JP4125960B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータと制御装置を備える産業用ロボットに関し、該マニピュレータはそれぞれが可動プラットフォームを支持するリンク機構を有するアームを３本有する。該制御装置は、所望の方法で該マニピュレータを駆動し誘導するためのマイクロプロセッサおよびソフトウェアを含む手段と駆動装置とを有する。プラットフォームに所望の動作を実現するため、リンク機構は、プラットフォームとアームの間に関節接合されたロッドまたはリンクを備える。各ジョイントは３自由度の運動が可能である。アームは１自由度の運動を可能にする固定アクチュエータに固定される。この運動は回転および平行移動の両方を含む。プラットフォームの役割は、運動、計測、処理、機械加工、接合などのためのツールまたは物体を直接的または間接的に支持することである。

物体の傾斜角を変えずに移動および回転させるため、いわゆるＳＣＡＲＡ型ロボットが現在主に使用されている。これらのロボットは、自由度４、つまり物体のｘ、ｙ、ｚ方向への運動およびｚ軸を中心にした回転が可能となるように設計されている。ｘｙ面内で物体を操作するために、ｘｙ面内で操作される直列接続された２本のアームが用いられ、よって軸は該ｘｙ面に対して垂直である。アームが直列接続されているということは、一方のアームが他方のアームを支持し、他方のアームが物体を支持していることを意味する。ｚ方向の運動を可能にするため、線形運動装置が用いられる。この装置は、ロボットの直列連鎖において、直列接続されたアームの後方に配置することも前方に配置することもできる。前者の場合、直列接続されたアームがｚ方向への運動のための駆動パッケージを動かさなくてはならず、後者の場合、ｚ方向への運動のための駆動パッケージが直列接続されたアームを動かさなくてはならない。ｚ軸を中心にして物体を回転させるための駆動パッケージは、ロボットの連鎖において常に最も外側に配置される。

直列接続リンクを有する他のロボットと同様に、ＳＣＡＲＡロボットのアームの直列接続は、ロボットの可動質量が大きく、構造が弱く、精度が限られ、高速で動作させるために大きなモータトルクが必要であることを意味する。

ＳＣＡＲＡロボットが有する複数の欠点の一部は、３本の並列動作アームでプラットフォームを操作するロボットにより解決することができる。これはパラレル（平行運動）構造と呼ばれる。積載容量が大きくて質量の小さい剛健なアームシステムを可能にするため、パラレルマニピュレータの外側のアーム、つまり操作するプラットフォームに最も近いアームの構造を、圧縮力および引張力のみを伝達する合計６本のリンクとしなければならない。空間内でプラットフォームを動かすためのマニピュレータは既知であり、そのようなマニピュレータでは全動作範囲に亘りプラットフォームの傾斜と方向が同じである。既知のロボットは、３本の平行動作アームを有し、各アームは独自のリンク機構を有している。このような状況に置いて、リンクの総数が６本であること、および選択的に２／２／２または３／２／１の組み合わせでアームに分配できることが知られている。

リンク機構を備えるパラレルロボットについてさらに簡潔に説明するために、複数のリンク機構を以下のように定義する：
・ リンク： リンクとは、２つの要素を運動可能に連結し、両端において３自由度の運動を可能にする部材である。通常は、例えば各端にボールジョイントを有するロッドなど、剛性の細長い部材からなる。リンクは複数の要素を互いに一定の距離に保ち、引張力または圧縮力のみを吸収する。したがって、リンクは捻れ運動を伝達しない。
・ ダブルリンク： ダブルリンクとは、２つの要素を運動可能に連結し、両端において３自由度の運動を可能にし、要素間の平面内のモーメントを伝える部材である。ダブルリンクは、例えば、第１のリンク対を形成する２つの上述したようなリンクと、第２のリンク対を形成する要素を有する１つの四角形から構成される。特定の実施例ではダブルリンクは平行四辺形で、その場合２つの要素は互いに平行な運動をすることを余儀なくされる。全てのジョイントは３自由度で運動でき、これはダブルリンクが捻れる場合があることを意味する。したがって、ダブルリンクを平面内に維持するには、他のリンク機構からの支援が必要である。
・ 固定ダブルリンク： 固定ダブルリンクとは、２つの要素を運動可能に連結し、両端において２自由度の運動を可能にする部材である。固定ダブルリンクは、少なくとも１つの対角線が固定された、上述のダブルリンク１つから構成される。例えば、他のいずれのリンクにも平行でない追加リンクを四角形に付けることによりこれを達成できる。これにより要素の移動が防止されるが、依然として固定ダブルリンクが捻れる場合がある。
・ トリプルリンク： トリプルリンクとは、２つの要素を運動可能に接合し、両端において３自由度の運動を可能にし、要素間の２つの平面内のモーメントを伝える部材である。トリプルリンクは通常、異なる面に伸び、１本のリンクを共有する２つのダブルリンクから構成される。特定の実施例では、トリプルリンクは、長さが等しい３本の平行リンクから構成される空間平行四辺形を備える。そのような空間内の平行四辺形は捻れてもよく、要素を平行な面内に維持する。
・ トライアングル： トライアングルとは、２つの要素を運動可能に接合し、一方の端部（下部）において１自由度の運動を可能にし、他方の端部において３自由度の運動を可能にする部材である。トライアングルは、例えば、下方で軸を介して第１要素に接合し、反対側の端部で玉継手により第２要素に回転自在に接合する、ねじりに対して剛性の部材から構成される。トライアングルは１つのジョイントを共通とする上述したような２つのリンクから構成されてもよい。

