JP6527782B2 - パラレルリンク機構を用いた作業装置 - Google Patents

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度で、広範な作動範囲を必要とする機器に用いられるパラレルリンク機構を用いた作業装置に関する。

医療機器や産業機器等の各種作業装置に用いられるパラレルリンク機構およびリンク作動装置が、特許文献１、２、３に提案されている。

特開２０００−９４２４５号公報 米国特許第５，８９３，２９６号明細書 特開２０１４−５９２６号公報

特許文献１のパラレルリンク機構は、構成が比較的簡単であるが、各リンクの作動角が小さいため、トラベリングプレートの作動範囲を大きく設定すると、リンク長が長くなることにより、機構全体の寸法が大きくなって装置の大型化を招くという問題がある。また、機構全体の剛性が低く、トラベリングプレートに搭載されるツールの重量、つまりトラベリングプレートにおける可搬重量が小さいものに制限されるという問題もある。

特許文献２や特許文献３のリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、４節連鎖の３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結した構成としたパラレルリンク機構を用いたことにより、コンパクトでありながら、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作が可能である。しかし、特許文献２、３のリンク作動装置は、他の機構と組み合わせて使用すると、装置全体が大きくなるという課題がある。

この発明の目的は、被作業体に対して作業体を同じ姿勢に保ったまま直交２軸方向に移動させて行う作業や、被作業体に対して作業体を角度付けして行う作業等の多様な作業を高速、高精度で行うことができ、かつコンパクト化およびコスト低減を実現できるパラレルリンク機構を用いた作業装置を提供することである。

この発明のパラレルリンク機構を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を１軸方向に移動させる直動機構と、前記被作業体を回転させる回転機構とを備える。
前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有する。
前記姿勢制御用アクチュエータは、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられる。
前記直動機構は、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する軸方向に前記作業体を移動させるものである。なお、「リンクハブの中心軸」とは、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称する場合、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を指す。
前記回転機構は、前記先端側のリンクハブに設置され、前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが同一線上にある状態で、前記直動機構の移動方向と平行な回転中心軸回りに前記被作業体を回転させるものである。

この構成によると、パラレルリンク機構と、直動機構と、この直動機構の移動方向と平行な回転中心軸回りに回転させる回転機構とを備えるため、１軸の直動機構を設けるだけで被作業体に対して作業体を相対的に同じ姿勢に保ったまま直交２軸方向に移動させることができ、作業装置のコンパクトとコスト低減を実現できる。また、回転機構を動かさずにパラレルリンク機構の先端側のリンクハブを傾けると、被作業体に対して作業体の角度をつけての作業を実現できる。このように、コンパクト化、低コスト化を図りながら、多様な作業を高速、高精度で行える。以下、具体的に説明する。

前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸回りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。

このパラレルリンク機構を用いた作業装置は、パラレルリンク機構の２自由度と、直動機構の１自由度と、回転機構の１自由度とで計４自由度の構成となる。４自由度の構成であると、姿勢制御用アクチュエータによりパラレルリンク機構を作動させて先端側のリンクハブに設置された被作業体の姿勢を変更する動作と、直動機構により作業体を基端側のリンクハブの中心軸と直交する軸方向に移動させる動作と、回転機構により被作業体を回転中心軸回りに回転させる動作とを組み合わせることで、次の作業を行うことができる。

一つは、基端側のリンクハブの中心軸と直交するＸ−Ｙ平面に沿って被作業体に対して作業体を平行移動させながら、作業体で被作業体に対して非接触作業を行うことが可能である。例えば、直動機構の移動方向であるＸ軸方向に被作業体を平行移動させる場合は、パラレルリンク機構および回転機構を停止して被作業体の姿勢を一定に保ったままで、直動機構により作業体を移動させる。
Ｘ軸と直交するＹ軸方向に被作業体を平行移動させる場合は、直動機構は停止し、パラレルリンク機構を作動させて被作業体をＹ軸方向に移動させつつ、パラレルリンク機構の作動に伴う被作業体のＹ軸方向の傾きの変化を、回転機構により被作業体を回転することで補正する。回転機構は、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸とが同一線上にある状態で、直動機構の移動方向と平行な回転中心軸回りに被作業体を回転させる構成であるため、パラレルリンク機構を作動させて被作業体をＹ軸方向に移動させるとき、回転中心軸の向きがＸ軸方向に保たれる。このため、回転機構により被作業体を回転させて被作業体のＹ軸方向の傾きを補正することが可能である。
Ｘ−Ｙ平面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向以外の方向に被作業体を平行移動させる場合は、前記Ｘ軸方向に平行移動させるときの動作と、前記Ｙ軸方向に平行移動させるときの動作とを組み合わせることによって、被作業体の傾きを保ったまま平行移動させることを実現できる。

