JP2004276181A - パラレルリンクステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一般的なパーソナルコンピュータを使用しながら、パラレルリンクステージの速度ムラや振動の発生を抑制する。
【解決手段】パラレルリンクステージ２と、その動作を制御する制御部３とを備え、制御部３が、所定の制御間隔ごとのエンドエフェクタ部５の位置や角度を示す指令値を生成する軌道指令生成部１７と、生成された指令値に基づいてアクチュエータ９の移動量を算出する逆運動学演算部１８と、算出された移動量に基づいてアクチュエータ９に加える制御信号を算出するサーボ部１６とを備えるとともに、逆運動学演算部１８とサーボ部１６との間に、逆運動学演算部１８において算出された複数回分の移動量を格納し、所定の制御周期毎に逐次サーボ部１６に出力するバッファ部１５が設けられているパラレルリンクステージ装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パラレルリンク機構を用いた精密ステージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、並進３自由度と回転３自由度、計６自由度の相対運動が可能なパラレルリンク機構を用いた精密ステージが知られている。この精密ステージ１００は、図３に示されるように、全体の基台となるベース部１００ａと、試料など作業対象物を搭載するエンドエフェクタ部１００ｂと、駆動源となる超音波モータ１００ｃと、該超音波モータ１００ｃによって移動するスライダ部１００ｄと、該スライダ部１００ｄの移動量を検出する光学スケール１００ｇと、前記スライダ部１００ｄと前記エンドエフェクタ部１００ｂとの間を機械的に接続する可動リンク部１００ｅと、前記エンドエフェクタ部１００ｂと前記可動リンク部１００ｅとの間、および、前記可動リンク部１００ｅと前記スライダ部１００ｄとの間を回転方向の自由度を保って接続する軸受け部１００ｆとから構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
前記精密ステージ１００において、前記ベース部１００ａおよび前記エンドエフェクタ部１００ｂを除く他の部材は、目的とする自由度数に応じて複数個により構成されている。例えば、特許文献１においては６自由度の精密ステージが開示され、これらの部材は６個ずつ備えられている。
【０００４】
また、前記精密ステージ１００には、前記エンドエフェクタ部１００ｂの移動経路、移動速度および目的位置を生成する軌道指令生成部１０１と、前記エンドエフェクタ部１００ｂの位置から前記各スライダ部１００ｄの移動位置および移動速度を算出する逆運動学演算部１０２と、該逆運動学演算部１０２の演算結果を指令値として前記各超音波モータ１００ｃの駆動制御をするサーボ部１０３とが接続されている。
昨今のパーソナルコンピュータの高性能化および低価格化に伴い、前記軌道指令生成部１０１、逆運動学演算部１０２は、パーソナルコンピュータにおいて行うことが考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９８２５７号公報（図３，段落００２２等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合には、パーソナルコンピュータにおいて、演算処理自体は高性能に行うことができるものの、パーソナルコンピュータのオペレーションシステムの処理内容が多岐にわたることから、ミリ秒オーダの正確な時間周期で演算結果をサーボ部１０３に出力することが困難である。その結果、ステージ部１００の動作に速度ムラや不要な振動が発生すると言う不都合が考えられる。
【０００７】
リアルタイム性の保証された特殊なオペレーションシステムの採用や、演算機能の一部をＮＣ機能を持ったハードウェアに実施させる方法も考えられるが、精密ステージシステム全体のコストを増大させることになるという問題がある。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、一般的なパーソナルコンピュータを使用しながら、速度ムラや振動の発生を抑制したパラレルリンクステージを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、ベース部と、該ベース部に対して間隔をあけて配置されるエンドエフェクタ部と、これらベース部とエンドエフェクタ部との間に配置された少なくとも３組のリンク部とを備えるパラレルリンクステージと、該パラレルリンクステージの動作を制御する制御部とを備え、前記各リンク部が、前記エンドエフェクタ部に揺動可能に連結された可動リンクと、該可動リンクに揺動可能に連結され、前記ベース部に固定されたアクチュエータを備える駆動リンクとからなり、前記制御部が、所定の制御間隔ごとの前記エンドエフェクタ部の位置や角度を示す指令値を生成する軌道指令生成部と、該軌道司令生成部により生成された指令値に基づいて、各駆動リンクのアクチュエータの移動量を算出する逆運動学演算部と、算出された移動量に基づいてアクチュエータに加える制御信号を算出するサーボ部とを備えるとともに、前記逆運動学演算部と前記サーボ部との間に、逆運動学演算部において算出された複数回分の移動量を格納し、所定の制御周期毎に逐次サーボ部に出力するバッファ部が設けられているパラレルリンクステージ装置を提供する。
