JP2588418B2 - 3次元マニピュレータ - Google Patents

3次元マニピュレータ

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JP2588418B2
JP2588418B2 JP63080404A JP8040488A JP2588418B2 JP 2588418 B2 JP2588418 B2 JP 2588418B2 JP 63080404 A JP63080404 A JP 63080404A JP 8040488 A JP8040488 A JP 8040488A JP 2588418 B2 JP2588418 B2 JP 2588418B2
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moving
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英夫 小山
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Shin Meiva Industry Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、エンドエフェクタを3次元的に移動させ
ることができる3次元マニピュレータに関する。
〔従来の技術〕
2次元的または3次元的に移動させることができる多
次元マニピュレータは既に種々のタイプのものが提案さ
れており、特に産業用ロボットなどの分野では数多くの
技術が利用されている。しかしながら、高精度で多次元
位置決めを行なわせようとすると装置の複雑化やコスト
アップは避けられないものとなっている。このため、ワ
ーク側をX−Yテーブルによって移動させてエンドエフ
ェクタに対する相対的位置決めを行なうことも多い。そ
して、このようなX−Yテーブルの駆動制御方式として
は、たとえば特開昭62−179004号公報に開示された方式
などがある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、X−Yテーブルの駆動制御もまた容易
ではなく、複雑な制御を行なわねばならない。またX−
Yテーブルはそのサイズがかなり大きく、かさばってし
まうという問題もある。このため、コンパクトで安価で
あるとともに位置決め精度も高い多次元マニピュレータ
の開発が望まれていた。
〔発明の目的〕
この発明は従来技術における上述の課題の解決を意図
しており、コンパクトかつ安価で、位置決め精度も高い
3次元マニピュレータを提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、この発明の3次元マニピ
ュレータでは、複数の1次元案内部材上をそれぞれ移動
自在な3つの移動体に3体のアームがそれぞれ回動自在
に取付けられ、前記3体のアームが所定の連結部位にお
いて互いに回動自在に連結されてリンク機構が形成され
るとともに、前記3つの移動体のそれぞれを駆動して前
記各1次元案内部材上で独立に移動させる3つの駆動手
段が設けられ、かつ前記リンク機構にエンドエフェクタ
が連結されている点にある。
〔作用〕
3つの移動体を同方向に移動させると、リンク機構
は、その関節角を変化させずに、全体として案内部材が
伸びる方向と同一の方向へ移動する。これにより、エン
ドエフェクタは、上記方向と同一の方向に移動可能であ
る。これに対して、複数の移動体を互いに異なる方向に
移動させると、リンク機構における関節角が変化する。
アームの長さは固定されているため、これによってエン
ドエフェクタは、案内部材が伸びる方向に対して非平行
な方向へと移動する。これらの動きを組合わせることに
より、エンドエフェクタを3次元的に移動させて位置決
めすることが可能である。
〔実施例〕
先ず、この発明に関連する構造を有する2次元マニピ
ュレータの提案例について説明する。即ち、第1図は、
その2次元マニピュレータの一部切欠要部斜視図であ
る。このマニピュレータ1は、X方向に1次元的に伸び
る案内部材2を有しており、案内部材2は、互いに平行
な一対のガイドレール3a,3bと、ネジ杆4とを備えてい
る。これらのガイドレール3a,3bには、一対の移動体5a,
5bが摺動自在に取付けられている。移動体5a,5bはガイ
ドレール3a,3bによって支持されるとともに、それらの
X方向の移動がガイドレール3a,3bによってガイドされ
る。
移動体5a,5bには、モータ6a,6bがそれぞれ取付けられ
ている。これらのモータ6a,6bは、例えばブラシレス型
のサーボモータであり、その内部には、モータのロータ
