JPH1029178A - マニプレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高剛性、高速度、高精度などの優れた特徴を
備えるとともに、制御演算時間が短く、しかも可動範囲
が大きいマニプレータを提供すること。 【解決手段】 ベースプレート１とトラベリングプレー
ト２は互いに３本のリンク３で連結され、上部フレーム
９とトラベリングプレート９は互いにセンターリンク４
で連結される。第一の自在継手２１は二軸回りの傾動が
可能で、可動側コア部２２にはボールネジが内蔵され、
ボールネジのロッド部２３にリンク３が接続される。第
二の自在継手３１は二軸回りの傾動が可能である。第三
の自在継手４１は、貫通するセンターリンク４の軸方向
の摺動及びこの軸に直交する二軸回りの傾動が可能で、
且つネジリ剛性を有する。センターリンク４の他端はト
ラベリングプレート２の上面に固定される。ロッド３の
各ストロークを独立に制御することにより、トラベリン
グプレート２の三次元位置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工業用ロボット等
において、工具あるいはワークを支持してその三次元的
な位置及び姿勢を制御するマニプレータの構造に係る。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるパラレルメカニズム（パラレル
リンク機構）は、高剛性、高速度、高精度など優れた特
徴を備え、工作機械、ロボットなどへの適用が検討さ
れ、注目を集めている。

【０００３】パラレルメカニズムの一例として、上下二
つのプラットホーム（トラベリングプレート及びベース
プレート）を、６本の伸縮型のリンクで連結したスチュ
ワートプラットフォーム、あるいは、特公平６−５７３
９４号公報に記載された４本のリンクを備えた装置など
が広く知られている。

【０００４】しかし、上記の機構は、上側プラットホー
ム（トラベリングプレート）の位置及び姿勢の制御をボ
ールネジを用いたリンクの伸縮によって行っているの
で、位置及び姿勢の可動範囲が比較的狭い。また、スチ
ュワートプラットフォームの場合、リンクの数が多いこ
とに起因して、リンク相互の干渉が起き易いという問題
がある。また、自在継手の揺動軸が離間していて交わっ
ていない構造の場合には、運動解析が複雑になり制御演
算時間も長くなるという問題もある。以上の様に、パラ
レルメカニズムにはそれに特有の制約があり、このた
め、実用的な適用範囲が制限されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高剛
性、高速度、高精度などのパラレルメカニズムの優れた
特徴を生かすとともに、制御軸数を最小限とし、且つ幾
何学的に比較的単純な構造とすることによって、制御演
算時間が短く、しかも可動範囲が大きいマニプレータを
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のマニプレータ
は、ベースプレート及びベースプレートの上方にこれと
対向する様に配置された上部フレームを備えたフレーム
と、ベースプレートと上部フレームの間に配置された可
動式のトラベリングプレートと、ベースプレートとトラ
ベリングプレートを互いに連結する３本のリンクと、上
部フレームとトラベリングプレートを互いに連結するセ
ンターリンクと、を備えたマニプレータであって、前記
ベースプレートは、その周縁部の３箇所に二軸回りの傾
動が可能な第一の自在継手、及び当該第一の自在継手の
可動側コア部に内蔵され、当該可動側コア部を貫通する
ロッドを軸方向に駆動する軸方向駆動機構を備え、前記
各リンクの一端は、それぞれ当該ロッドに接続され、前
記トラベリングプレートは、その下面側の周縁部の３箇
所に二軸回りの傾動が可能な第二の自在継手を備え、前
記各リンクの他端は、これらの第二の自在継手を介し
て、それぞれ前記トラベリングプレートに接続され、前
記上部フレームは、二軸回りの傾動が可能で且つネジリ
剛性を有する第三の自在継手、及び当該第三の自在継手
の可動側コア部に内蔵され、前記センターリンクの一端
を軸方向の摺動のみが可能な状態で支持する軸受を備
え、前記センターリンクの他端は、前記トラベリングプ
レートの上面に垂直に固定され、前記各ロッドのストロ
ークを、それぞれ独立に制御することによって、前記ト
ラベリングプレートの前記ベースプレートに対する三次
元位置を制御することを特徴とする。

