(57)【要約】【課題】コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、球面リンク中心間距離を自在に変更可能で、その変更動作を制御することができるリンク作動装置を提供する。【解決手段】基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を、３組以上のリンク機構４を介して姿勢を変更可能に連結する。各リンク機構４は、基端側の端部リンク部材５と、基端側の中央リンク部材６、先端側の中央リンク部材７と、先端側の端部リンク部材８とでなる。３組以上のリンク機構４の３組以上のリンク機構４に、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータ５１を設ける。制御装置５８は、目標とする先端側のリンクハブ３の姿勢と球面リンク中心間距離に対応する基端側の端部リンク部材５の回転角を求め、その回転角となるように各アクチュエータ５１を制御する。【選択図】図５
2019058969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に一端がそれぞれ回転可能に連結され、かつ他端同士が互いに回転可能に連結された基端側および先端側の中央リンク部材とを有し、
前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが１点で交わり、かつ前記両回転対偶中心軸が成す角度を変更できるように、前記基端側および先端側の中央リンク部材の他端同士が、両者の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心で回転可能に連結され、
前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材間回転軸心に対して基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、かつこれらアクチュエータを制御する制御装置が設けられたリンク作動装置であって、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との各回転対偶中心軸とが交差する点を球面リンク中心と称し、かつ前記球面リンク中心を通り、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称し、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角をε０とした場合、
前記制御装置は、次の各関係式
【数６】
2019058969.tif 000008
で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）、および前記球面リンク中心間距離Ｄから前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御することを特徴とする。
【請求項２】
基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に一端がそれぞれ回転可能に連結され、かつ他端同士が互いに回転可能に連結された基端側および先端側の中央リンク部材とを有し、
前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが１点で交わり、かつ前記両回転対偶中心軸が成す角度を変更できるように、前記基端側および先端側の中央リンク部材の他端同士が、両者の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心で回転可能に連結され、
前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材間回転軸心に対して基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、かつこれらアクチュエータを制御する制御装置が設けられたリンク作動装置であって、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との各回転対偶中心軸とが交差する点を球面リンク中心と称し、かつ前記球面リンク中心を通り、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称し、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角がε０である場合、
次の各関係式
【数７】
2019058969.tif 000009
の式１を順変換することにより、基端側の前記端部リンク部材の回転角βｎから現在の基端側の前記リンクハブに対する先端側の前記リンクハブの姿勢（θ，φ）、および前記球面リンク中心間距離Ｄを計算する姿勢計算装置が設けられていることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記載のリンク作動装置において、前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸の交点である回転中心から、前記先端側のリンクハブに対して定まった位置にある作業点までの回転半径がＲであり、前記先端側の球面リンク中心から前記作業点までの距離がＬｃである場合、前記制御装置は、
Ｄ＝２（Ｒ−Ｌｃ）cos（θ／２）・・・式４
の関係式を用いて、前記回転半径Ｒが目標値であるときの球面リンク中心間距離Ｄを求め、目標とする前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）、および回転半径Ｒから前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御するリンク作動装置。
【請求項４】
請求項３に記載のリンク作動装置おいて、前記制御装置は、前記作業点の回転半径Ｒが一定となるように、前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）と、前記球面リンク中心間距離Ｄとを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御するリンク作動装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のリンク作動装置において、前記球面リンク中心間距離を縮めて周辺に位置する異物との接触を回避する退避機能を有するリンク作動装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のリンク作動装置において、非使用時に前記球面リンク中心間距離を縮める機能を有するリンク作動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、医療機器や産業機器等の精密で広範な作動範囲を必要とするリンク作動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パラレルリンク機構を具備する作業装置の一例が特許文献１に、医療機器や産業機器等に用いられるリンク作動装置の一例が特許文献２，３にそれぞれ開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９４２４５号公報
