JP2009297792A - パラレルメカニズム - Google Patents

Abstract

【課題】 目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度を向上させることが可能なパラレルメカニズムを提供する。
【解決手段】 パラレルメカニズム１は、ベース部２に取り付けられた３つの電動モータ４と、エンドエフェクタ１３が取り付けられるブラケット１４とが３つのアーム本体６によって並列に連結されて構成されている。電動モータ４を制御する電子制御装置３０は、停止状態のエンドエフェクタ１３をＡ点から目標位置（Ｆ点）まで動かす際に、エンドエフェクタ１３を加速する際の加速度が、減速する際の減速度よりも大きくなるように、かつ、加速時間ｔ１が減速時間ｔ３よりも短くなるように電動モータ４を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、パラレルメカニズムに関する。

従来から、支持基盤であるベース部とエンドエフェクタ（手先効果器）が取り付けられるブラケットとが複数のリンクにより並列に結合されたパラレルメカニズムが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。パラレルメカニズムでは、例えば電動モータ等のアクチュエータが並列に配置されるとともに、各電動モータに連結された複数のリンク（アーム）が最終的に一つのエンドエフェクタを操るように構成されている。

このような構成を有するパラレルメカニズムは、シリアルメカニズム等の関節機構と比較して、関節毎に電動モータ等を設ける必要がなく、関節に設けられている電動モータ等を振り回す必要もないため関節機構を軽量に作ることができる。また、パラレルメカニズムでは、すべての電動モータ等の力が一箇所に集約されるため出力を大きくすることができる。さらに、パラレルメカニズムは、三角錐構造を採るため非常に剛性が高い。このように、パラレルメカニズムは、軽量、高出力、高剛性という特徴を有するため、エンドエフェクタを非常に高速で動かすことができる。そのため、パラレルメカニズムは、例えば、搬送対象物をつかみに行き、該搬送対象物をエンドエフェクタで把持した後に、該搬送対象物を把持したまま所定位置まで搬送するといった動作を高速で繰り返し実行することが求められるような用途に用いられる。
特開平６−２７００７７号公報 特開２００１−２７７１６４号公報 特表２００５−５２８９９３号公報

しかしながら、パラレルメカニズムを高速で往復運動させると、エンドエフェクタが振動し、搬送対象物をつかむ際や、所定位置で放す際に、エンドエフェクタの位置精度が悪化するという問題があった。そこで、往復運動に要する時間を増大させることなく、エンドエフェクタが目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度を向上させたいという要望（すなわち、搬送対象物をつかむ際や放す際の位置ずれを減少したいという要望）があった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度を向上させることが可能なパラレルメカニズムを提供することを目的とする。

本発明者達は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、次のような知見を得た。すなわち、パラレルメカニズムを高速で目標位置まで動かす場合、急加速・急停止（急減速）する際に、パラレルメカニズムに加振力が作用し、パラレルメカニズムが横揺れを起こす。その横揺れが先端部で拡大され、エンドエフェクタが振動する。そして、エンドエフェクタが目標位置に到達したとき、すなわち搬送対象物をつかむ際や放す際に振動が収まっていないと、エンドエフェクタが位置ずれを起こすため、位置精度が悪化する。

そこで、本発明に係るパラレルメカニズムは、ベース部に取り付けられた複数のアクチュエータと、エンドエフェクタが取り付けられるブラケットとが複数のアームによって並列に連結されたパラレルメカニズムにおいて、アクチュエータを制御する制御手段を備え、制御手段が、停止状態のエンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、エンドエフェクタを加速する際の加速度が、減速する際の減速度よりも大きくなるようにアクチュエータを制御することを特徴とする。

本発明に係るパラレルメカニズムによれば、エンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、減速時の減速度をより小さくして緩やかに減速させることにより、減速時に作用する加振力が低減されるため、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの振動を低減することができる。一方、加速時の加速度がより大きくされることによりエンドエフェクタが目標位置に到達するまでに要する時間の増大が抑制される。その結果、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度を向上させることが可能となる。

本発明に係るパラレルメカニズムでは、上記制御手段が、停止状態のエンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、エンドエフェクタを加速する時間が、減速する時間よりも短くなるようにアクチュエータを制御することが好ましい。

このようにすれば、減速時間をより長く取ることができるため、エンドエフェクタを減速している間に振動を充分に低減することができる。一方、加速時間が短縮されるため、目標位置に到達するまでに要するトータルの時間の増大を抑制することができる。その結果、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度をより向上させることが可能となる。

