JP5397856B2

JP5397856B2 - ６自由度パラレル機構

Info

Publication number: JP5397856B2
Application number: JP2009198062A
Authority: JP
Inventors: 行生武田; 和也広瀬; 健一柳
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC; Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: JP2011045984A

Description

本発明は、６自由度パラレル機構に関する。

パラレル機構は、その構造的特徴から、人の腕のようなシリアル機構には不得手な高精度、高剛性、大発生力が要求される多自由度機械の機構として注目され、フライトシミュレータや、工作機械等に応用され、スチュワートプラットフォームと呼ばれる形式を中心として、研究開発が行われてきた。しかし、そのエンドエフェクタ、すなわちベースに対する位置及び姿勢を変化させ得る部位、の取れる姿勢の範囲は小さく、応用分野が限定されていた。

すなわち、６自由度パラレル機構には、パラレル機構自身を構成する要素の相互間の運動の干渉があり、この干渉のために、エンドエフェクタが、エンドエフェクタの中心軸（ヨー軸という）周りに、連続的に回転できず、また、エンドエフェクタの、ベースに対する姿勢範囲、すなわち、ベースに対する傾斜角度（「姿勢角」という）範囲も、極めて限定されたものであった。

更に、パラレル機構は、複数のアクチュエータで駆動されるのが一般的であるが、パラレル機構を構成するリンク等の力学的な干渉により、出力として取り出せるパワーは、複数のアクチュエータのパワーの合計値とはならず、取り出せるパワーが小さいという欠点があった。

特許文献１は、従来の６自由度パラレル機構の一例である。従来の６自由度パラレル機構は、特許文献１に示すように、６本の、アームとリンクとを含む連鎖を備えるのが一般的である。特許文献１の機構では、６本の連鎖の、ベース（特許文献１では「Support Structure 14」）側への取り付けは、６本のリンク（「Push Rod 20」）がそれぞれ独立してベースの外周軌道上を動くことができるように、外周軌道に沿った大歯車（「Gear Ring 26」）に各連鎖の歯車が噛み合わされている。６本のリンクは、ベースに対する角度を変えることができるように、ユニバーサルジョイントを利用してアーム（「Spoke 16」）に接続されている。６本の連鎖のエンドエフェクタ（「Utility Plate 24」）側の取り付けは、２本ずつの連鎖が、１２０度ずつ離れた３箇所に、ユニバーサルジョイントを利用して取り付けられている。

特許文献１におけるエンドエフェクタの、ベースに対する位置及び姿勢は、特許文献１の図３〜図７に図解されている。６自由度パラレル機構では、エンドエフェクタが、ベースに対して、空間の３軸方向の並進運動と、３軸周りの回転運動をすることができ、６自由度を有する。しかし、空間に配置された６本の連鎖は、それぞれ相互に干渉して、運動範囲が制限されるので、特許文献１におけるエンドエフェクタの、ベースに対する最大姿勢角は、２８．５度という狭い範囲にとどまっている（図５Ｂ参照）。

ＷＯ９９/３８６４６号公報

本発明は、エンドエフェクタが、１軸周りに連続回転することができ、ベースに対して大きな姿勢角を取ることができる、６自由度パラレル機構を提供することを目的としている。

