JP2017035769A - ４自由度機構 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する球面軸受けの数を２つとする。【解決手段】可動面１１２が固定面１１１に対して平面内において３自由度で移動可能な３自由度平面閉リンク機構１１と、固定面１１１に取付けられ、平面に垂直な方向に直動するアクチュエータ１２と、一端がアクチュエータ１２の出力軸に接続された球面軸受け１３ａと、一端が球面軸受け１３ａの他端に接続された球面軸受け１３ｂと、可動面１１２に平行な面内で当該可動面１１２に連動して移動し、当該可動面１１２を挟んで球面軸受け１３ｂの他端に直接又は間接的に接続された出力面１４とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、平面方向（ＸＹθ方向）と当該平面方向に垂直な方向（Ｚ方向）の４自由度を有する４自由度機構に関するものである。

パラレルリンクロボット（パラレルリンク機構）とは、従来型の多関節ロボットであるシリアルリンクロボットに対して、関節及びリンク構造が並列であることが特徴のロボットである。パラレルリンク機構の長所の一つとして、固定面（機構の根元部分）に出力用のモータを配置できる点が挙げられる。

一方、生産設備では、スカラ型と呼ばれるシリアルリンクロボットのように、平面方向（ＸＹθ方向）と当該平面方向に垂直な方向（Ｚ方向）への移動が求められる作業がある。このＸＹＺθの４自由度を有する従来のパラレルリンク機構としては、例えば非特許文献１，２に開示されたものがある。非特許文献１に開示されたＤＥＬＴＡ機構はよく知られており、産業用途等でもしばしば用いられている。また、非特許文献２に開示されたＨ４機構は、ＤＥＬＴＡ機構とは関節構成が異なるが、これも４自由度を有する機構である。その他にも、上記とは構成が異なるが、自由度構成が２つの並進と２つの旋回から成るものも存在している（例えば特許文献１参照）。

http://global.yamaha-motor.com/jp/profile/craftsmanship/technical/publish/no48/pdf/ss_08.pdf 日本機械学会論文集（Ｃ編）Ｖｏｌ．７０（２００４）Ｎｏ．６９１Ｐ７９８−８０３「新型４自由度パラレルロボットＨ４の設計及び動力学シミュレーション」

特開２００５−０６６７２３号公報

しかしながら、上記のような従来のパラレルリンク機構は、微細な力制御を行うのに適していないという課題がある。

すなわち、非特許文献１のパラレルリンク機構（ＤＥＬＴＡ機構）では１２個の球面軸受けを使用し、非特許文献２のパラレルリンク機構（Ｈ４機構）では６個の球面軸受けを使用し、特許文献１の機構では４個の球面軸受けを使用している。

ここで、球面軸受けとしては、すべり軸受けと、リテーナ付き転がり軸受けの２種類が挙げられる。すべり軸受けでは、揺動動作及び回転動作を行う際に摩擦が大きい。また、リテーナ付き転がり軸受けでは、摩擦は小さいが、リテーナずれという現象が生じる。リテーナずれとは、揺動動作及び回転動作を繰り返すうちにリテーナが偏って移動してしまう現象を指す。そして、リテーナが機構端にまでずれてしまった場合、その機構端部分が接触抵抗となり、揺動動作及び回転動作が妨げられることになる。このリテーナずれの発生を制御することは困難であり、また、リテーナずれが発生した場合には精密な力制御が困難な状態となる。よって、パラレルリンク機構では、球面軸受けの数が多くなるほど、微細な力制御が行えなくなる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、使用する球面軸受けの数を２つとすることができる４自由度機構を提供することを目的としている。

この発明に係る４自由度機構は、可動面が固定面に対して平面内において３自由度で移動可能な３自由度平面閉リンク機構と、固定面に取付けられ、平面に垂直な方向に直動するアクチュエータと、一端がアクチュエータの出力軸に接続された第１の球面軸受けと、一端が第１の球面軸受けの他端に接続された第２の球面軸受けと、可動面に平行な面内で当該可動面に連動して移動し、当該可動面を挟んで第２の球面軸受けの他端に直接又は間接的に接続された出力面とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、使用する球面軸受けの数を２つとすることができる。

この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の構成例を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の動作例を示す斜視図であり（ａ）移動前の状態を示す図であり、（ｂ）移動後の状態を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の動作例を示す側面図であり、移動後の状態を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の動作例を示す上面図であり、（ａ）移動前の状態を示す図であり、（ｂ）移動後の状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における３自由度平面閉リンク機構の別の構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る４自由度機構の別の構成例を示す側面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１，２はこの発明の実施の形態１に係る４自由度機構１の構成例を示す図である。なお図２では、３自由度平面閉リンク機構１１のうちの一部のリンク機構１１３の記載を省略している。
４自由度機構１は、平面内における位置（ＸＹ）方向及び姿勢（θ）方向と、当該平面に垂直な方向である高さ方向（Ｚ）方向の４自由度を有する機構である。この４自由度機構１は、図１，２に示すように、３自由度平面閉リンク機構１１、アクチュエータ１２、２つの球面軸受け（第１，２の球面軸受け）１３ａ，１３ｂ、出力面１４、連動部１５及び直動ガイド１６を備えている。

