(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機構の主軸に３つのリンクが繋がれ、主軸に繋げられた前記３つのリンクがそれぞれ垂直方向及び水平方向の２つの方向に駆動され、主軸が６自由度運動をするようにした三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造において、
前記３つのリンクは、円形垂直ガイドに沿って移送される第１リンクと、それぞれの直線型垂直ガイドに沿って移送される第２リンク及び第３リンクの２つのリンクとで構成され、前記円形垂直ガイドと前記２つの直線型垂直ガイドとが水平移送される円形水平ガイドを備えることを特徴とする三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造。
【請求項２】
前記第１リンクは、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸円形移送関節（S-R-P´）により繋げられ、前記第２リンク及び第３リンクは、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸直線移送関節（S-R-P）により繋げられ、且つ前記円形垂直ガイドと２つの直線型垂直ガイドとは、前記１軸円形移送関節（P´）により、前記円形水平ガイドと繋げられることを特徴とする請求項１記載の三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造。
【請求項３】
前記第１リンクの１軸円形移送関節（P´）と、前記第２リンク及び第３リンクの１軸直線移送関節（P）と、前記円形垂直ガイド及び２つの直線型垂直ガイドの１軸円形移送関節（P´）とをそれぞれ駆動し、主軸の６自由度運動を具現することを特徴とする請求項２記載の三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
三次元上の位置及び姿勢制御のための機構構造は、加工対象物体を加工する工作機械、物体の組立，運搬等のような作業を行うロボット・マニピュレータ（Ｒｏｂｏｔ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）のために研究されてきた。
【０００３】
例えば、工作機械は、材料を、望む形状及び型を有するよう加工する装置として、機械本体と工具とから構成されて動力により運転され、また、切削工具により材料を加工するようになっているが、このような工作機械で加工材料に対する工具の三次元上の位置及び姿勢制御が必須である。
【０００４】
並列機構構造が知られる前にあった直列機構構造をまず説明する。図１は、従来の直列機構構造を説明する構造図である。図１に示したように、従来の直列機構構造は、ベース（１１）から主軸（１２）までの各軸が直角であるカンチレバー（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）構造である。これら直列機構構造は、作業空間が広く、これを制御するためのソフトウェア及び制御装置が簡単であるという長所がある。しかし、ベースと主軸とが複数のリンクで繋げられた並列機構構造は、図１に示したような直列機構構造に比べて次のような長所により、該並列機構構造に対する研究が活発に進められてきた。
【０００５】
直列機構構造に比べて並列機構構造が有する長所としては、次のようなことが挙げられる。１．移動部の慣性質量を減らすことができるので、移動部の速度及び加速度を増加させることができる。２．主軸とベースとが複数のリンクで繋げられており、各リンクが曲げ力の代わりに引張力と圧縮力とのみを受けることにより、機械の剛性を高めることができる。３．並列機構構造の各リンクの誤差が主軸に平均的に反映されることにより、リンクの誤差が累積される直列機構構造に比べて正確度が向上される。４．直列機構構造を導入した工作機械が大部分３軸直角座標機械であることに反して、並列機構構造は、基本的に６自由度運動の可能な構造で完全な形態の５面５軸同時加工が可能である。
【０００６】
図２は、従来の並列機構構造としてヘクサポッド（Ｈｅｘａｐｏｄ）型構造を説明する構造図である。図２に示したように、ヘクサポッド型並列機構構造は、主軸（２２）とベース（２１）とが６つのリンクで繋げられており、これらを伸縮することにより、６自由度運動を具現する構造である。図２に示したヘクサポッド型構造を「スチュワート・プラットフォーム（Ｓｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）」構造と言う。
【０００７】
アメリカのＧｉｄｄｉｎｇ ＆ Ｌｅｗｉｓ社は、「スチュワート・プラットフォーム」構造を導入した並列機構工作機械を製作したことがある。この工作機械は、６自由度運動をすることができるが、作業領域が非常に狭く、特に、主軸が１５゜までの傾斜のみが可能であり、旋回運動が不可能であるという短所がある。
【０００８】
