WO2018088446A1 - 作業装置および双腕型作業装置 - Google Patents

作業装置および双腕型作業装置 Download PDF

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WO2018088446A1
WO2018088446A1 PCT/JP2017/040330 JP2017040330W WO2018088446A1 WO 2018088446 A1 WO2018088446 A1 WO 2018088446A1 JP 2017040330 W JP2017040330 W JP 2017040330W WO 2018088446 A1 WO2018088446 A1 WO 2018088446A1
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WO
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link
end side
base
rotation
linear motion
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PCT/JP2017/040330
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English (en)
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賢蔵 野瀬
浩 磯部
直樹 丸井
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Ntn株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/44—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/46—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions
    • F16H21/54—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a dual arm for use in equipment that requires high-speed and high-precision work such as medical equipment and industrial equipment, equipment that requires fine work such as assembly, robots that coexist with humans, and the like.
  • the present invention relates to a mold actuator.
  • Patent Documents 1 and 2 propose an articulated robot type working device having 6 degrees of freedom.
  • Patent Document 1 has a single-arm configuration
  • Patent Document 2 has a dual-arm configuration.
  • These working devices have a total of 6 degrees of freedom by combining six mechanisms with one degree of freedom of rotation.
  • JP 2005-329521 A Japanese Patent No. 4528312
  • Patent Document 1 Since the working device of Patent Document 1 is composed of a combination of mechanisms with one degree of freedom of rotation, there are the following problems. -When the attitude of the end effector mounted at the tip is slightly changed or moved linearly, it is necessary to drive a plurality of motors in cooperation, and detailed work cannot be performed at high speed. -Even if the posture of the end effector is changed slightly, the movement amount of not only the wrist joint (joint close to the end effector) but also the arm (part away from the end effector) becomes large. Is easy to contact with the surroundings. In order to avoid contact completely, it is necessary to provide a large enclosure, and the exclusive area becomes large. ⁇ There may be multiple paths to reach one posture of the end effector.
  • the working device of Patent Literature 2 has the same problem as the working device of Patent Literature 1.
  • the working device of Patent Document 2 that is a double-arm type has the following problems. -Since the movable range of each arm is wide, the area where the arms interfere with each other is also wide. Knowledge and experience are required to perform the operation so that the arms do not contact each other. -Since it has two arms with a wide range of movement, the exclusive area becomes even larger when an enclosure is provided.
  • the operation of the end effector performed by moving the linear motion unit and the rotating unit can be performed only within a specific work space.
  • the work space is a rectangular parallelepiped space defined by the three linear actuators of the linear motion unit.
  • the parts can be transported by the end effector as long as they are between a plurality of places in the work space, but the parts cannot be transported between a plurality of places located inside and outside the work space. For this reason, when using a working device at the site of processing or processing, it is practically impossible to transport parts to the surroundings by the end effector, or to carry parts in the vicinity, so that parts transporting equipment Need to be installed separately.
  • the object of the present invention is to reduce the amount of movement of the entire apparatus when performing detailed work, to have high operation reliability, to be able to coexist with a person, and to automatically perform work close to manual work performed by a person. It is another object of the present invention to provide a working device that can easily carry parts to the surroundings and carry in parts in the vicinity. Another object of the present invention is to provide a double-arm type actuator that can be operated by a person with both hands.
  • the working device of the present invention is a working device with 7 degrees of freedom that uses an end effector, and includes a 3 degrees of freedom linear motion unit that combines three linear motion actuators and a rotational degree of freedom of 1 degree or more.
  • a rotation unit with 3 degrees of freedom combining a plurality of rotation mechanisms with a joint unit with one degree of freedom for rotating both the linear motion unit and the rotation unit, and the joint mechanism is fixed to a base A fixed portion and a movable portion rotatable relative to the fixed portion, and a base portion of the rotating unit is fixedly installed on an output portion of the linear motion unit, and the output portion of the rotating unit is An end effector is mounted.
  • the end effector works on the workpiece set at a predetermined position.
  • the position of the end effector is determined mainly by the linear motion unit having three degrees of freedom
  • the attitude of the end effector is determined by the rotation unit having three degrees of freedom.
  • the operation position of each linear motion actuator of the linear motion unit corresponds to the position of the end effector expressed in the orthogonal coordinate system
  • each rotation mechanism of the rotary unit corresponds to the attitude of the end effector expressed in the polar coordinate system.
  • the operation position of each linear actuator and the operation angle of each rotation mechanism are uniquely determined with respect to the position and posture of the end effector. That is, it has no singularity. Therefore, the working device can be operated without skilled knowledge and experience.
  • the end effector can be positioned in an arbitrary direction around the rotation axis by rotating the linear motion unit and the rotation unit by the joint mechanism.
  • the work space is a rectangular parallelepiped space defined by the three linear actuators of the linear motion unit. For this reason, it is possible to easily carry parts to the surroundings by the end effector or carry parts in the surroundings.
  • the base of the linear motion unit may be installed on the movable part of the joint mechanism.
  • the working device can be realized with a simple configuration.
  • the rotating unit may be a link operating device in which at least one of the plurality of rotating mechanisms has two degrees of freedom.
  • the distal end side link hub is connected to the proximal end side link hub through three or more sets of link mechanisms so that the posture thereof can be changed, and each of the link mechanisms is connected to the proximal end side link hub.
  • a central link member connected to each other, and the posture of the distal end side link hub with respect to the proximal end side link hub is arbitrarily changed to two or more sets of the three or more sets of link mechanisms.
  • the posture control actuator may be provided.
  • the link actuating device is composed of a link hub on the base end side, a link hub on the front end side, and three or more sets of link mechanisms.
  • the link hub on the front end side is rotatable about two orthogonal axes with respect to the link hub on the base end side.
  • a two-degree-of-freedom mechanism Although this two-degree-of-freedom mechanism is compact, the movable range of the link hub on the distal end side can be widened.
  • the maximum bending angle between the central axis of the link hub on the proximal end side and the central axis of the link hub on the distal end side is about ⁇ 90 °
  • the swivel angle of the link hub on the distal end side with respect to the link hub on the proximal end side is It can be set in the range of 0 ° to 360 °.
  • a smooth operation having no singular point is possible in the operation range of the bending angle of 90 ° and the turning angle of 360 °.
  • the link operating device has a compact movable structure and a wide movable range, the entire working device has a compact construction.
  • each rotational pair of the proximal end side link hub and the proximal end side end link member, and the central axis of each rotational pair of the proximal end side link member and the central link member intersect each other. This point is referred to as the spherical link center on the base end side, passes through the spherical link center on the base end side, and is perpendicular to the central axis of each rotating pair of the base end side link hub and the base end side end link member.
  • the plurality of attitude control actuators of the link actuator are rotary actuators, and the rotation output shaft thereof is the central axis of the base end side link hub.
  • the rotation output shaft is the central axis of the base end side link hub.
  • the rotational driving force of the rotation output shaft is transmitted to the link mechanism via an axis-orthogonal speed reducer.
  • other rotation mechanism for rotating the link actuator around the central axis of the proximal-side link hub may be disposed. In this case, the rotating unit has a compact configuration.
  • each of the linear motion actuators of the linear motion unit may be arranged such that a stage made up of each forward / backward portion faces outward with respect to a work space in which work is performed by the end effector.
  • two of the working devices are arranged side by side so as to be geometrically symmetrical to each other.
  • FIG. 1 It is a front view which shows schematic structure of the working device concerning 2nd Embodiment of this invention. It is a front view which shows schematic structure of the working device concerning 3rd Embodiment of this invention. It is the front view which represented a part of rotation unit of the working device in the section. It is a perspective view of the parallel link mechanism of the link actuator of the rotation unit. It is a perspective view of a different state of the parallel link mechanism. It is XX sectional drawing of FIG. It is the figure which expressed one link mechanism of the link actuating device with a straight line. It is a front view of a different rotation unit. It is a figure which shows schematic structure of the working device concerning 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 15 is a sectional view taken along the line XV-XV in FIG. 14. It is a front view of the principal part of a different rotation unit. It is a front view which shows schematic structure of the double arm type
  • First Embodiment 1 to 4 show a working device according to a first embodiment of the present invention.
  • the working apparatus 1 is installed with a base 2, a joint mechanism 130 supported by the base 2, and a base portion fixed to the joint mechanism 130.
  • the end effector 5 performs an operation on the work 7 placed on the work placing table 6.
  • the end effector 5 may perform work while contacting the workpiece 7 or may perform work while being contacted.
  • Work on the work 7 by the end effector 5 is possible within the range of the work space S.
  • the work space S is a rectangular parallelepiped space defined by three linear motion actuators 11, 12, and 13 described later of the linear motion unit 3.
  • the base 2 of this embodiment is composed of a pedestal portion 2a fixed to the floor surface and a columnar portion 2b that extends upward with its lower end fixed to the pedestal portion 2a.
  • the joint mechanism 130 is a mechanism having one degree of freedom of rotation, and a fixed portion 131 fixed to the upper end of the columnar portion 2b of the base 2 and a movable portion that can rotate around the rotation axis O in the vertical direction with respect to the fixed portion 131.
  • Part 132 One end of the movable portion 132 is rotatably supported by the fixed portion 131, and the other end extends horizontally.
  • the movable part 132 is rotated around the rotation axis O by the drive mechanism 133.
  • the drive mechanism 133 is a motor, for example. In this embodiment.
  • the drive mechanism 133 is housed inside the base 2, but the drive mechanism 133 may be disposed at another location.
  • the linear motion unit 3 has a configuration of three degrees of freedom by combining three linear motion actuators.
  • the rotation unit 4 has a configuration with three degrees of freedom by combining a plurality of rotation mechanisms having one degree of freedom or more. Therefore, this working device 1 has one degree of freedom of the joint mechanism 130, three degrees of freedom of the linear motion unit 3, and three degrees of freedom of the rotation unit 4, and has a total of seven degrees of freedom.
  • the linear motion unit 3 includes a first linear motion actuator 11, a second linear motion actuator 12, and a third linear motion actuator 13.
  • the first linear actuator 11 is installed in the movable part 132 of the joint mechanism 130, and the stage 11 a advances and retreats in the longitudinal direction of the movable part 132.
  • the second linear actuator 12 is installed on the stage 11a of the first linear actuator 11, and the stage 12a advances and retreats in a direction along a horizontal plane perpendicular to the advance and retreat direction of the stage 11a.
  • the third linear motion actuator 13 is installed on the stage 12a of the second linear motion actuator 12, and the stage 13a advances and retreats in the vertical direction.
  • Each of the linear actuators 11, 12, and 13 is an electric actuator that uses the motors 11b, 12b, and 13b as drive sources, respectively.
