JP2004291166A - 四自由度パラレルロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】制御性を向上させると共に、回転部の回転角の制限を低減し、ロッド部材のトラベリングプレートへの取付方向の設計自由度を大きくすることができる本自由度パラレルロボットを提供する。
【解決手段】トラベリングプレート４は、回転部材４６を回転可能に支持した主要部材（第３プレート部）４１と、主要部材４１に第１直動ジョイント４４を介して連結された第１連結部材（第１プレート部）４２と、主要部材４１に第２直動ジョイント４５を介して連結された第２連結部材（第２プレート部）４３と、第１及び第２連結部材４２，４３に配設されたラックギヤ（回転手段）４７，４８と、回転部材４６の外周側に配設されラックギヤ４７，４８に噛合するピニオンギヤ（回転手段）４９とから構成される。そして、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対平行移動により、ラックギヤ４７，４８及びピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６を回転駆動する。
【選択図】図２
【解決手段】トラベリングプレート４は、回転部材４６を回転可能に支持した主要部材（第３プレート部）４１と、主要部材４１に第１直動ジョイント４４を介して連結された第１連結部材（第１プレート部）４２と、主要部材４１に第２直動ジョイント４５を介して連結された第２連結部材（第２プレート部）４３と、第１及び第２連結部材４２，４３に配設されたラックギヤ（回転手段）４７，４８と、回転部材４６の外周側に配設されラックギヤ４７，４８に噛合するピニオンギヤ（回転手段）４９とから構成される。そして、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対平行移動により、ラックギヤ４７，４８及びピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６を回転駆動する。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四自由度パラレルロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、四自由度パラレルロボットは、特開２００１−８８０７２号公報に開示されている。この四自由度パラレルロボットを図８に示す。図８に示すように、トラベリングプレート４は、主要部材４１と、一対の連結部材４２と、主要部材４１の両端に各連結部材４２の中間部を垂直軸回りに回転可能に接続する一対のピボット４３とから構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８８０７２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の四自由度パラレルロボットは、以下の問題が生じる。まず、図９（ａ）に示すように、主要部材４１を回転させるに従って、連結部材４２間の距離が短くなる。このように主要部材４１の回転角によって連結部材４２間の距離が変化することは、機械特性を大きく変化させることになる。機械特性の大きな変化は、制御性を悪化させる原因となる。また、図９（ｂ）に示すように、主要部材４１を大きく回転させた場合には、連結部材４２が干渉するおそれがある。そのため、連結部材４２が干渉しないように、主要部材（回転部）４１の回転角を制限する必要が生じる。また、四組のロッド部材３のトラベリングプレート４への取付方向は、特異点を回避するために適切な方向としなければならない。そのため、設計の自由度が少なくなる。さらに、主要部材４１の位置角度制御は、特別な場合を除いて、順運動学が解析的な形で確立されていないために順運動学の収束計算を行うことになり、計算時間が長くなり制御性を悪化させる原因となる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、制御性を向上させると共に、回転部の回転角の制限を低減し、さらにロッド部材のトラベリングプレートへの取付方向の設計自由度を大きくすることができる本自由度パラレルロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の四自由度パラレルロボットは、基台と、四つのアクチュエータと、四組のロッド部材と、トラベリングプレートとを備える。ここで、アクチュエータは、基台に固定された固定部とこの固定部に枢支された可動部とを有する。ロッド部材は、一端側が各アクチュエータの可動部に揺動回転可能な第１回転ジョイントを介して連結されている。トラベリングプレートは、プレート部と、回転部とを有する。プレート部は、各ロッド部材の他端側に揺動回転可能な第２回転ジョイントを介して連結され、基台に対して直交三軸方向に移動可能な部材である。回転部は、プレート部に支持され、基台に対して所定の軸回りに回転可能な部材である。
【０００７】
そして、本発明の特徴的な構成は、前記プレート部は、第１プレート部と、第２プレート部と、直動ジョイントとを備えてなり、前記回転部は回転手段を備えたことである。第１プレート部は、四組のロッド部材のうち二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第２プレート部は、四組のロッド部材のうち他の二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結され、回転部を回転可能に支持するプレートである。直動ジョイントは、第１プレート部と第２プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。回転手段は、第１プレート部と第２プレート部との相対平行移動により回転部を所定の軸回りの回転駆動を行う手段である。
【０００８】
つまり、回転部を回転させる場合には、第１プレート部と第２プレート部とは相対的に平行移動する。従って、第１プレート部と第２プレート部との間の距離は、常に一定に保持される。これにより、以下の効果を奏する。まず、従来図８に示す連結部材４２間の距離が短くなることにより大きく変化していた機械特性が、本発明によればほとんど変化しない。その結果、制御性が向上する。さらに、従来は連結部材４２の干渉の問題が生じていたが、本発明によれば第１プレート部と第２プレート部とは干渉することがない。その結果、干渉による回転部の回転角を制限することがなくなる。さらに、特異点による四組のロッド部材のトラベリングプレートへの取付方向の制約が少なく、該取付方向の設計自由度が大きくなる。例えば、ロッド部材を対称な方向となるように取り付けることもできる。さらに、順運動学が解析的な形で求めることができるため、計算時間が短くなり、その結果制御性が向上する。
【０００９】
なお、前記回転手段は、回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、第１プレート部の回転部側に配設されピニオンギヤに噛合するラックギヤとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ラックピニオン機構となる。これにより、回転を確実に伝達できると共に、回転部の回転角制御を正確に行うことができる。さらに、歯数比を変更することによって回転速度を自由に変更することができる。また、従来の構成に比べて、耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、前記回転手段は、回転部の外周面に巻回され両端側が第１プレート部に固定されたケーブルであるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ケーブルホイール機構となる。なお、ケーブルと回転部との摩擦力により回転部が回転することになる。このように、ケーブルのみにより回転部を回転させることができるため、歯車のようなバックラッシュがほとんどなく、回転部の回転運動を静かにでき、さらに、非常に低コスト化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の四自由度パラレルロボットは、基台と、四つのアクチュエータと、四組のロッド部材と、トラベリングプレートとを備える。そして、本発明の特徴的な構成は、前記プレート部は、第１プレート部と、第２プレート部と、第３プレート部と、第１直動ジョイントと、第２直動ジョイントとを備えてなり、前記回転部は、回転手段を備えたことである。ここで、第１プレート部は、四組のロッド部材のうち二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第２プレート部は、四組のロッド部材のうち他の二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第３プレート部は、回転部を回転可能に支持するプレートである。第１直動ジョイントは、第１プレート部と第３プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。第２直動ジョイントは、第２プレート部と第３プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。回転手段は、第１プレート部と第３プレート部との相対平行移動及び第２プレート部と第３プレート部との相対平行移動により、回転部を所定の軸回りの回転駆動を行う手段である。