アメリカのＩｎｇｅｒｓｏｌｌ社は、ＮＩＳＴと共同で「オクタヘドラル・ヘクサポッド（Ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ Ｈｅｘａｐｏｄ）」を開発したが、この構造は、「スチュワートプラットフォーム」構造を覆しておいたものとして、作業空間が狭く、主軸は３０゜傾斜が可能であり、さらに、作業台を１５゜傾斜させて全体的に４５゜までの傾斜を得ることができるのに過ぎない。このような限界は、主軸に繋げられた６つのリンクが干渉を起こし合い、主軸とリンクとを繋げているボール・ジョイント（Ｂａｌｌ Ｊｏｉｎｔ）の回転角が制限されているからである。
【０００９】
主軸の傾斜角を９０゜まで拡張させた並列機構構造として、本出願人による韓国特許登録第２３７５５３号が開示されている。図３は、従来の並列機構構造として主軸が９０゜傾斜可能な場合の構造図であり、図３ａは、主軸の傾斜角が０゜である場合であり、図３ｂは、主軸の傾斜角が９０゜の場合である。
【００１０】
図３に示したように、主軸（７２）に繋げられた３つのリンク（７３，７４，７５）は、それぞれの直線型垂直ガイド（８３，８４，８５）に沿って垂直移送し、このような３つの直線型垂直ガイド（８３，８４，８５）は、３６０゜水平移送されることができる円形の水平ガイド（７６）に沿って移送される。３つのリンク（７３，７４，７５）のそれぞれは、主軸（７２）からＳ−Ｒ−Ｐ関節になり、また、垂直ガイド（８３，８４，８５）は、円形の水平ガイド（７６）とＰ´関節とに繋がる。前記Ｐ関節とＰ´関節とを駆動し、６個の駆動関節により、主軸（７２）の６自由度を実現する。
【００１１】
ここで、“S”は３軸回転のためのボール関節（Spherical Joint）であり、“R”は１軸回転のためのピン関節（Revolute Joint）であり、“P”は１軸直線移送のための並進関節（Prismatic Joint）であり、なお“P´”は並進関節の移送経路が直線でない円形の場合をそれぞれ指し示す。
【００１２】
図３に示した並列機構構造で直線型垂直ガイド（８３，８４，８５）のうちの何れか一つ（図３の場合、８５）は、水平ガイド（７６）を基準に下側に配置され、残りの２つ（８３，８４）は水平ガイド（７６）を基準に上側に配置されている。このように３つの垂直ガイド（８３，８４，８５）を全て同じ方向に配置しなかったことは、作業領域の制限を最小化して作業領域を確保するためである。
【００１３】
図３に示した並列機構構造では、直線型垂直ガイド（８３，８４，８５）を水平ガイド（７６）上で水平移送させるために３つのアクチュエータ（Ａｃｔｕａｔｏｒ）、主軸に繋げられた３つのリンク（７３，７４，７５）の直線型垂直ガイド（８３，８４，８５）上のそれぞれの垂直移送のための３つのアクチュエータで全体的に６つのアクチュエータで６自由度運動を具現する。図３に示した並列機構構造によると、図３ｂに示したように、主軸の傾斜角を９０゜まで可能にし、これにより底面を除外した５面の加工が可能である。
【００１４】
しかし、主軸の傾斜角が９０゜までの場合にも素材の底面加工は不可能であるため、主軸の傾斜角を拡張することが要求される。
【００１５】
また、このような並列機構構造は、主軸の傾斜角の限界のために実際の動きを模写するためのモーション・シミュレータとしては限界がある。
【００１６】
本発明は、上記のような図３に示した並列機構構造で主軸の傾斜角を拡張し、提案された並列機構構造が工作機械に応用された際に、素材の底面加工が可能となるようにするだけでなく、モーション・シミュレータに適用する場合、主軸の傾斜角が±３６０°回転可能な並列機構構造を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明による三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造は、機構の主軸に３つのリンクが繋がれ、主軸に繋げられた前記３つのリンクがそれぞれ垂直方向及び水平方向の２つの方向に駆動され、主軸が６自由度運動をするようにした並列機構構造において、前記３つのリンクは、円形垂直ガイドによって移送される第１リンクと、それぞれの直線型垂直ガイドによって移送される第２リンク及び第３リンクの２つのリンクとで構成され、前記円形垂直ガイドと前記２つの直線型垂直ガイドとが水平移送される円形垂直ガイドを備えることを特徴とする。
【００１８】
上記した本発明による並列機構構造で、前記第１リンクは、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸円形移送関節（S-R-P´）で構成され、前記第２リンク及び第３リンクは、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸直線移送関節（S-R-P）で構成され、且つ前記円形垂直ガイドと２つ直線型垂直ガイドとは、１軸円形移送関節（P´）により、前記円形水平ガイドと繋げられることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下で添付された図面を参照しながら本発明による三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造を詳細に説明する。
