JP2008529816A - ４自由度高速パラレルロボット - Google Patents

Abstract

本発明は、その一端において、工具（５）を支持する可動プラットフォーム（４）に関節式に連結され、その他端において、回転継手（２）を介してベースプレート（３）と一体構造のアクチュエータに関節式に連結される４つの連鎖（１）で構成される４自由度高速パラレルロボットに関する。可動プラットフォーム（４）は、関節式連結装置（１３）によって互いに連結される４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）により構成され、これら部材の少なくとも２個は互いに平行で、可動プラットフォームの平面において１自由度を有する関節式可動プラットフォームを構成する。アクチュエータは、ベースプレート（２）においていずれの方向にも配置でき、好ましくは４５°、３５°、２２５°、３１５°で配置される。

Description

本発明のロボットは、対応する工具を支持するプラットフォームを４自由度（３自由度の並進運動または平行移動と、垂直軸についての１自由度回転）で、いずれの方向にもきわめて高加速、高速で移動させることを目的としている。

本発明の他の目的は、ロボットのアクチュエータを対称に配置し、可動範囲全体にわたる均質なパフォーマンスと高い剛性とを実現することである。

このロボットは特に、ピック・アンド・プレース(pick-and-place)作業に適している。

パラレルロボットは一般に、固定された支持体またはその上に組み付けられたアクチュエータがあるベースプレートにより構成されており、これらのアクチュエータは、関節式アームまたは連鎖を介して可動プラットフォームに連結され、可動プラットフォームに対応する工具が固定される。

このような３自由度ロボットは、たとえば特許文献１において開示されているが、特許文献２では４自由度（３自由度の並進運動または平行移動と、１自由度回転）のパラレルロボットが紹介されている。

４自由度パラレルロボットは、部品ハンドリング作業、梱包および組立の実行に非常に適しており、簡潔さ、価格、移動速度の点で、たとえば６自由度のもの等、複雑なパラレルロボットより有利である。

特許文献２の目的は、パラレルロボットの可動プラットフォームのすべての連結を関節式連結装置とすることであり、これは高速と高加速とを実現するうえで有利な要因である。このロボットは、４個のアクチュエータによって作動される４つの連鎖を備え、各アクチュエータは、一端がベースプレートに特定の方向で固定され、他端は連鎖に固定されている。同様に、連鎖は工具を支持する可動プラットフォームに連結され、可動プラットフォームは、端が４つの連鎖に連結されている２個の部品またはバーと、その間に２個の関節式連結装置を介して組み付けられる第三のバーとにより構成され、この第三のバーが工具を支持する。

可動プラットフォームによって±４５°の回転が可能となるが、この角度範囲はギアリングを使って増幅可能である。

可動プラットフォームの特有な設計と関節式連結装置の使用とにより、均衡構成が実現され、連鎖、したがってアクチュエータの配置が強制的に非均質となる。アクチュエータのこの特別な配置と均衡構成とが複合されると、ロボットは可動範囲全体を通じた均質なパフォーマンスと高い剛性とを有することができず、これは重大な欠点となる。

特許文献２において開示されているロボットの構成を修正したものが、たとえば、出版物である、非特許文献１において紹介されている。

この非特許文献１に記載された構成は、特許文献２の主な欠点、つまり、可動範囲内での非均質なパフォーマンスと低い剛性とを補償しようとするものである。

この新しい構成は基本的に、上記の問題を必ず解決する新規な可動プラットフォームの設計に基づいており、関節式連結装置の代わりに直進ジョイントとピニオンラック付ギアリングとを使用する。これらの変更点は、まず、可動プラットフォームの異なる部品間の衝突の危険性を大幅に低減させることを示している。

特に、可動プラットフォームは３個の部品、つまり２個の側方部品と１個の中央部品とにより構成され、側方部品は、特許文献２に記載されているように、その端において玉継手を介して４つの連鎖に連結され、中央部品は直進ジョイントによって側方部品に連結される。４つの連鎖は、順に４個の対応するアクチュエータを介して固定プラットフォームに固定される。