【００１０】
この発明によれば、軌道指令生成部の作動により生成された所定の制御間隔ごとのエンドエフェクタ部の位置や角度を示す指令値に基づいて、逆運動学演算部の作動により各駆動リンクのアクチュエータの移動量が算出される。算出された移動量は一旦バッファ部に蓄えられた後にサーボ部へ出力される。サーボ部は移動量を入力されると、該移動量に基づいて各アクチュエータに加える制御信号を算出し、これをアクチュエータに入力することにより駆動リンクが変位させられる。駆動リンクには可動リンクが揺動可能に連結され、可動リンクはエンドエフェクタ部に揺動可能に連結されているので、駆動リンクおよび可動リンクからなるリンク部は、アクチュエータの移動量に応じてエンドエフェクタ部を指令値によって示された位置や角度に一致させるように変位することになる。
【００１１】
この場合において、バッファ部には複数回分の移動量が蓄えられ、所定の制御周期毎に逐次出力されるので、制御部の軌道指令生成部および逆運動学演算部は、アクチュエータの動作時には制御周期毎に演算を行う必要がない。その結果、制御部としてパーソナルコンピュータを用いても、サーボ部をミリ秒オーダの正確な制御周期で制御することが可能となり、エンドエフェクタ部の動作に速度ムラや不要な振動が発生することを防止することが可能となる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパラレルリンクステージ装置において、前記軌道指令生成部および前記逆運動学演算部が、パーソナルコンピュータにより構成されているパラレルリンクステージ装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態に係るパラレルリンクステージ装置について、図１を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１は、図１に示されるように、パラレルリンクステージ２とこれを制御する制御部３とから構成されている。
【００１４】
パラレルリンクステージ２は、外部構造物に固定されるベース部４と、該ベース部４に対して間隔をあけて配置されるエンドエフェクタ部５と、これらベース部４とエンドエフェクタ部５との間に配置された６組のリンク部６とを備えている。
前記ベース部４およびエンドエフェクタ部５は、例えば、円板状に形成されている。ベース部４は、例えば、外部構造物に固定されることにより水平状態に維持されるようになっている。また、エンドエフェクタ部５には、作業対象物を搭載した状態に保持する治具（図示略）が設けられている。
【００１５】
前記各リンク部６は、ベース部４に取り付けられる駆動リンク７と、エンドエフェクタ部５に取り付けられる可動リンク８とを連結することにより構成されている。
前記駆動リンク７は、例えば、超音波リニアモータからなるアクチュエータ９と、該アクチュエータ９により直線移動させられるスライダ１０と、該スライダ１０の変位量を検出可能な光学スケール１１とを備えている。アクチュエータ９は、水平状態のベース部４に、所定の傾斜角度、例えば、０°〜４５°の角度をなして固定されている。
【００１６】
前記可動リンク８は、一定長さを有する棒状部材であって、その両端にはボールジョイントからなる上部ジョイント１２および下部ジョイント１３が取り付けられており、一端の上部ジョイント１２はエンドエフェクタ部５の下面に取り付けられ、他端の下部ジョイント１３は、前記駆動リンク７のスライダ１０に取り付けられている。
また、前記光学スケール１１は、前記アクチュエータ９の本体に固定され、スライダ１０のストローク変化を検出して、制御部３に送るようになっている。
【００１７】
前記制御部３は、パーソナルコンピュータ１４と、該パーソナルコンピュータ１４に接続されたバッファボックス１５と、該バッファボックス１５に接続されたモータコントローラ／ドライバ１６（サーボ部）とを備えている。
前記パーソナルコンピュータ１４は、軌道指令生成部１７と逆運動学演算部１８とを備えている。軌道指令生成部１７は、所定の制御間隔ごとのエンドエフェクタ部５の位置や角度を示す指令値を生成するようになっている。また、前記逆運動学演算部１８は、前記軌道指令生成部１７により生成された指令値に基づいて、各駆動リンク７のアクチュエータ９におけるスライダ１０の移動量を算出するようになっている。
【００１８】
