JP2020078839A

JP2020078839A - パラレルリンクロボット

Info

Publication number: JP2020078839A
Application number: JP2018212649A
Authority: JP
Inventors: 真広山本; Masahiro Yamamoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2020-05-28
Also published as: CN111168645A; US20200147785A1; DE102019130056A1

Abstract

【課題】装置を大型化させずに、可動部の要素の姿勢変更のための動力を増大させる。【解決手段】２以上のアクチュエータ５を備える基礎部２と、可動部３と、各アクチュエータ５に連結された２以上のリンク部４と、可動部３に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部と、２以上のリンク部４に設けられ要素の同一自由度の姿勢を変更する２以上の追加アクチュエータ７と、動力伝達軸部８とを備え、各リンク部４が、駆動リンク４１と２つの平行な受動リンク４２とを備え、各追加アクチュエータ７が、２つ以上のリンク部４の受動リンク４２の間に配置され、各動力伝達軸部８が、各追加アクチュエータ７から受動リンク４２に沿って延びるとともに、姿勢変更機構部から延びる軸部にユニバーサルジョイントによってそれぞれ接続され、各ユニバーサルジョイントが、２つの受動リンク４２と可動部３との交点を結ぶ直線上に位置するパラレルリンクロボット１である。【選択図】図１

Description

本発明は、パラレルリンクロボットに関するものである。

従来、３つのモータが配置された基礎部と、基礎部の下方に配置された可動部と、基礎部と可動部とを相互に並列に連結しモータによって駆動される３つのアームとを備えるパラレルリンクロボットが知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。各アームは、モータに連結された駆動リンクと、駆動リンクと可動部とを連結する２本の平行な受動リンクとを備えている。

可動部には、可動部に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部が設けられ、１以上のアームの２つの受動リンクの間には、受動リンクに対して平行に配置された追加アクチュエータと、追加アクチュエータの回転駆動力を姿勢変更機構部に伝達する動力伝達軸部とが取り付けられている。

特許第４６５３８４８号公報特許第５５７６９１２号公報

可動部に付属する要素の姿勢変更に大きな動力を必要とする場合には、追加アクチュエータおよびその支持部材を大型化させる必要がある。その場合には、追加アクチュエータ、動力伝達軸部材および支持部材の重量が増大するので、支持部材を取り付ける受動リンクの剛性も増大させる必要があり、また、追加アクチュエータが取り付けられているアームのモータも大きくしなければならないという不都合がある。
本発明は、装置を大型化させることなく、可動部に付属する要素の姿勢変更のための動力を増大させることができるパラレルリンクロボットを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、２以上のアクチュエータを備え、外部構造物に固定される基礎部と、該基礎部に対して移動可能な可動部と、前記基礎部の各前記アクチュエータに連結された２以上のリンク部と、前記可動部に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部と、２以上の前記リンク部に設けられ前記要素の同一自由度の姿勢を変更する２以上の追加アクチュエータと、各該追加アクチュエータの回転駆動力を前記姿勢変更機構部に伝達する動力伝達軸部とを備え、各前記リンク部が、各前記アクチュエータに連結され、前記基礎部に対して１自由度を有する駆動リンクと、該駆動リンクと前記可動部とを連結し、互いに平行に配置される２つの受動リンクとを備え、各前記追加アクチュエータが、２つ以上の前記リンク部の前記受動リンクの間に配置され、各前記動力伝達軸部が、各該追加アクチュエータから前記受動リンクに沿って延びるとともに、前記姿勢変更機構部から延びる軸部にユニバーサルジョイントによってそれぞれ接続され、各前記ユニバーサルジョイントが、２つの前記受動リンクと前記可動部との交点を結ぶ直線上に位置するパラレルリンクロボットである。

本態様によれば、リンク部の数と同じ数だけ追加アクチュエータを追加することができてパラレルリンクロボットの自由度を高めることができる。追加アクチュエータの作動により、発生した回転駆動力を動力伝達軸部によって可動部に伝達し、可動部に付属する要素の姿勢を変更することができる。