更に、本発明は、各アクチュエータの発生する力を、有効に合力とすることができる、６自由度パラレル機構を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、ベースとエンドエフェクタとの間に、アームとリンクとを含む連鎖を３本並列配置して構成された６自由度パラレル機構であって、連鎖が、それぞれ、ベースの中心からベースの垂直方向上方に延びるＺ軸周りを回転するように、第１の回転軸受を介してベースに取り付けられたアームと、アーム上に固定されたリニアガイドと、リニアガイドの上を往復するスライダと、球面軸受を介してスライダに接続されたリンクと、リンクの球面軸受とは反対の側に取り付けられた第２の回転軸受と、を備え、エンドエフェクタとリンクとが、第２の回転軸受によって、互いに離れた３箇所で結合された、６自由度パラレル機構が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、３本のアームは、それぞれ同軸の第１の回転軸受を介して、ベースに取り付けられているので、それぞれ相互の運動の干渉がなく、ベースのＺ軸周りに自由に回転することができる。アーム上にリニアガイドを取り付け、リニアガイドの上をスライダが往復するように構成したことにより、球面軸受を介してスライダに接続されたリンクが、ベースの中心に向かって大きく接近することができる。従って、リンクの立ち上がりを大きくすることができ、エンドエフェクタの姿勢角を大きく変化させることができる。また、連鎖の数が３本であるため、連鎖を構成する各要素間の運動の干渉が少なく、エンドエフェクタの位置及び姿勢角の変化する範囲を、更に大きくしており、エンドエフェクタは、ヨー軸周りに連続回転することができ、また、ベースに対して大きな姿勢角を取ることができる。更に、エンドエフェクタとリンクとの接続を、従来の球面軸受よりも大きな角度変化を許容する回転軸受とすることにより、上述のエンドエフェクタの位置及び姿勢角の変化する範囲を、制限しないようにしている。

請求項２に記載の発明によれば、スライダが、ベースの中心方向へ移動する場合に、Ｚ軸方向にも移動するように、アーム上に固定されたリニアガイドを、ベースに対して傾斜させて取り付けた、請求項１に記載の６自由度パラレル機構が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、アーム上に固定されたリニアガイドを、ベースに対して傾斜させて取り付けることにより、リンクの立ち上がりを更に大きくすることができ、エンドエフェクタの姿勢角を更に大きく変化させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、更に、ベースが、ベースに固定された大歯車を備え、アームが、大歯車と噛み合ってアームをＺ軸周りに回転させる、小歯車を備える、請求項１又は２に記載の６自由度パラレル機構が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、アームをベースのＺ軸周りに回転させるために、大歯車と小歯車との噛み合わせを利用し、アームの位置決めを確実にするとともに、後述のアクチュエータを利用した駆動を容易にする。

請求項４に記載の発明によれば、各リニアガイドと、各小歯車とが、それぞれ独立して作動するアクチュエータを備える、請求項３に記載の６自由度パラレル機構が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、各リニアガイドと、各小歯車とが、それぞれ独立して作動するアクチュエータを備え、各アクチュエータの作動の組み合わせにより、エンドエフェクタの位置及び姿勢の、複雑な制御を可能にする。請求項３に記載の発明の機構にこれら６個のアクチュエータを取り付けることにより、各アクチュエータの発生する力を、有効に合力とすることができ、大きな力を得ることができる。

各請求項に記載の発明によれば、エンドエフェクタが、１軸周りに連続回転することができ、ベースに対して大きな姿勢角を取ることができる、６自由度パラレル機構を提供するという共通の効果を奏する。

また、各請求項に記載の発明によれば、各アクチュエータの発生する力を、有効に合力とすることができる、６自由度パラレル機構を提供するという共通の効果を奏する。

本発明を６自由度パラレル機構に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する斜視図である。図１の６自由度パラレル機構の平面図である。図１の６自由度パラレル機構の側面図である。図１の６自由度パラレル機構の、エンドエフェクタの基準位置及び姿勢を説明する座標図で、（Ａ）はＸＹ座標図、（Ｂ）はＸＺ座標図である。図１の６自由度パラレル機構の、エンドエフェクタの姿勢角を定義する図である。図１の６自由度パラレル機構の、エンドエフェクタを、基準位置及び姿勢からＸ軸方向に４５度傾けた状態すなわち、θ_z＝０度、θ_y＝４５度の図であり、（Ａ）はＸＹ座標図、（Ｂ）はＸＺ座標図である。図１の６自由度パラレル機構の、エンドエフェクタを、基準位置及び姿勢からＸ軸方向に対して６０度の方向すなわちθ_z＝６０度の方向に、θ_y＝４５度傾けた状態の図であり、（Ａ）はＸＹ座標図、（Ｂ）はＸＺ座標図である。図１の６自由度パラレル機構の、図４の基準位置及び姿勢に対して、エンドエフェクタの姿勢は変化させずに、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に並進させた状態の図であり、（Ａ）はＸＹ座標図、（Ｂ）はＸＺ座標図である。図１の６自由度パラレル機構の、エンドエフェクタを、図８の状態からＸ軸方向に４５度傾けた状態すなわちθ_y＝４５度の図であり、（Ａ）はＸＹ座標図、（Ｂ）はＸＺ座標図である。本発明を適用した６自由度パラレル機構を、パイプの押し通し曲げ加工機に応用した実施形態の概略構成を説明する図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。

