JPH10109285A

JPH10109285A - マニプレータ

Info

Publication number: JPH10109285A
Application number: JP26198196A
Authority: JP
Inventors: Shoji Moriyama; 祥二森山; Kouichi Arao; 孝一新生
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高剛性、高速度、高精度などの優れた特徴を
備えるとともに、制御演算時間が短く、しかも可動範囲
が大きいマニプレータを提供する。【解決手段】トラベリングプレート２はベースプレー
ト１に３本のリンク３及び１本のセンタリンク４で連結
される。ベースプレート１は周縁部３箇所に自在継手５
を備え、自在継手５の可動コア部５１にはボールナット
５３が取付けられ、各リンク３の一端は、可動コア部５
１を貫通しボールナット５３に嵌合するネジ軸５４に接
続される。トラベリングプレート２は周縁部３箇所に自
在継手６を備え、各リンク３の他端は自在継手６に接続
される。ベースプレート１は中央にネジリ剛性を有する
自在継手７を備え、自在継手７の可動コア部７１にはボ
ールスプライン軸受７２が内蔵される。センタリンク４
の一端はボールスプライン軸受７２に係合され、他端は
トラベリングプレート２の中央に垂直に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用ロボット等
において、工具あるいはワークを保持してそれらの位置
及び姿勢を制御するマニプレータの構造に係る。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるパラレルメカニズム（パラレル
リンク機構）は、単純な構造を備えているので剛性が高
く、高速度の駆動が可能で、しかも誤差が累積しないの
で高精度が実現できるなどの優れた特性を備え、工作機
械、産業用ロボットなどへの適用が検討され、注目を集
めている。

【０００３】パラレルメカニズムの一例として、上下二
つのプラットホーム（以下、トラベリングプレート及び
ベースプレートと呼ぶ）を、６本の伸縮性のリンクで連
結した「スチュワートプラットフォーム」、あるいは特
公平０６−５７３９４に記載された４本のリンクから構
成される「アーム装置」などが広く知られている。

【０００４】しかし、「スチュワートプラットフォー
ム」あるいは特公平０６−５７３９４の「アーム装置」
は、トラベリングプレート位置及び姿勢の制御を、共に
リンクの伸縮によって行っているので、特に姿勢の可動
範囲が狭いという問題がある。また、「スチュワートプ
ラットフォーム」の場合、リンク数が多いので、リンク
相互の干渉が起き易いという問題がある。このため、制
御軸数が多い割には可動範囲が狭く実用的な応用範囲が
制限される。

【０００５】また、自在継手の揺動軸が離間していて必
ずしも交わっていない構造の場合には、運動解析が複雑
になり制御演算時間も長くなるという問題がある。ま
た、パラレルメカニズムは制御面から順運動学解析が困
難であるという欠点がある。リンクや自在継手の摺動部
が運動することにより、熱変位が発生し、位置決め制度
の誤差の要因にもなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高剛
性、高速度、高精度などのパラレルメカニズムの優れた
特徴を生かすとともに、制御軸数を最小限とし、且つ幾
何学的に比較的単純な構造とすることによって、可動範
囲が大きくしかも制御演算時間が短いマニプレータを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のマニプレータ
は、ベースプレートと、ベースプレートに対向して配置
され、ベースプレートに対する相対的な位置及び姿勢の
調整が可能なトラベリングプレートと、ベースプレート
とトラベリングプレートを互いに連結する３本のリンク
と、前記３本のリンクで囲まれた空間内に配置され、ベ
ースプレートとトラベリングプレートを互いに連結する
１本のセンタリンクと、を備えたマニプレータであっ
て、前記ベースプレートは、その周縁部の３箇所に、二
軸回りの傾動が可能な第一の自在継手、及び当該第一の
自在継手の可動コア部に接続され前記リンクを軸方向に
移動させる軸方向駆動手段を備え、前記各リンクの一端
は、それぞれ当該軸方向駆動手段及び当該第一の自在継
手を順に介して、前記ベースプレートに接続され、前記
トラベリングプレートは、その周縁部の３箇所に、二軸
回りの傾動が可能な第二の自在継手を備え、前記各リン
クの他端は、それぞれ当該第二の自在継手を介して前記
トラベリングプレートに接続され、更に、前記ベースプ
レートは、その中央部に、二軸回りの傾動が可能で且つ
ネジリ剛性を有する第三の自在継手、及び当該第三の自
在継手の可動コア部に内蔵された軸受を備え、前記セン
タリンクの一端は、回転が拘束され軸方向の摺動が可能
な状態で当該軸受に支持され、前記センタリンクの他端
は、前記トラベリングプレートの中央に垂直に固定さ
れ、前記各リンクの軸方向の移動量を、それぞれ独立に
制御することによって、前記トラベリングプレートの前
記ベースプレートに対する三次元位置及び姿勢を制御す
ることを特徴とする。