【特許文献２】米国特許第５，８９３，２９６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９７９，２６４号明細書
【特許文献４】特開２０１５−０２５５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のパラレルリンク機構は、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するには、リンク長さを長くする必要がある。それにより、機構全体の寸法が大きくなって、装置が大型になってしまうという問題があった。また、リンク長さを長くすると、機構全体の剛性の低下を招く。そのため、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の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。これらの理由から、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が要求される医療機器等に用いるのは難しい。
【０００５】
特許文献２のリンク作動装置は、４節連鎖のリンク機構を３組以上設けた構成としたことにより、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が可能である。しかし、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、構造上、折れ角に応じて先端側のリンクハブの回転半径が変わり、回転中心が移動するといった課題がある。
【０００６】
また、特許文献３には、特許文献２の構成に対し、中央リンク部材に回転対偶を追加することで、基端側と先端側の球面リンク中心間の距離を伸縮できる構成が提案されている。しかし、球面リンク中心間の距離の伸縮量や作業点の回転半径を任意の値に制御する方法については提示されていない。
【０００７】
本出願人は、特許文献４で、リンク作動装置の折れ角や旋回角を制御する方法について提案している。しかし、この提案では、基端側と先端側の球面リンク中心間距離を伸縮可能とする構成や、その伸縮量や作業点の回転半径を任意の値に制御する方法については開示されていない。
【０００８】
この発明の目的は、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、球面リンク中心間距離を自在に変更可能で、その変更動作を制御することができるリンク作動装置を提供することである。
この発明の他の目的は、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、球面リンク中心間距離を自在に変更可能で、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を計算することができるリンク作動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に一端がそれぞれ回転可能に連結され、かつ他端同士が互いに回転可能に連結された基端側および先端側の中央リンク部材とを有し、
前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが１点で交わり、かつ前記両回転対偶中心軸が成す角度を変更できるように、前記基端側および先端側の中央リンク部材の他端同士が、両者の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心で回転可能に連結され、
前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材間回転軸心に対して基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、かつこれらアクチュエータを制御する制御装置が設けられている。
なお、前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との各回転対偶中心軸とが交差する点を球面リンク中心と称し、かつ前記球面リンク中心を通り、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称する。
【００１０】
この発明における第１の発明のリンク作動装置は、上記基本構成において、前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角がε０である場合、
前記制御装置は、次の各関係式
【数１】
2019058969.tif 000003
で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）と球面リンク中心間距離Ｄから前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１１】
この構成によると、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸方向に移動自在で、かつ距離を変更可能な３自由度機構からなるパラレルリンク機構を構成する。このパラレルリンク機構は、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構にアクチュエータを設けたことで、各基端側の端部リンク部材の回転角βｎを任意の角度に制御して、リンク作動装置の動作を確定することができる。つまり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄを決められる。基端側の端部リンク部材と基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、先端側の端部リンク部材と先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度γは、球面リンク中心間距離Ｄより決まる。
【００１２】
具体的には、目標とする先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）および球面リンク中心間距離Ｄが決まると、式１を逆変換することにより、基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求める。この求められた回転角βｎとなるように各アクチュエータを制御することで、目標の先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）および球面リンク中心間距離Ｄにする。
【００１３】
この発明における第２の発明のリンク作動装置は、前記基本構成において、前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角がε０である場合、
次の各関係式
【数２】
2019058969.tif 000004
