JP2008506545A - ２つのサブアセンブリ手段から構成される可動要素を移動させる手段を備えるパラレルロボット - Google Patents

Abstract

本発明は、基部要素（１）と該基部要素に移動を引き起こす手段を介して連結された可動要素（２）とを備える形式のロボットに関する。該移動を引き起こす手段は、第１サブアセンブリと第２サブアセンブリとを備え、第１サブアセンブリは、可動要素（２）を略垂直方向に沿って移動させるように設計され、第２サブアセンブリは、第１サブアセンブリを可動要素（２）に連結し、及び可動要素（２）を第１サブアセンブリとは無関係に略水平面内において移動させるように平行に並んで作動することができる少なくとも３つのアクチュエータ（４）を備えている。

Description

本発明の分野は、自動マニピュレータである。さらに詳細には、本発明は、いわゆるパラレルロボットに関する。

工業用ロボットは、２つの主なグループ、すなわち、シリアルロボットとパラレルロボットとに分類される。

シリアルロボットの可動構造は、一つの自由度を有する多数の連結部によって互いに連結された一連のセグメントから形成される開鎖構造である。各関節は、その関節又は該セグメントの１つに配置されたアクチェータによって、制御される。後者の場合、アクチュエータと該関節との間の伝達を制御する機構が設けられる。

このような構成は、重構造を必要とする。何故なら、小さな負荷を移動させるときでも、大きな質量を移動させねばならないからである。

パラレルロボットは、多面をなす１つ又はいくつかのループによって互いに連結された２つの剛体から構成される多自由度を有する機械的なシステムとして、定義することができる。

パラレルロボットは、シリアルロボットと比較して、多くの利点、例えば、高速移動、特に高加速移動、アクチュエータへの負荷のより均一な分布、より高い機械的剛性、及びロボットの動的能力を著しく改善する小さい移動質量などの利点を有する。

パラレルロボットの欠点として、ロボットの設計そのものによって作業空間が制限されること、作業空間に特異点が存在すること、及び異なる運動学的システムの移動が強く連結されることが、挙げられる。移動が連結されることによって、差分モデルを決定するのが困難になる。例えば、モータの増分は、ロボットの位置に依存し、ロボットが中心に向かって移動するにつれて、小さくなる。この現象は、慣性の変動をもたらし、これによって、高操作速度を維持しながら管理するのが困難になる。

パラレルロボットの用途は、この２０年間、途切れることなく拡大している。これらのロボットは、食品加工、薬品、航空工業などに使われている。さらに、パラレルロボットは、産業界において、次世代の機械ツールの設計にますます用いられている。

上記の形式の最も知られているロボット、例えば、米国特許第４，９７６，５８２号に開示されているデルタ（登録商標）ロボットは、基本要素及び可動要素と、３つの制御アームとを備え、これらの制御アームは、第１端が回転可能な３つのヒンジ点に剛性的に取り付けられている。各制御アームの他端（第２端）は、２つの連結バーを介して、可動要素に剛性的に取り付けられている。連結バーは、一端側が制御アームの第２端に関節連結され、他端側が可動要素に関節連結されている。

この技術によれば、可動要素の空間における傾きと方位は、３つの制御アームの移動とは無関係に、不変である。

可動要素は、作業要素を支持している。この作業要素の回転は、基本要素に固定されたモータによって、制御される。伸縮自在なアームが、このモータを作業要素に連結している。

このようなロボットは、４つの自由度を有している。ロボットは、可動要素の３つの移動と、作動要素の回転とを制御する。

しかし、この種のロボットは、重量のある部品の正確な移送には充分に適するようにされていない。何故なら、可動要素の複数の制御装置は、互いに連結されているからである。

これは、可動要素を１つの方向に移動させるのに、全てのモータを同時に作動させ、ロボットの制御装置を互いに連結しなければならないことを、意味している。

換言すると、このようなロボットは、可動要素を１つの方向に移動させるのに、１つのモータを作動させることが不可能である。その結果、このようなシステムは、制御装置が同期化されねばならないので、制御するのが困難である。また、ロボットの動的表示は、非線形結合された差分方程式の系に基づいている。その結果として、制御装置が、システムの動力学に関連する非線形現象を組み入れることができないので、重大な制御上の問題をもたらすことになる。

