図6と共に説明する。図1に示すように、このリンク作動装置51は、リンク機構本体1と、リンク機構本体1を作動させる複数(後記リンク機構4と同数)のアクチュエータ53と、これらアクチュエータ53を制御する制御装置54と、この制御装置54に操作指令を入力する操作装置55とを備える。この例では、制御装置54および操作装置55が共にコントローラ56に設けられているが、制御装置54はコントローラ56と別に設けてもよい。この例では、リンク機構本体1は、ベース部材52に吊り下げ状態で設置されている。
An embodiment of a link actuating device provided with an operating device of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
リンク機構本体1から説明する。図2および図3はリンク機構本体1のそれぞれ異なる状態を示す正面図であり、このリンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2に対し先端側のリンクハブ3を3組のリンク機構4を介して姿勢変更可能に連結したものである。図2および図3では、1組のリンク機構4のみが示されている。
The link mechanism
図4は、リンク機構本体1を三次元的に表わした斜視図である。各リンク機構4は、基端側の端部リンク部材5、先端側の端部リンク部材6、および中央リンク部材7で構成され、4つの回転対偶からなる3節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材5,6はL字状をなし、基端がそれぞれ基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3にそれぞれ回転自在に連結されている。中央リンク部材7は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材5,6の先端がそれぞれ回転自在に連結されている。
FIG. 4 is a perspective view showing the
基端側および先端側の端部リンク部材5,6は球面リンク構造で、3組のリンク機構4における球面リンク中心PA,PB(図2、図3)は一致しており、また、その球面リンク中心PA,PBからの距離dも同じである。端部リンク部材5,6と中央リンク部材7との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γをもっていてもよいし、平行であってもよい。
The
つまり、3組のリンク機構4は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材5,6,7を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材7の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図5は、一組のリンク機構4を直線で表現した図である。
That is, the three sets of
この実施形態のリンク機構4は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ2および基端側の端部リンク部材5と、先端側のリンクハブ3および先端側の端部リンク部材6との位置関係が、中央リンク部材7の中心線Cに対して回転対称となる位置構成になっている。図2は、基端側のリンクハブ2の中心軸QAと先端側のリンクハブ3の中心軸QBとが同一線上にある状態を示し、図3は、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構4の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心PA,PB間の距離dは変化しない。
The
基端側のリンクハブ2と先端側のリンクハブ3と3組のリンク機構4とで、基端側のリンクハブ2に対し先端側のリンクハブ3が直交2軸方向に移動自在な2自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ2に対して先端側のリンクハブ3を、回転が2自由度で姿勢変更自在な機構である。この2自由度機構は、基端側のリンクハブ2の中心軸QA、先端側のリンクハブ3の中心軸QB、および中央リンク部材7の中心線Cの交点Pを中心として、基端側のリンクハブ2に対して先端側のリンクハブ3が姿勢を変更する。
The
この2自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブ2の中心軸QAと先端側のリンクハブ3の中心軸QBの折れ角θの最大値(最大折れ角)を約±90°とすることができる。また、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の旋回角φを0°〜360°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ2の中心軸QAに対して先端側のリンクハブ3の中心軸QBが傾斜した水平角度のことである。
Although this two-degree-of-freedom mechanism is compact, the movable range of the
このリンク機構本体1において、各リンク機構4の端部リンク部材5,6の軸部材13(図6)の角度、および長さが等しく、かつ基端側の端部リンク部材5と先端側の端部リンク部材6の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材7についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材7の対称面に対して、中央リンク部材7と端部リンク部材5,6との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ2および基端側の端部リンク部材5と、先端側のリンクハブ3および先端側の端部リンク部材6とは同じに動く。例えば、基端側と先端側のリンクハブ2,3にそれぞれの中心軸QA,QBと同軸に回転軸を設け、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手となる。この等速回転するときの中央リンク部材7の対称面を等速二等分面という。
In this
このため、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3を共有する同じ幾何学形状のリンク機構4を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構4が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材7が等速二等分面上のみの動きに限定される。これにより、基端側と先端側とが任意の作動角をとっても、基端側と先端側とが等速回転する。
Therefore, by arranging a plurality of
基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3は、その中心部に貫通孔10が軸方向に沿って形成され、外形が球面状をしたドーナツ形状をしている。貫通孔10の中心はリンクハブ2,3の中心軸QA,QBと一致している。これら基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3の外周面の円周方向に等間隔の位置に、基端側の端部リンク部材5および先端側の端部リンク部材6がそれぞれ回転自在に連結されている。
