平行マニピュレータ

パラレルマニピュレータは、複数のコンピュータ制御シリアルチェーンを使用して単一のプラットフォームまたはエンドエフェクタをサポートする機械システムです。おそらく最もよく知られているパラレルマニピュレータは、フライトシミュレータなどのデバイスの可動ベースをサポートする6つのリニアアクチュエータで構成されています。このデバイスは、最初に設計して使用したエンジニアにちなんで、スチュワートプラットフォームまたはゴフ・スチュワートプラットフォームと呼ばれています。^[1]

パラレル ロボット、または汎用スチュワート プラットフォーム(スチュワート プラットフォームでは、アクチュエータがベースとプラットフォームの両方でペアになっています) としても知られるこれらのシステムは、ベース上のロボットまたは 1 つ以上のマニピュレータアームの動きに同様のメカニズムを使用する多関節ロボットです。シリアル マニピュレータとは異なり、これらのシステムの「パラレル」な特徴は、このリンク (または「アーム」) のエンド エフェクタ(または「ハンド」)が、 同時に動作する多数の (通常は 3 つまたは 6 つの) 独立した個別のリンクによってベースに直接接続されていることです。幾何学的な平行性は意味されません。

パラレルマニピュレータは、シリアルマニピュレータと比較して、各チェーンが通常短く単純になるように設計されているため、不要な動きに対して剛性があります。 1 つのチェーンの位置決めの誤差は、累積されるのではなく、他のチェーンと組み合わせて平均化されます。 各アクチュエータは、シリアルロボットの場合と同様に、独自の自由度内で移動する必要がありますが、パラレルロボットでは、ジョイントの軸外柔軟性も他のチェーンの影響によって制約されます。コンポーネントが増えるにつれて徐々に剛性が低下するシリアルチェーンとは異なり、 この閉ループ剛性により、パラレルマニピュレータ全体がコンポーネントに対して剛性になります。

この相互補強により、シンプルな構造も可能になります。スチュワート プラットフォームヘキサポッド チェーンは、任意の 軸ユニバーサルボール ジョイントの間に直動ジョイントリニア アクチュエータを使用します。ボール ジョイントは受動的です。アクチュエータやブレーキなしで自由に移動できます。位置は他のチェーンによってのみ制約されます。デルタ ロボットには、軽量で剛性のある平行四辺形アームを動かす回転アクチュエータがベースに取り付けられています。エフェクタは 3 つのアームの先端の間に取り付けられ、これもシンプルなボール ジョイントで取り付けられます。パラレル ロボットの静的表現は、多くの場合、ピンジョイント トラスの表現に似ています。リンクとそのアクチュエータは、曲げやトルクがなく、張力または圧縮のみを感じるため、軸外力に対する柔軟性の影響が軽減されます。

パラレルマニピュレータのさらなる利点は、重いアクチュエータを単一のベースプラットフォームの中央に取り付けることができるため、アームの動きが支柱とジョイントのみで行われることです。アームの質量が減ることでアームの構造が軽くなり、アクチュエータが軽くなり動きが速くなります。質量を集中させることでロボットの全体的な慣性モーメントも減り、移動ロボットや歩行ロボットにとって有利になる場合があります。

これらすべての機能により、マニピュレータは広範囲の動作能力を備えています。動作速度は純粋なパワーではなく剛性によって制限されることが多いため、シリアルマニピュレータに比べて動作が高速です。

マニピュレータは、完全な3T3R 移動性を実現するために、3 つの並進3Tと 3 つの回転3R座標によって決定される最大 6自由度(DoF) でオブジェクトを移動できます。ただし、マニピュレーション タスクに必要な DoF が 6 未満の場合、6 DoF 未満の低移動度マニピュレータを使用すると、アーキテクチャが簡単、制御が簡単、動作が高速、コストが低いという利点があります。^[2]  たとえば、3 DoF Delta ^{[3] [4]ロボットは}3T移動性が低く、迅速なピックアンドプレース並進位置決めアプリケーションに非常に効果的であることが証明されています。低移動度マニピュレータの作業領域は、「動作」サブスペースと「制約」サブスペースに分解できます。たとえば、3 つの位置座標は 3 DoF Delta ロボットの動作サブスペースを構成し、3 つの方向座標は制約サブスペース内にあります。機動性の低いマニピュレータの運動サブスペースは、さらに独立（望ましい）サブスペースと従属サブスペースに分解できます。これは、マニピュレータの望ましくない運動である「付随」または「寄生」運動で構成されます。^{[5] [6] [7]}  機動性の低いマニピュレータをうまく設計するには、寄生運動の悪影響を軽減または排除する必要があります。たとえば、デルタロボットはエンドエフェクタが回転しないため、寄生運動はありません。

