WO2015136648A1

WO2015136648A1 - パラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置

Info

Publication number: WO2015136648A1
Application number: PCT/JP2014/056551
Authority: WO
Inventors: 健一元永
Original assignee: 株式会社安川電機
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-09-17

Abstract

　コンパクト化を図ることを課題とする。かかる課題を解決するために、実施形態の一態様に係るパラレルリンク機構（１）は、伸縮ロッド（４）と、連結部材（５）と、回転軸（６）と、フランジ部（７）とを備える。上記伸縮ロッド（４）は、ケーシングの一端面である支持面を貫いた状態で複数設けられるリンク部材であって、上記支持面の同一円周上を貫いて平行配置されるとともに、上記支持面に対して伸縮可能に支持される。上記連結部材（５）は、上記ケーシングの外部に突出した側である上記伸縮ロッド（４）の先端部それぞれに接続されてこれら先端部を互いに連結する。上記回転軸（６）は、上記同一円の中心を貫いて上記伸縮ロッド（４）に平行配置されるとともに、軸方向に直動自在に支持される。上記フランジ部（７）は、上記回転軸（６）の先端部に連結されて回転可能となるように上記連結部材（５）の中央部に設けられる。

Description

パラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置

　開示の実施形態は、パラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置に関する。

　従来、リンクを直列に連結させてたとえば多関節ロボットのアーム等を構成するシリアルリンク機構に対して、リンクを並列に連結して構成されるパラレルリンク機構が知られている。

　かかるパラレルリンク機構は、たとえば基台と可動板とを備え、この両者の間を基台から並列かつ放射状に延びる複数のアームで連結し、これらアームを協調して屈曲させることによって、基台に対する可動板の位置を変更するといった動作を実現する。

　なお、上記アームには、さらに直動対偶で伸縮可能に組み合わされたリンクを含むものもある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００２－２９５６２３号公報

　しかしながら、上述した従来技術には、コンパクト化を図るという点で更なる改善の余地がある。

　これは、上述のように基台から並列かつ放射状に延びるようなアーム構造を有する場合、アームは屈曲した折に外側へ広がるので、たとえば、狭小なスペースへの配置等には不向きな場合があるためである。

　実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、コンパクト化を図ることができるパラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置を提供することを目的とする。

　実施形態の一態様に係るパラレルリンク機構は、伸縮ロッドと、連結部材と、回転軸と、フランジ部とを備える。前記伸縮ロッドは、ケーシングの一端面である支持面を貫いた状態で複数設けられるリンク部材であって、前記支持面の同一円周上を貫いて平行配置されるとともに、前記支持面に対して伸縮可能に支持される。前記連結部材は、前記ケーシングの外部に突出した側である前記伸縮ロッドの先端部それぞれに接続されて該先端部を互いに連結する。前記回転軸は、前記同一円の中心を貫いて前記伸縮ロッドに平行配置されるとともに、軸方向に直動自在に支持される。前記フランジ部は、前記回転軸の先端部に連結されて回転可能となるように前記連結部材の中央部に設けられる。

　実施形態の一態様によれば、コンパクト化を図ることができる。

図１は、実施形態に係るパラレルリンク機構の斜視模式図である。図２は、パラレルリンク機構の平面模式図である。図３は、図２に示すＡ－Ａ’線略断面図である。図４は、伸縮ロッドを傾かせる動きを示す斜視透過図である。図５Ａは、フランジ部のストローク位置を変更させる動きを示す斜視透過図である。図５Ｂは、フランジ部の傾きを変更させる場合の変形例を示す側面模式図である。図６Ａは、実施形態に係るロボットの構成およびその動きを示す側面模式図である。図６Ｂは、従来技術に係るパラレルリンク機構を備えるロボットの構成およびその動きを示す側面模式図である。図６Ｃは、実施形態に係る組立装置の構成を示す側面模式図である。

　以下、添付図面を参照して、本願の開示するパラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

　また、以下では、「機械構造を構成し、互いに相対運動可能な個々の剛体要素」を「リンク」または「リンク部材」と記載する場合がある。

　まず、実施形態に係るパラレルリンク機構１の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るパラレルリンク機構１の斜視模式図である。