前記バッファボックス１５は、逆運動学演算部１８により算出されたスライダ１０の移動量を格納するメモリ（図示略）を備え、所定の制御間隔をあけた複数のエンドエフェクタ部５の位置や角度を達成するためのスライダ１０の移動量を複数回分格納するようになっている。そして、格納されているスライダ１０の移動量のうち、最も古いデータをモータコントローラ／ドライバ１６に出力するようになっている。
【００１９】
前記モータコントローラ／ドライバ１６は、前記バッファボックス１５から入力されたスライダ１０の移動量と、前記光学スケール１１から入力されたストローク変化とに基づいて、アクチュエータ９を作動させるようになっている。これらパーソナルコンピュータ１４、バッファボックス１５およびモータコントローラ／ドライバ１６は高速通信手段１９によって接続されている。高速通信手段１９は、パラレルリンクステージ２の制御周期に対して十分に短い時間でデータ通信を行うことができる通信手段である。
【００２０】
このように構成された本実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１を用いて、作業対象物の位置および姿勢を所望の位置および姿勢に変化させる場合には、パーソナルコンピュータ１４の作動により、作業対象物を搭載しているエンドエフェクタ部５の位置および角度の指令値を生成する。パーソナルコンピュータ１４においては、内部の軌道指令生成部１７が作動され、指令値が、所定の制御間隔、例えば、数ミリ秒ごとに複数生成される。
【００２１】
次いで、生成された指令値に基づいて、パーソナルコンピュータ１４内の逆運動学演算部１８が作動され、各指令値に対応する各駆動リンク７のスライダ１０の移動量が算出される。算出された各スライダ１０の移動量は、複数の指令値ごとに対応づけてバッファボックス１５内に格納される。そして、所定数の移動量がバッファボックス１５内に格納された状態で、バッファボックス１５からモータコントローラ／ドライバ１６へ、古いデータから順に、前記制御間隔ごとに出力される。
【００２２】
モータコントローラ／ドライバ１６では、各スライダ１０の移動量に応じたアクチュエータ９の制御信号が生成され、アクチュエータ９に供給されるとともに、光学スケール１１からの検出信号が、スライダ１０の移動量に一致するように調整される。アクチュエータ９は、供給された制御信号に応じてスライダ１０を移動させる。スライダ１０には、可動リンク８の一端に設けられた下部ジョイント１３が取り付けられているので、可動リンク８が変位させられる。また可動リンク８の他端には上部リンク１２を介してエンドエフェクタ部５が取り付けられているので、可動リンク８の変位によりエンドエフェクタ部５が移動させられ、エンドエフェクタ部５上の作業対象物の位置および姿勢が変化させられる。
【００２３】
このように、本実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１によれば、パーソナルコンピュータ１４における演算結果がそのままモータコントローラ／ドライバ１６へ入力されるのではなく、一端バッファボックス１５に蓄えられた後に、あらかじめ定められた所定の制御間隔ごとにモータコントローラ／ドライバ１６へ出力される。したがって、パーソナルコンピュータ１４内では、厳密に制御間隔ごとに演算を終了して結果を出力する必要がない。すなわち、パーソナルコンピュータ１４は比較的短いミリ秒オーダーの正確な周期で作動する必要がなく、特殊なオペレーティングシステムやハードウェア化を行うことなく、市販の一般的なパーソナルコンピュータで済むことになる。そして、本実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１によれば、このような一般的なパーソナルコンピュータ１４を用いても、エンドエフェクタ部５に搭載された作業対象物の変位の際における速度ムラや振動を防止することができるという効果がある。
【００２４】
次に、上述した第１の実施形態に係るパラレルリンクステージ装置１を備えた組立調整装置２０について、図２を参照して説明する。
この組立調整装置２０は、全体制御を行う全体制御コンピュータ２１と、上記パラレルリンクステージ装置１と、全体制御コンピュータ２１によって制御されるロボットコントローラ２２と、該ロボットコントローラ２２により制御されるロボット２３とを備えている。
【００２５】
前記全体制御コンピュータ２１は、パーソナルコンピュータであって、前記パラレルリンクステージ装置１の制御部３を構成するパーソナルコンピュータ１４と高速通信手段２４により接続されている。
前記ロボット２３は、前記パラレルリンクステージ２のエンドエフェクタ部５に搭載する作業対象物を把持するハンド２５や、作業対象物の位置や姿勢を検出するカメラ２６等を空間的に移動させる装置であり、全体制御コンピュータ２１からの指令を受けたロボットコントローラ２２の作動により、作動させられるようになっている。図中、符号２７は作業対象物である複数の部品を配置しておく部品パレットを示している。
【００２６】
このように構成された組立調整装置２０の作用について以下に説明する。
