JP2003159682A

JP2003159682A - パラレルメカニズム機械

Info

Publication number: JP2003159682A
Application number: JP2001358076A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Matsushita; 哲也松下
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-06-03

Abstract

(57)【要約】【課題】機構的な特異状態を回避し、より大きな可動
範囲を得る。【解決手段】所定の運動自由度数より多い数のボール
ネジでエンドエフェクタを支持し、Ｓ１の判別でエンド
エフェクタが特異状態でなければ、運動自由度数に応じ
た主ボールネジのみを駆動させ、エンドエフェクタが特
異状態であれば、Ｓ３で、特異状態となる主ボールネジ
となす角度が最も小さい従ボールネジを選択し、Ｓ４
で、特異状態の主ボールネジを非駆動側に、選択された
従ボールネジを駆動側に夫々切り替えて、Ｓ５では主ボ
ールネジと従ボールネジとでエンドエフェクタの制御を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械等に用い
られるパラレルメカニズム機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】パラレルメカニズム機械を工作機械に適
用した例として、図６に示すようなスチュワートプラッ
トフォーム型の空間６自由度のパラレルメカニズム工作
機械１が知られている。この工作機械１においては、テ
ーブル２上の工作物がエンドエフェクタ３の主軸４に取
り付けた工具によって加工される。エンドエフェクタ３
は自在継手５，５・・を介してアクチュエータとしての
６本のボールネジ６，６・・に連結され、各ボールネジ
６は自在継手７を介してフレーム８の天井部に支持され
ている。また、各自在継手７には、ボールネジ６を駆動
させるサーボモータ９が取り付けられ、自在継手５と自
在継手７との間におけるボールネジ６の長さを変えるこ
とにより、エンドエフェクタ３の位置と姿勢とが制御さ
れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記工作機械において
は、ボールネジ６，６・・のストロークや機械の構成要
素の自己干渉により、エンドエフェクタ３の可動範囲は
制限される。特に、６つの自在継手５，５・・の回転中
心は図７に示すように同一平面Ｐ上にあるため、エンド
エフェクタ３をある角度傾けた姿勢にすると、あるボー
ルネジ６の軸線上のベクトルが平面Ｐの法線ベクトルと
直角になることがある。この場合、平面Ｐの上面側と下
面側とのどちらにボールネジ６が傾いても自在継手５と
自在継手７との間のボールネジ６の長さは同じであるた
め、ボールネジ６を伸縮させても上下どちら側に動くか
決まらないという特異な状態となり、エンドエフェクタ
３の位置と姿勢とが一義的に決まらずに制御不能とな
る。よって、この機構的な特異状態を回避するために、
エンドエフェクタ３を大きく傾けた姿勢とすることがで
きず、可動範囲が制限されてしまう。

【０００４】そこで、請求項１に記載の発明は、機構的
な特異状態を回避して、より大きな可動範囲を得ること
ができるパラレルメカニズム機械を提供することを目的
としたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、エンドエフェクタを、運
動自由度数に対応し常態ではエンドエフェクタの制御用
として駆動する主アクチュエータと、常態では非駆動で
エンドエフェクタに追従する従アクチュエータとで支持
し、エンドエフェクタの位置及び姿勢によって所定の特
異状態となる主アクチュエータを検出する特異軸検出手
段と、その特異軸検出手段によって特異状態が検出され
た際に、当該特異状態の主アクチュエータを非駆動側
に、従アクチュエータを駆動側に夫々切り替える駆動軸
切替手段とを備えてなるパラレルメカニズム機械とした
ものである。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１の目的
に加えて、駆動軸切替手段による主従アクチュエータの
切り替え後のエンドエフェクタの制御をスムーズに行う
ために、従アクチュエータを複数有する場合は、特異状
態の主アクチュエータと各従アクチュエータとのなす角
度を夫々算出し、角度が最も小さい従アクチュエータを
選択する従アクチュエータ選択手段を設け、駆動軸切替
手段は、従アクチュエータ選択手段によって選択された
従アクチュエータを駆動側に切り替える構成としたもの
である。請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の目
的に加えて、特異状態をより確実に回避可能とするため
に、従アクチュエータを複数有する場合は、各従アクチ
ュエータが所定の特異状態か否かを判定する第２の特異
軸検出手段を設け、駆動軸切替手段は、第２の特異軸検
出手段により特異状態と判定された従アクチュエータ以
外の従アクチュエータを駆動側に切り替える構成とした
ものである。

