JP2010023201A - パラレルリンク機構、およびパラレルリンク機構を備えたマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】空間４自由度を有するパラレルリンク機構を備えたマニピュレータにおいて、リンクに生じる曲げモーメントに起因する剛性の低下を抑制する。
【解決手段】第１〜第４可動リンク１１〜１４は、一端が２自由度以上の回転が可能な関節３１を介してベースプレート２に連結され、他端が２自由度以上の回転が可能な関節３２を介してエンドプレート３に連結されており、前記一端および前記他端の合計で５自由度の回転が可能である。第１固定リンク２１および第２固定リンク２２は、一端が１自由度以上の回転が可能な関節３３を介してベースプレート２に連結され、他端が３自由度以上の回転が可能な関節３４を介してエンドプレート３に連結されている。第１固定リンク２１および第２固定リンク２２は、ベースプレート２に対しては互いに異なる位置に連結されているが、エンドプレート３に対しては同一の位置に連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラレルリンク機構、およびパラレルリンク機構を備えたマニピュレータに関する。

従来から、シリアルリンク構造のマニピュレータが知られている。しかし、シリアルリンク構造のマニピュレータでは、人の腕に類似したマニピュレータを構成しようとすると、自由度が増すごとに剛性が低下するという問題がある。一方、リンクを並列に接続して構成するパラレルリンク機構は、複数の自由度を同時に実現するため、自由度ごとにリンクを直列につなぐものと比較して、剛性を高めることが可能である。

パラレルリンク機構として、空間６自由度を有するパラレルリンク機構が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。しかし、６自由度を有するパラレルリンク機構では、人の前腕もしくは上腕に類似した４自由度の動作を行う際には、自由度が冗長となる。そのため、無駄な自由度の分だけ、アクチュエータやリンクなどが無駄に増加することになる。したがって、大重量化や構成の複雑化を招くことになる。また、制御が複雑になるといった課題もある。

一方、空間４自由度を有するパラレルリンク機構も知られている（下記特許文献２参照）。特許文献２に開示されたパラレルリンク機構では、ベースプレートとエンドイフェクタとの間に、４本の直動アクチュエータがそれぞれ関節を介して連結されている。各直動アクチュエータの両端部の関節における自由度の和は、５自由度以上となっている。また、ベースプレートとエンドイフェクタとの間に、１本の拘束リンクが関節を介して連結されている。この拘束リンクの両端部の各関節における自由度の和は、４自由度以上となっている。そして、上記４本の直動アクチュエータは、拘束リンクの関節を通るｚ軸まわりにねじったように配置されている。これにより、ｘｙｚ軸直交座標系におけるｘ、ｙ、ｚの各軸まわりの角変位が可能となる。
特開平０８−１６５６７３号公報（図３） 特開平０８−０１１０８１号公報

上述のように、特許文献２に開示された空間４自由度を有するパラレルリンク機構では、ベースプレートとエンドイフェクタとの間に１本の拘束リンクを設け、４本の直動アクチュエータをｚ軸まわりに同一回転方向にねじったように配置することにより、変位不能となるいわゆる特異姿勢を回避し、角変位を可能にしている。しかし、上記パラレルリンク機構では、拘束リンクに軸方向以外の力、すなわち曲げモーメントが発生する。そのため、拘束リンクに軸方向以外の力が働かない場合に比べて、ベースプレートとエンドイフェクタとの間の剛性が低くなる。特に、ベースプレートとエンドイフェクタとの距離、つまりは拘束リンクの長さが比較的長い場合には、剛性の低下がより顕著になる。また、上記パラレルリンク機構では、４本のアクチュエータの配置を、例えば拘束リンクを中心とした正方形上に配置してしまうと、ｚ軸まわりに同一回転方向にねじったとしても、基準姿勢で特異点となってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空間４自由度を有するパラレルリンク機構を備えたマニピュレータにおいて、リンクに生じる曲げモーメントに起因する剛性の低下を抑制することにある。

本発明に係るパラレルリンク機構は、図９に一例を示すように、第１の部材と、前記第１の部材から離間した第２の部材と、一端が２自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材の第１〜第４の位置にそれぞれ連結され、他端が２自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の第５〜第８の位置にそれぞれ連結され、前記一端および前記他端の合計で５自由度の回転が可能であり、伸縮用のアクチュエータを有する伸縮自在な第１〜第４の可動リンクと、一端が１自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材の第９の位置に連結され、他端が３自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の第１０の位置に連結された、伸縮不能な第１の固定リンクと、一端が１自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材における前記第９の位置と異なる位置である第１１の位置に連結され、他端が３自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の前記第１０の位置に連結された、伸縮不能な第２の固定リンクと、からなるものである。