以降、ロボットのアームは、支持アームにより支持されているリンク機構を意味するものとする。概念として、支持アームは、２つの要素を運動可能に接合し、その両端において１自由度の運動を可能にする捻れに対して剛性の部材を意味する。支持アームは、例えば、各端が分岐し、そこに軸が通る管から成る。特定の実施例では、軸は互いに平行であり、よって支持アームにより結合された要素は１平面内のみの運動が可能である。ここで、運動は平行移動だけでなく回転も含むことに注意されたい。支持アームは、１方の要素から他方の要素へ、引張力と圧縮力の両方、捻れモーメントおよび曲げモーメントを伝達することができる。

上記に定義したリンク機構を有する第１の周知のシステムは、それぞれが支持アームとダブルリンクとで構成されるアーム３本を有するマニピュレータと定義することができる。第２の周知のマニピュレータは、第１アームが支持アームとリンクから構成され、第２アームが支持アームとダブルリンクから構成され、第３アームが支持アームとトリプルリンクから構成される３本のアームを伴うマニピュレータと定義できる。２／２／２の構成で設計する場合、可動要素の方向を明確にするため、支持アームの軸は互いに交差させなくてはならないことに注意されたい。

３自由度（例えばデカルト座標系におけるｘ、ｙ、およびｚ方向）でプラットフォームを運動させるためのパラレルロボットを完全に伸張するためには、３本の平行動作アームが必要である。プラットフォームの全６自由度（ｘ、ｙ、ｚとツールの方向）を操作する場合は、６本の平行動作アームが必要である。そのようなアームはそれぞれ上部アームと下部アームを備える。いくつかの応用分野では、位置決めの自由度と方向付けの自由度を組み合わせた操作が求められる。そのような応用分野の１つは、狭い空間内での内部作業である。その場合、ツールの方向付けについて２自由度を、半径方向の位置決めについて１自由度を有するロボットが所望されることが多い。

特許文献１により、パラレルマニピュレータが既知である。２つの軸の周りを動作可能な支持アームを中柱が支持している。次いでこの支持アームは、可動要素を支持する第２の支持アームを支持している。同じ軸の周りに回転自在に取り付けられている第１および第３支持アームは、ワイヤを備える外側のアームにより可動要素に連結している。当該ワイヤの機能は、支持アームおよびダブルリンクの組み合わせに似ていてもよい。外側のアームならびに第２支持アームは、引張力および圧縮力、ならびに捻れモーメントを伝達するように構成されている。これにより、マニピュレータの設計は不格好なものとならざるを得ない。円滑さなどの視点から言うと、このマニピュレータは、引張力および圧縮力のみを吸収できる外側のアームを有する同様のマニピュレータには匹敵しない。

特許文献２にも、パラレルマニピュレータが開示されている。ここではリンク機構を含む３本のアームが固定要素と可動要素を結合している。固定要素に固定されている３つのアクチュエータが、それぞれ１つのアームを動作させる。第１アームはトリプルリンクを有する支持アームを含む。第２アームは、支持アームとダブルリンクを含む。第３アームは、支持アームと１本のリンクを含む。これらのリンク機構に含まれるリンクに必要とされるのは圧縮力および引張力を伝達することだけであるので、これらリンクは軽量な材料を用いて小型に設計されるものの剛性が非常に高い。加えて、ジョイントはリンクから通常の力を受けるだけなので、軸受を軽量でかつ精度の高いものにすることができる。

特許文献３により、別のパラレルマニピュレータも周知である。ここでも、リンク機構を含む３本のアームが固定要素と可動要素を結合しており、固定要素に固定されている３つのアクチュエータがそれぞれ１つのアームを操作する。全アームはダブルリンクを有する支持アームを含み、アームは圧縮力および引張力のみを伝達する。このアーム構造は、操作されるプラットフォームを、特許文献２のような２次元の面構造のプラットフォームでなく、３次元内のフレーム構造として設計することにより可能になった。

操作の対象であるプラットフォームが２次元の場合も、特許文献３のマニピュレータのように３次元である場合も、ロボットの鉛直方向（ｚ方向）の運動を行うアームには大きな力が作用するという問題が生じる。他のアームが大きく移動する場合（ｘｙ面内で）、該アームには捻れモーメントだけでなく強い曲げモーメントが作用する。特に好ましくないのは、アームの外側の端において軸方向に作用する力である。このような設計では、ロボットを伸張する際、折り畳まれている場合と同様に、前記鉛直方向のアームが他の２本のアームの間で斜めになる。運動学により、前記ｚ方向の操作のためのアームは、ロボットの中心から半径方向に短い距離の範囲において他の２本のアームの中間に位置することになる。これは必然的に以下の欠点の原因となる。
・ 他のアームに対し、ｚ方向の操作を行うアームが不適当な位置を取ることにより、作業範囲が制限される。
・ ｚ方向の操作を行うアームにより、操作されるプラットフォームに対して少なくとも１つの連接ロッドが不適当に位置づけられることにより、ロボットの剛性が制限される。
・ ｚ方向の操作を行うアームにより運動学的非直線性が必要以上に生成されることにより、ロボットの精度が制限される。
・ ｚ方向の操作を行うアームに動的な力が斜め方向に作用することにより、ロボットの動力学特性および速度が制限される。
・ ロボット運動学により半径方向の運動面が自動的に与えられず、ｚ方向の操作を行うアームにより生じる曲線の制御システムにおいて複雑な数学的補償を行わなければならない。
米国特許第５５３９２９１号明細書 国際公開第９８／３０３６６号パンフレット 国際公開第９９／５８３０１号パンフレット

本発明の目的は、動作範囲が広く、ロボットのアームに不適切な力が作用しないパラレルロボットを製造するための方法および手段を提案することである。これは、固定要素、可動要素、およびそれら要素を相互に連結する３本のアームを備えるマニピュレータを有する産業用ロボットにおいて、各アームに支持アームと支持アームにより支持されるリンク機構とを具備し、中間のアームの運動面が全運動において可動要素と交差するように調整することにより達成される。

