(57)【要約】【課題】  本発明は２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動を実現する４自由度パラレルロボットを提供することを課題とする。【解決手段】  ４自由度パラレルロボットにおいて、基台１と、基台１に固着された四組の直動アクチュエータ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと、２自由度平行移動用リンク２と、２自由度旋回移動用リンク３と、二組のボールジョイント機構６及び７と、作業用工具８とから構成され、作業用工具８を２自由度平行移動と２自由度旋回移動ができるようにした。【選択図】  図１
2005066723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、該基台に固定された４つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと１自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと３自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの２つのボールジョイント機構により旋回自在に支持された作業用工具とから構成され、当該作業用工具を２自由度平行移動と２自由度旋回移動ができるようにしたことを特徴とする４自由度パラレルロボット。
【請求項２】
基台と、該基台に固定された４つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと１自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと３自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの２つのボールジョイント機構により旋回自在に支持され１自由度の平行移動が可能な駆動装置を内蔵した作業ユニットとから構成され、当該作業ユニットを３自由度平行移動と２自由度旋回移動ができるようにしたことを特徴とする５自由度ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアクチュエータが配設されたパラレルメカニズムを採用した作業用ロボットに関する。本発明は、医療現場での手術支援又は移送や加工、組み立てなどの作業に用いられる作業用ロボット等に利用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業対象物に例えば穴あけ加工をする場合、図７に示すように、作業者３０１は、作業対象物３０２に対して電動ドリルなどの作業用工具３０３を両手に持ち、作業用工具３０３の位置及び方向を決定し、作業用工具３０３を工具軸方向に押し込みながら穴あけを行う。
【０００３】
作業対象物が大きく、加工機のテーブル上に固定して穴あけ加工などの作業が困難な場合や、移動が出来ない作業対象物への作業の省力化及び自動化のためには、これらの作業を人に代わって実施する作業用ロボットが必要になる。作業用ロボットに必要な移動の自由度は、少なくても、作業用工具の位置を合わせるための２自由度の平行移動、傾きなどの方向を合わせるための２自由度の旋回移動の合計４自由度の移動が必要である。さらに、穴あけ加工をする場合は作業用工具を押し込むために１自由度の平行移動が必要となる。この３自由度の平行移動及び２自由度の旋回移動を可能にするロボット構造は数多く存在するが、作業用工具近くの構造を小型化するには複数のアクチュエータを後方に配置できるパラレルメカニズムが適している。
【０００４】
特に、両手に作業用工具を持ち、平行移動と旋回移動で作業用工具の位置及び方向を決定するという人の動作を作業用ロボットにさせるためには、２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動を実現する４自由度のパラレルメカニズムが最も適している。さらに、穴あけ加工等のように作業用工具の位置及び方向を決定した後、送りを与える場合は、このパラレルメカニズムに１自由度の平行移動を付加する必要がある。
【０００５】
パラレルメカニズムは６本のアクチュエータによる６自由度が一般的であるが、作業用ロボットでは２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動で十分なため、６自由度のパラレルリンク構造を代用する場合、余分なアクチュエータとリンク機構により、構造が複雑になるばかりでなく、故障の確率も高くなる。
【０００６】
