JP5475747B2 - パラレルリンクロボット - Google Patents

Description

本発明は、ベースと可動部との間に複数のリンク部を配列し、複数のリンク部を複数のアクチュエータで駆動して可動部を移動させ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、ベースと可動部との間に複数のリンク部を配列したものである。複数のリンク部を複数のアクチュエータで駆動して可動部の位置又は位置及び姿勢を変化させる。パラレルリンクロボットの種類には、伸縮型のパラレルリンクロボット、回転型のパラレルリンクロボット、及び直動型のパラレルリンクロボットがある。

伸縮型のパラレルリンクロボットは、最も古くから提案されたもので、航空機のシミュレータや遊戯施設等に用いられている。伸縮型のパラレルリンクロボットは、ベースと可動部との間に６本の伸縮リンクを配列してなる。伸縮リンクのリンク長を変化させることによって、可動部をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に並進運動させ、かつ可動部の姿勢をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸の回りに回転させる（特許文献１参照）。

回転型のパラレルリンクロボットは、回転アクチュエータを駆動源として使用する。回転型のパラレルリンクロボットの典型的な例として、ベースを三角形に形成し、ベースの三角形の各辺に、モータの出力軸が各辺に平行になるように３つのモータを取り付け、各モータの出力軸に出力軸の回りを回転する細長いアームを一体的に結合し、各アームの先端と可動部との間をリンクで連結したものが知られている（特許文献２参照）。３つのモータの出力軸に結合される３つのアームを回転駆動することによって、可動部をベースに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に並進運動させる。なお、モータ、アーム、及びリンクの個数を６つにすることによって、可動部をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に並進運動させるだけでなく、可動部の姿勢をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸の回りに回転させることができる。

直動型のパラレルリンクロボットは、直動アクチュエータを駆動源として使用する。直動型のアクチュエータの典型的な例として、ベースに所定の角度をもって放射状に６本のガイドを固定し、各ガイドにボールねじによって駆動するスライドテーブルを直線運動可能に取り付け、各ガイドのスライドテーブルと可動部とをロッドで連結したものが知られている（特許文献３参照）。６つのガイドのスライドテーブルを直線運動させることによって、可動部をベースに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に並進運動させ、かつ可動部の姿勢をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸の回りに変化させることができる。

特開２０００−１３０５３４号公報 特表昭６３−５０１８６０号公報 特開平１１−１０４９８７号公報

しかし、上記の伸縮型のパラレルリンクロボット、回転型のパラレルリンクロボット、及び直動型のパラレルリンクロボットには、以下の利点及び欠点がある。

伸縮型のパラレルリンクロボットにおいては、ベースと可動部との間の全ての伸縮リンクが並列なので、高出力が可能であり、パラレルリンクロボットの剛性が高いという利点がある。しかし、可動部の可動範囲が小さいという欠点がある。

回転型のパラレルリンクロボットにおいては、モータの出力軸に結合されたアーム及びリンクが可動部を移動させるので、可動部の可動範囲を広くすることができるという利点がある。しかし、可動部に外力が作用したときにモータが耐える力が小さく、パラレルリンクロボットの剛性が低いという欠点がある。パラレルリンクロボットの剛性を高くするために、モータを大型化すると、パラレルリンクロボットの大型化を招く。

直動型のアクチュエータにおいては、可動部を高精度に位置決めできるという利点がある。しかし、可動部に作用する外力が全て直動アクチュエータに作用するので、直動アクチュエータが大きな剛性を必要とし、直動アクチュエータの大型化、ひいてはパラレルリンクロボットの大型化を招くという欠点がある。また、剛性を確保するためにリニアガイドを必要とするという欠点もある。