本発明の６自由度パラレル機構の実施形態を、図１、２、３に示す。本発明の機構は、アーム１１とリンク１５とを含む連鎖を、アーム１１がベース１０の中心からベース１０の垂直方向上方に延びる軸、すなわちＺ軸、の周りを回転するように、アーム１１を第１の回転軸受１６を介してベース１０に取り付け、アーム１１上にリニアガイド１２を固定し、リニアガイド１２の上を往復するスライダ１３を設け、リンク１５をスライダ１３に、球面軸受１４を介して接続し、リンク１５の、球面軸受１４とは反対の側に、第２の回転軸受１７を取り付けて、構成する。この連鎖を、ベース１０とエンドエフェクタ２０との間に３本並列に配置し、第２の回転軸受１７によってリンク１５とエンドエフェクタ２０とを互いに離れた３箇所で接続し、パラレル機構を構成する。図１、２、３では、この３箇所は互いに１２０度ずつ離れているが、３箇所を、互いに別の角度をなすように取り付けることもできる。エンドエフェクタ２０の位置及び姿勢の制御に、特定の方向性を持たせないようにするためには、この３箇所は、互いに１２０度ずつ離れていることが好ましい。ベース１０に大歯車４１を固定し、大歯車４１と噛み合う小歯車４０を、アーム１１の先端に取り付け、各小歯車４０に連結したアクチュエータを駆動することにより、アーム１１をＺ軸周りに回転させる。各スライダ１３にはそれぞれアクチュエータ３０を備え、アクチュエータ付き小歯車４０の各アクチュエータとともに、合計６つのアクチュエータで、エンドエフェクタ２０の６自由度空間運動を実現する。３本のアーム１１は、それぞれ同軸の第１の回転軸受１６を介して、ベース１０に取り付けられているので、それぞれ相互の運動の干渉がなく、ベース１０のＺ軸周りに自由に回転できる。また、アクチュエータ付き小歯車４０の各アクチュエータの発生する力は、３つの力の合力として、大きな力を有効に取り出すことができる。

更に、上述の構成とすることによって、本発明の６自由度パラレル機構は、エンドエフェクタ２０をある位置、姿勢にした状態で、小歯車４０のアクチュエータをすべて同方向に動かすとともに、スライダ１３の運動を適宜制御し、エンドエフェクタ２０を、エンドエフェクタ２０の垂直方向軸すなわちヨー軸の周りに無限回転させることができる。リンク１５の球面軸受１４側の先端は、３本のアーム１１のスライダ１３を駆動することにより、アーム１１の回転中心方向へ移動することができるので、リンク１５の立ち上がりを大きくすることができ、エンドエフェクタ２０のヨー軸を、Ｚ軸に対して大きく傾斜させることができる。図１、２、３のリンク１５とエンドエフェクタ２０とは、第２の回転軸受１７によって接続されており、回転軸受は、球面軸受よりも運動範囲が大きく取れるので、上述のエンドエフェクタ２０の動きを阻害することがない。

この場合、図１、図３に示すように、リニアガイド１２を、ベース１０に対して傾斜させて設置することが好ましい。リニアガイド１２をベース１０に対して平行に設置するのではなく、傾斜を設けて設置することにより、リンク１５の立ち上がりを更に大きくすることができ、エンドエフェクタ２０のヨー軸を、Ｚ軸に対して更に大きく傾斜させることができる。