他の一つは、被作業体の様々な面に対して作業を行うことができる。例えば、回転機構は動かさずに、パラレルリンク機構を作動させて基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを傾けることによって、被作業体に対して作業体の角度を付けて作業することを実現できる。また、パラレルリンク機構は動かさずに、回転機構により被作業体を回転させることによって、被作業体の作業体の側を向く面を変えながら作業することを実現できる。これらパラレルリンク機構による被作業体の角度付けと、回転機構による被作業体の回転とを組み合わせて作業することも可能である。

この発明において、前記パラレルリンク機構の前記基端側のリンクハブの一部を構成する部材に前記直動機構が設置されていると良い。
この場合、直動機構を設置するための部材がパラレルリンク機構と共有となるため、コンパクト化とコスト低減を実現できる。

この発明において、前記直動機構とは別に、前記基端側のリンクハブの中心軸と平行な方向に前記作業体を移動させる他の直動機構が設けられていても良い。
他の直動機構が設けられていると、作業体と被作業体との基端側のリンクハブの中心軸と平行な方向の距離を制御できるので、作業体を被作業体に接触させて行う作業や、作業体と被作業体との距離を一定に保って行う非接触での作業が可能となる。

この発明において、前記先端側のリンクハブが下向きとなるように前記パラレルリンク機構が設置され、かつ前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の空間であるパラレルリンク機構の内部空間に前記作業体が配置されていると良い。
この構成であると、パラレルリンク機構の姿勢制御用アクチュエータ、直動機構のモータ等の制御用機器や作業体が被作業体の下方に配置されていないため、被作業体から発生する切粉等や、被作業体に付着したグリース、塗料等が制御用機器や作業体に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。また、内部空間に作業体が配置されていることで、全体の構成をより一層コンパクトにできる。

この発明において、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の空間であるパラレルリンク機構の内部空間の外に前記先端側のリンクハブに固定された回転機構取付部材が設けられ、この回転機構取付部材に前記回転機構が取り付けられ、この回転機構によって回転させられ前記内部空間内に延びた先端部に前記被作業体が固定される被作業体固定部材が設けられていると良い。
この構成であると、被作業体がパラレルリンク機構の内部空間に配置されるため、直動機構のストロークを短くすることができ、コンパクトな構成を実現できる。回転機構はパラレルリンク機構の内部空間の外に配置されるため、回転機構がパラレルリンク機構の各リンク機構と干渉することが避けられる。

この発明のパラレルリンク機構を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を１軸方向に移動させる直動機構と、前記被作業体を回転させる回転機構とを備え、前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記姿勢制御用アクチュエータは、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられ、前記直動機構は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称する場合、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する軸方向に前記作業体を移動させるものであり、前記回転機構は、前記先端側のリンクハブに設置され、前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが同一線上にある状態で、前記直動機構の移動方向と平行な回転中心軸回りに前記被作業体を回転させるものであるため、被作業体に対して作業体を同じ姿勢に保ったまま直交２軸方向に移動させて行う作業や、被作業体に対して作業体を角度付けして行う作業等の多様な作業を高速、高精度で行うことができ、かつコンパクト化およびコスト低減を実現できる。

この発明の一実施形態にかかる作業装置の正面図である。 同作業装置の側面図である。 同作業装置のリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 同リンク作動装置の一状態の斜視図である。 同リンク作動装置の異なる状態の斜視図である。 （Ａ）は同リンク作動装置の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の断面図、（Ｂ）のその部分拡大図である。 同パラレルリンク機構の一つのリンク機構を直線で表現した図である。 同作業装置のＸ軸直動機構の平面図である。 同作業装置の作業動作を示す説明図である。 この発明の異なる実施形態にかかる作業装置の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の正面図である。 同作業装置の側面図である。 同作業装置のＸ軸直動機構およびＺ軸直動機構の平面図である。 同作業装置の作業動作を示す説明図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の正面図である。 同作業装置の側面図である。

