パラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置
【課題】部品等を高精度に、高い自由度で移動可能であり、また小型、軽量なパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置を提供すること。
【解決手段】位置決め装置１は、パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４が載置されるベース３と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４を制御する制御部５とから構成されている。パラレルメカニズム２は、アーム１０，２０，３０，４０と、可動先端部６０とから構成され、アーム１０，２０，３０，４０には、側面視円弧型のばね関節１４〜１６，２４〜２６，３４〜３６，４４〜４６が設けられている。従って、パラレルメカニズム２内の複数のばね関節の形状により変形方向を制御し、これら複数のばね関節の復元力を拮抗させることで動作精度と剛性を高めることができる。
【解決手段】位置決め装置１は、パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４が載置されるベース３と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４を制御する制御部５とから構成されている。パラレルメカニズム２は、アーム１０，２０，３０，４０と、可動先端部６０とから構成され、アーム１０，２０，３０，４０には、側面視円弧型のばね関節１４〜１６，２４〜２６，３４〜３６，４４〜４６が設けられている。従って、パラレルメカニズム２内の複数のばね関節の形状により変形方向を制御し、これら複数のばね関節の復元力を拮抗させることで動作精度と剛性を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関し、詳細には、複数の自由度を有するパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタやプロジェクタ等の光学製品に使用されるレンズやミラー等の光学部品の取り付けには高い位置・角度精度が必要とされている。これらの生産ラインでは光学部品を別の場所から移動させ、位置決めを精密に行い、当該光学部品の取り付けを自動化して行うことが一般的になっている。このような光学部品の位置決めは、多くの場合、比較的高精度を有する直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて行っている。この方法では機械の重量やサイズが大きくなり、また異なる製品への応用のための装置組み替えも煩雑である。
【０００３】
この問題を解決するために、関節にヒンジなどの弾性体構造を応用した装置が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照。）。非特許文献１に記載の装置では、高精度の位置決め装置としてパラレルメカニズムを応用したマイクロフィンガーモジュールを用いている。また、非特許文献２に記載の装置では、超弾性ヒンジを用いたパンタグラフ機構を用いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】谷川民生、新井健生、“並進３自由度を有するマイクロフィンガーモジュール”、日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．２、ｐ．１９６−２０５、２００２。
【非特許文献２】堀江三喜男、小林太、池上皓三、岡部信次、“超弾性ヒンジからなるパンタグラフ機構の特性解析”、日本機械学会論文集（Ｃ編） ６２巻 ５９８号、ｐ．３１７−３２２、１９９６。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の位置決め装置では、直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて用いるので、位置決め装置のサイズ、重量が大きくなるという問題点があった。また、非特許文献１に記載の装置では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）により製作した関節部は大きな変形を考慮した構造ではないため、関節の動作領域が非常に小さいという問題点があった。また、非特許文献２に記載の装置では、関節に平面状の板ばねを用いているので、動作の自由度が小さく動作幅が取れないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、部品等を高精度に、高い自由度で移動可能であり、また小型、軽量なパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のパラレルメカニズムでは、複数のアームと、前記各アームにより支持される１つの可動先端部と、前記各アームに各々少なくとも１つ設けられた第一ばね関節と、前記各アームの先端部と前記可動先端部との間に設けられた第二ばね関節とを備えたことを特徴とする。この構成のパラレルメカニズムでは、関節にばね部材を用いているので、バックラッシュのない滑らかな動作を実現できる。
【０００８】
また、前記第一ばね関節及び第二ばね関節は、側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねから構成されるようにしてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、前記第一ばね関節及び第二ばね関節は円弧型の屈曲部を備えた板ばねを備えているので、大歪み変形し易く、通常の板はねに比べて回転角度を大きくとることができる。
【０００９】
また、前記アームは対向するように配置され、当該対向配置された前記アームの前記第一ばね関節の前記屈曲部は、屈曲部内面が対向するように配置されてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、屈曲部内面が対向するように配置された第一ばね関節の歪みにより生じる力が互いに拮抗して、パラレルメカニズムの機構全体の剛性を向上できる。
【００１０】
また、前記第二ばね関節は、屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いているように配置されてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、第二ばね関節の屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いているので、当該第二ばね関節の歪みにより生じる力と前記第一ばね関節の歪みにより生じる力が互いに拮抗して、パラレルメカニズムの機構全体の剛性を向上できる。
【００１１】
また、前記各アームには、前記第一ばね関節と前記第二前記との間に、前記第一ばね関節と同形状の第三ばね関節が各々設けられ、１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されていてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されているので、Ｘ軸回りの回転と、Ｙ軸回りの回転を実現することができる。このとき、第三ばね関節は屈曲部内面に対して捻れ方向に変形が作用する場合があるが、ばねの柔軟な性質により動作を実現することができる。
【００１２】
また、位置決め装置は、上記パラレルメカニズムと、当該パラレルメカニズムの各アームの基部を移動させるアクチュエータとを備えたことを特徴とする。この構成の位置決め装置では、アクチュエータによりパラレルメカニズムのアームの基部を移動させて、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【００１３】
また、位置決め装置では、前記アクチュエータとしては、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させるように直線上を移動させるアクチュエータを用いてもよい。この構成の位置決め装置では、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させることにより、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【００１４】
また、位置決め装置では、前記アクチュエータを制御する制御部を備えてもよい。この構成の位置決め装置では、制御部により前記アクチュエータを制御して、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の位置決め装置１の斜視図である。
【図２】パラレルメカニズム２の基準状態の斜視図である。
【図３】パラレルメカニズム２の基準状態の正面図である。
【図４】パラレルメカニズム２の関節に用いる第一ばね関節１４の斜視図である。
