并联连杆机器人及并联连杆机器人的教示方法 |
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| 申请号 | CN201180002107.4 | 申请日 | 2011-03-16 | 公开(公告)号 | CN102427917A | 公开(公告)日 | 2012-04-25 |
| 申请人 | 松下电器产业株式会社; | 发明人 | 久保泰康; 胜木聪; 末藤伸幸; | ||||
| 摘要 | 并联 连杆 机器人 (10)中，使用恒负荷 弹簧 等具有伸缩性的悬架构件(17)对可动体(13)的中央部或周边部和基体(12)的中央部或周边部进行连接，能够实现可动体(13)的悬空保持。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种并联连杆机器人，具备： |
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| 说明书全文 | 并联连杆机器人及并联连杆机器人的教示方法技术领域[0001] 本发明涉及以工业用途为主的机器人的机构。其中关于具有通过多个臂将对机器人进行固定的基体与安装有手端操作装置(end effector)等作用部件的可动体之间进行连结的构造的并联连杆机器人。 背景技术[0002] 并联连杆机器人具有：对机器人进行固定的作为基体的固定板、安装有手端操作装置等作用部件的作为可动体的可动板、以及对上述固定板和可动板之间进行连结的连杆机构。连杆机构具备臂及杆。臂被安装成相对于该固定板以固有的1轴为中心在固有的面内回转。杆和臂通过球关节等在空间内自由回转的轴承(关节)结合在一起。各个臂、杆被可动板结合、约束的同时在空间内能够改变位置、姿势。通过利用马达等驱动构件控制臂旋转位置，能够控制可动板的位置、姿势。一般来讲，臂和杆处于一条直线上的位置时，姿势控制变得不稳定，所以，多数情况下臂、杆从固定板被观察时是向外侧伸出的形态。 [0004] 图12是专利文献1的并联连杆机器人的概略立体图。在图12中，并联连杆机器人1利用臂4对固定板2和可动板3进行结合。并联连杆机器人1控制该臂4的位置、姿势，从而控制可动板3的自动动作。 [0006] 先行技术文献 [0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开平6-270077号公报 发明内容[0009] 发明所要解决的技术问题 [0010] 然而，在专利文献1的并联连杆机器人中，存在如下的问题：在使用操作盘等控制可动板3的情况下，微小力量增减不容易被感知，从而不能够直观地进行适当的教示。与此相对，还提出了如利用人的手直接接触可动板3来进行教示的直接教示这样的方法，但是若为了安全而将伺服的电源断开，则可动板3、臂4的负载1kg左右直接就施加在人手上。若可动板3、臂4的负载1kg左右直接就施加在人手上，则对利用人手连续地进行教示而言很重，利用人手一边保持该负载一边进行的教示操作，存在疲劳变多的问题。由此，在以往的并联连杆机器人中，存在不能够直观地进行适当且高精度的教示的问题。 [0011] 本发明为了解决这样的以往的技术问题，其目的在于实现能够直观地进行适当且高精度的教示的并联连杆机器人及并联连杆机器人的教示方法。 [0012] 用于解决技术问题的技术手段 [0013] 为了实现上述目的，本发明的并联连杆机器人具备：基体；可动体，配置于上述基体的铅垂下方；至少三个连杆结构，对上述基体和上述可动体进行连结，在上述基体和上述可动体之间配置有关节；驱动源，设于上述基体，使上述连杆机构中的每个连杆机构在上述关节处弯曲，从而使上述可动体相对于上述基体相对地移动；其特征在于，具备悬架构件，该悬架构件对上述基体和上述可动体进行连接，通过伸缩对上述可动体施加抵抗该可动体的重力的力。 [0014] 发明效果 [0016] 图1是本发明的实施方式1中的并联连杆机器人的概略立体图。 [0017] 图2是本实施方式1中的并联连杆机器人的概略侧视图。 [0018] 图3是本发明的实施方式2中的并联连杆机器人的概略立体图。 [0019] 图4是本实施方式2中的并联连杆机器人的概略侧视图。 [0020] 图5是本发明的实施方式3中的并联连杆机器人的概略立体图。 [0021] 图6是本实施方式3中的并联连杆机器人的概略侧视图。 [0022] 图7是用于说明本实施方式3中的倾斜机构倾斜时的力关系的示意图。 [0023] 图8是表示本发明的实施方式4中的并联连杆机器人的机构部和功能部的图。 [0024] 图9是示意地表示本实施方式4中的第一卡合部与第二卡合部之间的卡合的检测状态的图。 [0025] 图10是示意地表示本实施方式4中的第一卡合部与第二卡合部之间的卡合的其他检测状态的图。 [0026] 图11是表示教示方法的流程图。 [0027] 图12是专利文献1的并联连杆机器人的概略立体图。 具体实施方式[0028] 以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，在以下的说明中，有时对于具备相同作用和功能的结构赋予相同的附图标记并省略说明。 [0029] (实施方式1) [0030] 图1是本发明的实施方式1的并联连杆机器人的概略立体图。图2是本实施方式1的并联连杆机器人的概略侧视图。另外，在图1中，关于位于作为基体的一个例子的固定板的背面侧而看不到的部分，通过虚线图示了其主要部分。此外，在图2中，纸面靠里侧的臂及杆省略了图示。 [0031] 在图1、图2中，本实施方式1的并联连杆机器人10具备：对机器人主体进行固定的作为基体的一个例子的固定板12、安装有手端操作装置(例如操作用机器人手)等作用部件的作为可动体的一个例子的可动板13、将固定板12和可动板13之间进行连结的三个连杆机构。连杆机构分别具备臂14、杆15和关节。另外，臂14和杆15之间通过关节连接，在图1～图6中省略了该关节的图示。另外，臂14与杆15之间的弯曲部相当于关节。 [0032] 臂14被安装成相对于该固定板12以固有的1轴为中心在固有的面内回转。 [0033] 杆15和臂14通过球关节等在空间内自由回转的关节(轴承)而被结合。此外，杆15和可动板13通过球关节等在空间内自由回转的轴承而被结合。各个臂14、杆15能够在被可动板13约束其位置及姿势的同时在空间内改变位置及姿势。 [0034] 在本实施方式1的情况下，通过利用固定板12内的马达等驱动源16控制臂14的旋转位置，从而控制可动板13的位置及姿势。驱动源16在图中仅示出了一个，但是在本实施方式中也可以在各连杆机构中分别设置驱动源16。具体地说，在臂14、杆15的每个组中设置驱动源16，在该并联连杆机器人10中存在有六个驱动源16。另外，驱动源16也可以根据结构设为三个。 [0035] 进而，并联连杆机器人10如图1所示，作为功能结构而具备控制装置90。控制装置90是对作为机构结构的一个例子的并联连杆机器人10的驱动进行控制的装置，具备电源部101、存储部103、控制部104。 [0037] 存储部103是通过接收来自在关节或驱动源16上设置的编码器的信号，将被操作者的手等驱动的可动板13的动作状态存储为动作信息的处理部。 [0038] 控制部104是基于存储在存储部103中的动作信息控制驱动源16，而使并联连杆机器人10的机构部动作的处理部。 [0039] 此外，一般而言，在臂14和杆15位于一条直线时，可动板13的姿势控制变得不稳定，因此多数情况下使并联连杆机器人10成为在从铅垂上侧观察时臂14及杆15向固定板12的外侧伸出的形态。 [0040] 本实施方式1的并联连杆机器人10还具备对固定板12和可动板13进行连结的悬架构件17。该悬架构件17对可动板13通过悬架构件17的伸缩而施加抵抗重力的力。在本实施方式的情况下，悬架构件17具备恒负荷弹簧和金属线。