この発明の一実施形態に係るパラレルリンク機構を用いた作業装置を図１〜図９と共に説明する。
図１はこの作業装置の正面図、図２はその側面図である。この作業装置１は、被作業体２に対して作業体３で非接触作業を行う装置である。ベース板４の上に建てられて複数本の支柱５によって水平状の基端部材６が支持され、この基端部材６に、リンク作動装置７およびＸ軸直動機構８が設置されている。正確には、基端部材６はリンク作動装置７の一部を成す。

前記リンク作動装置７は、回転機構１１および被作業体２を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構９と、このパラレルリンク機構９を作動させる姿勢制御用アクチュエータ１０とで構成される。前記Ｘ軸直動機構８は、被作業体２に対して作業体３をＸ軸方向に移動させる機構である。Ｘ軸直動機構８は、請求項で言う「直動機構」のことである。前記回転機構１１は、被作業体２を回転中心軸１１ａ回りに回転させる機構である。

図３はリンク作動装置の正面図、図４、図５はリンク作動装置の互いに異なる状態を示す斜視図である。これらの各図は、図１、図２に対して上下反転して表されている。リンク作動装置７のパラレルリンク機構９は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結したものである。図１、図２に示すパラレルリンク機構９の設置状態では、先端側のリンクハブ１３が下向きとなる。なお、図３では、１組のリンク機構１４のみが示されている。リンク機構１４の数は、４組以上であっても良い。

各リンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３に回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構９は、二つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶、および端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図３）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図３）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図６は基端側のリンクハブ１２、基端側の端部リンク部材１５等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６の形状ならびに位置関係も図６と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

３組のリンク機構１４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図７に示すように、各リンク部材１５，１６，１７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材１７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図７は、一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構９は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材１７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図６）と直角に交わる直線をリンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図７）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φ（図７）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図７）は変化しない。

このパラレルリンク機構９において、各リンク機構１４におけるリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しく、かつ各リンク機構１４のリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材１５，１６と中央リンク７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材１７についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。

図１〜図６に示すように、基端側のリンクハブ１２は、前記基端部材６と、この基端部材６と一体に設けられた３個の回転軸連結部材２１とで構成される。基端部材６は、請求項で言う「基端側のリンクハブの一部を構成する部材」である。基端部材６は中央部に円形の貫通孔６ａ（図６）を有し、この貫通孔６ａの周囲に３個の回転軸連結部材２１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔６ａの中心は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材２１には、軸心が基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸２２が回転自在に連結されている。この回転軸２２に、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。

一つの基端側の端部リンク部材１５およびその両端周辺部を取り出した図６（Ｂ）に示すように、前記回転軸２２は、大径部２２ａ、小径部２２ｂ、および雄ねじ部２２ｃを有し、小径部２２ｂで２個の軸受２３を介して回転軸連結部材２１に回転自在に支持されている。軸受２３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受２３は、回転軸連結部材２１に設けられた内径溝２４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸２２は、大径部２２ａで後記減速機構５２の出力軸５２ａに同軸上に配置される。その配置構造については、後で説明する。また、回転軸２２には、この回転軸２２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の一端に形成された切欠き部２５内に回転軸連結部材２１を配置し、回転軸２２の小径部２２ｂを、基端側の端部リンク部材１５の一端における前記切欠き部２５の両側部分である内外一対の回転軸支持部２６，２７にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受２３の内輪に挿通してある。そして、回転軸２２の大径部２２ａの外周に嵌合するスペーサ２８を介し、基端側の端部リンク部材１５と減速機構５２の出力軸５２ａとをボルト２９で固定すると共に、外側の回転軸支持部２７よりも突出した回転軸２２の雄ねじ部２２ｃにナット３０を螺着してある。軸受２３の内輪と一対の回転軸支持部２６，２７との間に、スペーサ３１，３２を介在させてあり、ナット３０を螺着時に軸受２３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材１５の他端には、中央リンク部材１７の一端に回転自在に連結された回転軸３５が連結される。この中央リンク部材１７の回転軸３５は、リンクハブ１２の回転軸２２と同様に、大径部３５ａ、小径部３５ｂ、および雄ねじ部３５ｃを有し、小径部３２ｂで２個の軸受３６を介して中央リンク部材１７の一端に回転自在に支持されている。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の他端に形成された切欠き部３７内に中央リンク部材１７の一端を配置し、回転軸３５の小径部３５ｂを、基端側の端部リンク部材１５の他端における前記切欠き部３７の両側部分である内外一対の回転軸支持部３８，３９にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受３６の内輪に挿通してある。そして、外側の回転軸支持部３９よりも突出した回転軸３５の雄ねじ部３５ｃにナット４０を螺着してある。軸受３６の内輪と一対の回転軸支持部３８，３９との間に、スペーサ４１，４２を介在させてあり、ナット４０を螺着時に軸受３６に予圧を付与する構成である。