  • Each of these linear motion actuators 11, 12, 13 is arranged such that the respective stages 11 a, 12 a, 13 a face outward with respect to the work space S (see FIGS. 1 and 2).
  • the “base portion of the linear motion unit” referred to in the claims is a portion of the first linear motion actuator 11 that does not advance and retreat, and this portion is fixed to the movable portion 132 of the joint mechanism 130. Is done.
  • the “output portion of the linear motion unit” in the claims refers to the stage 13a of the third linear motion actuator 13, and the rotary unit 4 is installed on the stage 13a.
  • FIG. 4A is a front view of the rotary unit 4, and FIG. 4B is a plan view of the same.
  • the rotating unit 4 includes a rotating unit mounting member 20 fixed to the output portion of the linear motion unit 3 (see FIG. 1), and a first rotation mounted on the rotating unit mounting member 20.
  • the rotation axes 21b, 22b, and 23b of the first, second, and third rotation mechanisms 21, 22, and 23 are orthogonal to each other.
  • the rotation drive sources of these rotation mechanisms 21, 22, and 23 are, for example, motors 21c, 22c, and 23c.
  • the “base of the rotary unit” refers to the rotary unit mounting member 20, and the rotary unit mounting member 20 is fixed to the stage 13 a of the third linear motion actuator 13.
  • the “output unit of the rotating unit” refers to the rotating portion 23a of the third rotating mechanism 23, and the end effector 5 is mounted on the rotating portion 23a.
  • screw holes 14 and 15 and a positioning hole 16 for fixing the rotary unit mounting member 20 are provided in the stage 13 a of the third linear actuator 13 which is an output part of the linear motion unit 3. It has been. Only one screw hole 14 is provided at the center of the location where the rotary unit mounting member 20 is fixed. A plurality of screw holes 15 are provided on the circumference centering on the screw hole 14 at the center. The same number of positioning holes 16 as the screw holes 15 are provided on a concentric circumference having a smaller radius than the circumference where the screw holes 15 are provided.
  • the rotating unit mounting member 20 includes three bolt insertion holes (not shown) aligned in a straight line corresponding to the screw holes 14 and 15, and two positioning protrusions (not shown) corresponding to the positioning hole 16. Is provided.
  • the two positioning protrusions of the rotary unit mounting member 20 are connected to the central portion of the stage 13a.
  • the angle of the rotary unit mounting member 20 in front view with respect to the stage 13a is determined.
  • the mounting bolts 24 are respectively inserted into the three bolt insertion holes of the rotary unit mounting member 20, and each mounting bolt 24 is inserted into the screw hole 14 at the center portion of the stage 13 a and 2 on both sides thereof.
  • the rotating unit mounting member 20 is fixed to the stage 13a by being screwed into the two screw holes 15.
  • the operation positions of the linear actuators 11, 12, and 13 and the operation angles of the rotation mechanisms 21, 22, and 23 are uniquely determined. That is, it has no singularity. For these reasons, when teaching is performed, it is easy to imagine in which direction the tip of the end effector 5 moves when the arm is moved around its rotation axis. Therefore, the operation apparatus 1 can be operated without skilled knowledge and experience.
  • the work can be performed mainly by moving only the rotating unit 4. Therefore, the operation amount of the linear motion unit 3 is small, the movable range of the entire apparatus can be reduced, and the reliability is high. In addition, the area that requires protective measures such as enclosure can be reduced.
  • the linear motion of the end effector 5 can be performed quickly and accurately.
  • the direct acting actuators 11, 12, and 13 are used in portions that greatly affect the movable range, the operating range can be easily limited using a mechanical stopper, a limit sensor, or the like according to the work contents and the surrounding environment. .
  • the end effector along the circular orbit K around the rotation axis O is provided. 5 can be moved. That is, the end effector 5 can be positioned not only at the position indicated by the solid line, but also at the position indicated by the chain line, or in any other direction around the rotation axis O. Thereby, not only the work by the end effector 5 can be performed only in the specific work space S, but also the work by the end effector 5 can be performed in the work space S having different circumferential positions. For this reason, it is possible to easily carry parts to the surroundings by the end effector 5 and carry in parts in the vicinity. As a result, it is not necessary to separately provide a device for carrying parts into and out of the work space S.
  • the base portion of the linear motion unit 3 is fixed to the movable portion 132 of the joint mechanism 130, and the base portion of the rotation unit 4 (the rotation unit mounting member 20) is the output portion (stage 13a) of the linear motion unit 3.
  • the configuration of the present invention is not limited to this. That is, the joint mechanism 130 only needs to be able to rotate the linear motion unit 3 and the rotation unit 4 together, and the position provided is not particularly limited.
  • the linear motion actuators 11, 12, and 13 of the linear motion unit 3 are arranged so as to face outward with respect to the work space S, the work space S can be widened. Further, the protective function when the hand is put in the work space S is enhanced.
  • the linear motion unit 3 and the rotary unit 4 are provided separately, only one of the units can be changed when the specifications of the work device 1 are changed.
  • the rotation unit 4 can be changed from the form shown in FIG. 4 to the form shown in FIG. 7, which will be described later, the form shown in FIG. 14, the form shown in FIG.
  • the parts can be shared between the work apparatuses 1 having different specifications.
  • the rotating unit mounting member 20, which is the base of the rotating unit 4 is attached to the stage 13 a of the third linear actuator 13 that is the output unit of the linear moving unit 3 by using the mounting bolt 24 so that the mounting angle can be changed. It is done. For this reason, the apparatus configuration can be easily changed according to the work content and the surrounding environment.
  • the work apparatus 1 has a high operation reliability because it has a small operation amount of the entire apparatus when performing fine work, and can coexist with a person. That is, work close to manual work performed by a person can be automatically performed. Further, the setup change time and adjustment time can be shortened, high-speed operation can be performed, and parts can be transported to the surroundings and parts in the surroundings can be easily carried in, so that productivity can be improved.
  • the enclosure such as a protective cover that covers the working device 1. Since the movable range of the work device 1 is mainly determined by the linear actuators 11, 12, and 13, the enclosure can be a simple shape such as a rectangular parallelepiped. In that case, the volume of the internal space of the enclosure is substantially equal to the volume of the region in which the movable part of the apparatus moves. For this reason, a compact configuration can be realized even if the protective device is included.
  • FIG. 5 shows a working device in which the arrangement of the joint mechanism 130 is different from that in the first embodiment (see FIG. 1).
  • the columnar portion 2b of the base 2 has a low height
  • the joint mechanism 130 is disposed at a low height near the floor surface.
  • the joint mechanism 130 includes a fixed portion 131 fixed to the upper end of the columnar portion 2b of the base 2, and a movable portion that can rotate around the rotation axis O in the vertical direction with respect to the fixed portion 131. 132.
  • the movable portion 132 includes a columnar portion 132a that is located directly above the columnar portion 2b of the base 2 and extends upward, and a linear motion unit installation portion 132b that extends horizontally from the upper end of the columnar portion 132a.
  • the base of the linear motion unit 3 is installed in the linear motion unit installation portion 132b.
  • the columnar portion 132a is provided in the movable portion 132 of the joint mechanism 130, thereby ensuring an appropriate installation height of the linear motion unit 3.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the working device 1 includes a first rotating mechanism 21 in which the rotating unit 4 is a rotating mechanism having one degree of freedom, and a second rotating mechanism including a link actuator 29 having two degrees of freedom. It consists of That is, the second rotating mechanism 22 and the third rotating mechanism 23 in the first embodiment (see FIG. 1) are replaced with the link actuating device 29. The rest is the same as in the first embodiment.
  • the first rotation mechanism 21 is “another rotation mechanism” in the claims.
  • the link actuating device 29 includes a parallel link mechanism 30 and an attitude control actuator 31 that operates the parallel link mechanism 30.
  • 8 and 9 are perspective views showing only the parallel link mechanism 30 taken out and showing different states.
  • the parallel link mechanism 30 is formed by connecting the link hub 33 on the distal end side to the link hub 32 on the proximal end side through three sets of link mechanisms 34 so that the posture can be changed. .
  • only one set of link mechanisms 34 is shown.
  • the number of link mechanisms 34 may be four or more.
  • Each link mechanism 34 is composed of a base end side end link member 35, a front end side end link member 36, and a central link member 37, and forms a four-joint link mechanism consisting of four rotating pairs.
  • the end link members 35 and 36 on the proximal end side and the distal end side are L-shaped, and one ends thereof are rotatably connected to the link hub 32 on the proximal end side and the link hub 33 on the distal end side, respectively.
  • the central link member 37 has both ends connected to the other ends of the end link members 35 and 36 on the proximal end side and the distal end side in a freely rotatable manner.
  • the parallel link mechanism 30 has a structure in which two spherical link mechanisms are combined, and each rotation pair of the link hubs 32 and 33 and the end link members 35 and 36, and the end link members 35 and 36 and the central link member 37.
  • the center axis of each rotation pair intersects with the spherical link centers PA and PB (FIG. 7) on the base end side and the tip end side.
  • each rotational pair of the end link members 35 and 36 and the central link member 37 may have a certain crossing angle ⁇ (FIG. 7) or may be parallel.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 7.
  • the relationship between the center axis O2 of each rotation pair of the end link member 35 on the base end side and the spherical link center PA on the base end side is shown. That is, the point where the central axis O1 and the central axis O2 intersect is the spherical link center PA.
  • the shapes and positional relationships of the distal end side link hub 33 and the distal end side end link member 36 are also the same as in FIG. 10 (not shown).
  • the central axis O1 of each rotational pair of the link hub 32 (33) and the end link member 35 (36) and each rotational pair of the end link member 35 (36) and the central link member 37 are shown.
  • the angle ⁇ formed with the central axis O2 is 90 °, the angle ⁇ may be other than 90 °.
  • the three sets of link mechanisms 34 have the same geometric shape.
  • the geometrically identical shape is represented by a geometric model in which each link member 35, 36, and 37 is represented by a straight line, that is, each rotational pair and a straight line connecting these rotational pairs.
  • a model says that the base end side part and front end side part with respect to the center part of the center link member 37 are symmetrical shapes.
  • FIG. 11 is a diagram in which a set of link mechanisms 34 is expressed by a straight line.
  • the parallel link mechanism 30 of this embodiment is a rotationally symmetric type, and includes a proximal end side link hub 32 and a proximal end side end link member 35, a distal end side link hub 33 and a distal end side end link member 36.
  • the positional relationship is such that the positional relationship is rotationally symmetric with respect to the center line C of the central link member 37.
  • the central part of each central link member 37 is located on a common track circle D.