本発明は、上記従来のパラレルリンクロボットの欠点を解消するもので、剛性を高くすることができ、かつ小型化を実現できるパラレルリンクロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、ベースと、可動部と、前記ベースと前記可動部とを連結する複数のリンク部と、前記複数のリンク部を駆動する複数のアクチュエータと、を備えるパラレルリンクロボットにおいて、前記複数のアクチュエータのそれぞれは、前記ベースに所定の軸線の回りを回転可能に支持されると共に、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有する直動アクチュエータであり、前記直動アクチュエータの前記本体部は、前記軸部の外周面に形成されるねじ溝に螺合するナット、前記ナットを回転駆動するモータと、を有し、前記ナットを回転させると、前記軸部が中心線方向に直線運動し、前記複数のリンク部のそれぞれは、前記ベースに回転軸の回りを回転可能に支持されると共に、前記回転軸の回りを回転するように前記直動アクチュエータの前記軸部に連結軸を介して回転可能に連結される駆動リンクと、前記駆動リンクと前記可動部とを連結する受動リンクと、を備え、前記複数のリンク部それぞれの前記受動リンクは、リンク長さが等しい一対の平行リンクを備え、前記一対の平行リンクの一端が前記駆動リンクにジョイントを介して連結され、前記一対の平行リンクの他端が前記可動部にジョイントを介して連結され、前記パラレルリンクロボットを平面視するとき、前記複数の直動アクチュエータが、前記ベースに放射状にかつ周方向に均等間隔を空けて配置され、前記複数の駆動リンクそれぞれの中心線が、前記複数の直動アクチュエータそれぞれの中心線と同一の直線上に配置され、前記直動アクチュエータが伸縮することによって、前記駆動リンクが前記ベースに対して前記駆動リンクの前記所定の軸線の回りを回転し、前記駆動リンクに前記受動リンクを介して連結される前記可動部が前記ベースに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動するパラレルリンクロボットである。

本発明の一態様によれば、直動アクチュエータ及び駆動リンクがベースに所定の軸線を回転可能に支持されており、直動アクチュエータを伸縮させることによって、駆動リンクが所定の軸線の回りに回転する。このため、可動部に作用する外力は直動アクチュエータの中心線方向の力に変換されて直動アクチュエータに作用する。直動アクチュエータが、可動部に作用する大きな外力に耐えることができるので、パラレルリンクロボットの剛性が向上する。また、駆動リンクがベースに所定の軸線の回りを回転可能に支持されるので、可動部にかかる外力の一部をベースで受けることができる。可動部にかかる外力の一部をベースで受ける分、直動アクチュエータに作用する外力が減り、直動アクチュエータの小型化、ひいてはパラレルリンクロボット全体としての小型化が図れる。

本発明の一実施形態のパラレルリンクロボットの斜視図 上記パラレルリンクロボットの平面図 上記パラレルリンクロボットの側面図 上記パラレルリンクロボットの側面図（可動部を水平方向に並進運動させた状態）

以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるパラレルリンクロボットを説明する。図１は、実施形態のパラレルリンクロボットの斜視図を示し、図２は平面図を示し、図３は側面図を示す。

図１に示すように、本実施形態のパラレルリンクロボットは、ベース１と、可動部２と、ベース１と可動部２とを連結する３つのリンク部５と、３つのリンク部５を駆動する３つの直動アクチュエータ６を備える。可動部２は３自由度を持つ。ベース１はパラレルリンクロボットの図示しないハウジングに収容される。３つの直動アクチュエータ６を動作させることによって、可動部２がＸ，Ｙ，Ｚ方向にベース１に対して平行に並進運動を行う。並進運動とは、可動部２に固定された仮想的なすべての線が、そのもともとの方向に対して平行を保つような可動部２の動きをいう。なお、後述するように直動アクチュエータ６及びリンク部５の個数を６つにすることによって、可動部２に６自由度を持たせることも可能である。可動部２の下面には所定の作業を行うエンドエフェクタ（図示せず）が取り付けられる。エンドエフェクタを把持部、工具等にすることによって、例えば電子部品の基板への実装、機械部品の組み立て、機械部品の加工、製品の搬送・箱詰め等の各種の作業が可能になる。