の式１を順変換することにより、基端側の前記端部リンク部材の回転角βｎから現在の基端側の前記リンクハブに対する先端側の前記リンクハブの姿勢（θ，φ）、および前記球面リンク中心間距離Ｄを計算する姿勢計算装置が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、前記第１の発明の作用・効果に加えて、姿勢計算装置が設けられていることにより、基端側の端部リンク部材の回転角βｎに応じて、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄを計算することができる。
具体的には、姿勢計算装置により、現在の基端側の端部リンク部材の回転角βｎを式１に代入して順変換することにより、現在の基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄが算出される。
【００１５】
この発明において、前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸の交点である回転中心から、前記先端側のリンクハブに対して定まった位置にある作業点までの回転半径がＲであり、前記先端側の球面リンク中心から前記作業点までの距離がＬｃである場合、前記制御装置が、
Ｄ＝２（Ｒ−Ｌｃ）cos（θ／２）・・・式４
の関係式を用いて、前記回転半径Ｒが目標値であるときの球面リンク中心間距離Ｄを求め、目標とする前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）および回転半径Ｒから前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御するとよい。
【００１６】
パラレルリンク機構の特性から前記式４が成り立つ。この関係式を用いることで、作業点の回転半径Ｒが目標値であるときの球面リンク中心間距離Ｄを容易に求めることができる。これにより、作業点の回転半径Ｒが任意の大きさとなるように、各アクチュエータを制御することができる。
【００１７】
前記制御装置は、前記作業点の回転半径Ｒが一定となるように、前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）と、前記球面リンク中心間距離Ｄとを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御してもよい。
作業点の回転半径Ｒが一定である場合、先端側のリンクハブの作業点は１つの球面上を動く。つまり、先端側のリンクハブの動きは球面の接線方向を向く動きに限定され、先端側のリンクハブの回転中心が移動しない。このため、作業点の位置を算出する座標変換が容易になる。
【００１８】
この発明において、前記球面リンク中心間距離を縮めて周辺に位置する異物との接触を回避する退避機能を有していてもよい。また、非使用時に前記球面リンク中心間距離を縮める機能を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
この発明のリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に一端がそれぞれ回転可能に連結され、かつ他端同士が互いに回転可能に連結された基端側および先端側の中央リンク部材とを有し、
前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが１点で交わり、かつ前記両回転対偶中心軸が成す角度を変更できるように、前記基端側および先端側の中央リンク部材の他端同士が、両者の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心で回転可能に連結され、
前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材間回転軸心に対して基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、かつこれらアクチュエータを制御する制御装置が設けられたリンク作動装置であって、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との各回転対偶中心軸とが交差する点を球面リンク中心と称し、かつ前記球面リンク中心を通り、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称し、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角がε０である場合、
前記制御装置は、次の各関係式
【数３】
2019058969.tif 000005
で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）と球面リンク中心間距離Ｄから前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御するため、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、球面リンク中心間距離を自在に変更可能で、その変更動作を制御することができる。
【００２０】
この発明の他のリンク作動装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび前記先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に一端がそれぞれ回転可能に連結され、かつ他端同士が互いに回転可能に連結された基端側および先端側の中央リンク部材とを有し、
前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが１点で交わり、かつ前記両回転対偶中心軸が成す角度を変更できるように、前記基端側および先端側の中央リンク部材の他端同士が、両者の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心で回転可能に連結され、
前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材間回転軸心に対して基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記３組以上のリンク機構のうち３組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータが設けられ、かつこれらアクチュエータを制御する制御装置が設けられたリンク作動装置であって、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との各回転対偶中心軸とが交差する点を球面リンク中心と称し、かつ前記球面リンク中心を通り、前記リンクハブと前記端部リンク部材との各回転対偶中心軸と直角に交わる直線をリンクハブの中心軸と称し、
