JP2005127475A - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータの簡略化を図ることにある。
【構成】 入力側と出力側のそれぞれに配されたリンクハブ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三組のリンク機構１〜３を有し、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、入力側のリンクハブ４の外部に、端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータ１３が連結される回転伝達部１４を配設する。
【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、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リンク作動装置として、パラレルリンク機構を具備した作業装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この作業装置は、ベースプレートとトラベリングプレートとの間を接続する複数のリンクを協調させて伸縮させることでベースプレートに対するトラベリングプレートの位置および姿勢を変化させるパラレルリンク機構を具備する。このパラレルリンク機構のトラベリングプレートにツールを取り付け、ワークを保持するテーブルを回転可能に配設することにより、テーブル上のワークに対するツールの位置および姿勢を自由に変えられるようにして、ツールによる三次元空間内での複雑な加工や物品の取り回しを可能にしている。

前記パラレルリンク機構では、可動部分の質量を軽減することができ、また、各リンクの位置決め誤差がその先端部で平均化されるなど、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上で大きな特徴を具備している。
特開２０００−９４２４５号公報

しかしながら、前述したパラレルリンク機構では、各リンクの作動角が小さいため、トラベリングプレートの作動範囲を大きく設定しようとすると、リンク長が長くなることにより、機構全体の寸法が大きくなって装置の大型化を招来するという問題があった。また、機構全体の剛性が低く、トラベリングプレートに搭載されるツールの重量、つまり、トラベリングプレートにおける可搬重量も小さいものに制限されるという問題もあった。

この問題点を解消するため、本出願人は、コンパクトな構成で、剛性が高く、しかも可搬重量が大きいリンク機構を具備したリンク作動装置を先に提案している（特願２００３−４００８６）。

このリンク作動装置は、入力部材と出力部材のそれぞれに設けたリンクハブ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構成を具備するものである。

このリンク作動装置では、リンクハブに軸受外輪を内包すると共に軸受内輪を端部リンク部材と結合させることにより、リンクハブ内に軸受構造を埋設したものであり、リンク機構の内部空間に回転伝達部を配設し、その回転伝達部を介して端部リンク部材の姿勢を制御するリンク作動用アクチュエータを設けたものであり、入力側リンクハブを固定し、回転伝達部を駆動することにより出力側リンクハブを二自由度で動作させるようにしたものである。

このリンク作動装置は、端部リンク部材の回転位置を制御するものであるが、その制御方法については開示されておらず、また、入力側リンクハブへの回転角入力に対して出力側リンクハブの姿勢を求めたり、出力側リンクハブへの姿勢入力に対して入力側リンクハブの回転角を求めたりするための制御手段については開示されていなかった。

そこで、本出願人は、前述の提案（特願２００３−４００８６）を前提として、入力側リンクハブへの回転角入力に対して出力側リンクハブの姿勢を求めたり、出力側リンクハブへの姿勢入力に対して入力側リンクハブの回転角を求めたりするための制御手段を開示したリンク作動装置も提案している（特願２００３−２８７９４５）。

しかしながら、前述のリンク作動装置のように回転伝達部をリンク機構内部に設けようとしても、そのリンク機構の内部空間が狭いため、リンク作動用アクチュエータを回転伝達部に直接的に設置することが非常に困難であった。そのため、ギアやベルト等の伝達機構を回転伝達部とリンク作動用アクチュエータとの間に設ける必要があり、その伝達機構も非常に小さくしなければならず、部品相互で干渉しないように配置するためには非常に複雑な構造となる。また、部品点数も多くなるため、バックラッシュも大きくなるという問題があった。

また、二自由度機構では、出力側リンクハブの姿勢により出力側リンクハブの表面回転角が一意に決まるため、出力側リンクハブに部材を取り付けた場合、その部材の方向が変化してしまうという問題があった。

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、端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータの簡略化を図り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リンクハブ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、前記入力側のリンクハブの外部に、端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータが連結される回転伝達部を配設したことを特徴とする。

