JP2023176402A - Ａｍｐパラレルロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＥＬＡＴ機構ロボットを２台用いて、出力節が６自由度を有するロボットを提供する。【解決手段】ベースに対して自由度５に拘束された第１の可動プラットフォームを有する第１のパラレルロボットと、前記ベースに対して自由度５拘束された第２の可動プラットフォームを有する第２のパラレルロボットを有し、前記第１の可動プラットフォームと、前記第２の可動プラットフォームが並進・回転変換機構で連結されたＡＭＰパラレルロボット。【選択図】図１

Description

本発明は６自由度の可動節を有する改良型Ｗ－ＤＥＬＴＡ型ロボットに関する。

一般的なパラレルロボットとして、よく知られているものにＤＥＬＴＡ型ロボットがある（特許文献１）。このタイプのロボットは、１つの可動プラットフォーム（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ、以下、「ＭＰ」とする。）を出力節とし、複数のリムを用いてＭＰの位置と姿勢を制御する。ＤＥＬＴＡ型ロボットは、重量の大きいモータをベース側に配置することで可動部であるＭＰが軽量となり、出力節が高速・高精度で動かせるという特長を有する。一方で、ＤＥＬＴＡ型ロボットは、リム間の機械的干渉により出力節の回転動作範囲が制限される問題がある。

そこで、近年、２個のパラレル機構を用いて、その２個のＭＰをラック・ピニオン、プーリ、ギア、ネジなどの並進運動を回転運動に変換する機構で連結し、出力節の回転動作範囲を拡大するＡｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ（ＡＭＰと略す）パラレルロボットの研究が盛んである。

最近では６自由度運動を対象とするＡＭＰパラレルロボットが提案されている。６自由度運動を実現するＡＭＰパラレルロボットの研究の多くは、３自由度ＤＥＬＴＡ機構を２個用いて、２個のＭＰ間に並進－回転変換機構を内在させる設計思想が採用されている。

米国特許第４９７６５８２号明細書

しかしながら３自由度ＤＥＬＴＡ機構のＭＰはベースと平行となる制約があるために、平行なＭＰに対して出力節を傾かせるための別の機構が必要となり、機構設計が複雑となりロボット機構が大型化してしまうという問題点を有していた。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、ＭＰ自体の自由度を高め、ＭＰに出力節を傾かせるための別の機構を施すことなく６自由度ＡＭＰパラレルロボットを提供する。

具体的に本発明に係るＡＭＰパラレルロボットは、
ベースに対して自由度５に拘束された第１の可動プラットフォームを有する第１のパラレルロボットと、
前記ベースに対して自由度５拘束された第２の可動プラットフォームを有する第２のパラレルロボットを有し、
前記第１の可動プラットフォームと、前記第２の可動プラットフォームが並進・回転変換機構で連結されたことを特徴とする。

本発明に係るＡＭＰパラレルロボットは、ベースに対して自由度５で拘束された可動プラットフォームを２台有するので、それぞれのＭＰに出力節を傾かせる別の機構（ユニバーサルジョイントなどの自由度２の対偶等）を施すことなく、ＭＰ間で保持された出力節（並進・回転変換機構）を６自由度で可動させることができる。このため、ＭＰを軽量で構成することができ、高速の動作が可能となる。その結果、ＭＰ間に配置された出力節も高速に動作させることができる。

本発明に係るＡＭＰパラレルロボットの構成を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットのサブメカニズムである第１のパラレルロボットの構成を示す図である。 第１のパラレルロボットの可動プラットフォームがＸ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 第１のパラレルロボットの可動プラットフォームがＹ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 第１のパラレルロボットの可動プラットフォームがＺ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 第１のパラレルロボットの可動プラットフォームがＸ軸回りに回転運動している場合を示す図である。 第１のパラレルロボットの可動プラットフォームがＹ軸回りに回転運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＸ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＹ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＺ軸方向に並進運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＸ軸回りに回転運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＹ軸回りに回転運動している場合を示す図である。 ＡＭＰパラレルロボットの出力節がＺ軸回りに回転運動している場合を示す図である。 Ｔｙｐｅ１のＡＭＰパラレルロボットのリンク図である。 Ｔｙｐｅ２のＡＭＰパラレルロボットのリンク図である。 Ｔｙｐｅ３のＡＭＰパラレルロボットのリンク図である。 Ｔｙｐｅ４のＡＭＰパラレルロボットのリンク図である。 Ｔｙｐｅ５のＡＭＰパラレルロボットのリンク図である。

