非ホロノミックマニピュレータ

【課題】劣駆動マニピュレータは、軽量、低コスト化が見込まれて種々の研究がなされているが、制御が難しく実用化の例は少ない。劣駆動マニピュレータの利点を活かしかつ制御をやさしくするような構成法が課題であった。
【解決手段】遊星ギアユニットのプラネタリギアキャリアに第一リンクを固定し、リングギアに第二リンクを固定し、これらに第三リンク、第四リンクを追加してパンタグラフを構成する．またサンギア回転軸にアクチュエータを設けた構成とする。こうすると劣駆動マニピュレータでありながら、簡単な比例制御でハンド部を任意の円軌道や任意角度の直径軌道を動かすことができることを確認した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
非ホロノミック拘束を利用した劣駆動マニピュレータの構造に関する．
【背景技術】
【０００２】
マニピュレータ先端のハンド部を２次元平面の許容範囲内において任意の位置に移動させる平面マニピュレータは、一般に２つの独立したアクチュエータが必要である。ここでアクチュエータが一つの場合は劣駆動マニピュレータと称され、軽量、低コスト化が見込まれて種々の研究がなされている。しかし、所定の位置に物体を持っていくための制御が難しく実用化の例は少ない。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
劣駆動マニピュレータは、軽量、低コスト化が見込まれて種々の研究がなされているが、制御が難しく実用化の例は少ない。劣駆動マニピュレータの利点を活かしかつ制御をやさしくするような構成法が課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
図１に示すように、サンギア１とリングギア２とプラネタリギアとそのキャリア３とからなる遊星ギアユニットを有し、プラネタリギアキャリアに第一リンク４を固定し、リングギアに第二リンク５を固定し、これらに第三リンク６、第四リンク７を追加してパンタグラフを構成する．また図３に示すようにサンギア回転軸にアクチュエータを設けて能動的に回転させる機能を持たせた構成とする。パンタグラフの先端にはハンド部８が設けられている。
遊星ギアユニットの単独の特性を図２に示す。サンギアの回転速度をω_１、プラネタリギアキャリアの回転速度をω_２、リングギアの回転速度をω_３とすると、プラネタリギアがサンギア上を転がる長さとリングギア上を転がる長さが等しい条件から図のような関係式が得られる。
【０００５】
本マニピュレータの各座標とパラメータを図３に示す。モータ９はサンギアを直接駆動する。こうすると、マニピュレータの運動に関する数式が（１）〜（８）のように記述できる。
まず、ラグランジアンは次のようになる。
【数式１】

