JPH10277974A

JPH10277974A - パラレルメカニズムアクチュエータ

Info

Publication number: JPH10277974A
Application number: JP8935697A
Authority: JP
Inventors: Eizou Nishimura; 営三西村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】物体を空間内で６自由度移動させるパラレルメ
カニズムアクチュエータのアクチュエータの軽量化、コ
ンパクト化等を図る。【解決手段】原点ｏに対して位置を固定して設けた５つ
の支持点Ａ〜Ｅと、物体１に対して位置を固定して設け
た５つの被支持点ａ〜ｅと、対応する支持点Ａ〜Ｅと被
支持点ａ〜ｅとの距離をそれぞれ任意に設定できる５つ
の距離設定手段Ｌ１〜Ｌ５と、物体１が目標位置および
姿勢となる対応する支持点Ａ〜Ｅと被支持点ａ〜ｅとの
各目標距離CAL(aA)〜CAL(eE)を計算する演算手段２と、
対応する支持点と被支持点との実距離REAL(aA)〜REAL(e
E)が、前記演算手段２により計算した目標距離CAL(aA)
〜CAL(eE)となるように前記距離設定手段Ｌ１〜Ｌ５を
制御する制御手段３１〜３５とから構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体を６自由度で
空間移動させるアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の位置および姿勢を空間内で自在に
移動させるアクチュエータの機構として、伸縮可能なリ
ンクを並列に６本備えた６自由度パラレルメカニズム
が、近年盛んに研究、実施されている。なお、前述した
位置とは、例えば空間の原点に設けられたｘ、ｙ、ｚ軸
それぞれの座標で表わすことができるもので、姿勢とは
例えば、前記ｘ、ｙ、ｚ軸回りのそれぞれの回転角度で
表わすことができるものである。また、６自由度とは、
位置に関して前記ｘ、ｙ、ｚ軸方向への直線移動の３自
由度と、姿勢に関してのｘ、ｙ、ｚ軸回りの回転移動の
３自由度とを総称したものである。

【０００３】このような６自由度パラレルメカニズム
は、通常、物体を目標に動かすアクチュエータとして用
いられている。また、その長所として、負荷が各リンク
に分散されるので大きな外力に耐え得ること、各リンク
の長さの誤差が蓄積されないため、物体を精度良く目標
に移動させることができる点等があるので、高負荷が作
用しかつ高精度を要求される工作機械や、高速で移動さ
せることが必要なロボットアーム等に好適に用いられて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した６
自由度パラレルメカニズムを用いた物体の移動用アクチ
ュエータは、基本的にリンクが６つ必要であると考えら
れていたため、装置自体が複雑となり重量も大きくなる
という問題点があった。また、物体の姿勢を一定に保っ
たままで位置のみの３自由度を変化させればよいという
要求も多い。例えば、工作機械の加工ヘッドは、加工に
よっては一定姿勢を保っておけばよい。しかして、この
ような要求に対して上述した６自由度パラレルメカニズ
ムを用いたアクチュエータではオーバースペックとな
り、装置自体の複雑化や重量、コストの増大を招くおそ
れがある。また、Ｘ−Ｙ−Ｚテーブルのようなスライド
機構を３方向に配設したシリアルメカニズム的なものも
容易に考えられるが、このようなものでは、物体の重量
やこれにかかる負荷がすべて装置の基端部分に作用する
ためにその出力が小さく制限されたり、個々のスライド
アクチュエータが積み重なるため、移動精度に劣るとい
う問題点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は５本の並列リンクを用いて物体を６自
由度移動させるパラレルメカニズムアクチュエータを構
成したもので、アクチュエータの軽量化、コンパクト化
等を図った全く新しいものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】すなわち、本発明によるパラレル
メカニズムアクチュエータは、物体を空間内の目標位置
および姿勢に移動させるパラレルメカニズムアクチュエ
ータであって、原点に対して位置を固定して設けた５つ
の支持点と、物体に対して位置を固定して設けた５つの
被支持点と、これら各支持点と各被支持点とをそれぞれ
対応させ、対応する支持点と被支持点との距離をそれぞ
れ任意に設定できる５つの距離設定手段と、物体が目標
位置および姿勢となる対応する支持点と被支持点との各
目標距離を計算する演算手段と、対応する支持点と被支
持点との距離が、前記演算手段により計算した目標距離
となるように前記距離設定手段を制御する制御手段とを
具備してなることを特徴とする。