进而，悬架构件17在其一端具有作为第二卡合部的一个例子的钩17a，该钩17a能够相对于在可动板13上设置的作为第一卡合部的一个例子的钩固定部13a自由拆装。通过该钩17a将固定板12和可动板 13连接，由此，悬架构件17以能够对可动板13进行拆装的方式对该可动板13进行悬空保持。悬架构件17设定成，即使处于静止状态也能够通过恒负荷弹簧的施力经由金属线一定程度地将可动板13向铅垂上侧拉引。此外，对于则悬架构件17，若通过使可动板13移动而使得可动板13与固定板12之间的距离变化，则悬架构件17通过恒负荷弹簧使金属线绕出或卷入而进行伸缩，能够始终将可动板13保持为悬空。在此，所谓“一定程度向铅垂上侧拉引”意思是指，通过恒负荷弹簧的施力使可动板13的重量表征上成为0的情况、或可动板 13的重量表征上减少的情况。 [0041] 另外，也可以是，动作时和教示时也都始终将固定板12和可动板13连结。在该情况下，不需要用于将悬架构件17相对于可动板13进行拆装的钩17a，而将悬架构件17直接固定于钩固定部13a。虽然在直接固定的情况下，动作时不能够将悬架构件17拆卸，然而也降低了在预测不到的事态下钩17a脱落的可能性。因此，在直接固定的情况下，能够实现更稳定的悬架构件17对可动板13的悬空保持。 [0043] 工业用途的机器人中有平面关节(SCARA)型、垂直多关节型等很多种类，对这些机器人的前端部进行悬挂保持，可动范围大且规模大。因此，通常是无法设想在一般的工业用机器人中采用本实施方式1这样的结构的。另一方面，在并联连杆机器人的情况下，为了使可动范围以固定板12中心的下方为基点并限制在恒定的半径内而在固定板12侧悬挂可动板13的结构成为了可能。即，本实施方式1这样的结构，特别在并联连杆机器人的情况下是有用的结构。 [0044] 通过使用本实施方式1的并联连杆机器人10，即使在将固定板12侧的驱动源16的电源断开的状态(非驱动状态)下，也能够以较轻的力用人手对可动板13进行驱动。这是因为，可动板13通过悬架构件17从固定板12悬挂吊下。 [0045] 作为一个例子，在包含手端操作装置在内地对可动板13施加的负载为1kg的情况下，如果使用以1kgf的力进行拉引的恒负荷弹簧，则可动板13获得垂直方向上的平衡，能够进行悬空保持。 [0046] 此外，在臂14的节点等的机械阻力小的情况下，有时因微小的力的不均衡会使可动板13在上下方向上移动。在该情况下，需要用手工进行保持等，但是在本实施方式1的并联连杆机器人10中，进行该保持所需的力与以往相比非常少。 [0047] 本实施方式1的并联连杆机器人10通过使用在内部具有恒负荷弹簧等的悬架构件17将可动板13与固定板12连结，使得可动板13的悬空保持成为可能。由此，能够在确保安全性的同时以极轻的力用手工使可动板在上下前后左右方向上移动。因此，本实施方式1的并联连杆机器人10能够直观地进行细微的位置或动作的教示，任何人都能够容易地进行教示操作。 [0048] (实施方式2) [0049] 图3是本发明的实施方式2的并联连杆机器人的概略立体图，图4是本实施方式2的并联连杆机器人的概略侧视图。另外，在图3中，对于位于作为基体的一个例子的固定板背面侧而看不到的部分，通过虚线示出了其主要部分。此外，在图4中，纸面靠里侧的臂及杆省略了图示。 [0050] 本实施方式2的并联连杆机器人20，关于具备将用于在固定板12上安装悬架构件17的支点形成为能够在固定板12的表面内移动的滑动机构这一点，不同于上述实施方式1。本实施方式2的并联连杆机器人10的滑动机构24具备：安装于悬架构件17的移动件21、以及移动件21在固定板12面内沿着箭头25a(半径)方向滑动的滑动导轨22。进而，滑动机构24中，滑动导轨22以相对于固定板12旋转的方式通过旋转轴23安装于固定板12。因此，具备移动件21及滑动导轨22的滑动机构24，以旋转轴23为中心在箭头25b的方向上自由旋转。