【００１２】
つまり、回転部を回転させる場合には、第１プレート部と第２プレート部とは、第３プレート部を介して相対的に平行移動する。従って、第１プレート部と第２プレート部との間の距離は、常に一定に保持される。これにより、上述した効果と同様の効果を奏する。加えて、第１プレート部と第２プレート部とを同一形状に形成することができるため、動作バランスをとることができ、制御性がより向上する。さらに、第１プレート部と第２プレート部とを同一形状に形成することは、製造コストを低減することにもつながる。
【００１３】
なお、前記回転手段は、回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、第１プレート部及び／又は第２プレート部の回転部側に配設されピニオンギヤに噛合するラックギヤとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ラックピニオン機構となる。これにより、回転を確実に伝達できると共に、回転部の回転角制御を正確に行うことができる。さらに、歯数比を変更することによって回転速度を自由に変更することができる。また、従来の構成に比べて、耐久性を向上させることができる。なお、ラックギヤは、第１プレート部と第２プレート部の双方に配設してもよいし、第１プレート部と第２プレート部の何れか一方に配設してもよい。ラックギヤを双方に配設した場合には、回転角制御がより正確に行うことができる。
【００１４】
また、前記回転手段は、回転部の外周面に巻回され両端側が第１プレート部に固定された第１ケーブルと、回転部の外周面に巻回され両端側が第２プレート部に固定された第２ケーブルとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ケーブルホイール機構となる。なお、ケーブルと回転部との摩擦力により回転部が回転することになる。このように、ケーブルのみにより回転部を回転させることができるため、歯車のようなバックラッシュがほとんどなく、回転部の回転運動を静かにでき、さらに、非常に低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、上述したロッド部材のうち少なくとも三組のロッド部材は、平行リンクを構成する互いに平行な二本のロッドからなり、各ロッドは、一端側がアクチュエータに連結され、他端側がトラベリングプレートに連結されるようにしてもよい。また、少なくとも第１回転ジョイントと第２回転ジョイントのうち何れか一方はボールジョイントとしてもよい。これらにより、確実に回転部が四自由度を有するようにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
本実施形態における四自由度パラレルロボットの全体構成図を図１に示す。図１に示すように、四自由度パラレルロボットは、基台１と、四組のアクチュエータ２と、四組のロッド部材３と、トラベリングプレート４と、エンドエフェクタ５（図２に示す）とを有する。
【００１８】
基台１は、平面形が略長方形の剛性の高い金属板又はフレームであって、水平に配設されている。四つのアクチュエータ２は、リニアモータからなり、２本のレール部（固定部）２１と、４つの移動子（可動部）２２とから構成されている。各レール部２１は、図１の左右方向の水平方向に平行に延在して基台１に固定され、交互に着磁されている。移動子２１は、レール部２１の下方側にレール部２１に沿って移動し、内部には電磁コイルを有している。なお、移動子２２は四つ存在しており、レール部２１の各レールには、２つの移動子２２が取り付けられている。すなわち、一つのアクチュエータ２とは、一つのレール２１と一つの移動子２２とを意味する。そして、このアクチュエータ２は、制御装置（図示せず）によってそれぞれ独立して制御される。
【００１９】
四組のロッド部材３は、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント（第１回転ジョイント）３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント（第２回転ジョイント）３５とから構成される。上端部材３２は、各アクチュエータ２の移動子（可動部）２２に連結固定されている。一対のロッド３１は、互いに平行に配設された平行リンクを構成している。この各ロッド３１の一端側は、ボールジョイント３３を介して揺動回転自在に上端部材３２に連結されている。一方、各ロッド３１の他端側は、ユニバーサルジョイント３５を介して揺動回転自在に下端部材３４に連結されている。すなわち、各ロッド３１、上端部材３２及び下端部材３４とにより、平行四辺形が常に形成されている。なお、上端部材３２と下端部材３４は、同一の長さからなる。また、下端部材３４は、トラベリングプレート４に連結されている。
【００２０】
トラベリングプレート４は、図２及び図３を参照して説明する。図２は、トラベリングプレート４の底面方向から見た斜視図である。図３は、トラベリングプレート４の底面方向から見た模式図である。図２及び図３に示すように、トラベリングプレート４は、主要部材４１と、連結部材４２，４３と、直動ジョイント４４，４５と、回転部材（回転部）４６と、ラックギヤ（回転部、回転手段）４７，４８と、ピニオンギヤ（回転部、回転手段）４９とから構成される。
【００２１】
主要部材（第３プレート部）４１は、ほぼ矩形形状からなり、中央には貫通孔が形成されている。連結部材４２，４３（第１連結部材（第１プレート部）４２、第２連結部材（第２プレート部）４３）は、略二等辺三角形形状からなり、第１連結部材４２と第２連結部材４３の底辺が対向するように配設されている。そして、第１連結部材４２と第２連結部材４３の他の辺には、それぞれ下端部材３４が固定されている。具体的には、２組の下端部材３４が、第１連結部材４２の上記底辺を除く２辺に取り付けられ、残りの２組の下端部材３４が、第２連結部材４３の上記底辺を除く２辺に取り付けられる。すなわち、第１及び第２連結部材４２，４３は、ユニバーサルジョイント３５を介して各ロッド３１に対して揺動回転可能となる。
【００２２】
そして、直動ジョイント４４，４５は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなり、主要部材４１と各連結部材４２，４３とを連結している。具体的には、第１直動ジョイント４４の固定レールが、第１連結部材４２の図１における下方側に取り付けられ、第１直動ジョイント４４のスライダが主要部材４１の図１における上面側に取り付けられている。すなわち、主要部材４１は、第１連結部材４２に対して相対平行移動可能となる。また、第２直動ジョイント４５の固定レールが、第２連結部材４３の図１における下方側に取り付けられ、第２直動ジョイント４５のスライダが主要部材４１の図１における上面側に取り付けられている。すなわち、主要部材４１は、第２連結部材４３に対して相対平行移動可能となる。つまり、第１連結部材４２と第２連結部材４３とは、直動ジョイント４４，４５と主要部材４１とを介して相対平行移動する。
【００２３】
そして、回転部材４６は、主要部材４１の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材４６は、Ｚ軸回り（図１における上下方向回り）に回転可能となる。
【００２４】
第１ラックギヤ４７は、第１連結部材４２の第２連結部材４３に対向する側に固定されている。また、第２ラックギヤ４８は、第２連結部材４３の第１連結部材４２に対向する側に固定されている。そして、ピニオンギヤ４９は、回転部材４６の外周側に固定され、第１ラックギヤ４７及び第２ラックギヤ４８と噛合している。つまり、第１連結部材４２と第２連結部材４３が相対平行移動した場合に、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６が回転する。
【００２５】
エンドエフェクタ５は、図２に示すように、トラベリングプレート４の回転部材４６の下端側に固定されている。このエンドエフェクタ５は、四自由度パラレルロボットの用途に応じて交換可能であり、エンドエフェクタ５への制御信号および動力の供給は、図示しない信号線および動力線を介して供給される。信号線および動力線は、基台１から適正に支持されてつり下げられていてもよいし、いずれかのアーム２３および平行リンク３に沿って配設されていても良い。なお、エンドエフェクタ５としては、例えば、ワークを移送したり所定位置に支持したりするためのハンドリング装置や、ワークに機械加工を加えるための工作機械の工具などである。
【００２６】
ここで、トラベリングプレート４に取り付けられた平行リンク３の下端部材３４の方向は、図３に示すように、直動ジョイント４４，４５の固定レールの長手方向を基準として、４５°，１３５°，２２５°，３１５°の方向としている。ただし、これらの方向には限られることなく、あらゆる方向に取り付け可能である。
