JP4439965B2 - パラレルリンク装置 - Google Patents

Description

本発明は、精密な位置決めを実現するパラレルリンク装置に関する。

従来から、パラレルリンク機構には、６本の各リンクを、それぞれ伸縮方向に一線に並ぶように圧電素子に連結し、リンクストロークを得るものがある（たとえば、特許文献１）。特許文献１に記載されているマイクロマニピュレータは、一対の６自由度パラレルリンク機構からなるハンドモジュールを利用した２本指のハンドを有している。各ハンドモジュールは、ベース部材と、基体上に手先片を取り付けてなるエンドエフェクタと、それらのベース部材と基体を連結する６本のリンクおよびスプリングとにより構成されている。上記６本のリンクは、３本ずつで１群をなしている。ベース部材及び基体との接続点は、中心軸線の周りの円周上にほぼ等分に、かつ両群のリンクを反対方向に傾斜させて配設され、それらのリンクの接続点はピボット結合として、ベース部材と基体とをスプリングにより連結される。６本の各リンクは、それぞれピエゾ圧電素子により伸縮可能となっている。これにより、微小対象物についてのマイクロマニピュレーションを作業性および制御性よく行なおうとしている。
特公平６−１０４３０８号公報

しかしながら、６本の各リンクを伸縮方向に一線に並ぶように圧電素子に接続し、圧電素子の変位をそのままリンクストロークとする機構を採用すると、圧電素子の変位量が微小であるため、可動テーブルの変位速度を大きくすることができず、また装置のサイズに対応して必要となる可動テーブルのストロークを確保できない場合もある。一方、近年、半導体や液晶関連の製造装置に用いる位置決めテーブル（可動テーブル）には、高速でスムーズな姿勢制御が要求されている。

本発明は、このような課題を解決するために鋭意検討してなされたものであり、高速でスムーズな位置決め制御を可能とするパラレルリンク装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明のパラレルリンク装置は、固定部にヒンジを介して連結され、鉛直面内で揺動可能な揺動部材と、前記ヒンジの鉛直下方の位置で、前記固定部から前記揺動部材へ向かう方向へ前記揺動部材を押圧するアクチュエータと、前記揺動部材の揺動軸からの距離が、前記揺動部材の揺動軸から前記揺動部材が前記アクチュエータから押圧される位置までの距離よりも大きい前記揺動部材上の位置で、軸が交わるように連結されたリンクと、前記リンクで支持される可動テーブルと、を備え、前記アクチュエータの駆動により前記リンクを変位させて前記可動テーブルの姿勢を制御することを特徴としている。

これにより、アクチュエータの変位を拡大しつつ可動テーブルに伝達して、可動テーブルを大きく変位させることができる。その結果、パラレルリンク装置の外形寸法の変更ができない場合であっても、可動テーブルのストロークを拡大することができる。また、可動テーブルの変位速度を大きくし、可動テーブルの姿勢制御を高速に行なうことができる。また、揺動部材の形状等を調節することにより、アクチュエータの揺動部材への押圧方向と、リンクの可動テーブルへの変位方向との成す角を任意に設定することができ、柔軟に装置の設計を行なうことができる。

（２）また、パラレルリンク装置は、前記揺動部材と前記固定部とを連結する弾性体を備えることが好適である。これにより、アクチュエータの先端に揺動部材が押し当てられることとなり、アクチュエータの先端と揺動部材の接触を良くすることができる。その結果、アクチュエータの変位に対する揺動部材の追従性を向上することができる。

（３）また、パラレルリンク装置は、前記リンクは、側面が径方向に窪んだ小径部を少なくとも一部に備えることが好適である。これにより、スムーズな位置決めを行なうことのできる安価なパラレルリンク装置を実現できる。また、機構上の遊びの部分を省き、変位方向の剛性を維持することができる。

本発明に係るパラレルリンク装置によれば、アクチュエータの変位を拡大しつつ可動テーブルに伝達して、可動テーブルを大きく変位させることができる。その結果、パラレルリンク装置の外形寸法の変更ができない場合であっても、可動テーブルのストロークを拡大することができる。また、可動テーブルの変位速度を大きくし、可動テーブルの姿勢制御を高速に行なうことができる。また、揺動部材の形状等を調節することにより、アクチュエータの揺動部材への押圧方向と、リンクの可動テーブルへの変位方向との成す角を任意に設定することができ、柔軟に装置の設計を行なうことができる。

