JPH05146980A - パラレルマニプレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、伸縮装置を駆動するための計算速
度が速く、面板の三次元動作範囲が広いパラレルマニプ
レータを提供することを目的とする。 【構成】 基盤に位置決め装置を介して揺動自在に中間
部材を設け、中間部材には軸受を介して揺動自在に面板
を設け、面板は姿勢決定装置を介して揺動自在に基盤に
連結し、位置決め装置は基盤に対して中間部材をｘ、
ｙ、ｚ方向の位置のみを決定し、面板の位置と姿勢を独
立した計算で制御することが可能なパラレルマニプレー
タ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】６自由度をもつパラレルマニプレ
ータの内、位置と姿勢を独立して制御することが可能な
パラレルマニプレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】パラレルマニプレータは、面板を位置姿
勢決定装置で支持し、位置姿勢決定装置を制御すること
によって面板の位置と姿勢を決定する。面板には加工具
とかハンドを設けて種々の用途に用いる。位置姿勢決定
装置は最低３組の伸縮装置から成り、面板を伸縮装置で
パラレルに支持するので個々の伸縮装置は小さい。伸縮
装置そのものが小さいので、マニプレータ自体の自重量
は小さく、コンパクトにすることができる。

【０００３】このような特徴をもつパラレルマニプレー
タについては、古くは１９６５年に出願されたＵＳ特許
第３，２８８，４２１号に原理的な技術の開示がある。
伸縮装置には直進するシリンダを用い、シリンダを面板
とか基盤に連結するには球面軸受を用いている。

【０００４】パラレルマニプレータの基本構成は基盤と
複数の伸縮装置と面板である。基盤と面板には特徴はな
いが、伸縮装置にはそれぞれに特徴がある。近年ではＵ
Ｓ特許第４，８０６，０６８号に開示されているよう
に、面板を３組の屈折するリンクで支持したものがあ
る。リンクを屈折し移動させることによって、面板の姿
勢と位置の両者を同時に制御している。リンクはシング
ル結合で、ユニバーサルジョイントとかピン軸受を用い
ている。

【０００５】また、特開昭５９ー２３２７３９号公報の
位置決め装置では、パンタグラフ式のリンクを屈折させ
ることを特徴としている。リンクの屈折角度で面板の位
置と姿勢の両者を同時に制御するものである。

【０００６】特公平０３ー０１７６２８号、特公平０３
ー０１７６２９号公報では、人体に模したマッキンペン
筋を伸縮装置に用い、中間部材を介して基盤と面板を連
結している。この用い方は中間部材の姿勢を先ず円弧状
に制御し、次に面板の姿勢を制御する。これはいわゆる
シリアルな連結をしたシリアルマニプレータである。

【０００７】以上に述べたように面板を動作させる伸縮
装置については、屈折するリンク、直進するシリンダ、
人体を模した筋体などがあり、またワイヤの引張作用で
制御するＳＵ１，０８３，０１７Ａなどもある。複数の
伸縮装置から成る位置姿勢決定装置を面板に連結する関
節部については、ＵＳ特許第３，２１５，３９１号、
３，２８８，４２１号、４，６５１，５８９号公報に球
面軸受、ピン軸受及びユニバーサルジョイントなどが開
示されている。

【０００８】パラレルマニプレータは伸縮装置を面板に
連結した関節部の３点の個々が変位する。そうすること
によって面板の位置と姿勢が保たれる。このようなパラ
レルマニプレータは、伸縮装置の構成、面板の構成、伸
縮装置を面板に連結する関節部の構成、及び中間部材の
有無などによって、伸縮装置を駆動する計算方法と計算
速度は異なる。そして、位置決めのための制御と姿勢決
定のための制御はそれぞれに異るのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】通常のシリアルマニプ
レータの制御は記憶容量が少なく、マニプレータの構成
と用途に従って、一般的に普遍化した用い方をしてい
る。即ち、モータの回転数からハンド先端の位置を認識
するか、ハンド先端の現在位置をモータ回転数に置換し
て位置を認識する。そして、この両者の計算を繰返して
現在位置と姿勢を認識し、駆動指令を発している。しか
し、前記した従来のパラレルマニプレータは３点で支持
し、位置と姿勢の両者を同一の伸縮装置と関節を介して
駆動している。この構成のものは、複数ある伸縮装置の
１つの動作に対して計算し、それ毎に次に計算すべきも
のを選択し、順々に計算することはできる。