また、作業用ロボットでは、多くの場合、縦横高さ方向の平行移動と水平面内での回転移動との都合４自由度の運動ができれば足るとの考えから、４本のアクチュエータによる４自由度のパラレルメカニズムが特許文献１において提案されている。さらに、ＸＹＺ直交三軸の座標系におけるＸ軸およびＹ軸の各軸まわりの角変位、ならびにＺ軸方向の移動変位を行うことができる駆動装置が特許文献２において提案されている。
【特許文献１】特開２００１−８８０７２号公報
【特許文献２】特開平８−１１０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１の４自由度パラレルロボットは３自由度の平行移動と１自由度の旋回移動を可能としたものであり、任意の旋回移動ができず、作業用工具を任意の方向に向けることができない。また、特許文献２の４自由度パラレルロボットは１自由度の平行移動と３自由度の旋回移動を可能としたものであって、任意の位置に平行移動することができず、作業用工具を任意の位置に位置決めすることができない。出願人の調査したところでは、２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動を実現する４自由度のパラレルメカニズム構造の例は見当たらない。
【０００８】
そこで、本発明は２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動を実現する４自由度パラレルロボットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、４自由度パラレルロボットにおいて、基台と、該基台に固定された４つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと１自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと３自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの２つのボールジョイント機構により旋回自在に支持された作業用工具とから構成され、当該作業用工具を２自由度平行移動と２自由度旋回移動ができるようにした。
【００１０】
さらに、上記課題を解決するために本発明は、基台と、該基台に固定された４つの直動アクチュエータと、一端が前記直動アクチュエータのうち２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと１自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、一端が前記直動アクチュエータの他の２つの直動アクチュエータのアクチュエータロッドと３自由度の旋回運動が可能なように係合するアームロッドと、当該アームロッドの他端に回転自在に係合するボールジョイント機構と、これらの２つのボールジョイント機構により旋回自在に支持され１自由度の平行移動が可能な駆動装置を内蔵した作業ユニットとから構成され、５自由度ロボットとして当該作業ユニットを３自由度平行移動と２自由度旋回移動ができるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、２自由度の平行移動と２自由度の旋回移動により、作業用工具の位置及び方向を決定することが可能で、人が両手に作業用工具を持ち、平行移動と旋回移動で作業用工具の位置及び方向を決定するという人の動作を作業用ロボットに置き換え、作業の省力化及び自動化を図る上で、従来技術による４自由度パラレルロボットに比べ、最も適切なパラレルリンク構造である。
【００１２】
また、従来技術による６自由度のパラレルリンク構造に比べ、余分なアクチュエータとリンク機構が不要となり、構造が簡単で各アクチュエータの移動制御プログラムが簡単になる効果がある。また、６自由度のパラレルリンク構造に比べて故障の確率も低く、製作費も安価になるという効果がある。
【００１３】
さらに、本発明は、上記の作業用工具に代えて、進退移動が可能なスピンドルユニット駆動装置を内蔵した作業ユニットに置き換えることにより、人が両手に作業用工具を持ち、作業用工具の位置及び方向を決定した後、両腕全体で作業用工具を押し込むという人の動作に近いロボット化を実現することが可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の４自由度パラレルロボットを実施するための最良の形態を、以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１について、図１および図２に基づき説明する。図１は実施例１における４自由度パラレルロボットの構成を示す斜視図である。図２は実施例１における４自由度パラレルロボットの断面図である。図１に示すように、実施例１における４自由度パラレルロボットは、基台１と、基台１に固着された四組の直動アクチュエータ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと、後述の２自由度平行移動用リンク２と、２自由度旋回移動用リンク３と、二組のボールジョイント機構６及び７と、作業用工具８とから構成される。