【０００８】ベースプレート、トラベリングプレート、
３本のリンク及び１本のセンタリンク等で構成される上
記の構造は、いわゆるパラレルメカニズムを構成してい
る。軸方向駆動機構を用いて３本のリンクのベースプレ
ートに対する相対的な位置（軸方向移動量）を同時に且
つ独立に制御し、これに対してセンタリンクのベースプ
レートに対する相対的な位置（軸方向移動量）を受動的
に追従させる。第三の自在継手はネジリ剛性を有し、セ
ンタリンクは、第三の自在継手の可動コア部に内蔵され
た軸受に支持され、回転が拘束され軸方向の摺動のみが
可能なので、トラベリングプレートは、ベースプレート
側にある第三の自在継手の揺動中心を中心とする姿勢で
位置決めされる。

【０００９】なお、好ましくは、前記軸方向駆動手段と
してボールネジ送り機構を用い、当該ボールネジ送り機
構のネジ部が前記第一の自在継手の可動コア部を貫通す
る様にして、前記各リンクの一端を、当該ネジ軸にそれ
ぞれ接続する。これによって、前記各リンクの剛性を確
保するとともに、大きな可動範囲を得ることが可能にな
る。

【００１０】また、好ましくは、前記第一の自在継手
を、前記ベースプレート上の第一の円周上の互いに等角
度をなす位置に配置し、前記第二の自在継手を、前記ト
ラベリングプレート上の第二の円周上の互いに等角度を
なす位置に配置する。更に、前記第三の自在継手を、前
記ベースプレート上の前記第一の円周の中心部に配置
し、前記センタリンクの他端を、前記トラベリングプレ
ート上の前記第二の円周の中心部に固定する。

【００１１】また、好ましくは、前記第一の自在継手、
前記第二の自在継手及び前記第三の自在継手として、そ
れぞれ、揺動中心において互いに直交する二つの傾動軸
を持つ構造のものを採用するとともに、前記各リンクの
軸心が、それぞれ、前記第一の自在継手の揺動中心及び
前記第二の自在継手の揺動中心を通る様にする。同様
に、前記センタリンクの軸心が、前記第三の自在継手の
揺動中心を通る様にする。更に、前記第一の自在継手の
各揺動中心、及び前記第三の自在継手の揺動中心を、同
一平面上に配置し、前記第一の自在継手の各揺動中心か
ら前記第三の自在継手の揺動中心までの距離を全て等し
く配置し、前記第二の自在継手の各揺動中心から前記セ
ンタリンクの軸心までの距離を全て等しく配置する。

【００１２】パラレルメカニズムに基づく位置及び姿勢
の制御は、シリアル機構に比べて順運動学的には複雑で
あるといわれている。パラレルメカニズムの場合、特
に、幾何学的に少しでも単純な構造の方が運動解析がし
易く制御演算時間も短くて済む。従って、各自在継手の
位置などを、幾何学的に最も単純な形態となる様に配置
し、更に、各自在継手の二つの傾動軸の軸心及び各リン
ク軸心をそれぞれ一点において交差させることによっ
て、幾何学的な条件が極力、単純化され、制御演算時間
を短縮することができる。

