JP2001088072A - 四自由度パラレルロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トラベリングプレートを、高速かつ高加速度
で四自由度の移動をさせることができ、高い剛性をもっ
て精密に位置決めすることができる四自由度パラレルロ
ボットを提供すること。 【解決手段】 本発明の四自由度パラレルロボットは、
基台１に固定された四つのアクチュエータ２と、各アク
チュエータ２のアーム２３の先端にユニバーサルジョイ
ント３３で上端が連結された四組の平行リンク３と、各
平行リンク３の下端にユニバーサルジョイント３３で四
隅が連結されたトラベリングプレート４とを有する。各
アクチュエータ２を制御して、トラベリングプレート４
の主要部材４１に、全方向への平行移動と所定の一軸回
りの回転移動とで四自由度の移動をさせられる。平行リ
ンク３を構成するロッド３１には軸力しか作用しないの
で、トラベリングプレート４を高速かつ高剛性で精密に
位置決めすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のアクチュエ
ータが並列に配設されたパラレルロボットの技術分野に
属する。本発明は、移送や加工を目的とした工業用ロボ
ットに好適であるが、自動車の運転シミュレータなど他
の用途にも広く応用可能である。

【０００２】

【従来の技術】工業用ロボットには、アーム型ロボット
のようにアクチュエータが直列に配設されたシリアルリ
ンク機構をもつシリアルロボットと、フライトシミュレ
ータのようにアクチュエータが並列に配設されたパラレ
ルリンク機構をもつパラレルロボットとがある。パラレ
ルロボットでは、シリアルロボットとは異なって、リン
ク機構を構成するロッドに曲げモーメントが作用せず、
ロッドには引っ張りまたは圧縮の軸力だけが作用する。
それゆえ、パラレルロボットによれば、高速かつ高加速
度での動作が可能であるうえに、高剛性が得られる。

【０００３】フライトシミュレータのように六自由度を
もつパラレルロボット（従来技術１）は、特開平６−２
７００７７号公報や特開平８−１５０５２６号公報に開
示されており、すでに商品化もされている。これらの六
自由度パラレルロボットによれば、トラベリングプレー
トが、直交三軸に沿った全方向への平行移動と直交三軸
回りの回転移動とを行うことができ、極めて自由度が高
い動作を行うことができる。ただし、このような六自由
度パラレルロボットにおいて、六自由度の運動を実現す
るためには、六つのアクチュエータが必要であり、これ
らを省略することはできない。それゆえ、コストダウン
にも自ずと限度があり、高価なものとならざるを得な
い。

【０００４】ところで、航空機のマニューバを模擬する
フライトシミュレータには六自由度が必要であると考え
られるが、工業用ロボットには六自由度は必ずしも必要
ではない。すなわち、工業用ロボットでは、多くの場
合、縦横高さ方向の平行移動と水平面内での回転移動と
の都合四自由度の運動ができれば足り、六自由度はオー
バースペックである。

【０００５】そこで、特公平４−４５３１０号公報（特
願昭６１−５０６３３１号）には、従来技術として、前
述の四自由度の運動をすることができる疑似パラレルロ
ボットが開示されている。このロボットを、本発明の四
自由度パラレルロボットと区別するために、「従来技術
２」と呼ぶことにする。

【０００６】従来技術２は、それぞれアクチュエータに
よって駆動される二本のロッドをもつ三組の平行リンク
を三方に有しており、トラベリングプレートを三自由度
で平行移動させることを可能としている。そして、従来
技術２は、トラベリングプレートの水平面内の旋回を可
能にするために、第四のアクチュエータによって回転駆
動される伸縮自在のトルクロッドを有する。ここで、ト
ルクロッドの一端は回転モータの軸にユニバーサルジョ
イントで連結されており、他端はトラベリングプレート
の中央部にユニバーサルジョイントで連結されている。
それゆえ、トラベリングプレートは回転モータの駆動軸
の回転運動に追随して、水平面内での回転運動をする。

【０００７】従来技術２によれば、アクチュエータの数
を四つに減らせるので、六つのアクチュエータが必要な
前述の六自由度パラレルロボットに比べて安価になると
いう効果がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術としての従来技術２では、トルクロッドにねじ
りモーメントがかかるので、本来のパラレルロボットの
ように高速かつ高加速度の運動を実現することは難し
い。すなわち、トルクロッドに大きなトルクがかかると
トルクロッドがねじれ変形するので、回転運動を従来技
術１のように精密に行うことができず、回転運動を急停
止するとねじれ振動を起こしてしまい位置決めに時間が
かかる。

【０００９】そればかりではなく、従来技術２では、前
述のようにトルクロッドがねじれ変形しやすいので、剛
性が不足する傾向にある。それゆえ、トラベリングプレ
ートにヨーイングモーメントがかかると、トルクロッド
のねじれ変形に伴ってトラベリングプレートが回転移動
してしまう。その結果、従来技術２には、高い剛性をも
って精密にトラベリングプレートの位置決めを行うこと
が困難であるという不都合がある。

【００１０】そこで本発明は、トラベリングプレート
を、高速かつ高加速度で四自由度の移動をさせることが
でき、高い剛性をもって精密に位置決めすることができ
る四自由度パラレルロボットを提供することを解決すべ
き課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、発明者らは以下の手段を発明した。

【００１２】（第１手段）本発明の第１手段は、請求項
１記載の四自由度パラレルロボットである。

【００１３】本手段では、四つのアクチュエータがそれ
ぞれ連携して制御され、四組のロッド部材をそれぞれ所
定ストロークだけ押し引きすると、各ロッド部材によっ
てトラベリングプレートが移動する。ここで、トラベリ
ングプレートの主要部では、運動の自由度が、全方向へ
の平行移動と所定の一軸回りの回転移動との四自由度に
限定されている。それゆえ、四組のロッド部材のうちア
クチュエータ側の一端の位置が定まれば、トラベリング
プレート側の他端の位置も一意に定まり、トラベリング
プレートの位置および姿勢は一意に定まる。

