TWI546476B - 並聯式機器人 - Google Patents

Description

並聯式機器人

本發明係關於一種於基座與可動部之間排列複數個連桿部，且藉由複數個致動器來驅動複數個連桿部從而使可動部進行移動之並聯式機器人。

並聯式機器人係為於基座與可動部之間排列有複數個連桿部者。藉由複數個致動器來驅動複數個連桿部從而使可動部之位置或位置及姿勢產生變化。對於並聯式機器人之種類而言，有伸縮型並聯式機器人、旋轉型並聯式機器人、及線性型並聯式機器人。

伸縮型並聯式機器人係為最早被提出者，用於飛機之模擬器或遊戲設施等。伸縮型並聯式機器人係於基座與可動部之間排列6根伸縮連桿而成。藉由使伸縮連桿之連桿長產生變化，而使可動部沿X、Y、Z軸之3軸方向進行並進運動，且使可動部之姿勢圍繞X、Y、Z軸之3軸產生旋轉(參照專利文獻1)。

旋轉型並聯式機器人係使用旋轉致動器作為驅動源。作為旋轉型並聯式機器人之典型之示例，已知有如下者：將基座形成為三角形，於基座之三角形之各邊，以使馬達之輸出軸平行於各邊之方式來安裝3個馬達，使圍繞輸出軸旋轉之細長之臂一體地結合於各馬達之輸出軸，且將各臂之前端與可 動部之間藉由連桿而加以連結(參照專利文獻2)。藉由旋轉驅動結合於3個馬達之輸出軸之3個臂，而使可動部相對於基座沿X、Y、Z軸之3軸方向進行並進運動。再者，藉由將馬達、臂、及連桿之個數設為6個，而不僅可使可動部沿X、Y、Z軸之3軸方向進行並進運動，而且可使可動部之姿勢圍繞X、Y、Z軸之3軸產生旋轉。

線性型並聯式機器人係使用線性致動器作為驅動源。作為線性型致動器之典型之示例，已知有如下者：於基座上以既定角度呈放射狀固定6個導軌，將藉由滾珠螺桿而來驅動之滑台可直線運動地安裝於各導軌，且藉由桿而將各導軌之滑台與可動部加以連結(參照專利文獻3)。藉由使6個導軌之滑台產生直線運動，而可使可動部相對於基座沿X、Y、Z軸之3軸方向進行並進運動，且可使可動部之姿勢圍繞X、Y、Z軸之3軸產生變化。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2000-130534號公報

專利文獻2：日本專利特表昭63-501860號公報

專利文獻3：日本專利特開平11-104987號公報

然而，於上述伸縮型並聯式機器人、旋轉型並聯式機器 人、及線性型並聯式機器人中，具有以下優點及缺點。

於伸縮型並聯式機器人中，因基座與可動部之間的所有伸縮連桿為並列，故具有可高輸出、且並聯式機器人之剛性為較高之優點。然而，具有可動部之可動範圍為較小之缺點。

於旋轉型並聯式機器人中，因結合於馬達之輸出軸之臂及連桿使可動部產生移動，故具有可擴大可動部之可動範圍之優點。然而，於外力作用於可動部時，具有如下缺點：馬達所承受之力為較小，且並聯式機器人之剛性為較低。若為提高並聯式機器人之剛性而使馬達大型化，則招致並聯式機器人之大型化。

於線性型致動器中，具有可高精度地定位可動部之優點。然而，因作用於可動部之外力全部作用於線性致動器，故具有如下缺點：線性致動器必須有較大之剛性，從而招致線性致動器之大型化、甚至並聯式機器人之大型化。又，亦存在有為確保剛性而需要線性導軌之缺點。

本發明係消除上述先前之並聯式機器人之缺點者，其目的在於提供一種可提高剛性且可實現小型化之並聯式機器人。

為解決上述課題，而本發明之一態樣係一種並聯式機器人，其包括基座、可動部、連結上述基座與上述可動部之複數個連桿部、及驅動上述複數個連桿部之複數個致動器；且上述複數個致動器之各者係圍繞既定軸線可旋轉地支撐於 上述基座，並且具有本體部及相對於上述本體部作直線運動之軸部之線性致動器；上述複數個連桿之各者係圍繞既定軸線可旋轉地支撐於上述基座，並且包括連結於上述線性致動器之驅動連桿、及將上述驅動連桿與上述可動部連結之被動連桿；且藉由上述線性致動器進行伸縮，而上述驅動連桿相對於上述基座圍繞上述驅動連桿之上述既定軸線旋轉。

