ロボットの制御装置
【課題】 バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制できる。
【解決手段】 ロボットの制御装置は、モータ１１と、モータ軸１２に接続されるエンコーダ１３と、モータ軸１２に接続され、モータ軸１２の回転を減速する減速機１４と、減速機１４の駆動軸１６に接続される位置検出器１０と、駆動軸１６に接続される駆動用フレーム１５と、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に設けられ、駆動用フレーム１５に、駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷するねじりバネ１８と、駆動用フレーム１５の向きが所定の範囲内にある場合、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５への外部拘束力の負荷を制限する制限ピン２１と、エンコーダ１３および位置検出器１０からの出力に基づいて、モータ１１の回転を制御するモータ制御部１７とを含む。
【解決手段】 ロボットの制御装置は、モータ１１と、モータ軸１２に接続されるエンコーダ１３と、モータ軸１２に接続され、モータ軸１２の回転を減速する減速機１４と、減速機１４の駆動軸１６に接続される位置検出器１０と、駆動軸１６に接続される駆動用フレーム１５と、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に設けられ、駆動用フレーム１５に、駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷するねじりバネ１８と、駆動用フレーム１５の向きが所定の範囲内にある場合、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５への外部拘束力の負荷を制限する制限ピン２１と、エンコーダ１３および位置検出器１０からの出力に基づいて、モータ１１の回転を制御するモータ制御部１７とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの制御装置に関し、特に、バックラッシの発生を抑制して位置決め精度を向上させるロボットの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンド（道具類（特に人の手に合わせて作られた道具類）を利用するために開発された装置）は、複数のフィンガにより構成されていることが多い。これら複数のフィンガは、それぞれ複数の関節を持っていることが多い。このような多関節ロボットハンドによって、人の手が行っている作業を実現させるためには、各関節において次の要件を満たすような制御が必要である。第１の要件は、作業対象を把持するために十分なトルクを発生させていることである。第２の要件は、各関節の角度の精度が高いことである。第３の要件は、ロボットハンドが人の手と同程度のサイズである（作業の対象物が人の手のサイズに合わせて作られているため）ことである。
【０００３】
第１の要件を満たすため、これら複数の関節は、それぞれモータ出力によって駆動することが多い。このモータ出力は、減速機により減速・高トルク化された出力である。減速・高トルク化される理由は、一般に、ロボットのアクチュエータとして用いられるモータが、人の手の関節と比較して発生トルクが小さい点にある。
【０００４】
しかしながら、ロボットの関節を駆動させるためによく用いられた減速機（ハーモニックドライブ（登録商標）などの、バックラッシュが少ない高精度な減速機）は、その構造上サイズを小さくすることが困難である。このことは、上述した第３の要件を満たし難いことを意味する。また、そのような減速機は遊星歯車減速機などの一般的な減速機に比べて高価である。このことは、将来多くの関節を有するロボットハンドを商品化する際、コスト増加の大きな要因のひとつとなり得る。このため、安価に関節の位置を制御するための工夫がなされている。
【０００５】
特許文献１は、一般的なギアによる減速機を用いながら、高精度に関節の位置を制御するための制御装置を開示する。図１７は、特許文献１に開示された制御装置の一例を示したブロック図である。特許文献１に開示された制御装置は、駆動用フレーム（駆動用フレームは減速機の駆動軸により駆動される）に、減速機の駆動軸が回転する方向とは逆方向の外部拘束力、または減速機の駆動軸が回転する方向と同じ方向であって駆動軸の回転力よりも大きい外部拘束力を負荷する。
【０００６】
この発明によると、減速機に対し一定方向の負荷が与えられるので、バックラッシュを除去できる。バックラッシュが除去されるので、関節の位置を高精度に制御できる。また、人の手と同サイズ程度のロボットハンドに減速機を納めることができる。
【特許文献１】特開２００３−２９１０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述の特許文献１に開示された発明では、実施の形態に応じて、次にあげるいずれかの問題点がある。第１の問題点は、ロボットハンドに適用すると、十分な拘束力が得られない（ひいては、ロボットハンドの各フィンガの位置について、十分な精度が得られない）という問題点である。たとえば、ロボットの自重により拘束力を発生させる場合、特許文献１に開示された発明をロボットハンドに適用すると、バックラッシュを除去するための十分な拘束力が得られないことがある。人と同じサイズのフィンガを持つロボットハンドの場合、フィンガの重量が小さ過ぎることがあるからである。第２の問題点は、余分なエネルギを消費することがあるという問題点である。余分なエネルギを消費する期間の例として、待機中の期間がある。待機中に余分なエネルギが消費されるのは、待機中はバックラッシュを除去する必要がないにも関わらず、バックラッシュを除去しているからである。第３の問題点は、拘束力の算出が困難であるという問題点である。たとえば、引張りバネにより拘束力を発生させると、拘束力の算出が困難となることがある。拘束力が、駆動用フレームの角度に応じて、非線形に変化するからである。引張りバネにより拘束力を発生させる場合、ロボットが物体を把持する際に、バネが障害となる可能性があるという問題点もある（ロボットのフィンガが閉じる方向にバネを設置する必要があるからである）。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制できる、ロボットの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のある局面にしたがうと、ロボットの制御装置は、第１のモータと、第１のモータのモータ軸に接続されるエンコーダと、第１のモータのモータ軸に接続され、モータ軸の回転を減速する第１の減速機と、第１の減速機の駆動軸に接続される位置検出器と、駆動軸に接続される駆動用フレームと、第１の減速機と駆動用フレームとの間に設けられ、駆動用フレームに、駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第１のねじりバネと、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限するための制限手段と、エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、第１のモータの回転を制御するためのモータ制御手段とを含む。
【００１０】
すなわち、第１のねじりバネは、駆動用フレームに、駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。外部拘束力が負荷されるので、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られる。制限手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、駆動用フレームの向きが所定の範囲とは別の範囲内にある場合に外部拘束力が負荷されるので、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、外部拘束力の負荷に対する余分なエネルギの消費を消費しなくなる。その結果、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１１】
また、上述の第１のねじりバネは、駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷するねじりバネを含むことが望ましい。
【００１２】
すなわち、駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷する。駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束されるので、外部拘束力が小さくても、第１の減速機のバックラッシを拘束できる。これにより、モータ制御手段は、エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、第１のモータの回転を容易に制御できる。その結果、容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１３】
また、上述のモータ制御手段は、外部拘束力を表わす一定値を用いて、第１のモータの回転を制御するための手段を含むことが望ましい。
【００１４】
すなわち、制限手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合に外部拘束力の負荷が制限されると、第１のねじりバネが負荷する外部拘束力を一定値とみなし得る場合が生じる。これにより、モータ制御手段は、外部拘束力を表わす一定値を用いて、第１のモータの回転を制御する。外部拘束力を表わす一定値が用いられると、容易にモータを制御できる。その結果、容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１５】
また、上述の外部拘束力を表わす一定値は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を含むことが望ましい。
【００１６】
すなわち、モータ制御手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を用いて、第１のモータの回転を制御する。これにより、モータ制御手段は、より容易にモータを制御できる。その結果、より容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１７】
また、上述の制限手段は、第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する第１の部材を含むことが望ましい。
【００１８】
すなわち、第１の部材は、第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、制限手段の構造は簡単になる。その結果、構造が簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１９】
また、上述の第１の部材は、第１のねじりバネが、駆動用フレームの一部であって第１の減速機と駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する部材を含むことが望ましい。
【００２０】
すなわち、負荷を制限する部材は、第１のねじりバネが、駆動用フレームの一部であって第１の減速機と駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、制限手段の構造はより簡単になる。その結果、構造がより簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２１】
また、上述のロボットの制御装置は、第１の部材の位置を、駆動用フレームが回転する方向に沿って変更するための変更手段をさらに含むことが望ましい。
【００２２】
すなわち、変更手段は、第１の部材の位置を、駆動用フレームが回転する方向に沿って変更する。これにより、外部拘束力の負荷が制限される範囲は変更される。負荷が制限される範囲が変更されると、ロボットの制御装置の汎用性は高くなる。その結果、汎用性が高く、構造がより簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２３】
また、上述の変更手段は、第１の部材を取付け、かつ駆動軸の周りを回転する第３の部材と、第３の部材の回転に用いる動力を発生する装置とを含むことが望ましい。
【００２４】
すなわち、動力を発生する装置は、第３の部材の回転に用いる動力を発生する。第３の部材は、第１の部材を取付け、かつ駆動軸の周りを回転する。これにより、範囲を変更する装置は、簡単な構造になる。その結果、汎用性が高く、構造がさらに簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２５】
また、上述の動力を発生する装置は、トルクを生成する第２のモータと、第２のモータから第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する第２の減速機とを含むことが望ましい。
【００２６】
すなわち、第２のモータは、トルクを生成する。第２の減速機は、第２のモータから第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する。これにより、範囲を変更する装置は、より簡単な構造になる。その結果、汎用性が高く、構造が特に簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２７】