本発明による第１の実施様態では、マニピュレータは可動要素の空間内での運動を可能にするリンク機構を備え、該要素の方向は位置に関係なく常に一定である。第２様態では、マニピュレータは、半径が変化する架空の円柱に沿って可動要素が運動できるようにするリンク機構を備える。第３実施様態では、マニピュレータは、半径が変化する楕円に沿って可動要素が運動できるようにするリンク機構を備える。

全ての実施様態に共通して、マニピュレータは第１ないし第３支持アームを備える。以降第２支持アームを中間支持アームとも言う。周囲に駆動システムが配置される第１軸に回転可能に取り付けられているだけでなく、中間支持アームは駆動軸に実質的に垂直な第２軸の周りに自由に回転自在に取り付けられている。中間アームにわずかな横力のみしか伝えないようにする方法は、他の２本のアームに連結することにより、それら他のアームの間に中間アームが位置するよう中間アームを調整することを含む。

第１の好ましい実施形態において、マニピュレータは追加の支持アームを備え、該支持アームは中間支持アームに回転自在に取り付けられている。この追加の支持アームの端は、第１リンクにより第１支持アームに、第３リンクにより第３支持アームに連結している。別の好ましい実施形態では、追加のアームは底辺が回転自在に中間支持アームに結合するトライアングルを備える。もう１つの好ましい実施形態では、中間支持アームは、当該アームに固定されてその上にスリーブが付いているロッドを備える。該ロッドは、第１および第３リンクにより、それぞれ第１および第３支持アームに連結する。追加の支持アーム、トライアングルまたはロッドは、２つの要素の間にも固定要素の後方にも等しく配置することができる。

さらに別の好適な実施形態では、マニピュレータは、底辺で中間支持アームの外端に回転自在に結合し、頂点で可動要素に回転自在に結合するトライアングルを備える。この実施形態では、他の２本の支持アームにより支持されるリンク機構がダブルリンクおよびトリプルリンクを備えることを前提とする。よって、この実施形態では、中間アームに横力が作用し得る。中間支持アームは横力の方向に自由に回転自在に結合しているので、この力は和らげられる。特定の実施例では、マニピュレータの可動要素は細長く形成され、したがってリンク付属部品はすべて一直線上に配置される。このような形状のマニピュレータは、５本のリンクのみで操作される。

操作されるプラットフォームの６自由度全てを固定するために、全部で少なくとも６本の（特定の実施例では５本）連接ロッドを用いる。このようにすると、各連接ロッドは、引張力および圧縮力を伝達するだけでよく、よって連接ロッドは剛性が高く、軽量で、精度の高いものにすることができる。複数の連接ロッドを使用する場合で、同じ支持アームに複数の連接ロッドを搭載する場合、それらの長さをみな同じにし、互いに平行に配置する。

本発明による産業用ロボットはまた、マニピュレータの運動を操作する制御ユニットを備える。制御ユニットは、各アームの駆動装置、動力伝達装置等を備え、コンピュータプログラムからの指示によりマニピュレータを操作するために導入された複数のマイクロプロセッサを備える。

以下の説明においては、本願発明の理解を助けるために、まず図１及び図２を参照して、従来技術におけるマニピュレータを備えた産業用ロボットの参考例について説明する。そして、図３から図８を参照して、本願発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

［参考例］
図１は、特に特許文献１に開示された周知の構造を有するパラレルロボットを示す。本ロボットは支柱１Ｂが固定された脚部１Ａに搭載されている。この支柱には、第１支持アーム５を第１軸の周りに回転させる第１アクチュエータ２と、第２支持アーム６Ａを第２軸の周りに回転させる第２アクチュエータ３とが配設されている。２つの軸は互いに平行なので、２本の支持アームは図中に示した各々の水平面内で回転する。アクチュエータ２および３は、同一の垂直な回転軸を有する回転式アクチュエータである。アーム６Ａには要素１Ｃが取付具１Ｄにより固定されており、要素１Ｃの上には第３アクチュエータ４が取り付けられている。これによりアクチュエータ３はアクチュエータ４をアクチュエータ３の垂直な回転軸の周りに回転させる。第３アクチュエータ４は第３支持アーム７Ａを図に示したような鉛直面内で回転させる。したがって、第３軸は他の２本の軸と実質的に交差する。したがって、アクチュエータ３がアーム６Ａを回転させるとき、アーム７Ａはアーム６Ａの動きに連動し、（アーム６Ａが伸びている水平面における）アーム７Ａの射影とアーム６Ａとの間の角度は一定である。

アーム５Ａには、三角形を構成する３本の連接ロッド８Ａ、８Ｂ、および８Ｃからなる連接ロッド構造がそれぞれジョイント１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃにより取り付けられている。連接ロッド８Ａ、８Ｂ、および８Ｃの他方の端は、それぞれジョイント１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃにより、ロボットが操作するプラットフォーム１７に取り付けられている。連接ロッド８Ａ、８Ｂ、および８Ｃは、長さが等しく、互いに平行に配置されている。この構成はトリプルリンクを形成する。プラットフォーム１７は、アーム５Ａおよびアーム５Ａに固定的に取り付けられている垂直ロッド５Ｂとにより形成される表面に平行に保たれる。

同様に、アーム６Ａには垂直ロッド６Ｂが取り付けられており、連接ロッド９Ａおよび９Ｂからなる連接ロッド構造を介してアーム６Ａがプラットフォームに連結している。連接ロッド９Ａおよび９Ｂの一方の端は、ジョイント１３Ａおよび１３Ｂを介してそれぞれアーム６Ａおよび６Ｂに連結しており、そして他方の端は、ジョイント１４Ａおよび１４Ｂを介してプラットフォーム１７に連結している。連接ロッド９Ａおよび９Ｂは互いに平行で長さが等しい。この構造はダブルリンクを形成している。プラットフォーム１７はロッド１３Ａに平行に保持される。この実施形態では、第３支持アーム７Ａとプラットフォーム１７の間の連接ロッド構造は１本のリンクから成り、当該リンクはジョイント１５Ａを介してアーム７Ａに、ジョイント１６Ａを介してプラットフォーム１７に関節接続している。