【００１４】すなわち、四つのアクチュエータのストロ
ークが定まれば、四組のロッド部材を介してトラベリン
グプレートの主要部の位置は、三次元空間のうち一点に
定まり、トラベリングプレートの姿勢は所定の一軸回り
の所定の回転位置で定まる。この際、各ロッド部材には
引っ張りまたは圧縮の軸力しか加わらず、ねじり変形に
関してはモーメントフリーである。

【００１５】それゆえ、各ロッド部材のジョイント等に
遊びがないようにさえしてあれば、トラベリングプレー
トは、三次元空間中において、所定の位置および姿勢に
高い剛性で精密に固定される。また、各アクチュエータ
を動かしてトラベリングプレートを移動させるに際して
も、各ロッド部材には軸力しか作用せず極めて高い剛性
が得られているので、各ロッド部材は大きな慣性力にも
耐えることができる。それゆえ、アクチュエータの駆動
力の範囲で高加速度でトラベリングプレートを加速およ
び減速することが可能になり、その結果として、アクチ
ュエータの駆動速度の範囲で高速での運用も可能にな
る。

【００１６】したがって、本手段の四自由度パラレルロ
ボットによれば、トラベリングプレートの主要部を、高
速かつ高加速度で四自由度の移動をさせることができ、
高い剛性をもって精密に位置決めすることができるとい
う効果がある。この効果は、前述の従来技術としての従
来技術２では得られなかった効果である。

【００１７】しかも、前述の六自由度パラレルロボット
に比べて、アクチュエータの数を減らすことができるの
で、六自由度パラレルロボットよりも安価に製造するこ
とができるという効果もある。

【００１８】なお、アクチュエータとしては、駆動軸に
アームを固定した回転モータ、ボールねじ装置、リニア
モータなど、多彩なアクチュエータの中から設計条件を
参照して選定することができる。

【００１９】また、本手段の四自由度パラレルロボット
は、トラベリングプレートに用途に応じたエンドエフェ
クタを設けることにより、ワークのハンドリングや機械
加工などの工業用途に使用できるばかりではなく、工業
用以外でも多様な用途に応用することができる。

【００２０】（第２手段）本発明の第２手段は、請求項
２記載の四自由度パラレルロボットである。

【００２１】本手段では、四つのロッド部材のそれぞれ
が、平行リンクを構成する互いに平行な一対のロッドで
ある。より正確に言えば、各ロッド部材は、一対の互い
に平行なロッドであり、二本のロッドと一対の端部材と
両者をそれぞれ屈曲可能に接続するジョイントは、平行
四辺形をなす平行リンクを形成している。そして、ロッ
ド部材である各ロッドの端部には、一対の端部材が屈曲
可能に連結されている。これら一対の端部材のうち、一
方はアクチュエータの可動部に固定されており、他方は
トラベリングプレートの連結部材の端部に固定されてい
る。

【００２２】それゆえ、各ロッド部材の両端部に連結さ
れた一対の端部材も互いに平行に保たれ、自由度に制限
が生じるので、トラベリングプレートが単純に一体部材
で構成されていては、四組の平行リンクとトラベリング
プレートとで構成されるリンク構造が、不静定になって
しまう。そこで、本手段では、トラベリングプレート
が、四自由度の移動が可能な一部である主要部材と、同
主要部材の両端に中間部がそれぞれ相対回転可能に連結
され両端部がそれぞれ各平行リンクと連結された一対の
連結部材とに、分かれている。その結果、前記リンク構
造には、トラベリングプレートの内部で新たに二つの関
節部が付加され、自由度が二つ増えるので、前記リンク
構造は不静定ではなくなる。

【００２３】すると、トラベリングプレートの主要部で
ある主要部材は、各アクチュエータの変位に従って、前
述のような四自由度の運動を行うことができる。そし
て、各アクチュエータの可動部の変位が定まれば、主要
部材の位置および姿勢が一意に定まるばかりではなく、
主要部材は高い剛性で精密に位置決めされる。

【００２４】ここで、四組の平行リンクを同一規格で製
造することができるので、後述の第３手段に比べて製造
すべき部品の種類を減らすことができるうえに、構造設
計や制御ソフトの製作が容易になり、少量生産ではコス
トダウンになる。

【００２５】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、構造設計や制御ソフトの製作が容易
になり、少量生産ではコストダウンすることができると
いう効果がある。

【００２６】（第３手段）本発明の第３手段は、請求項
３記載の四自由度パラレルロボットである。

【００２７】本手段では、いずれの組み合わせを採用し
ても、各ロッド部材は、トラベリングプレートの四隅に
対し４５°の整数倍の角度差をもって取り付けられられ
ている。そしてさらに、ロッド部材のうち少なくとも二
組は、互いに９０°の角度差をもって取り付けられてい
る。

【００２８】それゆえ、トラベリングプレートの主要部
材がもつ三次元空間内の目標位置および目標姿勢から、
四組のアクチュエータの目標ストロークを演算する演算
処理の数式が簡素化されるので、四組のアクチュエータ
を制御する制御装置の製造が容易になる。また、同様の
理由で、制御装置の演算処理能力の割には制御演算が速
やかになり、速やかにトラベリングプレートを適正な経
路を通って目標位置に動かすことが可能になる。

【００２９】したがって本手段によれば、前述の第２手
段の効果に加えて、制御装置が安価であっても比較的速
やかな動作が可能になるという効果がある。

【００３０】（第４手段）本発明の第４手段は、請求項
４記載の四自由度パラレルロボットである。

【００３１】本手段では、四組のロッド部材のうち二組
は前述の平行リンクを形成する一対のロッドであり、残
り二組はボールジョイントによってモーメントフリーで
ねじり変位が可能なロッドである。それゆえ、四組のロ
ッド部材のうち後者の二組はねじりに関する自由度をも
つので、前述の第２手段と異なってトラベリングプレー
トが剛な一体部材であっても、四組のロッド部材とトラ
ベリングプレートとによって形成されるリンク機構は不
静定にならない。そして、四組のロッド部材の基端の位
置が定まれば、各ロッドの先端の位置も三次元空間中で
一意に定まり、トラベリングプレートの位置および姿勢
も一意に定まる。