【００１３】また、前記トラベリングプレートに、前記
センタリンクの軸心回りに回動する第一の回動機構を搭
載し、この第一の回動機構に、前記センタリンクの軸心
と直交する軸回りに回動する第二の回動機構を搭載する
ことにより、五軸制御式のマニプレータが実現され、最
終端の工具等の位置及び姿勢をより高い自由度で制御す
ることが可能となる。

【００１４】また、前記ベースプレートに対する前記セ
ンタリンクの相対的な軸方向移動量を測定する変位測定
器、及び、前記センタリンクの傾動角を直交する二成分
に分解して測定する角度測定器を備えることにより、ト
ラベリングプレートの三次元位置及び姿勢を直接測定す
れば、マニプレータの位置精度を向上させることができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に本発明のマニプレータの実
施の形態の一例を示す。図１は、三軸制御式のマニプレ
ータの構造を模式的に表したものであり、図１（ａ）は
平面図、図１（ｂ）はセンタリンクの中心軸を含む断面
図に相当する。図中、１はベースプレート、２はトラベ
リングプレート、３はリンク、４はセンタリンク、５は
第一の自在継手、６は第二の自在継手、７は第三の自在
継手、５１はボールネジ送り機構（軸方向駆動機構）が
組み込まれた可動コア部、７１はボールスプライン軸受
を内蔵した可動コア部、１５はワークを表す。

【００１６】ベースプレート１は、装置の天井側に配置
され、周囲からサポートフレーム９によって支えられ
る。底面８とベースプレート１の間に挟まれた空間が作
業領域となる。ワーク１５は装置の底面８側に固定さ
れ、この装置によって塗装、溶接あるいは加工などの作
業が施される。

【００１７】ベースプレート１には、円周上（第一の円
周：半径Ｒ１）の互いに１２０度離れた位置に３個の自
在継手５（第一の自在継手）が配置されており、中心部
には自在継手７（第三の自在継手）が配置されている。

【００１８】自在継手５の可動コア部５１にはボールネ
ジ送り機構が組み込まれている。ボールネジ送り機構
は、サーボモータ５２、ボールナット５３、ネジ軸５４
等で構成される。ネジ軸５４は可動コア部５１を貫通
し、これらのネジ軸５４に各リンク３の上端部がそれぞ
れ接続されている。

【００１９】一方、自在継手７の可動コア部７１の中に
はボールスプライン軸受け７２が内蔵されていて、その
中をスプライン軸が形成されたセンタリンク４が貫通し
ている。

【００２０】トラベリングプレート２には、円周上（第
二の円周：半径Ｒ２）の互いに１２０度離れた位置に３
個の自在継手６（第二の自在継手）が配置されており、
これらの自在継手６に各リンク３の下端部がそれぞれ接
続されている。

【００２１】トラベリングプレート２の中心部にはセン
タリンク４の下端部が垂直に固定されている。自在継手
５は二軸回りの傾動が可能であり、ネジリ方向、即ちリ
ンク３の軸心回りの回転は拘束されている。自在継手６
は二軸回りの傾動が可能である。自在継手７は二軸回り
の傾動が可能であり、ベースプレート１に対して相対的
なネジリ剛性を有する、即ちセンタリンク４は軸心回り
の回転が拘束されている。

【００２２】サーボモータ５２を駆動してボールナット
５３を回転させることにより、ロッド５４に接続された
リンク３が軸方向に移動する。センタリンク４は、これ
らの各リンク３の軸方向の移動によって生ずるトラベリ
ングプレートの運動に追従して、傾動及び軸方向の移動
を行う。

【００２３】なお、自在継手５、６、７は、それぞれ、
軸心が互いに一点において直交する二つの傾動軸を備
え、リンク３およびセンタリンク４の軸心は、各々の自
在継手の傾動軸の交点、即ち揺動中心を通る。また、自
在継手５の揺動中心と自在継手７の揺動中心は同一平面
上にあり、自在継手５の揺動中心は自在継手７の揺動中
心からＲ１の等距離にあり、自在継手６の揺動中心はセ
ンタリンク４の軸心からＲ２の等距離にある。

