| 【発明の名称】 |
パラレルリンク機構 |
| 【発明者】 |
【氏名】瀬川 裕
【氏名】山本 雅之
【氏名】島田 明
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| 【要約】 |
【課題】パラレルリンク機構のアクチュエータにかかる負担を少なくすることで制御性を向上させたパラレルリンク機構を提供する。
【解決手段】パラレルリンク機構１０の可動部１の底面中央部には、中空円筒の永久磁石７が固着されている。一方、基部５の上面中央部には、中空円筒の永久磁石９が永久磁石７と同極同士が対向するように固着されている。永久磁石７の周長は、永久磁石９の周長より短く構成されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 空間の所定位置に固定した基部に対し２〜６自由度のいずれかの自由度で可動部を駆動するパラレルリンク機構であって、前記可動部にかかる負荷の一部を磁力により負担する負荷負担手段を備えたことを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項２】 前記負荷負担手段は、前記基部に配設した永久磁石又は電磁石と、該永久磁石又は電磁石と磁極面を対峙させて前記可動部に配設した永久磁石又は電磁石とからなるものであることを特徴とする請求項１記載のパラレルリンク機構。
【請求項３】 前記可動部に配設された前記永久磁石又は前記電磁石の前記基部に対向する磁極の周長は、前記基部に配設された前記永久磁石又は前記電磁石の前記可動部に対向する磁極の周長より小さくしたことを特徴とする請求項２記載のパラレルリンク機構。
【請求項４】 前記基部及び／又は前記可動部に配設された前記永久磁石及び／又は前記電磁石の全体又は少なくとも対峙した磁極部分は円筒状に構成されたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のパラレルリンク機構。
【請求項５】 前記可動部は磁性材で構成され、前記負荷負担手段は、前記可動部を吸引若しくは反発させるため該可動部の上方で前記基部より所定高さ位置に固定された少なくとも一つの電磁石を備えて構成したことを特徴とする請求項１記載のパラレルリンク機構。
【請求項６】 前記電磁石は、前記可動部をバランスよく吸引若しくは反発させるため、前記可動部の縁部に対向して均等に配設されたことを特徴とする請求項５記載のパラレルリンク機構。
【請求項７】 前記負荷負担手段は、更に前記可動部を吸引若しくは反発させるため前記基部に少なくとも一つの電磁石を配設したことを特徴とする請求項５又は請求項６記載のパラレルリンク機構。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパラレルリンク機構に係わり、特にパラレルリンク機構のアクチュエータにかかる負担を少なくすることで制御性を向上させたパラレルリンク機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高剛性・高速性・高精度等の面からパラレルリンク機構が注目されており、工作機械や組立てロボット等に使用されるケースが増えつつある。このパラレルリンク機構の具体例を図５に示す。
【０００３】パラレルリンク機構１０は、可動部１が６本の直動型アクチュエータ３で駆動される形式のもので、一般的にはスチュワートプラットフォームと呼ばれている。直動型アクチュエータ３の上端部は、図示しない対偶を介して可動部（トラベリングプレート）１が固定されている。一方、直動型アクチュエータ３の下端部は、図示しない対偶を介して基部（ベースプレート）５に固定されている。
【０００４】このパラレルメカニズムの駆動には、空圧・油圧アクチュエータや、モータ及びボールネジ、ジャッキ、圧電素子等が用いられている。特に圧電素子は、精度、分解能が非常に高いため、各種分野への応用が期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のパラレルリンク機構１０では、通常、直動型アクチュエータ３による操作が容易に行えるよう、可動部１は、基部５に対して一定の距離に位置している。
【０００６】可動部１には、普通、器具等が取り付けられるため、可動部１が前述のように一定の距離を確保するためには、直動型アクチュエータ３には、随時一定の力（以下、バイアス力という）が必要とされる。圧電素子等の非線形特性の強いアクチュエータを用いる場合、このバイアス力のために、線形可動範囲が限定される。
【０００７】また、直動型アクチュエータ３の傾斜が大きくなると、直動型アクチュエータ３の曲げの力が増大し、折れやすくなる。更に、傾斜が大きいと直動型アクチュエータ３が可動部１に作用する力の水平方向成分が垂直成分に対し大きくなり、直動型アクチュエータ３を伸ばしにくくなる。
【０００８】更に、直動型アクチュエータ３としてジャッキなどを用いた場合、可動部１に加わる負荷の急激な増減があった場合に、直動型アクチュエータ３の急激な伸び縮みによる装置の接触、破損が生ずるおそれがあった。
【０００９】本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、パラレルリンク機構のアクチュエータにかかる負担を少なくすることで制御性を向上させたパラレルリンク機構を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、空間の所定位置に固定した基部に対し２〜６自由度のいずれかの自由度で可動部を駆動するパラレルリンク機構であって、前記可動部にかかる負荷の一部を磁力により負担する負荷負担手段を備えて構成した。