以下に本発明に係るＡＭＰパラレルロボットについて図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係るＡＭＰパラレルロボットの外観を示す。本発明に係るＡＭＰパラレルロボット１は、ベース３００に対して、第１可動プラットフォーム（以下「第１ＭＰ」と略す。）１１０を３本のリムで支持する第１のパラレルロボット１００と、第２可動プラットフォーム（以下「第２ＭＰ」と略す。）２１０を３本のリムで支持する第２のパラレルロボット２００で構成される。なお、以下の説明では、ベース側を「下」、ＭＰ側を「上」という場合もある。

第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０には、自由度１の対偶（対偶１１２および対偶２１０）を介して並進・回転変換機構４００が連結されている。ＡＭＰパラレルロボット１は、第１のパラレルロボット１００と第２のパラレルロボット２００の動きによって、並進・回転変換機構４００に対して自由度６の動きをさせることができる。

図２には第１のパラレルロボット１００だけを表示した。第１のパラレルロボット１００は、ベース３００側から第１ＭＰ１１０に向けて、能動対偶１２１、機素１２２、第２対偶１２３、機素１２４、第３対偶１２５で構成される第１のリム１２０が配置されている。なお、以後リムは図面中能動対偶を矢印で指示して表す。

第１のパラレルロボット１００は、他に第２のリム１３０および第３のリムい換えると、第１のパラレルロボット１００は、ベース３００に対して３本のリムで第１ＭＰ１１０を支持、制御している。

第１のリム１２０を、より詳細に説明する。第１のリム１２０は、まず自由度１の能動対偶１２１でベース３００に固定されている。能動対偶１２１はモータ（回転対偶）が好適に利用できる。能動対偶１２１はベース３００への固定端の反対側に機素１２２の一端が固定されている。つまり、能動対偶１２１によって機素１２２は自由度１の動きをする。また、能動対偶１２１は第１対偶でもある。

機素１２２の他端には第２対偶１２３が接続されている。この第２対偶１２３は、自由度３の対偶である。第２対偶１２３は、球面対偶が好適に利用できる。第２対偶１２３において機素１２２と反対側には機素１２４が固定される。つまり機素１２４の一端には第２対偶１２３が接続されている。

機素１２４の他端には第３対偶１２５が固定されている。第３対偶１２５は、自由度２の対偶である。例えば第３対偶１２５は、ユニバーサルジョイントが好適に利用できる。第３対偶１２５の機素１２４と反対側に第１ＭＰ１１０が固定されている。

自由度１の能動対偶（第１対偶）、自由度３の第２対偶、自由度２の第３対偶によって構成される第１のリム１２０は自由度６を有する。

第２のリム１３０は第１のリム１２０と同じ構成である。すなわち、第２のリム１３０は、ベース３００に対して自由度１の能動対偶１３１（第１対偶１３１）、機素１３２、自由度３の第２対偶１３３、機素１３４、自由度２の第３対偶１３５で構成される。結果第２のリム１３０も自由度は６である。

第３のリム１４０は、自由度１の能動対偶１４１（第１対偶１４１）、機素１４２までは他の第１のリム１２０、第２のリム１３０と同じであるが、次に自由度２の４節リンク機構１４６が接続されている。４節リンク機構１４６は、リムのベース３００から第１ＭＰ１１０に向かう機素１４４ａ、機素１４４ｂと、これらに直角方向の機素１４３ｄ、機素１４５ｄの４本の機素と、これらを連結する自由度１の対偶１４３ａ、対偶１４３ｂ、対偶１４５ａ、対偶１４５ｂを有する。これらの構成により平行リンクが形成されている。