【００１０】しかし面板や伸縮装置などの次への動作が
不可能な計算結果がでると、計算のスタートに戻ってや
りなおしの計算を次にまた順々にする。即ち、位置と姿
勢の両者を混合して３つの伸縮装置で制御すると計算速
度が遅いし、記憶容量が膨大になるので制御盤が大にな
る。依って、工業用として実質的な実用が不可能であ
る。一般的に普通に用いるには上記の欠点がある。本発
明は、伸縮装置を駆動するための計算速度が速く、面板
の三次元動作範囲が広いパラレルマニプレータを提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】基盤に位置決め装置を介
して揺動自在に中間部材を設け、中間部材には軸受を介
して揺動自在に面板を設け、面板は姿勢決定装置を介し
て揺動自在に基盤に連結し、位置決め装置は基盤に対し
て中間部材をｘ、ｙ、ｚ方向の位置のみを決定し、面板
の位置と姿勢を独立した計算と制御をすることが可能に
する。中間部材には支柱と球面軸受を介して揺動自在に
面板を設け、位置決め装置は平行四辺リンク、若しくは
シリンダにすることもできるし、位置決め装置を平行四
辺リンク、軸受を球面軸受にすること可能である。位置
決め装置と姿勢決定装置の各々は３組の伸縮装置から構
成すると、最も安定したコンパクトな構成になる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図に基ずいて説明する。図１
は本発明の動作を説明する概要図である。本発明のパラ
レルマニプレータ（以下 "マニプレータ”と称す）１
は、基盤１０と位置決め装置２と中間部材３０と姿勢決
定装置３、及び面板６０から成り、中間部材３０と面板
６０の両者は互いに軸受５１を設ける点００の部分を介
して連結している。支柱５０は中間部材３０の点０５と
面板６０の点００を一定間隔に保つために設ける。位置
決め装置２は複数の伸縮装置２０から成り、伸縮装置２
０の一端は関節部０１、０２を介して間接的に基盤１０
に連結し、伸縮装置２０の他端は関節部０３、０４を介
して間接的に中間部材３０に連結する。そして、更には
中間部材３０に支柱５０を設け、軸受００を介して面板
６０に連結する。

【００１３】この支柱５０は中間部材３０に設けてもよ
いし、面板６０に設けてもよい。中間部材３０と面板６
０が点００部分を介して揺動自在に連結していれば、本
発明の目的を達成する。点００部分には軸受５１を設け
るが球面軸受が最もよく、ユニバーサルジョイントのよ
うに特定面が三次元に対面できる構成であればよい。姿
勢決定装置３は複数の伸縮装置４０から成り、この伸縮
装置４０は関節部０６、０７を介して間接的に基盤６０
に連結する。そして、他端部は関節部０８、０９を介し
て間接的に面板６０に連結する。Ｆ１は基盤１０の面、
Ｆ２は中間部材３０の面、Ｆ３は面板６０の面を表す。

【００１４】マニプレータ１の位置決め装置２による位
置決め作用について説明する。位置決め装置２として複
数設けている伸縮装置２０の内の１つを伸長、若しくは
縮小すると他の伸縮装置の関節部０１、０３の角度が変
わり、中間部材３０がｘ方向、若しくはｙ、ｚ方向に変
位する。即ち、面Ｆ２の点０５はｘ、ｙ、ｚの方向に自
在に移動し、面Ｆ２をもつ中間部材３０の位置が決定す
るのである。

【００１５】次に姿勢決定装置３による姿勢決定の作用
について説明する。姿勢決定装置３として複数設けてい
る伸縮装置４０の内の１つを伸長、若しくは縮小すると
他の伸縮装置の関節部０６、０８の角度が変わり、面板
６０がＸ方向、若しくはＹ方向に変位する。複数ある伸
縮装置４０の全てを均等に同時に伸長、若しくは縮小す
ると面板６０がＺ方向に上昇若しくは下降する。即ち、
面Ｆ３の軸受００がＸ、Ｙ、Ｚの方向に自在に移動し、
面Ｆ３をもつ面板６０の姿勢が決定する。この時、位置
決め装置２の中間部材３０が変位したｘ１、ｙ１、ｚ１
の位置にあると、この中間部材３０の位置を基点にした
Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１に面板６０の姿勢が決定する。そし
て、複数設けている伸縮装置４０の個々の操作によっ
て、更にα、β、γ方向に変位する。即ち、面板６０は
Ｘ、Ｙ、Ｚの方向に自在に移動すると同時に、α、β、
γ方向にも回転するので自在に姿勢をすることができる
のである。

