JP2005226777A - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 リンク機構を適正に作動させて出力部材の姿勢を容易に制御する。
【構成】 入出力側にそれぞれ配された入出力部材４，５に対して回転可能に端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを中央リンク部材１ｂ〜３ｂに対して回転可能に連結した四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃからなるリンク機構１〜３を三組以上有し、各リンク機構１〜３の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一としたリンク作動装置において、入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａの軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構３１を入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａに設け、そのスライド機構３１を駆動する直動アクチュエータ３２を入力部材４側に設置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リンク作動装置に関し、例えば、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するロボット関節などのリンク機構に利用されるリンク作動装置に関する。

例えば、自動車のステアリング装置に装備され、二軸間で動力伝達を行う等速自在継手の一つとして、リンク式等速自在継手がある（例えば、特許文献１参照）。

この等速自在継手は、入力部材と出力部材のそれぞれに対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結して一組のリンク機構とし、このリンク機構を少なくとも二組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一とした構成を具備する。

前述の等速自在継手のリンク機構を三組以上とすることにより、自動車のステアリング装置に装備される他、例えば、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するロボット関節などのリンク作動装置として利用することが可能である。
特開２００２−３４９５９３号公報

ところで、前述の特許文献１に開示されたリンク機構では、入出力部材と端部リンク部材の連結部、または、中央リンク部材と端部リンク部材の連結部の少なくともいずれか一方に回転抵抗軽減手段として軸受に設けるようにしている。

しかしながら、端部リンク部材の内部に軸受を設けた構造の場合には、軸受が外輪回転（軸受の外輪回転で端部リンク部材が回転可能）となるため、本出願人が先に提案した「特願２００３−４００８６」に開示された構造（軸受が内輪回転となる構造）のように、端部リンク部材の軸端部に回転伝達部を設けて端部リンク部材を駆動することができない（端部リンク部材もしくは中央リンク部材を直接駆動する方法しかとれない）。従って、この種のリンク作動装置では、リンク機構を作動させて出力部材の姿勢を制御するアクチュエータとしていかなるものが最適であるかが不明であった。

そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、リンク機構を適正に作動させて出力部材の姿勢を容易に制御し得るリンク作動装置を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、入出力側にそれぞれ配された入出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結した四つの回転対偶部からなるリンク機構を三組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一としたリンク作動装置において、前記入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構を前記入力側の端部リンク部材に設け、そのスライド機構を駆動する直動アクチュエータを入力部材側に固定して設置したことを特徴とする。

入出力間に設けられた三組以上のリンク機構のそれぞれは、幾何学的に同一形状を有し、そのリンク機構を三組以上としたのは、二自由度機構とするためである。ここで、「リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一にする」とは、中央リンク部材の対称面において入力側と出力側に分断した場合に入力側と出力側の幾何学的形状が同一であることを意味する。

各リンク機構は、四つの回転対偶部からなる三節連鎖を構成している。入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材は球面リンク構造で、三組以上のリンク機構における球面リンク中心は一致しており、また、その中心からの距離も同じである。端部リンク部材と中央リンク部材との連結部となる回転対偶軸は、ある交差角をもってもよいし、平行であってもよい。但し、三組以上のリンク機構における中央リンク部材の形状は幾何学的に同一である。

本発明に係るリンク作動装置では、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構を前記入力側の端部リンク部材に設け、そのスライド機構を駆動する直動アクチュエータを入力部材側に固定して設置したことにより、端部リンク部材に軸受を埋設し、軸受の外輪回転により端部リンク部材を回転可能とした機構であっても、端部リンク部材に設けたスライド機構を介して直動アクチュエータでもって端部リンク部材を駆動することで、回転対偶部の軸受に干渉することなく、リンク機構を作動させて出力部材の姿勢を容易に制御することができる。

前述の構成において、直動アクチュエータの突出退入自在なロッドの先端に回転対偶部を設け、その回転対偶部を介してロッドの先端をスライド機構のスライド部に連結することにより、前記直動アクチュエータのロッドと入力側の端部リンク部材を接続した構造とすることが望ましい。このスライド機構としては、直動案内軸受の構造、あるいは、入力側の端部リンク部材に設けられた案内溝と、その案内溝に摺動自在に取り付けられ、直動アクチュエータに連結された案内部材とからなる構造が可能である。