また、上記制御手段は、駆動開始からの経過時間とエンドエフェクタの目標速度との関係を定めた速度制御パターンを予め記憶しており、エンドエフェクタの現在位置と、目標位置と、速度制御パターンとに基づいて、アクチュエータを制御することが好ましい。

このようにすれば、エンドエフェクタの現在位置と目標位置とを取得することにより、上記速度制御パターンに基づいて、エンドエフェクタの目標移動位置、すなわちアクチュエータの目標駆動量を決定することが可能となる。

ここで、上記速度制御パターンは、停止状態のエンドエフェクタが目標位置に到達するまでの時間が、エンドエフェクタを加速する時間と減速する時間とが同じ場合と比較して、変化しないように設定されていることが好ましい。

このようにすれば、停止状態のエンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、加速時間と減速時間とが同じ場合と比較して、所要時間が増大することを確実に防止することが可能となる。

本発明に係るパラレルメカニズムでは、上記アクチュエータとして、電動モータが好適に用いられる。

本発明によれば、停止状態のエンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、エンドエフェクタを加速する際の加速度が、減速する際の減速度よりも大きくなるようにアクチュエータを制御する構成としたので、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタの位置精度を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を併せて用いて、実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成について説明する。図１は、実施形態に係るパラレルメカニズム１の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズム１を示す図である。

パラレルメカニズム１は、上部にベース部２を有している。パラレルメカニズム１は、ベース部２の下面側に形成された平らな取付面２ａが例えば水平な天井等に固定されることによって支持される。一方、ベース部２の下面側には、３つの支持部材３が設けられている。各支持部材３には、それぞれ電動モータ４が支持されている。電動モータ４は、モータ軸の軸線Ｃ２がベース部２の取付面２ａに対して平行（すなわち水平）となるように支持されている。それぞれの支持部材３は、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置されており、各電動モータ４もまた、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置される（図２参照）。

各電動モータ４の出力軸には、軸線Ｃ２に対して同軸に略六角柱形状のアーム支持部材５が固定されている。アーム支持部材５は、電動モータ４が駆動されることにより軸線Ｃ２を中心として回転する。なお、各電動モータ４は、モータドライバを含む電子制御装置３０に接続されており、電動モータ４の出力軸の回転がこの電子制御装置３０によって制御される。なお、電子制御装置３０の詳細については後述する。

パラレルメカニズム１は、３本のアーム本体６を有しており、各アーム本体６は、第１アーム７及び第２アーム８を含んで構成される。第１アーム７は、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。第１アーム７の基端部は、アーム支持部材５の側面に取り付けられている。第１アーム７は、その軸線が上述した軸線Ｃ２と直交するように固定される。

第１アーム７の遊端部には、第２アーム８の基端部が連結され、第２アーム８が、第１アーム７の遊端部を中心として揺動できるように構成されている。第２アーム８は、一対の長尺のロッド９，９を含んで構成されており、一対のロッド９，９は、その長手方向において互いに平行となるように配置されている。ロッド９も、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。各ロッド９の基端部は、第１アーム７の遊端部に、一対のボールジョイント１０，１０によって連結されている。なお、各ロッド９の基端部における各ボールジョイント１０，１０間を結ぶ軸線Ｃ３が、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となるため、第２アーム８は軸線Ｃ３を中心として揺動する。

また、第２アーム８の基端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１１で互いに連結されており、第２アーム８の遊端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１２で互いに連結されている。連結部材１１、及び連結部材１２は、例えば、付勢部材としての引張コイルバネを有しており、一対のロッド９，９を互いに引き合う方向に付勢する。なお、連結部材１１と連結部材１２とは、異なる構造であっても構わないが同一構造であることが低コストの観点から好ましい。いずれの連結部材１１，１２も、各ロッド９が自身の長手方向に平行な軸線まわりに回転することを防止する機能を有する。

また、パラレルメカニズム１は、エンドエフェクタ１３を回動可能に取り付けるためのブラケット１４を有している。ブラケット１４は、略正三角形状をした板状部材である。このブラケット１４は、３本のアーム本体６によって、ブラケット１４のエンドエフェクタ１３の取付面１４ａ（図１におけるブラケット１４の下面）がベース部２の取付面２ａと平行（すなわち水平）になるように保持される。

