JP2013052487A - パラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い屈曲角度を有しながらも、屈曲方向以外の相対的な回転剛性が高く、ねじれにくい高精度な特性を有するパラレルメカニズム及び位置決め装置を提供すること。
【解決手段】位置決め装置１は、パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ７０，８０，９０と、リニアアクチュエータ７０，８０，９０を保持する保持部７と、スタンド１００とから構成される。パラレルメカニズム２は、３組の平行四節リンクからなるアーム部１０，３０，５０から構成され、アーム部１０の先端部には、先端部金具１４が設けられ、リンク１１，１２の先端部には、各々、第二互違溝付きばね２２，２３を介して、先端部金具１４が固定され、先端部金具１４には、第一互違溝付きばね２１を介して接続金具１５が固定され、接続金具１５にエンドエフェクタ９が固定される。アーム部３０，５０も同様の構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関し、詳細には、複数の自由度を有するパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関する。

プリンタやプロジェクタ等の光学製品に使用されるレンズやミラー等の光学部品の取り付けには高い位置・角度精度が必要とされている。これらの生産ラインでは光学部品を別の場所から移動させ、位置決めを精密に行い、当該光学部品の取り付けを自動化して行うことが一般的になっている。このような光学部品の位置決めは、多くの場合、比較的高精度を有する直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて行っている。この方法では機械の重量やサイズが大きくなり、また異なる製品への応用のための装置組み替えも煩雑である。

この問題を解決するために、関節にヒンジなどの弾性体構造を応用した装置が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照。）。非特許文献１に記載の装置では、高精度の位置決め装置としてパラレルメカニズムを応用したマイクロフィンガーモジュールを用いている。また、非特許文献２に記載の装置では、超弾性ヒンジを用いたパンタグラフ機構を用いている。

谷川民生、新井健生、"並進３自由度を有するマイクロフィンガーモジュール"、日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．２、ｐ．１９６−２０５、２００２。 堀江三喜男、小林太、池上皓三、岡部信次、"超弾性ヒンジからなるパンタグラフ機構の特性解析"、日本機械学会論文集（Ｃ編） ６２巻 ５９８号、ｐ．３１７−３２２、１９９６。

しかしながら、従来の位置決め装置では、直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて用いるので、位置決め装置のサイズ、重量が大きくなるという問題点があった。また、非特許文献１に記載の装置では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）により製作した関節部は大きな変形を考慮した構造ではないため、関節の動作領域が非常に小さいという問題点があった。また、非特許文献２に記載の装置では、関節に平面状の板ばねを用いているので、動作の自由度が小さく動作幅が取れないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、広い屈曲角度を有しながらも、屈曲方向以外の相対的な回転剛性が高く、ねじれにくい高精度な特性を有するパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のパラレルメカニズムでは、複数のアーム部と、前記各アーム部により支持される１つの可動先端部と、前記各アーム部の先端部と前記可動先端部との間に設けられた第一ばね関節と、前記各アーム部の基部と前記アーム部を駆動するアクチュエータとの間に設けられた第二ばね関節とを備え、前記第一ばね関節または前記第二ばね関節は、直方体の金属部材の一の面及びその反対側の背面から交互に溝が形成され、前記一の面からの溝と前記背面からの溝は前記溝の延設方向と直交方向に於いて一部重なるように形成されている互違溝付きばねを含み構成されていることを特徴とする。この構成のパラレルメカニズムでは、従来の板ばね関節と比較して、広い屈曲角度を有しながらも、屈曲方向以外の相対的な回転剛性が高く、ねじれにくい高精度な特性を有する。

また、前記各アーム部は、左右一対のリンクと上枠及び下枠から構成された四節平行リンク型アームであり、前記上枠が前記アーム部の基部を構成し、前記下枠が前記アーム部の先端部を構成し、前記第一ばね関節または前記第二ばね関節は、第一互違溝付きばねと、左右一対の幅の等しい第二互違溝付きばねから各々構成され、前記左右一対の第二互違溝付きばねは、前記第一互違溝付きばねの左右両端部に前記一の面同士又は前記背面同士が互いに対向するように対称に配置されているようにしてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、第二ばね関節の歪みにより生じる力が互いに拮抗して、第二ばね関節の前記一の面と前記背面への屈曲角度を同じにできる。

また、前記第二互違溝付きばねの幅は、前記第一互違溝付きばねの幅よりも狭くしてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、装置を小型化できる。また、第二互違溝付きばねの弾性力を第一互違溝付きばねの弾性力より小さくすることができる。従って、例えば、第二互違溝付きばねの幅を前記第一互違溝付きばねの幅の半分にすれば、第一互違溝付きばねの弾性力と左右一対の第二互違溝付きばねの弾性力を均衡させることができる。

