JP4420959B2 - パラレルメカニズム - Google Patents

Description

本発明は、パラレルメカニズムに関し、特に、ボールジョイントを介して連結されるアームを備えたパラレルメカニズムに関する。

従来から、支持基盤であるベース部とエンドエフェクタが取り付けられるブラケットとが複数のアームにより並列に結合されたパラレルメカニズムが知られている（例えば、特許文献１参照）。ちすなわ、パラレルメカニズムでは、電動モータが並列に配置されるとともに、各電動モータに連結された複数のアームが最終的に１つのブラケットを操るように構成されている。

特許文献１記載のパラレルメカニズムでは、各アームがリンクとロッドから構成されている。リンク及びロッドは、それぞれボールジョイントにより連結され、これらのボールジョイントを支点としてロッドはリンクに対して３次元方向に揺動可能となっている。ロッドの先端は、それぞれボールジョイントを介してブラケットに連結されている。この構造によってリンクはブラケットに対してボールジョイントを支点とし、３次元的な方向に揺動することができる。また、特許文献１記載のパラレルメカニズムでは、ボールジョイントの球体の片側半面をソケットから露出した状態で回転可能に保持するとともに、２本のロッドをバネによって連結する構成とすることにより、アームが揺動する際にボールジョイントの球体がソケットから抜け落ちることを防止しつつ、アームの揺動角度（可動範囲）を増大している。
実開平８−４０３

特許文献１記載のパラレルメカニズムでは、ボールジョイントの球体とソケットとはバネによる引っ張り力によって保持されているが、ボールジョイントの球体の片側半面がソケットから露出されているため、バネの引っ張り力を超える負荷を受けた場合、球体がソケットから外れてしまうおそれがある。このような問題は、パラレルメカニズムの動作範囲の外縁に近づくほど顕著になる。これに対して、バネの引っ張り力をより強くすると、ボールジョイントの摺動抵抗が増大するため、高速動作時の負荷が増大したり、ボールジョイント部の磨耗が増大したりする。一方、ボールジョイントの球体を球面に沿って基端部側までソケットで覆うとすると、分解整備等を行う際のメンテナンス性が悪化する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、メンテナンス性を悪化させることなく、アーム等を揺動可能に連結するボールジョイントの外れを抑制することが可能なパラレルメカニズムを提供することを目的とする。

本発明者達は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、次のような知見を得た。すなわち、パラレルメカニズムの動作中にエンドエフェクタ（ブラケット）に生じる外力は、分解されて各ロッドに対しては軸方向の負荷として働く。このロッドの軸方向の負荷に対して、ソケットの縁部分が球体の赤道より先端側の位置までしか係っていないと、ソケットにはバネの引っ張り力と逆の向きに斥力が働く。そして、この斥力がバネの引っ張り力より大きければ、ボールジョイントの球体はソケットから外れてしまう。

そこで、本発明に係るパラレルメカニズムは、複数のアームを介してベース部とブラケットとが並列に連結されるパラレルメカニズムにおいて、複数のアームを構成する各アームが、ベース部に取り付けられたアクチュエータにその一端が連結される第１リンクと、一対のロッドを有し、第１リンクの他端とブラケットとを連結する第２リンクと、第２リンクを構成する一対のロッドの一端と第１リンクの他端とを揺動可能に連結する第１のボールジョイントと、一対のロッドの他端とブラケットとを揺動可能に連結する第２のボールジョイントと、一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢する引張部材とを備え、第１のボールジョイント及び第２のボールジョイントの内、少なくともいずれかのボールジョイントが、軸部と球状頭部とを含むボールスタッドと、該ボールスタッドの球状頭部を揺動回動自在に保持するソケットとを有し、ソケットが、球状頭部の先端部から赤道までを保持する半球状凹部と、該半球状凹部から滑らかに連続し、球状頭部の赤道から軸部側へ延びる延長部とを含み、延長部の開口部の内径が、球状頭部の直径と同じか該直径よりも大きく形成されていることを特徴とする。

本発明に係るパラレルメカニズムによれば、第１のボールジョイント及び／又は第２のボールジョイントを構成するソケットに半球状凹部から滑らかに連続する延長部が形成されているため、ソケットに作用する反力（ロッドの軸方向に働く負荷に対する反力）を垂直に受け止めることができ、ソケットを外す方向に作用する斥力（軸部の軸線方向に対する反力の分力）の発生を抑えることができる。そのため、ボールジョイントを構成するボールスタッドの球状頭部がソケットから外れることを抑制することが可能となる。一方、延長部の開口部の内径が、球状頭部の直径と同じか該直径よりも大きく形成されているため、例えば分解整備等を行う際には、ソケットをボールスタッドの軸部の軸線方向に沿って外側に、引張部材の引張力よりも大きい力で引っ張ることにより、ボールスタッドをソケットから外すことができる。その結果、メンテナンス性を悪化させることなく、ボールジョイントの外れを抑制することが可能となる。