  • the link hub 32 on the proximal end side, the link hub 33 on the distal end side, and the three sets of link mechanisms 34 allow the link hub 33 on the distal end side to rotate about two orthogonal axes with respect to the link hub 32 on the proximal end side.
  • a degree mechanism is configured.
  • the position of the link hub 33 on the distal end side with respect to the link hub 32 on the proximal end side is a mechanism whose posture can be freely changed with two degrees of freedom.
  • this two-degree-of-freedom mechanism is compact, the movable range of the link hub 33 on the distal end side with respect to the link hub 32 on the proximal end side can be widened.
  • a straight line passing through the spherical link centers PA and PB and intersecting the link hubs 32 and 33 and the center axis O1 (FIG. 10) of each rotation pair of the end link members 35 and 36 at right angles is the center axis of the link hubs 32 and 33.
  • the maximum value of the bending angle ⁇ (FIG. 11) between the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side and the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side may be about ⁇ 90 °. it can.
  • the turning angle ⁇ (FIG.
  • the bending angle ⁇ is a vertical angle in which the central axis QB of the distal end side link hub 33 is inclined with respect to the central axis QA of the proximal end side link hub 32, and the turning angle ⁇ is the proximal end side link hub. This is a horizontal angle at which the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side is inclined with respect to the central axis QA of 32.
  • the posture change of the distal end side link hub 33 with respect to the proximal end side link hub 32 is performed with an intersection O between the central axis QA of the proximal end side link hub 32 and the central axis QB of the distal end side link hub 33 as a rotation center.
  • FIG. 8 shows a state where the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side and the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side are on the same line
  • FIG. 9 shows the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side.
  • a state in which the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side takes a certain operating angle is shown. Even if the posture changes, the distance L (FIG. 11) between the spherical link centers PA and PB on the proximal end side and the distal end side does not change.
  • the link hub 32 on the proximal end side and the end link member 35 on the proximal end side, the link hub 33 on the distal end side, and the end portion on the distal end side from the geometric symmetry moves simultaneously. Therefore, the parallel link mechanism 30 functions as a constant velocity universal joint that rotates at a constant speed with the same rotation angle on the proximal end side and the distal end side when transmitting rotation from the proximal end side to the distal end side.
  • Condition 1 The angles and lengths of the central axes O1 of the rotational pairs of the link hubs 32 and 33 and the end link members 35 and 36 in each link mechanism 34 are equal to each other.
  • Condition 2 The central axis O1 of the rotational pair of the link hubs 32, 33 and the end link members 35, 36 and the central axis O2 of the rotational pair of the end link members 35, 36 and the central link member 37 are proximal. And at the front end side, they intersect at the spherical link centers PA and PB.
  • Condition 3 The geometric shapes of the proximal end side end link member 35 and the distal end side end link member 36 are equal.
  • Condition 4 The geometric shapes of the proximal end portion and the distal end portion of the central link member 37 are equal.
  • Condition 5 With respect to the symmetry plane of the central link member 37, the angular positional relationship between the central link member 37 and the end link members 35 and 36 is the same on the proximal end side and the distal end side.
  • the link hub 32 on the base end side includes a base end member 40 and three rotary shaft connecting members 41 provided integrally with the base end member 40.
  • the base end member 40 has a circular through hole 40a in the center, and three rotary shaft connecting members 41 are arranged at equal intervals in the circumferential direction around the through hole 40a. Yes.
  • the center of the through hole 40a is located on the central axis QA (FIG. 7) of the link hub 32 on the proximal end side.
  • a rotating shaft 42 whose shaft center intersects the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side is rotatably connected to each rotating shaft connecting member 41.
  • One end of an end link member 35 on the base end side is connected to the rotating shaft 42.
  • the rotating shaft 42 is rotatably supported by the rotating shaft connecting member 41 via two bearings 43.
  • the bearing 43 is a ball bearing such as a deep groove ball bearing or an angular ball bearing. These bearings 43 are installed in an inner diameter hole 44 provided in the rotary shaft connecting member 41 in a fitted state, and are fixed by a method such as press fitting, bonding, or caulking. The same applies to the types and installation methods of the bearings provided in other rotating pairs.
  • a base end side end link member 35 and a fan-shaped bevel gear 45 are coupled to the rotary shaft 42 so as to rotate integrally with the rotary shaft 42.
  • a notch 46 is formed at one end of the base end side end link member 35, and the rotation shaft connecting member is provided between the inner and outer rotation shaft support portions 47 and 48, which are both sides of the notch 46. 41 is arranged.
  • the bevel gear 45 is disposed in contact with the inner surface of the inner rotary shaft support portion 47.
  • the rotation shaft 42 has a through hole formed in the bevel gear 45, a through hole formed in the inner rotation shaft support portion 47, an inner ring of the bearing 43, and a through hole formed in the outer rotation shaft support portion 48.
  • the bevel gear 45, the inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48, and the inner ring of the bearing 43 are inserted by the nut 50 that is inserted in the order of the holes and screwed into the head portion 42 a of the rotary shaft 42 and the screw portion 42 b of the rotary shaft 42. These are sandwiched and joined together. Spacers 51 and 52 are interposed between the inner and outer rotary shaft support portions 47 and 48 and the bearing 43, and a preload is applied to the bearing 43 when the nut 50 is screwed.
  • the rotating shaft 55 is coupled to the other end of the end link member 35 on the base end side.
  • the rotary shaft 55 is rotatably connected to one end of the central link member 37 via two bearings 53.
  • a notch 56 is formed at the other end of the base end side end link member 35, and a central link member is provided between the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58 that are both side portions of the notch 56.
  • One end of 37 is arranged. Then, the rotating shaft 55 is inserted from the outside through the through hole formed in the outer rotating shaft support portion 58, the inner ring of the bearing 53, and the through hole formed in the inner rotating shaft support portion 57 in this order.
  • the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58 and the inner ring of the bearing 53 are sandwiched between the head portion 55a and the nut 60 screwed to the screw portion 55b of the rotary shaft 55, and these are coupled to each other.
  • Spacers 61 and 62 are interposed between the inner and outer rotary shaft support portions 57 and 58 and the bearing 53, and a preload is applied to the bearing 53 when the nut 60 is screwed.
  • the link hub 33 on the distal end side is composed of a distal end member 70 and three rotary shaft coupling members 71 provided on the inner surface of the distal end member 70 at equal intervals in the circumferential direction. Is done.
  • the center of the circumference where each rotary shaft connecting member 71 is arranged is located on the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side.
  • Each rotating shaft connecting member 71 is rotatably connected to a rotating shaft 73 whose axis intersects the link hub central axis QB.
  • One end of the end link member 36 on the front end side is connected to the rotation shaft 73 of the link hub 33 on the front end side.
  • a rotating shaft 75 that is rotatably connected to the other end of the central link member 37 is connected to the other end of the end-side end link member 36.
  • the rotary shaft 73 of the link hub 33 on the distal end side and the rotary shaft 75 of the central link member 37 are respectively connected to the rotary shaft connecting member 71 and two rotary shafts (not shown) in the same manner as the rotary shafts 42 and 55.
  • the other end of the central link member 37 is rotatably connected.
  • the parallel link mechanism 30 is installed in the first rotating mechanism 21 by connecting the base end member 40 to the base member 80 via a plurality of shafts 81.
  • the central axis QA of the link hub 32 on the proximal end side and the rotation axis 21b of the first rotation mechanism 21 are located on the same line.
  • the base member 80 is a member fixed to the rotating portion 21 a of the first rotating mechanism 21.
  • a cover 82 is attached between the outer peripheral edge of the base end member 40 and the outer peripheral edge of the base member 80, and a shielding space 83 shielded from the outside is provided between the base end member 40 and the base member 80.
  • the attitude control actuator 31 that operates the parallel link mechanism 30 is disposed in the shielding space 83 and is installed in the base end member 40.
  • the number of attitude control actuators 31 is three, which is the same as the number of link mechanisms 34.
  • the attitude control actuator 31 is a rotary actuator such as a motor, and includes a bevel gear 76 attached to the rotation output shaft 31a and the fan-shaped bevel gear 45 attached to the rotation shaft 42 of the link hub 32 on the proximal end side. I'm engaged.
  • the bevel gear 76 and the fan-shaped bevel gear 45 constitute an axis orthogonal reduction gear 77.
  • An axis orthogonal reduction device may be configured using another mechanism (for example, a worm mechanism) that is not a bevel gear.
  • the same number of posture control actuators 31 as the link mechanisms 34 are provided. However, if at least two of the three sets of link mechanisms 34 are provided with the posture control actuators 31, The posture of the distal end side link hub 33 with respect to the side link hub 32 can be determined.
  • the link actuating device 29 actuates the parallel link mechanism 30 by rotationally driving each attitude control actuator 31. Specifically, when the attitude control actuator 31 is rotationally driven, the rotation is decelerated via the axis orthogonal type speed reducer 77 and transmitted to the rotary shaft 42, and the proximal end side of the proximal side link hub 32 is transmitted. The angle of the part link member 35 changes. Accordingly, the position and posture of the link hub 33 on the distal end side with respect to the link hub 32 on the proximal end side are determined. Since the central axis QA of the link hub 32 on the base end side and the rotation axis 21b of the first rotation mechanism 21 are located on the same line, coordinate calculation is easy.
  • the operator can easily imagine the operation of the work device 1 and thus can be operated easily. It can.
  • the position of 3 degrees of freedom determined by the linear motion unit 3 is fixed, and the angle of 2 degrees of freedom among the angles of 3 degrees of freedom determined by the rotation unit 4 is fixed, and the remaining one degree of freedom angle
  • the work can be performed while changing the posture of the end effect 5 by changing only the angle (for example, the angle around the central axis QB of the link hub 33 on the distal end side).
  • the link actuating device 29 has a wide movable range and can be operated smoothly. Therefore, when the link actuating device 29 is included in the rotary unit 4, it is possible to perform a fine work at high speed. . Moreover, since the link actuating device 29 has a compact movable structure and a wide movable range, the entire working device 1 has a compact construction.
  • the first rotation mechanism 21 is disposed on the proximal end side of the link actuator 29 and the end effector 5 is mounted on the link hub 33 on the distal end side. Therefore, the link actuator 29 can be made compact and lightweight. Since the parallel link mechanism 30 of the link actuating device 29 has a constant velocity universal joint configuration, the attitude of the end effect 5 is changed to the distal end side link hub 33 by cooperative control of the link actuating device 29 and the first rotating mechanism 21. The work performed while changing only the angle around the central axis QB of the. However, since it is necessary to consider the cable connected to the attitude control actuator 31, the rotation angle is limited.