入力部材と出力部材とは、三組以上のリンク機構で連結されており、それぞれのリンク機構は幾何学的に同一形状を有する。リンク機構を三組以上としたのは、入力部材と出力部材間が回転二自由度の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、入力側のリンクハブの外部に、端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータが連結される回転伝達部を配設したことにより、回転伝達部をリンク作動用アクチュエータで直接的に駆動することができ、リンク作動用アクチュエータの簡略化が実現容易となる。

前述の構成において、回転伝達部は、回転伝達部の動作範囲を規制するような形状を有する部品で構成することが望ましい。このようにすれば、動作範囲に合わせてその形状を小さくすることにより、回転伝達部と他部品の干渉を回避することが容易となる。

この回転伝達部の動作範囲を規制するような形状を有する部品としては、例えば、かさ歯車が望ましい。例えば、かさ歯車の場合、歯面同士を押し付けた連結構造とすることができるので、回転伝達部のバックラッシュを低減できる。

前述の構成において、回転伝達部およびリンク作動用アクチュエータを、入力側のリンクハブに連結された端部リンク部材とのなす角度が小さくなる方向に傾けて配設することが望ましい。このようにすれば、回転伝達部と他部品の干渉を回避することが容易となる。

前述の構成において、端部リンク部材のアーム長を大きくしてリンク機構の内部空間を拡大した構造とすることが望ましい。このようにすれば、回転伝達部と他部品の干渉を回避することが容易となる。

前述の構成において、入力側リンクハブの端部リンク部材を支承する軸部分に回転角度センサを設けた構造とすることが望ましい。このようにすれば、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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）、
cosθsinβｎ−sinθsin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
による逆変換を利用して、出力側リンクハブの姿勢を制御することができる。

ここで、出力側リンクハブの姿勢において、「折れ角θ」とは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブが傾斜した垂直角度で、「旋回角φ」とは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブが傾斜した水平角度を意味する。「回転角βｎ」とは、入力側リンクハブ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、入力側リンクハブ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、出力側リンクハブ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、入力側リンクハブ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側リンクハブ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、出力側リンクハブ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リンクハブの端部リンク部材の回転角を求めることを意味する。

前述の構成において、前記リンク機構に連結されたリンク作動用アクチュエータを取り付けベースに配設し、その取り付けベースを回転用アクチュエータによりハウジングに対して回転可能とした構造とすることが望ましい。このように二自由度に回転自由度を加えれば、出力リンクハブを三自由度で動作させることが可能となる。なお、前述の回転用アクチュエータは、取り付けベースあるいはハウジングのいずれかに取り付けることが可能である。

この取り付けベースを回転させる三自由度機構において、折れ角θ₁と旋回角φ₁と出力側リンクハブの表面回転角η₁で規定されるリンク座標系における出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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）、
cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
η＝φ₁
による逆変換を利用して、出力側リンクハブの姿勢を制御することができる。

このとき、グローバル座標系における出力リンクハブの姿勢（折れ角θ_gと旋回角φ_gと出力側リンクハブの表面回転角η_g）は、θ₁＝θ_g、φ_g＝φ₁＋ｎ、η_g＝η₁となる。ここで、ｎは取り付けベースの回転角を示す。

なお、前述の構成において、出力側リンクハブに回転用アクチュエータを固設すると共に取り付けベースを回転自在に装着し、その取り付けベースに前記回転用アクチュエータの出力軸を連結した構造とすれば、折れ角θと旋回角φと出力側リンクハブの表面回転角ηで規定されるリンク座標系における出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角βｎとベースの回転角ｍ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）、
cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
η＝ｍ
による逆変換を利用して、出力側リンクハブの姿勢を制御することが可能となる。

前述の構成において、リンク機構に直動用アクチュエータを設置した構造とすることも可能である。このようにすれば、出力側リンクハブの先端位置を制御することができ、出力側リンクハブに取り付けた部材を所定のポイントに接触させることが容易となる。なお、前述の直動用アクチュエータは、リンク機構の出力側リンクハブ、入力側リンクハブあるいは中央リンク部材のいずれにも設置することが可能である。

