JP6110620B2 - パラレルリンクロボット - Google Patents

Description

本発明は、複数のアクチュエータとリンク機構とを組み合わせて構成され、物品の加工や組立等の作業に用いられるパラレルリンクロボットに関する。

パラレルリンクロボットは、基礎部となる固定部材に支持された複数のアクチュエータと出力部材との間に、それぞれアームとしてのリンク機構を設けている。そして、複数のアクチュエータをそれぞれ駆動して、各リンクの先端に接続された出力部材及び出力部材に装着されたエンドエフェクタの位置、姿勢を制御する。

例えば、駆動機構（アクチュエータ）により駆動される３本のアームのうちの１本のアームを構成するリンクを、ユニバーサル／カルダンジョイントによりマニピュレータに連結した構造が提案されている（特許文献１参照）。

特許第４９０１０５７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載された構造の場合、マニピュレータの回転を制御するために、このユニバーサル／カルダンジョイントを介して行うことになる。このため、このアームの駆動機構が非常に複雑となりコストアップの要因となる。また、ユニバーサル／カルダンジョイントは、作動角度の制限が存在するので、マニピュレータの制御可能な位置範囲（可動範囲）が大きく制限されてしまう。可動範囲を拡げるためにはアーム長を長くする必要があるが、ロボット本体が大型化してしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、簡単かつコンパクトな構成で、エンドエフェクタの回転角度を十分に確保できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明は、出力軸と、前記出力軸に対して回動する回動部と、固定部材に支持され所定の空間内で前記出力軸を移動させる第１アクチュエータ、第２アクチュエータ及び第３アクチュエータと、前記回動部を回動させる第４アクチュエータと、前記出力軸と、前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ及び前記第３アクチュエータとの間にそれぞれ設けられた複数のリンク機構と、前記回動部と前記第４アクチュエータとの間に設けられ、前記第４アクチュエータの駆動により前記回動部を回動させる伝達部材と、を備え、前記回動部の回転軸と同軸上には、前記伝達部材の回動を増速して前記回動部に伝達する増速手段が配置され、前記複数のリンク機構のうち１つのリンク機構と前記伝達部材とで平行リンク機構を形成すると共に、前記伝達部材が前記第４アクチュエータ及び前記増速手段の間を接続し、前記第４アクチュエータの駆動を前記伝達部材が前記増速手段に伝達することにより前記回動部を回動させる、ことを特徴とするパラレルリンクロボットにある。

本発明によれば、出力軸に対して回動する回動部と、伝達部材の回動を増速して回動部に伝達する増速手段とを有するため、簡単かつコンパクトな構成で、回動部に装着されるエンドエフェクタの回転角度を十分に確保できる。即ち、出力軸に対して回動する回動部を有するため、エンドエフェクタを回動させるために、ユニバーサル／カルダンジョイントなどの自在継手を設ける必要がなく、簡単かつコンパクトな構成とすることができる。また、伝達部材の回動を増速して回動部に伝達する増速手段を有するため、伝達部材の回動範囲が制限されても、増速手段により増速されて回動部が回転するため、回動部に装着されるエンドエフェクタの回転角度を十分に確保できる。

本発明の実施形態に係るパラレルリンクロボットの概略構成を示す、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。 同じくパラレルリンクロボットの概略構成を示す（ａ）は斜視図、（ｂ）は出力部材周りの構成の拡大斜視図。 （ａ）は２自由度のジョイント部の１例を拡大斜視図、（ｂ）は３自由度のジョイン部を使用した構成で、２本のリンクにブリッジ部材を掛け渡した状態を示す模式図。 本実施形態のパラレルリンクロボットを、図２（ａ）とは別の角度からみた斜視図。 第１の実施形態の第４モータによる回動部の駆動状態の３例を示す、パラレルリンクロボットの一部を省略した平面図。 本実施形態の出力部材に設けられた増速回転機構周りの構成を、一部を切断して示す斜視図。 同じく出力部材に設けられた増速回転機構の断面図。 増速回転機構を構成する遊星歯車機構を示す平面図。 本実施形態に係るパラレルリンクロボットの制御系の一部を示すブロック図。 本実施形態でステッピングモータに出力される２相励磁方式のパルス信号の一例を示す図。

本発明の実施形態について、図１ないし図１０を用いて説明する。図１及び図２に示すように、パラレルリンクロボット１００は、固定部材としてのベース部材１００Ａと、出力部材１０３と、複数のモータ１０７、１０８、１１１、１１３と、複数のアーム１０９、１１０、１１２、１１９と、を有する。第１モータ１０７は第１アクチュエータに、第２モータ１０８は第２アクチュエータに、第３モータ１１１は第３アクチュエータに、第４モータ１１３は第４アクチュエータに、それぞれ相当する。また、１０９は第１アームに、１１０は第２アームに、１１２は第３アームに、１１９は第４アームに、それぞれ相当する。

ベース部材１００Ａは、略水平方向に配置された水平板１０１と、水平板１０１から略鉛直方向に設けられた鉛直板１０２とから構成され、上述の複数のモータ１０７、１０８、１１１、１１３を支持する。複数のモータ１０７、１０８、１１１、１１３は、それぞれ鉛直板１０２の所定位置に固定されている。本実施形態では、鉛直板１０２の幅方向中央の鉛直方向上側に第３モータ１１１を、鉛直板１０２の鉛直方向中間部で、幅方向中央を挟んだ両側に、それぞれ第１モータ１０７、第２モータ１０８、第４モータ１１３を配置している。水平板１０１上には、ワークなどが配置される。