図１〜図５に示すように、先端側のリンクハブ１３は、中央部に円形の貫通孔４３aを有する平板状の先端部材４３と、この先端部材４３の貫通孔４３aの周囲に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材４４とで構成される。貫通孔４３aの中心は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材４４は、軸心が先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢと交差する回転軸４５が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ１３の回転軸４５に、先端側の端部リンク部材１６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材１６の他端には、中央リンク部材１７の他端に回転自在に連結された回転軸４６が連結される。先端側のリンクハブ１３の回転軸４５および中央リンク部材１７の回転軸４６も、前記回転軸３５と同じ形状であり、かつ２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材４４および中央リンク部材１７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

リンク作動装置７の姿勢制御用アクチュエータ１０は、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ１２の基端部材６の上面に、前記回転軸２２と同軸上に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ１０と減速機構５２は一体に設けられ、モータ固定部材５３により減速機構５２が基端部材６に固定されている。この例では、３組のリンク機構１４のすべてに姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられているが、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ１０を設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

図６（Ｂ）において、減速機構５２はフランジ出力であって、大径の出力軸５２ａを有する。出力軸５２ａの先端面は、出力軸５２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面５４となっている。出力軸５２ａは、前記スペーサ２８を介して、基端側の端部リンク部材１５の回転軸支持部２６にボルト２９で接続されている。基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部の前記回転軸２２の大径部２２ａが、減速機構５２の出力軸５２ａに設けられた内径溝５７に嵌っている。

図１、図２、図８に示すように、Ｘ軸直動機構８は、基端部材６の上に設置されＸ軸方向に移動可能なＸ軸ステージ６０を有し、このＸ軸ステージ６０に、作業体固定部材６１を介して作業体３が垂下姿勢で固定される。Ｘ軸ステージ６０を移動させる駆動源はモータ６２である。モータ６２を駆動することで、Ｘ軸ステージ６０に固定された作業体３がＸ軸方向に移動する。

作業体３は被作業体２に対して非接触で作業を行うものとされている。例えばグリース塗布機、レーザ検査機、スプレー式塗装機、溶接機等であり、グリースノズル等の作業部３ａを下向きにして前記Ｘ軸ステージ６０に固定される。作業部３ａは、基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３との間の空間であるパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に位置する。

図１、図２に示すように、回転機構１１は、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０に回転機構取付部材６３を介して取り付けられたモータ６４を有し、このモータ６４の出力軸に被作業体固定部材６５が取り付けられている。被作業体２は、被作業体固定部材６５に固定される。被作業体固定部材６５に固定された被作業体２の中心部が、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢの付近に位置する。モータ６４を回転させることで、被作業体２が前記回転中心軸１１ａ回りに回転する。基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にあるとき（図４に示す状態）、回転中心軸１１ａはＸ軸方向すなわちＸ軸直動機構８の移動方向と平行である。図の例では、被作業体２は直方体形状である。

このパラレルリンク機構を用いた作業装置１は、パラレルリンク機構９の２自由度と、Ｘ軸直動機構８の１自由度と、回転機構１１の１自由度とで計４自由度の構成となる。４自由度の構成であると、姿勢制御用アクチュエータ１０によりパラレルリンク機構９を作動させて先端側のリンクハブ１３に設置された被作業体２の姿勢を変更すると共に、Ｘ軸直動機構８により作業体３をＸ軸方向に移動させ、かつ回転機構１１により被作業体２を回転中心軸１１ａ回りに回転させることで、作業体３で被作業体２に対して多様な作業を行うことができる。パラレルリンク機構９により被作業体２の姿勢変更を高速、高精度で行えるため、高速、高精度の作業が可能である。