ここで、
【数式２】

【数式３】

【数式４】

【数式５】

【数式６】

運動方程式は、

【数式７】

【数式８】

ここで式（７），（８）のθとθ_Ｓの２次微分項（慣性項）に非駆動変数θが含まれるため、非特許文献１に示されているように、この系は非ホロノミック系であることが明らかであり一般に一つのアクチュエータでパンタグラフ先端を平面上の任意の位置に移動できる可能性を有する。
さらに、式（４）よりｒはθ_Ｓにより直接制御可能であり、構成からθ_ＳはアクチュエータトルクＴ_Ｓにより直接制御可能であるため、ｒはＴ_Ｓにより制御可能であることがわかる。次に、式（７），（８）を加算すると、θ_Ｓの２次微分項はＩ_Ｓのみとなることから、Ｉ_Ｓを小さく設定すればθはＴ_Ｓにより制御可能であることがわかる。
このようにｒもθもそれぞれ単独の制御なら比較的簡単な制御で目標値に達する制御が可能であることが予測できる。
非特許文献１：Ｇ．Ｏｒｉｏｌｏ，Ｙ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＳｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒＮｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃＣｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ：ＵｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ，Ｐｒｏｃ．３０^ｔｈＩＥＥＥＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ＯｎＤｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２３９８／２４０３（１９９１）
【発明の効果】
【０００６】
次に、性能をシミュレーションにより確認する．シミュレーションはＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫで行った。図１に示す形態のマニピュレータを考え、図２に示す遊星ギアを用い、図３のように各パラメータと変数を定義し、式（７），（８）で示されるモデルを用いてシミュレーションを行った。
初期状態ｒ＝１．０，θ＝０．０から、θを１．０に近づける制御を行った結果を図４〜７に示す。設定したパラメータと制御則も同時に図４に示す。
初期状態ｒ＝１．０，θ＝０．０から、ｒを０．３に近づける制御を行った結果を図８〜１１に示す。
設定したパラメータと制御則も同時に図８に示す。
いずれも、簡単な比例＋微分制御のみにより、目標を達成していることが分かる。
一般の劣駆動マニピュレータ、例えば水平面内におかれた２本のリンクを有する回転２軸マニピュレータは中心軸を駆動すると非ホロノミックマニピュレータになるが、簡単な比例制御により上記のような制御結果を得たという報告はないし、比例制御では不可能と思われる。
【０００７】
図１２は、アクチュエータで１つのギア軸を駆動する場合と、２つのギア軸の相対角を駆動する場合の比較を示す。これより、１つのギア軸を駆動する場合は、慣性マトリクスに非駆動変数θが含まれるためこの系は非ホロノミック系であるが、２つのギア軸の相対角を駆動する場合は、慣性マトリクスに非駆動変数θが含まれないためこの系はホロノミック系となり１つのアクフエータでは制御できないことがわかる。
【０００８】
図１３は、本発明を検査作業の支援ロボットに適用した例を示す。図では円卓状の作業台１０で３人の作業者が、組立工程から来た製品１１の最終検査を行っている。この製品の検査は、高度の熟練を要するため、熟練工が検査を行なわなければならない場合である。検査後はＯＫ、ＮＧ品を分別して梱包工程あるいは修理工程へ運ばれる。
本発明のロボット本体は、円卓状の作業台１０の中央部あるいは天井に固定されており、パンタグラフ先端のハンド部の移動範囲は円卓全体をカバーしている。
ここでロボットの役割は、組立工程から来た製品１１を作業者の所へ運び、作業が完了した製品を梱包工程へ渡す役割を行っている。図では作業者１２がロボットに製品を運んでくるように指示を出し、ロボットが組立工程から来た製品１１を把持し作業者Ｃの所へ運んできた状況を表わしている。制御は図１０に示したｒを一定にする制御をしているため、図１３において非ホロノミックな運動をしながら図の一点鎖線の軌道に沿って製品を運ぶ。ここで作業者１２はロボットハンド部８に設けられた取っ手を掴んでロボットハンドを手前に引き自分の作業しやすい位置まで移動してから製品を作業台に降ろす。このようにロボットが製品を円軌道に沿って制御している状況下で人間が割り込んで自分の欲する位置まで動かすような割り込み操作は、非ホロノミック機構でないと困難である。非ホロノミック機構は、モータで直接ｒやθを制御しておらず慣性力を介して制御しているため、作業者はｒ、θ方向には比較的自由に製品を動かすことができる。
【０００９】
このように、人間とロボットの協調作業において、制御中のロボットに作業者が割り込んで作業者の操作を優先させる機能を与えることで、作業者が作業しやすい位置に自在に製品を降ろすことが出来、また作業者が自分の意思で作業位置をフレキシブルに決められるため作業者の環境改善や負担低減につながる。また、作業者１２が初心者の場合に作業者詔が手本を見せるために１３の位置を１２に近づけて作業を行ったり、一時的にラインの稼働率を上げる必要が生じスペースが許す限りの作業者を投入しなければならない場合もマニピュレータの制御方法はそのままで図の点線で示すように作業者を投入することで、フレキシブルな対応が可能になるといったメリットもある。
【００１０】