また、上述のロボットの制御装置は、駆動用フレームの向きが、第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレームに、第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第２のねじりバネをさらに含むことが望ましい。
【００２８】
すなわち、第２のねじりバネは、駆動用フレームの向きが、第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレームに、第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。これにより、駆動用フレームが第２のねじりバネによって外部拘束力を負荷される向きに向くことは制限される。その結果、駆動用フレームの向きを制限でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るロボットの制御装置は、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３１】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態における制御装置のブロック図である。この制御装置は、ロボットハンドの関節（本実施の形態の場合、ロボットハンドの関節であれば、どの関節であってもよい。ロボットハンドの関節の例として、指の関節や腕の関節がある。）を制御するロボットの制御装置である。この制御装置は、位置検出器１０と、トルクを生成するモータ１１と、モータ１１が生成したトルクを伝達するモータ軸１２と、モータ１１のモータ軸１２に接続されるエンコーダ１３と、モータ１１のモータ軸１２に接続され、モータ軸１２の回転を減速する減速機１４と、ロボットのフィンガなどとして力を受ける駆動用フレーム１５と、駆動用フレーム１５に接続され、駆動用フレーム１５を駆動する減速機１４の駆動軸１６と、モータ制御部１７と、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に設けられ、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力（駆動軸１６とは別の、駆動用フレーム１５の動きに拘束を加える力）を負荷するねじりバネ１８と、減速機１４に取付けられ、ねじりバネ１８に接触する作用ピン１９と、駆動用フレーム１５に取付けられ、ねじりバネ１８に接触する作用ピン２０と、制限ピン２１とを含む。
【００３３】
位置検出器１０は、減速機１４の駆動軸１６に接続される。位置検出器１０は、減速機１４の駆動軸１６の回転の向き、駆動軸１６の回転の有無、および駆動軸１６の角速度を検出する装置である。位置検出器１０の出力は、モータ制御部１７に出力される。これにより、モータ制御部１７は、駆動軸１６の角度を監視できる。本実施の形態の場合、位置検出器１０は、可変抵抗式のポテンショメータ（駆動軸１６の角度に応じて出力される電力の電圧が変化する装置）である。位置検出器１０の小型化と簡単な構成による駆動軸１６の監視とを実現できるためである。また、モータ制御部１７によるモータ１１の制御を容易に実現できるためである。モータ１１の制御を容易に実現できるのは、位置検出器１０の出力から関節角度の絶対値を容易に検出できるからである。位置検出器１０は、駆動用フレーム１５および駆動軸１６に直結接続されている。この状態で、モータ１１をある方向に回転させると、減速機１４の減速比に対応する角速度で駆動軸１６が回転することになる。モータ１１が途中で逆回転すると、バックラッシが発生する。これにより、モータ１１の制御量に対する位置決め精度を確保することができなくなる。しかし、駆動軸１６に直結して取付けられた駆動用フレーム１５に、駆動軸１６に対して一方向の外部拘束力が加えられる（外部拘束力はねじりバネ１８により加えられる）と、駆動軸１６が回転する方向とは逆方向の力が発生することになる。逆方向の力が発生するので、モータ１１が途中で逆回転するときに、モータ１１の回転にあわせて、駆動軸１６が回転する。その結果、位置決め精度を確保することができるようになる。
【００３４】
エンコーダ１３は、モータ１１の回転の有無、モータ軸１２の角速度、およびモータ軸１２の角度を検出する装置である。本実施の形態の場合、エンコーダ１３は、機械式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダである。本実施の形態の場合、エンコーダ１３がインクリメンタル式なので、モータ軸１２の角度の絶対値を求める際などには、位置検出器１０により検出した角度を用いる必要がある。エンコーダ１３によりモータ軸１２の角度などが検出されると、モータ軸１２の位置決め精度を高くできる。エンコーダ１３自体の分解能を高くできるためである。エンコーダ１３の出力は、モータ制御部１７に出力される。これにより、モータ制御部１７は、モータ軸１２の角度を監視できる。
【００３５】
モータ制御部１７は、位置検出器１０およびエンコーダ１３の検出結果と、外部拘束力に対する制御量とから、モータ１１を駆動するための制御信号（制御信号の値は制御量に応じて定められる）を生成してモータ１１へ出力する。
【００３６】
ねじりバネ１８は、作用ピン１９および作用ピン２０にトルクを伝えることによって、バックラッシを解消する外部拘束力を発生させる。本実施の形態の場合、ねじりバネ１８は、駆動用フレーム１５が物体を把持する方向と反対の方向に、駆動軸１６を中心とするトルクを発生させる。このようなトルクが発生するので、上述したように、位置検出器１０の位置決め精度を確保できる。
【００３７】
作用ピン２０は、駆動用フレーム１５に取付けられることにより、駆動用フレーム１５の一部となった部材である。作用ピン２０は、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に突出する。
【００３８】
制限ピン２１は、ねじりバネ１８と駆動用フレーム１５（厳密には、駆動用フレーム１５の一部であって減速機１４と駆動用フレーム１５との間に突出した作用ピン２０）との接触を制限することにより、駆動用フレーム１５の向き（すなわち関節角度θ）が所定の範囲（すなわち作業領域）内にある場合、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５への外部拘束力の負荷を制限する部材である。制限ピン２１の存在により、待機領域において、駆動用フレーム１５に外部拘束力が伝わらなくなる。作業領域では、制限ピン２１がねじりバネ１８と駆動用フレーム１５との接触を制限できないので、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５に外部拘束力が伝わる。これにより、作業領域と待機領域とで、制御装置は異なる挙動を取ることとなる。
【００３９】
図２は、図１において一点鎖線で示した箇所の断面を表わす図である。駆動用フレーム１５は、図２において二点鎖線で描かれている。このことは、駆動用フレーム１５がその他の部位（図２において実線で描かれている部位）よりも紙面の手前側に存在することを表している。本実施の形態において、図２における時計回りの方向を正回転の方向と定義する。本実施の形態において、駆動用フレーム１５は、正回転の方向に回転する。これにより、本実施の形態の場合、上述のロボットは物体に接触できる。本実施の形態において、減速機１４の長手方向の中心軸と駆動用フレーム１５の長手方向の中心軸とが一致する位置（図２に示す位置）を、駆動用フレーム１５の原点と定義する。本実施の形態の場合、上述したロボットが作業していない状態（待機状態）にあれば、駆動用フレーム１５は原点付近にある。本実施の形態の場合、上述したロボットが作業している状態（作業状態）にあれば、駆動用フレーム１５は、原点よりも正回転の方向に回転することにより、物体に接触する。
【００４０】
図３を参照して、モータ制御部１７は、入力回路６１と、検出回路６２と、メモリ６３と、演算回路６４と、出力回路６５とを含む。入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３からの電力やパルスを受付ける。入力回路６１は、位置検出器１０が出力した電力の電圧を検出する回路でもある。入力回路６１は、エンコーダ１３が出力したパルスをカウントする回路でもある。検出回路６２は、入力回路６１が位置を検出した結果、および図示しない他のセンサが位置を検出した結果から、現在のモータ１１の回転位置やバックラッシ量を検出する。本実施の形態において検出回路６２がバックラッシ量の検出する方法は、次の通りである。まず、バックラッシの影響がなくなる位置から一定方向にモータ１１を回転させ、次に同じ回転量分だけモータ１１を逆回転させる。このとき、バックラッシの影響があれば、エンコーダ１３の値は元の値に戻るが位置検出器１０の値はモータ回転前とモータ回転後とで異なるものとなる。検出回路６２は、この位置ずれを検出することにより、バックラッシ量を得る。位置ずれはバックラッシ量に相当するからである。なお、バックラッシ量には、ギアの磨耗などによる経年変化がある。しかし通常数日単位で使用する場合、バックラッシ量にはほとんど経年変化は見られない。したがって、本実施の形態の場合、検出回路６２は、制御装置の起動時にバックラッシ量を検出し、メモリ６３にその値を記憶させて使用するものとする。メモリ６３は、演算回路６４がモータ１１の回転速度などを算出するために必要な値を記憶する。メモリ６３が記憶する値の１つに、外部拘束力を表わす定数が含まれる。演算回路６４は、検出回路６２から出力されるバックラッシ量および駆動軸の回転角と、メモリ６３に記憶された外部拘束力を表わす定数とから、駆動軸１６の角度が目標の角度となるように、モータ１１の回転速度や回転量などの制御信号を出力回路６５へ出力する。これによって、モータ１１が所定の回転を行ない、位置決めを行なうことが可能となる。出力回路６５は、モータ１１へ、演算回路６４が出力した制御信号を、パルスとして出力する。
【００４１】
図４を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。
【００４２】
ステップ１００（以下、ステップをＳと略す。）にて、演算回路６４は、メモリ６３から、ユーザが発生させたいトルクＴＤを読取る。Ｓ１０２にて、入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から、現在の関節角度（減速機１４に対する駆動用フレーム１５の角度）θを表わすデータを読取る。データが読取られると、入力回路６１は、それらのデータを検出回路６２に出力する。検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する。算出された現在の関節角度θは演算回路６４に出力される。
【００４３】
Ｓ１０４にて、演算回路６４は、モータ１１が発生すべきトルクＴＭを計算する。本来、モータ１１が発生すべきトルクＴＭは、次の式で算出される。
【００４４】
ＴＭ＝ＴＤ−ＴＣＳ
但し、ＴＣＳは、ねじりバネ１８が発生させたトルクを表わす。図５を参照して、トルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００４５】
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ） （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
ただし、ＫＣＳのねじりバネ１８のバネ定数を表わす。
【００４６】
図５は、関節角度θに対する、ねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。θＡＢは、本実施の形態にかかる制御装置において、制限ピン２１による制限がない場合に、トルクＴＣＳの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＣは、図１７に示す制御装置において、ねじりバネ８０が発生させたトルクの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＡは、本実施の形態にかかる制御装置における、作業領域（ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを、外部拘束力として駆動用フレーム１５に伝える領域）と待機領域（ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳが、駆動用フレーム１５に伝えられない領域）との境界となる関節角度を表わす（本実施の形態の場合、駆動用フレーム１５が物体に接触し得る関節角度とθＡＡとを一致させることとする）。折れ線７０は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを表わす。直線７２は、図１７に示す制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ８０が発生させたトルクを表わす。本実施の形態の場合、上述したねじりバネ１８およびねじりバネ８０は、同じ関節角度θＡＡにおいて、同じ値のトルクＴＡＡを駆動用フレーム１５に伝えることとする。同じ関節角度θＡＡにおいて、同じ値のトルクＴＡＡを駆動用フレーム１５に伝えるとすると、図５に示す折れ線７０および直線７２から、トルクＴＣＳを一定値とみなし得る程度まで、ねじりバネ１８のバネ定数を小さくできることは明らかである。このため、本実施の形態におけるトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００４７】
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