【００２４】図１に示した三軸制御式のマニプレータの
場合、センタリンク４は、ベースプレート１に取付けら
れた自在継手７の可動コア部に内蔵されたボールスプラ
イン７２を貫通するとともに、センタリンク４の軸心
は、自在継手７の揺動中心を通る。従って、センタリン
ク４の下端側に固定されたトラベリングプレート２の姿
勢は、自在継手７の揺動中心を中心とする同心球面に沿
った姿勢を常に保つよう制約される。

【００２５】従って、この装置は、姿勢制御が特に要求
されない作業の場合に使用される。例えば、図１（ｂ）
に示した例の様に、モータ１１により駆動される球形刃
具１２を持つ回転工具をトラベリングプレート２に搭載
して、ワーク１５の切削あるいは研削加工を行う作業、
または、バイブレータや弾性体などを内蔵する磨き工具
をトラベリングプレート２に搭載して、ワーク１５の研
磨を行う作業などに適用可能である。

【００２６】図２に本発明のマニプレータの実施の形態
の他の例を示す。図２は、五軸制御式のマニプレータの
構造を模式的に表したものである。図中、２１はモー
タ、２２は刃具、２３はＢ軸機構、２４はＣ軸機構、２
５はモータを表す。

【００２７】この例では、ベースプレート２を作業空間
の側方に配置している。また、トラベリングプレート２
にＣ軸機構２４及びＢ軸機構２３を搭載して、五軸制御
式のマニプレータが構成されている。

【００２８】トラベリングプレート２にはＣ軸機構２４
が取付けられ、更に、Ｃ軸機構２４にはＢ軸機構２３が
取付けられている。Ｃ軸機構２４は、トラベリングプレ
ート２に対して垂直な軸、即ちセンタリンク４の軸心を
回転軸としてモータ２５により駆動される制御軸であ
り、広い回動範囲（例えば正逆方向数回転）を持つ構造
とすることが可能である。Ｂ軸機構２３は、Ｃ軸に直交
する軸、即ちセンタリンク４の軸心と直交する軸を回転
軸としてモータ（図示せず）により駆動される制御軸で
あり、同様に広い回動範囲を持つ構造にすることが可能
である。

【００２９】いわゆるパラレルメカニズムを構成してい
る三軸制御の機構に対し、これに付加されたＣ軸機構及
びＢ軸機構は、いわゆるシリアル機構であり重畳的では
あるが、いずれも、精度、剛性及び速度の点で有利な一
軸回りの回転運動であるため、装置の前記諸性能を著し
く劣化させる要因とはならない。

【００３０】図２に示した五軸制御式のマニプレータ
は、図１に示した三軸制御式のマニプレータと比較し
て、最終段の位置および姿勢を、より広い可動範囲で任
意に制御することが可能なので、適用範囲を更に拡大す
ることができる。例えば、図２に示した例の様に、モー
タ２１で駆動される刃具２２を持つ回転工具をＢ軸機構
２３及びＣ軸機構２４に搭載して、ワーク１５の切削あ
るいは研削加工をする作業の他、溶接、塗装、組立てな
どの作業に適用できる。

【００３１】また、ワーク１５を保持する側の機構とし
て、水平軸あるいは鉛直軸の一軸ないし二軸回りに回動
するものを採用すれば、さらに応用範囲を拡げることが
できる。

【００３２】本発明に基づくマニプレータの特徴の一つ
として、接触して運動する主な部分には、全て、コロ軸
受や玉軸受、ボールネジ送り機構、ボールスプラインな
どの予圧を与えたコロガリ機械要素を使用することがで
きるので、精度、剛性及び速度を増大させることが容易
である。

【００３３】また、対象作業の作業領域や負荷のかかり
方、必要精度に応じて、図１（ａ）おけるＲ１／Ｒ２の
比率をバランス良く設けることにより、上下左右方向に
おける負荷剛性と位置決め精度を合理的に確保すること
ができる。例えば、作業領域が上下方向に浅く、左右方
向の負荷が大きい場合にはＲ１／Ｒ２を大きく設ける方
が合理的である。