ほとんどのロボット アプリケーションでは剛性が必要です。シリアル ロボットでは、1 つの軸での動きは許可するが、それ以外の動きに対しては剛性である高品質の回転ジョイントを使用することでこれを実現できます。動きを許可するジョイントは、アクチュエータによって意図的に制御された動きも行う必要があります。したがって、複数の軸を必要とする動きには、そのようなジョイントがいくつか必要になります。1 つのジョイントに不要な柔軟性やだらしなさがあると、アームにも同様のだらしなさが生じ、ジョイントとエンド エフェクタの距離によってそれが増幅される場合があります。つまり、1 つのジョイントの動きを別のジョイントの動きに対して支える機会がないのです。避けられないヒステリシスと軸外柔軟性は、アームの運動連鎖に沿って蓄積されます。精密シリアル マニピュレータは、精度、複雑さ、質量 (マニピュレータと操作対象物)、およびコストの間の妥協点です。一方、パラレル マニピュレータでは、マニピュレータの質量 (操作対象に対して相対的) を小さくして高い剛性を得ることができます。これにより、高精度かつ高速な動きが可能になり、フライトシミュレーターでの平行マニピュレーター（かなり大きな質量で高速）や、粒子加速器での静電レンズまたは磁気レンズ（大きな質量の位置決めで非常に高い精度）の使用が促進されます。

シリアルマニピュレータと比較したパラレルマニピュレータの欠点は、作業空間が限られていることです。シリアルマニピュレータの場合、作業空間は設計の幾何学的および機械的な制限 (脚の最大長と最小長の衝突) によって制限されます。作業空間は特異点の存在によっても制限されます。特異点とは、動作の軌道によっては、脚の長さの変化が位置の変化よりも無限に小さい位置のことです。逆に、特異点の位置では、エンドエフェクタに適用される力 (重力など) によって脚に無限に大きな制約が生じ、マニピュレータの一種の「爆発」が発生する可能性があります。特異点の位置を特定するのは困難です (一般的なパラレルマニピュレータの場合、これは未解決の問題です)。これは、パラレルマニピュレータの作業空間が、特異点がないことがわかっている小さな領域に人為的に制限されていることを意味します。

パラレルマニピュレータのもう 1 つの欠点は、非線形動作です。エンドエフェクタの直線移動または円形移動を実現するために必要なコマンドは、作業スペース内の場所に大きく依存し、移動中に線形に変化しません。

これらのデバイスの主な産業用途は次のとおりです。

• フライトシミュレーター
• 自動車シミュレーター
• 作業プロセスにおいて
• フォトニクス/光ファイバーアライメント^[10]

それらはまた、より人気が高まっています:

• PCBの組み立てなど、限られた作業スペースでの高速・高精度の位置決め
• 大型だが低速のシリアルマニピュレータのエンドエフェクタに取り付けられたマイクロマニピュレータとして
• 高速・高精度フライス盤として

パラレル ロボットは通常、作業スペースが制限されます。たとえば、障害物を迂回することはできません。また、必要な操作 (順方向運動学) を実行するための計算も通常はより困難で、複数のソリューションが必要になる場合があります。

人気のある並列ロボットの例として、スチュワート プラットフォームとデルタ ロボットが挙げられます。

• ロボットの運動学
• 直交座標系平行マニピュレータ

• 

  Gogu, Grigore (2008).並列ロボットの構造合成、パート 1: 方法論。Springer。ISBN 978-1-4020-5102-9。
• Gogu, Grigore (2009)。並列ロボットの構造合成、パート 2 : 2 自由度と 3 自由度の並進トポロジー。Springer。ISBN 978-1-4020-9793-5。
• Merlet, JP (2008). Parallel Robots, 第 2 版. Springer. ISBN 978-1-4020-4132-7。
• Kong, X.; Gosselin, C. (2007).並列メカニズムの型合成. Springer. ISBN 978-3-540-71989-2。

• Gallardo-Alvarado, J. (2016).代数的ねじ理論による平行マニピュレータの運動学的解析. Springer. ISBN 978-3-319-31124-1。

ウィキメディア・コモンズには、並列ロボットに関連するメディアがあります。

• パラレルメカニズム情報センター
• 並列ロボットとは何ですか？
• パラレルロボットに関する参考資料