【００３２】その結果、トラベリングプレートが一体部
材で構成できるうえに、四組のロッド部材のうち二組は
単純な一本のロッドであるから、前述の第２手段よりも
部品点数を減らすことができる。それゆえ、信頼性をよ
り向上させることができるうえに、大量生産においては
よりいっそうのコストダウンが可能になる。

【００３３】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、部品点数が少ないので、信頼性がい
っそう高まるばかりではなく、大量生産においてはより
大きなコストダウンが可能になるという効果がある。

【００３４】（第５手段）本発明の第５手段は、請求項
５記載の四自由度パラレルロボットである。ここで、ア
クチュエータロッドとしては、油圧シリンダ、エアシリ
ンダ、リニアモータおよびボールねじ装置などの多彩な
選択肢の中から、設計上の要求に合わせて選定すること
が可能である。

【００３５】本手段では、前述の第１手段と同様の作用
効果が得られる。そればかりではなく、基台に固定され
たアクチュエータがなく、第１手段のアクチュエータお
よびロッド部材を兼ねるアクチュエータロッドが採用さ
れているので、構成がより簡素になり、小型軽量化が可
能になる。また、同様の理由で、よりいっそうのコスト
ダウンも可能になる。

【００３６】したがって本手段によれば、前述の第１手
段の効果に加えて、よりいっそうの小型軽量化およびコ
ストダウンが可能になるという効果がある。

【００３７】なお、本手段に対しても、第１手段に対す
る第２手段ないし第４手段に相当する限定を加えること
が可能であり、これらの限定が加えられれば同様の作用
効果が得られる。

【００３８】

【発明の実施の形態】本発明の四自由度パラレルロボッ
トの実施の形態については、当業者に実施可能な理解が
得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明す
る。

【００３９】［実施例１］ （実施例１の構成）本発明の実施例１としての四自由度
パラレルロボットは、図１に示すように、基台１と、四
組のアクチュエータ２およびロッド部材３と、トラベリ
ングプレート４およびエンドエフェクタ５とを有する。

【００４０】先ず、基台１は、平面形が正八角形の剛性
の高い金属板であって、水平に配設されており、上面で
図示しないフレームに固定されている。基台１の下面の
四隅には、四つのアクチュエータ２のブラケット２１
が、それぞれ所定の位置に所定の角度で固定されてい
る。

【００４１】次に、基台１に固定された四つのアクチュ
エータ２は、それぞれ、前述のブラケット２１と、ブラ
ケット２１に固定された回転モータ２２と、回転モータ
２２により所定の角度範囲で回転駆動される駆動軸に一
端が固定されたアーム２３とからなる。各回転モータ２
２は、サーボモータであり、後述の制御手段によってそ
れぞれ独立して制御される。

【００４２】そして、四組のロッド部材３は、各アクチ
ュエータ２の可動部であるアーム２３の先端に、それぞ
れ屈曲可能なユニバーサルジョイント３３を介して一端
が連結されている。具体的には、各ロッド部材３は、互
いに平行な二本の長いロッド３１である。そして、この
一対のロッド３１と、互いに平行な一対の短い端部材３
２と、ロッド３１と端部材３２とを屈曲可能に連結する
四つのユニバーサルジョイント３３とは、平行リンク３
を構成している。各平行リンク３の両端部を構成する端
部材３２は、それぞれアクチュエータ２およびトラベリ
ングプレート４に連結されている。

【００４３】すなわち、各平行リンク３は、二本のロッ
ド３１と一対の端部材３２と両者３１，３２をそれぞれ
屈曲可能に接続するユニバーサルジョイント３３とから
なり、常に平行四辺形をなす。そして、各平行リンク３
の一対の端部材３２のうち、一方はアクチュエータ２の
アーム２３の先端に連結されており、他方はトラベリン
グプレート４の連結部材４２の端部に連結されている。

【００４４】ここで、アクチュエータ２のアーム２３の
先端に固定された端部材３２は、アクチュエータ２の駆
動軸と平行に固定されている。それゆえ、各アクチュエ
ータ２の駆動軸と、対応する各平行リンク３の両端の端
部材３２とは、互いに平行に保たれる。

【００４５】トラベリングプレート４は、各ロッド部材
３の下端の端部材３２に、それぞれ屈曲可能なジョイン
トを介して四隅で連結されている。トラベリングプレー
ト４は、エンドエフェクタ５を下方に固定している主要
部材４１と、主要部材４１の両端に中間部がそれぞれ相
対回転可能に連結され両端部がそれぞれ平行リンク３の
端部材３２に連結された一対の連結部材４２とをもつ。
すなわち、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とからなる。

【００４６】そして、アクチュエータ２を適正に制御す
ることにより、トラベリングプレート４の主要部材４１
は、前後、左右および上下の全方向への平行移動と、垂
直軸回りの回転移動とで、四自由度の移動をすることが
可能である。すなわち、図２に示すように、アクチュエ
ータ２のアーム２３と平行リンク３とトラベリングプレ
ート４とがリンク機構を構成するので、トラベリングプ
レート４の主要部材４１は、前述のように四自由度で位
置および姿勢を変えることができる。この際、図２中に
小さな丸で表記した各関節は、十六個のユニバーサルジ
ョイント３３と一対のピボット４３とである。

【００４７】ここで、トラベリングプレート４の四隅に
回転可能に連結された各平行リンク３の端部材３２の方
向の組み合わせは、図３に示す通りである。すなわち、
垂直軸回りに、右前方の端部材３２の方向を基準とし、
同端部材３２から時計回りに順に、０°，９０°，２２
５°および３１５°の組み合わせで、四組の平行リンク
３の端部材３２が、トラベリングプレート４の一対の端
部材３２に固定されている。このような端部材３２の取
付け角度の組み合わせは、トラベリングプレート４が基
台１の中央直下にあり、主要部材４１に対して各連結部
材４２が直交する状態で定められている。