【０００７】なお、本発明でいう特異状態とは、図７で
例示したように、あるアクチュエータとエンドエフェク
タとの位置関係により、当該アクチュエータを駆動させ
てもエンドエフェクタの位置と姿勢とが一義的に決まら
ない場合のエンドエフェクタの位置及び姿勢と当該アク
チュエータとをいい、特異状態そのものは勿論、特異状
態になる直前のエンドエフェクタの位置及び姿勢とアク
チュエータとを含む。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、パラレルメカニズム工作
機械１の主要ユニット部分を示す斜視図で、エンドエフ
ェクタ３、自在継手５及び７、ボールネジ６、サーボモ
ータ９の他、ここで図示しないテーブル２やフレーム８
は先に説明した図４と同様の構成要素であるので、重複
する一部の記載及び説明は省略する。ここでは、エンド
エフェクタ３の上面に、３つの自在継手１０，１０・・
を介して従アクチュエータとしての３本の従ボールネジ
１１，１１・・が連結され、各従ボールネジ１１は自在
継手１２を介してフレーム８の天井部に支持されてい
る。また、各自在継手１２には従ボールネジ１１を駆動
させるサーボモータ１３が取り付けられている。すなわ
ち、図６で示した６セットの自在継手５及び７、主アク
チュエータとしてのボールネジ（以下「主ボールネジ」
という）６、サーボモータ９に加え、その内周側に３セ
ット追加したものである。

【０００９】一方、図２は、パラレルメカニズム工作機
械１の制御装置１４のブロック図で、各主従ボールネジ
６，１１のナットはサーボモータ９，１３により夫々別
個に回転制御され、主従ボールネジ６，１１の継手間長
さに関連する信号が、各サーボモータ９，１３に備えた
位置検出器１５から制御装置１４の制御部１６に送られ
る。但し、後述の特異状態を除く通常制御では、制御部
１６はＮＣプログラムを解析し、それに従ってサーボモ
ータ９，９・・のみを制御し、サーボモータ９，９・・
により主ボールネジ６，６・・の継手間長さを変化させ
ることで、エンドエフェクタ３を任意の姿勢で任意の位
置に駆動させる。よって、常態では、３つのサーボモー
タ１３，１３・・はフリーの状態となり、３つの従ボー
ルネジ１１，１１・・はエンドエフェクタ３に追従する
従節となっている。

【００１０】また、制御装置１４には、記憶部１７、演
算部１８、比較部１９が設けられている。演算部１８
は、図３に示すように、自在継手５，５・・の中心を通
る平面Ｐの法線ベクトルと、何れかの主ボールネジ６の
軸線上のベクトルとのなす角度を算出する。ここで、当
該なす角度が直角になった場合が機構的に特異な状態で
ある。一方、記憶部１７には、特異状態である平面Ｐの
法線ベクトルと、主ボールネジ６の軸線上のベクトルと
のなす角度として９０度が記憶されている。そして、比
較部１９は、演算部１８で得られる角度を、記憶部１７
で記憶されている角度と比較するものである。これによ
り、特異状態となる場合が検出できる。

【００１１】以上の如く構成されたパラレルメカニズム
工作機械１におけるエンドエフェクタ３の制御を、図４
のフローチャートに基づいて説明する。まず、Ｓ１の判
別で、比較部１９での比較結果によって特異状態が検出
されなければ、Ｓ２において、制御部１６はサーボモー
タ９，９・・に駆動信号を出力し、主ボールネジ６，６
・・を駆動させてエンドエフェクタ３の制御を行う。Ｓ
１の判別で、エンドエフェクタ３の位置及び姿勢が図３
のような特異状態と検出されれば、演算部１８は、位置
検出器１５の出力に基づき、Ｓ３で、各従ボールネジ１
１，１１・・の軸線と、特異状態の主ボールネジ６の軸
線とのなす角度を夫々算出し、当該角度が最も小さい従
ボールネジ１１を選択する。そして、Ｓ４では、特異状
態の主ボールネジ６を非駆動側へ切り替えて従節とする
と共に、Ｓ３で選択された従ボールネジ１１のサーボモ
ータ１３を駆動側へ切り替え、Ｓ５では、５本の主ボー
ルネジ６，６・・と１本の従ボールネジ１１とを駆動さ
せてエンドエフェクタ３の制御を行う。この場合、自在
継手１０の回転中心と非特異状態の自在継手５の中心と
を通る平面Ｐ′の法線ベクトルと、従ボールネジ１１の
軸線上のベクトルとのなす角度は特異状態ではないた
め、エンドエフェクタ３の位置と姿勢の制御は可能であ
る。