  • FIG. 12 shows the rotating unit 4 in which the arrangement of the first rotating mechanism 21 and the link actuating device 29 is reversed from the configuration of FIG.
  • the center axis QB of the link hub 33 on the distal end side of the link actuating device 29 and the rotation axis 21b of the first rotation mechanism 21 are located on the same line.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • the configuration of the rotating unit 4 makes it easy to wire the cable connected to the attitude control actuator 31 and is difficult to be limited by the rotation angle. On the other hand, there is a disadvantage that the load of the link actuator 29 increases.
  • the other operations and effects are the same as those of the configuration of FIG.
  • FIG. 13 to 15 show a fourth embodiment of the present invention.
  • the rotation unit 4 includes a first rotation mechanism 21 that is a rotation mechanism with one degree of freedom and two degrees of freedom. It is comprised with the link actuating device 29 which is a rotation mechanism.
  • This working device 1 is different from the third embodiment in that the first rotating mechanism 21 is arranged at the center of each posture control actuator 31 of the link actuating device 29.
  • the first rotating mechanism 21 has a fixed portion 90 fixed to the base member 80, a rotating portion 91 fixed to the proximal end member 40 of the link actuator 29, and the fixed portion 90.
  • Two bearings 92 that rotatably support the rotating portion 91, a motor 93 that is a drive source installed in the fixed portion 90, and a pair of spur gears 94 and 95 that transmit the rotation of the motor 93 to the rotating portion 91.
  • the base member 80 is fixed to the rotary unit mounting member 20.
  • the fixed portion 90 includes a first mounting member 96 having a horseshoe cross section fixed to the base member 80, and a bottom portion 97a fixed to the first mounting member 96.
  • a cylindrical portion 97b extends from the outer periphery of the bottom portion 97a to the upper side of FIG.
  • a second mounting member 97 extending in the direction.
  • the rotating portion 91 is fixed to the proximal end member 40 of the proximal end side link hub 32 so that the rotational axis 91a thereof is positioned coaxially with the central axis QA of the proximal end side link hub 32.
  • the two bearings 92 are disposed on the inner periphery of the cylindrical portion 97 b of the second mounting member 97.
  • the motor 93 is disposed in the concave portion 96 a of the first mounting member 96 having a horseshoe cross section, and is fixed to the bottom 97 a of the second mounting member 97.
  • the output shaft 93a of the motor 93 extends upward through the bottom portion 97a of the second mounting member 97, and a drive-side spur gear 94 is attached to the upper end thereof.
  • the drive-side spur gear 94 meshes with a driven-side spur gear 95 attached to the rotating portion 91.
  • the driven-side spur gear 95 is fitted to the outer periphery of the rotating portion 91 and is fastened and fixed by a nut 98 that is screwed into a screw portion provided at the lower end of the rotating portion 91.
  • the bottom 97a of the second mounting member 97, the rotating portion 91, and the base end member 40 are provided with wiring holes 100, 101, 102 penetrating along the rotating axis 91a of the rotating portion 91, respectively.
  • a cover 82 extending to the vicinity of the outer peripheral edge of the base member 80 is attached to the outer peripheral edge of the base end member 40. The cover 82 and the base member 80 are not joined.
  • the three attitude control actuators 31 of the link actuating device 29 are arranged on a virtual circumference in the base end member 40, and the rotation output shaft 31 a of each attitude control actuator 31 is arranged.
  • the rotational driving force is transmitted to the link mechanism 34 via the axis orthogonal type reduction gear 77.
  • the first rotation mechanism 21 can be arranged at the center of the alignment of the posture control actuators 31 as in this embodiment. Thereby, the rotation unit 4 becomes a compact structure.
  • the internal space of the link actuating device 29 refers to a space surrounded by the link hub 32 on the proximal end side, the link hub 33 on the distal end side, and each link mechanism 34.
  • FIG. 16 is a front view of the main part of a different rotating unit.
  • the first rotation mechanism 21 is arranged at the center of each posture control actuator 31 of the link actuator 29. This point is the same as the configuration shown in FIG. 14, but is different from the configuration shown in FIG. 14 in that the drive source of the first rotation mechanism 21 is the hollow shaft motor 110.
  • the motor main body 110a is fixed to the base member 80 via the motor mounting member 111, and the base end member 40 of the link hub 32 on the base end side is fixed to the output shaft 110b.
  • the hollow shaft motor 110 has a wiring hole 112 that penetrates the motor body 110a and the output shaft 110b in the axial direction.
  • the base end member 40 of the link hub 32 on the base end side is provided with a wiring hole 113 coaxially with the wiring hole 112. Except this, it is the same as the configuration shown in FIG. 14, and the same operation and effect as the configuration shown in FIG. 14 can be obtained.
  • [Double-armed work equipment] 17 to 19 show a double arm type working apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • this dual-arm working device 120 is configured so that the working device 1 of the fourth embodiment (see FIG. 13) is geometrically symmetrical with each other. They are arranged side by side.
  • the base 2 and the joint mechanism 130 are common to the work devices 1 and 1. That is, the fixed portion 131 of the joint mechanism 130 is fixed to the upper end of the base 2, and the movable portion 132 is provided so as to be rotatable with respect to the fixed portion 131.
  • the movable portion 132 has a pair of linear motion unit installation portions 132b and 132b extending horizontally on both sides of the fixed portion 131, and the linear motion unit 3 of each working device 1 and 1 is connected to each linear motion unit installation portion 132b and 132b. , 3 bases are respectively installed.
  • the movable part 132 is rotated around the rotation axis O by a common drive mechanism 133.
  • this embodiment uses the working device 1 of the fourth embodiment, the working device of other embodiments may be used.
  • FIG. 19 is a plan view of the linear motion units 3 and 3 of the double-arm type work device 120 shown in FIGS. 17 and 18.
  • These linear motion units 3 and 3 are the first embodiment (see FIG. 1), the second embodiment (see FIG. 5), the third embodiment (see FIG. 6), and the fourth embodiment (see FIG. 13).
  • the motors 11 b and 12 b of the first linear motion actuator 11 and the second linear motion actuator 12 are arranged on the central axes of the linear motion actuators 11 and 12. ing.
  • FIG. 20 is a plan view showing another form of the linear motion units 3 and 3.
  • These linear motion units 3 and 3 are arranged such that the motors 11b and 12b of the first linear motion actuator 11 and the second linear motion actuator 12 are shifted from the central axes of the linear motion actuators 11 and 12, respectively.
  • the rotations of 11b and 12b are transmitted to the drive units of the linear motion actuators 11 and 12 through power transmission means 121 such as a chain. It is possible to change the linear motion unit 3 to the form of FIG. 19 or the form of FIG. Since the linear motion unit 3 and the rotation unit 4 are provided separately, it is easy to change the above form.
  • FIG. 21 shows a double-armed working device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the height of the base 2 is low, and the joint mechanism 130 is arranged at a low height near the floor surface.
  • the joint mechanism 130 is capable of rotating around a rotation axis O in the vertical direction with respect to the fixed portion 131 fixed to the upper end of the base 2 and the fixed portion 131. It consists of a movable part 132.
  • the movable portion 132 has a columnar portion 132a that is located directly above the base 2 and extends upward.
  • a pair of linear motion unit installation portions 132b and 132b are horizontally disposed on both sides of the columnar portion 132a. It extends. Then, the bases of the linear motion units 3 and 3 of the work apparatuses 1 and 1 are respectively installed in the linear motion unit installation portions 132b and 132b. Thus, instead of lowering the height of the base 2, the columnar portion 132 a is provided on the movable portion 132 of the joint mechanism 130, thereby ensuring an appropriate installation height of the linear motion unit 3.
  • the other configuration is the same as that of the double arm type working device 120 shown in FIG.
