(57)【要約】本発明は、空間において３本以上のアームで物体を動かすためのマニピュレータを含む。第１アームおよび第２アームは２本の平行なリンクを含み、三次元のジョイント装置を伴う要素に固定されている。該ジョイント装置は該要素内の共通の対称中心線上に配接されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボディを空間で移動するためのマニピュレータであって：要素（２）と、姿勢／傾きを保持したまま協力して空間で要素（２）を移動させるように配設された３本以上のアームを備え、ここで第１のアーム（Ａ）は３自由度を与えるジョイント装置（２２、２３）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１４、１５）を備え、そして第２のアーム（Ｂ）は３自由度を与えるジョイント装置（２６、２７）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１６、１７）を備え、該ジョイント装置（２２、２３、２６、２７）は要素（２）の共通する対称中心線（４４）上に配設されていることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
第３のアーム（Ｃ）は、３自由度を与えるジョイント装置（３０、４５）を介して要素（２）に連結されているリンク（１８）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
第３のアーム（Ｃ）は、２自由度を与えるジョイント装置（４２）を介して要素（２）に連結されているリンク（１８）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
第３のアーム（Ｃ）は、３自由度を与えるジョイント装置（３０ａ、３０ｂ）を介して要素（２）に連結されている平行な２本のリンク（１８ａ、１８ｂ）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
アーム（Ａ、Ｂ、Ｃ）はそれぞれ、１自由度を与えるジョイント装置（５、６、７）を介して固定要素（１）に連結されているアーム部分（６ａ、７ａ、８ａ）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項６】
固定要素（１）はフレーム状の要素（１ａ）を備えることを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータ。
【請求項７】
第３のアーム（Ｃ）は、１自由度を与えるジョイント装置（５）を介して第１のアーム（Ａ）に連結されているアーム部分（８ａ）を備えることを特徴とする請求項５または６に記載のマニピュレータ。
【請求項８】
第３のアーム（Ｃ）は、１自由度を与えるジョイント装置（５）を介して第２のアーム（Ｂ）に連結されているアーム部分（８ａ）を備えることを特徴とする請求項５または６に記載のマニピュレータ。
【請求項９】
各ジョイント装置（２２、２３、２６、２７）は対称中心線（４４）に一致または交差する回転軸を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
ジョイント装置（３０、３０ａ、４２）は対称中心線（４４）上に配設されていることを特徴とする請求項２または３に記載のマニピュレータ。
【請求項１１】
３軸ジョイント装置（２２、２３、２６、２７、３０）は３つの単軸軸受を備えることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
第４のアーム（Ｄ）は、ジョイント装置（５０）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（４９ａ、４９ｂ）を備えることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
要素（２）は棒状の要素を備えることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
３軸ジョイント装置（２２、２３、２６、２７）にはバネにより予め張力が働いていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
アーム（Ａ、Ｂ、Ｃ）のうち１つ以上のアームは直動ユニットを備えることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
要素（２）と、姿勢／傾きを保持したまま協力して空間で要素（２）を移動させるように配設された３本以上のアームを備え、ここで第１のアーム（Ａ）は３自由度を与えるジョイント装置（２２、２３）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１４、１５）を備え、そして第２のアーム（Ｂ）は３自由度を与えるジョイント装置（２６、２７）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１６、１７）を備えるマニピュレータ、を製造する方法であって、ジョイント装置（２２、２３、２６、２７）は要素（２）の共通する対称中心線（４４）上に配設することを特徴とする方法。
【請求項１７】
第３のアーム（Ｃ）は、ジョイント装置（３０、４５、４２）を介して要素（２）に連結しているリンク（１８）を備えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
