JP2004017266A

JP2004017266A - パラレルリンクマニピュレータ

Info

Publication number: JP2004017266A
Application number: JP2002180104A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Fujimoto; 藤本　靖一
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】可動範囲の大きいパラレルリンクマニピュレータを提供する。
【解決手段】第１部材１側にボールねじ６を固定し、その出力軸６ａに球面継手７を介してリンク８を接続し、リンク８の他端に球面継手９を介して第２部材を接続する。また、第１部材から第２部材に至る途中の位置で、かつ、リンク８等の可動領域より内側に配置された球面軸受１１を第３部材として、これによって、第１部材１と第２部材２とを相互に支持する構成とする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばヒューマノイド型ロボットの関節機構に使用される駆動装置に関し、特にパラレルリンクマニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特許番号第２５６９２７８号に記載されたパラレルリンクマニピュレータでは、図４に示すように、ＸＹ平面上にある第１部材１０１と、ここからＺ軸方向に離れた第２部材１０２とが、非伸縮の拘束リンク１０３と、伸縮可能な３つのアクチュエータ１０４とによって連結されている。また、各接続点の関節１０５，１０６，１０７，１０８は、アクチュエータ１０４の両端（関節１０５，１０６）で合計５自由度以上（各々２自由度以上）、拘束リンク１０３の両端（関節１０７，１０８）が合計３自由度又は４自由度となっている。各アクチュエータ１０４を伸縮させることにより、第１部材１０１に対して第２部材１０２を、任意の方向に傾けることができる。また、例えばＺ軸周りに、第２部材１０２を捻ることもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のパラレルリンクマニピュレータでは、主としてアクチュエータ１０４の伸縮限界によって第２部材１０２の可動範囲が制限される。このため、第１部材１０１に対する第２部材１０２の可動範囲、すなわち、関節としての可動範囲を大きくとることができなかった。このことは、当該従来技術に限らず、パラレルリンクマニピュレータに固有の弱点として知られていることでもあった。
【０００４】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、可動範囲の大きいパラレルリンクマニピュレータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、伸縮可能な複数の伸縮連結手段によって第１部材と第２部材とを相互に連結して成るパラレルリンクマニピュレータにおいて、前記第１部材から前記第２部材に至る途中の位置に配置され、かつ、前記複数の伸縮連結手段の可動領域より内側に配置された球面関節を運動中心として、前記第１部材と前記第２部材とを相互に支持する第３部材を設けたものである（請求項１）。
上記のように構成されたパラレルリンクマニピュレータでは、第１部材から第２部材へ至る途中の位置で、複数の伸縮連結手段の可動領域より内側に配置された球面関節の存在によって、第２部材の動作半径が伸縮連結手段の長さより短くなる。
【０００６】
また、上記パラレルリンクマニピュレータ（請求項１）において、複数の伸縮連結手段は、第１部材及び第２部材のいずれか一方に並設して固定された複数の直動アクチュエータと、その直動部に関節を介してそれぞれ接続されたリンクとを含むものであってもよい（請求項２）。
この場合、直動アクチュエータにおける直動部の進退動作によって、これに接続されたリンクと共に、伸縮連結構造が形成される。このような構造は簡素であり、また、直動アクチュエータは固定することができる。
【０００７】
また、上記パラレルリンクマニピュレータ（請求項２）において、直動アクチュエータの直動部及びリンクは、球面関節に対して常に凸包を形成するものであってもよい（請求項３）。
