(57)【要約】【目的】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提供することにある。【構成】入力部材６と出力部材７のそれぞれに設けたリンクハブ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、前記入力部材６と連結された各リンク機構１〜３の回転対偶のうち、二組のリンク機構１〜３の回転対偶の回転部に、出力部材７を任意の位置で静止させるための静止機構１１を設ける。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、二組以上のリンク機構について各組一箇所以上の回転対偶の回転部に、出力部材を任意の位置で静止させるための静止機構を設けたことを特徴とするリンク作動装置。
【請求項２】
前記静止機構は、回転対偶の回転部での回転トルクを増加させる構造を具備したことを特徴とする請求項１に記載のリンク作動装置。
【請求項３】
前記回転対偶の回転部を軸受構造とし、その軸受構造での軸受すきまを負すきまとしたことを特徴とする請求項２に記載のリンク作動装置。
【請求項４】
前記静止機構は、回転対偶の回転部にラチェット機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載のリンク作動装置。
【請求項５】
前記静止機構は、回転対偶の回転部にその回転角度を任意に位置制御するアクチュエータを設けたことを特徴とする請求項１に記載のリンク作動装置。
【請求項６】
前記静止機構は、入力部材と出力部材のいずれか一方のリンクハブ上の二箇所以上の回転対偶の回転部に設けたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のリンク作動装置。
【請求項７】
前記各リンク機構で囲撓された内側空間に、入力部材と出力部材間で制御媒体を流通させる通路を配したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリンク作動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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パラレルリンク機構や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。
【０００２】
【従来の技術】
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パラレルリンク機構を具備した作業装置がある（特開２０００−９４２４５）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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、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提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、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、前記入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶のうち、二組以上のリンク機構について各組一箇所以上の回転対偶の回転部に、出力部材を任意の位置で静止させるための静止機構を設けたことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、入力部材のリンクハブと連結された各リンク機構の回転対偶のうち、二組以上のリンク機構の回転対偶の回転部に、出力部材を任意の位置で静止させるための静止機構を設けたことにより、出力部材の位置決めが容易となる。静止機構を設けるリンク機構の回転対偶を二組以上としたのは、入力部材に対する出力部材の位置を確定するのに必要なためである。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の静止機構としては、回転対偶の回転部での回転トルクを増加させる構造が望ましく、例えば、前記回転対偶の回転部を軸受構造とし、その軸受構造での軸受すきまを負すきまとすることにより、前述した回転トルクを増加させる構造が実現できる。また、他の静止機構としては、回転対偶の回転部にラチェット機構を設けた構造や、回転対偶の回転部にその回転角度を任意に位置制御するアクチュエータを設けた構造が可能である。静止機構は、入力部材と出力部材のいずれか一方のリンクハブ上の二箇所以上の回転対偶の回転部に設けた構造が可能である。
【００１１】
なお、前記各リンク機構で囲撓された内側空間に、入力部材と出力部材間で制御媒体を流通させる通路を配した構造とすれば、配管や配線の引き回しが簡単になる点で好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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。
【００１３】
図１に示す実施形態は、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パラレルリンク機構やロボット関節などのリンク機構に利用される三組のリンク機構１〜３を具備する。
【００１４】
入力部材６と出力部材７は、三組のリンク機構１〜３（第一乃至第三のリンク機構）で連結され、それぞれのリンク機構１〜３は幾何学的に同一形状をなす。入力部材６は、この作動装置が組み込まれる装置の入力側部位、例えば固定部位に装着され、出力部材７は、作動装置が組み込まれる装置の出力側部材、例えば可動部位に取り付けられる。この実施形態では、入力部材６が円盤状をなす形状で、出力部材７が軸状をなす形状を例示する。
【００１５】