アーム（Ａ、Ｂ、Ｃ）が各々、１自由度を与えるジョイント装置（５、６、７）を介して固定要素（１）に連結されているアーム部分（６ａ、７ａ、８ａ）を備えるようにすることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
２本のアーム（Ａ、Ｂ）が各々、１自由度を与えるジョイント装置（５、６）を介して固定要素（１）に連結されているアーム部分（６ａ、７ａ）を備えるようにすることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
アーム（Ｃ）が、１自由度を与えるジョイント装置（７）を介してアーム（Ａ）に連結されているアーム部分（８ａ）を備えるようにすることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
アーム（Ｃ）が、１自由度を与えるジョイント装置（７）を介してアーム（Ｂ）に連結されているアーム部分（８ａ）を備えるようにすることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
対称中心線（４４）からなる軸の周りでの要素（２）の軸回転は外部電源によって行われるようにすることを特徴とする請求項１ないし２１にいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
要素（２）と、姿勢／傾きを保持したまま協力して空間で要素（２）を移動させるように配設された３本以上のアームを備え、ここで第１のアーム（Ａ）は３自由度を与えるジョイント装置（２２、２３）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１４、１５）を備え、そして第２のアーム（Ｂ）は３自由度を与えるジョイント装置（２６、２７）を介して要素（２）に連結されている２本の平行なリンク（１６、１７）を備えるマニピュレータにおいて、ボディを空間で移動させるための方法であって、マニピュレータが軸回転する間、ジョイント装置（２２、２３、２６、２７）は協力して対称中心線（４４）からなる軸の５自由度を固定することを特徴とする方法。
【請求項２４】
２自由度を与えるジョイント装置（４２）を介して要素（２）に連結されているリンク（１８）を備える第３のアーム（Ｃ）は、対称中心線（４４）からなる軸において６番目の自由度を固定することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のマニピュレータ、請求項１６ないし２２のいずれか１項に記載の方法、または請求項２３または２４に記載の高精度な応用のための方法の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータおよび制御機器を備える工業用ロボットに関し、該マニピュレータはリンク系を備える複数のアームを有し、該アームは協力して可動要素を支持する。本発明は、物体の移動、計測、処理、加工などのために用いることができるツールを、直接的にまたは間接的に支持するためのものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
パラレルロボットはマニピュレータと制御機器を備え、該マニピュレータは３本のアームを備え、各アームは第１要素と第２要素の間に、軸回転できるように連結されている。現在のパラレルロボットは、第１要素は空間で固定されている。第２要素はツールまたはその類似物を支えている被操作プラットフォームからなる。該パラレルロボットにおいて、第２要素はその姿勢／傾きを維持したまま、第１要素に対して相対移動をする。通常ツールを用いるのは、ロボットが２つの位置／場所の間の物体を拾って移動させるときである。拾う際に、ロボットに通常必要なのは、迅速な動きができるということである。通常他に必要なのは、可動要素／ツールが移動している間、空間でその姿勢を保持することである。
【０００３】
現在、物体の傾きを変えずに移動および回転させるために広く用いられているロボットの多くは、いわゆるＳＣＡＲＡタイプのロボットである。これらのロボットは、ｘ、ｙ、ｚ方向の運動およびｚ軸の周りの物体の回転という４自由度を有して製造されている。ｘｙ面に垂直な軸を有し、ｘｙ面内で作動する並列に連結された２本のアームは、ｘｙ面内にある物体を操作する場合に用いられる。ｚ方向で運動させるために、線形移動装置を用いる。この装置は、ロボットの直列連鎖において、直列に連結されたアームの後または前に配設することができる。第１の場合、直列連結されたアームがｚ方向の運動についての駆動手段を移動させなくてはならず、第２の場合、ｚ方向の運動についての駆動パッケージが直列連結されたアームを移動させなくてはならない。物体をｚ軸の周りに回転させるための駆動パッケージは、常にロボットの連鎖内において最も遠い位置に配設されている。いわゆるＳＣＡＲＡロボットはトルクを処理できなくてはならない。
【０００４】
いわゆるＳＣＡＲＡロボット装置の直列連結しているアームによって、直列連結している連鎖リンクを有する他のロボット全部と同様に、ロボットの可動部分の質量が大きくなってしまう。加えて、該直列連結装置ではロボットの構造が弱くなる。精度までもが悪影響を受け、迅速に移動させるためには大きなモータモーメントが必要となる。
【０００５】