ここで、上記一対のロッドは、それぞれの中心軸が互いに平行となるように配置されており、上記延長部は、略円筒状に形成されており、該延長部の中心軸が、一対のロッドそれぞれの中心軸により定義される平面に対して平行に、かつ、一対のロッドそれぞれの中心軸に対して略垂直に延びていることが好ましい。

このようにすれば、パラレルメカニズムの動きに伴い、ロッドの中心軸方向に過大な負荷がかかったとしても、ボールジョイントの外れを確実に抑制することが可能となる。

本発明に係るパラレルメカニズムでは、上記延長部の長さが、球状頭部の直径に応じて設定されることが好ましい。

このようにすれば、延長部の長さを適切に設定することができるので、パラレルメカニズムのメンテナンス性、及び可動範囲を確保しつつ、ボールジョイントの外れを適切に抑制することが可能となる。

また、上記延長部の長さは、引張部材の全長に応じて設定されることが好ましい。

このようにすれば、延長部の長さを適切に設定することができるので、パラレルメカニズムのメンテナンス性を確保しつつ、ボールジョイントの外れを抑制することが可能となる。

本発明によれば、ボールジョイントを構成するソケットが、球状頭部の先端部から赤道までを保持する半球状凹部と、該半球状凹部から滑らかに連続し、球状頭部の赤道から軸部側へ延びる延長部とを含み、該延長部の開口部の内径が、球状頭部の直径と同じか該直径よりも大きく形成されているため、メンテナンス性を悪化させることなく、パラレルメカニズムのアーム等を揺動可能に連結するボールジョイントの外れを抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を併せて用いて、実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成について説明する。図１は、実施形態に係るパラレルメカニズム１の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズム１を示す図である。

パラレルメカニズム１は、上部にベース部２を有している。パラレルメカニズム１は、ベース部２の下面側に形成された平らな取付面２ａが例えば水平な天井等に固定されることによって支持される。一方、ベース部２の下面側には、３つの支持部材３が設けられている。各支持部材３には、それぞれ電動モータ４が支持されている。電動モータ４は、モータ軸の軸線Ｃ２がベース部２の取付面２ａに対して平行（すなわち水平）となるように支持されている。それぞれの支持部材３は、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置されており、各電動モータ４もまた、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置される（図２参照）。

各電動モータ４の出力軸には、軸線Ｃ２に対して同軸に略六角柱形状のアーム支持部材５が固定されている。アーム支持部材５は、電動モータ４が駆動されることにより軸線Ｃ２を中心として回転する。なお、各電動モータ４は、モータドライバを含む電子制御装置（図示省略）に接続されており、電動モータ４の出力軸の回転がこの電子制御装置によって制御される。

パラレルメカニズム１は、３本のアーム本体６を有しており、各アーム本体６は、第１アーム７及び第２アーム８を含んで構成される。ここで、第１アーム７は特許請求の範囲に記載の第１リンクに相当し、第２アーム８は特許請求の範囲に記載の第２リンクに相当する。第１アーム７は、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。第１アーム７の基端部は、アーム支持部材５の側面に取り付けられている。第１アーム７は、その軸線が上述した軸線Ｃ２と直交するように固定される。

第１アーム７の遊端部には、第２アーム８の基端部が連結され、第２アーム８が、第１アーム７の遊端部を中心として揺動できるように構成されている。第２アーム８は、一対の長尺のロッド９，９を含んで構成されており、一対のロッド９，９は、その長手方向において互いに平行となるように配置されている。ロッド９も、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。各ロッド９の基端部は、第１アーム７の遊端部に、一対のボールジョイント１０，１０（特許請求の範囲に記載の第１のボールジョイントに相当）によって回転自在に連結されている。なお、各ロッド９の基端部における各ボールジョイント１０，１０の回転中心間を結ぶ軸線Ｃ３が、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となるよう配置されている。

また、第２アーム８の基端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１１で互いに連結されており、第２アーム８の遊端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１２で互いに連結されている。連結部材１１、及び連結部材１２は、例えば、付勢部材としての引張コイルバネを有しており、一対のロッド９，９を互いに引き合う方向に付勢する。すなわち、連結部材１１，１２は、特許請求の範囲に記載の引張部材として機能する。なお、連結部材１１と連結部材１２とは、異なる構造であっても構わないが同一構造であることが低コストの観点から好ましい。いずれの連結部材１１，１２も、各ロッド９が自身の長手方向に平行な軸線まわりに回転することを防止する機能を有する。

