连杆动作装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本发明是2013年3月14日申请的发明名称为"连杆动作装置"的第 201380015207. X号发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请
[0003] 本申请要求2012年3月23日申请的申请号为JP特愿2012-066888 ;2012年3月 28日申请的申请号为JP特愿2012-073373 ;以及2012年6月27日申请的申请号为JP特愿 2012-144106的申请的优先权，通过参照，其整体作为构成本申请的一部分的内容而进行引 用。
技术领域
[0004] 本发明涉及下述的连杆动作装置，该连杆动作装置用于高速而精密地进行三维空 间的复杂的加工、物品的取回等的作业的平行连杆机构、机器人关节机构等，具体来说，本 发明涉及医疗器械、产业设备等的需要精密且大动作范围的连杆动作装置及其操作装置、 控制方法与其控制装置。
【背景技术】
[0005] 在专利文献1、2中提出有用于动作装置的平行连杆机构。
[0006] 对于专利文献1的平行连杆机构的结构较简单，但是由于各连杆的动作角度小， 故如果较大地设定运送板的动作范围，则具有连杆变长、机构整体的尺寸变大而装置大型 化的问题。另外，如果增加连杆长度，则导致机构整体的刚性的降低。由此，还具有受限于 装载于运送板上搭载的工具的重量，即运送板的能搬运重量也小的情况的问题。由于这些 理由，其难以用于在形成紧凑的结构的同时，要求精密且大范围的的动作范围的动作的医 疗器械等。
[0007] 相对该情况，专利文献2的连杆动作装置为下述的结构，其中，前端侧的连杆枢毂 经由三节连锁的三组以上的连杆机构，以可改变姿势的方式连接于基端侧的连杆枢毂上， 由此可在形成紧凑的结构的同时，进行精密而大范围的动作范围的动作。作为前端侧的连 杆枢毂相对基端侧的连杆枢毂的姿势的前端姿势通过规定三组以上的连杆机构中的二组 以上的连杆机构的状态而确定。"规定连杆机构的状态"指规定与连杆机构中的前端侧的连 杆枢毂连接的连杆相对基端侧的连杆枢毂的旋转角的含义。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :JP特开2000-94245号公报
[0011] 专利文献2 :US5, 893, 296号专利说明书
【发明内容】
[0012] 发明要解决的课题
[0013] 一般，在按照三组以上而设置三节连锁的连杆机构的连杆动作装置中，通过折角 和回转角而确定上述前端姿势，根据该折角和回转角而运算上述连杆的旋转角，对旋转驱 动连杆的促动器的动作进行定位。由此，在过去，在改变前端姿势时，通过输入折角和回转 角而进行构成目标的前端姿势的指定。另外，折角为前端侧的连杆枢毂的中心轴相对基端 侧的连杆枢毂的中心轴所倾斜的垂直角度，回转角指前端侧的连杆枢毂的中心轴相对基端 侧的连杆枢毂的中心轴所倾斜的水平角度。
[0014] 另一方面，在于前端侧的连杆枢毂上设置末端执行器，在实际中采用连杆动作装 置的场合，末端执行器所作业的被作业物的坐标位置多通过正交坐标系统而处理。由此， 在折角和回转角产生的前端姿势的指定中，难以凭借直觉而对连杆动作装置进行操作。在 按照比如，前端侧的连杆枢毂以某前端姿势而定位，末端执行器从其前端姿势以通过正交 坐标系统所指定的移动量而移动的方式改变前端姿势的场合，操作者必须将正交坐标系统 中的移动变换为通过折角和回转角而表示的角度坐标系统中的移动，以确定促动器的操作 量。由此，连杆动作装置的操作很难，必须要求经验、特别的训练。
