(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材、可動部材、及びそれらを連結する３組のリンク対を備えるマニプレータであって、前記各リンク対は前記ベース部材から前記可動部材に向かい、順に回転型第１関節、回転型第２関節、直動型第３関節、ボールソケット型第４関節の４基の関節及びそれらを連結する第１リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ前記回転型第１関節および前記回転型第２関節ベースには回転角を検出するエンコーダを持つ回転式アクチュエータを備え、
前記回転型第２関節の軸中心と前記回転型第１関節の軸中心は、同一平面上にあり、かつ互いに直交し、
前記回転型第２関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第２関節と前記直動型第３関節とをリンクなしに直結して構成されたことを特徴とするマニプレータ。
【請求項２】
前記ボールソケット型第４関節を、３つの回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成したことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【請求項３】
前記エンコーダにより検出された角度に基づいて前記可動部材の位置および姿勢を求める構成としたことを特徴とする請求項１または２記載のマニプレータ。
【請求項４】
前記直動型関節部に、前記直動リンクの長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成したことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【請求項５】
前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチュエータにフィードバックする構成としたことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【請求項６】
前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、前記トルクセンサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【請求項７】
前記可動部材に６軸力覚センサを付設し、前記６軸力覚センサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする請求項１記載のマニプレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、６自由度の運動を行うマニプレータに関し、とりわけ自動組立、位置決め装置等に応用できるマニプレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可動部材をベース部材に対して移動させる構成のマニプレータとして、ベース部材と可動部材を６組の伸縮可能なリンク対により接続したパラレルリンクマニプレータが知られている。この機構は、各リンク対の直動部を伸縮させることにより、可動部材の位置、姿勢を制御する構成を特徴としており、その利点としては、以下のようなものがある。
【０００３】
先ず、各リンク対をベース部材と可動部材間に収める構造とすることにより、６自由度（位置３自由度、姿勢３自由度）の運動機構をコンパクトに構成することができる。
また、可動部材にかかる力が６基のリンク対という、比較的多い構造部分に分配されるため、結果的に高剛性となる。
さらに、リンク対の持つ関節機構のガタが平均化されることから、通常の６自由度の産業用ロボットに比較して、高精度となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような６基のリンク対構成では、これらの並列リンク間に相互干渉が発生して、動作範囲が狭くなるという問題点があった。
本発明は、前記のような従来技術における問題点を解決するためなされたもので、各リンク対の間の相互干渉がなく、可動領域が広いマニプレータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係るマニプレータは、ベース部材、可動部材、及びそれらを連結する３組のリンク対を備えるマニプレータであって、前記各リンク対は前記ベース部材から前記可動部材に向かい、順に回転型第１関節、回転型第２関節、直動型第３関節、ボールソケット型第４関節の４基の関節及びそれらを連結する第１リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ前記回転型第１関節および前記回転型第２関節ベースには回転角を検出するエンコーダを持つ回転式アクチュエータを備え、