従って、この種のロボットの主な欠点は、慣性の変動と制御装置の連結とによって、制御されている大きな負荷の移動中における信頼限度が失われることにある。

本発明の目的は、特に、先行例による欠点を解消することにある。

さらに詳細には、本発明の目的は、直線的な入力／出力関係を維持して、移動を行なうことができるパラレルロボットを提案することにある。

本発明の他の目的は、比較的大きな移動と微小移動を行なうのに適するようにされたこのようなロボットを提供することにある。

本発明の他の目的は、大きな負荷を高精度で操作することができるこのようなロボットを提供することにある。

本発明の他の目的は、先行技術におけるような制御装置の体系的な同期化の必要性を避けるこのようなロボットを提供することにある。

本発明の他の目的は、設計と実施が簡単であるロボットを提供することにある。

これらの目的及び後でさらに明らかになる他の目的は、本発明によって達成される。本発明の対象は、基部要素と前記基部要素に移動制御手段によって連結された可動要素とを備える形式のロボットである。このロボットは、前記移動制御手段が、第１サブアセンブリと第２サブアセンブリとを備え、前記第１サブアセンブリが、前記可動要素を略垂直方向に沿って移動させるように設計され、前記第２サブアセンブリが、前記第１サブアセンブリを前記可動要素に連結し、及び前記可動要素を前記第１サブアセンブリとは無関係に略水平面内において移動させるように平行に並んで作動することができる少なくとも３つのアクチュエータを備えることを特徴とする。

本発明によるパラレルロボットは、多くの利点を有する。

このロボットの主な利点の１つは、水平面内における移動と垂直軸に沿った移動が、第１サブアセンブリと第２サブアセンブリの存在によって、分断されることにある。

この移動の分断によって、電力の分断がもたらされる。

負荷を持上げるのに、大きなエネルギー量が費やされねばならないことが知られている。何故なら、この移動と同じ方向に重力が作用するからである。しかし、同じ負荷を水平面に沿って移動するには、極めて小さいエネルギー量しか費やされない。何故なら、重力は、この移動に対して直交しているからである。従って、本発明は、見込まれる移動に適合する能力を有する多数のモータ、例えば、負荷を所定の高さに持上げる強力なモータ、及び水平面内において操作を行なう強力でないがより精度の高いモータを、ロボットの構造内に導入している。

従って、本発明は、精細な移動を行なう高負荷能力のロボットを作製するのに用いられ得ることが、理解されるだろう。

さらに、移動の分断によって、垂直方向の移動が直線的な入力／出力関係を可能にする程度まで、ロボットの制御が簡素化される。

さらに、以下にさらに明らかになるように、本発明は、垂直方向の移動をある類似度係数で比例的に再現することができ、これによって、本発明によるロボットは、微小機械システム（高精細システム）を作製するのに用いることができる。

さらに、以下を読めば明らかになるように、３つの機械的なアクチュエータの各々は、平行に並んで作動する面状の閉連鎖を有するシステムから構成され、これによって、可動要素は、基部要素と常に平行に並んで維持される。この構造は、機構の全体の剛性を確実に大きくし、これは、可動要素の良好な位置決め精度を得るのに極めて役に立つ。従って、可動要素は、もし閉連鎖を形成する要素が幾何学的に完全であれば、もはや、水平方向における傾斜誤差を有することがない。

また、このような設計のロボットは、低コストで作製され得る機械的な構造を有するという点においても、有利である。その主な理由は、この構造は、標準的な構造要素から構成することができるからである。