具体的には、以下の作業を行うことができる。
一つは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと直交するＸ−Ｙ平面に沿って被作業体２を平行移動させながら、被作業体２に対して作業体３で非接触作業を行うことが可能である。

例えば、Ｘ軸直動機構８の移動方向であるＸ軸方向に被作業体２を平行移動させる場合は、図９（Ａ）のように、パラレルリンク機構９および回転機構１１を停止して被作業体２の姿勢を一定に保ったままで、Ｘ軸直動機構８（図示せず）により作業体３を移動させる。

Ｘ軸と直交するＹ軸方向に被作業体２を平行移動させる場合は、Ｘ軸直動機構８は停止し、図９（Ｂ）のように、パラレルリンク機構９を作動させて被作業体２をＹ軸方向に移動させつつ、図９（Ｃ）のように、パラレルリンク機構９の作動に伴う被作業体２のＹ軸方向の傾きの変化を、回転機構１１により被作業体２を回転することで補正する。図の例では、基端側のリンクハブの中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブの中心軸ＱＢを角度（折れ角）θだけ傾けることで、被作業体２をＹ軸方向に距離Ｙだけ移動させている。回転機構１１は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとが同一線上にある状態で、Ｘ軸直動機構８の移動方向と平行な回転中心軸１１ａ回りに被作業体２を回転させる構成であるため、パラレルリンク機構９を作動させて被作業体２をＹ軸方向に移動させるとき、回転中心軸１１ａの向きがＸ軸方向に保たれる。このため、回転機構１１により被作業体２を回転させて被作業体２のＹ軸方向の傾きを補正することが可能である。
なお、後述のように被作業体２に対して作業体３の角度を付けて作業を行う場合は、上記回転機構１１による傾きの補正は必要ない。

Ｘ−Ｙ平面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向以外の方向に被作業体２を平行移動させる場合は、前記Ｘ軸方向に平行移動させるときの動作と、前記Ｙ軸方向に平行移動させるときの動作とを組み合わせることによって、被作業体２の傾きを保ったまま平行移動させることを実現できる。

もう一つは、被作業体２の様々な面に対して作業を行うことができる。
例えば、回転機構１１は動かさずに、パラレルリンク機構９を作動させて基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を傾けることによって、被作業体２に対して作業体３の角度を付けて作業することを実現できる。

他に、パラレルリンク機構９は動かさずに、回転機構１１により被作業体２を回転させることによって、被作業体２の作業体３の側を向く面を変えながら作業することを実現できる。これらパラレルリンク機構９による被作業体２の角度付けと、回転機構１１による被作業体２の回転とを組み合わせて作業することも可能である。

このように、Ｘ軸直動機構８で被作業体２をＸ軸方向に移動させ、かつパラレルリンク機構９で被作業体２をＹ軸方向に移動させることにより、Ｙ軸方向の直動機構を設けずに、Ｘ−Ｙ平面に沿って被作業体２を移動させながら非接触作業を行うことが可能となった。これにより、コンパクト化およびコスト低減を実現できる。また、回転機構１１を設けたことにより、被作業体２をＸ−Ｙ平面に対して平行移動させることができるため、作業の種類が多様になった。

この実施形態の場合、先端側のリンクハブ１３が下向きとなるようにパラレルリンク機構９を設置し、パラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に作業体３が配置されている。つまり、パラレルリンク機構９の姿勢制御用アクチュエータ１０、Ｘ軸直動機構８のモータ６１等の制御用機器や作業体３が被作業体２の下方に配置されていない。このため、被作業体２から発生する切粉等や、被作業体２に付着するグリース、塗料等が制御用機器や作業体３に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。また、内部空間Ｓ１に作業体３を配置することで、全体の構成をより一層コンパクトにできる。

また、パラレルリンク機構９の基端側のリンクハブ１２の一部を成す部材である基端部材６にＸ軸直動機構８を設置したことにより、Ｘ軸直動機構８を設置するための部材がパラレルリンク機構９と共有となり、コンパクト化とコスト低減を実現できる。