国際公開第９９５８３０１号は、第１および第２要素が相対移動する場合のマニピュレータを示している。該マニピュレータは、これら２つの要素の間を連結する３つのリンク装置Ａ、ＢおよびＣを備える。該リンク装置Ａ、ＢおよびＣは３つの動力駆動装置３、４および５により駆動されている。該リンク装置は構成要素として上腕および下腕を備える。下腕は上腕に連結しており、６、７および８はジョイント装置を介してそれぞれ第２要素に連結している。ジョイント装置の回転軸は第２要素の対称中心線（４４）に交差または一致する。
【０００６】
このアーム構造は、三次元のフレーム構造として設計された被操作プラットフォームを介して、および被操作プラットフォームからの押圧力および引張力を伝えるための２つのリンクからなる移動可能な該プラットフォームに最も近い３本のアーム全部の構成要素により可能になった。
【０００７】
国際公開第９７３３７２６号は、運動学的な構造が、上記で定義した直列から並列に変わっている工業用ロボットを示している。３つの駆動機構の中心が、回転の中心と一致するように固定されており、各駆動機構は二次元プラットフォームの形態の可動要素に５自由度のアームを介して連接している。可動プラットフォームに最も近いアームの構成要素は、３つ、２つまたは各々１つのリンクを備え、これらのリンクは押圧力および引張力を伝える必要があるだけなので、寸法が小さく軽い材料で設計されていても、非常に硬いものでなくてはならない。加えて、ジョイントはリンクからの通常の力を受けるのみであり、よって、軸受は軽く、硬くそして精密にすることができる。全駆動機構は固定要素上に取り付けられており、そして２つまたは３つの駆動機構は中心線を共有し、全体としてのロボット構造はＳＣＡＲＡロボットと同じ方法で回転できる。
【０００８】
米国特許第４９７６５８２号は、第１固定要素および第２被操作要素が相対移動する場合のマニピュレータを示しており、第２要素は移動中、空中でその姿勢を維持している。マニピュレータは３本のアームを備え、各々のアームは軸回転できるように両方の要素に連結している。各アームは軸回転できるように第１要素の単軸ジョイントに連結している。各アームはまた、軸回転できるように、３以上の自由度を有するジョイントを介して要素に連接されている２本の平行なリンクを備えるリンクシステムを介して、第２要素に連結している。したがって合計６リンクは全て、軸回転できるように第２要素に連接している。空間において第２要素が常にその姿勢を維持するようにアームが配設されており、そしてリンクがトルクを伝えることができる、ロボットを設定することを目的とする。
【０００９】
上述のロボットを、例えば材料の計測または加工などのように高精度を要求される特定の応用例において用いるとき、プラットフォームを非常に正確に操作しなくてはならない。加えて、ジョイントを非常に正確にプラットフォームに取り付けなくてはならず、そして同時にジョイントの方向角を大きくしなくてはならない。
二次元のプラットフォームを有するマニピュレータ、および三次元のマニピュレータプラットフォームを有するマニピュレータの両方の場合、各々が２または３自由度を有する６つのジョイントが被操作プラットフォームに取り付けられなければならないので、プラットフォームを非常に精密に製造する必要が生じる。
【００１０】
材料加工、および大きな力がプラットフォームに働く他の応用例においても、精度を落とすことなく、プラットフォームを硬くし、ジョイントをマニピュレータプラットフォームに堅固に取り付けなければならない。大きな外部からのトルクがプラットフォームにかかっている間、ジョイントの力の増加によりジョイント表面または玉軸受に損失が生じないように、さらにプラットフォームを大きくしなくてはならない。したがって、構造内の捻れおよび振動を除去するロボットが必要となる。さらに、ロボットは所望のサイクル時間に適応するために可動部分の質量は小さくなくてはならない。
これらの要因をまとめると、作動中の精度が高く、非常に硬く、同時に、安価且つ容易に製造できるマニピュレータが必要となる。
【００１１】
したがって上記で詳細を述べたタイプの工業用ロボットを製造および使用する場合、空間で比較的小さな範囲に延びており、可動部分の質量は小さくても十分な剛性と高い精度を有するプラットフォームが必要となる。それらの構成は最小で、ジョイントの取り付けは単純且つ安価でなくてはならず、さらに十分に剛性でなくてはならない。
上記の文献の被操作プラットフォームはこれらの要求を満たすことはできない。
【００１２】
【問題を解決する手段】
本発明の工業用ロボットは、制御装置を伴うマニピュレータを備える。該マニピュレータは複数のアームを有するパラレルロボットとして構成され、該各アームは軸回転できるように第１および第２要素に連結されている。本発明のパラレルロボットの第１要素は空間で固定されており、第２要素は被操作プラットフォームからなる。移動の間、第２要素が空間で姿勢／傾きを保持できるように、要素間にアームが配設されている。リンク系からなるアームは１つ以上のリンクおよびジョイントを備え、それらは純粋な押圧力および引張力を伝達する。アームは第１および第２アーム部分から構成され、それらは軸回転するように連結されており、そして１本のリンク、２本以上の平行なリンクアーム、または平行でない複数のリンク棒によるシステムを備える。これらはアクチュエータアームと被操作プラットフォームの間で運動できる。「リンク」という単語は、リンクの各端にあるジョイント連結部を含む。
【００１３】