出力部材１０３は、ワークの把持や移動を行うロボットハンド等のエンドエフェクタ１０４を装着するためのマニピュレータである。出力部材１０３には、後述する複数のアームを構成するリンク機構が結合され、エンドエフェクタ１０４を支持する出力軸としての第１軸（第１軸部）１０５が同軸上に設けられている。第１軸１０５には、第１軸１０５と交差する第２軸（第２軸部）１０６が固定されている。本実施形態では、第２軸１０６は、鉛直板１０２と略平行に配置されると共に第１軸１０５に直交する。また、第１軸１０５は略鉛直方向に、第２軸１０６は略水平方向に、それぞれ配置される。また、第１軸１０５の鉛直方向上端が第２軸１０６の水平方向中央部に結合されている。

［出力部材の位置決め］
まず、パラレルリンクロボット１００による出力部材１０３の位置決めの構成について、図１ないし図３を用いて説明する。第１アーム１０９及び第２アーム１１０は、出力部材１０３と第１モータ１０７との間、及び、出力部材１０３と第２モータ１０８との間にそれぞれ配設される。第１アーム１０９及び第２アーム１１０は、出力部材１０３をその両側から保持する。そして、第１モータ１０７及び第２モータ１０８の駆動により出力部材１０３を第１軸１０５に交差する方向（略水平方向）に移動させる。なお、厳密に言えば第３モータ１１１を停止している場合は、第１モータ１０７及び第２モータ１０８によって出力部材１０３は仮想的な球面上を移動することになる。

第３アーム１１２は、出力部材１０３と第３モータ１１１との間に設けられている。第３アーム１１２は、出力部材１０３を鉛直方向上方側から保持する。そして、第３モータ１１１の駆動により出力部材１０３を第１軸１０５と略平行な方向に移動させる。厳密に言えば、第１モータ１０７と第２モータ１０８を停止している場合は、第３モータ１１１の駆動により出力部材１０３は仮想的な円弧上を移動することになる。そして、第１モータ１０７、第２モータ１０８及び第３モータ１１１の駆動により、所定の空間内で出力部材１０３を位置決め可能としている。これら第１アーム１０９、第２アーム１１０及び第３アーム１１２は、出力部材１０３の姿勢を保持する保持手段を構成する。また、このような保持手段及び出力部材１０３とでパラレルリンク構造体を構成する。以下、より具体的に説明する。

第１アクチュエータとしての第１モータ１０７は、第１回転アーム１０７ａを略水平方向に回動させて第１リンク軸１０７ｂを位置決めする回転型アクチュエータである。第２アクチュエータとしての第２モータ１０８は、第２回転アーム１０８ａを略水平方向に回動させて第２リンク軸１０８ｂを位置決めする回転型アクチュエータである。本実施形態では、第１回転アーム１０７ａの長さと第２回転アーム１０８ａの長さとを同じとしている。

第１リンク軸１０７ｂ、第２リンク軸１０８ｂは、それぞれ第１モータ１０７の回転軸、第２モータ１０８の回転軸に略平行となるように、且つ、傾動不能に、第１回転アーム１０７ａ及び第２回転アーム１０８ａの先端に設けられている。本実施形態では、第１モータ１０７及び第２モータ１０８の回転軸は、第１軸１０５と略平行に配置されているため、第１リンク軸１０７ｂ及び第２リンク軸１０８ｂも、第１軸１０５と略平行に配置される。

第１アーム１０９は、第１軸１０５と平行な方向に離間して互いに平行に配設される複数の第１リンク１０９ａからなる。本実施形態では、同じ長さの２本の第１リンク１０９ａにより第１アーム１０９を構成している。このような第１アーム１０９は、一端が出力部材１０３に対して、第１軸１０５を中心とする回動、及び、第１軸１０５と第１アーム１０９の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な２自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第１モータ１０７の駆動部としての第１回転アーム１０７ａに傾動不能に設けられた第１リンク軸１０７ｂに接続される。これにより、第１アーム１０９は、平行リンク機構を構成している。

具体的には、２本の第１リンク１０９ａは、それぞれ、一端はエンドエフェクタ１０４を支持する第１軸１０５に２自由度のジョイント部１０９ｂで接続され、他端は第１リンク軸１０７ｂに２自由度のジョイント部１０９ｃで接続されている。ここで、ジョイント部１０９ｃは、第１リンク軸１０７ｂを中心とする回動、及び、第１リンク軸１０７ｂと第１リンク１０９ａの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。

即ち、２本の第１リンク１０９ａは、両端を第１軸１０５上と第１リンク軸１０７ｂ上に、それぞれ２自由度で接続している。そして、第１軸１０５、第１リンク軸１０７ｂ、２本の第１リンク１０９ａで平行リンク機構を構成している。これにより、エンドエフェクタ１０４を支持する第１軸１０５と、傾動不能に設けられた第１リンク軸１０７ｂとは、常に平行が保たれる。そして、第１回転アーム１０７ａがどの位置に回動しても、エンドエフェクタ１０４の姿勢（傾き）が一定（略鉛直方向）に保持される。

第２アーム１１０は、第１軸１０５に対する第１アーム１０９の一対の接続部分（ジョイント部１０９ｂ）の間に対応して接続される、少なくとも１本の第２リンク１１０ａからなる。本実施形態では、１本の第２リンク１１０ａにより第２アーム１１０を構成している。また、１本の第２リンク１１０ａの長さは、第１アーム１０９の２本の第１リンク１０９ａの長さと同じとしている。このような第２アーム１１０は、一端が出力部材１０３に対して、第１軸１０５を中心とする回動、及び、第１軸１０５と第２アーム１１０の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な２自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第２モータ１０８の駆動部としての第２回転アーム１０８ａに傾動不能に設けられた第２リンク軸１０８ｂに接続される。