さらには図１４，１５に比較して示すように、基本的に非ホロノミックマニピュレータはハンド部に外力が加わると逃げるように動くため、誤って作業者がハンド部に腕や顔をぶつけても衝撃が小さく負傷しにくい。このため人間とロボットの協調作業における安全性確保の効果も大きい。図１４（ａ），（ｂ）に示すように、従来の２次元マニピュレータは、ｒ一定で回転中に障害物に当たってもモータトルクが直接障害物に加わるため、製品や障害物にダメージを与えるが、図１５（ａ），（ｂ）に示すように本考案の２次元マニピュレータは、ｒ一定で回転中に障害物に当たった場合にモータトルクや回転速度が変わらなくても製品はｒ方向に逃げてくれるため、モータトルクが直接障害物に加わらず、製品や障害物にダメージを与えない。なお図１４，１５いずれの場合も、マニピュレータの回転速度は十分小さくて運ばれる製品が障害物に当たった時の慣性力による衝撃は考慮しなくてよいものとする。
【００１１】
以上は検査工程に適用した例であるが、組み立て工程の中で適用することも出来る。
また、このような人間とロボットの協調作業における非ホロノミックマニピュレータのメリットは、レストランなどのサービス業や家庭の介護支援に活用しても活かすことが出来る。
従来の位置制御マニピュレータでこのようなことをやろうとすると一端クラッチでハンド部とアクチュエータ間の伝達機構を解除する必要があり構成が複雑になってしまうため、非ホロノミックマニピュレータでないと実現困難である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１６に形態を示す。基本構成は図１と同じであるが、ハンド部とプラネタリギアキャリア部１４とを上下方向にクリアランスを持たせて設定することでｒ＝０付近でもハンド部とキャリア部が干渉せず、ハンド部がｒ＝１の円内の任意の位置へ移動できるように構成した。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
マニピュレータの先端をギア軸を中心とする任意の円軌道あるいは直径線上を移動させることができるためハンド部分の操作をうまく連動させれば、ペイントや物のハンドリングや部品供給などで有用性の高いマニピュレータとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のマニピュレータの全体図である。
【図２】遊星ギアの構成と特性の説明図である。
【図３】パラメータと変数と座標の説明図である。
【図４】θが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲１▼である。（ハンド部の平面軌跡）
【図５】θが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲２▼である。（θとその速度、加速度の時間波形）
【図６】θが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲３▼である。（ｒの時間波形）
【図７】θが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲４▼である。（制御トルクＴ_Ｓの時間波形）
【図８】ｒが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲１▼である。（ハンド部の平面軌跡）
【図９】ｒが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲２▼である。（θとその速度、加速度の時間波形）
【図１０】ｒが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲３▼である。（ｒの時間波形）
【図１１】ｒが一定になるような制御を行った場合のシミュレーション結果▲４▼である。（制御トルクＴ_Ｓの時間波形）
【図１２】アクチュエータ配置の違いによる特性差の比較図である。
【図１３】本マニピュレータを検査作業に適用した場合の実施例である。
【図１４（ａ）】従来のマニピュレータが障害物に当たる前の状態を示す図である。
【図１４（ｂ）】従来のマニピュレータが障害物に当たった時の状態を示す図である。
【図１５（ａ）】本考案のマニピュレータが障害物に当たる前の状態を示す図である。
【図１５（ｂ）】本考案のマニピュレータが障害物に当たった時の状態を示す図である。
【図１６】実施するための最良の形態を示す。
【符号の説明】
【００１５】
１サンギア
２リングギア
３プラネタリギアキャリア
４第一リンク
５第二リンク
６第三リンク
７第四リンク
８ハンド部
９モータ
１０円卓状作業台
１１製品
１２作業者
１３作業者

【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンギアとリングギアとプラネタリギアとからなる遊星ギアユニットを有し、サンギア、リングギアあるいはプラネタリギアキャリアに第一リンクを固定し、残りのギアのあるいはキャリアに第二リンクを固定し、これらに第三、四リンクを追加してパンタグラフを構成する．前記３種類のいずれかのギアあるいはキャリアにアクチュエータを設けて能動的に回転させる機能を持たせたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記パンタグラフの先端に物体の把持機能を有するハンドユニットを設けたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項３】
請求項１において、前記パンタグラフの先端に流体の放出とその調整機能を有するユニットを設けたことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項４】
前記パンタグラフの先端の極座標を（ｒ，ｃｏｓθ）（ここでｒはギア中心軸からパンタグラフ先端までの長さ、θは前記ギア中心軸を通る基準線とギア中心軸からパンタグラフ先端を結ぶ直線のなす角度である）としたとき、任意のｒ一定の円軌道を描くように制御することを特徴としたマニピュレータ。
【請求項５】
前記パンタグラフの先端の極座標を（ｒ，ｃｏｓθ）としたとき、任意のθ一定の直線軌道を描くように制御することを特徴としたマニピュレータ。

【図１】