JP2017042829A - パラレルリンクロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの可動部の動作領域を変えることなく、ロボット本体を小型軽量化し、設置面積を小さくするとともに、設置や移動が簡単に行うことが可能で、作業性に優れたパラレルリンクロボットを提供する。【解決手段】可動部を駆動する３個のアクチュエータと、各アクチュエータを支持する箱体形状の筐体を備え、前記筐体外部の側面部に２個のアクチュエータを左右に配置するとともに、１個のアクチュエータを前記筐体外部の上面部に配置する。また、前記筐体は、鉛直方向に伸びたスタンド部材に着脱可能に支持されるとともに、前記スタンド部材には、前記筐体が鉛直方向に移動可能な移動機構手段と、鉛直方向の中心軸線回りに回転可能な回転機構手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、物品の加工や組立等の作業に用いられるパラレルリンクロボットに関するものである。

パラレルリンクロボットは、基礎部となる固定部材に複数のアクチュエータを取付け、該アクチュエータの出力部に連結されたリンクアームをそれぞれ駆動して各リンクの先端に形成された可動部に設置されるエンドエフェクタの位置や姿勢を制御することで物品の組立等の作業に用いられるものであり、種々の形態のものが開発されている。

例えば、特許文献１には図８に示される、デルタ型と呼ばれるパラレルリンクロボットが開示されている。このパラレルリンクロボットでは、基礎部に並列配置された３個のモータが固定され、各モータの回転出力軸に連結された駆動アームと、各駆動アームに関節接続する一対の平行リンクから構成される３組のリンク構造体が下方に向かって形成され、一つの可動部材に関節接続されている。これにより、ロボットの作業領域の上方部に基礎部が配置される構成となっており、この基礎部は設置面や設置台に据え置かれる円弧壁状のスタンド２２によって支持されている。

また、特許文献２には、同様のデルタ型のパラレルリンクロボットが開示されている。このパラレルリンクロボットでは、基礎部はロボットの作業領域を含むフレーム構造体の天井部分に固定支持され、リンク可動部を吊り下げるように設置されている。

特許第４６５９０９８号公報 特開２０１３−１５８８４７号公報

前述した特許文献１及び特許文献２に開示されるパラレルリンクロボットにおいては、複数のモータ等の重量物を保持する基礎部を作業領域の上方に支持するためのスタンドや天井部を備えたフレーム構造体が非常に大きなものとなり、ロボット全体が大型化してしまう。その為、ロボットの設置や移動が困難であり、設置面積も増加するという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ロボットの可動部の動作領域を変えることなく、ロボット本体を小型軽量化し、設置面積を小さくするとともに、設置や移動が簡単に行うことが可能で、作業性に優れたパラレルリンクロボットを提供する。

上記課題を解決するために、本発明のパラレルリンクロボットは、第１アクチュエータ、第２アクチュエータ及び第３アクチュエータと、前記各アクチュエータを支持するための筐体と、前記各アクチュエータに連結されたアームとリンクから構成される３組のリンク部材と、各リンク部材の先端に連結された出力部材とを備えたパラレルリンクロボットにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを前記筐体外部の左右側面部に配置するとともに、前記第３アクチュエータを前記筐体外部の上面部に配置することを特徴とする。

本発明によれば、ロボットの基礎部である筐体部分を大幅に小型化することが可能であり、筐体部分を支持するスタンド部材も、小型軽量化することが出来る。

また、筐体部分をスタンド部材から着脱可能とすることで、設置作業や設置場所の移動が容易に行える。さらに、スタンド部材に、筐体部分を鉛直方向に直線移動可能な移動機構手段や鉛直方向の中心軸線回りに回転可能な回転機構手段を設けることにより、作業用途に応じて、先端の可動部を最適な位置に設定することが可能で、ロボットの作業領域を拡大する効果がある。

本発明のパラレルリンクロボットの概略構成を示す斜視図 図１に示すパラレルリンクロボットの説明図で、（ａ）正面図、（ｂ）側面の部分断面図、（ｃ）上面図 図１に示すパラレルリンクロボットの筐体部分をスタンド部材から着脱した状態を示す斜視図 図１に示すパラレルリンクロボットのスタンド部材の鉛直方向移動機構手段により、筐体部分の位置を変えた斜視図 図１に示すパラレルリンクロボットのスタンド部材に設けた回転機構手段により、筐体部分を回転させた状態を示す斜視図 本発明の一実施形態によるスタンド部材の概略構成を示す断面図 本発明のパラレルリンクロボットに係わる駆動部および制御部のブロック図 従来のパラレルリンクロボットの説明図で、（ａ）斜視図、（ｂ）断面図