【００２７】
次に、このように構成された四自由度パラレルロボットの動作について説明する。まず、エンドエフェクタ５の回転角θが０°であって、基台１に対して直交三軸方向に移動する場合について説明する。なお、この場合、エンドエフェクタ５は回転しないので、回転部４６を回転させる必要はない。従って、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置は固定されている。
【００２８】
そして、エンドエフェクタ５の位置に基づいて、移動子２２の位置を制御装置（図示せず）により演算する。演算された移動子２２の位置に基づいて各移動子２２がレール部２１に沿って水平移動する。そして、各移動子２２の移動により、平行リンク３を介してトラベリングプレート４が移動して、エンドエフェクタ５を所定位置に移動させる。なお、この場合、エンドエフェクタ５は常に下方側を向いた状態で移動する。
【００２９】
また、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合には、その回転角θに応じて第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置が変化する。ここで、図３において、第１連結部材４２が第２連結部材４３に対して左側に移動した場合は、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６は左回りに回転する。つまり、エンドエフェクタ５の回転角θとエンドエフェクタ５の位置とに基づいて、移動子２２の位置を制御装置により演算する。そして、上述と同様に、制御装置にて演算された移動子２２の位置に基づいて、トラベリングプレート４が移動する。
【００３０】
このように、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合であっても、第１連結部材４２と第２連結部材４３は、常に一定距離を保持している。これにより、エンドエフェクタ５の作動範囲は、エンドエフェクタ５の回転角θが０°の場合は従来と同様であるが、エンドエフェクタ５の回転角θが大きくなるにつれて従来に比べて差が生じてくる。具体的には、本実施形態の四自由度パラレルロボットも従来の四自由度パラレルロボットも、エンドエフェクタ５の回転角θが大きくなるつれて作動範囲は狭くなる。しかし、従来のエンドエフェクタ５の作動範囲の減少量に比べて本実施形態のエンドエフェクタ５の作動範囲の減少量は少ない。
【００３１】
さらに、第１連結部材４２と第２連結部材４３は、常に一定距離を保持しているので干渉することがない。つまり、従来は干渉することにより作動範囲を制限していたが、その必要がない。直動ジョイント４４，４５とラックギヤ４６，４７の長さにより、自由に調整することができる。また、上述したように、トラベリングプレート４に取り付けられた平行リンク３の下端部材３４の取付方向は、自由に選択することができるので、設計自由度が増加する。さらに、順運動学が解析的な形で求めることができるので、計算時間が短くなり、その結果制御性を向上させることができる。
【００３２】
なお、リニアモータからなるアクチュエータ２の各レール部２１が、水平方向に長く延在して互いに平行であるので、トラベリングプレート４は、レール部２１の存在する限りレール部２１に沿って移動させることができる。その結果、トラベリングプレート４の移動範囲が、レール部２２に沿った水平方向に極めて長く拡大されるという効果を奏する。
【００３３】
また、平行リンク３の上端部材３２の位置が水平方向のみの移動となり、上下方向に移動しないので、単純なリンク機構となる。そのため、トラベリングプレート４の目標位置からリニアモータからなるアクチュエータ２の移動子２２の目標位置を算出する座標変換の演算処理アルゴリズムがより簡素化し、制御装置の演算負荷が減少させることにつながる。
【００３４】
（実施形態１の変形態様）
上記実施形態１においては、アクチュエータ２として、リニアモータを用いたが、これに限られるものではない。例えば、四自由度パラレルロボットの全体構成が図４に示す構成としてもよい。ここで、図４に示す四自由度パラレルロボットの構成について説明する。
【００３５】
図４に示す四自由度パラレルロボットは、基台１’と、四組のアクチュエータ２’と、四組のロッド部材３と、トラベリングプレート４と、エンドエフェクタ５（図２に示す）とを有する。
【００３６】
基台１’は、平面形が略正八角形の剛性の高い金属板であって、水平に配設されており、上面側がフレーム（図示せず）に固定されている。四つのアクチュエータ２’は、ブラケット（固定部）２１’と、回転モータ２２’と、回転軸２３’と、アーム（可動部）２４’とから構成される。ブラケット２１’は、基台１’の下面側に、それぞれ所定の位置に所定の角度で固定されている。回転モータ２２’は、サーボモータであって、ブラケット２１’に固定されており、制御装置（図示しない）によってそれぞれ独立して制御される。回転軸２３’は、ブラケット２１’に回転自在に軸支され、回転モータ２２’の駆動により回転する。アーム２４’は、一端側が回転軸２３’のほぼ中央に連結固定されており、他端側がロッド部材３に連結されている。このアーム２４’は、回転軸２３’の回転に伴って所定の角度範囲で揺動する。
【００３７】
四組のロッド部材３は、上記実施形態と同様の構成からなり、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント（第１回転ジョイント）３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント（第２回転ジョイント）３５とから構成される。上端部材３２は、各アクチュエータ２’のアーム（可動部）２４’の他端側に連結固定されている。一対のロッド３１は、互いに平行に配設された平行リンクを構成している。この各ロッド３１の一端側は、ボールジョイント３３を介して揺動回転自在に上端部材３２に連結されている。一方、各ロッド３１の他端側は、ユニバーサルジョイント３５を介して揺動回転自在に下端部材３４に連結されている。すなわち、各ロッド３１、上端部材３２及び下端部材３４とにより、平行四辺形が常に形成されている。なお、上端部材３２と下端部材３４は、同一の長さからなる。また、下端部材３４は、トラベリングプレート４に連結されている。
【００３８】
そして、トラベリングプレート４及びエンドエフェクタ５は、上記実施形態と同一であるので説明を省略する。
【００３９】
次に、このように構成された四自由度パラレルロボットの動作について説明する。まず、エンドエフェクタ５の回転角θが０°であって、基台１に対して直交三軸方向に移動する場合について説明する。なお、この場合、エンドエフェクタ５は回転しないので、回転部４６を回転させる必要はない。従って、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置は固定されている。
【００４０】
そして、エンドエフェクタ５の位置に基づいて、各回転モータ２２’の回転角を制御装置（図示しない）により演算する。演算された回転モータ２２’の回転角に基づいて各回転モータ２２’が回転する。そして、各回転モータ２２’の回転に伴いアーム２４’が回転軸２３’回りに揺動する。アーム２４’の揺動により、平行リンク３を介してトラベリングプレート４が移動して、エンドエフェクタ５を所定位置に移動させる。なお、この場合、エンドエフェクタ５は常に下方側を向いた状態で移動する。
【００４１】
また、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合には、その回転角θに応じて第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置が変化する。ここで、図３において、第１連結部材４２が第２連結部材４３に対して左側に移動した場合は、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６は左回りに回転する。つまり、エンドエフェクタ５の回転角θとエンドエフェクタ５の位置とに基づいて、各回転モータ２２’の回転角を制御装置により演算する。そして、上述と同様に、制御装置にて演算された各回転モータ２２’の回転角に基づいて、トラベリングプレート４が移動する。
【００４２】
このような構成からなる四自由度パラレルロボットとしても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００４３】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第２実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのトラベリングプレート４のみ相違するのでその部分についてのみ説明する。
【００４４】
図５に示すように、トラベリングプレート５は、第１プレート部５１と、第２プレート部５２と、直動ジョイント５３と、回転部材（回転部）５４と、ケーブル（回転手段）５５とから構成される。第１プレート部５１は、２組の下端部材３４が固定されている。第２プレート部５２は、略三角形形状からなり、１つの角部部分に貫通孔が形成されている。そして、他の角部には、他の２組の下端部材３４が固定されている。すなわち、第１プレート部５１及び第２プレート部５２は、ユニバーサルジョイント３５を介して、各ロッド３１に対して揺動回転可能となる。