【図５】パラレルメカニズム２の関節に用いる第一ばね関節１４の動作状態を示す斜視図である。
【図６】位置決め装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】位置決め装置１の機構モデル図である。
【図８】解析に使用したアーム１３０の側面図である。
【図９】アームの先端部に力を加えて変形した場合のアームの先端の軌跡を示すグラフである。
【図１０】側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねの変形解析のグラフである。
【図１１】解析に使用した比較例の平行４節リンク機構２００の正面図である。
【図１２】解析に使用した平行４節リンク機構２１０の正面図である。
【図１３】側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねの向かい合わせ配置による変形角度補償の解析のグラフである。
【図１４】解析に使用した平行４節リンク機構２３０の斜視図である。
【図１５】平行４節リンク機構の剛性変化を示すグラフである。
【図１６】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１を外側に移動した状態の斜視図である。
【図１７】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１を外側に移動した状態の正面図である。
【図１８】パラレルメカニズム２のアーム３０の基部リンク３１を外側に移動した状態の斜視図である。
【図１９】パラレルメカニズム２のアーム３０の基部リンク３１を外側に移動した状態の正面図である。
【図２０】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を各々外側に放射状に移動した状態の斜視図である。
【図２１】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を各々外側に移動した状態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態のパラレルメカニズム２及び当該パラレルメカニズム２を用いた位置決め装置１の機械的構造について図１〜図５を参照して説明する。
【００１７】
位置決め装置１は、所謂パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４が載置されるベース３と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４を制御する制御部５とから構成されている。
【００１８】
まず、パラレルメカニズム２の構造について説明する。図１〜図３に示すように、パラレルメカニズム２は、４本のアーム１０，２０，３０，４０と、これらアーム１０，２０，３０，４０により支持される可動先端部６０とから構成されている。アーム１０とアーム３０は互いに対向するように配置され、また、アーム２０とアーム４０も、互いに対向するように配置されている。即ち、アーム１０とアーム２０，アーム２０とアーム３０，アーム３０とアーム４０、アーム４０とアーム１０は、平面視、互いに９０度の角度で配置されている。また、可動先端部６０は、平面視、十字状に形成された板状の部材であり、各種の治具等が固定できるようになっている。尚、アーム１０，２０，３０，４０及び可動先端部６０の材質の一例としては、金属部材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼やアルミニュウム合金等の剛性のある金属を使用すればよい。また、十分な剛性があれば、合成樹脂部材を用いてもよい。
【００１９】
アーム１０は、角柱状の基部リンク１１と、中間リンク１２と、上部リンク１３と、当該基部リンク１１の上部と中間リンク１２の下部とを繋ぐ第一ばね関節１４と、中間リンク１２の上部と上部リンク１３の下部とを繋ぐ第三ばね関節１５と、上部リンク１３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節１６とから構成されている。また、基部リンク１１の下端部には、リニアアクチュエータ６１の軸部６１１により移動される先端部６１２に嵌合する嵌合突起１１Ａが突出している。さらに、各ばね関節１４〜１６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２０】
また、同様に、アーム２０は、角柱状の基部リンク２１と、中間リンク２２と、上部リンク２３と、当該基部リンク２１の上部と中間リンク２２の下部とを繋ぐ第一ばね関節２４と、中間リンク２２の上部と上部リンク２３の下部とを繋ぐ第三ばね関節２５と、上部リンク２３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節２６とから構成されている。また、基部リンク２１の下端部には、リニアアクチュエータ６２の軸部６２１により移動される先端部６２２に嵌合する嵌合突起２１Ａが突出している。さらに、各ばね関節２４〜２６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２１】
また、同様に、アーム３０は、角柱状の基部リンク３１と、中間リンク３２と、上部リンク３３と、当該基部リンク３１の上部と中間リンク３２の下部とを繋ぐ第一ばね関節３４と、中間リンク３２の上部と上部リンク３３の下部とを繋ぐ第三ばね関節３５と、上部リンク３３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節３６とから構成されている。また、基部リンク３１の下端部には、リニアアクチュエータ６３の軸部６３１により移動される先端部６３２に嵌合する嵌合突起３１Ａが突出している。さらに、各ばね関節３４〜３６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２２】
また、同様に、アーム４０は、角柱状の基部リンク４１と、中間リンク４２と、上部リンク４３と、当該基部リンク４１の上部と中間リンク４２の下部とを繋ぐ第一ばね関節４４と、中間リンク４２の上部と上部リンク４３の下部とを繋ぐ第三ばね関節４５と、上部リンク４３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節４６とから構成されている。また、基部リンク４１の下端部には、リニアアクチュエータ６４の軸部６４１により移動される先端部６４２に嵌合する嵌合突起４１Ａが突出している。さらに、各ばね関節３４〜３６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２３】
次に、図４及び図５を参照して、第一ばね関節１４の構造を説明する。第一ばね関節１４は、側面視、円弧型の屈曲部１４３（屈曲部内面１４３Ａ、屈曲部外面１４３Ｂ）を備えた板ばねであり、屈曲部１４３の両端部から板状の固定部１４１及び板状の固定部１４２が各々延設されている。固定部１４１には、螺子孔１４５，１４６が設けられ、固定部１４２には、螺子孔１４７，１４８が設けられている。この第一ばね関節１４の部材の一例としては、ばねとして機能する弾性を有する金属を用いることができる。一例としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼を用いてもよい。また、屈曲部１４３を側面視した場合の円弧の長さは、図４及び図５に示すものに限られず、必要に応じて適宜円弧の長さを変えたばねを用いることが出来る。この第一ばね関節１４は、図５に示すように、屈曲部１４３の円弧内部に回転軸を持った回転関節として機能することができる。また、第一ばね関節１４は、同じ厚みの場合には、平面状の板ばねを用いた場合よりも大きく回動できる。尚、本実施の形態では、第二ばね関節１６、第三ばね関節１５、第一ばね関節２４、第二ばね関節２６、第三ばね関節２５、第一ばね関節３４、第二ばね関節３６、第三ばね関節３５、第一ばね関節４４、第二ばね関節４６、第三ばね関節４５も第一ばね関節１４と同様の構造及び材質となっている。なお、各関節のばねの定数等は本実施の形態では全て同じにしたが、場所により異ならせてもよい。
【００２４】
また、アーム１０の第一ばね関節１４とアーム３０の第一ばね関節３４とは屈曲部内面が互いに向き合うように配置されている。また、アーム２０の第一ばね関節２４とアーム４０の第一ばね関節４４も屈曲部内面が互いに向き合うように配置されている。また、可動先端部６０と各アーム１０〜４０の先端部を繋ぐ第二ばね関節１６，２６，３６，４６は、屈曲部内面が各アーム１０〜４０の延設方向側（図１〜図３において下側）を向くように載置されている。さらに、本実施の形態では、一例として、パラレルメカニズム２を平面視した場合に、各アーム１０〜４０の第三ばね関節１５，２５，３５，４５の屈曲部内面は、全て反時計回り方向を向いている。これは、全て時計回り方向を向くようにしてもよい。
【００２５】