前記基端側部分および前記先端側部分のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記リンクハブと前記端部リンク部材の回転対偶中心軸とが成す軸角がαであり、かつ前記中央リンク部材間回転軸心を、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶中心軸、および前記リンクハブと前記端部リンク部材との回転対偶中心軸を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線から、前記球面リンク中心までの距離がＬａであり、かつ前記投影直線から前記中央リンク部材間回転軸心までの距離がＬｂであり、
前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角がβｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度がθであり、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度がφであり、前記基端側の球面リンク中心と前記先端側の球面リンク中心との球面リンク中心間距離がＤであり、前記基端側の端部リンク部材と前記基端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸と、前記先端側の端部リンク部材と前記先端側の中央リンク部材との回転対偶中心軸とが成す角度がγであり、前記基端側の各端部リンク部材のうち基準となる基端側の端部リンク部材に対する基端側の各端部リンク部材の円周方向の離間角がδｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側の投影直線が通る円周上において、基準となる位相に対する前記基端側の各投影直線の円周方向の離間角がεｎ（ｎ＝１，２，３，…）であり、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる前記基端側の投影直線の離間角がε０である場合、
次の各関係式
【数４】
2019058969.tif 000006
の式１を順変換することにより、基端側の前記端部リンク部材の回転角βｎから現在の基端側の前記リンクハブに対する先端側の前記リンクハブの姿勢（θ，φ）、および前記球面リンク中心間距離Ｄを計算する姿勢計算装置が設けられているため、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲で動作を行うことができ、球面リンク中心間距離を自在に変更可能で、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢と球面リンク中心間距離Ｄを計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の一状態を示す正面図に、制御系のブロック図を付加した図である。
【図２】同リンク作動装置の他の状態を示す正面図である。
【図３】同リンク作動装置のさらに他の状態を示す正面図である。
【図４】同リンク作動装置のさらに他の状態を示す正面図である。
【図５】同リンク作動装置の一部を省略して表わした一状態を示す正面図に、各種の円周方向の角度を示す図を付加した図である。
【図６】同リンク作動装置の一部を省略して表わした他の状態を示す正面図である。
【図７】図５のVII−Ｃ１−VII断面図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】図５のIX−Ｃ３−IX断面図である。
【図１０】同リンク作動装置の一つのリンク機構を直線で表現した図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶部に対する投影直線の位置関係を示す図である。
【図１２】球面リンク中心間を結ぶ直線とリンクハブの中心軸とが成す角を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１〜図４はこの発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の正面図であり、それぞれ異なる動作状態を示している。なお、図１には、制御系のブロック図が付加されている。
【００２３】
このリンク作動装置は、パラレルリンク機構１とこのパラレルリンク機構１を作動させる複数のアクチュエータ５１とを含むリンク作動装置機構部１Ａ、およびリンク作動装置機構部１Ａを操作するコントローラ６０（図１）を備える。コントローラ６０には、後述の制御装置６１と姿勢計算装置６２が設けられている。
【００２４】
［パラレルリンク機構］
パラレルリンク機構１は、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を３組のリンク機構４を介して姿勢変更可能に連結したものである。リンク機構４の数は、４組以上であってもよい。
【００２５】
各リンク機構４は、基端側の端部リンク部材５、基端側の中央リンク部材６、先端側の中央リンク部材７、および先端側の端部リンク部材８で構成され、５つの回転対偶からなる５節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材５，８はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３に回転自在に連結されている。基端側の端部リンク部材５の他端に基端側の中央リンク部材６の一端が回転自在に連結され、先端側の端部リンク部材８の他端に先端側の中央リンク部材７の一端が回転自在に連結されている。基端側および先端側の中央リンク部材６，７の他端同士が回転自在に連結されている。
【００２６】
図５はリンク作動装置の一部を省略して表した一状態を示す正面図、図６は同リンク作動装置の他の状態を示す正面図である。図５、図６には、３組のリンク機構４のうち１組のリンク機構４のみが図示されている。また、図７は図５のVII−Ｃ１−VII断面図に、各種の円周方向の角度を示す説明図を付加した図である。
【００２７】
図５、図６において、パラレルリンク機構１は、二つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，８の各回転対偶中心軸Ｃ１、および端部リンク部材５，８と中央リンク部材６，７の各回転対偶中心軸Ｃ２が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差している。
基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６との回転対偶中心軸Ｃ２、および先端側の端部リンク部材８と先端側の中央リンク部材７との回転対偶中心軸Ｃ２は、１点で交わる。両回転対偶中心軸Ｃ２，Ｃ２が成す角度γの大きさは、パラレルリンク機構１の球面リンク中心間距離Ｄによって変わる。なお、パラレルリンク機構１の球面リンク中心間距離Ｄにより角度γの大きさが変わるが、各リンク機構４の角度γはすべて同一の値となる。
【００２８】
図７に、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との各回転対偶中心軸Ｃ１と、基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６との各回転対偶中心軸Ｃ２と、基端側の球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。つまり、回転対偶中心軸Ｃ１，Ｃ２が交差する点が基端側の球面リンク中心ＰＡである。この例で、前記回転対偶中心軸Ｃ１，Ｃ２が互いに成す角度である軸角αが９０°とされているが、前記軸角αは９０°以外であってもよい。
