JP2001208157A - 精密作業用６自由度並列機構 - Google Patents

精密作業用６自由度並列機構

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部リンクと内部リンクを精密位置制御が可
能な線形駆動機を使用して上板の並進運動と回転運動を
自在に遂行することにより、いろいろな動作が要求され
る精密作業分野で広範囲に活用することができる精密作
業用６自由度並列機構を提供する。 【解決手段】精密作業用６自由度並列機構において、上
部に位置する上板１０と、下部に位置する下板２０と、
前記上板１０と下板２０とを連結する多数の外部リンク
３０及び、前記上板１０の中央に結合された多軸連結の
球形ジョイント４０と前記下板２０とを連結する多数の
内部リンク５０を有している。この時、前記多軸連結の
球形ジョイント４０を中心に前記多数の内部リンク５０
が連結されて斜面体構造を形成し、前記内部リンク５０
及び外部リンク３０には微細位置の制御が可能な線形駆
動機が使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は６自由度並列機構に
関し、特に、３個の外部リンク（external link）が上
板（moving platform）と下板（base platform）とを連
結し、３個の内部リンク（internal link）が多軸連結
の球形ジョイント（shperical joint）に連結し、各リ
ンクなどは精密位置制御が可能な線形駆動機（linear a
ctuator）により動作される精密作業用６自由度並列機
構（parallel mechanism）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、産業界において、精密部品の製造
や加工が盛んに行われている。また、半導体の製造も盛
んに行われている。さらに、医学、遺伝子工学界におい
ては、顕微手術(microsurgery)、遺伝子操作、細胞整合
などが行われている。このような需要と重要性が高まる
ことによって精密作業用ロボットの開発や活用のための
研究が活発になされている。
【０００３】現在、産業界において広く使用されている
マニプレータ(manipulator)は、開回路構造(open link)
の直列ロボット(serial robot)である。このような直列
ロボットは、作業空間(workspace)が広く、作業性(mani
pulability)が良い反面、直列に連結された駆動機によ
る末端装置(end-effector)に累積誤差が発生して精密度
(accuracy)が悪いという欠点がある。また、このような
直列ロボットは、高速作業や、作業物荷重の変化が激し
い作業などでは動力学的な効率が劣るという欠点があ
る。
【０００４】そこで、このような直列機構の問題を克服
するための対案として、並列機構が８０年代から活発に
研究されている。このような並列機構は閉回路(closed
chain)構造であるため、作業空間は相対的に狭いが、各
駆動機による末端装置の累積誤差が発生せず、構造鋼性
が高くて高速作業あるいは動力学的な荷重の変化が激し
い作業でも優れた動作特性を有する。従って、精密作業
用として並列機構を使用する方が直列機構より優れた利
点を有している。
【０００５】上述したように、精密作業用機構として
は、並列機構が優れた利点を有しており、狭小な領域で
いろいろな作業を遂行するためには６自由度が要求され
る。即ち、精密作業で使用される精密作業用機構は、駆
動機の位置精密度が２０μｍ以下、位置センサの分解能
が５μｍ以下、作業空間が２０ｍｍ以上、などのような
作業空間の確保と共に精密作業の遂行能力がなければな
らない。
【０００６】図面で、図７は従来の技術による３自由度
マイクロ並列機構を図示した斜視図であり、図８（A）
及び図８（B）は従来の技術による６自由度マイクロハ
ンドをそれぞれ図示した斜視図である。
【０００７】図７に示すように、Ｌｅｅはピエゾ駆動機
を使用し、３自由度のマイクロ並列機構マニプレータの
機構学と動力学を解釈して実験的に検証した（Lee, K.