【０００７】特に、物体の姿勢を一定に保ったままで位
置のみを移動させるアクチュエータを、パラレルメカニ
ズムの特長を生かしつつ、複雑な機構や演算を不要にし
て簡単に構成するには、前記支持点のうち特定の３つの
支持点により形成される第１三角形と、前記被支持点の
うち特定の３つの被支持点により形成される第２三角形
とを同一形状にするとともに、これらに対応する３つの
距離設定手段により、これら特定の支持点と被支持点と
の各距離を常に同一長を保って変化させるようにしたも
のが好ましい。

【０００８】

【実施例】以下本発明の第１実施例を図１〜３を参照し
て説明する。本発明によるパラレルメカニズムアクチュ
エータは、物体１を空間内の目標位置および姿勢に移動
させるパラレルメカニズムアクチュエータであって、図
１に示すように、本体１００に仮想的な原点ｏを設ける
とともに、この本体１００に固定したベース１２と呼ば
れるプレートに５つの支持点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを設け
たものである。また、これらに対応させてプラットホー
ム１１と呼ばれるプレートに５つの被支持点ａ、ｂ、
ｃ、ｄ、ｅを設け、距離設定手段たる伸縮リンクＬ１〜
Ｌ５によりこれらをそれぞれ連結している。さらに、こ
れら伸縮リンクＬ１〜Ｌ５をそれぞれ指令された長さに
伸縮駆動する制御手段たるローカルサーボコントローラ
３１〜３５（図２に示す）と、本体１００内に伸縮リン
クの長さを計算する演算手段たるマイクロコンピュータ
装置２（以下マイコン２という）とを配設している。

【０００９】具体的に各部を以下に説明する。プラット
ホームは、図１に示すように移動させるべき物体１を保
持するもので、例えば工作機械に本実施例を適用した場
合には物体１たる加工ヘッドを、また、ロボットアーム
に適用した場合には物体１たるハンドをこのプラットホ
ームに取着する。もちろんこの他種々の適用例があるの
はいうまでもない。

【００１０】伸縮リンクＬ１〜Ｌ５は、図２に示すよう
に例えば直動型の電動シリンダタイプのもので、内部に
電動モータ５１〜５５を有し、ねじ送り機構６１〜６５
を利用して電動モータ５１〜５５の正逆回転をシリンダ
ヘッドの進退動作とする一般的に広く知られたものであ
る。本実施例においては、さらにリニアポテンショ４１
〜４５をそれぞれに内蔵させ、これら伸縮リンクＬ１〜
Ｌ５の実長REAL(aA)〜REAL(eE)に相当する電圧信号ａ１
〜ａ５をそれぞれ出力させている。また、各被支持点ａ
〜ｅおよび各支持点Ａ〜Ｅと伸縮リンクＬ１〜Ｌ５との
連結には、ボールジョイントあるいはユニバーサルジョ
イント等の球対偶軸受たる自在継手を用いており、伸縮
リンクＬ１〜Ｌ５を、各検出点ａ〜ｅおよび各基準点Ａ
〜Ｅにそれぞれ任意の方向に自在に回動できるように枢
支させている。

【００１１】ローカルサーボコントローラ３１〜３５
は、例えば伸縮リンクＬ１〜Ｌ５に内蔵させたもので、
各伸縮リンクＬ１〜Ｌ５の目標長CAL(aA)〜CAL(eE)に相
当する指令信号ｄ１〜ｄ５を与えられると、その長さと
なるようにリニアポテンショ４１〜４５からの電圧信号
ａ１〜ａ５を検出しつつ、それぞれフィードバック制御
を行うものである。また、伸縮リンクＬ１〜Ｌ５が目標
長CAL(aA)〜CAL(eE)になったと判断すると、制御終了信
号ｃ１〜ｃ５をそれぞれ出力するものである。

