JP2005066723A - Parallel robot with four degrees of freedom - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のアクチュエータが配設されたパラレルメカニズムを採用した作業用ロボットに関する。本発明は、医療現場での手術支援又は移送や加工、組み立てなどの作業に用いられる作業用ロボット等に利用可能である。 The present invention relates to a working robot that employs a parallel mechanism in which a plurality of actuators are arranged. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an operation robot or the like used for operations such as surgery support or transfer, processing, and assembly at a medical site.
従来、作業対象物に例えば穴あけ加工をする場合、図7に示すように、作業者301は、作業対象物302に対して電動ドリルなどの作業用工具303を両手に持ち、作業用工具303の位置及び方向を決定し、作業用工具303を工具軸方向に押し込みながら穴あけを行う。
Conventionally, when drilling a work object, for example, as shown in FIG. 7, an
作業対象物が大きく、加工機のテーブル上に固定して穴あけ加工などの作業が困難な場合や、移動が出来ない作業対象物への作業の省力化及び自動化のためには、これらの作業を人に代わって実施する作業用ロボットが必要になる。作業用ロボットに必要な移動の自由度は、少なくても、作業用工具の位置を合わせるための2自由度の平行移動、傾きなどの方向を合わせるための2自由度の旋回移動の合計4自由度の移動が必要である。さらに、穴あけ加工をする場合は作業用工具を押し込むために1自由度の平行移動が必要となる。この3自由度の平行移動及び2自由度の旋回移動を可能にするロボット構造は数多く存在するが、作業用工具近くの構造を小型化するには複数のアクチュエータを後方に配置できるパラレルメカニズムが適している。 If the work object is large and fixed on the table of the processing machine and drilling work is difficult, or if the work object that cannot be moved is labor-saving and automated, these work should be performed. A robot for work to be performed on behalf of humans is required. At least the freedom of movement required for the work robot is a total of 4 degrees of freedom: 2 degrees of freedom for parallel movement to align the position of the work tool, and 2 degrees of freedom for rotational movement to align the direction of tilt, etc. A degree of movement is required. Further, when drilling, a parallel movement with one degree of freedom is required to push the work tool. There are a number of robot structures that enable this three-degree-of-freedom parallel movement and two-degree-of-freedom swivel movement, but a parallel mechanism that allows multiple actuators to be placed rearward is suitable for downsizing the structure near the work tool. ing.
特に、両手に作業用工具を持ち、平行移動と旋回移動で作業用工具の位置及び方向を決定するという人の動作を作業用ロボットにさせるためには、2自由度の平行移動と2自由度の旋回移動を実現する4自由度のパラレルメカニズムが最も適している。さらに、穴あけ加工等のように作業用工具の位置及び方向を決定した後、送りを与える場合は、このパラレルメカニズムに1自由度の平行移動を付加する必要がある。 In particular, in order to make the work robot hold the work tool in both hands and determine the position and direction of the work tool by parallel movement and turning movement, the parallel movement of 2 degrees of freedom and 2 degrees of freedom A four-degree-of-freedom parallel mechanism that realizes a swivel movement is most suitable. Furthermore, when the feed is given after the position and direction of the working tool are determined as in drilling or the like, it is necessary to add a parallel movement of one degree of freedom to this parallel mechanism.
パラレルメカニズムは6本のアクチュエータによる6自由度が一般的であるが、作業用ロボットでは2自由度の平行移動と2自由度の旋回移動で十分なため、6自由度のパラレルリンク構造を代用する場合、余分なアクチュエータとリンク機構により、構造が複雑になるばかりでなく、故障の確率も高くなる。 The parallel mechanism generally has 6 degrees of freedom with 6 actuators. However, since a parallel movement with 2 degrees of freedom and a swivel movement with 2 degrees of freedom are sufficient for a working robot, a parallel link structure with 6 degrees of freedom is substituted. In some cases, the extra actuator and link mechanism not only complicate the structure, but also increase the probability of failure.
また、作業用ロボットでは、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4自由度の運動ができれば足るとの考えから、4本のアクチュエータによる4自由度のパラレルメカニズムが特許文献1において提案されている。さらに、XYZ直交三軸の座標系におけるX軸およびY軸の各軸まわりの角変位、ならびにZ軸方向の移動変位を行うことができる駆動装置が特許文献2において提案されている。
ところが、特許文献1の4自由度パラレルロボットは3自由度の平行移動と1自由度の旋回移動を可能としたものであり、任意の旋回移動ができず、作業用工具を任意の方向に向けることができない。また、特許文献2の4自由度パラレルロボットは1自由度の平行移動と3自由度の旋回移動を可能としたものであって、任意の位置に平行移動することができず、作業用工具を任意の位置に位置決めすることができない。出願人の調査したところでは、2自由度の平行移動と2自由度の旋回移動を実現する4自由度のパラレルメカニズム構造の例は見当たらない。
However, the four-degree-of-freedom parallel robot of
そこで、本発明は2自由度の平行移動と2自由度の旋回移動を実現する4自由度パラレルロボットを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a 4-DOF parallel robot that realizes 2-DOF parallel movement and 2-DOF turning movement.