この場合、直動アクチュエータの直動部及びリンクが３次元空間に形成する凸図形の内部に常に球面関節が含まれる（凸包を形成する）ので、リンクと球面関節との干渉が排除される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態によるパラレルリンクマニピュレータの基本的な構成を示す斜視図である。この装置は、第１部材１に対して第２部材２を（又はその逆も可能）、人の関節のような関係で動かすためのものであり、例えばヒューマノイド型ロボットのアームとして用いられる。
図において、第１部材１は、円筒缶状の基部１ａと、その上に一体に形成された円錐状の支持部１ｂとを備えたものである。支持部１ｂの頂部には、円盤状の端板部１０が設けられているが、これは、後述の第３部材に属する。この第１部材１は、図示のＸＹＺ直交座標においてＺ方向をアーム軸方向とし、基部１ａの底面がＸＹ平面上にあるアームである。
【０００９】
上記第１部材１の内部には、３個のモータ４が設けられ、各モータ４の回転軸（図示せず。）には減速機５を介してボールねじ６が接続されている。これらモータ４、減速機５及びボールねじ６は、全体として、第１部材１に固定された「直動アクチュエータ」を構成している。３個のボールねじ６の出力軸６ａは、第１部材１のアーム軸（Ｚ軸）に対して同一半径上に配置され、周方向に１２０度間隔で並んで配置されている。また、上記直動アクチュエータの直動部としての出力軸６ａは、Ｚ方向に進退動作する。
【００１０】
上記ボールねじ６の上端は、第１部材１の支持部１ｂに設けられた孔１ｂ１から露出しており、従って、出力軸６ａは自由にＺ方向に進退動作を行うことができる。各出力軸６ａの先端には関節としての球面継手７を介してリンク８の一端が接続されている。また、リンク８の他端は、同様の球面継手９を介して第２部材２に接続されている。球面継手９は、第２部材２の底面側の外周近傍に取り付けられている。
上記モータ４、減速機５、ボールねじ６、球面継手７、リンク８及び球面継手９は、第１部材１と第２部材２とを相互に連結する伸縮可能な３組の伸縮連結手段を構成している。なお、３組の構成部材はすべて共通の構成及びディメンジョンであり、リンク８の長さも同じである。
【００１１】
一方、上記端板部１０の中心には「球面関節」としての球面軸受１１が設けられており、ボール１１ａに接続された支軸１２の端部に第２部材２が取り付けられている。この支軸１２は第２部材２のアーム軸と同軸に設けられている。上記端板部１０、球面軸受１１及び支軸１２は、第１部材と第２部材とを相互に３自由度の関係で支持する第３部材３としての機能を有する。また、この第３部材３は、Ｚ方向において第１部材１から第２部材２へ至る途中の位置に配置されている。このように支持された第２部材２は、球面軸受１１を運動中心とする精度の高い首振り動作を行い、第２部材２上の任意の点における軌道の精度も高い。
【００１２】
図２は、上記のパラレルリンクマニピュレータを側面から見た図である。図は、第１部材１及び第２部材２のアーム軸方向が一致している状態を示している。第２部材２は、球面軸受１１を中心として、支軸１２の長さによる規制範囲内で、かつ、支持部１ｂ及び端板部１０と干渉しない範囲内で、任意の向きに首振り可能である。また、直動部である出力軸６ａの進退動作により、リンク８等を介して第２部材２は、第１部材１に対して駆動される。ここで、球面軸受１１は、３組の伸縮連結手段の可動領域（可動部分が存在し得る空間領域）より常に内側にある。また、図２のリンク８の両端の球面継手７，９の中心位置をＢ，Ｅとし、球面軸受１１の中心位置をＧとするとき、Ｚ方向において球面軸受１１が第１部材１と第２部材２との間にあることによって、三角形ＢＥＧの辺ＢＥより辺ＧＥの方が短く、球面継手９は、この短い辺ＧＥを動作半径とした軌道（曲面）上を図示のように移動するため、首振り可能な角度が大きくなる。すなわち、第２部材２の可動範囲が広くなる。
【００１３】
なお、減速機５からボールねじ６、球面継手７及びリンク８へ至る配置は、球面軸受１１に対して常に凸包を形成する。従って、リンク８と球面軸受１１との干渉を排除し、第２部材２の可動範囲を広く確保する設計が可能になる。
