JP2012096337A - Parallel mechanism using a plurality of elastic wires having rigidity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般産業、試験機、航空宇宙、医療福祉、マイクロマシン、遊戯施設等に関する多分野において利用可能な多自由度機構、特に、剛性を有する複数の弾性ワイヤーを用いたパラレルメカニズムに関する。 The present invention relates to a multi-degree-of-freedom mechanism that can be used in various fields related to general industries, test machines, aerospace, medical welfare, micromachines, amusement facilities, and the like, and more particularly, to a parallel mechanism using a plurality of rigid elastic wires.
多自由度機構としてのパラレルメカニズムは、フライトシミュレータや遊戯施設を始めとして、多くの分野において利用されており、その応用例は非常に多い。 The parallel mechanism as a multi-degree-of-freedom mechanism is used in many fields including a flight simulator and a play facility, and its application examples are very many.
パラレルメカニズムとしては、ベースと、プレート等のエンドエフェクタとの間に、球面軸受けを有するジョイントを介して6個の伸縮式アクチュエータを配置して、6自由度の運動を行わせるようにした、いわゆるスチュアートプラットホームと称される伸縮型のパラレルメカニズムが広く知られている。この他、パラレルメカニズムの種類としては、回転式アクチュエータを用いた回転型、固定された直動アクチュエータを用いた直動型、複数の弾性ワイヤーを用いた弾性ワイヤー型、弾性ワイヤーとリンクによるハイブリッド型等が知られている。そして、これらに用いるアクチュエータの駆動方式としては、電動方式、油圧方式、空気圧方式など各種の方式が行われている。 As a parallel mechanism, six telescopic actuators are arranged between a base and an end effector such as a plate via a joint having a spherical bearing so as to perform a motion of six degrees of freedom. A telescopic parallel mechanism called a Stewart platform is widely known. Other types of parallel mechanisms include a rotary type that uses a rotary actuator, a linear type that uses a fixed linear actuator, an elastic wire type that uses multiple elastic wires, and a hybrid type that uses elastic wires and links. Etc. are known. Various methods such as an electric method, a hydraulic method, and a pneumatic method are used as driving methods for the actuators used for these.
特許文献1は伸縮型パラレルメカニズムの従来例、特許文献2は回転式パラレルメカニズムの従来例、特許文献3は直動型パラレルメカニズムの従来例を示すものである。
これらの型のパラレルメカニズムは、いずれも被駆動側部材に取り付けた複数の支点と、駆動側部材の複数の支点間の夫々に、剛体リンク又は支点間の距離を可変できる伸縮式アクチュエータを連結した構成であり、剛体リンク又は伸縮式アクチュエータで被駆動側部材の支点の位置を移動することにより、被駆動側部材の位置と姿勢を制御する方式である。 In each of these types of parallel mechanisms, a rigid link or a telescopic actuator capable of varying the distance between the fulcrums is connected to each of the fulcrums attached to the driven member and the fulcrums of the drive member. This is a system in which the position and posture of the driven side member are controlled by moving the position of the fulcrum of the driven side member with a rigid link or a telescopic actuator.
また特許文献4は複数の弾性ワイヤーを用いたパラレルメカニズムの従来例を示すもので、このパラレルメカニズムは、弾性ワイヤーに加えて剛体リンクを用いたハイブリット型である。このパラレルメカニズムでは、被駆動側部材に取り付けた複数の支点と、駆動側部材の複数の支点間に、弾性ワイヤーを連結し、駆動側部材のアクチュエータにより弾性ワイヤーの長さを変化させて、被駆動側部材の支点の位置を移動することにより、被駆動側部材の位置と姿勢を制御する方式である。この場合、被駆動側部材の姿勢を変更する各動作は、全ての弾性ワイヤーに張力が常に加わる状態を維持して行われるものである。
一方、一つ又は剛性を有する複数の弾性ワイヤーを用いた従来の機構として、上述した特許文献4の他に、特許文献5、特許文献6に示されるような内視鏡における先端部の湾曲機構や、特許文献7に示されるようなロボットハンドの関節駆動機構が知られている。
On the other hand, as a conventional mechanism using one or a plurality of rigid elastic wires, in addition to the above-mentioned
特許文献1−3により例示しているパラレルメカニズム、即ち、被駆動側部材に取り付けた複数の支点と、駆動側部材の複数の支点間の夫々に、剛体リンク又は支点間の距離を可変できる伸縮式アクチュエータを連結した構成では、次のような課題を有している。
1.一般的に構造が複雑である。
2.各支点には球面軸受に代表される自由度の高い軸受が必要で、一般的に回転や滑りを伴うため構造が複雑になる。そのため潤滑の問題やガタの問題や耐久性の問題が発生しやすく、費用も高価になる。
3.被駆動側部材の姿勢の自由度(一般的には6自由度)を得るための剛体リンク又は伸縮式アクチュエータの数は数学的に決まり、一般的には6本であり、そのため6軸モーションとも称される。それ以下の数では姿勢を保てず、また6本以上では冗長な機構となり、制御が各段に難しくなる。
4.駆動機構である剛体リンクや伸縮式アクチュエータを含め、メカニズム全体としての柔軟性がない。
The parallel mechanism exemplified in Patent Documents 1-3, that is, expansion and contraction that can change the distance between the rigid links or the fulcrums between the fulcrums attached to the driven member and the fulcrums of the drive member. The configuration in which the type actuators are connected has the following problems.