  • Base end side end link member 36 ... Tip side end link member 37 ... center link member 120 ... double-arm type working device 130 ... joint mechanism 131 ... fixed part 132 ... movable part O1 ... center axis O2 of rotation pair of link hub and end link member ... rotation of end link member and center link member Kinematic center axis PA, PB ... Spherical link center QA, QB ... Link hub center axis S ... Work space

Landscapes

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Abstract

細かい作業を行うときの装置全体の動作量が小さくて済み、動作の信頼性が高く、人と共存することができ、人が行う手作業に近い作業を自動で行うことができ、さらに周囲への部品の搬送や周辺にある部品の搬入を容易に行うことができる作業装置を提供する。作業装置(1)は、エンドエフェクタ(5)を用いて作業を行う７自由度の構成であって、３自由度の直動ユニット(3)と、３自由度の回転ユニット(4)と、直動ユニット(3)および回動ユニット(4)を共に回転させる回転１自由度の関節機構(130)とを備える。関節機構(130)は、土台(2)に固定された固定部(131)と、固定部(131)に対して回転可能な可動部(132)とを有する。回転ユニット(4)の基部が直動ユニット(3)の出力部に固定して設置される。回転ユニット(4)の出力部にエンドエフェクタ(5)が搭載される。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　作業装置および双腕型作業装置 関連出願
　この出願は、２０１６年１１月１０日出願の特願２０１６－２１９７２５の優先権を主張するものであり、その全体を参照によりこの出願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度の作業を必要とする機器、組立てのような木目細かい作業を必要とする機器、人と共存するロボット等に用いられる作動装置および双腕型作動装置に関する。
　特許文献１、２に、６自由度の多関節ロボット型の作業装置が提案されている。特許文献１は単腕型の構成であり、特許文献２は双腕型の構成姿勢である。これらの作業装置は、回転１自由度の機構を６つ組み合わせることで、全体で６自由度の構成としている。
特開２００５－３２９５２１号公報 特許第４５２８３１２号公報
　特許文献１の作業装置は、すべて回転１自由度の機構の組合せで構成されているため、以下の課題がある。
・先端に搭載するエンドエフェクタの姿勢を少し変更する場合や直線移動する場合、複数のモータを協調させて駆動する必要があり、木目細かい作業を高速に行うことができない。
・エンドエフェクタの姿勢を少し変更するだけの場合でも、手首関節（エンドエフェクタに近い関節）だけでなく腕（エンドエフェクタから離れた部位）の移動量が大きくなってしまうため、作業装置の一部が周囲のものと接触し易い。接触を完全に避けるためには、大きな囲いを設ける必要があり、専有面積が広くなる。
・エンドエフェクタの１つの姿勢への到達経路が複数存在する場合があり、教示を行う際に腕をその回動軸の回りに動かしてもエンドエフェクタ先端がどのような方向に移動するかイメージし難い。このため、操作を行うには知識や経験が必要である。
・可動範囲が広いため、人や物との接触を想定して接触防止機能を充実させる必要があり、装置全体が高価になる。
・人や物との接触を避けるために、動作速度を落として作業を行ったり、動作範囲で能力以下に抑えて作業を行ったりする必要があり、能力を十分に発揮できない。
・接触防止機能が充実されていても、作業者は作業装置と接触することに対して抵抗があり、人と作業装置が共存することが難しい。
　特許文献２の作業装置も、特許文献１の作業装置と同様の課題がある。加えて、双腕型である特許文献２の作業装置には、以下の課題がある。
・各アームの可動範囲が広いため、アーム同士が干渉する領域も広い。アーム同士が接触しないように動作を行うには知識や経験が必要である。
・可動範囲が広いアームを２つ有するため、囲いを設ける場合にはさらに専有面積が広くなる。
　上記課題を解決するために、３自由度の直動ユニットと３自由度の回転ユニットとにより、ワークに対してエンドエフェクタの位置および角度を相対的に変更するようにした作業装置を提案した（特開２０１７－１９３００９）。この提案の作業装置によると、細かい作業を行うときの装置全体の動作量が小さくて済み、動作の信頼性が高く、人と共存することができ、人が行う手作業に近い作業を自動で行うことができる。
　しかし、上記提案の作業装置は、直動ユニットと回転ユニットを動かして行うエンドエフェクタの動作が特定の作業空間内でしか行うことができない。前記作業空間とは、直動ユニットの３つの直動アクチュエータによって規定される直方体の空間である。作業空間内にある複数場所間であれば、エンドエフェクタによって部品の搬送をすることができるが、それぞれが作業空間の内外に位置する複数場所間で部品を搬送することはできない。このため、加工や処理の現場で作業装置を使用する場合、実質的にはエンドエフェクタによって周囲へ部品を搬送したり、周辺にある部品を搬入したりすることができず、部品搬送用の装置を別に設置する必要がある。
　この発明の目的は、細かい作業を行うときの装置全体の動作量が小さくて済み、動作の信頼性が高く、人と共存することができ、人が行う手作業に近い作業を自動で行うことができ、さらに周囲への部品の搬送や周辺にある部品の搬入を容易に行うことができる作業装置を提供することである。この発明の他の目的は、人が両手で行うような作業が可能な双腕型の作動装置を提供することである。
　この発明の作業装置は、エンドエフェクタを用いて作業を行う７自由度の作業装置であって、３つの直動アクチュエータを組み合わせた３自由度の直動ユニットと、１自由度以上の回転自由度を持つ複数の回転機構を組み合わせた３自由度の回転ユニットと、前記直動ユニットおよび前記回動ユニットを共に回転させる回転１自由度の関節機構とを備え、前記関節機構は、土台に固定された固定部と、この固定部に対して回転可能な可動部とを有し、前記回転ユニットの基部が前記直動ユニットの出力部に固定して設置され、かつ前記回転ユニットの出力部に前記エンドエフェクタが搭載される。
　この構成によると、決められた位置にセットされたワークに対して、エンドエフェクタにより作業を行う。その際、主に３自由度の直動ユニットによってエンドエフェクタの位置が決められ、かつ３自由度の回転ユニットによってエンドエフェクタの姿勢が決められる。直動ユニットの各直動アクチュエータの動作位置が、直交座標系で表現されるエンドエフェクタの位置に対応し、回転ユニットの各回転機構が、極座標系で表現されるエンドエフェクタの姿勢に対応する。このため、エンドエフェクタの位置、姿勢に対する各直動アクチュエータおよび各回転機構の動作をイメージし易く、姿勢教示作業等の動作パターンの設定が容易である。また、エンドエフェクタの位置、姿勢に対して、各直動アクチュエータの動作位置および各回転機構の動作角度が一意に決まる。つまり、特異点を持たない。これらのことから、熟練した知識や経験が無くても、作業装置の操作を行うことができる。
　さらに、関節機構により直動ユニットおよび回動ユニットを回転させることで、回転軸心を中心とする全周の任意の方向にエンドエフェクタを位置させることができる。これにより、特定の作業空間内だけでエンドエフェクタによる作業を行うだけでなく、周方向の位置が異なる作業空間でもエンドエフェクタによる作業を行うことができる。なお、前記作業空間とは、直動ユニットの３つの直動アクチュエータによって規定される直方体の空間である。このため、エンドエフェクタによって周囲へ部品を搬送したり、周辺にある部品を搬入したりすることが容易にできる。
　他に、以下の作用・効果が得られる。
・組立て作業のような木目細かい作業を行う場合、主に回転ユニットだけを動かして作業を行うことができる。そのため、直動ユニットの動作量が小さくて済み、装置全体の可動範囲を小さくでき、信頼性が高い。また、囲い等の防護措置を講じる必要のある面積を狭くできる。
・可動範囲に大きく影響する部分に直動アクチュエータを使用しているため、作業内容や周囲の環境に応じて、メカストッパやリミットセンサを用いて容易に動作範囲を制限できる。
・直動ユニットと回転ユニットを別々に設けているため、作業装置を仕様変更する場合にどちらかのユニットのみを変更することが可能である。これにより、仕様が異なる作業装置間での部品の共通化を図れる。
・直動アクチュエータによってエンドエフェクタの位置を決めるので、エンドエフェクタの直線動作を高速かつ正確に行うことができる。
・直方体等の簡単な形状で防護カバー等の囲いを設置することができる。その場合、囲いの内部空間体積と装置の可動部が移動する領域の体積とがほぼ等しい。このため、防護装置を含めてもコンパクトな構成を実現できる。
　この発明において、前記直動ユニットの基部は、前記関節機構の前記可動部に設置されていてもよい。この場合、簡易な構成で、作業装置を実現することが可能となる。
　この発明において、前記回転ユニットは前記複数の回転機構のうちの少なくとも１つが２自由度のリンク作動装置であってもよい。このリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータが設けられた構成とするとよい。
　リンク作動装置は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°～３６０°の範囲に設定できる。また、折れ角９０°、旋回角３６０°の作動範囲において特異点を持たないスムーズな動作が可能である。
　上記のように、可動範囲が広くスムーズな動作が可能なリンク作動装置を使用することで、高速で木目細かい作業を行うことができる。また、リンク作動装置はコンパクトな構成でありながら可動範囲が広いため、作業装置全体がコンパクトな構成になる。
　前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を基端側の球面リンク中心と称し、この基端側の球面リンク中心を通り前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を基端側のリンクハブの中心軸と称する場合、前記リンク作動装置の前記複数の姿勢制御用アクチュエータはロータリアクチュエータであって、その回転出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように仮想の円周上に配置され、前記回転出力軸の回転駆動力が軸直交型の減速機を介して前記リンク機構に伝達される構成であり、前記各姿勢制御用アクチュエータの並びの中心部に、前記リンク作動装置を前記基端側のリンクハブの中心軸周りに回転させる他の回転機構が配置されていてもよい。この場合、回転ユニットがコンパクトな構成になる。
　この発明において、前記直動ユニットの前記各直動アクチュエータは、それぞれの進退部分からなるステージが、前記エンドエフェクタによって作業が行われる作業空間に対して外側を向くように配置されていてもよい。各直動アクチュエータのステージを作業空間に対して外側を向くように配置することで、作業空間を広くするだけでなく、作業空間内に手を入れた場合等の防護機能が高まる。
　この発明の双腕型作業装置は、前記いずれかの作業装置が、互いに幾何学的に対称となるように２つ並べて配置されている。作業装置を２つ並べた双腕型とすることで、人が両手で行うような作業が可能となる。これにより、人の代わりとなる作業、特に部品の組立てのような作業を行うことができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組み合わせも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組み合わせも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明確に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１実施形態にかかる作業装置の概略構成を示す正面図である。 同作業装置の平面図である。 同作業装置の直動ユニットの正面図である。 同じくその平面図である。 同作業装置の回転ユニットの正面図である。 同じくその平面図である。 この発明の第２実施形態にかかる作業装置の概略構成を示す正面図である。 この発明の第３実施形態にかかる作業装置の概略構成を示す正面図である。 同作業装置の回転ユニットの一部を断面で表した正面図である。 同回転ユニットのリンク作動装置のパラレルリンク機構の斜視図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態の斜視図である。 図７のＸ－Ｘ断面図である。 同リンク作動装置の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 異なる回転ユニットの正面図である。 この発明の第４実施形態にかかる作業装置の概略構成を示す図である。 同作業装置の回転ユニットの要部の正面図である。 図１４のXV－XV断面図である。 異なる回転ユニットの要部の正面図である。 この発明の第５実施形態にかかる双腕型作業装置の概略構成を示す正面図である。 同双腕型作業装置の斜視図である。 同双腕型作業装置の直動ユニットの平面図である。 異なる直動ユニットの平面図である。 この発明の第６実施形態にかかる双腕型作業装置の概略構成を示す正面図である。