前記回転型第２関節の軸中心と前記回転型第１関節の軸中心は、同一平面上にあり、かつ互いに直交し、
前記回転型第２関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第２関節と前記直動型第３関節とをリンクなしに直結して構成されたことを特徴とする。
【０００６】
前記の構成のように本発明に係るマニプレータは、少ないリンク対により、可動部材とベース部材が連結されているから、各リンク対間の相互干渉領域がほとんどなくなり、従って可動領域が広くなる。
【０００７】
本発明に係るマニプレータは、前記ボールソケット型第４関節を、３つの回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成したことを特徴とする。この構成により、さらに広い可動範囲が実現でき、さらに機構のガタ等が低く抑えられる。
【０００８】
本発明に係るマニプレータは、前記回転型第２関節の軸中心と前記直動リンクの軸中心とを交差させ、前記回転型第２関節と前記直動型関節とをリンクなしに直結して構成したことを特徴とする。この構成により、構成部品点数が削減されるとともに、角度から可動部分の位置と姿勢を求める演算が簡略化される。
【０００９】
本発明に係るマニプレータは、前記エンコーダにより検出された角度に基づいて前記可動部材の位置および姿勢を求める構成としたことを特徴とする。この構成により、可動部材の位置、姿勢を観測するためのセンサを余分に設ける必要がなく、可動部材の位置、姿勢が安価に求められる。
【００１０】
本発明に係るマニプレータは、前記直動型関節部に、前記直動リンク８の長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成したことを特徴とする。この構成により、可動部材の位置および姿勢を求める演算が簡略化でき、よって高速な演算が可能となる。
【００１１】
本発明に係るマニプレータは、前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチュエータにフィードバックする構成としたことを特徴とする。この構成により、力のかかる状態を観測、または制御する必要のある作業にも適用することが可能となる。
【００１２】
本発明に係るマニプレータは、前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、前記トルクセンサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする。この構成により、コンパクトに力を計測する装置が可能になる。
【００１３】
本発明に係るマニプレータは、前記可動部材に６軸力覚センサを付設し、前記６軸力覚センサからの出力に基づき前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出する構成としたことを特徴とする。この構成により、デカルト空間における力が直接計測される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。また図２は、図１に示されるマニプレータの要部の上面図である。
図１に示されるように、本実施形態に係るマニプレータＭは、ベース部材１、可動部材９、及びそれらを連結する３組のリンク対Ｌ１〜Ｌ３からなる。
【００１５】
リンク対Ｌ１は、ベース部材１から可動部材９に向かい、回転モータ２Ａが付いた回転型第１関節２、回転モータ３Ａが付いた回転型第２関節３、直動型第３関節４、ボールソケット型第４関節５の、４つの関節により連結されている。
さらに回転型第１関節２と回転型第２関節３は第１リンク６で結合され、回転型第２関節３と直動型第３関節４は第２リンク７で結合され、直動型第３関節４とボールソケット型第４関節５は直動リンク８で結合されている。
【００１６】
また、リンク対Ｌ２は同様に、回転モータ１２Ａが付いた回転型第１関節１２、回転モータ１３Ａが付いた回転型第２関節１３、直動型第３関節１４、ボールソケット型第４関節１５の、４つの関節により連結されている。
さらに回転型第１関節１２と回転型第２関節１３は第１リンク１６で結合され、回転型第２関節１３と直動型第３関節１４は第２リンク１７で結合され、直動型第３関節１４とボールソケット型第４関節１５は直動リンク１８で結合されている。
【００１７】
さらにリンク対Ｌ３は、同様に、回転モータ２２Ａが付いた回転型第１関節２２、回転モータ２３Ａが付いた回転型第２関節２３、直動型第３関節２４、ボールソケット型第４関節２５の、４つの関節により連結されている。