1. Generally, the structure is complicated.
2. Each fulcrum requires a highly flexible bearing represented by a spherical bearing, and generally involves rotation and slipping, which complicates the structure. As a result, lubrication problems, backlash problems and durability problems are likely to occur, and the cost is high.
3. The number of rigid links or telescopic actuators for obtaining the degree of freedom (generally 6 degrees of freedom) of the driven side member is mathematically determined and is generally 6 so that both 6-axis motions Called. If the number is less than that, the posture cannot be maintained, and if it is 6 or more, the mechanism becomes redundant and the control becomes difficult at each stage.
4). There is no flexibility as a whole mechanism including a rigid link and a telescopic actuator as a drive mechanism.
一方、特許文献4−7により例示している弾性ワイヤーを用いた機構は、パラレルメカニズムにしても、シリアルメカニズムにしても、柔軟なメカニズム又は構造体を構成することができるが、被駆動側部材の位置と姿勢の制御は、弾性ワイヤーを牽引・弛緩することにより各支点間の距離を変える方式であり、弾性ワイヤーの引張方向の剛性は利用しているが、圧縮、曲げ及び捩り方向の剛性は利用しておらず、従って弾性ワイヤーのみでは空間的自立性がない。 On the other hand, the mechanism using the elastic wire exemplified in Patent Documents 4-7 can constitute a flexible mechanism or structure, whether it is a parallel mechanism or a serial mechanism. The position and posture control is a method of changing the distance between each fulcrum by pulling / relaxing the elastic wire, and the rigidity in the tensile direction of the elastic wire is used, but the rigidity in the compression, bending and twisting directions is used. Is not used, and therefore, the elastic wire alone is not spatially independent.
そこで本発明では、以上の課題を解決し、複数の弾性ワイヤーのみで空間的な位置・姿勢を保持して自立し、弾性ワイヤーの引張り、圧縮、曲げ及び捩り方向の剛性を利用して柔軟な動きを行えるパラレルメカニズムを提供することを目的とするものである。 Therefore, in the present invention, the above problems are solved, the spatial position / posture is maintained with only a plurality of elastic wires, and it is self-supporting, and the elastic wires are flexible by utilizing the tension, compression, bending, and torsional rigidity. The object is to provide a parallel mechanism that can move.
本発明では、上記課題を解決するために、剛性を有し、円形断面で単線の弾性ワイヤーの複数本が、被駆動側部材と駆動側部材の各支点位置において、同一配置となるように接続されており、また前記被駆動側部材と前記駆動側部材間には、前記弾性ワイヤーを、横断面方向から見て前記配置を維持しつつ軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持する中間支持部材が設けられている構成のパラレルメカニズムを提案する。 In the present invention, in order to solve the above-described problem, a plurality of single-wire elastic wires having rigidity and a circular cross section are connected so as to be arranged at the same position at each fulcrum position of the driven side member and the driving side member. The elastic wire is supported between the driven side member and the driven side member so that the elastic wire can be moved in the axial direction and rotated about the axial direction while maintaining the arrangement when viewed from the cross-sectional direction. A parallel mechanism having a structure in which an intermediate supporting member is provided is proposed.
また本発明では、上記課題を解決するために、剛性を有し、円形断面で単線の弾性ワイヤーの複数本が、被駆動側部材と駆動側部材の各支点位置において、相似配置となるように接続されており、また前記被駆動側部材と前記駆動側部材間には、前記弾性ワイヤーを、横断面方向から見て前記相似配置を維持しつつ軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持する中間支持部材が設けられている構成のパラレルメカニズムを提案する。 Further, in the present invention, in order to solve the above problems, a plurality of single-wire elastic wires having rigidity and a circular cross section are arranged in a similar manner at each fulcrum position of the driven side member and the driving side member. Connected, and between the driven side member and the driven side member, the elastic wire can be moved in the axial direction and rotated around the axial direction while maintaining the similar arrangement as seen from the cross-sectional direction. The parallel mechanism of the structure provided with the intermediate | middle support member which supports is proposed.