また、前記第一互違溝付きばね及び第二互違溝付きばねは、溝と当該溝が形成された面と同じ面側から形成された隣の溝との間に形成される剛体部と、前記溝と当該溝が形成された面と反対の面側から形成された隣の溝との間に形成され、前記剛体部の厚みより薄い板状の弾性変形部とを備えるようにされてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、前記第一互違溝付きばね及び第二互違溝付きばねは、直方体の両側面から溝が切り込まれた構造を有し、また、それぞれの側面からの溝が、互いに重複した箇所が存在する点に特徴がある。前記互違溝付きばねに屈曲方向の荷重が負荷されると、相対的に剛性が低い弾性変形部に変形が生ずる。また、剛体部は相対的に剛性が高いため、本互違溝付きばねは、弾性変形部が変形する屈曲方向のみに剛性の低い異方性を生じる。よって、屈曲角度が大きくかつねじれにくい、高精度な特性を実現できる。

また、前記第一互違溝付きばね及び第二互違溝付きばねは、前記一の面側から形成された溝の数と、前記背面側から形成された溝の数が同じであってもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、前記一の面側の剛体部の数と前記背面側の剛体部の数が同じになり、前記一の面側の屈曲と前記背面側への屈曲角度を同じにできる。

また、前記パラレルメカニズムは並進３自由度を有するデルタ機構であってもよい。 この構成のパラレルメカニズムでは、広い動作域を有し、繰り返し位置決め精度が高く、また、Ｚ軸方向に剛性が高いデルタ機構を実現することができる。

また、本発明の第二の態様の位置決め装置は、上記パラレルメカニズムと、当該パラレルメカニズムの各アーム部の基部を移動させるアクチュエータとを備えたことを特徴とする。この構成の位置決め装置では、アクチュエータによりパラレルメカニズムのアームの基部を移動させて、パラレルメカニズムを動作させることができる。

また、位置決め装置では、前記アクチュエータを制御する制御部を備えてもよい。この構成の位置決め装置では、制御部により前記アクチュエータを制御して、パラレルメカニズムを動作させることができる。

本発明の一実施形態の位置決め装置１の斜視図である。 位置決め装置１の右側面図である。 位置決め装置１の平面図である。 パラレルメカニズム２の斜視図である。 パラレルメカニズム２のアーム部１０の先端部の部分斜視図である。 パラレルメカニズム２のアーム部１０の先端部の裏側から見た部分斜視図である。 パラレルメカニズム２のアーム部１０の基部の部分斜視図である。 第一互違溝付きばね２４の正面図である。 図８に於ける第一互違溝付きばね２４のＸ−Ｘ矢視方向断面図である。 第一互違溝付きばね２４の屈曲部１２０の拡大図である。 基部金具１３の正面図である。 第二互違溝付きばね２５の正面図である。 図１２に於ける第二互違溝付きばね２５の屈曲部１３０のＸＩ−ＸＩ矢視方向拡大断面図である。 位置決め装置１の電気的構成を示すブロック図である。 位置決め装置１のデルタ機構モデル図である。 解析に使用した互違溝付きばね２００の動作の様子を示す図である。 解析条件を示すばね関節２０１と剛体リンク２０２を示す斜視図である。 剛体リンク２０２の屈曲回転時の剛体リンク２０２の先端の軌跡を示す図である。 試作機の動作域を示す三次元グラフである。 動作解析の結果を示す図である。 精度評価実験装置の斜視図である。 Ｘ軸方向での精度評価実験結果を示すグラフである。 Ｙ軸方向での精度評価実験結果を示すグラフである。 Ｚ軸方向での精度評価実験結果を示すグラフである。 剛性評価実験装置を示す図である。 Ｘ軸方向での剛性評価実験結果を示すグラフである。 Ｙ軸方向での剛性評価実験結果を示すグラフである。 Ｚ軸方向での剛性評価実験結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態のパラレルメカニズム２及び当該パラレルメカニズム２を用いた位置決め装置１の機械的構造について図１〜図４を参照して説明する。

位置決め装置１は、所謂パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ７０，８０，９０と、リニアアクチュエータ７０，８０，９０を保持する保持部７と、保持部７を支えるスタンド１００と、リニアアクチュエータ７０，８０，９０を制御する制御装置８とから構成されている。

まず、リニアアクチュエータ７０，８０，９０及び保持部７の構造を説明する。保持部７は、図１〜図３に示すように３方向への開口部を上下２段に有する略六角柱に形成されており、３つの側面に円柱状のリニアアクチュエータ７０，８０，９０が固定具７１，８１，９１により、各々、１２０度ずつ離れて固定されている。リニアアクチュエータ７０，８０，９０には、各々、退出する軸部７２，８２，９２が設けられており、軸部７２，８２，９２の先端部には、各々、先端金具７３，８３，９３が設けられている。また、リニアアクチュエータ７０，８０，９０の上部からは、ケーブル７４，８４，９４が出ており、制御装置８に接続されている。