　以下、図面と共にこの発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
　図１～図４は、この発明の第１実施形態に係る作業装置を示す。図１の正面図、図２の平面図に示すように、この作業装置１は、土台２と、この土台２に支持された関節機構１３０と、この関節機構１３０に基部を固定して設置された直動ユニット３と、この直動ユニット３の出力部に基部を固定して設置された回転ユニット４と、この回転ユニット４の出力部に搭載されたエンドエフェクタ５とを備える。
　エンドエフェクタ５は、ワーク載置台６の上に載置されたワーク７に対して作業を行う。エンドエフェクタ５は、ワーク７に対して接触して作業を行うものであってもよく、被接触で作業を行うものであってもよい。エンドエフェクタ５によるワーク７に対する作業は、作業空間Ｓの範囲内で可能である。作業空間Ｓは、直動ユニット３の後述する３つの直動アクチュエータ１１，１２，１３によって規定される直方体の空間である。
　この実施形態の土台２は、床面に固定された台座部２ａと、この台座部２ａに下端が固定されて上方へ延びる柱状部２ｂとからなる。関節機構１３０は、回転１自由度の機構であり、土台２の柱状部２ｂの上端に固定された固定部１３１と、この固定部１３１に対し鉛直方向の回転軸心Ｏ周りに回転可能な可動部１３２とからなる。可動部１３２は、一端が固定部１３１に回転自在に支持され、他端が水平に長く延びている。可動部１３２は、駆動機構１３３により回転軸心Ｏ周りに回転させられる。駆動機構１３３は例えばモータである。この実施形態では。駆動機構１３３が土台２の内部に収容されているが、駆動機構１３３は他の場所に配置されていてもよい。
　直動ユニット３は、３つの直動アクチュエータを組み合わせた３自由度の構成である。回転ユニット４は、１自由度以上の回転自由度を持つ複数の回転機構を組み合わせた３自由度の構成である。よって、この作業装置１は、関節機構１３０の１自由度と、直動ユニット３の３自由度と、回転ユニット４の３自由度とを有し、全体で７自由度の構成である。
　図３Ａは直動ユニット３の正面図、図３Ｂは同じくその平面図である。これらの図に示すように、直動ユニット３は、第１の直動アクチュエータ１１と、第２の直動アクチュエータ１２と、第３の直動アクチュエータ１３とを備える。第１の直動アクチュエータ１１は、関節機構１３０の可動部１３２に設置され、ステージ１１ａが可動部１３２の長手方向に進退する。第２の直動アクチュエータ１２は、第１の直動アクチュエータ１１のステージ１１ａに設置され、ステージ１２ａが前記ステージ１１ａの進退方向と直交する水平面に沿う方向に進退する。第３の直動アクチュエータ１３は、第２の直動アクチュエータ１２のステージ１２ａに設置され、ステージ１３ａが上下方向に進退する。各直動アクチュエータ１１，１２，１３は、それぞれモータ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを駆動源とする電動アクチュエータである。これらの各直動アクチュエータ１１，１２，１３は、それぞれのステージ１１ａ，１２ａ，１３ａが、前記作業空間Ｓ（図１、図２参照）に対して外側を向くように配置されている。
　なお、請求項で言う「直動ユニットの基部」は、この実施形態では、第１の直動アクチュエータ１１のうちの進退しない部分のことであり、この部分が関節機構１３０の可動部１３２に固定される。また、請求項で言う「直動ユニットの出力部」は、この実施形態では、第３の直動アクチュエータ１３のステージ１３ａのことであり、このステージ１３ａに回転ユニット４が設置される。
　図４Ａは回転ユニット４の正面図、図４Ｂは同じくその平面図である。これらの図に示すように、回転ユニット４は、直動ユニット３（図１参照）の出力部に固定された回転ユニット取付部材２０と、この回転ユニット取付部材２０に取り付けられた第１の回転機構２１と、この第１の回転機構２１の回転部分２１ａに取り付けられた第２の回転機構２２と、この第２の回転機構２２の回転部分２２ａに取り付けられた第３の回転機構２３とを備える。第１、第２、第３の各回転機構２１，２２，２３の回転軸心２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは、互いに直交している。これら各回転機構２１，２２，２３の回転駆動源は、例えばモータ２１ｃ，２２ｃ，２３ｃである。
　なお、請求項で言う「回転ユニットの基部」は、この実施形態では、回転ユニット取付部材２０のことであり、この回転ユニット取付部材２０が第３の直動アクチュエータ１３のステージ１３ａに固定される。また、請求項で言う「回転ユニットの出力部」は、この実施形態では、第３の回転機構２３の回転部分２３ａのことであり、この回転部分２３ａにエンドエフェクタ５が搭載される。
　図３Ａに示すように、直動ユニット３の出力部である第３の直動アクチュエータ１３のステージ１３ａには、回転ユニット取付部材２０を固定するためのねじ孔１４，１５および位置決め孔１６が設けられている。ねじ孔１４は、回転ユニット取付部材２０が固定される箇所の中心部に１つだけ設けられている。ねじ孔１５は、前記中心部のねじ孔１４を中心とする円周上に複数設けられている。位置決め孔１６は、ねじ孔１５が設けられている円周よりも半径が小さい同心円周上に、ねじ孔１５と同数だけ設けられている。回転ユニット取付部材２０には、前記ねじ孔１４，１５に対応する一直線に並ぶ３つのボルト挿通孔（図示せず）と、前記位置決め孔１６に対応する２つの位置決め用突起（図示せず）とが設けられている。
　直動ユニット３の出力部である第３の直動アクチュエータ１３のステージ１３ａに回転ユニット取付部材２０を固定するにあたっては、回転ユニット取付部材２０の２つの位置決め用突起を、ステージ１３ａにおける中央部のねじ孔１４を挟んで対峙する２つ位置決め孔１６に係合させることで、ステージ１３ａに対する回転ユニット取付部材２０の正面視の角度を決める。その状態で、図１に示すように、回転ユニット取付部材２０の３つのボルト挿通孔にそれぞれ取付ボルト２４を挿通し、各取付ボルト２４をステージ１３ａの中央部のねじ孔１４およびその両側の２つのねじ孔１５に螺合させることで、ステージ１３ａに回転ユニット取付部材２０を固定する。回転ユニット取付部材２０の２つの位置決め用突起を係合させるステージ１３ａの２つ位置決め孔１６を変更することで、直動ユニット３の出力部に対する回転ユニット４の基部の取付角度が変更可能である。
［作用について］
　この作業装置１の作用を説明する。この構成によると、図１、図２のように決められたワーク載置台６の上に載置されたワーク７に対して、エンドエフェクタ５により作業を行う。その際、主に３自由度の直動ユニット３によってエンドエフェクタ５の位置が決められ、かつ３自由度の回転ユニット４によってエンドエフェクタ５の姿勢が決められる。直動ユニット３の各直動アクチュエータ１１，１２，１３の動作位置が、直交座標系で表現されるエンドエフェクタ５の位置に対応し、また回転ユニット４の各回転機構２１，２２，２３の動作位置が、極座標系で表現されるエンドエフェクタ５の姿勢に対応する。このため、エンドエフェクタ５の位置、姿勢に対する各直動アクチュエータ１１，１２，１３および各回転機構１１，１２，１３の動作をイメージし易く、姿勢教示作業等の動作パターンの設定が容易である。
　また、エンドエフェクタ５の位置、姿勢に対して、各直動アクチュエータ１１，１２，１３の動作位置および各回転機構２１，２２，２３の動作角度が一意に決まる。つまり、特異点を持たない。これらのことから、教示を行う際に、腕をその回動軸の回りに動かすとエンドエフェクタ５の先端がどのような方向に移動するかをイメージしやすい。そのため、熟練した知識や経験が無くても、作業装置１の操作を行うことができる。
　エンドエフェクタ５でワーク７に対して組立て作業のような木目細かい作業を行う場合、主に回転ユニット４だけを動かして作業を行うことができる。そのため、直動ユニット３の動作量が小さくて済み、装置全体の可動範囲を小さくでき、信頼性が高い。また、囲い等の防護措置を講じる必要のある面積を狭くできる。
　直動アクチュエータ１１，１２，１３によってエンドエフェクタ５の位置を決めるので、エンドエフェクタ５の直線動作を高速かつ正確に行うことができる。また、可動範囲に大きく影響する部分に直動アクチュエータ１１，１２，１３が使用されているため、作業内容や周囲の環境に応じて、メカストッパやリミットセンサ等を用いて容易に動作範囲を制限できる。
　さらに、関節機構１３０により直動ユニット３および回動ユニット４を回転軸心Ｏ周りに回転させることで、図２に示すように、回転軸心Ｏを中心とする円軌道Ｋに沿ってエンドエフェクタ５を移動させることができる。つまり、実線で示す位置だけでなく、鎖線で示す位置や、その他、回転軸心Ｏを中心とする全周の任意の方向にエンドエフェクタ５を位置させることができる。これにより、特定の作業空間Ｓ内だけでエンドエフェクタ５による作業を行うだけでなく、周方向の位置が異なる作業空間Ｓでもエンドエフェクタ５による作業を行うことができる。このため、エンドエフェクタ５によって周囲へ部品を搬送したり、周辺にある部品を搬入したりすることが容易にできる。その結果、部品を作業空間Ｓに搬入・搬出するための装置を別途設けなくて済む。
　なお、本実施形態では、関節機構１３０の可動部１３２に、直動ユニット３の基部が固定され、回転ユニット４の基部（回転ユニット取付部材２０）が直動ユニット３の出力部（ステージ１３ａ）に固定される例を示したが、本発明の構成はこれに限られるものではない。すなわち、関節機構１３０は、直動ユニット３と回転ユニット４とを一体となって回転させることができればよく、設けられる位置は特に限られるものではない。
　直動ユニット３の各直動アクチュエータ１１，１２，１３が作業空間Ｓに対して外側を向くように配置されているため、作業空間Ｓを広くすることができる。また、作業空間Ｓ内に手を入れた場合等の防護機能が高まる。
　直動ユニット３と回転ユニット４を別々に設けているため、作業装置１を仕様変更する場合にどちらかのユニットのみを変更することが可能である。例えば、回転ユニット４を、図４に示す形態から、後で説明する図７に示す形態、図１４に示す形態、図１６に示す形態等に変更することができる。これにより、仕様が異なる作業装置１間での部品の共通化を図れる。
　また、直動ユニット３の出力部である第３の直動アクチュエータ１３のステージ１３ａに対して、回転ユニット４の基部である回転ユニット取付部材２０が、取付ボルト２４によって取付角度を変更可能に取り付けられる。このため、作業内容や周囲の環境に応じて装置構成を容易に変更することができる。
　以上に説明したように、この作業装置１は、細かい作業を行うときの装置全体の動作量が小さいため、動作の信頼性が高く、人と共存することができる。つまり、人が行う手作業に近い作業を自動で行うことができる。また、段取り替え時間や調整時間の短縮が可能で、高速動作ができ、周囲への部品の搬送や周辺にある部品の搬入を容易に行うことができることから、生産性を向上させることができる。
　作業装置１を人と共存させる場合、作業装置１を覆う防護カバー等の囲い（図示せず）を設置することが望ましい。作業装置１の可動範囲は主に直動アクチュエータ１１，１２，１３によって決定されるため、前記囲いは直方体等の簡単な形状とすることができる。その場合、囲いの内部空間体積と装置の可動部が移動する領域の体積とがほぼ等しい。このため、防護装置を含めてもコンパクトな構成を実現できる。
［第２実施形態］
　図５は、第１実施形態（図１参照）と比べて、関節機構１３０の配置が異なる作業装置を示す。この作業装置１は、土台２の柱状部２ｂの背丈が低く、関節機構１３０が床面近くの低い高さ位置に配置されている。第１実施形態と同様に、関節機構１３０は、土台２の柱状部２ｂの上端に固定された固定部１３１と、この固定部１３１に対し鉛直方向の回転軸心Ｏ周りに回転可能な可動部１３２とからなる。可動部１３２は、土台２の柱状部２ｂの真上に位置して上方へ延びる柱状部１３２ａと、この柱状部１３２ａの上端から水平に延びる直動ユニット設置部１３２ｂとからなる。直動ユニット設置部１３２ｂに、直動ユニット３の基部が設置される。このように、土台２の柱状部２ｂの背丈を低くした代わりに、関節機構１３０の可動部１３２に柱状部１３２ａを設けることで、直動ユニット３の適正な設置高さを確保している。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
［第３実施形態］
　図６～図１１はこの発明の第３実施形態を示す。図６に示すように、この作業装置１は、回転ユニット４が、１自由度の回転機構である第１の回転機構２１と、２自由度のリンク作動装置２９からなる第２の回転機構とで構成されている。つまり、第１実施形態（図１参照）における第２の回転機構２２および第３の回転機構２３がリンク作動装置２９に置き換わっている。これ以外は第１実施形態と同じである。なお、第１の回転機構２１が、請求項で言う「他の回転機構」のことである。
　図７に示すように、リンク作動装置２９は、パラレルリンク機構３０と、このパラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用アクチュエータ３１とで構成される。図８および図９は、パラレルリンク機構３０だけを取り出して表わした斜視図であり、互いに異なる状態を示している。これら図７～図９に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３を３組のリンク機構３４を介して姿勢変更可能に連結してなる。なお、図７では、１組のリンク機構３４のみが示されている。リンク機構３４の数は、４組以上であってもよい。