【００１４】
上記のように構成されたパラレルリンクマニピュレータにおいて、モータ４を回転させると、減速機５によって一定比で減速された回転がボールねじ６により出力軸６ａの移動として出力される。従って、モータ４の回転量及び回転方向に応じて、出力軸６ａが移動する。３つのモータ４の回転量及び回転方向をそれぞれ制御することにより、３つの出力軸６ａの先端にそれぞれ接続された球面継手７の中心位置を、Ｚ方向において所定範囲（直動限界範囲）で任意の位置に移動させることができる。ここで、図１に示すように、３つの球面継手７の中心位置をＡ，Ｂ，Ｃとし、第２部材２側の３つの球面継手９の位置をＤ，Ｅ，Ｆとするとき、三角形ＡＢＣの平面と、三角形ＤＥＦの平面とは、１対１の対応関係にある。従って、モータ４を制御して三角形ＡＢＣの各頂点のＺ座標を決定することにより、図３に示すように、第２部材２に対して、所望の極角θ、方位角ψ及びアーム軸周り角αを与えることができる。
【００１５】
上記実施形態の伸縮連結手段は、出力軸６ａのＺ方向への移動によって、これに接続されたリンク８と共に、伸縮連結構造を形成するものである。このような構造は、リンク８の方向に直接伸縮させる構造に比べて簡素である。また、モータ４、減速機５、ボールねじ６は固定されているため、支持構造が簡単である。しかも、固定されていることにより、大きな出力が要求される場合にも好適である。
【００１６】
なお、上記実施形態では、伸縮連結手段の個数は３であるが、４個若しくはそれ以上設けることも可能である。
また、上記の伸縮連結手段に代えて、リニアモータを用いて人間の筋肉のように伸縮する構成を採用することも可能である。
また、上記実施形態とは逆に、モータ４からボールねじ６までを、第２部材２側に設けることも可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１のパラレルリンクマニピュレータによれば、第１部材から第２部材へ至る途中の位置で、複数の伸縮連結手段の可動領域より内側に配置された球面関節の存在によって、第２部材の動作半径が伸縮連結手段の長さより短くなり、これによって、第１部材に対しての第２部材の可動範囲が広くなる。
【００１８】
請求項２のパラレルリンクマニピュレータによれば、伸縮連結構造が簡素である。また、直動アクチュエータは固定されているため、支持構造が簡単である。しかも、固定されていることにより、大きな出力が要求される場合にも好適である。
【００１９】
請求項３のパラレルリンクマニピュレータによれば、リンクと球面関節との干渉が排除され、第１部材に対する第２部材の可動範囲を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるパラレルリンクマニピュレータを示す斜視図である。
【図２】図１のパラレルリンクマニピュレータを側面から見た図である。
【図３】図１のパラレルリンクマニピュレータの一部をＸＹＺ直交座標上で示す図である。
【図４】従来のパラレルリンクマニピュレータを示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　第１部材
２　　第２部材
３　　第３部材
４　　モータ
５　　減速機
６　　ボールねじ
７　　球面継手（関節）
８　　リンク
９　　球面継手（関節）
１０　　端板部
１１　　球面軸受（球面関節）
１２　　支軸

Claims

伸縮可能な複数の伸縮連結手段によって第１部材と第２部材とを相互に連結して成るパラレルリンクマニピュレータにおいて、
前記第１部材から前記第２部材に至る途中の位置に配置され、かつ、前記複数の伸縮連結手段の可動領域より内側に配置された球面関節を運動中心として、前記第１部材と前記第２部材とを相互に支持する第３部材を設けたことを特徴とするパラレルリンクマニピュレータ。
前記複数の伸縮連結手段は、前記第１部材及び第２部材のいずれか一方に並設して固定された複数の直動アクチュエータと、その直動部に関節を介してそれぞれ接続されたリンクとを含む請求項１記載のパラレルリンクマニピュレータ。
前記直動アクチュエータの直動部及び前記リンクは、前記球面関節に対して常に凸包を形成する請求項２記載のパラレルリンクマニピュレータ。