　なお、説明を分かりやすくするために、図１には、ケーシング２の軸方向に平行なＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明に用いる他の図面においても示す場合がある。

　また、以下では、複数個で構成される構成要素については、複数個のうちの一部にのみ符号を付し、その他については符号の付与を省略する場合がある。かかる場合、符号を付した一部とその他とは同一の構成であるものとする。

　図１に示すように、パラレルリンク機構１は、ケーシング２と、支持面３と、複数本の伸縮ロッド４と、連結部材５と、回転軸６と、フランジ部７とを備える。なお、本実施形態では、伸縮ロッド４は３本であるものとする。

　ケーシング２は、パラレルリンク機構１の内部機構部分を覆う有底筒状の外被部材である。ここで、ケーシング２は有底体であればよく、その形状は筒状に限定されるものではない。

　支持面３は、ケーシング２の開口側を塞ぐ端面として設けられる。伸縮ロッド４は、この支持面３を貫いた状態で設けられるリンク部材であり、互いに平行配置されるとともに、支持面３に対して軸ＡＸｌ沿いに伸縮可能に支持される（図中の矢印１０１参照）。

　連結部材５は、ケーシング２の外部に突出した側である伸縮ロッド４の先端部それぞれに接続されて、これら伸縮ロッド４の先端部を互いに連結する。

　回転軸６は、軸方向を示す軸ＡＸｒまわりに回転可能なリンク部材であり、伸縮ロッド４のそれぞれから等距離の位置で支持面３を貫いて伸縮ロッド４に平行配置されるとともに、軸ＡＸｒ沿いに直動自在に支持される（図中の矢印１０２および１０３参照）。なお、回転軸６は、たとえばスプラインシャフトを用いて構成される。

　フランジ部７は、回転軸６の先端部に連結されて回転軸６の回転にともない回転可能となるように、連結部材５の中央部に設けられる。具体的には、フランジ部７は、接合する角度が自由に変化するユニバーサルジョイント（すなわち、自在継手）８を介して回転軸６の先端部に連結される。

　また、フランジ部７は、ロボットハンド（後述）等のエンドエフェクタが取り付けられるように設けられている。

　なお、図１では、伸縮ロッド４および回転軸６の向き（すなわち、軸ＡＸｌおよび軸ＡＸｒの向き）が、それぞれ図中のＺ軸と平行である状態を示している。かかる状態の場合、フランジ部７は、回転軸６と同軸の軸ＡＸｒまわりに回転する（図中の矢印１０４参照）。

　そして、後述するが、伸縮ロッド４および回転軸６は支持面３に対して揺動可能に設けられている。かかる伸縮ロッド４および回転軸６が揺動する場合、フランジ部７は、ユニバーサルジョイント８によって軸ＡＸｒとは異なる軸まわりに回転することとなる。

　かかる伸縮ロッド４および回転軸６が揺動可能である点を含む、パラレルリンク機構１のさらに具体的な構成について説明する。図２は、パラレルリンク機構１の平面模式図である。また、図３は、図２に示すＡ－Ａ’線略断面図である。

　なお、図２および図３でも図１の場合と同様に、伸縮ロッド４および回転軸６の向きは、図中のＺ軸、すなわちケーシング２の軸方向に平行であるものとする。

　図２に示すように、伸縮ロッド４はそれぞれ、支持面３の同一円ＳＣの円周上を貫いて平行配置される。ここで、伸縮ロッド４は、等間隔で配置されることが好ましい。したがって、本実施形態のように伸縮ロッド４が３本である場合、それぞれは１２０度間隔で配置されることとなる。

　また、これとともに、回転軸６は、同一円ＳＣの中心を貫いて伸縮ロッド４に平行配置される。さらに、フランジ部７は、かかる状態で回転軸６の回転を受けて軸ＡＸｒまわりに回転可能となるように、連結部材５の中央部に配置される。

