(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、
前記被作業体または前記作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記被作業体と前記作業体とを相対的に１軸方向に移動させる直動機構とを備え、
前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、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両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記先端側のリンクハブに前記被作業体および前記作業体のうちの姿勢変更される方が設けられ、
前記姿勢制御用アクチュエータは、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を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられ、前記パラレルリンク機構は、前記基端側のリンクハブと、前記先端側のリンクハブと、前記３組以上のリンク機構とで、前記基端側のリンクハブに対し前記先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成し、
前記直動機構は、前記基端側および先端側のリンクハブと前記基端側および先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側および先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記基端側および先端側のリンクハブの球面リンク中心と称し、この基端側および先端側の球面リンク中心を通り前記基端側および先端側のリンクハブと前記基端側および先端側の端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を基端側および先端側のリンクハブの中心軸と称する場合、前記基端側のリンクハブの中心軸と同軸上または平行に前記被作業体と前記作業体とを相対的に移動させるものであり、
前記被作業体のうちの前記作業体により作業される部位は、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の内部空間に位置し、かつ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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から、前記被作業体の外面のうちの前記作業体に対し反対側に位置する面である底面までの距離が、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の各球面リンク中心間の距離の１／２以上であるパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項２】
請求項1に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、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のうちの前記被作業体が設けられる方のリンクハブの中心軸は前記被作業体の少なくとも一部分を通り、もう一方のリンクハブの中心軸は前記作業体における前記被作業体に対して作業する部分である作業部の中心軸と一致するパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の前記底面までの距離をＴ、前記基端側のリンクハブの球面リンク中心と前記先端側のリンクハブの球面リンク中心間の距離をＬ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における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とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））
の関係が成り立つパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの中心軸から前記被作業体の外周面までの最大距離をＭ、前記各中央リンク部材の内側面の中央部を結ぶ円である内側面軌道円の半径をＲ、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の前記底面までの距離をＴ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における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とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ
の関係が成り立つパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記被作業体を前記先端側のリンクハブに設けると共に、前記直動機構を前記基端側のリンクハブに設置し、この直動機構で前記作業体を移動させるパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項６】
請求項５に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記パラレルリンク機構を前記先端側のリンクハブが下向きとなるように設置し、前記直動機構を前記パラレルリンク機構の上方に配置したパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記被作業体が前記先端側のリンクハブに設けられると共に、前記作業体が固定部となる架台に設置され、前記直動機構で前記パラレルリンク機構全体を移動させることで、前記被作業体と前記作業体とを相対的に１軸方向に移動させるパラレルリンク機構を用いた作業装置。
【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のような、高速、高精度で、広範な作動範囲を必要とする機器に用いられるパラレルリンク機構を用いた作業装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療機器や産業機器等の各種作業装置に用いられるパラレルリンク機構およびリンク作動装置が、特許文献１、２に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０９４２４５号公報
【特許文献２】米国特許第５，８９３，２９６号明細書
【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、構成が比較的簡単であるが、各リンクの作動角が小さい。そのため、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形化を招くという問題がある。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が小さいものに制限されるという問題もある。
【０００５】
特許文献２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を、４節連鎖の３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結した構成としたパラレルリンク機構を用いている。これにより、コンパクトでありながら、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作が可能である。
【０００６】
しかしながら、特許文献２のリンク作動装置は２自由度の機構であるため、このリンク作動装置だけでは、立方体や直方体の複数の側面、あるいは球体の球面等のような３次元形状の被作業体に対して作業を行うことはできない。３次元形状の被作業体に対して作業を行う場合、通常は、合計４自由度以上になるように、リンク作動装置に２自由度以上の機構を追加する必要があった。
【０００７】