【００１６】図２は本発明の一実施例で、マニプレータ
の立体概念図である。面板１０に特定の円弧１１と１２
を関連づけてもたせ、その円弧上に特定した位置に各々
の関節部を連結する。中間部材３０及び面板６０につい
ても同様に特定した円弧上に各々の関節部を連結する。
以下に連結構成を説明する。位置決め装置２は伸縮装置
２１、２２、２３からなり、姿勢決定装置３は伸縮装置
４１、４２、４３からなる。伸縮装置２１の一端は関節
部２４を介して基盤１０に設ける。伸縮装置２２の一端
は関節部２５を介して基盤１０に設ける。伸縮装置２３
の一端は関節部２６を介して基盤１０に設ける。伸縮装
置２１の他端は関節部２７を介して中間部材３０に設け
る。伸縮装置２２の他端は関節部２８を介して中間部材
３０に設ける。伸縮装置２３の他端は関節部２９を介し
て中間部材３０に設ける。

【００１７】中間部材３０には支柱５０を設け、球面軸
受５１を介して面板６０に連結する。

【００１８】伸縮装置４１の一端は関節部４４を介して
基盤１０に設ける。伸縮装置４２の一端は関節部４５を
介して基盤１０に設ける。伸縮装置４３の一端は関節部
４６を介して基盤１０に設ける。伸縮装置４１の他端は
関節部４７を介して面板６０に設ける。伸縮装置４２の
他端は関節部４８を介して面板６０に設ける。伸縮装置
４３の他端は関節部４９を介して面板６０に設ける。

【００１９】伸縮装置はその一端と他端の間隔を伸縮す
ることが可能な構成であればよく、リンク、シリンダ、
ねじなどを用いることができる。図２に示す一実施例の
作用は、前記した図１の作用と同等である。所定の位置
と姿勢を計算し、移動すべき量の信号を出力し、伸縮装
置がもつアクチュエータを駆動する。各々の伸縮装置は
関節を介して中間部材３０で位置を決定し、面板６０で
姿勢を決定する。即ち、位置制御は３個のアクチュエー
タ、姿勢制御は３個のアクチュエータをそれぞれにフィ
ードバック計算して駆動し、伸縮装置の伸縮によって位
置と姿勢を独立して制御するのである。

【００２０】図３は位置決め装置２の伸縮装置２１を示
す具体例である。基盤１０と中間部材３０は伸縮装置で
ある立体二重平行リンクユニット（以下 ”平行リン
ク”と称す）２１で連結する。平行リンク２１のリンク
部分は、リンク３７の一端にリンク３５の一端とリンク
３９の一端をモータ１８の軸３６を介して連結する。こ
の部分の連結は、モータ１８の本体部分はリンク３９に
固定し、軸３６はリンク３５に固着する。リンク３７は
軸３６に対して回転自在に設ける。リンク３７の他端に
はリンク３４の一端とリンク３８の一端を回転自在に連
結する。

【００２１】一方、基盤１０には軸受１６を介してリン
ク１５を回転自在に設ける。

【００２２】一方、中間部材３０には軸受３３を介して
リンク３１を回転自在に設ける。

【００２３】前記したリンク３５の他端はピン３２を介
してリンク３１に回転自在に連結する。また、前記リン
ク３９の他端はピン１７を介してリンク１５に回転自在
に連結する。リンク３４、３８も同様にそれぞれリンク
３１、リンク１５に回転自在に連結する。図３における
Ｂ部分とＣ部分についての連結はほぼ同等である。

【００２４】図４は図３のＡ−Ａ断面を示す。リンク３
１は軸受３３に対して軸支し回転自在に設ける。リンク
３５はリンク３１に対して回転自在に設ける。それぞれ
の軸支は軸回転式でも軸固定式でもその部位の回転が自
在であればよい。

【００２５】リンク３７は軸３６を介してリンク３５に
対して回転自在に設ける。この軸３６そのものはモータ
１８に直結したものが好ましいが、軸心を合致させた連
結軸にしてもよい。モータ１８はリンク３９に固定し、
モータ１８の回転トルクはリンク３５に伝達する。