全てのジョイントは自由度２または３を有することができる。構造内に固有応力が生じないように、各連接ロッドの少なくとも一方の端は自由度３のジョイントを有さねばならない。

アクチュエータ２および３によりアーム５Ａおよび６Ａが互いに対して回転するとき、プラットフォーム１７は支柱１Ｂを中心にして半径方向に前後する運動を行い、アクチュエータ２および３が同じ方向に向かって同調的に動作するとき、アーム５Ａと６Ａは互いに一定の角度を保って同じ方向に回転し、プラットフォーム１７は支柱１Ｂを中心とする円形の軌道に沿って回転する。アクチュエータ４がアーム７Ａを回転させるとき、プラットフォーム１７は実質的に上下方向の運動を行い、全体として支柱１Ｂの周りに対称的な環状動作領域が得られる。該環状動作領域は、従来のロボット、いわゆるＳＣＡＲＡロボットの動作領域に相当する。

図２は図１のロボットの上部平面図であり、図２Ａはプラットフォーム１７が支柱１Ｂの近傍に位置する場合を、図２Ｂはプラットフォーム１７が支柱１Ｂから離れて位置する場合を示している。アーム５（図１の５Ａおよび５Ｂ）は連接ロッド構造８（８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）を介してプラットフォーム１７に連結している。連接ロッド構造８の一方の端にはジョイント１１（１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃ）が配値され、他方の端にはジョイント１２（１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃ）が配置されている。同様の方法で、アーム６（６Ａ、６Ｂ）はジョイント１３（１３Ａ、１３Ｂ）、連接ロッド９（９Ａ、９Ｂ）およびジョイント１４（１４Ａ、１４Ｂ）を介してプラットフォーム１７に連結している。最後に、アーム７は、ジョイント１５、連接ロッド１０およびジョイント１６を介してプラットフォーム１７に連結している。

平行連接ロッド８（８Ｂ、８Ｃ）により、プラットフォーム１７は常にアーム５（５Ａ）に平行であり、したがって図２Ａではプラットフォームは左方向を向いており、図２Ｂでは右方向を向いている。アクチュエータ４はアーム６Ａの上に取り付けられているので（図１参照）、図２に示すように上から見た場合、アーム７とアーム６の間の角度は常に一定である。これは図２Ａではアーム７がアーム５よりアーム６に近くに位置し、図２Ｂではアーム７がアーム６よりアーム５の近くに位置していることを意味する。このことから、ロボットの動作範囲を完全に活用することはできず、プラットフォーム１７が動作範囲のどこに位置しているかによって、アーム７には異なる傾斜荷重が加わる。これらの問題を取り除くために、ロボットの構造において常にアーム７をアーム５とアーム６の間に位置させることが必要となる。

図３は（水平面への射影において）アーム７を常にアーム５とアーム６の間に位置させる機構を示している。図３と図１のロボットの違いは、図１の接合具１Ｄを軸受け１８に替えた点のみである。この軸受により、中心にある支柱の要素１Ｃが、同支柱の要素１Ｂ、およびアクチュエータ２と３に対して自由に回転できる。ここでロボットにさらに必要なのは、アーム７Ａが常にアーム５Ａと６Ａの中間に位置すること、または少なくとも５Ａと６Ａの間で一定の角度比を有する地点に位置することを確実にする機構である。これを行う最も簡単な方法は、当然要素１Ｃ内で要素１Ｂに対して回転する４番目のモータを設置することであるが、そうするとロボットがより高価でかつ重いものになってしまう結果となる。代わりに図３では、付加的な連接ロッド機構（１９−２６）をロボットの後方に設けている。

スイングアーム１９が要素１Ｃ上の駆動軸２０に取り付けられ、ロボット後方の鉛直面内を回転することができる。回転アーム１９の他方の端は、ジョイント２３および２４（図中ジョイント２４はアーム１９の背後に位置している）を介し、それぞれ連接ロッド２１および２２に取り付けられている。次いでこれらの連接ロッドは、ジョイント２５および２６によりそれぞれアーム６Ａおよび５Ａに取り付けられる。アーム５Ａと６Ａが相対的に互いの方向へ動く場合、連接ロッド２１と２２は、連接ロッド２１と２２の間の比により決定される面内でアーム１９を鉛直方向に回転させる。この比は一定なので、該面はアーム５Ａと６Ａの間の一定比率により決定されることとなり、アーム７Ａは常にアーム５Ａと６Ａの間のこの比率にしたがって回転する。この比率を１／１に選択すると（リンク２１と２２の長さが等しく、ジョイント２５および２６が同じ水平面に位置する場合。図示された構造とは異なる。）、アーム７Ａは常にアーム５Ａと６Ａの中央に位置することになる。