この発明の目的は、２自由度のリンク作動装置に１自由度の直動機構を追加しただけの構成でありながら、３次元形状の被作業体に対する作業が可能なパラレルリンク機構を用いた作業装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明のパラレルリンク機構を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体または前記作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記被作業体と前記作業体とを相対的に１軸方向に移動させる直動機構とを備える。
【０００９】
前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、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両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記先端側のリンクハブに前記被作業体および前記作業体のうちの姿勢変更される方が設けられている。
【００１０】
前記姿勢制御用アクチュエータは、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を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられている。
【００１１】
前記直動機構は、前記基端側のリンクハブの中心軸と同軸上または平行に前記被作業体と前記作業体とを相対的に移動させるものである。なお、「リンクハブの中心軸」とは、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記リンクハブの「球面リンク中心」と称する場合、この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の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を指す。
【００１２】
前記被作業体のうちの前記作業体により作業される部位は、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の内部空間に位置し、かつ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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から、前記被作業体の外面のうちの前記作業体に対し反対側に位置する面である底面までの距離が、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の各球面リンク中心間の距離の１／２以上である。
【００１３】
前記パラレルリンク機構は、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軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、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。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角の最大値は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。
【００１４】
このパラレルリンク機構を用いた作業装置は、パラレルリンク機構の２自由度と直動機構の１自由度とで計３自由度の構成となる。３自由度の構成であっても、被作業体のうちの作業体により作業される部位を基端側のリンクハブと先端側のリンクハブとの間の内部空間に位置させて、作業体が被作業体に対して前記内部空間で作業を行うようにしている。これに加え、被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から被作業体の底面までの距離を、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブの各球面リンク中心間の距離の１／２以上としている。
【００１５】
これにより、姿勢制御用アクチュエータによりパラレルリンク機構を作動させて被作業体または作業体の姿勢を変更すると共に、直動機構により被作業体と作業体とを相対的に１軸方向に移動させることで、被作業体の底面を除く各面に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行うことができる。３自由度の構成であるので、従来の４自由度の構成と比較して、コンパクト化が実現できる。また、パラレルリンク機構により被作業体の姿勢変更を高速、高精度で行えるので、高速、高精度の作業が可能である。
【００１６】
３自由度の構成であっても、被作業体の底面を除く各面に対して作業体で作業を行うことができる理由を説明する。
基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブの各球面リンク中心間の距離をＬ、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸とが成す角度である折れ角をθとした場合、基端側および先端側の各リンクハブの中心軸の交点と各球面リンク中心との距離ｘは、ｘ＝Ｌ／（２cos（θ／２））である。折れ角θが大きくなるにつれて、距離ｘは大きくなる。そのため、被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から被作業体の前記底面までの距離Ｔが、Ｔ≦Ｌ／２である場合、折れ角θが大きくなるにつれて被作業体の底面の位置は被作業体が設けられていない方のリンクハブの中心軸から離れる方向に移動する。被作業体の底面の位置が前記中心軸から大きく離れてしまうと、立方体や直方体の複数の側面、円筒部材の側面、球体の球面のような３次元形状の被作業体の側面を底面位置まで作業体をアプローチできない。
【００１７】
一方、Ｔ＞Ｌ／２である場合、折れ角θが変化しても、必ずＴ＞Ｌ／（２cos（θ／２））を満たす姿勢が存在するので、前記３次元形状の被作業体の側面に対しても作業体をアプローチできる。よって、３自由度の構成であっても、３次元形状の被作業体の側面に対して接触状態または非接触状態で作業を行うことが可能である。
【００１８】
また、被作業体のうちの作業体により作業される部位が基端側のリンクハブと先端側のリンクハブとの間の内部空間に位置していると、作業体が被作業体に対して前記内部空間で作業を行う。この場合、内部空間の外で作業を行う場合と比較して、先端側のリンクハブに設けられる作業体または被作業体の重心がパラレルリンク機構の回転中心である基端側および先端側の各リンクハブの中心軸の交点に近くなる。このため、作業体または被作業体の慣性モーメントが小さくなり、重量の大きい作業体または被作業体を先端側リンクハブに設けた場合でも、高速動作が可能となる。また、姿勢変更用アクチュエータの低出力化、省エネ化、コンパクト化が可能となる。
【００１９】
この発明において、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のうちの前記被作業体が設けられる方のリンクハブの中心軸は前記被作業体の少なくとも一部分を通り、もう一方のリンクハブの中心軸は前記作業体における前記被作業体に対して作業する部分である作業部の中心軸と一致すると良い。この構成により、被作業体に対して複数方向からの作業が可能となり、作業体の作業部の中心軸が被作業体の側面と交差する面積が増加し、作業範囲が広くなる。また、被作業体や作業体の位置を計算する関係式が比較的簡単な形となり、姿勢制御用アクチュエータおよび直動機構の制御が容易になる。
【００２０】
この発明において、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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の前記底面までの距離をＴ、前記基端側のリンクハブの球面リンク中心と前記先端側のリンクハブの球面リンク中心間の距離をＬ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における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とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））
