(57)【特許請求の範囲】
【請求項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を連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を有するリンク作動装置において、
前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、
二組のリンク機構のうちの少なくとも一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設け、かつ二組のリンク機構のそれぞれに、前記リンクまたはリンクハブである二つのリンク機構構成部材に両端が直接または間接的にそれぞれ連結された伸縮作動可能な直動アクチュエータを設けたことを特徴とするリンク作動装置。
【請求項２】
請求項１において、前記伸縮作動可能な直動アクチュエータは、前記リンクハブとこのリンクハブに連結された前記端部リンクとに、両端が直接または間接的に連結されているリンク作動装置。
【請求項３】
請求項２において、前記伸縮作動可能な直動アクチュエータは、筒状の外筒体と、この外筒体の内部にあって外筒体に対して進退する進退軸とを有し、前記外筒体は前記リンクハブに固定され、前記進退軸は前記端部リンクに、進退軸の進退に伴う進退軸と端部リンクとの位置関係を調整する補助リンクを介して連結されているリンク作動装置。
【請求項４】
請求項１において、前記伸縮作動可能な直動アクチュエータは、前記リンクハブと前記中央リンクとに、両端が直接または間接的に連結されているリンク作動装置。
【請求項５】
請求項１において、前記直動アクチュエータは、入力側の端部リンクと、出力側の端部リンクとに、両端が直接または間接的に連結されているリンク作動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットの関節部、産業機械等における三次元空間での物品の取り回しや複雑な加工等の作業を広範囲な領域で、高速かつ精密に実行するために用いられるリンク作動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記リンク作動装置として、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブを、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構で連結し、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを姿勢変更可能とした構成が提案されている（例えば特許文献１，２）。四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構は、入力側および出力側の各リンクハブにそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンクと、これら入力側および出力側の端部リンクに回転可能に連結された中央リンクとでなる。特許文献１には、リンク機構を直線で表現した幾何学モデルにおいて、中央リンクの中央部に対する入力側部分と出力側部分とが鏡像対称を成す形状である例と、点対称を成す形状である例とが開示されている。また、特許文献２には、前記入力側部分と出力側部分とが点対称を成す形状である例が開示されている。
【０００３】
上記特許文献１，２を含めて、従来のリンク作動装置は、リンク機構の数が三組であった。これは、リンク機構をリンクだけで構成する場合に、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を規定するために必要な最低限のリンク機構の数は三組であることによる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４７６６０３号公報
【特許文献１】特開２００４−００９２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リンク作動装置のリンク機構の数が三組であると、例えば図１７に示すように、各リンク機構１０４（１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ）がほぼ１２０°の間隔で配置されることとなる。この場合、各リンク機構１０４の相互間距離が狭く、一つのリンク機構１０４Ａにおけるリンクハブ１０３（１０２）と端部リンク１０６（１０５）の回転対偶部１１２（１１１）と、他のリンク機構１０４Ｂにおける端部リンク１０６（１０５）と中央リンク１０７の回転対偶部１１４（１１３）とが接近した状態となる。そこで、両回転対偶部１１２（１１１），１１４（１１３）が互いに干渉するのを避けるために、回転対偶部１１４（１１３）を外径側に逃がした形状としている。その結果、リンク作動装置１０１全体の外径が大きいという課題があった。リンクハブ１０２，１０３を中空形状とし、その内部にエアチューブや電気配線等を通す場合には、外径がさらに大きくなる。
【０００６】
また、リンク機構１０４の数が三組であると、各リンク機構１０４の各回転対偶部１１１，１１２，１１３，１１４の回転中心軸の相互角度を適正に保ちながら組立することが難しい。さらに、リンク機構１０４の数が多いと、その分だけコスト高となる。
【０００７】
リンク機構の数が三組であると、用途によっては上記のように不都合が生じる。そこで、本件出願人は、リンク機構の数が二組であっても、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を規定することが可能なリンク作動装置の開発を試みた。しかし、リンク機構の数をただ単に二組にするだけでは、三組である場合に比べて全体の剛性が低下する。
【０００８】