ブラケット１４の各辺には取付片１５が形成されている。各取付片１５がそれぞれのアーム本体６の遊端部（第２アーム８を構成する一対のロッド９，９の遊端部）に連結されることで、ブラケット１４は、各アーム本体６に対して、各アーム本体６の遊端部を中心として揺動する。詳しくは、ブラケット１４の各取付片１５の各端部が、対応する各ロッド９，９の遊端部に各ボールジョイント１６，１６によって連結される。なお、一対のボールジョイント１６，１６を結ぶ軸線Ｃ４（図２参照）も、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となる。このため、ブラケット１４は、水平な軸線Ｃ４を中心として各アーム本体６に対して揺動することができる。そして、略正三角形状のブラケット１４のすべての辺において、水平な軸線Ｃ４を中心として揺動できるように、ブラケット１４が３本のアーム本体６によって支持されている。

第１アーム７と第２アーム８との連結部における一対のボールジョイント１０，１０間の距離と、第２アーム８の各ロッド９とブラケット１４との連結部における一対のボールジョイント１６，１６間の距離とは等しく設定されている。そのため、上述したように、第２アームを構成する一対のロッド９は、その長手方向の全長において互いに平行に配置される。軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のいずれもが、ベース部２の取付面２ａに平行であるから、第１アーム７、第２アーム８及びブラケット１４がそれぞれ軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を中心にどのように揺動したとしても、ブラケット１４のエンドエフェクタ１３の取付面１４ａとベース部２の取付面２ａとの平行関係が維持される。

そして、電子制御装置３０からの指令に応じて、各電動モータ４の出力軸に固定されたアーム支持部材５の回転位置が制御されることで、各第１アーム７の遊端部の位置が制御される。この制御された各第１アーム７の遊端部の位置に、各第２アーム８の遊端部の位置が追従し、その結果、ブラケット１４のエンドエフェクタ１３の取付面１４ａの位置が決まる。このとき、上述したように、ブラケット１４は、水平姿勢を維持したまま移動する。

すなわち、電子制御装置３０は、各電動モータ４を制御することによって、アーム本体６を駆動し、エンドエフェクタ１３を目標位置まで動かすものであり、特許請求の範囲に記載の制御手段として機能する。電子制御装置３０としては、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、又は専用の制御用コンピュータ等が好適に用いられる。電子制御装置３０は、演算を行うマイクロプロセッサ、マイクロプロセッサに各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ等により構成されている。電子制御装置３０は、ＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することにより、電動モータ４を駆動して、パラレルメカニズム１の動き（すなわちエンドエフェクタ１３の位置）を制御する。

次に、図３、図４を用いて、パラレルメカニズム１の動作について説明する。ここでは、エンドエフェクタ１３が、搬送対象物をつかみに行くときの動作を例にして説明する。なお、該搬送対象物を把持した後に、該搬送対象物を把持しまま所定位置まで搬送するときの動作は、以下に説明する動作と動作方向が逆になること以外は同一又は同様であるので、ここでは説明を省略する。図３は、エンドエフェクタ１３の移動軌跡（ｘ（ｙ），ｚ平面上）を示す図であり、図４は、エンドエフェクタ１３の水平方向（ｘ，ｙ平面上）の速度制御パターンの一例とを示す図である。なお、図３、図４において、実線は、本実施形態に係るパラレルメカニズム１でのエンドエフェクタ１３の移動軌跡、及び速度制御パターンを示し、破線は、従来のパラレルメカニズム（加速時間＝減速時間）でのエンドエフェクタの移動軌跡、及び速度制御パターンを示す。