【００１２】なお、Ｓ６の判別で、主ボールネジ６，６
・・及び従ボールネジ１１の制御によってエンドエフェ
クタ３の位置と姿勢とが特異状態でなくなれば、再び制
御部１６は、Ｓ７において、一時的に従節にしていた主
ボールネジ６のサーボモータ９を駆動側へ、逆に一時的
に制御していた従ボールネジ１１を非駆動側へ夫々切り
替えて、Ｓ１での判別を経てＳ２で６本の主ボールネジ
６，６・・によるエンドエフェクタ３の制御を行うこと
になる。

【００１３】このように上記形態のパラレルメカニズム
工作機械１によれば、エンドエフェクタ３を、運動自由
度数に対応し常態ではエンドエフェクタ３の制御用とし
て駆動する主ボールネジ６，６・・と、常態では非駆動
でエンドエフェクタ３に追従する従ボールネジ１１，１
１・・とで支持し、エンドエフェクタ３の位置及び姿勢
によって所定の特異状態となる主ボールネジ６を検出す
る特異軸検出手段（Ｓ１）と、その特異軸検出手段によ
って特異状態が検出された際に、当該特異状態の主ボー
ルネジ６を非駆動側に、従ボールネジ１１を駆動側に夫
々切り替える駆動軸切替手段（Ｓ４）とを備えたこと
で、機構的な特異状態を回避できる。よって、エンドエ
フェクタ３を大きな角度で傾けることも可能となり、よ
り広い可動範囲が得られる。

【００１４】特にここでは、特異状態の主ボールネジ６
の軸線と各従ボールネジ１１，１１・・の軸線とのなす
角度を算出し、当該角度が最も小さい従ボールネジ１１
を選択する従アクチュエータ選択手段（Ｓ３）を設け
て、駆動軸切替手段は、従アクチュエータ選択手段によ
って選択された従ボールネジ１１を駆動側に切り替える
構成としているから、切り替え前の主ボールネジ６に最
も近い従ボールネジ１１を選択でき、切り替え後のエン
ドエフェクタ３の制御がスムーズに行える。

【００１５】なお、上記形態では、エンドエフェクタ３
の位置及び姿勢によっては何れかの従ボールネジ１１も
平面Ｐ′との関係において特異状態となるおそれがあ
る。そこで、図５に示すように、Ｓ１での特異状態の検
出後に、Ｓ３で、各従ボールネジ１１，１１・・が特異
状態か否かを判定し、何れかが特異状態であれば、Ｓ４
で、特異状態にない従ボールネジ１１のうち、特異状態
の主ボールネジ６の軸線とのなす角度が最も小さい従ボ
ールネジ１１を算出し、Ｓ６で特異状態の主ボールネジ
６の非駆動側への切り替えと、Ｓ４で算出された従ボー
ルネジ１１の駆動側への切り替えとを行うようにすれば
良い。Ｓ７以下の制御は図４のＳ５以下と同様である。
一方、Ｓ３の判別で従ボールネジ１１，１１・・が何れ
も特異状態でなければ、Ｓ５で全従ボールネジ１１，１
１・・について特異状態の主ボールネジ６の軸線とのな
す角度を算出し、Ｓ６で同様に切り替えを行う。このよ
うに、従ボールネジ１１，１１・・が特異状態か否かを
判別する第２の特異軸検出手段（Ｓ３）を設け、駆動軸
切替手段は、特異状態と判定された従ボールネジ１１以
外の従ボールネジ１１を駆動側に切り替えるようにすれ
ば、特異状態の発生をより確実に回避可能となる。

【００１６】そして、上記形態では、特異状態になった
場合に主ボールネジ６と従ボールネジ１１との制御を切
り替えるようにしているが、一時的でも特異状態にある
と制御が不安定となるため、平面Ｐの法線ベクトルと主
ボールネジ６の軸線上のベクトルとのなす角度として９
０度未満の所定の角度を閾値として記憶部１７に記憶
し、図４，５のＳ１では、平面Ｐの法線ベクトルと何れ
かの主ボールネジ６の軸線上のベクトルとのなす角度が
閾値を超えたか否かを判別し、閾値を超えた場合を特異
状態とみなして閾値を超えた主ボールネジ６を特定し、
Ｓ３以下の制御を行うようにすれば、特異状態の発生が
直前で完全に回避可能となり、より好ましい形態とな
る。