の関係が成り立つと良い。
【００２１】
パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した場合、先端側または基端側の球面リンク中心から先端側または基端側のリンクハブの中心軸の交点までの距離がＬ／（２cos（θmax／２））となる。距離ＴをＬ／（２cos（θmax／２））以上とすれば、最大折れ角θmaxの作動範囲内において、作業体の作業部の中心軸が被作業体の側面と交差する面積が増加し、作業範囲が広くなる。
【００２２】
この発明において、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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの中心軸から前記被作業体の外周面までの最大距離をＭ、前記各中央リンク部材の内側面の中央部を結ぶ円である内側面軌道円の半径をＲ、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の前記底面までの距離をＴ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における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とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ
の関係が成り立つと良い。ここで、中央リンク部材の「内側面」とは、基端側と先端側の球面リンク中心を結ぶ直線の中点に対し対向する面のことである。
【００２３】
このようにパラレルリンク機構の各リンク機構を構成することで、被作業体や作業体が中央リンク部材と干渉することを回避できる。これにより、パラレルリンク機構の可動範囲と作業範囲を広くとれるようになる。
【００２４】
この発明において、前記被作業体を前記先端側のリンクハブに設けると共に、前記直動機構を前記基端側のリンクハブに設置し、この直動機構で前記作業体を移動させると良い。例えば、液体塗布、絵付け、加工等の作業では、被作業体よりも作業体の方の嵩が大きく、かつ質量が大きい場合が多い。この構成であると、被作業体と比べて嵩や質量が大きな作業体を基端側のリンクハブに設けることで、姿勢変更用アクチュエータの負荷を低減できる。その結果、作業装置のコンパクト化やコスト低減につながる。
【００２５】
上記構成の場合、前記パラレルリンク機構を前記先端側のリンクハブが下向きとなるように設置し、前記直交２軸直動機構を前記パラレルリンク機構の上方に配置すると良い。これにより、姿勢制御用アクチュエータ、直動機構等の制御用機器や作業体が被作業体の下方に配置されていない。したがって、被作業体から発生する切粉等や被作業体に付着させるグリース、塗料等が制御用機器や作業体に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。
【００２６】
この発明において、前記被作業体を前記先端側のリンクハブに設けると共に、前記作業体を固定部となる架台に設置し、前記直動機構で前記パラレルリンク機構全体を移動させることで、前記被作業体と前記作業体とを相対的に１軸方向に移動させると良い。この場合も、前記同様に、被作業体と比べて嵩や質量が大きな作業体を基端側のリンクハブに設けることで、姿勢変更用アクチュエータの負荷を低減できる。その結果、作業装置のコンパクト化やコスト低減につながる。
【００２７】
この発明において、前記被作業体を、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のうちの前記被作業体が設けられる方のリンクハブの中心軸に対して直交する軸回りに回転させる回転機構を設けてもよい。この場合、パラレルリンク機構の２自由度と直動機構の１自由度と回転機構の１自由度とで、計４自由度の構成となる。前記特許文献２のリンク作動装置のような２自由度の構成に直動機構を追加して、立方体や直方体の複数の側面、円筒体の側面、球体の球面等のような３次元形状の被作業体の全周面（立方体や直方体の場合は６つの面）に対して作業を行うためには、３つ以上の直動機構を追加する必要がある。つまり、５自由度以上の機構となる。
【００２８】
この構成によると、１つの直動機構と１つの回転機構とを追加することで、４自由度の構成でありながら、回転機構で被作業体を回転させることにより、被作業体の全周面に対して作業を行うことができる。回転機構による被作業体の回転中心を、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブのうちの被作業体が設けられる方のリンクハブの中心軸に対して直交する軸とすると、作業体による被作業体の作業位置を計算する関係式が比較的簡単となり、姿勢制御用アクチュエータおよび直動機構の制御が容易になる。
【００２９】
前記回転機構を設ける場合、一端が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のうちの前記被作業体が設けられる方のリンクハブに固定され他端が前記内部空間の外側の空間である外部空間へ延びた回転機構固定部材の前記他端に前記回転機構を設置し、この回転機構の出力軸に被作業体固定部材を設置し、この被作業体固定部材の先端を前記３組以上のリンク機構のうちの隣り合う２組のリンク機構の間を通って前記内部空間に挿入し、この被作業体固定部材の前記先端に前記被作業体を設置すると良い。
【００３０】
このように、回転機構をスペースに余裕のあるパラレルリンク機構の外部空間に配置することで、各リンク機構と回転機構とが干渉することを防止でき、より広い作動範囲を実現できる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明のパラレルリンク機構を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体または前記作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記被作業体と前記作業体とを相対的に１軸方向に移動させる直動機構とを備え、前記パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、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両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記先端側のリンクハブに前記被作業体および前記作業体のうちの姿勢変更される方が設けられ、前記姿勢制御用アクチュエータは、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を任意に変更するように、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に設けられ、前記パラレルリンク機構は、前記基端側のリンクハブと、前記先端側のリンクハブと、前記３組以上のリンク機構とで、前記基端側のリンクハブに対し前記先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成し、前記直動機構は、前記基端側および先端側のリンクハブと前記基端側および先端側の端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および前記基端側および先端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を前記基端側および先端側のリンクハブの球面リンク中心と称し、この基端側および先端側の球面リンク中心を通り前記基端側および先端側のリンクハブと前記基端側および先端側の端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を基端側および先端側のリンクハブの中心軸と称する場合、前記基端側のリンクハブの中心軸と同軸上または平行に前記被作業体と前記作業体とを相対的に移動させるものであり、前記被作業体のうちの前記作業体により作業される部位は、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間の内部空間に位置し、かつ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のうちの前記被作業体が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から、前記被作業体の外面のうちの前記作業体に対し反対側に位置する面である底面までの距離が、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の各球面リンク中心間の距離の１／２以上であるため、被作業体が比較的小さければ、２自由度のリンク作動装置に１自由度の直動機構を追加しただけの構成でありながら、３次元形状の被作業体に対する作業が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