３自由度平面閉リンク機構１１は、可動面１１２が固定面１１１に対して平面内においてＸＹθの３自由度で移動可能な機構である。この３自由度平面閉リンク機構１１の構成例については後述する。

アクチュエータ１２は、固定面１１１に取付けられ、上記平面に垂直な方向（Ｚ方向）に直動するものである。
球面軸受け１３ａは、一端がアクチュエータ１２の出力軸に接続されたものである。
球面軸受け１３ｂは、一端が球面軸受け１３ａの他端に接続されたものである。
出力面１４は、可動面１１２に平行な面内で当該可動面１１２に連動して移動し、当該可動面１１２を挟んで球面軸受け１３ｂの他端に連動部１５及び直動ガイド１６を介して間接的に接続されたものである。

連動部１５は、可動面１１２を挟んで出力面１４に対向配置され、球面軸受け１３ｂの他端が接続されたものである。
直動ガイド１６は、可動面１１２を貫通して設けられ、一端が出力面１４に接続されて他端が連動部１５に接続されて、当該出力面１４及び当該連動部１５を上記平面に垂直な方向（Ｚ方向）に一体にガイドするものである。この直動ガイド１６は、出力面１４を上記平面内において回転させないように抑制する働きも有している。図１の例では、直動ガイド１６として２本のボールブッシュを用いた場合を示している。

次に、３自由度平面閉リンク機構１１の構成例について説明する。
図１，２に示す３自由度平面閉リンク機構１１では、対向配置された固定面１１１と可動面１１２との間に、３つのリンク機構１１３が設けられている。３つのリンク機構１１３は、可動面１１２を固定面１１１に対してその対向面内（平面内）で相対的にＸＹθ方向に変位させるものである。

各リンク機構１１３には、相対的に直動可能に連結されたフレーム１１３１，１１３２が設けられている。なおフレーム１１３１，１１３２の直動機構の詳細については図示を省略している。
また、フレーム１１３１の端部には、当該フレーム１１３１を固定面１１１に対して回転自在に接続する回転機構１１３３が取付けられている。同様に、フレーム１１３２の端部には、当該フレーム１１３２を可動面１１２に対して回転自在に接続する回転機構１１３４が取付けられている。

また、回転機構１１３３には、回転機構１１３３の発生トルクを制御するモータ１１３５が接続されている。そして、このモータ１１３５の制御を行うことで、各リンク機構１１３は、固定面１１１に相対して揺動動作を行うことができる。

そして、本発明では、上記のように構成された３自由度平面閉リンク機構１１の可動面１１２に、Ｚ方向に移動可能とする出力面１４を付加している。よって、この出力面１４は、ＸＹＺθ方向に移動することが可能である。
すなわち、図３〜５に示すように、３自由度平面閉リンク機構１１により可動面１１２が横に移動すると、出力面１４も連動して横に移動する。この際、横への移動量に応じて、アクチュエータ１２によって高さ方向に出力面１４を押し上げることで、出力面１４の高さを維持することができる。また、アクチュエータ１２によって出力面１４の高さを制御することもできる。その結果、出力面１４をＸＹＺθ方向に移動させることが可能となる。なお図４では、３自由度平面閉リンク機構１１のうちの一部のリンク機構１１３の記載を省略している。

また本発明では、４自由度機構１に使用する球面軸受けの数を２つ（球面軸受け１３ａ，１３ｂ）とすることができる。よって、従来構成に対して、微細な力制御に適した構成とすることができる。

なお、３自由度平面閉リンク機構１１は図１に示す構成に限るものではなく、例えば図６に示すような構成としてもよい。なお図６では、アクチュエータ１２、２つの球面軸受け１３ａ，１３ｂ、出力面１４、連動部１５及び直動ガイド１６の図示はしていないが、図１と同様である。また、図１ではフレーム１１３１，１１３２が相対的に直動可能に連結されているが、図６（ａ），（ｂ）ではフレーム１１３１，１１３２が相対的に回転可能に連結されている。また、図１，６（ａ）ではモータ１１３５が回転モータであるが、図６（ｂ）ではモータ１１３５が直動モータとなっている。