また、本発明に係るパラレルリンク装置によれば、アクチュエータの先端に揺動部材が押し当てられることとなり、アクチュエータの先端と揺動部材の接触を良くすることができる。その結果、アクチュエータの変位に対する揺動部材の追従性を向上することができる。

また、本発明に係るパラレルリンク装置によれば、リンクとアクチュエータとを折りたたむように配置することができる。その結果、小型でシンプルな構造のパラレルリンク装置を実現できる。一方、一定の大きさのパラレルリンク装置では、揺動部材を用いない構成に比べ大きいアクチュエータの設置を可能にし、可動テーブルの変位量や変位速度を大きくし、可動テーブルの姿勢制御を高速に行なうことができる。

また、本発明に係るパラレルリンク装置によれば、スムーズな位置決めを行なうことのできる安価なパラレルリンク装置を実現できる。また、機構上の遊びの部分を省き、変位方向の剛性を維持することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、これは実施形態の例示であって、本発明がこの実施形態に限定されるものではない。また、ここでは６自由度のパラレルリンク機構を例にとって説明するが、３自由度であっても良い。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施の形態に係るパラレルリンク装置の側面図であり、図２は、同平面図である。図１に示すように、パラレルリンク装置１は、固定部１０、ヒンジ２０、揺動部材３０、アクチュエータ４０、予圧バネ５０、リンク６０、可動テーブル７０、および変位センサ８０により構成される。ここで、固定部１０は、ベース部１１、各アクチュエータ収納部１２および各センサ取り付け部１３から構成され、ベース部１１が一定の位置に動かないように固定されているため、そのベース部１１に固着しているアクチュエータ収納部１２およびそのアクチュエータ収納部１２に固着しているセンサ取り付け部１３も一定の位置から動かない。

図２に示すように、パラレルリンク装置１は、アクチュエータ４０の変位が、揺動部材３０を介して拡大されてリンク６０に伝えられる構成をとっている。以下ヒンジ２０、揺動部材３０およびアクチュエータ４０により構成される部分を機能的にまとめて変位拡大機構と呼ぶ。したがって、パラレルリンク装置１は、主に固定部１０、変位拡大機構、リンク６０、および可動テーブル７０により構成されていると考えてよい。まず、６つの変位拡大機構のうちの１つの変位拡大機構について構成を説明する。

ヒンジ２０は、揺動部材３０を揺動可能に固定部１０のアクチュエータ収納部１２につなぎとめている。揺動部材３０は、ヒンジ２０により、鉛直面内で揺動可能である。揺動部材の形状は、上記の機能を果たすものであれば特に限定されない。揺動部材３０は、ヒンジ２０により、鉛直面内で揺動可能である。揺動部材の形状は、上記の機能を果たすものであれば特に限定されない。

図３は、パラレルリンク装置１のヒンジ２０の周辺を示す図である。図３（ａ）に示すように、ヒンジ２０は、固定部１０のアクチュエータ収納部１２の幅方向全体にわたって、固定部１０のアクチュエータ収納部１２と揺動部材３０とを接続している。

固定部１０のアクチュエータ収納部１２は、アクチュエータ４０の変位が揺動部材３０に伝わるようにアクチュエータ４０の一端を固定している。そして、アクチュエータ４０の他端は、ヒンジ２０の鉛直下方の位置で押圧可能なように揺動部材３０の表面に接触している。アクチュエータ４０は、例えば圧電アクチュエータにより構成されるが、変位を制御できるものであれば特に圧電アクチュエータに限定されない。ヒンジ２０は、もともとアクチュエータ収納部１２と揺動部材３０とが一体の部材だったものを図３（ｂ）に示すように上面および下面が内部に窪んだ形状に削り出して形成したものである。なお、図３（ｂ）に示すヒンジ２０に代えて、その他ヒンジバネ等のヒンジとして機能するものを設けてもよい。