【００１７】一方、パラレルメカニズム工作機械は、上
記形態のスチュワートプラットフォーム型に限らず、屈
曲型、スライド型でも良く、自由度も６自由度に限らず
それより上或いは下の自由度でも良い。さらに、従アク
チュエータは、３つに限らず、エンドエフェクタの位置
と姿勢とを制御可能であれば、適宜増減可能であり、従
アクチュエータの数によっては従アクチュエータ選択手
段や第２の特異軸検出手段をなくすことも可能である。
その他、アクチュエータはボールネジ以外に油圧シリン
ダや空圧シリンダを採用することができ、自在継手も球
面継手や回転継手の組み合わせ等とすることもできる。
勿論、本発明のパラレルメカニズム機械は、工作機械に
限らず、ロボットや産業機械、アミューズメント機械、
医療機械、建築機械等にも適用可能である。

【００１８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、エンド
エフェクタを、前記主アクチュエータと従アクチュエー
タとで支持し、前記特異軸検出手段と駆動軸切替手段と
を備えたことで、機構的な特異状態が回避できる。よっ
て、エンドエフェクタを大きく傾けることも可能とな
り、より広い可動範囲が得られる。請求項２に記載の発
明によれば、請求項１の効果に加えて、従アクチュエー
タを複数有する場合は、前記従アクチュエータ選択手段
を設け、駆動軸切替手段は、従アクチュエータ選択手段
によって選択された従アクチュエータを駆動側に切り替
える構成としたことで、切り替え前の主アクチュエータ
に最も近い従アクチュエータを選択でき、切り替え後の
エンドエフェクタの制御をスムーズに行うことができ
る。請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の
効果に加えて、従アクチュエータを複数有する場合は、
前記第２の特異軸検出手段を設け、駆動軸切替手段は、
第２の特異軸検出手段により特異状態と判定された従ア
クチュエータ以外の従アクチュエータを駆動側に切り替
える構成としたことで、特異状態の発生をより確実に回
避可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パラレルメカニズム工作機械の主要部分の斜視
図である。

【図２】パラレルメカニズム工作機械の制御装置のブロ
ック図である。

【図３】エンドエフェクタ部位の部分説明図である。

【図４】エンドエフェクタの制御フローである。

【図５】エンドエフェクタの制御フローの変更例であ
る。

【図６】従来のパラレルメカニズム工作機械の斜視図で
ある。

【図７】特異状態のエンドエフェクタを示す部分説明図
である。

【符号の説明】

１・・パラレルメカニズム工作機械、３・・エンドエフ
ェクタ、５，７，１０，１２・・自在継手、６・・主ボ
ールネジ、９、１３・・サーボモータ、１１・・従ボー
ルネジ、１４・・制御装置、１６・・制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C007 AS12 BS24 HS27 HT20 KS04 KV01 LV15 3C048 BB20 BC01 DD00 EE00 3J062 AA21 AB22 AB28 AC07 AC09 BA35 CB03 CB04 CB18 CB28 CB33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンドエフェクタを、運動自由度数に対
応し常態では前記エンドエフェクタの制御用として駆動
する主アクチュエータと、常態では非駆動で前記エンド
エフェクタに追従する従アクチュエータとで支持し、前
記エンドエフェクタの位置及び姿勢によって所定の特異
状態となる主アクチュエータを検出する特異軸検出手段
と、その特異軸検出手段によって特異状態が検出された
際に、当該特異状態の主アクチュエータを非駆動側に、
前記従アクチュエータを駆動側に夫々切り替える駆動軸
切替手段とを備えてなるパラレルメカニズム機械。
【請求項２】従アクチュエータを複数有する場合は、
特異状態の主アクチュエータと前記各従アクチュエータ
とのなす角度を夫々算出し、前記角度が最も小さい従ア
クチュエータを選択する従アクチュエータ選択手段を設
け、駆動軸切替手段は、前記従アクチュエータ選択手段
によって選択された従アクチュエータを駆動側に切り替
える請求項１に記載のパラレルメカニズム機械。
【請求項３】従アクチュエータを複数有する場合は、
前記各従アクチュエータが所定の特異状態か否かを判定
する第２の特異軸検出手段を設け、駆動軸切替手段は、
前記第２の特異軸検出手段により特異状態と判定された
従アクチュエータ以外の従アクチュエータを駆動側に切
り替える請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム機
械。