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。入力部材６と出力部材７のそれぞれに連結された端部リンク部材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。但し、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。
【００１６】
一組のリンク機構１〜３は、図２および図３に示すように入力部材６と出力部材７のそれぞれに設けた二つのリンクハブ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を具備する。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の位置関係は、大きな作動角をとるため、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの中心線Ａに対して互いに回転対称となる位置構成としている。
【００１７】
リンクハブ４，５は、半径方向に突設した三本の脚軸８，９を備えている。脚軸８，９と入力部材６或いは出力部材７のなす角は、回転対称となるリンク機構１〜３の位置構成から９０°としている。脚軸８，９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、各脚軸８，９に端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。
【００１８】
端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃはＬ字状をなし、一辺にリンクハブ４，５の脚軸８，９を回転可能に連結させる連結孔を備え、他辺に中央リンク部材１ｂ〜３ｂの後述する脚軸１０を回転可能に連結させる連結孔を備えている。リンクハブ４，５側の連結孔と中央リンク部材１ｂ〜３ｂ側の連結孔のなす角は、回転対称となるリンク機構１〜３の位置構成から９０°としている。
【００１９】
中央リンク部材１ｂ〜３ｂはＬ字状をなし、両辺に入力側と出力側の端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃの連結孔に連結させる脚軸１０をそれぞれ備えている。入力側と出力側の脚軸１０のなす角は、実用的範囲として４０°〜１００°の範囲とする。これは、４０°以下のときは、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの外径が大きくなりすぎ、１００°以上になると、中央リンク部材１ｂ〜３ｂが軸方向に長くなり、また、機械的干渉から作動角が小さくなるからである。
【００２０】
前記リンク機構１〜３において、リンクハブ４，５の脚軸角、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の脚軸８，９が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、入力部材６と出力部材７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。
【００２１】
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、これにより入力部材６と出力部材７は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。
【００２２】
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の脚軸８，９との二つの連結部と、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの脚軸１０との二つの連結部を軸受構造とすることにより、その連結部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。この軸受構造の具体例としては、玉軸受、複列アンギュラ玉軸受、四点接触形玉軸受、これら以外の転がり軸受や、球面軸受を介在させることも可能である。
【００２３】
この軸受構造では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、連結部でのがたつきを抑えることができ、入力部材６と出力部材７との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、前記軸受構造において、軸受すきまを負すきまとすることにより、入力部材６と出力部材７間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
【００２４】
図１に示す実施形態では、入力部材６と連結された回転対偶のうち、二つの回転対偶の回転部、つまり、第一と第二のリンク機構１，２について、入力部材６のリンクハブ４と端部リンク部材１ａ，２ａとを連結する回転部に、出力部材７を任意の位置で静止させるための静止機構１１をそれぞれ設ける。
【００２５】
この静止機構１１は、図４（ａ）（ｂ）に示すようにギア１２とストッパ１３からなるラチェット構造を具備する。ギア１２は、リンクハブ４の脚軸８に一体的に固着され、ストッパ１３は、端部リンク部材１ａ，２ａに取り付け固定され、ばね１４の弾性力によりボール１５をギア端面に退入可能に当接させた構造を有する。出力部材７の可動時、第一と第二のリンク機構１，２にラチェット構造の静止機構１１を設けたことにより、その静止機構１１のギア１２にばね１４の弾性力によりボール１５が係合することで出力部材７を任意に位置決めすることができる。
【００２６】
図５は本発明の他の実施形態で、図４（ａ）（ｂ）の静止機構１１と異なる構造を有する静止機構１６を示す。この静止機構１６も、第一と第二のリンク機構１，２について、入力部材６のリンクハブ４と端部リンク部材１ａ，２ａとを連結する回転部に設けられる。
【００２７】