そして本発明では、上記構成において、駆動側部材は、他のパラレルメカニズムの被駆動側部材として構成した、剛性を有する複数の弾性ワイヤーを用いたパラレルメカニズムを提案する。 The present invention proposes a parallel mechanism using a plurality of rigid elastic wires in which the driving side member is configured as a driven side member of another parallel mechanism.
また本発明では、上記の構成において、駆動側部材は、夫々の弾性ワイヤー毎に設け、弾性ワイヤーを進退及び捩り回転可能とした複数の駆動装置により構成した、剛性を有する複数の弾性ワイヤーを用いたパラレルメカニズムを提案する。 Further, in the present invention, in the above configuration, the drive side member is provided for each elastic wire, and uses a plurality of rigid elastic wires configured by a plurality of drive devices that can move the elastic wire forward and backward and torsionally rotate. Proposed parallel mechanism.
また本発明では、以上の構成にパラレルメカニズムの中間支持部材を密閉室の壁に気密的に取り付けて、被駆動側部材を密閉室内に位置させると共に、駆動側部材を密閉室外に位置させた構成の密閉室内作業機構を提案する。 In the present invention, the intermediate support member of the parallel mechanism is airtightly attached to the wall of the sealed chamber in the above configuration, and the driven side member is positioned in the sealed chamber and the driving side member is positioned outside the sealed chamber. A closed indoor working mechanism is proposed.
そして本発明では、上記構成において、密閉室は真空又は特殊環境の材料試験室とした密閉室内作業機構を提案する。 According to the present invention, in the above-described configuration, a sealed chamber working mechanism is proposed in which the sealed chamber is a vacuum or special environment material testing chamber.
本発明のパラレルメカニズムは、中間支持部材を、被駆動側部材と駆動側部材間に配置した適宜の支持部位に取り付けて使用する。この状態において、被駆動側部材は、駆動側部材から中間支持部材を経て延びている弾性ワイヤーの剛性によって自立的に位置と姿勢が維持される。 In the parallel mechanism of the present invention, the intermediate support member is attached to an appropriate support portion disposed between the driven side member and the driving side member. In this state, the position and posture of the driven side member are independently maintained by the rigidity of the elastic wire extending from the driving side member through the intermediate support member.
駆動側部材を、他のパラレルメカニズムの被駆動側部材として構成した場合において、この駆動側部材を、初期状態から、その姿勢を維持しながら軸方向、即ち、弾性ワイヤーの延びている方向に移動させると、全ての弾性ワイヤーが、中間支持部材に支持されて前進又は後退方向に等距離移動するので、被駆動側部材は、初期状態の姿勢が維持されたまま前進又は後退する。 When the drive-side member is configured as a driven-side member of another parallel mechanism, the drive-side member is moved from the initial state in the axial direction, that is, the direction in which the elastic wire extends, while maintaining the posture. As a result, all the elastic wires are supported by the intermediate support member and moved by the same distance in the forward or backward direction, so that the driven member moves forward or backward while maintaining the initial state posture.
次に、初期状態において、駆動側部材を適宜の方向に傾斜させると、この傾斜により、駆動側部材側において中間支持部材までの距離が近くなる場合には、対応する弾性ワイヤーは被駆動側部材を押す方向に作用し、一方、傾斜により、駆動側部材側において中間支持部材からの距離が遠くなる場合には、対応する弾性ワイヤーは被駆動側部材を引く方向に作用するため、被駆動側部材は、駆動側部材の傾斜方向と同方向に傾斜する。 Next, in the initial state, when the driving side member is tilted in an appropriate direction, if the distance to the intermediate support member is reduced on the driving side member side due to this tilting, the corresponding elastic wire becomes the driven side member. On the other hand, when the distance from the intermediate support member is increased on the driving side member side due to the inclination, the corresponding elastic wire acts in the direction of pulling the driven side member. The member is inclined in the same direction as the inclination direction of the drive side member.