前述の構成において、リンク機構の入力側に回転あるいは直動用アクチュエータを設置し、ワイヤを介してリンク機構の出力側に回転あるいは直動運動を付与する構造とすることも可能である。このようにすれば、リンク機構の入力側にすべてのアクチュエータを格納することができる。

本発明によれば、入力側のリンクハブの外部に、端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータが連結される回転伝達部を配設したことにより、回転伝達部をリンク作動用アクチュエータで直接的に駆動することができ、リンク作動用アクチュエータの簡略化が実現容易となる。また、部品点数の低減化が図れ、バックラッシュも小さくすることができるので、リンク作動装置の剛性を向上させることもできる。また、二自由度に回転自由度を加えれば、出力リンクハブの姿勢が変化しても、その表面の角度を自由に変えることもできる。

本発明に係るリンク作動装置の実施形態を以下に詳述する。なお、図中において、リンク機構とアクチュエータとが離れているものがあるが、実際上、両者はスペーサ等で連結されている。

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を具備する。なお、このリンク機構１〜３の構成は、前述したように本出願人が先に提案した特願２００３−４００８６に開示したものと同一である（図２参照）。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。

図１および図２に示すように、各リンク機構１〜３は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａ、中央リンク部材１ｂ〜３ｂ、出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃで構成され、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構をなす。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。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。

一組のリンク機構１〜３は、入力側および出力側に位置する二つのリンクハブ４，５と、両リンクハブ４，５のそれぞれに軸部材により回転可能に連結させた二つの端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと、両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃのそれぞれに回転可能に連結されて両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを互いに連結する一つの中央リンク部材１ｂ〜３ｂとを具備する。

リンクハブ４は、その軸方向に配線などの通路用として中心孔６が形成され、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなし、半径方向に貫通孔を円周方向等間隔で形成し、その貫通孔に軸受を介して軸部材１０を嵌挿させた構造を具備する。軸部材１０の円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力側と出力側のリンクハブ４，５は同じ円周方向の位置関係とする必要がある。このリンクハブ４，５は、三組のリンク機構１〜３で共有され、各軸部材１０に端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。

端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃはＬ字状をなし、一方のアーム端部１１ａ，１１ｃをリンクハブ４，５から突出する軸部材１０の先端にナットで結合し、他方のアーム端部１２ａ，１２ｃを中央リンク部材１ｂ〜３ｂに連結する。なお、軸部材１０と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃは、前述したナット以外に、加締めにより結合することが可能で、その場合、結合構造の省スペース化が実現できる。さらに、軸部材１０と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃをキーあるいはセレーションにより結合させれば、その結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることもできる。

一方、中央リンク部材１ｂ〜３ｂはほぼＬ字状をなし、一方の端部は入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部１２ａに、他方の端部は出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃのアーム端部１２ｃに軸受を介して回転自在に結合されている。この中央リンク部材１ｂ〜３ｂと端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの結合構造は、前述したリンクハブ４，５と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの結合構造と同様である。

前記リンク機構１〜３において、リンクハブ４，５の軸部材１０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とリンクハブ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側のリンクハブ４および端部リンク部材１ａ〜３ａと出力側のリンクハブ５および端部リンク部材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、入力側と出力側のリンクハブ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の回転部、つまり、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとリンクハブ４，５の二つの連結部分と、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの二つ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。

リンク機構１〜３の入力側に位置するリンクハブ４には、端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータ１３が回転伝達部１４を介して連結されている。また、リンク機構１〜３の出力側に位置するリンクハブ５には、作動装置が組み込まれる装置の可動部位、例えばロボットの腕（図示せず）が取り付けられる。

このリンク作動装置では、入力側のリンクハブ４の外部に、端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータ１３が連結された回転伝達部１４を配設する。これにより、回転伝達部１４をリンク作動用アクチュエータ１３で直接的に駆動することができ、リンク作動用アクチュエータ１３の簡略化が実現容易となる。この回転伝達部１４は、その回転伝達部１４の動作範囲を規制するような形状を有する部品、例えば、釣鐘形の歯車１４ａをリンクハブ４の軸部材１０に同軸的に装着し、その歯車１４ａと噛合する傘歯車１４ｂをリンク作動用アクチュエータ１３の出力軸１３ａに同軸的に装着した構成を具備する。二つのリンク作動用アクチュエータ１３は、ハウジング１５の上端部に固着された取り付けベース１６に垂直に取り付けられ、それぞれの出力軸１３ａを取り付けベース１６の孔１７に挿通させたモータである。