この発明の目的は、リンク機構の数が二組で構成でき、外径寸法が小さいコンパクトな構成でありながら剛性が高い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、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を連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を有する。この発明は、上記リンク作動装置において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの少なくとも一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設け、かつ二組のリンク機構のそれぞれに、前記リンクまたはリンクハブである二つのリンク機構構成部材に両端が直接または間接的にそれぞれ連結された伸縮作動可能な直動アクチュエータを設けたことを特徴とする。なお、この明細書で「回転対偶軸」とは、回転対偶の回転中心軸を言う。
【００１０】
この構造において、リンクハブとそれに連結される端部リンクの入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンクが中央リンクを介して連結されている。ここで各リンク機構の二つの中央リンクは、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された１自由度となる。入力側および出力側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、入力側、出力側のそれぞれが独立して１自由度を有している。入力側と出力側の端部リンク間に連動手段が無い場合は、二つの中央リンクの１自由度と入力側と出力側の球面リンク機構の各１自由度とで３自由度となる。ここで、このリンク作動装置では、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けたため、それぞれの球面リンク機構は連動し、両球面リンク機構で１自由度となる。以上のように、このリンク作動装置は、中央リンクの１自由度と前記球面リンク機構の１自由度を合わせた２自由度の機構となる。なお、中央リンクの位置変位は、入力側と出力側のリンクハブ間においては角度変化となり、以上から入力側と出力側のリンクハブ間は、２方向の角度変化が可能な構造となる。
【００１１】
この２自由度機構は、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブの中心軸と出力側のリンクハブの中心軸の最大折れ角を９０°以上とすることが可能であり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。上記中心軸は、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれのリンクハブ内における二つの端部リンクとの回転対偶軸の交点であるリンクハブ中心を結ぶ軸を指す。
【００１２】
この構成は、上記のように連動手段を設けたため、リンク機構の数が二組であっても、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を規定することができる。リンク機構の数が二組であって、従来の三組と比べて少ないため、各リンク機構同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。それにより、リンク作動装置全体の外径が小さいコンパクトな構成とすることが可能である。また、リンク機構の数が少ないため、低コスト化を実現できる。
【００１３】
直動アクチュエータを伸縮作動させると、この直動アクチュエータの両端がそれぞれ連結されている二つのリンク機構構成部材の相対的な角度や位置が変更される。よって、直動アクチュエータの伸縮量を制御することにより、上記相対的な角度や位置が決まり、それにより入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢も決まる。直動アクチュエータを設けたことにより、上記二つのリンク機構構成部材を含む複数のリンク機構構成部材と直動アクチュエータとで閉じたリンク構成となり、二つのリンク機構構成部材間に作用する力を直動アクチュエータが受けるため、リンク作動装置の剛性が向上する。
【００１４】
この発明において、前記伸縮作動可能な直動アクチュエータは、前記リンクハブとこのリンクハブに連結された前記端部リンクとに、両端が直接または間接的に連結されているのが良い。
リンクハブと端部リンクとは一つの回転対偶で連結されているため、リンクハブと端部リンクとの間に直動アクチュエータを設ければ、リンクハブと直動アクチュエータ、および端部リンクと直動アクチュエータのそれぞれの連結部も回転対偶とすることができる。つまり、二次元的な対偶とすることができる。そのため、連結部に深溝玉軸受等の軸受を使用することが可能であり、球対偶や十字継手を使用する場合に比べて、低コストおよび低回転抵抗を実現できる。また、深溝玉軸受等の軸受を使用すると、回転角の制限がなく、設計の自由度が増す。
【００１５】
前記伸縮作動可能な直動アクチュエータが、筒状の外筒体と、この外筒体の内部にあって外筒体に対して進退する進退軸とを有する場合、前記外筒体は前記リンクハブに固定され、前記進退軸は前記端部リンクに、進退軸の進退に伴う進退軸と端部リンクとの位置関係を調整する補助リンクを介して連結された構成としても良い。
上記直動アクチュエータの外筒体と進退軸とを比較した場合、外筒体の方が進退軸よりも径が大きくて重量が重い。この重い方の外筒体を固定側であるリンクハブに固定することにより、可動部を軽くすることができ、直動アクチュエータの駆動に対する応答性が良くなる。また、直動アクチュエータの動作部を小さくできるので、直動アクチュエータとリンク作動装置の他の部材あるいはリンク作動装置以外の物品との干渉が起き難くすることができる。
【００１６】
この発明において、前記伸縮作動可能な直動アクチュエータは、前記リンクハブと前記中央リンクとに、両端が直接または間接的に連結されていても良い。
この場合、リンクハブ、端部リンク、中央リンク、および直動アクチュエータで閉じたリンク構成となり、剛性が向上する。リンクハブと中央リンクとは相対的に３次元の動きをするため、リンクハブと直動アクチュエータの連結部、および中央リンクと直動アクチュエータの連結部は、いずれも球対偶とされる。それにより、直列のみの連鎖箇所が減少し、このことからも剛性が向上する。
【００１７】
この発明において、前記直動アクチュエータは、入力側の端部リンクと、出力側の端部リンクとに、両端が直接または間接的に連結されていても良い。