この構成において、特許文献２のように、回転モータは、リニアモータに、また関節式連結装置は、自在継手にそれぞれ代替可能である。上記の文献に記載された新たな独特な構成のケースにおいて、同一平面上に配置され、同じ方向に配列された４個のリニアモータが使用される。

別の構成は次の非特許文献２に記載されている。

この非特許文献２のロボットを構成する４つの連鎖は、固定ベースに連結された、回転アクチュエータによって作動される可動プラットフォームに連結される。前述の構成との主な相違点は、回転アクチュエータの使用と可動プラットフォームの設計とである。具体的には、可動プラットフォームは、直進ガイドによって互いに連結される２個の部品と、ガイドの線形の並進運動または平行移動を所望の回転運動に変換するプーリシステムとにより構成される。この可動プラットフォームの設計により、アクチュエータは互いに関して９０°に配置でき、これが対称設計と可動範囲全体にわたる均質なパフォーマンスとに関わる。

最後に述べた２つの構成の主な欠点は、ピック・アンド・プレースの用途に主に必要な要求事項である高加速と高速とを実現する上での制約である。この制約は、直進ガイドの使用と、より具体的には、回転玉ガイドの再流通とに起因している。

米国特許第４，９７６，５８２号明細書 欧州特許第１，０８４，８０２号明細書 「１４：ＳＣＡＲＡ動作のための新規なパラレル機構（A new parallel mechanism for SCARA motions）」，ロボット工学及びオートメーションの電気電子技術者協会国際会議議事録（ Proc． of IEEE ICRA: Int． Conf．on Robotics and Automation),台北，台湾，２００３年９月１４−１９日 「ＳＣＡＲＡ動作のための高速パラレルロボット（A High-Speed Parallel Robot for Scara Motions）」，ロボット工学及びオートメーションの２００４電気電子技術者協会国際会議議事録（Proceeding of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation），ニューオーリンズ，ロサンゼルス,米国，２００４年４月２６日−５月１日

本発明のロボットは、４自由度で、上記のロボットの利点を備え、欠点を排除している。

具体的には、本発明によるロボットの主な利点は、高い剛性、高い精度、可動範囲全体にわたる均質なパフォーマンス、良好な動的パフォーマンス、およびあらゆる方向への超高速と高加速とである。

これらの特性は、そのアクチュエータの対称的配置、可動プラットフォームにおける関節式連結装置の使用および新たな可動プラットフォームの設計の成果として実現される。

具体的には、本発明によるロボットの可動プラットフォームは、回転継手により互いに連結される４個の部品で構成され、４個の部品の少なくとも２個は互いに平行で、その平面で１自由度を有する、平面平行四辺形と呼ばれる関節式可動プラットフォームを構成する。

加工工具は、可動プラットフォームを構成する４個の部品のいずれかと一体化される。

連鎖は、玉継手により連結される、２本ずつが平行な４本のバーにより構成される空間的平行四辺形で構成される。

これらの連鎖は、その一端が可動プラットフォームの関節式連結装置のひとつに連結され、その他端が、回転継手または並進運動継手または一方向運動継手を介して、ロボットの上部に配置されたベースプレートの中に組み付けられた各アクチュエータに連結され、詳しくは、アクチュエータはベースプレート内にどの方向にも配置される。

アクチュエータは、好ましくは、固定構造の中に対称に配置され、このアクチュエータの対称的配置と、特に平面平行四辺形の可動プラットフォームの使用とにより、優れた動的パフォーマンス、高い剛性および可動範囲全体にわたる均質なパフォーマンスが実現される。

アクチュエータを制御することによって、可動プラットフォームは４自由度でシフトする。つまり３自由度並進運動または平行移動と垂直軸に関する１自由度回転運動とにシフトする。