本発明に係るマニピュレータは、前記パラレルリンク機構を備えたものである。

上記マニピュレータによれば、固定リンクを含む各リンクに軸方向以外の力が作用しない。そのため、各リンクに曲げモーメントが発生しない（なお、曲げモーメントが発生しない理由については、後ほど詳述する）。したがって、空間４自由度を有するパラレルリンク機構において、ベースプレートとエンドイフェクタとの間の剛性を向上させることができる。よって、剛性の高いマニピュレータを実現することができる。

前記マニピュレータは、上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、前記前腕部が前記パラレルリンク機構によって構成されているものであってもよい。

このことにより、手首の３自由度と肘の１自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

前記マニピュレータは、上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、前記上腕部が前記パラレルリンク機構によって構成されているものであってもよい。

このことにより、肩の３自由度と肘の１自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

前記マニピュレータは、上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、前記上腕部および前記前腕部が、それぞれ前記パラレルリンク機構によって構成されているものであってもよい。

このことにより、肩の３自由度と手首の３自由度と肘の２自由度とからなる８自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

なお、前記アクチュエータは、流体圧で駆動されるアクチュエータであってもよい。また、前記アクチュエータは、モータとボールねじとを有するアクチュエータであってもよい。また、前記アクチュエータは、モータとラックアンドピニオン機構を有するアクチュエータや、モータとベルトを有するアクチュエータなど、直線運動が可能なアクチュエータであればどのようなものでもよい。

前記マニピュレータにおいて、前記第１の部材の前記第９の位置と前記第１１の位置とを結ぶ直線から、前記第２の部材の前記第１０の位置へ下ろした垂線が、前記第１の部材および前記第２の部材とそれぞれ直交するときの姿勢を基準姿勢としたとき、この基準姿勢において、前記第２の部材の前記第５の位置と前記第７の位置とを結ぶ直線と、前記第６の位置と前記第８の位置とを結ぶ直線の交点を通り、第２の部材と直交する軸に関して、前記第１の可動リンクおよび前記第３の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが正および負のいずれか一方の値で、前記第２の可動リンクおよび前記第４の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが他方の値となるように、第１〜第４の可動リンクが配置されていることが好ましい（図１０参照）。

このような配置により、基準姿勢を中心として、できるだけ広い領域で特異姿勢とならないようにすることができる。

本発明によれば、空間４自由度を有するパラレルリンク機構を備えたマニピュレータにおいて、リンクに生じる曲げモーメントに起因する剛性の低下を抑制することができる。

（パラレルリンク機構）
図１に示すように、本実施形態に係るパラレルリンク機構１は、ベースプレート２と、ベースプレート２から離間したエンドプレート３とを備えている。ベースプレート２とエンドプレート３とは、第１可動リンク１１と、第２可動リンク１２と、第３可動リンク１３と、第４可動リンク１４と、第１固定リンク２１と、第２固定リンク２２とを介して連結されている。

第１可動リンク１１の一端１１ａは、２自由度以上の回転が可能な関節３１を介してベースプレート２に連結されている。第１可動リンク１１の他端１１ｂは、２自由度以上の回転が可能な関節３２を介してエンドプレート３に連結されている。なお、第１可動リンク１１は、一端１１ａおよび他端１１ｂの合計で５自由度の回転が可能になっている。第１可動リンク１１は、伸縮駆動用のアクチュエータ１０を備えており、軸方向に伸縮自在である。なお、アクチュエータ１０の種類は特に限定されないが、例えば、エアシリンダ、水圧シリンダ、および油圧シリンダ等の流体圧シリンダを好適に用いることができる。また、アクチュエータ１０として、モータとボールねじとを有するアクチュエータを用いてもよい。

第２可動リンク１２、第３可動リンク１３、および第４可動リンク１４は、第１可動リンク１１と同様の構成を有している。また、第２可動リンク１２、第３可動リンク１３、および第４可動リンク１４のベースプレート２およびエンドプレート３に対する連結態様についても、第１可動リンク１１と同様である。そのため、第２可動リンク１２、第３可動リンク１３、および第４可動リンク１４の説明は省略する。