このとき、トルクＴＣＳの値は、駆動用フレーム１５の向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる一定値とみなされる。これにより、モータ制御部１７は、外部拘束力を表わす一定値のトルクＴＣＳを用いて、モータ１１の回転を制御することとなる。
【００４８】
Ｓ１０６にて、演算回路６４は、トルクＴＭを発生させる有効電圧ＶＭを求める。モータ１１の回転が「０」である場合のトルクは「起動トルク」と呼ばれる。起動トルクは、モータ１１の有効電圧と比例する。比例定数を「Ｃ」、モータ１１の回転数を「０」と仮定した場合、有効電圧ＶＭは下記の式により求められる。
【００４９】
ＶＭ＝Ｃ×ＴＭ
Ｓ１０８にて、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを満足する（すなわち有効電圧ＶＭを発生させる）デューティ比αを求める。デューティ比αは次の式により求められる。
【００５０】
α＝ＶＭ／ＶＭＡＸ
但し、ＶＭＡＸはモータ１１に供給される電圧の最大値を表わす。
【００５１】
Ｓ１１０にて、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する。デューティ比αが「１」以下と判断した場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４へと移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１２へと移される。
【００５２】
Ｓ１１２にて、演算回路６４は、デューティ比αを「１」に再設定する。Ｓ１１４にて、演算回路６４は、デューティ比αの値を出力回路６５に出力する。出力回路６５は、デューティ比αに対応するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）パルスをモータ１１に出力する。
【００５３】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００５４】
［θ＜θＡＡの場合］
演算回路６４は、メモリ６３からトルクＴＤを読取る（Ｓ１００）。トルクＴＤが読取られると、入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から現在の関節角度θを表わすデータを読取る。データが読取られると、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θは「０」（駆動用フレーム１５が、図２に示す位置にある）とする。関節角度θが出力されると、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１０４）。この場合、制限ピン２１は、ねじりバネ１８が発生させた外部拘束力を駆動用フレーム１５に伝えないので、トルクＴＣＳ＝０となる。トルクＴＣＳ＝０なので、トルクＴＭ＝ＴＤである。
【００５５】
トルクＴＭが計算されると、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを求める（Ｓ１０６）。有効電圧ＶＭが求められると、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを満足するデューティ比αを求める（Ｓ１０８）。デューティαが求められると、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する（Ｓ１１０）。デューティ比αが「１」以下の場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、出力回路６５は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する（Ｓ１１４）。このＳ１００〜Ｓ１１４の処理により、モータ制御部１７は、エンコーダ１３および位置検出器１０からの出力に基づいて、モータ１１の回転を制御することとなる。
【００５６】
［θ＝θＡＡの場合］
Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θはθＡＡとする。図６は、このときの駆動用フレーム１５の向きを表わす図である。関節角度θの値がθＡＡ以上になると、駆動用フレーム１５の位置が、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷されることとなる。ねじりバネ１８は、駆動用フレーム１５の向きが、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、減速機１４のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷することとなる。関節角度θが出力されると、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１０４）。この場合、制限ピン２１は、ねじりバネ１８が発生させた外部拘束力を駆動用フレーム１５に伝えるので、トルクＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）となる。トルクＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）なので、トルクＴＭ＝ＴＤ−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）となる。
【００５７】
［θ＞θＡＡの場合］
Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θ＞θＡＡとする。図７は、このときの駆動用フレーム１５の位置を表わす図である。関節角度θが出力されると、Ｓ１０４〜Ｓ１０８の処理を経て、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する（Ｓ１１０）。デューティ比αが「１」を超える場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、演算回路６４は、デューティ比αを「１」に再設定する（Ｓ１１２）。
【００５８】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、待機領域において、駆動用フレームにバックラッシ解消用の拘束力が加わることを制限する。これにより、従来の制御装置に比べ、バネ定数が大幅に小さな（図５に示す線の傾きが大幅に小さな）ねじりバネを用いても、十分な拘束力を加えることができる。バネ定数が大幅に小さなバネを用いてもバックラッシが解消されるので、バネ発生トルクの算出に当り、関節角度の影響を無視できる。関節角度の影響を無視できるので、バネ発生トルクの算出に当り、より簡単な近似式を用いることができる。バックラッシ解消用の拘束力の制限がない場合、作業領域においてねじりバネにより十分な拘束力を得るためには、バネ定数が比較的大きなねじりバネを用いる必要がある。ねじりバネが発生させるトルクは、関節角度に比例して増大する。トルクが関節角度に比例して増大すると、関節角度が大きくなるにつれ、モータに対する負荷が大きくなる。さらに、トルクが関節角度に比例して増減すると、拘束力を計算する際、関節角度に応じてトルクを計算する必要が生じる。関節角度に応じてトルクを計算すると、拘束力の計算が困難になる。また、本実施の形態に係る制御装置は、待機領域において、駆動用フレームにバックラッシ解消用の拘束力が加わることを制限する。これにより、関節角度が待機領域にある場合に、余分なエネルギが消費されない。また、本実施の形態に係る制御装置は、ねじりバネを用いて、バックラッシ解消用の拘束力を与える。ねじりバネにより拘束力が与えられるので、バックラッシを生じる減速機を用いることができる。ねじりバネにより拘束力が与えられるので、人の手サイズのロボットハンドに拘束力を与えるための機構を内蔵することが容易になる。また、本実施の形態に係る制御装置は、ピンにより、拘束力を制限する。拘束力の制限は、簡単な構造により実現できる。また、本実施の形態に係る制御装置において、θ＝θＡＡの時、外部拘束力のベクトルの向きと駆動用フレームが物体から受ける反力のベクトルの向きとが一致するので、モータ制御部により、ロボットハンドが物体を把持した瞬間の前後で連続して位置を制御することは、容易となる。その結果、人の手サイズのロボットハンドに適用することが容易で、構造が簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できるロボットの制御装置を提供することができる。
【００５９】
なお、位置検出器１０に、１回転上の絶対位置を出力するアブソリュート式のエンコーダを使用することができる。また、位置検出器１０は、光学式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダであってもよい。また、位置検出器１０は、磁気式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダであってもよい。
【００６０】
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００６１】
図８を参照して、本実施の形態に係る制御装置は、減速機１４に代え、第１減速機３０を含む。制限ピン２１に代えて、別の制限ピン４０を含む。モータ制御部１７に代えて、別のモータ制御部４４を含む。本実施の形態に係る制御装置は、第２減速機３２と、追加モータ３４と、追加エンコーダ３６と、追加モータ軸３８と、回転ステージ４２とを含む。第１減速機３０は、モータ１１からの出力を減速する。これにより、モータ１１の出力は高トルク化される。第２減速機３２は、追加モータ３４から回転ステージ４２へ、トルクを一方向に伝達する。本実施の形態において、第２減速機３２の減速比は、制限ピン４０がねじりバネ１８から力を受けても、追加モータ３４が回転しない程度のトルク損失を有する。追加モータ３４は、回転ステージ４２を回転させるためのトルクを生成する。これにより、第２減速機３２および追加モータ３４は、回転ステージ４２の回転に用いる動力を発生する装置となる。追加エンコーダ３６は、追加モータ軸３８の角度を検出する。追加モータ軸３８は、追加モータ３４の出力を第２減速機３２に伝達する。制限ピン４０は、ねじりバネ１８が駆動用フレーム１５に拘束力を与えることを制限する。回転ステージ４２は、制限ピン４０を取付け、かつ駆動軸１６の周りを回転する。これにより、第２減速機３２、追加モータ３４、および回転ステージ４２は、制限ピン４０の位置を、駆動軸１６の中心からの距離が一定となるように、駆動用フレーム１５が回転する方向に沿って変更する装置となる。モータ制御部４４は、第１の実施の形態にかかるモータ制御部１７と同様に、モータ１１を駆動するための制御信号を生成してモータ１１へ出力する。モータ制御部４４は、追加エンコーダ３６の検出結果と、メモリ６３が記憶した値とから、追加モータ３４を駆動するための制御信号（制御信号の値は制御量に応じて定められる）を生成して追加モータ３４へ出力する回路でもある。
【００６２】
図９は、図８において一点鎖線で示した箇所の断面を表わす図である。制限ピン４０が図９に示す位置にある場合、作業領域と待機領域との境界となる関節角度の値は、θＡＡである。図１０は、回転ステージ４２が制限ピン４０を図９の位置とは異なる位置に移動させた場合の同じ箇所の断面を表わす図である。
【００６３】
図１１を参照して、モータ制御部４４は、入力回路６１に代え、別の入力回路９０を含む。出力回路６５に代え、別の出力回路９６を含む。入力回路９０は、位置検出器１０およびエンコーダ１３からの信号を受付ける。入力回路９０は、追加エンコーダ３６からの信号を受付ける回路でもある。出力回路９６は、モータ１１へ、演算回路６４が出力した制御信号を出力する。出力回路９６は、追加モータ３４へ、演算回路６４が出力した制御信号を出力する回路でもある。
【００６４】
なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００６５】
図１２を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。なお、図１２に示したフローチャートの中で、前述の図４に示したステップには同じステップ番号を付してある。それらの処理も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００６６】
Ｓ１２０にて、演算回路６４は、メモリ６３から、制限ピン４０の位置の値を読取る。このとき読取られる値は、駆動フレーム１５が担当する作業の内容に応じた値である。Ｓ１２２にて、演算回路６４は、メモリ６３から読取った制限ピン４０の位置を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、追加モータ３４に演算回路６４が出力した値に対応する信号を出力する。追加モータ３４は、出力回路９６が出力した信号に応じて回転ステージ４２を回転させる。
【００６７】
Ｓ１２４にて、入力回路９０は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から、現在の関節角度（減速機１４に対する駆動用フレーム１５の角度）θを表わすデータを読取る。データが読取られると、入力回路９０は、それらのデータを検出回路６２に出力する。検出回路６２は、入力回路９０が出力したデータから現在の関節角度θを算出する。算出された現在の関節角度θは演算回路６４に出力される。Ｓ１２６にて、演算回路６４は、デューティ比αの値を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する。
【００６８】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００６９】