ジョイント２３ないし２６はそれぞれ、自由度が２以上でなくてはならない。駆動軸２０により、アーム１９の要素１Ｃに対する自由度は１になる。

図４Ａはロボットの背面図であり、アーム７Ａのセンタリング機構をさらに分かり易く図解している。パラレルロボット自体は、プラットフォーム１７に関する限り構造の点で図１のロボットとは異なる。図４のプラットフォームは、横梁１７Ｂを有する軸１７から構成されている。駆動軸１７には、ジョイント１６Ａ、１２Ａ、１４Ａ、１２Ｂおよび１４Ｂが共通の対称線上に取り付けられている。横梁１７Ｂには、ジョイント１２Ｃが取り付けられている。ジョイント１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃは、プラットフォーム１７／１７Ｂを連接ロッド８Ａ、８Ｂおよび８Ｃにそれぞれ連結し、次いでこれら連接ロッドはそれぞれ対応するジョイントによりアーム部品５Ｂおよび５Ｃに取り付けられている。アーム部品５Ｂおよび５Ｃは、アクチュエータ２によって回転駆動されるアーム５Ａに固定されており、この図ではアクチュエータ２はモータ３の上方で支柱１Ｂ上で取り付けられている。アクチュエータ３がアーム６Ａを駆動し、アーム６Ａにはそれぞれジョイント１３Ａおよび１３Ｂを介して連接ロッド９Ａ、９Ｂが取り付けられている。それら連接ロッドの他方の端は、それぞれジョイント１４Ａおよび１４Ｂを介してプラットフォームである軸１７に取り付けられている。上にアクチュエータ４を搭載する要素１Ｃは、軸受１８により１Ｂに対して回転することができ、軸受１８の回転軸はアクチュエータ２および３の回転軸と一致する。アクチュエータ４は、アーム７Ａ、アーム部品７Ｂ、ジョイント１５Ａ、連接ロッド１０Ａ、およびジョイント１６Ａを介してプラットフォームに連結している。

ここでは、アーム５Ａと６Ａの間でのアーム７Ａのセンタリングは、機構１９ないし２６により行われる。この機構では、２本の回転アーム１９Ａおよび１９Ｂを、プラットフォーム部品１Ｃ上の駆動軸２０に取り付けることにより、図３の機構より剛性が高まっている。アーム５Ａおよび６Ａが相対的に互いの方向へ動くとき、連接ロッド２１および２２は、共通のジョイント２３を介して、アーム対１９Ａおよび１９Ｂを駆動軸２０の周りで鉛直方向に回転させる。連接ロッド２１と２２の長さが等しく、ジョイント２５および２６が同じ水平面内に取り付けられている場合、アーム７Ａはアーム５Ａと６Ｂの中間地点に導かれることになる。図４Ｂは、図４Ａのセンタリング機構の変形例を示している。ここでジョイント２３は、アーム１９Ａ、１９Ｂならびに横梁１９Ｃから構成されるアーム回転システムに取り付けられた２つのジョイント２３および２４に置き換えられている。この設計により、図４Ａの設計より幾分剛性は低くなるが、ジョイント設計が単純化される。

図４Ａおよび図４Ｂでは、ジョイント２３ないし２６はそれぞれ２以上の自由度を有する。

図５に示すロボットは図３のロボットとほぼ同じであるが、図３および４ではコラム１Ｂの背後にあったアーム７Ａのセンタリング機構がコラム１Ｂの前方に位置している。図３と同様に、ジョイント２５はアーム６Ａに、ジョイント２６はアーム５Ａに搭載されている。しかしここでは、ジョイント２０Ａと２０Ｂは軸によりコラム部分１Ｃに直接搭載されておらず、アーム７Ａの横ばり７Ｂに搭載されている。リンク２１および２２の一方の端はそれぞれジョイント２５および２６に取り付けられており、他方の端は共通のジョイント２３に取り付けられている。リンク１９Ａと１９Ｂも共通ジョイント２３に取り付けられており、それらの他方の端はジョイント２０Ａおよび２０Ｂに取り付けられている。当然ながら、共通ジョイント２３は図４Ｂと同様に２つ以上のジョイントとしてもよい。このセンタリング機構の全ジョイントは、２以上の自由度を有する。

図６に示すロボットは図３のロボットとほぼ同じであるが、アーム７Ａをアーム６Ａと５Ａの間でセンタリングするための機構が異なっている。ここでのセンタリング機構は、軸受１８によりロボットアセンブリ構造の自由度が１増えることと、それにより、プラットフォーム１７の自由度を重複固定することで、軸受１８により増えた新しい自由度をコラム１Ｂと要素１Ｃの間に固定することが可能になることとを基礎としている。図中、重複固定は第７連接ロッド１０Ｂにより行われている。この連接ロッドの一方の端はジョイント１６Ａを介してプラットフォーム１７に取り付けられており、他方の端はジョイント１５Ｂを介してアーム７Ａに固定された横ばり１７Ｂに搭載されている。図に示すように、連接ロッド１０Ｂは連接ロッド１０Ａと同じジョイントを共有している。プラットフォーム１７は連接ロッド８Ｂと８Ｃによりアーム５Ａと平行に保たれるので、プラットフォーム１７が垂直な回転軸の周りで回転するために連接ロッド１０Ａが必要である。連接ロッド１０Ａの上端は、ジョイント１５Ａにより横梁７Ｂに取り付けられている。ジョイント１５Ａおよび１５Ｂは、１ないし３自由度を有してよく、ジョイント１６Ａは２以上の自由度を有していなくてはならない。ジョイント１５Ａおよび１５Ｂが１自由度しか有さない場合、これらの回転軸は、一致していなくてはならない。連接ロッドとジョイント内に機械的ストレスが蓄積するのを防ぐため、全ジョイント（１５Ａ、１５Ｂおよび１６Ａ）の自由度が３であるのが好ましい。