第１固定リンク２１および第２固定リンク２２は、伸縮不能なリンクである。第１固定リンク２１の一端２１ａおよび第２固定リンク２２の一端２２ａは、いずれも１自由度以上の回転が可能な関節３３を介してベースプレート２に連結されている。なお、第１固定リンク２１の一端２１ａと、第２固定リンク２２の一端２２ａとは、ベースプレート２の異なる位置に連結されている。第１固定リンク２１の他端２１ｂと第２固定リンク２２の他端２２ｂとは、３自由度以上の回転が可能な関節３４を介してエンドプレート３に連結されている。第１固定リンク２１の他端２１ｂと第２固定リンク２２の他端２２ｂとは、同一の関節３４に接続されている。そのため、エンドプレート３に対する第１固定リンク２１の他端２１ｂの連結位置と、エンドプレート３に対する第２固定リンク２２の他端２２ｂの連結位置とは、同一の位置となっている。

本実施形態では、基準姿勢で、前記第２の部材の前記第５の位置と前記第７の位置とを結ぶ直線と、前記第６の位置と前記第８の位置とを結ぶ直線の交点を通り、第２の部材と直交する軸に関して、前記第１の可動リンクおよび前記第３の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが正または負のいずれか一方の値で、前記第２の可動リンクおよび第４の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが他方の値となるように、第１〜第４の可動リンクが配置されている。ただし、第１〜第４の可動リンクは、他の態様で配置されていてもよい。

本実施形態では、上記配置により、基準姿勢を中心として、できるだけ広い領域で特異姿勢とならないようにすることができる。

４自由度の回転と可動リンクの変位に関するヤコビ行列が正則でないとき特異姿勢となるが、行列が正則でないことと、その行列式が０となることは等価であるので、ヤコビ行列の行列式を調べることで、どの姿勢のときに特異となるかを調べたデータを以下に示す。

図１１および図１２における点線で示した姿勢が、行列式が０となる姿勢であり、特異姿勢である。図１１、図１２は、前記特許文献１に開示されたリンク配置、本実施形態に係るリンク配置のヤコビ行列の行列式をそれぞれ表している。図１１および図１２では、基準姿勢を中心に、第２部材の第１０の位置を通り第２部材と平行な２つの軸回りにθｘ、θｙを振ったときのヤコビ行列の行列式を等高線として表している。

（各リンクに曲げモーメントが発生しない理由）
ここで、図１３〜図１５を参照しながら、本実施形態に係るパラレルリンク機構の構成によって、各リンクに曲げモーメントが発生しないメカニズムを説明する。

図１３（ａ）および（ｂ）は、「第２の部材側で３自由度の回転、第１の部材側で１自由度の回転」を実現する機構であり、図１３（ａ）は従来のリンク機構、図１３（ｂ）は本実施形態に係るリンク機構を模式的に表している。

ここで、それぞれ固定リンクについて着目してみると、固定リンクと第１の部材の間の関節は、上記従来のリンク機構では１自由度、本実施形態に係るリンク機構では３自由度の回転関節であり、拘束力によって第１の部材から固定リンクに加えられる力とモーメントはそれぞれ、
従来のリンク機構：X軸方向の力／Y軸方向の力／Z軸方向の力／
Y軸回りのモーメント／Z軸回りのモーメント
本実施形態のリンク機構：X軸方向の力／Y軸方向の力／Z軸方向の力（固定リンク１、２それぞれに）
となる。

ここで、第２の部材から加えられる、X軸方向の力に対して、固定リンクは釣り合うので、

以上より、従来のリンク機構では、固定リンクにせん断力F1と曲げモーメントτ1が働き、本実施形態のリンク機構では、固定リンクの軸方向の力しか働かない。なお、同様の考察より、第２の部材から加えられる、Z軸方向の力に対する釣り合いでは、従来のリンク機構、本実施形態に係るリンク機構ともに軸方向の力しか働かない。

（マニピュレータ）
次に、上記パラレルリンク機構１を備えたマニピュレータの例について説明する。以下に説明するマニピュレータは、人間の腕に類似したマニピュレータであり、人間の腕と同様の動作を行う。

図２に示すマニピュレータ５１は、上腕部６１と前腕部６２とを備え、上腕部６１がパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５１では、ベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が肩７１に対応する。ただし、ベースプレート２とエンドプレート３とを入れ替えることも可能である。なお、符号６３は、上腕部６１に対する前腕部６２の回転軸を表している。すなわち、符号６３は、肘の回転軸に対応する。

図３に示すマニピュレータ５２も、上腕部６１と前腕部６２とを備え、上腕部６１がパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５２においても、ベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が肩７１に対応する。ただし、ベースプレート２とエンドプレート３とは、入れ替えてもよい。このマニピュレータ５２は、前記マニピュレータ５１と肘の回転軸６３の方向が異なっている。

