JPH0760678A - パラレルリンクマニピュレータ - Google Patents

パラレルリンクマニピュレータ

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JPH0760678A
JPH0760678A JP20657093A JP20657093A JPH0760678A JP H0760678 A JPH0760678 A JP H0760678A JP 20657093 A JP20657093 A JP 20657093A JP 20657093 A JP20657093 A JP 20657093A JP H0760678 A JPH0760678 A JP H0760678A
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Yoji Nakamura
洋二 中村
Seiichi Marumoto
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 2軸方向に大出力を有し、大重量物の移動や
運搬、位置決め、あるいは大重量物を把持しながら一方
向に押し付ける作業等に利用可能なパラレルリンクマニ
ピュレータを提供する。 【構成】 本発明はベースプレート2とエンドエフェク
タ1とそれらを連結する直動アクチュエータを有する6
本の直動リンク3〜8を備えており、この直動リンク3
〜8は一端にユニバーサルジョイント、他端にユニバー
サルジョイントとそれに直列に接続される軸まわりの回
転ジョイントを有する構造を持ち、この直動リンク3〜
8を大出力を出したい方向に対して線対称に、且つその
軸に近づけて配置することにより、上記軸方向およびベ
ースプレート2から垂直方向の2軸方向に大出力が出せ
る構造である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボットにおい
て、例えば大重量物の移動や運搬、位置決め等、重力方
向に大出力を必要とする作業、および重量物を把持しな
がら水平方向に大きな押し付け力を必要とする作業等に
利用できる、2軸方向に大出力を有するパラレルリンク
マニピュレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の一般的な産業用ロボットは図5に
示すロボットエンジニアリング1982年9月号P.7
9に記載されたような、各リンク15,16が直列に連
結されたいわゆるシリアルリンクタイプであり、このシ
リアルリンクマニピュレータは手先リンク16の重量を
ベース部のリンク15の駆動力が支える形となり、その
構造上駆動力に対して大出力が出せなかった。このた
め、大重量物の移動や運搬、位置決め等をロボットによ
り行う際、図6に示した特公昭56−173016号公
報に見られるような重力方向をバランサ17で支え、重
力方向以外の移動等をシリアルリンクマニピュレータ1
8により行う形態をとっている。
【0003】しかしながら重量物の移動で、バランサ1
7とシリアルリンクマニピュレータ18を組み合わせた
構造の物では装置自体が大きくなり、且つ把持物の押し
付け等を行う際シリアルリンクマニピュレータ18の小
さな出力範囲内でしかできないという問題がある。一
方、パラレルリンクマニピュレータは各リンクをベース
プレート、エンドエフェクタ間に並列に配置することに
より、把持する重量を6個のリンクの駆動力で分担する
ため、シリアルリンクマニピュレータに比べ大重量物の
扱いが可能であり、このような構造のリンク接続方式と
して従来より「ロボティクス−機構・力学・制御−」
(共立出版株式会社 1991年1月25日初版発行)
P.232に見られるような図7に示すトッププレート
19およびベースプレート20におけるリンク21〜2
6の接続点を中心角120°に等分し、且つトッププレ
ート19とベースプレート20の接続点を中心角で60
°ずらした点に直動リンク21〜26を配置したスチュ
ワートプラットフォームが知られている。
【0004】また、特公平3−294193号公報で見
られる図8に示すエンドエフェクタ1における各軸方向
出力および各軸まわりモーメントの計6出力がほぼ等し
いという出力の等方性を考慮したパラレルリンクマニピ
ュレータも知られている。しかしながら、スチュワート
プラットフォームに関して静力学的な解析を行った結
果、このリンク21〜26の配置では必ずしも効率的な
軸方向出力や軸まわりのモーメントがエンドエフェクタ
19で得られていない。
【0005】また、一般に重量物を扱う作業においては
6出力全ての等方性を必要とすることは少なく、重力方
向には大きな支持力が必要であるが水平移動方向にはそ
れより遥かに小さな力で十分なことが多く、また重量物
の押し付け作業等でも重力方向の他にある一軸方向に大
出力が出せれば十分であることが多いため、出力の等方
性を考慮したリンク配置にした場合大出力を必要としな
い方向と必要とする方向に同程度の出力特性を持つこと
となり、最大可搬重量の低下が生じる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のパラレ