図３中、Ａ点は初期停止位置（現在位置）であり、Ｆ点は搬送対象物の位置（すなわち、搬送対象物をつかみに行くときの目標位置）である。Ａ点で停止しているエンドエフェクタ１３が、Ｆ点まで搬送対象物をつかみに行く場合、まず、Ａ点からＢ点まで、エンドエフェクタ１３が鉛直上方に持ち上げられる。なお、この区間は、鉛直上方（ｚ方向）への移動であるので、図３に示される水平方向（ｘ，ｙ方向）の速度制御パターンにおける速度はゼロになっている。次に、Ｂ点からＣ１点まで、エンドエフェクタ１３が水平方向に加速されながら上方向かつ水平方向に動かされる。続いて、Ｃ１点からＣ２点まで、エンドエフェクタ１３が水平方向の速度を一定に保ちながら上方向かつ水平方向に動かされる。次に、Ｃ２点からＤ１点まで、エンドエフェクタ１３が一定の速度で水平方向に動かされる。さらに、Ｄ１点からＤ２点まで、エンドエフェクタ１３が減速されながら水平方向に動かされる。ここで、Ｃ２点〜Ｄ２点を移動する間、ｚ方向への移動はゼロとなっている。そして、Ｄ２点からＥ点（目標位置の鉛直上方の位置）まで、エンドエフェクタ１３が水平方向に減速されながら水平方向かつ下方向に動かされる。その後、Ｅ点からＦ点まで、エンドエフェクタ１３が鉛直下方に下ろされる。なお、この区間も、下方向（ｚ方向）への移動であるので、図３に示される水平方向（ｘ，ｙ方向）の速度制御パターンにおける速度はゼロになっている。このようにエンドエフェクタ１３をＡ点からＦ点まで動かす場合、電子制御装置３０は、予め記憶されている、駆動開始からの経過時間とエンドエフェクタ１３の目標速度との関係を定めた速度制御パターンに基づいて、電動モータ４を制御する。以下、水平方向の移動について、より具体的に説明する。

まず、電子制御装置３０では、エンドエフェクタ１３の現在位置（Ａ点）、及び目標位置（Ｆ点）が読み込まれる。ここで、エンドエフェクタ１３の現在位置は、各電動モータ４の駆動位置から求めることができる。また、目標位置は、例えば、所定の位置（座標）に取り付けられたカメラで撮像された撮像画像に対して画像処理等を施し、搬送対象物を認識することによって取得することができる。次に、電子制御装置３０では、現在位置と目標位置とから目標位置までの距離が求められるとともに、得られた距離に速度制御パターンが当てはめられ、加速時間ｔ１、定速時間ｔ２、減速時間ｔ３、及び最高速度Ｖが設定される。

ここで、速度制御パターンは、図４に実線で示されているように、加速領域、定速領域、及び加速領域を含み、エンドエフェクタ１３を加速する際の加速度が、減速する際の減速度よりも大きくなるように設定されている。また、速度制御パターンは、エンドエフェクタ１３を加速する時間ｔ１が、減速する時間ｔ３よりも短くなるように設定されている。さらに、速度制御パターンは、Ａ点からＦ点（目標位置）に到達するまでに要する時間が、エンドエフェクタ１３を加速する時間（ｔ１’）と減速する時間（ｔ３’）とが同じ場合（図４中の破線参照）と同一となるように設定されている。なお、例えば、エンドエフェクタ１３が１２０サイクル／分で往復運動する場合、Ａ点−Ｆ点間の所要時間（片道）は０．２５秒となる。

加速時間ｔ１、定速時間ｔ２、減速時間ｔ３、及び最高速度Ｖが設定された後、電子制御装置３０では、各時間が設定された速度制御パターンに基づいて、制御周期毎にエンドエフェクタ１３の目標移動位置が求められる。続いて、得られた目標移動位置に応じて３つの電動モータ４それぞれの目標駆動位置が求められる。そして、制御周期毎に、各電動モータ４に対して目標駆動位置と現在位置とが一致するように駆動電流が供給され、各電動モータ４が駆動される。そして、各電動モータ４が駆動されることにより、各アーム本体６が駆動され、エンドエフェクタ１３が、Ａ点からＦ点（目標位置）まで動かされる。

ここで、エンドエフェクタ１３をＡ点からＦ点まで動かしたときのエンドエフェクタ１３の目標位置付近の移動軌跡を図５に示す。図５は、エンドエフェクタ１３の目標軌跡と実際の移動軌跡とを示す図である。図５において、一点鎖線は、エンドエフェクタ１３の目標軌跡（目標移動位置）である。実線は、本実施形態に係るパラレルメカニズム１のエンドエフェクタ１３の移動軌跡である。また、破線は、加速時間ｔ１’と減速時間ｔ３’とを同じにした場合のエンドエフェクタの移動軌跡を示す。