【００４５】
そして、直動ジョイント５３は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなり、第１プレート部５１と第２プレート部５２とを連結している。具体的には、直動ジョイント５３の固定レールが第１プレート部５１に取り付けられ、直動ジョイント５３のスライダが第２プレート部５２に取り付けられる。すなわち、第１プレート部５１は、第２プレート部５２に対して相対平行移動可能となる。
【００４６】
そして、回転部材５４は、第２プレート部５２の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材５４は、Ｚ軸まわりに回転可能となる。
【００４７】
そして、ケーブル５５は、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第１プレート部５１に固定されている。そして、このケーブル５５は、直動ジョイント５３に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、第１プレート部５１と第２プレート部５２とが相対平行移動することにより、ケーブル５５の摩擦力により回転部材５４を回転させることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第３実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのトラベリングプレート４のみ相違するのでその部分についてのみ説明する。
【００４９】
図６に示すように、トラベリングプレート６は、主要部材（第３プレート部）６１と、第１連結部材（第１プレート部）６２と、第２連結部材（第２プレート部）６３と、第１直動ジョイント６４と、第２直動ジョイント６５と、回転部材（回転部）６６と、第１ケーブル（回転手段）６７と、第２ケーブル（回転手段）６８とから構成される。
【００５０】
主要部材６１は、平面形状はほぼ矩形形状からなり、中央に貫通孔が形成されている。第１連結部材６２及び第２連結部材６３は、同一形状からなり、それぞれ２組の下端部材３４が固定されている。すなわち、第１及び第２連結部材６２，６３は、ユニバーサルジョイント３５を介して各ロッドに対して揺動回転可能となる。
【００５１】
そして、第１直動ジョイント６４及び第２直動ジョイント６５は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなる。主要部材６１と各連結部材６２，６３とを連結している。具体的には、第１直動ジョイント６４の固定レールが、第１連結部材６２に取り付けられ、第１直動ジョイント６４のスライダが主要部材６１に取り付けられている。すなわち、主要部材６１は、第１連結部材６２に対して相対平行移動可能となる。また、第２直動ジョイント６５の固定レールが、第２連結部材６３に取り付けられ、第２直動ジョイント６５のスライダが主要部材６１に取り付けられている。すなわち、主要部材６１は、第２連結部材６３に対して相対平行移動可能となる。つまり、第１連結部材６２と第２連結部材６３とは、直動ジョイント６４，６５と主要部材４１とを介して相対平行移動する。
【００５２】
そして、回転部材６６は、主要部材６１の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材６６は、Ｚ軸回りに回転可能となる。
【００５３】
そして、第１ケーブル６７は、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第１連結部材６２に固定されている。そして、第１ケーブル６７は、第１直動ジョイント６４に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、主要部材６１と第１連結部材６２とが相対平行移動することにより、第１ケーブル６７の摩擦力により回転部材６４を回転させることができる。
【００５４】
また、第２ケーブル６８は、第１ケーブル６７と同様に、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第２連結部材６３に固定されている。そして、第２ケーブル６８は、第２直動ジョイント６５に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、主要部材６１と第２連結部材６３とが相対平行移動することにより、第２ケーブル６７の摩擦力によっても回転部材６４を回転させることができる。つまり、第１連結部材６２と第２連結部材６３が相対平行移動した場合に、第１及び第２ケーブル６７，６８により、回転部材４６が回転する。
【００５５】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第４実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのロッド部材３とトラベリングプレート４とが相違する。以下、相違点のみについて説明する。
【００５６】
四組のロッド部材３のうち三組のロッド部材３は、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント３５とからなる平行リンクを構成する。すなわち、この三組のロッド部材３は、第１実施形態に示したロッド部材と同様である。そして、残りの一組のロッド部材３は、一本のロッド（図示せず）と、このロッドの上端側に配設された第１ボールジョイント（図示せず）と、ロッドの下端側に配設された第２ボールジョイント３６（図７に示す）とから構成される。そして、第１ボールジョイントはアーム２４（図１に示す）の他端側に連結され、第２ボールジョイント３６はトラベリングプレート５（図７に示す）に連結される。
【００５７】
そして、トラベリングプレート７は、第２実施形態に示したトラベリングプレート５とほぼ同一である。ただし、第２プレート部５２は、ロッド部材３のうち平行リンクを構成するロッド部材３の一組と、平行リンクを構成しないロッド部材３の第２ボールジョイントが連結される。
【００５８】
このように構成された四自由度パラレルロボットの動作は、第１実施形態及び第２実施形態に示した動作を同様である。
【００５９】
（他の実施形態）
なお、上述した実施形態において、ロッド部材３は、ロッド３１の上端側にボールジョイント３３を配設し、ロッド３１の下端側にユニバーサルジョイント３５を配設しているが、これに限られるものではない。例えば、ロッド３１の上端側にユニバーサルジョイントを配設し、ロッド３１の下端側にボールジョイントを配設してもよい。さらに、ロッド３１の両端側にボールジョイントを配設してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図２】第１実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図３】第１実施形態におけるトラベリングプレートの模式図である。
【図４】第１実施形態の変形態様における四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図５】第２実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図６】第３実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図７】第４実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図８】従来の四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図９】従来のトラベリングプレートの動作状態を示す図である。
【符号の説明】
１，１’ ・・・ 基台
２，２’ ・・・ アクチュエータ
３ ・・・ ロッド部材
４，５，６，７ ・・・ トラベリングプレート
３３，３６ ・・・ ボールジョイント
３５ ・・・ ユニバーサルジョイント
４４，４５，５３，６４，６５ ・・・ 直動ジョイント
４７，４８ ・・・ ラックギヤ
４９ ・・・ ピニオンギヤ