次に、初期状態において、駆動側部材を軸方向の回りに適宜角度回転させると、全ての弾性ワイヤーが回転軌跡に沿って移動し、これにより全ての弾性ワイヤーが回転方向に捩られる。このように全ての弾性ワイヤーが同一方向に捩られるため、被駆動側部材は、全ての弾性ワイヤーに駆動されて、軸方向の回りに、駆動側部材と同方向に同角度回転する。 Next, in the initial state, when the drive side member is rotated by an appropriate angle around the axial direction, all the elastic wires move along the rotation locus, whereby all the elastic wires are twisted in the rotational direction. Since all the elastic wires are twisted in the same direction as described above, the driven side member is driven by all the elastic wires and rotates around the axial direction in the same direction as the driving side member.
以上の各方向の動作は、駆動側部材として、夫々の弾性ワイヤー毎に設け、弾性ワイヤーを進退及び捩り回転可能とした複数の駆動装置により構成した場合においても同様に行うことができる。 The operation in each direction described above can be performed in the same manner even when the drive side member is provided for each elastic wire and is configured by a plurality of drive devices in which the elastic wire can be advanced and retracted and twisted.
また、以上の各方向の動作は、組み合わせて行わせることができ、これらにより多自由度で柔軟な動きを行わせることができる。そして柔軟な動きは、剛性を有する弾性ワイヤーによって実現しており、弾性ワイヤーと、駆動側部材及び被駆動側部材とは単に固定すれば良く、相対回転や相対滑りがないので、軸受けは不要である。 In addition, the operations in each direction described above can be performed in combination, and thus, a flexible motion can be performed with multiple degrees of freedom. The flexible movement is realized by an elastic wire having rigidity, and the elastic wire, the driving side member and the driven side member need only be fixed, and there is no relative rotation or sliding, so no bearing is required. is there.
以上のことから本発明では、従来のパラレルメカニズムと比較して構造が非常に簡素化される。 From the above, in the present invention, the structure is greatly simplified as compared with the conventional parallel mechanism.
また従来の多自由度のパラレルメカニズムで必要な球面軸受等の複雑な軸受要素は不要となるため、この点においても構造の簡素化に寄与し、コストを低減すると共に、ガタがなく、耐久性も高い。 In addition, complicated bearing elements such as spherical bearings required by the conventional multi-degree-of-freedom parallel mechanism are no longer necessary. This also contributes to the simplification of the structure, reduces costs, has no play, and is durable. Is also expensive.
本発明において、弾性ワイヤーの数は、2本以上適宜であり、数を増やすことにより、より剛性を高めることができる。 In the present invention, the number of elastic wires is two or more, and the rigidity can be further increased by increasing the number.
被駆動側部材と駆動側部材の各支点位置における複数の弾性ワイヤーの配置は適宜であり、設計上の自由度が高い。 Arrangement | positioning of the some elastic wire in each fulcrum position of a to-be-driven side member and a drive side member is appropriate, and the freedom degree in design is high.
本発明のパラレルメカニズムでは、被駆動側部材と駆動側部材の各支点位置における弾性ワイヤーの接続の配置と、中間支持部材における弾性ワイヤーの支持の配置は、同一配置とすることが基本であるが、この同一配置の場合と比較して、動きが制限されることを許容する場合において相似配置とすることもできる。 In the parallel mechanism of the present invention, the arrangement of the elastic wire connection at each fulcrum position of the driven side member and the driving side member is basically the same as the arrangement of the elastic wire support in the intermediate support member. As compared with the case of the same arrangement, a similar arrangement can be used in a case where the movement is allowed to be limited.