図７は図６のロボットの変形例を示している。図６と同様に、ロボットの３本のアーム（５Ａ、６Ａおよび７Ａ）とプラットフォーム１７の間に７本の連接ロッドが用いられているが、この場合はアーム間の連接ロッドの配分が異なっている。つまり、アーム５Ａおよび６Ａはそれぞれ２本ずつの連接ロッド（それぞれ８Ａと８Ｂおよび９Ａと９Ｃ）を介してプラットフォーム１７に接合されている。プラットフォームとアームシステムの間に合計７本の連接ロッドを配置するため、ここではアーム７Ａは３本の連接ロッドによりプラットフォーム１７に連結されなくてはならない。ここでは、プラットフォームの６自由度に軸受１８による自由度を加えた全自由度を固定するため、これら３本の連接ロッド（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）のうち２本が平行でなくてはならない。したがって、図７では連接ロッド１０Ａと１０Ｃが平行で、連接ロッド１０Ｂが連接ロッド１０Ａと１０Ｂの間で斜めに取り付けられている。３本の連接ロッド１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃにおいて、ジョイント１６Ａないし１６Ｃを通る直線は、ジョイント１５Ａないし１５Ｃを通る直線に平行であることが必要であり、これを可能にするために、アーム５Ａは平行四辺形の機構を備えている。この機構は梁３４Ｂが常に梁７Ｂと平行になるように調整し、ここでプラットフォーム１７はもはやアーム５Ａの方向に追従することはないが、アーム５Ａとアーム６Ａの間でセンタリングされるアーム７Ａに対して常に一定の方向性を有している。平行四辺形の機構は、要素１Ｃに固定されているアーム３０、柔軟な軸３１、アーム５Ａに平行な平行四辺形のアーム３３、柔軟な軸３５および３６、そしてＬ字型の梁３４Ａないし３４Ｂを備える。アーム５Ａが要素１Ｃに対して回転するとき、梁部品３４Ａを支柱要素１Ｃに固定されている梁３０と平行に保つように、平行四辺形のアーム３３はＬ字型の梁３４Ａ−３４Ｂの梁部品３４Ｂを回転させる。これは、梁部品３４Ａと３４Ｂとの間の角度を適切に選択することにより、梁部品３４Ｂは梁７Ｂに平行に維持されることを意味する。図はこれを十分透視するものではないが、図中のジョイント１１Ｂと１１Ｃを通る直線は、ジョイント１２Ｂと１２Ｃを通る直線、ジョイント１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃを通る線、ならびにジョイント１５Ａ、１５Ｂと１５Ｃを通る直線と平行である。また、梁３０と平行四辺形のアーム３３の間の機構が概略図に描かれているにすぎないことにも注意されたい。軸３１の周りのジョイントが剛性となるように、ここにはフレーム構造が存在している。

最後に、図８は図７の変形例を示している。軸受１８が導入されているので、アームシステムとプラットフォーム１７の間に連接ロッドが必要である。図７では、それら連接ロッドはアーム５Ａ、６Ａおよび７Ａに２／２／３という配分で分配されている。しかし、例えば３／２／２および３／１／３のような他の機能的な配分もある。３／１／３の場合を図８に示した。図７との相違点は、梁３４Ａ―３４Ｂ間の角度を鉛直な梁３４Ｃで補い、該梁３４Ｃに連接ロッド８Ａを取り付け、連接ロッド９Ａを取り除いたことだけである。３／２／２の場合、図８の連接ロッド８Ａ、および図７のリンク９Ａを使用し、リンク１０Ｃをアーム７Ａから適切に取り除く。

図７および図８両方において、ジョイント１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃの自由度は１、２または３でよい。自由度が１の場合、ジョイント１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃの回転軸は一致していなくてはならず、同様にジョイント１６Ａ、１６Ｂおよび１６Ｃの回転軸も一致していなくてはならない。

連接ロッド８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂはジョイント１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａによりプラットフォーム１７に取り付けられている。同様に、連接ロッド８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂはジョイント１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１３Ａ、１３Ｂ、１５Ａ、１５Ｂにより３本の回転アーム５Ａ、６Ａ、７Ａに取り付けられており、連鎖を形成している。このようにして、第３回転アーム７Ａが取り付けられている第１要素１Ｃ、第３回転アーム自体７Ａ、および第３回転アーム７Ａに連結する連接ロッド１０Ａ、１０Ｂからなる第１の連鎖が獲得される。第２の連鎖は、２本の回転アーム５Ａ、６Ａが取り付けられている第２の要素１Ｂ、２本の回転アーム５Ａ、６Ａのうちの１つである５Ａ、２本の回転アームのうちの１つである５Ａに連結する連接ロッド８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、操作の対象であるプラットフォーム１７、要素１Ｂに取り付けられている２本の回転アームの他方の１本である６Ａに連結する連接ロッド９Ａ、９Ｂ、および２本の回転アーム５Ａ、６Ａの他方の１本である６Ａにより定義される。

複数の連接ロッドを使用する場合で、同じ回転アームに複数の連接ロッドを取り付ける場合、それら連接ロッドは互いに平行で、長さが等しい。第２連鎖に含まれる連接ロッド８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、９Ａ、９Ｂのジョイント１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂの自由度は２または３であり、一方第１の連鎖に含まれる連接ロッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのジョイント１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの自由度は１でよい。

動作範囲が広く、動力学特性がよいロボットを実現するために、上記２本の回転アーム５Ａ、６Ａの回転軸は互いに直交してはならず、これらの回転軸が平行であるとき、好ましくは一致する場合に、最良の動作が得られる。第３回転アーム７Ａの回転軸は、２本の回転アームの回転軸の何れとも平行であってはならず、第３回転アーム７Ａの回転軸が２本の回転アーム５Ａ、５Ｂ両方の回転軸と直交している場合に最良の動作が得られる。

本発明は、上記第１要素１Ｃが、上記第２の要素１Ｂに対して自由に回転可能であるように、軸受１８を介して第２要素１Ｂに連結されているロボットを備える。これは、ジョイントまたはアクチュエータ４を介して回転する第１要素１Ｃに取付けられる第３回転アーム７Ａが、第２要素１Ｂとは異なる方向に回転できることを意味する。前記軸受１８を取り付けることにより、第１連鎖と第２連鎖の間の自由度が１増え、その動作範囲内でロボットがプラットフォームを操作するとき、第２連鎖内の構成要素５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１７、１７Ａ、１４Ａ、１４Ｂ、９Ａ、９Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、６Ａ、６Ｂに対し、第１連鎖の構成要素１Ｃ、４，７Ａ、７Ｂ、１５Ａ、１０Ａに所望の位置が獲得できるように、第１連鎖を案内するのに役立つ。