また、パラレルメカニズム１は、エンドエフェクタ部（手先）１３を回動可能に取り付けるためのブラケット１４を有している。ブラケット１４は、略正三角形状をした板状部材である。このブラケット１４は、３本のアーム本体６によって、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａ（図１におけるブラケット１４の下面）がベース部２の取付面２ａと平行（すなわち水平）になるように保持される。

ブラケット１４の各辺には取付片１５が形成されている。各取付片１５がそれぞれのアーム本体６の遊端部（第２アーム８を構成する一対のロッド９，９の遊端部）に連結されることで、ブラケット１４は、各アーム本体６に対して、各アーム本体６の遊端部を中心として揺動する。詳しくは、ブラケット１４の各取付片１５の各端部が、対応する各ロッド９，９の遊端部に各ボールジョイント１６，１６（特許請求の範囲に記載の第２のボールジョイントに相当）によって連結される。なお、一対のボールジョイント１６，１６を結ぶ軸線Ｃ４（図２参照）も、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となる。このため、ブラケット１４は、水平な軸線Ｃ４を中心として各アーム本体６に対して揺動することができる。そして、略正三角形状のブラケット１４のすべての辺において、水平な軸線Ｃ４を中心として揺動できるように、ブラケット１４が３本のアーム本体６によって支持されている。

第１アーム７と第２アーム８との連結部における一対のボールジョイント１０，１０間の距離と、第２アーム８の各ロッド９とブラケット１４との連結部における一対のボールジョイント１６，１６間の距離とは等しく設定されている。そのため、上述したように、第２アームを構成する一対のロッド９は、その長手方向の全長において互いに平行に配置される。軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のいずれもが、ベース部２の取付面２ａに平行であるから、第１アーム７、第２アーム８及びブラケット１４がそれぞれ軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を中心にどのように揺動したとしても、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａとベース部２の取付面２ａとの平行関係が維持される。

そして、電子制御装置からの指令に応じて、各電動モータ４の出力軸に固定されたアーム支持部材５の回転位置が制御されることで、各第１アーム７の遊端部の位置が制御される。この制御された各第１アーム７の遊端部の位置に、各第２アーム８の遊端部の位置が追従し、その結果、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａの位置が決まる。このとき、上述したように、ブラケット１４は、水平姿勢を維持したまま移動する。

また、パラレルメカニズム１は、その中央に鉛直方向に延びる旋回軸ロッド２０と、この旋回軸ロッド２０を回転するための電動モータ２１とを有する。電動モータ２１は、その軸出力を鉛直下方に向けた状態でベース部２に固定されている。旋回軸ロッド２０の一端部は、自在継手（以下「ユニバーサルジョイント」という）２２を介して電動モータ２１の出力軸に連結されている。一方、旋回軸ロッド２０の他端部は、ユニバーサルジョイント２３を介してエンドエフェクタ部１３に接続されている。旋回軸ロッド２０は、ロッド２０ａとシリンダ２０ｂとにより実現され、伸縮自在に構成されている。さらに、旋回軸ロッド２０はボールスプラインであるため、ロッド２０ａの回転をシリンダ２０ｂに伝達することが可能である。旋回軸ロッド２０の両端部にユニバーサルジョイント２２，２３が採用されているため、ブラケット１４が３つの電動モータ４の駆動により上下、前後左右の所定の位置に移動したとしても、旋回軸ロッド２０は、その所定位置に追従して移動することができる。なお、電動モータ２１も、上述した電子制御装置に接続されており、電動モータ２１の出力軸の回転がこの電子制御装置により制御されることにより、エンドエフェクタ部１３の回転位置が制御される。

続いて、図３を参照して、ロッド９の遊端部と、ブラケット１４とを揺動可能に連結するボールジョイント１６の構造について説明する。ここで、図３は、ボールジョイント１６の断面図である。なお、このボールジョイント１６の構造と、ロッド９の基端部と第１アーム７の遊端部とを連結するボールジョイント１０の構造とは同一又は同様であるので、ここでは、ボールジョイント１０の構造についての説明を省略する。

ボールジョイント１６は、例えば鋼鉄製のボールスタッド３０と、ソケット部材としてのロッド３３と、受け部としての樹脂カップ３７とを有して構成されている。

ボールスタッド３０は、その先端部において、一体的に設けられた球状外周面を有する球状頭部３１を有している。また、ボールスタッド３０の球状頭部３１には、軸部３２が一体的に突設されている。