また回転型第１関節２２と回転２関節２３は第１リンク２６で結合され、回転型第２関節２３と直動型第３関節２４は第２リンク２７で結合され、直動型第３関節２４とボールソケット型第４関節２５は直動リンク２８で結合されている。
【００１８】
また、ベース部材１、可動部材９と各々のリンク対Ｌ１〜Ｌ３の接続部は、図２に示すように正三角形をなしている。
【００１９】
図３は、リンク対Ｌ１の構成を詳しく示す斜視図である。また図４は、リンク対Ｌ１の側面図である。
同図に示されるように、ベース部材１から数えて１番目と２番目の回転型第１および第２関節２、３には回転モータ２Ａ、３Ａが装備され、さらに各回転モータ２Ａ、３Ａは回転角度を計測するためのエンコーダ２Ｃ、３Ｃを備え、且つトルクを測定するためのトルクセンサ２Ｂ、３Ｂをそれぞれ備える。
【００２０】
前記の構成に対応した制御系を、図５に示されるように組むことにより、各関節角を制御し、可動部材をベース部材に対して６自由度の位置、姿勢制御をすることが可能となる。
同図に示される制御系では、目標位置ブロック１０１から与えられるデータ１０１ａが逆運動学変換ブロック１０２で変換され、逆運動学変換ブロック１０２からの角度出力１０２ａが、エンコーダ（たとえば２Ｃ）情報に基づく速度／位置の帰還ループのリファランス入力となる。
【００２１】
また、図１における第２リンク７の長さを０とする構成も可能である。これは、回転型第２関節３の軸中心と直動リンク８の軸中心とを交差させる構成として具現される。
この構成により、図５の制御系中のブロック１０２で行っている逆運動学変換（デカルト空間における位置座標を関節角座標に変換する）を簡略化することができる。この結果、高速のサーボ制御ループを構成することができ、あるいは性能の低いマイコンによる制御にも適応可能になる。
【００２２】
さらに、各モータに備わる、トルクセンサ（例えば図３中の２Ｂあるいは３Ｂ）の出力値２Ｂａに基づき演算をすることにより、可動部材−ベース部材間にかかるデカルト空間での６次元ベクトルＦ（力成分のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、およびトルク成分のＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）を得ることができる。この演算は、図５におけるトルク−力座標変換ブロック１０３において行うことができる。
【００２３】
図６は、本発明にかかる第２の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
本発明にかかる第２の実勢形態のマニプレータＭ２は、図６に示されるように、第１の実施例におけるボールソケット型第４関節５を、３つの回転型関節３１、３２、３３により置き換えて構成する。
【００２４】
通常のボールソケット型の球面軸受は、コンパクトに３自由度の関節を構成できるという利点を持つが、軸受けと軸間の隙間が大きい場合は精度の劣化を招くおそれがあり、また許容動作範囲が狭くなることで全体の可動範囲を制限するおそれがある。そこで本実勢形態は、このボールソケット型球面軸受を通常の回転型軸受に置き換えて関節を構成することにより、精度が高く、また動作範囲も大きい機構とすることができる。
【００２５】
本発明にかかる第３の実勢形態は、図３の直動型第３関節４にリニアエンコーダを設けて構成される。
この構成により、直動リンク８の移動距離（移動長さ）を計測できるので、図５における逆運動学変換ブロック１０２、トルク−力座標変換ブロック１０３における演算がさらに関略化でき、且つ精度を向上させることができる。
【００２６】
図７は、第４の実施形態にかかるマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
この第４の実施形態は、前記第１の実施形態において各モータにトルクセンサを設けるかわりに、可動部材に６軸の力覚センサ６０を設け、さらに３組のリンク対Ｌ１１〜Ｌ１３を備えて構成される。この６軸の力覚センサ６０により、可動部材９にかかる力を直接計測することができ、精度良く、デカルト空間における力Ｆを制御することができる。
【００２７】
この第４の実施形態にかかるマニプレータの制御系の例を、図８に示す。
同図で、力覚センサ６０から得られる情報Ｆに基づき、座標変換ブロック１１０によって可動部材９の位置、姿勢に基づく一次変換を行う。その変換出力１１０ａに乗算器１１１でコンプライアンスゲインを掛け、目標位置からの出力１１２ａに足すことにより、可動部材９のコンプライアンス制御ができる。
【００２８】