５５，６７，６８ ・・・ ケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、四自由度パラレルロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、四自由度パラレルロボットは、特開２００１−８８０７２号公報に開示されている。この四自由度パラレルロボットを図８に示す。図８に示すように、トラベリングプレート４は、主要部材４１と、一対の連結部材４２と、主要部材４１の両端に各連結部材４２の中間部を垂直軸回りに回転可能に接続する一対のピボット４３とから構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８８０７２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の四自由度パラレルロボットは、以下の問題が生じる。まず、図９（ａ）に示すように、主要部材４１を回転させるに従って、連結部材４２間の距離が短くなる。このように主要部材４１の回転角によって連結部材４２間の距離が変化することは、機械特性を大きく変化させることになる。機械特性の大きな変化は、制御性を悪化させる原因となる。また、図９（ｂ）に示すように、主要部材４１を大きく回転させた場合には、連結部材４２が干渉するおそれがある。そのため、連結部材４２が干渉しないように、主要部材（回転部）４１の回転角を制限する必要が生じる。また、四組のロッド部材３のトラベリングプレート４への取付方向は、特異点を回避するために適切な方向としなければならない。そのため、設計の自由度が少なくなる。さらに、主要部材４１の位置角度制御は、特別な場合を除いて、順運動学が解析的な形で確立されていないために順運動学の収束計算を行うことになり、計算時間が長くなり制御性を悪化させる原因となる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、制御性を向上させると共に、回転部の回転角の制限を低減し、さらにロッド部材のトラベリングプレートへの取付方向の設計自由度を大きくすることができる本自由度パラレルロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の四自由度パラレルロボットは、基台と、四つのアクチュエータと、四組のロッド部材と、トラベリングプレートとを備える。ここで、アクチュエータは、基台に固定された固定部とこの固定部に枢支された可動部とを有する。ロッド部材は、一端側が各アクチュエータの可動部に揺動回転可能な第１回転ジョイントを介して連結されている。トラベリングプレートは、プレート部と、回転部とを有する。プレート部は、各ロッド部材の他端側に揺動回転可能な第２回転ジョイントを介して連結され、基台に対して直交三軸方向に移動可能な部材である。回転部は、プレート部に支持され、基台に対して所定の軸回りに回転可能な部材である。
【０００７】
そして、本発明の特徴的な構成は、前記プレート部は、第１プレート部と、第２プレート部と、直動ジョイントとを備えてなり、前記回転部は回転手段を備えたことである。第１プレート部は、四組のロッド部材のうち二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第２プレート部は、四組のロッド部材のうち他の二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結され、回転部を回転可能に支持するプレートである。直動ジョイントは、第１プレート部と第２プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。回転手段は、第１プレート部と第２プレート部との相対平行移動により回転部を所定の軸回りの回転駆動を行う手段である。
【０００８】
つまり、回転部を回転させる場合には、第１プレート部と第２プレート部とは相対的に平行移動する。従って、第１プレート部と第２プレート部との間の距離は、常に一定に保持される。これにより、以下の効果を奏する。まず、従来図８に示す連結部材４２間の距離が短くなることにより大きく変化していた機械特性が、本発明によればほとんど変化しない。その結果、制御性が向上する。さらに、従来は連結部材４２の干渉の問題が生じていたが、本発明によれば第１プレート部と第２プレート部とは干渉することがない。その結果、干渉による回転部の回転角を制限することがなくなる。さらに、特異点による四組のロッド部材のトラベリングプレートへの取付方向の制約が少なく、該取付方向の設計自由度が大きくなる。例えば、ロッド部材を対称な方向となるように取り付けることもできる。さらに、順運動学が解析的な形で求めることができるため、計算時間が短くなり、その結果制御性が向上する。
【０００９】
なお、前記回転手段は、回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、第１プレート部の回転部側に配設されピニオンギヤに噛合するラックギヤとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ラックピニオン機構となる。これにより、回転を確実に伝達できると共に、回転部の回転角制御を正確に行うことができる。さらに、歯数比を変更することによって回転速度を自由に変更することができる。また、従来の構成に比べて、耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、前記回転手段は、回転部の外周面に巻回され両端側が第１プレート部に固定されたケーブルであるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ケーブルホイール機構となる。なお、ケーブルと回転部との摩擦力により回転部が回転することになる。このように、ケーブルのみにより回転部を回転させることができるため、歯車のようなバックラッシュがほとんどなく、回転部の回転運動を静かにでき、さらに、非常に低コスト化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の四自由度パラレルロボットは、基台と、四つのアクチュエータと、四組のロッド部材と、トラベリングプレートとを備える。そして、本発明の特徴的な構成は、前記プレート部は、第１プレート部と、第２プレート部と、第３プレート部と、第１直動ジョイントと、第２直動ジョイントとを備えてなり、前記回転部は、回転手段を備えたことである。ここで、第１プレート部は、四組のロッド部材のうち二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第２プレート部は、四組のロッド部材のうち他の二組のロッド部材の他端側が第２回転ジョイントを介して連結されたプレートである。第３プレート部は、回転部を回転可能に支持するプレートである。第１直動ジョイントは、第１プレート部と第３プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。第２直動ジョイントは、第２プレート部と第３プレート部とを相対平行移動可能に連結されたジョイントである。回転手段は、第１プレート部と第３プレート部との相対平行移動及び第２プレート部と第３プレート部との相対平行移動により、回転部を所定の軸回りの回転駆動を行う手段である。
【００１２】
つまり、回転部を回転させる場合には、第１プレート部と第２プレート部とは、第３プレート部を介して相対的に平行移動する。従って、第１プレート部と第２プレート部との間の距離は、常に一定に保持される。これにより、上述した効果と同様の効果を奏する。加えて、第１プレート部と第２プレート部とを同一形状に形成することができるため、動作バランスをとることができ、制御性がより向上する。さらに、第１プレート部と第２プレート部とを同一形状に形成することは、製造コストを低減することにもつながる。
【００１３】
なお、前記回転手段は、回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、第１プレート部及び／又は第２プレート部の回転部側に配設されピニオンギヤに噛合するラックギヤとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ラックピニオン機構となる。これにより、回転を確実に伝達できると共に、回転部の回転角制御を正確に行うことができる。さらに、歯数比を変更することによって回転速度を自由に変更することができる。また、従来の構成に比べて、耐久性を向上させることができる。なお、ラックギヤは、第１プレート部と第２プレート部の双方に配設してもよいし、第１プレート部と第２プレート部の何れか一方に配設してもよい。ラックギヤを双方に配設した場合には、回転角制御がより正確に行うことができる。
【００１４】
また、前記回転手段は、回転部の外周面に巻回され両端側が第１プレート部に固定された第１ケーブルと、回転部の外周面に巻回され両端側が第２プレート部に固定された第２ケーブルとからなるようにしてもよい。すなわち、この場合における回転手段は、ケーブルホイール機構となる。なお、ケーブルと回転部との摩擦力により回転部が回転することになる。このように、ケーブルのみにより回転部を回転させることができるため、歯車のようなバックラッシュがほとんどなく、回転部の回転運動を静かにでき、さらに、非常に低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、上述したロッド部材のうち少なくとも三組のロッド部材は、平行リンクを構成する互いに平行な二本のロッドからなり、各ロッドは、一端側がアクチュエータに連結され、他端側がトラベリングプレートに連結されるようにしてもよい。また、少なくとも第１回転ジョイントと第２回転ジョイントのうち何れか一方はボールジョイントとしてもよい。これらにより、確実に回転部が四自由度を有するようにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