また図１，６では、３自由度平面閉リンク機構１１の各リンクの関節構成をＡ−Ｂ−Ｃのように示している。ここで、Ａは固定面１１１側の関節、Ｃは可動面１１２側の関節を意味している。また、Ｌは直動関節を表し、Ｒは回転関節を表している。また、（Ｍ）はモータ（アクチュエータ１２、モータ１１３５）を搭載している関節を示している。

３自由度平面閉リンク機構１１での関節の組み合わせは、原理的には８通り存在する（Ｒ−Ｒ−Ｒ，Ｒ−Ｒ−Ｌ，Ｒ−Ｌ−Ｒ，Ｌ−Ｒ−Ｒ，Ｒ−Ｌ−Ｌ，Ｌ−Ｒ−Ｌ，Ｌ−Ｌ−Ｒ，Ｌ−Ｌ−Ｌ）。また、モータ（Ｍ）の位置を考慮した場合には、その組み合わせは、８通り（関節の組み合わせ）×３箇所（モータ（Ｍ）の位置）＝２４通りとなる。
本発明では、上記組み合わせのうちの何れの３自由度平面閉リンク機構１１でも用いることが可能である。なお、モータ（アクチュエータ１２、モータ１１３５）の位置を固定面１１１に集約することで、４自由度機構１の動作によってモータに繋がるケーブルの位置及びテンションが変化してしまうことを回避でき、力制御への影響を回避することができる。

また図１の例では、出力面１４を、連動部１５及び直動ガイド１６を介して球面軸受け１３ｂの他端に間接的に接続した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図７に示すように、出力面１４と球面軸受け１３ｂを直接接続してもよい。図７の例では、図１に示す連動部１５は用いず、可動面１１２に貫通孔１１２１を設けている。そして、出力面１４を、この貫通孔１１２１を通して球面軸受け１３ｂの他端に直接接続している。なお、図７の構成では、貫通孔１１２１の大きさが、４自由度機構１の動作範囲の制約条件となる。なお図７では、３自由度平面閉リンク機構１１のうちの一部のリンク機構１１３の記載を省略している。

また図１の例では、直動ガイド１６として２本のボールブッシュを用いた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、出力面１４の上記平面内での回転を抑制するように当該平面に垂直な方向にガイドする機構であればよく、例えば、１本のスプライン、１本のリニアガイド等を用いることも可能である。

以上のように、この実施の形態１によれば、可動面１１２が固定面１１１に対して平面内において３自由度で移動可能な３自由度平面閉リンク機構１１と、固定面１１１に取付けられ、平面に垂直な方向に直動するアクチュエータ１２と、一端がアクチュエータ１２の出力軸に接続された球面軸受け１３ａと、一端が球面軸受け１３ａの他端に接続された球面軸受け１３ｂと、可動面１１２に連動して移動し、当該可動面１１２を挟んで球面軸受け１３ｂの他端に直接又は間接的に接続された出力面１４とを備えたので、使用する球面軸受けの数を２つ（球面軸受け１３ａ，１３ｂ）とすることができる。その結果、微細な力制御に適した４自由度機構１を実現することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ ４自由度機構
１１ ３自由度平面閉リンク機構
１２ アクチュエータ
１３ａ，１３ｂ 球面軸受け（第１，２の球面軸受け）
１４ 出力面
１５ 連動部
１６ 直動ガイド
１１１ 固定面
１１２ 可動面
１１３ リンク機構
１１２１ 貫通孔
１１３１，１１３２ フレーム
１１３３，１１３４ 回転機構
１１３５ モータ

Claims (3)

1. 可動面が固定面に対して平面内において３自由度で移動可能な３自由度平面閉リンク機構と、
   前記固定面に取付けられ、前記平面に垂直な方向に直動するアクチュエータと、
   一端が前記アクチュエータの出力軸に接続された第１の球面軸受けと、
   一端が前記第１の球面軸受けの他端に接続された第２の球面軸受けと、
   前記可動面に平行な面内で当該可動面に連動して移動し、当該可動面を挟んで前記第２の球面軸受けの他端に直接又は間接的に接続された出力面と
   を備えた４自由度機構。
2. 前記可動面を挟んで前記出力面に対向配置され、前記第２の球面軸受けの他端が接続された連動部と、
   前記可動面を貫通して設けられ、一端が前記出力面に接続されて他端が前記連動部に接続されて、当該出力面及び当該連動部を前記平面に垂直な方向に一体にガイドする直動ガイドとを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の４自由度機構。
3. 前記可動面に設けられ、前記出力面を前記平面に垂直な方向にガイドする直動ガイドと、
   前記可動面に設けられた貫通孔とを備え、
   前記出力面は、前記貫通孔を通して前記第２の球面軸受けの他端に直接接続された
   ことを特徴とする請求項１記載の４自由度機構。

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