次に、図１〜図３を参照してスタンド１００の構造を説明する、スタンド１００は、所定厚みの変形六角形のベース３と、当該ベース３から立設された背板４と、当該背板４を支える支持板５と、背板４の上端部から延設され前記保持部７を支えるフレーム６とから構成されている。

次に、図１，図２及び図４〜図７を参照して、パラレルメカニズム２の構造について説明する。パラレルメカニズム２は、３組のアーム部１０，アーム部３０，アーム部５０と、これらアーム部１０，３０，５０により支持されるエンドエフェクタ９とから構成されている。このエンドエフェクタ９に工具や治具等が固定される。また、エンドエフェクタ９は、平面視、六角形に形成された板状の部材であり、各種の治具や工具等が固定できるようになっている。尚アーム部１０，３０，５０及びエンドエフェクタ９の材質の一例としては、金属部材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の剛性のある金属を使用すればよい。また、十分な剛性があれば、合成樹脂部材を用いてもよい。

次に、アーム部１０，３０，５０の構造を説明する。アーム部１０，３０，５０は、同一構造の平行四節リンクから構成され、エンドエフェクタ９の中心部に対して各々１２０度の角度で、アーム部１０，３０，５０の各先端部がエンドエフェクタ９に接続されている。また、アーム部１０，３０，５０の後端部はリニアアクチュエータ７０，８０，９０の先端金具７３，８３，９３に各々接続されている。

アーム部１０は、左右一対の長尺且つ角柱状のリンク１１，１２と、基部金具１３と、先端部金具１４とから構成された平行四節リンクとなっている。また、アーム部３０も、左右一対の長尺且つ角柱状のリンク３１，３２と、基部３３と、先端部３４とから構成された平行四節リンクであり、アーム部５０は、左右一対の長尺且つ角柱状のリンク５１，５２と、基部５３と、先端部５４とから構成された平行四節リンクとなっている。

次に、図５及び図６を参照して、アーム部１０の先端部の構造を説明する。図５は、アーム部１０の先端部を外側から見た部分拡大図であり、図６は、アーム部１０の内側から見た部分拡大図である。アーム部１０の先端部には、平面視、Ｈ型の先端部金具１４が設けられている。図５に示すように先端部金具１４の中央部には、第一互違溝付きばね２１がねじ止めされており、先端部金具１４の左右両端部には、当該第一互違溝付きばね２１と直交するように第二互違溝付きばね２２，２３がねじ止めされている。尚、図５には、ねじ孔のみ示し、ねじの図示は省略している。また、第一互違溝付きばね２１の先端部金具１４への固定部と反対側の端部には、矩形のフレームから構成された接続金具１５の一端部が図示外のねじにより固定され、接続金具１５の他端部はエンドエフェクタ９に図示外のねじで固定されている。従って、リンク１１，１２の先端部には、各々、第二互違溝付きばね２２、第二互違溝付きばね２３を介して、先端部金具１４が固定され、先端部金具１４には、第一互違溝付きばね２１を介して接続金具１５が固定され、接続金具１５にエンドエフェクタ９が固定される。また、第一互違溝付きばね２１は、直方体の金属部材の一の面及びその反対側の背面から交互に溝が形成され、前記一の面からの溝と前記背面からの溝は前記溝の延設方向と直交方向に於いて一部重なるように形成されている所謂「互違溝付きばね」となっている。第二互違溝付きばね２２，２３も大きさは異なるが同様の構造であり、後述する第一互違溝付きばね２４及び第二互違溝付きばね２５，２６も同様の構造である。尚、溝の形成方法としては、たとえば、ワイヤ放電加工等を用いればよい。

次に、図７を参照して、アーム部１０の基部の構造を説明する。アーム部１０の基部にも平面視、Ｈ型の基部金具１３が設けられている。基部金具１３は、先端部金具１４と同様の形状であり、図７に示すように基部金具１３の中央部には、第一互違溝付きばね２４がねじ止めされており、基部金具１３の左右両端部には、当該第一互違溝付きばね２４と直交するように第二互違溝付きばね２５，２６がねじ止めされている。尚、図７には、ねじ孔のみ示し、ねじの図示は省略している。また、第一互違溝付きばね２４の基部金具１３への固定部と反対側の端部には、正面視逆Ｔ字形状の接続金具１６の一端部が図示外のねじにより固定され、接続金具１６の他端部はリニアアクチュエータ７０の先端金具７３に図示外のねじにより固定されている。従って、リンク１１，１２の基部には、各々、第二互違溝付きばね２５、第二互違溝付きばね２６を介して、基部金具１３が固定され、基部金具１３には、第一互違溝付きばね２４を介して接続金具１６が固定され、接続金具１６にリニアアクチュエータ７０の先端金具７３が固定される。尚、アーム部３０及びアーム部５０もアーム部１０と同様の構造になっている。

