JP4696384B2 - パラレルリンクロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置、姿勢制御用六自由度運動機構として用いられるパラレルタイプの産業用ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、往復直線運動を行わせるアクチュエータとして電動シリンダが広範に用いられている。電動シリンダは作動油の流出の恐れがなく、またサーボモータを用いれば、精密な位置決め制御および姿勢制御に対応できるので、いわゆるパラレルリンクロボット用のアクチュエータとして有用である。
電動シリンダの従来例として、本出願人が先に開発し・特許出願した特開２０００−４６１４０号公報に記載のものがある。これは、動作ストロークに対する全長の割合を最小にでき、かつ、たて方向に配置した時の重心高さを可能な限り低くした電動シリンダであり、これを用いて、動作範囲の大きいパラレルリンクロボットが得られている。
図５は、その実施の形態を示す電動シリンダ５１の側断面図である。同図において、５２は筒状ケーシングであり、筒状ケーシング５２は上部ケーシング５２ａと長尺の下部ケーシング５２ｂを上下に重ねて連結したものである。５３はボールナットであり、上部ケーシング５２ａに回転自在に取付けられている。５４はボールスプラインであり、上部ケーシング５２ａの上端に固定されている。５５はボールねじ・スプラインであり、ねじ溝とスプライン溝を重ねて刻んだ長尺の軸である。
ボールねじ・スプライン５５は、筒状ケーシング５２の長軸と同心に、筒状ケーシング５２の内部に配置され、ボールナット５３に螺合し、ボールスプライン５４に嵌合して、上部ケーシング５２ａの外に突出している。ボールねじ・スプライン５５は、ボールスプライン５４に嵌合しているので、長さ方向の進退は自在であるが、その回転は拘束されている。
従って、ボールねじ・スプライン５５は、ボールナット５３の回転によって、自在に上部ケーシング５２ａから進退する。５６は可動側継手であり、ボールねじ・スプライン５５の上部ケーシング５２ａから突出した端部に取り付けられ、電動シリンダ５１の図示しない動作対象物とボールねじ・スプライン５５とを結合する継手である。
５７は下部ケーシング５２ｂに固定されたハウジングであり、５８はボールねじ・スプライン５５に平行に配置されたモータであり、ハウジング５７に固定され、その出力軸はハウジング５７の内部に突出している。
５９は中空軸であり、間座５１０を介してボールナット５３に連結され、その中空部にボールねじ・スプライン５５を通して、下部ケーシング５２ｂを通って、ハウジング５７の内部に延びている。すなわち、内側から順に、ボールねじ・スプライン５５、中空軸５９および下部ケーシング５２ｂが同心円状に配置されている。５１１は第１のプーリであり、中空軸５９に連結され、ハウジング５７にベアリングを介して回転自在に支持されている。第１のプーリ５１１は中空であり、ボールねじ・スプライン５５は第１のプーリ５１１の中空部を貫通してハウジング５７の底部に延びている。５１２はモータ５８の出力軸に連結された第２のプーリであり、
第１のプーリ５１１との間にタイミングベルト５１３を架け渡して、モータ５８の動力をボールねじ・スプライン５５に伝えている。５１４はハウジング５７の下部に突出して設けられた固定側継手であり、電動シリンダ５１の動作対象物とハウジング５７とを結合する継手である。
このようにこの電動シリンダ５１は、ボールナット５３を筒状ケーシング５２の上端近くに配置し、ボールねじ・スプライン５５をボールナット５３とハウジング５７の間で進退できるようにしたので、ボールねじ・スプライン５５の動作ストロークを大きく取れる。
また、ボールナット５３と中空軸５９を連結して、中空軸５９の下端で、モータ５８の動力を中空軸５９に伝達するようにしたので、モータ５８のような重量物を電動シリンダ５１の下部に配置でき、重心高さを低くできる。
【０００３】