【００２６】リンク１５は軸受１６に対して軸支し回転
自在に設ける。リンク３９はリンク１５に対して回転自
在に設ける。それぞれの軸支は軸回転式でも軸固定式で
もその部位の回転が自在であればよい。

【００２７】図５は姿勢決定装置３の伸縮装置４１を示
す具体例である。基盤１０と面板６０は伸縮装置である
立体一重平行リンクユニット（以下 ”一重リンク”と
称す）４１で連結する。一重リンク４１のリンク部分
は、リンク６４の一端とリンク６９の一端をモータ６５
の軸６６を介して連結する。モータ６５はリンク６９に
固定し、軸６６はリンク６４に固着する。

【００２８】一方、基盤１０には、一対の軸受６８を設
けコマ６７を回転自在に設ける。一方、面板６０には、
面板６０に対して回転自在な軸７１をもつ軸受６３を設
け、コマ６１を回転自在に設ける、この部分ではどの方
向へでも回転が自在なるようにする。ユニバーサルジョ
イントを設けてもよい。

【００２９】図６は図５のＤ−Ｄ断面を示す。面板６０
に軸支する軸受６３にコマ６１を軸支し、リンク６４は
コマ６１に対して回転自在に設ける。それぞれの軸支は
軸回転式でも軸固定式でもその部位の回転が自在であれ
ばよい。モータ６５はリンク６９に固定し、モータ６５
の回転トルクはリンク６４に伝達する。コマ６７は軸受
６８に軸支し、リンク６９はコマ６７に対して回転自在
に設ける。

【００３０】次に図６に基づいて作用を説明する。モー
タ６５の回転トルクがリンク６４に伝達すると、リンク
６４が回転を開始しリンク６９とリンク６４とで成す角
度が変わり面板６０に対しても回転する。

【００２７】一方、前述したような作用が可能な平行リ
ンク２１と一重リンク４１は、図２に示す位置決め装置
として３組、姿勢決定装置として３組を設ける。関節部
分はこのように三次元の動作が可能であるから、位置決
め用の３組の平行リンク２１が自在に作動すると、中間
部材３０がｘ、ｙ、ｚに変位し、姿勢決定用の３組の一
重リンク４１が自在に作動すると面板６０がＸ、Ｙ、Ｚ
の変位をする。そして、このＸ、Ｙ、Ｚの変位に対して
更にα、β、γ軸の変位を成すことができる。中間部材
３０にて位置が決められ、面板６０にて姿勢が決定する
のである。

【００１５】

【発明の効果】本発明は位置決め装置にて中間部材を制
御し、姿勢決定装置にて面板を制御する独立制御なの
で、計算速度が速くなる。また、計算のための記憶容量
が少ないので制御盤はコンパクトになる。依って、工業
用として実質的な実用が可能になり、一般的に広く用い
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作を説明する概要図

【図２】本発明の一実施例で、マニプレータの立体概念
図

【図３】図２に示す伸縮装置２１の具体例

【図４】図３のＡ−Ａ断面

【図５】図２に示す伸縮装置４１の具体例

【図６】図５のＤ−Ｄ断面

【符号の説明】

１ マニプレータ ２ 位置決め装置 ３ 姿勢決定装置 １０ 基盤 ２０ 伸縮装置 ３０ 中間部材 ４０ 伸縮装置 ５０ 支柱 ５１ 軸受 ６０ 面板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基盤に位置決め装置を介して揺動自在に
   中間部材を設け、中間部材には軸受を介して揺動自在に
   面板を設け、面板は姿勢決定装置を介して揺動自在に基
   盤に連結し、位置決め装置は基盤に対して中間部材を
   ｘ、ｙ、ｚ方向の位置のみを決定し、面板の位置と姿勢
   を独立した計算で制御することが可能なことを特徴とす
   るパラレルマニプレータ。
2. 【請求項２】 中間部材には支柱と球面軸受を介して揺
   動自在に面板を設ける請求項１記載のパラレルマニプレ
   ータ。
3. 【請求項３】 位置決め装置が平行四辺リンク、若しく
   はシリンダである請求項１記載のパラレルマニプレー
   タ。
4. 【請求項４】 位置決め装置が平行四辺リンクであり、
   軸受が球面軸受である請求項１記載のパラレルマニプレ
   ータ。
5. 【請求項５】 位置決め装置と姿勢決定装置の各々は３
   組の伸縮装置から成る請求項１記載のパラレルマニプレ
   ータ。