図示は省略するが、先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材８との各回転対偶中心軸Ｃ１と、先端側の端部リンク部材８と先端側の中央リンク部材７との各回転対偶中心軸Ｃ２と、先端側の球面リンク中心ＰＢとの関係も、基端側と同様である。
【００２９】
基端側と先端側において、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，８の各回転対偶部Ｔ１から球面リンク中心ＰＡ，ＰＢまでの距離は同じである。また、端部リンク部材５，８と中央リンク部材６，７の各回転対偶部Ｔ２から球面リンク中心ＰＡ，ＰＢまでの距離も同じである。図７は基端側の回転対偶部Ｔ１，Ｔ２について示すが、先端側の回転対偶部Ｔ１，Ｔ２についても同様である。
なお、ここで言う回転対偶部Ｔ１，Ｔ２の位置は、二つの対偶の回転対偶中心軸Ｃ１，Ｃ２上における、二つの対偶の対向部分の軸方向中心位置を指している。
【００３０】
図７では、基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６との回転対偶部Ｔ２を、その回転対偶中心軸Ｃ２上における２個の軸受１６（図８参照）の軸方向の中心位置で表示している。これに代えて、回転対偶部Ｔ２を、回転対偶中心軸Ｃ２上にあり、かつ３組のリンク機構４のすべてにおいて基端側のリンクハブ２の球面リンク中心ＰＡからの距離が同じである位置で表わしてもよい。このように、回転対偶部Ｔ２を１点で示される位置で表わした場合、図５に示すように、各リンク機構４の回転対偶部Ｔ２は常に同じ円周Ｅ上に位置する。
【００３１】
３組のリンク機構４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図１０のように、各リンク部材５，６，７，８を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３と、これら回転対偶部間を結ぶ直線とで表現したモデルが、基端側および先端側の中央リンク部材６，７の回転対偶中心軸である中央リンク部材間回転軸心Ｃ３に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図１０は、一組のリンク機構４を直線で表現した図である。
【００３２】
この実施形態のパラレルリンク機構１は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５、および基端側の中央リンク部材６と、先端側のリンクハブ３、先端側の端部リンク部材８、および先端側の中央リンク部材７との位置関係が、前記中央リンク部材間回転軸心Ｃ３に対して回転対称となる位置構成になっている。
【００３３】
基端側のリンクハブ２と先端側のリンクハブ３と３組のリンク機構４とで、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３が直交２軸周りに回転自在であり、かつ球面リンク中心間距離Ｄを変更可能な３自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３を、回転が２自由度で姿勢変更自在であり、かつ基端側と先端側のリンクハブ間の距離を可変できる機構である。この３自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。
【００３４】
例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，８の各回転対偶中心軸Ｃ１と直角に交わる直線をリンクハブ２，３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢの折れ角θの最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の旋回角φを０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。
【００３５】
基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢの交点である回転中心Ｏ回りに行われる。図１、図３、図４は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢとが同一線上にある状態を示し、図２は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。
【００３６】
基端側の球面リンク中心ＰＡと先端側の球面リンク中心ＰＢとの球面リンク中心間距離Ｄは、パラレルリンク機構１の角度γに応じて変化する。図３は球面リンク中心間距離Ｄが最短である状態を示し、図４は球面リンク中心間距離Ｄが最長である状態を示す。
【００３７】
各リンク機構４が次の各条件を満たす場合、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５、および基端側の中央リンク部材６の基端側部分と、先端側のリンクハブ３、先端側の端部リンク部材８、および先端側の中央リンク部材７の先端側部分とは同じに動く。よって、パラレルリンク機構１は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手として機能する。
条件１：各リンク機構４におけるリンクハブ２，３と端部リンク部材５，８との回転対偶中心軸Ｃ１の角度および長さが互いに等しい。
条件２：リンクハブ２，３と端部リンク部材５，８との回転対偶中心軸Ｃ１および端部リンク部材５，８と中央リンク部材６，７との回転対偶中心軸Ｃ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差する。
条件３：基端側の端部リンク部材５と先端側の端部リンク部材８の幾何学的形状が等しい。
条件４：基端側の中央リンク部材６と先端側の中央リンク部材７の幾何学的形状が等しい。
条件５：中央リンク部材間回転軸心Ｃ３に対して、中央リンク部材６，７と端部リンク部材５，８との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。
【００３８】
図１〜図４に示すように、基端側のリンクハブ２は、平板状の基端部材１０と、この基端部材１０における円周上に等配で設けられた３個の回転支持部材１１とで構成される。図の例では、平板状の基端部材１０が上下の面が水平になるように設けられ、この基端部材１０の上面から各回転支持部材１１が上方に突出している。基端部材１０は平板状でなくてもよい。
【００３９】
図７に示すように、３個の回転支持部材１１が配置される円周の中心は、基端側の球面リンク中心ＰＡと平面視で重なる位置にある。換言すると、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡ上に位置する。基端部材１０には、各回転支持部材１１の並びの中央部に貫通孔１０ａが形成されている。この貫通孔１０ａの中心も、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡ上に位置する。
