(57)【要約】      （修正有）【課題】剛性が高く、組立性および製作加工性が良好で、回転伝達部およびアクチュエータの設置を容易にし得る構造を具備したリンク作動装置を提供すること。【解決手段】入出力側にそれぞれ配された入出力部材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四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃからなるリンク機構１〜３を三組以上有し、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、前記リンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃを両端支持するように前記各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃに軸受を配置する。【選択図】図１
2005144627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入出力側にそれぞれ配された入出力部材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四つの回転対偶部からなる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、前記リンク機構の各回転対偶部を両端支持するように前記各回転対偶部に軸受を配置したことを特徴とするリンク作動装置。
【請求項２】
前記リンク機構の回転対偶部をリンク部材から分離可能とした請求項１に記載のリンク作動装置。
【請求項３】
二つ以上のリンク機構における前記入力部材と端部リンク部材間の回転対偶部に、前記端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を付設した請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
【請求項４】
前記回転角検出手段は、検出部と被検出部を回転部位と固定部位にそれぞれ対向するように配設した請求項３に記載のリンク作動装置。
【請求項５】
前記出力部材の姿勢を、折れ角θと旋回角φで規定される出力部材の姿勢と入力側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
による順変換でもって検出可能とした請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
【請求項６】
入力側の端部リンク部材に回転伝達部を介してリンク作動用アクチュエータを連結した請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
【請求項７】
前記出力部材の姿勢を、折れ角θと旋回角φで規定される出力部材の姿勢と入力側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。
【請求項８】
前記入力部材または出力部材のいずれか一方に、前記出力部材をその中心軸周りに回転させる回転機構を設けた請求項１乃至７のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
【請求項９】
前記出力部材をその中心軸周りに回転させる前記回転機構に、その回転角を測定する回転角検出手段を付設した請求項８に記載のリンク作動装置。
【請求項１０】
前記出力部材の姿勢を、折れ角θLと旋回角φLと出力リンク部材の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材の姿勢と入力側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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝φL
による順変換でもって検出可能とした請求項９に記載のリンク作動装置。
【請求項１１】
前記出力部材の姿勢を、折れ角θLと旋回角φLと出力リンク部材の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材の姿勢と入力側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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝φL
による逆変換でもって制御可能とした請求項８又は９に記載のリンク作動装置。
【請求項１２】
前記入力部材、出力部材あるいは中間リンク部材のいずれかに直動機構を設けた請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
【請求項１３】
前記入力部材または出力部材のいずれか一方にトルクセンサを取り付け、センサ取り付け側と反対側から入力されたトルクを検出可能とした請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【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。
【特許文献１】特開２０００−９４２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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】
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）。
【０００７】
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。各リンク機構は、四つの回転対偶部からなる三節連鎖を構成している。
【０００８】
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アクチュエータ等の駆動機構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。
【０００９】
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。
【００１０】
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）。
【００１１】
しかしながら、前述の二つのリンク作動装置では、リンク機構の回転対偶が片持ち支持構造であるためにリンク機構の剛性が低い。また、リンク機構の各部材、つまり、入力側および出力側リンクハブ、端部リンク部材および中央リンク部材が回転対偶のみで連結された構造であるためにリンク機構の組立性が悪い。さらに、リンクハブ、端部リンク部材および中央リンク部材の形状が複雑なためにリンク機構の各部材の製作加工が困難である。
【００１２】
また、これらリンク作動装置では、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構造としているが、リンク機構の内部空間が狭いために回転伝達部およびアクチュエータの設置が困難であった。さらに、入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を設ける場合も、回転角検出手段自体も大きいためにその設置が困難であった。
【００１３】
