JP2001254798A - パラレルメカニズムによる多自由度駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マニピュレータ等において隣接する複数の動
作領域の設定が要求される場合に適し、簡易にそれらの
動作領域を網羅するように調節できる多自由度駆動機構
を提供する。 【解決手段】 ベースプレート１上に、リンク３Ａ〜３
Ｆの一端に回動自在に連結してそれを駆動するアクチュ
エータ２Ａ〜２Ｆを配置し、上記リンクの他端を単一の
エンドプレート４に回動自在に連結し、複数のアクチュ
エータの駆動によりエンドプレートの位置及び姿勢を制
御可能にしたパラレルメカニズムによる多自由度駆動機
構において、上記リンクの長さをエンドプレートの動作
領域の変更のためにそれぞれ調節可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パラレルメカニズ
ムによる多自由度駆動機構に関するものであり、更に具
体的には、マニピュレータ等による作業で異なる動作領
域における幾つかの作業を網羅しなければならない場合
などに適する多自由度駆動機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られているパラレルメカニズ
ムによる多自由度駆動機構では、その作業に必要な動作
領域内で要求される運動特性を実現するように、アクチ
ュエータの配置やリンクの長さ、エンドプレートへの接
続位置などが決定されている。そして、異なる動作領域
が要求される作業に対してはそれぞれ異なる機構が再設
計・製作されていた。このような従来のパラレルメカニ
ズムによる駆動機構は、特定の作業のみに適用されるい
わゆる専用機であって、基本的に、必要な動作領域で必
要な動作を行うように設計されてきた。

【０００３】上述したように、マニピュレータ等による
個々の作業は、それぞれに固有の限られた動作領域内で
エンドエフェクタが動作すれば十分である。しかしなが
ら、近接した位置に複数の動作領域の設定が要求される
場合に、それぞれに個別的にマニピュレータを配置する
のは不経済である。また、複数の動作領域での作業を網
羅できるようにした広い動作領域を持つマニピュレータ
の設置も、必ずしも適切であるとは限らず、それが困難
なこともある。

【０００４】更に具体的に説明すると、例えば、外科手
術支援にこのマニピュレータを適用する場合、頭部の手
術に使用する場合と腹部の手術に使用する場合では要求
される動作領域が異なる。この両方に適用可能にするに
は両方の動作領域を網羅する大きな機構が必要になる。
このような大きな機構は邪魔になったり、必要のない動
作領域が大きくなったりする。この必要のない動作領域
は、無駄であるばかりでなく危険でもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解決するためになされたものであり、すなわち、
本発明の技術的課題は、マニピュレータ等において隣接
する動作領域の設定が要求される場合に、それらの動作
領域を網羅するように調節できるようにしたパラレルメ
カニズムによる多自由度駆動機構を提供することにあ
る。本発明の他の技術的課題は、上記動作領域の調節を
極めて簡易な手段で行えるようにしたパラレルメカニズ
ムによる多自由度駆動機構を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のパラレルメカニズムによる多自由度駆動機構
は、基本的には、ベースプレート上に、リンクの一端に
回動自在に連結してそれを駆動するアクチュエータの複
数を配置し、上記リンクの他端を単一のエンドエフェク
タに回動自在に連結し、上記複数のアクチュエータの駆
動によりエンドエフェクタの位置及び姿勢を制御可能に
したものにおいて、上記リンクの長さをエンドエフェク
タの動作領域の変更のためにそれぞれ調節可能にしたこ
とを特徴とするものである。

【０００７】上記多自由度駆動機構においては、アクチ
ュエータを、リンクの一端を直動または回動させるもの
として構成することができ、また、複数のリンクを単一
のアクチュエータで駆動し、または、単一のリンクを複
数のアクチュエータで駆動するように、リンクとアクチ
ュエータとを連結することができ、更に、エンドエフェ
クタにおけるリンクの連結位置及び／またはベースプレ
ート上におけるアクチュエータの配設位置を変更可能に
することができる。

【０００８】上記構成を有する本発明の多自由度駆動機
構は、エンドエフェクタの動作領域に適合するようにリ
ンクの長さを調節し、その状態でベースプレート上に配
置したアクチュエータを駆動制御することにより、エン
ドエフェクタに所要の動作領域内での必要な動作を行わ
せるために、リンクを介してエンドエフェクタの位置及
び姿勢を制御することができる。また、エンドエフェク
タの動作領域を変える場合には、その動作領域に適合す
るようにリンクの長さを適宜調節すればよく、それだけ
の操作で、エンドエフェクタの動作領域をベースプレー
トの周囲において任意に設定することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明を適用し
た直動固定型パラレルメカニズムによる多自由度駆動機
構の実施例の異なる使用態様を示している。この多自由
度駆動機構は、ベースプレート１上に、複数（６個）の
直動アクチュエータ２Ａ〜２Ｆをほぼ放射方向に向けて
配置し、これらのアクチュエータの駆動部に、それぞれ
リンク３Ａ〜３Ｆの各一端を回動自在に連結している。
また、上記各リンクの他端は、エンドエフェクタを保持
する単一のエンドプレート４に回動自在に連結してい
る。このような連結の組み合わせにより、エンドプレー
ト４の位置姿勢６自由度を制御することができ、すなわ
ち、上記複数のアクチュエータの駆動によりエンドエフ
ェクタの位置及び姿勢を任意に制御することができる。