The
図6は、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、および基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶を示す断面図である。基端側のリンクハブ2は、前記軸方向の貫通孔10と外周側とを連通する半径方向の連通孔11が円周方向3箇所に形成され、各連通孔11内に設けた二つの軸受12により軸部材13がそれぞれ回転自在に支持されている。軸部材13の外側端部は基端側のリンクハブ2から突出し、その突出ねじ部13aに基端側の端部リンク部材5が結合され、ナット14によって締付け固定されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a rotational pair of the proximal-
前記軸受12は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪(図示せず)が前記連通孔11の内周に嵌合し、その内輪(図示せず)が前記軸部材13の外周に嵌合している。外輪は止め輪15によって抜け止めされている。また、内輪と基端側の端部リンク部材5の間には間座16が介在し、ナット14の締付力が基端側の端部リンク部材5および間座16を介して内輪に伝達されて、軸受12に所定の予圧を付与している。
The
基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶は、中央リンク部材7の両端に形成された連通孔18に二つの軸受19が設けられ、これら軸受19により、基端側の端部リンク部材5の先端の軸部20が回転自在に支持されている。軸受19は、間座21を介して、ナット22によって締付け固定されている。
The rotating pair of the
前記軸受19は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪(図示せず)が前記連通孔18の内周に嵌合し、その内輪(図示せず)が前記軸部20の外周に嵌合している。外輪は止め輪23によって抜け止めされている。軸部20の先端ねじ部20aに螺着したナット22の締付力が間座21を介して内輪に伝達されて、軸受19に所定の予圧を付与している。
The
以上、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、および基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶について説明したが、先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶、および先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶も同じ構成である(図示省略)。
The rotation pair of the base end
このように、各リンク機構4における4つの回転対偶、つまり、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶、先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7と回転対偶、および先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶に、軸受12,19を設けた構造とすることにより、各回転対偶での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
Thus, the four rotation pairs in each
この軸受12,19を設けた構造では、軸受12,19に予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、回転対偶のがたつきを抑えることができ、基端側のリンクハブ2側と先端側のリンクハブ3側間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受12,19の軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
In the structure in which the
軸受12を基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3に埋設状態で設けたことにより、リンク機構本体1全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3の外形を拡大することができる。そのため、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3を他の部材に取付けるための取付スペースの確保が容易である。
By providing the
図1において、リンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2がベース部材52の下面に固定され、先端側のリンクハブ3が垂下した状態となっている。ベース部材52の上面には、ロータリアクチュエータからなるアクチュエータ53が、リンク機構4と同数すなわち3個設置されている。アクチュエータ53の出力軸53aはベース部材52を貫通して下方に突出し、その出力軸53aに取付けたかさ歯車57と基端側のリンクハブ2の軸部材13(図6)に取付けた扇形のかさ歯車58とが噛み合っている。
In FIG. 1, the link mechanism
アクチュエータ53を回転させると、その回転が一対のかさ歯車57,58を介して軸部材13に伝達されて、基端側のリンクハブ2に対する基端側の端部リンク部材5の角度が変わる。各アクチュエータ53の動作量を制御して、リンク機構4ごとに基端側の端部リンク部材5の角度を調整することにより、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の姿勢(以下、「先端姿勢」とする)が決まる。各アクチュエータ53の動作は、操作装置55の操作指令に基づき、制御装置54により制御される。
When the
操作装置55は、姿勢指定手段55aと姿勢取得手段55bと姿勢情報付与手段55cとを有する。
姿勢指定手段55aは、目標とする先端姿勢を人為操作で指定する手段であり、2次元の直交座標系上の座標位置で先端姿勢を指定する。直交座標系は、図4に示すように、基端側のリンクハブ2の中心軸QAの延長軸QA´と直交し、前記延長軸QA´上の任意の位置に原点Oが定められたXY直交座標系100である。目標とする先端姿勢は、先端側のリンクハブ3の中心軸QBがXY直交座標系100と交わる点の座標である目標座標T(X,Y)で表わされる。目標座標Tの指定方法については、後で説明する。
The operation device 55 includes posture designation means 55a, posture acquisition means 55b, and posture information provision means 55c.