次に本発明のパラレルメカニズムの実施の形態を添付図面を参照して説明する。
まず図1は本発明に係るパラレルメカニズムを構成する基本構成要素を示すもので、この基本構成要素は、剛性を有し、円形断面で単線の弾性ワイヤー1の複数本が、被駆動側部材2と駆動側部材3の各支点位置において、同一配置となるように接続されている。被駆動側部材2と駆動側部材3の各支点に対しての弾性ワイヤー1の接続は、単なる固定接続であり、相対回転や相対滑りを設ける必要はない。このため従来のパラレルメカニズムでは必要であった球面軸受等の複雑な構成の軸受は不要である。本発明の基本構成要素は、以上の構成に加えて、被駆動側部材2と駆動側部材3間に、前記弾性ワイヤー1を、横断面方向から見て前記配置を維持しつつ軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持する中間支持部材4を設けた構成である。
Next, an embodiment of the parallel mechanism of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, FIG. 1 shows basic constituent elements constituting a parallel mechanism according to the present invention. The basic constituent elements are rigid and a plurality of single-wire
本発明において、弾性ワイヤー1は、予め設定した荷重を自立的に支持可能な剛性、即ち、引張り、圧縮、曲げ及び捩り方向の剛性を有し、円形断面の単線であり、材質は、鉄系、非鉄系の金属や、合成樹脂、複合材料等の非金属等、適宜に選択することができる。
In the present invention, the
この実施の形態においては、弾性ワイヤー1は5本としており、これらの弾性ワイヤー1を、横断面方向から見て正五角形の各頂点に対応させた配置として、被駆動側部材2と駆動側部材3に固定すると共に、中間支持部材4には、弾性ワイヤー1を、前記配置を維持しつつ、軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持する部材として案内孔5を設けている。
In this embodiment, the number of
中間支持部材4は、上述したように、弾性ワイヤー1を、前記配置を維持しつつ、軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持することができれば、直線状に構成することは勿論であるが、直線状でなく、曲がった構成とすることもできる。また中間支持部材4は、剛体により構成することは勿論であるが、可撓性を有する材質により構成することもできるものである。
As described above, the
この実施の形態において、被駆動側部材2と駆動側部材3は円環状プレートとして構成しているが、その形状等は適宜である。また中間支持部材4は、軸方向の貫通穴6を有するスリーブ状に構成しているが、貫通穴6を有しない適宜の構成とすることもできる。
In this embodiment, the driven
本発明のパラレルメカニズムでは、このような基本構成要素において、中間支持部材4を被駆動側部材2と駆動側部材3間に配置した適宜の支持部位7に取り付けて使用し、駆動側部材3を、適宜の駆動機構8により駆動するようにして、パラレルメカニズムとして動作させることができる。尚、駆動機構8は手動でも良く、被駆動側部材2の動きを見ながら、被駆動側部材2が、所望の位置・姿勢になるように駆動側部材3を手動で動かすようにすることも可能である。
In the parallel mechanism of the present invention, in such a basic component, the
次に、本発明のパラレルメカニズムを動作させる具体的な実施の形態を説明すると、まず図3〜図6は第1の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、駆動側部材3は、他のパラレルメカニズム8の被駆動側部材として構成したものであり、このパラレルメカニズム8が上述した駆動機構に相当するものである。
Next, a specific embodiment for operating the parallel mechanism of the present invention will be described. First, FIG. 3 to FIG. 6 show the first embodiment. In this embodiment, the
このパラレルメカニズム8は、従来技術として説明したスチュアートプラットホームと称される伸縮型のパラレルメカニズムであり、駆動側部材9と、被駆動側部材、即ち、本発明のパラレルメカニズムにおける駆動側部材3との間に、球面軸受けを有するジョイント10を介して6個の伸縮式アクチュエータ11を配置して、6自由度の運動を行わせるようにしたものである。このパラレルメカニズムの構成や動作は周知であるので、詳細な説明は省略する。尚、図3(b)においては、支持部位7を模式的に描いている。
This
以上の構成において、他のパラレルメカニズム8により、駆動側部材3を、図4(a)に示す状態から、(b)に示すように、その姿勢を維持しながら軸方向、即ち、図中下方に移動させると、全ての弾性ワイヤー1が、中間支持部材4の案内孔5に支持されて下降するので、被駆動側部材2は、(a)の姿勢が維持されたまま下降する。また逆の動作により、(b)の状態から(a)の状態まで動作させることができる。
In the above configuration, the drive-
次に図5の(a)に示す状態において、他のパラレルメカニズム8により駆動側部材3を、(b)に示すように傾斜させると、傾斜により、駆動側部材3側において中間支持部材4までの距離が近くなる側に対応する弾性ワイヤー1、即ち、図中左側の弾性ワイヤー1は被駆動側部材2の対応個所を押す方向に作用する。一方、傾斜により、駆動側部材3側において中間支持部材4からの距離が遠くなる側に対応する弾性ワイヤー1、即ち、図中右側の弾性ワイヤー1は被駆動側部材2の対応個所を引く方向に作用するため、被駆動側部材2は、駆動側部材3の傾斜方向と同方向に傾斜する。
Next, in the state shown in FIG. 5A, when the
次に図6の(a)に示す状態において、駆動側部材3を軸方向の回りに適宜角度θ回転させると、全ての弾性ワイヤー1が回転軌跡に沿って移動し、これにより全ての弾性ワイヤー1が回転方向に捩られる。このように全ての弾性ワイヤー1が同一方向に捩られるため、被駆動側部材2は、全ての弾性ワイヤー1に駆動されて、(b)に示すように軸方向の回りに、駆動側部材3と同方向に同角度θだけ回転する。尚、(b)中には、2点鎖線の円で囲んだ個所の拡大図を示している。
Next, in the state shown in FIG. 6A, when the
以上の各方向の動作は、組み合わせて行わせることができ、こうして、多自由度で柔軟な動きを行わせることができる。 The operations in the above directions can be performed in combination, and thus a flexible motion with multiple degrees of freedom can be performed.