【図１】この発明の第１実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。
【図２】同作業装置の異なる状態の正面図である。
【図３】同作業装置のリンク作動装置の一部を省略した正面図である。
【図４】同リンク作動装置の一状態の斜視図である。
【図５】同リンク作動装置の異なる状態の斜視図である。
【図６】（Ａ）は同リンク作動装置の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の断面図、（Ｂ）はその部分拡大図である。
【図７】同パラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は互いに異なる被作業体の平面図である。
【図９】（Ａ）は作業体の平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図１０】（Ａ）は異なる作業体の平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図１１】同作業装置の作業動作を示す説明図である。
【図１２】この発明の第２実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図１３】この発明の第３実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図１４】この発明の第４実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図１５】この発明の第５実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図１６】この発明の第６実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。
【図１７】同作業装置の異なる状態の正面図である。
【図１８】この発明の第７実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図１９】この発明の第８実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【図２０】この発明の第９実施形態にかかる作業装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
この発明の第１実施形態に係るパラレルリンク機構を用いた作業装置を図１〜図９と共に説明する。図１、図２はこの作業装置の互いに異なる状態を示す正面図である。作業装置１は、被作業体２に対して作業体３で作業を行う装置である。土台４の上に建てられて複数本の支柱５によって水平状のベース部材６が支持され、このベース部材６にリンク作動装置７が設置されていると共に、前記土台４に直動機構８が設置されている。リンク作動装置７は、被作業体２を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構９と、このパラレルリンク機構９を作動させる姿勢制御用アクチュエータ１０とで構成されている。直動機構８は、被作業体２に対して作業体３を１軸方向に移動させる機構である。
【００３４】
図３はリンク作動装置の正面図、図４、図５はリンク作動装置の互いに異なる状態を示す斜視図である。リンク作動装置７のパラレルリンク機構９は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結したものである。なお、図３では、１組のリンク機構１４のみが示されている。リンク機構１４の数は、４組以上であっても良い。
【００３５】
各リンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７で構成され、４つの回転対偶からなる４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１５，１６はＬ字形状であり、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３に回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。
【００３６】
パラレルリンク機構９は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造である。基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶、および基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、基端側の球面リンク中心ＰＡ（図３）で交差している。同様に、先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６の各回転対偶、および先端側の端部リンク部材１６と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、先端側の球面リンク中心ＰＢ（図３）で交差している。
【００３７】
また、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶と基端側の球面リンク中心ＰＡとの距離は互いに同じであり、基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の各回転対偶と基端側の球面リンク中心ＰＡとの距離も互いに同じである。同様に、先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６の各回転対偶と先端側の球面リンク中心ＰＢとの距離は互いに同じであり、先端側の端部リンク部材１６と中央リンク部材１７の各回転対偶と先端側の球面リンク中心ＰＢとの距離も互いに同じである。基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図３）を持っていてもよいし、平行であってもよい。
【００３８】
図６（Ａ）は基端側のリンクハブ１２、基端側の端部リンク部材１５等の断面図で、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の拡大図である。図６（Ａ）に、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６の形状ならびに位置関係も図６（Ａ）および図６（Ｂ）と同様である（図示せず）。図６（Ａ）では、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°となっている。ただし、前記角度αは９０°以外であっても良い。
【００３９】
３組のリンク機構１４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７に示すように、各リンク部材１５，１６，１７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、中央リンク部材１７の中央部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７は、一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構９は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材１７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。