次に、図６を参照して、位置決め装置１の電気的構成について説明する。図６に示すように、位置決め装置１は、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、当該リニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御部５とから構成されている。リニアアクチュエータ６１〜６４は、一例として、ＤＣモータから構成され、ボールねじからなる軸部６１１，６２１，６３１，６４１と、各軸部６１１，６２１，６３１，６４１の先端部に設けられ直線上に移動する先端部６１２，６２２，６３２，６４２とから構成されている。また、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４は、ベース３の円周上で９０度の位相で配置されている。尚、リニアアクチュエータ６１〜６４は、上記構造のものに限られず、直線動作を実現できるものであれば、各種の構造のものを用いることができる。
【００２６】
また、制御部５は、制御コンピュータ５１と当該制御コンピュータ５１に接続されたモータドライバ８１，８２，８３，８４とから構成されている。モータドライバ８１はケーブル７１によりリニアアクチュエータ６１に接続され、モータドライバ８２はケーブル７２によりリニアアクチュエータ６２に接続され、モータドライバ８３はケーブル７３によりリニアアクチュエータ６３に接続され、モータドライバ８４はケーブル７４によりリニアアクチュエータ６４に接続されている。
【００２７】
従って、制御部５の制御コンピュータ５１は、可動先端部６０の目標移動量に対して、位置決め装置１の機構学演算により各リンク１０，２０，３０，４０の移動量を求め、リニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御信号を生成する。その後、モータドライバ８１〜８４は、生成された制御信号を基にリニアアクチュエータ６１〜６４を制御することにより、４本のアーム１０，２０，３０，４０を動作させることができる。
【００２８】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係るばね位置決め装置１の機構モデルについて説明する。図７に示すように、位置決め装置１は、可動先端部６０が位置決め装置１のベース３を基点とする回転中心８に対して、２自由度の回転動作が可能であり、またベース３に対して高さ方向への１自由度並進動作が可能である。即ち、位置決め装置１では、可動先端部６０は、Ｘ軸周りの回転、Ｙ軸周りの回転、及びＺ軸方向への並進移動が可能ある。従って、可動先端部６０は揺動運動も可能である。尚、回転中心８は、アーム１０，２０，３０，４０の全てのばね関節が屈曲していない状態を初期状態として、初期状態のときの各アーム１０，２０，３０，４０の第三ばね関節１５，２５，３５，４５を結ぶ平面と可動先端部６０の中心との交点として規定される。
【００２９】
次に、図８及び図９を用いて、本実施の形態に使用される各ばね関節を構成する側面視円弧型のばね部材の大変形ばね解析の結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、側面視円弧型のばね部材１３４の解析を行った。このばね部材１３４は厚さ０．２５ｍｍ、円弧外形６ｍｍ、幅１５ｍｍである。本解析では、ばね部材１３４の材質を一例としてＳＵＳ３０４とした。アーム１３０を構成するリンク１３１及びリンク１３２を剛体とみなし、ばね部材１３４のみＦＥＭＡＰ（商標）（ver.10.0.2)によりメッシュを作成し、図８のように剛体のリンク１３１及びリンク１３２とばね部材１３４とを接続して固定した。リンク１３２の先端に力を水平方向に±５Ｎまで加えていき、そのときのリンク先端位置及び回転中心を求めた。
【００３０】
図９は、リンク１３２の先端に力を水平方向に加えて、ばね部材１３４を変形させたときのリンク１３２の先端の軌跡と近似した円軌跡を示している。解析の結果、リンク１３２の先端の軌跡は半径５５ｍｍ、中心（−１．９，０．０）の円に極めて近くなることが分かった（解析結果と近似した円軌跡の相関係数γ＝０．９９９９９８３）。よって、側面視、円弧型のばね部材１３４が円弧部内側に回転軸をもった回転関節と近似できることが示された。また、ＳＵＳ３０４の降伏応力２１０ＭＰａ以内では、おおよそ±１０度回転することが明らかになった。本解析では、例として、ＳＵＳ３０４での解析を行ったが、より大きな降伏応力をもつ超弾性合金を用いれば、弾性域内での回転角をより広くすることができる。
【００３１】
次に、図８及び図１０を参照して、側面視、円弧型のばね部材１３４の大歪み変形解析について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、側面視円弧型のばね部材１３４と、比較例としての平面状の板はねの解析を行った。側面視円弧型のばね部材１３４は厚さ０．２５ｍｍ、円弧半径３ｍｍ（円弧外形６ｍｍ）、幅１５ｍｍであり、比較例の平面状の板ばねは厚さ０．２５ｍｍ、長さ６ｍｍ、幅１５ｍｍである。また、縦弾性率１９７ＧＰａ、横弾性率７４ＧＰａである。本解析では、ばね部材１３４及び比較例の板ばねの材質を一例としてＳＵＳ３０４とした。リンクの先端に力を水平方向に±５Ｎまで加えていき、そのときのリンク１３２の先端の垂直方向に対する回転角度θ（ｄｉｇ）と、変形回転角度（Ｔｉｍｅ［ｓ］）を求めた。図１０に示すグラフでは、実線は比較例の平面状の板ばねであり、波線は側面視円弧型のばね部材１３４を示す。図１０を参照すると分かるように、ばね部材１３４は、＋２９．８度から−２７．９度まで撓むことが出来るが、比較例の平面状の板ばねでは、＋１８．４度から−１８．２度までしか撓むことができないことが判明した。従って、側面視円弧型のばね部材１３４は、非対称であるが、広い回転角度を得られることが判明した。
【００３２】
次に、図１１，図１２及び図１３に示すグラフを参照して、側面視円弧型のばね部材１３４の向かい合わせによる変形角度補償の解析結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、図１１に示す比較例の平行四節リンク２００及び図１２に示す平行四節リンク２１０の変形角度補償について解析した。平行四節リンク２００及び平行四節リンク２１０は、何れも、剛体とみなせるリンク１１１とリンク１１２とを側面視円弧型のばね部材１１４で接続し、また、剛体とみなせるリンク１３１とリンク１３２とを側面視円弧型のばね部材１３４で接続している。さらに、剛体とみなせる可動先端部１６０とリンク１１２とを先端部を側面視円弧型のばね部材１１５で接続し、当該可動先端部１６０とリンク１３２の先端部を側面視円弧型のばね部材１３５で接続している。ここで、側面視円弧型のばね部材１１４，１３４，１１５，１３５は、何れも厚さ０．２５ｍｍ、円弧半径３ｍｍ（円弧外形６ｍｍ）、幅１５ｍｍとした。図１１に示す平行四節リンク２００では、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、いずれも同一方向（図１１に於ける右方向）を向いている。これに対して、図１２に示す平行四節リンク２１０では、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）となっている。この状態で、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎ（以下、Ｐとする。）の力を加えた。
【００３３】
上記の解析の結果、図１３では、点線Ａは、図１１に示す状態の平行四節リンク２００の可動先端部１６０の中心部の軌跡を示し、実線Ｂは、図１２に示す状態の平行四節リンク２１０の可動先端部１６０の中心部の軌跡を示している。ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）となっている平行四節リンク２１０では、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた場合に可動先端部１６０の中心部は左右対称の軌跡を示すのに対し、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面が、いずれも同一方向（図１１に於ける右方向）を向いている平行四節リンク２００では、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた場合に可動先端部１６０の中心部は左右対称の軌跡を示さずに、＋方向（図１１に於ける右方向）に大きく撓むことが判明した。従って、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）とすることで、平行四節リンク２１０の左右方向への移動精度の補償することができることが判明した。
【００３４】