具体的には、１本の第２リンク１１０ａは、一端はエンドエフェクタ１０４を支持する第１軸１０５に２自由度のジョイント部１１０ｂで接続され、他端は第２リンク軸１０８ｂに２自由度のジョイント部１１０ｃで接続されている。ここで、ジョイント部１１０ｃは、第２リンク軸１０８ｂを中心とする回動、及び、第２リンク軸１０８ｂと第２リンク１１０ａの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。即ち、１本の第２リンク１１０ａは、両端を第１軸１０５上と第２リンク軸１０８ｂ上に、それぞれ２自由度で接続している。これにより、第２アーム１１０は、リンク機構を構成している。

第３アクチュエータとしての第３モータ１１１は、第３回転アーム１１１ａを略垂直方向に回動させて第３リンク軸１１１ｂを位置決めする回転型アクチュエータである。第３リンク軸１１１ｂは、第３モータ１１１の回転軸に略平行となるように、且つ、傾動不能に、第３回転アーム１１１ａの先端に設けられている。本実施形態では、第３モータ１１１の回転軸は、第２軸１０６と略平行に配置されているため、第３リンク軸１１１ｂも、第２軸１０６と略平行に配置される。

第３アーム１１２は、第２軸１０６と平行な方向に離間して互いに平行に配設される複数の第３リンク１１２ａからなる。本実施形態では、同じ長さの２本の第３リンク１１２ａにより第３アーム１１２を構成している。このような第３アーム１１２は、一端が出力部材１０３に対して、第２軸１０６を中心とする回動、及び、第２軸１０６と第３アーム１１２の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な２自由度を有する状態で接続される。また、他端が第３モータ１１１の駆動部としての第３回転アーム１１１ａに傾動不能に設けられた第３リンク軸１１１ｂに接続される。これにより、第３アーム１１２は、平行リンク機構を構成している。

具体的には、２本の第３リンク１１２ａは、それぞれ、一端は第２軸１０６に２自由度のジョイント部１１２ｂで接続され、他端は第３リンク軸１１１ｂに２自由度のジョイント部１１２ｃで接続されている。ここで、ジョイント部１１２ｃは、第３リンク軸１１１ｂを中心とする回動、及び、第３リンク軸１１１ｂと第３リンク１１２ａの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。また、第３アーム１１２の一対の第３リンク１１２ａは、第２軸１０６の第１軸１０５が接合された部分から水平方向の対称位置で接続されている。

即ち、２本の第３リンク１１２ａは、両端を第２軸１０６上と第３リンク軸１１１ｂ上に、それぞれ２自由度で接続している。そして、第２軸１０６、第３リンク軸１１１ｂ、２本の第３リンク１１２ａで平行リンク機構を構成している。これにより、エンドエフェクタ１０４を支持する第２軸１０６と、傾動不能に設けられた第３リンク軸１１１ｂとは、常に平行が保たれる。そして、第３回転アーム１１１ａがどの位置に回動しても、エンドエフェクタ１０４の第１軸１０５の軸周りの回転が拘束され、向きが一定に保たれる。

図１、図２に円形のジョイントとして図示されている２自由度のジョイント部１０９ｂ、１０９ｃ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１２ｂ、１１２ｃは、図３（ａ）に例示する構造のものが好適である。図３（ａ）のジョイント部では、矢印Ａに示す支持軸の周りに１回転以上回転する自由度と、この支持軸に垂直な軸を回転軸として矢印Ｂに示す所定の角度範囲内で回動する自由度を有する。これらのジョイント部は、少なくともこの２自由度を有していれば機能的に問題ないが、ボールジョイントやロッドエンドジョイント等の３自由度を有するジョイントを使用しても良い。これにより、ジョイント部自体をコンパクトにすることが可能である。但し、この場合には、図３（ｂ）に示すように、平行リンク機構のねじれを防止するために、リンクの軸周りの回転を規制する規制部材としてのブリッジ部材２０１、２０２が必要となる。

ブリッジ部材２０１、２０２は、２本のリンク２０３、２０４の両端寄りに、それぞれ２本のリンク２０３、２０４に掛け渡されるように配置される。このようなブリッジ部材２０１、２０２は、それぞれ、リンク２０３、２０４に直交する軸を有し、この軸にリンク２０３、２０４をそれぞれ回転自在に支持することで、リンク２０３、２０４と接続される。これにより、リンクの軸回りの回転を防止すると共に、２本のリンク同士が配設方向に相対移動可能としている。そして、２本のリンクが３自由度のジョイント部で接続されても、リンクの軸回りの自由度を拘束して、結果的に、２本のリンクにより構成されるアームを２自由度で接続することができる。なお、２本のリンク同士が配設方向に相対移動可能としているため、２本のリンクが平行状態を維持したまま、２本のリンクが接続される軸とリンクの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。

例えば、第３アーム１１２を構成する２本の第３リンク１１２ａを、それぞれが、出力部材１０３に対して、上述の２自由度に加えて第３リンク１１２ａの軸回りの回動が可能な３自由度を有する状態で接続する。この場合、２本の第３リンク１１２ａ同士が第３アーム１１２の配設方向に相対移動可能に、且つ、それぞれの第３リンクの軸回りの回転を不能に、２本の第３リンクにブリッジ部材２０１、２０２を掛け渡す。これにより、第３アーム１１２が出力部材１０３や第３リンク軸１１１ｂに対して２自由度で接続される。第１アーム１０９についても同様である。