上記課題を解決するために本発明は、4自由度パラレルロボットにおいて、基台と、該基台に固定された4つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち2つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと1自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の2つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと3自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの2つのボールジョイント機構により旋回自在に支持された作業用工具とから構成され、当該作業用工具を2自由度平行移動と2自由度旋回移動ができるようにした。 In order to solve the above problems, the present invention provides a four-degree-of-freedom parallel robot that includes a base, four linear actuators fixed to the base, and two linear actuators having one end among the linear actuators. An arm rod that engages with the actuator rod so as to be capable of one-degree-of-freedom rotation, a ball joint mechanism that rotatably engages with the other end of the arm rod, and one of the other two linear motion actuators. An arm rod that engages with an actuator rod of a linear motion actuator so as to be capable of pivoting motion with three degrees of freedom, a ball joint mechanism that rotatably engages with the other end of the arm rod, and these two ball joint mechanisms It is composed of a working tool that is supported by a swivel by means of a parallel movement with two degrees of freedom and a swiveling movement with two degrees of freedom. And it can be so.
さらに、上記課題を解決するために本発明は、基台と、該基台に固定された4つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち2つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと1自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の2つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと3自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの2つのボールジョイント機構により旋回自在に支持され1自由度の平行移動が可能な駆動装置を内蔵した作業ユニットとから構成され、5自由度ロボットとして当該作業ユニットを3自由度平行移動と2自由度旋回移動ができるようにした。 Furthermore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a base, four linear actuators fixed to the base, and one free actuator rod of one of the linear actuators and one end of the linear actuator. An arm rod engaged so as to be capable of rotating at a predetermined degree, a ball joint mechanism rotatably engaged with the other end of the arm rod, and an actuator of one of the other two linear motion actuators with one end being the linear motion actuator An arm rod that engages with the rod so as to allow a three-degree-of-freedom swivel movement, a ball joint mechanism that rotatably engages with the other end of the arm rod, and a pivot joint that is supported by these two ball joint mechanisms And a work unit having a built-in drive unit capable of parallel movement with one degree of freedom. Tsu and so bets can three degrees of freedom translation and two degrees of freedom pivoting move.
本発明は、2自由度の平行移動と2自由度の旋回移動により、作業用工具の位置及び方向を決定することが可能で、人が両手に作業用工具を持ち、平行移動と旋回移動で作業用工具の位置及び方向を決定するという人の動作を作業用ロボットに置き換え、作業の省力化及び自動化を図る上で、従来技術による4自由度パラレルロボットに比べ、最も適切なパラレルリンク構造である。 In the present invention, it is possible to determine the position and direction of the work tool by two-degree-of-freedom parallel movement and two-degree-of-freedom swivel movement. The human motion of determining the position and direction of the work tool is replaced with the work robot, and in order to save work and automate, the most appropriate parallel link structure compared to the conventional 4-degree-of-freedom parallel robot. is there.
また、従来技術による6自由度のパラレルリンク構造に比べ、余分なアクチュエータとリンク機構が不要となり、構造が簡単で各アクチュエータの移動制御プログラムが簡単になる効果がある。また、6自由度のパラレルリンク構造に比べて故障の確率も低く、製作費も安価になるという効果がある。 Further, compared to the conventional 6-degree-of-freedom parallel link structure, there is no need for an extra actuator and link mechanism, and there is an effect that the structure is simple and the movement control program for each actuator is simplified. In addition, there is an effect that the probability of failure is low and the manufacturing cost is low as compared to the parallel link structure of 6 degrees of freedom.
さらに、本発明は、上記の作業用工具に代えて、進退移動が可能なスピンドルユニット駆動装置を内蔵した作業ユニットに置き換えることにより、人が両手に作業用工具を持ち、作業用工具の位置及び方向を決定した後、両腕全体で作業用工具を押し込むという人の動作に近いロボット化を実現することが可能になるという効果がある。 Furthermore, the present invention replaces the above-described work tool with a work unit incorporating a spindle unit driving device capable of moving forward and backward, so that a person has the work tool in both hands, and the position of the work tool and After determining the direction, there is an effect that it is possible to realize the robotization that is close to the movement of the person by pushing the work tool with both arms as a whole.
本発明の4自由度パラレルロボットを実施するための最良の形態を、以下の実施例で説明する。 The best mode for carrying out the four-degree-of-freedom parallel robot of the present invention will be described in the following examples.