次に、図１２，図１４及び図１５に示すグラフを参照して、剛性変化による精度向上についての解析結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、図１２に示す平行四節リンク２１０のリンク１１１及び１３１を外側に広げていない場合及び図１４に示す平行四節リンク２３０の下部のリンク１１１及び１３１を外側に広げた場合に、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた。尚、平行四節リンク２１０及び平行四節リンク２３０の構造材質は、平行四節リンク２００と同一である。図１５のグラフでは、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げていない平行四節リンク２１０の場合の可動先端部１６０の移動量が点線Ｂであり、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げている平行四節リンク２３０の場合の可動先端部１６０の移動量が実線Ｃである。図１５のグラフの実線Ｃが示すように、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げている平行四節リンク２３０の場合が可動先端部１６０の移動量が少ないことが判明した。従って、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げると、ばね部材１１４，１３４，１１５，１３５の回転トルクが平行四節リンク２３０全体で拮抗し合うことで、平行四節リンク２３０全体の剛性を変化させることが判明した。
【００３５】
次に、図１〜図３，図６，図１６〜図２１を参照して、本実施の形態の位置決め装置１の動作について説明する。先ず、図６に示す制御部５の制御コンピュータ５１は、可動先端部６０の目標移動量に対して、位置決め装置１の機構学演算により各リンク１０，２０，３０，４０の移動量を求め、図１及び図６に示すリニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御信号を生成する。その後、モータドライバ８１〜８４は、制御コンピュータ５１で生成された制御信号を基に各リニアアクチュエータ６１〜６４を制御して、アーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を移動させることにより、４本のアーム１０，２０，３０，４０を動作させる。
【００３６】
例えば、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図１６及び図１７に示すように、アーム１０の基部リンク１１を外側（図１７に於ける右側方向）へ移動することにより、可動先端部６０を図１７に於ける右方向へ移動することができる。また、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図１８及び図１９に示すように、アーム３０の基部リンク３１を外側（図１９に於ける左側方向）へ移動することにより、可動先端部６０を図１９に於ける左方向へ移動することができる。
【００３７】
また、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図２０及び図２１に示すように、アーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を全て外側へ放射状に移動することにより、可動先端部６０を図２１に於ける下方向（Ｚ軸方向の下方向）へ移動することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態のパラレルメカニズム２を備えた位置決め装置１では、可動先端部６０を位置決め装置１のベース３を基点とする回転中心８（図７参照）に対して、２自由度の回転動作が可能であり、またベース３に対して高さ方向への１自由度並進動作が可能である。
【００３９】
また、本実施の形態の位置決め装置１では、例えば、対向する対の二本のアーム１０、３０をそれぞれ同方向へ動作させることで、側面視円弧型のばねを用いた第一ばね関節１４、第二ばね関節１６及び第三ばね関節１５と、第一ばね関節３４、第二ばね関節３６及び第三ばね関節３５とが屈曲し、可動先端部６０は、これら二本のアーム１０、３０が存在する平面上を回転中心８（図７参照）を中心として回転することができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態の位置決め装置１では、回転関節に（第一ばね関節、第二ばね関節及び第三ばね関節）に、側面視で円弧型のばね部材を用いることにより精密でかつ広い動作域を有するパラレルメカニズム及び当該パラレルメカニズムを用いた位置決め装置を実現できる。また、位置決め装置１を２自由度の回転動作と１自由度の並進動作に関して、任意の位置と角度に制御することができる。また、各アームの移動量を調節することにより、位置決め装置１の内力をばね関節のばね部材の拮抗力として高め、パラレルメカニズム２の剛性を向上し、位置精度を向上させることが可能である。さらに、バックラッシュのない滑らかな動作を実現できる位置決め装置１を小型・軽量に実現できる。
【００４１】
さらに、各々のアームを向かい合わせ、第一ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部内面を互いに向き合う構造とした場合には、関節の拘束力を高めパラレルメカニズム２の剛性をさらに向上し、位置精度を向上させることが可能である。位置決め装置１では、第三ばね関節がわずかにねじれ方向へ動作し、この動作を許容するためによりパラレルメカニズム２の装置内部の内力が高まり、剛性を向上する効果が得られる。
【００４２】
尚、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、パラレルメカニズム２のアームは４組に限られず、２組、３組等でもよい。また、第一ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部外面が互いに向き合う構造としてもよい。さらに、第二ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部内面が上向きになるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置は、各種の位置決め装置利用でき、特に、光学部品の高精度位置決めなど、産業用ロボットに利用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 位置決め装置
２ パラレルメカニズム
３ ベース
５ 制御部
１０ アーム
１１ 基部リンク
１２ 中間リンク
１３ 上部リンク
１４ 第一ばね関節
１５ 第三ばね関節
１６ 第二ばね関節
２０ アーム
２１ 基部リンク
２２ 中間リンク
２３ 上部リンク
２４ 第一ばね関節
２５ 第三ばね関節
２６ 第二ばね関節
３０ アーム
３１ 基部リンク
３２ 中間リンク
３３ 上部リンク
３４ 第一ばね関節
３５ 第三ばね関節
３６ 第二ばね関節
４０ アーム
４１ 基部リンク
４２ 中間リンク
４３ 上部リンク
４４ 第一ばね関節
４５ 第三ばね関節
４６ 第二ばね関節
５１ 制御コンピュータ
６０ 可動先端部
６１ リニアアクチュエータ
６２ リニアアクチュエータ
６３ リニアアクチュエータ
６４ リニアアクチュエータ
１４３ 屈曲部
１４３Ａ 屈曲部内面
１４３Ｂ 屈曲部外面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関し、詳細には、複数の自由度を有するパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタやプロジェクタ等の光学製品に使用されるレンズやミラー等の光学部品の取り付けには高い位置・角度精度が必要とされている。これらの生産ラインでは光学部品を別の場所から移動させ、位置決めを精密に行い、当該光学部品の取り付けを自動化して行うことが一般的になっている。このような光学部品の位置決めは、多くの場合、比較的高精度を有する直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて行っている。この方法では機械の重量やサイズが大きくなり、また異なる製品への応用のための装置組み替えも煩雑である。
【０００３】
この問題を解決するために、関節にヒンジなどの弾性体構造を応用した装置が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照。）。非特許文献１に記載の装置では、高精度の位置決め装置としてパラレルメカニズムを応用したマイクロフィンガーモジュールを用いている。また、非特許文献２に記載の装置では、超弾性ヒンジを用いたパンタグラフ機構を用いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】谷川民生、新井健生、“並進３自由度を有するマイクロフィンガーモジュール”、日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．２、ｐ．１９６−２０５、２００２。
