(57)【要約】【課題】２つの部品の相対回転角を少なくとも２つ回転軸周りに制御可能な関節装置を小型化する技術を提供する。【解決手段】２つの部品１０と２０は支柱３０によって分離不能かつ回転可能に連結されている。２つの部品の間に複数のリンク部材５０が支持されている。リンク部材はアクチュエータによって伸縮可能である。リンク部材５０の先端には凸の球面を有する球面部５２が形成されている。第２部品には凹の球面を有するリンク支持部１４が形成されている。球状部５２とリンク支持部１４は半球を超えない範囲で球面接触する。第１部品２０と第２部品１０が支柱３０によって分離不能に連結されているため、リンク部材５０と第２部品１０は半球を超えない範囲で球面接触する構造でもその接触状態を保つことができる。リンク部材５０と第２部品１０を球面接触する構造は小型化に適している。小型の関節装置を実現できる。【選択図】図１
2007229883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部品と、
第２部品と、
第１部品と第２部品を連結している支柱と、
第１部品と第２部品の間に配置されている複数のリンク部材と、
複数のアクチュエータと、
各々のアクチュエータを制御するコントローラを備えており、
支柱は、その一端が第１部品に固定されており、他端が第２部品に連結されており、第１部品に対して第２部品を直交３軸中の少なくとも２軸の周りに回転可能に支持するとともに、第１部品に対する第２部品の回転中心位置を一定に維持するものであり、
複数のリンク部材は、第２部品との接続点で形成される閉多角形内に支柱の他端が位置する位置関係に配置されており、
各々のリンク部材は、対応する各々のアクチュエータによって伸縮する少なくとも１本の伸縮リンクメンバを備えており、
第２部品と各々のリンク部材の間に、接触面が半球を超えない第２部品側球面軸受が形成されており、
コントローラは、各々の伸縮リンクメンバの長さを、第２部品側球面軸受における第２部品と各々のリンク部材の接触状態を維持する条件と、第１部品に対する第２部品の回転角を目標回転角にする条件から決定される目標リンク長に調整することを特徴とする関節装置。
【請求項２】
各々のリンク部材は、１本の伸縮リンクメンバで構成されており、
第１部品と各々の伸縮リンクメンバの間に、接触面が半球を越えない第１部品側球面軸受が形成されており、
複数のリンク部材は、第１部品との接続点で形成される閉多角形内に支柱の一端が位置する関係に配置されており、
コントローラは、各々の伸縮リンクメンバの長さを、前記条件に加えて、第１部品側球面軸受における第１部品と各々のリンク部材の接触状態を維持する条件から決定される目標リンク長に調整することを特徴とする請求項１の関節装置。
【請求項３】
各々のリンク部材は、１本の伸縮リンクメンバと、その端部に揺動可能に連結されている揺動リンクメンバを有しており、
各々の伸縮リンクメンバは、第１部品に揺動不能に支持されていることを特徴とする請求項１の関節装置。
【請求項４】
各々の伸縮リンクメンバは、第１部品と第２部品の間に配置されてリンク部材を構成する部分と、第１部品を通過して第２部品から離れる方向に伸びている延長部分を備えていることを特徴とする請求項３の関節装置。
【請求項５】
第２部品は、第２部品本体と、それに揺動可能な揺動部材を備えており、
その揺動部材と各々のリンク部材の間に、第２部品側球面軸受が形成されていることを特徴とする請求項３又は４の関節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節装置に関する。特に、第１部品と第２部品とアクチュエータを備えており、アクチュエータによって第１部品に対する第２部品の相対回転角を変えることができる関節装置に関する。例えば、第１部品を体幹に固定して第２部品を上腿に固定すれば、股関節を実現することができ、第１部品を上腿に固定して第２部品を下腿に固定すれば、膝関節を実現することができる関節装置に関する。第１部品と第２部品の位置関係は交換可能であり、第１部品を上腿に固定して第２部品を体幹に固定することによって股関節を実現することもできる。
【背景技術】
【０００２】
ヒューマロイドロボット、産業用ロボット、マニピュレータ等は、関節を備えている。その関節に、直交３軸中の少なくとも２軸の周りに回転可能であることが求められることが多い。例えば、下腕と手部の間に存在する手首関節に相当する部分を考察し、下腕が伸びている方向をｚ軸とし、それと直交する２軸をｘ軸、ｙ軸としたときに、
(1) 手部が下腕に対してｘ軸とｙ軸の周りに回転可能であること、
(2) 手部が下腕に対してｙ軸とｚ軸の周りに回転可能であること、
(3) 手部が下腕に対してｚ軸とｘ軸の周りに回転可能であること、
(4) 手部が下腕に対してｘ軸とｙ軸とｚ軸の周りに回転可能であること、
のいずれかが必要とされることが多い。その周りに回転可能な軸数が単数である関節を単軸関節といい、軸数が複数である関節を多軸関節ということにすると、多くの場合に、多軸関節が必要とされる。