本発明の概念は、２つの連鎖の間にブリッジを設けることにより、上記連鎖を互いに対して導くことを含む。このブリッジは、直接、または回転アーム１９、１９Ａ、１９Ｂおよび/または別の追加の連接ロッド１９Ａ、１９Ｂを介して、ジョイント１５Ｂ、１６Ａ、１５Ｃ、１６Ｃ、２３、２４、２５、２６に連結する１つ以上の追加の連接ロッド１０Ｂ、１０Ｃ、２１、２２を備える。該連鎖は前述の軸受１８により分離されているので、該ブリッジは軸受１８により提供される回転の自由度を固定する。

本発明の概念はまた、軸受１８の回転軸が、２本の回転アーム５Ａ、６Ａの回転軸と直交しないように、および前記第３回転アーム７Ａの回転軸と平行にならないように、該軸受を取り付けることを含む。ロボットに可能な限り広い動作範囲と最良の動力学特性を実現するため、前記軸受１８は、その回転軸が２本の回転アーム５Ａ、６Ａの回転軸と平行で、および好ましくは一致し、同時に第３回転アーム７Ａの回転軸に垂直になるように取り付けられる。

本発明の概念はまた、前記軸受１８により提供される回転の自由度を固定するための前記ブリッジを獲得するため、操作されるプラットフォーム１７と第３回転アーム７Ａとの間に、追加の連接ロッド１０Ｂを取り付けることを含む。この追加の連接ロッドは、プラットフォーム１７と第３回転アーム７Ａの間に既存の連接ロッド１０Ａに対して斜めに取り付けられる。追加の連接ロッド１０Ｂの一方の端は、既存の連接ロッド１０Ａと共通のジョイント１６Ａによりプラットフォーム１７に取り付けられ、追加の連接ロッド１０Ｂの他方の端は、既存の連接ロッド１０Ａから距離をおいて梁７Ｂに取り付けられる。梁７Ｂは第３回転アーム７Ａに固定され、第３回転アーム７Ａに平行にならないように、好ましくは直交するように固定される。そのようにすることにより、プラットフォームが横方向に運動すると、第３回転アームおよび第１要素１Ｃが軸受１８上で回転してプラットフォームの横方向への運動に連動する。これは、第３回転アームが、２本の回転アーム５Ａ、６Ａの間の動作範囲においてセンタリングされることを意味する。追加の連接ロッド１０Ｂと既存の連接ロッド１０Ａは、プラットフォーム側に共通ジョイント１６Ａを有し、プラットフォームをロボットの中心に対して半径方向に操作するときにこれが回転できるようにしなければならない。

本発明の概念はまた、プラットフォーム１７側の共通ジョイント１６Ａを必要としない動力学的ブリッジを使用することを含む。そのために、平行四辺形機構３０、３１、３３、３５、３４Ａ、３６が２本の回転アームの何れか一方に設けられる。この平行四辺形の機構を、第１要素１Ｃと、２本の回転アームの一方（本明細書では５Ａ）に属する連接ロッド８Ａ、８Ｂ、８Ｃとの間に接合することにより、プラットフォーム１７を、第３回転アーム７Ａの横梁７Ｂに対して常に平行に保つことができる。これにより、プラットフォーム１７側に共通ジョイントを必要とすることなく、操作されるプラットフォーム１７と第３回転アーム７Ａの横梁７Ｂの間に、２本以上の連接ロッドを用いることができる。例えば、第３回転アーム７Ａをプラットフォーム１７に連結するとき２本の連接ロッドを用いる場合、プラットフォーム１７を底辺とする三角形の構成を用いてよい。さらに、２本の連接ロッドを用いる場合、平行六面体の配置を用いてよい。第３回転アーム７Ａとプラットフォーム１７の間に２本の連接ロッドを用いる場合、２本の回転アーム５Ａ、６Ａにはプラットフォーム１７に対して合計５本の連接ロッドが必要で、その場合の回転アームへの分配は、回転アームの一方に３本、他方に２本である。代わりに、第３回転アーム７Ａの横梁７Ｂとプラットフォーム１７との間に３本の連接ロッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのが取り付けられている場合、２つの回転アーム５Ａ、６Ａに必要な連接ロッドは全部で４本のみで、それらの分配には、各回転アーム５Ａ、６Ａに２本づつか、または一方の回転アームに３本かつ他方の回転アームに１本の２種類の方法が可能である。第３回転アームとプラットフォームの間に３本の連接ロッドを用いる場合、３本の連接ロッド全部を平行に取り付ける必要はなく、少なくとも１本の連接ロッド１０Ｂを他の連接ロッド１０Ａ、１０Ｃに対して斜めに取り付けなくてはならない。実際、これらの連接ロッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのうちのいずれも平行である必要はない。反対に、連接ロッドのプラットフォーム側のジョイント１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ全ては、連接ロッドの横梁７Ｂ側のジョイント１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを通る直線に平行な直線上に配置されなくてはならない。これらの直線は、加えて第３回転アームの回転軸に平行でなくてはならない。ここで指摘しなくてはならないのは、ジョイント１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの自由度は１、２または３でよく、自由度が１の場合、連接ロッドの同じ端にある全ジョイントの回転軸は一致しなくてはならないことである。好ましくは、連接ロッドおよびロボット構造の残りの部分に機械的ストレスが蓄積するのを防ぐため、連接ロッドの一方の端は自由度３を、他方の端は自由度２または３を有する。最良の設計では、前述の連鎖における自由度の固定に関する限り重複がない。