平面平行四辺形に伴う自由度は垂直軸に関する１自由度回転運動であり、これによって加工工具は−４５°から＋４５°の間で１自由度回転する。

ベルト、プーリまたはギアの手段による追加の機械的メカニズムを組み込み、加工工具の回転範囲を拡大することも可能である。この場合、加工工具は、必要となった追加の機械的部品のいずれかと一体化される。

上記の説明を補足し、本発明の特徴の理解を深める助けとするために、説明に不可欠の部分として図面一式を添付するが、これは例示のためであり、限定的な意味を持たない。

本発明のロボットは、図１に見られるように、それぞれの一端が、ベースプレート（３）に固定されたアクチュエータに回転継手（２）によって連結され、他端が、加工工具（５）が組み付けられる可動プラットフォーム（４）に連結される４つの連鎖（１）を備える。

連鎖の各々は、２本ずつ平行な４本のバー（６），（６’），（７），（７’）により構成され、玉継手（８）によって互いに連結されている。別の実施の形態では、連鎖は、端に２個のカルダン継手または自在継手を備える単一のバーによって構成される。

４個のアクチュエータの各々は、これをベースプレート（３）に固定するための固定用支持体（９）、支持体（９）に連結される回転モータ（１０）、回転継手（２）を回転させるモータの軸と一体化されたアームにより構成される。別の実施の形態では、同一平面に配置され、同じ方向に配列された４個のリニアモータが使用される。

可動プラットフォーム（４）は、回転継手（１３）によって互いに連結される４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）により構成され、可動プラットフォーム（４）を構成するこれらの部材の少なくとも２個は互いに平行で、可動プラットフォームの平面内で１自由度を有する、より詳しくは上記の可動プラットフォーム（４）の平面に垂直な軸に関して１自由度回転が可能な関節式可動プラットフォームを構成する。この回転によって加工工具は−４５°から＋４５°の間で１自由度回転するが、この角度範囲は増幅機構の追加によって拡大でき、これについて以下に説明する。

工具（５）は、部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のいずれかに一体化される。

添付の図面に示される実施の形態において、部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの２個の部材（１１），（１１’）は、その端に横方向の延長部分（１４）を有するアームによって構成され、延長部分（１４）には内側に穴が設けられ、その穴の中に連鎖（１）のバー（７’）が収納されて回転でき、アーム（１２），（１２’）は、バー（１１），（１１’）の横方向への延長部分（１４）にヒンジ状に連結されたバーによって構成される。

図３に示されるように、連鎖（１）のバー（７’）はアクチュエータのモータ（１０）の出力軸と同じ空間的な方向付けをされ、アクチュエータはベースプレート（３）の上に対称に配置され、これによって高い剛性、高い位置決め精度、可動範囲全体にわたる均質なパフォーマンスが実現される。

アクチュエータ、したがって連鎖のバー（７’）と可動プラットフォーム（４）の延長部分（１４）との最良の配置は、図４に示されるように４５°、１３５°、２２５°、３１５°であるが、アクチュエータの配置には無限の可能性がある。

可動プラットフォームには、工具の回転のための増幅機構を取り付け、回転範囲を広げることができる。可動プラットフォームにこれらのメカニズムを組み付けるには、多くの場合、追加の部品が必要となる。

回転増幅機構のさまざまな実施例を図５から図９に示し、これらについて以下に説明する。

図５に示す第一の実施例において、可動プラットフォーム（４）は、回転継手（１３）によって連結される４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）により構成される。４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの少なくとも２個は互いに平行である。増幅機構は、その一方のプーリ（１５）が部材（１１’）の上に組み付けられ、他方のプーリ（１６）が部材（１１）の上に組み付けられる２個のプーリ（１５），（１６）と、両方のプーリ（１５），（１６）の間に配置されたベルト（１７）とにより構成される。この実施例において、加工工具はプーリ（１６）の軸に連結されている。

図６に示す第二の実施例において、部材（１１）はギアリング部（１８）を有し、部材（１１’）は、ギアリング部（１８）とかみ合う歯車（１９）を有する。この場合、加工工具（５）はギアリングに連結され、４自由度を有する。