【００３４】リンクを軸方向に往復運動させる構造の例
として、図１（ｂ）で模式的に示した様なリンクあるい
はロッドがベースプレートを貫通する構造（ボールネジ
送り機構を組み込んだ構造）に代わって、図３に示す様
な二重筒伸縮式の構造も考えられる。センタリンク４に
ついても、同様の二重筒伸縮式の構造が考えられる。前
記の貫通式の構造は、反作業領域側の突出部分がいわゆ
るデッドスペースとなる不利があるが、曲げモーメント
に対する剛性や直線運動の真直精度などは、二重筒伸縮
式の構造より有利である。スペースや対象作業の条件に
応じて、貫通式か二重筒伸縮式かを選択できる。

【００３５】また、本発明に基づくマニプレータの形態
の一つとして、ワークが長尺である場合などには、水平
方向に長尺移動する機構を追加し、その上に三軸制御あ
るいは五軸制御の機構を立形あるいは横形として搭載す
ることにより、作業領域を広げることも可能である。な
お、長尺移動の際の位置決めは、必ずしも連続制御であ
る必要はなく、当接ストッパ等による段階的な不連続位
置決めでもよい。

【００３６】トラベリングプレート２の座標計測は図１
及び図４に示す様に、ベースプレート１とトラベリング
プレート２の距離を距離センサ７６で測定した値をＬ、
センタリンク４の傾斜角を角度センサ７７、７８で測定
した値をそれぞれθｘ、θｙとし、求める座標を（ｘ、
ｙ、ｚ）とすれば、以下の式により求めることができ
る。

【００３７】ｘ＝Ｌ・ｃｏｓθｘ・ｓｉｎθｙｙ＝Ｌ・ｓｉｎθｘｚ＝Ｌ・ｃｏｓθｘ・ｓｉｎθｙ

【００３８】

【発明の効果】本発明のマニプレータは、三次元位置決
めに最小限必要な３つの制御軸のみでで基本形が構成で
き、しかも、いわゆるパラレルメカズムであるため、構
造が簡単かつ軽量で高速化し易い上に、剛性や精度は合
成化平均化され誤差は累積しない。

【００３９】各自在継手の２つの傾動軸を互いに揺動中
心において直交させ、リンク、センタリンク、及び各自
在継手の配置を幾何学的に単純な形状にすることによ
り、運動解析の複雑化を避け、制御演算時間を短縮する
ことができる。

【００４０】また、姿勢制御用に、可動範囲を十分大き
く取れる回転駆動型の二軸機構を、必要に応じて付加的
に、トラベリングプレートに搭載することによって、適
用範囲を拡げることができる。

【００４１】また、トラベリングプレートに座標値測定
手段を取付けることによって、リンクの熱変形などに起
因する位置精度の誤差を取り除くことができる。この結
果、位置決め精度の向上、制御処理時間の短縮などの効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく三軸制御式のマニプレータの一
例を示す図、（ａ）は平面図、図１（ｂ）はセンタリン
クの中心軸を含む断面図である。