ベース１は例えば平面六角形の板状に形成される。ベース１には、３つの直動アクチュエータ６が放射状にかつ周方向に１２０度の均等間隔を空けて配置される。３つの直動アクチュエータ６の中心線は中心角１２０度でベース１の中心で交わる（図２参照）。各直動アクチュエータ６は、ベース１上に所定の軸線としての回転軸９ａ，９ｂの軸線の回りに回転可能に支持される。ベース１には、各直動アクチュエータ６に対応して平行な一対の受板１１ａ，１１ｂが結合される。一対の受板１１ａ，１１ｂにはベアリングを介して直動アクチュエータ６の回転軸９ａ，９ｂが回転可能に支持される。３つの直動アクチュエータ６の３つの軸線Ａ１はベース１の上面と平行な同一平面内に存在する。パラレルリンクロボットの上から見て、直動アクチュエータ６の回転軸９ａ，９ｂの軸線Ａ１は直動アクチュエータ６の中心線Ｃ１に直交する（図２参照）。ベース１の三辺からはリンク支持梁１ａが片持ち状に突出する。リンク支持梁１ａの先端には、リンク部５の駆動リンク３が回転可能に支持される。リンク支持梁１ａの先端には、回転軸１３が結合される。回転軸１３はリンク支持梁１ａの先端部から左右に水平方向に突出する。駆動リンク３は所定の軸線としての回転軸１３の軸線Ａ２の回りを回転する。パラレルリンクロボットを上から見て、回転軸１３の軸線Ａ２は直動アクチュエータ６の中心線Ｃ１と直交する（図２参照）。

図１に示すように、各直動アクチュエータ６は、略直方体の本体部８と、本体部８に対して中心線方向に直線運動する軸部７と、を備える。本体部８の側面に上記回転軸９ａ，９ｂが結合される。本体部８の内部には、軸部７の外周面に形成されるねじ溝に螺合するボールねじナット、及びボールねじナットを軸部７の中心線の回りに回転駆動するモータとして例えばステッピングモータが組み込まれる。ステッピングモータは、与えられたパルス数に比例して、一定の角度だけ回転する機能をもったモータである。ステッピングモータがボールねじナットを回転させると、軸部７が中心線方向に直線運動する。ステッピングモータは軸部７の直線運動量を制御するドライバに接続される。軸部７の先端には、駆動リンク３に連結される直動アクチュエータ６の連結軸１５を保持するホルダ７ａが取り付けられる。３つの直動アクチュエータ６の構造は同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。

ベース１には３つのリンク部５が放射状にかつ周方向に１２０度の均等間隔を空けて配置される。３つのリンク部５の駆動リンク３の中心線Ｃ２は、３つの直動アクチュエータ６の中心線Ｃ１と同一の直線上に配置される（図２参照）。

図１に示すように、各リンク部５は、直動アクチュエータ６に連結される駆動リンク３と、駆動リンク３と可動部２とを連結する受動リンク４と、を備える。駆動リンク３のリンク長さは受動リンク４のリンク長さよりも短い。駆動リンク３は、互いに分離する一対の分離リンク３ａ，３ｂを備える。受動リンク４は、リンク長さが等しい平行な一対の平行リンク４ａ，４ｂを備える。各分離リンク３ａ，３ｂに各平行リンク４ａ，４ｂが連結される。

一対の分離リンク３ａ，３ｂによってベース１のリンク支持梁１ａが挟まれるように、一対の分離リンクの一方３ａがリンク支持梁１ａから左右に突出する回転軸の一方９ａに回転可能に支持され、一対の分離リンクの他方３ｂがリンク支持梁１ａから左右に突出する回転軸の他方９ｂに回転可能に支持される。図３に示すように、パラレルリンクロボットの側方から見て、分離リンク３ａ，３ｂはＬ字形に形成され、短辺側の一片３ａ１，３ｂ１とこの一片３ａ１，３ｂ１に直交する長辺側の一片３ａ２，３ｂ２を備える（図３参照）。分離リンク３ａ，３ｂの短辺側の一片３ａ１，３ｂ１には、直動アクチュエータ６の軸部７が回転可能に連結される。分離リンク３ａ，３ｂの長辺側の一片３ａ２，３ｂ２には、平行リンク４ａ，４ｂが回転可能に連結される。

図１に示すように、分離リンク３ａ，３ｂには、ベアリングを介して回転軸１３が挿入される。分離リンク３ａ，３ｂは回転軸１３の軸線Ａ２の回りのみを回転可能であり、ベース１に対して鉛直な仮想平面内を揺動する。また、分離リンク３ａ，３ｂには、ベアリングを介して直動アクチュエータ６の連結軸１５が挿入される。一対の分離リンク３ａ，３ｂはベース１に対して鉛直な仮想平面内を同期して揺動可能となっている。