と一体的に形成したボールナット(図示せず)が内蔵さ
れている。そして、そのボールナットはネジ杆4と螺合
しており、そのボールナットとネジ杆4とによってボー
ルねじが形成されている。このため、図示しないそれぞ
れの給電線を通じてモータ6a,6bに給電し、それによっ
てモータ6a,6bに回転力を発生させることにより、移動
体5a,5bは独立にX方向または(−X)方向に移動す
る。なお、各モータ6a,6b内には、ロータ回転角検知の
ためのロータリエンコーダを設けておくことができる。
移動体5a,5bには、クロスローラベアリングなどで形
成された回動機構7a,7bによって、アーム8a,8bがそれぞ
れX−Y平面上で回動自在に支持されている。このた
め、アーム8a,8bは、X−Y平面内で旋回可能である。
アーム8a,8bのそれぞれの長さは互いに異なっていても
よいが、この提案例では同一の長さL(第1図中には図
示せず。)とされている。
アーム8a,8bのそれぞれの他端は、クロスローラベア
リングなどで形成された回動機構9を介して、互いにX
−Y面内で回動自在に連結されている。したがって、ア
ーム8a,8bは、それらの端部を連結部位とするリンク機
構10を形成している。また、この連結部位の下方におい
て、エアーチャックによって構成されたエンドエフェク
タ11が一方のアーム8bの端部に取付けられている。この
エアーチェックは、エアーホース12を介して供給される
エアーによって開閉する。
次に、このマニピュレータ1の基本的動作について説
明する。ここでは、第1図の機構を模式化してX−Y平
面図として示した第2図を参照する。ただし、第2図に
おいては、案内部材2上の移動体5a,5bの基準位置とし
て、X=Xa,Xbをそれぞれ想定している。
まず、移動体5a,5bをともにX方向に同一量だけ移動
させた場合には(第2図(a))、リンク機構10の関節
角θは不変のままで、リンク機構10が全体としてX方向
へ並進移動する(破線)。このため、エンドエフェクタ
11のY座標Y0は不変のままで、そのX座標が(+)側に
変化する。逆に、移動体5a,5bを(−X)方向に同一量
だけ移動させると、Y座標Y0を不変に保ったままで、エ
ンドエフェクタ11は(−X)側に移動する(第2図
(a)実線)。
一方、移動体5a,5bを互いに逆方向に同一量だけ移動
させると(第2図(b))、リンク機構10のX方向重心
位置はそのままで、その関節角θが変化する。このた
め、移動体5a,5bが互いに近づくような移動を行なわせ
れば、破線で示すようにエンドエフェクタ11のY座標が
増大し、また、移動体5a,5bが互いに遠ざかる方向に移
動を行なわせれば、実線で示すようにエンドエフェクタ
11のY座標が減少する。これらにおいて、エンドエフェ
クタ11のY座標X0は不変である。
これらのことから、移動体5a,5bのそれぞれの移動方
向と移動量とを制御することにより、エンドエフェクタ
11は直角二次元X−Y平面内で任意に動き得ることがわ
かる。その可動範囲は、第2図(c)に破線で囲んで示
す矩形領域Aであって、この矩形領域Aの上辺および下
辺の長さは主として案内部材2の長さによって規定さ
れ、左辺および右辺の長さは主としてアーム8a,8bの長
さLによって規定される。
エンドエフェクタ11を領域A内の任意の点(Xc,Yc)
に位置決めする際に、移動体5a,5bをどの位置まで移動
させればよいかは、簡単な幾何学的計算で求めることが
できる。理解を容易にする目的で移動体5a,5b自身の大
きさを無視する近似を行なった場合を考える。この場合
には、第2図(c)に示すように、点(Xc,Yc)を中心
とし、アーム8a,8bの長さLを半径とする円Cを想定
し、この円Cが、案内部材2を表現する線分1と交わる
2点のX座標X1,X2を求める。そして、このX座標X1,X2
の位置まで、移動体5a,5bをそれぞれ移動させればよ
い。移動体5a,5b自体の大きさを考慮した場合への拡張
も容易である。このため、マニピュレータ1を制御する
コントローラ(図示せず)を設けたときに、そのコント
ローラにおける制御シーケンスも比較的簡単となる。
以上のように、この提案例のマニピュレータ1では、
移動体5a,5bを1次元的に並進駆動させる機構のみでエ
ンドエフェクタ11を2次元的に移動させることができる
ため、機構的にコンパクトとなる。また精密位置決めに
必要とされる高価なボールねじなどの数も少なくてすむ
ため、比較的安価にマニピュレータ1を構成することが
できる。特に、モータ6a,6bとしてナット組込型の一体
化モータを使うことで、この効果はさらに高まってい
る。さらに、機構的に簡単であることから、各部の変形
や可動部のガタなどに起因する位置決め誤差も少なく、