【００１１】可動部には、負荷が加えられる。この負荷により、各自由度を構成する例えば直動型のアクチュエータには、負荷の一部が加えられる。直動型のアクチュエータの制御特性が非線形領域を含む場合、負荷の変動に伴う制御点の移動により制御点が非線形領域に入るおそれがある。
【００１２】このため、負荷の変動に伴う制御点の移動量を少なくするため、可動部にかかる負荷の一部を負荷負担手段で負担させる。負荷負担手段は、磁力により非接触に負荷の一部を負担する。このときの負荷負担は、主にバイアス力に相当する分である。アクチュエータは、負荷負担手段で負担された残りの負荷分を負担すればすむため、制御点を線形領域に納めることが出来る。
【００１３】このことにより、パラレルリンク機構の制御性を向上させることが出来る。また、負荷負担手段は非接触に負荷を負担するため、負荷負担手段が可動部等にねじれ等の影響を与えることもない。
【００１４】また、本発明は、前記負荷負担手段は、前記基部に配設した永久磁石又は電磁石と、該永久磁石又は電磁石と磁極面を対峙させて前記可動部に配設した永久磁石又は電磁石とからなるものであることを特徴とする。
【００１５】永久磁石又は電磁石の有する磁力により、アクチュエータに加わる負荷の一部を負担させる。永久磁石又は電磁石は、基部と可動部とに磁極面を対峙させてそれぞれ配設する。対峙させる磁極面は、パラレルリンク機構の使用目的や使用方法等によって同一磁極とするか反対磁極とするか決定する。即ち、可動部にかかる負荷を軽減する方向に対峙させる磁極の極性を定める。
【００１６】永久磁石又は電磁石の設置方法は、基部と可動部の表面や裏面に固定してもよいし、また埋め込むようにしてもよい。また、永久磁石又は電磁石は、１対を基部と可動部のそれぞれの中央に位置するように配設してもよいし、また複数本を基部と可動部の間に均等に配設してもよい。このことにより、安価にパラレルリンク機構の制御性を向上させることが出来る。また、永久磁石の場合には保守も容易である。
【００１７】電磁石を用いた場合、その電磁力は常に一定でもよいが、可動部にかかる負荷量に応じた電磁力の調整を行うようにしてもよい。このとき、負荷負担手段での負担量が調整可能となる。従って、負荷量の変動に無関係に、常に最適なアクチュエータの線形領域を確保出来る。なお、電磁石は、基部側にのみ配設すれば、配線は整然と整理して行うことが出来る。
【００１８】また、この場合には、一方が永久磁石である分安価である。但し、アクチュエータの内部及び可動部の内部に配線を通す等の工夫をすれば、電磁石を可動部側に配設した場合でも整然と配線することが出来る。更に、仮に、永久磁石や電磁石に経年変化を生じた場合でも、電磁石に供給する電流量を微調整すれば簡単に対処出来る。また、電磁石には、常時励磁電流を流す必要は無く、省電力のため負荷のかかったときだけ流すようにしてもよい。
【００１９】更に、本発明は、前記可動部に配設された前記永久磁石又は前記電磁石の前記基部に対向する磁極の周長は、前記基部に配設された前記永久磁石又は前記電磁石の前記可動部に対向する磁極の周長より小さくしたことを特徴とする。
【００２０】可動部側に配設した永久磁石又は電磁石の磁極の周長を、基部側に配設した永久磁石又は電磁石の磁極の周長より小さくする。従って、可動部側に配設した永久磁石等は、基部側に配設した永久磁石等から放射される磁力線により周囲から包まれるような形になる。このように周長を変えることで、可動部側に配設した永久磁石等の安定度が向上する。
【００２１】更に、本発明は、前記基部及び／又は前記可動部に配設された前記永久磁石及び／又は前記電磁石の全体又は少なくとも対峙した磁極部分は円筒状に構成する。
【００２２】永久磁石及び／又は電磁石の全体は円筒状に構成する。また、少なくとも対峙した磁極部分のみを円筒状に構成してもよい。このように磁極部分を円筒状とすることで、円筒から放射される磁力線は、対峙する永久磁石等を円筒の中心の延長線方向にすり鉢状に包囲する。従って、永久磁石等は円筒の中心の延長線方向に安定するようになる。
【００２３】更に、本発明は、前記可動部は磁性材で構成され、前記負荷負担手段は、前記可動部を吸引若しくは反発させるため該可動部の上方で前記基部より所定高さ位置に固定された少なくとも一つの電磁石を備えて構成した。
【００２４】可動部は磁性材で構成する。この可動部の上方で、基部より所定高さ位置に固定された少なくとも一つの電磁石を備える。即ち、電磁石で可動部を上方向に吸引若しくは下方向に反発させることで、可動部にかかる負荷を負担する。このとき、磁性材の種類を変えることで、吸引若しくは反発を選択可能である。パラレルリンク機構の使用目的や使用方法等によって吸引若しくは反発の選択を決定する。
【００２５】更に、本発明は、前記電磁石は、前記可動部をバランスよく吸引若しくは反発させるため、前記可動部の縁部に対向して均等に配設する。可動部の縁部に対し均等に吸引若しくは反発を行うことで、可動部をバランスよく保持することが出来る。
【００２６】更に、本発明は、前記負荷負担手段は、更に前記可動部を吸引若しくは反発させるため前記基部に少なくとも一つの電磁石を配設する。基部側にも、可動部を吸引若しくは反発させるため電磁石を配設する。