根據本發明之一態樣，線性致動器及驅動連桿圍繞既定軸線可旋轉地支撐於基座，藉由使線性致動器進行伸縮，而使驅動連桿圍繞既定軸線進行旋轉。因此，作用於可動部之外力係轉換成線性致動器之中心線方向之力而作用於線性致動器。因線性致動器可承受作用於可動部之較大之外力，故並聯式機器人之剛性提高。又，因驅動連桿圍繞既定軸線可旋轉地支撐於基座，故可藉由基座而承受施加於可動部之外力之一部分。於藉由基座而承受施加於可動部之外力之一部分的情況下，作用於線性致動器之外力減少，從而實現線性致動器之小型化、甚至作為並聯式機器人整體之小型化。

以下，根據隨附圖式，對本發明之一實施形態中之並聯式機器人進行說明。圖1係表示實施形態之並聯式機器人之立體圖，圖2係表示俯視圖，圖3係表示側視圖。

如圖1所示，本實施形態之並聯式機器人係包括基座1、 可動部2、連結基座1與可動部2之3個連桿部5、及驅動3個連桿部5之3個線性致動器6。可動部2係具有3個自由度。基座1係收納於並聯式機器人之未圖示之外殼中。使3個線性致動器6產生動作，因此可動部2相對於基座1向X、Y、Z方向平行地進行並進運動。所謂並進運動係指如固定於可動部2之假想之所有線而相對於其原本之方向則保持平行之可動部2的動作。再者，如下所述，藉由將線性致動器6及連桿部5之個數設定為6個，則亦可使可動部2具有6個自由度。於可動部2之下表面安裝進行既定作業之末端效應器(未圖示)。藉由將末端效應器設為握持部、工具等，而可進行例如對基板進行電子零件之安裝、機械零件之組裝、機械零件之加工、製品之搬送．裝箱等之各種作業。

基座1係例如形成為平面六邊形之板狀。於基座1上，3個線性致動器6配置呈放射狀且於圓周方向上隔著120度之均等間隔。3個線性致動器6之中心線係以中心角120度在基座1之中心產生相交(參照圖2)。各線性致動器6係圍繞作為既定軸線之旋轉軸9a、9b之軸線可旋轉地支撐於基座1上。於基座1上，結合有與各線性致動器6對應地而平行之一對支承板11a、11b。於一對支承板11a、11b上經由軸承而可旋轉地支撐線性致動器6之旋轉軸9a、9b。3個線性致動器6之3條軸線A1係存在於與基座1之上表面平行之同一平面內。自並聯式機器人之上方觀察，線性致動器6 之旋轉軸9a、9b之軸線A1與線性致動器6之中心線C1產生正交(參照圖2)。連桿支撐梁1a係自基座1之三邊突出為懸臂狀。於連桿支撐梁1a之前端，可旋轉地支撐連桿部5之驅動連桿3。於連桿支撐梁1a之前端，結合有旋轉軸13。旋轉軸13係自連桿支撐梁1a之前端部向左右沿水平方向突出。驅動連桿3係圍繞作為既定軸線之旋轉軸13之軸線A2來進行旋轉。自上方觀察並聯式機器人，旋轉軸13之軸線A2係與線性致動器6之中心線C1產生正交(參照圖2)。

如圖1所示，各線性致動器6係包括大致呈長方體之本體部8、及相對於本體部8沿中心線方向作直線運動之軸部7。於本體部8之側面結合有上述旋轉軸9a、9b。於本體部8之內部，組裝有螺合於形成於軸部7之外周面之螺紋槽的滾珠螺帽(ball screw nut)、及例如作為圍繞軸部7之中心線旋轉驅動滾珠螺帽之馬達的步進馬達。步進馬達係為具有與所給與之脈衝數成比例僅旋轉固定角度之功能的馬達。若步進馬達使滾珠螺帽產生旋轉，則軸部7沿中心線方向作直線運動。步進馬達係連接於用以控制軸部7之直線運動量之驅動器。於軸部7之前端，安裝有保持連結於驅動連桿3之線性致動器6之連結軸15的支持器(holder)7a。因3個線性致動器6之構造相同，故附註相同之符號並省略其說明。

於基座1上，3個連桿部5係配置呈放射狀且於圓周方向上隔著120度之均等間隔。3個連桿部5之驅動連桿3之中 心線C2係配置於與3個線性致動器6之中心線C1相同之直線上(參照圖2)。

如圖1所示，各連桿部5係包括連結於線性致動器6之驅動連桿3、及連結驅動連桿3與可動部2之被動連桿4。驅動連桿3之連桿長度係短於被動連桿4之連桿長度。驅動連桿3包括相互分離之一對分離連桿3a、3b。被動連桿4包括連桿長度相等且平行之一對平行連桿4a、4b。各平行連桿4a、4b連結於各分離連桿3a、3b。