　各リンク機構３４は、基端側の端部リンク部材３５、先端側の端部リンク部材３６、および中央リンク部材３７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ３２および先端側のリンクハブ３３に回転自在に連結されている。中央リンク部材３７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材３５，３６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。
　パラレルリンク機構３０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶、および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図７）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図７）を持っていてもよいし、平行であってもよい。
　図１０は図７のＸ－Ｘ断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ３２と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、中央リンク部材３７と基端側の端部リンク部材３５の各回転対偶の中心軸Ｏ２と、基端側の球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。つまり、中心軸Ｏ１と中心軸Ｏ２とが交差する点が球面リンク中心ＰＡである。先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６の形状ならびに位置関係も図１０と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ３２（３３）と端部リンク部材３５（３６）との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材３５（３６）と中央リンク部材３７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であってもよい。
　３組のリンク機構３４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図１１に示すように、各リンク部材３５，３６，３７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材３７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図１１は、一組のリンク機構３４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構３０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６との位置関係が、中央リンク部材３７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材３７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。
　基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と３組のリンク機構３４とで、基端側のリンクハブ３２に対し先端側のリンクハブ３３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ３２に対して先端側のリンクハブ３３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の可動範囲を広くとれる。
　例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図１０）と直角に交わる直線をリンクハブ３２，３３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図１１）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の旋回角φ（図１１）を０°～３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。
　基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図８は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図９は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図１１）は変化しない。
　各リンク機構３４が次の各条件を満たす場合、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ３２および基端側の端部リンク部材３５と、先端側のリンクハブ３３および先端側の端部リンク部材３６とは同時に動く。よって、パラレルリンク機構３０は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手として機能する。
　条件１：各リンク機構３４におけるリンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および長さが互いに等しい。
　条件２：リンクハブ３２，３３と端部リンク部材３５，３６との回転対偶の中心軸Ｏ１および端部リンク部材３５，３６と中央リンク部材３７との回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差する。
　条件３：基端側の端部リンク部材３５と先端側の端部リンク部材３６の幾何学的形状が等しい。
　条件４：中央リンク部材３７における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
　条件５：中央リンク部材３７の対称面に対して、中央リンク部材３７と端部リンク部材３５，３６との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。
　図７～図９に示すように、基端側のリンクハブ３２は、基端部材４０と、この基端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。図１０に示すように、基端部材４０は中央部に円形の貫通孔４０ａを有し、この貫通孔４０ａの周囲に３個の回転軸連結部材４１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔４０ａの中心は、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡ（図７）上に位置する。各回転軸連結部材４１には、軸心が基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと交差する回転軸４２が回転自在に連結されている。この回転軸４２に、基端側の端部リンク部材３５の一端が連結される。
　図１０に示すように、回転軸４２は、２個の軸受４３を介して回転軸連結部材４１に回転自在に支持されている。軸受４３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受４３は、回転軸連結部材４１に設けられた内径孔４４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。
　回転軸４２には、この回転軸４２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材３５の一端と後記扇形のかさ歯車４５とが結合されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の一端に切欠き部４６が形成されており、この切欠き部４６の両側部分である内外の回転軸支持部４７，４８間に回転軸連結部材４１が配置される。かさ歯車４５は、内側の回転軸支持部４７の内側面に当接して配置される。そして、回転軸４２を内側から、かさ歯車４５に形成された貫通孔、内側の回転軸支持部４７に形成された貫通孔、軸受４３の内輪、外側の回転軸支持部４８に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸４２の頭部４２ａと回転軸４２のねじ部４２ｂに螺着したナット５０とで、かさ歯車４５、内外の回転軸支持部４７，４８、および軸受４３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部４７，４８と軸受４３との間にスペーサ５１，５２が介在させてあり、ナット５０の螺着時に軸受４３に予圧を付与する構成である。
　基端側の端部リンク部材３５の他端には、回転軸５５が結合される。回転軸５５は、２個の軸受５３を介して中央リンク部材３７の一端に回転自在に連結されている。詳しくは、基端側の端部リンク部材３５の他端に切欠き部５６が形成されており、この切欠き部５６の両側部分である内外の回転軸支持部５７，５８間に中央リンク部材３７の一端が配置される。そして、回転軸５５を外側から、外側の回転軸支持部５８に形成された貫通孔、軸受５３の内輪、内側の回転軸支持部５７に形成された貫通孔の順に挿通し、回転軸５５の頭部５５ａと回転軸５５のねじ部５５ｂに螺着したナット６０とで、内外の回転軸支持部５７，５８、および軸受５３の内輪をそれぞれ挟み込んでこれらを互いに結合する。内外の回転軸支持部５７，５８と軸受５３との間にスペーサ６１，６２が介在させてあり、ナット６０の螺着時に軸受５３に予圧を付与する構成である。
　図８、図９に示すように、先端側のリンクハブ３３は、先端部材７０と、この先端部材７０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材７１とで構成される。各回転軸連結部材７１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材７１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸７３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ３３の回転軸７３に、先端側の端部リンク部材３６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材３６の他端には、中央リンク部材３７の他端に回転自在に連結された回転軸７５が連結される。先端側のリンクハブ３３の回転軸７３および中央リンク部材３７の回転軸７５は、それぞれ前記回転軸４２，５５と同じように２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材７１および中央リンク部材３７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。
　図７に示すように、パラレルリンク機構３０は、基端部材４０を複数本のシャフト８１を介してベース部材８０と連結することで、第１の回転機構２１に設置される。基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと、第１の回転機構２１の回転軸心２１ｂとは同一線上に位置する。前記ベース部材８０は、第１の回転機構２１の回転部分２１ａに固定された部材である。基端部材４０の外周縁とベース部材８０の外周縁間にカバー８２が取り付けられており、基端部材４０とベース部材８０との間は外部から遮蔽された遮蔽空間８３となっている。
　パラレルリンク機構３０を作動させる姿勢制御用アクチュエータ３１は、前記遮蔽空間８３に配置され、前記基端部材４０に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ３１の数は、リンク機構３４と同数の３個である。姿勢制御用アクチュエータ３１はモータ等のロータリアクチュエータからなり、その回転出力軸３１ａに取り付けたかさ歯車７６と基端側のリンクハブ３２の前記回転軸４２に取り付けられた前記扇形のかさ歯車４５とが噛み合っている。かさ歯車７６と扇形のかさ歯車４５とで軸直交型の減速機７７が構成される。かさ歯車ではない他の機構（例えばウォーム機構）を用いて軸直交型の減速機を構成してもよい。
　なお、この例では、リンク機構３４と同数の姿勢制御用アクチュエータ３１が設けられているが、３組のリンク機構３４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ３１が設けられていれば、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の姿勢を確定することができる。
　リンク作動装置２９は、各姿勢制御用アクチュエータ３１を回転駆動することで、パラレルリンク機構３０を作動させる。詳しくは、姿勢制御用アクチュエータ３１を回転駆動すると、その回転が軸直交型の減速機７７を介して減速して回転軸４２に伝達されて、基端側のリンクハブ３２に対する基端側の端部リンク部材３５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ３２に対する先端側のリンクハブ３３の位置および姿勢が決まる。基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと第１の回転機構２１の回転軸心２１ｂとが同一線上に位置するため、座標計算が容易である。