【００２７】従って、より一層バランス良く、可動部にかかる負荷の負担を負荷量に応じて調整可能となる。また、各アクチュエータはほぼ均等に負荷負担されることになるため、負荷量の変動に無関係に線形領域を確保出来る。従って、パラレルリンク機構の制御性を向上させることが出来る。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の第１実施形態の構成図を示す。図１において、パラレルリンク機構１０の構成は、従来と同様である。６本の直動型アクチュエータ３は、例えば圧電素子で構成される。但し、本発明は、直動型アクチュエータ３の本数は２本以上であれば、適用可能である。
【００２９】また、直動型アクチュエータや、この直動型アクチュエータと可動部若しくは基部等を連結する対偶（対偶は、図１中には省略している）の配設方法は、図１に限定せず２〜６自由度のいずれかの自由度であれば自由である。
【００３０】パラレルリンク機構１０の可動部１の底面中央部には、中空円筒の永久磁石７が固着されている。一方、基部５の上面中央部には、中空円筒の永久磁石９が永久磁石７と同極同士が対向するように固着されている。永久磁石７の周長は、永久磁石９の周長より短く構成されている。
【００３１】次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。図１において、永久磁石７と永久磁石９とは、同極同士が対向しているため反発し合う。永久磁石９の作る磁界は、永久磁石９の上端部の円筒状の磁極よりすり鉢状に放射される。永久磁石７の周長は、永久磁石９の周長より短く構成されているため、この磁界に包囲されるように永久磁石７が磁気浮上する。即ち、永久磁石７の浮上は安定し、可動部１の傾斜で反発する方向が変わらない。
【００３２】可動部１の上面に負荷が載置等された場合を考える。このとき、直動型アクチュエータ３を構成する圧電素子が非線形特性を有するため、制御点が非線形領域に入る場合がある。これに対し、負荷の一部をこの永久磁石７と永久磁石９の反発力により支持する。そして、直動型アクチュエータ３への負荷負担（バイアス力に相当する分）を減らす。このことにより、制御点を線形領域に入れることが出来、制御性能を向上させることが出来る。
【００３３】また、可動部１と基部５の間隔が狭まると、永久磁石７と永久磁石９はより大きな力で可動部１を支持するようになる。これにより、直動型アクチュエータ３の傾斜が大きい場合の、リンク折れを防止し、より少ない力で直動型アクチュエータ３の伸縮が行えるようになる。
【００３４】なお、永久磁石７と永久磁石９とは、反発することとして説明したが、可動部１が基部５の下方にあり、負荷が下方にかかる場合や、パラレルリンク機構１０が９０度回転され、かつ可動部１と基部５の間隔が広がるように負荷がかけられるような場合には、永久磁石７と永久磁石９とは吸引するように磁極を構成する。
【００３５】また、永久磁石７と永久磁石９の対は、複数対を可動部１と基部５間に均等に配設してもよい。
【００３６】更に、永久磁石７は、可動部１の底面中央部に固着し、永久磁石９は基部５の上面中央部に固着するとしたが、永久磁石７及び永久磁石９共に可動部１及び基部５に埋め込むことも可能である。
【００３７】また、可動部１及び／又は基部５全体を円盤状の永久磁石とすることも可能である。
【００３８】次に、本発明の第２実施形態の構成図を図２に示す。尚、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図２において、可動部１の底面中央部には、永久磁石１７が固着されている。一方、基部５の上面中央部には、電磁石１９が永久磁石１７と対峙するように固着されている。永久磁石１７の周長は、電磁石１９の周長より短く構成されている。
【００３９】次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。図２において、永久磁石１７は電磁石１９により吸引若しくは反発される。この吸引若しくは反発は、可動部１にかけられた負荷に対し抗する方向に磁力が働くように調整される。永久磁石１７の周長は、電磁石１９の周長より短く構成されているため、永久磁石１７の浮上は安定し易い。
【００４０】なお、電磁石１９の上端磁極部を円筒状に構成するか、電磁石１９の鉄心全体を中空円筒で構成すれば、永久磁石１７が磁界で包囲されるようになるため、一層永久磁石１７の浮上は安定する。また、仮に、永久磁石１７や電磁石１９に経年変化を生じた場合でも、電磁石１９に供給する電流量を微調整すれば簡単に対処出来る。
【００４１】なお、可動部１に負荷がかけられない静止状態のときには、電磁石１９には電流は流さない。また、負荷の大きさに応じて電磁石１９に流す電流を変化させて、常に直動型アクチュエータ３の最適な線形領域を確保する等の制御を行うようにしてもよい。
【００４２】なお、永久磁石１７に代えて、電磁石を配設することも可能である。この場合、電線は可動部１及び直動型アクチュエータ３内に埋め込むことにより、外部に電線を出さないことも可能である。また、永久磁石１７と電磁石１９の対は、複数対を可動部１と基部５間に均等に配設してもよい。
