JP2010264526A - パラレルメカニズム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一般に、パラレルメカニズムは、外力に対する安定性は十分に備えているが、特異点や、ジョイントの動作範囲による制限のためにテーブルの動作角度が十分に取れないという短所がある。
【解決手段】そこで本発明では、ベースとテーブルの間に複数のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置したパラレルメカニズムにおいて、リニアアクチュエータは７個以上とし、それらのリニアアクチュエータの動作を制御する制御装置に、適宜選択した６個のリニアアクチュエータのみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能を設けたパラレルメカニズムにより上述した課題を解決している。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の加工機や材料試験機、その他に利用することができるパラレルメカニズム及びその制御方法に関するものである。

パラレルメカニズムとしては、ベースとテーブル等のエンドエフェクタとの間に、ジョイントを介して６個のリニアアクチュエータを配置して、６自由度の運動を行わせるようにした、いわゆるスチュアートプラットホーム型のパラレルメカニズムが広く知られており、その他、３〜６個のリニアアクチュエータを配置した各種のパラレルメカニズムが提案されている。例えば特許文献１〜特許文献４を参照のこと。

特開平８−３００２９０号公報 特開２００１−２５４７９８号公報 特開２００２−３３６２２７号公報 特開２００３−１７２４１８号公報

一般に、パラレルメカニズムは、外力に対する安定性は十分に備えているが、特異点や、ジョイントの動作範囲による制限のためにテーブルの動作角度が十分に取れないという短所がある。一方、パラレルメカニズムは、順運動学の求解は複雑で困難であるが、逆運動学の求解は容易である。

そこで、本発明では、このような短所を解決することを課題とする。

本発明では、上述した目的を達成するために、ベースとテーブルの間に複数のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置したパラレルメカニズムにおいて、リニアアクチュエータは７個以上とし、それらのリニアアクチュエータの動作を制御する制御装置に、適宜選択した６個のリニアアクチュエータのみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能を設けたパラレルメカニズムを提案する。

また本発明では、上記の構成において、制御装置には、受動動作させるリニアアクチュエータのティーチング機能を設けたパラレルメカニズムを提案する。

また本発明では、上記の構成において、回転ジョイントは、ベース側において２又は３自由度とし、テーブル側において３自由度としたパラレルメカニズムを提案する。また本発明では、この構成において、３自由度の回転ジョイントは、全ての回転軸周りの回転が予圧型の回転接触で行われ、そのうちの２つの回転軸周りの回転可能角度は±90度以上であるパラレルメカニズムを提案する。

また本発明では、以上の構成において、リニアアクチュエータは８個とし、ベース側とテーブル側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置したパラレルメカニズムを提案する。

更に本発明では、ベースとテーブルの間に複数のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置したパラレルメカニズムにおいて、リニアアクチュエータは７個以上とし、それらのリニアアクチュエータの動作を制御する制御装置に、適宜選択した６個のリニアアクチュエータのみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能を設け、７個以上のリニアアクチュエータにより支持されているテーブルの位置又は姿勢の変更を行う場合には、制御装置は、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させて位置又は姿勢を変更し、変更後に再び７個以上のリニアアクチュエータによりテーブルを支持するパラレルメカニズムの制御方法を提案する。

また本発明では、上記の構成において、制御装置には、受動動作させるリニアアクチュエータのティーチング機能を設け、７個以上のリニアアクチュエータにより支持されているテーブルの位置又は姿勢を変更する場合には、制御装置は、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させてティーチングを行いながら位置又は姿勢を変更し、変更後に再び７個以上のリニアアクチュエータによりテーブルを支持すると共に、ティーチング後に同様なテーブルの位置又は姿勢の変更を行う場合には、ティーチングされた動作に従って、７個以上のリニアアクチュエータにより変更動作を行うパラレルメカニズムの制御方法を提案する。

そして本発明では、これらの構成において、リニアアクチュエータは８個とし、ベース側とテーブル側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置し、夫々の辺に対応する一組のリニアアクチュエータ毎に受動動作可能に構成したパラレルメカニズムの制御方法を提案する。