高精度の位置決めが可能となる。
次に、この発明の一実施例である3次元マニピュレー
タについて説明する。なお、前記提案例における部材と
同様構成部分は同様符号を付し、その詳細な説明を省略
する。
即ち、第3A図に示すように、前記提案部材2に対応す
る構造の1次元案内部材2a〜2cを互いに平行に配置して
設ける。そして、前記移動体5a,5bに対応する構造の移
動体5A〜5Cの3つをこれらの案内部材2a〜2cにそれぞれ
移動自在に取付け、各移動体5A〜5Cに前記アーム8a,8b
に対応する構造の3体のアーム8A〜8Cが回動自在に支持
される。
また、各アーム8A〜8Cはその他端部を連結部位とする
リンク機構10aを形成し、この連結部位の下方にエンド
エフェクタ11が取付けられる。
このように構成すれば、各移動体5A〜5Cのそれぞれの
移動方向と移動量を制御することにより、エンドエフェ
クタ11はX−Y−Z直角座標系で規定される3次元空間
内で移動可能である。なお、この際、案内部材2a〜2cの
うちの任意の2つは互いに兼用されていてもよい。ただ
し、このような3次元マニピュレータの場合には、各回
動部を、所定の立体角内で回動自在に構成する。また、
エンドエフェクタ11は常に所定の方向(たとえば下方)
を向くようにしておく。
第3B図は、第3A図の構成を具体化した一例を示す模式
機構図である。この例では、アーム8A〜8Cのそれぞれを
平行リンク機構によって形成している。エンドエフェク
タ11の軸11aをアーム8Aの垂直辺8aに固定することによ
り、エンドエフェクタ11は常に下方を向いている。アー
ム8Aのみを平行リンク構成としてもよい。
また、上記実施例において、前記提案例の如く、移動
体5A〜5Cに取付けたモータでボールナットを回転させる
構造としてもよく、各移動体5A〜5Cごとにネジ杆を設け
るときには、案内部材2a〜2c側にモータを設けて、それ
らのネジ杆を回転させる構造としてもよい。もっとも、
移動体5A〜5Cに取付けたモータでボールナットを回転さ
せる構造の方が機構的に最も簡単である、ネジ杆を兼用
することが望ましい。
従って、前記提案例と同様、各移動体5A〜5Bを1次元
的に移動制御させる機構のみでエンドエフェクタ11を3
次元的に移動させることができるため、機構的にコンパ
クトとなる。また精密位置決めに必要とされる高価なボ
ールねじなどの数も少なく構成でき、比較的安価にマニ
ピュレータを構成することができる。特に、モータとし
てナット組込型の一体化モータを使うことで、この効果
はさらに高まる。さらに、機構的に簡単であることか
ら、各部の変形や可動部のガタなどに起因する位置決め
誤差も少なく、高精度の位置決めが可能となる。
なお、この発明の3次元マニピュレータは、従来X−
Yテーブルを用いて位置決めを行なっていた分野のほ
か、種々のハンドリングシステムや加工システムなどに
も利用可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明によれば、各移動体を
それぞれ独立に各1次元案内部材上で移動させることに
よってエンドエフェクタの3次元の位置決めが可能とな
り、機構的にコンパクトかつ安価で、高精度な位置決め
にも適した3次元マニピュレータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明に関連する提案例の一部切欠要部斜
視図、 第2図は、同提案例の動作原理を示す平面模式図、 第3A図はこの発明の実施例の説明図、 第3B図は第3A図のマニピュレータを具体化した一例を示
す模式機構図である。 2a,2b,2c……案内部材 5A,5B,5C……移動体 8A,8B,8C……アーム 10a……リンク機構 11……エンドエフェクタ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の1次元案内部材上をそれぞれ移動自
    在な3つの移動体に3体のアームがそれぞれ回動自在に
    取付けられ、前記3体のアームが所定の連結部位におい
    て互いに回動自在に連結されてリンク機構が形成される
    とともに、 前記3つの移動体のそれぞれを駆動して前記各1次元案
    内部材上で独立に移動させる3つの駆動手段が設けら
    れ、かつ 前記リンク機構にエンドエフェクタが連結されているこ
    とを特徴とする3次元マニピュレータ。
JP63080404A 1988-03-31 1988-03-31 3次元マニピュレータ Expired - Lifetime JP2588418B2 (ja)

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