弾性体としての予圧バネ５０は、アクチュエータ４０と揺動部材３０の接触位置のさらに鉛直下方の位置で、一端が固定部１０のアクチュエータ収納部１２に、かつ他端が揺動部材３０に連結している。予圧バネ５０も、ヒンジ２０と同様に、もともと固定部１０のアクチュエータ収納部１２および揺動部材３０と一体の部材だったものを図１に示す形状に削り出して形成したものである。図３（ｂ）に示すように、予圧バネ５０は側面から見た場合にはつづらおりの形状をしている。また、図３（ｃ）に示すように、予圧バネ５０は一定の幅を有している。予圧バネ５０は、揺動部材３０と固定部１０のアクチュエータ収納部１２との間に張力を与え、アクチュエータ４０に揺動部材３０を押し当てる機能を有する。これにより、常にアクチュエータ４０の先端に揺動部材３０が押し当てられることとなり、アクチュエータ４０の先端と揺動部材３０の接触を良くすることができる。その結果、アクチュエータ４０の変位に対する揺動部材３０の追従性を向上させることができる。なお、上記のような機能を果たすものであれば、図１に示すような予圧バネ５０に代えてスプリング等の弾性体を連結することで予圧バネを構成してもよい。

予圧バネ５０がある場合とない場合について、アクチュエータ４０を一定の周波数で振動させて揺動部材３０のアクチュエータ４０に対する追従性を試験したところ、予圧バネ５０については、共振周波数の向上が見られた。

図４は、パラレルリンク装置１の揺動部材３０周辺の側面図である。図４に示すように、揺動部材３０はリンク６０が連結される傾斜面を有している。ここで、図中のＡは揺動部材３０の揺動方向Ｅに対する揺動軸を示している。また、Ｄは、リンクの軸を示しており、Ｂは、アクチュエータ４０が揺動部材３０を押圧する点を、Ｃは、リンク６０の軸Ｄと揺動部材３０の上記傾斜面との交点を示している。揺動軸Ａから交点Ｃまでの距離は、揺動軸Ａからアクチュエータ４０の押圧点Ｂまでの距離より大きい。ここで、軸と点との距離とは、軸としての直線と点との最短距離をいい、点から軸に垂直に下ろした線分の長さを意味する。このようにして、押圧点Ｂをアクチュエータ４０が押圧したとき、揺動軸Ａを支点、押圧点Ｂを力点、かつ連結点Ｃを作用点として梃子の原理が働き、アクチュエータ４０の変位は拡大されてリンク６０に伝達される。

これにより、アクチュエータ４０の変位を拡大しつつ可動テーブル７０に伝達して、可動テーブル７０を大きく変位させることができる。その結果、パラレルリンク装置１の外形寸法の変更ができない場合であっても、可動テーブル７０のストロークを拡大することができる。また、可動テーブル７０の変位速度を大きくし、可動テーブル７０の姿勢制御を高速に行なうことができる。また、揺動部材３０の形状等を調節することにより、アクチュエータ４０の揺動部材３０への押圧方向と、リンク６０の可動テーブル７０への変位方向との成す角を任意に設定することができ、柔軟に装置の設計を行なうことができる。

なお、アクチュエータ４０の変位に対するリンク６０の変位の拡大比は、上記の距離ＡＢまたは距離ＡＣを変えることにより、任意に設定可能であるが、拡大比を大きくすると、リンク６０応答性や剛性が低下するため、１．５〜２倍程度とするのが好適である。

揺動部材３０には、上記のようにリンク６０と連結する傾斜面が設けられているため、図４に示すアクチュエータ４０の押圧方向Ｐに対してリンク６０の変位方向Ｑは約１２０度の角を成している。これにより、リンク６０とアクチュエータ４０とを折りたたむように配置することができる。その結果、小型でシンプルな構造のパラレルリンク装置１を実現できる。一方、一定の大きさのパラレルリンク装置では、揺動部材３０を用いない構成に比べ大きいアクチュエータ４０の設置を可能にし、可動テーブル７０の変位量や変位速度を大きくし、可動テーブル７０の姿勢制御を高速に行なうことができる。なお、変位拡大機構は、設計した構造により、アクチュエータ４０の揺動部材３０への押圧方向Ｐに対してリンク６０の可動テーブル７０への変位方向Ｑとの成す角を最適化することが可能であり、一般的には６０度以上１２０度以下であることが好適である。

