JP2020192625A

JP2020192625A - パラレルリンクロボット

Info

Publication number: JP2020192625A
Application number: JP2019098409A
Authority: JP
Inventors: 憲太郎大谷; Kentaro Otani
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: US11420324B2; DE102020113426A1; US20200376653A1; CN111993386A; JP7332337B2

Abstract

【課題】加工精度、組立精度を緩和できるパラレルリンクロボットの提供。【解決手段】基礎部３と、手首部５と、基礎部３と手首部５とを並列に連結する複数のアーム７と、各アーム７を駆動する複数の基礎アクチュエータ９と、加工精度および組立精度を緩和することができるパラレルリンクロボット機構を駆動する追加アクチュエータ１３と、追加アクチュエータ１３を連結する補助リンク２９と、追加アクチュエータ１３の回転駆動力を手首機構１１に伝達する動力伝達軸部１５とを備え、各アーム７が、駆動リンク２１と２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂとを備え、補助リンク２９が、一対の受動リンク２３Ａ，２３Ｂ間に掛け渡されて受動リンク２３Ａ，２３Ｂに揺動可能に連結され、動力伝達軸部１５が、ユニバーサルジョイント３５に固定されたスプライン軸と追加アクチュエータ１３の出力軸に固定されたスリーブとを噛み合わせたボールスプライン３３を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、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ている。また、１つのアームの２つの受動リンクの間には、各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キーシャフトまたはスプラインシャフトを備える動力伝達軸部とが取り付けられている。追加アクチュエータは、２つの受動リンク間に掛け渡された補助リンクによって支持されている。動力伝達軸部は、キーシャフトまたはスプラインシャフトの先端が姿勢変更機構部の入力軸にユニバーサルジョイントを介して接続されている。

特許文献１に記載のパラレルリンクロボットは、補助リンクに追加アクチュエータを連結する軸受、各受動リンクに補助リンクをそれぞれ連結する軸受、各受動リンクと可動部とを連結する軸受、および、ユニバーサルジョイントをそれぞれ頂点とする２つの四角形がそれぞれ平行四辺形となるように構成されている。また、ユニバーサルジョイントが２つの受動リンクと可動部との各交点を結ぶ直線上に配置されている。

特許第４６５３８４８号公報

特許文献１に記載のパラレルリンクロボットは、部品の寸法誤差または取り付け誤差、部品の摩耗等の影響によって、上述した平行四辺形が崩れると、ロボット駆動時の姿勢変更に伴い、補助リンクとユニバーサルジョイントとの間の距離が変化する。この場合、動力伝達軸部のキーシャフトまたはスプラインシャフトの結合部が軸方向に微小摺動し、金属どうしの摩擦によって摩耗が生じる。そのため、上述した平行四辺形を構成する部品に高い加工精度および組立精度が要求されるが、寸法誤差および取り付け誤差なく部品を作製したり組み立てたりするのは非常に困難である。したがって、上述した平行四辺形を構成する部品の加工精度および組立精度を緩和することができるパラレルリンクロボットが望まれている。

本開示の一態様は、基礎部と、該基礎部に対して移動可能な可動部と、前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、前記基礎部に配置され、各前記アームを駆動する複数の基礎アクチュエータと、前記可動部に取り付けられる追加機構部を駆動する追加アクチュエータと、該追加アクチュエータを少なくとも１つの前記アームに揺動可能に連結する補助リンクと、前記追加アクチュエータの回転駆動力を前記追加機構部に伝達する動力伝達軸部とを備え、各前記アームが、前記基礎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、前記補助リンクが、２つの前記受動リンク間に掛け渡されて各前記受動リンクに揺動可能に連結され、前記動力伝達軸部が、前記追加機構部の入力軸に取り付けられたユニバーサルジョイントまたは前記追加アクチュエータの出力軸の一方に固定されたスプラインシャフトと他方に固定されたナットとを噛み合わせたボールスプラインを備えるパラレルリンクロボットである。

本開示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の追加アクチュエータおよびドライブシャフトを拡大して示す図である。図３のドライブシャフトの構造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機構の構造を示す模式図である。本開示の一実施形態の第１変形例に係るパラレルリンクロボットの追加アクチュエータを拡大して示す図である。本開示の一実施形態の第２変形例に係るパラレルリンクロボットの追加アクチュエータを拡大して示す図である。