また、前述のスライド機構は、そのスライド方向を次のようにして入力側の端部リンク部材に設けることが望ましい。まず第一に、スライド機構と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線に一致し、かつ、入力側の端部リンク部材の中心軸と平行になるように配置する。第二に、スライド機構と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線と一致し、かつ、その軸線が入力側の端部リンク部材の中心軸に対して角度をなすようにする。第三に、スライド機構と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線と一致させない。なお、入力側の端部リンク部材の可動範囲中で、直動アクチュエータの直動方向とスライド機構のスライド方向が一致しないようにする必要がある。
前述の構成において、二つ以上のリンク機構における前記入力部材と入力側の端部リンク部材間の回転対偶部に、前記入力側の端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を付設した構造とすることが望ましい。このように入力側の端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を設ければ、折れ角θと旋回角φで規定される出力部材の姿勢と入力側の端部リンク部材の回転角βｎとの関係式（γは中央リンク部材の軸角、δは基準となる端部リンク部材に対する各端部リンク部材の円周方向離間角）、
cos（θ/２）sinβｎ−sin（θ/２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ/２）＝０
による逆変換を利用して、出力部材の姿勢を制御することができる。なお、スライド機構と直動アクチュエータの回転対偶部に、その回転対偶部の回転角度を測定する回転角検出手段を付設した構造とすることによっても、前述の関係式による逆変換を利用して出力部材の姿勢を制御できる。また、出力部材に二軸の角度を測定する傾斜角センサを設置した構造とすることにより、前述の関係式による順変換を利用して、出力部材の姿勢を制御することができる。
ここで、出力部材の姿勢において、「折れ角θ」とは、入力部材の中心軸に対して出力部材が傾斜した垂直角度で、「旋回角φ」とは、入力部材の中心軸に対して出力部材が傾斜した水平角度を意味する。「回転角βｎ」とは、入力部材に回転自在に連結された端部リンク部材の連結端における回転角を意味する。また、「軸角γ」とは、入力側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と、出力側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とがなす角度を意味する。「離間角δ」とは、入力側の基準となる端部リンク部材に対する各端部リンク部材の円周方向位置間隔を規定し、端部リンク部材の入力部材との連結端軸のそれぞれがなす角度を意味する。また、「関係式による逆変換」とは、出力部材の姿勢を規定する目標値を関係式に入力することにより、その姿勢入力に対する入力側の端部リンク部材の回転角を求めることを意味し、「関係式による順変換」とは、入力側の端部リンク部材の回転角を規定する目標値を関係式に入力することにより、その回転角入力に対する出力部材の姿勢を求めることを意味する。

前述の構成において、入力部材を回転可能に取り付けたハウジングの内部に、入力部材を回転させる回転用アクチュエータを配設した構造とすることが望ましい。このように回転用アクチュエータを設ければ、リンク機構における二自由度に回転自由度を加えることができ、出力部材を三自由度で動作させることが可能となる。

本発明によれば、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構を前記入力側の端部リンク部材に設け、そのスライド機構を駆動する直動アクチュエータを入力部材側に固定して設置したことにより、端部リンク部材に軸受を埋設し、軸受の外輪回転により端部リンク部材を回転可能とする機構であっても、スライド機構および直動アクチュエータにより、回転対偶部の軸受に干渉することなく、リンク機構を作動させて出力部材の姿勢を容易に制御することができる。また、直動アクチュエータを使用することにより、駆動力の向上が図れ、端部リンク部材の中央で荷重を支持するため、端部リンク部材の強度や機構全体の剛性の向上も図れる。

図１に示す実施形態のリンク作動装置は、例えば、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するロボット関節などのリンク機構などに利用される三組のリンク機構１〜３を具備し、これら三組のリンク機構１〜３のそれぞれは幾何学的に同一形状をなす。なお、この図１では、後述のスライド機構および直動アクチュエータを図示省略している。

各リンク機構１〜３は、図１に示すように円盤状の入力部材４に回動自在に連結された入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと、円盤状の出力部材５に回動自在に連結された出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃと、両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃのそれぞれに回動自在に連結されて両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを互いに連結する中央リンク部材１ｂ〜３ｂとで構成され、四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃからなる三節連鎖構造をなす。