この場合において、２以上のリンク部の受動リンクの間に追加アクチュエータが配置され、これらの追加アクチュエータにより可動部の同一自由度の姿勢が変更されるので、可動部に加わる負荷が大きな場合であっても、可動部を駆動する回転駆動力を複数の追加アクチュエータに分担させることができる。すなわち、可動部に大きな動力が必要な場合であっても、追加アクチュエータ、受動リンク、駆動リンクおよび基礎部のアクチュエータを大型化することなく、可動部に付属する要素の姿勢変更のための動力を増大させることができる。

上記態様においては、前記姿勢変更機構部が、前記可動部の前記要素に固定された第１歯車と、該第１歯車に噛み合う２以上の第２歯車とを備え、各前記軸部が各前記第２歯車に固定されていてもよい。
この構成により、各追加アクチュエータの回転駆動力は、動力伝達軸部によりユニバーサルジョイントを経由して姿勢変更機構部の軸部に伝達され、２以上の軸部に固定された２以上の第２歯車が同時に噛み合う第１歯車によって可動部の要素に伝達され、要素の姿勢を変更することができる。

また、上記態様においては、２以上の前記リンク部の前記受動リンクが、前記駆動リンクから前記可動部に向かって相互に近接する方向に配置され、前記第１歯車および前記第２歯車が傘歯歯車であってもよい。
この構成により、一方向に傾斜する受動リンクに沿って配置された動力伝達軸部からの回転駆動力を、傘歯歯車どうしの噛み合いによって無理なく可動部に伝達することができ、可動部の可動範囲を広く確保することができる。

本発明によれば、装置を大型化させることなく、可動部に付属する要素の姿勢変更のための動力を増大させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るパラレルリンクロボットを示す斜視図である。図１のパラレルリンクロボットの補助リンクおよび追加アクチュエータを拡大して示す図である。図１のパラレルリンクロボットの可動部が基礎部の真下に配置されている状態における受動リンクおよび補助リンクの状態を示す模式図である。図３の可動部が水平方向に移動した状態における受動リンクおよび補助リンクの状態を示す模式図である。図１のパラレルリンクロボットの手首軸の構造を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係るパラレルリンクロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るパラレルリンクロボット１は、図１に示されるように、ハウジング９内に収納された基礎部２と、基礎部２の下方に配置された円板状の可動部３と、基礎部２と可動部３とを並列に連結する３本のアーム（リンク部）４と、基礎部２に配置され３本のアーム４をそれぞれ駆動する３つのアクチュエータ５と、可動部３に設けられた手首軸６と、手首軸６を駆動する追加アクチュエータ７およびドライブシャフト（動力伝達軸部）８とを備えている。

ハウジング９および基礎部２は、パラレルリンクロボット１の上方に配置される外部構造物（図示略）に固定される平面視円形の部材であって、３本のアーム４をそれぞれ駆動する３つのアクチュエータ５が固定されている。３つのアクチュエータ５は、図示しないサーボモータと減速機とを備え、基礎部２の中心軸回りの周方向に等間隔をあけて配置され、基礎部２の中心軸を中心とする円の接線方向に沿って配置された水平な回転駆動軸を有している。

アーム４は、それぞれ、一端がアクチュエータ５の回転駆動軸に固定された駆動リンク４１と、駆動リンク４１の他端と可動部３との間に接続された２本の平行な受動リンク４２とを備えている。駆動リンク４１と受動リンク４２および受動リンク４２と可動部３は、それぞれ球面軸受４３，４４により連結されている。
各アーム４の２本の受動リンク４２の両端に配置された４個の球面軸受４３，４４は、これら球面軸受４３，４４を頂点とする四角形が平行四辺形を構成する位置に配置されている。

これにより、３本のアーム４は基礎部２の中心軸回りの周方向に等間隔をあけて配置されている。３個のアクチュエータ５が個別に制御されることにより、可動部３を水平な姿勢に保った状態で、水平２方向および鉛直１方向の３次元方向の所望の位置に並進移動させて位置決めすることができる。

本実施形態においては、図１に示されるように、２つのアーム４にそれぞれ追加アクチュエータ７が備えられている。
各アーム４に備えられた２本の受動リンク４２は、図２に示されるように、それらの長手方向の途中位置に配置された補助リンクに４５よって相互に連結されている。補助リンク４５の両端は軸受４６によって、２本の受動リンク４２の長手軸線が含まれる平面に直交する軸線回りに回転可能に各受動リンク４２に連結されている。