次に、図８及び図９を参照して、第一互違溝付きばね２４の構造を説明する。尚、第一互違溝付きばね２１も第一互違溝付きばね２４と同様の構造である。第一互違溝付きばね２４は、正面視、横長の略長方形で下側の両角が斜めに切り取られた金属製の板であり、板状の上部１１０及び下部１１３と、上部１１０と下部１１３との間に形成された屈曲部１２０とから構成されている。尚、上部１１０には、基部金具１３（図７参照）と固定するためのねじ（図示外）が挿入されるねじ孔１１１，１１２が左右一対形成され、下部１１３には、接続金具１６（図７参照）と固定するためのねじ（図示外）が挿入されるねじ孔１１４，１１５が左右一対形成されている。尚、第一互違溝付きばね２４の材質の一例としては、ばね鋼を用いており、サイズの一例としては、図８の左右方向の幅が４０mmである。

次に、図１０を参照して、第一互違溝付きばね２４の屈曲部１２０の構造を説明する。図１０は、図８に於けるＸ−Ｘ線矢視方向の拡大断面図である。屈曲部１２０は、所定幅で所定長さに形成された溝１２２と、当該溝１２２が形成された面（図１０に於ける右側の面）と同じ面側から形成された隣の溝１２２との間に形成される剛体部１２１と、前記溝１２２と当該溝１２２が形成された面（図１０に於ける右側の面）と反対の面（図１０に於ける左側の面）から形成された隣の溝１２２との間に形成され、前記剛体部１２１の厚みより薄い板状の弾性変形部１２３とが複数積層されて構成されている。尚、剛体部１２１の厚みＬ５＞溝１２２の幅Ｌ４となっており、また、剛体部１２１の厚みＬ５＞弾性変形部１２３の厚みＬ６となっている。また、一の面（図１０に於ける右側の面）側から形成された溝１２１の数と、一の面の背面（図１０に於ける左側の面）側から形成された溝１２１の数が同じである。この例では、一の面（図１０に於ける右側の面）側から形成された溝１２１の数が７個であり、背面（図１０に於ける左側の面）側から形成された溝１２１の数が７個であり、剛体部１２１の数も各々６個であり、弾性変形部１２３の数は１３個である。尚、一例として、各溝１２１の形状は同一であり、各剛体部１２１の形状も同一であり、各弾性変形部１２３の形状も同一である。

屈曲部１２０のサイズの一例としては、屈曲部１２０の縦の長さＬ１が６．０ｍｍ、厚みＬ２が２．０ｍｍ、溝１２２の長さＬ３が１．３ｍｍ、溝１２２の幅Ｌ４が０．２ｍｍ、剛体部１２１の厚みＬ５が０．６ｍｍ、弾性変形部１２３の厚みＬ６が０．２ｍｍ、弾性変形部１２３の長さＬ７が０．６ｍｍである。発明者はこのサイズの屈曲部１２０を用いて有限要素法による基礎解析を行ったので、その結果は後述する。

次に、図１１及び図１２を参照して、第二互違溝付きばね２５の構造を説明する。尚、第二互違溝付きばね２６も第二互違溝付きばね２５と同様の構造である。第二互違溝付きばね２５，２６は、基部金具１３の左右端部に設けられており、第二互違溝付きばね２５，２６の屈曲方向と第一互違溝付きばね２４の屈曲方向とは直交するようになっている。図１２に示すように、第二互違溝付きばね２５は、正面視、略矩形で上側の両角が斜めに切り取られた金属製の板であり、板状の上部１３５及び下部１４０と、上部１３５及び下部１４０との間に形成された屈曲部１３０とから構成されている。尚、下部１４０には、リンク１１の上端部に（図７参照）と固定するためのねじ（図示外）が挿入されるねじ孔１１４１，１４４が左右一対形成されている。尚、第二互違溝付きばね２５の材質の一例としては、ばね鋼を用いており、サイズの一例としては、図１２の左右方向の幅が２０mmである。