図６は、図５の電動シリンダ５１をパラレルリンクロボットに適用した例を示す側面図である。同図において、６１はパラレルリンクロボットである。パラレルリンクロボット６１はベースプレート６２と３本の電動シリンダ６３，６４，６５と拘束リンク６６と可動テーブル６７と手首部６８を備えている。電動シリンダ６３，６４，６５は図５の電動シリンダ５１であり、一端を自在継手６３ａ，６４ａ，６５ａを介してベースプレート６２に連結され、他端を自在継手６３ｂ，６４ｂ，６５ｂを介して可動テーブル６７に連結されている（電動シリンダ６４は電動シリンダ６３の裏側に重なっているので図６では見えない。）。
拘束リンク６６は可動テーブル６７がベースプレート６２に対して捩じれないように拘束する伸縮自在なリンクであり、一端を自在継手６６ａを介してベースプレート６２に連結され、他端を可動テーブル６７に固定している。手首部６８は３軸の回転自由度（▲１▼可動テーブル６７に垂直な第１軸回りの旋回、▲２▼第１軸に直交する第２軸回りの俯仰、▲３▼エンドエフェクタ取付け用フランジ６８ａの回転）を持ち、可動テーブル６７に固定されている。
このようにして組み立てられたパラレルリンクロボット６１は制御盤の指令により、電動シリンダ６３，６４，６５を自在に伸縮させることにより、可動テーブル６７を上下、左右、前後に自在に移動させ、手首部６８の３軸を回転させることにより、フランジ６８ａに取り付けたエンドエフェクタを任意の位置で任意の姿勢を取らすことができる。
これによれば、電動シリンダ６３，６４，６５は全長が短く、動作ストロークが長いので、可動テーブル６７の動作範囲を大きくできる。
また、電動シリンダ６３，６４，６５は、モータのような重量物を下に配置しているので、重心が低く、自在継手６３ａ，６４ａ，６５ａの回りに揺動する時の仕事が小さい、従って小さな動力で駆動できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図６に示すパラレルリンクロボット６１は、自由度が３であり、精密な制御をするには不便であった。
また、図６以外の他のパラレルリンクロボットの技術で六自由度運動機構を有するものがあったが、それらはリンク数が６個必要でありしかもそれぞれのリンクを連結するための球対偶、ユニバーサルジョイントが必要であったり、あるいは、アーム数が６個必要でありしかもアームを構成するユニバーサルジョイントとアームと可動板を連結するための球対偶が必要であったりと、多くの部品点数が必要となってくるという問題があった。
さらに、基台と可動板は６本のアームで連結されており、６個の対偶を設置するためのスペースが必要となってくるため、基台、可動板が大きくなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、六自由度運動機構のパラレルリンクロボットを部品点数を少なくできてコンパクトに提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載のパラレルリンクロボットの発明は、基台と、エンドエフェクタの取り付け用可動板と、及び前記基台と前記可動板にそれぞれ一端が連結される２本のリンクで構成される１組のアームが３組と、で構成されたパラレルリンクロボットであって、前記アームの一方の基端は、前記基台と回転軸が平行でない２つの回転対偶で構成される二自由度回転対偶で連結され、他方の基端は、前記可動板と球対偶で連結され、前記１組のアームを構成するリンクは、直動対偶を有し伸縮可能であり、前記回転対偶の一方と前記直動対偶に制御可能な駆動用アクチュエータが装着されたパラレルリンクロボットにおいて、前記の３組のアームの他に、３組のスプリングダンパーが前記基台と二自由度回転対偶で連結され、前記可動板と球対偶で連結されたことを特徴とする。
請求項２記載のパラレルリンクロボットの発明は、基台と、エンドエフェクタの取り付け用可動板と、及び前記基台と前記可動板にそれぞれ一端が連結される２本のリンクで構成される１組のアームが３組と、で構成されたパラレルリンクロボットであって、前記アームの一方の基端は、前記基台と回転軸が平行でない２つの回転対偶で構成される二自由度回転対偶で連結され、他方の基端は、前記可動板と球対偶で連結され、前記１組のアームを構成するリンクは、直動対偶を有し伸縮可能であり、前記回転対偶の一方と前記直動対偶に制御可能な駆動用アクチュエータが装着されたパラレルリンクロボットにおいて、前記の３組のアームの他に、１組のスプリングダンパーの一方が前記基台の中央と二自由度回転対偶で連結され、他方が記可動板の中央と球対偶で連結されたことを特徴とする。