【００１２】マイコン２は、ＣＰＵ２３、メモリ２４、
入力インタフェース２１、出力インタフェース２２等を
備えたそれ自体すでに一般的に知られているものであ
る。入力インタフェース２１には少なくともローカルサ
ーボコントローラ３１〜３５からの各制御終了信号ｃ１
〜ｃ５を入力している。出力インタフェース２１からは
伸縮リンクＬ１〜Ｌ５の目標長CAL(aA)〜CAL(eE)に相当
する指令信号ｄ１〜ｄ５を、ローカルサーボコントロー
ラ３１〜３５にそれぞれ出力するようにしている。ま
た、その作用は予めメモリ２４に記憶させたソフトウェ
アにより決められる。

【００１３】次にこのマイコン２のソフトウェアのフロ
ーチャート（図３）に基づいて以下に具体的に本実施例
の作用を説明する。まず、ステップＳ１において、物体
１の最終的な目標移動位置および姿勢と、それに至るま
での物体１の途中軌道が与えられる。次にステップＳ２
において、物体１の現在位置および姿勢から目標軌道に
沿って微少移動した一時目標位置および姿勢を算出す
る。

【００１４】次にステップＳ３において、一時目標位置
および姿勢に基づいて目標となる各伸縮リンク長CAL(a
A)〜CAL(eE)をそれぞれ算出し、ローカルサーボコント
ローラ３１〜３５に目標値として与える。次にステップ
Ｓ４では、各伸縮リンクＬ１〜Ｌ５が目標長CAL(aA)〜C
AL(eE)となったかどうかを制御終了信号ｃ１〜ｃ５から
判断し、全ての伸縮リンクＬ１〜Ｌ５が目標長CAL(aA)
〜CAL(eE)となった時点でステップＳ５に進む。

【００１５】ステップＳ５では、物体１の現在位置およ
び姿勢を前記一時目標位置および姿勢に等しく更新して
ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、物体１の現在
位置および姿勢が、最終的な目標移動位置および姿勢か
どうかを判断する。そして、物体１の現在位置および姿
勢が、最終的な目標移動位置および姿勢であれば終了
し、違えば再びステップＳ２に戻る。

【００１６】このようにして、本実施例によるアクチュ
エータは、各伸縮リンクＬ１〜Ｌ５を伸縮させて、与え
られた目標位置および姿勢に物体１を移動させる。した
がって、上述した構成の本実施例によれば、物体１の位
置および姿勢を、従来できないと考えられていた５本の
伸縮リンクＬ１〜Ｌ５によって設定することが可能とな
るため、アクチュエータの機構の簡単化や重量の軽量化
を図れるという格別の効果を奏する。また、演算も５本
の伸縮リンクＬ１〜Ｌ５に対して行えばよいので６本の
場合より簡単になる。もちろんパラレルメカニズムの特
長をも生かしているので、その移動精度や耐負荷性等が
良好であることは言うまでもない。

【００１７】次に第２実施例としてソフトウェアの一部
変更により、物体１の移動を、その姿勢を一定に保って
行う場合を図４〜６を参照して説明する。なお、構成部
材の変更はないため、各部材の符号は第１実施例と同様
に付すことにし、構成に関する説明も省略する。ただ
し、本実施例においては、支持点Ａ、Ｂ、Ｃを特定支持
点、また被支持点ａ、ｂ、ｃを特定被支持点とし、これ
らによって形成される第１三角形たる△ＡＢＣと第２三
角形たる△ａｂｃとを同一形状となるようにしている。

【００１８】本実施例は、第１実施例と全く同じ構成
で、伸縮リンクＬ１〜Ｌ３の各長さを互いに等しく保ち
つつ変化させるようにしたものである。このようにすれ
ば、第１三角形たる△ＡＢＣと第２三角形たる△ａｂｃ
とを同一形状となるように配置しているので、図４に示
すように伸縮リンクＬ１〜Ｌ３が平行リンク機構を構成
し、プラットホーム１１あるいはこれに保持される物体
１が常に平行移動、すなわち姿勢を一定に保って移動す
ることになる。