【０００７】好ましくは、上記マニプレータにおいて、
前記第一の自在継手を、前記ベースプレート上の、第一
の円周上の互いに等角度をなす位置に配置し、前記第二
の自在継手を、前記トラベリングプレートの下面側の、
第二の円周上の互いに等角度をなす位置に配置し、前記
第三の自在継手を、前記上部フレーム上の、前記第一の
円周の中心軸の延長線上に当る位置に配置し、前記セン
ターリンクの他端を、前記トラベリングプレートの上面
側の、前記第二の円周の中心軸の延長線上に当る位置に
配置する。

【０００８】更に、好ましくは、上記マニプレータにお
いて、前記第一の自在継手、前記第二の自在継手及び前
記第三の自在継手は、それぞれ、互いに揺動中心におい
て直交する二つの傾動軸を持ち、前記各リンクの軸心
は、それぞれ、前記第一の自在継手の揺動中心及び前記
第二の自在継手の揺動中心を通り、前記センターリンク
の軸心は前記第三の自在継手の揺動中心を通る様に、上
記のマニプレータを構成する。

【０００９】本発明のマニプレータは、第一の自在継手
の可動側コア部に内蔵された軸方向駆動機構を用いて、
当該可動側コア部の内部を貫通するロッドを軸方向に駆
動することによって、３本のリンクの軸方向の移動量を
独立に能動的に制御し、この動きに対して、第二の自在
継手の二軸回りの傾動、第三の自在継手の二軸回りの傾
動、及び第三の自在継手の可動側コア部に内蔵された軸
受を貫通するセンターリンクの軸方向の摺動を受動的に
追従させることによって、トラベリングプレートを、上
部フレーム上に配置された第三の自在継手の二つの傾動
軸を中心とする曲面群に沿った姿勢で、任意の位置に位
置決めすることができる。これにより、トラベリングプ
レートの三次元位置の制御が実現される。

【００１０】更に上記の様に、第一、第二及び第三の各
自在継手を幾何学的に最も単純な構造となる様に配置す
ることによって、上記マニプレータの構造的な強度を効
率良く確保するとともに、制御演算時間を短縮すること
ができる。

【００１１】更に上記の様に、各自在継手をそれぞれ二
つの傾動軸が互いに直交する構造、即ち、二つの傾動軸
が揺動中心において交差する構造とするとともに、３本
のリンク及びセンターリンクの軸心が各自在継手の揺動
中心を通る様に上記マニプレータを構成することによっ
て、幾何学的な条件が更に単純化され、制御演算時間を
更に短縮することができる。なお、この場合には、トラ
ベリングプレートは、第三の自在継手の揺動中心を中心
とする同心球面に沿った姿勢で位置決めされる。

【００１２】また、工具あるいはワークを保持するため
の掴み部を、前記トラベリングプレートの下面側に、前
記センターリンクの軸回りに回動する第一の回転駆動機
構、及び前記センターリンクの軸心と直交する軸回りに
回動する第二の回転駆動機構を介して接続することによ
って、この掴み部に取付けられる工具あるいはワークの
位置及び姿勢についての五自由度制御機構を実現するこ
とができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に本発明に基くマニプレータ
の実施の形態の一例を示す。図１は、三軸制御式のマニ
プレータを模式的に例示したもので、図中、８はフレー
ム、１はベースプレート、９は上部フレーム、２はトラ
ベリングプレート、３はリンク、４はセンターリンク、
２１は第一の自在継手、３１は第二の自在継手、４１は
第三の自在継手を表す。

【００１４】フレーム８の下部にはベースプレート１が
固定され、フレーム８の上部にはベースプレート１と対
向する様に上部フレーム９が固定されている。ベースプ
レート１と上部フレーム９との間の空間部には作業領域
が設定され、トラベリングプレート２はこの作業領域内
に配置される。トラベリングプレート２の下面側は３本
のリンクを介してベースプレート１と連結され、また、
上面側はセンターリンク４を介して上部フレーム９と連
結されている。ワーク１０はベースプレート１に固定さ
れる。