また、変換出力１１０ａと目標力からの出力１１３ａとの差を積分器１１４で積分し、乗算器１１５で力制御ゲインを掛けた結果を、目標位置からの出力１１２ａに足すことにより、目標力にならう力制御が可能になる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１に係るマニプレータは、ベース部材、可動部材、及びそれらを連結する３組のリンク対を備え、各リンク対はベース部材から可動部材に向かい、順に回転型第１関節、回転型第２関節、直動型第３関節、ボールソケット型第４関節の４基の関節及びそれらを連結する第１リンクおよび直動リンクにより連結され、かつ回転型第１関節および回転型第２関節ベースには回転角を検出するエンコーダを持つアクチュエータを備えるものであるから、この構成によりリンク対が３本で済み、リンク間の相互干渉を少なくでき、可動範囲の広い６自由度マニプレータを実現できる。また、構成部品点数を、従来のパラレルリンクマニプレータに比べて少なくでき、安価で信頼性に優れたマニプレータを実現できる。
また、回転型第２関節の軸中心と回転型第１関節の軸中心を、同一平面上に配置するとともに、互いに直交させ、回転型第２関節の軸中心と直動リンクの軸中心とを交差させ、回転型第２関節と直動型第３関節とをリンクなしに直結するものであるから、構成部品を減らせる。加えて、角度から可動部分の位置と姿勢を求める演算を簡略化できるため、高速な演算が可能である。また、処理速度が比較的遅い安価なマイコンを用いての制御も可能となる。
【００３０】
本発明の請求項２に係るマニプレータは、前記ボールソケット型第４関節を、３つの回転型の関節、及びそれらを連結するリンクで置き換えて構成するものであるから、より広い可動範囲を得ることができ、さらに機構のガタ等も低く抑えることができる。
【００３２】
本発明の請求項３に係るマニプレータは、前記エンコーダにより検出された角度に基づいて可動部材の位置および姿勢を求めるものであるから、可動部材の位置、姿勢を観測するためのセンサを余分に設けることなしに、可動部材の位置、姿勢を求めることができる。
【００３３】
本発明の請求項４に係るマニプレータは、前記直動型関節部に、直動リンクの長さを検出するリニアエンコーダを備えて構成するものであるから、可動部材の位置および姿勢を求める演算を簡略化でき、よって高速な演算が可能となる。あるいは、比較的低性能のマイコンによる制御も可能となる。
【００３４】
本発明の請求項５に係るマニプレータは、前記ベース部材と前記可動部材間にかかる力を検出して前記アクチュエータにフィードバックする構成とするものであるから、力のかかる状態を観測、または制御する必要のある作業にも適用することが可能となる。
【００３５】
本発明の請求項６に係るマニプレータは、前記各回転型のアクチュエータにトルクセンサを付設し、トルクセンサからの出力に基づきベース部材と可動部材間にかかる力を検出するものであるから、これを用いたコンパクトに力を計測する装置を構成することができる。
【００３６】
本発明の請求項７に係るマニプレータは、前記可動部材に６軸力覚センサを付設し、この６軸力覚センサからの出力に基づきベース部材と可動部材間にかかる力を検出するものであるから、直接、デカルト空間における力を計測でき、よって高精度の力制御系を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図２】図１に示されるマニプレータの要部の上面図である。
【図３】図１に示されるリンク対の構成を示す斜視図である。
【図４】図３に示されるリンク対の側面図である。
【図５】図１に示されるマニプレータの制御系のチャートである。
【図６】本発明の他の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係るマニプレータの要部の概要構成を示す説明図である。
【図８】図７に示されるマニプレータの制御系のチャートである。
【符号の説明】
Ｍ  マニプレータ
Ｌ１  リンク対
Ｌ２  リンク対
Ｌ３  リンク対
１  ベース部材
２、１２、２２  回転型第１関節
２Ａ、１２Ａ、２２Ａ  モータ
２Ｂ、３Ｂ  トルクセンサ
２Ｃ、３Ｃ  エンコーダ
３、１３、２３  回転型第２関節
３Ａ、１３Ａ、２３Ａ  モータ
４、１４、２４  直動型第３関節
５、１５、２５  ボールソケット型第４関節
６、１６、２６  第１リンク
７、１７、２７  第２リンク
８、１８、２８  直動リンク
９  可動部材
６０  軸力覚センサ
【図１】
0003612637.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003612637.tif 000006
【図６】
0003612637.tif 000007
【図７】
0003612637.tif 000008
【図８】
0003612637.tif 000009