[0015] 另外，在上述专利文献1，2的平行连杆机构按照安装有作业装置的一侧朝下的方 式设置的场合，必须避免下述情况：润滑油等的润滑剂从设置于该平行连杆机构中的轴承、 或将驱动力传递给平行连杆机构的驱动传递机构（减速部）的齿轮上掉落，该润滑剂洒溅 于下方的被作业物上。作为理想方式，可提高轴承安装部、齿轮安装部的密封性，由此润滑 剂不会从轴承、齿轮泄漏出来，但是在该场合，轴承安装部、齿轮安装部的尺寸增加，导致机 构整体的大型化、成本的上升。另外，人们还考虑设置覆盖平行连杆机构整体的外罩，但是 难以在不妨碍平行连杆机构的动作的情况下，设置这样的外罩。
[0016] 此外，由于上述专利文献2的连杆动作装置经由连杆机构，改变前端侧部件相对 基端侧部件的位置和姿势，故在高速地进行前端侧部件的位置和姿势的变更的场合，具有 如下问题：因连杆机构的刚性，使作为直到前端侧部件的定位完成时的时间的准备时间变 长。
[0017] 本发明的目的在于提供一种连杆动作装置的操作装置，该连杆动作装置通过角度 坐标系统而进行改变前端姿势的促动器的控制，该操作装置可通过正交坐标系统而指定构 成目标的前端姿势，可凭借直觉而进行学习。
[0018] 本发明的另一目的在于提供一种连杆动作装置，其具有宽的动作范围，实现高速 而高精度的定位动作，即使在朝下地设置平行连杆机构的情况下，仍可防止从平行连杆机 构等而掉落的润滑剂洒溅于下方的被作业物上的情况，紧凑而廉价。
[0019] 本发明的还一目的在于提供一种连杆动作装置的控制方法及其控制装置，可适用 于在形成紧凑的结构的同时、在较宽的动作范围内进行动作的连杆动作装置，可实现前端 侧部件的高速而高精度的定位动作。
[0020] 用于解决课题的技术方案
[0021] 本发明的连杆动作装置的操作装置为经由促动器对连杆动作装置进行操作的操 作装置，其中，前端侧的连杆枢毂经由三组以上的连杆机构，以能改变姿势的方式连接于基 端侧的连杆枢毂上，上述各连杆机构为平行连杆机构，该平行连杆机构具有基端侧和前端 侧的端部连杆部件以及中间连杆部件，该基端侧和前端侧的端部连杆部件的一端分别以能 旋转的方式连接于上述基端侧的连杆枢毂和前端侧的连杆枢毂上，该中间连杆部件的两端 分别以能旋转的方式连接于该基端侧和前端侧的端部连杆部件的另一端上，并且，通过直 线而表示的该连杆机构的几何模型为基端侧部分和前端侧部分相对上述中间连杆部件的 中间部成对称的形状。另外包括：上述促动器，该促动器设置于上述平行连杆机构中的上述 三组以上的连杆机构中的二组以上的连杆机构中，任意地改变作为上述前端侧的连杆枢毂 相对上述基端侧的连杆枢毂的姿势的前端姿势；控制装置，该控制装置控制该促动器。
[0022] 上述控制装置通过折角和回转角规定上述前端姿势，该折角为上述前端侧的连杆 枢毂的中心轴相对上述基端侧的连杆枢毂的中心轴所倾斜的垂直角度，该回转角为上述前 端侧的连杆枢毂的中心轴相对上述基端侧的连杆枢毂的中心轴所倾斜的水平角度。上述操 作装置包括：姿势指定机构，在原点位于上述基端侧的连杆枢毂的中心轴的延长轴上、且与 上述中心轴的延长轴正交的二维的正交坐标系统上的坐标位置，该姿势指定机构通过人为 操作而指定构成目标的上述前端姿势；姿势获得机构，该姿势获得机构根据通过该姿势指 定机构而指定的坐标位置，以运算获得通过上述折角和回转角而表示的上述前端姿势；姿 势信息赋予机构，该姿势信息赋予机构将通过该姿势获得机构而获得的上述前端姿势的信 息提供给上述控制装置。