【００１５】ベースプレート１には、円周上（第一の円
周上）の互いに１２０度離れた位置に、３個の自在継手
２１（第一の自在継手）が配置されている。トラベリン
グプレート２の下面側には、円周上（第二の円周上）の
互いに１２０度離れた位置に、３個の自在継手３１（第
二の自在継手）が配置されている。上記の３本のリンク
３の一端は、後述する様に、第一の自在継手２１を貫通
するロッド２３に接続され、他端は、自在継手３１を介
して、それぞれトラベリングプレート２に接続されてい
る。

【００１６】また、上部フレーム９の中央部には、自在
継手４１（第三の自在継手）が配置され、上記のセンタ
ーアーム４の一端は、後述する様に、自在継手４１を貫
通する形で自在継手４１に接続され、他端は、トラベリ
ングプレート２の上面の中央に垂直に固定されている。

【００１７】上記の自在継手２１は、リンク３の軸心に
直交する二本の軸回りの傾動が可能な２自由度の回転対
偶型の構造を備える。更に、この自在継手２１の可動側
コア部（グリ玉）２２には、ボールネジ（軸方向駆動機
構）及びこれを駆動するサーボモータが内蔵されてお
り、このボールネジのロッド部２３にリンク３が接続さ
れている。サーボモータを駆動してボールネジのナット
部を回転させることによって、リンク３の移動量、即
ち、自在継手２１の可動側コア部２２を貫通する軸方向
の移動量が制御される。

【００１８】一方、自在継手３１は、リンク３の軸回り
の回転が拘束され、リンク３の軸心に直交する二本の軸
回りにのみ傾動可能な２自由度の回転対偶型の構造を備
える。

【００１９】また、自在継手４１は、センターリンク４
の軸回りの回転が拘束され、センターリンク４の軸に直
交する二本の軸回りにのみ傾動可能な２自由度の回転対
偶型の構造を備える。更に、自在継手４１の可動側コア
部（グリ玉）４２にはボールスプライン（軸受）が内蔵
されており、センターリンク４は、このボールスプライ
ンを貫通する形で自在継手４１に支持されている。従っ
て、センターリンク４は、自在継手４１に対して軸方向
の摺動が可能であり、また、センターリンク４の軸回り
のネジリトルクに対しては十分な剛性を備えている。

【００２０】また、自在継手２１、自在継手３１及び自
在継手４１は、それぞれ、二本の傾動軸が互いに直交す
る構造を備える。これらの直交する二本の傾動軸の交点
は揺動中心と呼ばれる。３本のリンク３の各軸心は、そ
れぞれ、第一の自在継手２１の揺動中心及び自在継手３
１の揺動中心を通り、センターリンク４の軸心は、自在
継手４１の揺動中心を通る。

【００２１】また、自在継手２１の各揺動中心は、ベー
スプレート上の、円周上（第一の円周上）の互いに等角
度をなす位置に配置され、自在継手４１の揺動中心は、
自在継手２１の揺動中心が配置されている前記円周（第
一の円周）の中心軸の延長線上にある。自在継手３１の
各揺動中心は、トラベリングプレートの下面側の、円周
上（第二の円周上）の互いに等角度をなす位置に配置さ
れ、センターリンク４の軸心は、自在継手３１の揺動中
心が配置されている前記円周（第二の円周）の中心軸の
延長線上にある。

【００２２】上記の機構において、センターリンク４の
軸心は自在継手４１の揺動中心を通るので、センターリ
ンク４に対して固定的に接続されたトラベリングプレー
ト２は、自在継手４１の揺動中心を中心とする同心球面
に沿った姿勢を常に保った状態で、位置及び姿勢につい
ての三次元位置の制御機構が実現される。