【００４３】次に、本発明の第３実施形態の構成図を図３に示す。尚、図１及び図２と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図３において、可動部１は磁性材（例えば、常磁性体）で構成する。可動部１の縁部上方には、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄが図４に示すように、４方向にバランスよく配列されている。電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄは、巻線が基部５より垂設された支柱２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに巻回されて構成されている。
【００４４】次に、本発明の第３実施形態の動作を説明する。図３において、可動部１に負荷がかからない静止状態では、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄ、電磁石１９はいずれも励磁されない。このため、電力の消費はない。
【００４５】可動部１に負荷が下方向にかけられた場合には、可動部１は常磁性体であるため、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄは、可動部１のバランスを保ちつつ吸引して負荷の一部を負担する。一方、電磁石１９には、電磁石１９の上部磁極が可動部１の底面に誘導された磁極と同極となるように励磁電流が流される。従って、可動部１は、電磁石１９の反発力により負荷の一部が負担される。
【００４６】また、可動部１に負荷が上方向にかけられた場合には、電磁石１９は、可動部１を吸引する。そして、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄの下部磁極には、可動部１の上面に誘導された磁極と同極となるように励磁電流が流される。
【００４７】従って、可動部１は、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄの反発力によりバランスをとられながら、負荷の一部が負担される。なお、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄには、可動部１のバランスをとるため、異なる大きさの励磁電流を流すことも可能である。
【００４８】また、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄは、可動部１の縁部上方に均等に配設されれば、個数は限定しない。更に、電磁石１９は、複数個を基部５に均等に配設してもよい。
【００４９】次に、可動部１の磁性材が反磁性体である場合には、上述の各電磁石による可動部１の吸引と反発が逆になる。このため、負荷の負担の方向も逆になる。パラレルリンク機構の使用目的や使用方法等によって吸引若しくは反発の選択及び磁性材の選択を行えばよい。
【００５０】また、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄ、電磁石１９の励磁は、負荷量を検出するための重量センサや可動部１の位置を検出するための位置センサ等で自動的に開始や停止を行ってもよいし、予め負荷量の想定されている場合には、所定の励磁電流を手動で流すようにしてもよい。
【００５１】なお、電磁石の内の一部は永久磁石とすることも可能である。また、電磁石２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄは、巻線を支柱２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに巻回して構成したが、独立の鉄心に巻線を巻回したものを用いても良い。
【００５２】以上により、可動部１のバランスをとりながら負荷の一部を負担可能である。従って、各直動型アクチュエータ３に加わる負荷負担もほぼ一定化され、制御点を線形領域内に安定的に入れやすくなる。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、負荷負担手段を備えたので、負荷によりアクチュエータにかかるバイアス力分を相殺又は低減出来る。従って、パラレルリンク機構の制御性を向上させることが出来る。
【００５４】また、負荷負担手段は、永久磁石及び／又は電磁石で構成したので、負荷による負担や傾斜する可動部を非接触に支持出来る。また、安価でメンテナンスが容易に行える。
【００５５】更に、対向する磁極部分を円筒状に加工し、また周長も変えたので、可動部の位置を安定させ易い。
【００５６】
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１０７９９６
【氏名又は名称】セイコー精機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１６日（１９９８．１０．１６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０５２０１
【弁理士】
【氏名又は名称】椎名 正利
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２０８２４（Ｐ２０００−１２０８２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９４７８６ |
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