第１形態によれば、前記第１サブアセンブリは、前記アクチュエータの各々に対して１つの支持体を備え、前記支持体は、前記支持体の各々に共通の第１モータ手段に連結される。

従って、このロボットは、単一のモータによって、垂直軸に沿って移動され、これによって、このロボットの設計を極めて簡単にし、この移動を得るためにいくつかのモータを同期させる必要性をなくすことができる。

第２実施形態によれば、前記第１サブアセンブリ手段は、前記アクチュエータの各々に対して、専用のモータ手段に連結された１つの支持体を備える。

従って、マニピュレータの自由度の数は、６つに増える。

１つの有利な解決策によれば、前記第１モータは、前記基部要素によって支持される。

このようにして、これらのモータ手段は、１つの固定要素によって支持され、特にロボットが軽量の部品を操作するときに、ロボットの精度を減少することが起こり得る負荷をなすことがない。

従って、このように設計されたロボットは、大きな負荷と小さい部品の両方の操作に適するようにされることが、理解されるだろう。

有利には、各支持体は、前記基部要素に直動可能に案内される。

好ましくは、前記モータは、少なくとも１つの流体ジャッキを備える。

このようなジャッキによって、ロボットは、その精度を低下することなく、比較的大きな負荷を移送することができる。何故なら、このジャッキ自体は、移動される負荷ではないからである。

しかし、他の運動学的に等価のシステム、例えば、リニア電気モータが、他の可能な実施形態において、用いられるようにすることもできる。

好ましい一つの解決策によれば、ロボットは、各アクチュエータに対して、前記基部要素に自在に回転するように取り付けられた二次支持体を備える。

第１変更形態によれば、この第２支持体を駆動するために、二次モータ手段が、各第２支持体と関連付けられてもよい。

他の特性によれば、各アクチュエータは、パンタグラフを形成するように互いに関節連結された一組のバーを備える。

このようにして、入力／出力関係は、パンタグラフの類似度係数である一定の係数を有する直線機能を用いて、達成される。

このようなパンタグラフ構造は、出力側において大きい移動又は微小な移動を可能にする第１サブアセンブリの移動を再現するシステムをもたらす。

有利な１つの解決策によれば、前記二次支持体の各々は、前記パンタグラフの１つの前記バーの１つによって支持された要素の直動ガイド手段を有する。

この場合、前記二次支持体の各々は、好ましくは、前記パンタグラフの１つの前記バーの１つによって支持されたローラが自在に滑動するスライドを有する。

第２の変更形態によれば、装置は、（前述の各二次支持体と関連するモータ手段の代わりに）、各直動ガイド手段と関連する二次モータ手段を備える。

他の解決策は、例えば、スライドをボール軸受と協働させることによって、又はキャリッジをレール上で移動させることによって、支持体への直動可能な案内をもたらすことも考えられる。

さらに、パンタグラフは、移動が再現されるような他の等価の機械的システムで置き換えられてもよい。

好ましくは、各二次支持体と関連する前記モータ手段は、電気モータを含む。

このようなモータは、比較的低出力であるが、高精度の移動に用いることができる。

本発明による原理を用いて垂直移動と水平移動を分断することによって、垂直移動によるエネルギー消費と比較して低いエネルギー消費で、水平に移動される負荷に対して作動するように設けられたモータの使用が可能になる。

明らかなことではあるが、本発明の範囲から逸脱することなく、他のモータ駆動アクチュエータの使用も考えられる。

これによって、制御装置を同期化する必要がなくなる。

さらに、異なるエネルギー源によって作動するアクチュエータが用いられてもよく、これらのモータによって、応答時間を異ならせることも可能である。

本発明の他の具体的な特徴及び利点は、単なる例示であって制限的ではない例としてもたらされる本発明の好ましい実施形態の以下の説明及び図面を読むことによって、さらに明らかになるだろう。