そして、本発明においては、被駆動側部材2の位置及び姿勢の制御は、ティーチング等による制御方法により正確に行わせることができる。以下にこの制御方法の例を説明する。
In the present invention, the position and orientation of the driven
まず、図3の駆動機構8のパラレルメカニズムに使用される6本の伸縮式アクチュエータ11は電動方式、油圧方式、空気圧方式およびそれらを組合せたハイブリッド方式などがある。通常、これらのアクチュエータ11には伸縮ロッドの変位量を検出するための位置検出器を取り付けて、位置信号をフィードバック信号とする位置制御系が構成されている。そしてコンピュータからの各アクチュエータ11への位置指令信号に追従して各アクチュエータの伸縮ロッドが駆動される。その結果、駆動部材3の姿勢制御が正確に行われ、最終的には被駆動側部材2の位置および姿勢が正確に制御される。
First, the six
また位置検出器だけでなく、さらに各アクチュエータ11の伸縮ロッドに、ロッドに加わる荷重を検出する荷重検出器を取り付けるか、または歪みゲージを貼って荷重を検出し、この荷重信号を検出して各アクチュエータ11の荷重モニタまたは荷重制御を行うこともできる。
In addition to the position detector, a load detector for detecting a load applied to the rod is attached to the expansion / contraction rod of each actuator 11, or a load is detected by attaching a strain gauge, and this load signal is detected to detect each load signal. The load monitoring or load control of the
以上の位置および荷重を検出する検出器を装備した各アクチュエータ11によりパラレルメカニズム8の位置制御系を構成し、例えば、中立位置に静止させる。次に被駆動部材2が希望する動きや姿勢をとるように、駆動部材3を人間の手により希望する方向に動くような力を加える。このとき、各アクチュエータ11には、夫々押しまたは引きの荷重が加わる。この荷重を荷重検出器または歪みゲージにより検出して、同時に位置制御系への変位指令信号とする。すると各アクチュエータ11の伸縮ロッドは押しまたは引きの荷重に対応して短縮方向または伸長方向に変位する。このとき人間の手はあたかもバネを介して駆動部材3を動かしているように感じる。
The position control system of the
このときの各アクチュエータ11の伸縮ロッドの位置信号を記憶装置に記憶しておく。そして、この位置信号を位置指令信号として再生し、位置制御系が構成された各アクチュエータ11を駆動すると、先に手動で動かした時の駆動側部材3の動作を忠実、且つ正確に再現させることができる。従って結果的に、被駆動側部材2の位置および姿勢の動きを正確かつ忠実に再現できる。以上によりプレイバック方式のティーチングが実現できる。
The position signal of the telescopic rod of each actuator 11 at this time is stored in the storage device. Then, when this position signal is reproduced as a position command signal and each actuator 11 in which the position control system is configured is driven, the operation of the
以上の方法では、ティーチングを行う際に伸縮アクチュエータ11の荷重信号を使って伸縮ロッドを動かしているが、油圧または空気圧シリンダの場合には油圧または空気圧をゼロにすればロッドはほとんど抵抗なく動くので、この状態で駆動部材3を手動で動かして、そのときの各伸縮アクチュエータ11の位置信号を記憶装置に記憶しておき、この位置信号を再生して位置指令信号として油圧または空気圧シリンダを駆動してもティーチングは実現できる。
In the above method, the telescopic rod is moved using the load signal of the
次に、図7〜図10は本発明のパラレルメカニズムを動作させる第2の実施の形態を示すもので、第1の実施の形態と同様な構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。この実施の形態では、駆動側部材3は、夫々の弾性ワイヤー1毎に設け、夫々の弾性ワイヤー1を進退及び捩り回転可能とするようにベース12に突設した複数の駆動装置13により構成している。この実施の形態では、弾性ワイヤー1は3本としており、これらの弾性ワイヤー1を、横断面方向から見て正三角形の各頂点に対応させた配置として、被駆動側部材2と、駆動側部材3としての3つの駆動装置13に固定している。そして第1の実施の形態と同様に、中間支持部材4には、弾性ワイヤー1を、前記配置を維持しつつ、軸方向に移動及び軸方向の回りに回転可能に支持する案内孔5を設けている。尚、図7(b)においては、図3(b)と同様に、支持部位7を模式的に描いている。