[0023] 按照该方案，通过姿势指定机构的人为操作，借助正交坐标系统的坐标位置指定 构成目标的前端姿势。姿势获得机构根据已指定的坐标位置，通过运算获得通过折角和回 转角而表示的前端姿势。将该前端姿势的信息通过姿势信息赋予机构提供给控制装置。接 着，控制装置采用通过折角和回转角而表示的前端姿势的信息控制促动器。由于像这样，通 过正交坐标系统上的坐标位置而指定构成目标的前端姿势，故即使在被作业物的坐标位置 以正交坐标系统而被处理的情况下，仍能凭借直觉而对连杆动作装置进行操作。
[0024] 上述姿势获得机构可采用比如最小二乘法的收敛运算，该运算为用于获得通过上 述折角和回转角而表示的上述前端姿势的运算。如果采用最小二乘法，则通过简单的运算 能获得表示前端姿势的适合的折角和回转角。
[0025] 上述控制装置可像下述那样，计算上述各促动器的指定动作量。即，在设定下述参 数的场合，对下述式进行逆变换：上述基端侧的端部连杆部件相对上述基端侧的连杆枢毂 的旋转角为βη ;以能旋转的方式连接于上述基端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件的 连接端轴、与以能旋转的方式连接于上述前端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件的连接 端轴之间所成的角度为γ ;各基端侧的端部连杆部件相对构成基准的基端侧的端部连杆 部件的圆周方向的间隔角为S η;上述折角为Θ ;上述回转角为φ，
[0026] cos ( Θ/2) sin β η - sin ( Θ/2) sin ( Φ + δ n) cos β n+sin ( γ/2) = 0
[0027] 由此，求出构成目标的上述前端姿势的上述各基端侧的端部连杆部件的旋转角， 根据该已求出的旋转角与当前的上述前端姿势的上述各基端侧的端部连杆部件的旋转角 的差值，计算上述各促动器的指令动作量。按照该方法，可容易求出指令动作量，促动器的 控制变简单。
[0028] 另外，控制装置可像下述那样，计算上述各促动器的指定动作量。即，在设定下述 参数的场合，对下述式进行逆变换：上述基端侧的端部连杆部件相对上述基端侧的连杆枢 毂的旋转角为βη ;以能旋转的方式连接于上述基端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件 的连接端轴、与以能旋转的方式连接于上述前端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件的连 接端轴之间所成的角度为γ ;各基端侧的端部连杆部件相对构成基准的基端侧的端部连 杆部件的圆周方向的间隔角为S η;上述折角为Θ ;上述回转角为φ，
[0029] cos ( θ/2) sin β η - sin ( θ/2) sin ( Φ + δ n) cos β n+sin ( γ/2) = 0
[0030] 由此，制作表示上述前端姿势与上述各基端侧的端部连杆部件的旋转角的关系的 表格，采用该表格求出构成目标的上述前端姿势的上述各基端侧的端部连杆部件的旋转 角，根据该已求出的旋转角与上述当前的上述各基端侧的端部连杆部件的旋转角的差值， 计算上述各促动器的指令动作量。按照该方法，通过事先对前端姿势和各前端侧的端部连 杆部件的旋转角的关系进行表格化处理，可缩短采用上述式的指令动作量的计算时间，可 更进一步高速地进行促动器的控制。