M.,1991,"A 3dof Micromotion In-Parallel Actuated M
anipulator," IEEE Transactions on Robotics and Aut
omation, Vol. 7, No. 3, pp. 634〜641）。
【０００８】そして、図８（A）及び図８ （B）に示す
ように、AraiとStoughtonはピエゾ駆動機を使用した超
精密６自由度並列マイクロハンド（Micro Hand）を製作
して解釈した（Arai, T. and Stoughton R., 1992, "Mi
cro Hand Module using Parallel Link Mechanism," AS
ME，Proceedings of the Japan U.A.S, Book No. 10338
A, pp. 163〜169）。
【０００９】また、Hollisは既存の直列ロボットの問題
点と限界を指摘し、これを改善するための方案として磁
気浮上駆動機を使用した６自由度精密運動並列機構を提
案した（Hollis, R. L., 1991, "A 6dof Magnetically
Levitated Variable Compliance Fine-Motion Wrist :
Design, Modeling, and Control" IEEE Transactionson
Robotics and Automation, Vol. 7, No. 3, pp. 320〜
332）。
【００１０】しかし、上述した従来の技術として説明し
た研究などはミクロン単位の位置精密度を有する駆動機
を使用して高分解能で位置制御をしているが、ピエゾ駆
動機の線形変位は１０μｍ内で、磁気浮上駆動機の線形
変位は５ｍｍであり、作業空間が４μｍ程度に狭小であ
って汎用性を有する精密作業用機構として活用するのに
制限がある。従って、２０ｍｍ以上の作業空間と、駆動
機の位置精密度が２０μｍ以下、位置センサの分解能が
５μｍ以下を有し、６自由度運動を遂行できる汎用精密
作業機構として使用するのに限界がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は上述
したような従来の技術の問題点を解決するために案出さ
れたものであって、外部リンクと内部リンクを精密位置
の制御が可能な線形駆動機を使用して上板の並進運動と
回転運動を自在に遂行することにより、いろいろな動作
が要求される精密作業分野で広範囲に活用することがで
きる精密作業用６自由度並列機構を提供することにその
目的がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、精密作業用６自由度並列機構において、上
部に位置する上板と、下部に位置する下板と、前記上板
と下板とを連結する多数の外部リンク及び、前記上板の
中央に結合された多軸連結の球形ジョイントと前記下板
とを連結する多数の内部リンクを有している。
【００１３】また、本発明は前記多軸連結の球形ジョイ
ントを中心に前記多数の内部リンクが連結されて斜面体
構造を形成することが好ましい。
【００１４】さらに、本発明では、前記内部リンク及び
外部リンクには微細位置の制御が可能な線形駆動機が使
用されることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明は作業空間を２０ｍｍ以上
に作り、上板の線形駆動機と連結されたボールソケット
ジョイントの数を３個として上板の回転領域を増加さ
せ、上板の回転運動を３個の線形駆動機の動作で可能
な、新たな並列機構を提案したものである。
【００１６】以下に、本発明による精密作業用６自由度
並列機構の良好な実施例を添付した図面を参照して詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例による精密作業用
６自由度並列機構の構成要素などを説明するための斜視
図であり、図２は図１に示した精密作業用６自由度並列
機構の組立構造を説明するための組立図である。そし
て、図３（A）及び図３（B）は図１に示した精密作業用
６自由度並列機構の下板の平面図及び断面図であり、図
４（A）及び図４（B）は図１に示した精密作業用６自由
度並列機構の上板の平面図及び断面図である。そして、
図５は図１に示した精密作業用６自由度並列機構の多軸
連結の球形ジョイントの斜視図であり、図６は図１に示
した精密作業用６自由度並列機構の線形駆動機の概略図
である。
【００１７】図１及び図２に示すように、本発明の精密
作業用６自由度並列機構は上部に位置する上板１０と、
下部に位置する下板２０と、上板１０と下板２０とを連
結する外部リンク３０及び、多軸連結の球形ジョイント
４０を介して上板１０と下板２０とを連結する内部リン
ク５０とから構成されている。
【００１８】そして、図３（A）及び図３（B）に示すよ
うに、下板２０の端部には１２０°の間隔を隔てて３個
の第１の外部リンク結合部２１が上部へ突出されてい
る。また、この第１の外部リンク結合部２１の間には内
部リンク結合部２２が第１の外部リンク結合部２１より
僅かに低く上部へ突出されている。
【００１９】また、図６ａ及び図６ｂに示すように、上
板１０には１２０°の間隔を隔てて３個の第２の外部リ
ンク結合部１１が形成されている。そして、上板１０の
中央には連結部材６０が結合できるようにネジ孔が形成
されており、その下部には多軸連結の球形ジョイント４
０が結合される球形ジョイント結合部１２が設けられて
いる。
【００２０】そして、図５に示すように、多軸連結の球
形ジョイント４０は、中心球４１と、この中心球４１か
ら離脱しないでその周りを囲むように配置されており、