端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃは球面リンク構造で、三組のリンク機構１〜３における球面リンク中心は一致しており、また、その中心からの距離も同じである。端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂとの回転対偶部６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂の連結軸は、ある交差角をもってもよいし、平行であってもよい。ただし、三組のリンク機構１〜３における中央リンク部材１ｂ〜３ｂの形状は幾何学的に同一である。

図２は、前述のリンク作動装置における入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａを示す。円盤状をなす入力部材４の上面には、各リンク機構１〜３について一対の支持部材１１ａ〜１３ａが設置されている。この一対の支持部材１１ａ〜１３ａには軸受１７ａ〜１９ａが取り付けられており、この二つの軸受１７ａ〜１９ａ間に回転自在に支承された回転軸１４ａ〜１６ａに、Ｌ字状をなす端部リンク部材１ａ〜３ａの一方のアーム端部が一対の支持部材１１ａ〜１３ａ間に挿入配置されて連結されている。この支持部材１１ａ〜１３ａは、入力部材４に対してねじ等により着脱自在な構造となっているが、入力部材４と一体的に形成することも可能である。

なお、図２では、内輪回転で端部リンク部材１ａ〜３ａを回転可能とした機構を示しているが、端部リンク部材の内部に軸受を埋設した構造、つまり、外輪回転で端部リンク部材を回転可能とした機構についても適用可能である。本発明では、内輪回転で端部リンク部材を回転可能とした機構よりも、外輪回転で端部リンク部材を回転可能とした機構の方が有効である。

なお、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部は、止めねじにより回転軸１４ａ〜１６ａに固定されている。また、回転軸１４ａ〜１６ａの端部は、ナット２０ａ〜２２ａによる締付けでもって間座などを介在させることにより軸受１７ａ〜１９ａに所定の予圧量を付与して調整可能となっている。

支持部材１１ａ〜１３ａの円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材４と出力部材５では同じ円周方向の位置関係とする必要がある。この入力部材４と出力部材５は、三組のリンク機構１〜３で共有され、各支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃに端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃが取り付けられる入力部材４および出力部材５は、図では円盤状の部材を示しているが、支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃの取り付けスペースを確保することができるのであれば、どのような形状であってもよい。また、配線などを通す必要があれば、貫通孔を形成することも可能である。

出力部材５と出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃとの連結部分である回転対偶部６ｃ〜８ｃは、前述の入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａとの回転対偶部６ａ〜８ａと同一構造であるため、重複説明は省略する。

入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部との回転対偶部６ｂ₁〜８ｂ₁では、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部は、ほぼＬ字状をなす中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部に連結されている。この中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部には、一対の支持部材１１ｂ₁〜１３ｂ₁が設けられている。この一対の支持部材１１ｂ₁〜１３ｂ₁には軸受（図示せず）が取り付けられており、この二つの軸受間に回転自在に支承された回転軸１４ｂ₁〜１６ｂ₁に、Ｌ字状をなす端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部が一対の支持部材１１ｂ₁〜１３ｂ₁間に挿入配置されて連結されている。この支持部材１１ｂ₁〜１３ｂ₁は、中央リンク部材１ｂ〜３ｂに対してねじ等により着脱自在な構造あるいは一体構造のいずれであってもよい。

なお、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部は、止めねじにより回転軸１４ｂ₁〜１６ｂ₁に固定されている。また、回転軸１４ｂ₁〜１６ｂ₁の端部は、ナットによる締付けでもって間座などを介在させることにより軸受に所定の予圧量を付与して調整可能となっている。

出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃの他方のアーム端部と中央リンク部材１ｂ〜３ｂの他方の端部との連結部分である回転対偶部６ｂ₂〜８ｂ₂は、前述の入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部と中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部との回転対偶部６ｂ₁〜８ｂ₁と同一構造であるため、重複説明は省略する。

前記リンク機構１〜３において、入出力側の回転軸１４ａ〜１６ａ、１４ｃ〜１６ｃの角度、長さおよび端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃの幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク部材１ｂ〜３ｂについても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの対称面に対して中央リンク部材１ｂ〜３ｂと入出力部材４，５と連結される端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材４および入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと出力部材５および出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃは同じに動き、入力側と出力側は同じ回転角になって等速回転することになる。この等速回転するときの中央リンク部材１ｂ〜３ｂの対称面を等速二等分面という。