　また、基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと第１の回転機構２１の回転軸心２１ｂとが同一線上に位置すると、作業者が作業装置１の動作をイメージし易いため、簡単に操作できる。例えば、直動ユニット３で決定される３自由度の位置を固定し、かつ回転ユニット４で決定される３自由度の角度のうち２自由度の角度を固定し、残りの１自由度の角度（例えば、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ周りの角度）だけを変更してエンドエフェクト５の姿勢を変えながら作業を行うことができる。
　先に説明したように、リンク作動装置２９は可動範囲が広くスムーズな動作が可能であるため、回転ユニット４にリンク作動装置２９が含まれていると、高速で木目細かい作業を行うことができる。また、リンク作動装置２９はコンパクトな構成でありながら可動範囲が広いため、作業装置１の全体がコンパクトな構成になる。
　この実施形態のように、リンク作動装置２９の基端側に第１の回転機構２１を配置し、先端側のリンクハブ３３にエンドエフェクタ５を搭載した構成であると、リンク作動装置２９の負荷を軽減できるため、リンク作動装置２９のコンパクト化、軽量化を実現できる。リンク作動装置２９のパラレルリンク機構３０は等速自在継手の構成であるため、リンク作動装置２９と第１の回転機構２１との協調制御により、エンドエフェクト５の姿勢を、先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢ周りの角度のみ変えながら行う作業が容易である。但し、姿勢制御用アクチュエータ３１に接続するケーブルについて考慮する必要があるため、回転角は制限される。
　図１２は第１の回転機構２１とリンク作動装置２９の並びとを図７の構成とは逆にした回転ユニット４を示す。この場合、リンク作動装置２９の先端側のリンクハブ３３の中心軸ＱＢと、第１の回転機構２１の回転軸心２１ｂとが同一線上に位置している。その他の構成は、図７の構成と同じである。
　この回転ユニット４の構成であると、姿勢制御用アクチュエータ３１に接続されるケーブルの配線が容易であり、回転角の制限を受け難い。反面、リンク作動装置２９の負荷が増大するという欠点がある。他は、図７の構成と同じ作用・効果が得られる。
［第４実施形態］
　図１３～図１５はこの発明の第４実施形態を示す。図１３に示すように、この作業装置１も、第３実施形態（図６参照）と同様に、回転ユニット４が、１自由度の回転機構である第１の回転機構２１と、２自由度の回転機構であるリンク作動装置２９とで構成されている。この作業装置１が第３実施形態と異なる点は、リンク作動装置２９の各姿勢制御用アクチュエータ３１の中心部に第１の回転機構２１が配置されていることである。
　図１４に示すように、第１の回転機構２１は、ベース部材８０に固定された固定部分９０と、リンク作動装置２９の基端部材４０に固定された回転部分９１と、固定部分９０に対して回転部分９１を回転自在に支持する２つの軸受９２と、固定部分９０に設置された駆動源であるモータ９３と、このモータ９３の回転を回転部分９１に伝達する一対の平歯車９４，９５とを備える。
　前記ベース部材８０は、回転ユニット取付部材２０に固定されている。前記固定部分９０は、ベース部材８０に固定された断面馬蹄形の第１取付部材９６と、この第１取付部材９６に底部９７ａで固定され底部９７ａの外周縁から筒状部９７ｂが図１４の上方に延びた第２取付部材９７とでなる。前記回転部分９１は、その回転軸心９１ａが基端側のリンクハブ３２の中心軸ＱＡと同軸上に位置するように、基端側のリンクハブ３２の基端部材４０に固定されている。前記２つの軸受９２は、第２取付部材９７の筒状部９７ｂの内周に配置されている。
　前記モータ９３は、断面馬蹄形をした第１取付部材９６の凹部９６ａに配置され、第２取付部材９７の底部９７ａに固定されている。モータ９３の出力軸９３ａは第２取付部材９７に底部９７ａを貫通して上方へ延び、その上端に駆動側の平歯車９４が取り付けられている。駆動側の平歯車９４は、回転部分９１に取り付けられた従動側の平歯車９５と噛み合っている。従動側の平歯車９５は、回転部分９１の外周に嵌合し、回転部分９１の下端に設けられたねじ部に螺合したナット９８によって締付け固定される。
　第２取付部材９７の底部９７ａ、回転部分９１、および基端部材４０には、回転部分９１の回転軸心９１ａに沿って貫通する配線用孔１００，１０１，１０２がそれぞれ設けられている。基端部材４０の外周縁には、ベース部材８０の外周縁近傍にかけて延びるカバー８２が取り付けられている。カバー８２とベース部材８０とは結合されていない。
　図７の構成と同様に、リンク作動装置２９の３つの姿勢制御用アクチュエータ３１は、基端部材４０における仮想の円周上に配置されており、各姿勢制御用アクチュエータ３１の回転出力軸３１ａの回転駆動力が軸直交型の減速機７７を介してリンク機構３４に伝達される構成である。姿勢制御用アクチュエータ３１が上記配置である場合、この実施形態のように、各姿勢制御用アクチュータ３１の並びの中心部に第１の回転機構２１を配置することができる。これにより、回転ユニット４がコンパクトな構成になる。
　モータ９３を駆動すると、回転部分９１と共にリンク作動装置２９の全体およびカバー８２が回転する。前記配線用孔１００，１０１，１０２に配線を通すことで、リンク機構３４と干渉させることなくリンク作動装置２９の内部空間の側からエンドエフェクタ５に配線を繋げることができる。このため、姿勢制御用アクチュエータ３１に接続されるケーブル等の配索に関する制約が少なくなる。なお、リンク作動装置２９の内部空間は、基端側のリンクハブ３２と先端側のリンクハブ３３と、各リンク機構３４で囲まれた空間を指す。
　図１６は、異なる回転ユニットの要部の正面図である。この回転ユニット４は、リンク作動装置２９の各姿勢制御用アクチュエータ３１の中心部に第１の回転機構２１が配置されている。この点は図１４に示す構成と同じであるが、第１の回転機構２１の駆動源が中空軸モータ１１０である点が図１４に示す構成と異なっている。
　前記中空軸モータ１１０は、モータ本体１１０ａがモータ取付部材１１１を介してベース部材８０に固定され、出力軸１１０ｂに基端側のリンクハブ３２の基端部材４０が固定される。中空軸モータ１１０は、モータ本体１１０ａおよび出力軸１１０ｂを軸方向に貫通する配線用孔１１２を有する。また、基端側のリンクハブ３２の基端部材４０にも、前記配線用孔１１２と同軸上に配線用孔１１３が設けられている。これ以外は図１４に示す構成と同じであり、図１４に示す構成と同様の作用・効果が得られる。
［双腕型作業装置］
　図１７～図１９は、この発明の第５実施形態にかかる双腕型作業装置を示す。図１７の正面図、図１８の斜視図に示すように、この双腕型作業装置１２０は、第４実施形態の作業装置１（図１３参照）を互いに幾何学的に対称となるように２つ並べて配置してある。但し、土台２および関節機構１３０は各作業装置１，１で共通である。すなわち、土台２の上端に関節機構１３０の固定部１３１が固定され、この固定部１３１に対し回転可能に可動部１３２が設けられている。可動部１３２は、一対の直動ユニット設置部１３２ｂ，１３２ｂが固定部１３１の両側に水平に延びており、各直動ユニット設置部１３２ｂ，１３２ｂに、各作業装置１，１の直動ユニット３，３の基部がそれぞれ設置されている。可動部１３２は、共通の駆動機構１３３により回転軸心Ｏ周りに回転させられる。この実施形態は、第４実施形態の作業装置１を使用しているが、他の実施形態の作業装置を使用してもよい。
　このように、作業装置１を２つ並べた双腕型とすることで、人が両手で行うような作業が可能となる。これにより、人の代わりとなる作業、特に部品の組立てのような作業を行うことができる。
　図１９は、図１７、図１８に示す双腕型作業装置１２０の直動ユニット３，３の平面図である。これらの直動ユニット３，３は、第１実施形態（図１参照）、第２実施形態（図５参照）、第３実施形態（図６参照）、および第４実施形態（図１３参照）の各作業装置１の直動ユニット３と同様に、第１の直動アクチュエータ１１および第２の直動アクチュータ１２の各モータ１１ｂ，１２ｂが、直動アクチュエータ１１，１２の中心軸上に配置されている。
　図２０は、直動ユニット３，３の別の形態を示す平面図である。これらの直動ユニット３，３は、第１の直動アクチュエータ１１および第２の直動アクチュータ１２の各モータ１１ｂ，１２ｂが直動アクチュエータ１１，１２の中心軸からずらして配置されており、モータ１１ｂ，１２ｂの回転がチェーン等の動力伝達手段１２１を介して直動アクチュエータ１１，１２の駆動部へ伝達されるようになっている。双腕型作業装置１２０の仕様に応じて、直動ユニット３を図１９の形態または図２０の形態に変更することが可能である。直動ユニット３と回転ユニット４が別々に設けられているため、上記の形態の変更が容易である。
　図２１は、この発明の第６実施形態にかかる双腕型作業装置を示す。この双腕型作業装置１２０は、土台２の背丈が低く、関節機構１３０が床面近くの低い高さ位置に配置されている。図１７に示す双腕型作業装置１２０と同様に、関節機構１３０は、土台２の上端に固定された固定部１３１と、この固定部１３１に対し鉛直方向の回転軸心Ｏ周りに回転可能な可動部１３２とからなる。可動部１３２は、土台２の真上に位置して上方へ延びる柱状部１３２ａを有し、この柱状部１３２ａの上端から一対の直動ユニット設置部１３２ｂ，１３２ｂが柱状部１３２ａの両側に水平に延びている。そして、各直動ユニット設置部１３２ｂ，１３２ｂに、各作業装置１、１の直動ユニット３，３の基部がそれぞれ設置される。このように、土台２の背丈を低くした代わりに、関節機構１３０の可動部１３２に柱状部１３２ａを設けることで、直動ユニット３の適正な設置高さを確保している。その他の構成は、図１７に示す双腕型作業装置１２０と同じである。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
１…作業装置
２…土台
３…直動ユニット
４…回転ユニット
５…エンドエフェクタ
１１…第１の直動アクチュエータ
１１ａ…ステージ
１２…第２の直動アクチュエータ
１２ａ…ステージ
１３…第３の直動アクチュエータ
１３ａ…ステージ（直動ユニットの出力部）
２０…回転ユニット取付部材（回転ユニットの基部）
２１…第１の回転機構
２２…第２の回転機構
２３…第３の回転機構
２３ａ…回転部分（回転ユニットの出力部）
２９…リンク作動装置
３１…姿勢制御用アクチュエータ
３２…基端側のリンクハブ
３３…先端側のリンクハブ
３４…リンク機構
３５…基端側の端部リンク部材
３６…先端側の端部リンク部材
３７…中央リンク部材
１２０…双腕型作業装置
１３０…関節機構
１３１…固定部
１３２…可動部
Ｏ１…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
Ｏ２…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸
Ｓ…作業空間

Claims (6)

  1. 　エンドエフェクタを用いて作業を行う７自由度の作業装置であって、
    ３つの直動アクチュエータを組み合わせた３自由度の直動ユニットと、１自由度以上の回転自由度を持つ複数の回転機構を組み合わせた３自由度の回転ユニットと、前記直動ユニットおよび前記回動ユニットを共に回転させる回転１自由度の関節機構とを備え、
    　前記関節機構は、土台に固定された固定部と、この固定部に対して回転可能な可動部とを有し、
    　前記回転ユニットの基部が前記直動ユニットの出力部に固定して設置され、かつ前記回転ユニットの出力部に前記エンドエフェクタが搭載される作業装置。
  2. 　請求項１に記載の作業装置において、前記直動ユニットの基部は、前記関節機構の前記可動部に設置されている作業装置。
  3. 　請求項１または２に記載の作業装置において、前記回転ユニットは前記複数の回転機構のうちの少なくとも１つが２自由度のリンク作動装置であり、このリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータが設けられている作業装置。
  4. 　請求項３に記載の作業装置において、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を基端側の球面リンク中心と称し、この基端側の球面リンク中心を通り前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を基端側のリンクハブの中心軸と称する場合、
    　前記リンク作動装置の前記複数の姿勢制御用アクチュエータはロータリアクチュエータであって、その回転出力軸が前記基端側のリンクハブの中心軸と平行となるように仮想の円周上に配置され、前記回転出力軸の回転駆動力が軸直交型の減速機を介して前記リンク機構に伝達される構成であり、前記各姿勢制御用アクチュエータの並びの中心部に、前記リンク作動装置を前記基端側のリンクハブの中心軸周りに回転させる他の回転機構が配置された作業装置。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の作業装置において、前記直動ユニットの前記各直動アクチュエータは、それぞれの進退部分からなるステージが、前記エンドエフェクタによって作業が行われる作業空間に対して外側を向くように配置されている作業装置。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の作業装置が、互いに幾何学的に対称となるように２つ並べて配置された双腕型作業装置。
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