本発明の目的は、上記に詳細を述べたようなマニピュレータに、構成が最小で、ジョイントの取り付けが単純に設計されている被操作プラットフォームを配設することである。他の目的は、多くの応用分野において高精度で動作することができる、力の強い、高速のロボットを提供することである。本発明の他の目的は、比較的安いマニピュレータを設計することであり、それによって安価で軽量のロボットが実現されるだろう。
【００１４】
本発明による解決法は、空間におけるボディの相対移動のための請求項１で特定したマニピュレータを特徴とする。マニピュレータは１つの要素と、姿勢／傾きを保持したまま協力して空間で該要素を移動させるように配設された３本以上のアームを備える。加えてマニピュレータは、３自由度のジョイント装置で該要素に連結されている平行な２本のリンクを含む第１のアームを備える。さらにマニピュレータは、３自由度のジョイント装置で該要素に連結されている平行な２本のリンクを含む第２のアームを備える。該ジョイント装置は該要素の共通する対称中心線上に配設されている。
【００１５】
本発明によるリンク機構およびジョイント装置を伴うマニピュレータは従属請求項に述べたように配設される。対称中心線の周りの軸回転以外の被操作要素の全自由度を固定できるようにアームを配設する。「自由度を固定する」という言葉は次のように定義する。ボディは６自由度、つまり回転のための３自由度および並進のための３自由度、を有し、１自由度を固定すると、ボディはその自由度では動くことができない。本発明によるマニピュレータが備えるアームはリンク機構からなる第１アーム部分および第２アーム部分の形態である。「リンク機構」という言葉は、ジョイントで連結されたリンクを合わせてなる構造として定義する。リンクの連結は直列でも並列でもよい。
【００１６】
本発明による解決法はまた、方法に関する第１の独立請求項によりマニピュレータを製造することを含む。本発明による解決法はさらに、使用に関する独立請求項によるマニピュレータの高精度応用例における使用と同様に、方法に関する第２の独立請求項によるマニピュレータの駆動および自由度の固定も含む。
【００１７】
本発明の１つの有利な実施形態によると、含まれるジョイントはそれぞれ３自由度を有し、そして５本のリンクだけが第２要素にジョイントで連結しており、該ジョイントは各回転軸が共通の対称中心線に一致または交差するように第２要素上に配設されている。このようにすると、対称中心線からなる軸の周りの回転以外の全自由度は固定される。これは例えば計測プローブのようなツールが、対称中心線の周りでの回転が不定である時、常に傾きが一定の予め決められた位置をとることを意味する。
また本発明の概念によると、ツールは対称線の周りに対称に取り付けられ、したがって常に一定の精度で仕事を遂行する。本発明の概念によるとまた、１つのジョイントに２自由度しか与えないことにより、ツールの対称中心線の周りの軸回転を固定する。
【００１８】
本発明の概念の一部であるが、各ジョイントは、ユニバーサル／カルダンジョイント、等速回転継手またはボールジョイントからなる。後者の場合は、各リンクの長さ方向の軸の周りに回転できるという形態で自由度が増える。リンク棒が平行に配置されている場合、この付加的な自由度は、ロボットが組み立てられた状態で、固定要素に対する被操作要素の運動の自由度の増加を意味するものではない。
本発明の１つの有利な実施形態において、ロボットを組み立てた状態において２以上の自由度で相対運動ができるようにジョイント装置が設計されている。第１アーム部分と被操作要素の間で運動が生じる。対応する第１アーム部分と操作要素に対して角度をなしている２本の実軸または虚軸の周りを、第２アームが全方向に回転できることにより該自由度は与えられる。個々のジョイントはユニバーサル／カルダンジョイント、等速回転継手、またはボールジョイントからなる。後者は、第２アーム部分において長さ方向の軸の周りに軸回転可能という形態での自由度を与えるものである。前にも述べたように、この自由度の増加は、ロボットが組み立てられた状態で、固定要素に対する被操作要素の運動の自由度を増加させる。
【００１９】
本発明の概念によると、第２アーム部分に含まれる対になっているリンクは同じ長さで平行である。これは被操作要素の傾き／姿勢がその位置に依存しないことを意味する。
本発明の概念において、第２要素がネジ棒を含み、穴が貫通しているジョイントボールと、間隔を保つための管状要素が、そのネジ棒上に通され固定されている。ボールを取り付けるときの正確さは管部分により決まり、ボールの穴に棒が適合するかどうかではない。適合は穴の精度および間隔を保つための管にのみ依存するのでこれにより高精度となる。両方とも高精度のものを、例えば玉軸受ボールおよび研削端面を伴う間隔を保つための管を用いて、安価で製造することができる。
【００２０】
本発明の有利な実施形態において、第２アーム部分を伴うアームＣは、該アーム部分に含まれるリンクが全方向に大きな偏角で軸回転できるように配設されている。ジョイント機能の回転軸は被操作要素の対称中心線と交差または一致する。構成要素であるボールジョイントの中心は被操作要素の対称中心線上にある。ジョイントに連接しているリンクの動作範囲を正確にするために、ジョイントボールの取り付けは、ｘｙ面内でロボットの固定要素に向かう方向になされている。このようにすると、ジョイントの回転軸は両方とも対称中心線に垂直になる。したがって、ジョイント機能が回転軸の周りに回転するための広い空間を獲得できるので、ロボットの動作範囲が広くなる。本発明による概念は、上記で指定した両方の回転軸が対称中心線に交わることも含む。
【００２１】