リンク６０は、その軸が揺動部材３０の傾斜面に垂直になるように、その一端を揺動部材３０に連結されている。他端は、可動テーブル７０のリンク取り付け面７１に連結され、可動テーブル７０を支持している。このような機構により、アクチュエータ４０の変位が可動テーブル７０に伝達され、可動テーブル７０の姿勢が制御される。リンク６０は、揺動部材３０の傾斜面に近い部分およびリンク取り付け面７１に近い部分に、側面が窪んだ小径部６１を有している。これにより、リンク６０の軸方向の剛性を保ちつつ、その他の方向に自由度を確保して応力を逃がす部分を、ユニバーサルジョイントやピボットに代えて安価に構成できる。また、機構上の遊びの部分を省き、変位方向の剛性を維持することができる。

図５は、リンク６０の小径部の変形例を示す側面図である。小径部６１は鼓状の形状であるが、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１の変形例としてＶ字にくびれた形状の小径部６１ａ、第２の変形例として傾斜部分と径が一定の部分を有する形状の小径部６１ｂ、または第３の変形例として径が一定の部分のみの形状の小径部６１ｃであってもよい。なお、リンク６０の剛性を維持する必要があるため、小径部の形状としては、リンクの径に対して最細部の径が５〜２５％程度となる。たとえば、リンク径２０ｍｍに対して１〜５ｍｍが好適である。また、リンク６０と固定部１０との接続方法として、揺動部材３０を用いた変位拡大機構を採用せずに、一直線上にリンクとアクチュエータとを連結し、さらに固定部と連結する方式であっても、上記の効果を得ることができる。

可動テーブル７０のリンク取り付け面７１は、リンク６０の軸に実質的に垂直に形成されており、このリンク取り付け面７１に対向するように変位センサ８０が固定部１０のセンサ取り付け部１３に固定されている。変位センサ８０は、ターゲット面としてのリンク取り付け面７１までの距離を検出し、リンクの変位をリアルタイムで検出する機能を有している。

なお、変位センサ８０には、たとえば静電容量計測型のものが用いられるが、レーザや超音波を用いる方式のものであってもよい。また、ターゲット面としては、リンク取り付け面でなくても、リンクの軸に垂直な面であればよい。

図６は、制御方法として一般に使用されるＰＩＤ制御を使用したパラレルリンク装置１の電気的なブロック構成図の一実施例である。ホスト１００から制御コントローラ１０１に対して、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ_Ｘ、θ_Ｙ、およびθ_Ｚの６自由度の指令値が入力される。制御コントローラ１０１では、逆運動学演算部１０２が、入力されたＸ、Ｙ、Ｚ、θ_Ｘ、θ_Ｙ、およびθ_Ｚの６自由度の指令値を逆運動学演算して各リンク６０の必要変位量を算出する。この逆運動学演算とは、パラレルリンク機構において、可動テーブルの６自由度姿勢情報から６本のリンクの長さを演算で求める手法である。

次に、ＰＩＤ演算部１０３において必要変位量に応じたＰＩＤ制御パラメータが適用される。ここで、ＰＩＤ制御とは、自動制御方式の中でもっとも良く使われる方式であって、Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ（比例）、Ｉｎｔｅｇｒａｌ（積分）、そしてＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（微分）の３つを組み合わせて制御することによってきめ細かでスムーズな制御を可能とするものである。

ＰＩＤ演算部１０３の出力信号は、アンプ１０４によって増幅され、パラレルリンク機構１０５における各圧電アクチュエータ４０に入力される。一方、変位センサ８０によりリンク６０の変位量が検出され、検出結果はフィードバックされる。このとき、直接に可動テーブル７０に寄与するリンク６０の変位を検出するため、検出結果と実際の変位との間で誤差の補正を行なう必要はない。なお、制御コントローラ１０１の機能は、ＣＰＵがメモリを用いながらプログラムを実行することによって発揮される。