【００１０】そして、上記リンク３Ａ〜３Ｆは、エンド
エフェクタの動作領域の変更のために、それぞれ長さ調
節機構により長さ調節可能に構成している。図３はその
構造の一例を示すものであり、中間部で２分割したリン
ク１３ａ，１３ｂの連結部において、一方のリンク１３
ｂに長孔１４を設け、この長孔１４を利用してそのリン
ク１３ｂを他方のリンク１３ａとボルト１５により長さ
調節自在に連結している。上記リンクは、図３の構造例
に拘ることなく、伸縮により任意の一定長に設定できる
任意の機構を用いることができる。

【００１１】上記実施例の直動固定型パラレルメカニズ
ムにおいては、ベースプレート１上に６個の直動アクチ
ュエータ２Ａ〜２Ｆを中高に傾斜させてほぼ放射方向に
配置しているが、これらのアクチュエータは、エンドエ
フェクタの位置及び姿勢を安定的に制御できるだけの数
があればよく、また、複数のアクチュエータの配置は、
図示の例に限るものではなく、ベースプレート１上の任
意の位置に、任意の方向に向けて配置することができ
る。

【００１２】図１及び図２の実施例において、直動アク
チュエータ２Ａ〜２Ｆの駆動部とリンク３Ａ〜３Ｆとを
回動自在に連結し、また、それらのリンクとエンドプレ
ート４とを回動自在に連結しているが、これらの連結に
は、ボールジョイントやユニバーサルジョイントを用い
ることができる。

【００１３】上記構成を有する多自由度駆動機構は、エ
ンドプレート４上のエンドエフェクタの動作領域に適合
するように、各リンク３Ａ〜３Ｆの長さをそれぞれ調節
し、その状態でベースプレート１上に配置したアクチュ
エータ２Ａ〜２Ｆを駆動制御することにより、リンクを
介してエンドエフェクタの位置及び姿勢を制御すること
ができ、それによって、エンドエフェクタに所要の動作
領域内での必要な動作を行わせることができる。また、
エンドエフェクタの動作領域を変える場合には、その動
作領域に適合するようにリンク３Ａ〜３Ｆの長さを適宜
調節すればよく、それだけの操作で、エンドエフェクタ
の動作領域をベースプレート１の周囲において任意に設
定することができる。

【００１４】上記実施例においては、アクチュエータ２
Ａ〜２Ｆとして、駆動部を直動させるものを用いている
が、それに限らず、図４に示すように、駆動腕を回動さ
せるものなどを用いることができる。すなわち、図４に
示す多自由度駆動機構の実施例では、アクチュエータ１
２Ａ〜１２Ｆとして、その本体の周囲で駆動腕１２ａ〜
１２ｆを回転駆動するようにしたものを用い、それらの
駆動腕１２ａ〜１２ｆの先端に、図１及び図２の実施例
と同様の長さ調節可能なリンク３Ａ〜３Ｆを回転自在に
連結している。なお、この実施例のその他の構成及び作
用は、揺動腕１２ａ〜１２ｆの先端でリンクとの連結点
を回動させる点を除いて、前記図１及び図２の実施例と
変わるところがないので、図中に同一の符号を付してそ
れらの説明を省略する。

【００１５】また、本発明の多自由度駆動機構は、図５
及び図６に示すように、複数のリンクを単一のアクチュ
エータで駆動し、または、単一のリンクを複数のアクチ
ュエータで駆動するように構成することができる。すな
わち、図５の多自由度駆動機構では、エンドプレート４
に連結した長さ調節可能なリンク２３Ａ〜２３Ｆのうち
の２本ずつを、アクチュエータ２２Ａ〜２２ＣのＴ字状
をなす駆動腕２２ａ〜２２ｃの先端部両端に回動自在に
連結している。また、図６に示す多自由度駆動機構で
は、エンドプレート４に連結した長さ調節可能なリンク
３３Ａ〜３３Ｃを、直動アクチュエータ３２Ａ〜３２Ｆ
のうちの各２個の駆動腕３２ａ〜３２ｆの先端部に回動
自在に連結している。なお、これらの実施例における作
用も図１及び図２の実施例の場合と格別差異がないの
で、それらの説明は省略する。

