シリアルマニピュレータ

シリアルマニピュレータは最も一般的な産業用ロボットであり、ベースからエンドエフェクタまで伸びるモーター駆動ジョイントによって接続された一連のリンクとして設計されています。多くの場合、シリアルマニピュレータは「肩」、「肘」、「手首」を持つと説明される擬人化された腕構造を持っています。

シリアルロボットには通常 6 つのジョイントがあります。これは、操作対象オブジェクトをロボットの作業スペース内の任意の位置と方向に配置するには、少なくとも 6 つの自由度が必要であるためです。

今日の業界でシリアルロボットの一般的な用途は、 4 つの自由度を持つ SCARAロボットと呼ばれるピックアンドプレース組み立てロボットです。

構造

最も一般的な形式では、シリアルロボットは、ジョイントに接続された多数の剛体リンクで構成されています。製造と制御の簡素化を考慮した結果、回転ジョイントまたは直動ジョイントと、直交、平行、または交差するジョイント軸 (任意に配置されたジョイント軸ではなく) のみを備えたロボットが生まれました。Donald
L. Pieper は、このコンテキストで最初の実用的な結果である^[1]321 運動構造を導きました。6 つの回転ジョイントと 3 つの連続するジョイントが交差するシリアルマニピュレーターの逆運動学は、閉じた形式、つまり解析的に解くことができます。この結果は、産業用ロボットの設計に多大な影響を及ぼしました。

シリアルマニピュレータの主な利点は、ロボットのサイズと占有する床面積に対して作業スペースが広いことです。これらのロボットの主な欠点は次のとおりです。

オープンな運動構造に固有の低い剛性、
エラーはリンクごとに蓄積され、増幅され、
ほとんどのアクチュエータの大きな重量を運び移動させなければならないという事実と
操作できる有効負荷が比較的低い。

運動学

ロボットのエンドエフェクタの位置と方向は、ロボットアームの幾何学的モデルを使用して、関節の位置から導き出されます。シリアルロボットの場合、関節の位置からエンドエフェクタの姿勢へのマッピングは簡単ですが、逆マッピングはより困難です。そのため、ほとんどの産業用ロボットには、逆マッピングの複雑さを軽減する特別な設計が施されています。

ワークスペース

ロボットのエンドエフェクタの到達可能なワークスペースは、到達可能なフレームの多様体です。
器用なワークスペースは、ロボットがそのポイントで完全な接線空間にまたがる速度を生成できる到達可能なワークスペースのポイントで構成されます
。つまり、ロボットは操作対象オブジェクトを 3 自由度で平行移動し、3 回転自由度でオブジェクトを回転できます。ロボットが保持するオブジェクトのジョイント空間と直交空間座標の関係は、一般に多値です。つまり、シリアルアームは、それぞれ異なるジョイント座標セットを使用して、異なる方法で同じポーズに到達できます。したがって、ロボットの到達可能なワークスペースは、運動学的関係がローカルで 1 対 1 である構成 (アセンブリモードとも呼ばれる) に分割されます。

特異点

特異点とは、関節パラメータがエンドエフェクタの位置と方向を完全に定義しなくなったシリアルマニピュレータの構成です。特異点は、関節軸が整列してエンドエフェクタを配置するアームの能力が低下する構成で発生します。たとえば、シリアルマニピュレータが完全に伸びている場合、境界特異点として知られています。^[2]

特異点では、エンドエフェクタは 1 つ以上のねじれ自由度を失います (瞬時に、エンドエフェクタはこれらの方向に移動できなくなります)。
独立したジョイントが 6 つ未満のシリアルロボットは、6 次元のねじれ空間にまたがることができないという意味で常に特異です。これは、アーキテクチャ特異点と呼ばれることがよくあります。特異点は通常、ロボットの作業スペース内の孤立した点ではなく、サブ多様体です。

冗長マニピュレータ

冗長マニピュレータは6以上の自由度を持ち、エンドエフェクタを固定位置と方向に保持しながらロボットの構成を変更できる追加の関節パラメータ^{[3]を持つことを意味します。}

典型的な冗長マニピュレータには、肩に 3 つ、肘に 1 つ、手首に 3 つの関節など、7 つの関節があります。このマニピュレータは、エンドエフェクタの特定の位置と方向を維持しながら、肘を円を描くように動かすことができます。

ヘビ型ロボットは 6 つ以上の自由度を持ち、超冗長型と呼ばれることもあります。

メーカー

参照

参考文献

^ DL Pieper. コンピュータ制御によるマニピュレータの運動学。博士論文、スタンフォード大学、機械工学部、1968 年
^ 6 軸ロボットアームの特異点とは何ですか?
^ P. Moubarak他「シリアル冗長アームを備えた移動ロボットの適応操作と軌道追従のためのグローバル収束アルゴリズム」Robotica、31 (8) (2013) 1299 – 1311。

[1] DL Pieper. コンピュータ制御によるマニピュレータの運動学。博士論文、スタンフォード大学、機械工学部、1968 年

[2] 6 軸ロボットアームの特異点とは何ですか?

[3] P. Moubarak他「シリアル冗長アームを備えた移動ロボットの適応操作と軌道追従のためのグローバル収束アルゴリズム」Robotica、31 (8) (2013) 1299 – 1311。