【００４８】このような端部材３２の取付け角度の組み
合わせは、リンクモーションに特異点が発生して不静定
になることがないように配慮して決められている。それ
ばかりではなく、トラベリングプレート４の主要部材４
１の位置および姿勢が、十分に剛に定まるように配慮し
て決められている。

【００４９】エンドエフェクタ５は、再び図１に示すよ
うに、トラベリングプレート４の主要部材４１に固定さ
れており、下方に向かって突出している。エンドエフェ
クタ５は、本実施例の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。

【００５０】エンドエフェクタ５としては、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主
軸装置などであっても良い。

【００５１】制御手段は、図４に示すように、デジタル
コンピュータである制御装置６と、制御装置６に付設さ
れた駆動回路７とからなる。制御装置６は、ＣＰＵ６
１、メモリ６２およびインターフェース６３，６４など
からなり、インターフェース６３を介して入出力装置６
５および外部メモリ６６に接続されている。入出力装置
６５は、キーボードおよびＣＲＴディスプレイからなる
マンマシン・インターフェースであり、外部メモリ６６
は、ハードディスクである。外部メモリ６には、本実施
例の四自由度パラレルロボットを予め定められたシーケ
ンスに従って制御するための制御プログラムが格納され
ている。それゆえ、この制御プログラムを入れ替えるこ
とによって、本実施例の四自由度パラレルロボットは、
多様な仕事をこなすことができる。

【００５２】制御装置６のメモリ６２には、外部メモリ
６６によって指定されたトラベリングプレート４の主要
部材４１がとるべき位置および姿勢の指令値に基づい
て、各回転モータ２２が取るべき回転角度位置を算出す
る座標変換プログラムが格納されている。

【００５３】この座標変換プログラムは、図５に示すよ
うに、処理ステップＳ１で入力指令値を読み込み、処理
ステップＳ２で座標変換を行い、処理ステップＳ３で座
標変換後の指令値を出力する処理を行うプログラムであ
る。これらの処理は、判断ステップＳ４で動作が終了し
たと判定されるまで繰り返される。

【００５４】ここで、入力指令値（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃ）
は、トラベリングプレート４の主要部材４１がとるべき
縦横高さ方向の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）およびヨーイング姿
勢Ｃとを指定する四つの数値である。一方、座標変換後
の指令値である出力座標系（Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ）は、四つ
の回転モータ２２がそれぞれ取るべき回転角度位置であ
り、処理ステップＳ２での座標変換にあたっては、四元
連立方程式を解く線形計算が行われる。

【００５５】再び図４に示すように、各回転モータ２２
への指令値（Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ）が算出されると、同指令
値は、インターフェース６４を介して駆動回路７の四つ
のドライブユニット７１に供給される。すると、各ドラ
イブユニット７１は、それぞれの担当する回転モータ２
２を速やかに駆動し、その回転角度位置を指令値通りに
設定する。

【００５６】この際、各回転モータ２２には回転角度位
置を高分解能で検出するエンコーダが付設されており、
ドライブユニット７１と回転モータ２２との間でフィー
ドバックループが形成されている。それゆえ、各回転モ
ータ２２の回転角度位置は、十分精密に制御される。

【００５７】（実施例１の作用効果）本実施例の四自由
度パラレルロボットは、以上のように構成されているの
で、以下のように主に二つの作用効果を発揮することが
できる。

【００５８】第一の効果は、トラベリングプレート４の
主要部材４１を、高速かつ高加速度で四自由度の移動を
させることができ、高い剛性をもって精密に位置決めす
ることができるということである。

【００５９】すなわち、本実施例の四自由度パラレルロ
ボットでは、四つのアクチュエータ２がそれぞれ連携し
て制御され、四組の平行リンク３をそれぞれ所定ストロ
ークだけ押し引きする。すると、各平行リンク３によっ
てトラベリングプレート４が移動し、トラベリングプレ
ート４の主要部材４１および一対の連結部材４２の位置
および姿勢が定まる。

【００６０】ここで、トラベリングプレート４の主要部
材４１では、運動の自由度が、全方向への平行移動と所
定の一軸回りの回転移動との四自由度に限定されてい
る。それゆえ、四組の平行リンク３において、アクチュ
エータ２側の端部材３２の位置が定まれば、トラベリン
グプレート４側の端部材３２の位置も一意に定まる。そ
の結果、トラベリングプレート４の主要部材４１および
一対の連結部材４２がもつ位置および姿勢は、一意に定
まる。

【００６１】つまり、四つのアクチュエータ２のストロ
ークが定まれば、四組の平行リンク３を介してトラベリ
ングプレート４の主要部材４１の位置は、三次元空間の
うち一点に定まる。そればかりではなく、トラベリング
プレート４の主要部材４１の姿勢も、垂直軸回りの所定
の回転位置で定まる。この際、各平行リンク３のロッド
３１には引っ張りまたは圧縮の軸力しか加わらず、ねじ
り変形に関してはモーメントフリーである。

【００６２】それゆえ、アクチュエータ２の動作が十分
に精密であって、各ロッド３２の両端のユニバーサルジ
ョイント３３に遊びがなく、アーム２３、平行リンク３
およびトラベリングプレート４が十分に剛であることが
好ましい。このような条件が満たされれば、トラベリン
グプレート４の主要部材４１は、三次元空間中におい
て、指定の位置および姿勢に高い剛性で精密に固定され
る。

【００６３】また、各アクチュエータ２を動かしてトラ
ベリングプレート４を移動させるに際しても、各平行リ
ンク３のロッド３１には軸力しか作用せず極めて高い剛
性が得られているので、各平行リンク３は大きな慣性力
にも耐えることができる。それゆえ、アクチュエータ２
の駆動力の範囲で高加速度でトラベリングプレート４を
加速および減速することが可能になり、その結果とし
て、アクチュエータ２の駆動速度の範囲で高速での運用
も可能になる。