図７、図８は、可動プラットフォーム（４）が追加の部材、つまりアーム（２０）を備える別の実施例を示す。

図７の実施例において、可動プラットフォーム（４）は、回転継手によって互いに連結される５個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’），（２０）により構成される。４個の部材（１１）と（１１’）および（１２）と（１２’）とは２個ずつ平行であり、その端で連結されている。５個目の部材（２０）は、部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの１対の部材（１２），（１２’）に平行に配置され、その端は他の２個の部材（１１），（１１’）に連結されている。

加工部材の回転範囲は、その一方が部材（１１），（１１’）の一方に組み付けられ、他方が追加部材（２０）に組み付けられる２個のプーリ（２１），（２２）とこれに対応するベルト（２３）とによって増幅される。加工工具（５）は、プーリ（２２）に組み付けられる。

図８において、可動プラットフォーム（４）は、図７の実施例と同じ５個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’），（２０）により構成され、加工部材の回転範囲は、部材（１１），（１１’）の一方に設けられたギアリング部（２４）と、追加部材（２０）に組み付けられた歯車（２５）とによって増幅され、加工工具（５）はギアリング（２５）に組み付けられる。

図９において、可動プラットフォーム（４）は回転継手によって互いに連結される６個の部品（１１），（１１’），（１２），（１２’），（２０），（２６）により構成される。可動プラットフォーム（４）は図７、図８に示されるものと同じ部材により構成されるが、１対の部材（１１），（１１’）に平行に配置された６個目の部材（２６）を備え、６個の部品は３個ずつ平行になる。２個の追加部材（２０），（２６）は中間点で連結され、ここに加工工具（５）が配置される。回転範囲はギアボックス（２８）を使用し、ギアボックス（２８）を２個の部品（２０），（２６）が交差する点に配置することによって増幅される。

本発明のロボット体の斜視図である。 可動プラットフォームと、ロボットの連鎖に対する連結装置との詳細を示す平面図である。 本発明のロボット体の平面図である。 可動プラットフォームと、アクチュエータの配置において好ましい実施の形態との平面図である。 ２個のプーリとベルトとにより構成される増幅機構を備える可動プラットフォームの斜視図である。 切欠き部と歯車とにより構成される増幅機構を備える可動プラットフォームの透視図である。 中間部材と、２個のプーリとベルトで構成される増幅機構を備える可動プラットフォームの斜視図である。 中間部材および切欠き部と歯車で構成される増幅機構を備える可動プラットフォームの斜視図である。 ２個の中間部材とギアボックスとにより構成される増幅機構を備える可動プラットフォームの斜視図である。

Claims (21)