本発明のパラレルメカニズムでは、ベースとテーブルの間に７個以上のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置して、それらのリニアアクチュエータによりテーブルを支持するので、６個のリニアアクチュエータを配置して、６自由度の運動を行わせるようにしたスチュアートプラットホーム型のパラレルメカニズムと比較して、さらに剛性が高く、外力に対して安定化することができる。

ある位置、姿勢に支持されているテーブルの位置又は姿勢を変更する場合には、制御装置は、その制御機能により、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させて位置又は姿勢を変更する。そして変更後には再び７個以上のリニアアクチュエータにより高剛性でテーブルを支持することができる。

このように本発明では６自由度の運動を行い得る６個のリニアアクチュエータのみが能動動作し、残りのリニアアクチュエータは受動動作しながら、テーブルの位置又は姿勢が変更されるので、変更動作において、７個以上のリニアアクチュエータが能動動作した際に生じる可能性があるリニアアクチュエータ同士の干渉を避けることができると共に、受動動作しているリニアアクチュエータは、変更動作において特異点が存在しても、それを経過して動作することができる。

本発明は、このように変更動作において特異点を経過することができるリニアアクチュエータを要素としていることから、従来のスチュアートプラットホーム型のパラレルメカニズムと比較して、位置及び姿勢を含めたテーブルの動作範囲を広くすることができる。

制御装置に、受動動作させるリニアアクチュエータのティーチング機能を設ければ、７個以上のリニアアクチュエータにより支持されているテーブルの位置又は姿勢を、最初に変更する場合には、制御装置は、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させてティーチングを行いながら位置又は姿勢を変更し、ティーチング後に同様なテーブルの位置又は姿勢の変更を行う場合には、ティーチングされた動作に従って、７個以上のリニアアクチュエータにより高剛性で変更動作を行うことが可能である。

以上の効果を有する本発明のパラレルメカニズムでは、回転ジョイントは、ベース側において２又は３自由度とし、テーブル側において３自由度とすることができる。そして３自由度の回転ジョイントは、全ての回転軸周りの回転が予圧型の回転接触で行われるようにすることにより、位置と姿勢を精度良く制御することができ、また２つの回転軸周りの回転可能角度を±90度以上とすることにより、特異点を経過したリニアアクチュエータの動作を可能とし、上述したように位置及び姿勢を含めたテーブルの動作範囲を広くすることができる。

以上の効果を有する本発明のパラレルメカニズムとして、リニアアクチュエータは８個とし、ベース側とテーブル側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置した構成が可能である。

図１は本発明のパラレルメカニズムの実施の形態示す説明的斜視図である。 図２は図１に示すパラレルメカニズムの説明的平面図である。 図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）はパラレルメカニズムの動作の一例を示す説明的側面図である。 図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）はパラレルメカニズムの動作の他例を示す説明的側面図である。 図５の（ａ）、（ｂ）はパラレルメカニズムの動作の更に他例を示す、夫々説明的平面図、説明的側面図である。 図６の（ａ）、（ｂ）はパラレルメカニズムの動作の更に他例を示す、夫々説明的平面図、説明的側面図である。 ３自由度の回転ジョイントの構成を示す要部の斜視図である。 ３自由度の回転ジョイントの動作を示す要部の側面図である。 ３自由度の回転ジョイントの動作を示す要部の断面図である。 図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明のパラレルメカニズムを用いた加工動作の一例を示す説明的側面図である。

次に本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
符号１は固定側のベース、２は可動側のテーブルを示すもので、このベース１とテーブル２の間に複数のリニアアクチュエータ３を回転ジョイント４、５を介して並列に配置してパラレルメカニズムが構成される。

本発明のパラレルメカニズムは、リニアアクチュエータ３を７個以上として構成するものであり、図示の実施の形態では、リニアアクチュエータ３は８個とし、ベース１側とテーブル２側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置して構成している。８個のリニアアクチュエータ３は、図２中の右上のものから反時計回りに順次添字ａ〜ｈを付し、符号３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈとして区別して示している。以下の説明では、リニアアクチュエータを特定して示す場合に添字を付して説明する。