分離リンク３ａ，３ｂには、ボールジョイントとしての球面軸受２１ａ，２１ｂを介して平行リンク４ａ，４ｂが回転可能に連結される。球面軸受は３自由度を持ち、平行リンク４ａ，４ｂは分離リンク３ａ，３ｂに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸の回りに回転可能である。なお、球面軸受の替わりにカルダン型のジョイントを用いてもよい。

平行リンク４ａ，４ｂの下端部にはジョイントとしての球面軸受２２ａ，２２ｂを介して可動部２が連結される。球面軸受２２ａ，２２ｂは３自由度を持ち、平行リンク４ａ，４ｂは可動部２に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸の回りに回転可能である。球面軸受２２ａ，２２ｂの替わりにカルダン型のジョイントを用いてもよい。一対の平行リンク４ａ，４ｂは三角形の可動部２の一辺に連結される。一対の平行リンク４ａ，４ｂの長さは互いに等しく、一対の平行リンク４ａ，４ｂ、球面軸受２１ａ，２１ｂ、及び球面軸受２２ａ，２２ｂによって平行四辺形が形成される。可動部２が移動しても平行四辺形は維持されるので、可動部２はベース１に対してＸ，Ｙ,Ｚ軸方向に並進運動する。

直動アクチュエータ６を伸縮させ（すなわち軸部７を往復運動させ）、軸部７で駆動リンク３を押し引きすると、駆動リンク３が回転軸１３の回りを回転する。駆動リンク３が回転軸１３の回りを回転すると、駆動リンク３に受動リンク４を介して連結される可動部２がベース１に対してＸ，Ｙ,Ｚ軸方向に並進運動する。図４には、図３の可動部を水平方向に移動させた状態を示す。

３つの直動アクチュエータ６のステッピングモータを制御するドライバは、一つのマスタードライバと二つのスレーブドライバとに分類される。上位コントローラは、マスタードライバのみに指令を送信する。マスタードライバは、上位コントローラから送信された指令を受信し、スレーブドライバに送信する。スレーブドライバは、マスタードライバから送信された指令を受信する。マスタードライバ及びスレーブドライバは、指令を実行し、３つのステッピングモータ間での同期制御を実現する。なお、マスタースレーブ制御を行うことなく、上位コントローラから３つのドライバに指令を送信するようにしてもよい。

可動部２には、必要に応じてエンドエフェクタの姿勢を変化させる姿勢制御機構が設けられる。姿勢制御機構は例えばエンドエフェクタをＸ，Ｙ，Ｚ軸の少なくとも一つの回りに回転させる回転ユニットを備え、例えば把持ユニットからなるエンドエフェクタの姿勢を変化させる。回転ユニットや把持ユニットを制御するドライバは可動部２に搭載するのが望ましい。上位コントローラからの指令を無線通信を介してドライバに通信すれば、可動部２上のドライバへの配線が不要になる。

本実施形態のパラレルリンクロボットによれば、以下の効果を奏する。

図１に示すように、直動アクチュエータ６及び駆動リンク３がベース１に回転軸９ａ，９ｂ，１３の回りを回転可能に支持されており、直動アクチュエータ６を伸縮させることによって、駆動リンク３が回転軸１３の回りに回転するようになっている。このため、可動部２に作用する外力は直動アクチュエータ６の中心線方向の力に変換されて直動アクチュエータ６に作用する。直動アクチュエータ６には減速比の高いボールねじが組み込まれるので、直動アクチュエータ６は可動部２に作用する大きな外力に耐えることができる。したがって、パラレルリンクロボットの剛性が向上する。また、駆動リンク３がベース１に回転軸１３の回りを回転可能に支持されるので、可動部２にかかる外力の一部をベース１で受けることができる。可動部２にかかる外力の一部をベース１で受ける分、直動アクチュエータ６に作用する外力が減り、直動アクチュエータ６の小型化、ひいてはパラレルリンクロボット全体としての小型化が図れる。

図２に示すように、３つの直動アクチュエータ６の中心線Ｃ１が、ベース１に放射状にかつ周方向に均等間隔を空けて配置され、かつ３つの駆動リンク３それぞれの中心線Ｃ２が３つの直動アクチュエータ６それぞれの中心線Ｃ１と同一の直線上に配置されるので、直動アクチュエータ６に無理な力が働くのを防止できる。