【００６４】したがって、本実施例の四自由度パラレル
ロボットによれば、トラベリングプレート４の主要部材
４１を、高速かつ高加速度で四自由度の移動をさせるこ
とができ、高い剛性をもって精密に位置決めすることが
できるという効果がある。この効果は、前述の従来技術
２では得られなかった効果である。

【００６５】しかも、本実施例の四自由度パラレルロボ
ットは、前述の六自由度パラレルロボットに比べてアク
チュエータ２の数を減らすことができるので、六自由度
パラレルロボットよりも安価に製造することができると
いう効果もある。

【００６６】第二の効果は、構造設計や制御ソフトの製
作が容易になるので、前述のようにアクチュエータ２の
数が減らせるからだけではなく、よりいっそうコストダ
ウンすることができることである。

【００６７】すなわち、本実施例の四自由度パラレルロ
ボットでは、四つのロッド部材３の全てが互いに平行な
二本のロッドをもつ平行リンク３であり、各平行リンク
３は互いに同一規格である。その結果、四組の平行リン
ク３を同一規格で製造することができるので、部品の種
類を減らすことができるうえに、構造設計や制御ソフト
の製作が容易になり、コストダウンが可能になる。この
コストダウン効果は、少量生産をする場合において特に
顕著である。

【００６８】また、本実施例では、前述のように、平行
リンク３の端部材３２が所定の角度でトラベリングプレ
ート４の連結部材４２に固定されている。すなわち、各
平行リンク３の端部材３２およびアクチュエータ２の駆
動軸は、トラベリングプレート４の四隅に対し４５°の
整数倍の角度差をもって取り付けられられている。そし
てさらに、端部材３２のうち二対は、互いに９０°の角
度差をもって取り付けられている。

【００６９】それゆえ、トラベリングプレート４の主要
部材４１が取るべき三次元空間内の目標位置および目標
姿勢から、所定の座標変換を行い、四組のアクチュエー
タ２の目標ストロークを演算する演算処理アルゴリズム
が簡素化される。その結果、四組のアクチュエータ２を
制御する制御装置６の制御プログラムの開発が容易にな
る。また、前述のように座標変換の演算処理アルゴリズ
ムが簡素化されているので、制御装置６の演算処理能力
の割には制御演算が速やかになり、トラベリングプレー
ト４を目標位置まで速やかに動かすことが可能になる。

【００７０】したがって、本実施例の四自由度パラレル
ロボットによれば、構造設計や制御ソフトの製作が容易
になり、コストダウンすることができるという効果があ
る。そればかりではなく、制御装置６が安価であっても
比較的速やかな動作が可能になるという効果もある。

【００７１】（実施例１の変形態様１）本実施例の変形
態様１として、各アクチュエータ２および平行リンク３
の基台１およびトラベリングプレート４に対する取付け
角度の組み合わせが、前述の実施例１とは異なる四自由
度パラレルロボットの実施が可能である。

【００７２】本変形態様において、トラベリングプレー
ト４の四隅に回転可能に連結された各平行リンク３の方
向の組み合わせは、回転移動の軸である垂直軸回りに、
所定の方向を基準として一方の回転方向へ順に次のよう
な組み合わせが可能である。ここで、平行リンク３の取
付け角度としたのは、四つの平行リンク３の下端にある
端部材３２のトラベリングプレート４に対する取付け角
度であり、前述の図３と対比してご覧になることをお勧
めする。

【００７３】すなわち、本変形態様での各平行リンク３
の取付け角度は、次の四つの組み合わせのうちいずれか
であり、いずれの組み合わせでも実施可能である。 ・０°，１８０°，２２５°および３１５°の組み合わ
せ（図６参照） ・４５°，１８０°，１８０°および３１５°の組み合
わせ（図７参照） ・０°，１３５°，１８０°および３１５°の組み合わ
せ（図８参照） ・０°，９０°，１８０°および２７０°の組み合わせ
（図９参照） これらの組み合わせのうちでも、図９の組み合わせは、
特に座標変換の演算処理アルゴリズムが簡素化されるの
で、推奨できる。もちろん、特異点を生じてリンク機構
が不静定になったり、余分な自由度をもったりしない範
囲で、前記の各組み合わせ以外の取付け角度を取ること
も可能である。

【００７４】なお、以上の実施例１およびその変形態様
１において、平行リンク３の関節は全てユニバーサルジ
ョイント３３から構成されていた。しかし、これらのユ
ニバーサルジョイント３３のうち一部または全部をボー
ルジョイントで置換した変形態様の実施も可能である。

【００７５】（実施例１の変形態様２）本実施例の変形
態様２として、図１０に示すように、実施例１の四つの
回転モータ２２に代えて四つのリニアモータ２’をアク
チュエータとして有する四自由度パラレルロボットの実
施が可能である。アクチュエータとしてのリニアモータ
２’を固定している基台（図略）は二つあって、それぞ
れリニアモータ２’のレールの上端部と下端部とを固定
している。

【００７６】各リニアモータ２’は、垂直方向に長く延
在する交互に着磁されたレールと、このレールに沿って
移動する電磁コイルを内蔵した移動子とからなる。各移
動子には、平行リンク３の上端の端部材３２が所定の角
度に固定されている。そして、四つのリニアモータ２’
のレールは、垂直方向に延在し互いに平行に配設されて
いる。

【００７７】それゆえ、リニアモータ２’の作用によ
り、平行リンク３の上端の端部材３２は、所定の取付け
角度を保ったまま上下方向に移動させられる。この移動
量を適正に制御することによって、トラベリングプレー
ト４には、実施例１と同様に四自由度で高速運動をさせ
ることができ、剛に位置決めをすることができるので、
実施例１と同様の効果が得られる。