本実施形態における四自由度パラレルロボットの全体構成図を図１に示す。図１に示すように、四自由度パラレルロボットは、基台１と、四組のアクチュエータ２と、四組のロッド部材３と、トラベリングプレート４と、エンドエフェクタ５（図２に示す）とを有する。
【００１８】
基台１は、平面形が略長方形の剛性の高い金属板又はフレームであって、水平に配設されている。四つのアクチュエータ２は、リニアモータからなり、２本のレール部（固定部）２１と、４つの移動子（可動部）２２とから構成されている。各レール部２１は、図１の左右方向の水平方向に平行に延在して基台１に固定され、交互に着磁されている。移動子２１は、レール部２１の下方側にレール部２１に沿って移動し、内部には電磁コイルを有している。なお、移動子２２は四つ存在しており、レール部２１の各レールには、２つの移動子２２が取り付けられている。すなわち、一つのアクチュエータ２とは、一つのレール２１と一つの移動子２２とを意味する。そして、このアクチュエータ２は、制御装置（図示せず）によってそれぞれ独立して制御される。
【００１９】
四組のロッド部材３は、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント（第１回転ジョイント）３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント（第２回転ジョイント）３５とから構成される。上端部材３２は、各アクチュエータ２の移動子（可動部）２２に連結固定されている。一対のロッド３１は、互いに平行に配設された平行リンクを構成している。この各ロッド３１の一端側は、ボールジョイント３３を介して揺動回転自在に上端部材３２に連結されている。一方、各ロッド３１の他端側は、ユニバーサルジョイント３５を介して揺動回転自在に下端部材３４に連結されている。すなわち、各ロッド３１、上端部材３２及び下端部材３４とにより、平行四辺形が常に形成されている。なお、上端部材３２と下端部材３４は、同一の長さからなる。また、下端部材３４は、トラベリングプレート４に連結されている。
【００２０】
トラベリングプレート４は、図２及び図３を参照して説明する。図２は、トラベリングプレート４の底面方向から見た斜視図である。図３は、トラベリングプレート４の底面方向から見た模式図である。図２及び図３に示すように、トラベリングプレート４は、主要部材４１と、連結部材４２，４３と、直動ジョイント４４，４５と、回転部材（回転部）４６と、ラックギヤ（回転部、回転手段）４７，４８と、ピニオンギヤ（回転部、回転手段）４９とから構成される。
【００２１】
主要部材（第３プレート部）４１は、ほぼ矩形形状からなり、中央には貫通孔が形成されている。連結部材４２，４３（第１連結部材（第１プレート部）４２、第２連結部材（第２プレート部）４３）は、略二等辺三角形形状からなり、第１連結部材４２と第２連結部材４３の底辺が対向するように配設されている。そして、第１連結部材４２と第２連結部材４３の他の辺には、それぞれ下端部材３４が固定されている。具体的には、２組の下端部材３４が、第１連結部材４２の上記底辺を除く２辺に取り付けられ、残りの２組の下端部材３４が、第２連結部材４３の上記底辺を除く２辺に取り付けられる。すなわち、第１及び第２連結部材４２，４３は、ユニバーサルジョイント３５を介して各ロッド３１に対して揺動回転可能となる。
【００２２】
そして、直動ジョイント４４，４５は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなり、主要部材４１と各連結部材４２，４３とを連結している。具体的には、第１直動ジョイント４４の固定レールが、第１連結部材４２の図１における下方側に取り付けられ、第１直動ジョイント４４のスライダが主要部材４１の図１における上面側に取り付けられている。すなわち、主要部材４１は、第１連結部材４２に対して相対平行移動可能となる。また、第２直動ジョイント４５の固定レールが、第２連結部材４３の図１における下方側に取り付けられ、第２直動ジョイント４５のスライダが主要部材４１の図１における上面側に取り付けられている。すなわち、主要部材４１は、第２連結部材４３に対して相対平行移動可能となる。つまり、第１連結部材４２と第２連結部材４３とは、直動ジョイント４４，４５と主要部材４１とを介して相対平行移動する。
【００２３】
そして、回転部材４６は、主要部材４１の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材４６は、Ｚ軸回り（図１における上下方向回り）に回転可能となる。
【００２４】
第１ラックギヤ４７は、第１連結部材４２の第２連結部材４３に対向する側に固定されている。また、第２ラックギヤ４８は、第２連結部材４３の第１連結部材４２に対向する側に固定されている。そして、ピニオンギヤ４９は、回転部材４６の外周側に固定され、第１ラックギヤ４７及び第２ラックギヤ４８と噛合している。つまり、第１連結部材４２と第２連結部材４３が相対平行移動した場合に、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６が回転する。
【００２５】
エンドエフェクタ５は、図２に示すように、トラベリングプレート４の回転部材４６の下端側に固定されている。このエンドエフェクタ５は、四自由度パラレルロボットの用途に応じて交換可能であり、エンドエフェクタ５への制御信号および動力の供給は、図示しない信号線および動力線を介して供給される。信号線および動力線は、基台１から適正に支持されてつり下げられていてもよいし、いずれかのアーム２３および平行リンク３に沿って配設されていても良い。なお、エンドエフェクタ５としては、例えば、ワークを移送したり所定位置に支持したりするためのハンドリング装置や、ワークに機械加工を加えるための工作機械の工具などである。
【００２６】
ここで、トラベリングプレート４に取り付けられた平行リンク３の下端部材３４の方向は、図３に示すように、直動ジョイント４４，４５の固定レールの長手方向を基準として、４５°，１３５°，２２５°，３１５°の方向としている。ただし、これらの方向には限られることなく、あらゆる方向に取り付け可能である。
【００２７】
次に、このように構成された四自由度パラレルロボットの動作について説明する。まず、エンドエフェクタ５の回転角θが０°であって、基台１に対して直交三軸方向に移動する場合について説明する。なお、この場合、エンドエフェクタ５は回転しないので、回転部４６を回転させる必要はない。従って、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置は固定されている。
【００２８】
そして、エンドエフェクタ５の位置に基づいて、移動子２２の位置を制御装置（図示せず）により演算する。演算された移動子２２の位置に基づいて各移動子２２がレール部２１に沿って水平移動する。そして、各移動子２２の移動により、平行リンク３を介してトラベリングプレート４が移動して、エンドエフェクタ５を所定位置に移動させる。なお、この場合、エンドエフェクタ５は常に下方側を向いた状態で移動する。
【００２９】
また、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合には、その回転角θに応じて第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置が変化する。ここで、図３において、第１連結部材４２が第２連結部材４３に対して左側に移動した場合は、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６は左回りに回転する。つまり、エンドエフェクタ５の回転角θとエンドエフェクタ５の位置とに基づいて、移動子２２の位置を制御装置により演算する。そして、上述と同様に、制御装置にて演算された移動子２２の位置に基づいて、トラベリングプレート４が移動する。
【００３０】
このように、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合であっても、第１連結部材４２と第２連結部材４３は、常に一定距離を保持している。これにより、エンドエフェクタ５の作動範囲は、エンドエフェクタ５の回転角θが０°の場合は従来と同様であるが、エンドエフェクタ５の回転角θが大きくなるにつれて従来に比べて差が生じてくる。具体的には、本実施形態の四自由度パラレルロボットも従来の四自由度パラレルロボットも、エンドエフェクタ５の回転角θが大きくなるつれて作動範囲は狭くなる。しかし、従来のエンドエフェクタ５の作動範囲の減少量に比べて本実施形態のエンドエフェクタ５の作動範囲の減少量は少ない。
【００３１】
さらに、第１連結部材４２と第２連結部材４３は、常に一定距離を保持しているので干渉することがない。つまり、従来は干渉することにより作動範囲を制限していたが、その必要がない。直動ジョイント４４，４５とラックギヤ４６，４７の長さにより、自由に調整することができる。また、上述したように、トラベリングプレート４に取り付けられた平行リンク３の下端部材３４の取付方向は、自由に選択することができるので、設計自由度が増加する。さらに、順運動学が解析的な形で求めることができるので、計算時間が短くなり、その結果制御性を向上させることができる。