なお、本実施形態では、第１軸１０５と第２軸１０６との成す角度が９０度で互いに直交するように設けられているが、立体的に直交するようにしても良いし、９０度に限らず所定の角度を成すように配置しても良い。

このように、本実施形態では、第１アーム１０９の形成する平行リンク機構と、第３アーム１１２の形成する平行リンク機構とによって、出力部材１０３に装着されたエンドエフェクタ１０４は一定の姿勢（傾き）と向きとの両方を保つように支持される。

このように構成される本実施形態の場合、第１モータ１０７による第１回転アーム１０７ａの駆動と、第２モータ１０８による第２回転アーム１０８ａの駆動とを行うことで、出力部材１０３は略水平方向に移動する。また、第３モータ１１１により第３回転アーム１１１ａを駆動することで、出力部材１０３を上下方向に移動させると、第１アーム１０９と第２アーム１１０は水平からずれる。このため、出力部材１０３の３次元空間内（所定の空間内）の位置は、第１アーム１０９と第２アーム１１０の傾斜を考慮して、第１、第２、第３回転アームの駆動量から幾何学的に算出することが可能である。また、逆運動学の計算により、出力部材１０３の空間位置座標から第１、第２、第３モータの駆動量を算出することが可能である。

また、本実施形態の場合、上述したように、出力部材１０３の移動位置に拘らず、出力部材１０３の姿勢と向きを一定に保つことができる。例えば、上述の特許文献１に記載された構造の場合、マニピュレータが出力軸周りの回転に対して拘束されていないため、マニピュレータに取り付けられるエンドエフェクタの向きが移動位置によって変わってしまう。即ち、３本のアームが３自由度を有するジョイント装置でマニピュレータに連結されるため、マニピュレータの回転は拘束されない。このため、３本のアームを用いてマニピュレータを移動させた場合に、移動の前後でマニピュレータの回転角度（向き）が変わってしまう。このように移動位置によってマニピュレータの向きが変わってしまうと、ロボットの作業として、ワークの搬送や位置決めを行い難い。これに対して本実施形態では、上述のように構成することで、出力部材１０３の移動位置に拘らず、出力部材１０３の姿勢と向きを一定に保つことができる。そして、上述の構成で出力部材１０３の位置決め制御を行うことで、出力部材１０３に装着されたエンドエフェクタ１０４の姿勢（傾き）と向きを保持したまま、エンドエフェクタ１０４を移動させることができる。

また、出力部材１０３の姿勢と向きが第１アーム１０９及び第３アーム１１０により保持されるため、第２アーム１１０は、少なくとも１本の第２リンク１１０ａを備えていれば良く、本実施形態では、第２アーム１１０を１本の第２リンク１１０ａにより構成しているため、装置の小型化及び低コスト化を図れる。

［出力部材の向き変更］
次に、出力部材１０３の向き変更のための構成について、図１、図４及び図５を用いて説明する。これは、出力部材１０３に装着されたエンドエフェクタ１０４の傾き（略鉛直）を保持したまま、第１軸１０５の軸周りの回転角度の制御を行うものである。

図１、図４、図５において、第４アクチュエータとしての第４モータ１１３は、回転型アクチュエータの一例である。第４モータ１１３は、回転軸が、第２モータ１０８の回転軸と同軸に位置するように配置されている。本実施形態では、第４モータ１１３を第２モータ１０８の鉛直方向下側に配置している。

第４モータ１１３の回転軸には、プーリ１１４が軸支固定されている。一方、第２モータ１０８の回転軸に軸支された第２回転アーム１０８ａの先端に設けられた第２リンク軸１０８ｂには、プーリ１１５が回転自在に軸支されている。プーリ１１４とプーリ１１５の歯数及び径は同一であり、２つのプーリ間にはタイミングベルト１１６が張架されている。また、プーリ１１５には、リンクプレート１１７がプーリ１１５と共に回転するように連結されている。

また、出力部材１０３には、第１軸１０５を回転軸とする回動部１０３ａが設けられている。回動部１０３ａと第４モータ１１３との間には、第４モータの駆動により回動部１０３ａを回動させる伝達部材としての第４アーム１１９が配設されている。更に、回動部１０３ａには、後述する増速回転機構３００を介してリンクプレート１１８が連結されている。

第４アーム１１９は、第２リンク１１０ａと平行に配置される少なくとも１本の第４リンク１１９ａからなる。本実施形態では、１本の第４リンク１１９ａにより第４アーム１１９を構成している。このような第４アーム１１９は、一端が回動部１０３ａに連結されるリンクプレート１１８に対して、少なくとも、第１軸１０５と平行な軸を中心とする回動、及び、第１軸１０５に平行な軸と第４アーム１１９の配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能な２自由度を有する状態で接続される。また、他端が、第２リンク軸１０８ｂを中心として回動する駆動回動部としてのリンクプレート１１７の、第２リンク軸上から外れた位置で接続される。

具体的には、１本の第４リンク１１９ａは、一端をリンクプレート１１８の先端に２自由度のジョイント部１１９ｂで接続し、他端をリンクプレート１１７の先端に２自由度のジョイント部１１９ｃで接続している。ここで、ジョイント部１１９ｃは、第２リンク軸１０８ｂに平行な軸を中心とする回動、及び、第２リンク軸１０８ｂに平行な軸と第４リンク１１９ａの配設方向とに直交する軸を中心とする回動が可能である。

ジョイント部１１９ｂ、１１９ｃは、前述の図３に示す構造のものと同様であり、少なくとも２自由度を有すれば良い。また、ジョイント部１１９ｂ、１１９ｃとして、ボールジョイントやロッドエンドジョイント等の３自由度を有するジョイントを使用しても良い。