【００７８】そればかりではなく、各リニアモータ２’
のレールが垂直方向に長く延在しており、互いに平行で
あるので、トラベリングプレート４はリニアモータ２’
のレールの続く限りレールに沿って移動することができ
る。その結果、本変形態様においては、トラベリングプ
レート４の移動範囲が上下方向に極めて長く拡大される
という効果がある。

【００７９】また、本変形態様では平行リンク３の上端
の端部材３２が占める水平面内での位置が変わらないの
で、実施例１よりもリンク機構が単純である。それゆ
え、トラベリングプレート４の目標位置からリニアモー
タ２’の目標位置を算出する座標変換の演算処理アルゴ
リズムがより簡素になり、制御装置６の演算負荷が減る
という効果もある。

【００８０】したがって本手段によれば、実施例１と同
様の効果が得られるばかりではなく、トラベリングプレ
ート４の移動範囲が上下方向に大きく拡大するうえに、
制御装置６の演算負荷が減るという効果がある。

【００８１】（実施例１の変形態様３）本実施例の変形
態様２として、図１１に示すように、実施例１の四つの
回転モータ２２に代えて二つのリニアモータ２’をアク
チュエータとして有する四自由度パラレルロボットの実
施が可能である。本変形態様では、前述の変形態様２と
異なり、リニアモータ２’は二つであって、それらのレ
ールは水平方向に互いに平行に配設されている。図示さ
れてはいないが、アクチュエータとしてのリニアモータ
２’を固定している基台は二つあって、リニアモータ
２’のレールの両端部を固定している。

【００８２】各リニアモータ２’は、水平方向に長く延
在する交互に着磁されたレールと、このレールに沿って
移動する電磁コイルを内蔵した一対の移動子とからな
る。各移動子には、平行リンク３の上端の端部材３２が
所定の角度に固定されている。そして、リニアモータ
２’の二本のレールは、水平方向に延在し互いに平行に
配設されている。

【００８３】それゆえ、リニアモータ２’の作用によ
り、平行リンク３の上端の端部材３２は、所定の取付け
角度を保ったまま水平方向に移動させられる。この移動
量を適正に制御することによって、トラベリングプレー
ト４には、実施例１と同様に四自由度で高速運動をさせ
ることができ、剛に位置決めをすることができるので、
実施例１と同様の効果が得られる。

【００８４】そればかりではなく、各リニアモータ２’
のレール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はリニアモータ２’のレー
ルの続く限りレールに沿って移動することができる。そ
の結果、本変形態様においては、トラベリングプレート
４の移動範囲が、リニアモータ２’のレールに沿った水
平方向に極めて長く拡大されるという効果がある。

【００８５】また、本変形態様では平行リンク３の上端
の端部材３２が占める位置が水平方向の一方について変
わらないので、やはり実施例１よりもリンク機構が単純
である。それゆえ、前述の変形態様２と同様に、トラベ
リングプレート４の目標位置からリニアモータ２’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
り簡素になり、制御装置６の演算負荷が減るという効果
もある。

【００８６】したがって本手段によれば、実施例１と同
様の効果が得られるばかりではなく、トラベリングプレ
ート４の移動範囲が上下方向に大きく拡大するうえに、
制御装置６の演算負荷が減るという効果がある。

【００８７】（実施例１の変形態様４）本実施例の変形
態様４として、図１２に示すように、回転モータ２２に
代えてボールねじ装置２”をアクチュエータとして有す
る四自由度パラレルロボットの実施が可能である。これ
らのボールねじ装置２”は、特開平８−１５０５２６号
公報に「スライドテーブル」として開示されているの
で、必要があれば同公報を参照されたい。

【００８８】本変形態様では、略正方形の基台１’の四
隅から所定角度で外側に傾いて上方に突出したボールね
じ装置２”が基台に固定されている。そして、ボールね
じ装置２”のナットには、平行リンク３の上端の端部材
３２が所定角度で固定されている。それゆえ、ボールね
じ装置２”によって平行リンク３の端部材３２を適正に
移動させることにより、実施例１と同様にトラベリング
プレート４を四自由度で移動させることが可能である。
そればかりではなく、ボールねじ装置２”は、極めて位
置精度が高く、駆動力も大きく剛性にも優れているうえ
に、遊びがほとんどないので、トラベリングプレート４
の位置決めがより精密かつ高剛性でなされる。

【００８９】したがって、本変形態様の四自由度パラレ
ルロボットによれば、実施例１と同様の効果が得られる
うえに、トラベリングプレート４の位置決めがより精密
かつ高剛性でなされるという効果がある。

【００９０】［実施例２］ （実施例２の構成）本発明の実施例２としての四自由度
パラレルロボットは、図１３に示すように、実施例１で
は四組あった平行リンク３のうち二組をロッド３’で置
き換えた構成をもつ。ここで、ロッド３’の両端は、ユ
ニバーサルジョイント３３に代えてボールジョイント３
４で、アクチュエータ２のアーム２３の先端とトラベリ
ングプレート４’の四隅とに連結されている。また、ト
ラベリングプレート４’は、実施例１のトラベリングプ
レート４とは異なってピボット４３をもたず、一体部材
から構成されている。図１３では、前述の実施例１のト
ラベリングプレート４との対比が容易にできるように、
トラベリングプレート４’をＨ字形状で表現したが、実
際には略矩形の剛性の高いプレートからトラベリングプ
レート４は構成されている。

【００９１】すなわち、本実施例の四自由度パラレルロ
ボットにおいては、ロッド部材３，３’のうち二組は、
実施例１と同様に、それぞれ互いに平行な二本のロッド
３１をもつ平行リンク３である。そして、各平行リンク
３の両端の端部材３２は、それぞれアクチュエータ２お
よびトラベリングプレート４’に固定されており、端部
材３２とロッド３１とは、互いにユニバーサルジョイン
ト３３によって連結されている。