多軸関節を構成する場合、単軸関節を直列に接続して多軸関節を構成することが多い。しかしながら、それでは多軸関節が大型化してしまう。
そこで、特許文献１の関節装置が開発されている。この関節装置は、共通の回転中心において直交する２軸の周りに回転可能な構造を備えている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−２０５２９２号公報
【０００４】
特許文献１に開示された関節装置は、２つの部品を備えている。各々の部品から支柱が伸びており、支柱の先端同士が等速ジョイントで連結されている。また、各々の部品から４本の伸縮リンクが伸びている。各々の伸縮リンクは、支柱と平行に伸びており、４本の伸縮リンクが支柱を取り囲んでいる。一方の部品から伸びる伸縮リンクの先端と他方の部品から伸びる伸縮リンクの先端は、等速ジョイントにより連結されている。
特許文献１の関節装置は、各々の伸縮リンクのリンク長を調整することによって、一方の部品に対する他方の部品の姿勢、即ち、相対回転角を変えることができる。一方の部品に対して他方の部品を直交する２軸の周りに回転させることができる。前記した手首関節に用いると、手部が下腕に対してｘ軸とｙ軸の周りに回転可能である手首関節を構成することが可能となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された関節装置では、一方の部品から伸びるリンクと他方の部品から伸びるリンクの双方が伸縮するものでなければならない。そのために、関節装置が大型化してしまう。また、関節の可動範囲が狭いという問題も備えている。
本発明では、小型化可能であり、広い可動範囲を確保できる関節装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の関節装置は、第１部品と第２部品を備えている。第１部品と第２部品の一方は関節の基部側部材に固定され、他方は関節の先端側部材に固定されて用いられる。第１部品に対する第２部品の相対回転角が調整可能であれば、基部側部材に対する先端側部材の相対回転角が調整可能であり、基部側部材と先端側部材の間に関節を実現する。
本発明の関節装置では、第１部品と第２部品を分離不能に連結しておく。分離不能に連結しておけば、第２部品を第１部品の側から押すことで、第２部品の第１部品に対する相対回転角を変えることができる。第２部品が第１部品に連結されている位置の周囲で第２部品を第１部品側から押すと、直交する少なくとも２軸の周りに第２部品を回転させることができる。
第２部品を第１部品側から押すことは、支柱の回りで第１部品と第２部品の間にリンク部材を配置しておき、各々のリンク部材の長さを、第２部品側球面軸受における第２部品と各々のリンク部材の接触状態を維持する条件と、第１部品に対する第２部品の回転角を目標回転角にする条件から決定される長さに調整することによって実現できる。
第２部品を押すリンク部材と第２部品を揺動可能にしておけば、２本の伸縮リンクを対にして用いる必要を無くすことができる。各々のリンク部材が1本の伸縮リンクさえ備えていれば、第２部品を押して姿勢、即ち相対回転角を調整することが可能となる。
本発明の関節装置では、支柱の周りに配置されている複数のリンク部材で第２部品を押す。即ち、各々のリンク部材と第２部品を分離不能に拘束する必要がない。そこで、接触面が半球を超えない球面軸受を採用することができる。接触面が半球を超えない球面軸受を用いると、広い可動範囲を確保できる。
【０００７】
本発明の関節装置は、第１部品と、第２部品と、第１部品と第２部品を連結している支柱と、第１部品と第２部品の間に配置されている複数のリンク部材と、複数のアクチュエータと、各々のアクチュエータを制御するコントローラを備えている。
支柱は、その一端が第１部品に固定されており、他端が第２部品に連結されており、第１部品に対して第２部品を直交３軸中の少なくとも２軸の周りに回転可能に支持するとともに、第１部品に対する第２部品の回転中心位置を一定に維持する。第１部品と第２部品が分離することはない。支柱の途中に、前記の２軸の周りに回転可能なジョイントが配置されていれば、支柱の他端を第２部品に固定することができる。それに代えて、途中にジョイントを有しない支柱の他端と第２部品を前記の２軸の周りに回転可能なジョイントで連結してもよい。
第１部品と第２部品の間に複数のリンク部材が配置されている。複数のリンク部材は、第２部品との接続点で形成される閉多角形内に支柱の一端が位置する位置関係に配置されている。各々のリンク部材は、対応する各々のアクチュエータによって伸縮する少なくとも１本の伸縮リンクメンバを備えている。第２部品と各々のリンク部材の間に、接触面が半球を超えない第２部品側球面軸受が形成されている。
コントローラは、各々の伸縮リンクメンバの長さを、第２部品側球面軸受における第２部品と各々のリンク部材の接触状態を維持する条件と、第１部品に対する第２部品の回転角を目標回転角にする条件から決定される目標リンク長に調整する。