上記マニピュレータ５１，５２によれば、肩７１の３自由度と肘７２の１自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

図４に示すマニピュレータ５３は、上腕部６１と前腕部６２とを備え、前腕部６２がパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５３では、ベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が手首７３に対応する。ただし、ベースプレート２とエンドプレート３とを入れ替えることも可能である。

図５に示すマニピュレータ５４も、上腕部６１と前腕部６２とを備え、前腕部６２がパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５４でも、ベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が手首７３に対応する。ただし、ベースプレート２とエンドプレート３とを入れ替えることも可能である。

上記マニピュレータ５３，５４によれば、手首７３の３自由度と肘７２の１自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

図６に示すマニピュレータ５５は、上腕部６１と前腕部６２とを備え、上腕部６１および前腕部６２のそれぞれがパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５５では、上腕部６１側のパラレルリンク機構１のベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が肩７１に対応する。また、前腕部６２側のパラレルリンク機構１のベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が手首７３に対応する。なお、上腕部６１側および前腕部６２側の各パラレルリンク機構１において、ベースプレート２とエンドプレート３とを入れ替えることが可能である。

図７に示すマニピュレータ５６も、上腕部６１と前腕部６２とを備え、上腕部６１および前腕部６２のそれぞれがパラレルリンク機構１によって構成されているものである。このマニピュレータ５５においても、上腕部６１側のパラレルリンク機構１のベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が肩７１に対応する。また、前腕部６２側のパラレルリンク機構１のベースプレート２が肘７２に対応し、エンドプレート３が手首７３に対応する。なお、上腕部６１側および前腕部６２側の各パラレルリンク機構１において、ベースプレート２とエンドプレート３とを入れ替えてもよい。このマニピュレータ５６は、前記マニピュレータ５５と肘の回転軸６３の方向が異なっている。

上記マニピュレータ５５，５６によれば、肩７１の３自由度と手首７３の３自由度と肘７２の２自由度とからなる８自由度を実現した人間の腕に類似したマニピュレータを得ることができる。

図８は、上腕部６１に水平多関節機構６５を用い、前腕部６２にパラレルリンク機構１を用いたマニピュレータ５７を示している。すなわち、マニピュレータ５７では、より大きな負荷がかかる上腕部６１に対しては、機構的に重力方向の力に耐えやすい水平多関節機構６５を採用している。このマニピュレータ５７によれば、水平面内の移動は主に上腕部６１で行い、鉛直方向の持ち上げや手首の回転はパラレルリンク機構１によって実現する。これにより、肘までの構造部材およびパラレルリンク機構１のアクチュエータの自重の一部は、水平多関節機構６５によって支持されるので、上腕部６１のアクチュエータ（図示せず）の必要推力は少なくて済む。また、前腕部６２についても、ハンド部分６６と把持物体（図示せず）の重量程度の負荷に耐えればよいので、パラレルリンク機構１のアクチュエータの必要推力を比較的小さく抑えることができる。

（実施形態の効果）
以上のように、本実施形態によれば、パラレルリンク機構１のベースプレート２側とエンドプレート３側とで、１自由度と３自由度、もしくは３自由度と１自由度といった合計４自由度を実現することができるので、肘と手首に対応する機構や、肩と肘に対応する機構を得ることができる。したがって、人の腕に類似したマニピュレータを実現することができる。

また、本実施形態によれば、パラレルリンク機構１の各リンク１１，１２，１３，１４，２１，２２に軸方向以外の力が発生しない。そのため、各リンク１１，１２，１３，１４，２１，２２に曲げモーメントが発生しないので、ベースプレート２とエンドプレート３との間の剛性を高めることができる。したがって、強度の大きなマニピュレータを実現することができる。なお、各リンク１１，１２，１３，１４，２１，２２の長さが長くなるほど、この効果は顕著なものとなる。

また、本実施形態によれば、回転アクチュエータではなく、直動アクチュエータ１０によって、人の腕に類似したマニピュレータを構成することができる。

本実施形態によれば、シリアルリンク機構を用いたマニピュレータよりも、高い剛性を得ることができる。

また、アクチュエータ１０を並列に並べるので、アクチュエータ１０の自重をより根元側で受け止めることができ、先端側の慣性を小さく抑えることができる。

６自由度のパラレルリンク機構によって人の前腕もしくは上腕に類似したマニピュレータを構成する場合と比べて、より少ない数のアクチュエータ１０でマニピュレータを構成することができるので、コストを抑えることができる。また、前腕で４自由度、上腕で２自由度といったように、腕全体で６自由度となるように構成することができるので、パワーアシストマニピュレータとして本発明のマニピュレータを使う場合、空間６自由度の力センサを付けたハンドルを握ってマニピュレータの６自由度すべての動きを操作できる。このことにより、スーツのような操作インターフェースを身につけたり、操作者の腕を操作インターフェースに縛り付け固定したりすることで、マニピュレータの７自由度以上の冗長自由度を操作しなくてよいため、操作者の安全性が確保しやすくなる。