【００９２】一方、ロッド部材３，３’のうち他の二組
は、実施例１とは異なってそれぞれ一本のロッド３’で
あり、各ロッド３’は両端にボールジョイント３４をも
つ。すなわち、両ロッド３’は、両端でボールジョイン
ト３４によって、アクチュエータ２のアーム２３の先端
とトラベリングプレート４’の隅部とに連結されてい
る。それゆえ、各ロッド３’は、ねじり変形に関しては
モーメントフリーであり、引っ張りおよび圧縮のうち少
なくとも一方の軸力しか受けず、軸力に対して十分に高
い剛性をもつ。

【００９３】（実施例２の作用効果）本実施例の四自由
度パラレルロボットでは、四組のロッド部材３，３’の
うち二組は前述の平行リンク３を形成しており、残り二
組はボールジョイント３４によってモーメントフリーで
ねじり変位が可能なロッド３’である。すなわち、四組
のロッド部材３，３’のうち後者の二組（ロッド３’）
は、ねじりに関する自由度をもつ。

【００９４】それゆえ、前述の実施例１と異なってトラ
ベリングプレート４’が剛な一体部材であっても、四組
のロッド部材３，３”とトラベリングプレート４’とに
よって形成されるリンク機構は不静定にならない。そし
て、四組のロッド部材の基端部の位置が定まれば、各ロ
ッド部材の先端部の位置も三次元空間中で一意に定ま
り、トラベリングプレート４’の位置および姿勢も一意
に定まる。

【００９５】その結果、トラベリングプレート４’が一
体部材で構成できるうえに、四組のロッド部材３，３’
のうち二組は単純なロッドであるから、前述の第２手段
よりも部品点数を減らすことができる。それゆえ、本実
施例の四自由度パラレルロボットでは、信頼性をより向
上させることができるうえに、特に大量生産において
は、よりいっそうのコストダウンをすることが可能にな
る。

【００９６】したがって、本実施例の四自由度パラレル
ロボットによれば、前述の実施例１の効果に加えて、部
品点数が少ないので、信頼性がいっそう高まるばかりで
はなく、大量生産においては、より大きなコストダウン
が可能になるという効果がある。

【００９７】（実施例２の各変形態様）本実施例の四自
由度パラレルロボットに対しても、実施例１に対するそ
の各変形態様と同様の変形態様を実施することができ、
各変形態様に固有の作用効果が得られる。

【００９８】［実施例３］ （実施例３の構成）本発明の実施例３としての四自由度
パラレルロボットは、基台と、基台に屈曲可能なジョイ
ントを介して一端が接続された所望の長さに伸縮可能な
四組のアクチュエータロッドと、各アクチュエータロッ
ドの他端にそれぞれ屈曲可能なジョイントを介して四隅
が連結されたトラベリングプレートとを有する。

【００９９】本実施例の四自由度パラレルロボットにお
いては、再び図１に示すように、トラベリングプレート
４の構成は実施例１と同様である。しかし、実施例１の
基台１に固定されたアクチュエータ２および平行リンク
３に代えて、ロッド３１がエアシリンダからなる平行リ
ンクが配設されている点で、本実施例の四自由度パラレ
ルロボットは実施例１と異なっている。

【０１００】すなわち、本実施例の四自由度パラレルロ
ボットでは、アクチュエータロッドとして、二本一組で
四組のエアシリンダが平行に配設されて四組の平行リン
クを構成している。各エアシリンダの上端部は、ユニバ
ーサルジョイントを介して基台の下面の所定位置に屈曲
可能に接続されている。一方、各エアシリンダの下端部
は、実施例１の平行リンク３のロッド３１と同様に、ユ
ニバーサルジョイント３３を介してトラベリングプレー
ト４の連結部材４２の端部に所定角度で固定されている
端部材３２の両端に、屈曲可能に連結されている。

【０１０１】そして、制御装置６（図４参照）は、各組
の平行リンクにおいて両エアシリンダのストロークが同
一になるように、両エアシリンダを同期して制御するよ
うになっている。なお、各エアシリンダには、そのスト
ロークを検知するリニアポテンショメータが付設されて
いる。

【０１０２】それゆえ、実施例１のトラベリングプレー
ト４と同様に、トラベリングプレート４の主要部材４１
は、全方向への平行移動と垂直軸回りの回転移動とで四
自由度の移動が可能である。

【０１０３】（実施例３の作用効果）本実施例の四自由
度パラレルロボットでは、前述のように、ほぼ実施例１
と同様の作用効果が得られる。ただし、トラベリングプ
レート４の位置精度は、エアシリンダに付設されたリニ
アポテンショメータの精度に大きく依存する。また、剛
性については、フィードバック制御である程度は補償で
きるものの、エアシリンダを使用している限り自ずと限
度がある。

【０１０４】しかしながら、基台に固定されたアクチュ
エータがなく、実施例１のアクチュエータ２および平行
リンク３を兼ねるエアシリンダが採用されているので、
構成がより簡素になり、小型軽量化が可能になる。ま
た、エアシリンダは高速動作ができながら安価なアクチ
ュエータであるので、トラベリングプレート４の動作の
高速化と、よりいっそうのコストダウンとが可能にな
る。

【０１０５】したがって、本実施例の四自由度パラレル
ロボットによれば、トラベリングプレート４を四自由度
で高速移動させることができながら、大幅な小型軽量化
とコストダウンと可能になるという効果がある。

【０１０６】（実施例３の変形態様１）本実施例の変形
態様１として、各アクチュエータロッドが油圧シリンダ
と平行リンク３とで構成された四自由度パラレルロボッ
トの実施が可能である。

【０１０７】本変形態様では、各アクチュエータロッド
が、基端が基台にユニバーサルジョイント３３で屈曲可
能に固定された油圧シリンダと、油圧シリンダのピスト
ンの先端に一方の端部材３２が固定された平行リンク３
とからなる。

【０１０８】本変形態様によれば、アクチュエータとし
て四本の油圧シリンダを使用するだけで、トラベリング
プレート４の四自由度での運動と位置決めとが可能にな
り、アクチュエータの剛性も高いので、実施例１と同様
の作用効果が得られる。

