(57)【要約】【課題】誤差の少ない制御を実現する。制御装置のコスト、容量を低減する。【解決手段】順機構学解の解析解を与えるパラレルリンク機構を提供する。例えば、一本の固定リンクと二本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束されるパラレルリンク機構において、固定リンクと出力リンクを媒介する２自由度関節の、２本の回転軸が成す平面上に、能動リンクと出力リンクを媒介する関節が持つ２本の回転軸が、共に乗る構造を有する２軸パラレルリンク機構である。【選択図】　　　　図１
2004011831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一本の固定リンクと二本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束される２軸パラレルリンク機構において、固定リンクと出力リンクを媒介する２自由度関節の、２本の回転軸が成す平面上に、能動リンクと出力リンクを媒介する関節が持つ２本の回転軸が、共に乗る構造を有することを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項２】
三本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束される３軸パラレルリンク機構において、ある一つの能動リンクと出力リンクを媒介する２自由度関節の、２本の回転軸が成す平面上に、他の能動リンクと出力リンクを媒介する関節が持つ２本の回転軸が、共に乗る構造を有することを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項３】
一本の固定リンクと二本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束される２軸パラレルリンク機構において、固定リンクと出力リンクを媒介する２自由度の関節の、２本の回転軸が同一平面上で交わらず、ある一つの閉じたリンク系が同一平面内の運動のみが許される構造を有することを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項４】
収束演算を必要とすることなく、能動リンクの変位から、順機構学解析解が得られる式により、出力リンクの姿勢が計算可能な請求項１、２又は３記載のパラレルリンク機構。
【請求項５】
２軸又は３軸のパラレルリンク機構において、請求項１又は２記載のパラレルリンク機構での順機構学解析解により得られた値を、機構の順機構学解を収束演算を用いて得る際の初期値として、解を早期に収束させることを可能としたパラレルリンク機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風洞試験で使用する模型支持マニピュレータなどに採用されるもので、制御装置の容量を軽減でき、高精度な制御を可能とするパラレルリンク機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、パラレルリンク機構は、シリアルリンク機構に比べ、高速・高精度・高剛性といった特性に優れ、大きな力を要するモーションベースや精密作業用のスカラロボットなどに採用されている。また、パラレルリンク機構とシリアルリンク機構の力学的特長を比較すると、（１）シリアルリンク機構では順問題の解（順機構学解、順運動学解）は容易に得られるが、逆問題の解（逆機構学解、逆運動学解）を得るのは比較的困難である、（２）パラレルリンク機構では逆問題の解は容易に得られるが、順問題の解を得るのは容易でなく、多くの場合は解析解（数式表現可能解）を得ることさえ不可能である、という違いがある。ここで、順問題の解とは、駆動部の変位や速度を与えたときの制御対象（マニピュレータの場合、エンドエフェクタ）の位置・姿勢や速度の式（または、値）であり、逆問題の解とは、制御対象の位置・姿勢や速度を与えたときの駆動部の変位や速度の式（または、値）である。順・逆共に、機構学解の解析解が得られれば、運動学解の解析解を得ることはできるが、逆は真ではない。
【０００３】
解析的な順機構学解を得ることのできないパラレルリンク機構を採用したマニピュレータにおいては、駆動部に装着されている変位センサの情報から、制御対象（エンドエフェクタ）の位置・姿勢を把握することができない。そのため、フィードバック制御によって、エンドエフェクタを制御することができない。この問題を解決する手段としては、例えば、特開平５−１３８５６０号公報にあるように制御周期ごとに収束演算を行ったり、駆動部の数以上にセンサを取り付け解析解を得ることが挙げられる。