ロッド３３は、その一端部において、球状頭部３１の球状外周面に略対応した内周面を有する半球状凹部３４及び、該半球状凹部３４から滑らかに連続するリング形状の延長部３５が形成されたソケット３６を備えている。ソケット３６に形成された半球状凹部３４は、図３に示された静止状態において、球状頭部３１の先端部から赤道３８までを保持するように形成されている。なお、球状頭部３１の赤道３８とは、ボールスタッド３０の中心軸に直交する平面が、球状頭部３１の直径が最大となる位置にある時の平面と球状頭部３１との交線をいう。

延長部３５は、略円筒状に形成されており、延長部３５の中心軸が、一対のロッド９，９（ロッド３３，３３）それぞれの中心軸により定義される平面に対して平行に、かつ、一対のロッド９，９（ロッド３３，３３）それぞれの中心軸に対して垂直に延びるように形成されている。延長部３５は、その内径が球状頭部３１の直径と同じかわずかに大きく形成されている。また、本実施形態では、球状頭部３１の直径１６ｍｍに対して、延長部３５の長さδを０．５ｍｍに設定した。なお、延長部３５の長さδは、例えば、球状頭部３１の直径、連結部材１２の全長（或いは、連結部材１２が含む引張コイルバネの密着長）、負荷などの使用条件等を考慮して設定することが好ましい。

ソケット３６に形成された半球状凹部３４及び延長部３５と、そこに保持されたボールスタッド３０の球状頭部３１との間には、樹脂カップ３７が介装されている。樹脂カップ３７は、半球状凹部３４及び延長部３５の内面に密着するように装着されている。なお、樹脂カップ３７を形成する樹脂材料としては、例えばフッ素樹脂などの低摩擦性のものが好適に用いられる。

上述したソケット３６内に、球状頭部３１が収容、保持されることによって、ボールスタッド３０が揺動自在かつ回動自在に連結される。また、ボールスタッド３０の軸部３２には、ブラケット１４の取付片１５が固定されている。一方、ロッド３３には、ロッド９の先端部が挿入され、ロッド３３とロッド９とが互いに回り止めされた状態で固定される。さらに、対となって第２アーム８を構成する他方のロッド９も同様に、ボールジョイント１６を介してブラケット１４の取付片１５に連結される。これにより、第２アーム８とブラケット１４とが揺動可能に連結される。

ここで、パラレルメカニズム１の動作中にエンドエフェクタ部１３（ブラケット１４）に生じる外力は、分解されて各ロッド９に対しては軸方向の負荷として働く。以上の構成において、ロッド９の軸方向に負荷が加えられた場合、ソケット３６に形成された半球状凹部３４及び該半球状凹部３４から滑らかに連続する延長部３５によって、ソケット３６に作用する反力（ロッド９の軸方向に働く負荷に対する反力）が垂直に受け止められる。そのため、ソケット３６を外す方向に作用する斥力（軸部３２の軸線方向に対する反力の分力）の発生が抑えられる。

本実施形態によれば、ボールジョイント１６を構成するソケット３６に半球状凹部３４から滑らかに連続する延長部３５が形成されているため、ソケット３６に作用する反力を垂直に受け止めることができ、ソケット３６を外す方向に作用する斥力の発生を抑えることができる。そのため、ボールスタッド３０の球状頭部３１がソケット３６から外れることを抑制することが可能となる。一方、延長部３５の開口部の内径が、球状頭部３１の直径と同じかわずかに大きく形成されているため、例えば分解整備等を行う際には、ソケット３６をボールスタッド３０の軸部の軸線方向に沿って外側に、連結部材１２の引張力よりも大きい力で引っ張ることにより、ボールスタッド３０をソケット３６から外すことができる。その結果、メンテナンス性を悪化させることなく、ボールジョイント１６の外れを抑制することが可能となる。

特に、本実施形態では、延長部３５が、略円筒状に形成されるとともに、その中心軸が、一対のロッド９，９（ロッド３３，３３）それぞれの中心軸により定義される平面に対して平行に、かつ、一対のロッド９，９（ロッド３３，３３）それぞれの中心軸に対して垂直に延びるように形成されているため、パラレルメカニズム１の動きに伴い、ロッド９（ロッド３３）の中心軸方向に過大な負荷がかかったとしても、ボールジョイント１６の外れを確実に抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、延長部３５の長さδが、球状頭部３１の直径、連結部材１２の全長、負荷などの使用条件等を考慮して設定されるため、延長部３５の長さδを適切に設定することができ、パラレルメカニズム１のメンテナンス性及び可動範囲を確保しつつ、ボールジョイント１６の外れを抑制することが可能となる。