【非特許文献２】堀江三喜男、小林太、池上皓三、岡部信次、“超弾性ヒンジからなるパンタグラフ機構の特性解析”、日本機械学会論文集（Ｃ編） ６２巻 ５９８号、ｐ．３１７−３２２、１９９６。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の位置決め装置では、直動アクチュエータを高剛性な金属構造物に組み合わせて用いるので、位置決め装置のサイズ、重量が大きくなるという問題点があった。また、非特許文献１に記載の装置では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）により製作した関節部は大きな変形を考慮した構造ではないため、関節の動作領域が非常に小さいという問題点があった。また、非特許文献２に記載の装置では、関節に平面状の板ばねを用いているので、動作の自由度が小さく動作幅が取れないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、部品等を高精度に、高い自由度で移動可能であり、また小型、軽量なパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のパラレルメカニズムでは、複数のアームと、前記各アームにより支持される１つの可動先端部と、前記各アームに各々少なくとも１つ設けられた第一ばね関節と、前記各アームの先端部と前記可動先端部との間に設けられた第二ばね関節とを備えたことを特徴とする。この構成のパラレルメカニズムでは、関節にばね部材を用いているので、バックラッシュのない滑らかな動作を実現できる。
【０００８】
また、前記第一ばね関節及び第二ばね関節は、側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねから構成されるようにしてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、前記第一ばね関節及び第二ばね関節は円弧型の屈曲部を備えた板ばねを備えているので、大歪み変形し易く、通常の板はねに比べて回転角度を大きくとることができる。
【０００９】
また、前記アームは対向するように配置され、当該対向配置された前記アームの前記第一ばね関節の前記屈曲部は、屈曲部内面が対向するように配置されてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、屈曲部内面が対向するように配置された第一ばね関節の歪みにより生じる力が互いに拮抗して、パラレルメカニズムの機構全体の剛性を向上できる。
【００１０】
また、前記第二ばね関節は、屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いているように配置されてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、第二ばね関節の屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いているので、当該第二ばね関節の歪みにより生じる力と前記第一ばね関節の歪みにより生じる力が互いに拮抗して、パラレルメカニズムの機構全体の剛性を向上できる。
【００１１】
また、前記各アームには、前記第一ばね関節と前記第二前記との間に、前記第一ばね関節と同形状の第三ばね関節が各々設けられ、１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されていてもよい。この構成のパラレルメカニズムでは、１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されているので、Ｘ軸回りの回転と、Ｙ軸回りの回転を実現することができる。このとき、第三ばね関節は屈曲部内面に対して捻れ方向に変形が作用する場合があるが、ばねの柔軟な性質により動作を実現することができる。
【００１２】
また、位置決め装置は、上記パラレルメカニズムと、当該パラレルメカニズムの各アームの基部を移動させるアクチュエータとを備えたことを特徴とする。この構成の位置決め装置では、アクチュエータによりパラレルメカニズムのアームの基部を移動させて、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【００１３】
また、位置決め装置では、前記アクチュエータとしては、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させるように直線上を移動させるアクチュエータを用いてもよい。この構成の位置決め装置では、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させることにより、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【００１４】
また、位置決め装置では、前記アクチュエータを制御する制御部を備えてもよい。この構成の位置決め装置では、制御部により前記アクチュエータを制御して、パラレルメカニズムを動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の位置決め装置１の斜視図である。
【図２】パラレルメカニズム２の基準状態の斜視図である。
【図３】パラレルメカニズム２の基準状態の正面図である。
【図４】パラレルメカニズム２の関節に用いる第一ばね関節１４の斜視図である。
【図５】パラレルメカニズム２の関節に用いる第一ばね関節１４の動作状態を示す斜視図である。
【図６】位置決め装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】位置決め装置１の機構モデル図である。
【図８】解析に使用したアーム１３０の側面図である。
【図９】アームの先端部に力を加えて変形した場合のアームの先端の軌跡を示すグラフである。
【図１０】側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねの変形解析のグラフである。
【図１１】解析に使用した比較例の平行４節リンク機構２００の正面図である。
【図１２】解析に使用した平行４節リンク機構２１０の正面図である。
【図１３】側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねの向かい合わせ配置による変形角度補償の解析のグラフである。
【図１４】解析に使用した平行４節リンク機構２３０の斜視図である。
【図１５】平行４節リンク機構の剛性変化を示すグラフである。
【図１６】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１を外側に移動した状態の斜視図である。
【図１７】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１を外側に移動した状態の正面図である。
【図１８】パラレルメカニズム２のアーム３０の基部リンク３１を外側に移動した状態の斜視図である。
【図１９】パラレルメカニズム２のアーム３０の基部リンク３１を外側に移動した状態の正面図である。
【図２０】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を各々外側に放射状に移動した状態の斜視図である。
【図２１】パラレルメカニズム２のアーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を各々外側に移動した状態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態のパラレルメカニズム２及び当該パラレルメカニズム２を用いた位置決め装置１の機械的構造について図１〜図５を参照して説明する。
【００１７】
位置決め装置１は、所謂パラレルメカニズム２と、パラレルメカニズム２を駆動するリニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４が載置されるベース３と、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４を制御する制御部５とから構成されている。
【００１８】
まず、パラレルメカニズム２の構造について説明する。図１〜図３に示すように、パラレルメカニズム２は、４本のアーム１０，２０，３０，４０と、これらアーム１０，２０，３０，４０により支持される可動先端部６０とから構成されている。アーム１０とアーム３０は互いに対向するように配置され、また、アーム２０とアーム４０も、互いに対向するように配置されている。即ち、アーム１０とアーム２０，アーム２０とアーム３０，アーム３０とアーム４０、アーム４０とアーム１０は、平面視、互いに９０度の角度で配置されている。また、可動先端部６０は、平面視、十字状に形成された板状の部材であり、各種の治具等が固定できるようになっている。尚、アーム１０，２０，３０，４０及び可動先端部６０の材質の一例としては、金属部材を用いることができ、例えば、ステンレス鋼やアルミニュウム合金等の剛性のある金属を使用すればよい。また、十分な剛性があれば、合成樹脂部材を用いてもよい。