この平行リンクの上下の機素１４３ｄ、機素１４５ｄには、自由度１の対偶１４３ｃおよび対偶１４５ｃが配置されている。結果、４節リンク機構１４６は自由度２を有する。対偶１４３ｃは、４節リンク機構１４６の一端であり、対偶１４５ｃは４節リンク機構１４６の他端であると言ってよい。４節リンク機構１４６の他端は、自由度２の対偶１４５を介して第１ＭＰ１１０と連結されている。

つまり、第３のリム１４０は、自由度１の能動対偶（第１対偶）、自由度２の４節リンク機構、自由度２の対偶によって構成される。このような構成によって、第３のリム１４０は自由度５を有する。

以上のように、第１のリム１２０は自由度６であり、第２のリム１３０は自由度６であり、第３のリム１４０は自由度５である。このようなリムに支持、制御された第１ＭＰ１１０は、自由度５の運動（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の並進運動およびＸ軸回り、Ｙ軸回りの回転運動）が可能になる。

図３は、第１ＭＰ１１０がＸ軸方向へ変位する様子を示す。中心軸９０は、ベース３００の中心から垂直に立てた仮想軸である。中心点９２は、図２の状態での第１ＭＰ１１０の中心の位置である。符号９４は第１ＭＰ１１０の姿勢軸であり、第１ＭＰ１１０の中心における法線軸である。これらは以後の第１ＭＰ１１０の動きを明確にするための基準である。

図３を参照して、第１ＭＰ１１０は中心点９２からＸ軸方向に並進移動した状態を示す。移動した量は「Ｘ軸方向変位量」として示した。Ｘ軸方向への並進移動は、能動対偶によって機素を上下方向に移動させることで実現できる。図３では、能動対偶１２１によって機素１２２を上方向に伸ばし、能動対偶１３１によって機素１３２を上方向に伸ばし、能動対偶１４１によって機素１４２を下方向に短くする動きで実施できる。

図４は、第１ＭＰ１１０がＹ軸方向へ並進移動する様子を示す。Ｙ軸方向への移動量は「Ｙ軸方向変位量」として表した。図５は、第１ＭＰ１１０がＺ軸方向へ並進移動する様子を示す。Ｚ軸方向への移動量は「Ｚ軸方向変位量」として示した。なお、符号９５は、第１ＭＰ１１０の平面軸である。図６は、第１ＭＰ１１０がＸ軸を枢軸として回転する様子を示す。Ｘ軸回りの回転角は「Ｘ軸回り回転角」として示した。図７は、第１ＭＰ１１０がＹ軸を枢軸として回転する様子を示す。Ｙ軸回りの回転角は「Ｙ軸回り回転角」として示した。以上のように第１のパラレルロボット１００の第１ＭＰ１１０は自由度５を有する。第１ＭＰ１１０の動きは能動対偶１２１、能動対偶１３１、能動対偶１４１の３つのモーターといった駆動装置で制御することができる。

第２のパラレルロボット２００は第１のパラレルロボット１００と同じ構成の機構を有する。第２のパラレルロボット２００を図示はしていない。しかし、第２のパラレルロボット２００も、図３で示されたように３つのリムで構成される。ただし、３つのリムはそれぞれ第１のリム２２０、第２のリム２３０、第３のリム２４０である。また、機素および対偶の符号は２００番台に変わるだけで、１０の位および１の位は同じ数字で表される。従って、第２のパラレルロボット２００の第２ＭＰ２１０も自由度５を有する。

このように、自由度５を有する第１ＭＰ１１０を有する第１のパラレルロボット１００と、自由度５を有する第２ＭＰ２１０を有する第２のパラレルロボット２００が共通のベース３００を有するように構成される。

図１を再び参照し、さらに本発明に係るＡＭＰパラレルロボット１は、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０を並進・回転変換機構４００で連結される。ここで並進・回転変換機構４００としては、ラック・ピニオン、プーリ、ギア、ネジが好適に利用できる。

ＡＭＰパラレルロボット１は、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０がそれぞれ自由度５を有するので、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０の間に配置された並進・回転変換機構４００は結果的に６自由度の出力が可能となる。

図８は並進・回転変換機構４００をＸ軸方向に移動させた場合を示す。図８中並進・回転変換機構４００のＸ軸方向の並進移動を符号「ＸＰ」で示した。並進・回転変換機構４００のＸ軸方向の並進運動は、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０を同じ移動レートで動かすことで実現できる。