しかし、後者の方法は、製品のコストの増大を招き、メンテナンスを複雑にし、また、前者の方法では、一定周期ごとに収束演算を実行するため、制御周期を長くせざるを得ず、そのため、制御性能は劣化してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、高精度な制御が可能で、しかも、収束演算や余分なセンサを必要としないため、制御装置の容量が大きくならず、安価で信頼性の高い機械を供給することが可能となる、順機構学解の解析解を与えるパラレルリンク機構を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、一本の固定リンクと二本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束されるパラレルリンク機構において、固定リンクと出力リンクを媒介する２自由度関節の、２本の回転軸が成す平面上に、能動リンクと出力リンクを媒介する関節が持つ２本の回転軸が、共に乗る構造を有する２軸パラレルリンク機構を構成している（図１、図４参照）。
【０００６】
また、本発明は、三本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束されるパラレルリンク機構において、ある一つの能動リンクと出力リンクを媒介する２自由度関節の、２本の回転軸が成す平面上に、他の能動リンクと出力リンクを媒介する関節が持つ２本の回転軸が、共に乗る構造を有する３軸パラレルリンク機構である（図５参照）。
【０００７】
また、本発明は、一本の固定リンクと二本の能動リンクにより、出力リンクの位置と姿勢が拘束されるパラレルリンク機構において、固定リンクと出力リンクを媒介する２自由度の関節の、２本の回転軸が同一平面上で交わらず、ある一つの閉じたリンク系が同一平面内の運動のみが許される構造を有する２軸パラレルリンク機構である（図６参照）。
【０００８】
上記の本発明のパラレルリンク機構では、能動リンクの変位から、後で説明する順機構学解析解が得られる式により、出力リンクの姿勢を計算することができる。したがって、順機構学解を得るのに収束演算を実行する必要はない。
また、上記の構造を完全には実現しない２軸及び３軸のパラレルリンク機構においては、この機構の順機構学解を収束演算を用いて得ようとする際、上記の構造を完全に実現するパラレルリンク機構の順機構学解析解により得られた値を、収束演算の初期値とすることで、解を早期に収束させることができる（図２、図３参照）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。本発明の実施の第１形態は、図１のような（すなわち、一本のパラレルリンクを取り付ける二つの自由度が共に、エンドエフェクタの２軸回転中心位置の垂直平面上に乗るような）２軸パラレルリンク機構を有する、エンドエフェクタのピッチ、ヨーの姿勢を制御するパラレルリンクマニピュレータである。
本発明の実施の第２形態は、図４のような２軸パラレルリンク機構を有する、エンドエフェクタのピッチ、ヨーの姿勢を制御するパラレルリンクマニピュレータである。
本発明の実施の第３形態は、図５のような３軸パラレルリンク機構を有する、エンドエフェクタのピッチ、ヨーの姿勢と長手方向の位置を制御するパラレルリンクマニピュレータである。
本発明の実施の第４形態は、図６のような２軸パラレルリンク機構を有する、エンドエフェクタのピッチ、ヨーの姿勢を制御するパラレルリンクマニピュレータである。
これらの機構は、主に、風洞試験で使用する模型支持マニピュレータに採用される。
【００１０】
本発明の実施の第１形態である図１の作用を解説するために、まず、より一般的な２軸パラレルリンク機構である図２の機構学的特長を考察する。図面において、１０はベースリンク、１２はアクチュエータ、１４はエンドエフェクタである。
２本の並進アクチュエータ（例えば、油圧シリンダ、リニアモータなど）の取り付け位置を、それぞれ、ｐ１Ｂ，ｐ１Ｅ，ｐ２Ｂ，ｐ２Ｅとする。エンドエフェクタのピッチとヨーの姿勢角をｑｐ，ｑｙとすると、ｐ１Ｂ，ｐ１Ｅ，ｐ２Ｂ，ｐ２Ｅはそれぞれ以下の数１のように表記することができる。
【００１１】
【数１】
2004011831.tif 000003
【００１２】
ＲＢＥはエンドエフェクタ固定の座標系を、ベースリンク固定の座標系に変換する行列である。
二本のアクチュエータの変位を、ｄ１，ｄ２とし、それらの基準長をｄ０とすると、ｄ１，ｄ２は以下の数２に示す（１）式のように解析的に求められる。
【００１３】
【数２】
2004011831.tif 000004
【００１４】
ゆえに、逆機構学解析解を得ることができた。（１）式より、エンドエフェクタの姿勢ｑｐ，ｑｙを与えれば、エンドエフェクタをその姿勢にたらしめるアクチュエータの変位ｄ１，ｄ２が、誤差なしで瞬時に求めることができる。さて、（１）式を展開し整理すると、数３に示す（２）式を得る。
【００１５】
【数３】
2004011831.tif 000005
【００１６】
（２）式からは、順機構学解析解を得ることはできない。つまり、アクチュエータの変位ｄ１，ｄ２がわかっていても、エンドエフェクタの姿勢ｑｐ，ｑｙを知ることは不可能である。このことは、（２）式に下記の数４を代入すれば、（２）式がｘとｙの５次以上の連立方程式となることから明らかである（５次以上の方程式の解析的一般解は得ることができないのは、周知の事実である）。