次に、図１３を参照して、第二互違溝付きばね２５の屈曲部１３０の構造を説明する。図１３は、図１２に於けるＸＩ−ＸＩ線矢視方向の拡大断面図である。屈曲部１３０は図１０に示す屈曲部１２０と同様の構造であり、所定幅で所定長さに形成された溝１３２と当該溝１３２が形成された面（図１３に於ける右側の面）と同じ面側から形成された隣の溝１３２との間に形成される剛体部１３１と、前記溝１３２と当該溝１３２が形成された面（図１３に於ける右側の面）と反対の面（図１３に於ける左側の面）から形成された隣の溝１３２との間に形成され、前記剛体部１３１の厚みより薄い板状の弾性変形部１３３とが複数積層されて構成されている。尚、剛体部１３１の厚みＬ１５＞溝１３２の幅Ｌ１４となっており、また、剛体部１３１の厚みＬ１５＞弾性変形部１３３の厚みＬ１６となっている。また、一の面（図１３に於ける右側の面）側から形成された溝１３２の数と、一の面の背面（図１３に於ける左側の面）側から形成された溝の数１３２が同じである。この例では、一の面（図１３に於ける右側の面）側から形成された溝１３２の数が７個であり、背面（図１３に於ける左側の面）側から形成された溝の数１３２が７個であり、剛体部１３１の数も各々６個であり、弾性変形部１３３の数は１３個である。

屈曲部１３０のサイズの一例としては、屈曲部１３０の縦の長さＬ１１が６．０ｍｍ、厚みＬ１２が２．０ｍｍ、溝１３２の長さＬ１３が１．３ｍｍ、溝１３２の幅Ｌ１４が０．２ｍｍ、剛体部１３１の厚みＬ５が０．６ｍｍ、弾性変形部１３３の厚みＬ１６が０．２ｍｍ、弾性変形部１３３の長さＬ１７が０．６ｍｍである。

次に、図１４を参照して、位置決め装置１の電気的構成について説明する。図１４に示すように、位置決め装置１は、リニアアクチュエータ７０，８０，９０と、当該リニアアクチュエータ７０，８０，９０を制御する制御装置８とから構成されている。リニアアクチュエータ７０，８０，９０は、所謂直動アクチュエータから構成されている。尚、直線動作を実現できるものであれば、各種の構造のものを用いることができる。

また、制御装置８は、制御コンピュータ８８と当該制御コンピュータ８８に接続されたドライバ７６，８６，９６とから構成されている。ドライバ７６はケーブル７４によりリニアアクチュエータ７０に接続され、ドライバ８６はケーブル８４によりリニアアクチュエータ８０に接続され、ドライバ９６はケーブル９４によりリニアアクチュエータ９０に接続されている。

従って、制御装置８の制御コンピュータ８８は、エンドエフェクタ９の目標移動量に対して、位置決め装置１の機構学演算により各アーム部１０，３０，５０の移動量を求め、リニアアクチュエータ７０，８０，９０制御する制御信号を生成する。その後、ドライバ７６，８６，９６は、生成された制御信号を基にリニアアクチュエータ７０，８０，９０を制御することにより、３本のアーム部１０，３０，５０を動作させることができる。尚、本実施の形態の図位置決め装置１の動作領域の一例は、Ｘ方向が５０ｍｍ、Ｙ方向が５０ｍｍ、Ｚ方向２５ｍｍである。

次に、図１５を参照して、本実施の形態に係るばね位置決め装置１の機構モデルについて説明する。図１５に示すように、位置決め装置１は、既存のデルタ機構と同様である。本機構は，平行四節リンクを有した３本のアーム部１０，３０，５０と、原点座標系のＺ軸方向に平行に配置された３つの直動動作入力により並進３自由度を実現する。各アーム部１０，３０，５０及び動作入力は，原点座標系のＺ軸周りに各１２０度の角度をなして配置される。各アーム部１０，３０，５０の平行四節リンクにより動作拘束が与えられ、エンドエフェクタ９は常に原点座標系のＸＹ平面と平行を保つ。尚、上記実施の形態においては、制御装置８が制御部の一例であり、エンドエフェクタ９が可動先端部の一例であり、第一互違溝付きばね２１及び第二互違溝付きばね２２，２３が第一ばね関節の一例であり、第一互違溝付きばね２４及び第二互違溝付きばね２５，２６が第二ばね関節の一例である。

（基礎解析）
図１６に示すように、互違溝付きばね２００は屈曲するのであるが、図１７及び図１８を用いて、本実施の形態に使用される互違溝付きばね関節の弾性域内での最大屈曲角度及び回転剛性を調べるため，有限要素法による解析を行った。以下説明する。