ここで、本実施形態によって、ボールジョイントの外れを抑制することが可能であることを実施例及び比較例によって、具体的に示す。実施例及び比較例では、エンドエフェクタ部の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が（４５０，−２６０，８６０）（ｍｍ）の位置で−Ｙ方向に加える負荷（Ｎ）を変化させ、ボールジョイントが外れる負荷（Ｎ）をロードセルを用いて測定した（図５、測定方法の欄を参照）。

実施例では、上述したボールジョイント１６と同じ構造のボールジョイントを用いた。一方、比較例では、延長部が形成されておらず、かつ、半球状凹部の開口端部が図４に示された静止状態において球状頭部の赤道から１ｍｍ先端側に位置するボールジョイント（図４参照）を用いた。

測定結果を図５に示す。図５から分かるように、比較例では、１５０（Ｎ）の負荷（軸力換算では４３０（Ｎ））をかけたときに１軸のボールジョイントに外れが生じた。一方、実施例では、３５０（Ｎ）の負荷（軸力換算では１０００（Ｎ））をかけた場合でもボールジョイントの外れは発生しなかった。以上のことから、本実施形態の有効性が確認された。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、延長部３５が略円筒状に形成されていたが、延長部の形状は略円筒状には限られない。例えば、延長部は、側面方向から見た場合に台形状となるように形成されていてもよい。

上記実施形態では、ロッド９の遊端部とブラケット１４とを揺動可能に連結するボールジョイント１６と、ロッド９の基端部と第１アーム７の遊端部とを連結するボールジョイント１０とは同一の構造のものを用いたが、例えば、各ボールジョイントに加わる負荷等を考慮して、異なる構造のものを用いてもよい。

実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成を示す斜視図である。 図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズムを示す図である。 実施形態に係るパラレルメカニズムに用いられるボールジョイントの断面図である。 比較例として用いたボールジョイントの断面図である。 実施例及び比較例の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ パラレルメカニズム
２ ベース部
３ 支持部材
４，２１ 電動モータ
５ アーム支持部材
６ アーム本体
７ 第１アーム
８ 第２アーム
９ ロッド
１０，１６ ボールジョイント
１１，１２ 連結部材
１３ エンドエフェクタ部
１４ ブラケット
１５ 取付片
２０ 旋回軸ロッド
２２，２３ ユニバーサルジョイント
３０ ボールスタッド
３１ 球状頭部
３２ 軸部
３３ ロッド
３４ 半球状凹部
３５ 延長部
３６ ソケット
３７ 樹脂シート
３８ 赤道

Claims (4)

1. 複数のアームを介してベース部とブラケットとが並列に連結されるパラレルメカニズムにおいて、
   前記複数のアームを構成する各アームは、
   前記ベース部に取り付けられたアクチュエータにその一端が連結される第１リンクと、
   一対のロッドを有し、前記第１リンクの他端と前記ブラケットとを連結する第２リンクと、
   前記第２リンクを構成する前記一対のロッドの一端と前記第１リンクの他端とを揺動可能に連結する第１のボールジョイントと、前記一対のロッドの他端と前記ブラケットとを揺動可能に連結する第２のボールジョイントと、
   前記一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢する引張部材と、を備え、
   前記第１のボールジョイント及び第２のボールジョイントの内、少なくともいずれかのボールジョイントは、軸部と球状頭部とを含むボールスタッドと、該ボールスタッドの球状頭部を揺動回動自在に保持するソケットとを有し、
   前記ソケットは、前記球状頭部の先端部から赤道までを保持する半球状凹部と、該半球状凹部から滑らかに連続し、前記球状頭部の赤道から前記軸部側へ延びる延長部とを含み、
   前記延長部の開口部の内径は、前記球状頭部の直径と同じか該直径よりも大きく形成されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記一対のロッドは、それぞれの中心軸が互いに平行となるように配置されており、
   前記延長部は、略円筒状に形成されており、該延長部の中心軸は、前記一対のロッドそれぞれの中心軸により定義される平面に対して平行に、かつ、前記一対のロッドそれぞれの中心軸に対して略垂直に延びていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルメカニズム。
3. 前記延長部の長さは、前記球状頭部の直径に応じて設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム。
4. 前記延長部の長さは、前記引張部材の全長に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパラレルメカニズム。
   

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