Next, FIGS. 7 to 10 show a second embodiment in which the parallel mechanism of the present invention is operated. The same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the details will be described. The detailed explanation is omitted. In this embodiment, the drive-
以上の構成において、例えば図8(a)の状態から、全ての駆動装置13を等距離短縮させると、被駆動側部材2は全ての弾性ワイヤー1により引っ張られて、図8(b)に示すように姿勢が維持されたまま下降する。また逆に、図8(b)の状態において、全ての駆動装置13を等距離伸長させると、被駆動側部材2は全ての弾性ワイヤー1により押されて、図8(a)に示すように姿勢が維持されたまま上昇する。
In the above configuration, for example, when all the
次に図9(a)の状態において、図9中の右側に示された駆動装置13を図中矢印に示すように短縮させると、図9中の右側の弾性ワイヤー1のみが被駆動側部材2の対応個所を引っ張るので、被駆動側部材2は図9(a)に示すように右側方向に傾斜して行き、更に短縮することにより、被駆動側部材2の傾斜角度を図9(b)に示すように、更に大きくすることができる。
Next, in the state of FIG. 9A, when the
駆動装置13における伸縮速度が不変の場合において、所定の傾斜角度に至るまでの時間を短縮するために、右側の駆動装置13の短縮動作と共に、左側の駆動装置13を伸長動作することもできる。
When the expansion / contraction speed in the driving
このように駆動側部材3の支点位置に対応して設けられた複数の駆動装置13において、伸長又は短縮させる駆動装置13を選択することにより、適宜の方向に被駆動側部材2を傾斜させることができる。
In this way, among the plurality of driving
次に、図10(a)に示す状態において、駆動側部材3を構成する3つの駆動装置13の全てを同一方向に同角度θ1だけ回転させると、全ての弾性ワイヤー1が回転方向に捩られる。このように全ての弾性ワイヤー1が同一方向に捩られるため、被駆動側部材2は、全ての弾性ワイヤー1に駆動されて、(b)に示すように、軸方向の回りに、角度θ2だけ回転する。尚、(b)中には、2点鎖線の円で囲んだ個所の拡大図を示している。
Next, in the state shown in FIG. 10A, when all the three
この実施の形態においても、以上の各方向の動作は、組み合わせて行わせることができ、こうして、多自由度で柔軟な動きを行わせることができる。そして被駆動側部材2の位置及び姿勢の制御は、ティーチング等による制御方法により正確に行わせることができる。以下にこの制御方法の例を説明する。
Also in this embodiment, the operations in the above directions can be performed in combination, and thus a flexible motion with multiple degrees of freedom can be performed. The position and orientation of the driven
図7の駆動装置13の駆動部材3は伸縮および軸回りの回転である捩りの機能を持ったアクチュエータの伸縮・回転ロッドに相当する。それらの駆動方法には電動方式、油圧方式、空気圧方式およびそれらを組合せたハイブリッド方式などがある。通常はロッドの伸縮量を検出するための位置検出器、ロッドの回転角度を検出するための角度検出器を取り付けてロッドの位置制御および角度制御を行なっている。
The
また位置センサ、角度センサだけでなく、ロッドにかかる圧縮・引張り力を検出する荷重センサまたは歪みゲージ、ロッドにかかる捩りトルクを検出するトルク検出器を取り付けて、荷重およびトルクのモニタまたは荷重制御、トルク制御を行うこともできる。 In addition to the position sensor and angle sensor, a load sensor or strain gauge that detects compression / tensile force applied to the rod, and a torque detector that detects torsion torque applied to the rod are attached to monitor or control the load and torque. Torque control can also be performed.