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、剛性が高く、組立性および製作加工性が良好で、回転伝達部およびアクチュエータの設置を容易にし得る構造を具備したリンク作動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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入出力部材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四つの回転対偶部からなる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、前記リンク機構の各回転対偶部を両端支持するように前記各回転対偶部に軸受を配置したことを特徴とする。このようにリンク機構の各回転対偶部を両端支持するように前記各回転対偶部に軸受を配置したことにより、軸受剛性の向上が図れる。また、回転対偶部以外の部分で部品同士の着脱が可能となるので、組立性の向上が図れる。
【００１５】
なお、前述の構成において、リンク機構の回転対偶部をリンク部材から分離可能とした構造が望ましい。このような構造とすれば、回転対偶部に配置された軸受を分離できるユニット構造とすることができ、個々の部品が単純な形状となり、製作加工性の向上が図れる。
【００１６】
入出力間に設けられた三組以上のリンク機構のそれぞれは、幾何学的に同一形状を有し、そのリンク機構を三組以上としたのは、二自由度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。
【００１７】
各リンク機構は、四つの回転対偶部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。
【００１８】
また、本発明は、前述の構成において、二つ以上のリンク機構における入力部材と端部リンク部材間の回転対偶部に、前記端部リンク部材の回転角を測定する回転角検出手段を付設した構造とすることが望ましい。この回転角検出手段は、検出部と被検出部を回転部位と固定部位にそれぞれ対向するように配設すれば、省スペースで設置することが可能となる。さらに、入力側の端部リンク部材に回転伝達部を介してリンク作動用アクチュエータを連結した構造とすれば、折れ角θと旋回角φで規定される出力部材の姿勢と入力側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部材の姿勢を制御したり、あるいは、前記関係式による順変換を利用して出力部材の姿勢を検出することができる。
【００１９】
ここで、出力部材の姿勢において、「折れ角θ」とは、入力部材の中心軸に対して出力部材が傾斜した垂直角度で、「旋回角φ」とは、入力部材の中心軸に対して出力部材が傾斜した水平角度を意味する。「回転角βｎ」とは、入力部材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部材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、出力部材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の端部リンク部材の回転角を求めることを意味する。
【００２０】
前述の構成において、入力部材または出力部材のいずれか一方に、前記出力部材をその中心軸周りに回転させる回転機構を設けることが望ましい。このようにすれば、二自由度に回転自由度を加えれば、出力部材を三自由度で動作させることが可能となる。なお、この回転機構にも回転角検出手段を付設することが望ましい。
【００２１】
この三自由度機構において、回転機構を入力部材に設けた場合、折れ角θLと旋回角φLと出力部材の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材の姿勢と入力側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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝φL
による逆変換を利用して出力部材の姿勢を制御したり、あるいは、前記関係式による順変換を利用して出力部材の姿勢（三自由度）を検出することができる。
【００２２】
このとき、グローバル座標系における出力部材の姿勢（折れ角θGと旋回角φGと出力部材の表面回転角ηG）は、θG＝θL、φG＝φL＋ｍ、ηG＝ηLとなる。ここで、ｍは入力部材の回転角を示す。
【００２３】
また、この三自由度機構において、回転機構を出力部材に設けた場合、折れ角θLと旋回角φLと出力部材の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材の姿勢と入力側の端部リンク部材の回転角βｎと出力部材の回転角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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝ｍ
による逆変換を利用して出力部材の姿勢を制御したり、あるいは、前記関係式による順変換を利用して出力部材の姿勢（三自由度）を検出することが可能となる。
【００２４】
本発明では、前述の構成において、入力部材、出力部材あるいは中間リンク部材のいずれかに直動機構を設けた構造とすることが可能である。このようにすれば、出力部材の先端位置を制御することができ、出力部材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。
【００２５】
また、前述の構成において、入力部材または出力部材のいずれか一方にトルクセンサを取り付け、センサ取り付け側と反対側から入力されたトルクを検出可能とした構造が望ましい。例えば、入力部材にトルクセンサを取り付け、出力部材の捩れトルクを検出可能とすることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、リンク機構の各回転対偶部を両端支持するように前記各回転対偶部に軸受を配置したことにより、軸受剛性の向上が図れることから、リンク機構自体の剛性も高くなる。また、回転対偶部以外の部分で部品同士の着脱が可能となるので、組立性の向上が図れることから、リンク機構自体の製作が容易となり、この組立性の向上によりリンク機構の小型化も実現容易となる。さらに、リンク機構の回転対偶部をリンク部材から分離可能な構造とすれば、個々の部品が単純な形状となり、製作加工性の向上が図れることから、量産性に優れたリンク作動装置を提供できる。また、回転角検出手段やアクチュエータを設置する場合においても、無駄な部分を低減できるので、省スペースでの設置が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図１および図２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の基本的構成は、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。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。
【００２９】