【０００８】
上記の関節装置では、コントローラが各々の伸縮リンクメンバのリンク長を調整することによって、第１部品に対する第２部品の回転角を目標とする回転角に調整することができる。各々のリンク部材は、球面軸受によって第２部品に接しており、その接する角度が可変である。各々のリンク部材は、少なくとも１本の伸縮リンクメンバを備えていればよく、２本以上の伸縮リンクメンバを対にして用いる必要がない。上記の関節装置は、小型化に適している。
第１部品と第２部品は、支柱によって連結されており、分離することがない。このために、各々のリンク部材は、リンク部材の先端から第２部品が分離しないように拘束する必要がない。
ここで、複数のリンク部材を、第２部品との接続点で形成される閉多角形内に支柱の一端が位置する位置関係に配置することによって、第２部品に対する第１部品の回転中心を、閉多角形内に位置させる。夫々の複数のリンク部材と第２部品との接続点において、各々のリンク部材が第１部品側から第２部品を押す力によって回転中心周りに発生するモーメントの釣り合いを取ることができる。これによって、第２部品を目標回転角に維持することができる。各々のリンク部材と第２部品との接続点とは、第２部品側球面軸受におけるリンク部材と第２部品との接触面である。
各々のリンク部材の先端から第２部品が分離しないように拘束するためには、リンク部材と第２部品が接する球面軸受の接触面が半球を越えるものでなければならないのに対し、分離を防止する必要がなければ、リンク部材と第２部品が接する球面軸受の接触面を、半球を超えないものとすることができる。
接触面が半球以上におよぶ球面軸受を用いると、その回転可能範囲が狭く制約されてしまう。それに対して接触面が半球を超えない球面軸受を用いると、その回転可能範囲を広く確保することができる。
本発明の関節装置は、小型化可能であり、広い可動範囲を得ることができる。
【０００９】
本発明の関節装置は、第１部品に固定されている支柱が伸びている方向をｚ軸とし、それと直交する２軸をｘ軸、ｙ軸としたときに、
(1) 第２部品が第１部品に対してｘ軸とｙ軸の周りに回転可能であること、
(2) 第２部品が第１部品に対してｙ軸とｚ軸の周りに回転可能であること、
(3) 第２部品が第１部品に対してｚ軸とｘ軸の周りに回転可能であること、
(4) 第２部品が第１部品に対してｘ軸とｙ軸とｚ軸の周りに回転可能であること、
のいずれかを実現することができる。ｘ，ｙ軸の周りに回転可能な関節装置であることもあれば、ｙ，ｚ軸の周りに回転可能な関節装置であることもあれば、ｚ，ｘ軸の周りに回転可能な関節装置であることもある。あるいは、ｘ，ｙ，ｚ軸の周りに回転可能な関節装置であることもある。
【００１０】
各々のリンク部材が、１本の伸縮リンクメンバで構成されていてもよい。この場合には、第１部品と各々の伸縮リンクメンバの間に、接触面が半球を越えない第１部品側球面軸受を形成する。
複数のリンク部材は、第１部品との接続点で形成される閉多角形内に支柱の他端一端が位置する位置関係に配置されている。
コントローラは、各々の伸縮リンクメンバの長さを、前記条件に加えて、第１部品側球面軸受における第１部品と各々のリンク部材の接触状態を維持する条件から決定される目標リンク長に調整する。
【００１１】
１本の伸縮リンクメンバの両端を球面軸受で第１部品と第２部品に連携すると、リンク部材を１本の伸縮リンクメンバで構成することが可能となる。関節装置を極めて単純化することができる。
【００１２】
各々のリンク部材が、１本の伸縮リンクメンバと、その端部に揺動可能に連結されている揺動リンクメンバを備えたものとすることもできる。この場合、各々の伸縮リンクメンバを第１部品に揺動不能に支持しておくことができる。
第１部品に揺動不能に支持されている伸縮リンクメンバを伸縮することによって、第２部品を直交する２軸の周りの回転させることができる。
【００１３】
各々の伸縮リンクメンバは、第１部品と第２部品の間に配置されてリンク部材を構成する部分と、第１部品を通過して第２部品から離れる方向に伸びている延長部分を備えていてもよい。
この場合、延長部分は物理的には伸縮リンクメンバの一部であっても、第１部品と第２部品の間に配置されているリンク部材の一部ではない。それ自体は剛体であって伸縮しない部材を利用して機能の上では伸縮するリンクメンバを構成することができる。
【００１４】
第２部品が、第２部品本体と、それに揺動可能な揺動部材を備えていてもよい。この場合、揺動部材と各々のリンク部材の間に、第２部品側球面軸受が形成されている構成を採用することもできる。
第２部品本体と揺動部材の間に球面軸受が形成されていてもよい。この場合、１軸の周りの回転で済む場合には、２個の球面軸受を並べたものを利用してもよい。