【００３２】
なお、リニアモータからなるアクチュエータ２の各レール部２１が、水平方向に長く延在して互いに平行であるので、トラベリングプレート４は、レール部２１の存在する限りレール部２１に沿って移動させることができる。その結果、トラベリングプレート４の移動範囲が、レール部２２に沿った水平方向に極めて長く拡大されるという効果を奏する。
【００３３】
また、平行リンク３の上端部材３２の位置が水平方向のみの移動となり、上下方向に移動しないので、単純なリンク機構となる。そのため、トラベリングプレート４の目標位置からリニアモータからなるアクチュエータ２の移動子２２の目標位置を算出する座標変換の演算処理アルゴリズムがより簡素化し、制御装置の演算負荷が減少させることにつながる。
【００３４】
（実施形態１の変形態様）
上記実施形態１においては、アクチュエータ２として、リニアモータを用いたが、これに限られるものではない。例えば、四自由度パラレルロボットの全体構成が図４に示す構成としてもよい。ここで、図４に示す四自由度パラレルロボットの構成について説明する。
【００３５】
図４に示す四自由度パラレルロボットは、基台１’と、四組のアクチュエータ２’と、四組のロッド部材３と、トラベリングプレート４と、エンドエフェクタ５（図２に示す）とを有する。
【００３６】
基台１’は、平面形が略正八角形の剛性の高い金属板であって、水平に配設されており、上面側がフレーム（図示せず）に固定されている。四つのアクチュエータ２’は、ブラケット（固定部）２１’と、回転モータ２２’と、回転軸２３’と、アーム（可動部）２４’とから構成される。ブラケット２１’は、基台１’の下面側に、それぞれ所定の位置に所定の角度で固定されている。回転モータ２２’は、サーボモータであって、ブラケット２１’に固定されており、制御装置（図示しない）によってそれぞれ独立して制御される。回転軸２３’は、ブラケット２１’に回転自在に軸支され、回転モータ２２’の駆動により回転する。アーム２４’は、一端側が回転軸２３’のほぼ中央に連結固定されており、他端側がロッド部材３に連結されている。このアーム２４’は、回転軸２３’の回転に伴って所定の角度範囲で揺動する。
【００３７】
四組のロッド部材３は、上記実施形態と同様の構成からなり、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント（第１回転ジョイント）３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント（第２回転ジョイント）３５とから構成される。上端部材３２は、各アクチュエータ２’のアーム（可動部）２４’の他端側に連結固定されている。一対のロッド３１は、互いに平行に配設された平行リンクを構成している。この各ロッド３１の一端側は、ボールジョイント３３を介して揺動回転自在に上端部材３２に連結されている。一方、各ロッド３１の他端側は、ユニバーサルジョイント３５を介して揺動回転自在に下端部材３４に連結されている。すなわち、各ロッド３１、上端部材３２及び下端部材３４とにより、平行四辺形が常に形成されている。なお、上端部材３２と下端部材３４は、同一の長さからなる。また、下端部材３４は、トラベリングプレート４に連結されている。
【００３８】
そして、トラベリングプレート４及びエンドエフェクタ５は、上記実施形態と同一であるので説明を省略する。
【００３９】
次に、このように構成された四自由度パラレルロボットの動作について説明する。まず、エンドエフェクタ５の回転角θが０°であって、基台１に対して直交三軸方向に移動する場合について説明する。なお、この場合、エンドエフェクタ５は回転しないので、回転部４６を回転させる必要はない。従って、第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置は固定されている。
【００４０】
そして、エンドエフェクタ５の位置に基づいて、各回転モータ２２’の回転角を制御装置（図示しない）により演算する。演算された回転モータ２２’の回転角に基づいて各回転モータ２２’が回転する。そして、各回転モータ２２’の回転に伴いアーム２４’が回転軸２３’回りに揺動する。アーム２４’の揺動により、平行リンク３を介してトラベリングプレート４が移動して、エンドエフェクタ５を所定位置に移動させる。なお、この場合、エンドエフェクタ５は常に下方側を向いた状態で移動する。
【００４１】
また、エンドエフェクタ５の回転角θが０°でない場合には、その回転角θに応じて第１連結部材４２と第２連結部材４３の相対位置が変化する。ここで、図３において、第１連結部材４２が第２連結部材４３に対して左側に移動した場合は、第１及び第２ラックギヤ４７，４８とピニオンギヤ４９を介して、回転部材４６は左回りに回転する。つまり、エンドエフェクタ５の回転角θとエンドエフェクタ５の位置とに基づいて、各回転モータ２２’の回転角を制御装置により演算する。そして、上述と同様に、制御装置にて演算された各回転モータ２２’の回転角に基づいて、トラベリングプレート４が移動する。
【００４２】
このような構成からなる四自由度パラレルロボットとしても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００４３】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第２実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのトラベリングプレート４のみ相違するのでその部分についてのみ説明する。
【００４４】
図５に示すように、トラベリングプレート５は、第１プレート部５１と、第２プレート部５２と、直動ジョイント５３と、回転部材（回転部）５４と、ケーブル（回転手段）５５とから構成される。第１プレート部５１は、２組の下端部材３４が固定されている。第２プレート部５２は、略三角形形状からなり、１つの角部部分に貫通孔が形成されている。そして、他の角部には、他の２組の下端部材３４が固定されている。すなわち、第１プレート部５１及び第２プレート部５２は、ユニバーサルジョイント３５を介して、各ロッド３１に対して揺動回転可能となる。
【００４５】
そして、直動ジョイント５３は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなり、第１プレート部５１と第２プレート部５２とを連結している。具体的には、直動ジョイント５３の固定レールが第１プレート部５１に取り付けられ、直動ジョイント５３のスライダが第２プレート部５２に取り付けられる。すなわち、第１プレート部５１は、第２プレート部５２に対して相対平行移動可能となる。
【００４６】
そして、回転部材５４は、第２プレート部５２の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材５４は、Ｚ軸まわりに回転可能となる。
【００４７】
そして、ケーブル５５は、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第１プレート部５１に固定されている。そして、このケーブル５５は、直動ジョイント５３に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、第１プレート部５１と第２プレート部５２とが相対平行移動することにより、ケーブル５５の摩擦力により回転部材５４を回転させることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第３実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのトラベリングプレート４のみ相違するのでその部分についてのみ説明する。
【００４９】
図６に示すように、トラベリングプレート６は、主要部材（第３プレート部）６１と、第１連結部材（第１プレート部）６２と、第２連結部材（第２プレート部）６３と、第１直動ジョイント６４と、第２直動ジョイント６５と、回転部材（回転部）６６と、第１ケーブル（回転手段）６７と、第２ケーブル（回転手段）６８とから構成される。
【００５０】
主要部材６１は、平面形状はほぼ矩形形状からなり、中央に貫通孔が形成されている。第１連結部材６２及び第２連結部材６３は、同一形状からなり、それぞれ２組の下端部材３４が固定されている。すなわち、第１及び第２連結部材６２，６３は、ユニバーサルジョイント３５を介して各ロッドに対して揺動回転可能となる。
【００５１】
そして、第１直動ジョイント６４及び第２直動ジョイント６５は、固定レールとこの固定レール上をスライドするスライダとからなる。主要部材６１と各連結部材６２，６３とを連結している。具体的には、第１直動ジョイント６４の固定レールが、第１連結部材６２に取り付けられ、第１直動ジョイント６４のスライダが主要部材６１に取り付けられている。すなわち、主要部材６１は、第１連結部材６２に対して相対平行移動可能となる。また、第２直動ジョイント６５の固定レールが、第２連結部材６３に取り付けられ、第２直動ジョイント６５のスライダが主要部材６１に取り付けられている。すなわち、主要部材６１は、第２連結部材６３に対して相対平行移動可能となる。つまり、第１連結部材６２と第２連結部材６３とは、直動ジョイント６４，６５と主要部材４１とを介して相対平行移動する。