また、追加アクチュエータ７は、補助リンク４５の長手方向に中央に、軸受４７によって、補助リンク４５の両端の軸受４６の軸線と平行な軸線回りに回転可能に連結されている。追加アクチュエータ７も図示しないモータと減速機とを備え、受動リンク４２の長手方向に平行な軸線回りに回転可能な出力軸を備えている。

図３に示されるように、ドライブシャフト８は、追加アクチュエータ７の出力軸に一端が固定され、２つの受動リンク４２の間においてこれら受動リンク４２に平行に延びている。
ドライブシャフト８の他端は、図３から図５に示されるように、後述する姿勢変更機構部６２の軸部６２ａにユニバーサルジョイント４８によって連結されている。ユニバーサルジョイント４８の中心点は、２本の受動リンク４２と可動部３とを連結する２つの球面軸受４４の中心点を結ぶ直線上に配置されていることが好ましい。

図３および図４に示されるように、可動部３を水平方向に移動させる場合の受動リンク４２、補助リンク４５、追加アクチュエータ７およびドライブシャフト８の動作を示す。図３は可動部３の中心軸と基礎部２の中心軸とが一致している状態、図４は、図３の状態から可動部３が水平方向に移動した状態をそれぞれ示している。
可動部３の位置に関わらず、受動リンク４２、追加アクチュエータ７およびドライブシャフト８は互いに平行な状態に維持される。

手首軸６は、可動部３の中心軸回りに、可動部３に回転可能に支持された円板状の取付部材（要素）６１と、取付部材６１を中心軸回りに回転駆動する姿勢変更機構部６２とを備えている。
姿勢変更機構部６２は、図５に示されるように、可動部３内部に収容され、取付部材６１に固定され、取付部材６１の中心軸回りに可動部３に対して回転可能に支持された傘歯歯車からなる第１歯車６３と、第１歯車６３に噛み合う傘歯歯車からなる２つの第２歯車６４とを備えている。

２つの第２歯車６４の軸部６２ａは、可動部３を貫通して斜め上方に突出しており、それぞれ、上述したようにユニバーサルジョイント４８によって異なるドライブシャフト８の他端に連結している。

単一の第１歯車６３に噛み合う２つの第２歯車６４を駆動する２つの追加アクチュエータ７を構成する２つのモータは、同一のトルク指令により駆動される。すなわち、２つの追加アクチュエータ７は、１つのトルク指令に基づいたタンデム制御により制御される。これにより、２つの第２歯車６４の両方が第１歯車６３に同時に確実に噛み合い、第１歯車６３の駆動トルクが２つのアクチュエータ５によって確実に分配される。

このように構成された本実施形態に係るパラレルリンクロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るパラレルリンクロボット１によれば、外部構造物に固定された基礎部２に備えられた３つのアクチュエータ５を駆動することにより、３本の駆動リンク４１がそれぞれのアクチュエータ５の回転駆動軸回りに１自由度で揺動させられる。

各駆動リンク４１が個別に制御されることにより、揺動させられると、各駆動リンク４１の先端に球面軸受４３により連結された２本ずつの受動リンク４２が、駆動リンク４１と可動部３との間で平行な関係を保ちながら受動的に揺動させられる。これにより、可動部３が水平２方向および鉛直１方向の３自由度で移動させられ、所望の位置に位置決めされる。

また、２つの追加アクチュエータ７を、タンデム制御を用いて同時に作動させることによって、２つの追加アクチュエータ７のドライブシャフト８のそれぞれにユニバーサルジョイント４８によって接続された２つの第２歯車６４が第１歯車６３に同時に噛み合って動力を伝達し、可動部３に対して取付部材６１が鉛直軸線回りに回転させられる。これにより、位置決めされた可動部３を固定したままの状態で、取付部材６１に取り付けたツール（図示略）の姿勢を鉛直軸線回りに変更することができる。

この場合において、取付部材６１を回転させる動力を単一の追加アクチュエータ７によって出力するのではなく、２つの追加アクチュエータ７によって分担させるので、追加アクチュエータ７の大型化を防止しつつ、動力を増大させることができるという利点がある。
すなわち、追加アクチュエータ７を大型化させずに済むので、追加アクチュエータ７を取り付けている補助リンク４５および受動リンク４２を高剛性化させずに済む。また、受動リンク４２が連結されている駆動リンク４１および駆動リンク４１に動力を供給するアクチュエータ５の大型化も防止することができるという利点がある。