図４〜図９では、ベース１０に対するエンドエフェクタ２０の位置及び姿勢を、３次元空間座標によって説明する。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構の基準位置、基準姿勢を、ベース１０に固定したＸＹＺ座標系で示したものである。

また、エンドエフェクタ２０の姿勢角を定義するために、図５に示すオイラー角（θ_z、θ_y、ψ）を利用する。すなわち、図５のベクトルｅ_R2の方向は、エンドエフェクタ２０の中心を通る垂直軸方向を示すが、ｅ_R2の方向は、ＸＹＺ座標をＺ軸周りに角度θ_z回転したＸ’Ｙ’Ｚ’座標（図示せず）を、次にＹ’軸周りに角度θ_y回転してＸ”Ｙ”Ｚ”座標（図示せず）とし、最後にＸ”Ｙ”Ｚ”座標をＺ”軸周りに角度ψ回転してＸ”’Ｙ”’Ｚ”’座標（図示せず）とした場合の、Ｚ”’軸方向である。角度θ_yは、ベクトルｅ_R2とＺ軸とのなす角度となっており、エンドエフェクタ２０の姿勢角を表わす。ベクトルｅ_R2の方向すなわちＺ”’軸はまた、ヨー軸と呼ばれる。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構の基準位置、基準姿勢を示しているので、θ_z＝０、θ_y＝０、ψ＝０である。

図４（Ａ）は、エンドエフェクタ２０を真上から見た図であり、ＸＹ座標は、ベース１０上の基準位置、すなわち、３本のリンク１５の球面軸受１４側の端部Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃が、ベース１０の半径方向外側の最大位置に来た場合の、３つの端部Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃が作る三角形を含む平面に設定している。Ｚ軸は、ベース１０の中心からベース１０に対して垂直方向上方に延びる軸である。また、３本のリンク１５の第２の回転軸受１７側の端部を、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃で示す。すなわち、三角形Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の形成する平面は、エンドエフェクタ２０を表している。

図４（Ｂ）は、エンドエフェクタ２０を真横から見た図であり、ＸＺ軸平面に対して垂直方向から見た図である。エンドエフェクタ２０の平面は基準姿勢にあるので、図４（Ｂ）では線分Ｂ₁−Ｂ₂Ｂ₃として表現されている。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構のエンドエフェクタ２０を、基準位置、基準姿勢からＸ軸方向に４５度傾けた状態を示す。すなわち、θ_z＝０、θ_y＝４５度、ψ＝０である。

この状態を得るためには、まず、図６（Ａ）に示すように、アクチュエータ付き小歯車４０を駆動し、Ａ₂をＣ方向に、Ａ₃をＤ方向に回転運動させ、Ａ₂、Ａ₃がＡ₁から遠く離れた状態にする。次に、図６（Ｂ）に示すように、アクチュエータ３０を駆動して、Ａ₂、Ａ₃のスライダ１３をＥ方向すなわちベース１０の中心に向かう方向に並進運動させる。この結果、エンドエフェクタ２０のＢ₂、Ｂ₃は、Ｚ軸方向にせり上がり、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃が傾斜する。本発明では、リニアガイド１２が、ベース１０の中心方向に高くなるように傾斜して取り付けられているため、Ｂ₂、Ｂ₃の、Ｚ軸方向へのせり上がりが大きく、この結果、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の傾斜は大きくなり、エンドエフェクタ２０の姿勢角が４５度という、従来にない大きな姿勢角を得ることができる。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構のエンドエフェクタ２０を、基準位置、基準姿勢に対して、Ｘ軸方向から６０度をなす方向に、４５度傾けた状態を示す。すなわち、θ_z＝６０度、θ_y＝４５度、ψ＝０である。