【００５２】
そして、回転部材６６は、主要部材６１の貫通孔に軸受（図示せず）を介して回転可能に軸支されている。すなわち、回転部材６６は、Ｚ軸回りに回転可能となる。
【００５３】
そして、第１ケーブル６７は、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第１連結部材６２に固定されている。そして、第１ケーブル６７は、第１直動ジョイント６４に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、主要部材６１と第１連結部材６２とが相対平行移動することにより、第１ケーブル６７の摩擦力により回転部材６４を回転させることができる。
【００５４】
また、第２ケーブル６８は、第１ケーブル６７と同様に、回転部材５４の外周面に巻回されており、両端側が第２連結部材６３に固定されている。そして、第２ケーブル６８は、第２直動ジョイント６５に略平行に、所定の張力を保持した状態で配設されている。すなわち、主要部材６１と第２連結部材６３とが相対平行移動することにより、第２ケーブル６７の摩擦力によっても回転部材６４を回転させることができる。つまり、第１連結部材６２と第２連結部材６３が相対平行移動した場合に、第１及び第２ケーブル６７，６８により、回転部材４６が回転する。
【００５５】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態における四自由度パラレルロボットについて図面を参照して説明する。ここで、第４実施形態における四自由度パラレルロボットは、第１実施形態における四自由度パラレルロボットのロッド部材３とトラベリングプレート４とが相違する。以下、相違点のみについて説明する。
【００５６】
四組のロッド部材３のうち三組のロッド部材３は、一対のロッド３１と、上端部材３２と、ボールジョイント３３と、下端部材３４と、ユニバーサルジョイント３５とからなる平行リンクを構成する。すなわち、この三組のロッド部材３は、第１実施形態に示したロッド部材と同様である。そして、残りの一組のロッド部材３は、一本のロッド（図示せず）と、このロッドの上端側に配設された第１ボールジョイント（図示せず）と、ロッドの下端側に配設された第２ボールジョイント３６（図７に示す）とから構成される。そして、第１ボールジョイントはアーム２４（図１に示す）の他端側に連結され、第２ボールジョイント３６はトラベリングプレート５（図７に示す）に連結される。
【００５７】
そして、トラベリングプレート７は、第２実施形態に示したトラベリングプレート５とほぼ同一である。ただし、第２プレート部５２は、ロッド部材３のうち平行リンクを構成するロッド部材３の一組と、平行リンクを構成しないロッド部材３の第２ボールジョイントが連結される。
【００５８】
このように構成された四自由度パラレルロボットの動作は、第１実施形態及び第２実施形態に示した動作を同様である。
【００５９】
（他の実施形態）
なお、上述した実施形態において、ロッド部材３は、ロッド３１の上端側にボールジョイント３３を配設し、ロッド３１の下端側にユニバーサルジョイント３５を配設しているが、これに限られるものではない。例えば、ロッド３１の上端側にユニバーサルジョイントを配設し、ロッド３１の下端側にボールジョイントを配設してもよい。さらに、ロッド３１の両端側にボールジョイントを配設してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図２】第１実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図３】第１実施形態におけるトラベリングプレートの模式図である。
【図４】第１実施形態の変形態様における四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図５】第２実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図６】第３実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図７】第４実施形態におけるトラベリングプレートを示す斜視図である。
【図８】従来の四自由度パラレルロボットを示す図である。
【図９】従来のトラベリングプレートの動作状態を示す図である。
【符号の説明】
１，１’ ・・・ 基台
２，２’ ・・・ アクチュエータ
３ ・・・ ロッド部材
４，５，６，７ ・・・ トラベリングプレート
３３，３６ ・・・ ボールジョイント
３５ ・・・ ユニバーサルジョイント
４４，４５，５３，６４，６５ ・・・ 直動ジョイント
４７，４８ ・・・ ラックギヤ
４９ ・・・ ピニオンギヤ
５５，６７，６８ ・・・ ケーブル
Claims (8)
- 基台と、
前記基台に固定された固定部と該固定部に枢支された可動部とを有する四つのアクチュエータと、
一端側が各前記アクチュエータの前記可動部に揺動回転可能な第１回転ジョイントを介して連結された四組のロッド部材と、
各前記ロッド部材の他端側に揺動回転可能な第２回転ジョイントを介して連結され前記基台に対して直交三軸方向に移動可能なプレート部と該プレート部に支持され前記基台に対して所定の軸回りに回転可能な回転部とを有するトラベリングプレートと、
を備えた四自由度パラレルロボットにおいて、
前記プレート部は、
四組の前記ロッド部材のうち二組の前記ロッド部材の他端側が前記第２回転ジョイントを介して連結された第１プレート部と、
四組の前記ロッド部材のうち他の二組の前記ロッド部材の他端側が前記第２回転ジョイントを介して連結され前記回転部を回転可能に支持する第２プレート部と、
前記第１プレート部と前記第２プレート部とを相対平行移動可能に連結された直動ジョイントとを備えてなり、
前記回転部は、
前記第１プレート部と前記第２プレート部の相対平行移動により前記所定の軸回りの回転駆動を行う回転手段を備えたことを特徴とする四自由度パラレルロボット。 - 基台と、
前記基台に固定された固定部と該固定部に枢支された可動部とを有する四つのアクチュエータと、
一端側が各前記アクチュエータの前記可動部に揺動回転可能な第１回転ジョイントを介して連結された四組のロッド部材と、
各前記ロッド部材の他端側に揺動回転可能な第２回転ジョイントを介して連結され前記基台に対して直交三軸方向に移動可能なプレート部と該プレート部に支持され前記基台に対して所定の軸回りに回転可能な回転部とを有するトラベリングプレートと、
を備えた四自由度パラレルロボットにおいて、
前記プレート部は、
四組の前記ロッド部材のうち二組の前記ロッド部材の他端側が前記第２回転ジョイントを介して連結された第１プレート部と、
四組の前記ロッド部材のうち他の二組の前記ロッド部材の他端側が前記第２回転ジョイントを介して連結された第２プレート部と、
前記回転部を回転可能に支持する第３プレート部と、
前記第１プレート部と前記第３プレート部とを相対平行移動可能に連結された第１直動ジョイントと、
前記第２プレート部と前記第３プレート部とを相対平行移動可能に連結された第２直動ジョイントとを備えてなり、
前記回転部は、
前記第１プレート部と前記第３プレート部との相対平行移動及び前記第２プレート部と前記第３プレート部との相対平行移動により前記所定の軸回りの回転駆動を行う回転手段を備えたことを特徴とする四自由度パラレルロボット。 - 前記回転手段は、
前記回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、
前記第１プレート部の前記回転部側に配設され前記ピニオンギヤに噛合するラックギヤと、
からなることを特徴とする請求項１記載の四自由度パラレルロボット。 - 前記回転手段は、
前記回転部の外周側に配設されたピニオンギヤと、
前記第１プレート部及び／又は前記第２プレート部の前記回転部側に配設され前記ピニオンギヤに噛合するラックギヤと、
からなることを特徴とする請求項２記載の四自由度パラレルロボット。 - 前記回転手段は、
前記回転部の外周面に巻回され両端側が前記第１プレート部に固定されたケーブルであることを特徴とする請求項１記載の四自由度パラレルロボット。 - 前記回転手段は、
前記回転部の外周面に巻回され両端側が前記第１プレート部に固定された第１ケーブルと、
前記回転部の外周面に巻回され両端側が前記第２プレート部に固定された第２ケーブルとからなることを特徴とする請求項２記載の四自由度パラレルロボット。 - 少なくとも三組の前記ロッド部材は平行リンクを構成する互いに平行な二本のロッドからなり、
各前記ロッドは、一端側が前記アクチュエータに連結され他端側が前記トラベリングプレートに連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の四自由度パラレルロボット。 - 少なくとも前記第１回転ジョイントと前記第２回転ジョイントのうち何れか一方は、ボールジョイントであることを特徴とする請求項１又は２に記載の四自由度パラレルロボット。
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