The posture designation means 55a is a means for manually designating a target tip posture, and designates the tip posture at a coordinate position on a two-dimensional orthogonal coordinate system. As shown in FIG. 4, the orthogonal coordinate system is an XY in which the origin O is defined at an arbitrary position on the extension axis QA ′, which is orthogonal to the extension axis QA ′ of the center axis QA of the
姿勢取得手段55bは、姿勢指定手段55aにより指定されたXY直交座標系100の座標位置で表される先端姿勢を、角度座標系の折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢に変換する手段である。変換の原理について説明する。
The
XY座標系100での原点Oと目標座標Tとの距離rは、式1を用いて求められる。
r´=h´×tanθ ・・・(式2)
A distance r between the origin O and the target coordinate T in the XY coordinate
r ′ = h ′ × tan θ (Formula 2)
ここで、h´は、先端側のリンクハブ3の姿勢変更の回転中心である交点Pから目標座標Tまでの高さである。球面リンク中心PA,PB間の距離をd、基端側のリンクハブ2の球面リンク中心PAから目標座標Tまでの高さをhとした場合、h´は式3から求められる。式3で求められたh´を式2に代入することで、角度座標系での原点Oと目標座標Tとの距離r´が求められる。なお、dおよびhは、リンク機構本体1の寸法やリンク作動装置51を搭載した装置の寸法により決定される固定値である。
このようにして求められたXY座標系100での原点Oと目標座標Tとの距離rと、角度座標系での原点Oと目標座標Tとの距離r´とを比較し、差が最小となる折れ角θを探索する。折れ角θの探索は、例えば式4に示すように、最小二乗法による収束演算を用いて行う。
dr=(r−r´)2 ・・・(式4)
The distance r between the origin O and the target coordinate T in the XY coordinate
dr = (r−r ′) 2 (Expression 4)
最小二乗法による収束演算は、図7のフローチャートに示す順序で行われる。まず、S1において、式1による距離rの計算と、比較値Aの初期値の設定とを行う。比較値Aはdrとの比較値であり、探索過程で計算されるdrの値よりも十分大きい値を初期値として設定する。
The convergence calculation by the least square method is performed in the order shown in the flowchart of FIG. First, in S1, the calculation of the distance r by
次に、S2においてθ=0°として、S3においてr2、drを計算する。また、S4において、drがAよりも小さければ、Aにdrを代入し、そのときのθをAnsθに代入する。drがAよりも大きければ、AおよびAnsはそのままの値にする。さらに、S5において、θを予め定めた角度範囲の最大値Maxθと比較し、小さい場合は、S6において、θ=θ+Δθとして、ある定めた値を加算する。 Next, assuming that θ = 0 ° in S2, r 2 and dr are calculated in S3. In S4, if dr is smaller than A, dr is substituted for A, and θ at that time is substituted for Ans θ. If dr is larger than A, A and Ans are left as they are. Furthermore, in S5, θ is compared with a maximum value Maxθ of a predetermined angle range. If it is smaller, a predetermined value is added as S = θ + Δθ in S6.
上記S3,S4,S6の操作を、θがある設定した角度範囲の最大値Maxθになるまで繰り返す。そして、S7において、最終的に得られたAnsθを求める折れ角θとする。 The operations of S3, S4 and S6 are repeated until θ reaches the maximum value Maxθ of a set angle range. In S7, the finally obtained Ans θ is set as a bending angle θ.