本発明の概念は、追加の回転アーム１９、１９Ａ、１９Ｂおよび/または付加的な追加連接ロッド１９Ａ、１９Ｂにより、追加の連接ロッド２１、２２を補うことを含む。回転アームおよび付加的な追加連接ロッドは、上述の第１要素１Ｃまたは第３回転アーム７Ａに連結される。追加の回転アーム１９は、追加回転アーム１９の回転軸が第３回転アーム７Ａの回転軸と実質的に平行になるように、１自由度のジョイントを介して他の要素１Ｃ上に適切に取り付けられる。付加的な追加連接ロッド１９Ａ、１９Ｂは、第３回転アーム７Ａまたは第２要素１Ｃ上の横梁上に取り付けられる。追加連接ロッド２１、２２の内の１本である連接ロッド２１は、一方の端で、２自由度のジョイント２５を介して２本の回転アームの１本である６Ａに、他方の端で、２自由度のジョイント２３を介して回転アームおよび/または追加連接ロッドに取り付けられる。追加連接ロッド２１、２２の他方の１本である２２は、一方の端で、２自由度のジョイント２６を介して２本の回転アームの他方の１本である５Ａに、他方の端で、２自由度のジョイント２４を介して回転アームおよび/または追加連接ロッドに取り付けられている。このようにして、前記第１連鎖は前記第２連鎖に連結され、軸受１８により追加される自由度が固定される。この固定は容易に行うことができ、第３回転アーム７Ａが常に２本の回転アーム５Ａ、６Ａの中間に配置される。

周知のパラレルロボットを示す。アクチュエータを搭載するアームが別のマニピュレータにより回転されるため、作業範囲および、動的性能と静的性能がかなり限定される。 図２Ａおよび図２Ｂは、図１のロボットを用いた場合に生じる運動学的な問題を示す。 マニピュレータの中間支持アームを他の２本の支持アームの間に配置する機構を有し、よって図２Ａおよび図２Ｂの実施形態に生じる運動学的な問題を解決する、本発明によるマニピュレータを示す。 図４Ａおよび図４Ｂは、本発明によるマニピュレータの２つの有利な実施形態を示す。 ロボットの中央正面に前記機構が配置された、本発明によるマニピュレータの別の有利な実施形態を示す。 マニピュレータ内の既存構造をトライアングルを形成するために活用した、マニピュレータの別の有利な実施形態を示す。 センタリング機構が既存リンクを組み合わせたリンクから形成される固定ダブルリンクを備え、ロボットにより操作されるプラットフォームの法線がロボットの中心から常に半径方向の外側に向かうように方向付けられる、本発明によるマニピュレータの別の有利な実施形態を示す。 図７のマニピュレータの有利な実施形態を示している。

Claims (11)

1. 空間内で物体を移動させるための産業用ロボットであって、固定プラットフォーム（１）、物体を支持するための可動プラットフォーム（１７）、および固定プラットフォーム（１）と可動プラットフォーム（１７）とをそれぞれ連結する第１、第２および第３アームを備え、第１アームは、第１アクチュエータ（２）、第１アクチュエータにより作動し、第１軸を中心とした回転が可能な第１支持アーム（５）、および第１リンク機構（８）を備え、第２アームは、第２アクチュエータ（４）、第２アクチュエータにより作動し、第２軸を中心とした回転が可能な第２支持アーム（７）、および第２リンク機構（１０）を備え、第３アームは、第３アクチュエータ（３）、第３アクチュエータにより作動し、第３軸を中心とした回転が可能な第３支持アーム（６）、および第３リンク機構（９）を備え、第２支持アーム（７）が第３軸に垂直な面に配置される第４軸の周りを自由に回転できるように、第２アームと第３アームとの間に配置される軸受（１８）を固定プラットフォーム（１）が備えることを特徴とする産業用ロボット。
2. 第２支持アーム（７）が、第２支持アームを可動プラットフォームに交差する面内で回転させるリンク機構（１９ないし２６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の産業用ロボット。
3. 第２支持アーム（７）が、その外端において第１リンク（２２）により第１支持アーム（５）に、第２リンク（２１）により第３支持アーム（６）に連結する第４支持アーム（１９）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の産業用ロボット。
4. 第４支持アーム（１９）は底辺（２０）が第２支持アーム（７）に回転可能に取り付けられたトライアングル（１９、２０）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の産業用ロボット。
5. 第２リンク機構（１０）は、底辺（７Ｂ）が第２支持アーム（７）に、頂点（１６）が可動プラットフォーム（１７）に、それぞれ回転可能に取り付けられたトライアングル（７Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ、１５、１６）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の産業用ロボット。
6. 第１リンク機構（８）がトリプルリンク（８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）を備えることと、第３リンク機構（９）がダブルリンク（９Ａ、９Ｂ）を備えることとを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の産業用ロボット。
7. 第２リンク機構（１０）が、第２支持アーム（７）を可動プラットフォーム（１７）に連結する固定ダブルリンク（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の産業用ロボット。
8. 第１リンク機構（８）がダブルリンク（８Ａ、８Ｂ）を備えることと、第３リンク機構（９）がダブルリンク（９Ａ、９Ｂ）を備えることとを特徴とする請求項７に記載の産業用ロボット。
9. 第１リンク機構（８）がトリプルリンク（８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）を備えることと、第３リンク機構（９）が１本のリンク（９Ｂ）を備えることとを特徴とする、請求項７に記載の産業用ロボット。
10. 第１軸と第３軸とが一致することを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の産業用ロボット。
11. 全てのリンクの外側のジョイントは一直線上に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の産業用ロボット。

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