演算回路６４はメモリ６３から制限ピン４０の位置の値を読取る（Ｓ１２０）。位置の値が読取られると、演算回路６４は、その値を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、その値に対応する信号を追加モータ３４に出力する。追加モータ３４は、その信号に対応するように回転ステージ４２を回転させる（Ｓ１２２）。
【００７０】
制限ピン４０の位置が変更されると、待機領域および作業領域の範囲は変化する。図１３は、制限ピン４０の位置が変更されることにより、待機領域および作業領域の範囲が変化することを表わす図である。図１３を参照して、θＡＡは、制限ピン４０の位置が変更される前の、待機領域と作業領域との境界を表わす。θＡＤは、制限ピン４０の位置が変更された後の、待機領域と作業領域との境界を表わす（このとき、ねじりバネ１８が実際に発生させているトルクの値はＴＡＤで表わされる）。折れ線７４は、制限ピン４０の位置が変更された後の、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを表わす。第１の実施の形態において説明したように、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳは一定値とみなすことができる。このため、本実施の形態においても、トルクＴＣＳは、第１の実施の形態と同じ式で表わされることとする。
【００７１】
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
図１３に示す折れ線７０および折れ線７４から、制限ピン４０の位置が変更されることにより、待機領域と作業領域との境界における、トルクＴＣＳの値は変化する。本実施の形態の場合、制限ピン４０の位置が変更されることにより、外部拘束力が不十分とならないよう、ねじりバネ１８のバネ定数を定める必要がある。
【００７２】
回転ステージ４２が回転すると、Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路９０が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１２４）。関節角度θが算出されると、Ｓ１０４〜Ｓ１１２の処理を経て、出力回路９６は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する（Ｓ１２６）。
【００７３】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、駆動フレームが担当する作業の内容に応じて、作業領域および待機領域を自由に変更できる。作業領域および待機領域が自由に変更できるので、様々なロボットハンドに適用できる。様々な用途に用いるロボットハンドに適用することもできる。その結果、汎用化が容易で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できる制御装置を提供することができる。
【００７４】
＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００７５】
図１４を参照して、本実施の形態に係る制御装置は、作用ピン２０に代えて、作用ピン５２を含む。作用ピン１９に代えて、作用ピン５４を含む。本実施の形態における制御装置は、ねじりバネ５０をさらに含む。ねじりバネ５０は、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。ねじりバネ５０は、制限ピン２１に接触しない。なお、その他のハードウェア構成、処理フローについては前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００７６】
図１５を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。なお、図１５に示したフローチャートの中で、前述の図４に示したステップには同じステップ番号を付してある。それらの処理も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００７７】
Ｓ１３０にて、演算回路６４は、モータ１１が発生すべきトルクＴＭを計算する。本来、モータ１１が発生すべきトルクＴＭは、次の式で算出される。
ＴＭ＝ＴＤ−ＴＣＳ
【００７８】
本実施の形態の場合、本来のトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００７９】
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ） （θ≧θＢＢのとき）
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ） （θＢＢ＞θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θＡＡ＞θのとき）
なお、ＫＣＳＤは、ねじりバネ５０のバネ定数を表わす。
【００８０】
図１６は、関節角度θに対する、ねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。θＡＢは、制限ピン２１による制限がない場合に、トルクＴＣＳの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＡは、本実施の形態にかかる制御装置における、作業領域と待機領域との境界となる関節角度を表わす。θＢＢは、ねじりバネ５０が発生させたトルクが、駆動用フレーム１５に伝えられ始める関節角度を表わす。この図から明らかなように、本実施の形態におけるねじりバネ５０は、駆動用フレーム１５の向きが、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。直線７６は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ５０が発生させたトルクを表わす。直線７６の傾きから明らかなように、ねじりバネ５０のバネ定数はねじりバネ１８のバネ定数より大きい。直線７７は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクを表わす。折れ線７８は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８およびねじりバネ５０が発生させたトルクＴＣＳを表わす。本来、直線７７と折れ線７８とは、関節角度θＡＡ〜θＢＢの範囲内で重複する。図１６において、直線７７は、本来の位置とは若干異なる位置に表示されている。その理由は、直線７７と折れ線７８との区別を明確化するためである。第１の実施の形態で説明したように、ねじりバネ１８が発生させたトルクは一定値とみなすことができる。このため、図１６を参照して、本実施の形態におけるトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ） （θ≧θＢＢのとき）
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θＢＢ＞θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θＡＡ＞θのとき）
【００８１】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００８２】
この場合、関節角度θはθＢＢより大きいこととする。Ｓ１００〜Ｓ１０２の処理を経て、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１３０）。この場合、θ＞θＢＢなので、トルクＴＭ＝ＴＤ−ＴＡＡ−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ）である。
【００８３】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、関節角度が所定の値を超えた場合、ねじりバネから受けるトルクが大きくなる。複数のねじりバネそれぞれに外部拘束力を発生させるからである。ねじりバネから受けるトルクが大きくなると、駆動用フレームが予想外の力を受けたことにより関節角度が所定の値を超えた場合、力を受けたことによる衝撃は、ねじりバネによって和らげられる。衝撃が和らげられるので、減速機などの破壊を防止できる。駆動用フレームの動作に制限を加えることもできる。その結果、破壊に強く、駆動用フレームの動作に制限を加えることができ、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できる制御装置を提供することができる。
【００８４】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における固定ピンおよび制限ピンの配置を表わす図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるモータ制御部のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における駆動用フレームが待機領域と作業領域との境界にある状態を表わす図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における駆動用フレームが作業領域にある状態を表わす図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における第１減速機および第２減速機の配置を表わす図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における回転ステージが回転ピンを移動させた状況を表わす図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御部のブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における制限ピンの位置が変更されることにより、待機領域および作業領域の範囲が変化することを表わす図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施の形態におけるねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。
【図１７】従来の制御装置の一例を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ 位置検出器、１１ モータ、１２ モータ軸、１３ エンコーダ、１４ 減速機、１５ 駆動用フレーム、１６ 駆動軸、１８，５０，８０ ねじりバネ、１７，４４ モータ制御部、１９，２０，５２，５４ 作用ピン、２１，４０ 制限ピン、３０ 第１減速機、３２ 第２減速機、３４ 追加モータ、３６ 追加エンコーダ、３８ 追加モータ軸、４２ 回転ステージ、６１，９０ 入力回路、６２ 検出回路、６３ メモリ、６４ 演算回路、６５，９６ 出力回路、７０，７４，７８ 折れ線、７２，７６，７７ 直線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの制御装置に関し、特に、バックラッシの発生を抑制して位置決め精度を向上させるロボットの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンド（道具類（特に人の手に合わせて作られた道具類）を利用するために開発された装置）は、複数のフィンガにより構成されていることが多い。これら複数のフィンガは、それぞれ複数の関節を持っていることが多い。このような多関節ロボットハンドによって、人の手が行っている作業を実現させるためには、各関節において次の要件を満たすような制御が必要である。第１の要件は、作業対象を把持するために十分なトルクを発生させていることである。第２の要件は、各関節の角度の精度が高いことである。第３の要件は、ロボットハンドが人の手と同程度のサイズである（作業の対象物が人の手のサイズに合わせて作られているため）ことである。
【０００３】
第１の要件を満たすため、これら複数の関節は、それぞれモータ出力によって駆動することが多い。このモータ出力は、減速機により減速・高トルク化された出力である。減速・高トルク化される理由は、一般に、ロボットのアクチュエータとして用いられるモータが、人の手の関節と比較して発生トルクが小さい点にある。
【０００４】
しかしながら、ロボットの関節を駆動させるためによく用いられた減速機（ハーモニックドライブ（登録商標）などの、バックラッシュが少ない高精度な減速機）は、その構造上サイズを小さくすることが困難である。このことは、上述した第３の要件を満たし難いことを意味する。また、そのような減速機は遊星歯車減速機などの一般的な減速機に比べて高価である。このことは、将来多くの関節を有するロボットハンドを商品化する際、コスト増加の大きな要因のひとつとなり得る。このため、安価に関節の位置を制御するための工夫がなされている。
【０００５】
特許文献１は、一般的なギアによる減速機を用いながら、高精度に関節の位置を制御するための制御装置を開示する。図１７は、特許文献１に開示された制御装置の一例を示したブロック図である。特許文献１に開示された制御装置は、駆動用フレーム（駆動用フレームは減速機の駆動軸により駆動される）に、減速機の駆動軸が回転する方向とは逆方向の外部拘束力、または減速機の駆動軸が回転する方向と同じ方向であって駆動軸の回転力よりも大きい外部拘束力を負荷する。
【０００６】
この発明によると、減速機に対し一定方向の負荷が与えられるので、バックラッシュを除去できる。バックラッシュが除去されるので、関節の位置を高精度に制御できる。また、人の手と同サイズ程度のロボットハンドに減速機を納めることができる。