図１０に示すように、ベース板４にＸ軸直動機構８を設置し、このＸ軸直動機構８のＸ軸ステージ６０に作業体３を上向き姿勢で固定しても良い。他は図１の構成に準ずる。この構成とすることにより、作業体３をパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に配置する必要がなくなり、設計が容易となる。

図１１〜図１４は異なる実施形態を示す。図１１〜図１３に示すように、この作業装置１は、図１〜図９の実施形態に対して、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと平行な方向（Ｚ軸方向）に作業体３を移動させるＺ軸直動機構７０を追加したものである。Ｚ軸直動機構７０は、請求項で言う他の直動機構である。

Ｘ軸直動機構８のＸ軸ステージ６０に、作業体固定部材６１（図２）に代えて直動機構設置部材７１（図１２）が設けられ、この直動機構設置部材７１にＺ軸直動機構７０が設置されている。Ｚ軸直動機構７０は、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸ステージ７２（図１２）を有し、このＺ軸ステージ７２に、作業体固定部材７３（図１２）を介して作業体３が垂下姿勢で固定される。Ｚ軸ステージ７２を移動させる駆動源はモータ７４である。モータ７４を駆動することで、Ｚ軸ステージ７２に固定された作業体３がＺ軸方向に移動する。

作業体３は、被作業体２に対して接触して作業を行うものとされている。例えば作業部３ａとしてエンドミル等の回転工具を有する切削加工機である。作業部３ａが下向きにとなるように、作業体固定部材７３に作業体３が固定されている。図１〜図９の実施形態と同様に、作業部３ａはパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に位置する。
他は、図１〜図９の実施形態と同じ構成である。

この作業装置１は、図１〜図９の実施形態と同様に、Ｘ−Ｙ平面に沿って被作業体２を平行移動させながら、被作業体２に対して作業体３で作業を行う。被作業体２をＸ−Ｙ平面に沿って平行移動させる方法は、前記同様であるので、説明を省略する。

また、この作業装置１は、Ｚ軸直動機構７０を設けたことで、作業体３と被作業体２とのＺ軸方向、すなわち基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと平行な方向の距離を制御できる。このため、図１４に示すように、作業体３を被作業体２に接触させて行う作業が可能である。具体的には、以下のように制御することで、接触作業が可能となる。

先に説明したように、Ｙ軸方向に被作業体２を平行移動させる場合、図１４（Ｂ）のように、パラレルリンク機構９を作動させて被作業体２をＹ軸方向に移動させつつ、図１４（Ｃ）のように、パラレルリンク機構９の作動に伴う被作業体２のＹ軸方向の傾きの変化を、回転機構１１により被作業体２を回転することで補正する。このとき、被作業体２が回転することで、被作業体２の作業位置がＺ軸方向に距離δだけ変化する。この作業位置のＺ軸方向の変化に合わせて、Ｚ軸直動機構７０により作業体３のＺ軸方向の位置を補正する。作業体３と被作業体２とが非接触で行う作業についても、上記と同様に作業体３のＺ軸方向の位置を補正することで、作業体３と被作業体２との距離を一定に保ったまま作業を行うことが可能である。

図１５に示す作業装置１は、図１１〜図１４の実施形態と比べて、Ｘ軸直動機構８およびＺ軸直動機構７０の配置が異なっている。すなわち、Ｚ軸直動機構７０が基端部材６のＸ軸方向の一端に設置されており、このＺ軸直動機構７０のＺ軸ステージ７２にＸ軸直動機構設置用の固定台７６が固定されている。固定台７６のＸ軸方向の他端にはリニアブッシュ７７が設けられ、このリニアブッシュ７７に、下端が基端部材６に固定されたＺ軸方向のシャフト７８が挿通されている。これにより、固定台７６は、Ｚ軸方向以外の動きが制限されながら、Ｚ軸方向の移動が可能となっている。そして、上記固定台７６にＸ軸直動機構８が設置され、このＸ軸直動機構８のＸ軸ステージ６０に、作業体固定部材６１を介して作業体３が固定される。