多数のホールが形成された球形胴体４２と、この球形胴
体４２のホールからの離脱を防止する支持円板４３とか
ら構成されている。
【００２１】以下に、上述した構成要素などの結合関係
に対して詳細に説明する。図１乃至図６に示すように、
上板１０の下部に設けられた球形ジョイント結合部１２
を多軸連結の球形ジョイント４０の中心球４１に結合す
る。そして、３個の内部リンク５０の一端を多軸連結の
球形ジョイント４０の支持円板４３に結合し、３個の内
部リンク５０の他端を下板２０の内部リンク結合部２２
にボールソケットジョイントを使用してそれぞれ結合す
る。そして、３個の外部リンク３０を上板１０の第２の
外部リンク結合１１と下板２０の第１の外部リンク結合
部２１とにボールソケットジョイントを使用してそれぞ
れ結合する。
【００２２】このように上板１０と下板２０とを連結す
る内部リンク５０及び外部リンク３０は図６に図示され
たような線形駆動機であって、このような線形駆動機は
数マイクロの精密作業を遂行できるように２０ｍｍ以上
の動作領域と３μｍ以下の位置精密度とを有するものが
使用される（大韓民国特許出願第1999-15368号）。この
ような特徴を有する線形駆動機の動作で上板１０の３自
由度位置と３自由度回転運動を任意の方向に作ることが
できる。
【００２３】上述したように構成された本発明は、作業
空間まで並進運動後、３個の内部リンク５０を固定し、
３個の外部リンク３０の駆動だけで上板１０の３自由度
回転運動が可能であって並列機構の動作の直観性が高
く、動作制御が容易である。
【００２４】そして、本発明は従来に多く活用された６
自由度の並列機構を変更して上板１０の６個のボールソ
ケットジョイントを３個に減らし、構造的な安全性を高
めるために３個の内部リンク５０が一つの点で合致する
多軸連結の球形ジョイントを使用した。
【００２５】また、本発明の６自由度並列機構は機構学
（kinematics）的解釈が他の並列機構に比べて簡単で実
時間制御を遂行できる。以上、本発明に係る精密作業用
６自由度並列機構の技術思想を添付図面を参照しながら
説明したが、これは本発明の好ましい実施例に説明した
だけであり、本発明を限定するものではない。また、こ
の技術分野の通常の知識を有する者であれば誰でも、本
発明の技術思想の範囲内で様々な変形及び模倣が可能な
ことは明白である。
【００２６】
【発明の効果】上述したように、本発明の精密作業用６
自由度並列機構は上板の並進運動と回転運動とを自在に
遂行でき、いろいろな動作が要求される精密作業分野で
広範囲に活用することができる。
【００２７】また、本発明の精密作業用６自由度並列機
構は微細位置の制御が可能な線形駆動機を使用して数マ
イクロ単位の精密な作業を円滑に遂行できる。
【００２８】さらに、本発明の精密作業用６自由度並列
機構は狭小な作業空間で自在な並進運動と回転運動を作
ることができ、高い位置精密度を有する線形駆動機で上
板の動作を正確に制御できるので、精密部品の製作、遺
伝子操作と細胞整合などの分野で優れた作業能力を発揮
できる。
【００２９】また、本発明の精密作業用６自由度並列機
構は多軸連結の球形ジョイントに連結された３個の内部
リンクを固定した状態で３個の外部リンクの駆動だけで
上板の回転を作ることができ、並進と回転を分離する動
作が可能である。
【００３０】さらに、本発明の精密作業用６自由度並列
機構は精密作業用だけでなく、ロボット手首機構、６軸
力／トークセンサなどで活用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による精密作業用６自由度並
列機構の構成要素などを説明する説明するための斜視
図。
【図２】図１に図示された精密作業用６自由度並列機構
の組立関係を説明するための組立図。
【図３】図３（A）及び図３（B）は図１に図示された精
密作業用６自由度並列機構の下板の平面図及び断面図。
【図４】図４（A）及び図４（B）は図１に図示された精
密作業用６自由度並列機構の上板の平面図及び断面図。
【図５】図１に図示された精密作業用６自由度並列機構
の多軸連結の球形ジョイントの斜視図。
【図６】図１に図示された精密作業用６自由度並列機構
の線形駆動機の概略図。
【図７】従来の技術による３自由度マイクロ並列機構を
図示した斜視図。
【図８】図８（A）及び図８（B）は従来の技術による６
自由度マイクロハンドをそれぞれ図示した斜視図。
【符号の説明】
１０：上板 １１、２１：外部リンク結合部 １２：球形ジョイント結合部 ２０：下板 ２２：内部リンク結合部 ３０：外部リンク ４０：多軸連結の球形ジョイント ４１：中心球 ４２：球形胴体 ４３：支持円板 ５０：内部リンク ６０：連結部材

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 精密作業用６自由度並列機構において、
    上部に位置する上板と、下部に位置する下板と、前記上
    板と下板とを連結する多数の外部リンク及び、前記上板
    の中央に結合された多軸連結の球形ジョイントと前記下
    板とを連結する多数の内部リンクを含むことを特徴とす
    る精密作業用６自由度並列機構。
  2. 【請求項２】 前記多軸連結の球形ジョイントを中心に
    前記多数の内部リンクが連結されて斜面体構造を形成す
    ることを特徴とする請求項１に記載の精密作業用６自由
    度並列機構。
  3. 【請求項３】 前記内部リンク及び外部リンクは微細位
    置の制御が可能な線形駆動機であることを特徴とする請
    求項１、または２に記載の精密作業用６自由度並列機
    構。
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