【特許文献１】特開２００３−２９１０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述の特許文献１に開示された発明では、実施の形態に応じて、次にあげるいずれかの問題点がある。第１の問題点は、ロボットハンドに適用すると、十分な拘束力が得られない（ひいては、ロボットハンドの各フィンガの位置について、十分な精度が得られない）という問題点である。たとえば、ロボットの自重により拘束力を発生させる場合、特許文献１に開示された発明をロボットハンドに適用すると、バックラッシュを除去するための十分な拘束力が得られないことがある。人と同じサイズのフィンガを持つロボットハンドの場合、フィンガの重量が小さ過ぎることがあるからである。第２の問題点は、余分なエネルギを消費することがあるという問題点である。余分なエネルギを消費する期間の例として、待機中の期間がある。待機中に余分なエネルギが消費されるのは、待機中はバックラッシュを除去する必要がないにも関わらず、バックラッシュを除去しているからである。第３の問題点は、拘束力の算出が困難であるという問題点である。たとえば、引張りバネにより拘束力を発生させると、拘束力の算出が困難となることがある。拘束力が、駆動用フレームの角度に応じて、非線形に変化するからである。引張りバネにより拘束力を発生させる場合、ロボットが物体を把持する際に、バネが障害となる可能性があるという問題点もある（ロボットのフィンガが閉じる方向にバネを設置する必要があるからである）。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制できる、ロボットの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のある局面にしたがうと、ロボットの制御装置は、第１のモータと、第１のモータのモータ軸に接続されるエンコーダと、第１のモータのモータ軸に接続され、モータ軸の回転を減速する第１の減速機と、第１の減速機の駆動軸に接続される位置検出器と、駆動軸に接続される駆動用フレームと、第１の減速機と駆動用フレームとの間に設けられ、駆動用フレームに、駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第１のねじりバネと、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限するための制限手段と、エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、第１のモータの回転を制御するためのモータ制御手段とを含む。
【００１０】
すなわち、第１のねじりバネは、駆動用フレームに、駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。外部拘束力が負荷されるので、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られる。制限手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、駆動用フレームの向きが所定の範囲とは別の範囲内にある場合に外部拘束力が負荷されるので、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、外部拘束力の負荷に対する余分なエネルギの消費を消費しなくなる。その結果、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１１】
また、上述の第１のねじりバネは、駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷するねじりバネを含むことが望ましい。
【００１２】
すなわち、駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷する。駆動用フレームの向きが第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、第１の減速機のバックラッシを拘束されるので、外部拘束力が小さくても、第１の減速機のバックラッシを拘束できる。これにより、モータ制御手段は、エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、第１のモータの回転を容易に制御できる。その結果、容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１３】
また、上述のモータ制御手段は、外部拘束力を表わす一定値を用いて、第１のモータの回転を制御するための手段を含むことが望ましい。
【００１４】
すなわち、制限手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合に外部拘束力の負荷が制限されると、第１のねじりバネが負荷する外部拘束力を一定値とみなし得る場合が生じる。これにより、モータ制御手段は、外部拘束力を表わす一定値を用いて、第１のモータの回転を制御する。外部拘束力を表わす一定値が用いられると、容易にモータを制御できる。その結果、容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１５】
また、上述の外部拘束力を表わす一定値は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を含むことが望ましい。
【００１６】
すなわち、モータ制御手段は、駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を用いて、第１のモータの回転を制御する。これにより、モータ制御手段は、より容易にモータを制御できる。その結果、より容易にモータを制御でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１７】
また、上述の制限手段は、第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する第１の部材を含むことが望ましい。
【００１８】
すなわち、第１の部材は、第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、制限手段の構造は簡単になる。その結果、構造が簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００１９】
また、上述の第１の部材は、第１のねじりバネが、駆動用フレームの一部であって第１の減速機と駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する部材を含むことが望ましい。
【００２０】
すなわち、負荷を制限する部材は、第１のねじりバネが、駆動用フレームの一部であって第１の減速機と駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する。これにより、制限手段の構造はより簡単になる。その結果、構造がより簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２１】
また、上述のロボットの制御装置は、第１の部材の位置を、駆動用フレームが回転する方向に沿って変更するための変更手段をさらに含むことが望ましい。
【００２２】
すなわち、変更手段は、第１の部材の位置を、駆動用フレームが回転する方向に沿って変更する。これにより、外部拘束力の負荷が制限される範囲は変更される。負荷が制限される範囲が変更されると、ロボットの制御装置の汎用性は高くなる。その結果、汎用性が高く、構造がより簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２３】
また、上述の変更手段は、第１の部材を取付け、かつ駆動軸の周りを回転する第３の部材と、第３の部材の回転に用いる動力を発生する装置とを含むことが望ましい。
【００２４】
すなわち、動力を発生する装置は、第３の部材の回転に用いる動力を発生する。第３の部材は、第１の部材を取付け、かつ駆動軸の周りを回転する。これにより、範囲を変更する装置は、簡単な構造になる。その結果、汎用性が高く、構造がさらに簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２５】
また、上述の動力を発生する装置は、トルクを生成する第２のモータと、第２のモータから第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する第２の減速機とを含むことが望ましい。
【００２６】
すなわち、第２のモータは、トルクを生成する。第２の減速機は、第２のモータから第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する。これにより、範囲を変更する装置は、より簡単な構造になる。その結果、汎用性が高く、構造が特に簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【００２７】
また、上述のロボットの制御装置は、駆動用フレームの向きが、第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレームに、第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第２のねじりバネをさらに含むことが望ましい。
【００２８】
すなわち、第２のねじりバネは、駆動用フレームの向きが、第１のねじりバネから外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレームに、第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。これにより、駆動用フレームが第２のねじりバネによって外部拘束力を負荷される向きに向くことは制限される。その結果、駆動用フレームの向きを制限でき、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制するロボットの制御装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るロボットの制御装置は、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、かつ余分なエネルギの消費を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３１】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態における制御装置のブロック図である。この制御装置は、ロボットハンドの関節（本実施の形態の場合、ロボットハンドの関節であれば、どの関節であってもよい。ロボットハンドの関節の例として、指の関節や腕の関節がある。）を制御するロボットの制御装置である。この制御装置は、位置検出器１０と、トルクを生成するモータ１１と、モータ１１が生成したトルクを伝達するモータ軸１２と、モータ１１のモータ軸１２に接続されるエンコーダ１３と、モータ１１のモータ軸１２に接続され、モータ軸１２の回転を減速する減速機１４と、ロボットのフィンガなどとして力を受ける駆動用フレーム１５と、駆動用フレーム１５に接続され、駆動用フレーム１５を駆動する減速機１４の駆動軸１６と、モータ制御部１７と、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に設けられ、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力（駆動軸１６とは別の、駆動用フレーム１５の動きに拘束を加える力）を負荷するねじりバネ１８と、減速機１４に取付けられ、ねじりバネ１８に接触する作用ピン１９と、駆動用フレーム１５に取付けられ、ねじりバネ１８に接触する作用ピン２０と、制限ピン２１とを含む。
【００３３】
位置検出器１０は、減速機１４の駆動軸１６に接続される。位置検出器１０は、減速機１４の駆動軸１６の回転の向き、駆動軸１６の回転の有無、および駆動軸１６の角速度を検出する装置である。位置検出器１０の出力は、モータ制御部１７に出力される。これにより、モータ制御部１７は、駆動軸１６の角度を監視できる。本実施の形態の場合、位置検出器１０は、可変抵抗式のポテンショメータ（駆動軸１６の角度に応じて出力される電力の電圧が変化する装置）である。位置検出器１０の小型化と簡単な構成による駆動軸１６の監視とを実現できるためである。また、モータ制御部１７によるモータ１１の制御を容易に実現できるためである。モータ１１の制御を容易に実現できるのは、位置検出器１０の出力から関節角度の絶対値を容易に検出できるからである。位置検出器１０は、駆動用フレーム１５および駆動軸１６に直結接続されている。この状態で、モータ１１をある方向に回転させると、減速機１４の減速比に対応する角速度で駆動軸１６が回転することになる。モータ１１が途中で逆回転すると、バックラッシが発生する。これにより、モータ１１の制御量に対する位置決め精度を確保することができなくなる。しかし、駆動軸１６に直結して取付けられた駆動用フレーム１５に、駆動軸１６に対して一方向の外部拘束力が加えられる（外部拘束力はねじりバネ１８により加えられる）と、駆動軸１６が回転する方向とは逆方向の力が発生することになる。逆方向の力が発生するので、モータ１１が途中で逆回転するときに、モータ１１の回転にあわせて、駆動軸１６が回転する。その結果、位置決め精度を確保することができるようになる。
【００３４】