【００１６】上記各実施例の多自由度駆動機構において
は、図７に示すように、エンドプレート４における各リ
ンク４３の連結位置を、長孔４５に沿う任意の位置でボ
ルト４６により固定可能とし、あるいは、図示していな
いが、ベースプレート上におけるアクチュエータの配設
位置を任意に変更可能にすることができる。これらは、
エンドプレート４の動作領域に一層の多様性を付与する
ものである。

【００１７】以上の実施例によって説明したように、リ
ンクの長さを調節可能にし、更に、エンドプレートが支
持される位置や、アクチュエータの位置・姿勢などを変
更して固定可能にすると、多自由度駆動機構におけるエ
ンドエフェクタの運動特性を多様に変更することができ
る。特に、上記リンクの長さを変えると、動作領域の中
心を移動することができる。上記中心の具体的な移動方
法としては、まず、アクチュエータを可動範囲の中心付
近で固定し、その状態でリンクの長さ調節機構の固定を
解除したうえで、手動でエンドプレートに任意の位置及
び姿勢を保持させる。この状態では、多自由度駆動機構
がエンドプレートに連結しているスチワート型のパラレ
ルメカニズムを構成しており、エンドプレートをリンク
の伸縮が許される範囲内で任意の位置及び姿勢に設定す
ることができる。しかも、エンドプレートの位置及び姿
勢を決めれば、リンクの長さが決まるという必要十分な
関係になっている。そして、ある位置、姿勢でリンクの
長さ調節機構を固定すれば、その位置、姿勢が動作領域
の中心となる。ただし、動作領域の大きさや形は状況に
よって変化する。

【００１８】従って、例えば、ある作業では右に寄った
空間で動くことが求められ、別な作業では左に寄った空
間で動くことが求められているとすると、従来は、それ
ぞれに異なるマニピュレータを設計するか、一番右から
左まで動くことができるマニピュレータが設計され、前
者の解決法では、複数のマニピュレータを製作しなけれ
ばならず、後者では構造全体が大きくなってしまうとい
う問題があったが、上記多自由度駆動機構によれば、右
の作業では図１に示すように左側のリンクを長く、左の
作業では、図２に示すように右のリンクを長くするよう
に調節すればよく、それによって、それぞれ左右に寄っ
た作業空間を提供することができる。そのため、リンク
はある程度長くなるが、その他の構造は小さいままで、
個々の作業の要求を満たす動作領域を実現することがで
きる。

【００１９】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の多自由度駆動機
構は、マニピュレータ等において隣接する複数の動作領
域の設定が要求される場合に適し、リンクの長さを調節
するという簡易な手段によって、それらの動作領域を網
羅するように調節できるようにした多自由度駆動機構を
提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の一使用態様を示す斜視図であ
る。

【図２】上記実施例の他の使用態様を示す斜視図であ
る。

【図３】リンクの長さ調節機構の一例を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図５】本発明の更に他の実施例の構成を示す斜視図で
ある。

【図６】本発明の更に他の実施例の構成を示す斜視図で
ある。

【図７】本発明の更に他の実施例の部分的構成を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ ベースプレート ２Ａ〜２Ｆ，１２Ａ〜１２Ｆ，２２Ａ〜２２Ｃ，３２Ａ
〜３２Ｆ アクチュエータ ３Ａ〜３Ｆ，１３ａ，１３ｂ，２３Ａ〜２３Ｆ，３３Ａ
〜３３Ｃ，４３ リンク ４ エンドプレート

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベースプレート上に、リンクの一端に回動
   自在に連結してそれを駆動するアクチュエータの複数を
   配置し、上記リンクの他端を単一のエンドエフェクタに
   回動自在に連結し、上記複数のアクチュエータの駆動に
   よりエンドエフェクタの位置及び姿勢を制御可能にした
   ものにおいて、 上記リンクの長さをエンドエフェクタの動作領域の変更
   のためにそれぞれ調節可能にした、ことを特徴とするパ
   ラレルメカニズムによる多自由度駆動機構。
2. 【請求項２】アクチュエータを、リンクの一端を直動ま
   たは回動させるものとした、ことを特徴とする請求項１
   に記載のパラレルメカニズムによる多自由度駆動機構。
3. 【請求項３】複数のリンクを単一のアクチュエータで駆
   動し、または、単一のリンクを複数のアクチュエータで
   駆動するように、リンクとアクチュエータとを連結し
   た、ことを特徴とする請求項１または２に記載のパラレ
   ルメカニズムによる多自由度駆動機構。
4. 【請求項４】エンドエフェクタにおけるリンクの連結位
   置及び／またはベースプレート上におけるアクチュエー
   タの配設位置を変更可能にした、ことを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれかに記載のパラレルメカニズムに
   よる多自由度駆動機構。