1. その一端が工具（５）を支持する可動プラットフォーム（４）に連結され、他端が回転継手（２）を介してベースプレート（３）と一体構造のアクチュエータに連結された４つの連鎖（１）を備える４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記可動プラットフォーム（４）は、関節式連結装置（１３）によって互いに連結された４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）により構成されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
2. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）はそれぞれの端で互いに連結され、前記部材の少なくとも２個は互いに平行であり、前記可動プラットフォームの平面内で１自由度を有する関節式可動プラットフォームを構成することを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
3. 請求項２に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記可動プラットフォームの自由度は、垂直軸に関して−４５°から４５°での１回転自由度であることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
4. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記アクチュエータは、回転モータを備え、前記ベースプレート（３）にいずれの方向にも配置されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
5. 請求項４に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記アクチュエータは、前記ベースプレート（３）において対称に配置されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
6. 請求項５に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記アクチュエータは、前記ベースプレート（３）において４５°、１３５°、２２５°、３１５°で配置されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
7. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記アクチュエータは、同一平面上に配置され、同一の方向に配列されたリニアモータを有することを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
8. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   前記連鎖（１）の各々は、２本ずつ平行で、玉継手によって互いに連結され、前記可動プラットフォーム（４）と前記アクチュエータ（２）とに連結される４本のバー（６），（６’），（７），（７’）により構成され、前記可動プラットフォーム（４）への前記連結バー（７’）は、対応するアクチュエータと同じ方向に方向付けられていることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
9. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
   その連鎖（１）の一部または全部は、その端において２個のカルダン継手または自在継手を備える単一のバーによって構成され、前記可動プラットフォーム（４）と前記アクチュエータ（２）とに連結されていることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
10. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォーム（４）は、前記加工工具（５）の回転のための増幅機構を含んでいることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
11. 請求項１０に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記増幅機構は、２個のプーリ（１５），（１６）と、ベルト（１７）とにより構成され、一方のプーリ（１５）は、前記可動プラットフォーム（４）の前記４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの１個に組み付けられ、他方のプーリ（１６）が前記可動プラットフォームの前記４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）の別の１個に連結され、前記ベルト（１７）は、両方のプーリ（１５），（１６）の間に配置されるベルト（１７）により構成され、前記加工工具（５）は前記プーリ（１６）の軸に組み付けられることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
12. 請求項１０に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記増幅機構は、前記可動プラットフォーム（４）の前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの１個に設けられた切欠き部（１８）と、前記可動プラットフォームの前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの別の１個に設けられた歯車（１９）とにより構成され、前記加工工具（５）は前記歯車（１９）に連結されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
13. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォームはさらに、前記可動プラットフォーム（４）の前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの２個の間に関節式連結装置によって配置された中間部材（２０）を備え、前記加工工具（５）は前記中間部材（２０）に組み付けられることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
14. 請求項１３に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォーム（４）を構成する前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）は２個ずつ平行に配置され、前記中間部材（２０）は、前記可動プラットフォームを構成するアームのうちの１対のアーム（１２，１２’）に平行に配置され、別の１対のアーム（１１，１１’）にその中央部分で連結されていることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
15. 請求項１４に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記加工工具の回転のための増幅機構を含んでいることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
16. 請求項１５に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記増幅機構は、２個のプーリ（２１），（２２）とベルト（２３）とにより構成され、一方のプーリ（２１）は、前記可動プラットフォーム（４）の前記４個の部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの１個に組み付けられ、他方のプーリ（２２）は、前記中間部材（２０）に連結され、前記ベルト（２３）は、両方のプーリ（２１），（２２）の間に配置され、前記加工工具（５）は前記プーリ（２２）の軸に組み付けられることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
17. 請求項１５に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記増幅機構は、前記可動プラットフォーム（４）の前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）のうちの１個に設けられた切欠き部（２４）と前記中間部材（２０）に設けられた歯車（２５）とにより構成され、前記加工工具（５）は前記歯車（２５）に連結されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
18. 請求項１に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォーム（４）はさらに、前記可動プラットフォーム（４）に関節式連結装置によって連結される２個の中間部材（２０），（２６）を備えることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
19. 請求項１８に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォーム（４）を構成する前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）は３個ずつ平行に配置され、前記中間部材（２０），（２６）の一方の中間部材（２０）は、前記可動プラットフォーム（４）を構成するアームのうちの１対のアーム（１２，１２’）に平行に組み付けられ、前記一方の中間部材（２０）は、その中央部で前記部材（１１），（１１’），（１２），（１２’）の他の２個の部材（１１，１１’）に中央部で連結され、前記第二の中間部材（２６）は前記可動プラットフォーム（４）の第二の対のアーム（１１，１１’）に平行に組み付けられ、前記他の部材（１２，１２’）にその中央部で連結され、前記２個の中間部材（２０），（２６）は位置（２７）で互いに連結され、この位置（２７）に前記加工工具（５）が配置されることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
20. 請求項１９に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記可動プラットフォームは、前記工具の回転のための増幅部材を備えることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。
21. 請求項２０に記載の４自由度高速パラレルロボットであって、
    前記増幅部材は、前記中間部材（２０），（２６）の前記連結位置（２７）に組み付けられたギアボックス（２８）を備えることを特徴とする４自由度高速パラレルロボット。

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