このため、入出力部材４，５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構１〜３を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構１〜３が矛盾無く動ける位置として中央リンク部材１ｂ〜３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより入力側と出力側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。

各リンク機構１〜３における四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃ、つまり、入力部材４と端部リンク部材１ａ〜３ａの連結部分と、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの連結部分、中央リンク部材１ｂ〜３ｂと出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃとの連結部分、出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃと出力部材５との連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。

さらに、リンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃを両端支持するように前記各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃに軸受を配置していることから、軸受剛性の向上が図れる。また、回転対偶部以外の部分で部品同士の着脱が可能となるので、組立性の向上が図れる。なお、この実施形態では、リンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃを両端支持する構造としているが、片持ち支持する構造であってもよい。

この実施形態のリンク作動装置は、図３および図４に示すように入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａの軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構３１を入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａに設け、そのスライド機構３１を駆動する直動アクチュエータ３２を入力部材４側に設置した構造を具備する。なお、図示では、一つの端部リンク部材１ａを示して説明し、他の二つの端部リンク部材２ａ，３ａは省略するが、以下の説明は他の二つの端部リンク部材２ａ，３ａについても共通する。このスライド機構３１は、三つの端部リンク部材１ａ〜３ａのうち、少なくともいずれか二つの端部リンク部材に設ければよい。

このリンク機構１〜３の駆動部は、直動アクチュエータ３２の突出退入自在なロッド３２ａの先端に回転対偶部３３を設け、その回転対偶部３３を介してロッド３２ａの先端をスライド機構３１に連結することにより、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａと入力側の端部リンク部材１ａを接続する。前述のスライド機構３１としては、直動案内軸受や直動ブッシュを用いることが可能であり、入力側の端部リンク部材１ａに設けられたガイド部３１ａと、ロッド３２ａの先端に回転対偶部３３を介して設けられたスライド部３１ｂとで構成される。なお、このスライド機構３１には、直動移動範囲を制限する機構を設ければ、リミッタ機構としても機能する。回転対偶部３３としては、すべり軸受や玉軸受を用いた軸受構造が好ましい。また、直動アクチュエータ３２としては、サーボモータとボールねじの組み合わせ、エアシリンダ、油圧シリンダ等を用いることが可能である。

図５は前述のスライド機構３１の一例を示し、入力側の端部リンク部材１ａの側面にガイド部３１ａを設け、そのガイド部３１ａによるスライド方向を入力側の端部リンク部材１ａの中心軸と一致させている。一方、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａに設けられた回転対偶部３３に軸３４を介してスライド部３１ｂをロッド３２ａに対して回転可能に連結している。なお、軸３４と回転対偶部３３は、図示しないが、アキシャル方向の抜け止めとしてボルト等で固定されている。

直動アクチュエータ３２は、入力部材４の下部に設けられたハウジング３５に固定され、そのロッド３２ａがスムーズに直動するように入力部材４に設けられた直動案内軸受または直動ブッシュ等の支持部材３６を介して垂下されている。なお、図３は直動アクチュエータ３２のロッド３２ａが伸長した状態、図４はそのロッド３２ａが縮小した状態をそれぞれ示す。この直動アクチュエータ３２によりロッド３２ａを突出退入することでスライド機構３１のスライド部３１ｂがガイド部３１ａに対して摺動し、入力側の端部リンク部材１ａが回転対偶部６ａを中心に回転することによりその端部リンク部材１ａの回転角位置を制御することで、出力部材５に取り付けられた、例えばロボットの腕（図示せず）などの可動部位の姿勢を制御する。

前述の実施形態では、スライド機構３１を入力側の端部リンク部材１ａの側面に設けているが、図６に示すようにスライド機構４１を入力側の端部リンク部材１ａの下面に設けることも可能である。つまり、スライド機構４１のガイド部４１ａを端部リンク部材１ａの下面に取り付け、スライド部４１ｂを直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの先端に回転対偶部３３を介して取り付けた構造であってもよい。