なお、この構造は、揺動部材がリンク部材を構成するリンクメンバの１つであると表現することもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の関節装置は、第１部品から分離不能に連結されている第２部品を、リンク部材によって第１部品の側から押すことによって、第２部品の第１部品に対する相対回転角を変える。第２部品を押すリンク部材が球面軸受によって第２部品に連携されているために、両者が接する角度が可変であり、２本の伸縮リンクを対にして用いる必要がない。各々のリンク部材が1本の伸縮リンクメンバさえ備えていれば足りる。関節装置の構造が非常に簡単化され、小型化することができる。また本発明の関節装置では、各々のリンク部材と第２部品を分離不能に拘束する必要がない。両者間の球面軸受に、接触面が半球を超えないものを採用することができ、広い可動範囲を確保することができる。
本発明によると、少なくとも直交する２軸の周りに回転する関節装置であって、小型で広い可動範囲を有する関節装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１特長）各々の伸縮リンクメンバが、第１部品に揺動不能に支持されている。各々の伸縮リンクメンバの第２部品側の端部に、揺動リンクメンバが揺動可能に連結されている。伸縮リンクメンバは剛体であり、第１部品と第２部品の間に配置されていて、リンク部材の一部を構成する部分と、第１部品を通過して第２部品から離れる方向に伸びている延長部分を有する。アクチュエータは第１部品に固定されており、リンク部材の一部を構成する部分の長さを伸縮する。それ自身は剛体であるリンクメンバによって、リンク部材を構成する部分の長さを伸張させる伸縮リンクメンバが構成されている。
この特徴を備えていると、伸縮リンクメンバのストロークを長く確保することができる。伸縮リンクメンバのストロークを長くすることによって、第２部品と第１部品の相対回転範囲を広く確保することができる。
（第２特長）  各々の伸縮リンクメンバが、第１部品に揺動不能に支持されている。各々の伸縮リンクメンバの第２部品側の端部に、揺動リンクメンバが揺動可能に連結されている。伸縮リンクメンバと揺動リンクメンバの間に、両者が直線状態となる側に付勢する弾性部材を備えている。
この場合、揺動リンクメンバの先端が、第２部材側球面軸受から離脱する可能性を低減することができる。
【実施例】
【００１７】
＜第１実施例＞  図６は、第１部品４２０と第２部品４１０を備える関節装置４００の模式的側面図である。図６（Ａ）は、第１部品４２０と第２部品４１０が平行となった状態の関節装置４００の模式的側面図である。このときの第１部品４２０と第２部品４１０の相対回転角をゼロと定義する。図１（Ｂ）は、相対回転角がθのときの関節装置４００の模式的側面図である。
第１部品４２０と第２部品４１０は、支柱４３０によって連結されている。支柱４３０の途中にはユニバーサルジョイント４３６が設けられている。ユニバーサルジョイント４３６は、図６に示すＸ軸の周りに回転可能であるのと同時にＹ軸の周りにも回転可能である。第１部品４２０と第２部品４１０は、ユニバーサルジョイント４３６の回転中心Ｐを中心にして、Ｘ軸とＹ軸の周りに回転可能に連結されている。ユニバーサルジョイント４３６は、支柱４３０の途中でなく、支柱４３０の上端と第２部材４１０の間に配置されていてもよい。いずれにせよ、第１部品４２０に対する回転中心Ｐの位置は不動である。
以下では説明を簡単にするために、Ｘ軸周りの回転を説明する。
第１部品４２０の第１対向面４２２と、第２部品４１０の第２対向面４１２の間には、２本のリンク部材４５０ａ、４５０ｂが配置されている。２本のリンク部材４５０ａ、４５０ｂは、支柱４３０のＹ軸方向の両側に配置されている。リンク部材４５０ａは、アクチュエータ４５６ａによってリンク長が調整可能である。リンク部材４５０ｂは、アクチュエータ４５６ｂによってリンク長が調整可能である。なお、図６では、アクチュエータを制御するためのコントローラの図示を省略してある。
【００１８】
リンク部材４５０ａの先端は凸の球面４５２ａに形成されている。第２部品４１０の第２対向面４１２には、凹の球面４１４ａが形成されている。凸の球面４５２ａは、凹の球面４１４ａにはまり込み、両者によって第２部品側球面軸受７０ａが形成されている。凸の球面４５２ａと凹の球面４１４ａは、両者が接触するときの接触面積が半球を超えない関係を満たしている。
リンク部材４５０ａは、第２部品側球面軸受７０ａによって、第２部品４１０に対して、接触点は固定されており、接触角は可変に連携されている。なお、図６では、図を判り易くするために、凸の球面４５２ａと凹の球面４１４ａを離して描いてある。リンク部材４５０ａの先端に凹の球面４５２ａを形成し、第２部品４１０の第２対向面４１２に凸の球面を形成してもよい。リンク部材４５０ａの後端は、第１部品４２０の第１対向面４２２に設けられているリンク連結部４２６ａによって、第１部品４２０に対して揺動可能に連結されている。
リンク部材４５０ｂもリンク部材４５０ａと同様の構造・配置となっている。