上記探索により得られた折れ角θを用いて、旋回角φを求める。その際、θ=0である場合は、
φ=0 ・・・(式5)
とし、θ≠0である場合は、
φ = 0 (Formula 5)
And if θ ≠ 0,
図7のフローチャートで示す操作で求められた折れ角θ、および式5または式6の計算で求められた旋回角φにより、目標とする先端姿勢が規定される。上記のように、最小二乗法による収束演算により、現在の座標位置を基準にその近辺から順に探索して折れ角θを求めると、演算回数を減らすことができる。
The target tip posture is defined by the bending angle θ obtained by the operation shown in the flowchart of FIG. 7 and the turning angle φ obtained by the calculation of
姿勢情報付与手段55cは、姿勢取得手段55bにより取得された先端姿勢の情報、すなわち折れ角θおよび旋回角φを制御装置54に与える。
The posture information giving unit 55c gives the
制御装置54は、コンピュータによる数値制御式のものであり、操作装置55の姿勢情報付与手段55cから与えられる先端姿勢の情報に応じて、各基端側の端部リンク部材5の目標とする回転角βn(図4)を求め、姿勢検出手段59(図1)によって検出される実際の回転角βnが目標とする回転角βnとなるように、各アクチュエータ53をフィードバック制御する。
The
回転角βnは、例えば、下記の式7を逆変換することで求められる。逆変換とは、折れ角θおよび旋回角φから回転角βnを算出する変換のことである。折れ角θおよび旋回角φと、回転角βnとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
;(n=1,2,3) ・・・(式7)
ここで、γ(図4)は、基端側の端部リンク部材5に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸と、先端側の端部リンク部材6に回転自在に連結された中央リンク部材7の連結端軸とが成す角度である。δnは、基準となる基端側の端部リンク部材5に対する各基端側の端部リンク部材5の円周方向の離間角である。
The rotation angle βn is obtained, for example, by inversely transforming the following equation (7). The inverse transformation is a transformation for calculating the rotation angle βn from the bending angle θ and the turning angle φ. The bending angle θ, the turning angle φ, and the rotation angle βn are mutually related, and the other value can be derived from one value.
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
(N = 1, 2, 3) (Expression 7)
Here, γ (FIG. 4) is rotatably connected to the connecting end shaft of the
指令ごとに式7を逆変換して回転角βnを求めてもよいが、事前に、表1のように先端位置姿勢と回転角βnとの関係を示すテーブルを作成しておいても良い。テーブル化されていると、先端姿勢変更の指令があったら、すぐにテーブルを用いて目標とする回転角βnを求めることができる。そのため、アクチュエータ53の制御をより一層高速で行うことが可能となる。また、あらかじめ指令パターンを登録して登録順に動作する場合は、表2のようにパターン登録時に先端位置姿勢と回転角βnとの関係を示すテーブルを登録することで、テーブルの記憶領域を節約できる。
Although the rotation angle βn may be obtained by inversely transforming
図8は、操作装置55の操作部の一例を示す。この操作部は、座標位置を数値入力により指定する方式であり、現在の座標位置のX座標値およびY座標値をそれぞれ表示する現在値表示部101,102と、目標のX座標値およびY座標値をそれぞれ表示する目標値表示部103,104と、目標値表示部103,104に目標のX座標値およびY座標値を入力する10キー等からなる数値入力ボタン105と、動作実行ボタン106とを備える。XY直交座標系上での座標位置の指定は、定められた基準点(例えば原点O)に対する絶対座標を数値入力する方式、現在の座標位置から目標とする座標位置までの差分を数値入力する方式の何れであってもよい。
FIG. 8 shows an example of the operation unit of the operation device 55. This operation unit is a method of designating a coordinate position by numerical input, and present
数値入力ボタン105を用いて目標のX座標値およびY座標値を入力すると、その値が目標値表示部103,104を表示される。それと共に、入力されたX座標値およびY座標値、先端側のリンクハブ3から被作業物(図示せず)の作業面までの距離、リンク機構本体1の各部の寸法等のパラメータにより、目標とする先端姿勢の折れ角θおよび旋回角φが計算される。また、この先端姿勢から、各アクチュエータ53の動作量が計算される。動作実行ボタン106を押すと、各アクチュエータ53が駆動されて、入力されたX座標値およびY座標値となるように先端姿勢が変更される。このように、XY直交座標系100上の座標位置で目標とする先端姿勢の指定を行うので、被作業物の座標位置が直交座標系で扱われる場合でも、リンク作動装置51を直感的に操作することができる。
When the target X coordinate value and Y coordinate value are input using the numerical
図9は、操作装置55の操作部の異なる例を示す。この操作部は、座標位置を操作量で指定する方式であり、現在の座標位置のX座標値およびY座標値をそれぞれ表示する現在値表示部101,102と、先端姿勢を変更操作する押し操作ボタン107〜110とを有する。押し操作ボタン107を押すとX座標値が大きくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン108を押すとX座標値が小さくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン109を押すとY座標値が大きくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン110を押すとY座標値が小さくなる側へ姿勢変更する。