[0031] 比如，姿势指定机构通过数值输入而进行上述正交坐标系统上的坐标位置的指 定。
[0032] 在该场合，上述正交坐标系统上的坐标位置的指定也可为绝对坐标相对已确定的 基准点的数值输入或从当前的坐标位置到构成目标的坐标位置的差值的数值输入。
[0033] 另外，上述姿势指定机构也可按照对应于操作时间或操作次数而确定的操作量， 以指定上述正交坐标系统上的坐标位置。在该场合，操作和坐标位置的关系容易凭借感觉 而分辨。
[0034] 本发明的连杆动作装置也可包括将促动器的驱动力传递给对应的连杆机构的减 速部（驱动传递机构），相对上述基端侧的连杆枢毂，上述前端侧的连杆枢毂位于上述基端 侧的连杆枢毂的下方，在上述平行连杆机构或上述减速部上设置润滑剂接收部件，该润滑 剂接收部件接收从该平行连杆机构和减速部中的至少任意者掉落的润滑剂。
[0035] 作为连杆动作装置的活动部分的平行连杆机构由两自由度机构构成，该机构由基 端侧的连杆枢毂、前端侧的连杆枢毂、三组以上的连杆机构构成，在该机构中，相对基端侧 的连杆枢毂，前端侧的连杆枢毂可在正交的两轴方向自由移动。换言之，形成下述的机构， 在该机构中，相对基端侧的连杆枢毂，以旋转为两个自由度的方式，可自由改变前端侧的连 杆枢毂的姿势。该两自由度机构紧凑，同时，扩大前端侧的连杆枢毂相对基端侧的连杆枢毂 的活动范围。比如，基端侧的连杆枢毂的中心轴和前端侧的连杆枢毂的中心轴的折角最大 约为±90°，可将前端侧的连杆枢毂相对基端侧的连杆枢毂的回转角设定在0°~360° 的范围内。
[0036] 通过在平行连杆机构或减速部上设置润滑剂接收部件，即使在按照相对基端侧的 连杆枢毂，使前端侧的连杆枢毂位于下方的方式朝下地设置平行连杆机构的情况下，从平 行机构机构、减速部而掉落的润滑剂仍由润滑剂接收部件接收。具体来说，从设置于平行连 杆机构上的轴承、设置于减速部中的齿轮而泄漏、沿平行连杆机构传递而掉落；或从轴承、 齿轮而直接地掉落的润滑剂由润滑剂接收部件接收。由此，防止润滑剂洒溅于下方的被作 业物上的情况。由于润滑剂接收部件为用于仅接收从平行连杆机构或减速部而掉落的润滑 剂的简单的结构，故可廉价制作。另外，由于润滑剂接收部件可仅设置于平行连杆机构或减 速部的下方位置，不覆盖平行连杆机构的整体，故是紧凑的。
[0037] 换言之，如果设置润滑剂接收部件，由于可允许润滑剂从平行连杆机构或减速部 的齿轮而稍稍泄漏的情况，故可简化轴承安装部、齿轮安装部的密封结构。由此，可减小轴 承等的尺寸，谋求机构的紧凑化，可进行平行连杆机构的高速定位。另外，可容易进行轴承 安装部、齿轮安装部的润滑剂的更换，维护性优良。另外，成本降低。
[0038] 在本发明的连杆动作装置中，上述润滑剂接收部件也可为盘状部件，该盘状部件 包括板状部和突出部，该突出部从该板状部的外周缘向与板状部的表面交叉的一个方向突 出，按照该突出部朝向该基端侧的连杆枢毂一侧的方式，将该润滑剂接收部件设置于上述 前端侧的连杆枢毂上。通过在构成平行连杆机构的前端部的前端侧的连杆枢毂上设置盘状 的润滑剂接收部件，可通过润滑剂接收部件接收从平行连杆机构、减速部而掉落的全部的 润滑剂。由此，可有效地防止润滑剂洒溅于下方的被作业物上的情况。由于润滑剂接收部件 在板状部的外周缘具有突出部，故由板状部接收的润滑剂不会从板状部的外周缘而垂落。