次に、以上のように構成された本実施の形態に係るパラレルリンク装置の動作について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。上記のように、ホスト１００からＸ、Ｙ、Ｚ、θ_Ｘ、θ_Ｙ、およびθ_Ｚの６自由度の指令値が入力されると、制御コントローラ１０１は、指令値を読み込む（ステップＳ１）。次に、指令値に基づいて逆運動学演算を実施し、各リンク６０の必要変位量をリンク毎に算出する（ステップＳ２）。次に、各リンクの現在の位置を検出し（ステップＳ３）、必要変位量に対応するＰＩＤ制御パラメータを読み出して、必要変位量およびその必要変位量に対応するＰＩＤ制御パラメータに基づいてアクチュエータ４０を駆動させて各リンク６０を変位させる（ステップＳ４）。このとき、リンク６０の変位は、アクチュエータ４０の変位を揺動部材３０の揺動により拡大し、リンク６０に伝達する。次に、リンク６０の現在位置から変位終了位置までの差分を算出する（ステップＳ５）。

次に、すべてのリンク６０について、ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入っているかどうかを判定し（ステップＳ６）、判定の結果、すべてのリンク６０について差分が範囲内に入っていない場合は、上記ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入ったリンク６０については現状位置を保持する（ステップＳ７）。すなわち、必ずしも差分がゼロになるまで制御をするのではなく、ある一定の許容範囲に入ったら制御を止めても良いという趣旨である。

また、ステップＳ５で算出した差分が予め定められた範囲内に入っていないリンク６０については、ステップＳ４において検出したリンク６０の位置から変位終了位置までの差分に対応してＰＩＤ制御パラメータが定められている制御パラメータテーブルから、ステップＳ５で算出した差分に対応するＰＩＤ制御パラメータを読み出す（ステップＳ８）。そして、読み出されたＰＩＤ制御パラメータおよびステップＳ５で算出した差分に基づいてアクチュエータ４０を駆動させてそのリンク６０を変位させる（ステップＳ９）。

以上の動作は、すべてのリンク６０における上記差分が一定の範囲内に入るまで繰り返し行なわれる。すなわち、ステップＳ６における判定の結果、すべてのリンク６０について差分が範囲内に入っている場合は、処理を終了する（ステップＳ１０）。

本発明に係るパラレルリンク装置の側面図である。 本発明に係るパラレルリンク装置の平面図である。 （ａ）本発明に係るパラレルリンク装置のヒンジおよび予圧バネの周辺を示す平面図である。 （ｂ）本発明に係るパラレルリンク装置のヒンジおよび予圧バネの周辺を示す側面図である。 （ｃ）本発明に係るパラレルリンク装置のヒンジおよび予圧バネの周辺を示す底面図である。 本発明に係るパラレルリンク装置の揺動部材周辺の側面図である。 （ａ）リンクの小径部の第１の変形例を示す側面図である。 （ｂ）リンクの小径部の第２の変形例を示す側面図である。 （ｃ）リンクの小径部の第３の変形例を示す側面図である。 制御方法として一般に使用されるＰＩＤ制御を使用したパラレルリンク装置の電気的なブロック構成図である。 本発明に係るパラレルリンク装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ パラレルリンク装置
１０ 固定部
１１ ベース部（固定部）
１２ アクチュエータ収納部（固定部）
１３ センサ取り付け部（固定部）
３０ 揺動部材
４０ アクチュエータ
５０ 予圧バネ（弾性体）
６０ リンク
６１ 小径部
７０ 可動テーブル
７１ リンク取り付け面
８０ 変位センサ

Claims (3)

1. 固定部にヒンジを介して連結され、鉛直面内で揺動可能な揺動部材と、
   前記ヒンジの鉛直下方の位置で、前記固定部から前記揺動部材へ向かう方向へ前記揺動部材を押圧するアクチュエータと、
   前記揺動部材上に連結されたリンクと、
   前記リンクで支持される可動テーブルと、を備え、
   前記揺動部材の揺動軸から前記リンクの軸と前記揺動部材とが交わる位置までの距離が、前記揺動部材の揺動軸から前記揺動部材が前記アクチュエータから押圧される位置までの距離よりも大きく、
   前記アクチュエータの駆動により、前記リンクを前記リンクの軸方向に変位させて前記可動テーブルの姿勢を制御することを特徴とするパラレルリンク装置。
2. 前記揺動部材と前記固定部とを連結する弾性体を備えることを特徴とする請求項１記載のパラレルリンク装置。
3. 前記リンクは、側面が径方向に窪んだ小径部を少なくとも一部に備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパラレルリンク装置。
   

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