FIG. 9 shows a different example of the operation unit of the operation device 55. This operation unit is a method of designating a coordinate position by an operation amount, and is a current
姿勢変更の程度は、押し操作ボタン107〜110を押している時間または押した回数に応じて変わる。また、この例では、各押し操作ボタン107〜110は、姿勢変更が低速で行われる低速ボタン107a,108a,109a,110aと、姿勢変更が高速で行われる高速ボタン107b,108b,109b,110bとからなり、姿勢変更を低速および高速の2段階で行えるようになっている。
The degree of the posture change varies depending on the time or the number of times the
この操作装置55の場合、押し操作ボタン107〜110の操作によりX座標値およびY座標値が逐次変更され、その都度、目標とする折れ角θおよび旋回角φを計算し、それに応じたアクチュエータ53の動作量を決定するシステムとなっている。つまり、押し操作ボタン107〜110を押している間だけ、先端姿勢が変更し続ける。そのため、操作と座標位置との関係が感覚的に分かり易い。
In the case of the operation device 55, the X coordinate value and the Y coordinate value are sequentially changed by the operation of the
上記操作装置55と組み合して用いられる制御装置54は、操作装置55の姿勢指定手段55cから与えられる先端姿勢の情報を、定められた変換式によりアクチュエータ53の動作量に変換し、その動作量だけアクチュエータ53を動作させるように制御する。詳しくは、姿勢指定手段55cから折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢が制御装置54に与えられると、制御装置54は、前記式7を用いて上記折れ角θおよび旋回角φを逆変換することで各基端側の端部リンク部材5の回転角βnを求め、その求められた回転角βnを用いて式8を演算することで、各アクチュエータ53の動作量Rnを算出する。
Rn=βn×k;(n=1,2,3) ・・・(式8)
ここで、kは、アクチュエータ53に付設されている減速機(図示せず)の減速比によって決まる係数である。このように先端姿勢の情報を、変換式によりアクチュエータ53の動作量に変換すると、アクチュエータ53の制御を容易に行える。
The
Rn = βn × k; (n = 1, 2, 3) (Equation 8)
Here, k is a coefficient determined by a reduction ratio of a reduction gear (not shown) attached to the
アクチュエータ53の動作量や先端姿勢の変更速度を段階的に変更可能とするのではなく、押し操作ボタン107〜110の一操作当たりのアクチュエータ53の動作量や先端姿勢の変更速度を任意に変えられるようにしても良い。また、この例のように、複数の押し操作ボタン107〜110で操作するのではなく、ジョイスティックのような一つの操作手段で操作するようにしても良い。
The amount of movement of the
図10は、上記リンク作動装置51を備えた作業装置を示す。この作業装置120は、作業室121の天井部を構成するベース部材52に基端側のリンクハブ2を固定して、リンク機構本体1が吊り下げ状態で設置されており、このリンク機構本体1の先端側のリンクハブ3にエンドエフェクタ122が搭載されている。エンドエフェクタ122は、例えば塗装機である。
FIG. 10 shows a working device provided with the
エンドエフェクタ122の下方には、被作業物WをXY軸方向に移動させる移動機構123が設置されている。移動機構123は、床面に固定して設置されたX軸方向に沿って長いX軸レール124と、このX軸レール124に沿って進退自在でY軸方向に沿って長いY軸レール125と、このY軸レール125に沿って進退自在で上面に被作業物が載せられる作業台126とを備える。Y軸レール125および作業台126は、それぞれ図示しない駆動源の駆動によりX軸方向およびY軸方向に移動させられる。
Below the
エンドエフェクタ122が塗装機である場合、移動機構123による作業台126をX軸およびY軸方向に進退させることで、被作業物Wの塗装箇所を塗装機の塗料噴射口122aの先に位置させる。また、リンク作動装置51の先端姿勢を変更してエンドエフェクタ122の向きを変えることで、常に前記塗料噴射口122aが被作業物Wの塗装面に向くように調整する。
When the
図11ないし図13は、リンク作動装置の異なる実施形態を示す。このリンク作動装置61は、図11に示すように、ベース部材62にリンク機構本体1が吊り下げ状態で設けられている。すなわち、リンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2がベース部材62を介して前記ベース部材62に固定され、先端側のリンクハブ3に、各種器具等を取付ける先端取付部材63が搭載されている。
Figures 11 to 13 show different embodiments of the link actuating device. As shown in FIG. 11, the
図12および図13に示すように、リンク機構本体1は、基端側のリンクハブ2および先端側のリンクハブ3に対して端部リンク部材5,6をそれぞれ回転自在に支持する軸受31を外輪回転タイプとしたものである。基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶を例にとって説明すると、基端側のリンクハブ2の円周方向の3箇所に軸部32が形成され、この軸部32の外周に二つの軸受31の内輪(図示せず)が嵌合し、基端側の端部リンク部材5に形成された連通孔33の内周に軸受31の外輪(図示せず)が嵌合している。軸受31は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット34による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。先端側のリンクハブ3と先端側の端部リンク部材6の回転対偶も、上記同様の構造である。
As shown in FIGS. 12 and 13, the link mechanism
また、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7の回転対偶に設けられた軸受36は、基端側の端部リンク部材5の先端に形成された連通孔37の内周に外輪(図示せず)が嵌合し、中央リンク部材7と一体の軸部38の外周に内輪(図示せず)が嵌合している。軸受36は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット39による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。先端側の端部リンク部材6と中央リンク部材7の回転対偶も、上記同様の構造である。