本発明による１つの有利な実施形態では、ジョイント装置は、ジョイントソケットとジョイントボールを一緒に保持するために引張バネを用いているバネ引張型ボールジョイントを備える。被操作要素は、対になった向かい合うジョイントソケットを有する２対のリンク棒を連結できるように設計されている。ジョイントソケットが各々上側および下側からジョイントボールを自由に動けるように囲むことができるように、対応するジョイントボールを、ジョイントボールの各々下側および上側につながっている棒を介して被操作要素上に配設する。ジョイントソケットは引張スプリングにより、各ジョイントボールに押しつけられる。
被操作要素上に配設されたジョイントの順序を変えることは本発明の概念に含まれる。ジョイントが特定の順序になっている１つの実施形態では、被操作要素に沿う力がより平均的にかかるので、ジョイントの順番が異なる他の実施形態に比べて被操作要素の剛性を軽減することができ、よって質量を軽くできる。
【００２２】
本発明の１つの実施形態では、アームＣは、軸回転できるように、各端がユニバーサル／カルダン継手に連結されている第２のアーム部分を有する。必要な変速装置を伴う駆動メカニズムが、第２アーム部分上のユニバーサル／カルダン継手を回転させるように配設されている。ユニバーサル／カルダン継手を軸回転させることにより被操作要素の軸回転を制御し、そしてツールの回転角度を操作する。前述の実施形態によると、被操作要素上の全ジョイントの回転軸は対称中心線に一致または交差する。
有利な実施形態の１つでは、ジョイントは、連結してリンク機構を形成する３軸ジョイントを備える。そのようなジョイントの１つはｚ方向に回転軸を有する単軸軸受を備える。さらに、共通の回転軸が第１の軸受の回転軸に垂直な２つの単軸軸受が第１軸受の任意の側に配設されている。本発明の１つの実施形態では、３つの単軸軸受が配設されており、軸受に対称的に負荷がかかるように、対になったリンクが導入されている。
【００２３】
本発明の他の有利な実施形態によると、ロボットはリンク機構からなる第１アーム部分および第２アーム部分を備える第４アームＤと、対称中心線の周りの被操作要素の回転角度を制御するための第４駆動メカニズムが配設されている。
本発明の概念には、アームが直動で機能するアーム部分を備えるということが含まれる。
【００２４】
上述の実施形態では、被操作要素は３または４の自由度を有する固定要素に対して操作される。また本発明の概念には、被操作要素を２自由度しか有さない固定要素に対して操作するために、被操作要素上の説明したジョイント装置を使用することが含まれる。１つの有利な実施形態では、ロボットはアームＣを有し、アームＡまたはアームＢに連結してアーム「ＡＣ」またはアーム「ＢＣ」となり、それは上述の実施形態ではリンク機構Ｃにより操作される被操作要素の自由度を固定する。
本発明の概念によると、駆動メカニズムにおける固定部分に対する運動部分の実際の駆動が、ギアボックスのような変速装置および固定要素内部に配置した中空の軸により行われる。本発明による概念はまた、モータと回転メカニズムの間の異なる変速装置配置を介して軸回転メカニズム間に他の連結が獲得されることを含む。
【００２５】
本発明による概念によると、また、２つの駆動メカニズムは一致する回転軸があってもなくてもよい。回転軸が一致する２つの駆動メカニズムはロボットの軸回転の運動学が単純になるので好ましい。
また本発明の概念によると、支持体を伴う外部電源によってツールは回転する。
本発明の概念によると、アームはフレーム上に位置しておらず、それぞれ、空間の固定された場所に互いに距離をおいて位置している。また本発明の概念によると、アームは回転軸上で異なる傾きを有するが、共通の回転構成要素を有する。
【００２６】
この記述は本発明を限定するためものではなく、本発明の十分な理解を導くためのものである。したがって、マニピュレータは床、壁または天井に取り付けることができると考えるべきである。水平面、上、下などの言葉は、どのようにマニピュレータが取り付けられているかによって異なる位置に関するものとなり、上は下にもなることなどがある。他の動作部分を含むマニピュレータへの適応、加えて、当業者にとって明白な部分および詳細部分の置き換えは、当然のことながら本発明の概念から離れることなく行うことができる。
【００２７】
添付の図面を参照して実施形態を記述することにより、本発明をより詳細に説明する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
第１要素１および第２被操作要素２を相対移動させるためのマニピュレータ（図１）を備える工業用ロボットである。該マニピュレータは３本のアームＡ、ＢおよびＣを備え、それらは並列に配設され、第１要素と第２要素をつないでいる。この実施形態では、第１要素はフレームにしっかりと取り付けられている。第２要素はプラットフォーム２と見なすことができ、この実施形態では棒状の要素からなる。アームＡ、ＢおよびＣのそれぞれは、部分的な第１アーム部分各々６ａ、７ａ、８ａと部分的な第２アーム部分各々６ｂ、７ｂ、８ｂを有する。第２アーム部分６ｂは２本の平行なリンク１４および１５からなり、第２アーム部分７ｂは２本の平行なリンク１６および１７からなり、第２アーム部分８ｂは１本のリンク１８からなる。
【００２９】
平行なリンク１４と１５、１６と１７は各々同じ長さで、第２要素２の傾きがその位置に依存しないように平行になっている。
アームＡに含まれるリンク１４、１５は、軸回転できるように、各々ジョイント２０、２１で第１アーム部分６ａに連結されており、各々ジョイント２２、２３でプラットフォーム２に連結されている。