本発明の実施例1について、図1および図2に基づき説明する。図1は実施例1における4自由度パラレルロボットの構成を示す斜視図である。図2は実施例1における4自由度パラレルロボットの断面図である。図1に示すように、実施例1における4自由度パラレルロボットは、基台1と、基台1に固着された四組の直動アクチュエータ4a、4b、5a、5bと、後述の2自由度平行移動用リンク2と、2自由度旋回移動用リンク3と、二組のボールジョイント機構6及び7と、作業用工具8とから構成される。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a four-degree-of-freedom parallel robot according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the 4-degree-of-freedom parallel robot in the first embodiment. As shown in FIG. 1, the four-degree-of-freedom parallel robot in the first embodiment includes a
四組の直動アクチュエータ4a、4b、5a、5bのそれぞれの中心は、基台1に対し矩形の頂点となるように固定されている。作業用工具8の端部にスピンドルユニット9を介して取り付けられた刃具10がある方を前方と定義すると、直動アクチュエータ4a、4bは前方に、直動アクチュエータ5a、5bは後方に配置されている。
The centers of the four sets of
前方に配置された2つの直動アクチュエータ4a、4bは、図2に示すように、ハウジング11a、11bと、ハウジング11a、11bの端部にそれぞれ取り付けられたサーボモータ12a、12bと、サーボモータ12a、12bによって駆動されるボールねじ13a、13bと、ボールねじ13a、13bに連結されてハウジング11a、11bの内側を進退自在に移動するアクチュエータロッド14a、14bとからなる。本実施例では、直動アクチュエータとしてボールねじを使用しているが、ラック・ピニオンや流体シリンダ等を、使用することもできる。
As shown in FIG. 2, the two
アクチュエータロッド14a、14bの端部には、円形の凸形ジョイント片15a、15bが設けられ、後述するアームロッド16a、16bに設けた円形の凹形ジョイント片17a、17bとピン18により、1自由度の旋回運動が可能なように係合している。ハウジング11a、11bに固着されたピン19の一部がアクチュエータロッド14a、14bに設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ハウジング11a、11bに対するアクチュエータロッド14a、14bの回転を防止している。
At the ends of the
アームロッド16a、16bの端部には前述した円形の凹形ジョイント片17a、17bが設けられ、フランジ形状を有した他端は軸受20を介してボールジョイント外輪21と回転自在に係合している。アクチュエータロッド14a、14bがそれぞれ独立した進退移動をすることにより、ボールジョイント外輪21の中心はXY平面に平行な平面内で移動する。すなわち、アクチュエータロッド14a、14b、アームロッド16a、16bおよびボールジョイント外輪21により、2自由度平行移動用リンク2を構成している。
The end portions of the
後方に配置された直動アクチュエータ5a、5bは、図2に示すように、ハウジング22a、22bと、ハウジング22a、22bの端部に取り付けられたサーボモータ23a、23bと、サーボモータ23a、23bによって駆動されるボールねじ24a、24bと、ボールねじ24a、24bに連結されてハウジング22a、22bの内側を進退自在に移動するアクチュエータロッド25a、25bとからなる。
As shown in FIG. 2, the
アクチュエータロッド25a、25bの端部には球形の凸形ボールジョイント片26a、26bが設けられ、後述するアームロッド27a、27bに設けた球形の凹形ボールジョイント片28a、28bと3自由度の旋回運動が可能なように係合している。ハウジング22a、22bに固着されたピン19の一部がアクチュエータロッド25a、25bに設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ハウジング22a、22bに対するアクチュエータロッド25a、25bの回転を防止している。
Spherical convex
アームロッド27a、27bの端部には前述した凹形ボールジョイント片28a、28bが設けられ、フランジ形状を有した他端は軸受20を介してボールジョイント外輪29と回転自在に係合している。
The end portions of the
前部のボールジョイント外輪21の内径に設けた凹形球状部とボールジョイント内輪30の外径に設けた凸形球状部が3自由度の旋回運動が可能なように係合し、前部のボールジョイント機構6を構成している。同様に、ボールジョイント外輪29の内径に設けた凹形球状部とボールジョイント内輪31の外径に設けた凸形球状部が3自由度の旋回運動が可能なように係合し、後部のボールジョイント機構7を構成している。
The concave spherical portion provided on the inner diameter of the front ball joint
ボールジョイント内輪30、31は、その取り付け間隔が、前方に配置された2つの直動アクチュエータ4a、4bと後方に配置された直動アクチュエータ5a、5bとの間隔に等しい位置に配置され、作業用工具8を支持している。作業用工具8は、その軸心回りの旋回を防止するために、アームロッド16aとの間に回り止め機構32、33を備えている。
The ball joint
アクチュエータロッド25a、25bがそれぞれ独立した進退移動をすることにより、アームロッド27a、27bと後部のボールジョイント機構7を介して、作業用工具8は前方に配置されたボールジョイント機構6の中心を支点に2自由度の旋回移動を行う。すなわち、アクチュエータロッド25a、25b、アームロッド27a、27bにより、2自由度旋回移動用リンク3を構成している。
The