図１および図２に示すように、各リンク機構１〜３は、円盤状の入力部材４に回動自在に連結された入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと、円盤状の出力部材５に回動自在に連結された出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃと、両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃのそれぞれに回動自在に連結されて両端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを互いに連結する中央リンク部材１ｂ〜３ｂとで構成され、四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃからなる三節連鎖構造をなす。
【００３０】
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との回転対偶部６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2の連結軸は、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。
【００３１】
図１に示す実施形態のリンク機構１〜３は回転対称タイプで、入力部材４および入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと出力部材５および出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃの位置関係が、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの中心線に対して互いに回転対称となる位置構成になっている。同図では、入力部材４に対して出力部材５が所定の作動角をとった状態を示す。
【００３２】
また、図２に示す実施形態のリンク機構１〜３は鏡像対称タイプで、入力部材４および入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと出力部材５および出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃの位置関係が、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの中心線に対して互いに鏡像対称となる位置構成になっている。同図では、入力部材４に対して出力部材５が所定の作動角をとった状態を示す。
【００３３】
図３は、前述の実施形態における入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａを示す。円盤状をなす入力部材４の上面には、各リンク機構１〜３について一対の支持部材１１ａ〜１３ａが設置されている。この一対の支持部材１１ａ〜１３ａには軸受１７ａ〜１９ａが取り付けられており、この二つの軸受１７ａ〜１９ａ間に回転自在に支承された支持棒１４ａ〜１６ａに、Ｌ字状をなす端部リンク部材１ａ〜３ａの一方のアーム端部が一対の支持部材１１ａ〜１３ａ間に挿入配置されて連結されている。この支持部材１１ａ〜１３ａは、入力部材４に対してねじ等により着脱自在な構造となっているが、入力部材４と一体的に形成することも可能である。
【００３４】
なお、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部は、止めねじにより支持棒１４ａ〜１６ａに固定されている。また、支持棒１４ａ〜１６ａの端部は、ナット２０ａ〜２２ａによる締付けでもって間座などを介在させることにより軸受１７ａ〜１９ａに所定の予圧量を付与して調整可能となっている。
【００３５】
支持部材１１ａ〜１３ａの円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、入力部材４と出力部材５では同じ円周方向の位置関係とする必要がある。この入力部材４と出力部材５は、三組のリンク機構１〜３で共有され、各支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃに端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃが取り付けられる入力部材４および出力部材５は、図では円盤状の部材を示しているが、支持部材１１ａ〜１３ａ，１１ｃ〜１３ｃの取り付けスペースを確保することができるのであれば、どのような形状であってもよい。また、配線などを通す必要があれば、貫通孔を形成することも可能である。
【００３６】
出力部材５と出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃとの連結部分である回転対偶部６ｃ〜８ｃは、前述の入力部材４と入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａとの回転対偶部６ａ〜８ａと同一構造であるため、重複説明は省略する。
【００３７】
入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部との回転対偶部６ｂ1〜８ｂ1では、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部は、ほぼＬ字状をなす中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部に連結されている。この中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部には、一対の支持部材１１ｂ1〜１３ｂ1が設けられている。この一対の支持部材１１ｂ1〜１３ｂ1には軸受（図示せず）が取り付けられており、この二つの軸受間に回転自在に支承された支持棒１４ｂ1〜１６ｂ1に、Ｌ字状をなす端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部が一対の支持部材１１ｂ1〜１３ｂ1間に挿入配置されて連結されている。この支持部材１１ｂ1〜１３ｂ1は、中央リンク部材１ｂ〜３ｂに対してねじ等により着脱自在な構造あるいは一体構造のいずれであってもよい。
【００３８】
なお、端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部は、止めねじにより支持棒１４ｂ1〜１６ｂ1に固定されている。その固定方法は、止めねじ以外にもキーやＤカット等でもよい。また、支持棒１４ｂ1〜１６ｂ1の端部は、ナットによる締付けでもって間座などを介在させることにより軸受に所定の予圧量を付与して調整可能となっている。
【００３９】
出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃの他方のアーム端部と中央リンク部材１ｂ〜３ｂの他方の端部との連結部分である回転対偶部６ｂ2〜８ｂ2は、前述の入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの他方のアーム端部と中央リンク部材１ｂ〜３ｂの一方の端部との回転対偶部６ｂ1〜８ｂ1と同一構造であるため、重複説明は省略する。
【００４０】
前記リンク機構１〜３において、入出力部材４，５の支持棒１４ａ〜１６ａ、１４ｃ〜１６ｃ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と入出力部材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部材４および入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと出力部材５および出力側の端部リンク部材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。
【００４１】