また、第４リンク１１９ａの一端が接続される回動部側の位置（ジョイント部１１９ｂ）と第１軸１０５との距離と、第４リンク１１９ａの他端が接続される駆動回動部側の位置（ジョイント部１１９ｃ）と第２リンク軸１０８ｂとの距離とを同じとしている。本実施形態では、リンクプレート１１７とリンクプレート１１８として、同じ形状、同じ大きさのものを使用し、それぞれの回転中心とジョイント部との長さを互いに一致させている。また、第２リンク１１０ａと第４リンク１１９ａとの長さを同じとしている。そして、第４リンク１１９ａと第２リンク１１０ａとで平行リンク機構を構成するようにしている。これにより、第４アーム１１９は、出力部材１０３の位置及び回動部１０３ａの回動状態に拘らず、第２アーム１１０との平行状態が維持されるように配置される。

次に、第４モータ１１３の駆動により回動部１０３ａを回動させる場合の動作について、図５を用いて説明する。図５（ａ）において、第４モータ１１３を矢印α方向に回動させると、プーリ１１４、１１５とタイミングベルト１１６によりリンクプレート１１７が矢印β方向に回動する。そして、リンクプレート１１７と連結した第４アーム１１９により、リンクプレート１１８が矢印γ方向に回動する。第４アーム１１９を構成する第４リンク１１９ａと第２アーム１１０を構成する第２リンク１１０ａとが平行リンク機構を構成するため、図５（ｂ）に示すようにリンクプレート１１７の回動角度とリンクプレート１１８の回動角度は一致する。

また、図５（ｃ）に示すように、プーリ１１４とプーリ１１５の歯数及び径を同一としているので、第２モータ１０８を駆動し、第２回転アーム１０８ａがどの位置に回動しても、第４モータ１１３を駆動させずに保持すれば、リンクプレート１１７の角度は一定に保持される。従って、第２アーム１１０と第４アーム１１９との平行リンク機構により、リンクプレート１１８の角度もまた一定に保持される。

［増速回転機構］
次に、第１軸上に配置され、第４アーム１１９の回動を増速して回動部１０３ａに伝達する増速手段としての増速回転機構３００について、図６ないし図８を用いて説明する。まず、リンクプレート１１８の回動軸を、エンドエフェクタ１０４を支持する第１軸１０５に直接又は間接的に連結することによって、エンドエフェクタ１０４の回転制御を行うことが可能である。しかも、エンドエフェクタ１０４の回転量は第４モータ１１３の駆動量によって一意的に定まり、第１乃至第３モータの駆動量に影響を受けることはない。

しかしながら、平行リンク機構によるエンドエフェクタ１０４の回転制御においては、リンクプレート１１８が回動することにより、第４アーム１１９がエンドエフェクタ１０４に干渉する為、回動角度が制限され十分な回転量を得ることは困難である。即ち、出力部材の位置決めのために接続されるアームとは別に、出力部材を回転させるためのアームを接続している。このような構造の場合には、回転を行うための別のアームがマニピュレータやエンドエフェクタと干渉する可能性があるため、回動角度が制限される場合があり、エンドエフェクタの回転が不十分となる可能性がある。

このため、本実施形態では、リンクプレート１１８に連結する回動部１０３ａに増速回転機構３００を設けて、エンドエフェクタ１０４の回動角度を増大させるようにしている。増速回転機構３００は、回動部１０３ａの回転軸上、即ち、第１軸１０５と同軸上に配置され、伝達部材としての第４アーム１１９の回動を増速して回動部１０３ａに伝達する。本実施形態の増速回転機構３００は、遊星歯車機構により構成している。

即ち、増速回転機構３００は、図８に示すように、太陽歯車３０１と、内歯車３０２と、複数の遊星歯車３０３と、キャリア３０４とから構成される。太陽歯車３０１及び内歯車３０２は、回動部１０３ａの回転軸上にそれぞれ配置されている。複数の遊星歯車３０３は、太陽歯車３０１と内歯車３０２との間に配置され、太陽歯車３０１及び内歯車３０２と噛合する。キャリア３０４は、複数の遊星歯車３０３を回転可能に保持する。そして、太陽歯車３０１を回動部１０３ａに接続され、内歯車３０２とキャリア３０４とのうちの何れか一方が第４アーム１１９に接続され、他方が出力部材１０３の第１軸（出力軸）１０５に固定される。

なお、増速回転機構３００は、内歯車３０２が回動部１０３ａに接続され、キャリア３０４が第４アーム１１９に接続され、太陽歯車３０１が出力部材に固定されようにしても良い。何れの構造であっても、第４アーム１１９による入力が、遊星歯車機構により増速されて回動部１０３ａに出力される。本実施形態では、太陽歯車３０１を回動部１０３ａに接続され、キャリア３０４が第４アーム１１９に接続され、内歯車３０２が第１軸（出力軸）１０５に固定される。図６及び図７を用いて具体的に説明する。

第４アーム１１９にジョイント部１１９ｂを介して連結されたリンクプレート１１８は、キャリア３０４が一体に形成され、キャリア３０４には、同一円周上に等分配置された３つのギア軸３０５が固定されている。そして、各ギア軸３０５には、それぞれ同一の遊星歯車３０３が回転自在に軸支されている。

複数の遊星歯車３０３の外側には、これと噛合うリング状の内歯車３０２がケース３０６に固定され、ケース３０６は出力部材１０３の第１軸１０５にセットビス３０７で固定されている。