本開示の一実施形態に係るパラレルリンクロボットについて、図面を参照しながら以下に説明する。
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１７内に収納された基礎部３と、基礎部３の下方に配置された円板状の手首部（可動部）５と、基礎部３と手首部５とを並列に連結する複数、例えば３本のアーム７と、基礎部３に固定され、３本のアーム７をそれぞれ駆動する３つの基礎アクチュエータ９とを備えている。

また、パラレルリンクロボット１は、手首部５に設けられた手首機構（追加機構部）１１と、手首機構１１を駆動する追加アクチュエータ１３と、追加アクチュエータ１３の回転駆動力を手首機構１１に伝達する動力伝達軸部１５とを備えている。

ハウジング１７および基礎部３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る。
３つの基礎アクチュエータ９は、図示しないサーボモータと減速機とを備えている。これら基礎アクチュエータ９は、基礎部３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。また、各基礎アクチュエータ９は、基礎部３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。

３本のアーム７は、基礎部３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本のアーム７は、それぞれ、一端が基礎アクチュエータ９の回転駆動軸に固定された駆動リンク２１と、駆動リンク２１の他端と手首部５との間に接続された２本の平行な受動リンク２３Ａ，２３Ｂとを備えている。駆動リンク２１と受動リンク２３Ａ，２３Ｂはそれぞれ球面軸受２５によって連結され、受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５はそれぞれ球面軸受２７によって連結されている。

各アーム７の２本の受動リンク２３Ａ，２３Ｂの両端に設けられた各球面軸受２５，２７は、これら４個の球面軸受２５，２７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。３つの基礎アクチュエータ９が個別に制御されることによって、手首部５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、手首部５を位置決めすることができる。

１つのアーム７に備えられた２本の受動リンク２３Ａ，２３Ｂは、図２に示されるように、それら受動リンク２３Ａ，２３Ｂの長手方向の途中位置に配置された補助リンク２９によって相互に連結されている。補助リンク２９の両端は、軸受３１Ａ，３１Ｂによって、２本の受動リンク２３Ａ，２３Ｂ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受動リンク２３Ａ，２３Ｂに連結されている。

追加アクチュエータ１３は、補助リンク２９の長手方向に中央に、軸受３１Ｃによって、補助リンク２９の両端の軸受３１Ａ，３１Ｂ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１３は、例えば、図３に示されるように、モータ１３ａと減速機１３ｂとを備えている。また、追加アクチュエータ１３は、受動リンク２３Ａ，２３Ｂ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。

動力伝達軸部１５は、図３〜図５に示されるように、ボールスプライン３３を備えている。ボールスプライン３３は、追加アクチュエータ１３の出力軸に固定された略筒状のスリーブ（ナット）３３ａと、後述する姿勢変更機構部３９の軸部（入力軸）４３に取り付けられたユニバーサルジョイント３５に固定されたスプライン軸（スプラインシャフト）３３ｂとが噛み合わせられて構成されている。スリーブ３３ａおよびスプライン軸３３ｂには、これらの長手方向に沿って延びる複数の転送溝３３ｃがそれぞれ設けられている。図４においては、スリーブ３３ａの転送溝は図示を省略している。

また、ボールスプライン３３は、複数の負荷ボール３３ｄと、スリーブ３３ａとスプライン軸３３ｂとの間でこれらの転送溝３３ｃに沿って負荷ボール３３ｄを転動可能に保持するリテーナ３３ｅとを備えている。ボールスプライン３３は、スリーブ３３ａおよびスプライン軸３３ｂの各転送溝３３ｃに沿って複数の負荷ボール３３ｄが転動することにより、スリーブ３３ａに対してスプライン軸３３ｂが軸方向に滑らかに摺動して、直線運動をしながらトルクを伝達することができる。

追加アクチュエータ１３の出力軸および動力伝達軸部１５のボールスプライン３３は、例えば、図２に示されるように、それぞれ２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの間においてこれら受動リンク２３Ａ，２３Ｂに平行に延びている。

ユニバーサルジョイント３５の中心点は、２本の受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５とを連結する２つの球面軸受２７の中心点を結ぶ直線上に配置されている。
手首部５の位置に関わらず、アーム７の受動リンク２３Ａ，２３Ｂ、追加アクチュエータ１３およびボールスプライン３３は互いに平行な状態に維持される。

手首機構１１は、図５に示されるように、手首部５の中心軸回りに、手首部５に回転可能に支持された円板状の取付部材（要素）３７と、取付部材３７を中心軸回りに回転駆動する姿勢変更機構部３９とを備えている。