【００４０】
図７の部分拡大図である図８に示すように、各回転支持部材１１には、基端側の端部リンク部材５の一端が回転自在に連結されている。具体的には、回転支持部材１１に２個の軸受１３を介して回転軸１２が回転自在に支持され、この回転軸１２に基端側の端部リンク部材５の一端が連結されている。
【００４１】
また、基端側の端部リンク部材５の他端は、基端側の中央リンク部材６の一端に連結されている。具体的には、基端側の中央リンク部材６に２個の軸受１６を介して回転軸１５が回転自在に支持され、この回転軸１５に基端側の端部リンク部材５の他端が連結されている。
【００４２】
前記軸受１３，１６は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受１３，１６は、回転支持部材１１または基端側の中央リンク部材６に圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。この例のように軸受１３，１６を用いる代わりに、回転軸１２，１５を回転支持部材１１または基端側の中央リンク部材６に回転自在に接触させることで、回転軸１２，１５を回転自在に支持してもよい。
【００４３】
図示例の基端側の端部リンク部材５は、１つの湾曲部３０と、この湾曲部３０の両端に位置するリンクハブ側と中央リンク部材側の回転連結部３１Ａ，３１Ｂとからなる。湾曲部３０は、例えば金属材料の鋳造品であり、所定の軸角α（この例では９０°）に屈曲した形状をしている。回転連結部３１Ａ，３１Ｂは、それぞれ例えば金属板等からなる２枚の直線状の回転連結体３１ａ，３１ｂを平行に並べて形成されている。各回転連結体３１ａ，３１ｂは、湾曲部３０の端部にボルト３２で固定される。なお、基端側の端部リンク部材５は、湾曲部３０と回転連結部３１Ａ，３１Ｂとに分かれていない一体物であってもよい。
【００４４】
回転支持部材１１と基端側の端部リンク部材５の連結部について詳しく説明する。
リンクハブ側の回転連結部３１Ａの二つの回転連結体３１ａ，３１ｂの間に、回転支持部材１１が配置される。そして、前記回転軸１２を外側の回転連結体３１ａ、スペーサ４５、２個の軸受１３の内輪、スペーサ４６、および内側の回転連結体３１ｂの各貫通孔に順に挿通し、内径端の雄ねじ部１２ａにナット４７を螺着する。これにより、回転軸１２の後述する段面１２ｂとナット４７とで、一対の回転連結体３１ａ，３１ｂ、２個の軸受１３の内輪、および２個のスペーサ４５，４６を挟み付けることで、軸受１３に予圧を付与した状態で、基端側の端部リンク部材５と回転支持部材１１とを互いに回転自在に連結する。
【００４５】
次に、基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６の連結部について詳しく説明する。
中央リンク部材側の回転連結部３１Ｂの二つの回転連結体３１ａ，３１ｂの間に、基端側の中央リンク部材６の一端が配置される。そして、前記回転軸１５を外径側から、外側の回転連結体３１ａ、スペーサ４５、２個の軸受１６の内輪、スペーサ４６、および内側の回転連結体３１ｂの各貫通孔に順に挿通し、内径端の雄ねじ部１５ａにナット４７を螺着する。これにより、回転軸１５の頭部１５ｂとナット４７とで、二つの回転連結体３１ａ，３１ｂ、２個の軸受１６の内輪、および２個のスペーサ４５，４６を挟み付けることで、軸受１６に予圧を付与した状態で、基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６とを互いに回転自在に連結する。
【００４６】
図１〜図４に示すように、先端側のリンクハブ３は、平板状の先端部材２０と、この先端部材２０における円周上に等配で設けられた３個の回転支持部材２１とで構成される。３個の回転支持部材２１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転支持部材２１に回転軸２２が回転自在に支持され、この回転軸２２に、先端側の端部リンク部材８の一端が連結されている。また、先端側の端部リンク部材８の他端に回転軸２５が回転自在に支持され、この回転軸２５に、先端側の中央リンク部材７の一端が連結されている。
【００４７】
図８は、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の連結部、および基端側の端部リンク部材５と基端側の中央リンク部材６の連結部を示すが、先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材８の連結部、および先端側の端部リンク部材８と先端側の中央リンク部材７の連結部も、一部を除いて同じ構成である（図示せず）。
【００４８】
図９は図５のIX−Ｃ３−IX断面図であって、基端側の中央リンク部材６と先端側の中央リンク部材７の他端同士の連結部を示す。基端側の中央リンク部材６の他端には２個の軸受７１が設けられ、これらの軸受７１により、先端側の中央リンク部材７の他端に固定の回転軸７２が回転自在に支持されている。軸受７１は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、基端側の中央リンク部材６に圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。この例のように軸受７１を用いる代わりに、回転軸７２を基端側の中央リンク部材６に回転自在に接触させることで、回転軸７２を回転自在に支持してもよい。
【００４９】
回転軸７２は、一方端に雄ねじ部７２ａを有し、他方端に他の部分よりも径が大きい頭部７２ｂを有する。この回転軸７２を雄ねじ部７２ａの側から、先端側の中央リンク部材７、スペーサ７３、２個の軸受７１の内輪、およびスペーサ７４の各貫通孔に順に挿通し、雄ねじ部７２ａにダブルナット７５を螺着する。これにより、回転軸７２の頭部７２ｂとダブルナット７５とで、先端側の端部リンク部材７、２個の軸受７１の内輪、および２個のスペーサ７３，７４を挟み付けることで、軸受７１に予圧を付与した状態で、基端側の中央リンク部材６と先端側の中央リンク部材７とを互いに回転自在に連結する。
【００５０】
図７に示すように、３組のリンク機構４のすべてに、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢と距離を任意に変更させるアクチュエータ５１が設けられている。３組のリンク機構４のすべてにアクチュエータ５１を設けることで、パラレルリンク装置１の動作を確定することができる。リンク機構４の数が４組以上である場合も、３組以上のリンク機構４にアクチュエータ５１を設けることで、パラレルリンク機構１の動作を確定することができる。各アクチュエータ５１は、前記制御装置６１によって制御される。
【００５１】
アクチュエータ５１は、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータであって、基端側のリンクハブ２の基端部材１０の上面に、回転軸１２と同軸上に設置されている。アクチュエータ５１と減速機構５２は一体に設けられ、モータ固定部材５３により減速機構５２が基端部材１０に固定されている。