パラレルリンクロボット。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のパラレルリンクロボットにおいて、回転軸が直交するようなユニバーサルジョイントで前記二自由度回転対偶を構成したことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載のパラレルリンクロボットにおいて、回転軸が直交しないようにリンクにて回転軸間距離を持たせて前記二自由度回転対偶を構成したことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載のパラレルリンクロボットにおいて、前記二自由度回転対偶のうち前記基台と直接連結される回転対偶に、制御可能な駆動用アクチュエータを装着したことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１または２記載のパラレルリンクロボットにおいて、前記二自由度回転対偶のうち、前記基台と直接連結される回転対偶を回転自由とし、他方の回転対偶に制御可能な駆動用アクチュエータを装着したことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は第１の実施の形態のパラレルリンクロボットを示す斜視図である。
図１において、１は第１の実施の形態に係るパラレルリンクロボット、１１は基台、１２は可動板、１３はアーム、１３Ｌ１は上リンク、１３Ｌ２は下リンク、１４Ｕは二自由度回転対偶、１５Ｋは球対偶、１６Ｇは直動対偶である。
図１に示すように、このパラレルリンクロボット１は基台１１と、可動板１２と、３組のアーム１３で構成し、３組のアーム１３は１２０°等配としている。
アーム１３は上リンク１３Ｌ１と、下リンク１３Ｌ２と、上リンク１３Ｌ１および下リンク１３Ｌ２との間に介在する直動対偶１６Ｇとから構成されている。
このアーム１３自体の構成は図５の電動シリンダ５１を用いて実現することができる。そして、アーム１３の一方の基端（下リンク１３Ｌ２の下端）は、後述の二自由度回転対偶１４Ｕ（図３および図４参照）で基台１１と連結し、アーム１３の他方の基端（上リンク１３Ｌ１の上端）は球対偶１５Ｋで可動板１２と連結している。可動板１２と連結されているリンクは直動対偶１６Ｇで伸縮自由となっており、この直動対偶１６Ｇと、二自由度回転対偶１４Ｕのうち一方の回転対偶とのそれぞれに制御可能なアクチュエータが装着している。
【０００７】
図３および図４は図１に用いられる二自由度回転対偶の具体的な２例を示す図である。
図３では二自由度回転対偶１４Ｕを２つの回転軸３、４が直交するユニバーサルジョイントで構成している例を２つ示している。
図３において、１１は基台、１３Ｌ１は上リンク、１３Ｌ２は下リンク１３、１６Ｇは直動対偶、上リンク１３Ｌ１と下リンク１３Ｌ２と直動対偶１６Ｇとでアーム１３を構成している。３および４は直交する回転対偶で、これでもって二自由度回転対偶１４Ｕを構成している。
図３（ａ）では回転対偶３に駆動用アクチュエータを装着し、図３（ｂ）では回転対偶４に駆動用アクチュエータを装着している。
【０００８】
図７は図３（ａ）の二自由度回転対偶１４Ｕを装着したアーム部全体の１例を斜視図で示すものである。同図において、３は一方の回転対偶の軸、３１は軸３方向に設けられたモータ、３２はモータシャフトである。モータ３１は基台１１に間隔を置いて据え付けられている。４は他方の回転対偶の軸、軸３と軸４は互いに直角を成している。４１は軸４方向に設けられたモータ、４２はモータシャフトである。モータ４１はモータシャフト３２に固定のＵ字状部材の中央に設置され、そのモータシャフト４２モータシャフト３２を回転可能に貫通している。