この状態を得るためには、まず、図７（Ａ）に示すように、アクチュエータ付き小歯車４０を駆動し、Ａ₂をＣ方向に、Ａ₁をＤ方向に回転運動させ、Ａ₂、Ａ₁が広く開いた状態にする。次に、図７（Ｂ）に示すように、アクチュエータ３０を駆動して、Ａ₃のスライダ１３をＥ方向すなわちベース１０の中心に向かう方向に並進運動させる。この結果、エンドエフェクタ２０のＢ₃は、Ｚ軸方向にせり上がり、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃が傾斜する。本発明では、リニアガイド１２が、ベース１０の中心方向に高くなるように傾斜して取り付けられているため、Ｂ₃の、Ｚ軸方向へのせり上がりが大きく、この結果、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の傾斜は大きくなり、Ｘ軸方向から６０度をなす方向において、エンドエフェクタ２０の姿勢角が４５度という、従来にない大きな姿勢角を得ることができる。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構のエンドエフェクタ２０の姿勢を、基準姿勢から変化させずに、位置を、基準位置からＸ軸方向およびＺ軸方向に、所定の距離だけ並進させた状態を示す。すなわち、θ_z＝０、θ_y＝０、ψ＝０において、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の座標を、例えば、ΔＸ＝０．５、ΔＺ＝０．５移動させた状態である。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の６自由度パラレル機構のエンドエフェクタ２０を、図８の状態から、Ｘ軸方向に４５度傾けた状態を示す。すなわち、ΔＸ＝０．５、ΔＺ＝０．５、θ_z＝０、θ_y＝４５度、ψ＝０である。

上述のように、本発明では、リニアガイド１２が、ベース１０の中心方向に高くなるように傾斜して取り付けられているため、Ｂ₂、Ｂ₃の、Ｚ軸方向へのせり上がりが大きく、この結果、エンドエフェクタ２０の面Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の傾斜は大きくなり、Ｘ軸方向から６０度をなす方向において、エンドエフェクタ２０の姿勢角が４５度という、従来にない大きな姿勢角を得ることができる。

また、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃部分に使用している球面軸受１４は、球体を外殻が包み込む構造であるため、揺動角度をあまり大きく取ることができない。このことも、従来の６自由度パラレル機構の姿勢角が小さい要因となっていた。本発明では、リニアガイド１２が、ベース１０の中心方向に高くなるように傾斜して取り付けられているため、図９のような大きな位置変化と大きな姿勢角変化を行っても、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃部分に使用している球面軸受１４の揺動角度を、小さい範囲に抑えることができる。

以上において、姿勢角は、エンドエフェクタの半径と、リンク長さと、リニアガイドの傾斜角と、基準エンドエフェクタ高さと、の幾何学的な関係から得られる。図１に示す構造において、例えば、エンドエフェクタの半径を１とした場合に、リンク長さを３．３とし、リニアガイドの傾斜角βを１５度とし、基準エンドエフェクタ高さを０．８９１とすると、エンドエフェクタの姿勢角は約４５度となる。本発明は、このような幾何学的な関係をとり得るように、６自由度パラレル機構を、構成要素間の相互干渉の少ない機構とするとともに、リンクの運動範囲を大きくとれる構造とし、理想的な幾何学的関係を得ることに成功したものである。