このため、入出力部材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。
【００４２】
各リンク機構１〜３における四つの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃ、つまり、入力部材４と端部リンク部材１ａ〜３ａの連結部分と、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの連結部分、中央リンク部材１ｂ〜３ｂと出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃとの連結部分、出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃと出力部材５と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。さらに、リンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃを両端支持するように前記各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2，６ｃ〜８ｃに軸受を配置していることから、軸受剛性の向上が図れる。また、回転対偶部以外の部分で部品同士の着脱が可能となるので、組立性の向上が図れる。
【００４３】
図４および図５は、入力側の二つの端部リンク部材１ａ〜３ａにアクチュエータ３１，３２をそれぞれ設置したリンク作動装置を示す。このリンク機構１〜３は、鏡像対称タイプであり、入力部材４と入力側の回転対偶部６ａ〜８ａ、出力部材５と出力側の回転対偶部６ｃ〜８ｃを円周方向へ移動させ（幅方向に大きくし）、端部リンク部材１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2の回転軸が入力部材４の中心軸に向いている。そのため、アーム角度（端部リンク部材のアーム両端部における両軸線がなす角度）が９０°でなくても、入力側と出力側は幾何学的に同一形状となる（但し、アーム角度が９０°でない場合には、後述の入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと出力部材５の姿勢の関係式は成り立たない）。この結果、中央リンク部材１ｂ〜３ｂと端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの干渉を防ぐことができる。また、リンク機構１〜３の内部空間Ｓが広くなりアクチュエータや回転角検出手段などの設置が容易となり、安定する重心の範囲が広くなるという利点がある（図５参照）。図６では、安定する重心の範囲を広くし、かつ、剛性を高めるためにリンク機構１〜３，１’〜３’を６個としたリンク作動装置を示す。
【００４４】
この実施形態のリンク作動装置は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａのアーム端部と連結された支持棒１４ａ〜１６ａに、モータ等のアクチュエータの出力軸を同軸的に連結した構造を具備する。このアクチュエータにより、端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角位置を制御することで、出力部材５に取り付けられた、例えばロボットの腕（図示せず）などの可動部位の姿勢を制御する。
【００４５】
なお、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角位置を制御するアクチュエータは、前述の実施形態の構造に限らず、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａと入力部材４との回転対偶部６ａ〜８ａに回転伝達部（図示せず）を設け、その回転伝達部を介してアクチュエータを連結した構造も可能である。例えば、支持部材１１ａ〜１３ａに軸受１７ａ〜１９ａを介して支承された支持棒１４ａ〜１６ａの端部にギアを取り付け、このギアを介してモータ等のアクチュエータに連結する。このアクチュエータは、入力部材４の下部に配置されてハウジング（図示せず）に収納され、入力部材４に形成された貫通孔を介してギアに連結した構造も可能である。
【００４６】
また、他の実施形態として、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａを支承する支持棒１４ａ〜１６ａ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、アクチュエータにサーボ機構を取り付けなくてもよくなり、アクチュエータ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。
【００４７】
前述の支持棒１４ａ〜１６ａは軸受１７ａ〜１９ａの回転軌道輪で支持され、その軸受１７ａ〜１９ａの固定軌道輪は入力部材４の支持部材１１ａ〜１３ａに固定されている。回転角度センサは、支持棒１４ａ〜１６ａの内側一端部に設けた被検出部と、この被検出部に対向して入力部材４に取り付けられた検出部とで構成されている。なお、被検出部を回転側、検出部を固定側に設置しているが、被検出部が±４５°程度しか回転しないため、逆に、検出部を回転側、被検出部を固定側に設置してもよい。
【００４８】
この被検出部はラジアル型で環状のものであり、例えば、環状のバックメタルと、その外周側に設けられ、磁極Ｎ，Ｓが交互に着磁された磁気発生部材とからなり、バックメタルを介して支持棒１４ａ〜１６ａに固着されている。磁気発生部材は、例えばゴム磁石をバックメタルに加硫接着したものを用いればよい。また、この磁気発生部材は、プラスチック磁石や焼結磁石で形成されたものでもよく、その場合には、バックメタルは必ずしも必要ない。
【００４９】
検出部は、磁束密度に対応した出力信号を発生させる片側磁界動作型あるいは交番磁界動作型の矩形出力の磁気センサからなる。この磁気センサは、磁気検出回路基板（図示せず）に搭載され、この磁気検出回路基板と共に樹脂ケース内に挿入した後に樹脂モールドされる。この樹脂ケースを入力部材４に固定することにより、磁気センサおよび磁気検出回路基板が入力部材４に取り付けられる。磁気検出回路基板は、磁気センサへの電力供給および磁気センサの出力信号を処理して外部に出力するための回路を実装した基板である。配線などは、リンク機構の内部空間を利用すればよい。
【００５０】
従って、支持棒１４ａ〜１６ａの回転により被検出部が回転すると、検出部により磁気発生部材の磁束密度に対応した出力信号が発生し、支持棒１４ａ〜１６ａの回転角度、つまり、端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角度を検出することが可能となる。なお、検出部を構成する磁気センサだけではＡ相あるいはＺ相出力のエンコーダとして機能するが、磁気センサ以外に別の磁気センサを設ければ、ＡＢ相出力やＡＢＺ相出力のエンコーダとすることが可能である。また、被検出部および検出部を絶対回転角度の検出ができる手段、例えば特開２００３−１４８９９９号公報に開示された方法や、その他光学式やレゾルバ等の巻線型検出器とした方法を採用することができる。
【００５１】
この実施形態では、図１に示すように折れ角θと旋回角φで規定される出力部材５の姿勢と入力側の端部リンク部材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、出力部材５の姿勢を制御することができる。
【００５２】