以上に述べた2自由度平行移動用リンク2と2自由度旋回移動用リンク3を備えた4自由度パラレルロボットの実施例1の動作を以下に説明する。制御装置(図示せず)に所定の動作指令を与えることによって、四組の直動アクチュエータ4a、4b、5a、5bのサーボモータ12a、12b、23a、23bを個別に駆動してアクチュエータロッド14a、14b、25a、25bをそれぞれ独立して進退移動させる。すると、2自由度平行移動用リンク2と2自由度旋回移動用リンク3とを介して、作業用工具8を4自由度制御することができる。つまり、前方に配置された2自由度平行移動用リンク2によりXY平面内におけるボールジョイント機構6の中心位置を決定するとともに、後方に配置された2自由度旋回移動用リンク3により作業用工具8の姿勢を決定する。その結果、図3に示すようにサーボモータ12a、12b、23a、23bをそれぞれ所定量だけ同期駆動することにより、作業用工具8を所望の位置および姿勢に移動させることができる。作業用工具8を所望の位置および姿勢に移動させた後、作業用工具8に取り付けたスピンドルユニット9及び刃具10により、作業対象物(図示せず)に所定の加工を施す。
The operation of the first embodiment of the four-degree-of-freedom parallel robot provided with the two-degree-of-freedom
さらに、図4に示すように、基台101に案内部102を設け、基台101をスライドベース103に沿ってサーボモータ104により駆動させることにより、実施例1の4自由度パラレルロボットによる位置および姿勢の決定とともに、4自由度パラレルロボットの利用範囲を広げることができる。
Further, as shown in FIG. 4, the
次に本発明の実施例2について、図5および図6に基づき説明する。図5は実施例1の4自由度パラレルロボットにおける作業用工具8の代わりに、進退移動すなわち1自由度の平行移動が可能なスピンドルユニット207を内蔵した作業ユニット202を置き換えた5自由度ロボットの実施例2の構成を示す斜視図である。図6は実施例2の構成を示す断面図である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a five-degree-of-freedom robot in which a
図6の断面図に示すように、作業ユニット202はユニットケース203と、ユニットケース203に固定されたサーボモータ204と、サーボモータ204によって駆動されるボールねじ205と、ボールねじ205に連結されてユニットケース203の内側を進退移動するアクチュエータロッド206と、アクチュエータロッド206の先端に取り付けられたスピンドルユニット207と、スピンドルユニット207に把持された刃具208からなる。ユニットケース203に固着されたピン209の一部がアクチュエータロッド206に設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ユニットケース203に対するアクチュエータロッド206の回転を防止している。
As shown in the sectional view of FIG. 6, the
上記の実施例2の動作を以下に説明する。制御装置(図示せず)に所定の動作指令を与えることによって、実施例1の動作説明で述べたように、作業用工具8に置き換えられた作業ユニット202が所望の位置および姿勢に移動させられる。次にサーボモータ204に動作指令を与えるとともに、刃具208を回転させることにより、所望の位置および姿勢に作業ユニット202を移動させた後、作業対象物(図示せず)に穴あけ加工などの送りを必要とする加工を施すことができる。
The operation of the second embodiment will be described below. By giving a predetermined operation command to a control device (not shown), the
1 基台
2 2自由度平行移動用リンク
3 2自由度旋回移動用リンク
4a 直動アクチュエータ
5a 直動アクチュエータ
6 ボールジョイント機構
7 ボールジョイント機構
8 作業用工具
10 刃具
12a サーボモータ
14a アクチュエータロッド
16a アームロッド
202 作業ユニット
204 サーボモータ
207 スピンドルユニット
208 刃具
DESCRIPTION OF
Claims (2)
The base, the four linear motion actuators fixed to the base, and the arm having one end engaged with the actuator rods of two of the linear motion actuators so as to be able to perform one degree of freedom of rotation. A rod, a ball joint mechanism that rotatably engages with the other end of the arm rod, and an actuator rod of one of the other two linear motion actuators at one end so that a three-degree-of-freedom swivel motion is possible. An arm rod to be engaged, a ball joint mechanism that is rotatably engaged with the other end of the arm rod, and a drive device that is pivotally supported by these two ball joint mechanisms and capable of parallel movement with one degree of freedom. It is composed of a built-in work unit, and the work unit can be translated in 3 degrees of freedom and turned in 2 degrees of freedom. 5 degree-of-freedom robot which is characterized.
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