【００１７】
【数４】
2004011831.tif 000006
【００１８】
さて、このような場合、通常、収束演算によって数値的に解を求めることになるが、その方法では数値誤差が発生しやすく、また、制御装置内に収束演算の機能を付加する必要があり、制御装置の容量が大型化する。
次に、図１の機構を考察する。図１は図２の特別な機構、つまり、ｓ２＝０の機構であるから、（２）式にｓ２＝０を代入して、数５に示す（３）式を得る。
【００１９】
【数５】
2004011831.tif 000007
【００２０】
（３）式からは、数６に示す順機構学解析解（４）式を得ることができる。
【００２１】
【数６】
2004011831.tif 000008
【００２２】
よって、図１の機構を有するマニピュレータの場合、長い演算時間を要しなくとも、アクチュエータの変位センサの情報から、正確にエンドエフェクタの姿勢を計算することができる。
また、ｓ２＝０であっても、図３の機構では、順機構学解析解を得ることはできない。
図４は、１自由度の関節を二つ取り付ける代わりに、２自由度の関節を一つ取り付ける機構である。本機構では順機構学解析解を得ることができる。二自由度関節の部品としては、ユニバーサルジョイント等の自在継手が採用される。図１の機構を有するマニピュレータでは、エンドエフェクタの姿勢を大きく変角することができないので、そのような場合、図４の機構は有利である。順機構学解、逆機構学解共に、（３）式、（４）式と同じである。
また、図５の機構は３本の駆動装置（アクチュエータ）で構成され、エンドエフェクタの姿勢と長手方向（ｘ軸方向）の位置を制御することができる。この場合、Ｌ１＝ｄ３＋ｄ０と考えれば、同様に、（３）式、（４）式を用いて、順機構学解、逆機構学解を得ることができる。
図６は、図４の機構のマニピュレータよりも、さらに大きな姿勢変角量が必要な際に有利な機構である。なお、１６は中間リンクである。この機構の逆機構学解は、数７に示す（５）式により求められる。
【００２３】
【数７】
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【００２４】
ところで、図２や図３の収束演算を必要とする機構においても、図１や図４の機構から順機構学解析解を得て、その値を収束演算の初期値とすることで、解は早期に収束するので、制御性能を幾分改善することができる。
本発明による機構を用いた場合の制御系のアルゴリズムを図７に示す。また、従来の機構を用いた場合の制御系のアルゴリズムを図８に示す。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
本発明による機構を有するマニピュレータにおいては、上記の解析式を制御装置に記憶しておくことで、センサの変位情報から瞬時にエンドエフェクタの姿勢情報を得ることができ、高精度な制御が可能となる。また、収束演算や余分なセンサを必要としないため、制御装置の容量を大型化することがなく、安価で信頼性の高い機械を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の第５形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である（Ｘ−Ｙ平面図は省略）。
【図３】本発明の実施の第６形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である（Ｘ−Ｙ平面図は省略）。
【図４】本発明の実施の第２形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である（Ｘ−Ｙ平面図は省略）。
【図５】本発明の実施の第３形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である（Ｘ−Ｙ平面図は省略）。
【図６】本発明の実施の第４形態によるパラレルリンク機構を示す構成図である。
【図７】本発明による機構を用いた場合の制御系のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】従来の機構を用いた場合の制御系のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　ベースリンク
１２　アクチュエータ
１４　エンドエフェクタ
１６　中間リンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004011831.tif 000012
【図４】
2004011831.tif 000013
【図５】
2004011831.tif 000014
【図６】
2004011831.tif 000015
【図７】
2004011831.tif 000016
【図８】
2004011831.tif 000017