また、単一のアーム４の追加アクチュエータ７を大型化させると、３本のアーム４の重量バランスが悪くなるので、可動部３の移動方向に依存して加減速性能が損なわれる場合が生ずるが、２つのアーム４に追加アクチュエータ７の重量を分配しているので、そのような不都合を発生させずに済むという利点もある。

また、本実施形態においては、比較的重量の大きな追加アクチュエータ７を受動リンク４２の駆動リンク４１に近接する位置に配置し、比較的軽量のドライブシャフト８によって動力を伝達しているので、可動部３の加減速性能を損なうことはない。

また、本実施形態においては、第１歯車６３および第２歯車６４として傘歯歯車を採用しているので、２つの第２歯車６４の軸部６２ａを上方に向かって離間する方向に簡易に傾斜させることができる。その結果、先端に向かって近接する方向に傾斜する受動リンク４２に沿って配置されているドライブシャフト８との間のユニバーサルジョイント４８による接続を容易にし、可動部３の動作範囲を広く確保することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、３本のアーム４を有するデルタ型のパラレルリンクロボット１を例示したが、これに代えて、２本以上のアーム４を有する他の形式のパラレルリンクロボットに適用してもよい。
また、３本のアーム４のうち２本のアーム４に追加アクチュエータ７を取り付けた場合を例示したが、これに代えて、３本のアーム４すべてに追加アクチュエータ７を取り付け、３つの第２歯車６４を同時に第１歯車６３に噛み合わせることにしてもよい。

また、手首軸６が、取付部材６１の姿勢を２つの追加アクチュエータ７によって鉛直軸線回りに変更する場合を例示したが、これに代えて、水平軸線回りに変更する場合に適用してもよい。また、手首軸６が１自由度の場合を例示したが２自由度の場合に適用し、いずれか一方の自由度による取付部材６１の姿勢の変更を２つの追加アクチュエータ７によって行うことにしてもよい。

また、姿勢変更機構部６２が、第１歯車６３および第２歯車６４を噛み合わせる構造のものを例示したが、これに限定されるものではなく、他の任意の機構を用いてもよい。また、第１歯車６３および第２歯車６４は傘歯歯車に限定されない。

１パラレルリンクロボット
２基礎部
３可動部
４アーム（リンク部）
５アクチュエータ
７追加アクチュエータ
８ドライブシャフト（動力伝達軸部）
４１駆動リンク
４２受動リンク
４８ユニバーサルジョイント
６２姿勢変更機構部
６２ａ軸部
６３第１歯車
６４第２歯車

Claims

２以上のアクチュエータを備え、外部構造物に固定される基礎部と、
該基礎部に対して移動可能な可動部と、
前記基礎部の各前記アクチュエータに連結された２以上のリンク部と、
前記可動部に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部と、
２以上の前記リンク部に設けられ前記要素の同一自由度の姿勢を変更する２以上の追加アクチュエータと、
各該追加アクチュエータの回転駆動力を前記姿勢変更機構部に伝達する動力伝達軸部とを備え、
各前記リンク部が、各前記アクチュエータに連結され、前記基礎部に対して１自由度を有する駆動リンクと、該駆動リンクと前記可動部とを連結し、互いに平行に配置される２つの受動リンクとを備え、
各前記追加アクチュエータが、２つ以上の前記リンク部の前記受動リンクの間に配置され、
各前記動力伝達軸部が、各該追加アクチュエータから前記受動リンクに沿って延びるとともに、前記姿勢変更機構部から延びる軸部にユニバーサルジョイントによってそれぞれ接続され、
各前記ユニバーサルジョイントが、２つの前記受動リンクと前記可動部との交点を結ぶ直線上に位置するパラレルリンクロボット。
前記姿勢変更機構部が、前記可動部の前記要素に固定された第１歯車と、該第１歯車に噛み合う２以上の第２歯車とを備え、
各前記軸部が各前記第２歯車に固定されている請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
２以上の前記リンク部の前記受動リンクが、前記駆動リンクから前記可動部に向かって相互に近接する方向に配置され、
前記第１歯車および前記第２歯車が傘歯歯車である請求項２に記載のパラレルリンクロボット。