また、スライド機構３１，４１の他の実施形態としては、図７に示すようにハウジング３５に固定された直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの先端に回転対偶部３３を介して回転可能に案内部材５１ｂを装着し、その案内部材５１ｂが摺動する案内溝５１ａを入力側の端部リンク部材１ａに形成した構造を有するスライド機構５１であってもよい。この場合、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａを突出退入することによりスライド機構５１の案内部材５１ｂが案内溝５１ａに沿って摺動し、入力側の端部リンク部材１ａが回転対偶部６ａを中心に回転することにより出力部材５の姿勢を制御することができる。

なお、このスライド機構５１において、案内溝５１ａを入力側の端部リンク部材１ａの底面に形成することも可能である。この案内溝５１ａの側面や案内部材５１ｂには、摺動特性に優れた樹脂系の滑り軸受を貼着するようにしてもよい。また、案内部材５１ｂとして、スライド抵抗の低減を目的とするためにローラを用いた構造であってもよい。さらに、案内溝５１ａの断面形状を例えばＴ字型やＬ字型とすることにより案内部材５１ｂの抜け止め機構を設けることも可能である。

前述した各実施形態のスライド機構３１，４１，５１は、以下に述べるように入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部６ａと所定の位置関係を有する。なお、以下では、図３および図４のスライド機構３１について、入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部６ａとの位置関係を説明し、図６および図７のスライド機構４１，５１について、入力部材４と入力側の端部リンク部材２ａ，３ａの回転対偶部７ａ，８ａとの位置関係は同様であるために省略する。

前述したスライド機構３１では、図８に示すようにそのスライド方向が、スライド機構３１と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部３３の軸中心Ｏ₁と、入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部６ａの軸中心Ｏ₂とを結ぶ軸線Ａ₁に一致し、かつ、入力側の端部リンク部材１ａの中心軸と一致させている。

ここで、軸線Ａ₁（端部リンク部材１ａの中心軸）は、端部リンク部材１ａの中央リンク側の回転対偶部６ａ₁と端部リンク部材１ａの入力部材側の回転対偶部６ａの二つの連結軸からなる平面を端部リンク部材１ａの中心面とし、入力部材側の回転対偶部６ａの垂直平面となる端部リンク部材１ａの平面と、前述の端部リンク部材１ａの中心面との交線を意味する。

この場合、図８に示すように端部リンク部材１ａの回転角度が限定され、最大角度まで達しない可能性がある。このように端部リンク部材１ａの回転角度に制約がある場合には、以下の手段により端部リンク部材１ａの可動範囲を調整することができる。なお、入力側の端部リンク部材１ａの中心軸とスライド方向は平行でも構わない。

その手段の一つしては、図９に示すようにスライド機構３１のスライド方向を、スライド機構３１と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部３３の軸中心Ｏ₁と、入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部６ａの軸中心Ｏ₂とを結ぶ軸線Ａ₂と一致させ、かつ、その軸線が入力側の端部リンク部材１ａの中心軸に対して角度をなすようにする。この場合、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの移動量に対する端部リンク部材１ａの回転角度を大きくすることができる。

また、他の手段としては、図１０に示すようにスライド機構３１のスライド方向を、スライド機構３１と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部３３の軸中心Ｏ₁と、入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａの回転対偶部６ａの軸中心Ｏ₂とを結ぶ軸線Ａ₃と一致させないようにする。この場合、前述した図９の手段よりもさらに、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの移動量に対する端部リンク部材１ａの回転角度を大きくすることができる。

なお、前述の実施形態では、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの中心軸Ｂとスライド機構３１の中心軸Ａ₁〜Ａ₃がなす角度が０〜９０°の範囲で傾けているが、９０〜１８０°の範囲で傾けるようにしてもよい。ただし、入力側の端部リンク部材１ａの可動範囲中に、スライド機構３１の中心軸Ａ₁〜Ａ₃と直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの中心軸Ｂが一致しないようにする必要がある。

このスライド機構３１では、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの中心軸Ｂとスライド機構３１の中心軸Ａ₁〜Ａ₃が９０°に近づく方向に入力側の端部リンク部材１ａを回転対偶部６ａを中心に回転させた場合、ロッド３２ａの移動量に対する入力側の端部リンク部材１ａの回転角度が大きくなる。このようなスライド機構３１の動作は、精度が粗くスピードが要求される用途の場合に好適である。一方、直動アクチュエータ３２のロッド３２ａの中心軸Ｂとスライド機構３１の中心軸Ａ₁〜Ａ₃が０°に近づく方向に入力側の端部リンク部材１ａを回転対偶部６ａを中心に回転させた場合、ロッド３２ａの移動量に対する入力側の端部リンク部材１ａの回転角度が小さくなる。このようなスライド機構３１の動作は、精度が要求される用途の場合に好適である。