Further, the bearing 36 provided at the rotation pair of the
リンク機構本体1の3組のリンク機構4のすべてに、基端側の端部リンク部材5を回動させて先端位置姿勢を任意に変更させるアクチュエータ70と、このアクチュエータ70の動作量を基端側の端部リンク部材5に減速して伝達する減速機構71とが設けられている。アクチュエータ70はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機70a付きのサーボモータであって、モータ固定部材72によりベース部材62に固定されている。減速機構71は、アクチュエータ70の減速機70aと、歯車式の減速部73とでなる。
All of the three sets of
歯車式の減速部73は、アクチュエータ70の出力軸70bにカップリング75を介して回転伝達可能に連結された小歯車76と、基端側の端部リンク部材5に固定され前記小歯車76と噛み合う大歯車77とで構成されている。図示例では、小歯車76および大歯車77は平歯車であり、大歯車77は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車77は小歯車76よりもピッチ円半径が大きく、アクチュエータ70の出力軸70bの回転が基端側の端部リンク部材5へ、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の回転軸O1回りの回転に減速して伝達される。その減速比は10以上とされている。
The gear
大歯車77のピッチ円半径は、基端側の端部リンク部材5のアーム長Lの1/2以上としてある。前記アーム長Lは、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の中心軸O1の軸方向中心点P1から、基端側の端部リンク部材5と中央リンク部材7との回転対偶の中心軸O2の軸方向中心点P2を基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶軸O1に直交してその軸方向中心点P1を通る平面に投影した点P3までの距離である。この実施形態の場合、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長L以上である。そのため、高い減速比を得るのに有利である。
The pitch circle radius of the
小歯車76は、大歯車77と噛み合う歯部76aの両側に突出する軸部76bを有し、これら両軸部76bが、ベース部材62に設置された回転支持部材79に設けられた二つの軸受80によりそれぞれ回転自在に支持されている。軸受80は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。二つの軸受80の各外輪(図示せず)間にはシム(図示せず)を設け、軸部76bに螺合したナット81を締め付けることにより、軸受80に予圧を付与する構成としてある。軸受80の外輪は、回転支持部材79に圧入されている。
The
この実施形態の場合、大歯車77は、基端側の端部リンク部材5と別部材であり、基端側の端部リンク部材5に対してボルト等の結合具82により着脱可能に取付けられている。大歯車77は基端側の端部リンク部材5と一体であってもよい。
In the case of this embodiment, the
アクチュエータ70の回転軸心O3および小歯車76の回転軸心O4は同軸上に位置する。これら回転軸心O3,O4は、基端側のリンクハブ24と基端側の端部リンク部材5の回転対偶軸O1と平行で、かつベース部材62からの高さが同じとされている。
The rotation axis O3 of the
このリンク作動装置61も、アクチュエータ70を制御する制御装置84と、この制御装置84に操作指令を入力する操作装置85とを、コントローラ86内に備える。制御装置84および操作装置85は、前記実施形態のものと同じ構成であり、前記同様の作用・効果が得られる。操作装置85は、前記実施形態と同様に姿勢指定手段、姿勢取得手段、および姿勢情報付与手段を有するが、これらの図示を省略している。
The
このリンク作動装置61は、3組のリンク機構4のすべてにアクチュエータ70および減速機構71を設けたことで、リンク機構本体1や減速機構71のガタを詰めるように制御することが可能となり、先端側のリンクハブ3の位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置61自体の高剛性化を実現できる。
This
また、減速機構71の歯車式の減速部73は、小歯車76と大歯車77の組合せからなり、10以上の高い減速比が得られる。減速比が高いと、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなるため、先端側のリンクハブ3の位置決め分解能が向上する。また、低出力のアクチュエータ70を使用することができる。この実施形態では減速機70a付きのアクチュエータ70を使用しているが、歯車式の減速部73の減速比が高ければ、減速機無しのアクチュエータ70を使用することも可能となり、アクチュエータ70を小型化できる。
The gear-
大歯車77のピッチ円半径を、基端側の端部リンク部材5のアーム長Lの1/2以上としたことで、先端負荷による基端側の端部リンク部材5の曲げモーメントが小さくなる。そのため、リンク作動装置61全体の剛性を必要以上に高くしなくて済むと共に、基端側の端部リンク部材5の軽量化を図れる。例えば、基端側の端部リンク部材5をステンレス鋼(SUS)からアルミに変更できる。また、大歯車77のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車77の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置61全体の剛性が高くなる。
また、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長の1/2以上であると、大歯車77が、基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5の回転対偶に設置する軸受12の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車77の歯部と軸受12との間にスペースができ、大歯車77の設置が容易である。
By setting the pitch circle radius of the
Further, when the pitch circle radius of the
特にこの実施形態の場合、大歯車77のピッチ円半径が前記アーム長L以上であるため、大歯車77のピッチ円半径がさらに大きくなり、前記作用・効果がより一層顕著に現れる。加えて、小歯車76をリンク機構4よりも外径側に設置することが可能となる。その結果、小歯車76の設置スペースを容易に確保することができ、設計の自由度が増す。また、小歯車76と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置61の可動範囲が広くなる。