エンコーダ１３は、モータ１１の回転の有無、モータ軸１２の角速度、およびモータ軸１２の角度を検出する装置である。本実施の形態の場合、エンコーダ１３は、機械式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダである。本実施の形態の場合、エンコーダ１３がインクリメンタル式なので、モータ軸１２の角度の絶対値を求める際などには、位置検出器１０により検出した角度を用いる必要がある。エンコーダ１３によりモータ軸１２の角度などが検出されると、モータ軸１２の位置決め精度を高くできる。エンコーダ１３自体の分解能を高くできるためである。エンコーダ１３の出力は、モータ制御部１７に出力される。これにより、モータ制御部１７は、モータ軸１２の角度を監視できる。
【００３５】
モータ制御部１７は、位置検出器１０およびエンコーダ１３の検出結果と、外部拘束力に対する制御量とから、モータ１１を駆動するための制御信号（制御信号の値は制御量に応じて定められる）を生成してモータ１１へ出力する。
【００３６】
ねじりバネ１８は、作用ピン１９および作用ピン２０にトルクを伝えることによって、バックラッシを解消する外部拘束力を発生させる。本実施の形態の場合、ねじりバネ１８は、駆動用フレーム１５が物体を把持する方向と反対の方向に、駆動軸１６を中心とするトルクを発生させる。このようなトルクが発生するので、上述したように、位置検出器１０の位置決め精度を確保できる。
【００３７】
作用ピン２０は、駆動用フレーム１５に取付けられることにより、駆動用フレーム１５の一部となった部材である。作用ピン２０は、減速機１４と駆動用フレーム１５との間に突出する。
【００３８】
制限ピン２１は、ねじりバネ１８と駆動用フレーム１５（厳密には、駆動用フレーム１５の一部であって減速機１４と駆動用フレーム１５との間に突出した作用ピン２０）との接触を制限することにより、駆動用フレーム１５の向き（すなわち関節角度θ）が所定の範囲（すなわち作業領域）内にある場合、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５への外部拘束力の負荷を制限する部材である。制限ピン２１の存在により、待機領域において、駆動用フレーム１５に外部拘束力が伝わらなくなる。作業領域では、制限ピン２１がねじりバネ１８と駆動用フレーム１５との接触を制限できないので、ねじりバネ１８から駆動用フレーム１５に外部拘束力が伝わる。これにより、作業領域と待機領域とで、制御装置は異なる挙動を取ることとなる。
【００３９】
図２は、図１において一点鎖線で示した箇所の断面を表わす図である。駆動用フレーム１５は、図２において二点鎖線で描かれている。このことは、駆動用フレーム１５がその他の部位（図２において実線で描かれている部位）よりも紙面の手前側に存在することを表している。本実施の形態において、図２における時計回りの方向を正回転の方向と定義する。本実施の形態において、駆動用フレーム１５は、正回転の方向に回転する。これにより、本実施の形態の場合、上述のロボットは物体に接触できる。本実施の形態において、減速機１４の長手方向の中心軸と駆動用フレーム１５の長手方向の中心軸とが一致する位置（図２に示す位置）を、駆動用フレーム１５の原点と定義する。本実施の形態の場合、上述したロボットが作業していない状態（待機状態）にあれば、駆動用フレーム１５は原点付近にある。本実施の形態の場合、上述したロボットが作業している状態（作業状態）にあれば、駆動用フレーム１５は、原点よりも正回転の方向に回転することにより、物体に接触する。
【００４０】
図３を参照して、モータ制御部１７は、入力回路６１と、検出回路６２と、メモリ６３と、演算回路６４と、出力回路６５とを含む。入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３からの電力やパルスを受付ける。入力回路６１は、位置検出器１０が出力した電力の電圧を検出する回路でもある。入力回路６１は、エンコーダ１３が出力したパルスをカウントする回路でもある。検出回路６２は、入力回路６１が位置を検出した結果、および図示しない他のセンサが位置を検出した結果から、現在のモータ１１の回転位置やバックラッシ量を検出する。本実施の形態において検出回路６２がバックラッシ量の検出する方法は、次の通りである。まず、バックラッシの影響がなくなる位置から一定方向にモータ１１を回転させ、次に同じ回転量分だけモータ１１を逆回転させる。このとき、バックラッシの影響があれば、エンコーダ１３の値は元の値に戻るが位置検出器１０の値はモータ回転前とモータ回転後とで異なるものとなる。検出回路６２は、この位置ずれを検出することにより、バックラッシ量を得る。位置ずれはバックラッシ量に相当するからである。なお、バックラッシ量には、ギアの磨耗などによる経年変化がある。しかし通常数日単位で使用する場合、バックラッシ量にはほとんど経年変化は見られない。したがって、本実施の形態の場合、検出回路６２は、制御装置の起動時にバックラッシ量を検出し、メモリ６３にその値を記憶させて使用するものとする。メモリ６３は、演算回路６４がモータ１１の回転速度などを算出するために必要な値を記憶する。メモリ６３が記憶する値の１つに、外部拘束力を表わす定数が含まれる。演算回路６４は、検出回路６２から出力されるバックラッシ量および駆動軸の回転角と、メモリ６３に記憶された外部拘束力を表わす定数とから、駆動軸１６の角度が目標の角度となるように、モータ１１の回転速度や回転量などの制御信号を出力回路６５へ出力する。これによって、モータ１１が所定の回転を行ない、位置決めを行なうことが可能となる。出力回路６５は、モータ１１へ、演算回路６４が出力した制御信号を、パルスとして出力する。
【００４１】
図４を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。
【００４２】
ステップ１００（以下、ステップをＳと略す。）にて、演算回路６４は、メモリ６３から、ユーザが発生させたいトルクＴＤを読取る。Ｓ１０２にて、入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から、現在の関節角度（減速機１４に対する駆動用フレーム１５の角度）θを表わすデータを読取る。データが読取られると、入力回路６１は、それらのデータを検出回路６２に出力する。検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する。算出された現在の関節角度θは演算回路６４に出力される。
【００４３】
Ｓ１０４にて、演算回路６４は、モータ１１が発生すべきトルクＴＭを計算する。本来、モータ１１が発生すべきトルクＴＭは、次の式で算出される。
【００４４】
ＴＭ＝ＴＤ−ＴＣＳ
但し、ＴＣＳは、ねじりバネ１８が発生させたトルクを表わす。図５を参照して、トルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００４５】
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ） （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
ただし、ＫＣＳのねじりバネ１８のバネ定数を表わす。
【００４６】
図５は、関節角度θに対する、ねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。θＡＢは、本実施の形態にかかる制御装置において、制限ピン２１による制限がない場合に、トルクＴＣＳの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＣは、図１７に示す制御装置において、ねじりバネ８０が発生させたトルクの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＡは、本実施の形態にかかる制御装置における、作業領域（ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを、外部拘束力として駆動用フレーム１５に伝える領域）と待機領域（ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳが、駆動用フレーム１５に伝えられない領域）との境界となる関節角度を表わす（本実施の形態の場合、駆動用フレーム１５が物体に接触し得る関節角度とθＡＡとを一致させることとする）。折れ線７０は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを表わす。直線７２は、図１７に示す制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ８０が発生させたトルクを表わす。本実施の形態の場合、上述したねじりバネ１８およびねじりバネ８０は、同じ関節角度θＡＡにおいて、同じ値のトルクＴＡＡを駆動用フレーム１５に伝えることとする。同じ関節角度θＡＡにおいて、同じ値のトルクＴＡＡを駆動用フレーム１５に伝えるとすると、図５に示す折れ線７０および直線７２から、トルクＴＣＳを一定値とみなし得る程度まで、ねじりバネ１８のバネ定数を小さくできることは明らかである。このため、本実施の形態におけるトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００４７】
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
このとき、トルクＴＣＳの値は、駆動用フレーム１５の向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる一定値とみなされる。これにより、モータ制御部１７は、外部拘束力を表わす一定値のトルクＴＣＳを用いて、モータ１１の回転を制御することとなる。
【００４８】
Ｓ１０６にて、演算回路６４は、トルクＴＭを発生させる有効電圧ＶＭを求める。モータ１１の回転が「０」である場合のトルクは「起動トルク」と呼ばれる。起動トルクは、モータ１１の有効電圧と比例する。比例定数を「Ｃ」、モータ１１の回転数を「０」と仮定した場合、有効電圧ＶＭは下記の式により求められる。
【００４９】
ＶＭ＝Ｃ×ＴＭ
Ｓ１０８にて、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを満足する（すなわち有効電圧ＶＭを発生させる）デューティ比αを求める。デューティ比αは次の式により求められる。
【００５０】
α＝ＶＭ／ＶＭＡＸ
但し、ＶＭＡＸはモータ１１に供給される電圧の最大値を表わす。
【００５１】
Ｓ１１０にて、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する。デューティ比αが「１」以下と判断した場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４へと移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１２へと移される。
【００５２】
Ｓ１１２にて、演算回路６４は、デューティ比αを「１」に再設定する。Ｓ１１４にて、演算回路６４は、デューティ比αの値を出力回路６５に出力する。出力回路６５は、デューティ比αに対応するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）パルスをモータ１１に出力する。
【００５３】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００５４】
［θ＜θＡＡの場合］
演算回路６４は、メモリ６３からトルクＴＤを読取る（Ｓ１００）。トルクＴＤが読取られると、入力回路６１は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から現在の関節角度θを表わすデータを読取る。データが読取られると、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θは「０」（駆動用フレーム１５が、図２に示す位置にある）とする。関節角度θが出力されると、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１０４）。この場合、制限ピン２１は、ねじりバネ１８が発生させた外部拘束力を駆動用フレーム１５に伝えないので、トルクＴＣＳ＝０となる。トルクＴＣＳ＝０なので、トルクＴＭ＝ＴＤである。
【００５５】
トルクＴＭが計算されると、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを求める（Ｓ１０６）。有効電圧ＶＭが求められると、演算回路６４は、有効電圧ＶＭを満足するデューティ比αを求める（Ｓ１０８）。デューティαが求められると、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する（Ｓ１１０）。デューティ比αが「１」以下の場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、出力回路６５は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する（Ｓ１１４）。このＳ１００〜Ｓ１１４の処理により、モータ制御部１７は、エンコーダ１３および位置検出器１０からの出力に基づいて、モータ１１の回転を制御することとなる。
【００５６】
［θ＝θＡＡの場合］
Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θはθＡＡとする。図６は、このときの駆動用フレーム１５の向きを表わす図である。関節角度θの値がθＡＡ以上になると、駆動用フレーム１５の位置が、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷されることとなる。ねじりバネ１８は、駆動用フレーム１５の向きが、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、減速機１４のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷することとなる。関節角度θが出力されると、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１０４）。この場合、制限ピン２１は、ねじりバネ１８が発生させた外部拘束力を駆動用フレーム１５に伝えるので、トルクＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）となる。トルクＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）なので、トルクＴＭ＝ＴＤ−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）となる。