図９は並進・回転変換機構４００をＹ軸方向に移動させた場合を示す。並進・回転変換機構４００のＹ軸方向の並進移動を符号「ＹＰ」で示した。

図１０は並進・回転変換機構４００をＺ軸方向に移動させた場合を示す。並進・回転変換機構４００のＺ軸方向の並進移動を符号「ＺＰ」で示した。

図１１は並進・回転変換機構４００をＸ軸回りに回転させた場合を示す。並進・回転変換機構４００のＸ軸方向の回転運動を符号「ＸＲ」で示した。

図１２は並進・回転変換機構４００をＹ軸回りに回転させた場合を示す。並進・回転変換機構４００のＹ軸方向の回転運動を符号「ＹＲ」で示した。

図１３は並進・回転変換機構４００をＺ軸回りに回転させた場合を示す。並進・回転変換機構４００のＺ軸方向の回転運動を符号「ＺＲ」で示した。並進・回転変換機構４００のＺ軸方向の回転運動は、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０を平行のまま距離を広げることで実現できる。図では、並進・回転変換機構４００をネジとしており、第１ＭＰ１１０の自由度１の対偶を回転対偶とし、第２ＭＰ２１０の自由度１の対偶をネジ対偶とすると、並進・回転変換機構４００自体を回転させることができる。

図１４にはＡＭＰパラレルロボット１が図１の場合のリンク図を示す。これをＴｙｐｅ１と呼ぶ。ベース３００上にサブメカニズムとして第１のリム１２０、第２のリム１３０、第３のリム１４０で構成される第１のパラレルロボット１００と、第１のリム２２０、第２のリム２３０、第３のリム２４０で構成される第２のパラレルロボット２００が搭載され、第１ＭＰ１１０と第２ＭＰ２１０に１自由度の対偶（Ｒ：回転対偶およびＨ：ネジ対偶）が配置され、これら対偶間に出力節（並進・回転変換機構４００）が保持されている。

ここで、Ｐは並進対偶、Ｒは回転対偶、Ｈはネジ対偶、Πは平行理リンク（１自由度）、Ｕは自在対偶（ユニバーサルジョイント；２自由度）、Ｓは球面対偶（３自由度）、Ｐ／Ｒは能動対偶（動力付き対偶）である。図１４中で「ＲΠＲ」は平行リンク（Π）の両端に回転対偶がついたもので、４節リンク構造１４６に相当する。なお、図中の「Ｆ」は自由度を示す。例えば、球面対偶（Ｆ＝３）は、球面対偶が自由度３を示している。

このように、自由度６の第１のリム１２０および第２のリム１３０と、自由度５の第３のリム１４０によって、第１のパラレルロボット１００の第１ＭＰ１１０は自由度５を実現する。同様に第２のパラレルロボット２００の第２ＭＰ２１０も自由度５を実現する。そしてＡＭＰパラレルロボット１の出力節である並進・回転変換機構４００は６自由度を発揮できる。図中で点線で示した第３のリム１４０、２４０は自由度５のリムであり、実線でしめした第１のリム１２０、２２０および第２のリム１３０、２３０は自由度６のリムである。以下図１８までの表示も同じである。

本発明に係るＡＭＰパラレルロボット１は、第１のパラレルロボット１００および第２のパラレルロボット２００は、図１および図１４で示した構成以外であってもよい。つまり、第１のパラレルロボット１００および第２のパラレルロボット２００はそれぞれ自由度６のリム２本と自由度５のリム１本でＭＰを支持制御すれば、全体として出力節に６自由度を与えることができる。

図１５は、第１のパラレルロボット１００および第２のパラレルロボット２００の自由度２の４節リンク構造１４６を自由度３の球面対偶に変更した場合のリンク図を示す。これをＴｙｐｅ２と呼ぶ。このような構成でも第３のリム１４０、２４０の自由度は５となり、全体の出力節（並進・回転変換機構４００）は自由度６を実現することができる。