第２部品側球面軸受７０ａと７０ｂは、支柱４３０を挟んでその両側に配置されている。従って、リンク部材４５０ａのリンク長Ｌａとリンク部材４５０ｂのリンク長Ｌｂの両者を支柱４３０と同じ長さに制御すれば、第１部品４２０と第２部品４１０は、回転中心Ｐを中心とする相対回転角がゼロの状態を維持できる。即ち、第２部品４１０が回転中心Ｐを中心に図面上で時計周りに回転しようとしても、リンク部材４５０ｂが第２部品側球面軸受７０ｂで第２部品４１０を下方から支えているために、第２部品４１０は時計周りに回転することができない。従って、リンク部材４５０ａの先端４５２ａが、第２部品側球面軸受７０ａから離れてしまうことはない。第２部品４１０が回転中心Ｐを中心に図面上で反時計周りに回転しようとする場合も同様であり、リンク部材４５０ａが第２部品側球面軸受７０ａで第２部品４１０を下方から支えているために、第２部品４１０は反時計周りに回転することができない。従って、リンク部材４５０ｂの先端４５２ｂが、第２部品側球面軸受７０ｂから離れてしまうことはない。
【００１９】
即ち、第２部品４１０は、リンク部材４５０ａと４５０ｂによって、支柱３０に対してＹ軸方向の両側から押される。第２部品４１０が押される方向は、第１部品４２０から第２部品４１０へ向う方向である。リンク部材４５０ａと４５０ｂによって第２部品４１０が押されると、第１部品４２０と第２部品４１０を分離不可に連結している支柱３０に張力が生じる。第２部品４１０は、リンク部材４５０ａ、４５０ｂから受ける力と支柱３０から受ける力の平衡によりその位置が固定される。リンク部材４５０ａ、４５０ｂは、第２部品４１０から反力を受ける。反力はリンク部材４５０ａ、４５０ｂを縮める方向に作用する。この反力によって、リンク部材４５０ａの先端の球面４５２ａと、第２部品４１０の球面４１４ａの接触状態が維持される。
また、第２部品４１０は、支柱３０に対してＹ軸方向の両側から押されるため、夫々のリンク部材４５０ａ、４５０ｂが押す力により発生する回転中心Ｐ周りのモーメントは平衡する。第１部品４２０に対する第２部品４１０の回転中心Ｐ周りの回転角が固定される。
【００２０】
第１部品４２０に対して第２部品４１０を目標回転角θだけ傾斜した状態を実現するには、図１（Ｂ）に示すように、アクチュエータ４５６ａによってリンク部材４５０ａのリンク長をＬａからＬａ１に伸展させるとともに、アクチュエータ４５６ｂによってリンク部材４５０ｂのリンク長をＬｂからＬｂ１に短縮すればよい。目標回転角θが与えられれば、幾何学的な条件から、各々のリンク部材４５０ａ、４５０ｂの目標リンク長Ｌａ１、Ｌｂ１は一意に決まる。このようにして、第１部品４２０に対する第２部品４１０の傾斜角を目標回転角θに制御することができる。この場合も上記説明と同様に、リンク部材４５０ａと第２部品側球面軸受７０が離れてしまうことがない。また、リンク部材４５０ｂと第２部品側球面軸受７０ｂが離れてしまうこともない。
前記の幾何学的な条件から一意に決定される目標リンク長が実現されると、次の条件が満足される。
（１）リンク部品４５０ａの先端の球面４５２ａと第２部品４１０の球面４１４ａが接触状態を維持すること。
（２）リンク部品４５０ｂの先端の球面４５２ｂと第２部品４１０の球面４１４ｂが接触状態を維持すること。
（３）第１部品４２０に対する第２部品４１０の回転角を目標回転角θにすること。
即ち、前記の幾何学的な条件を満足する目標リンク長は、上記３点の条件を満足する目標リンク長であると換言することができる。
【００２１】
上記の説明は３次元に拡張できる。即ち、上記の説明は、第２部品４１０の回転中心Ｐを中心とするＹ軸周りに回転に拡張できる。この場合、支柱４３０のＸ軸方向の両側に、第３リンク部材４５０ｃと第４リンク部材４５０ｄを設ければよい。
４本のリンク部材４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃ、４５０ｄを設ける代わりに、３本の伸縮リンクを設けてもよい。第２部品４１０の第２対向面４１２上に配置する３以上の第２部品側球面軸受７０ａ、７０ｂ、７０ｃを結ぶ閉多角形内に、支柱４３０の先端が位置するように配置することによって、上記２次元の場合と同様に、各々のリンク部材４５０ａ、４５０ｂ、４５０ｃと、これに対応する第２部品側球面軸受７０ａ、７０ｂ、７０ｃの接触状態を維持したまま、第２部品４１０と第１部品４２０の相対回転角を目標回転角に制御することができる。
【００２２】
＜第２実施例＞  本発明の第２実施例に係る関節装置１００を、図１と図２を参照して説明する。図１は、関節装置１００の斜視図である。図２（Ａ）は、関節装置１００の模式的側面図である。図２（Ｂ）は、関節装置１００の模式的平面図である。なお、図１では、第２部品１０についてのみ隠れ線を示しており、その他の部品については隠れ線を省略してある。図２（Ｂ）についても同様である。
また、図１、図２には、関節装置１００の全体を覆うカバーの図示を省略している。
【００２３】
関節装置１００は、第２対向面１２を有する第２部品１０と、第１対向面２２を有する第１部品２０と、支柱３０と、３本のリンク部材５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、コントローラ８０を備える。