【００５７】
［θ＞θＡＡの場合］
Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路６１が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１０２）。この場合、関節角度θ＞θＡＡとする。図７は、このときの駆動用フレーム１５の位置を表わす図である。関節角度θが出力されると、Ｓ１０４〜Ｓ１０８の処理を経て、演算回路６４は、デューティ比αが「１」以下か否かを判断する（Ｓ１１０）。デューティ比αが「１」を超える場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、演算回路６４は、デューティ比αを「１」に再設定する（Ｓ１１２）。
【００５８】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、待機領域において、駆動用フレームにバックラッシ解消用の拘束力が加わることを制限する。これにより、従来の制御装置に比べ、バネ定数が大幅に小さな（図５に示す線の傾きが大幅に小さな）ねじりバネを用いても、十分な拘束力を加えることができる。バネ定数が大幅に小さなバネを用いてもバックラッシが解消されるので、バネ発生トルクの算出に当り、関節角度の影響を無視できる。関節角度の影響を無視できるので、バネ発生トルクの算出に当り、より簡単な近似式を用いることができる。バックラッシ解消用の拘束力の制限がない場合、作業領域においてねじりバネにより十分な拘束力を得るためには、バネ定数が比較的大きなねじりバネを用いる必要がある。ねじりバネが発生させるトルクは、関節角度に比例して増大する。トルクが関節角度に比例して増大すると、関節角度が大きくなるにつれ、モータに対する負荷が大きくなる。さらに、トルクが関節角度に比例して増減すると、拘束力を計算する際、関節角度に応じてトルクを計算する必要が生じる。関節角度に応じてトルクを計算すると、拘束力の計算が困難になる。また、本実施の形態に係る制御装置は、待機領域において、駆動用フレームにバックラッシ解消用の拘束力が加わることを制限する。これにより、関節角度が待機領域にある場合に、余分なエネルギが消費されない。また、本実施の形態に係る制御装置は、ねじりバネを用いて、バックラッシ解消用の拘束力を与える。ねじりバネにより拘束力が与えられるので、バックラッシを生じる減速機を用いることができる。ねじりバネにより拘束力が与えられるので、人の手サイズのロボットハンドに拘束力を与えるための機構を内蔵することが容易になる。また、本実施の形態に係る制御装置は、ピンにより、拘束力を制限する。拘束力の制限は、簡単な構造により実現できる。また、本実施の形態に係る制御装置において、θ＝θＡＡの時、外部拘束力のベクトルの向きと駆動用フレームが物体から受ける反力のベクトルの向きとが一致するので、モータ制御部により、ロボットハンドが物体を把持した瞬間の前後で連続して位置を制御することは、容易となる。その結果、人の手サイズのロボットハンドに適用することが容易で、構造が簡単で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できるロボットの制御装置を提供することができる。
【００５９】
なお、位置検出器１０に、１回転上の絶対位置を出力するアブソリュート式のエンコーダを使用することができる。また、位置検出器１０は、光学式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダであってもよい。また、位置検出器１０は、磁気式の機構により２相パルスを出力するインクリメンタル式のエンコーダであってもよい。
【００６０】
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００６１】
図８を参照して、本実施の形態に係る制御装置は、減速機１４に代え、第１減速機３０を含む。制限ピン２１に代えて、別の制限ピン４０を含む。モータ制御部１７に代えて、別のモータ制御部４４を含む。本実施の形態に係る制御装置は、第２減速機３２と、追加モータ３４と、追加エンコーダ３６と、追加モータ軸３８と、回転ステージ４２とを含む。第１減速機３０は、モータ１１からの出力を減速する。これにより、モータ１１の出力は高トルク化される。第２減速機３２は、追加モータ３４から回転ステージ４２へ、トルクを一方向に伝達する。本実施の形態において、第２減速機３２の減速比は、制限ピン４０がねじりバネ１８から力を受けても、追加モータ３４が回転しない程度のトルク損失を有する。追加モータ３４は、回転ステージ４２を回転させるためのトルクを生成する。これにより、第２減速機３２および追加モータ３４は、回転ステージ４２の回転に用いる動力を発生する装置となる。追加エンコーダ３６は、追加モータ軸３８の角度を検出する。追加モータ軸３８は、追加モータ３４の出力を第２減速機３２に伝達する。制限ピン４０は、ねじりバネ１８が駆動用フレーム１５に拘束力を与えることを制限する。回転ステージ４２は、制限ピン４０を取付け、かつ駆動軸１６の周りを回転する。これにより、第２減速機３２、追加モータ３４、および回転ステージ４２は、制限ピン４０の位置を、駆動軸１６の中心からの距離が一定となるように、駆動用フレーム１５が回転する方向に沿って変更する装置となる。モータ制御部４４は、第１の実施の形態にかかるモータ制御部１７と同様に、モータ１１を駆動するための制御信号を生成してモータ１１へ出力する。モータ制御部４４は、追加エンコーダ３６の検出結果と、メモリ６３が記憶した値とから、追加モータ３４を駆動するための制御信号（制御信号の値は制御量に応じて定められる）を生成して追加モータ３４へ出力する回路でもある。
【００６２】
図９は、図８において一点鎖線で示した箇所の断面を表わす図である。制限ピン４０が図９に示す位置にある場合、作業領域と待機領域との境界となる関節角度の値は、θＡＡである。図１０は、回転ステージ４２が制限ピン４０を図９の位置とは異なる位置に移動させた場合の同じ箇所の断面を表わす図である。
【００６３】
図１１を参照して、モータ制御部４４は、入力回路６１に代え、別の入力回路９０を含む。出力回路６５に代え、別の出力回路９６を含む。入力回路９０は、位置検出器１０およびエンコーダ１３からの信号を受付ける。入力回路９０は、追加エンコーダ３６からの信号を受付ける回路でもある。出力回路９６は、モータ１１へ、演算回路６４が出力した制御信号を出力する。出力回路９６は、追加モータ３４へ、演算回路６４が出力した制御信号を出力する回路でもある。
【００６４】
なお、その他のハードウェア構成については前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００６５】
図１２を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。なお、図１２に示したフローチャートの中で、前述の図４に示したステップには同じステップ番号を付してある。それらの処理も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００６６】
Ｓ１２０にて、演算回路６４は、メモリ６３から、制限ピン４０の位置の値を読取る。このとき読取られる値は、駆動フレーム１５が担当する作業の内容に応じた値である。Ｓ１２２にて、演算回路６４は、メモリ６３から読取った制限ピン４０の位置を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、追加モータ３４に演算回路６４が出力した値に対応する信号を出力する。追加モータ３４は、出力回路９６が出力した信号に応じて回転ステージ４２を回転させる。
【００６７】
Ｓ１２４にて、入力回路９０は、位置検出器１０およびエンコーダ１３から、現在の関節角度（減速機１４に対する駆動用フレーム１５の角度）θを表わすデータを読取る。データが読取られると、入力回路９０は、それらのデータを検出回路６２に出力する。検出回路６２は、入力回路９０が出力したデータから現在の関節角度θを算出する。算出された現在の関節角度θは演算回路６４に出力される。Ｓ１２６にて、演算回路６４は、デューティ比αの値を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する。
【００６８】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００６９】
演算回路６４はメモリ６３から制限ピン４０の位置の値を読取る（Ｓ１２０）。位置の値が読取られると、演算回路６４は、その値を出力回路９６に出力する。出力回路９６は、その値に対応する信号を追加モータ３４に出力する。追加モータ３４は、その信号に対応するように回転ステージ４２を回転させる（Ｓ１２２）。
【００７０】
制限ピン４０の位置が変更されると、待機領域および作業領域の範囲は変化する。図１３は、制限ピン４０の位置が変更されることにより、待機領域および作業領域の範囲が変化することを表わす図である。図１３を参照して、θＡＡは、制限ピン４０の位置が変更される前の、待機領域と作業領域との境界を表わす。θＡＤは、制限ピン４０の位置が変更された後の、待機領域と作業領域との境界を表わす（このとき、ねじりバネ１８が実際に発生させているトルクの値はＴＡＤで表わされる）。折れ線７４は、制限ピン４０の位置が変更された後の、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳを表わす。第１の実施の形態において説明したように、ねじりバネ１８が発生させたトルクＴＣＳは一定値とみなすことができる。このため、本実施の形態においても、トルクＴＣＳは、第１の実施の形態と同じ式で表わされることとする。
【００７１】
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θ＜θＡＡのとき）
図１３に示す折れ線７０および折れ線７４から、制限ピン４０の位置が変更されることにより、待機領域と作業領域との境界における、トルクＴＣＳの値は変化する。本実施の形態の場合、制限ピン４０の位置が変更されることにより、外部拘束力が不十分とならないよう、ねじりバネ１８のバネ定数を定める必要がある。
【００７２】
回転ステージ４２が回転すると、Ｓ１００の処理を経て、検出回路６２は、入力回路９０が出力したデータから現在の関節角度θを算出する（Ｓ１２４）。関節角度θが算出されると、Ｓ１０４〜Ｓ１１２の処理を経て、出力回路９６は、デューティ比αに対応するＰＷＭパルスをモータ１１に出力する（Ｓ１２６）。
【００７３】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、駆動フレームが担当する作業の内容に応じて、作業領域および待機領域を自由に変更できる。作業領域および待機領域が自由に変更できるので、様々なロボットハンドに適用できる。様々な用途に用いるロボットハンドに適用することもできる。その結果、汎用化が容易で、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できる制御装置を提供することができる。
【００７４】
＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係る制御装置について説明する。
【００７５】
図１４を参照して、本実施の形態に係る制御装置は、作用ピン２０に代えて、作用ピン５２を含む。作用ピン１９に代えて、作用ピン５４を含む。本実施の形態における制御装置は、ねじりバネ５０をさらに含む。ねじりバネ５０は、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。ねじりバネ５０は、制限ピン２１に接触しない。なお、その他のハードウェア構成、処理フローについては前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００７６】
図１５を参照して、制御装置で実行されるプログラムは、トルクの設定に関し、以下のような制御構造を有する。なお、図１５に示したフローチャートの中で、前述の図４に示したステップには同じステップ番号を付してある。それらの処理も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００７７】
Ｓ１３０にて、演算回路６４は、モータ１１が発生すべきトルクＴＭを計算する。本来、モータ１１が発生すべきトルクＴＭは、次の式で算出される。
ＴＭ＝ＴＤ−ＴＣＳ
【００７８】
本実施の形態の場合、本来のトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
【００７９】
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ）−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ） （θ≧θＢＢのとき）
ＴＣＳ＝−ＫＣＳ（θ−θＡＢ） （θＢＢ＞θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θＡＡ＞θのとき）