このリンク作動装置においては、入力側の回転対偶部６ａ〜８ａにおいて、端部リンク部材１ａ〜３ａを支承する回転軸１４ａ〜１６ａに回転角度センサ（図示せず）を設けるようにしてもよい。このようにすれば、アクチュエータにサーボ機構を取り付けなくてもよくなり、アクチュエータのコンパクト化が図れる。また、直動アクチュエータの直動量を容易に端部リンク部材の回転角度に変換できるため、この直動量を検出してもよい。

このように回転角度センサを設けることにより、図１１に示すように折れ角θと旋回角φで規定される出力部材５の姿勢と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角βｎとの関係式（γは中央リンク部材１ｂ〜３ｂの軸角、δは基準となる端部リンク部材に対する各端部リンク部材の円周方向離間角）、
cos（θ/２）sinβｎ−sin（θ/２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ/２）＝０
による逆変換を利用して出力部材５の姿勢を制御することができる。

すなわち、出力部材５の姿勢は、二自由度（折れ角θと旋回角φ）で規定することができ、出力部材５の姿勢（折れ角θと旋回角φ）と入力側の端部リンク部材の回転角βｎとの関係を以下の式で規定することができる。

なお、下記の関係式におけるパラメータθは、入力部材４に対して出力部材５が垂直方向に傾斜した角度、パラメータφは、入力部材４に対して出力部材５が０°から水平方向に傾斜した角度、パラメータβ₁，β₂（リンク機構が三組であるため、そのうちの二つのパラメータで規定可能である）は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａにおける回転角、パラメータγは、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａに連結された中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ₁〜８ｂ₁と、出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃに連結された中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ₂〜８ｂ₂とがなす角度である。この関係式は、リンク機構１〜３が三組で、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃの円周方向位置が等間隔の場合である。
cos（θ/２）sinβ₁−sin（θ/２）sinφcosβ₁＋sin（γ/２）＝０
cos（θ/２）sinβ₂−sin（θ/２）sin（φ＋１２０°）cosβ₂＋sin（γ/２）＝０
cos（θ/２）sinβ₃−sin（θ/２）sin（φ＋２４０°）cosβ₃＋sin（γ/２）＝０

これら二つ以上の方程式を解くことにより、前述の関係式の逆変換でもって出力部材５の姿勢を制御することができる。つまり、出力部材５の姿勢制御は、所定の姿勢を規定する目標値を関係式に入力することにより、その姿勢入力に対する入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を求めることで実現できる。

なお、回転角度センサは、入力側の回転対偶部６ａ〜８ａ以外に、スライド機構３１と直動アクチュエータ３２の回転対偶部３３に設けることも可能で、これにより、前述の関係式の逆変換でもって出力部材５の姿勢を制御することができる。また、出力部材５に二軸の角度を測定するジャイロ等の傾斜角センサを設置することも可能で、これにより、前述の関係式の順変換を利用して、出力部材５の姿勢を制御することができる。つまり、出力部材５の姿勢検出は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。

また、入力部材４をハウジング３５に回転可能に取り付け、そのハウジング３５の内部に、入力部材４を回転させる回転用アクチュエータ（図示せず）を配設すれば、リンク機構１〜３の二自由度に回転自由度を加えることができ、出力部材５を三自由度で動作させることが可能となる。このような三自由度機構では、リンク機構１〜３の姿勢が一定でも、出力部材５の表面の角度を変えることができる。