以上のように、本発明は、パラレルリンク機構を備えたマニピュレータについて有用である。

パラレルリンク機構の斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 マニピュレータの一例を示す斜視図である。 本発明に係るパラレルリンク機構の説明図である。 本発明に係るパラレルリンク機構の説明図である。 公知のパラレルリンク機構におけるヤコビ行列の行列式を説明するための図である。 実施形態に係るパラレルリンク機構におけるヤコビ行列の行列式を説明するための図である。 各リンクに曲げモーメントが発生しないメカニズムを説明するための説明図であり、（ａ）は公知のパラレルリンク機構の図、（ｂ）は本実施形態に係るパラレルリンク機構の図である。 各リンクに曲げモーメントが発生しないメカニズムを説明するための説明図である。 各リンクに曲げモーメントが発生しないメカニズムを説明するための説明図である。

符号の説明

１ パラレルリンク機構
２ ベースプレート（第１の部材）
３ エンドプレート（第２の部材）
１０ アクチュエータ
１１ 第１可動リンク
１１ａ 第1可動リンクの一端
１１ｂ 第1可動リンクの他端
１２ 第２可動リンク
１３ 第３可動リンク
１４ 第４可動リンク
２１ 第１固定リンク
２２ 第２固定リンク
３１，３２，３３，３４ 関節
５１，５２ マニピュレータ
６１ 上腕部
６２ 前腕部
７１ 肩
７２ 肘
７３ 手首

Claims (8)

1. 第１の部材と、
   前記第１の部材から離間した第２の部材と、
   一端が２自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材の第１〜第４の位置にそれぞれ連結され、他端が２自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の第５〜第８の位置にそれぞれ連結され、前記一端および前記他端の合計で５自由度の回転が可能であり、伸縮用のアクチュエータを有する伸縮自在な第１〜第４の可動リンクと、
   一端が１自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材の第９の位置に連結され、他端が３自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の第１０の位置に連結された、伸縮不能な第１の固定リンクと、
   一端が１自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第１の部材における前記第９の位置と異なる位置である第１１の位置に連結され、他端が３自由度以上の回転が可能な関節を介して前記第２の部材の前記第１０の位置に連結された、伸縮不能な第２の固定リンクと、
   からなるパラレルリンク機構。
2. 請求項１に記載のパラレルリンク機構を備えたマニピュレータ。
3. 上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、
   前記前腕部が前記パラレルリンク機構によって構成されている、
   請求項２に記載のマニピュレータ。
4. 上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、
   前記上腕部が前記パラレルリンク機構によって構成されている、
   請求項２に記載のマニピュレータ。
5. 上腕部と、前記上腕部に連結された前腕部とを備え、
   前記上腕部および前記前腕部が、それぞれ前記パラレルリンク機構によって構成されている、
   請求項２に記載のマニピュレータ。
6. 前記アクチュエータは、流体圧で駆動されるアクチュエータである、
   請求項２〜５のいずれか一つに記載のマニピュレータ。
7. 前記アクチュエータは、モータとボールねじとを有するアクチュエータである、
   請求項２〜５のいずれか一つに記載のマニピュレータ。
8. 前記第１の部材の前記第９の位置と前記第１１の位置とを結ぶ直線から、前記第２の部材の前記第１０の位置へ下ろした垂線が、前記第１の部材および前記第２の部材とそれぞれ直交するときの姿勢を基準姿勢としたとき、この基準姿勢において、
   前記第２の部材の前記第５の位置と前記第７の位置とを結ぶ直線と、前記第６の位置と前記第８の位置とを結ぶ直線の交点を通り、第２の部材と直交する軸に関して、前記第１の可動リンクおよび前記第３の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが正および負のいずれか一方の値で、前記第２の可動リンクおよび前記第４の可動リンクの伸長によって発生するモーメントが他方の値となるように、第１〜第４の可動リンクが配置されている、
   請求項２〜７のいずれか一つに記載のマニピュレータ。

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