【００５２】
図８において、減速機構５２はフランジ出力であって、大径の出力軸５２ａを有する。出力軸５２ａの先端面は、出力軸５２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面５４になっている。出力軸５２ａは、スペーサ５５を介して、基端側の端部リンク部材５におけるリンクハブ側の回転連結部３１Ａの外径側の回転連結体３１ａにボルト５６で接続されている。基端側のリンクハブ２と基端側のリンクハブ５とを連結する前記回転軸１２は、大径部１２ｃと小径部１２ｄとからなり、大径部１２ｃが減速機構５２の出力軸５２ａに設けられた内径溝５７に嵌ることで出力軸５２ａと連結され、小径部１２ｄが前記軸受１３の内輪等に挿通される。小径部１２ｄに前記雄ねじ部１２ａが設けられている。大径部１２ｃと小径部１２ｄの境界部が前記段面１２ｂである。
【００５３】
上記のように、各リンク機構４における各回転対偶部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に軸受１２，１６，７１を設けた構造とすることにより、各回転対偶部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３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。
【００５４】
この軸受１２，１６，７１を設けた構造では、軸受１２，１６，７１に予圧を付与することにより、ラジアル隙間とスラスト隙間をなくし、回転対偶部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のがたつきを抑えることができ、基端側のリンクハブ２側と先端側のリンクハブ３側間の回転位相差がなくなり等速性を維持できると共に振動や異音の発生を抑制できる。特に、前記軸受１２，１６，７１の軸受隙間を負すきまとすることにより、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
【００５５】
［制御系について］
前記コントローラ６０は、リンク作動装置を操作するキーボードまたはタッチパネル等の操作具（図示せず）を有する。この操作具を操作して各アクチュエータ５１を回転駆動することで、パラレルリンク機構１を作動させる。詳しくは、アクチュエータ５１が回転駆動すると、その回転が減速機構５２を介して基端側の端部リンク部材５に伝達されて、基端側のリンクハブ２に対する基端側の端部リンク部材５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢、および球面リンク中心間距離Ｄが決まる。
【００５６】
コントローラ６０には、各アクチュエータ５１を制御する制御装置６１と、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）と球面リンク中心間距離Ｄを計算する姿勢計算装置６２とが設けられている。これら制御装置６１および姿勢計算装置６２は、コンピュータによる数値制御式のものである。この例では、各装置６１，６２が互いに別の装置とされているが、これらをまとめて１つの装置としてもよい。また、これら各装置６１，６２は、コントローラ６０と別に設けられていてもよい。
【００５７】
制御装置６１は、前記操作具により先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄが指令されると、その指令に応じて各基端側の端部リンク部材５の回転角βｎ（ｎ＝１，２，３）を求め、この求めた回転角βｎとなるように各アクチュエータ５１を制御する。回転角βｎは、指令された先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄに対応する各基準側の端部リンク部材５の回転角度であり、例えば図５のように水平面からの角度とされる。
【００５８】
制御装置６１による各アクチュエータ５１の制御には、下記の関係式が用いられる。
【数５】
2019058969.tif 000007
なお、式１の右辺の３×３の行列は、（φ−δｎ）、θ、−（φ−δｎ）のオイラー角による変換行列である。
【００５９】
式２におけるＬａ，Ｌｂは、図５に示されている。すなわち、Ｌａは、中央リンク部材間回転軸心Ｃ３を、端部リンク部材５，８と中央リンク部材６，７との回転対偶中心軸Ｃ２、およびリンクハブ２，３と端部リンク部材５，８との回転対偶中心軸Ｃ１を含む平面に対して垂直方向に投影した投影直線Ｆから、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢまでの距離である。また、Ｌｂは、前記投影直線Ｆから中央リンク部材間回転軸心Ｃ３までの距離である。これらＬａ，Ｌｂはリンク作動装置の設計値である。
【００６０】
この実施形態の場合、図１１（Ａ）のように、投影直線Ｆが、端部リンク部材５，８と中央リンク部材６，７の回転対偶部Ｔ２と一致している。しかし、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）のように、投影直線Ｆと回転対偶部Ｔ２がと一致していなくてもよい。
【００６１】
式１におけるδｎ（ｎ＝１，２，３，…）は、基端側の各端部リンク部材５のうち基準となる基端側の端部リンク部材５に対する基端側の各端部リンク部材５の円周方向の離間角である。すなわち、図７に示すように、３組のリンク機構４のうちの一つを基準となるリンク機構４に定め、その基準となるリンク機構４における基端側の端部リンク部材５（５Ａ）の回転対偶中心軸Ｃ１の円周方向位相をδ１（例えばδ１＝０°）とする。そして、この基端側の端部リンク部材５Ａの回転対偶中心軸Ｃ１に対する、他の二つの基端側の端部リンク部材５の回転対偶中心軸Ｃ１の円周方向の離間角をそれぞれδ２，δ３とする。離間角δｎ（ｎ＝１，２，３）は、先端側のリンクハブ３の側から見て反時計回りの方向を正方向とする。
【００６２】
また、式１におけるεｎ（ｎ＝１，２，３，…）は、基端側の投影直線Ｆが通る円周上において、基準となる位相に対する基端側の各投影直線Ｆの円周方向の離間角である。すなわち、前記基準となるリンク機構４の回転対偶部Ｔ１の、基端側の端部リンク部材５Ａの回転対偶中心軸Ｃ１に対する円周方向の離間角をε１とする。そして、この基準となるリンク機構４の回転対偶部Ｔ１に対する、他の二つの回転対偶部Ｔ１の円周方向の離間角をそれぞれε２，ε３（図示せず）とする。離間角εｎ（ｎ＝１，２，３）も、先端側のリンクハブ３の側から見て反時計回りの方向を正方向とする。
図５のように、先端側のリンクハブ３の姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となるリンク機構４の回転対偶部Ｔ１の円周方向位相が、ε０（式３）である。
【００６３】