In particular, in the case of this embodiment, the pitch circle radius of the
小歯車76および大歯車77は、それぞれ平歯車であるため、製作が容易であり、しかも回転の伝達効率が高い。小歯車76は軸方向両側で軸受80により支持されているため、小歯車76の支持剛性が高い。それにより、先端負荷による基端側の端部リンク部材5の角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置61の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。また、アクチュエータ70の回転軸心O3、小歯車76の回転軸心O4、および基端側のリンクハブ2と基端側の端部リンク部材5との回転対偶の中心軸O1が同一平面上にあるため、全体的なバランスが良く、組立性が良い。
Since the
大歯車77は、基端側の端部リンク部材5に対して着脱自在であるため、歯車式の減速部73の減速比や、基端側のリンクハブ2に対する先端側のリンクハブ3の作動範囲等の仕様の変更が容易となり、リンク作動装置61の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置61を、大歯車77を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能である。また、メンテナンス性が良い。例えば、歯車式の減速部73に障害が生じた場合に、同減速部73のみを交換するだけで対処可能である。
Since the
2…基端側のリンクハブ
3…先端側のリンクハブ
4…リンク機構
5…基端側の端部リンク部材
6…先端側の端部リンク部材
7…中央リンク部材
51,61…リンク作動装置
53,70…アクチュエータ
54,84…制御装置
55,85…操作装置
55a…姿勢指定手段
55b…姿勢取得手段
55c…姿勢情報付与手段
100…直交座標系
O…原点
QA…基端側のリンクハブの中心軸
QA´…延長軸
QB…先端側のリンクハブの中心軸
θ…折れ角
φ…旋回角
2 ... Base end
Claims (10)
前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸上に原点が位置し、前記中心軸の延長軸と直交する2次元の直交座標系上の座標位置で、目標とする前記先端姿勢を人為操作で指定する姿勢指定手段と、
この姿勢指定手段により指定された座標位置から、演算により前記折れ角および旋回角で表される前記先端姿勢を取得する姿勢取得手段と、
この姿勢取得手段により取得された前記先端姿勢の情報を前記制御装置に与える姿勢情報付与手段と、
を備えることを特徴とするリンク作動装置の操作装置。 The link hub on the distal end side is connected to the link hub on the proximal end side through three or more sets of link mechanisms in such a manner that the posture can be changed, and each of the link mechanisms includes a link hub on the proximal end side and a link hub on the distal end side. End link members on the base end side and the tip end side, one end of which is rotatably connected to the link hub, and a center on which both ends are rotatably connected to the other ends of the end link members on the base end side and the tip end side, respectively. Each of the link mechanisms is a geometric model in which the link mechanism is represented by a straight line, and the base end side portion and the tip end side portion are symmetrical with respect to the center portion of the center link member, Among the three or more sets of link mechanisms, two or more sets of link mechanisms are provided with actuators that arbitrarily change the tip posture, which is the posture of the tip side link hub with respect to the base side link hub. The control device for controlling the actuator includes a bending angle that is a vertical angle in which a central axis of the distal-side link hub is inclined with respect to a central axis of the proximal-side link hub; An operating device in a link actuating device defined by a turning angle which is a horizontal angle at which the central axis of the link hub on the distal end side is inclined with respect to the central axis of
The origin is located on the extension axis of the central axis of the link hub on the base end side, and the target tip posture is artificially operated at a coordinate position on a two-dimensional orthogonal coordinate system orthogonal to the extension axis of the central axis. The posture designation means designated by
Posture acquisition means for acquiring the tip posture represented by the bending angle and the turning angle by calculation from the coordinate position specified by the posture specification means;