図３に示すように、駆動リンク３の回転軸１３から直動アクチュエータ６の連結軸１５までの長さが回転軸１３から受動リンク４の球面軸受２１ａ，２１ｂまでの長さよりも短いので、直動アクチュエータ６のストロークが小さくても、受動リンク４の移動量、すなわち可動部２の可動範囲を広くすることができる。

図１に示すように、駆動リンク３を回転軸１３の回りを同期して回転する一対の分離リンク３ａ，３ｂから構成することで、駆動リンク３に球面軸受２１ａ，２１ｂを介して一対の平行リンク４ａ，４ｂを連結するのが容易になる。

なお、本発明は上記実施形態のパラレルリンクロボットに具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ベースに３つの直動アクチュエータ及び３つのリンク部を設け、可動部を３軸並進運動させているが、ベースに６つの直動アクチュエータ及び３つのリンク部を設け、可動部を３軸並進運動かつ可動部を３軸回りに回転させてもよい。

上記実施形態では、駆動リンクを互いに分離された一対の分離リンクから構成したが、一対の分離リンクを連結棒等で結合させてもよい。

１…ベース，２…可動部，３…駆動リンク，３ａ，３ｂ…分離リンク，４…受動リンク，４ａ，４ｂ…平行リンク，５…リンク部，６…直動アクチュエータ，７…軸部，８…本体部，９ａ，９ｂ…回転軸，１３…回転軸，１５…連結軸，Ａ１…直動アクチュエータの軸線，Ａ２…駆動リンクの軸線，Ｃ１…直動アクチュエータの中心線，Ｃ２…駆動リンクの中心線

Claims (3)

1. ベースと、可動部と、前記ベースと前記可動部とを連結する複数のリンク部と、前記複数のリンク部を駆動する複数のアクチュエータと、を備えるパラレルリンクロボットにおいて、
   前記複数のアクチュエータのそれぞれは、前記ベースに所定の軸線の回りを回転可能に支持されると共に、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有する直動アクチュエータであり、
   前記直動アクチュエータの前記本体部は、前記軸部の外周面に形成されるねじ溝に螺合するナットと、前記ナットを回転駆動するモータと、を有し、前記ナットを回転させると、前記軸部が中心線方向に直線運動し、
   前記複数のリンク部のそれぞれは、前記ベースに回転軸の回りを回転可能に支持されると共に、前記回転軸の回りを回転するように前記直動アクチュエータの前記軸部に連結軸を介して回転可能に連結される駆動リンクと、前記駆動リンクと前記可動部とを連結する受動リンクと、を備え、
   前記複数のリンク部それぞれの前記受動リンクは、リンク長さが等しい一対の平行リンクを備え、
   前記一対の平行リンクの一端が前記駆動リンクにジョイントを介して連結され、前記一対の平行リンクの他端が前記可動部にジョイントを介して連結され、
   前記パラレルリンクロボットを平面視するとき、
   前記複数の直動アクチュエータが、前記ベースに放射状にかつ周方向に均等間隔を空けて配置され、
   前記複数の駆動リンクそれぞれの中心線が、前記複数の直動アクチュエータそれぞれの中心線と同一の直線上に配置され、
   前記直動アクチュエータが伸縮することによって、前記駆動リンクが前記ベースに対して前記駆動リンクの前記所定の軸線の回りを回転し、前記駆動リンクに前記受動リンクを介して連結される前記可動部が前記ベースに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動するパラレルリンクロボット。
2. 前記駆動リンクの前記所定の軸線から前記直動アクチュエータと前記駆動リンクとの連結位置までの長さが、前記駆動リンクの前記所定の軸線から前記駆動リンクと前記受動リンクとの連結位置までの長さよりも短い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. 前記ベースに３つの直動アクチュエータ及び３つのリンク部が配列され、
   前記３つのリンク部それぞれの駆動リンクは、前記ベースに対して前記駆動リンクの前記所定の軸線の回りを同期して回転するように、前記直動アクチュエータに回転軸を介して回転可能に連結される一対の分離リンクを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルリンクロボット。

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