ルリンクマニピュレータにおいて6本の直動リンクを良
好な出力特性を持つように配設することによって、特定
の方向(例えば重力方向)に大出力が出せ、且つ他の一
方向にも大出力が出せる実作業に見合った2軸方向への
出力特性を持つパラレルリンクマニピュレータを提供す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の通り
である。 (1)ベースプレート2と該ベースプレート2の垂直方
向に同軸のエンドエフェクタ1をベースプレート2上の
接続点3b,4b,5b,6b,7b,8bとエンドエ
フェクタ1上の接続点3a,4a,5a,6a,7a,
8aとを各々直動アクチュエータを有する6本の直動リ
ンク3,4,5,6,7,8で連結したマニピュレータ
において、水平面内の直交するX,Y軸の間にX軸対称
にエンドエフェクタ1上の接続点3a,8aと接続点5
a,6aを、且つ、Y軸対称に接続点3a,5aと接続
点8a,6aを配設するとともに、前記接続点3a,5
a,6a,8aを通る円周1C上にY軸対称に接続点4
aを前記接続点3a,5aの間に、接続点7aを前記接
続点6a,8aとの間に配設し前記6本の直動リンク
3,4,5,6,7,8を交差することなく配置したこ
とを特徴とするパラレルリンクマニピュレータ。
【0008】(2)ベースプレート2上の接続点3b,
5b,6b,8bは前記ベースプレート2上の同心円2
D周上に配設され、前記ベースプレート2上の接続点4
b,7bは前記ベースプレート2D上の同心円より半径
が小さい同心円2C周上に配設されることを特徴とする
(1)記載のパラレルリンクマニピュレータ。 (3)ベースプレート2上の接続点3b,5bと接続点
8b,6bをY軸対称に配設し且つ、ベースプレート2
上の接続点4b,7bをX軸上に配設することを特徴と
する(2)記載のパラレルリンクマニピュレータ。 (4)接続点3aと接続点3bは直動リンク3を介して
接続され、接続点4aと接続点4bは直動リンク4を介
して接続され、接続点5aと接続点5bは直動リンク5
を介して接続され、接続点6aと接続点6bは直動リン
ク6を介して接続され、接続点7aと接続点7bは直動
リンク7を介して接続され、接続点8aと接続点8bは
直動リンク8を介して接続されることを特徴とする
(1)〜(3)いずれかに記載のパラレルリンクマニピ
ュレータ。
【0009】
【作用】所要の直動リンク3〜8のアクチュエータを駆
動して、その直動リンク3〜8を伸縮させるとその伸縮
量に応じてエンドエフェクタ1の位置、および姿勢が変
化するため、必要な直動リンク3〜8の伸縮によりエン
ドエフェクタ1に望む動作を与えられる。次にエンドエ
フェクタ1における6出力の大きさで表される出力特性
解析について述べる。
【0010】パラレルリンクマニピュレータの出力特性
は図1に示すエンドエフェクタ1とベースプレート2を
連結する6本のリンク3〜8の配置により異なり、運動
学で定義されるヤコビ行列を特異値分解することによ
り、各直動リンク3〜8の出力が1に対するエンドエフ
ェクタ1の各軸方向出力および各軸まわりのモーメント
が算出でき、パラレルリンクマニピュレータの出力特性
が明らかになる。
【0011】エンドエフェクタ1またはベースプレート
2の直動リンク3〜8の配置点をパラメータとした時の
ヤコビ行列を特異値分解することによりY軸方向出力、
X軸まわりモーメントおよびZ軸方向出力が大きく、且
つ他の出力も重量物の慣性力等を支えられるように、直
動リンク3〜8の配置点を選択することにより、図4に
示す2軸方向に大出力が出せるパラレルリンクマニピュ
レータのリンク配置が求められる。
【0012】
【実施例】図1に本発明の2軸方向に大出力を有するパ
ラレルリンクマニピュレータの概略図を示す。このマニ
ピュレータはエンドエフェクタ1とベースプレート2お
よびそれらを連結する6本の直動アクチュエータを有す
るリンク3〜8で構成し、各リンクは図1のように配置
する。直動リンク3〜8は図2に示すように、モータ
9、減速機10、ボールネジ11およびスライダ12等
で構成し、モータ9の回転に伴いスライダ12が伸縮す
る構造となっている。また、直動リンクの両端にはユニ
バーサルジョイント13を組んでおり、更にエンドエフ
ェクタ1に接続するリンク端にはリンク軸まわりに回転
できる回転ジョイント14を組むことにより、1本のリ
ンクで6自由度を有する構造となっている。
【0013】本発明はエンドエフェクタ1およびベース
プレート2の直動リンク3〜8の配置点3a〜8a,3
b〜8bをパラメータとし、そのときのヤコビ行列を特
異値分解することにより目的とする出力特性が得られる
直動リンク配置点を求めた。図3に直動リンク3,4,
5,6,7,8のエンドエフェクタ1への接続点3a,
4a,5a,6a,7a,8aおよびベースプレート2
への接続点3b,4b,5b,6b,7b,8bを決定
する解析の一例を示したものであり、直動リンク3,
4,5,6,7,8の接続点の内、固定点を黒丸で示
し、パラメータとなる移動接続点を白丸で表している。