なお、ＫＣＳＤは、ねじりバネ５０のバネ定数を表わす。
【００８０】
図１６は、関節角度θに対する、ねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。θＡＢは、制限ピン２１による制限がない場合に、トルクＴＣＳの値が「０」となる関節角度を表わす。θＡＡは、本実施の形態にかかる制御装置における、作業領域と待機領域との境界となる関節角度を表わす。θＢＢは、ねじりバネ５０が発生させたトルクが、駆動用フレーム１５に伝えられ始める関節角度を表わす。この図から明らかなように、本実施の形態におけるねじりバネ５０は、駆動用フレーム１５の向きが、ねじりバネ１８から外部拘束力を負荷される範囲のうち、外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、駆動用フレーム１５に、減速機１４の駆動軸１６の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する。直線７６は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ５０が発生させたトルクを表わす。直線７６の傾きから明らかなように、ねじりバネ５０のバネ定数はねじりバネ１８のバネ定数より大きい。直線７７は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８が発生させたトルクを表わす。折れ線７８は、本実施の形態にかかる制御装置において、関節角度θに対する、ねじりバネ１８およびねじりバネ５０が発生させたトルクＴＣＳを表わす。本来、直線７７と折れ線７８とは、関節角度θＡＡ〜θＢＢの範囲内で重複する。図１６において、直線７７は、本来の位置とは若干異なる位置に表示されている。その理由は、直線７７と折れ線７８との区別を明確化するためである。第１の実施の形態で説明したように、ねじりバネ１８が発生させたトルクは一定値とみなすことができる。このため、図１６を参照して、本実施の形態におけるトルクＴＣＳは、次の式で表わされる。
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ） （θ≧θＢＢのとき）
ＴＣＳ＝−ＴＡＡ （θＢＢ＞θ≧θＡＡのとき）
ＴＣＳ＝０ （θＡＡ＞θのとき）
【００８１】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、制御装置の動作について説明する。
【００８２】
この場合、関節角度θはθＢＢより大きいこととする。Ｓ１００〜Ｓ１０２の処理を経て、演算回路６４は、トルクＴＭを計算する（Ｓ１３０）。この場合、θ＞θＢＢなので、トルクＴＭ＝ＴＤ−ＴＡＡ−ＫＣＳＤ（θ−θＢＢ）である。
【００８３】
以上のようにして、本実施の形態に係る制御装置は、関節角度が所定の値を超えた場合、ねじりバネから受けるトルクが大きくなる。複数のねじりバネそれぞれに外部拘束力を発生させるからである。ねじりバネから受けるトルクが大きくなると、駆動用フレームが予想外の力を受けたことにより関節角度が所定の値を超えた場合、力を受けたことによる衝撃は、ねじりバネによって和らげられる。衝撃が和らげられるので、減速機などの破壊を防止できる。駆動用フレームの動作に制限を加えることもできる。その結果、破壊に強く、駆動用フレームの動作に制限を加えることができ、バックラッシを生じる減速機を用いても十分な精度が得られ、余分なエネルギを消費せず、かつ容易にモータを制御できる制御装置を提供することができる。
【００８４】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における固定ピンおよび制限ピンの配置を表わす図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるモータ制御部のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における駆動用フレームが待機領域と作業領域との境界にある状態を表わす図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における駆動用フレームが作業領域にある状態を表わす図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における第１減速機および第２減速機の配置を表わす図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における回転ステージが回転ピンを移動させた状況を表わす図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御部のブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における制限ピンの位置が変更されることにより、待機領域および作業領域の範囲が変化することを表わす図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係るトルクの設定処理の制御の手順を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施の形態におけるねじりバネが発生させたトルクを表わす図である。
【図１７】従来の制御装置の一例を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ 位置検出器、１１ モータ、１２ モータ軸、１３ エンコーダ、１４ 減速機、１５ 駆動用フレーム、１６ 駆動軸、１８，５０，８０ ねじりバネ、１７，４４ モータ制御部、１９，２０，５２，５４ 作用ピン、２１，４０ 制限ピン、３０ 第１減速機、３２ 第２減速機、３４ 追加モータ、３６ 追加エンコーダ、３８ 追加モータ軸、４２ 回転ステージ、６１，９０ 入力回路、６２ 検出回路、６３ メモリ、６４ 演算回路、６５，９６ 出力回路、７０，７４，７８ 折れ線、７２，７６，７７ 直線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のモータと、
前記第１のモータのモータ軸に接続されるエンコーダと、
前記第１のモータのモータ軸に接続され、前記モータ軸の回転を減速する第１の減速機と、
前記第１の減速機の駆動軸に接続される位置検出器と、
前記駆動軸に接続される駆動用フレームと、
前記第１の減速機と前記駆動用フレームとの間に設けられ、前記駆動用フレームに、前記駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第１のねじりバネと、
前記駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限するための制限手段と、
前記エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、前記第１のモータの回転を制御するためのモータ制御手段とを含むロボットの制御装置。
【請求項２】
前記第１のねじりバネは、前記駆動用フレームの向きが前記第１のねじりバネから前記外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、前記第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷するねじりバネを含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項３】
前記モータ制御手段は、前記外部拘束力を表わす一定値を用いて、前記第１のモータの回転を制御するための手段を含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項４】
前記外部拘束力を表わす一定値は、前記駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を含む、請求項３に記載のロボットの制御装置。
【請求項５】
前記制限手段は、前記第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する第１の部材を含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項６】
前記第１の部材は、前記第１のねじりバネが、前記駆動用フレームの一部であって前記第１の減速機と前記駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する部材を含む、請求項５に記載のロボットの制御装置。
【請求項７】
前記ロボットの制御装置は、前記第１の部材の位置を、前記駆動用フレームが回転する方向に沿って変更するための変更手段をさらに含む、請求項５に記載のロボットの制御装置。
【請求項８】
前記変更手段は、
前記第１の部材を取付け、かつ前記駆動軸の周りを回転する第３の部材と、
前記第３の部材の回転に用いる動力を発生する装置とを含む、請求項７に記載のロボットの制御装置。
【請求項９】
前記動力を発生する装置は、
トルクを生成する第２のモータと、
前記第２のモータから前記第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する第２の減速機とを含む、請求項８に記載のロボットの制御装置。
【請求項１０】
前記ロボットの制御装置は、前記駆動用フレームの向きが、前記第１のねじりバネから前記外部拘束力を負荷される範囲のうち、前記外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、前記駆動用フレームに、前記第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第２のねじりバネをさらに含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項１】
第１のモータと、
前記第１のモータのモータ軸に接続されるエンコーダと、
前記第１のモータのモータ軸に接続され、前記モータ軸の回転を減速する第１の減速機と、
前記第１の減速機の駆動軸に接続される位置検出器と、
前記駆動軸に接続される駆動用フレームと、
前記第１の減速機と前記駆動用フレームとの間に設けられ、前記駆動用フレームに、前記駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第１のねじりバネと、
前記駆動用フレームの向きが所定の範囲内にある場合、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限するための制限手段と、
前記エンコーダおよび位置検出器からの出力に基づいて、前記第１のモータの回転を制御するためのモータ制御手段とを含むロボットの制御装置。
【請求項２】
前記第１のねじりバネは、前記駆動用フレームの向きが前記第１のねじりバネから前記外部拘束力を負荷される範囲内にある場合に、前記第１の減速機のバックラッシを拘束可能な外部拘束力を負荷するねじりバネを含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項３】
前記モータ制御手段は、前記外部拘束力を表わす一定値を用いて、前記第１のモータの回転を制御するための手段を含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項４】
前記外部拘束力を表わす一定値は、前記駆動用フレームの向きが所定の範囲内にあるか否かに応じて定まる値を含む、請求項３に記載のロボットの制御装置。
【請求項５】
前記制限手段は、前記第１のねじりバネと駆動用フレームとの接触を制限することにより、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する第１の部材を含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【請求項６】
前記第１の部材は、前記第１のねじりバネが、前記駆動用フレームの一部であって前記第１の減速機と前記駆動用フレームとの間に突出した第２の部材に接触することを制限することで、前記第１のねじりバネから駆動用フレームへの外部拘束力の負荷を制限する部材を含む、請求項５に記載のロボットの制御装置。
【請求項７】
前記ロボットの制御装置は、前記第１の部材の位置を、前記駆動用フレームが回転する方向に沿って変更するための変更手段をさらに含む、請求項５に記載のロボットの制御装置。
【請求項８】
前記変更手段は、
前記第１の部材を取付け、かつ前記駆動軸の周りを回転する第３の部材と、
前記第３の部材の回転に用いる動力を発生する装置とを含む、請求項７に記載のロボットの制御装置。
【請求項９】
前記動力を発生する装置は、
トルクを生成する第２のモータと、
前記第２のモータから前記第３の部材へ、トルクを一方向に伝達する第２の減速機とを含む、請求項８に記載のロボットの制御装置。
【請求項１０】
前記ロボットの制御装置は、前記駆動用フレームの向きが、前記第１のねじりバネから前記外部拘束力を負荷される範囲のうち、前記外部拘束力の負荷が始まる向きとは別の向きにある場合に、前記駆動用フレームに、前記第１の減速機の駆動軸の回転方向と逆方向の外部拘束力を負荷する第２のねじりバネをさらに含む、請求項１に記載のロボットの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−２６３８３２（Ｐ２００６−２６３８３２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８１８４３（Ｐ２００５−８１８４３）
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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