この場合、入力側の端部リンク、中央リンク、出力側の端部リンク、および直動アクチュエータで閉じたリンク構成となり、剛性が向上する。入力側の端部リンクと出力側の端部リンクとは例えば鏡像対称の動きをするため、捩れた位置となることなく、一方、直動アクチュエータの直動軸に対して端部リンクの任意の面は、二方向に傾きが変化するため、入力側の端部リンクと直動アクチュエータの連結部、および出力側の端部リンクと直動アクチュエータの連結部は、いずれも十字継手結合とされる。それにより、直列のみの連鎖箇所が減少し、このことからも剛性が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
この発明のリンク作動装置は、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を連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を有する装置において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの少なくとも一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設け、かつ二組のリンク機構のそれぞれに、前記リンクまたはリンクハブである二つのリンク機構構成部材に両端が直接または間接的にそれぞれ連結された伸縮作動可能な直動アクチュエータを設けたため、リンク機構の数が二組で構成でき、外径寸法が小さいコンパクトな構成でありながら剛性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図２】同リンク作動装置のリンク作動装置本体の斜視図である。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】同リンク作動装置本体を展開した状態の一部破断展開図である。
【図５】同リンク作動装置本体を直線で表現した図である。
【図６】同リンク作動装置の直動アクチュエータの一例を示す断面図である。
【図７】同リンク作動装置本体に付与するトルクの大きさの変化を示すグラフである。
【図８】（Ａ）は同リンク作動装置本体の一状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図９】（Ａ）は同リンク作動装置本体の異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１０】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１１】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１２】この発明の異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１３】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１４】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１５】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１６】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１７】従来のリンク作動装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。このリンク作動装置１は、リンク作動装置本体１ａと、このリンク作動装置本体１ａを駆動する駆動手段１ｂとでなる。リンク作動装置本体１ａから説明する。
【００２１】
図２および図３はリンク作動装置本体１ａをそれぞれ異なる角度から見た斜視図、図４は同リンク作動装置本体１ａを展開した状態の一部破断展開図である。図２ないし図４に示すように、リンク作動装置本体１ａは、入力側および出力側のリンクハブ２，３を有し、これらリンクハブ２，３を二組のリンク機構４Ａ，４Ｂで連結したものである。リンク機構４Ａ，４Ｂは、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、入力側のリンクハブ２に一端が回転自在に連結された入力側の端部リンク５と、出力側のリンクハブ３に一端が回転自在に連結された出力側の端部リンク６と、これら端部リンク５，６の他端に両端がそれぞれ回転自在に連結された中央リンク７とで構成される。
【００２２】
上記二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、幾何学的に同じ形状である。幾何学的に同じ形状とは、図５のようにリンク機構を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが互いに同じ形状であることを言う。また、それぞれのリンク機構４Ａ，４Ｂは、直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク７の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称を成す形状である。言い換えると、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１を対称面として、前記入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称である。上記横断面Ｆ１は、中央リンク７と２つの端部リンク５，６の回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の成す角度を２等分する平面であるとも言える。
【００２３】
各リンク機構４Ａ，４Ｂの入力側および出力側の端部リンク５，６は、共に球面リンク構造である。球面リンク構造とは、図４に示すように、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）、および端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）が、すべて球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通る構造を言う。