本発明の実施形態で三組のリンク機構を具備したリンク作動装置を示す斜視図である。 図１のリンク作動装置で、入力部材と入力側の端部リンク部材との回転対偶部を示す断面図である。 本発明の実施形態で、入力側の端部リンク部材と直動アクチュエータとの連結構造において直動アクチュエータのロッドが突出した状態を示す要部拡大図である。 本発明の実施形態で、入力側の端部リンク部材と直動アクチュエータとの連結構造において直動アクチュエータのロッドが退入した状態を示す要部拡大図である。 図３および図４のスライド機構を示す断面図である。 本発明の他の実施形態で、入力側の端部リンク部材と直動アクチュエータとの連結構造を示す要部拡大図である。 本発明の他の実施形態で、入力側の端部リンク部材と直動アクチュエータとの連結構造を示す要部拡大図である。 スライド機構について、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部との位置関係の一例を説明するための要部拡大図である。 スライド機構について、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部との位置関係の他例を説明するための要部拡大図である。 スライド機構について、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部との位置関係の他例を説明するための要部拡大図である。 本発明の実施形態で、三組のリンク機構において、出力部材の姿勢と入力側の端部リンク部材の回転角の関係を説明するための斜視図である。

符号の説明

１〜３ リンク機構
１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃ 端部リンク部材
１ｂ〜３ｂ 中央リンク部材
４ 入力部材
５ 出力部材
６ａ〜８ａ 回転対偶部
６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂ 回転対偶部
６ｃ〜８ｃ 回転対偶部
３１ スライド機構
３２ 直動アクチュエータ
３２ａ ロッド
３３ 回転対偶部
３５ ハウジング
θ 折れ角
φ 旋回角
βｎ 回転角

Claims (13)

1. 入出力側にそれぞれ配された入出力部材に対して回転可能に端部リンク部材を連結し、入力側と出力側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結した四つの回転対偶部からなるリンク機構を三組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して入力側と出力側を幾何学的に同一としたリンク作動装置において、前記入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸に対する垂直平面上で摺動するスライド機構を前記入力側の端部リンク部材に設け、そのスライド機構を駆動する直動アクチュエータを入力部材側に固定して設置したことを特徴とするリンク作動装置。
2. 前記直動アクチュエータの突出退入自在なロッドの先端に回転対偶部を設け、その回転対偶部を介してロッドの先端をスライド機構のスライド部に連結することにより、前記直動アクチュエータのロッドと入力側の端部リンク部材を接続した請求項１に記載のリンク作動装置。
3. 前記スライド機構は、直動案内軸受である請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
4. 前記スライド機構は、入力側の端部リンク部材に設けられた案内溝と、その案内溝に摺動自在に取り付けられ、直動アクチュエータに連結された案内部材とからなる請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
5. 前記スライド機構のスライド方向が、スライド機構と入力側の端部リンク部材の連結部となる回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線に一致し、かつ、入力側の端部リンク部材の中心軸と平行になるようにスライド機構を設けた請求項１〜４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
6. 前記スライド機構のスライド方向が、スライド機構と入力側の端部リンク部材の連結部となる回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線と一致し、かつ、その軸線が入力側の端部リンク部材の中心軸に対して角度をなすようにスライド機構を設けた請求項１〜４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
7. 前記スライド機構のスライド方向が、スライド機構と入力側の端部リンク部材の連結部となる回転対偶部の軸中心と、入力部材と入力側の端部リンク部材の回転対偶部の軸中心とを結ぶ軸線と一致しないようにスライド機構を設けた請求項１〜４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
8. 前記入力側の端部リンク部材の可動範囲中で、直動アクチュエータの直動方向とスライド機構のスライド方向が一致しないようにスライド機構を設けた請求項１〜７のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
9. 二つ以上のリンク機構における前記入力部材と入力側の端部リンク部材間の回転対偶部に、前記入力側の端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を付設した請求項１〜８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
10. 前記スライド機構と直動アクチュエータの回転対偶部に、その回転対偶部の回転角度を測定する回転角検出手段を付設した請求項１〜８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
11. 前記出力部材の姿勢を、折れ角θと旋回角φで規定される出力部材の姿勢と入力側の端部リンク部材の回転角βｎとの関係式（γは中央リンク部材の軸角、δは基準となる端部リンク部材に対する各端部リンク部材の円周方向離間角）、
    cos（θ/２）sinβｎ−sin（θ/２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ/２）＝０
    による逆変換でもって制御可能とした請求項１〜１０のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
12. 前記出力部材に二軸の角度を測定する傾斜角センサを設置し、逆変換でもって端部リンク部材の回転角度を算出した請求項１〜１１のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
13. 前記入力部材を回転可能に取り付けたハウジングの内部に、入力部材を回転させる回転用アクチュエータを配設した請求項１〜１２のいずれか一項に記載のリンク作動装置。