前述の釣鐘形の歯車１４ａのように動作範囲に合わせてその形状を小さくすることにより、回転伝達部１４と他部品の干渉を回避することが容易となり、出力側リンクハブ５の作動範囲が広くなる。このように回転伝達部１４では、最大でも±４５°しか回転しないので、他部品との干渉を防止するために釣鐘形の歯車１４ａを採用している。このリンク作動用アクチュエータ１３を取り付けベース１６を垂直に取り付けた構造では、作動角が狭くなるが、リンク作動用アクチュエータ１３のコンパクト化が図れる。また、傘歯車１４ｂの場合、歯面同士を押し付けた連結構造とすることができるので、回転伝達部１４のバックラッシュを低減できる。

なお、この実施形態の回転伝達部１４において、釣鐘形の歯車１４ａを、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部１１ａ〜１３ａの外側位置でリンクハブ４の軸部材１０に装着した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部１１ａ〜１３ａの内側位置で軸部材１０に装着するようにしてもよい。また、リンク作動用アクチュエータ１３の出力軸１３ａに傘歯車１４ｂを装着しているが、これ以外に、ウォームを用いることも可能である。また、回転伝達部１４を内向きに配置しているが、外向きに配置してもよい。

図１の実施形態では、リンク作動用アクチュエータ１３を垂直方向に沿って配設した場合について説明したが、図３に示す実施形態のように、回転伝達部１４およびリンク作動用アクチュエータ１３を、入力側のリンクハブ４に連結された端部リンク部材１ａ〜３ａのアームとのなす角度が小さくなる方向に傾けて配設するようにしてもよい。このようにすれば、回転伝達部１４と他部品の干渉を回避することが容易となり、出力側リンクハブ５の作動範囲が広くなる（例えば、リンク作動用アクチュエータ１３を約２０°傾ければ、出力側リンクハブ５は、折れ角９０°の作動範囲となる）。

なお、前述の実施形態のように回転伝達部１４およびリンク作動用アクチュエータ１３を傾けて配置する代わりに、図４に示す実施形態のように端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム長Ｄを大きくするようにしてもよい。このようにすれば、リンク機構１〜３の内部空間Ｓを拡大することができ、回転伝達部１４と他部品の干渉を回避することが容易となり、出力側リンクハブ５の作動範囲が広くなる。

また、他の実施形態として、入力側リンクハブ４の端部リンク部材１ａ〜３ａを支承する軸部材１０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、リンク作動用アクチュエータ１３にサーボ機構を取り付けなくてもよくなり、リンク作動用アクチュエータ１３のコンパクト化が図れ、また、電源投入時の原点出しも不要となる。この実施形態では、図２に示すように折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブ５の姿勢と入力側リンクハブ４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）、
cosθsinβｎ−sinθsin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
による逆変換を利用して、出力側リンクハブ５の姿勢を制御することができる。

すなわち、出力側のリンクハブ５の姿勢は、図２に示すように二自由度（折れ角θと旋回角φ）で規定することができ、出力側リンクハブ５の姿勢（折れ角θと旋回角φ）と入力側リンクハブ４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、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブ５が垂直方向に傾斜した角度、パラメータφは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブ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、入力側リンクハブ４に回転自在に連結された端部リンク部材１ａ，３ａの連結端における回転角、パラメータγは、入力側リンクハブ４の端部リンク部材２ａに回転自在に連結された中央リンク部材２ｂの連結端軸と、出力側リンクハブ５の端部リンク部材２ｃに回転自在に連結された中央リンク部材２ｂの連結端軸とがなす角度である。この関係式は、リンク機構が三組で、端部リンク部材の円周方向位置が等間隔の場合である。
cosθsinβ₁−sinθsinφcosβ₁＋sinγ＝０
cosθsinβ₂−sinθsin（φ＋１２０°）cosβ₂＋sinγ＝０
cosθsinβ₃−sinθsin（φ＋２４０°）cosβ₃＋sinγ＝０