　このように伸縮ロッド４、回転軸６、連結部材５およびフランジ部７を配置することによって、パラレルリンク機構１の剛性を高く保つのに資することができる。また、伸縮ロッド４間の中心に回転軸６およびフランジ部７を配置しているので、制御が容易であるというメリットも得ることができる。

　また、図３に示すように、パラレルリンク機構１は、伸縮駆動源９と、環状部材１０と、回転駆動源１１と、移動体１２とをさらに備える。

　伸縮駆動源９は、たとえばリニアモータを用いて構成され、伸縮ロッド４ごとに設けられて伸縮ロッド４それぞれを軸ＡＸｌ沿いに直動させることによって、伸縮ロッド４を支持面３に対して伸縮させる（図中の矢印３０１参照）。

　環状部材１０は、かかる伸縮ロッド４の基端部それぞれをケーシング２内において互いに連結する。これにより、伸縮ロッド４、連結部材５および環状部材１０からなる平行リンク１７が形成される。

　なお、ここで、平行リンク１７のジョイント部分は、球面対偶で接続されることが好ましい。具体的には、伸縮ロッド４は、たとえば球面軸受１３を介して連結部材５および環状部材１０に接続される。

　このように、パラレルリンク機構１は、複数の伸縮ロッド４から構成された平行リンク１７を有することによって、曲げ応力に対する高い剛性を得ることができる。また、平行リンク１７のジョイント部分を球面対偶で閉じることによって、平行リンク１７に対し、平行状態を維持したまま伸縮ロッド４の傾きを自在に変更可能な多自由度を付与することができる。

　回転駆動源１１は、回転軸６を軸ＡＸｒまわりに回転可能に、かつ、軸ＡＸｒ沿いに直動自在に支持する駆動源であり、たとえば、複合型の直動回転モータを用いて構成される（図中の矢印３０２および３０３参照）。

　なお、回転駆動源１１から支持面３に対向するケーシング２内の底面側へは有底筒状の胴部１４が延びており、回転軸６はかかる胴部１４の内部を直動可能に設けられている。

　移動体１２は、ケーシング２内の底面上を移動可能に設けられる。具体的には、移動体１２は、たとえば、図中のＸ軸方向へ直動可能なリニアモータ１５ａ、および、Ｙ軸方向へ直動可能なリニアモータ１５ｂを組み合わせて構成された移動駆動源１５に連結されて、ＸＹ直交軸に沿って移動可能に設けられる。

　なお、ここで移動体１２はケーシング２内の底面上を移動可能であればよく、リニアモータ１５ａおよび１５ｂの組み合わせによらなくともよい。

　そして、かかる移動体１２は、回転軸６の基端部側であり、環状部材１０の中心を通って延びる前述の胴部１４の底面へ連結される。なお、ここでも、回転軸６および移動体１２は、球面対偶で球面軸受１３等を介して接続されることが好ましい。

　そして、このように接続された伸縮ロッド４および回転軸６は、前述の伸縮駆動源９および回転駆動源１１を支持点として、やはり球面対偶で球面軸受１６等を介して支持面３に対し揺動可能に支持される。

　次に、上記のように構成されたパラレルリンク機構１の実際の動きについて、図４～図５Ｂを用いて説明する。まず、伸縮ロッド４を傾かせる動きについて説明する。図４は、伸縮ロッド４を傾かせる動きを示す斜視透過図である。

　図４に示すように、パラレルリンク機構１は、移動体１２を移動させることによって、伸縮ロッド４の傾きを変更させる。

　具体的には、パラレルリンク機構１は、移動駆動源１５により移動体１２をケーシング２の底面上に設けられたＸＹ直交軸に沿って移動させることで（図中の矢印４０１および４０２参照）、回転軸６の傾きを変更する。

　回転軸６は、その先端部がフランジ部７を介して連結部材５に連結されている。したがって、かかる回転軸６の傾きは、連結部材５を介して伸縮ロッド４それぞれを連動して傾かせる。すなわち、平行状態に保たれた平行リンク１７全体を傾かせることとなる（図中の矢印４０３参照）。