（方法）
解析を行った本ばね関節の形状は、図１３に示す通りであり、幅（図１３に於ける奥行き）は２０ｍｍとした。本ばね関節は弾性変形部で屈曲するため、比較として弾性変形部と同じ厚さ０．２ｍｍの板ばね関節（幅２０ｍｍ、長さ６ｍｍ）も同様に解析を行った。材質は、ばね鋼（ＳＵＰ６、ヤング率：２０６ＧＰａ、横弾性率：７８ＧＰａ、ポアソン比：０．３、降伏応力：１０８０ＭＰａ）とした。解析手法として、まずプリプロセッサＦｅｍａｐ（ｖｅｒ．１０．２．０）により、各ばね関節に最小メッシュサイズ０．１ｍｍの六面体メッシュを作成した。図１７に示すように、ばね関節２０１に剛体リンク２０２を接続し、先端１００ｍｍに荷重を負荷した。負荷荷重は、周期４ｓのコサイン波とし、降伏応力内での最大負荷荷重は、予備解析により、互違溝付きばね関節は屈曲方向に１．５Ｎ、Ｙ軸周りに５Ｎ、Ｚ軸周りに３Ｎ、板ばね関節は屈曲方向に１．３Ｎ、Ｙ軸周りに２．４Ｎ、Ｚ 軸周りに１．２Ｎとした。これらの条件下にて、非線形変形解析ソフトウェアＤＡＦＵＬ（ｖｅｒ．３．３）により解析を行った。

（結果及び考察）
解析結果を図１８に示す。互違溝付きばね関節の屈曲角度は、ばね鋼の降伏応力内で、−２４．５６〜２４．５８ｄｅｇであった。板ばね関節の屈曲角度は、±１４．４３ｄｅｇであった。各ばね関節の回転剛性は表１のように得られた。

表１及び表２を参照すると、板ばね関節の回転剛性比は、Ｙ軸周りに極端に高く、逆にＺ軸周りに弱いことが分かる。それに対し、互違溝付きばね関節のＺ軸周りの回転剛性比は、板ばね関節と比較し、高いことが分かった。これは、互違溝付きばね関節が剛体部を有することで、Ｚ軸周りの変形が抑制されたからであると考えられる。ばね関節をパラレルメカニズムへ応用した場合、ばね関節には３次元下での複雑な荷重が加わる。互違溝付きばね関節は、特にＺ軸周りの回転剛性が板ばね関節と比較し高いため、荷重による変形を抑制し、高精度な動作が可能となると考えられる。

（機構応用）
提案する互違溝付きばね関節を、並進３自由度を有する一般的なパラレルメカニズムであるデルタ機構に応用した試作機（位置決め装置１）を開発した。本ばね関節を機構に応用することによって、高精度かつ広動作域が実現可能であることを示す。

（実装）
開発したばね−パラレルメカニズム試作機（位置決め装置１）は図１に示す構造である。直動動作入力には、リニアアクチュエータ（シチズン千葉精密製、分解能０．０１５６２５μｍ、ストローク２５ｍｍ、定格推力３０Ｎ）を使用した。以下、図１５のデルタ機構モデルを参照して説明する。ｉは各アームを示す。リンク２ｉ及び４ｉの長さは５３ｍｍ、リンク３ｉの長さは１５０ｍｍである。Ｘ軸・Ｙ軸方向におよそ５０ｍｍ四方動作するよう動作域を設定した場合、要求される互違溝付きばね関節の最大屈曲角度は±２０ｄｅｇである。この屈曲角度を満たすよう本ばね関節の全体寸法は、図１３に示すように、屈曲部１３０の縦の長さＬ１１が６．０ｍｍ、厚みＬ１２が２．０ｍｍ、溝１３２の長さＬ１３が１．３ｍｍ、溝１３２の幅Ｌ１４が０．２ｍｍ、剛体部１３１の厚みＬ５が０．６ｍｍ、弾性変形部１３３の厚みＬ１６が０．２ｍｍ、弾性変形部１３３の長さＬ１７が０．６ｍｍと決定された。アクチュエータのストローク２５ｍｍと、本ばね関節の最大屈曲角度±２０ｄｅｇから求められた動作域を、図１９に示す。Ｚ軸方向の動作域はアクチュエータのストロークのみに依存するため、ストロークの長いアクチュエータを用いることで、Ｚ軸方向への動作域拡大は容易に可能である。ばね関節Ｊ２ｉ・Ｊ５ｉの幅は４０ｍｍ、ばね関節Ｊ３ｉ・Ｊ４ｉの幅は２０ｍｍとした。各ばね関節の寸法は図１３の通りである。材質は、ばね鋼（ＳＵＰ６）を用いた。各ばね関節は、ワイヤ放電加工により高精度に加工後、熱処理を行うことでばね鋼としての性質を付加した。高精度を実現するため、ばね関節Ｊ２ｉ・Ｊ２０ｉとそれらを接続するリンク２ｉ、ばね関節Ｊ４ｉ・Ｊ４０ｉとそれらを接続するリンク４ｉ及び機構基部は、一体部品として製作した。なお、アクチュエータを取り外した試作機質量は４２６ｇである。