【図２】本発明に基づく五軸制御式のマニプレータの一
例を示す図。

【図３】リンクの軸方向移動機構の代替構造である二重
筒伸縮式の模式断面図。

【図４】トラベリングプレートの座標計測方法を示す
図。

【図５】従来のスチュワートプラットフォームの概要を
示す図。

【符号の説明】

１・・・ベースプレート、２・・・トラベリングプレート、３・・・リンク、４・・・センタリンク、５・・・第一の自在継手、６・・・第二の自在継手、７・・・第三の自在継手、８・・・底面、９・・・サポートフレーム、１１・・・モータ、１２・・・球形刃具１５・・・ワーク、２１・・・モータ、２２・・・刃具、２３・・・Ｂ軸機構、２４・・・Ｃ軸機構、２５・・・モータ、５１・・・可動コア部、５２・・・サーボモータ、５３・・・ボールナット、５４・・・ネジ軸、７１・・・可動コア部、７２・・・ボールスプライン軸受、７６・・・距離センサ、７７・・・角度センサ、７８・・・角度センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベースプレートと、ベースプレートに対向して配置され、ベースプレートに
対する相対的な位置及び姿勢の調整が可能なトラベリン
グプレートと、ベースプレートとトラベリングプレートを互いに連結す
る３本のリンクと、前記３本のリンクで囲まれた空間内に配置され、ベース
プレートとトラベリングプレートを互いに連結する１本
のセンタリンクと、を備えたマニプレータであって、前記ベースプレートは、その周縁部の３箇所に、二軸回
りの傾動が可能な第一の自在継手、及び当該第一の自在
継手の可動コア部に接続され前記リンクを軸方向に移動
させる軸方向駆動手段を備え、前記各リンクの一端は、
それぞれ当該軸方向駆動手段及び当該第一の自在継手を
順に介して、前記ベースプレートに接続され、前記トラベリングプレートは、その周縁部の３箇所に、
二軸回りの傾動が可能な第二の自在継手を備え、前記各
リンクの他端は、それぞれ当該第二の自在継手を介して
前記トラベリングプレートに接続され、更に、前記ベースプレートは、その中央部に、二軸回り
の傾動が可能で且つネジリ剛性を有する第三の自在継
手、及び当該第三の自在継手の可動コア部に内蔵された
軸受を備え、前記センタリンクの一端は、回転が拘束さ
れ軸方向の摺動が可能な状態で当該軸受に支持され、前記センタリンクの他端は、前記トラベリングプレート
の中央に垂直に固定され、前記各リンクの軸方向の移動量を、それぞれ独立に制御
することによって、前記トラベリングプレートの前記ベ
ースプレートに対する三次元位置及び姿勢を制御するこ
とを特徴とするマニプレータ。
【請求項２】前記軸方向駆動手段はボールネジ送り機
構であり、当該ボールネジ送り機構のネジ軸は前記第一
の自在継手の可動コア部を貫通し、前記各リンクの一端
は、当該ネジ軸にそれぞれ接続されていることを特徴と
する請求項１に記載のマニプレータ。
【請求項３】前記第一の自在継手は、前記ベースプレ
ート上の第一の円周上の互いに等角度をなす位置に配置
され、前記第二の自在継手は、前記トラベリングプレート上の
第二の円周上の互いに等角度をなす位置に配置され、前記第三の自在継手は、前記ベースプレート上の前記第
一の円周の中心部に配置され、前記センタリンクの他端は、前記トラベリングプレート
上の前記第二の円周の中心部に固定されている、ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載のマニプレ
ータ。
【請求項４】前記第一の自在継手、前記第二の自在継
手及び前記第三の自在継手は、それぞれ、揺動中心にお
いて互いに直交する二つの傾動軸を持ち、前記各リンクの軸心は、それぞれ、前記第一の自在継手
の揺動中心及び前記第二の自在継手の揺動中心を通り、前記センタリンクの軸心は、前記第三の自在継手の揺動
中心を通り、前記第一の自在継手の各揺動中心、及び前記第三の自在
継手の揺動中心は、同一平面上にあり、前記第一の自在継手の各揺動中心から前記第三の自在継
手の揺動中心までの距離は全て等しく、前記第二の自在継手の各揺動中心から前記センタリンク
の軸心までの距離は全て等しいこと、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマニプ
レータ。
【請求項５】前記トラベリングプレートに搭載され、
前記センタリンクの軸心の回りに回動する第一の回動機
構と、この第一の回動機構に搭載され、前記センタリンクの軸
心に直交する軸の回りに回動する第二の回動機構と、を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに
記載のマニプレータ。
【請求項６】前記ベースプレートに対する前記センタ
リンクの相対的な軸方向移動量を測定する変位測定器、
及び、前記センタリンクの傾動角を直交する二成分に分
解して測定する角度測定器を備えたことを特徴とする請
求項１から５のいずれかに記載のマニプレータ。