アームＢに含まれるリンク１６、１７は、軸回転できるように、各々ジョイント２４、２５で第１アーム部分７ａに連結されており、各々ジョイント２６、２７でプラットフォーム２に連結されている。
アームＣのリンク１８は、軸回転できるように、ジョイント２８を介して第１アーム部分８ａに連結されており、ジョイント３０でプラットフォーム２に連結されている。
【００３０】
ここで、被操作プラットフォーム２は対称中心線４４を有する棒状要素２からなる。ジョイント２２、２３、２６、２７および３０は棒状要素上に配設されている。３自由度のジョイント２２、２３、２６、２７および３０は、各々回転軸を伴って配設されており、その回転軸は共通の対象中心線４４に一致または交差する。これは例えば計測プローブ３６のようなツールが、対称中心線４４の周りでの回転が不定である場合に、常に傾きが一定の予め決められた位置をとることを意味する。計測プローブ３６は対称中心線４４の周りに対称的に固定されている。図３は、ジョイント３０の自由度が２しかない場合、ツール３６の対称中心線４４の周りの回転さえも固定できることを示す。
【００３１】
駆動機構３、４および５は、各アームＡ、ＢおよびＣを運動させ、このようにして第１要素１に対してプラットフォーム２をｘ、ｙおよびｚ方向において相対移動させる。
各駆動機構３、４、５は、各固定部分３ａ、４ａ、５ａと、これに対して可動できる各３ｂ、４ｂ、５ｂを伴って配設されている。駆動機構は軸回転機構として設計されており、すなわちその可動部分３ｂ、４ｂ、５ｂは軸回転または回転できる。駆動機構３、４は、第１要素１にしっかりと取り付けられている固定部分３ａ、４ａを有する。図１で、駆動機構５の固定部分５ａは、駆動機構４の軸回転可能部分４ｂにしっかりと取り付けられている。したがって、ロボット構造全体を、固定要素１の円筒形の部分１ａの周りに回転させることができる。
【００３２】
組み立てられた状態のマニピュレータは、第１アーム部分それぞれ６ａ、７ａ、８ａと第２要素２の間で最大２自由度の相対運動が可能である。アームＡについて、第１アーム部分６ａおよび第２要素２の両方に関して角度をつけて設定されている２本の実軸または虚軸の周りに全方向に回転できるための自由度は、リンク１４および１５により獲得できる。ジョイント２０、２１、２２および２３はボールジョイントからなり、該ボールジョイントは、個々のリンク１４および１５において長さ方向の軸の周りに軸回転可能という形態での自由度を与える。リンク１４、１５が平行に配設されているために、ロボットが組み立てられた状態では、この付加的な自由度によって第２要素２の第１要素１に対する自由度が追加されることにはならない。
【００３３】
アームＢについて、ボールジョイントに関して同じ条件が適用される。アームＢには、リンク１６および１７が、第１アーム部分７ａおよび第２要素２の両方に関して角度をつけて設定されている２本の実軸または虚軸の周りに全方向に回転可能であることにより２自由度が与えられている。ジョイント２４、２５、２６および２７はボールジョイントからなり、該ボールジョイントは、個々のリンク１６および１７において長さ方向の軸の周りに軸回転可能という形態での自由度を与える。リンク１６、１７が平行に配設されているために、ロボットが組み立てられた状態では、この付加的な自由度によって第２要素２の第１要素１に対する自由度が追加されることにはならない。
【００３４】
アームＣについて、ボールジョイント２８および／または３０は、第１アーム部分８ａにおける第２要素２に対するさらなる自由度を与える、すなわちプラットフォーム２の対称中心線４４の周りに軸回転可能とする。アームＣにおいて、リンク１８は、ボールジョイント２８により第１アーム部分８ａに連結しており、ボールジョイント３０により第２要素２に連結している。これらのジョイント装置は、組み立てられた状態のロボットで、第１アーム部分８ａと第２要素２の間で３自由度の相対運動が可能となるように設計されている。リンク１８がその長さ方向の軸の周りに軸回転可能であるという形態の自由度と同様に、これらの自由度は、第１アーム部分８ａおよび第２要素２の両方に関して角度をつけて設定されている２本の実軸および虚軸の周りに全方向に回転可能であることにより与えられる。
【００３５】
駆動メカニズム４の可動部分４ｂはアームＢの第１アーム部分７ａに連結されているので、駆動メカニズム４はｘｙ面内の回転運動を第１アーム部分７ａに伝えることができる。同様の方法で、駆動メカニズム３の可動部分３ｂはアームＡの第１アーム部分６ａに連結されているので、駆動メカニズム３はｘｙ面内の回転運動を第１アーム部分６ａに伝えることができる。図１に示したように、駆動メカニズム３および４は回転軸が一致している。
【００３６】
駆動メカニズム５の主な仕事は第２要素２に上向きおよび下向きの運動を与えることであり、したがって駆動メカニズム５の回転軸は駆動メカニズム３および４の回転軸に垂直である。ロボットが第１要素１の周りに回転できる場合、駆動メカニズム５の回転軸が任意の第１アーム部分６ａまたは７ａの回転を伴うように、または、変速装置を介して第１部分６ａおよび７ａの両方に該回転軸を連結することによって常に第１アーム部分８ａが第１アーム部分６ａと７ａの間に位置するように、駆動メカニズム５の固定部分５ａは駆動メカニズム５に取り付けられる。図１では、駆動メカニズム５の固定部分５ａは駆動メカニズム４の可動部分４ｂにしっかりと取り付けられている。
【００３７】