【００４０】
基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸周りに回転自在な２自由度機構が構成されている。言い換えると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２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１２に対する先端側のリンクハブ１３の可動範囲を広くとれる。
【００４１】
例えば、基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、基端側および先端側のリンクハブ１２，１３と基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図６）と直角に交わる直線を基端側および先端側のリンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図７）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１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φ（図７）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１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことである。一方、旋回角φは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。
【００４２】
基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図７）は変化しない。
【００４３】
このパラレルリンク機構９において、以下の条件１〜４をすべて満たすとき、中央リンク部材１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。
【００４４】
（条件１）各リンク機構１４における基端側および先端側のリンクハブ１２，１３と基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しい。
（条件２）各リンク機構１４の基端側および先端側のリンクハブ１２，１３と基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６と中央リンク７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において基端側および先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差する。
（条件３）基端側の端部リンク部材１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しい。
（条件４）中央リンク部材１７についても基端側の先端側とで形状が等しい。
【００４５】
図１〜図6（Ｂ）に示すように、基端側のリンクハブ１２は、前記ベース部材６と、このベース部材６と一体に設けられた３個の回転軸連結部材２１とで構成されている。ベース部材６は中央部に円形の貫通孔６ａ（図6（Ａ））を有し、この貫通孔６ａの周囲に３個の回転軸連結部材２１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔６ａの中心は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材２１には、軸心が基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸２２が回転自在に連結されている。この回転軸２２に、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結されている。
【００４６】
１つの基端側の端部リンク部材１５およびその両端周辺部を拡大した図6（Ｂ）に示すように、回転軸２２は、大径部２２ａ、小径部２２ｂ、および雄ねじ部２２ｃを有し、小径部２２ｂで２個の軸受２３を介して回転軸連結部材２１に回転自在に支持されている。軸受２３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２３は、回転軸連結部材２１に設けられた内径溝２４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定されている。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。
【００４７】
回転軸２２は、大径部２２ａで後述の減速機構５２の出力軸５２ａに同心軸上に配置されている。その連結構造の詳細は、後述する。また、回転軸２２には、この回転軸２２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結されている。基端側の端部リンク部材１５の一端に切欠き部２５が形成され、この切欠き部２５の両側部分が内外一対の回転軸支持部２６，２７を構成している。これら一対の回転軸支持部２６，２７に貫通孔２６ａ，２７ａがそれぞれ形成されている。前記回転軸連結部材２１が切欠き部２５内に配置され、回転軸２２の小径部２２ｂが貫通孔２６ａ，２７ａ、および軸受２３の内輪に挿通されている。回転軸２２の雄ねじ部２２ｃは、内側の回転軸支持部２７よりも内側に突出している。
【００４８】
回転軸２２の大径部２２ａの外周にスペーサ２８が嵌合され、このスペーサ２８を介して基端側の端部リンク部材１５と減速機構５２の出力軸５２ａとがボルト２９で固定されている。さらに、回転軸２２の雄ねじ部２２ｃにナット３０が螺着されている。軸受２３の内輪と一対の回転軸支持部２６，２７との間に、スペーサ３１，３２が介在されており、ナット３０の螺着時に軸受２３に予圧が付与される。
【００４９】
基端側の端部リンク部材１５の他端には、中央リンク部材１７の一端に回転自在に連結された回転軸３５が連結されている。この中央リンク部材１７の回転軸３５は、リンクハブ１２の回転軸２２と同様に、大径部３５ａ、小径部３５ｂ、および雄ねじ部３５ｃを有し、小径部３２ｂで２個の軸受３６を介して中央リンク部材１７の一端に回転自在に支持されている。基端側の端部リンク部材１５の他端に切欠き部３７が形成され、この切欠き部３７の両側部分が内外一対の回転軸支持部３８，３９を構成している。これら回転軸支持部３８，３９に貫通孔３８ａ，３９ａがそれぞれ形成されている。回転軸３５の雄ねじ部３５ｃは、内側の回転軸支持部３９よりも内側に突出している。
【００５０】
前記切欠き部３７内に中央リンク部材１７の一端が配置され、回転軸３５の小径部３５ｂが貫通孔３８ａ，３９ａ、および軸受３６の内輪に挿通されている。さらに、回転軸３５の雄ねじ部３５ｃにナット４０が螺着されている。軸受３６の内輪と一対の回転軸支持部３８，３９との間に、スペーサ４１，４２が介在されており、ナット４０の螺着時に軸受３６に予圧が付与される。
【００５１】
図１〜図５に示すように、先端側のリンクハブ１３は、平板状の先端部材４０と、この先端部材４０の底面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成されている。各回転軸連結部材４１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材４１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸４３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ１３の回転軸４３に、先端側の端部リンク部材１６の一端が連結されている。先端側の端部リンク部材１６の他端には、中央リンク部材１７の他端に回転自在に連結された回転軸４５が連結されている。
【００５２】