　なお、上述のように、平行リンク１７は支持面３に対して球面対偶で支持されているので、移動体１２のＸＹ直交軸におけるどのような動きにも応じて、すなわち図中の矢印４０３の向きに限らず、支持面３に対して揺動することが可能である。パラレルリンク機構１は、このように伸縮ロッド４の傾きを変更する。

　つづいて、フランジ部７のストローク位置を変更させる動きについて説明する。図５Ａは、フランジ部７のストローク位置を変更させる動きを示す斜視透過図である。

　図５Ａに示すように、パラレルリンク機構１は、伸縮ロッド４を協調動作させることによってフランジ部７のストローク位置を変更させる。具体的には、パラレルリンク機構１は、前述の伸縮駆動源９（図３参照）を同一の制御値で駆動することによって、伸縮ロッド４を協調動作させる（図５Ａ中の矢印５０１参照）。

　なお、ここで、同一の制御値には、たとえば同一速度や同一移動量が含まれる。したがって、伸縮ロッド４は、協調動作することでフランジ部７の支持面３に対する傾きを保ったまま伸縮し、フランジ部７のストローク位置を変更させることとなる（図中の矢印５０２参照）。パラレルリンク機構１は、このようにフランジ部７のストローク位置を変更させる。

　なお、図５Ａでは、伸縮駆動源９（図３参照）を同一の制御値で駆動する場合について述べたが、少なくとも１つの伸縮駆動源９を他とは異なる制御値で駆動することによって伸縮ロッド４を非協調動作させてもよい。これにより、フランジ部７の支持面３に対する傾きを変更することが可能となる。

　また、かかる伸縮ロッド４を非協調動作させる場合、前述の環状部材１０によって必ずしも伸縮ロッド４の基端部側を閉じなくともよい。ここで、かかる変形例について図５Ｂを用いて説明しておく。図５Ｂは、フランジ部７の傾きを変更させる場合の変形例を示す側面模式図である。なお、図５Ｂでは、変形例に係るパラレルリンク機構に符号「１’」を付している。

　たとえば、求められるフランジ部７の可動範囲が伸縮ロッド４を傾かせるまでもないほど小さいような場合、図５Ｂに示すように、伸縮ロッド４の基端部側は、環状部材１０によって閉じられなくともよい。

　かかる場合、伸縮駆動源９が伸縮ロッド４を支持面３に対し直動可能に支持しつつ、少なくとも１つの伸縮駆動源９が他とは異なる制御値で駆動されることによって（図中の矢印５０３および５０４参照）、フランジ部７の支持面３に対する傾きを変更することが可能である（図中の矢印５０５参照）。

　なお、この場合、伸縮ロッド４が互いに平行に保たれるように伸縮駆動源９それぞれを駆動させる必要がある。あるいは、伸縮ロッド４および回転軸６を支持面３に対して球面対偶で支持しないこととしてもよい。かかる場合、図５Ｂに示すように回転軸６の基端部側は前述の移動体１２に連結されることを要しない。すなわち、この場合は、パラレルリンク機構１’は移動体１２を備えなくともよい。

　次に、これまで説明したパラレルリンク機構１を含むパラレルリンクロボット（以下、「ロボット３０」と記載する）およびこのロボット３０を備える組立装置５０について説明する。

　図６Ａは、実施形態に係るロボット３０の構成およびその動きを示す側面模式図である。また、図６Ｂは、従来技術に係るパラレルリンク機構を備えるロボット３０’の構成およびその動きを示す側面模式図である。また、図６Ｃは、実施形態に係る組立装置５０の構成を示す側面模式図である。

　図６Ａに示すように、ロボット３０は、パラレルリンク機構１と、かかるパラレルリンク機構１のフランジ部７に取り付けられたロボットハンド２０とを備える。なお、ロボット３０は、たとえば組立装置５０の天井部５１等に設置されて、所定の組立作業のための動作を行う。