一方、複数の遊星歯車３０３の内側には、これと噛合う太陽歯車３０１が設けられている。太陽歯車３０１は、図７に示すように、軸受３０８ａと軸受３０８ｂによって第１軸１０５と同軸上にこの第１軸１０５に対して回転自在に支持されている。また、第１軸１０５の下端部に設けられたＥリング３０９により、軸受３０８ｂを介して太陽歯車３０１が第１軸１０５から軸方向に抜けることを防止している。

太陽歯車３０１の下端には回動部１０３ａが一体に形成されており、回動部１０３ａには、エンドエフェクタ１０４の装着部３１０が形成されている。装着部３１０は、エンドエフェクタ１０４の精確な位置決めを行うための嵌合部３１０ａ、切欠溝３１０ｂ及びビス固定用のタップ穴３１０ｃを有している。

第４アーム１１９が接続されるリンクプレート１１８は、内歯車３０２及び太陽歯車３０１と同軸に配置されたホルダ３１１にビス３１２で固定されている。ホルダ３１１は、スペーサ３１３により所定間隔で配置された２つの軸受３１４によって、太陽歯車３０１のスリーブ部分３０１ａに回転自在に軸支されている。

このような構成において、リンクプレート１１８が回動すると、３つの遊星歯車３０３が公転しながら自転して、太陽歯車３０１を回転させる。本実施形態では、太陽歯車３０１の歯数Ｚａ＝１８、遊星歯車３０３の歯数Ｚｂ＝１８、内歯車３０２の歯数Ｚｃ＝５４とし、内歯車３０２を固定、遊星歯車のキャリア３０４を入力、太陽歯車３０１を出力とする構成としている。このため、遊星歯車機構の増速比は、
（Ｚａ＋Ｚｃ）／Ｚａ＝（１８＋５４）／１８＝４
となる。

この結果、第４アーム１１９によるリンクプレート１１８の回動角度が４倍に増大されて、エンドエフェクタ１０４が回動する。したがって、エンドエフェクタ１０４がどの位置にあっても、第４アーム１１９がエンドエフェクタ１０４に干渉することなく、エンドエフェクタ１０４の１回転以上の回動動作を得ることが可能である。しかも、エンドエフェクタ１０４の回転量及び回転速度は、第４モータ１１３の回転駆動量及び駆動速度に常に比例するので、精確な回転制御が可能である。

なお、上述のように、内歯車３０２を固定、キャリア３０４を入力、太陽歯車３０１を出力とすることで、最も高い増速比を得られる利点がある。但し、部品の配置や構成上の都合により、キャリア３０４を固定、内歯車３０２を入力、太陽歯車３０１を出力とする構成としてもよい。この場合の遊星歯車機構の増速比は、
−Ｚｃ／Ｚａ＝−５４／１８＝−３
となり、第４アーム１１９によるリンクプレート１１８の回動角度が３倍に増大されて、エンドエフェクタ１０４が回動する。但し、入力に対する出力の回転方向は反転する。

また、太陽歯車３０１を固定、キャリア３０４を入力、内歯車３０２を出力とする構成としても良い。この場合の遊星歯車機構の増速比は、
（Ｚａ＋Ｚｃ）／Ｚｃ＝（１８＋５４）／５４＝１．３３・・・
となり、第４アーム１１９によるリンクプレート１１８の回動角度が約１．３倍に増大されて、エンドエフェクタ１０４が回動する。この場合、増速比が小さいため、エンドエフェクタ１０４の回動角度を少し増速させたいような構成に用いることが好ましい。

なお、上述の説明では、第４アーム１１９を第２アーム１１０と常に平行となるように設けたが、第１アーム１０９と常に平行となるように設けても良い。その場合には、第４モータ１１３の回転軸は、第１モータ１０７の回転軸と同軸の位置に配置し、同様のプーリとタイミングベルトによる回転伝達機構を採用することが可能である。

また、上述の説明では、エンドエフェクタ１０４を支持する第１軸１０５の軸周りの回転角度を制御する構成としたが、第１軸１０５と所定の角度を成す第２軸１０６の軸周りの回転角度を制御する構成としても良い。その場合には、第４アーム１１９を第３アーム１１２と常に平行となるように設け、第４モータ１１３の回転軸は、第３モータ１１１の回転軸と同軸の位置に配置し、同様のプーリとタイミングベルトによる回転伝達機構を採用することが可能である。

更に、上述の説明では、第４モータ１１３の駆動を回動部１０３ａに伝達する伝達部材を第４アーム１１９としたが、伝達部材の構成は、これに限らない。例えば、第４モータ１１３の回転軸上に固定された回転部材と回動部１０３ａとをワイヤにより接続して、回転を伝達するようにしても良い。

［ステッピングモータ］
また、本実施形態の場合、上述の第１モータ１０７（第１アクチュエータ）、第２モータ１０８（第２アクチュエータ）、第３モータ１１１（第３アクチュエータ）、第４モータ１１３（第４アクチュエータ）をステッピングモータとしている。即ち、出力部材１０３を駆動する全てのアクチュエータを、ステッピングモータとしている。本実施形態のステッピングモータは、回転子が永久磁石から形成され、固定子が巻線から形成される。そして、巻線に所定のパルスで電流を印加することで、回転子を回転させる。

このような本実施形態のステッピングモータについて、図９及び図１０を用いて説明する。図９において、１１は、パラレルリンクロボットの出力部材１０３を駆動するためのステッピングモータであり、第１モータ１０７、第２モータ１０８、第３モータ１１１、第４モータ１１３に相当する。１２は、ステッピングモータ１１に動作指令を出力する制御装置であり、モータドライバ１３を介してステッピングモータ１１に接続される。モータドライバ１３は、ステッピングモータ１１を駆動するためのパワートランジスタ１５と、制御装置１２からの指令を受けて所定のタイミングでパルス信号を出力する信号出力ポート１４とから構成されている。