【００１９】具体的に伸縮リンクＬ１〜Ｌ３の各長さを
互いに等しく保ちつつ変化させる方法を、図５に示すソ
フトウェアのフローチャートを参照して説明する。ま
ず、ステップＳ１１において、物体１の最終的な目標移
動位置と、それに至るまでの物体１の途中軌道が与えら
れる。本実施例においては、物体１の姿勢を一定に保つ
ようにするため、演算、制御の対象を物体１の位置のみ
にしている。

【００２０】次にステップＳ１２において、物体１の現
在位置から目標軌道に沿って微少移動させた一時目標位
置を算出する。次にステップＳ１３において、一時目標
位置に基づいて目標となる伸縮リンク長CAL(cC)〜CAL(e
E)をそれぞれ算出する。また、CAL(aA)、CAL(bB)はCAL
(cC)に等しく設定する。そして、これら目標長CAL(aA)
〜CAL(eE)をローカルサーボコントローラ３１〜３５に
それぞれ与える。

【００２１】次にステップＳ１４では、各伸縮リンクＬ
１〜Ｌ５が目標長CAL(aA)〜CAL(eE)となったかどうかを
制御終了信号ｃ１〜ｃ５から判断し、全ての伸縮リンク
Ｌ１〜Ｌ５が目標長CAL(aA)〜CAL(eE)となった時点でス
テップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、物体１の現
在位置を、前記一時目標位置に等しく更新してステップ
Ｓ１６に進む。

【００２２】ステップＳ１６では、物体１の現在位置
が、最終的な目標移動位置かどうかを判断する。そし
て、物体１の現在位置が、最終的な目標移動位置でなけ
れば再びステップＳ２に戻り、同一の場合は制御を終了
する。このように、本実施例によれば、第１三角形たる
△ＡＢＣと第２三角形たる△ａｂｃとを同一形状となる
ように配置し、伸縮リンクＬ１〜Ｌ３の各長さを互いに
等しく保ちつつ変化させるという簡単な構成で、パラレ
ルメカニズムの特長を生かしつつ、物体１をその姿勢を
一定に保って移動させることができる。しかも、本実施
例では、必要な計算が、物体１の位置と、３本の目標リ
ンク長CAL(cC)〜CAL(eE)という非常に少なく簡単なもの
となり、その演算速度が飛躍的に向上する。したがっ
て、物体１をさらに高速移動させることや、あるいはマ
イコン２を安価に構成することもできるようになる。こ
のことは、例えば、６本の伸縮リンクを並列に有する従
来のパラレルメカニズムアクチュエータと比較すればそ
の効果がより明確となる。つまり、この構成でも物体の
姿勢を一定に保ちつつ移動させることができるが、その
場合、常に物体の姿勢を保つための計算をしなければな
らないし、また常に６本の目標リンク長を計算しなけれ
ばならない。したがって、演算が複雑となるし、機構も
６本の伸縮リンクを有するなどオーバースペックなもの
となる。

【００２３】なお、本実施例でも、ソフトウェアの変更
で第１実施例と同じように物体１の位置姿勢を変化させ
得るアクチュエータとすることも可能である。また、伸
縮リンクＬ１〜Ｌ３が確実に平行を保つように、図６に
示すとおり、伸縮リンクＬ１〜Ｌ３の中間部位を、△Ａ
ＢＣと同一形状で平行をなすように設けた補助リンクＬ
Ｓ１〜ＬＳ３により、それぞれ球対偶軸受を用いて連結
してもよい。

【００２４】さらに、第１、第２実施例においては、伸
縮リンクにシリンダ機構を採用していたが、この伸縮リ
ンクを複数本のアームを屈曲可能な関節を介して直列に
連結したものにし、これらを屈曲させることで伸縮させ
てもよい。また、シリンダも電動シリンダを用いてその
長さをローカルフィードバックループにより制御してい
たが、電動モータにステッピングモータを用いて開ルー
プ的に制御してもよい。この場合ステッピングモータの
ドライバが制御手段に相当するものになる。もちろん、
シリンダは電動シリンダに限らず、油圧や空気圧を利用
しても本発明と同様の効果を奏するものである。さら
に、ローカルサーボコントローラをマイコン内に一体に
設けてもよいし、その場合ソフトウェアでローカルサー
ボコントローラと同等の機能を構成しても構わない。ま
た、ソフトウェアも適用装置によって種々変更されるの
は言うまでもない。