姿勢変更機構部３９は、いずれも手首部５内部に収容された傘歯歯車からなる第１歯車４１Ａおよび第２歯車４１Ｂを備えている。
第１歯車４１Ａは、取付部材３７に固定され、取付部材３７の中心軸回りに手首部５に対して回転可能に支持されている。

第２歯車４１Ｂは、第１歯車４１Ａに噛み合う位置に配置されている。第２歯車４１Ｂの軸部４３は、手首部５を貫通して斜め上方に突出しており、上述したようにユニバーサルジョイント３５によって動力伝達軸部１５のスプライン軸３３ｂの他端に連結している。

次に、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。
上記構成の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３に備えられた３つの基礎アクチュエータ９を駆動することにより、３本の駆動リンク２１がそれぞれの基礎アクチュエータ９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２１が揺動させられると、各駆動リンク２１の先端に球面軸受２５によって連結された各受動リンク２３Ａ，２３Ｂが、駆動リンク２１と手首部５との間で互いに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、手首部５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、追加アクチュエータ１３を作動させることにより、動力伝達軸部１５にユニバーサルジョイント３５によって接続された姿勢変更機構部３９の第２歯車４１Ｂが第１歯車４１Ａに噛み合って取付部材３７に動力が伝達され、手首部５に対して取付部材３７が鉛直軸線回りに回転させられる。これにより、位置決めされた手首部５を固定したままの状態で、取付部材３７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。

図１に示されるように、各駆動リンク２１とそれぞれ２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂとの間、および、それぞれ２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５との間がそれぞれ球面軸受２５，２７によって接続されているので、各アーム７の２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂは、各受動リンク２３Ａ，２３Ｂの位置および姿勢に関わらず常に平行に維持される。また、図２に示されるように、補助リンク２９と受動リンク２３Ａ，２３Ｂとが軸受３１Ａ，３１Ｂによって接続され、補助リンク２９と追加アクチュエータ１３とが軸受３１Ｃによって接続され、動力伝達軸部１５のボールスプライン３３と手首部５とがユニバーサルジョイント３５によって接続されているので、追加アクチュエータ１３も２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの移動とともに移動する。

この場合において、軸受３１Ｃ、軸受３１Ａ、球面軸受２７およびユニバーサルジョイント３５を頂点とする四角形、および、軸受３１Ｃ、軸受３１Ｂ、球面軸受２７およびユニバーサルジョイント３５を頂点とする四角形をそれぞれ構成する部品に寸法誤差または取り付け誤差、部品の摩耗等が生じると、パラレルリンクロボット１の駆動時の姿勢変更に伴い、補助リンク２９とユニバーサルジョイント３５との間の距離が変化する。

本実施形態に係るパラレルリンクロボット１によれば、動力伝達軸部１５のボールスプライン３３により、追加アクチュエータ１３の回転駆動力を手首機構１１に伝達しながら、スリーブ３３ａに対してスプライン軸３３ｂが軸方向に滑らかに摺動する。これにより、動力伝達軸部１５において、金属どうしの摩擦による摩耗を生じさせることなく、補助リンク２９とユニバーサルジョイント３５との間の距離の変化を許容することができる。したがって、上記の四角形を構成する部品の加工精度および組立精度を緩和することができる。

本実施形態は以下の構成に変形することができる。
本実施形態においては、追加アクチュエータ１３の出力軸が、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの間においてこれら受動リンク２３Ａ，２３Ｂに平行に延びていることとした。第１変形例としては、例えば、図６に示されるように、追加アクチュエータ１３の出力軸が、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの長手軸に対して傾けられて配置されることとしてもよい。

本変形例の構成によっても、動力伝達軸部１５のボールスプライン３３により、補助リンク２９とユニバーサルジョイント３５との間の距離の変化が許容されることによって、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、ユニバーサルジョイント３５の中心点が、２本の受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５とを連結する２つの球面軸受２７の中心点を結ぶ直線上に配置されていることとした。第２変形例としては、例えば、図７に示されるように、ユニバーサルジョイント３５が、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５との交点を結ぶ直線上から、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの長手軸が含まれる平面に交差する方向にオフセットした位置に配置されることとしてもよい。

図７に示す例では、ユニバーサルジョイント３５の回転中心が、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂと手首部５との交点を結ぶ直線よりも手首部５の外側に配置されている。また、追加アクチュエータ１３が、２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂの長手軸が含まれる平面よりも外側、すなわち、３本のアーム７によって形成される空間の外側にずらした位置に配置されている。