（動作解析）
ばね−パラレルメカニズム試作機（位置決め装置１）について、降伏応力内の動作域について解析的に調べ、評価を行った。
（方法）
基礎解析と同様の条件で、Ｆｅｍａｐ（ｖｅｒ．１０．２．０）によりばね関節のみメッシュを作成し、その他のリンクは剛体とした。直動動作入力は、Ｚ軸方向に平行に配置されているため、Ｘ・Ｙ軸方向に並進すると、ばね関節に変形が生じる。そこで、エンドエフェクタがＸ・Ｙ平面上を直径７２ｍｍの円（予想される動作域である一辺５０ｍｍ の正方形の外接円）を周期１ｓで動作するよう動作入力値を与えた。これらの条件下でＤＡＦＵＬ（ｖｅｒ．３．３）にて動作解析を行った。

（結果及び考察）
解析結果を図２０に示す。Ｘ・Ｙ平面上で直径７２ｍｍの円を動作したときにばね関節で生じた最大応力は、９８３ＭＰａであった。ばね鋼の降伏応力は１０８０ＭＰａであるため、本試作機は、Ｘ・Ｙ軸方向に、５０ｍｍ四方動作可能であることが確認された。

（実機評価、繰り返し位置決め精度評価実験）
現在、レンズやミラーなど光学部品の取付けの際には、エンドエフェクタ位置をカメラなどの画像系によりフィードバック制御を行っている。そのようなシステムでは、特に繰り返し位置決め精度が重要である。そこで、開発した試作機の繰り返し位置決め精度評価を行った。

（方法）
実験装置を図２１に示す。エンドエフェクタ９を各軸並進方向に、周期２０ｓのサイン波で１０周期動作させ、最大変位Ｘ：±２５ｍｍ、Ｙ：±２５ｍｍ、Ｚ：２０ｍｍを生ずるよう入力を与えた。エンドエフェクタ９の位置は、２次元レーザー変位計３００（キーエンス社製、分解能１μｍ）により測定した。実測値の極大値における入力値との誤差を１０回分平均し、繰り返し位置決め誤差を算出した。

（結果及び考察）
実験結果を図２２〜図２４に示す。結果から平均繰り返し位置決め誤差は、Ｘ：０．８４μｍ、Ｙ：０．５６μｍ、Ｚ：０．７４μｍであった。レーザー変位計の分解能は１μｍであり、本試作機は、レーザー変位計と同等の繰り返し位置決め精度を有することが分かった。これは、各関節がすべてばね要素で構成され、機械的なガタが全く発生しなかったためであると考えられる。

（剛性評価実験）
光学部品のピッキング及び精密位置決めには、一般的に荷重を支えるため、Ｚ軸方向の剛性が特に重要である。そこで、試作機の各軸方向の並進剛性を測定する。

（方法）
実験装置を図２５に示す。直動アクチュエータ２１０によりエンドエフェクタ９に荷重を負荷した。荷重は、直動アクチュエータ２１０の出力軸に取り付けられたロードセル２１１（共和電業製、最大荷重±５０Ｎ）により測定した。同時にエンドエフェクタ９の変位は、２次元レーザー変位計２１２（キーエンス社製、分解能１μｍ）により測定した。

（結果及び考察）
実験結果を図２６〜図２８に示す。剛性は、Ｘ：１７．９Ｎ／ｍｍ、Ｙ：１９．２Ｎ／ｍｍ、Ｚ：９４．３Ｎ／ｍｍであった。Ｘ軸・Ｙ軸方向の剛性に対し、Ｚ軸方向の剛性が高いことが分かった。各ばね関節がＺ軸方向に沿って配置されていることで、Ｚ軸方向に剛性が高くなったと考えられる。Ｘ軸・Ｙ軸方向の変位と負荷荷重の関係には線形性があった。これは、各関節がすべてばね要素で構成され、その変形により変位が生じたためであると考えられる。Ｚ軸方向の変位と負荷荷重の関係には、ヒステリシスが生じた。この原因として、Ｚ軸方向に平行に配置されたアクチュエータの特性が影響した可能性が考えられる。

（結論）
上記の解析結果から、本ばね関節が、従来から用いられる板ばね関節と比較し、広い屈曲角度を有しながらも、屈曲方向以外の相対的な回転剛性が高く、ねじれにくい高精度な特性を有することが明らかになった。さらに、本ばね関節を並進３自由度を有した一般的なパラレルメカニズムであるデルタ機構に応用した試作機（位置決め装置１）を開発し、本試作機の解析及び実機評価を行った。その結果、試作機（位置決め装置１）では、Ｘ軸・Ｙ軸方向に５０ｍｍ四方の広い動作域を有しながら、繰り返し位置決め精度が１μｍで動作することが分かった。また、Ｚ軸方向に剛性が高く、９４．３Ｎ／ｍｍであることが分かった。よって、本ばね関節を応用した試作機（位置決め装置１）は、光学部品の自重など外力を抑制し、広動作域を有しながらも高精度に動作可能であることが確認された。

