[論文レビュー] Design of a Three-Axis Isotropic Parallel Manipulator for Machining Applications: The Orthoglide

Philippe Wenger, Damien Chablat|arXiv (Cornell University)|May 9, 2007

Robotic Mechanisms and DynamicsEngineering参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、立方体の直交座標ワークスペース、固定された姿勢、均一な運動学的・静力学的性能を備えた高精度切削向けに設計された3軸等方性並列マニピュレータ、Orthoglideを提示する。等方性は直交する直線アクチュエータと平行四辺形リンクによって達成され、均一な速度および力の伝達が、特徴が明確で特異点のないワークスペース全体で実現される。小型プロトタイプによる実証により、200 mm×200 mm×200 mmのワークスペースと、等方性点での1.2 m/sの速度が達成された。

ABSTRACT

The orthoglide is a 3-DOF parallel mechanism designed at IRCCyN for machining applications. It features three fixed parallel linear joints which are mounted orthogonally and a mobile platform which moves in the Cartesian x-y-z space with fixed orientation. The orthoglide has been designed as function of a prescribed Cartesian workspace with prescribed kinetostatic performances. The interesting features of the orthoglide are a regular Cartesian workspace shape, uniform performances in all directions and good compactness. A small-scale prototype of the orthoglide under development is presented at the end of this paper.

研究の動機と目的

• 切削用途に適した3自由度並列マニピュレータを設計すること。
• 特異点や自己干渉のない、規則的で立方体形状の直交座標ワークスペースを実現すること。
• ワークスペース全体にわたり、一様な速度および力の伝達係数を確保すること。
• 直列型PPPマシンの性能均一性と並列キネマティクスの動的利点を統合すること。
• 高速・高精度の切削に適した、コンactでスケーラブルなプロトタイプを開発すること。

提案手法

• Orthoglideは、ボールスクリューを備えた直線または回転モータで駆動される3つの直交するプリズムジョイントを用いる。
• 各チェーンは、プリズム（P）、リボルバル（R）、および平行四辺形（Pa）ジョイントを有するPRPaR構造をとる。これにより、姿勢が固定される。
• 移動平台は、長さLの同一の3つの平行四辺形リンクで接続されており、x、y、z方向への純粋な並進運動が保証される。
• 設計は2つの基準に基づいて最適化される：等方性のためのヤコビアンの条件数と、関節制限およびリンク長の最適化のためのマニピュラビリティ楕円体。
• ワークスペースのサイズは、許容可能な速度伝達係数の変動範囲（1/2 ≤ ψi ≤ 2）に基づく関節制限を解くことによって決定される。
• プロトタイプは回転モータとボールスクリューを用いて製作され、その運動学的パラメータは所定期望のワークスペースおよび性能要件から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3軸並列マニピュレータは、規則的で立方体形状の直交座標ワークスペースと等方性性能を備えることができるか？
• RQ2 並列マニピュレータにおいて、等方性と均一な運動学的・静力学的性能をどのように達成できるか？
• RQ3 設計パラメータ（リンク長、関節制限）は、所定期望のワークスペースサイズを確保するとともに、許容可能な伝達係数を維持するのにどのように寄与するか？
• RQ4 既存の切削用途向け並列キネマティクスマシン（PKM）と比較して、Orthoglideはコンパクト性と性能で優れているか？
• RQ5 定義された立方体ワークスペース内での高速・高精度を達成できる小型プロトタイプを構築できるか？

主な発見

• Orthoglideは、200×200×200 mm³の立方体直交座標ワークスペースを実現し、高い規則性と特異点の欠如を達成した。
• ヤコビアン行列は中心部で等方的であり、ワークスペース全体にわたり一様な性能が保証された。
• 速度伝達係数はワークスペース全体で1/2 ≤ ψi ≤ 2の範囲に保たれ、一貫した動的性能を示した。
• 所定期望のワークスペースサイズと性能を達成するため、必要な平行四辺形リンク長はL = 310 mmであった。
• 駆動関節の変位範囲はΔρ = 257 mmであり、関節範囲とワークスペースサイズの比r = 0.78を示し、他の機構と比較して優れた性能を示した。
• プロトタイプは、等方性点で最大速度1.2 m/s、加速度14 m/s²、4 kgの負荷を有する状態で達成された。