図１には第１部品２０に固定されたＸＹＺ座標系が示してある。ＸＹＺは直交座標系である。第１対向面２２から支柱３０が伸びる方向がＺ軸である。Ｚ軸と直交する方向にＸ軸とＹ軸が設定されている。
この関節装置１００は、例えばマニピュレータの関節装置として利用される場合には、第２部品１０と第１部品２０の夫々にマニピュレータを構成する部材が連結される。関節装置１００が、第２部品１０と第１部品２０の相対回転角を目標回転角に制御することによって、マニピュレータの部材間の回転角を制御する関節装置が実現される。
【００２４】
第２部品１０と第１部品２０は、第２対向面１２と第１対向面２２を対向させている。
第２対向面１２には、凹の球面を有する３つの第２部品側リンク支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。各々の第２部品側リンク支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、後述するように、夫々リンク部材５０ａ、５０ｂ、５０ｃの先端と接触する。
なお、３つの第２部品側リンク支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを総称する場合には添え字ａ、ｂ、ｃを省略して単に第２部品側リンク支持部１４と記す。以下、同じ構成を有する複数の部品或いは部分には符号として添え字ａ、ｂ、ｃを付すが、同じ構成を有する複数の部品或いは部分を総称する場合には添え字ａ、ｂ、ｃを省略して記す。
第１対向面２２には、３つのリンク連結部２６ａ、２６ｂ、２６ｃが設けられている。各々のリンク連結部２６は、後述するように、対応するリンク部材５０を回転可能に連結する。
【００２５】
支柱３０の一端は、第１部品２０の第１対向面２２に固定されている。第１対向面２２と支柱３０の固定部を第１部品側支柱固定部３４と称する。第１部品側支柱固定部３４は、第１対向面２２の略中央に位置している。
支柱３０の他端は、第２部品１０の第２対向面１２に固定されている。第２対向面１２と支柱３０の固定部を第２部品側支柱固定部３２と称する。第２部品側支柱固定部３２は、第２対向面１２の略中央に位置している。
支柱３０は、その途中に支柱ジョイント３６が設けられている。支柱ジョイント３６は、支柱回転中心Ｐを中心にしてＸ軸とＹ軸の２軸周りに回転可能である。即ち、支柱３０は、第１部品２０に対して第２部品１０を直交するＸ軸とＹ軸の２軸周りに回転可能に支持する。支柱３０によって、第１部品２０に対する回転中心Ｐの位置が維持される。
【００２６】
第１対向面２２と第２対向面１２の間には、支柱３０に沿って伸びる３本のリンク部材５０ａ、５０ｂ、５０ｃが配置されている。
【００２７】
以下、リンク部材５０ａについて説明する。
リンク部材５０ａはその長手方向の途中にアクチュエータ５６ａを備えている。リンク部材５０ａは、アクチュエータ５６ａによって、そのリンク長を変更可能に構成されている。即ち、本実施例におけるリンク部材５０は、夫々１本の伸縮リンクメンバによって構成されている。
リンク部材５０ａの先端部には、凸の球面部５２ａが形成されている。凸の球面部５２ａは、第１対向面１２に設けられた凹の球面を有する第１部品側リンク支持部１４ａと面接触している。なお、図１、図２では、図を判り易くするために、第１部品側リンク支持部１４ａの球面とリンク部材５０ａの球面部５２ａを離して描いてある。以降の図でも同様に描いてある。
リンク部材５０ａの先端の球面部５２ａと、第１対向面に設けられた第１部品側リンク支持部１４ａが面接触することによって、第２部品側球面軸受７０ａが形成される。球面部５２ａと第１部品側リンク支持部１４ａは、半球を超えない範囲で接触している。球面接触している球面部５２ａと第１部品側リンク支持部１４ａの幾何学的な関係から、両者の間には相対的に移動できる方向と移動できない方向が存在する。両者が移動できない方向を拘束方向と称し、移動できる方向を非拘束方向と称する。球面５２ａが第１部品側リンク支持部１４ａに対して相対的に非拘束方向へ移動しようとすると、両者は離れてしまう。即ち、両者は、拘束方向に沿って互いに押し付けあうことによって、接触を維持できるのであり、互いに押し付けあう力がなくなると両者は相対的に非拘束方向に移動してしまう。その結果、両者の接触状態が維持されなくなる。
球面部５２ａと第１部品側リンク支持部１４ａは、球面の中心Ｑａを中心にして回転可能である。
【００２８】
リンク部材５０ａの後端は、第１対向面２２に設けられたリンク連結部２６ａで回転可能に連結されている。リンク部材５０ａは、リンク連結部２６ａの回転中心Ｒａを中心にして回転可能である。
リンク部材５０ｂ、５０ｃもリンク部材５０ａと同様の構造を有している。
【００２９】
コントローラ８０は、各々のアクチュエータ５６に対して、各々のリンク部材５０のリンク長を変更するための指令値を出力する。
【００３０】