先端側のリンクハブ１３の回転軸４３および中央リンク部材１７の回転軸４５も、前記回転軸３５と同じ形状であり、かつ２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材４１および中央リンク部材１７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。
【００５３】
リンク作動装置７の姿勢制御用アクチュエータ１０は、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ１２のベース部材６の上面に、前記回転軸２２と同軸上に設置されている。姿勢変更用アクチュエータ１０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がベース部材６に固定されている。この実施形態では、３組のリンク機構１４のすべてに姿勢変更用アクチュエータ１０が設けられている。ただし、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に姿勢変更用アクチュエータ１０を設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。
【００５４】
図6（Ｂ）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となっている。出力軸５２ａは、前記スペーサ２８を介して、基端側の端部リンク部材１５の回転軸支持部２６にボルト２９で接続されている。前記回転軸２２の大径部２２ａが、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部を構成し、この大径部２２ａが、減速機構５２の出力軸５２ａに設けられた内径溝５７に嵌っている。
【００５５】
直動機構８は、図１、図２に示すように、土台４に固定されたブラケット６１に設置され、上下方向に進退可能な移動体８ａと、この移動体８ａを移動させる駆動源であるモータ８ｂとを有する。移動体８ａには作業体設置部材６２が取り付けられ、この作業体設置部材６２は、ベース部材６の貫通孔６ａを貫通してベース部材６の上方へ延びている。作業体設置部材６２の上端に作業体固定部材６３が設けられ、この作業体固定部材６３に作業体３が固定されている。これにより、直動機構８を駆動することで、作業体３が上下方向、すなわち基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動する。
【００５６】
先端側のリンクハブ１３の先端部材４０に、この先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢに沿って下方に延びる棒状の被作業体固定部材６５が設けられ、この被作業体固定部材６５の下端に被作業体２が保持されている。被作業体２は、例えば図８（Ａ）に示すような平面形状が円形の円筒体形状、あるいは図８（Ｂ）に示すような平面形状が矩形の直方体形状の３次元形状であって、作業体３に対し反対側に位置する面である底面２ａ（図１、図２）で被作業体固定部材６５の下端に固定される。
【００５７】
図１、図２において、作業体３は、この実施形態の場合、作業部３ａが被作業体２に対して接触して作業を行う切削加工機である。作業部３ａの中心軸は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと一致している。作業部３ａは、例えば図９（Ａ），図９（Ｂ），図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すエンドミルのような回転工具からなる。図９（Ａ），図９（Ｂ）の回転工具（作業部３ａ）は先端が球状であって、主に曲面の切削に用いられる。図１０（Ａ），図１０（Ｂ）の回転工具（作業部３ａ）は先端が円すい状であって、例えば、センターの面取りに用いられる。作業体３は、被作業体２に対して非接触で作業を行うものであってもよい。被作業体２に対して作業体３が行う作業としては、切削加工以外に、液体の塗布、絵付け、検査等がある。
【００５８】
このパラレルリンク機構９を用いた作業装置１は、パラレルリンク機構９の２自由度と直動機構８の１自由度とで計３自由度の構成である。３自由度の構成であっても、被作業体２の底面２ａを除く各面に対して作業体３で作業を行うことができるように、以下の条件Ａ，Ｂが定められている。
【００５９】
（条件Ａ）被作業体２のうちの作業体３により作業される部位が、基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３との間の空間であるパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１に位置している。つまり、作業体３が被作業体２に対して前記内部空間Ｓ１で作業を行う。
（条件Ｂ）基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３のうちの被作業体２が設けられた方のリンクハブの球面リンク中心から、被作業体２の底面２ａまでの距離Ｔが、基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３の各球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌの１／２以上である。この実施形態の場合、先端側のリンクハブ１３に被作業体２が設けられているため、先端側のリンクハブ１３の球面リンク中心ＰＢから、被作業体２の底面２ａまでの距離Ｔが、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌの１／２以上である。
【００６０】
３自由度の構成であっても、被作業体２の底面２ａを除く各面に対して作業体３で作業を行うことができる理由を説明する。
基端側および先端側の各リンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢの交点Ｏと各球面リンク中心ＰＡ，ＰＢとの距離ｘは、ｘ＝Ｌ／（２cos（θ／２））である。折れ角θが大きくなるにつれて、距離ｘは大きくなる。そのため、被作業体２が設けられた先端側のリンクハブ１３の球面リンク中心ＰＢから被作業体２の底面２ａまでの距離Ｔが、Ｔ≦Ｌ／２である場合、折れ角θが大きくなるにつれて被作業体２の底面２ａの位置は基端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢから離れる方向に移動する。被作業体２の底面２ａの位置が前記中心軸ＱＡから大きく離れてしまうと、立方体や直方体の複数の側面、円筒部材の側面、球体の球面等のような３次元形状の被作業体２の側面を底面位置まで作業体３をアプローチできない。
【００６１】
一方、Ｔ＞Ｌ／２である場合、折れ角θが変化しても、必ずＴ＞Ｌ／（２cos（θ／２））を満たす姿勢が存在するため、前記３次元形状の被作業体２の側面に対しても作業体３をアプローチできる。よって、３自由度の構成であっても、３次元形状の被作業体２の側面に対して接触状態または非接触状態で作業を行うことが可能である。
【００６２】
上記距離Ｔと距離Ｌの関係に関して、より詳しくは、
Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））・・・式１
の関係が成り立つようにすると良い。なお、θmaxは最大折れ角で、パラレルリンク機構９が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における折れ角θである。
【００６３】
パラレルリンク機構９が作動可能範囲の最大域まで作動した場合、距離ＬはＬ／（２cos（θmax／２））となる。距離ＴをＬ／（２cos（θmax／２））以上とすれば、最大折れ角θmaxの作動範囲内において、作業体３の作業部３ａの中心軸が被作業体２の側面と交差する面積が増加し、作業範囲が広くなる。
【００６４】
また、被作業体２および作業体３が中央リンク部材１７と干渉することを避けるために、各部の寸法関係を次のように定めると良い。すなわち、被作業体２が設けられた先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢから被作業体２の外周面までの最大距離をＭ、各中央リンク部材１７の内側面の中央部を結ぶ円である内側面軌道円の半径をＲとした場合、
Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ・・・式２
の関係が成り立つようにする。ここで、最大距離Ｍは、図８（Ａ）のように被作業体２の平面形状が円形である場合は半径となり、図８（Ｂ）のように被作業体２の平面形状が矩形である場合は、矩形の中心から角までの距離となる。また、中央リンク部材１７の「内側面」とは、基端側と先端側の球面リンク中心を結ぶ直線ＰＡ−ＰＢの中点に対し対向する面のことである。
【００６５】
このようにパラレルリンク機構９の各リンク機構１４を構成することで、被作業体２や作業体３が中央リンク部材１７と干渉することを回避できる。それにより、パラレルリンク機構９の可動範囲およびリンク作動装置７の作業範囲を広くとれる。
【００６６】
この作業装置１による具体的な作業の動作を図１１と共に説明する。
図１１の工程（Ａ）〜（Ｃ）は、被作業体２の先端面２ｂに対して作業体３で作業を行う過程を示し、工程（Ｄ），（Ｅ）は、被作業体２の左側面２ｃに対して作業体３で作業を行う過程を示す。図１１の工程（Ａ）では、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが一致しており、先端面２ｂの中心位置に作業体３の作業部３ａが当接している。
【００６７】
この状態から、姿勢変更用アクチュエータ１０（図１、図２）を駆動してパラレルリンク機構９を図の左側に傾けると共に、直動機構８（図１、図２）を駆動して作業体３を上方に移動させる。これにより、図１１の工程（Ｂ），（Ｃ）のように、作業体３の作業部３ａが被作業体２の先端面２ｂに当接しながら中央位置から左端へと移動して、先端面２ｂに対して作業をする。姿勢変更用アクチュエータ１０および直動機構８は、互いに連係して動作するように制御される。
【００６８】
図１１の工程（Ｃ）の状態から、前記同様に、パラレルリンク機構９を図の左側に傾けると共に、作業体３を上方に移動させることにより、作業体３の作業部３ａが被作業体２の左側面２ｃに当接しながら下端から上端へと移動して、左側面２ｃに対して作業をする（図１１の工程（Ｄ），（Ｅ））。パラレルリンク機構９を傾き方向を変えることで、被作業体２の右側面や前後の側面についても同様に作業をすることができる。
【００６９】
図１１の工程（Ｅ）のように、パラレルリンク機構９を最大折れ角θmaxまで傾けたときに、作業体３の作業部３ａが被作業体２の側面２ｃの上端に当接するようになっていれば、被作業体２の底面２ａを除く各面に対して作業を行うことができる。この場合、前記式１の関係が成り立つようにすることで、作業範囲が広くなる。また、前記式２の関係が成り立つようにすることで、パラレルリンク機構９の可動範囲およびリンク作動装置７の作業範囲を広くとれる。
【００７０】
このように、パラレルリンク機構９を用いた作業装置１は、リンク作動装置７を作動させて先端側のリンクハブ１３に設置された被作業体２の姿勢を変更すると共に、直動機構８により作業体３を１軸方向に移動させることで、被作業体２の底面を除く各面に対して作業体３で接触作業または非接触作業を行うことができる。リンク作動装置７により被作業体２の姿勢変更を高速、高精度で行えるので、高速、高精度の作業が可能である。
【００７１】
この実施形態のように、作業体３の作業部３ａの中心軸を基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと一致させ、かつ作業体３を直動機構８により基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動させると、作業体３や被作業体２の位置を計算する関係式が比較的簡単となり、姿勢制御用アクチュエータ１０および直動機構８の制御が容易である。
【００７２】
例えば、液体塗布、絵付け、切削加工等の作業では、被作業体２よりも作業体３の方が嵩や質量が大きい場合が多い。被作業体２と比べて嵩や質量が大きな作業体３が基端側のリンクハブ１２に設けられているので、姿勢変更用アクチュエータ１０の負荷を低減できる。その結果、作業装置１のコンパクト化やコスト低減につながる。
【００７３】
また、作業体３が被作業体２に対してパラレルリンク機構９の内部空間Ｓ１で作業を行う。したがって、内部空間Ｓ１の外で作業を行う場合と比較して、先端側のリンクハブ１３に設けられる被作業体２の重心がパラレルリンク機構９の回転中心である基端側および先端側の各リンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢの交点Ｏに近くなる。このため、被作業体２の慣性モーメントが小さくなり、重量の大きい被作業体２を先端側リンクハブ１３に設けた場合でも、高速動作が可能となる。また、姿勢変更用アクチュエータ１０の低出力化、省エネ化、コンパクト化が可能となる。
【００７４】
以下、この発明の異なる実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において、前記実施形態と同じ構成である部材については、同じ符号を付して表し、説明を省略する。
【００７５】
図１２に示す第２実施形態の作業装置１は、直動機構８としてボールねじ機構を用いた構成を採用している。すなわち、ベース部材６から下方に延びる複数のシャフト７０に、リニアブッシュ７１を介して昇降台７２が昇降可能に案内され、この昇降台７２に作業体設置部材６２が取り付けられている。この作業体設置部材６２の上端に設けた作業体固定部材６３に作業体３が固定されている。ベース部材６からねじ軸７３が前記シャフト７０と平行に下方に延びており、このねじ軸７３に、昇降台７２に設けたナット７４が螺合している。モータ７５でねじ軸７３を回転させると、昇降台７２が昇降し、作業体３が基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動する。このボールねじ機構を用いた直動機構８は、図１、図２に示す第１実施形態の直動機構８と比較して、構成が簡単であると共に、ベース部材６の高さ位置を低くできるという利点がある。
【００７６】
図１３に示す第３実施形態の作業装置１は、パラレルリンク機構９を先端側のリンクハブ１３が下側となるように設置し、直動機構８をパラレルリンク機構９の上方に配置してある。被作業体２は先端側のリンクハブ１２に設置され、作業体２は直動機構８により基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動させられる。図１３の直動機構８はボールねじ機構を用いた構成であるが、図１、図２の第１実施形態の作業装置１に用いられている直動機構８であってもよい。
【００７７】
この第３実施形態によれば、姿勢制御用アクチュエータ１０、直動機構８等の制御用機器や作業体３が被作業体２の下方に配置されていない。これにより、被作業体２から発生する切粉等や被作業体２に付着させるグリース、塗料等が制御用機器や作業体３に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。
【００７８】
図１４に示す第４実施形態の作業装置１は、パラレルリンク機構９および直動機構８の配置は図１、図２に示す第１実施形態の作業装置１と同じであるが、作業体３を先端側のリンクハブ１２に設置し、被作業体３を直動機構８により基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動させている。つまり、図１、図２に示す第１実施形態の作業装置１と比較して、被作業体２と作業体３の配置が逆になっている。この場合も、リンク作動装置７および直動機構８を作動させることで、被作業体２の底面２ａを除く各面に対して作業体３で作業を行うことができる。
【００７９】
図１５に示す第５実施形態の作業装置１は、被作業体２を先端側のリンクハブ１３に設けると共に、作業体２の固定部となる架台７７に設置し、直動機構８でリンク作動装置７全体を移動させることで、被作業体２と作業体３とを相対的に１軸方向に移動させる構成である。詳しくは、架台７７に作業体設置部材６２が取り付けられ、この作業体設置部材６２の上端に設けた作業体固定部材６３に作業体３が固定されている。
【００８０】