以藉由一對分離連桿3a、3b來夾持基座1之連桿支撐梁1a之方式，使一對分離連桿中之一者3a可旋轉地支撐於自連桿支撐梁1a向左右突出之旋轉軸中之一者9a，且使一對分離連桿中之另一者3b可旋轉地支撐於自連桿支撐梁1a向左右突出之旋轉軸中之另一者9b。如圖3所示，自並聯式機器人之側方觀察，分離連桿3a、3b形成為L字形，且包括短邊側之一片3a1、3b1及與該一片3a1、3b1正交之長邊側之一片3a2、3b2(參照圖3)。於分離連桿3a、3b之短邊側之一片3a1、3b1，可旋轉地連結有線性致動器6之軸部7。於分離連桿3a、3b之長邊側之一片3a2、3b2，可旋轉地連結有平行連桿4a、4b。

如圖1所示，於分離連桿3a、3b中，經由軸承而插入有旋轉軸13。分離連桿3a、3b係可僅圍繞旋轉軸13之軸線A2來旋轉，且相對於基座1於鉛垂之假想平面內產生搖 動。又，於分離連桿3a、3b中，經由軸承而插入有線性致動器6之連結軸15。一對分離連桿3a、3b係形成可相對於基座1於鉛垂之假想平面內同步地產生搖動。

於分離連桿3a、3b，經由作為球接頭之球面軸承21a、21b而可旋轉地連結有平行連桿4a、4b。球面軸承係具有3個自由度，平行連桿4a、4b相對於分離連桿3a、3b可圍繞X、Y、Z軸產生旋轉。再者，亦可使用萬向型接頭來代替球面軸承。

於平行連桿4a、4b之下端部，經由作為接頭之球面軸承22a、22b而連結有可動部2。球面軸承22a、22b具有3個自由度，平行連桿4a、4b相對於可動部2可圍繞X、Y、Z軸產生旋轉。亦可使用萬向型接頭來代替球面軸承22a、22b。一對平行連桿4a、4b係連結於三角形之可動部2之一邊。一對平行連桿4a、4b之長度彼此相等，藉由一對平行連桿4a、4b，球面軸承21a、21b，及球面軸承22a、22b而形成平行四邊形。即便可動部2移動亦維持平行四邊形，因此可動部2係相對於基座1向X、Y、Z軸方向進行並進運動。

若使線性致動器6進行伸縮(即使軸部7進行往復運動)，且藉由軸部7來推拉驅動連桿3，則驅動連桿3圍繞旋轉軸13進行旋轉。若驅動連桿3圍繞旋轉軸13產生旋轉，則經由被動連桿4而連結於驅動連桿3之可動部2則相對於基座 1向X、Y、Z軸方向進行並進運動。於圖4中表示使圖3之可動部沿水平方向產生移動之狀態。

控制3個線性致動器6之步進馬達之驅動器係分類為一個主驅動器及兩個從屬驅動器。上位控制器僅對主驅動器發送指令。主驅動器接收係自上位控制器所發送之指令，並發送至從屬驅動器。從屬驅動器係接收自主驅動器發送之指令。主驅動器及從屬驅動器係執行指令而實現3個步進馬達間之同步控制。再者，亦可不進行主從屬控制，而自上位控制器將指令發送至3個驅動器。

於可動部2中，視需要設置使末端效應器之姿勢產生變化之姿勢控制機構。姿勢控制機構係例如包括使末端效應器圍繞X、Y、Z軸中之至少一者旋轉之旋轉單元，且使例如使由握持單元所構成之末端效應器之姿勢產生變化。控制旋轉單元或握持單元之驅動器較理想的是搭載於可動部2上。若將來自上位控制器之指令經由無線通信來通知給驅動器，則無需向可動部2上之驅動器進行配線。

根據本實施形態之並聯式機器人，發揮以下效果。

如圖1所示，線性致動器6及驅動連桿3圍繞旋轉軸9a、9b、13可旋轉地支撐於基座1，藉由使線性致動器6進行伸縮，而成為使驅動連桿3圍繞旋轉軸13進行旋轉。因此，作用於可動部2之外力係轉換成線性致動器6之中心線方向之力且作用於線性致動器6。因線性致動器6中組裝有減速 比較高之滾珠螺桿，故線性致動器6可承受作用於可動部2之較大之外力。因此，並聯式機器人之剛性則被提高。又，因驅動連桿3圍繞旋轉軸13可旋轉地支撐於基座1，故可藉由基座1而承受施加於可動部2之外力之一部分。於藉由基座1來承受施加於可動部2之外力之一部分的情況下，作用於線性致動器6之外力減少，從而實現線性致動器6之小型化、甚至作為並聯式機器人整體之小型化。

如圖2所示，3個線性致動器6之中心線C1於基座1上呈放射狀且於圓周方向上隔著均等間隔而配置，且3個驅動連桿3各自之中心線C2係配置於與3個線性致動器6各自之中心線C1相同之直線上，故可防止過分之力作用於線性致動器6。