ここで、関節装置１００が、回転中心Ｐを中心にして第１部品２０と第２部品１０のＸ軸とＹ軸の２軸周りの回転角を目標回転角に制御できることを説明する。
図２（Ｂ）に示すように、第２対向面１２と夫々のリンク部材５０の接触点、即ち、第２部品側リンク支持部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを結ぶと三角形Ｔが形成される。３つの第２部品側リンク支持部１４は、この三角形Ｔ内に第２部品側支柱固定部３２が位置するように配置されている。これによって、第２対向面１２に直交する方向から見て、第２部品側支柱固定部３２と回転中心Ｐを、三角形Ｔ内に位置させることができる。
図２（Ａ）では、コントローラ８０からアクチュエータ５６への指令によって、３本のリンク部材５０のリンク長は、支柱３０の長さと同じ長さに調整されている。なお、図２（Ａ）には、リンク部材５０ｃは描かれていない。これは、図２（Ａ）の側面図では、リンク部材５０ｂとリンク部材５０ｃが重なるからである。
第１部品２０と第２部品１０は、支柱３０が有するユニバーサルジョイント３６によって、支柱回転中心Ｐを中心にして相対回転可能に連結されている。支柱３０によって連結されていることによって、第１部品２０と第２部品１０は分離不能である。
第２部品側支柱固定部３２が三角形Ｔ内に位置しているため、第１部品２０と第２部品１０が、支柱回転中心Ｐの周りに相対回転するには、次の３つの距離のうち少なくともひとつの距離は短くならなければならない。３つの距離とは、第２部品側リンク支持部１４ａとリンク連結部２６ａの間の距離、第２部品側リンク支持部１４ｂとリンク連結部２６ｂの間の距離、及び第２部品側リンク支持部１４ｃである。
ところが第２部品側リンク支持部１４とリンク連結部２６の夫々の間は、夫々リンク部材５０によって支持されている。いずれの距離も短くなることはない。従って、リンク部材５０のリンク長が変更されない限り、第１部品２０に対して第２部品１０が支柱回転中心Ｐの周りに回転することはない。即ち、関節装置１００は、第１部品２０に対する第２部品１０の支柱回転中心Ｐの周りの回転角を保持することができる。第１部品２０と第２部品１０が、支柱回転中心Ｐの周りの回転を拘束されるので、第２部品側リンク支持部１４とリンク連結部２６の距離のいずれも長くなることもない。その結果、第２部品側球面軸受７０において第２部品側リンク支持部１４と球面部５２は半球を越えない範囲で接触しているにも関わらずに、第２部品側リンク支持部１４と球面部５２が離れることはない。
【００３１】
次に、第１部品２０に対する第２部品１０の支柱回転中心Ｐを中心とする回転角を目標回転角に制御する機能について説明する。
第１部品２０と第２部品１０は、支柱３０によって、支柱回転中心Ｐを中心にして相対回転可能に連結されている。従って、目標回転角が決まると第１対向面２２と第１対向面１２の相対的な回転角が一意に決まる。第２部品側リンク支持部１４とリンク連結部２６の夫々の距離も一意に決まる。コントローラ８０が、一意に決まった第２部品側リンク支持部１４とリンク連結部２６の夫々の距離を夫々のリンク部材５０の目標リンク長に設定する。コントローラ８０は、夫々のリンク部材５０が設定した目標リンク長になるように
夫々のアクチュエータ５６を制御する。夫々のリンク部材５０は、一意に決まった第２部品側リンク支持部１４とリンク連結部２６の夫々の距離に制御される。そうすることによって、関節装置１００は、第１部品２０に対する第２部品１０の支柱回転中心Ｐ周りの回転角を与えられた目標回転角に制御することが可能となる。
【００３２】
第１部品２０と第２部品１０が支柱回転中心Ｐを中心に相対回転すると、リンク部材５０ａの各々の端部を支持している第２部品側リンク支持部１４ａとリンク連結部２６ａの相対位置が３次元的に変化する。リンク部材５０ａの先端と第２部品側リンク支持部１４は第２部品側球面軸受７０ａにおいて回転可能である。リンク部材５０ａの後端とリンク連結部２６ａは回転可能に連結されている。従って、第２部品側リンク支持部１４ａとリンク連結部２６ａの相対位置が３次元的に変化しても、リンク部材５０ａは、第２部品側リンク支持部１４ａとリンク連結部２６ａの間を結ぶ直線に一致するように両者の間で支持されたまま移動することができる。伸縮リンク５０ｂ、５０ｃについても同様である。
【００３３】
本実施例の関節装置１００によれば、夫々のリンク部材の先端と第２部品１０をユニバーサルジョイント等で連結する必要がない。夫々のリンク部材５０の先端の球面部５２と第２部品１０に配置された第２部品側リンク支持部１４が半球を越えない範囲で球面接触していればよい。リンク部材５０と第２部品１０の間の支持構造が簡単になる。また、特許文献１のように、第１部品２０と第２部品１０の夫々に伸縮リンクを備える必要もない。伸縮リンクを利用して、１つの回転中心に対して、２つの部品の相対回転角を直交する少なくとも２つ軸の周り制御可能な関節装置をコンパクトに実現することができる。
【００３４】