【００２５】その他、各部の構成は図示例に限定される
ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形が可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したような形態で
実施され以下に記載されるような効果を奏する。本発明
は物体を目標となる位置および姿勢に移動させるべく、
原点に対して位置を固定して設けた５つの支持点と、物
体に対して位置を固定して設けた５つの被支持点と、こ
れら各支持点と各被支持点とを対応させ、対応する支持
点と被支持点との距離をそれぞれ任意に設定できる５つ
の距離設定手段と、物体が目標位置および姿勢となる対
応する支持点と被支持点との各目標距離を計算する演算
手段と、対応する支持点と被支持点との距離が、前記演
算手段により計算した目標距離となるように前記距離設
定手段を制御する制御手段とから構成したパラレルメカ
ニズムアクチュエータである。したがって本発明によれ
ば、６自由度パラレルメカニズムの特長を生かしつつ、
距離設定手段を５つにすることにより、アクチュエータ
の軽量化、コンパクト化、さらには演算の簡単化に寄与
するという格別の効果を奏する。

【００２７】また、前記支持点のうち特定の３つの支持
点により形成される第１三角形と、前記被支持点のうち
特定の３つの被支持点により形成される第２三角形とを
同一形状にするとともに、これらに対応する３つの距離
設定手段により、これら特定の支持点と被支持点との各
距離を常に同一長を保って変化させるようにしたもので
あれば、物体の姿勢を一定に保ったままで位置のみを移
動させるアクチュエータを、パラレルメカニズムの特長
を生かしつつ、複雑な機構や演算を不要にして簡単で安
価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すパラレルメカニズム
アクチュエータの全体図。

【図２】同実施例の配線等を示す模式図。

【図３】同実施例のマイコンの動作を示すフローチャー
ト。

【図４】本発明の第２実施例を示すパラレルメカニズム
アクチュエータの概略図。

【図５】同実施例のマイコンの動作を示すフローチャー
ト。

【図６】同実施例の変形図。

【符号の説明】

１・・・物体２・・・演算手段（マイコン）３・・・制御手段（ローカルサーボコントローラ）Ｌ１〜Ｌ５・・・距離設定手段（伸縮リンク）ｏ・・・原点Ａ〜Ｅ・・・支持点ａ〜e・・・被支持点 REAL(aA)〜REAL(eE)・・・実距離 CAL(aA)〜CAL(eE)・・・目標距離 △ＡＢＣ・・・第１三角形 △ａｂｃ・・・第２三角形

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩ // Ｈ０２Ｋ 7/06 Ｇ０５Ｂ 19/18 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体を空間内の目標位置および姿勢に移動
させるパラレルメカニズムアクチュエータであって、原点に対して位置を固定して設けた５つの支持点と、物体に対して位置を固定して設けた５つの被支持点と、これら各支持点と被支持点とをそれぞれ対応させ、対応
する支持点と被支持点との距離をそれぞれ任意に設定で
きる５つの距離設定手段と、物体が目標位置および姿勢となる対応する支持点と被支
持点との各目標距離を計算する演算手段と、対応する支持点と被支持点との実距離が、前記演算手段
により計算した目標距離となるように前記距離設定手段
を制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする
パラレルメカニズムアクチュエータ。
【請求項２】前記支持点のうち特定の３つの支持点によ
り形成される第１三角形と、前記被支持点のうち特定の
３つの被支持点により形成される第２三角形とを同一形
状にするとともに、これらに対応する３つの距離設定手
段により、これら特定の支持点と被支持点との各距離を
常に同一長を保って変化させるようにしたことを特徴と
する請求項１記載のパラレルメカニズムアクチュエー
タ。