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明のパラレルリンクロボットの概略構成を示す斜視図であり、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、その正面図、側面断面図および上面図である。

図１および図２において、パラレルリンクロボット１００は、固定部材としての筐体部１０１と、３組のリンク構造部と出力軸を含む可動部１０２より構成される。また、筐体部１０１の下方には、筐体部１０１を支持するスタンド１０３が配置されている。

筐体部１０１は箱体形状であり、筐体部１０１の側面部の左右対称位置には、第１モータ１０４および第２モータ１０５が、上面部には第３モータ１０６がそれぞれ取付部材を介して固定されている。第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６には、それぞれ第１回転アーム１０７、第２回転アーム１０８、第３回転アーム１０９が連結されている。回転アーム１０７、１０８、１０９には、それぞれジョイント部材１１０ｂ、１１１ｂ、１１２ｂを介して、一対の平行リンクからなる第１リンク１１０、第２リンク１１１、第３リンク１１２が連結され、さらに各リンクの他端は可動部である出力軸１１３にジョイント部材１１０ａ、１１１ａ、１１２ａを介して，それぞれ接続されている。

箱体形状の筐体部１０１を囲うように配置された３つのモータは、第１モータ１０４および第２モータ１０５が、回転軸が鉛直方向となるように、また第３モータ１０６が、回転軸が水平方向となるように支持されている。

出力軸１１３には、中心軸線上から斜め前方に向かって水平方向に突出した突起軸が設けられ、ジョイント部材１１０ａ、１１１ａを介して、第１リンク１１０および第２リンク１１１が、それぞれ左右両側から連結している。また、出力軸１１３の上端部には、出力軸１１３と直交する支持軸１１３ａが装着固定されており、この支持軸１１３ａの両端には、ジョイント部材１１２ａを介して、第３リンク１１２が上方から連結している。

第１リンク１１０および第２リンク１１１の平行リンクにより、第１回転アーム１０７、第２回転アーム１０８がどの位置に回転しても、出力軸１１３の姿勢（傾き）が一定（略鉛直方向）に保持される。また、第３リンク１１２の平行リンクにより、第３回転アーム１０９がどの位置に回転しても、出力軸１１３の軸回りの回転が拘束され、向きが一定に保持される。

本発明の一実施形態におけるパラレルリンクロボットにおいては、ジョイント部材１１０ａ、１１０ｂおよびジョイント部材１１１ａ、１１１ｂは回転に対して３自由度を有するボールジョイント、ジョイント部材１１２ａ、１１２ｂは回転に対して２自由度を有するユニバーサルジョイントを使用している。これらのジョイント部材は、いずれも２自由度を有していれば機能的に問題ないが、ボールジョイントを使用することでジョイント部材自体をコンパクトにすることが可能である。但し、この場合には、平行リンク機構のねじれを防止するために、第１リンク１１０および第２リンク１１１の軸周りの回転を規制する規制部材としてのブリッジ部材１１４、１１５が必要となる。ブリッジ部材１１４、１１５は、２本のリンク軸の両端寄りに、それぞれ２本のリンク軸に掛け渡されるように配置される。このようなブリッジ部材１１４、１１５は、それぞれ、第１リンク１１０および第２リンク１１１に直交する軸を有し、この軸にそれぞれ回動自在に支持される。これにより、２本のリンク軸が平行状態を維持したまま相対移動が可能であり、各リンクの軸回りの自由度を拘束することができる。

第１モータ１０４による第１回転アーム１０７の駆動と、第２モータ１０５による第２回転アーム１０８の駆動とを行うことで、出力軸１１３は略水平方向に移動する。また、第３モータ１０６により第３回転アーム１０９を駆動することで、出力軸１１３を上下方向に移動させると、第１リンク１１０と第２リンク１１１は水平からずれて傾斜する。このため、出力軸１１３の３次元空間内（所定の空間内）の位置は、第１リンク１１０と第２リンク１１１の傾斜量を考慮して、第１、第２、第３回転アームの駆動量から幾何学的に算出することが可能である。また、逆運動学の計算により、出力軸１１３の空間位置座標から第１、第２、第３モータの駆動量を算出することが可能である。

第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６の回転量をそれぞれ協調して制御することにより、出力軸１１３は固定部材である筐体部１０１に対して、３軸並進運動を行うことができるが、本発明の一実施形態におけるパラレルリンクロボット１００は、出力軸１１３に回転運動が可能な姿勢変更機構部（第４軸駆動部）１１６を備えている。