まず、全体制御コンピュータ２１からの指示を受けたロボットコントローラ２２が、ロボット２３を作動させて、部品パレット２７から目的の部品を取り出す位置にハンド２５およびカメラ２６を配置する。ハンド２５およびカメラ２６が所定の位置に配置されると、カメラ２６が作動させられ、部品パレット２７上の作業対象物が撮像される。撮像された画像データは全体制御コンピュータ２１に送られ、そこで画像処理によって作業対象物の位置や姿勢が認識される。全体制御コンピュータ２１は、認識された作業対象物の位置や姿勢に基づいて該作業対象物を把持し得る位置および姿勢にハンド２５を配置するようロボットコントローラ２２に指示を送る。ロボットコントローラ２２は全体制御コンピュータ２１から送られた指示に基づいてロボット２３を作動させた後、ハンド２５を作動させて作業対象物を把持する。
【００２７】
把持された作業対象物は、ロボットコントローラ２２によるロボット２３の作動により、パラレルリンクステージ２のエンドエフェクタ部５上に搬送され、エンドエフェクタ部５に搭載される。そして、図示しない治具の作動により作業対象物がエンドエフェクタ部５上に固定される。
その後、パラレルリンクステージ装置１の作動により、パラレルリンクステージ２が作業対象物を組立に適した適正な位置および姿勢となるように変位させられる。
【００２８】
この場合において、バッファボックス１５に格納されている複数の演算結果を適正な制御間隔ごとにパラレルリンクステージ２に出力するので、パラレルリンクステージ２は不要な振動のないスムーズな移動動作を達成することができる。したがって、治具に保持された作業対象物の振動による予期せぬ位置ずれが発生することを未然に防止することができる。その結果、次にハンド２５によって把持した部品を、エンドエフェクタ部５上の作業対象物に干渉させずに、無理なく組み付けることができる。
【００２９】
なお、上記実施形態においては、パラレルリンクステージ装置１の制御部３とは別個に全体制御コンピュータ２１を設けることとしたが、これに代えて、全体制御コンピュータ２１にパラレルリンクステージ装置１の制御部３を含めることにしてもよい。これにより、より安価な組立調整装置２０を提供することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るパラレルリンクステージ装置によれば、パラレルリンクステージの速度ムラや不要な振動を抑制して、スムーズに作動させることができる。特に、パラレルリンクステージを部品の組立に使用する場合には、組み立てる相手部品との干渉を生ずることなく、適正に組み立てることができる。また、特殊な制御装置を使用することなく、一般的なパーソナルコンピュータの使用を可能にして、製品コストを低減することができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るパラレルリンクステージ装置を示すブロック図である。
【図２】図１のパラレルリンクステージ装置を利用した組立調整装置の一例を示すブロック図である。
【図３】従来のパラレルリンクステージ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ パラレルリンクステージ装置
２ パラレルリンクステージ
３ 制御部
４ ベース部
５ エンドエフェクタ部
６ リンク部
７ 駆動リンク
８ 可動リンク
９ アクチュエータ
１５ バッファボックス（バッファ部）
１６ モータコントローラ／ドライバ（サーボ部）
１７ 軌道指令生成部
１８ 逆運動学演算部

Claims (2)

1. ベース部と、該ベース部に対して間隔をあけて配置されるエンドエフェクタ部と、これらベース部とエンドエフェクタ部との間に配置された少なくとも３組のリンク部とを備えるパラレルリンクステージと、該パラレルリンクステージの動作を制御する制御部とを備え、
   前記各リンク部が、前記エンドエフェクタ部に揺動可能に連結された可動リンクと、該可動リンクに揺動可能に連結され、前記ベース部に固定されたアクチュエータを備える駆動リンクとからなり、
   前記制御部が、所定の制御間隔ごとの前記エンドエフェクタ部の位置や角度を示す指令値を生成する軌道指令生成部と、該軌道司令生成部により生成された指令値に基づいて、各駆動リンクのアクチュエータの移動量を算出する逆運動学演算部と、算出された移動量に基づいてアクチュエータに加える制御信号を算出するサーボ部とを備えるとともに、
   前記逆運動学演算部と前記サーボ部との間に、逆運動学演算部において算出された複数回分の移動量を格納し、所定の制御周期毎に逐次サーボ部に出力するバッファ部が設けられているパラレルリンクステージ装置。
2. 前記軌道指令生成部および前記逆運動学演算部が、パーソナルコンピュータにより構成されている請求項１に記載のパラレルリンクステージ装置。

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