【００２４】
二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、それぞれの回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が互いに交差する位置関係にある。つまり、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°でない。そして、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度αが１２０°とされている。
なお、図４の状態では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂが、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を通り、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を二等分する縦断面Ｆ４に対して互いに鏡像対称となる位置に配置されている。
【００２５】
端部リンク５，６と中央リンク７の各回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４は、ある交差角をもっていても良いし、平行であっても良い。図示例では、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の軸間角度γは９０°とされている。また、入力側および出力側のリンクハブ２，３が同一平面上に位置する図４の状態において、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）の軸間角度βは、７５°とされている。
【００２６】
図２ないし図４において、上記各リンク機構４Ａ，４Ｂの入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とは、連動手段９により、互いに連動して回転変位するようになっている。この実施形態の場合、連動手段９は、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６に対してそれぞれ回転自在な一対のかさ歯車１０，１１を互いに噛み合わせた構成である。一対のかさ歯車１０，１１は同諸元のものであり、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６が、互いの回転方向が反対で、かつ回転変位角度が同じになるように連動する。このように、連動手段９が複数のかさ歯車１０，１１等の歯車の噛み合いによるものであると、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６の回転変位に滑り等による誤差が生じないため、精度良く連動させることができ、またコンパクトである。
【００２７】
連動手段９は、同諸元の一対のかさ歯車１０，１１の噛み合いによるものに限らない。かさ歯車の代わりにリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。なお、前記軸間角度γ（図４）が０°のときには、平歯車を用いる。また、一対の歯車の歯数を互いに異ならせても良い。その場合、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の回転変位角度が異なる。さらに、歯車以外の別の手段、例えばロータリアクチュエータやモータ等のアクチュエータで入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の相互回転を制御してもよい。
【００２８】
リンクハブ２（３）は、球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を中心として、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が位置する平面Ｆ２（Ｆ３）（図３）に沿って拡がる円弧状であり、その両端に軸受内包部１３がそれぞれ設けられている。軸受内包部１３は内部に二つの転がり軸受１４を有し、これら転がり軸受１４により、端部リンク５，６の基端に一体に設けた回転軸１５を回転自在に支持する。回転軸１５の軸心は、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂと一致する。二つの転がり軸受１４は間隔を開けて配置されており、その間隔部に端部リンク５，６の基端が位置している。軸受内包部１３には、端部リンク５，６の基部が回転可能に嵌る溝１３ａが形成されている。この溝１３ａにより端部リンク５，６の回転範囲を規制することで、先に説明したように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が常に回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に位置する。
【００２９】
転がり軸受１４は、外輪１４ａが軸受内包部１３の内周に圧入等により嵌合し、内輪１４ｂが回転軸１５の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１４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。転がり軸受１４としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１４の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
【００３０】
また、中央リンク７の両端部には転がり軸受１７が設けられ、この転がり軸受１７により、端部リンク５，６の先端に一体に設けた回転軸１８を回転自在に支持する。回転軸１８の軸心は、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４と一致する。転がり軸受１７は、外輪１７ａが中央リンク７の端部に圧入等により嵌合し、内輪１７ｂが回転軸１８の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１７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。転がり軸受１７としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１７の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