ベース１側の回転ジョイント４は図１に示されるように、ｘ軸とｙ軸の回りに回転が可能で、即ち、２自由度の回転ジョイントとして構成している。このベース１側の回転ジョイント４は、このように２自由度とする他、後述するテーブル２側の回転ジョイント５と同様に３自由度の回転ジョイントとして構成することもできる。

テーブル２側の回転ジョイント５は、図７に示すように、ｘ軸とｙ軸とｚ軸の回りに回転が可能で、即ち、３自由度の回転ジョイントとして構成している。そして、全ての回転軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の周りの回転がボールベアリング機構６ａ，６ｂ，６ｃ等を利用して予圧型の回転接触で行われ、そのうちの２つの回転軸（ｘ軸及びｙ軸）の周りの回転可能角度は、図８、図９に示すように、±90度以上となるように構成している。

この実施の形態において、一組のリニアアクチュエータ３は、ベース１側において離隔した回転ジョイント４に支持されると共に、テーブル２側においては共通の回転ジョイント５を介して支持されるように構成されており、この構成では、テーブル２と連結するための回転ジョイント５の数を減らして機構を簡素化すると同時に動作中に各アクチュエータ同士の干渉を避け得ると共に、機構の組立誤差を少なくすることができるという利点がある。しかしながら、テーブル２側においても離隔した回転ジョイント５を介して支持されるように構成することもできることは勿論である。

本発明において、リニアアクチュエータ３は、電動モータとボールねじとリニアガイドを要素として構成したり、リニアモータとリニアガイドを要素として構成したり、流体圧シリンダとリニアガイドを要素として構成したり、適宜の構成とすることができる。

図１において符号７はリニアアクチュエータ３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ）の動作を制御する制御装置であり、この制御装置７には、これらのリニアアクチュエータ３から適宜選択した６個のリニアアクチュエータ３のみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能ｆ1と、受動動作させるリニアアクチュエータ３のティーチング機能ｆ2を設けている。

次に以上に説明したパラレルメカニズムの動作例を説明する。
図３（ａ）の状態において、テーブル２を図中時計回りに回転させて姿勢を変更する場合には、制御装置７は、まず６個のリニアアクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを能動動作させるものとして選択すると共に、残りのリニアアクチュエータ３ｇ，３ｈは受動動作させるものとする。

この状態で、図中左側のリニアアクチュエータ３ｄ（３ｃ）を同時に同量だけ伸長させると、テーブル２は、能動動作により、同位置を保持されているリニアアクチュエータ３ｅ（３ｂ），３ｆ（３ａ）の回転ジョイント５を支点として、図３（ｂ）に示すように時計回りに回転し、図３（ｃ）の状態に至る。即ち、図中右側のリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）は受動動作状態であるので、テーブル２の回転に対して影響を与えない。尚、この説明と図から分かるように、側面図において重なっていて表れていないリニアアクチュエータの符号は（ ）を付している。

ここで図３（ｃ）の状態は、リニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）から見ると、テーブル２の面と一直線上に位置するので、いわゆる特異点である。しかしながら、上述したとおり、リニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）は受動動作状態であるので、この特異点はテーブル２の回転動作の支障とはならない。即ち、リニアアクチュエータ３ｄ（３ｃ）の伸長を更に行うことにより、図３（ｄ）に示すように、特異点を経過してテーブル２を回転させることができる。

次いで、図３（ｄ）の状態から図３（ａ）の状態に戻す場合には、リニアアクチュエータ３ｄ（３ｃ）を短縮させると、テーブル２は、リニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）との特異点を経過して図中反時計回りに回転して、図３（ａ）の状態に戻ることができる。