これら二つ以上の方程式を解くことにより、前記関係式の逆変換でもって出力側リンクハブ５の姿勢を制御することができる。つまり、出力側リンクハブ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リンクハブ４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。

ところで、入力側リンクハブ４を固定する場合、出力側リンクハブ５が高折れ角で旋回運動する際に大きなトルクを必要とする。また、一定の折れ角で出力側リンクハブ５が旋回運動すると、出力側リンクハブ５の表面が回転してしまうため、出力側リンクハブ５に部材を取り付けた場合、その部材の方向が変化してしまう。

図５は、入力側リンクハブ４を回転伝達部１４を介して駆動するリンク作動用アクチュエータ１３を取り付けベース１６に配設し、その取り付けベース１６を回転用アクチュエータ１８によりハウジング１５に対して回転可能とした構造の実施形態を示す。このように二自由度に回転自由度を加えれば、出力リンクハブ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、出力側リンクハブ５の表面の角度を変えることができるため、出力側リンクハブ５に部材を取り付けた場合、出力側リンクハブ５がどのような姿勢になってもその部材の方向を変えることができる。この実施形態では、固定配置されたハウジング１５の上部に軸受１９を介して取り付けベース１６を回転可能に設置している。また、ハウジング１５の下部には、リンク作動用アクチュエータ１３と干渉しないように内歯歯車２０が固定されており、取り付けベース１６に設置された回転用アクチュエータ１８の出力軸の歯部２１を内歯歯車２０に噛合させた構造により、その取り付けベース１６を回転させる。

なお、この実施形態では、内歯歯車２０を介して取り付けベース１６を回転させる構造としているが、本発明はこれに限定されることなく、内歯歯車以外の他の機構であってもよい。また、前述の実施形態では、ハウジング１５に内歯歯車２０を固定し、取り付けベース１６に回転用アクチュエータ１８を設置しているが、ハウジング１５に回転用アクチュエータを設置し、取り付けベース１６に歯車を固定した構造であってもよい。

この取り付けベース１６を回転させる三自由度機構において、図６に示すように折れ角θ₁と旋回角φ₁と出力側リンクハブの表面回転角η₁で規定されるリンク座標系における出力側リンクハブ５の姿勢と入力側リンクハブ４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）、
cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
η＝φ₁
による逆変換を利用して、リンク座標系における出力側リンクハブ５の姿勢を制御することができる。

このとき、図７に示すようにグローバル座標系における出力リンクハブ５の姿勢（折れ角θ_gと旋回角φ_gと出力側リンクハブ５の表面回転角η_g）は、θ₁＝θ_g、φ_g＝φ₁＋ｎ、η_g＝η₁となる。ここで、ｎは取り付けベース１６の回転角を示す。

図８は、出力側リンクハブ５に回転用アクチュエータ２２を固設すると共に取り付けベース２３を軸受２４を介して回転自在に装着し、その取り付けベース２３に回転用アクチュエータ２２に連結した三自由度機構の実施形態を示す。この場合、回転用アクチュエータ２２の配線は、リンク機構１〜３の内部空間Ｓを通すと、取り付けベース２３の回転角、出力側リンクハブ５の旋回角がどのように変化しても、配線が捩れることはない。

この実施形態では、折れ角θと旋回角φと出力側リンクハブ５の表面回転角ηで規定されるリンク座標系における出力側リンクハブ５の姿勢と入力側リンクハブ４の端部リンク部材の回転角βｎとベースの回転角ｍ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）、
cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
η＝ｍ
による逆変換を利用して、出力側リンクハブ５の姿勢を制御することが可能となる。この場合、リンク座標系とグローバル座標系は一致する。