この実施形態の静止機構１６は、リンクハブ４の脚軸８に設けられたねじ軸１７に円盤状のストッパ１８を螺合させ、そのストッパ１８の軸方向に縮径するテーパ部１９の外周面を、端部リンク部材１ａ，２ａに取り付けられた環状のストッパ受け２０の内周面に嵌合させた構造を具備する。このストッパ１８のテーパ部１９の外周面とストッパ受け２０の内周面とは所定の摩擦抵抗でもって相互に静止可能なように形成されている。このねじ込み構造の静止機構１６を設けたことにより、出力部材７の可動時、ストッパ１８をねじ軸１７に螺合させてねじ込むことでそのテーパ部１９の外周面とストッパ受け２０の内周面間の摩擦抵抗でもって出力部材７を任意の位置で静止させることができる。
【００２８】
図６は本発明の他の実施形態で、この実施形態の静止機構２１は、第一と第二のリンク機構１，２について、入力部材６のリンクハブ４と端部リンク部材１ａ，２ａとを連結する回転部にアクチュエータである回転型モータ２２を接続した構造を具備する。入力部材６に設置されたモータベース２３に回転型モータ２２を固定し、その出力軸を端部リンク部材１ａ，２ａに固定する。この回転型モータ２２の出力軸は端部リンク部材１ａ，２ａの回転方向に対して直交する方向に配設される。この回転型モータ２２の回転をモータ制御装置（図示せず）によりコントロールすれば、出力部材７の位置を任意に位置決めすることができる。
【００２９】
図７は本発明の他の実施形態で、この実施形態の静止機構２４は、第一と第二のリンク機構１，２について、入力部材６のリンクハブ４と端部リンク部材１ａ，２ａとを連結する回転部に、アクチュエータであるピニオン２５、ラック２６および直動機構２７を設けた構造を具備する。入力部材６に直動機構２７を設置し、その直動機構２７の先端に設けられたラック２６と噛合するピニオン２５を端部リンク部材１ａ，２ａに固定する。この直動機構２７によりラック２６が前後に移動し、このラック２６に噛合するピニオン２５を回転させることにより、出力部材７の位置を任意に位置決めすることができる。
【００３０】
図６および図７の実施形態では、入力部材６を固定して使用すれば、静止側である入力部材６に回転型モータ２２や、ピニオン２５、ラック２６および直動機構２７からなる回転制御アクチュエータを配置できるので、アクチュエータの配線を引きずることなく、出力部材７の可動範囲を大きく設定できる。また、可動側である出力部材７に回転制御アクチュエータがないので慣性モーメントが小さくなり高速可動が可能となる。
【００３１】
図８は図６に示す実施形態において、出力部材７の先端に空圧タイプの直動アクチュエータ２８が固定された構造を具備した実施形態を示す。この実施形態では、三組のリンク機構１〜３で囲撓される内側空間２９に通路であるエアホース３０を挿通し、入力部材６と出力部材７間で接続されたエアホース３０を利用することにより、このアクチュエータ２８の動作に必要な圧縮空気（制御媒体）を供給する。
【００３２】
このように三組のリンク機構１〜３で囲撓される内側空間２９を利用することにより、スペースの有効利用が図れる。また、出力部材７に設置される空圧機器や電動アクチュエータに必要な配線などをリンク機構１〜３の内側空間２９に配置することで、出力部材７の可動の障害になることなく、他部品との干渉もなくなる。
【００３３】
なお、この実施形態では、空圧のアクチュエータ２８を例示したが、電動モータや加工工具であっても同様に、リンク機構１〜３の内側空間２９を利用して配線や配管を設置することができる。また、図９に示すようにエアホース３０を保護するため、保護部材３１を設けることも可能である。この保護部材３１は、入出力部材６，７の球面機構の中心付近を蛇腹形状にし、入出力部材６，７の角度変位に追従させる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、三組以上のリンク機構で構成されているので、装置全体の剛性が高く、出力部材の可搬重量も大きくすることができ、また、装置のコンパクト化も実現容易である。二組以上のリンク機構の回転対偶の回転部に静止機構を設けたことより、出力部材を任意に位置決めすることができる。この静止機構は、回転対偶の回転部での回転トルクを増加させる構造として軸受構造を有し、その軸受構造での軸受すきまを負すきまとすれば、入力部材と出力部材間にバックラッシュが少なくなり、出力部材の高精度な位置制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態で、ラチェット構造の静止機構を設けたリンク作動装置を示す斜視図である。
【図２】図１の一組のリンク機構を示す正面図である。
【図３】図１の一組のリンク機構を示す平面図である。
【図４】（ａ）は図１のラチェット構造の静止機構を示す一部断面を含む要部拡大正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図５】本発明の他の実施形態で、静止機構の他例を示す一部断面を含む要部拡大正面図である。
【図６】本発明の他の実施形態で、回転型モータからなる静止機構を設けたリンク作動装置を示す斜視図である。
【図７】本発明の他の実施形態で、ピニオン、ラックおよび直動アクチュエータからなる静止機構を設けたリンク作動装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施形態で、図６の出力部材に空圧タイプの直動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。
【図９】本発明の他の実施形態で、図８の直動アクチュエータのエアホースを保護する保護部材を設けたリンク機構を示す部分断面図である。
【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
６　入力部材
７　出力部材
１１，１６，２１，２４　静止機構
２２　アクチュエータ（回転型モータ）
２５，２５，２７　アクチュエータ（ピニオン、ラック、直動機構）
２９　内側空間
３０　通路（エアホース）
【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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