【００３１】
リンクハブ２，３は先に説明したような円弧状であり、それぞれその内部に、前記平面Ｆ２，Ｆ３に対して垂直な方向すなわち中心軸Ｃ１，Ｃ２（図２、図４）の方向に貫通した中空部２０を有する。この中空部２０は、一対の軸受内包部１３間に形成された開口部２１を介してリンクハブ２，３の外部と連通している。開口部２１は、入力側および出力側のリンクハブ２，３のいずれについても、各回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに対して同じ側に位置する。つまり、図２のように、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３が互いに平行になる姿勢において、両リンクハブ２，３の開口部２１が、共に同じ側を向く。
【００３２】
図１において、駆動手段１ｂは、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのそれぞれに設けられて、互いに異なる二つのリンク機構構成部材間の角度や位置を変更させる手段である。リンク機構構成部材として、入力側および出力側のリンクハブ２，３と、入力側および出力側の端部リンク５，６と、中央リンク７とが該当する。この実施形態では、入力側のリンクハブ２と一体に設けられた補助板２３と、入力側の端部リンク５に一体に設けられた補助板２４とを、伸縮作動可能な直動アクチュエータ２５で連結して、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５との角度や位置を変更させる。直動アクチュエータ２５と各補助板２３，２４との連結部２６，２７は、共に回転対偶となっている。なお、補助板２３は、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂから離れた位置で、入力側のリンクハブ２に固定されている。直動アクチュエータ２５は、直線方向に伸縮動作を行う駆動機構であればよいが、例えばボールねじを用いた機構や流体圧シリンダ装置を採用できる。
【００３３】
図６は、ボールねじを用いた直動アクチュエータの一例を示す。この直動アクチュエータ２５は、一方の補助板２３に連結されたねじ軸３０にナット３１が螺合しており、これらねじ軸３０とナット３１とでボールねじ３２が構成されている。ねじ軸３０は、請求項で言う進退軸である。ナット３１は、他方の補助板２４にロッド３３ａを介して連結された外筒体３３に、二つの軸受３４により回転自在に支持されている。ナット３１の外周には平歯車３６が設けられ、この平歯車３６に他の平歯車３７が噛み合っている。他の平歯車３７は、前記外筒体３３の外周に設置したモータ３８の出力軸３８ａに取り付けられている。
モータ３８を回転させることで、一対の平歯車３７，３６を介してナット３１が回転し、ボールねじ３２によりねじ軸３０がナット３１に対して進退する。それにより、ねじ軸３０の先端とロッド３３ａの先端間の距離が変わる。つまり、直動アクチュエータ２５が伸縮作動する。
【００３４】
この実施形態のように、リンクハブ２とこのリンクハブ２に連結された端部リンク５に両端を連結した直動アクチュエータ２５の配置とすると、リンクハブ２と直動アクチュエータ２５の連結部２６、および端部リンク５と直動アクチュエータ２５の連結部２７を共に回転対偶とすることができる。つまり、二次元的な対偶とすることができる。そのため、これら連結部２６，２７に深溝玉軸受等の軸受を使用することが可能であり、球対偶や十字継手を使用する場合に比べて、低コストおよび低回転抵抗を実現できる。また、深溝玉軸受等の軸受を使用すると、回転角の制限がなく、設計の自由度が増す。
【００３５】
駆動手段１ｂの直動アクチュエータ２５の伸縮作動により、入力側のリンクハブ２に対して入力側の端部リンク５を回転させると、この入力側の端部リンク５の回転が連動手段９により出力側の端部リンク６に伝えられて、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とが互いに連動して回転変位する。駆動手段１ｂは各リンク機構４Ａ，４Ｂに設けられているため、各リンク機構４Ａ，４Ｂの出力側の端部リンク６の回転変位が決まる。それにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる。つまり、このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の機構である。
【００３６】
この実施形態のように、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂにおいて、端部リンク５，６の角度、長さ、および端部リンク５，６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７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７の対称面に対して中央リンク７と、入力側および出力側のリンクハブ２，３と連結される端部リンク５，６との角度や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２および入力側の端部リンク５と、出力側のリンクハブ３および出力側の端部リンク６とは同じに動く。
【００３７】