図９は、前述の各実施形態におけるリンク作動装置Ａをロボット２５の肩関節に適用した例を示す。同図に示すように中心軸が一致するように出力側リンクハブ５に腕２６を取り付けた場合、出力側リングハブ５の折れ角９０°でロボット２５は直立姿勢となり、腕２６を上げる場合、出力側リンクハブ５の姿勢を変化させずに取り付けベース１６の回転のみで対応可能である。このようにすれば、リンク作動用アクチュエータ１３を体や腕などに埋め込むことができ、関節部分にはリンク作動用アクチュエータ１３が露出しない。

なお、前述では、中心軸が一致するように出力側リングハブ５に腕２６を取り付けているが、出力側リンクハブ５と腕２６の中心軸角度は、どのような角度でもよく任意である。また、前述の例では、リンク作動装置Ａをロボット２５の肩関節に適用した場合について説明したが、その他の関節部であっても適用可能である。前述の各実施形態のうち、三自由度機構は、ロボット２５における回転を伴う関節部（首、肩、腰など）に有効であり、二自由度機構は、その他の関節部（手首、腕、足など）に有効である。

なお、図１０に示すように出力側リンクハブ５に取り付けベース３１を回転自在に装着した三自由度機構を具備した実施形態も可能である。この実施形態では、出力側リンクハブ５に軸受３２を介して取り付けベース３１を回転可能に設置し、その取り付けベース３１にワイヤ３３を取り付けてリンク機構１〜３の内部空間Ｓを挿通させ、ハウジング１５内に配置したワイヤ駆動用アクチュエータ（図示せず）に連結する。このアクチュエータによりワイヤ３３を介して取り付けベース３１を回転させることで三自由度機構を実現している。

ここで、図１１に示すように入力側リンクハブ４と出力側リンクハブ５の距離Ｌ（リンク機構１〜３の中心Ｏと入力側リンクハブ４の中心Ｏ₁の距離Ｌ₁＋リンク機構１〜３の中心Ｏと出力側リンクハブ５の中心Ｏ₂の距離Ｌ₂）は、出力側リンクハブ５の姿勢により変化するが、その距離Ｌは出力側リンクハブ５の姿勢により決まるため、ワイヤ駆動用アクチュエータが上下運動するように直動機構（図示せず）を設置し、距離Ｌを補正するようにすればよい。

図１２は、出力側リンクハブ５に電動式の直動用アクチュエータ３５を設置した三自由度機構を具備した実施形態を示す。この実施形態では、出力側リンクハブ５に直動用アクチュエータ３５を設置し、リンク機構１〜３の内部空間Ｓにエアホース３６を挿通させた構造を具備する。このように直動用アクチュエータ３５を設置したことにより、出力側リンクハブ５の先端位置を制御することができるので、その出力側リンクハブ５に取り付けた部材を所定のポイントに接触させることが容易となる。

なお、この直動用アクチュエータ３５は、前述の電動式以外に、空圧式や油圧式のものでもよい。また、直動用アクチュエータ３５は、出力側リンクハブ５以外に、入力側リンクハブ４に設置することも可能であり、さらに、中間リンク部材１ｂ〜３ｂにおける二つの回転対偶部の間に設置することも可能で、その場合、各直動用アクチュエータを全て同時に同一距離だけ動かすようにすればよい。

この実施形態では、入力側リンクハブ４の中心軸とハウジング１５の回転中心が一致しているが、必ずしも一致させる必要はない。つまり、リンク機構１〜３を例えば街灯、太陽光発電や風力発電用のポール、電柱などに取り付けてその周囲を旋回しながら様々な方向に出力側リンクハブ５を向けることができる。

なお、図１３に示すように出力側リンクハブ５に直動機構４１を設置した三自由度機構を具備した実施形態も可能である。この実施形態では、出力側リンクハブ５の上部に取り付け部材４２を設け、その取り付け部材４２に滑り軸受４３を介して直動部材４４を往復動自在に設置する。その直動部材４４にワイヤ４５を取り付けてリンク機構１〜３の内部空間Ｓを挿通させ、ハウジング１５内に配置した直動用アクチュエータ（図示せず）に連結する。このアクチュエータによりワイヤ４５を介して直動部材４４を往復動させることで三自由度機構を実現している。なお、直動用アクチュエータは電動式のものであってもよい。