つまり、図１１〜図１４の構成は、基端部材６に対しＸ軸直動機構８、Ｚ軸直動機構７０、作業体３の順に配置されているのに対し、図１５の構成は、基端部材６に対しＺ軸直動機構７０、Ｘ軸直動機構８、作業体３の順に配置されている。図１５の構成では、Ｘ軸直動機構設置用の固定台７６が必要とされるが、パラレルリンク機構９の各リンク機構１４と固定台７６との干渉を防ぐために、固定台７６は基端部材６よりも上側に配置される。他は、図１１〜図１４の構成に準ずる。

図１６の作業装置１は、図１５の実施形態と比べて、Ｚ軸直動機構７０の構成が異なっている。すなわち、Ｚ軸直動機構７０がボールねじ機構を用いた構成であり、基端部材６から上方に延びる複数のシャフト８０に、リニアブッシュ８１を介して昇降台８２が昇降可能に案内され、この昇降台８２の下面にＸ軸直動機構８が設置されている。基端部材６からねじ軸８３が前記シャフト８０と平行に上方に延びており、このねじ軸８３に、昇降台８２に設けたナット８４が螺合している。モータ８５でねじ軸８３を回転させると、昇降台８２が昇降する。他は、図１５の構成に準ずる。
このボールねじ機構を用いたＺ軸直動機構７０は、図１１〜図１４の構成のＺ軸直動機構７０や、図１５の構成のＺ軸直動機構７０と比較して構成が簡単であると共に、作業装置１の高さを低くできるという利点がある。

図１７、図１８に示す作業装置１は、図１１〜図１４の構成に対して、被作業体２をパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に配置したものである。被作業体２は、被作業体固定部材６５の先端に固定され、内部空間Ｓ１に位置する。なお、回転機構１１は、前記内部空間Ｓ１の外側の空間である外部空間Ｓ２に配置されている。

この構成であると、パラレルリンク機構９の姿勢制御用アクチュエータ１０、Ｘ軸直動機構８、Ｚ軸直動機構７０のモータ等の制御用機器や作業体３が被作業体２の下方に配置されていないため、被作業体２から発生する切粉等や、被作業体２に付着するグリース、塗料等が制御用機器や作業体３に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。また、内部空間Ｓ１に作業体３を配置することで、全体の構成をより一層コンパクトにできる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…作業装置
２…被作業体
３…作業体
６…基端部材（基端側のリンクハブの一部を構成する部材）
８…Ｘ軸直動機構（直動機構）
９…パラレルリンク機構
１０…姿勢制御用アクチュエータ
１１…回転機構
１１ａ…回転中心軸
１２…基端側のリンクハブ
１３…先端側のリンクハブ
１４…リンク機構
１５…基端側の端部リンク部材
１６…先端側の端部リンク部材
１７…中央リンク部材
６３…回転機構取付部材
６５…被作業体固定部材
７０…Ｚ軸直動機構（他の直動機構）
Ｏ１…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
Ｏ２…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸
Ｓ１…内部空間

Claims (5)

1. 被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、
   前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を１軸方向に移動させる直動機構と、前記被作業体を回転させる回転機構とを備え、
   前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、
   前記姿勢制御用アクチュエータは、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられ、
   前記直動機構は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの球面リンク中心と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称する場合、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する軸方向に前記作業体を移動させるものであり、
   前記回転機構は、前記基端側のリンクハブに設置され、前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが同一線上にある状態で、前記直動機構の移動方向と平行な回転中心軸回りに前記被作業体を回転させるものであることを特徴とするパラレルリンク機構を用いた作業装置。
2. 請求項１に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記パラレルリンク機構の前記基端側のリンクハブの一部を構成する部材に前記直動機構が設置されたパラレルリンク機構を用いた作業装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記直動機構とは別に、前記基端側のリンクハブの中心軸と平行な方向に前記作業体を移動させる他の直動機構が設けられたパラレルリンク機構を用いた作業装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記先端側のリンクハブが下向きとなるように前記パラレルリンク機構が設置され、かつ前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の空間であるパラレルリンク機構の内部空間に前記作業体が配置されたパラレルリンク機構を用いた作業装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の空間であるパラレルリンク機構の内部空間の外に前記先端側のリンクハブに固定された回転機構取付部材が設けられ、この回転機構取付部材に前記回転機構が取り付けられ、この回転機構によって回転させられ前記内部空間内に延びた先端部に前記被作業体が固定される被作業体固定部材が設けられたパラレルリンク機構を用いた作業装置。

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