このリンク作動装置１の具体的な動作を説明する。図７は、直動アクチュエータ２５により入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更するときの、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用するトルクの変化を、図８の状態におけるトルクで無次元化した図である。図８ないし図１１は、リンク作動装置本体１ａを簡略化したモデルで表現した正面図、底面図、および斜視図であって、それぞれ図７におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各時点における姿勢を示している。このモデルでは、入力側のリンクハブ２の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（図４）を含む平面Ｆ２（図３）を鉛直状態にし、かつ開口部２１を重力Ｇ方向に配置した場合を示している。なお、図８ないし図１１には、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を球体で示してあり、リンクハブ３の中心Ｐ２に錘を配置している。錘は装置重量に比べて十分重く設定している。
【００３８】
図８は、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が平行である状態を示している。このとき、重力Ｇに抗して出力側のリンクハブ３およびリンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７の姿勢を維持するために、リンク機構４Ａ，４Ｂに、直動アクチュエータ２５（図１）によってそれぞれ同じ値の所定値のトルクが作用している。図８の状態から、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用する各トルクを前記所定値よりも小さくすると、図９のように、出力側のリンクハブ３が、リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が互いに干渉するまで下方に回動する。また、図８の状態から、リンク機構４Ａの入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５との角度を固定し、リンク機構４Ｂに作用するトルクを小さくすると、図１０のように、リンク機構４Ａが全体的に縮み、かつリンク機構４Ｂが全体的に伸びて、出力側のリンクハブ３が前方（同図（Ａ）における手前側）に傾いた姿勢となる。さらに、リンク機構４Ａに作用するトルクおよびリンク機構４Ｂに作用するトルクを前記所定値に対してそれぞれ別個に変化させると、図１１のように、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が捩れた姿勢となる。全状態において、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が変化しても、入力側と出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離は変化しない。
【００３９】
図８ないし図１１に示すように、このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の折れ角θ（図９（Ａ））の最大値（最大折れ角）を９０°以上とすることができる。また、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の旋回角φ（図１１（Ｂ））を０°〜３６０°の範囲で設定できる。折れ角θは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対する出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の傾斜角度のことであり、旋回角φは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対して出力側のリンクハブ３が傾斜した水平角度のことである。
【００４０】
このリンク作動装置１は、連動手段９を設けたことにより、リンク機構４Ａ，４Ｂの数が二組であっても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を規定することができる。リンク機構４Ａ，４Ｂの数が二組であって、従来の三組と比べて少ないため、各リンク機構４Ａ，４Ｂ同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。それにより、リンク作動装置１全体の外径が小さいコンパクトな構成とすることが可能である。また、リンク機構４Ａ，４Ｂの数が少ないため、低コスト化を実現できる。リンク機構４Ａ，４Ｂの数を減らすと剛性が低下することが懸念されるが、この実施形態のリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２と、入力側の端部リンク５と、直動アクチュエータ２３とで閉じたリンク構成となっているため、高い剛性が実現されている。
【００４１】
各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける４つの回転対偶、つまり、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５との連結部分、出力側のリンクハブ３と出力側の端部リンク６との連結部分、および入力側および出力側の端部リンク５，６と中央リンク７と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。
【００４２】
各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７は、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのリンクハブ２，３と端部リンク５，６の各回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂが成す角度が１８０°よりも大きい側に位置している。そのため、構造的に、一方のリンク機構４Ａ（４Ｂ）のリンクハブ２，３と端部リンク５，６の回転対偶部が、他方のリンク機構４Ｂ（４Ａ）の端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶部に干渉しにくい。このことから、前記干渉を避けるために、端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶部を外径方向に張り出して設ける必要がなくなり、外径寸法が小さいコンパクトな構成にできる。
【００４３】