【００１９】
アーム１０は、角柱状の基部リンク１１と、中間リンク１２と、上部リンク１３と、当該基部リンク１１の上部と中間リンク１２の下部とを繋ぐ第一ばね関節１４と、中間リンク１２の上部と上部リンク１３の下部とを繋ぐ第三ばね関節１５と、上部リンク１３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節１６とから構成されている。また、基部リンク１１の下端部には、リニアアクチュエータ６１の軸部６１１により移動される先端部６１２に嵌合する嵌合突起１１Ａが突出している。さらに、各ばね関節１４〜１６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２０】
また、同様に、アーム２０は、角柱状の基部リンク２１と、中間リンク２２と、上部リンク２３と、当該基部リンク２１の上部と中間リンク２２の下部とを繋ぐ第一ばね関節２４と、中間リンク２２の上部と上部リンク２３の下部とを繋ぐ第三ばね関節２５と、上部リンク２３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節２６とから構成されている。また、基部リンク２１の下端部には、リニアアクチュエータ６２の軸部６２１により移動される先端部６２２に嵌合する嵌合突起２１Ａが突出している。さらに、各ばね関節２４〜２６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２１】
また、同様に、アーム３０は、角柱状の基部リンク３１と、中間リンク３２と、上部リンク３３と、当該基部リンク３１の上部と中間リンク３２の下部とを繋ぐ第一ばね関節３４と、中間リンク３２の上部と上部リンク３３の下部とを繋ぐ第三ばね関節３５と、上部リンク３３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節３６とから構成されている。また、基部リンク３１の下端部には、リニアアクチュエータ６３の軸部６３１により移動される先端部６３２に嵌合する嵌合突起３１Ａが突出している。さらに、各ばね関節３４〜３６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２２】
また、同様に、アーム４０は、角柱状の基部リンク４１と、中間リンク４２と、上部リンク４３と、当該基部リンク４１の上部と中間リンク４２の下部とを繋ぐ第一ばね関節４４と、中間リンク４２の上部と上部リンク４３の下部とを繋ぐ第三ばね関節４５と、上部リンク４３の先端と可動先端部６０とを繋ぐ第二ばね関節４６とから構成されている。また、基部リンク４１の下端部には、リニアアクチュエータ６４の軸部６４１により移動される先端部６４２に嵌合する嵌合突起４１Ａが突出している。さらに、各ばね関節３４〜３６は、図示外の螺子により各リンク及び可動先端部６０に固定されている。
【００２３】
次に、図４及び図５を参照して、第一ばね関節１４の構造を説明する。第一ばね関節１４は、側面視、円弧型の屈曲部１４３（屈曲部内面１４３Ａ、屈曲部外面１４３Ｂ）を備えた板ばねであり、屈曲部１４３の両端部から板状の固定部１４１及び板状の固定部１４２が各々延設されている。固定部１４１には、螺子孔１４５，１４６が設けられ、固定部１４２には、螺子孔１４７，１４８が設けられている。この第一ばね関節１４の部材の一例としては、ばねとして機能する弾性を有する金属を用いることができる。一例としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼を用いてもよい。また、屈曲部１４３を側面視した場合の円弧の長さは、図４及び図５に示すものに限られず、必要に応じて適宜円弧の長さを変えたばねを用いることが出来る。この第一ばね関節１４は、図５に示すように、屈曲部１４３の円弧内部に回転軸を持った回転関節として機能することができる。また、第一ばね関節１４は、同じ厚みの場合には、平面状の板ばねを用いた場合よりも大きく回動できる。尚、本実施の形態では、第二ばね関節１６、第三ばね関節１５、第一ばね関節２４、第二ばね関節２６、第三ばね関節２５、第一ばね関節３４、第二ばね関節３６、第三ばね関節３５、第一ばね関節４４、第二ばね関節４６、第三ばね関節４５も第一ばね関節１４と同様の構造及び材質となっている。なお、各関節のばねの定数等は本実施の形態では全て同じにしたが、場所により異ならせてもよい。
【００２４】
また、アーム１０の第一ばね関節１４とアーム３０の第一ばね関節３４とは屈曲部内面が互いに向き合うように配置されている。また、アーム２０の第一ばね関節２４とアーム４０の第一ばね関節４４も屈曲部内面が互いに向き合うように配置されている。また、可動先端部６０と各アーム１０〜４０の先端部を繋ぐ第二ばね関節１６，２６，３６，４６は、屈曲部内面が各アーム１０〜４０の延設方向側（図１〜図３において下側）を向くように載置されている。さらに、本実施の形態では、一例として、パラレルメカニズム２を平面視した場合に、各アーム１０〜４０の第三ばね関節１５，２５，３５，４５の屈曲部内面は、全て反時計回り方向を向いている。これは、全て時計回り方向を向くようにしてもよい。
【００２５】
次に、図６を参照して、位置決め装置１の電気的構成について説明する。図６に示すように、位置決め装置１は、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４と、当該リニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御部５とから構成されている。リニアアクチュエータ６１〜６４は、一例として、ＤＣモータから構成され、ボールねじからなる軸部６１１，６２１，６３１，６４１と、各軸部６１１，６２１，６３１，６４１の先端部に設けられ直線上に移動する先端部６１２，６２２，６３２，６４２とから構成されている。また、リニアアクチュエータ６１，６２，６３，６４は、ベース３の円周上で９０度の位相で配置されている。尚、リニアアクチュエータ６１〜６４は、上記構造のものに限られず、直線動作を実現できるものであれば、各種の構造のものを用いることができる。
【００２６】
また、制御部５は、制御コンピュータ５１と当該制御コンピュータ５１に接続されたモータドライバ８１，８２，８３，８４とから構成されている。モータドライバ８１はケーブル７１によりリニアアクチュエータ６１に接続され、モータドライバ８２はケーブル７２によりリニアアクチュエータ６２に接続され、モータドライバ８３はケーブル７３によりリニアアクチュエータ６３に接続され、モータドライバ８４はケーブル７４によりリニアアクチュエータ６４に接続されている。
【００２７】
従って、制御部５の制御コンピュータ５１は、可動先端部６０の目標移動量に対して、位置決め装置１の機構学演算により各リンク１０，２０，３０，４０の移動量を求め、リニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御信号を生成する。その後、モータドライバ８１〜８４は、生成された制御信号を基にリニアアクチュエータ６１〜６４を制御することにより、４本のアーム１０，２０，３０，４０を動作させることができる。
【００２８】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係るばね位置決め装置１の機構モデルについて説明する。図７に示すように、位置決め装置１は、可動先端部６０が位置決め装置１のベース３を基点とする回転中心８に対して、２自由度の回転動作が可能であり、またベース３に対して高さ方向への１自由度並進動作が可能である。即ち、位置決め装置１では、可動先端部６０は、Ｘ軸周りの回転、Ｙ軸周りの回転、及びＺ軸方向への並進移動が可能ある。従って、可動先端部６０は揺動運動も可能である。尚、回転中心８は、アーム１０，２０，３０，４０の全てのばね関節が屈曲していない状態を初期状態として、初期状態のときの各アーム１０，２０，３０，４０の第三ばね関節１５，２５，３５，４５を結ぶ平面と可動先端部６０の中心との交点として規定される。
【００２９】
次に、図８及び図９を用いて、本実施の形態に使用される各ばね関節を構成する側面視円弧型のばね部材の大変形ばね解析の結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、側面視円弧型のばね部材１３４の解析を行った。このばね部材１３４は厚さ０．２５ｍｍ、円弧外形６ｍｍ、幅１５ｍｍである。本解析では、ばね部材１３４の材質を一例としてＳＵＳ３０４とした。アーム１３０を構成するリンク１３１及びリンク１３２を剛体とみなし、ばね部材１３４のみＦＥＭＡＰ（商標）（ver.10.0.2)によりメッシュを作成し、図８のように剛体のリンク１３１及びリンク１３２とばね部材１３４とを接続して固定した。リンク１３２の先端に力を水平方向に±５Ｎまで加えていき、そのときのリンク先端位置及び回転中心を求めた。