【００２０】
図４は、本発明による並列機構構造図で、図４ａは主軸の傾斜角が０゜、図４ｂは９０゜、図４ｃは２７０゜、図４ｄは２７０゜の場合を示したものである。
【００２１】
本発明による並列機構構造は、機構の主軸に３つのリンクを繋がせ、これらの３つのリンクをそれぞれ垂直方向及び水平方向の２つの方向に駆動して３つのリンクの繋がった主軸が６自由度運動をするようにしたことを基本とする。
【００２２】
本発明では、ここで、前記３つのリンクのうちの何れか一つ（201）は、円形垂直ガイド（101）に沿って移送され、残りの２つ（202，203）は、それぞれ直線型垂直ガイド（102，103）に沿って移送される。また、前記円形垂直ガイド（101）と直線型垂直ガイド（102，103）とは、それぞれ円形水平ガイド（104）に沿って移送される。
【００２３】
このため、円形垂直ガイド（101）によって移送される第１リンク（201）は、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸円形移送関節（S-R-P´）で構成され、直線型垂直ガイド（102，103）によってそれぞれ移送される第２リンク（202）及び第３リンク（203）は、主軸から３軸回転関節−１軸回転関節−１軸直線移送関節（S-R-P）で構成される。
【００２４】
また、前記円形垂直ガイド（101）と２つの直線型垂直ガイド（102，103）とは、１軸円形移送関節（P´）により、前記円形水平ガイド（104）と繋がって円形水平ガイド（104）上を360゜移送される。
【００２５】
本発明による並列機構構造において、駆動関節は、第１リンク（201）の１軸円形移送関節（P´）であり、第１リンク（201）が円形垂直ガイド（101）上を垂直円形移送されるように該第１リンク（201）を駆動し、また、第２リンク（202）及び第３リンク（203）がそれぞれの直線型垂直ガイド（102，103）上を垂直直線移送されるように第２リンク（202）及び第３リンク（203）の１軸直線移送関節（P）を駆動する。また、円形垂直ガイド（101）と２つの直線型垂直ガイド（102，103）の１軸円形移送関節（P´）は、円形垂直ガイド（101）と２つの直線型垂直ガイド（102，103）のそれぞれとを、これらが円形水平ガイド（104）上を水平移送されるように駆動する。従って、全体的に６つのアクチュエータが必要となり、６つの駆動関節で主軸の６自由度運動を具現する。
【００２６】
図４に示した本発明による並列機構構造は、図３に示した従来の並列機構構造で水平ガイド（76）を基準に下側に配置された垂直ガイド（85）を円形に変更したものである。
【００２７】
本発明による並列機構構造によると、主軸の傾斜角が９０゜よりずっと拡張され、±３６０゜以上無限回転が可能である。図４ｃ及び図４ｄは、１８０゜，２７０゜傾斜の場合を示したものである。
【００２８】
図５は、本発明による並列機構構造を採用したモーション・シミュレータの仮想図である。本発明による並列機構構造をモーション・シミュレータに導入する場合、±３６０°以上無限回転可能である。
【００２９】
以上に説明したように、本発明による三次元上の位置及び姿勢制御のための並列機構構造によると、主軸の傾斜角が９０゜まで可能な並列機構構造で主軸の傾斜角を拡張し、提案された並列機構構造が工作機械に応用された際に素材の底面加工を可能とする効果がある。また、本発明による並列機構構造は、工作機械だけでなく、フライトシミュレータ又は遊戯乗り物等にも応用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の直列機構構造を説明する構造図である。
【図２】従来の並列機構構造でヘクサポッド型構造を説明する構造図である。
【図３】従来の並列機構構造で主軸が９０゜まで傾斜可能な場合の構造図であり、図３ａは主軸の傾斜角が０゜の場合であり、図３ｂは主軸の傾斜角９０゜の場合である。
【図４】主軸が３６０゜まで傾斜可能な本発明による並列機構構造の構造図であり、主軸の傾斜角が、図４ａは０゜，図４ｂは９０゜，図４ｃは、１８０゜，図４ｄは２７０゜の場合を示したものである。
【図５】本発明による並列機構構造を採用して製作されたモーション・シミュレータの仮想図である。
【図１】
0003611117.tif 000002
【図２】
0003611117.tif 000003
【図３ａ】
0003611117.tif 000004
【図３ｂ】
0003611117.tif 000005
【図４ａ】
0003611117.tif 000006
【図４ｂ】
0003611117.tif 000007
【図４ｃ】
0003611117.tif 000008
【図４ｄ】
0003611117.tif 000009
【図５】
0003611117.tif 000010