【0014】同図は直動リンク3,5,6,8のベース
プレート2への配置点3b,5b,6b,8bをX軸か
らの中心角度βで表し、βを0度〜90度まで変化させ
たときの出力特性を求めたもので横軸にβ、縦軸に各直
動リンク3〜8が1の出力を出したときのマニピュレー
タの各軸方向出力FX,FY,FZと各軸まわりのモー
メントMX,MY,MZを表したもので、Y軸方向出力
が大きく、且つZ軸方向出力も大きい直動リンク3,
5,6,8のベースプレート2への配置点3b,5b,
6b,8bとしてβ=90度が選択できる。
【0015】以上の方法で各直動リンク3〜8のエンド
エフェクタ1およびベースプレート2への接続点3a〜
8aおよび3b〜8bを目的とする出力特性が得られる
ように変化させ、更に各リンクの径を考慮し、エンドエ
フェクタ1の移動による各リンクの干渉を避けるためリ
ンク間にクリアランスを与えることにより、図4に示す
2軸方向に大出力が出せるパラレルリンクマニピュレー
タの直動リンク3〜8の配置が求まる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、6本の直動リンクの適
切な配置によりエンドエフェクタにおいて2軸方向に大
出力が出せ、大重量物の移動や運搬、位置決め等の重力
方向に大出力を必要とする作業や、重量物を把持しなが
ら他の方向に大きな押し付け力を必要とする作業等を行
うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2軸方向に大出力を有するパラレルリ
ンクマニピュレータの概略図。
【図2】直動リンク概略図。
【図3】(イ),(ロ),(ハ),(ニ)はパラレルリ
ンクマニピュレータ出力特性評価の説明図。
【図4】(イ),(ロ)は直動リンク配置図。
【図5】シリアルリンクマニピュレータの概略図。
【図6】重量物ハンドリングシステムの概略図。
【図7】スチュワートプラットフォームの概略図。
【図8】等方出力特性を持つパラレルリンクマニピュレ
ータの説明図。
【符号の説明】
1 エンドエフェクタ 2 ベースプレート 3〜8 直動リンク 9 モータ 10 減速機 11 ボールネジ 12 スライダ 13 ユニバーサルジョイント 14 回転ジョイント 15 ベースリンク 16 手先リンク 17 バランサ 18 シリアルリンクマニピュレータ 19 エンドエフェクタ 20 ベースプレート 21〜26 直動リンク 3a〜8a エンドエフェクタへの各リンクの接続点 3b〜8b ベースプレートへの各リンクの接続点 1C エンドエフェクタ円周 2C ベースプレート円周1 2D ベースプレート円周2

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベースプレート2と該ベースプレート2
    の垂直方向に同軸のエンドエフェクタ1をベースプレー
    ト2上の接続点3b,4b,5b,6b,7b,8bと
    エンドエフェクタ1上の接続点3a,4a,5a,6
    a,7a,8aとを各々直動アクチュエータを有する6
    本の直動リンク3,4,5,6,7,8で連結したマニ
    ピュレータにおいて、水平面内の直交するX,Y軸の間
    にX軸対称にエンドエフェクタ1上の接続点3a,8a
    と接続点5a,6aを、且つ、Y軸対称に接続点3a,
    5aと接続点8a,6aを配設するとともに、前記接続
    点3a,5a,6a,8aを通る円周1C上にY軸対称
    に接続点4aを前記接続点3a,5aの間に、接続点7
    aを前記接続点6a,8aとの間に配設し前記6本の直
    動リンク3,4,5,6,7,8を交差することなく配
    置したことを特徴とするパラレルリンクマニピュレー
    タ。
  2. 【請求項2】 ベースプレート2上の接続点3b,5
    b,6b,8bは前記ベースプレート2上の同心円2D
    周上に配設され、前記ベースプレート2上の接続点4
    b,7bは前記ベースプレート2D上の同心円より半径
    が小さい同心円2C周上に配設されることを特徴とする
    請求項1記載のパラレルリンクマニピュレータ。
  3. 【請求項3】 ベースプレート2上の接続点3b,5b
    と接続点8b,6bをY軸対称に配設し且つ、ベースプ
    レート2上の接続点4b,7bをX軸上に配設すること
    を特徴とする請求項2記載のパラレルリンクマニピュレ
    ータ。
  4. 【請求項4】 接続点3aと接続点3bは直動リンク3
    を介して接続され、接続点4aと接続点4bは直動リン
    ク4を介して接続され、接続点5aと接続点5bは直動
    リンク5を介して接続され、接続点6aと接続点6bは
    直動リンク6を介して接続され、接続点7aと接続点7
    bは直動リンク7を介して接続され、接続点8aと接続
    点8bは直動リンク8を介して接続されることを特徴と
    する請求項1ないし3いずれかに記載のパラレルリンク
    マニピュレータ。
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