図３（ａ）の状態において、テーブル２を図中反時計回りに回転させて姿勢を変更する場合には、制御装置７は、６個のリニアアクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈを能動動作させるものとして選択すると共に、残りのリニアアクチュエータ３ｃ，３ｄを受動動作させるものとし、こうして図中右側のリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）を同時に同量だけ伸長させると、テーブル２は、能動動作により、同位置を保持されているリニアアクチュエータ３ｅ（３ｂ），３ｆ（３ａ）の回転ジョイント５を支点として、図３（ｂ）とは逆に反時計回りに回転する。こうして、テーブル２は、図３（ａ）〜（ｄ）と対称の動作が行われて、図３（ｄ）と対称の状態にもたらすことができ、即ち、テーブル２は上述と同様に特異点を経過して回転が可能である。元の状態に戻す場合もリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）を短縮させることにより、テーブル２を、特異点を経過して元の状態に戻すことができる。

上述したとおり、この実施の形態においては、リニアアクチュエータ３は８個とし、ベース１側とテーブル２側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置しているので、以上の２つの動作と直交する方向の動作も、同様な制御により可能である。このような動作は自明であるので、説明は省略する。

本発明は、このように、ある位置、姿勢に支持されているテーブル２の位置又は姿勢を変更する場合には、制御装置７は、その制御機能ｆ1により、まず６個のリニアアクチュエータ３を選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータ３を受動動作させて位置又は姿勢を変更し、変更後には再び全てのリニアアクチュエータ３を能動動作とすることにより高剛性でテーブル２を支持することができる。

そして本発明では、制御装置７に、受動動作させるリニアアクチュエータ３のティーチング機能を設ければ、全てのリニアアクチュエータ３により支持されているテーブル２の位置又は姿勢を、最初に変更する場合には、上述した動作と同様に、制御装置７は制御機能ｆ1により、まず６個のリニアアクチュエータ３を選択し、これを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータ３を受動動作させて、それに設けているエンコーダ等の計測値を用いてティーチングを行いながら位置又は姿勢を変更し、ティーチング後に同様なテーブル２の位置又は姿勢の変更を行う場合には、ティーチングされた動作に従って、全てのリニアアクチュエータ３により高剛性でテーブル２の変更動作を、リニアアクチュエータ３の干渉無しに行うことが可能である。

以上の制御動作、即ち制御装置７における制御機能ｆ1、ティーチング機能ｆ2による制御動作は、本発明に係るパラレルメカニズムの以下に示すテーブル２の他の変更動作においても同様である。

例えば、図４（ａ）の状態において、テーブル２を上昇させたり、図中右方向に移動させる場合には、上述と同様に、制御装置７により、図中右側の２つのリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）を受動動作させるようにし、他の６個のリニアアクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを能動動作させるように選択すれば、図４（ａ）〜（ｄ）に示す垂直方向又は水平方向における最初のテーブル２の位置の変更を干渉無しに行うことができる。このような変更位置又は姿勢から元の状態への復帰動作や、ティーチング後の動作も、上述した動作と同様である。

また図３（ａ）の状態において、リニアアクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを能動動作させるように選択し、従って図中右側の２つのリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）を受動動作させるようにして、リニアアクチュエータ３ａ，３ｃ，３ｅを伸長すると同時に、リニアアクチュエータ３ｂ，３ｄ，３ｆを適宜短縮させることにより、テーブル２を垂直軸、この場合、ｚ軸の回りに反時計回りに回転させて図５（ａ），（ｂ）の状態とすることができる。このような変更位置又は姿勢から元の状態への復帰動作や、ティーチング後の動作も、上述した動作と同様である。

また図３（ｃ）（又は図３（ｄ））の状態において、同様にリニアアクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを能動動作させるように選択し、従って図中右側の２つのリニアアクチュエータ３ｇ（３ｈ）を受動動作させるようにして、リニアアクチュエータ３ａ，３ｃ，３ｅを伸長すると同時に、リニアアクチュエータ３ｂ，３ｄ，３ｆを適宜短縮させることにより、テーブル２を垂直軸、この場合、ｚ軸の回りに反時計回りに回転させて図６（ａ），（ｂ）の状態とすることができる。このような変更位置又は姿勢から元の状態への復帰動作や、ティーチング後の動作も、上述した動作と同様である。