【００１６】
四組の直動アクチュエータ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのそれぞれの中心は、基台１に対し矩形の頂点となるように固定されている。作業用工具８の端部にスピンドルユニット９を介して取り付けられた刃具１０がある方を前方と定義すると、直動アクチュエータ４ａ、４ｂは前方に、直動アクチュエータ５ａ、５ｂは後方に配置されている。
【００１７】
前方に配置された２つの直動アクチュエータ４ａ、４ｂは、図２に示すように、ハウジング１１ａ、１１ｂと、ハウジング１１ａ、１１ｂの端部にそれぞれ取り付けられたサーボモータ１２ａ、１２ｂと、サーボモータ１２ａ、１２ｂによって駆動されるボールねじ１３ａ、１３ｂと、ボールねじ１３ａ、１３ｂに連結されてハウジング１１ａ、１１ｂの内側を進退自在に移動するアクチュエータロッド１４ａ、１４ｂとからなる。本実施例では、直動アクチュエータとしてボールねじを使用しているが、ラック・ピニオンや流体シリンダ等を、使用することもできる。
【００１８】
アクチュエータロッド１４ａ、１４ｂの端部には、円形の凸形ジョイント片１５ａ、１５ｂが設けられ、後述するアームロッド１６ａ、１６ｂに設けた円形の凹形ジョイント片１７ａ、１７ｂとピン１８により、１自由度の旋回運動が可能なように係合している。ハウジング１１ａ、１１ｂに固着されたピン１９の一部がアクチュエータロッド１４ａ、１４ｂに設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ハウジング１１ａ、１１ｂに対するアクチュエータロッド１４ａ、１４ｂの回転を防止している。
【００１９】
アームロッド１６ａ、１６ｂの端部には前述した円形の凹形ジョイント片１７ａ、１７ｂが設けられ、フランジ形状を有した他端は軸受２０を介してボールジョイント外輪２１と回転自在に係合している。アクチュエータロッド１４ａ、１４ｂがそれぞれ独立した進退移動をすることにより、ボールジョイント外輪２１の中心はＸＹ平面に平行な平面内で移動する。すなわち、アクチュエータロッド１４ａ、１４ｂ、アームロッド１６ａ、１６ｂおよびボールジョイント外輪２１により、２自由度平行移動用リンク２を構成している。
【００２０】
後方に配置された直動アクチュエータ５ａ、５ｂは、図２に示すように、ハウジング２２ａ、２２ｂと、ハウジング２２ａ、２２ｂの端部に取り付けられたサーボモータ２３ａ、２３ｂと、サーボモータ２３ａ、２３ｂによって駆動されるボールねじ２４ａ、２４ｂと、ボールねじ２４ａ、２４ｂに連結されてハウジング２２ａ、２２ｂの内側を進退自在に移動するアクチュエータロッド２５ａ、２５ｂとからなる。
【００２１】
アクチュエータロッド２５ａ、２５ｂの端部には球形の凸形ボールジョイント片２６ａ、２６ｂが設けられ、後述するアームロッド２７ａ、２７ｂに設けた球形の凹形ボールジョイント片２８ａ、２８ｂと３自由度の旋回運動が可能なように係合している。ハウジング２２ａ、２２ｂに固着されたピン１９の一部がアクチュエータロッド２５ａ、２５ｂに設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ハウジング２２ａ、２２ｂに対するアクチュエータロッド２５ａ、２５ｂの回転を防止している。
【００２２】
アームロッド２７ａ、２７ｂの端部には前述した凹形ボールジョイント片２８ａ、２８ｂが設けられ、フランジ形状を有した他端は軸受２０を介してボールジョイント外輪２９と回転自在に係合している。
【００２３】
前部のボールジョイント外輪２１の内径に設けた凹形球状部とボールジョイント内輪３０の外径に設けた凸形球状部が３自由度の旋回運動が可能なように係合し、前部のボールジョイント機構６を構成している。同様に、ボールジョイント外輪２９の内径に設けた凹形球状部とボールジョイント内輪３１の外径に設けた凸形球状部が３自由度の旋回運動が可能なように係合し、後部のボールジョイント機構７を構成している。
【００２４】
ボールジョイント内輪３０、３１は、その取り付け間隔が、前方に配置された２つの直動アクチュエータ４ａ、４ｂと後方に配置された直動アクチュエータ５ａ、５ｂとの間隔に等しい位置に配置され、作業用工具８を支持している。作業用工具８は、その軸心回りの旋回を防止するために、アームロッド１６ａとの間に回り止め機構３２、３３を備えている。
【００２５】
アクチュエータロッド２５ａ、２５ｂがそれぞれ独立した進退移動をすることにより、アームロッド２７ａ、２７ｂと後部のボールジョイント機構７を介して、作業用工具８は前方に配置されたボールジョイント機構６の中心を支点に２自由度の旋回移動を行う。すなわち、アクチュエータロッド２５ａ、２５ｂ、アームロッド２７ａ、２７ｂにより、２自由度旋回移動用リンク３を構成している。