図１６は、第３のリム１４０、２４０において、能動対偶１４１、２４１とＭＰ（１１０、２１０）の間を４点リンク構造の各頂点を並列させた球面対偶（Ｓ）と並列させた自在対偶（Ｕ）で構成した場合を示す。これをＴｙｐｅ３と呼ぶ。このような構成でも第３のリム１４０、２４０の自由度は５となり、全体の出力節（並進・回転変換機構４００）は自由度６を実現することができる。

図１７は、第３のリム１４０、２４０において、能動対偶１４１、２４１とＭＰ（１１０、２１０）の間を球面対偶と並列した球面対偶で構成した場合を示す。これをＴｙｐｅ４と呼ぶ。このような構成でも第３のリム１４０、２４０の自由度は５となり、全体の出力節（並進・回転変換機構４００）は自由度６を実現することができる。

図１８には、第３のリム１４０、２４０において、能動対偶１４１、２４１とＭＰ（１１０、２１０）の間を４節リンク構造の各頂点を全て球面対偶で構成した場合を示す。これをＴｙｐｅ５と呼ぶ。このような構成でも第３のリム１４０、２４０の自由度は５となり、全体の出力節（並進・回転変換機構４００）は自由度６を実現することができる。

以上の説明では、第１のパラレルロボット１００と第２のパラレルロボット２００はそれぞれ自由度６のリム２本と自由度５のリム１本で構成されていれば、本発明のＡＭＰパラレルロボット１が実現することを示した。

しかし、本発明に係るＡＭＰパラレルロボット１は、第１のパラレルロボット１００と第２のパラレルロボット２００のリムの数が異なっている場合でも出力節に６つの自由度を与えることができる。表１にその組み合わせを示す。それぞれＴｐｙｅ６～Ｔｐｙｅ１０と呼ぶ。

表１から分かるように、２つのＭＰは少なくとも１つの自由度５のリムが接続され、全体として４本の６自由度のリムを全体として有していればよい。

また、駆動冗長を許容すれば、第１ＭＰ１１０に対して自由度５のリム１本と、６自由度のリム３本で構成し、第２ＭＰ２１０に対して自由度５のリム１本と、６自由度のリム３本であっても動作することができる。

本発明に係るＡＭＰパラレルロボットは、工業用ロボットとして好適に利用することができる。

１ ＡＭＰパラレルロボット
９２ 中心点
１００ 第１のパラレルロボット
１１０ 第１ＭＰ
１１２ 対偶
１２０ 第１のリム
１２１ 能動対偶
１２２ 機素
１２３ 第２対偶
１２４ 機素
１２５ 第３対偶
１３０ 第２のリム
１３１ 能動対偶（１３１ 第１対偶）
１３２ 機素
１３３ 第２対偶
１３４ 機素
１３５ 第３対偶
１４０ 第３のリム
１４１ 能動対偶（１４１ 第１対偶）
１４２ 機素
１４６ ４節リンク機構
１４４ａ 機素
１４４ｂ 機素
１４３ｄ 機素
１４５ｄ 機素
１４３ａ 対偶
１４３ｂ 対偶
１４５ａ 対偶
１４５ｂ 対偶
１４３ｃ 対偶
１４５ｃ 対偶
１４５ 対偶
２００ 第２のパラレルロボット
２１０ 第２ＭＰ（２１０ 対偶）
２２０ 第１のリム
２３０ 第２のリム
２４０ 第３のリム
３００ ベース
４００ 並進・回転変換機構

Claims (3)

1. ベースに対して自由度５に拘束された第１の可動プラットフォームを有する第１のパラレルロボットと、
   前記ベースに対して自由度５に拘束された第２の可動プラットフォームを有する第２のパラレルロボットを有し、
   前記第１の可動プラットフォームと、前記第２の可動プラットフォームが並進・回転変換機構で連結されたＡＭＰパラレルロボット。
2. 前記第１のパラレルロボットと前記第２のパラレルロボットは、それぞれ自由度５のリムを１本有し、
   前記第１のパラレルロボットと前記第２のパラレルロボットで合わせて４本の自由度６のリムを有する請求項１に記載されたＡＭＰパラレルロボット。
3. 前記第１のパラレルロボットと前記第２のパラレルロボットは、それぞれ自由度５のリムが１本と、自由度６のリムが２本で構成された請求項２に記載されたＡＭＰパラレルロボット。