出力軸１１３には、姿勢変更機構部１１６を介して、エンドエフェクタであるチャック１１７を支持するための支持部材１１８が同軸上に設けられている。チャック１１７は、支持部材１１８の取付部に嵌合装着され、ボルト等で着脱自在に固定されている。姿勢変更機構部１１６を回転駆動させることにより、チャック１１７を出力軸１１３の回りに自在に回転させることが可能である。

姿勢変更機構部１１６の駆動は、筐体部１０１の内部に設けられた第４モータ１１９により、コントロールケーブル１２０を介して行われる。コントロールケーブル１２０は、駆動側と従動側を連結する一対のアウターケーブルとアウターケーブル内部に摺動自在に挿通され、駆動プーリと従動プーリに巻き付けて張力を付与された状態で支持されたインナーワイヤとから構成される。これにより、第４モータ１１９に連結した駆動プーリの回転は、姿勢変更機構部１１６内の従動プーリに伝達され、チャック１１７が回転駆動される。コントロールケーブル１２０は可撓性を有しているので、第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６のそれぞれの駆動により、出力軸１１３が可動エリア内のどの位置に移動しても、フレキシブルに駆動プーリの回転を従動プーリに伝達することが可能であり、姿勢変更機構部１１６を駆動することができる。

図３に示すように、パラレルリンクロボット１００の筐体部１０１は、スタンド１０３に着脱自在に支持される。スタンド１０３は、基台部１２１に固定された固定フレーム１２２と、固定フレーム１２２に対して鉛直方向に直線移動可能に設けられた可動フレーム１２３から構成される。可動フレーム１２３には、回転機構部１２４を介して取付板１２５が設けられており、基台部１２１に対して取付板１２５がスタンド１０３の鉛直方向の中心軸回りに回転可能となっている。筐体部１０１の底面に設けられた位置決めピン等の位置決め手段により、筐体部１０１が取付板１２５の所定の位置に精度良く位置決め支持され、複数のボルト１２６により固定される。可動フレーム１２３の側面部には、ロックノブ１２７によるロック機構が設けられており、固定フレーム１２２に対して可動フレーム１２３の位置を固定できる。

図４は、可動フレーム１２３を移動させて、スタンド１０３の取付板１２５の高さ位置を変えた状態を示す。即ち、設置面からの筐体部１０１の高さを調整することができる。パラレルリンクロボットの鉛直方向の可動範囲だけでは、対応しきれない作業に対しても、スタンド１０３の高さ位置を調整することで、最適な作業領域を確保することができる。

また、図５は、スタンド１０３の回転機構部１２４を回転させて取付板１２５の角度を変えて、筐体部１０１の向きを正面（中央）に対して、左右に回転移動させた状態を示す。パラレルリンクロボットの設定された可動範囲Ａ（円柱形状）を左右に回転移動させることができるので、より広い作業領域を確保し、作業の切り替えも容易に行うことができる。

本発明のパラレルリンクロボットでは、箱体形状の筐体部１０１の外側に第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６を、内部に第４モータ１１９を配設し、３組のリンクを筐体部１０１から前方に伸ばして出力軸１１３に接続する構成とすることにより、固定部材である筐体部１０１を必要最小限の大きさにすることが可能となり、ロボット全体を軽量化することも可能である。
また、従来例のパラレルリンクロボットのスタンドが、鉛直方向から水平方向に張り出すようなフレーム形状で筐体部を支持しているのに対して、本発明のパラレルリンクロボットでは、筐体部の重心付近の位置を下から鉛直に支持することができるので、振動に対しても安定して筐体部を支持することが可能であり、スタンド部材自体も軽量化することができる。

また、本発明のパラレルリンクロボットでは、筐体部１０１が箱体形状であり、自立可能な構造となっているため、スタンド１０３を使用せずに、筐体部１０１を作業机や作業台の上に直接置いて使用することもできる。筐体部１０１の可搬性を持たせるために、筐体部１０１には把持部材１２８が設けられている。

（実施例２）
図６は、本発明の第２実施例を示すものである。前記実施例と共通する構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し違いのみを説明する。

前記実施例においては、パラレルリンクロボット１００の筐体部１０１を支持するスタンド１０３に、鉛直方向に直線移動可能な移動機構手段と、鉛直軸線回りに回転可能な回転機構手段を設け、任意の位置に手動で移動させることができるようにしたものであるが、本実施例では、各移動機構を駆動する駆動手段を設けて、移動位置を制御するようにしたものである。