【００２３】図２に、本発明に基くマニプレータの実施
の形態の第二の例を示す。図２は、五軸制御式のマニプ
レータを模式的に例示したもので、図中、５２は第一の
回転駆動機構、５３は第二の回転駆動機構、５４は掴み
部を表す。その他の構成に関しては、図１に示した装置
と共通であるので、同一の符号を付して、その説明を省
略する。

【００２４】トラベリングプレート２の下面側の中央部
には、センターリンク４の軸回りに回動する第一の回転
駆動機構５２、及びセンターリンク４の軸と直交する軸
回りに回動する第二の回転駆動機構５３を介して、掴み
部５４が接続されている。この掴み部５４に工具が取付
けられる。

【００２５】三次元位置の制御がされるトラベリングプ
レート２に、二つの一軸回りの回転駆動機構５２、５３
を介して掴み部５４を接続することによって、掴み部５
４の先に取付けられる工具の位置及び姿勢についての五
自由度制御機構を実現することができる。

【００２６】なお、この様な構造は、いわゆるパラレル
メカニズムに、いわゆるシリアルメカニズムを重畳した
構造となるが、パラレルメカニズムに対して付加される
部分が、いずれも、剛性、速度及び精度の点で有利な一
軸回りの回転運動であるので、パラレルメカニズムの性
能を著しく劣化させる要因とはならない。

【００２７】上記の五自由度制御の機構は、先に示した
三自由度制御の機構と比較して、最終段の位置および姿
勢を、より高い自由度で制御することができるので、そ
の適用範囲を更に広げることができる。例えば、掴み部
５４にモータで回転される刃を持つ回転工具を搭載すれ
ば、上記の機構をワーク１０の切削加工あるいは研削加
工などに適用することができる。その他、溶接、塗装、
組立てなどの作業に適用可能である。なお、ワーク１０
を固定する装置として、水平軸あるいは鉛直軸の一軸な
いし二軸回りの回動が可能な機構を採用すれば、更にそ
の適用範囲を拡げることができる。

【００２８】本発明に基くマニプレータは、接触して相
対運動を行う全ての箇所に、コロ軸受、玉軸受、ボール
スプラインあるいはボールネジなどの予圧を与えたコロ
ガリ機械要素を使用することができるので、高剛性、高
速度及び高精度を確保することができる。

【００２９】また、対象作業の作業領域、負荷の掛かり
方、要求精度などに応じて、第一の自在継手を配置する
半径Ｒ１と、第二の自在継手を配置する半径Ｒ２との比
（Ｒ１／Ｒ２）をバランス良く設定することによって、
垂直方向及び水平方向の剛性と位置決め精度を合理的に
確保することができる。例えば、作業領域が垂直方向に
浅く、水平方向の負荷が大きい場合にはＲ１／Ｒ２を大
きく設ける方が合理的である。

【００３０】

【発明の効果】本発明に基くマニプレータは、可動部材
（トラベリングプレート）をベースプレートと上部フレ
ームの間に配置して、これを３本のリンク及び捩り剛性
を有する１本のセンターリンクによって支持するととも
に、当該３本のリンクを用いて駆動する構造となってい
る。従って、構造が極めて単純であり、且つ制御軸の数
も最小限の３本のみである。このため、剛性、高速性、
位置精度に優れたパラレルメカニズムの特徴を備えると
ともに、制御演算時間も短い。

【００３１】また、自在継手として２本の傾動軸が互い
に直交する様な構造のタイプを採用するとともに、各リ
ンク及びセンターリンクの軸心が、それぞれの自在継手
の二本の傾動軸の交点（揺動軸）を通る様にし、更に、
各自在継手の配置を幾何学的に最も単純な配置とするこ
とによって、全体の構造が幾何学的に単純化され、運動
解析が複雑にならず、制御演算時間を更に短縮すること
ができる。

【００３２】また、トラベリングプレートに二軸の回転
駆動機構を付加することによって、幅広い適用範囲を備
えた五自由度制御式のマニプレータを実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の三軸制御式のマニプレータの一例を示
す模式図。