ステッピングモータ１１は、制御装置１２からの指令に応じて図１０に示すパルス信号ｐ１〜ｐ４が信号出力ポート１４から出力されると、パルス信号ｐ１〜ｐ４を受けたパワートランジスタ１５により、ステップ角を単位として回転駆動される。このように駆動されるステッピングモータ１１は、回転量下降時にハンチングせず、停止時に高保持トルクで位置を保つことができる。

図１及び図２を参照しつつ、より具体的に説明する。パラレルリンクロボット１００は、出力部材１０３を並進運動させるために、第１モータ１０７、第２モータ１０８、第３モータ１１１の回転量を協調させて制御すればよく、第４モータ１１３の回転量は出力部材１０３の位置の決定に作用しない。即ち、第１、第２、第３モータ１０７、１０８、１１１が位置決定のためのアクチュエータ、第４モータ１１３が向き変更のためのアクチュエータであり、出力部材の並進運動と回転運動は互いに干渉しない。

例えば、出力部材１０３の位置を現在位置Ｘｎから目標位置Ｘｎ＋１に移動させる作業の場合、第１、第２、第３モータ１０７、１０８、１１１を必要量駆動させると、第１、第２、第３アーム１０９、１１０、１１２は協調して出力部材１０３の位置を移動させる。出力部材１０３の位置が目標位置Ｘｎ＋１に到達すると同時に第１、第２、第３モータ１０７、１０８、１１１の駆動量は０とならなければ作業は遂行できない。したがって、第１モータ１０７、第２モータ１０８、第３モータ１１１をステッピングモータとすることで、回転量下降時にハンチングせず、第１、第２、第３モータ１０７、１０８、１１１の駆動量に影響を受けずに、出力部材の位置を要求に即して静定させることができる。よってパラレルリンクロボットにおいて出力部材の位置を保持しつつ姿勢を変える微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高める効果がある。

また、パラレルリンクロボット１００は、出力部材１０３を回転運動させるために、第４モータ１１３の回転量を制御すればよく、第１モータ１０７、第２モータ１０８、第３モータ１１１の回転量は出力部材１０３の姿勢の変更に作用しない。例えば、出力部材１０３の姿勢を現在姿勢Ｒｎから目標姿勢Ｒｎ＋１に変更する作業の場合、第４モータ１１３を必要量駆動させると、第４アーム１１９は出力部材１０３の姿勢を変更する。出力部材１０３の姿勢が目標姿勢Ｒｎ＋１に到達すると同時に第４モータ１１３の駆動量は０とならなければ作業は遂行できない。したがって、第４モータ１１３をステッピングモータとすることで、回転量下降時にハンチングせず、第４モータ１１３の駆動量に影響を受けずに、出力部材１０３の姿勢を要求に即して静定させることができる。よってパラレルリンクロボットにおいて出力部材の姿勢を保持しつつ位置を移動させる微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高める効果がある。

このように、本実施形態の場合、出力部材１０３を駆動する第１モータ１０７、第２モータ１０８、第３モータ１１１、第４モータ１１３をステッピングモータとしている。ステッピングモータは、回転量下降時にハンチングせず、停止時に高保持トルクで位置を保つことができる。このため、モータの駆動量に影響を受けずに、出力部材１０３の位置や姿勢を要求に即して静定させることができ、位置を保持しつつ姿勢を変える微小な動作及び姿勢を保持しつつ位置を移動させる微小な動作を含む、精密な作業の信頼性を高めたパラレルリンクロボットを提供することができる。

なお、上述の説明では、パラレルリンクロボットの制御系は、オープンループ制御として説明したが、セミクローズド又はクローズドループ制御として、更に適宜組み合わせて実現してもよい。また、パルス信号は２相励磁方式に限定されない。また、上述の説明では、姿勢変更のためのアクチュエータは第４アクチュエータのみであるが、より多数のアクチュエータを第４アクチュエータと並列に備え、出力部材に更に複雑な姿勢変更を遂行させても良い。

本実施形態の場合、出力部材１０３を鉛直方向に移動させる第３モータ１１１を、回転子が永久磁石から形成されるステッピングモータとしている。このため、第３モータ１１１への通電が遮断されても、コギングにより出力部材１０３の落下を抑制できる。即ち、第３モータ１１１への通電が遮断された場合でも、回転子を構成する永久磁石と固定子との間に作用する磁力によりコギングが発生して、少なくとも出力部材１０３が落下する速度を遅くできる、或いは、落下を防止できる。この結果、電磁ブレーキを設けることなく、出力部材１０３が急激に落下することを防止でき、出力部材１０３に保持されたワークなどがステージなどに衝突して破損することを防止できる。本実施形態では、このように電磁ブレーキを設ける必要がなく、また、安価なステッピングモータを使用しているため、パラレルリンクロボットの低コスト化を図れる。

なお、本実施形態の場合、出力部材１０３を駆動する全てのモータをステッピングモータとしているが、通電が遮断された場合の出力部材１０３の落下を抑制するためには、少なくとも第３モータ１１１がステッピングモータであれば良い。また、各モータの配置等を変更し、複数のモータにより出力部材を鉛直方向に移動させる場合には、これら複数のモータをステッピングモータとする。要は、駆動を停止することで出力部材の鉛直方向の移動を支えられるモータをステッピングモータとする。