以上の、位置・角度・荷重・トルクを検出する検出器を装備したアクチュエータで駆動装置13を構成し、位置制御および角度制御で、例えば、中立位置に静止させておく。次に、被駆動部材2が希望する位置・姿勢になるように駆動装置13の駆動部材3である各アクチュエータのロッド先端部を、手で押したり、引いたり、捩ることによって、押す方向や引く方向の力、そして捩りのトルクを加える。このとき各アクチュエータの荷重検出器およびトルク検出器は、手から加えられた荷重とトルクを検出すると同時に、この荷重信号とトルク信号を、それぞれ位置制御系および角度制御系への指令信号にする。するとアクチュエータのロッドは荷重およびトルク信号に応じて、伸縮および回転動作を行ない、手から加えられた力およびトルクに応じて伸縮動作・回転動作を行う。このとき人間の手はあたかもバネを介してロッドを動かしているように感じる。
The
このときの各アクチュエータ伸縮ロッドの位置信号・角度信号を記憶装置に記憶しておく。そして、この位置信号・角度信号を位置指令信号・角度指令信号として再生し、位置制御系・角度制御系が構成された各アクチュエータを駆動すると、先に手動で動かした時の各駆動側部材3の動作を忠実かつ正確に再現させることができる。従って結果的に、被駆動側部材2の位置および姿勢の動きを正確かつ忠実に再現できる。以上によりプレイバック方式のティーチングが実現できる。
The position signal and angle signal of each actuator telescopic rod at this time are stored in the storage device. Then, when this position signal / angle signal is reproduced as a position command signal / angle command signal and each actuator comprising the position control system / angle control system is driven, each
尚、以上に説明した第1、第2の実施の形態においては、被駆動側部材2と駆動側部材3は円環状プレートとして構成すると共に、中間支持部材4は、軸方向の貫通穴6を有するスリーブ状に構成しているが、このような構成においては、貫通穴6や円環状プレートの穴を通して、センサやモータ用のケーブル又は別の目的のワイヤー等を挿通する手段として利用することができる。
In the first and second embodiments described above, the driven
図11(a)、(b)及び図12(a)、(b)は、夫々本発明のパラレルメカニズムの第1の実施の形態及び第2の実施の形態を利用して構成した密閉室内作業機構を示すものであり、この密閉室内作業機構は、密閉室14の壁15に中間支持部材4を取り付けて、密閉室14内に被駆動側部材2を、そして密閉室14外に駆動側部材3を配置した構成である。この場合、中間支持部材4は気密を保持可能な構成とし、弾性ワイヤー1を支持する案内孔5も気密を保持可能な構成としている。
FIGS. 11 (a), 11 (b), 12 (a), and 12 (b) show work in a sealed room constructed by using the first and second embodiments of the parallel mechanism of the present invention, respectively. This mechanism shows a mechanism, and in this sealed chamber working mechanism, the
このような構成においては、密閉室14内を真空又は特殊環境に保持した状態で、例えば夫々の図の(b)に示すように、材料試験片16に対しての捩り試験を行うことができる。尚、図では捩り試験の場合を示したが、捩り試験だけでなく、図4、図5、図8及び図9に示す動きを利用して、引張・圧縮試験や曲げ試験を行うことができ、更に、これらを合成した試験を行うことができる。
In such a configuration, a torsion test can be performed on the
次に、図13(a)、(b)は本発明のパラレルメカニズムを構成する基本構成要素の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、被駆動側部材2と駆動側部材3の各支点位置における弾性ワイヤー1の接続の配置と、中間支持部材4における弾性ワイヤー1の支持の配置を相似位置として構成している。即ち、(a)では、駆動側部材3と中間支持部材4における配置は同一配置とすると共に、被駆動側部材2の配置はそれらの配置よりも大きい相似配置としたものであり、また(b)では、被駆動側部材2と駆動側部材3における配置は同一配置とすると共に、中間支持部材4における配置はそれらの配置よりも小さい相似配置としたものである。
Next, FIGS. 13A and 13B show another embodiment of the basic components constituting the parallel mechanism of the present invention. In this embodiment, the driven
これらの構成においては、中間支持部材4から被駆動側部材2又は駆動側部材3に至る弾性ワイヤー1が拡大又は縮小方向に曲がる部分が生じるため、それに起因して、例えば、軸方向の移動範囲が狭くなる等、動きが制限されることがあるが、これを許容する用途においては、適用可能である。
In these configurations, the
本発明のパラレルメカニズムは、上述したように剛性を有する複数の弾性ワイヤーを合理的に用いて構成することにより、従来のパラレルメカニズムでは不可能であった柔軟な動きを行えるようにした多自由度機構を提供するものであり、一般産業、試験機、航空宇宙、医療福祉、マイクロマシン、遊戯施設等に関する多分野において利用可能である。 As described above, the parallel mechanism of the present invention is configured by rationally using a plurality of rigid elastic wires, thereby enabling flexible movement that was impossible with the conventional parallel mechanism. The mechanism is provided and can be used in various fields related to general industries, testing machines, aerospace, medical welfare, micromachines, amusement facilities, and the like.
1 弾性ワイヤー
2 被駆動側部材
3 駆動側部材
4 中間支持部材
5 案内孔
6 貫通穴
7 支持部位
8 駆動機構(他のパラレルメカニズム)
9 駆動側部材
10 ジョイント
11 伸縮式アクチュエータ
12 ベース
13 駆動装置
14 密閉室
15 壁
16 材料試験片
DESCRIPTION OF
9
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