図１のロボットの設計で重要な点は、ジョイント２２、２３、２６、２７および３０のジョイント装置を獲得することで、対称中心線４４の周りの軸回転以外の第２要素の全自由度がリンク１４、１５、１６、１７および１８により固定されるようにすることである。図では、ジョイントは上から３０、２２、２６、２３そして２７の順に配置されている。
【００３８】
図２ａは、第２要素２のジョイントが図１のマニピュレータのジョイントとは異なる順序、すなわち３０、２６、２２、２３および２７の順で配置されている場合の実施形態を示している。全ジョイントはボールジョイントからなり、ナット２ｆを伴うネジ棒２ｇが各ジョイントボール３０ａ、２６ａ、２２ａ、２３ａおよび２７ａを貫通しており、ジョイントボールおよびジョイントボールの間にある間隔を保つ管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄおよび２ｅをまとめている。ネジ棒２ｇは、一端が、ジョイントボール３０ａに取り付けられており、他のジョイントボールに形成されている穴４４ａは自由に通過する。ツール３６はロッド２ｇの下端の延長プラットフォームに取り付けられており、延長プラットフォームはさらにツールを回転させるための外付けの駆動源も支持している。
【００３９】
多くの方法でジョイント機能を獲得することができ、図２ｂはジョイントソケット５５および当て盤５６を有する一例を示す。図２ｂは、ジョイントボール２６ａを上から見た図であり、この視点から見るとジョイントボールの中心にはネジ棒２ｇのための穴４４ａがある。ジョイント機能は、当て盤５６が１点以上で接しているジョイントボール２６ａに、ジョイントソケット５５が３点以上で接し、しっかりと該ボールを押圧していることにより得られる。該ジョイントソケットおよび該当て盤は、ホルダー５７によりリンク１６に取り付けられており、該ホルダーは当て盤とジョイントソケットの間に所定の力が働くように弾性を有する。図２ｂのジョイントは、ジョイント２２ａ、２３ａおよび２７ａにも用いることができる。
【００４０】
リンク１６は、回転軸５８および２ｇの周りに回転するための広い空間を獲得する図２ｂのジョイント機能により、全方向に広い範囲で回転できる。リンク１８の動作範囲を正確にするために、ジョイントボール３０ａの取り付けがｘｙ面内でロボットの固定要素１に向かう方向になされており、よって、ジョイントの両方の回転軸は対称中心線４４に垂直になる。ロボットが最も良く機能するために、これらの回転軸は両方とも対称中心線と交差している。
【００４１】
図３はバネに予め張力が働いているボールジョイントを伴うジョイント装置を示し、ここでは、ボールソケットとジョイントボールを一緒に保持するために引張バネ４０、４１が用いられており、各アームＡ、Ｂと要素２との間の連結が構成されている。第２要素２はリンク棒の対１４、１５および１６、１７それぞれを、向かい合うジョイントソケットの対２２ｂ、２３ｂおよび２６ｂ、２７ｂそれぞれに連結できるように設計されている。ジョイントボール２２ａおよび２３ａは棒の上端、下端のそれぞれに配設され、その棒を介して第２要素２に配設されているので、各ジョイントソケット２２ｂ、２３ｂは各ジョイントボール２２ａ、２３ａを、それぞれ上端、下端から概ね囲むことができる。そして引張スプリング４１でジョイントソケットを各ジョイントボールに押しつける。リンク棒１６および１７について同様の配置をし、引張スプリング４０で、各ジョイントソケット２６ｂ、２７ｂを各ジョイントボール２６ａ、２７ａに押しつける。
【００４２】
複雑な設計の第２要素２が中心対称軸／回転軸４４の周りで正確な姿勢を獲得するために、図１ａのボールジョイント３０はユニバーサル／カルダン継手４２に取り替えられているので要素２は回転することができない。ユニバーサル／カルダン継手４２はクロス４２ｅからなり、クロス４２ｅは、一対の軸受部４２ａ、４２ｂと、それらに対して直角に取り付けられている一対の軸受部４２ｃ、４２ｄをまとめるものである。リンク１８は上側のヨークを介して一対の軸受部４２ｃ、４２ｄに連結しており、そして第２要素２は下側のヨークを介して一対の軸受部４２ａ、４２ｂに連結している。
【００４３】
図４は別のジョイント装置を示している。図３との違いは、対になっているリンク１４、１５および１６、１７のジョイントが回転軸４４に沿った配列が異なっている、すなわち図１の配列のようになっている点のみである。そのような状況では、ジョイントはツールに向かう方向で２２、２６、２３および２７の順になっている。
【００４４】
図５ａはまた別のジョイント配列を示しており、複数のリンク棒が同じジョイントボールを共有している。図１のジョイント２２、２６および３０は、図５ａでは比較的大きな第１の共通ボールジョイント４５を、ジョイント２３および２７は、比較的大きな第２の共通ボールジョイント４６を共有している。これはリンク１４、１６および１８のジョイント軸が、第２要素２の対称中心線４４上の共有点で互いに交わっていることを意味する。同様に、リンク１５および１７のジョイント軸が、対称中心線４４上の共有点で互いに交わっている。ジョイントボール４５、４６およびツール３６は、間隔を保つケーシング２ａ、２ｂおよびネジ棒を用いて、図２ａで以前に示した方法と同様の方法で配設されている。
各ジョイント４５、４６によるジョイント機能を図５ｂに示す。磁石３５はリンク１６の端表面をジョイントボール４５に対してしっかりと保持する。同様に、リンク１４および１８はジョイントボール４５上に、リンク１５および１７はジョイントボール４６上に配設されている。