図５に示されるように、本実施形態によれば、停止状態のエンドエフェクタ１３を目標位置（Ｆ点）まで動かす際に、減速時の減速度をより小さくして緩やかに減速させることにより、減速時に作用する加振力が低減されるため、目標位置に到達したときのエンドエフェクタ１３の振動を低減することができる。一方、加速時の加速度がより大きくされることによりエンドエフェクタ１３が目標位置に到達するまでに要する時間の増大が抑制される。その結果、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタ１３の位置精度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、停止状態のエンドエフェクタ１３を目標位置（Ｆ点）まで動かす際に、エンドエフェクタ１３を加速する時間ｔ１が、減速する時間ｔ３よりも短くなるように電動モータ４が制御される。そのため、減速時間ｔ３をより長く取ることができるため、エンドエフェクタ１３を減速している間に振動を充分に低減することができる。一方、加速時間ｔ１が短縮されるため、目標位置に到達するまでに要するトータルの時間の増大を抑制することができる。その結果、目標位置に到達するまでに要する時間を増大させることなく、目標位置に到達したときのエンドエフェクタ１３の位置精度をより向上させることが可能となる。

本実施形態によれば、エンドエフェクタ１３の現在位置と、目標位置と、速度制御パターンとに基づいて、電動モータ４が制御される。そのため、エンドエフェクタ１３の現在位置と目標位置とを検知することにより、速度制御パターンに基づいて、エンドエフェクタ１３の目標移動位置、すなわち電動モータ４の指令電流値を決定することが可能となる。

また、本実施形態によれば、速度制御パターンが、停止状態のエンドエフェクタ１３が目標位置に到達するまでの時間が、エンドエフェクタ１３を加速する時間と減速する時間とが同じ場合と比較して、変化しないように設定されている。そのため、停止状態のエンドエフェクタ１３を目標位置まで動かす際に、加速時間と減速時間とが同じ場合と比較して、所要時間が増大することを確実に防止することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、速度制御パターンは、加速度＞減速度、かつ、加速時間＜減速時間となるように設定されていればよく、また、最高速度も全体の所要時間が増大しないように設定されていればよく、その形状は、図４に示された形状には限定されない。ここで、速度制御パターンの他の例を図６に示す。図６に示されるように、速度制御パターンは、加速領域と定速領域との間の変曲点、及び定速領域と減速領域との変曲点を無くし、各領域間を滑らかに繋ぐような形状としてもよい。さらに、加速領域中及び／又は減速領域中の直線部分をゼロにし、Ｓ字カーブで繋ぐような形状としてもよい。

上記実施形態では、水平方向の移動について説明したが、鉛直方向の移動についても同様に本発明を適用することができる。すなわち、エンドエフェクタ１３を上方向に上昇させる際の加速度を下方向に降下させる際の減速度よりも大きくし、加速時間が減速時間よりも短くなるように設定してもよい。また、上記実施形態では、エンドエフェクタ１３が鉛直方向と水平方向に移動したが、水平方向のみに移動するような構成であってもよい。

実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成を示す斜視図である。 図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズムを示す図である。 エンドエフェクタの移動軌跡を示す図である。 エンドエフェクタの水平方向の速度制御パターンの一例を示す図である。 エンドエフェクタの目標軌跡と実際の移動軌跡とを示す図である。 水平方向の速度制御パターンの他の例を示す図である。

符号の説明

１ パラレルメカニズム
２ ベース部
３ 支持部材
４ 電動モータ
５ アーム支持部材
６ アーム本体
７ 第１アーム
８ 第２アーム
９ ロッド
１０，１６ ボールジョイント
１１，１２ 連結部材
１３ エンドエフェクタ
１４ ブラケット
１５ 取付片
３０ 電子制御装置

Claims (5)

1. ベース部に取り付けられた複数のアクチュエータと、エンドエフェクタが取り付けられるブラケットとが複数のアームによって並列に連結されたパラレルメカニズムにおいて、
   前記アクチュエータを制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、停止状態の前記エンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、前記エンドエフェクタを加速する際の加速度が、減速する際の減速度よりも大きくなるように前記アクチュエータを制御することを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記制御手段は、停止状態の前記エンドエフェクタを目標位置まで動かす際に、前記エンドエフェクタを加速する時間が、減速する時間よりも短くなるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１に記載のパラレルメカニズム。
3. 前記制御手段は、駆動開始からの経過時間と前記エンドエフェクタの目標速度との関係を定めた速度制御パターンを予め記憶しており、前記エンドエフェクタの現在位置と、前記目標位置と、前記速度制御パターンとに基づいて、前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム。
4. 前記速度制御パターンは、停止状態の前記エンドエフェクタが前記目標位置に到達するまでの時間が、前記エンドエフェクタを加速する時間と減速する時間とが同じ場合と比較して、変化しないように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のパラレルメカニズム。
5. 前記アクチュエータは、電動モータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパラレルメカニズム。
   

Images