【０１０９】（実施例３の変形態様２）本実施例の変形
態様２として、平行リンク３の端部材３２の取付け角度
を変更したり、ユニバーサルジョイント３３をボールジ
ョイント３４で置換したりした四自由度パラレルロボッ
トの実施が可能である。

【０１１０】すなわち、本実施例およびその変形態様１
の四自由度パラレルロボットに対しても、実施例１に対
するその変形態様１に相当する変形態様の実施が可能で
あり、同様の作用効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１としての四自由度パラレルロボット
の構成を示す斜視図

【図２】 実施例１におけるリンク機構の構成を模式的
に示す斜視図

【図３】 実施例１におけるロッド部材の取付け方向を
示す平面図

【図４】 実施例１の制御ロジックの要部を示すフロー
チャート

【図５】 実施例１の制御装置の構成を示すブロック図

【図６】 実施例１の変形態様１でのロッド部材の取付
け方向を示す平面図

【図７】 実施例１の変形態様１でのロッド部材の取付
け方向を示す平面図

【図８】 実施例１の変形態様１でのロッド部材の取付
け方向を示す平面図

【図９】 実施例１の変形態様１でのロッド部材の取付
け方向を示す平面図

【図１０】実施例１の変形態様２の構成を模式的に示す
斜視図

【図１１】実施例１の変形態様３の構成を模式的に示す
斜視図

【図１２】実施例１の変形態様４の構成を模式的に示す
斜視図

【図１３】実施例２におけるリンク機構の構成を模式的
に示す斜視図

【符号の説明】

１，１’：基台 ２：アクチュエータ ２１：ブラケット ２２：回転モータ（サーボモー
タ） ２３：アーム ２’：リニアモータ（アクチュエータとして） ２”：ボールねじ装置（アクチュエータとして） ３：平行リンク ３１：ロッド（ロッド部材として） ３２：端部材 ３３：ユニバーサルジョイント ３’：ロッド（ロッド部材として） ３４：ボールジ
ョイント ４：トラベリングプレート ４１：主要部材 ４２：連結部材 ４３：ピボット ４’：トラベリングプレート（一体部材） ５：エンドエフェクタ ６：制御装置 ６１：ＣＰＵ ６２：メモリ ６３，６４：インタ
ーフェース ６５：入出力装置 ６６：外部メモリ ７：駆動回路 ７１：ドライブユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランソワ・ピエロ フランス，120 モンテデュテラル 34430 サンジョンドゥぺダス (72)発明者 オリビエ・コンパニ フランス，11 プルバール パストゥール 34150 ジニャク (72)発明者 渋川 哲郎 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 森田 宏司 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 3F060 AA00 AA01 BA10 DA04 EA07 EA10 EB13 FA06 FA07 GA13 GB31 HA00

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基台と、 該基台に固定された四つのアクチュエータと、 各該アクチュエータの可動部にそれぞれ屈曲可能なジョ
   イントを介して一端が連結された四組のロッド部材と、 各該ロッド部材の他端にそれぞれ屈曲可能なジョイント
   を介して四隅が連結されたトラベリングプレートと、を
   有し、 該トラベリングプレートのうち少なくとも一部は、全方
   向への平行移動と所定の一軸回りの回転移動とで四自由
   度の移動が可能であることを特徴とする、 四自由度パラレルロボット。
2. 【請求項２】各前記ロッド部材は、平行リンクを構成す
   る互いに平行な二本のロッドであって、各該ロッドの一
   端部を前記アクチュエータに他端部を前記トラベリング
   プレートにそれぞれ連結するユニバーサルジョイントお
   よびボールジョイントのうち少なくとも一方をもち、 前記トラベリングプレートは、前記四自由度の移動が可
   能な前記一部としての主要部材と、該主要部材の両端に
   中間部がそれぞれ相対回転可能に連結され両端部がそれ
   ぞれ前記ロッド部材と連結された一対の連結部材とをも
   つ、 請求項１記載の四自由度パラレルロボット。
3. 【請求項３】前記トラベリングプレートの前記四隅に回
   転可能に連結された各前記ロッド部材の方向の組み合わ
   せは、前記回転移動の前記一軸回りに所定の方向を基準
   として一方の回転方向へ順に、 ０°，９０°，２２５°および３１５°の組み合わせ
   と、 ０°，１８０°，２２５°および３１５°の組み合わせ
   と、 ４５°，１８０°，１８０°および３１５°の組み合わ
   せと、 ０°，１３５°，１８０°および３１５°の組み合わせ
   と、 ０°，９０°，１８０°および２７０°の組み合わせ
   と、のうちいずれかである、 請求項２記載の四自由度パラレルロボット。
4. 【請求項４】前記ロッド部材のうち二組は、それぞれ平
   行リンクを構成する互いに平行な二本のロッドであっ
   て、各該ロッドの一端部を前記アクチュエータに、他端
   部を前記トラベリングプレートに、それぞれ連結するユ
   ニバーサルジョイントおよびボールジョイントのうち少
   なくとも一方をもち、 前記ロッド部材のうち他の二組は、それぞれ一本のロッ
   ドであって、各該ロッドは両端にユニバーサルジョイン
   トおよびボールジョイントのうち少なくとも後者をも
   つ、 請求項１記載の四自由度パラレルロボット。
5. 【請求項５】基台と、 該基台に屈曲可能なジョイントを介して一端が接続され
   た所望の長さに伸縮可能な四組のアクチュエータロッド
   と、 各該アクチュエータロッドの他端にそれぞれ屈曲可能な
   ジョイントを介して四隅が連結されたトラベリングプレ
   ートと、を有し、 該トラベリングプレートのうち少なくとも一部は、全方
   向への平行移動と所定の一軸回りの回転移動とで四自由
   度の移動が可能であることを特徴とする、 四自由度パラレルロボット。