前述したように、本発明の原理は、パラレル式ロボットにおいて、水平移動を確実にする手段と垂直移動を確実にする手段の分断を特徴付ける点にある。

本発明の第１実施形態に関連する図１、２を参照すると、パラレルロボットは、基部要素１と、以下に詳細に述べる運動学的システムから構成される移動制御手段によって基部要素１に連結された可動要素２とを備えている。

本発明の原理によれば、これらの移動制御手段は、
−垂直方向において可動性である要素２を再配置するように設計された第１サブアセンブリ５、６と、
−第１サブアセンブリ２を可動要素２に連結し、及び可動要素２を第１サブアセンブリとは無関係に水平に移動させるように平行に並んで作動することができる３つのアクチュエータ４を備える第２サブアセンブリと
を備えている。

図１に示されるように、第１サブアセンブリは、垂直に延在する３つの支持体５を備えている。これらの支持体５の各々は、一端側がアクチュエータ４に連結され、他端側が電動モータ手段６に連結された交差片５１に連結されている（これらの３つのモータ手段は、他の実施形態では、流体ジャッキから構成されてもよいことに留意されたい）。

図２から分かるように、基部要素１は、３つの回転モジュール２１を支持している。これらの回転モジュール２１の各々は、基部要素に取り付けられた二次支持体３を関節１９を介して回転駆動するように設計されている。これらの回転モジュール２１の各々として、電動モータが挙げられる。

各関節１９は、基部要素１と関連して二次支持体３の枢動（ピボット）リンクを構成すると共に、基部要素１上に支持体５の垂直方向における直動ガイド手段を構成することに、留意されたい。

各二次支持体３は、機械的アクチュエータ４に回転可能に固定され、このアクチュエータ４は、一方で枢動連結部５２を介して支持体５に取り付けられ、他方で関節８を介して可動要素２に取り付けられている。

図１に示されるように、各機械的アクチュエータ４は、関節１３、１４、１６、１７を介して互いに連結されたバー９、１０、１１、１２から構成されるパンタグラフ機構を含んでいる。

各アクチュエータ４は、ローラ１８を介して対応する二次支持体３に回転可能に固定されている。このローラは、二次支持体３の溝３１内で自在に滑動する（このようなリンクは、ボール軸受を有するスライドによって、又は他の可能な実施形態による他の直動連結部によって、作製されてもよい）。

各ローラ１８は、各パンタグラフ機構のバー９と１０の交差点、換言すれば、関節１３に設置されている。

３つの回転モジュール２１は、適切な増幅器を介して、水平面内においてアクチュエータ４の回転運動を制御する制御ユニット２２（コンピュータ又は論理制御装置）に接続されている。

この制御ユニット２２は、モータ６を制御するために、このモータ６にも接続されている。

従って、モータ６の垂直移動によって、支持体５の垂直移動が生じ、その結果、関節１３の移動が生じる。関節１３のこの垂直移動によって、機械的アクチュエータ４を介する関節１７の垂直移動が生じる。

パンタグラフの形態に作製された機械アクチュエータは、パンタグラフの類似度係数である一定の係数を有する直線機能の形態にある入力６と出力２との間の関係を可能にする。

さらに、回転モジュール２１の回転は、二次支持体３の回転に変換され、次いで、これらの回転が、機械的アクチュエータ４を介して、水平面内における可動要素２の移動に変換される。

水平面内における３つの自由度は、水平面内における互いに直角する方向における２つの直動と、垂直軸を中心とする１つの回転に分類されることに留意されたい。

モータ６の中断によって、可動要素２の高さを固定し、これによって、アクチュエータ４の回転中、可動要素２が水平面内に保持されることが理解されるだろう。

図３に概略的に示される第２実施形態と図１、２に関連して前述した実施形態との間の唯一の差は、二次支持体３とローラ１８の位置、及び支持体５の下端の取付け点にある。

この実施形態では、二次支持体３とローラ１８は、バー１１に設けられ、支持体５の他の下端は、関節１３を中心として自在に枢動するように設置されている。

第３実施形態が、図４に示されている。

この第３実施形態によれば、支持体５の各々は、専用のモータ３２に関連付けられている。さらに、ボールジョイント３３が、パンタグラフ機構のバー１２を可動要素に連結するために、設けられている。従って、本発明によるこの操作ロボットは、６つの自由度を有している。