[0039] 上述润滑剂接收部件的突出部的突出端侧也可朝向上述前端侧的连杆枢毂的中 心轴而倾斜。在该场合，上述润滑剂接收部件的突出部的倾斜角度最好在上述平行连杆机 构的动作范围的折角的最大值以上。上述折角为上述前端侧的连杆枢毂的中心轴相对上述 基端侧的连杆枢毂的中心轴倾斜的垂直角度。在该场合，即使在设置有润滑剂接收部件的 前端侧的连杆枢毂倾斜的状态的情况下，仍可防止由润滑剂接收部件接收的润滑剂越过突 出部而垂落的情况。特别是，如果突出部的倾斜角度在上述折角的最大值以上，由于在平 时，突出部的突出端侧保持在中心方向倾斜的状态，故可可靠地防止由润滑剂接收部件接 收的润滑剂越过突出部而垂落的情况。
[0040] 上述润滑剂接收部件也可具有顶板，该顶板与上述突出部的突出端连接，与板状 部平行，在顶板内周部形成通孔。如果润滑剂接收部件具有顶板，由于即使在平行连杆机构 的前端侧的连杆枢毂倾斜90° (平行连杆机构的最大折角）的状态的情况下，顶板仍朝向 与地面相垂直的方向，故即使在润滑剂接收部件中存留大量的润滑剂的情况下，仍可确实 防止润滑剂从润滑剂接收部件而垂落的情况。
[0041] 在本发明的连杆动作装置中，还可形成下述的结构，该结构包括基座部件和固定 部件，在该基座部件上设置有上述基端侧的连杆枢毂和上述促动器，该固定部件支承于该 基座部件上，与基座部件平行，并在固定部件内周部形成有通孔，上述润滑剂接收部件包括 板状部和可伸缩的连接部，该板状部固定于上述前端侧的连杆枢毂上，该连接部覆盖该板 状部和上述固定部件之间的全周，将它们两者相互连接。如果采用该结构，可通过连接部覆 盖固定部件和润滑剂接收部件的板状部之间的全周。由此，由于相对平行连杆机构中的固 定部件，前端侧的部分由润滑剂接收部件而在较宽范围内被覆盖，故可在动作时，从平行连 杆机构、减速部而飞散的润滑剂均可由润滑剂接收部件接收。由于连接部是可伸缩的，故即 使在前端侧的连杆枢毂相对基端侧的连杆枢毂的姿势变化的情况下，仍对应于此，润滑剂 接收部件的连接部可发生变形。
[0042] 上述润滑剂接收部件的连接部也可呈蛇腹状，该连接部以压缩成比没有作用外力 的自然状态小的程度的状态，组装于上述板状部和上述固定部件上，或上述润滑剂接收部 件的连接部也可由片状的弹性材料形成。在任意的场合，在润滑剂接收部件的连接部可在 具有可伸缩的功能的同时，通过连接部覆盖固定部件和润滑剂接收部件的板状部之间的全 周。
[0043] 上述固定部件可在其外周部具有向上述基座部件侧突出的突出部。在该场合，即 使在润滑剂掉落于固定部件上的情况下，由于该润滑剂不会落到固定部件的外侧，故可防 止润滑剂洒溅于被作业物上的情况。
[0044] 也可在本发明中包括基座部件，在该基座部件上设置有上述基端侧的连杆枢毂和 上述促动器，上述润滑剂接收部件为盘状部件，该盘状部件包括板状部和突出部，该突出部 从该板状部的外周缘向与板状部的表面交叉的一个方向突出，该润滑剂接收部件按照上述 板状部覆盖上述减速部的下方、上述突出部朝向基座部件一侧的方式，设置于上述基座部 件或上述减速部的固定部上。通过设置这样的润滑剂接收部件，可防止润滑剂从减速部而 掉落的情况。由此，可简化设置于减速部中的齿轮的密封结构。
[0045] 本发明的连杆动作装置的控制方法为上述连杆动作装置的控制上述促动器的动 作的控制方法，其中，通过同步控制来控制上述各促动器的动作，进行将上述前端侧的连杆 枢毂变换为任意的姿势的姿势控制，该同步控制按照上述促动器的全部同时地开始动作、 同时完成动作的方式进行控制，将上述全部的促动器的减速时间设定在上述连杆动作装置 所具有的共振频率的一个周期附近，进行上述同步控制和姿势控制。另外，在这里所说的共 振频率指装载物设置于前端侧的连杆枢毂上的状态下的共振频率。