【００３０】
図９は、リンク１３２の先端に力を水平方向に加えて、ばね部材１３４を変形させたときのリンク１３２の先端の軌跡と近似した円軌跡を示している。解析の結果、リンク１３２の先端の軌跡は半径５５ｍｍ、中心（−１．９，０．０）の円に極めて近くなることが分かった（解析結果と近似した円軌跡の相関係数γ＝０．９９９９９８３）。よって、側面視、円弧型のばね部材１３４が円弧部内側に回転軸をもった回転関節と近似できることが示された。また、ＳＵＳ３０４の降伏応力２１０ＭＰａ以内では、おおよそ±１０度回転することが明らかになった。本解析では、例として、ＳＵＳ３０４での解析を行ったが、より大きな降伏応力をもつ超弾性合金を用いれば、弾性域内での回転角をより広くすることができる。
【００３１】
次に、図８及び図１０を参照して、側面視、円弧型のばね部材１３４の大歪み変形解析について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、側面視円弧型のばね部材１３４と、比較例としての平面状の板はねの解析を行った。側面視円弧型のばね部材１３４は厚さ０．２５ｍｍ、円弧半径３ｍｍ（円弧外形６ｍｍ）、幅１５ｍｍであり、比較例の平面状の板ばねは厚さ０．２５ｍｍ、長さ６ｍｍ、幅１５ｍｍである。また、縦弾性率１９７ＧＰａ、横弾性率７４ＧＰａである。本解析では、ばね部材１３４及び比較例の板ばねの材質を一例としてＳＵＳ３０４とした。リンクの先端に力を水平方向に±５Ｎまで加えていき、そのときのリンク１３２の先端の垂直方向に対する回転角度θ（ｄｉｇ）と、変形回転角度（Ｔｉｍｅ［ｓ］）を求めた。図１０に示すグラフでは、実線は比較例の平面状の板ばねであり、波線は側面視円弧型のばね部材１３４を示す。図１０を参照すると分かるように、ばね部材１３４は、＋２９．８度から−２７．９度まで撓むことが出来るが、比較例の平面状の板ばねでは、＋１８．４度から−１８．２度までしか撓むことができないことが判明した。従って、側面視円弧型のばね部材１３４は、非対称であるが、広い回転角度を得られることが判明した。
【００３２】
次に、図１１，図１２及び図１３に示すグラフを参照して、側面視円弧型のばね部材１３４の向かい合わせによる変形角度補償の解析結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、図１１に示す比較例の平行四節リンク２００及び図１２に示す平行四節リンク２１０の変形角度補償について解析した。平行四節リンク２００及び平行四節リンク２１０は、何れも、剛体とみなせるリンク１１１とリンク１１２とを側面視円弧型のばね部材１１４で接続し、また、剛体とみなせるリンク１３１とリンク１３２とを側面視円弧型のばね部材１３４で接続している。さらに、剛体とみなせる可動先端部１６０とリンク１１２とを先端部を側面視円弧型のばね部材１１５で接続し、当該可動先端部１６０とリンク１３２の先端部を側面視円弧型のばね部材１３５で接続している。ここで、側面視円弧型のばね部材１１４，１３４，１１５，１３５は、何れも厚さ０．２５ｍｍ、円弧半径３ｍｍ（円弧外形６ｍｍ）、幅１５ｍｍとした。図１１に示す平行四節リンク２００では、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、いずれも同一方向（図１１に於ける右方向）を向いている。これに対して、図１２に示す平行四節リンク２１０では、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）となっている。この状態で、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎ（以下、Ｐとする。）の力を加えた。
【００３３】
上記の解析の結果、図１３では、点線Ａは、図１１に示す状態の平行四節リンク２００の可動先端部１６０の中心部の軌跡を示し、実線Ｂは、図１２に示す状態の平行四節リンク２１０の可動先端部１６０の中心部の軌跡を示している。ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）となっている平行四節リンク２１０では、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた場合に可動先端部１６０の中心部は左右対称の軌跡を示すのに対し、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面が、いずれも同一方向（図１１に於ける右方向）を向いている平行四節リンク２００では、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた場合に可動先端部１６０の中心部は左右対称の軌跡を示さずに、＋方向（図１１に於ける右方向）に大きく撓むことが判明した。従って、ばね部材１１４の屈曲部内面とばね部材１３４の屈曲部内面は、互いに向かい合わせ（内向き）とすることで、平行四節リンク２１０の左右方向への移動精度の補償することができることが判明した。
【００３４】
次に、図１２，図１４及び図１５に示すグラフを参照して、剛性変化による精度向上についての解析結果について説明する。この解析では、非線形解析のできる機構解析システムＤＡＦＵＬ（商標）（ver.3.1）を使用し、図１２に示す平行四節リンク２１０のリンク１１１及び１３１を外側に広げていない場合及び図１４に示す平行四節リンク２３０の下部のリンク１１１及び１３１を外側に広げた場合に、可動先端部１６０に水平方向に±１０Ｎの力を加えた。尚、平行四節リンク２１０及び平行四節リンク２３０の構造材質は、平行四節リンク２００と同一である。図１５のグラフでは、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げていない平行四節リンク２１０の場合の可動先端部１６０の移動量が点線Ｂであり、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げている平行四節リンク２３０の場合の可動先端部１６０の移動量が実線Ｃである。図１５のグラフの実線Ｃが示すように、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げている平行四節リンク２３０の場合が可動先端部１６０の移動量が少ないことが判明した。従って、リンク１１１とリンク１３１の間隔を広げると、ばね部材１１４，１３４，１１５，１３５の回転トルクが平行四節リンク２３０全体で拮抗し合うことで、平行四節リンク２３０全体の剛性を変化させることが判明した。
【００３５】
次に、図１〜図３，図６，図１６〜図２１を参照して、本実施の形態の位置決め装置１の動作について説明する。先ず、図６に示す制御部５の制御コンピュータ５１は、可動先端部６０の目標移動量に対して、位置決め装置１の機構学演算により各リンク１０，２０，３０，４０の移動量を求め、図１及び図６に示すリニアアクチュエータ６１〜６４を制御する制御信号を生成する。その後、モータドライバ８１〜８４は、制御コンピュータ５１で生成された制御信号を基に各リニアアクチュエータ６１〜６４を制御して、アーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を移動させることにより、４本のアーム１０，２０，３０，４０を動作させる。
【００３６】
例えば、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図１６及び図１７に示すように、アーム１０の基部リンク１１を外側（図１７に於ける右側方向）へ移動することにより、可動先端部６０を図１７に於ける右方向へ移動することができる。また、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図１８及び図１９に示すように、アーム３０の基部リンク３１を外側（図１９に於ける左側方向）へ移動することにより、可動先端部６０を図１９に於ける左方向へ移動することができる。
【００３７】
また、図２及び図３に示す４本のアーム１０，２０，３０，４０の何れも開いていない状態から、図２０及び図２１に示すように、アーム１０の基部リンク１１、アーム２０の基部リンク２１、アーム３０の基部リンク３１、アーム４０の基部リンク４１を全て外側へ放射状に移動することにより、可動先端部６０を図２１に於ける下方向（Ｚ軸方向の下方向）へ移動することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態のパラレルメカニズム２を備えた位置決め装置１では、可動先端部６０を位置決め装置１のベース３を基点とする回転中心８（図７参照）に対して、２自由度の回転動作が可能であり、またベース３に対して高さ方向への１自由度並進動作が可能である。
【００３９】