前述した本発明によるパラレルロボットの３つの実施形態は、
−基部１と支持体３との間のリンクに対応するモータ駆動回転リンクと、
−ローラ１８と二次支持体３との間の滑動リンクに対応する受動（パッシブ、passive）柱状リンクと、
−可動要素２上の関節８を介する受動（パッシブ、passive）回転リンクと
を呈する３つのアームを有している。

しかし、他の実施形態において、本発明の範囲から逸脱することなく、回転リンクよりもむしろ柱状リンクが、モータ駆動されるようにすることもできることに留意されたい。

本発明によるロボットは、広い範囲の用途分野、特に、装置が高精度に配置されねばならない医学用ロボット工学（医学撮像、放射線発生器、外科器具）に用いることができる。

他の用途として、新しい機械、特に水平面内においてかつ垂直軸に沿って、極めて精細な移動を行わねばならない高負荷能力を有する機械ツールが挙げられる。

本発明の第１実施形態によるロボットの透視図である。 図１に示される実施形態によるロボットの運動学的な図である。 本発明の第２実施形態によるロボットの運動学的な図である。 第３実施形態によるロボットの透視図である。

Claims (11)

1. 基部要素（１）と前記基部要素に移動制御手段によって連結された可動要素（２）とを備える形式のロボットにおいて、前記移動制御手段は、第１サブアセンブリと第２サブアセンブリとを備え、前記第１サブアセンブリは、前記可動要素（２）を略垂直方向に沿って移動させるように設計され、前記第２サブアセンブリは、前記第１サブアセンブリを前記可動要素（２）に連結し、及び前記可動要素（２）を前記第１サブアセンブリとは無関係に略水平面内で移動させるように平行に並んで作動することができる少なくとも３つのアクチュエータ（４）を備えることを特徴とするロボット。
2. 前記第１サブアセンブリは、前記アクチュエータ（４）の各々に対して１つの支持体（５）を備え、前記支持体（５）は、前記支持体（５）の各々に共通の第１モータ手段（６）が連結されることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記第１サブアセンブリは、前記アクチュエータ（４）の各々に対して、専用の第１モータ手段（３２）に連結された１つの支持体を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
4. 前記第１モータ手段（６）、（３２）は、前記基部要素（１）によって支持されることを特徴とする請求項２または３に記載のロボット。
5. 前記モータ手段（６）、（３２）は、前記アクチュエータに連結されると共に前記基部要素（１）上で自在に滑動するように設置された支持体（５）と協働作用することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のロボット。
6. 前記アクチュエータ（４）の各々に対して、前記基部要素（１）に自在に回転するように取り付けられた二次支持体（３）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット。
7. 前記二次支持体を駆動させるために、前記二次支持体（３）の各々と関連する二次モータ手段（２１）を備えることを特徴とする請求項６に記載のロボット。
8. 前記アクチュエータ４の各々は、パンタグラフを形成するように互いに関節連結された一組のバー（９）、（１０）、（１１）、（１２）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボット。
9. 前記二次支持体（３）の各々は、前記パンタグラフの１つの前記バーの１つによって支持された要素の直動ガイド手段を有することを特徴とする請求項８に記載のロボット。
10. 前記二次支持体（３）の各々は、前記パンタグラフの１つの前記バーの１つ（１１）によって支持されたローラ（１８）が自在に滑動するスライド（３１）を有することを特徴とする請求項９に記載のロボット。
11. 直動ガイド手段の各々と関連する二次モータ手段を備える、請求項９に従属する場合を除く、請求項９または１０に記載のロボット。

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