　ここで、図６Ｂに示すように、従来技術に係るパラレルリンク機構を備えるロボット３０’もまた天井部５１に設置された場合を考える。なお、ロボット３０およびロボット３０’がそれぞれ天井部５１に接する面積は、同一であるものとする。

　図６Ｂに示すように、ロボット３０’の場合、基台から並列かつ放射状に延びる複数のアーム４’を有し、これらを協調して屈曲させることで、ロボットハンド２０の位置を変更するといった動作を行う。

　ところが、こうした動作の折にアーム４’は外側に開く場合があるため、アーム４’の可動領域は少なくとも図６Ｂに示す径Ｒ２を要してしまう。

　これに対し、図６Ａに示すように、実施形態に係るロボット３０は、平行配置された伸縮ロッド４を屈曲させず、ロボットハンド２０のストローク位置や傾きを変化させたり、回転させたりすることが可能である。したがって、所定の組立作業に必要となる多様な動作を、図６Ｂに示した径Ｒ２よりも小さい径Ｒ１の可動領域内で行うことができる。

　このため、図６Ｃに示すように、搬送路４０沿いにロボット３０を複数設けて、搬送方向６０１沿いに順次組立品Ｐを取り扱うような組立装置５０においては、ロボット３０間の距離Ｗ１ならびにロボット３０と側壁５２との間の距離Ｗ２を従来よりも小さくすることができる。すなわち、パラレルリンク機構１、ロボット３０および組立装置５０によれば、コンパクト化を図ることができる。

　なお、上述したように、ロボット３０は、可動領域が従来よりも小さいながらもその中で組立作業に必要となる多様な動作を行うことが可能である。したがって、パラレルリンク機構１、ロボット３０および組立装置５０は、小型の組立品Ｐを取り扱うのに好適である。

　上述してきたように、実施形態に係るパラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置は、伸縮ロッドと、連結部材と、回転軸と、フランジ部とを備える。上記伸縮ロッドは、ケーシングの一端面である支持面を貫いた状態で複数設けられるリンク部材であって、上記支持面の同一円周上を貫いて平行配置されるとともに、上記支持面に対して伸縮可能に支持される。

　上記連結部材は、上記ケーシングの外部に突出した側である上記伸縮ロッドの先端部それぞれに接続されてこれら先端部を互いに連結する。上記回転軸は、上記同一円の中心を貫いて上記伸縮ロッドに平行配置されるとともに、軸方向に直動自在に支持される。

　上記フランジ部は、上記回転軸の先端部に連結されて回転可能となるように上記連結部材の中央部に設けられる。

　したがって、実施形態に係るパラレルリンク機構、ロボットおよび組立装置によれば、コンパクト化を図ることができる。

　なお、上述した実施形態では、伸縮ロッドが３本である場合を例に挙げたが、これに限られるものではなく、２本であってもよい。また、３本以上であってもよい。

　また、上述した実施形態では、平行リンクのジョイント部分等に球面軸受を用いる場合を例に挙げたが、構造上の種別は問わない。したがって、球面すべり軸受であってもよいし、球面転がり軸受であってもよい。

　また、上述した実施形態では、伸縮駆動源がたとえばリニアモータであることとしたが、無論、複合型の直動回転モータを直動のみさせることとしてもよい。

　また、上述した実施形態では、天井部に設置されるロボットを例に挙げて説明したが、ロボットの設置箇所を限定するものではない。

　また、上述した実施形態では、ロボットが複数備えられた組立装置を例に挙げたが、組立装置の構成を限定するものではない。したがって、ロボット１基のみで組立装置を構成してもよい。