すなわち、出力部材５の姿勢は、図１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、出力部材５の姿勢（折れ角θと旋回角φ）と入力側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。
【００５３】
なお、下記の関係式におけるパラメータθは、入力部材４に対して出力部材５が垂直方向に傾斜した角度、パラメータφは、入力部材４に対して出力部材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、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａにおける回転角、パラメータγは、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａに連結された中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ1〜８ｂ1と、出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃに連結された中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ2〜８ｂ2とがなす角度である。この関係式は、リンク機構１〜３が三組で、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃ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
【００５４】
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部材５の姿勢を制御することができる。つまり、出力部材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。
【００５５】
また、前記関係式の順変換を利用して、出力部材５の姿勢を検出することができる。つまり、出力部材５の姿勢検出は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。
【００５６】
ところで、入力部材４を固定する場合、出力部材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部材５が旋回運動すると、出力部材５の表面が回転してしまうため、出力部材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。そこで、入力部材４に回転用アクチュエータ（図示せず）を設置することにより、リンク機構１〜３の二自由度に回転自由度を加えれば、出力部材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、リンク機構１〜３の姿勢が一定でも、出力部材５の表面の角度を変えることができる。
【００５７】
この三自由度機構において、折れ角θLと旋回角φLと出力部材５の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材５の姿勢と入力側の端部リンク部材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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝φL
による逆変換を利用して、リンク座標系における出力部材５の姿勢を制御することができる。
【００５８】
このとき、グローバル座標系における出力部材５の姿勢（折れ角θGと旋回角φGと表面回転角ηG）は、θG＝θL、φG＝φL＋ｍ、ηG＝ηLとなる。ここで、ｍは入力部材の回転角を示す。
【００５９】
また、前記関係式の順変換を利用して、出力部材５の姿勢（三自由度）も検出することができる。つまり、出力部材５の姿勢検出は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。
【００６０】
また、前述の回転用アクチュエータは出力部材５に設置することも可能である。その場合の三自由度機構では、折れ角θLと旋回角φLと出力部材５の表面回転角ηLで規定されるリンク座標系における出力部材５の姿勢と入力側の端部リンク部材の回転角βｎと出力部材５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）、
cosθLsinβｎ−sinθLsin（φL＋δｎ）cosβｎ＋sinγ＝０
ηL＝ｍ
による逆変換を利用して、出力部材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。
【００６１】
また、前記関係式の順変換を利用して、出力部材５の姿勢（三自由度）も検出することができる。つまり、出力部材５の姿勢検出は、入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。
【００６２】
さらに、出力部材５に電動式の直動アクチュエータ（図示せず）を設置することにより、三自由度機構を構成することも可能である。このように直動アクチュエータを設置したことにより、出力部材５の先端位置を制御することができるので、その出力部材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、この直動アクチュエータは、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、直動アクチュエータは、出力部材５以外に、入力部材４や、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。
【００６３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態で、三組のリンク機構を具備した回転対称タイプのリンク作動装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態で、三組のリンク機構を具備した鏡像対称タイプのリンク作動装置を示す斜視図である。
【図３】図１および図２のリンク作動装置で、入力部材と入力側の端部リンク部材との回転対偶部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態で、入力側にリンク作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。
【図５】本発明の他の実施形態で、アーム角度が９０°でないリンク機構を具備したリンク作動装置を示す斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態で、六組のリンク機構を具備したリンク作動装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
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  入力部材
５  出力部材
６ａ〜８ａ  回転対偶部
６ｂ1，６ｂ2〜８ｂ1，８ｂ2  回転対偶部
６ｃ〜８ｃ  回転対偶部
１７ａ〜１９ａ  軸受
θ  折れ角
φ  旋回角
βｎ  回転角
【図１】
2005144627.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005144627.tif 000007
【図６】
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