図６において、スタンド１０３の固定フレーム１２２には、ボールねじユニット１２９が支持部材１３０により固定されている。ボールねじユニット１２９は、ねじ軸１３１と、ねじ軸１３１の両端部を支持する軸受１３２と、ねじ軸１３１と同軸上にカップリング１３３を介して駆動軸が連結固定されたモータ１３４から構成される。ねじ軸１３１にボールを介して嵌合されたナット部１３５がスライダー１３６に固定されており、スライダー１３６は、可動フレーム１２３に固定されている。可動フレーム１２３は、固定フレーム１２２に形成されたガイド部１２２ａによってガイドされ、鉛直方向に移動自在に支持されている。これにより、モータ１３４を回転駆動することで、可動フレーム１２３が鉛直方向の上下に移動する。

また、可動フレーム１２３の回転機構部１２４内には、モータ１３７が配設されている。取付板１２５は、回転中心軸１２５ａ上に回転軸１３８が固定されており、可動フレーム１２３の回転機構部１２４内に設けられた軸受１３９と１４０によって、可動フレーム１２３に回転自在に軸支されている。回転軸１３８には、ウォームホイール１４１が連結固定されており、モータ１３７の駆動軸に軸固定されたウォームギア１４２と噛合う位置に配設されている。モータ１３７を回転駆動することで、取付板１２５を所定の位置に回転移動させることができる。

本実施例では、ねじ軸１３１およびウォームギア１４２のリード角をそれぞれ小さく設定することにより、セルフロックが作用し、モータ１３４、１３７の駆動を切った状態でも、それぞれの停止位置を保持できる効果がある。また、いずれも減速比を大きく設定できるので、駆動トルクを軽減してモータ１３４、１３７を小型化できる。

図７は、パラレルリンクロボット１００の駆動部および制御部のブロック図である。パラレルリンクロボット１００は、第１モータ１０４、第２モータ１０５、第３モータ１０６、第４モータ１１９を制御するためのＭＰＵ（制御部）１４３を備える。また、ＭＰＵ（制御部）１４３は、外部装置を接続するためのＩ／Ｏ入出力部１４４を備えている。スタンド１０３内に配設された２つのモータ、鉛直方向移動用の駆動モータ１３４と回転駆動用のモータ１３７は、Ｉ／Ｏ入出力部１４４を介してＭＰＵ（制御部）１４３で制御される。

これにより、パラレルリンクロボット１００は、可動部１０２の可動範囲を連続的に可変させて、より広い可動範囲を得ることができる。

本実施例では、スタンド１０３の取付板１２５の鉛直方向駆動機構として、ボールねじを採用しているが、ラックとピニオンギアやベルトやワイヤーなどの別の駆動方式を用いてもよい。また、取付板１２５の回転駆動機構として、ウォームギアを採用しているが、遊星歯車による回転機構や、リンクなどによる揺動機構を用いてもよい。

１００ パラレルリンクロボット
１０１ 筐体部
１０２ 可動部
１０３ スタンド
１０４ 第１モータ
１０５ 第２モータ
１０６ 第３モータ
１１３ 出力軸
１１９ 第４モータ
１２２ 固定フレーム
１２３ 可動フレーム
１２４ 回転駆動機構
１２８ 把持部材
１２９ ボールねじユニット
１３４ 鉛直移動用モータ
１３５ 回転駆動用モータ
１４２ ウォームギア
１４３ ＭＰＵ（制御部）
１４４ Ｉ／Ｏ 入出力部

Claims (4)

1. 第１アクチュエータ、第２アクチュエータ及び第３アクチュエータと、前記各アクチュエータを支持するための筐体と、前記各アクチュエータに連結されたアームとリンクから構成される３組のリンク部材と、各リンク部材の先端に連結された出力部材とを備えたパラレルリンクロボットにおいて、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを前記筐体外部の左右側面部に配置するとともに、前記第３アクチュエータを前記筐体外部の上面部に配置することを特徴とするパラレルリンクロボット。
2. 前記筐体は、左右の中心軸線上に沿って鉛直方向に伸びたスタンド部材に着脱可能に支持されることを特徴とする請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
3. 前記スタンド部材は、前記筐体が鉛直方向に直線移動可能な移動機構手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のパラレルリンクロボット。
4. 前記スタンド部材は、鉛直方向の中心軸線回りに、前記筐体が回転可能な回転機構手段を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のパラレルリンクロボット。
   
   

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