　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

　　　１、１’　パラレルリンク機構
　　　２　　ケーシング
　　　３　　支持面
　　　４　　伸縮ロッド
　　　４’　アーム
　　　５　　連結部材
　　　６　　回転軸
　　　７　　フランジ部
　　　８　　ユニバーサルジョイント
　　　９　　伸縮駆動源
　　１０　　環状部材
　　１１　　回転駆動源
　　１２　　移動体
　　１３　　球面軸受
　　１４　　胴部
　　１５　　移動駆動源
　　１５ａ　リニアモータ
　　１５ｂ　リニアモータ
　　１６　　球面軸受
　　１７　　平行リンク
　　２０　　ロボットハンド
　　３０、３０’　ロボット
　　４０　　搬送路
　　５０　　組立装置
　　５１　　天井部
　　５２　　側壁
　　ＡＸｌ　軸
　　ＡＸｒ　軸
　　Ｐ　　　組立品
　　Ｒ１、Ｒ２　可動領域の径
　　ＳＣ　　同一円
　　Ｗ１、Ｗ２　距離

Claims

　ケーシングの一端面である支持面を貫いた状態で複数設けられるリンク部材であって、前記支持面の同一円周上を貫いて平行配置されるとともに、前記支持面に対して伸縮可能に支持される伸縮ロッドと、
　前記ケーシングの外部に突出した側である前記伸縮ロッドの先端部それぞれに接続されて該先端部を互いに連結する連結部材と、
　前記同一円の中心を貫いて前記伸縮ロッドに平行配置されるとともに、軸方向に直動自在に支持される回転軸と、
　前記回転軸の先端部に連結されて回転可能となるように前記連結部材の中央部に設けられるフランジ部と
　を備えることを特徴とするパラレルリンク機構。
　前記支持面に対向する前記ケーシング内の底面上を移動可能に設けられた移動体
　をさらに備え、
　前記伸縮ロッドそれぞれの基端部は、
　前記ケーシング内において環状部材によって互いに連結され、
　前記回転軸の基端部側は、
　前記環状部材の中心を通って前記移動体に連結され、
　前記伸縮ロッドおよび前記回転軸は、
　前記支持面に対して球面対偶で揺動可能に支持されること
　を特徴とする請求項１に記載のパラレルリンク機構。
　前記伸縮ロッドは、
　球面対偶で前記連結部材および前記環状部材に接続されること
　を特徴とする請求項２に記載のパラレルリンク機構。
　前記フランジ部は、
　自在継手を介して前記回転軸の先端部に連結されること
　を特徴とする請求項３に記載のパラレルリンク機構。
　前記ケーシング内に前記伸縮ロッドごとに設けられて該伸縮ロッドをそれぞれ伸縮させる複数の伸縮駆動源
　をさらに備え、
　前記伸縮駆動源は、
　少なくとも１つが異なる制御値で駆動されて前記伸縮ロッドを非協調動作させることによって前記フランジ部の前記支持面に対する傾きを変更可能であること
　を特徴とする請求項１または２に記載のパラレルリンク機構。
　前記伸縮駆動源は、
　同一の制御値で駆動されて前記伸縮ロッドを協調動作させることによって前記フランジ部の前記支持面に対するストローク位置を変更可能であること
　を特徴とする請求項５に記載のパラレルリンク機構。
　前記伸縮駆動源は、リニアモータであること
　を特徴とする請求項５に記載のパラレルリンク機構。
　前記ケーシング内の底面上に設けられた直交軸に沿って前記移動体を移動させることによって前記伸縮ロッドの傾きを変更可能である移動駆動源
　をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のパラレルリンク機構。
　前記移動駆動源は、リニアモータであること
　を特徴とする請求項８に記載のパラレルリンク機構。
　ケーシングの一端面である支持面を貫いた状態で複数設けられるリンク部材であって、前記支持面の同一円周上を貫いて平行配置されるとともに、前記支持面に対して伸縮可能に支持される伸縮ロッドと、
　前記ケーシングの外部に突出した側である前記伸縮ロッドの先端部それぞれに接続されて該先端部を互いに連結する連結部材と、
　前記同一円の中心を貫いて前記伸縮ロッドに平行配置されるとともに、軸方向に直動自在に支持される回転軸と、
　前記回転軸の先端部に連結されて回転可能となるように前記連結部材の中央部に設けられるフランジ部と、
　前記フランジ部に取り付けられるロボットハンドと
　を備えることを特徴とするロボット。
　請求項１０に記載のロボット
　を備えることを特徴とする組立装置。