一方、別のＵ字状部材４４がシャフト４２に固定され、このＵ字状部材４４の上に、図５の電動シリンダ７が設けられている。１３Ｍはモータ、５７はハウジング、５１は上部ケーシング、５２は下部ケーシングである。上部ケーシング５１と下部ケーシング５２とで筒状ケーシング５３を構成し、筒状ケーシング５３から上リンク１３Ｌ１が上下出没自在に設けられている。これらの動作は図５で詳しく述べたので、ここでは省略する。
以上の構成によって、エンドエフェクタを取り付ける可動板に繋がれる上リンク１３Ｌ１は、モータ３１で軸３を中心にＡ方向に回転可能となり、モータ４１で軸４を中心にＢ方向に回転可能となり、モータ１３Ｍで軸８の上をＣ方向に移動可能となる。
以上は図３（ａ）についての具体例であったが、図３（ｂ）についても同様であり、具体例の開示は省略する。
【０００９】
図４は、二自由度回転対偶１４Ｕを２つの回転対偶の回転軸５、６が直交しないようにリンク２１で連結し構成している例を示している。
図４において、１１は基台、１３はアーム、１６Ｇは直動対偶、上リンク１３Ｌ１と下リンク１３Ｌ２と直動対偶１６Ｇとでアーム１３を構成している。３および４は互いに直交しない回転対偶、２１は２つの回転対偶の回転軸５、６を直交しないように連結するリンクで、回転対偶３、４、およびリンク２１でもって二自由度回転対偶１４Ｕを構成している。
図４（ａ）では回転対偶５に駆動用アクチュエータを装着し、図４（ｂ）では回転対偶６に駆動用アクチュエータを装着している。
以上の構成により、各対偶に装着された駆動用アクチュエータのそれぞれに図略の制御装置より動作指令を与えることによって、回転対偶、直動対偶を揺動、伸縮させることによって、可動板を位置、姿勢制御することができる。
【００１０】
図２は本発明の第２の実施の形態のパラレルリンクロボットを示す斜視図である。第２の実施の形態のパラレルリンクロボットは、基台と可動板とを鉛直方向の駆動力を補助するためのスプリングダンパーで連結したものである。これによってモータ１３Ｍ（図７）等にかかる負荷を軽減することができ、小型化に寄与するものとなる。
図２（ａ）は、スプリングダンパー２１を３組用いた例、図２（ｂ）は、スプリングダンパー２１’を１組用いた例をそれぞれ示している。
まず、図２（ａ）において、２は第２の実施の形態に係るパラレルリンクロボット、１１は基台、１２は可動板、１３はアーム、１３Ｌ１は上リンク、１３Ｌ２は下リンク、１４Ｕは二自由度回転対偶、１５Ｋは球対偶、１６Ｇは直動対偶である。そして、２１がスプリングダンパーである。
図２（ａ）においても、パラレルリンクロボット２は基台１１と、可動板１２と、３組のアーム１３で構成し、３組のアーム１３は１２０°等配としている。また、アーム１３は上リンク１３Ｌ１と、下リンク１３Ｌ２と、上リンク１３Ｌ１および下リンク１３Ｌ２との間に介在する直動対偶１６Ｇとから構成されている。
このように、パラレルリンクロボット２は、基台１１、可動板１２上の球対偶を３組で構成して、極めてコンパクトとなっているため、３組のスプリングダンパー２１を余分に連結することが可能となる。スプリングダンパー２１は基台１１とユニバーサルジョイント２４Ｕで連結し、可動板１２と球対偶２５Ｋで連結している。スプリングダンパー２１により鉛直方向の駆動力が補助されるので、モータ１３Ｍ（図７）等にかかる負荷が軽減され、全体を小型化することができる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）のスプリングダンパー２１よりも駆動力の大きい１組のスプリングダンパー２１’を基台１１の中央と可動板１２の中央との間に配設して成るものである。そして、基台１１の中央との連結はユニバーサルジョイント２４Ｕ’で、可動板１２の中央との連結は球対偶２５Ｋ’で行っている。その他の構成は、図２（ａ）と同じである。