本変形例の構成によっても、動力伝達軸部１５のボールスプライン３３により、補助リンク２９とユニバーサルジョイント３５との間の距離の変化が許容されることによって、本実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、駆動リンク２１に対して受動リンク２３Ａ，２３Ｂが揺動した場合において、追加アクチュエータ１３が２つの受動リンク２３Ａ，２３Ｂよりも駆動リンク２１から離れた位置に配置されているので、駆動リンク２１と追加アクチュエータ１３との干渉を回避することができる。
第１変形例の構成と第２変形例の構成を組み合わせることとしてもよい。

また、本実施形態においては、追加アクチュエータ１３の出力軸にボールスプライン３３のスリーブ３３ａが固定され、ユニバーサルジョイント３５にボールスプライン３３のスプライン軸３３ｂが固定されることとした。第３変形例としては、追加アクチュエータ１３の出力軸にスプライン軸３３ｂが固定され、ユニバーサルジョイント３５にスリーブ３３ａが固定されることとしてもよい。

また、本実施形態においては、３本のアーム７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７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、本実施形態においては、３本のアーム７のうち１本のアーム７に追加アクチュエータ１３を取り付けた場合を例示したが、これに代えて、２本のアーム７、あるいは、３本のアーム７すべてに追加アクチュエータ１３を取り付けることとしてもよい。

２本のアーム７にそれぞれ追加アクチュエータ１３を取り付ける場合は、例えば、姿勢変更機構部３９に第１歯車４１Ａに噛み合う２つの第２歯車４１Ｂを設け、各追加アクチュエータ１３によって各第２歯車４１Ｂを駆動することとすればよい。そして、２つの追加アクチュエータ１３の各モータ１３ａを同一のトルク指令によって駆動し、１つのトルク指令に基づいたタンデム制御によって２つの追加アクチュエータ１３を制御することとすればよい。

これにより、２つの第２歯車４１Ｂの両方が第１歯車４１Ａに同時に確実に噛み合い、第１歯車４１Ａの駆動トルクを２つの追加アクチュエータ１３によって確実に分配することができる。
３本のアーム７にそれぞれ追加アクチュエータ１３を取り付ける場合は、３つの第２歯車４１Ｂを同時に第１歯車４１Ａに噛み合わせ、３つの追加アクチュエータ１３の各モータ１３ａを同一のトルク指令によって駆動することとすればよい。

また、本実施形態においては、手首機構１１が、取付部材３７の姿勢を追加アクチュエータ１３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、取付部材３７の姿勢を水平軸線回りに変更する場合に適用してもよい。また、手首機構１１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３７の姿勢の変更を追加アクチュエータ１３によって行うことにしてもよい。

また、本実施形態においては、姿勢変更機構部３９が、第１歯車４１Ａおよび第２歯車４１Ｂ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４１Ａおよび第２歯車４１Ｂは傘歯歯車に限定されない。

１パラレルリンクロボット
３基礎部
５手首部（可動部）
７アーム
９基礎アクチュエータ
１１手首機構（追加機構部）
１３追加アクチュエータ
１５動力伝達軸部
２１駆動リンク
２３Ａ，２３Ｂ受動リンク
２９補助リンク
３３ボールスプライン
３３ａスリーブ（ナット）
３３ｂスプライン軸（スプラインシャフト）
３５ユニバーサルジョイント
４３軸部（入力軸）

Claims

基礎部と、
該基礎部に対して移動可能な可動部と、
前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、
前記基礎部に配置され、各前記アームを駆動する複数の基礎アクチュエータと、
前記可動部に取り付けられる追加機構部を駆動する追加アクチュエータと、
該追加アクチュエータを少なくとも１つの前記アームに揺動可能に連結する補助リンクと、
前記追加アクチュエータの回転駆動力を前記追加機構部に伝達する動力伝達軸部とを備え、
各前記アームが、前記基礎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、
前記補助リンクが、２つの前記受動リンク間に掛け渡されて各前記受動リンクに揺動可能に連結され、
前記動力伝達軸部が、前記追加機構部の入力軸に取り付けられたユニバーサルジョイントまたは前記追加アクチュエータの出力軸の一方に固定されたスプラインシャフトと他方に固定されたナットとを噛み合わせたボールスプラインを備えるパラレルリンクロボット。
前記追加アクチュエータが、２つの前記受動リンクの長手軸に対して傾けられて配置される請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
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から、２つの前記受動リンクの長手軸が含まれる平面に交差する方向にオフセットした位置に配置される請求項１または請求項２に記載のパラレルリンクロボット。