【００４５】
図６は単軸軸受がどのように連結して、第２のアーム部分７ｂを形成できるかを示している。ジョイント装置２４および２５は第１アーム部分７ａをリンク１６および１７に連結しており、ジョイント装置２４は単軸軸受２４ｃ、２４ｄ、２４ｅからなり、ジョイント装置２５は単軸軸受２５ｃ、２５ｄ、２５ｅからなる。軸受２４ｃおよび２５ｃは、ｚ軸方向の回転軸を有し、ｚ方向に延びる第１のアーム部分７ａの一部に取り付けられている。軸受２４ｃおよび２５ｃの横側には、それぞれ軸受２４ｄ、２４ｅ、および２５ｄ、２５ｅが配設されており、その回転軸は各軸受２４ｃおよび２５ｃの回転軸に垂直な対になっている共通の回転軸である。リンク１６および１７をジョイント２６および２７で第２要素２に連結するためにも、同じ軸受構造が使用される。軸受には左右対称に負荷がかかるように、対になっているリンク１６ａ、１６ｂおよび１７ａ、１７ｂが用いられた。図３および図４と同様の方法で、リンク１８を要素２に連結するために、ユニバーサル／カルダン継手を用いている。
第２アーム部分についての軸受構造を図６に示したようにすると、ロボットは図７のように構成することができる。該図は両方のアーム部分８ａおよび６ａがどのように図６のジョイント装置で配設されているか示している。
【００４６】
第２要素２の対称中心線４４の周りの回転角を操作するために、追加アームＤが、軸回転できるように駆動メカニズム４６の形態の単軸ジョイントを介して第１要素に連結されている。アームＤは第１アーム部分４７、平行なリンク４９、およびアーム５１からなる。リンク４９は、軸回転できるようにジョイント４８を介して第１アーム部分４７に、そしてジョイント５０を介してアーム５１に連結されている。ジョイント４８および５０は、リンク４９がアーム４７に対して全方向に軸回転でき、そして同様にアーム５１に対して全方向に軸回転できるように設計されている、つまりジョイント４８および５０の自由度は２以上である。図７では、図６のジョイント２４、２５、２６、２７、２０、２１、２２および２３に用いたものと同じタイプのジョイント装置をジョイント４８および５０に対して用いている。このタイプのジョイント装置は、アーム４７および５１が同じ平面内で回転する限り、アームＤに対して機能する。
【００４７】
リンク１８には、ジョイント２８を介して第１アーム部分８ａが、ジョイント３０を介して第２要素２の部分５２が連結しており、これらのジョイントはユニバーサル／カルダン継手である。アームＤにおいて第２要素２が対称中心線４４の周りに軸回転できるように、１つ以上のユニバーサル／カルダン継手が軸受５３と補完的な関係にあり、よって第２要素２が第１アーム部分８ａに対して軸回転できるようになっている。
図１ないし７では、第２要素２は３または４自由度で第１要素１に対して操作される。しかし、図８に示すように、この操作２を、たった２自由度で第１要素に対して行うことも可能である。
【００４８】
ここで、アームＣはアームＢと一体で作られる。アームＡは変わらない。Ｂは補足されている。アームＣからのリンク１８は、第２アーム部分７ｂのリンクシステム内の平行なリンク１６と１７の間に配設されている。リンク１８は、ジョイント２８および３０を介して第１アーム部分７ａと第２要素２の間に斜めに配設されており、図１のアームＣを介して操作される第２要素２の自由度を固定している。ジョイント２８と３０の間のリンク１８の長さは、組み込まれた調整装置２８ａで調整される。この方法では、第２要素２の傾きはアームＡおよびＢとは別に操作することができる。
【００４９】
図９で、軸回転メカニズム５およびそれにしたがってアームＣの付着装置を移動し、第１アーム部分７ａに連結している。第２アーム部分８ａは１本のリンク１８からなり、軸回転できるように３軸ジョイント３０を介して第２要素２に連結している。図１０は、１本のリンク１８が平行なリンク１８ｃおよび１８ｄに取り替えられている図９のマニピュレータを示す。図９および図１０のマニピュレータは第２要素の操作をたった３自由度で行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１要素および第２要素に連結されている３本の平行なアームを備える本発明によるマニピュレータを示す。
【図２】図２ａは本発明による被操作プラットフォームの第２の代替実施形態を示す。図２ｂは図２ａのボールジョイントを示す。
【図３】本発明による被操作プラットフォームおよび関連するジョイント装置の第２の代替実施形態を示す。
【図４】本発明による被操作プラットフォームおよび関連するジョイント装置の第３の代替実施形態を示す。
【図５】図５ａは本発明による被操作プラットフォームおよび関連するジョイント装置の第４の代替実施形態を示す。図５ｂは図５ａのボールジョイントを示す。
【図６】本発明による被操作プラットフォームに含まれるジョイントの代替実施形態を示す。
【図７】図６のジョイント装置が配置された、本発明によるマニピュレータの第１の実施形態を示す。
【図８】本発明によるマニピュレータの第２の代替実施形態を示す。
【図９】図１の２本のアームが一緒に連結されている実施形態を示す。
【図１０】図１の２本のアームが一緒に連結されている第２の代替実施形態を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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