（１）本発明の６自由度パラレル機構を、パイプの押し通し曲げ加工機に利用することができる。図１０に、本発明の６自由度パラレル機構を利用した、パイプの押し通し曲げ加工機の実施形態を示す。６自由度パラレル機構の、ベース１０の中心及びエンドエフェクタ２０の中心に孔をあけ、この孔を通してパイプ５０を導入する。パイプ送り機構５１によってパイプ５０を送り、ベース１０に固定された固定ダイス５２でパイプ５０を把持する。また、エンドエフェクタ２０側では、可動ダイス５３でパイプ５０を把持する。この状態でベース１０に対するエンドエフェクタ２０の位置及び姿勢を変化させ、パイプ５０の３次元曲げ加工を行う。この場合、本発明によって、エンドエフェクタ２０を、ヨー軸周りに無限回転させることができるので、パイプ５０の３次元曲げ加工に、ねじりを任意に加えることができる。本発明の６自由度パラレル機構では、アーム１１が、第１の回転軸受１６によって同軸に取り付けられているので、ねじりに必要なヨー軸周りのモーメントは、各小歯車のアクチュエータの発生するモーメントの和となり、有効にモーメントが合成され、大きなモーメントを得ることができる。
（２）椅子の座部の両側に、本発明の６自由度パラレル機構のベースをそれぞれ固定し、車輪を、エンドエフェクタに取り付けることによって、車椅子を構成する。本発明の６自由度パラレル機構は、ヨー軸周りにエンドエフェクタの連続回転ができ、また、姿勢の制御範囲が広いので、他に特別な機構を必要とせずに、車輪の回転機能、ステアリング機能、サスペンション機能を有する駆動ユニットが構成できる。本発明の６自由度パラレル機構では、アーム１１が、第１の回転軸受１６によって同軸に取り付けられているので、車輪の回転駆動に必要なヨー軸周りの駆動力は、各小歯車のアクチュエータの発生する力の和となり、有効に力が合成され、大きな駆動力を得ることができる。
（３）複雑なアクロバット的シミュレーションを行うことができるフライトシミュレータを、構成することができる。すなわち、座面を、ヨー軸周りに回転できるようにエンドエフェクタに固定して、フライトシミュレータを構成すると、本発明の６自由度パラレル機構は、ヨー軸周りにエンドエフェクタの連続回転ができ、姿勢の制御範囲が広いので、宙返りに、姿勢角変化や平行移動を組み合わせた、複雑なアクロバット的シミュレーションを行うことができる。本発明の６自由度パラレル機構では、アーム１１が、第１の回転軸受１６によって同軸に取り付けられているので、フライトシミュレータの回転駆動に必要なヨー軸周りの駆動力は、各小歯車のアクチュエータの発生する力の和となり、有効に力が合成され、大きな駆動力を得ることができる。

１６自由度パラレル機構
１０ベース
１１アーム
１２リニアガイド
１３スライダ
１４球面軸受
１５リンク
１６第１の回転軸受
１７第２の回転軸受
２０エンドエフェクタ
３０アクチュエータ
４０アクチュエータ付き小歯車
４１大歯車
５０パイプ
５１パイプ送り機構
５２固定ダイス
５３可動ダイス

Claims

ベースとエンドエフェクタとの間に、アームとリンクとを含む連鎖を３本並列配置して構成された６自由度パラレル機構であって、前記連鎖が、それぞれ、
前記ベースの中心から前記ベースの垂直方向上方に延びるＺ軸周りを回転するように、第１の回転軸受を介して前記ベースに取り付けられた前記アームと、
前記アーム上に固定されたリニアガイドと、
前記リニアガイドの上を往復するスライダと、
球面軸受を介して前記スライダに接続された前記リンクと、
前記リンクの前記球面軸受とは反対の側に取り付けられた第２の回転軸受と、を備え、
前記エンドエフェクタと前記リンクとが、前記第２の回転軸受によって、互いに離れた３箇所で結合された、
６自由度パラレル機構。
前記スライダが、前記ベースの中心方向へ移動する場合に、前記Ｚ軸方向にも移動するように、前記アーム上に固定された前記リニアガイドを、前記ベースに対して傾斜させて取り付けた、請求項１に記載の６自由度パラレル機構。
更に、前記ベースが、前記ベースに固定された大歯車を備え、
前記アームが、前記大歯車と噛み合って前記アームをＺ軸周りに回転させる、小歯車を備える、
請求項１又は２に記載の６自由度パラレル機構。
前記各リニアガイドと、前記各小歯車とが、それぞれ独立して作動するアクチュエータを備える、請求項３に記載の６自由度パラレル機構。