入力側および出力側のリンクハブ２，３は、中心軸Ｃ１，Ｃ２の方向に沿って貫通した中空部２０を有している。この中空部２０に、エアチューブ、電気配線等のケーブル類を通して設けることができ、ケーブル類が各リンク５，６，７やリンク作動装置１以外の器物と接触しにくくできる。また、中空部２０は開口部２１を介してリンクハブ２，３の外部と連通しているため、中空部２０にケーブル類を通すときに、ケーブル類が機器に繋がった状態でも中空部２０に入れることができ、作業性が良い。
【００４４】
また、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、中央リンク７の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称を成す形状であり、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の可動範囲が、周方向に付き同じである。そのため、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３との間の空間において、端部リンク５，６および中央リンク７が侵入しない周方向の領域が広くなり、この領域から前記空間に物品を入れることが可能となる。また、この領域では、各リンク５，６，７と他の部材とを接近させてもよいため、本装置をロボット、産業機械等に取付けたときにコンパクトとなる。
さらに、中央リンク７と二つの端部リンク５，６の組立て体を入力側と出力側のリンクハブ２，３に組み付ける際に、取付け部（図示せず）の回転対偶軸が入力側と出力側で周方向位置が一致しているため、前記組立て体を一方向から組み付けることができるため、組立て性が向上する。
【００４５】
直動アクチュエータ２５は、図１２のように、進退軸であるねじ軸３０と外筒体３３とが逆向きとなる配置にしてもよい。この場合も、図１の配置と同じように機能する。
【００４６】
また、図１３のように、直動アクチュエータ２５の外筒体３３を入力側のリンクハブ２と一体の補助板２３に固定し、進退軸であるねじ軸３０は端部リンク５に一体の補助板２４に補助リンク４０を介して連結した配置としてもよい。ねじ軸３０と補助リンク４０の連結部４１、および補助板２４と補助リンク４０の連結部４２は、共に回転対偶とする。補助リンク４０は、ねじ軸３０の進退に伴うねじ軸３０と端部リンク５との位置関係を調整する役割をする。
【００４７】
直動アクチュエータ２５の外筒体３３とねじ軸３０とを比較した場合、外筒体３３の方がねじ軸３０よりも径が大きくて重量が重い。この重い方の外筒体３３を固定側であるリンクハブ２に固定することにより、可動部を軽くすることができ、直動アクチュエータ２５の駆動に対する応答性が良くなる。また、直動アクチュエータ２５の動作部を小さくできるので、直動アクチュエータ２５とリンク作動装置１の他の部材あるいはリンク作動装置１以外の物品との干渉が起き難くすることができる。
【００４８】
図１４はさらに異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に一体に設けられた補助板４３と、中央リンク７に一体に設けられた補助板４４とを、伸縮作動可能な直動アクチュエータ２５で連結して、入力側のリンクハブ２と中央リンク７との角度や位置を変更させる。入力側のリンクハブ２と中央リンク７とは相対的に３次元の動きをするため、直動アクチュエータ２５と各補助板４３，４４との連結部４６，４７は、共に球対偶となっている。
【００４９】
この場合、入力側のリンクハブ２、入力側の端部リンク５、中央リンク７、および直動アクチュエータ２５で閉じたリンク構成となり、剛性が向上する。また、直列のみの連鎖箇所が減少したことからも剛性が向上する。
【００５０】
図１５に示すように、一方のリンク機構４Ａについては、入力側のリンクハブ２に一体に設けられた補助板４３と、中央リンク７に一体に設けられた補助板４４とを直動アクチュエータ２５で連結し、もう一方のリンク機構４Ｂについては、出力側のリンクハブ３に一体に設けられた補助板４８と、中央リンク７に一体に設けられた補助板４９とを直動アクチュエータ２５で連結した構成としてもよい。出力側のリンクハブ３と中央リンク７とは相対的に３次元の動きをするため、直動アクチュエータ２５と各補助板４８，４９との連結部５０，５１は、共に球対偶となっている。
【００５１】
図１６はさらに異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１は、入力側の端部リンク５に一体に設けられた補助板５２と、出力側の端部リンク６に一体に設けられた補助板５３とを、伸縮作動可能な直動アクチュエータ２５で連結して、入力側のリンクハブ２と中央リンク７との角度や位置を変更させる。入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とは鏡像対称の動きをするため、直動アクチュエータ２５と各補助板５２，５３との連結部５４，５５は、共に十字継手構造となっている。
【００５２】
この場合、入力側の端部リンク５、中央リンク７、出力側の端部リンク６、および直動アクチュエータ２５で閉じたリンク構成となり、剛性が向上する。また、直列のみの連鎖箇所が減少したことからも剛性が向上する。
【符号の説明】
【００５３】
１…リンク作動装置
２…入力側のリンクハブ（リンク機構構成部材）
３…出力側のリンクハブ（リンク機構構成部材）
４Ａ，４Ｂ…リンク機構
５…入力側の端部リンク（リンク機構構成部材）
６…出力側の端部リンク（リンク機構構成部材）
７…中央リンク（リンク機構構成部材）
９…連動手段
２５…直動アクチュエータ
３０…ねじ軸（進退軸）
３３…外筒体
４０…補助リンク
Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ…入力側のリンクハブと入力側の端部リンクの回転対偶軸
Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ…出力側のリンクハブと出力側の端部リンクの回転対偶軸
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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