尚、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、パラレルメカニズム２のアームは３組に限られず、２組、４組等でもよい。また、上記の実施の形態で挙げた違溝付きばねの剛体部１２１、溝１２２、弾性変形部１２３等のサイズや数は一例であり、シミュレーション等により適宜のサイズや数に決定すれば良い。また、第一互違溝付きばね２１と第二互違溝付きばね２２，２３との配置及び第一互違溝付きばね２４と第二互違溝付きばね２５，２６との配置は、必ずしもＨ型でなくても良く、例えば、Ｕ型やＬ型に配置しても良い。また、パラレルメカニズム２には上記実施の形態以外に関節を設け、その関節にも、互違溝付きばねを用いても良い。さらに、位置決め装置１を上下反対にして、下部にリニアアクチュエータ７０，８０，９０を設けて上部に、パラレルメカニズム２を設け、最上部にエンドエフェクタ９が来るようにしても良い。また、位置決め装置１を水平や斜めに配置しても良い。

本発明のパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置は、各種の位置決め装置に利用でき、特に、光学部品の高精度位置決めなど、産業用ロボットに利用可能である。

１ 位置決め装置
２ パラレルメカニズム
７ 保持部
８ 制御装置
９ エンドエフェクタ
１０ アーム部
１１ リンク
１２ リンク
１３ 基部金具
１４ 先端部金具
１５ 接続金具
１６ 接続金具
２１ 第一互違溝付きばね
２２ 第二互違溝付きばね
２３ 第二互違溝付きばね
２４ 第一互違溝付きばね
２５ 第二互違溝付きばね
２６ 第二互違溝付きばね
３０ アーム部
５０ アーム部
７０ リニアアクチュエータ
７１ 固定具
７３ 先端金具
８０ リニアアクチュエータ
８１ 固定具
８３ 先端金具
８８ 制御コンピュータ
９０ リニアアクチュエータ
９０ 固定具
９１ 固定具
９３ 先端金具
１２０ 屈曲部
１２１ 剛体部
１２２ 溝
１２３ 弾性変形部
１３０ 屈曲部
１３１ 剛体部
１３２ 溝
１３３ 弾性変形部

Claims (8)

1. 複数のアーム部と、
   前記各アーム部により支持される１つの可動先端部と、
   前記各アーム部の先端部と前記可動先端部との間に設けられた第一ばね関節と、
   前記各アーム部の基部と前記アーム部を駆動するアクチュエータとの間に設けられた第二ばね関節と
   を備え、
   前記第一ばね関節または前記第二ばね関節は、
   直方体の金属部材の一の面及びその反対側の背面から交互に溝が形成され、
   前記一の面からの溝と前記背面からの溝は前記溝の延設方向と直交方向に於いて一部重なるように形成されている互違溝付きばねを含み構成されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記各アーム部は、左右一対のリンクと上枠及び下枠から構成された四節平行リンク型アームであり、
   前記上枠が前記アーム部の基部を構成し、
   前記下枠が前記アーム部の先端部を構成し、
   前記第一ばね関節または前記第二ばね関節は、第一互違溝付きばねと、左右一対の幅の等しい第二互違溝付きばねから各々構成され、
   前記左右一対の第二互違溝付きばねは、前記第一互違溝付きばねの左右両端部に前記一の面同士又は前記背面同士が互いに対向するように対称に配置されてい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. 前記第二互違溝付きばねの幅は、前記第一互違溝付きばねの幅よりも狭い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. 前記第一互違溝付きばね及び第二互違溝付きばねは、
   溝と当該溝が形成された面と同じ面側から形成された隣の溝との間に形成される剛体部と、
   前記溝と当該溝が形成された面と反対の面側から形成された隣の溝との間に形成され、前記剛体部の厚みより薄い板状の弾性変形部とを備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパラレルメカニズム。
5. 前記第一互違溝付きばね及び第二互違溝付きばねは、前記一の面側から形成された溝の数と、前記背面側から形成された溝の数が同じであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパラレルメカニズム。
6. 前記パラレルメカニズムは並進３自由度を有するデルタ機構であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のパラレルメカニズム。
7. 請求項１から６の何れかに記載のパラレルメカニズムと、
   当該パラレルメカニズムの各アーム部の基部を移動させるアクチュエータと
   を備えたことを特徴とする位置決め装置。
8. 前記アクチュエータを制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項７に記載の位置決め装置。

Images