Posture information giving means for giving information on the tip posture acquired by the posture acquisition means to the control device;
An operating device for a link actuating device, comprising:
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、目標とする前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角を求め、この求められた回転角と、現在の前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角との差分から、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の操作装置。 2. The control device according to claim 1, wherein a rotation angle of the base end side end link member with respect to the base end side link hub is βn, and the center is rotatably connected to the base end side end link member. The angle formed by the connecting end shaft of the link member and the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the distal end side is γ, and each angle relative to the reference end link member on the base end side When the separation angle in the circumferential direction of the end link member on the proximal end side is δn, the bending angle is θ, and the turning angle is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
By inversely transforming the expression represented by the following equation, the rotation angle of each base end side end link member in the target distal end posture is obtained, and the obtained rotation angle and the current distal end posture are An operating device for a link operating device that calculates a command operation amount of each actuator from a difference from a rotation angle of an end link member on each base end side.
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することにより、前記先端姿勢と前記各基端側の端部リンク部材の回転角との関係を示すテーブルを作成しておき、このテーブルを用いて、目標とする前記先端姿勢における前記各基端側の端部リンク部材の回転角を求め、この求められた回転角と、現在の前記各基端側の端部リンク部材の回転角との差分から、前記各アクチュエータの指令動作量を算出するリンク作動装置の操作装置。 2. The control device according to claim 1, wherein a rotation angle of the base end side end link member with respect to the base end side link hub is βn, and the center is rotatably connected to the base end side end link member. The angle formed by the connecting end shaft of the link member and the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member on the distal end side is γ, and each angle relative to the reference end link member on the base end side When the separation angle in the circumferential direction of the end link member on the proximal end side is δn, the bending angle is θ, and the turning angle is φ,
cos (θ / 2) sinβn−sin (θ / 2) sin (φ + δn) cosβn + sin (γ / 2) = 0
A table indicating the relationship between the distal end posture and the rotation angle of the end link member on each proximal end side is created by inversely transforming the expression represented by the equation, and this table is used as a target. The rotation angle of the end link member on the base end side in the distal end posture is obtained, and from the difference between the calculated rotation angle and the rotation angle of the end link member on the base end side, An operating device for a link actuating device that calculates a command operation amount of an actuator.
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