【００２６】
以上に述べた２自由度平行移動用リンク２と２自由度旋回移動用リンク３を備えた４自由度パラレルロボットの実施例1の動作を以下に説明する。制御装置（図示せず）に所定の動作指令を与えることによって、四組の直動アクチュエータ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのサーボモータ１２ａ、１２ｂ、２３ａ、２３ｂを個別に駆動してアクチュエータロッド１４ａ、１４ｂ、２５ａ、２５ｂをそれぞれ独立して進退移動させる。すると、２自由度平行移動用リンク２と２自由度旋回移動用リンク３とを介して、作業用工具８を４自由度制御することができる。つまり、前方に配置された２自由度平行移動用リンク２によりＸＹ平面内におけるボールジョイント機構６の中心位置を決定するとともに、後方に配置された２自由度旋回移動用リンク３により作業用工具８の姿勢を決定する。その結果、図3に示すようにサーボモータ１２ａ、１２ｂ、２３ａ、２３ｂをそれぞれ所定量だけ同期駆動することにより、作業用工具８を所望の位置および姿勢に移動させることができる。作業用工具８を所望の位置および姿勢に移動させた後、作業用工具８に取り付けたスピンドルユニット９及び刃具１０により、作業対象物(図示せず)に所定の加工を施す。
【００２７】
さらに、図４に示すように、基台１０１に案内部１０２を設け、基台１０１をスライドベース１０３に沿ってサーボモータ１０４により駆動させることにより、実施例１の４自由度パラレルロボットによる位置および姿勢の決定とともに、４自由度パラレルロボットの利用範囲を広げることができる。
【実施例２】
【００２８】
次に本発明の実施例２について、図５および図６に基づき説明する。図５は実施例１の４自由度パラレルロボットにおける作業用工具８の代わりに、進退移動すなわち１自由度の平行移動が可能なスピンドルユニット２０７を内蔵した作業ユニット２０２を置き換えた５自由度ロボットの実施例２の構成を示す斜視図である。図６は実施例２の構成を示す断面図である。
【００２９】
図６の断面図に示すように、作業ユニット２０２はユニットケース２０３と、ユニットケース２０３に固定されたサーボモータ２０４と、サーボモータ２０４によって駆動されるボールねじ２０５と、ボールねじ２０５に連結されてユニットケース２０３の内側を進退移動するアクチュエータロッド２０６と、アクチュエータロッド２０６の先端に取り付けられたスピンドルユニット２０７と、スピンドルユニット２０７に把持された刃具２０８からなる。ユニットケース２０３に固着されたピン２０９の一部がアクチュエータロッド２０６に設けた溝部に直動自在に嵌挿され、ユニットケース２０３に対するアクチュエータロッド２０６の回転を防止している。
【００３０】
上記の実施例２の動作を以下に説明する。制御装置（図示せず）に所定の動作指令を与えることによって、実施例１の動作説明で述べたように、作業用工具８に置き換えられた作業ユニット２０２が所望の位置および姿勢に移動させられる。次にサーボモータ２０４に動作指令を与えるとともに、刃具２０８を回転させることにより、所望の位置および姿勢に作業ユニット２０２を移動させた後、作業対象物(図示せず)に穴あけ加工などの送りを必要とする加工を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１における４自由度パラレルロボットの構成を示す斜視図である。
【図２】実施例１における４自由度パラレルロボットの断面図である。
【図３】作業用工具を所望の位置および姿勢に移動させた状態を示す斜視図である。
【図４】基台に案内部を設け、基台をスライドベースに沿ってサーボモータにより駆動させることを示す斜視図である。
【図５】実施例２における５自由度ロボットの構成を示す斜視図である。
【図６】実施例２における５自由度ロボットの断面図である。
【図７】従来の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  基台
２  ２自由度平行移動用リンク
３  ２自由度旋回移動用リンク
４ａ  直動アクチュエータ
５ａ  直動アクチュエータ
６  ボールジョイント機構
７  ボールジョイント機構
８  作業用工具
１０  刃具
１２ａ  サーボモータ
１４ａ  アクチュエータロッド
１６ａ  アームロッド
２０２  作業ユニット
２０４  サーボモータ
２０７  スピンドルユニット
２０８  刃具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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