所望の先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）および球面リンク中心間距離Ｄとなるように制御したい場合、設計値であるＬａ，Ｌｂと制御目標値であるＤとを式２に代入して、γ／２を求める。そして、求められたγ／２と制御目標値である（θ、φ）を式１、式３に代入して端部リンク部材５の回転角β１〜β３を算出する。回転角β１〜β３の算出は、式１で表される関係を充足するように、式１を逆変換して行う。逆変換とは、前記折れ角θおよび旋回角φ（図１０）および球面リンク中心間距離Ｄから基端側の端部リンク部材５の回転角βｎを算出する変換のことである。折れ角θ、旋回角φ、および球面リンク中心間距離Ｄと、回転角βｎとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。このようにして算出された回転角β１〜β３に基づいて各アクチュエータ５１に指令を与える。
【００６４】
基準となるリンク機構４の回転対偶部Ｔ１の円周方向位相ε０は、基端側のリンクハブ２に対する基端側の端部リンク部材５の組む方向によって異なる二つの解を有する。よって、式１における左辺の２行目の正負、および式３における右辺の正負は、基端側のリンクハブ２に対して基端側の端部リンク５を組む方向によって決める。組む方向が右方向である場合は「＋」、左方向の場合が「−」とする。図５の実施形態のように基端側の端部リンク部材５を左方向に組んでいる場合、前記正負が「−」となる。
【００６５】
式３には、端部リンク部材５，８の軸角αの関数が含まれているので、式３のαにそれぞれのリンク作動装置の端部リンク部材５，８の軸角αに代入する。これにより、端部リンク部材５，８の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置についても、動作を制御することができる。
【００６６】
また、姿勢計算装置６２により、現在の基端側の端部リンク部材５の回転角βｎを式１に代入して順変換することにより、現在の先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）、および球面リンク中心間距離Ｄが計算される。前記同様、式３のαにそれぞれのリンク作動装置の端部リンク部材５，８の軸角αを代入することで、端部リンク部材の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置５１についても、先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）と球面リンク中心間距離Ｄを計算することができる。姿勢計算装置６２の計算結果は、例えば、コントローラ６０に設けられた表示装置６３の画面に表示される。また、姿勢計算装置６２の計算結果を、制御装置６１による制御に利用してもよい。
【００６７】
図１２の線図に示すように、パラレルリンク機構１は、どのような姿勢になっても、両球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを結ぶ直線と基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡとが成す角度がθ／２である。同様に、両球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを結ぶ直線と先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢとが成す角度もθ／２である。そのため、先端側の球面リンクハブ中心ＰＢから作業点Ｇまでの距離をＬｃとした場合、次の関係式が成り立つ。
Ｄ＝２（Ｒ−Ｌｃ）cos（θ／２）・・・式４
【００６８】
上記式４の関係式を用いることで、作業点Ｇの回転半径Ｒを一定にしながら、先端側のリンクハブ３の姿勢（θ，φ）を規定することができる。作業点Ｇの回転半径Ｒが一定である場合、先端側のリンクハブ３の作業点Ｇは１つの球面上を動く。つまり、先端側のリンクハブ３の作業点Ｇの動きは球面の接線方向を向く動きに限定され、先端側のリンクハブ３の回転中心Ｏが移動しない。このため、作業点Ｇの位置を算出する座標変換が容易である。
【００６９】
なお、図５では、先端部材２０の先端面における先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢと先端側のリンクハブ３の先端側の平面が交差する位置を作業点Ｇとしているが、作業点Ｇは先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢ上であれば、他の位置であってもよい。
【００７０】
このように制御装置６１により各アクチュエータ５１を制御することで、パラレルリンク機構１を任意の動作位置に作動させることができる。図１は、折れ角θが０°で、球面リンク中心間距離Ｄが中程度の原点位置を示す。図２は、原点位置に対して、先端側のリンクハブ３の任意の折れ角θだけ傾斜させた状態を示す。図３は、折れ角θが０°で、球面リンク中心間距離Ｄを最大にした状態を示す。図４は、折れ角θが０°で、球面リンク中心間距離Ｄを最小にした状態を示す。
【００７１】
球面リンク中心間距離Ｄは、前記角度γが小さくなるほど短くなり、前記角度γが大きくなるほど長くなる。図４のように、角度γが小さく球面リンク中心間距離Ｄが縮んだ状態では、先端側のリンクハブ３の姿勢を大きく変えることはできない。そのため、通常作業時には使用せず、非作業時に他の物体と接触しないように退避させる場合や、収納時に専有面積を小さくしたい場合等に、図４のように球面リンク中心間距離Ｄを縮ませるとよい。
【００７２】
上記実施形態は、リンク機構４が回転対称タイプであるリンク作動装置を示すが、リンク機構４が鏡像対称タイプであるリンク作動装置（図示せず）にもこの発明を適用することができる。
この実施形態のパラレルリンク機構１は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５、および基端側の中央リンク部材６と、先端側のリンクハブ３、先端側の端部リンク部材８、および先端側の中央リンク部材７との位置関係が、前記中央リンク部材間回転軸心Ｃ３に対して回転対称となる位置構成になっている。
【００７３】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７４】
１…パラレルリンク機構
２…基端側のリンクハブ
３…先端側のリンクハブ
４…リンク機構
５…基端側の端部リンク部材
６…基端側の中央リンク部材
７…先端側の中央リンク部材
８…先端側の端部リンク部材
５１…アクチュエータ
６１…制御装置
６２…姿勢計算装置
Ｃ１…リンクハブと端部リンク部材との回転対偶中心軸
Ｃ２…端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶中心軸
Ｃ３…中央リンク部材間回転軸心
Ｆ…投影直線
Ｇ…作業点
Ｏ…回転中心
ＰＡ…基端側の球面リンク中心
ＰＢ…先端側の球面リンク中心
ＱＡ…基端側のリンクハブの中心軸
ＱＢ…先端側のリンクハブの中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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