[0046] 由于通过进行同时控制，全部的促动器同时地完成动作，故从动作完成时的各连 杆机构到前端侧的连杆枢毂上所作用的力的平衡良好，前端侧的连杆枢毂的准备的时间变 短。另外，准备的时间为从促动器的动作完成，到前端侧的连杆枢毂完全静止的时间。
[0047] 另外，由于前端侧的连杆枢毂在于共振频率的约半个周期后以抵消加速的方向振 动，故如果促动器的减速时间设定在连杆动作装置所具有的共振频率的一个周期附近，则 在进行周期性地加速的步进加速的场合，步进加速后的前端侧的连杆枢毂的振动变小。其 结果是，即使在高速动作时，促动器的动作完成后的前端侧的连杆枢毂的振动变小，可使前 端侧的连杆枢毂进行高速而高精度的定位动作。由于如果前端侧的连杆枢毂相对基端侧的 连杆枢毂的位置改变的同时，姿势也变化，故定位动作为与姿势变更动作相同的意思。
[0048] 在本发明的控制方法中，也可将上述减速时间设定在上述连杆动作装置所具有的 共振频率的0. 8~1. 2个周期的范围内。正弦波为最大振幅的为0. 75个周期和1. 25个周 期。于是，为了避免处于减速结束后以最大振幅而振动的状态的情况，减速时间为连杆动作 装置所具有的共振频率的〇. 8~1. 2个周期。
[0049] 在本发明的控制方法中，还可将上述全部的促动器的加速时间设定在上述连杆动 作装置所具有的共振频率的一个周期附近，进行上述同步控制和姿势控制。由于前端侧的 连杆枢毂在共振频率的约半个周期后抵消加速的方向振动，故如果促动器的加速时间设定 在连杆动作装置所具有的共振频率的一个周期附近，则在进行周期性地加速的步进加速的 场合，步进加速后的前端侧的连杆枢毂的振动变小。其结果是，在启动时发生的前端侧的连 杆枢毂的振动变小，可使前端侧的连杆枢毂进行高速而高精度的定位动作。
[0050] 在本发明的控制方法中，还可将上述加速时间设定在上述连杆动作装置所具有的 共振频率的0. 8~1. 2个周期的范围内。正弦波为最大振幅的为0. 75个周期和1. 25个周 期。于是，为了避免处于减速结束后，以最大振幅而振动的状态的情况，加速时间为连杆动 作装置所具有的共振频率的〇. 8~1. 2个周期。
[0051 ] 在本发明的控制方法中，上述姿势控制也可根据构成目标的上述前端侧的连杆枢 毂的姿势，针对上述各促动器确定指令动作量，上述同步控制根据上述全部的促动器的的 指令动作量的比率设定各促动器的动作速度。
[0052] 在连杆动作装置的姿势控制时，由于各促动器的指令动作量不同，故如果通过该 比率设定指令速度，则同步控制可容易进行。
[0053] 上述各促动器的指令动作量可像下述这样而求出。即，在设定下述参数的场合， 对下述式进行逆变换：上述基端侧的端部连杆部件相对上述基端侧的连杆枢毂的旋转角为 β η;以可旋转的方式连接于上述基端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件的连接端轴、与 以可旋转的方式连接于上述前端侧的端部连杆部件上的中间连杆部件的连接端轴之间的 角度为γ ;各基端侧的端部连杆部件相对构成基准的基端侧的端部连杆部件的圆周方向 的间隔角为s η ;上述前端侧的连杆枢毂的中心轴相对上述基端侧的连杆枢毂的中心轴所 倾斜的垂直角度为Θ ;上述前端侧的连杆枢毂的中心轴相对上述基端侧的连杆枢毂的中 心轴所倾斜的水平角