以上で説明した各実施形態では、二自由度機構に回転を追加した三自由度機構や、二自由度機構に直動を追加した三自由度機構について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、二自由度機構に回転と直動を追加した四自由度機構を具備したリンク作動装置を実現することも可能である。

本発明の実施形態で、三組のリンク機構を具備した二自由度機構のリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、三組のリンク機構において、出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの回転角の関係を説明した斜視図である。 本発明の実施形態で、リンク作動用アクチュエータを傾けて配置したリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、入力側リンクハブに連結された端部リンク部材のアーム長を長くしたリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、取り付けベースを回転自在に設置した三自由度機構を具備したリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、三組のリンク機構において、出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの回転角の関係をリンク座標系で説明した斜視図である。 本発明の実施形態で、三組のリンク機構において、出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの回転角の関係をグローバル座標系で説明した斜視図である。 本発明の実施形態で、出力側リンクハブに取り付けベースを回転自在に設置した三自由度機構を具備したリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、ロボットの肩関節に適用したリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、出力側リンクハブに回転自在に設置した取り付けベースのアクチュエータを入力側に設置した三自由度機構を具備したリンク作動装置を示す要部断面図である。 本発明の実施形態で、入力側リンクハブと出力側リンクハブの距離を補正する要領を説明するためのリンク機構を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、出力側リンクハブに直動用アクチュエータを設置したリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態で、出力側リンクハブに設置した直動機構のアクチュエータを入力側に設置したリンク作動装置を示す要部断面図である。

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
４，５ リンクハブ
１３ リンク作動用アクチュエータ
１４ 回転伝達部
１４ｂ 傘歯車
１８ 回転用アクチュエータ
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リンクハブ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、前記入力側のリンクハブの外部に、端部リンク部材の回転角位置を制御するリンク作動用アクチュエータが連結された回転伝達部を配設したことを特徴とするリンク作動装置。
2. 前記回転伝達部は、その回転伝達部の動作範囲を規制するような形状を有する部品で構成されている請求項１に記載のリンク作動装置。
3. 前記回転伝達部を構成する部品として、傘歯車を用いた請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
4. 前記回転伝達部およびリンク作動用アクチュエータを、入力側のリンクハブに連結された端部リンク部材とのなす角度が小さくなる方向に傾けて配設した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
5. 前記端部リンク部材のアーム長を大きくしてリンク機構の内部空間を拡大した請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
6. 前記入力側リンクハブの端部リンク部材を支承する軸部材に回転角度センサを設けた請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
7. 前記出力側リンクハブの姿勢を、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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）、
   cosθsinβｎ−sinθsin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
   による逆変換でもって制御可能とした請求項６に記載のリンク作動装置。
8. 前記リンク機構に連結されたリンク作動用アクチュエータを取り付けベースに配設し、その取り付けベースを回転用アクチュエータによりハウジングに対して回転可能とした請求項１乃至７のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
9. 前記出力側リンクハブの姿勢を、折れ角θ₁と旋回角φ₁と出力側リンクハブの表面回転角η₁で規定されるリンク座標系における出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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）、
   cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
   η＝φ₁
   による逆変換でもって制御可能とした請求項８に記載のリンク作動装置。
10. 前記出力側リンクハブに回転用アクチュエータを固設すると共に取り付けベースを回転自在に装着し、その取り付けベースに前記回転用アクチュエータの出力軸を連結した請求項１乃至７のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
11. 前記出力側リンクハブの姿勢を、折れ角θと旋回角φと出力側リンクハブの表面回転角ηで規定されるリンク座標系における出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角βｎとベースの回転角ｍ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）、
    cosθ₁sinβｎ−sinθ₁sin（φ₁＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
    η＝ｍ
    による逆変換でもって制御可能とした請求項１０に記載のリンク作動装置。
12. 前記リンク機構に直動用アクチュエータを設置した請求項１〜３、８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
13. 前記リンク機構の入力側に回転あるいは直動用アクチュエータの少なくともいずれか一方を設置し、ワイヤを介してリンク機構の出力側に回転あるいは直動運動の少なくともいずれか一方を付与する構造を具備した請求項１〜３、８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。

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