【図２】本発明の五軸制御式のマニプレータの一例を示
す模式図。

【符号の説明】

１・・・ベースプレート、 ２・・・トラベリングプレート、 ３・・・リンク、 ４・・・センターリンク、 ８・・・フレーム、 ９・・・上部フレーム９、 １０・・・ワーク、 ２１・・・第一の自在継手、 ２２・・・可動側コア部（ボールネジ、軸方向駆動機
構）、 ２３・・・ロッド部（ロッド）、 ３１・・・第二の自在継手、 ４１・・・第三の自在継手、 ４２・・・可動側コア部（ボールスプライン、軸受）、 ５２・・・第一の回転駆動機構、 ５３・・・第二の回転駆動機構、 ５４・・・掴み部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースプレート及びベースプレートの上
   方にこれと対向する様に配置された上部フレームを備え
   たフレームと、 ベースプレートと上部フレームの間に配置された可動式
   のトラベリングプレートと、 ベースプレートとトラベリングプレートを互いに連結す
   る３本のリンクと、 上部フレームとトラベリングプレートを互いに連結する
   センターリンクと、を備えたマニプレータであって、 前記ベースプレートは、その周縁部の３箇所に二軸回り
   の傾動が可能な第一の自在継手、及び当該第一の自在継
   手の可動側コア部に内蔵され、当該可動側コア部を貫通
   するロッドを軸方向に駆動する軸方向駆動機構を備え、
   前記各リンクの一端は、それぞれ当該ロッドに接続さ
   れ、 前記トラベリングプレートは、その下面側の周縁部の３
   箇所に二軸回りの傾動が可能な第二の自在継手を備え、
   前記各リンクの他端は、これらの第二の自在継手を介し
   て、それぞれ前記トラベリングプレートに接続され、 前記上部フレームは、二軸回りの傾動が可能で且つネジ
   リ剛性を有する第三の自在継手、及び当該第三の自在継
   手の可動側コア部に内蔵され、前記センターリンクの一
   端を軸方向の摺動のみが可能な状態で支持する軸受を備
   え、 前記センターリンクの他端は、前記トラベリングプレー
   トの上面に垂直に固定され、 前記各ロッドのストロークを、それぞれ独立に制御する
   ことによって、前記トラベリングプレートの前記ベース
   プレートに対する三次元位置を制御することを特徴とす
   るマニプレータ。
2. 【請求項２】 前記第一の自在継手は、前記ベースプレ
   ート上の、第一の円周上の互いに等角度をなす位置に配
   置され、 前記第二の自在継手は、前記トラベリングプレートの下
   面側の、第二の円周上の互いに等角度をなす位置に配置
   され、 前記第三の自在継手は、前記上部フレーム上の、前記第
   一の円周の中心軸の延長線上に当る位置に配置され、 前記センターリンクの他端は、前記トラベリングプレー
   トの上面側の、前記第二の円周の中心軸の延長線上に当
   る位置に配置されている、 ことを特徴とする請求項１に記載のマニプレータ。
3. 【請求項３】 前記第一の自在継手、前記第二の自在継
   手及び前記第三の自在継手は、それぞれ、互いに揺動中
   心において直交する二つの傾動軸を持ち、 前記各リンクの軸心は、それぞれ、前記第一の自在継手
   の揺動中心及び前記第二の自在継手の揺動中心を通り、 前記センターリンクの軸心は、前記第三の自在継手の揺
   動中心を通る、 ことを特徴とする請求項２に記載のマニプレータ。
4. 【請求項４】 工具あるいはワークを保持するための掴
   み部を備え、当該掴み部は、前記トラベリングプレート
   の下面側に、前記センターリンクの軸回りに回動する第
   一の回転駆動機構、及び前記センターリンクの軸心と直
   交する軸回りに回動する第二の回転駆動機構を介して接
   続されていること、を特徴とする請求項１から請求項３
   のいずれかに記載のマニプレータ。