このように、図２（ｂ）のパラレルリンクロボット２’によれば、１組のスプリングダンパー２１’で構成したので、図２（ａ）のパラレルリンクロボット２と同じ作用をしながら、装置全体をさらに簡素化することが可能となる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のパラレルリンクロボット１、２、２’によれば、３組のアーム１３、ユニバーサルジョイント１４Ｕ、球対偶１５Ｋで構成することができるため、対偶数を少なくでき、したがって基台１１および可動板１２を小さくコンパクトにできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるパラレルリンクロボットを示す斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態であるパラレルリンクロボットを示す斜視図である。
【図３】図１に示すパラレルリンクロボットの二自由度回転対偶の１つの具体例を示す拡大図である。
【図４】図１に示すパラレルリンクロボットの二自由度回転対偶の別の具体例を示す拡大図である。
【図５】本出願人が先に開発した公知の電動シリンダの側断面図である。
【図６】図５の電動シリンダを３個用いて作った公知のパラレルリンクロボットの側面図である。
【図７】図３（ａ）の二自由度回転対偶１４Ｕを装着したアーム部全体のを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 本発明の第１の実施の形態に係るパラレルリンクロボット
１１ 基台
１２ 可動板
１３ アーム
１３Ｌ１ 上リンク
１３Ｌ２ 下リンク
１４Ｕ、２４Ｕ、２４Ｕ’ 二自由度回転対偶
１５Ｋ、２５Ｋ、２５ｋ’ 球対偶
１６Ｇ 直動対偶
２、２’ 本発明の第２の実施の形態に係るパラレルリンクロボット
２１、２１’ スプリングダンパー
３、４、５、６ 回転対偶
７ 電動シリンダ
３１、４１、１３Ｍ モータ

Claims (6)

1. 基台と、エンドエフェクタの取り付け用可動板と、及び前記基台と前記可動板にそれぞれ一端が連結される２本のリンクで構成される１組のアームが３組と、で構成されたパラレルリンクロボットであって、前記アームの一方の基端は、前記基台と回転軸が平行でない２つの回転対偶で構成される二自由度回転対偶で連結され、他方の基端は、前記可動板と球対偶で連結され、前記１組のアームを構成するリンクは、直動対偶を有し伸縮可能であり、前記回転対偶の一方と前記直動対偶に制御可能な駆動用アクチュエータが装着されたパラレルリンクロボットにおいて、
   前記の３組のアームの他に、３組のスプリングダンパーが前記基台と二自由度回転対偶で連結され、前記可動板と球対偶で連結されたことを特徴とするパラレルリンクロボット。
2. 基台と、エンドエフェクタの取り付け用可動板と、及び前記基台と前記可動板にそれぞれ一端が連結される２本のリンクで構成される１組のアームが３組と、で構成されたパラレルリンクロボットであって、前記アームの一方の基端は、前記基台と回転軸が平行でない２つの回転対偶で構成される二自由度回転対偶で連結され、他方の基端は、前記可動板と球対偶で連結され、前記１組のアームを構成するリンクは、直動対偶を有し伸縮可能であり、前記回転対偶の一方と前記直動対偶に制御可能な駆動用アクチュエータが装着されたパラレルリンクロボットにおいて、
   前記の３組のアームの他に、１組のスプリングダンパーの一方が前記基台の中央と二自由度回転対偶で連結され、他方が記可動板の中央と球対偶で連結されたことを特徴とするパラレルリンクロボット。
3. 回転軸が直交するようなユニバーサルジョイントで前記二自由度回転対偶を構成したことを特徴とする請求項１または２記載のパラレルリンクロボット。
4. 回転軸が直交しないようにリンクにて回転軸間距離を持たせて前記二自由度回転対偶を構成したことを特徴とする請求項１または２記載のパラレルリンクロボット。
5. 前記二自由度回転対偶のうち前記基台と直接連結される回転対偶に、制御可能な駆動用アクチュエータを装着したことを特徴とする請求項１または２記載のパラレルリンクロボット。
6. 前記二自由度回転対偶のうち、前記基台と直接連結される回転対偶を回転自由とし、他方の回転対偶に制御可能な駆動用アクチュエータを装着したことを特徴とする請求項１または２記載のパラレルリンクロボット。

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