尚、この実施の形態において、制御装置７の制御機能ｆ1で選択する６個のリニアアクチュエータ３は、上述した組み合わせの他、適宜に設定することができるものである。

またこの実施の形態において、リニアアクチュエータ３とベース１を連結する回転ジョイント４の位置はリニアアクチュエータ３の中程としているが、下端部に設置することもできる。即ち、リニアアクチュエータ３のベース１側の回転ジョイント４とテーブル２側の回転ジョイント５間の距離を長くすれば、機構の高さが高くなり、この意味では不安定となるが、ｘ軸、ｙ軸方向の並進移動の動作範囲が広がり、逆に短くすると、機構は安定化するが、並進移動の動作範囲が狭くなるので、これらの条件を加味して設計することができる。

図１０は本発明のパラレルメカニズムを用いた加工動作の一例を示す説明的側面図であり、符号８がワーク、９が加工手段を示すものである。この図において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、夫々図３の（ａ）、（ｃ）及び図６の（ｂ）の状態に相当するものである。

本発明のパラレルメカニズムは以上の通りであるので、動作範囲が広く、高剛性で外力に対して安定しているので、各種の加工機や材料試験機、その他に利用することができる。例えば、単純な引張り（圧縮）試験機は一般に知られているが、現実に機械部品に作用する力は単純な力ばかりではなく、引っ張り（圧縮）、捻れ、曲げ等の力が複雑に複合された力であり、本発明のパラレルメカニズムを利用することにより、このように現実に即した力を作用させる試験機としての利用や、非球面レンズの加工機としての利用が可能である。

１ ベース
２ テーブル
３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ） リニアアクチュエータ
４、５ 回転ジョイント
６ ボールベアリング
７ 制御装置
８ ワーク
９ 加工手段

Claims (8)

1. ベースとテーブルの間に複数のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置したパラレルメカニズムにおいて、リニアアクチュエータは７個以上とし、それらのリニアアクチュエータの動作を制御する制御装置に、適宜選択した６個のリニアアクチュエータのみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能を設けたことを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 制御装置には、受動動作させるリニアアクチュエータのティーチング機能を設けた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. 回転ジョイントは、ベース側において２又は３自由度とし、テーブル側において３自由度とした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。
4. ３自由度の回転ジョイントは、全ての回転軸周りの回転が予圧型の回転接触で行われ、そのうちの２つの回転軸周りの回転可能角度は±90度以上であ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. リニアアクチュエータは８個とし、ベース側とテーブル側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパラレルメカニズム。
6. ベースとテーブルの間に複数のリニアアクチュエータを回転ジョイントを介して並列に配置したパラレルメカニズムにおいて、リニアアクチュエータは７個以上とし、それらのリニアアクチュエータの動作を制御する制御装置に、適宜選択した６個のリニアアクチュエータのみを能動動作させると同時に、残りのリニアアクチュエータを受動動作させる制御機能を設け、７個以上のリニアアクチュエータにより支持されているテーブルの位置又は姿勢の変更を行う場合には、制御装置は、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させて位置又は姿勢を変更し、変更後に再び７個以上のリニアアクチュエータによりテーブルを支持することを特徴とするパラレルメカニズムの制御方法。
7. 制御装置には、受動動作させるリニアアクチュエータのティーチング機能を設け、７個以上のリニアアクチュエータにより支持されているテーブルの位置又は姿勢を変更する場合には、制御装置は、まず６個のリニアアクチュエータを選択し、これを能動動作させると同時に残りのリニアアクチュエータを受動動作させてティーチングを行いながら位置又は姿勢を変更し、変更後に再び７個以上のリニアアクチュエータによりテーブルを支持すると共に、ティーチング後に同様なテーブルの位置又は姿勢の変更を行う場合には、ティーチングされた動作に従って、７個以上のリニアアクチュエータにより変更動作を行うことを特徴とする請求項６に記載のパラレルメカニズムの制御方法。
8. リニアアクチュエータは８個とし、ベース側とテーブル側において、夫々２つを一組として正方形の各辺に前後左右対称に配置し、夫々の辺に対応する一組のリニアアクチュエータ毎に受動動作可能に構成した請求項６又は７に記載のパラレルメカニズムの制御方法。

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