如圖3所示，因自驅動連桿3之旋轉軸13起至線性致動器6之連結軸15為止的長度短於自旋轉軸13起至被動連桿4之球面軸承21a、21b為止的長度，故即便線性致動器6之衝程較小，亦可擴大被動連桿4之移動量、即可動部2之可動範圍。

如圖1所示，藉由自使驅動連桿3圍繞旋轉軸13同步地旋轉之一對分離連桿3a、3b所組成之結構，而可容易經由球面軸承21a、21b將一對平行連桿4a、4b連結於驅動連桿3。

再者，本發明並不限於由上述實施形態之並聯式機器人來 實現，可於不變更本發明之主旨之範圍內變更為各種實施形態。

例如，於上述實施形態中，於基座上設置3個線性致動器及3個連桿部，使可動部進行3軸並進運動，但亦可於基座上設置6個線性致動器及3個連桿部，使可動部進行3軸並進運動且使可動部圍繞3軸旋轉。

於上述實施形態中，由將驅動連桿彼此分離之一對分離連桿所構成，但亦可藉由連結棒等來結合一對分離連桿。

本說明書係根據於2011年12月7日申請之日本專利特願2011-267888。其內容全部包含於此。

1‧‧‧基座

1a‧‧‧連桿支撐梁

2‧‧‧可動部

3‧‧‧驅動連桿

3a、3b‧‧‧分離連桿

3a1、3b1‧‧‧短邊側之一片

3a2、3b2‧‧‧長邊側之一片

4‧‧‧被動連桿

4a、4b‧‧‧平行連桿

5‧‧‧連桿部

6‧‧‧線性致動器

7‧‧‧軸部

7a‧‧‧支持器

8‧‧‧本體部

9a、9b、13‧‧‧旋轉軸

11a、11b‧‧‧支承板

15‧‧‧連結軸

21a、21b、22a、22b‧‧‧球面軸承

A1‧‧‧線性致動器之軸線

A2‧‧‧驅動連桿之軸線

C1‧‧‧線性致動器之中心線

C2‧‧‧驅動連桿之中心線

圖1係本發明之一實施形態之並聯式機器人之立體圖。

圖2係上述並聯式機器人之俯視圖。

圖3係上述並聯式機器人之側視圖。

圖4係上述並聯式機器人之側視圖(使可動部沿水平方向作並進運動之狀態)。

1‧‧‧基座

1a‧‧‧連桿支撐梁

2‧‧‧可動部

3‧‧‧驅動連桿

3a、3b‧‧‧分離連桿

4‧‧‧被動連桿

4a、4b‧‧‧平行連桿

5‧‧‧連桿部

6‧‧‧線性致動器

7‧‧‧軸部

7a‧‧‧支持器

8‧‧‧本體部

9a、9b、13‧‧‧旋轉軸

11a、11b‧‧‧支承板

15‧‧‧連結軸

21a、21b、22a、22b‧‧‧球面軸承

A1‧‧‧線性致動器之軸線

A2‧‧‧驅動連桿之軸線

Claims (3)

1. 一種並聯式機器人，其係包括基座、可動部、呈放射狀地配置在上述基座且連結上述基座與上述可動部之3個連桿部、及驅動上述3個連桿部之3個致動器；上述3個致動器之各者係圍繞既定軸線可旋轉地支撐於上述基座，並且具有本體部及相對於上述本體部作直線運動之軸部之線性致動器；上述3個連桿部之各者係圍繞旋轉軸可旋轉地支撐於上述基座，並且包括連結於上述線性致動器之驅動連桿、及將上述驅動連桿與上述可動部連結之被動連桿；上述被動連桿係具備有一對平行連桿，該等一對平行連桿係經由接頭而連結於上述驅動連桿，並經由接頭而連結於上述可動部；以上述可動部相對於上述基座在X、Y、Z方向上進行並進運動之方式，上述一對平行連桿之長度係相互地相同，並且藉由上述一對平行連桿及上述接頭而形成平行四邊形；藉由上述線性致動器進行伸縮，上述驅動連桿相對於上述基座圍繞上述驅動連桿之旋轉軸進行旋轉，上述可動部係相對於上述基座在X、Y、Z方向上進行並進運動。
2. 如申請專利範圍第1項之並聯式機器人，其中，自上述驅動連桿之上述旋轉軸起至上述線性致動器與上述驅動連桿之連結位置為止的長度，係短於自上述驅動連桿 之上述旋轉軸起至上述驅動連桿與上述被動連桿之連結位置為止的長度。
3. 如申請專利範圍第1或2項之並聯式機器人，其中，上述3個線性致動器之中心線係於上述基座上呈放射狀且於圓周方向上隔著均等間隔而配置；上述3個驅動連桿各自之中心線係配置於與上述3個線性致動器各自之中心線相同之直線上。