このように構成される本実施形態の場合、出力軸としての第１軸１０５に対して回動する回動部１０３ａと、伝達部材としての第４アーム１１９の駆動を増速して回動部に伝達する増速手段としての増速回転機構３００とを有する。このため、簡単かつコンパクトな構成で、回動部１０３ａに装着されるエンドエフェクタ１０４の回転角度を十分に確保できる。

即ち、第１軸１０５に対して回動する回動部１０３ａを有するため、エンドエフェクタ１０４を回動させるために、前述の特許文献１に記載されたようなユニバーサル／カルダンジョイントなどの自在継手を設ける必要がなく、簡単かつコンパクトな構成とすることができる。

具体的には、本実施形態の場合、出力部材１０３に回動部１０３ａを設け、回動部１０３ａを回動させることで、エンドエフェクタ１０４の回転を制御するようにしている。このため、第３アーム１１２が接続される第１軸１０５を回転させる必要がなく、第３アーム１１２と第１軸１０５との接続部を簡単な構成にできる。この結果、出力部材１０３の可動範囲が大きく制限されることなく、簡単な構成でエンドエフェクタ１０４の向きの変更を行うことができ、装置の低コストも図れる。

また、本実施形態の場合、第４アーム１１９の駆動を増速して回動部１０３ａに伝達する増速回転機構３００を有する。このため、第４アーム１１９の駆動範囲がエンドエフェクタ１０４などの干渉により制限されても、増速回転機構３００により増速されて回動部１０３ａが回転するため、回動部１０３ａに装着されるエンドエフェクタ１０４の回転角度を十分に確保できる。

この結果、簡単かつコンパクトな機構でエンドエフェクタ１０４の回転角度範囲を広く設定出来るとともに、回転制御を精確に行うことが可能であり、ロボットの操作上の自由度や作業性を高めることができる。

＜他の実施形態＞
なお、上述の説明では、第１、第２、第３、第４アクチュエータは、それぞれ電動の回転型アクチュエータ（モータ）としたが、例えば直線方向に駆動力を変換する機構を追加し、リニア（直動）アクチュエータとしても良い。

１００ パラレルリンクロボット
１０３ 出力部材（マニピュレータ）
１０４ エンドエフェクタ
１０５ 第１軸
１０６ 第２軸
１０７ 第１モータ（第１アクチュエータ）
１０７ａ 第１回転アーム（駆動部）
１０８ 第２モータ（第２アクチュエータ）
１０８ａ 第２回転アーム（駆動部）
１０９ 第１アーム（リンク機構）
１０９ａ 第１リンク
１０９ｂ、１０９ｃ ジョイント部
１１０ 第２アーム（リンク機構）
１１０ａ 第２リンク
１１０ｂ、１１０ｃ ジョイント部
１１１ 第３モータ（第３アクチュエータ）
１１１ａ 第３回転アーム（駆動部）
１１２ 第３アーム（リンク機構）
１１２ａ 第３リンク
１１２ｂ、１１２ｃ ジョイント部
１１３ 第４モータ（第４アクチュエータ）
１１４、１１５ プーリ
１１６ タイミングベルト
１１７ リンクプレート（駆動回転部）
１１８ リンクプレート（駆動部）
１１９ 第４アーム（伝達部材）
１１９ａ 第４リンク
１１９ｂ、１１９ｃ ジョイント部
３００ 増速回転機構（増速手段）
３０１ 太陽歯車
３０２ 内歯車
３０３ 遊星歯車
３０４ キャリア

Claims (3)

1. 出力軸と、
   前記出力軸に対して回動する回動部と、
   固定部材に支持され所定の空間内で前記出力軸を移動させる第１アクチュエータ、第２アクチュエータ及び第３アクチュエータと、
   前記回動部を回動させる第４アクチュエータと、
   前記出力軸と、前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ及び前記第３アクチュエータとの間にそれぞれ設けられた複数のリンク機構と、
   前記回動部と前記第４アクチュエータとの間に設けられ、前記第４アクチュエータの駆動により前記回動部を回動させる伝達部材と、を備え、
   前記回動部の回転軸と同軸上には、前記伝達部材の回動を増速して前記回動部に伝達する増速手段が配置され、
   前記複数のリンク機構のうち１つのリンク機構と前記伝達部材とで平行リンク機構を形成すると共に、前記伝達部材が前記第４アクチュエータ及び前記増速手段の間を接続し、前記第４アクチュエータの駆動を前記伝達部材が前記増速手段に伝達することにより前記回動部を回動させる、
   ことを特徴とするパラレルリンクロボット。
2. 前記増速手段は、前記回動部の回転軸と同軸上に配置された、太陽歯車及び内歯車と、前記太陽歯車と前記内歯車との間に配置され、前記太陽歯車及び前記内歯車と噛合する複数の遊星歯車と、前記複数の遊星歯車を回転可能に保持するキャリアとから形成される遊星歯車機構であり、
   前記太陽歯車が前記回動部に接続され、
   前記内歯車と前記キャリアとのうちの何れか一方が前記伝達部材に接続され、他方が前記出力軸に固定される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
3. 前記増速手段は、前記回動部の回転軸と同軸上に配置された、太陽歯車及び内歯車と、前記太陽歯車と前記内歯車との間に配置され、前記太陽歯車及び前記内歯車と噛合する複数の遊星歯車と、前記複数の遊星歯車を回転可能に保持するキャリアとから形成される遊星歯車機構であり、
   前記内歯車が前記回動部に接続され、
   前記キャリアが前記伝達部材に接続され、
   前記太陽歯車が前記出力軸に固定される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のパラレルリンクロボット。

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