また、本実施の形態の位置決め装置１では、例えば、対向する対の二本のアーム１０、３０をそれぞれ同方向へ動作させることで、側面視円弧型のばねを用いた第一ばね関節１４、第二ばね関節１６及び第三ばね関節１５と、第一ばね関節３４、第二ばね関節３６及び第三ばね関節３５とが屈曲し、可動先端部６０は、これら二本のアーム１０、３０が存在する平面上を回転中心８（図７参照）を中心として回転することができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態の位置決め装置１では、回転関節に（第一ばね関節、第二ばね関節及び第三ばね関節）に、側面視で円弧型のばね部材を用いることにより精密でかつ広い動作域を有するパラレルメカニズム及び当該パラレルメカニズムを用いた位置決め装置を実現できる。また、位置決め装置１を２自由度の回転動作と１自由度の並進動作に関して、任意の位置と角度に制御することができる。また、各アームの移動量を調節することにより、位置決め装置１の内力をばね関節のばね部材の拮抗力として高め、パラレルメカニズム２の剛性を向上し、位置精度を向上させることが可能である。さらに、バックラッシュのない滑らかな動作を実現できる位置決め装置１を小型・軽量に実現できる。
【００４１】
さらに、各々のアームを向かい合わせ、第一ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部内面を互いに向き合う構造とした場合には、関節の拘束力を高めパラレルメカニズム２の剛性をさらに向上し、位置精度を向上させることが可能である。位置決め装置１では、第三ばね関節がわずかにねじれ方向へ動作し、この動作を許容するためによりパラレルメカニズム２の装置内部の内力が高まり、剛性を向上する効果が得られる。
【００４２】
尚、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、パラレルメカニズム２のアームは４組に限られず、２組、３組等でもよい。また、第一ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部外面が互いに向き合う構造としてもよい。さらに、第二ばね関節の円弧型のばね部材の屈曲部内面が上向きになるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のパラレルメカニズム及びパラレルメカニズムを用いた位置決め装置は、各種の位置決め装置利用でき、特に、光学部品の高精度位置決めなど、産業用ロボットに利用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 位置決め装置
２ パラレルメカニズム
３ ベース
５ 制御部
１０ アーム
１１ 基部リンク
１２ 中間リンク
１３ 上部リンク
１４ 第一ばね関節
１５ 第三ばね関節
１６ 第二ばね関節
２０ アーム
２１ 基部リンク
２２ 中間リンク
２３ 上部リンク
２４ 第一ばね関節
２５ 第三ばね関節
２６ 第二ばね関節
３０ アーム
３１ 基部リンク
３２ 中間リンク
３３ 上部リンク
３４ 第一ばね関節
３５ 第三ばね関節
３６ 第二ばね関節
４０ アーム
４１ 基部リンク
４２ 中間リンク
４３ 上部リンク
４４ 第一ばね関節
４５ 第三ばね関節
４６ 第二ばね関節
５１ 制御コンピュータ
６０ 可動先端部
６１ リニアアクチュエータ
６２ リニアアクチュエータ
６３ リニアアクチュエータ
６４ リニアアクチュエータ
１４３ 屈曲部
１４３Ａ 屈曲部内面
１４３Ｂ 屈曲部外面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアームと、
前記各アームにより支持される１つの可動先端部と、
前記各アームに各々少なくとも１つ設けられた第一ばね関節と、
前記各アームの先端部と前記可動先端部との間に設けられた第二ばね関節と
を備えたことを特徴とするパラレルメカニズム。
【請求項２】
前記第一ばね関節及び第二ばね関節は、側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねから構成され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。
【請求項３】
前記アームは対向するように配置され、
当該対向配置された前記アームの前記第一ばね関節の前記屈曲部は、屈曲部内面が対向するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパラレルメカニズム。
【請求項４】
前記第二ばね関節は、屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いていることを特徴とする請求項２又は３に記載のパラレルメカニズム。
【請求項５】
前記各アームには、前記第一ばね関節と前記第二前記との間に、前記第一ばね関節と同形状の第三ばね関節が各々設けられ、
１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のパラレルメカニズム。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載のパラレルメカニズムと、
当該パラレルメカニズムの各アームの基部を移動させるアクチュエータと
を備えたことを特徴とする位置決め装置。
【請求項７】
前記アクチュエータは、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させるように直線上を移動させるアクチュエータであることを特徴とする請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記アクチュエータを制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項６又は７に記載の位置決め装置。
【請求項１】
複数のアームと、
前記各アームにより支持される１つの可動先端部と、
前記各アームに各々少なくとも１つ設けられた第一ばね関節と、
前記各アームの先端部と前記可動先端部との間に設けられた第二ばね関節と
を備えたことを特徴とするパラレルメカニズム。
【請求項２】
前記第一ばね関節及び第二ばね関節は、側面視、円弧型の屈曲部を備えた板ばねから構成され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。
【請求項３】
前記アームは対向するように配置され、
当該対向配置された前記アームの前記第一ばね関節の前記屈曲部は、屈曲部内面が対向するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパラレルメカニズム。
【請求項４】
前記第二ばね関節は、屈曲部内面が前記アームの延設方向側に向いていることを特徴とする請求項２又は３に記載のパラレルメカニズム。
【請求項５】
前記各アームには、前記第一ばね関節と前記第二前記との間に、前記第一ばね関節と同形状の第三ばね関節が各々設けられ、
１つのアームに設けられた前記第一ばね関節の回動軸と前記第三ばね関節の回動軸とは、互いに捻れの位置に配置されていることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のパラレルメカニズム。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載のパラレルメカニズムと、
当該パラレルメカニズムの各アームの基部を移動させるアクチュエータと
を備えたことを特徴とする位置決め装置。
【請求項７】
前記アクチュエータは、対向配置された前記アームの基部を離間又は近接させるように直線上を移動させるアクチュエータであることを特徴とする請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記アクチュエータを制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項６又は７に記載の位置決め装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−２５５４８５（Ｐ２０１１−２５５４８５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４５５７（Ｐ２０１０−１３４５５７）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度独立行政法人科学技術振興機構「研究成果最適展開支援事業」委託研究
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度独立行政法人科学技術振興機構「研究成果最適展開支援事業」委託研究
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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