直動機構８はボールねじ機構を用いた構成であって、土台４から上方に延びる複数のシャフト７０に、リニアブッシュ７１を介して基端側のリンクハブ１２のベース部材６が昇降可能に案内されている。土台４に設置したモータ７５からねじ軸７３が前記シャフト７０と平行に上方に延びており、このねじ軸７３に、ベース部材６に設けたナット７４が螺合している。モータ７５でねじ軸７３を回転させると、ベース部材６が昇降し、作業体３が基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動する。
この場合も、前記同様に、被作業体２と比べて嵩や質量が大きな作業体３を基端側のリンクハブ１２に設けることで、姿勢変更用アクチュエータ１０の負荷を低減できる。その結果、作業装置１のコンパクト化やコスト低減につながる。
【００８１】
つぎに、被作業体を、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブのうちの被作業体が設けられる方のリンクハブの中心軸に対して直交する軸回りに回転させる回転機構を設けた実施形態について説明する。但し、以下の各実施形態は、基端側のリンクハブ１２に作業体３が設置され、先端側のリンクハブ１３に被作業体２が設置された例である。
【００８２】
図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１は、図１、図２に示す３自由度の構成の作業装置１に対して、被作業体２を回転させる回転機構９０を設けて４自由度の構成としたものである。図１、図２に示す第１実施形態の作業装置１が、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０に設けられた被作業体固定部材６５の下端に被作業体２を保持するのに対し、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１は、以下のように先端側のリンクハブ１３に被作業体２が設置されている。
【００８３】
すなわち、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０の外周縁に回転機構固定部材９１の一端が固定されている。この回転機構固定部材９１は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢと平行に基端側のリンクハブ１２の側に延びており、他端がパラレルリンク機構９の外部空間Ｓ２に位置する。外部空間Ｓ２は、前記内部空間Ｓ１の外側の空間である。この回転機構固定部材９１の他端に回転機構９０が設置されている。回転機構９０は例えばモータである。
【００８４】
回転機構９０の出力軸９０ａが先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢに対して直交する軸９２に沿って内部空間Ｓ１の側に突出しており、この出力軸９０ａに、同軸上に延びる被作業体固定部材９３が固定されている。被作業体固定部材９３は、その先端が３組以上のリンク機構１４のうちの隣り合う２組のリンク機構１４の間を通って内部空間Ｓ１に挿入されている。この被作業体固定部材９３の先端に被作業体２が設置されている。被作業体２は、例えば前記軸９２を中心軸とする円筒体である。被作業体２は他の形状、例えば立方体、直方体、球体等であっても良い。
【００８５】
第６実施形態では、パラレルリンク機構９の２自由度と直動機構８の１自由度と回転機構の１自由度９０とで、計４自由度の構成となっている。４自由度の構成でありながら、図１７のように被作業体２の端面に対して作業を行うことは勿論、回転機構９０により被作業体２を前記軸９２の回りに回転させることで、被作業体２の全周面に対して作業を行うことができる。
【００８６】
また、回転機構９０がスペースに余裕のあるパラレルリンク機構９の外部空間Ｓ２に配置されているので、各リンク機構１４と回転機構９０とが干渉することが防止され、より広い作動範囲を実現できる。回転機構９０による被作業体２の回転中心が、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢに対して直交する軸９２と一致しているので、作業体３による被作業体３の作業位置を計算する関係式が比較的簡単となり、姿勢制御用アクチュエータ１０および直動機構８の制御が容易である。
【００８７】
図１８に示す第７実施形態の作業装置１は、図１２に示す第２実施形態の作業装置１に、被作業体２を回転させる回転機構９０を設けたものである。回転機構９０および被作業体２は、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様に、先端側のリンクハブ１３に設置されている。これにより、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様の作用・効果が得られる。
【００８８】
図１９に示す第８実施形態の作業装置１は、図１３に示す第３実施形態の作業装置１に、被作業体２を回転させる回転機構９０を設けたものである。回転機構９０および被作業体２は、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様に、先端側のリンクハブ１３に設置されている。これにより、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様の作用・効果が得られる。
【００８９】
図２０に示す第９実施形態の作業装置１は、図１５に示す第５実施形態の作業装置１と同様に、作業体３は位置固定で、直動機構８でリンク作動装置７全体を移動させる構成のものに、被作業体２を回転させる回転機構９０を設けたものである。ただし、リンク作動装置７を移動させる構成は互いに異なっている。回転機構９０および被作業体２は、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様に、先端側のリンクハブ１３に設置されている。これにより、図１６、図１７に示す第６実施形態の作業装置１と同様の作用・効果が得られる。
【００９０】
図２０に示す第９実施形態の作業装置１のリンク作動装置７を移動させる構成について説明する。土台４の上に複数本の支柱５が建てられ、これら複数本の支柱５によって水平状の架台７７が支持されている。この架台７７に作業体設置部材６２が取り付けられ、この作業体設置部材６２の上端に設けた作業体固定部材６３に作業体３が固定されている。
【００９１】
直動機構８はボールねじ機構を用いた構成であって、架台７７から上方に延びる複数のシャフト７０に、リニアブッシュ７１を介して基端側のリンクハブ１２のベース部材６が昇降可能に案内されている。架台７７の底面に設置したモータ７５からねじ軸７３が前記シャフト７０と平行に上方に延びており、このねじ軸７３に、ベース部材６に設けたナット７４が螺合している。モータ７５でねじ軸７３を回転させると、ベース部材６が昇降し、作業体３が基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動する。
【００９２】
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内またはこれと均等の範囲内のものと解釈される。
【符号の説明】
【００９３】
１  作業装置
２  被作業体
２ａ  底面
３  作業体
３ａ  作業部
８  直動機構
９  パラレルリンク機構
１０  姿勢変更用アクチュエータ
１２  基端側のリンクハブ
１３  先端側のリンクハブ
１４  リンク機構
１５  基端側の端部リンク部材
１６  先端側の端部リンク部材
１７  中央リンク部材
９０  回転機構
９０ａ  出力軸
９１  回転機構固定部材
９２  軸
９３  被作業体固定部材
Ｏ１  リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
Ｏ２  端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
ＰＡ，ＰＢ  球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ  リンクハブの中心軸
Ｓ１  内部空間
Ｓ２  外部空間
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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