本实施方式2中，通过这样将滑动机构24安装成以旋转轴23为中心相对于固定板12自由旋转，即使可动板13在水平面内进行了移动的情况下，也能够使移动件21移动到可动板13的钩固定部13a的大致铅垂上侧。 [0051] 上述实施方式1的机构在防止可动板13向铅垂下方垂下这一点是有效的。然而，可动板13的中心越从固定板12的中心轴26离开，可动板13上越被作用要使该可动板13朝向固定板12的中心轴26侧的向心力。与此相对，本实施方式2的机构中，虽然是简单的结构，但是能够获得对该力进行抑制的效果。这是因为，随着可动板13从中心轴26离开，可动板13的钩固定部13a也从中心轴26离开，进而移动件21追随钩固定部13a的运动而进行滑动，滑动导轨22进行旋转。 [0052] 根据本实施方式2的结构，能够抑制通过上述的实施方式1的结构不能够进行应对的可动板13的朝向中心轴26方向的力，能够对可动板13进行悬空保持。因此，与上述的实施方式1相比，特别是在较大地形成可动板13而对其进行驱动进行动作教示的情况下，能够获得更轻的操作感。 [0053] (实施方式3) [0054] 图5是本发明的实施方式3的并联连杆机器人的概略立体图，图6是本实施方式3的并联连杆机器人的概略侧视图。另外，在图5中，关于位于作为基体的一个例子的固定板背面侧而看不到的部分，通过虚线图示出了其主要部分。此外，在图6中，纸面靠里侧的臂及杆省略了图示。 [0055] 本实施方式3的并联连杆机器人30关于具备经由倾斜机构在固定板12上安装有上述实施方式2中的滑动机构24的滑动倾斜机构33这一点，不同于上述实施方式2。随着通过该滑动倾斜机构33使移动件21向固定板12的周边部(外边缘部)移动，移动件21与固定板12之间的距离增加。在此，所谓“移动件21与固定板12之间的距离增加”是指，移动件21与可动板13之间的最短距离减少。 [0056] 该滑动倾斜机构33由移动件21、滑动导轨22、旋转轴23、旋转部件31、弹簧32构成。旋转部件31是与滑动导轨22一体地绕着旋转轴23在箭头25b的方向上旋转的部件。弹簧32是夹设在滑动导轨22与旋转部件31之间的弹簧。伴随着移动件21从旋转轴23附近远离，弹簧32伸长，滑动倾斜机构33倾斜。 [0057] 使用图7说明该滑动倾斜机构33倾斜时的力关系。图7是示意性地示出本实施方式3的滑动倾斜机构33、可动板13、悬架构件17中为了说明该力关系所需要的部分的图。 [0058] 在图7中，Fd是可动板13中产生的重力，Fs是可动板13中产生的向心力，T是可动板13与悬架构件17之间的张力。此外，k是弹簧32的弹性系数，r是弹簧32的安装距离(旋转轴23与弹簧32之间的距离)，L是旋转轴23到移动件21的距离，θ是滑动导轨22与旋转部件31所成的角度。此时，有下述(式1)的关系成立。 [0059] …(式1) [0060] 在此，根据力矩的平衡，k×θ×r＝L×T，所以有下述(式2)的关系成立。 [0061] …(式2) [0062] 在图7中，将悬架构件17的姿势的变化设为姿势34a、34b、34c、34d。 [0063] 可动板13在向左右方向(向姿势34a或姿势34c的位置)改变位置的情况下，与弹簧32之间的距离变短。因此，从姿势34a变为姿势34b(或从姿势34c变为姿势34d)，稳定在获得平衡的状态。 [0064] 根据该悬架构件17、滑动机构22、滑动倾斜机构33的结构，能够对可动板13进行悬空保持，所以，用于对该可动板13进行驱动的力很小即可，能够简便地进行机器人动作教示。也就是说，如果对可动板13被悬空保持进行有效利用，以轻微的力就能够驱动该可动板13，那么就能够一边进行微小的力的增减一边直观地进行适当的动作教示。通过读取编码器信号等，适当地记录教示位置。以轻微的力直接操作可动板13，例如能够通过适当地选择以下示出的方法1～3来实现。 [0065] 作为方法1有如下的方法：通过将马达的伺服电源断开或者使用离合器机构，使马达与臂的连结切断而成为非驱动状态，从而能够安全且轻快地直接操作可动板的方法。 [0066] 作为方法2有如下的方法：使用2×10-3kg·m2程度为止的低惯性力矩型的对臂进行驱动的马达的方法。 [0068] 通过这些方法1～3，操作者能够一边把持着可动板附近一边进行操作，所以能够直观地对并联连杆机器人的位置和姿势进行教示，能够提高并联连杆机器人的便利性。 [0069] 此外，不仅在教示时，在通常动作时通过使用该结构，也能够使得并联连杆机器人的动作的驱动力很小即可，能够实现更高速的动作，能够实现基于更小型马达的结构。 [0070] (实施方式4) [0071] 图8是表示本发明的实施方式4的并联连杆机器人和并联连杆机器人的控制装置的图。 [0072] 该图示出的并联连杆机器人40具备：作为基体的一个例子的固定板12、作为可动体的一个例子的可动板13、驱动源16、连杆机构11、悬架构件17、以及手端操作装置等作用部件19。 [0073] 并联连杆机器人40具备六组连杆机构11。各连杆机构11分别具备臂14、关节27、杆15。此外，各杆15经由轴承35与可动板13连接。 [0074] 驱动源16由伺服马达构成，还具备制动器18，该制动器18在伺服作用关闭的状态(将伺服马达的电源断开的状态)下能够对马达的旋转轴进行固定。另外，在图8中，仅示出了一个驱动源16，但是固定板12上与各连杆机构11相对应地设有6个驱动源16，各驱动源16中分别设有制动器18。 [0075] 可动板13的下表面安装有手端操作装置等作用部件19。 [0076] 此外，并联连杆机器人40如图9所示，具备作为第一卡合部的一个例子的钩固定部13a、作为第二卡合部的一个例子的钩17a、以及对第一卡合部与第二卡合部的卡合状态进行检测的检测构件41。 [0077] 进而，如图8所示，并联连杆机器人40作为功能结构而具备控制装置100。控制装置100是对作为机构结构的一个例子的并联连杆机器人40的驱动进行控制的装置，具备电源部101、检测部102、存储部103和控制部104。 [0078] 电源部101具备：对驱动源16、制动器18供给电力的功率类电源部、以及对检测构件41等供给电力的信号类电源部。 [0079] 检测部102是接收从检测构件41发送的信号，判断钩固定部13a与钩17a是否处于卡合，并发送表示卡合或不卡合其一的信号的处理部。 [0080] 在本实施方式4的情况下，检测构件41如图9所示，通过有无电导通来检测钩固定部13a与钩17a进行了卡合。具体地说，若钩固定部13a与钩17a卡合，则由杆15、可动板13、悬架构件17和检测构件41形成闭电路。检测构件41检测出在该闭电路中流动有电流的情况，从而检测为钩固定部13a与钩17a处于卡合的情况(处于卡合状态)。相反，在上述闭电路中没有电流流动的情况下，检测为钩固定部13a与钩17a没有卡合。通过将作为用于对检测构件41和钩固定部13a进行连接的连接构件的一个例子的金属线埋设在臂14和杆15中，也能够进行与通常的并联连杆机器人同样的处理。通过图9所示那样构成，虽然在装置结构上存在制约，但是不需要另外设置可动的机构，就能够对卡合进行检测。 [0081] 此外，也可以代替检测构件41和金属线，而如图10所示那样，也可以使用机械地(从结构方面)检测钩固定部13a与钩17a的卡合并将检测状态变换为电信号的微型开关等开关。然而，在该情况下，需要考虑微型开关的机构方面的故障。 [0082] 存储部103是通过接收来自在关节27或驱动源16上设置的编码器的信号，将被操作者的手等驱动的可动板13的动作状态存储为动作信息的处理部。 [0083] 控制部104是基于存储在存储部103中的动作信息来控制驱动源16，使并联连杆机器人40的机构部动作的处理部。 [0084] 图11是表示并联连杆机器人的教示方法的流程图。 [0085] 首先，通过电源部101的功率类电源部，关掉驱动源16的电源而设为伺服关闭，并且对驱动源16作用制动器18(s201)。 [0086] 若成为伺服关闭、制动器开启(作用了制动器18的状态)，则将能够进行教示操作的情况报告给操作者等(s202)。报告方法没有特别限定，能够通过声音、显示灯、控制用画面的提示等进行报告。 [0087] 接着，操作者对悬架构件17的金属线进行拉伸，将钩17a安装于钩固定部13a。 [0088] 然后，若通过检测构件41检测到钩固定部13a与钩17a的卡合，则检测部102将表示检测到了卡合的信息发送给电源部101等(s203：是)。 [0089] 另外，在检测构件41没有检测到钩固定部13a与钩17a的卡合的期间，在该期间进行循环，流程不向前进展(s203：否)。 [0090] 接着，若检测到钩固定部13a与钩17a的卡合(s203：是)，则成为制动器可关闭的状态(用于将制动器18关闭的制动器关闭开关(未图示)为有效的状态)(s204)，成为连杆机构11能够自由运动的状态。此外，由于钩固定部13a与钩17a处于卡合，所以，通过悬架构件17将可动板13保持为悬空。 [0091] 接着，成为被报告能够进行教示(s205)，能够进行对并联连杆机器人的教示的状态。 [0092] 接着，由操作者执行直接教示。具体地说，操作者实际用手使可动板13动作来对可动板13的移动路径或姿势等进行教示。由于可动板13通过悬架构件17处于表征上的重量消失的状态，所以操作者能够几乎感觉不到可动板13的重量地进行教示操作。 [0093] 此外，操作者使其动作的可动板13的动作状态，通过在驱动源16或关节27等上设置的编码器发送给存储部103，存储部103将来自编码器的信号作为动作信息进行存储。 [0094] 进而，若教示操作结束，检测构件41检测到钩固定部13a与钩17a的卡合被解除，则成为控制部104基于存储在存储部103中的动作信息对并联连杆机器人40的机构部进行控制的状态。 [0095] 另外，本申请发明不限于上述实施方式。例如，能够任意地组合本说明书中记载的结构要素，并且，也可以将除去了几个结构要素而实现的其它实施方式作为本申请发明的实施方式。此外，在不脱离本申请发明的宗旨即权利要求书中记载的文字的意思的范围内，本领域技术人员对上述实施方式实施所能想到的各种变形后得到的变形例，也包含在本申请发明中。 [0096] 此外，实施用于使计算机执行包含上述教示方法的各处理的程序也属于实施了本申请发明。当然，实施记录有该程序的记录介质也属于实施了本申请发明。 [0097] 工业上的可利用性 [0098] 本发明在并联连杆机器人的动作教示时，能够有效地提高动作的高速性，能够获得教示的直接感。因此，提高了并联连杆机器人的动作教示时的利用性。 [0099] 附图标记说明 [0100] 10、20、30、40并联连杆机器人 [0101] 11连杆机构 [0102] 12固定板 [0103] 13可动板 [0104] 13a钩固定部 [0105] 14臂 [0106] 15杆 [0107] 16驱动源 [0108] 17悬架构件 [0109] 17a钩 [0110] 18制动器 [0111] 19作用部件 [0112] 21移动件 [0113] 22滑动导轨 [0114] 23旋转轴 [0115] 24滑动机构 [0116] 25a、25b箭头 [0117] 26中心轴 [0118] 27关节 [0119] 31旋转部件 [0120] 32弹簧 [0121] 33滑动倾斜机构 [0122] 34a、34b、34c、34d姿势 [0123] 35轴承 [0124] 90、100控制装置 [0125] 101电源部 [0126] 102检测部 [0127] 103存储部 [0128] 104控制部 |
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