＜第３実施例＞  次に図３を参照して第３実施例について説明する。図３は、第３実施例に係る関節装置２００の模式的側面図である。図１及び図２に示した関節装置１００と同じ構造の部品には同じ符号を付してある。図２と同じ符号を付した部品については説明を省略する。
【００３５】
この関節装置２００と第１実施例の関節装置１００の差異は、リンク部材２５０の後端と第１部品２２０の支持構造にある。
関節装置２００は、３本のリンク部材２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃを備える。なお、図３の模式的側面図は、図（Ａ）の模式的側面図に対応している。従って、図３でも、リンク部材２５０ｂと２５０ｃは重なってしまうため、図３にはリンク部材２５０ｃは描かれていない。関節装置２００の平面図は、図２（Ｂ）に示す関節装置１００の平面図と同じとなる。
【００３６】
第１部品２２０が有する第１対向面２２２には、凹の球面を有する３つの第１部品側リンク支持部２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃが設けられている。一方、リンク部材２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃの後端部には、凸の球面を有する第２球面部２５４ａ、２５４ｂ、２５４ｃが形成されている。以下、リンク部材２５０ａについて説明する。
凸の第２球面部２５４ａが、第１部品側リンク支持部２２４ａに形成された凹の球面と面接触する。第２球面部２５４ａと第１部品側リンク支持部２２４ａが球面接触することによって、第１部品側球面軸受７２ａが形成される。第２球面部２５４ａと第１部品側リンク支持部２２４ａの接触面は、半球を越えない範囲に設定されている。即ち、リンク部材２５０ａと第１部品２２０の間の支持構造は、第１実施例で示したリンク部材５０ａと第２部品１０の間の支持構造と同一である。従って、リンク部材２５０ａは、第１部品２２０に設けられた第１部品側リンク支持部２２４ａに対して回転可能である。同時に、リンク部材２５０ａの第２球面部２５４ａと第１部品側リンク支持部２２４ａの間には、相対的に移動可能な非拘束方向と相対的に移動不可能な拘束方向が存在する。リンク部材２５０ｂ、２５０ｃも同様の構造である。
【００３７】
第１実施例の関節装置１００では、リンク部材５０の先端の球面部５２と第２部品に設けられた第２部品側リンク支持部１４が半球を越えない範囲で球面接触している状態を維持したまま、第１部品２０に対する第２部品１０の回転角を制御可能である。同様の理由により、本実施例の関節装置２００も、リンク部材２５０の後端と第１部品２２０が半球を越えない範囲で球面接触した状態を維持したまま、第１部品２２０に対する第２部品１０の回転角を制御できる。
本実施例の関節装置２００によれば、リンク部材２５０の両端は、夫々対応する第１部品２２０及び第２部品１０とともに球面軸受を形成する。球面軸受において、リンク部材の端部と第１部品２２０、或いは第２部品１０は、半球を超えない範囲で球面接触する。リンク部材２５０の先端のみならず後端もユニバーサルジョイント等を用いて連結する必要がない。一層コンパクトな関節装置を実現することができる。
【００３８】
第３実施例では、リンク部材２５０の一端には凸の球面部５２が形成され、他端には凸の第２球面部２５４が形成されている。第１部品２２０には凹の球面を有する第１部品側リンク支持部２２４が形成されている。第２部品１０には凹の球面を有する第２部品側リンク支持部１４が形成されている。リンク部材の夫々の端部と、これに対応するリンク支持部が半球を越えない範囲で面接触する。リンク部材の端部とリンク支持部が半球を越えない範囲で面接触する構造は他にもある。リンク部材の端部に凹の球面部を形成し、これに対応する部品側に凸の球面を有するリンク支持部を形成してもよい。より具体的には以下の組み合わせが考えられる。
（１）リンク部材の両端に凸の球面部を形成し、第１部品と第２部品の夫々のリンク支持部に凹の球面を形成する。リンク部材の夫々の端部と、これに対応するリンク支持部で球面軸受を形成する。
（２）リンク部材の両端に凹の球面部を形成し、第１部品と第２部品の夫々のリンク支持部に凸の球面を形成する。リンク部材の夫々の端部と、これに対応するリンク支持部で球面軸受を形成する。
（３）リンク部材の一端に凹の球面部を形成し、この端部に対応するリンク支持部に凸の球面を形成する。リンク部材の他端に凸の球面部を形成し、この端部に対応するリンク支持部に凹の球面を形成する。リンク部材の夫々の端部に形成された凹又は凸の球面と、これに対応するリンク支持部に形成された凸又は凹の球面で球面軸受を形成する。
（３）のケースの場合、リンク部材の先端に凸の球面を形成し、リンク部材の後端に凹の球面を形成してよい。逆に、リンク部材の先端に凹の球面を形成し、リンク部材の後端に凸の球面を形成してもよい。
（４）ひとつの関節装置に含まれる複数のリンク部材が夫々独立に上記（１）から（３）のいずれかの構造であってもよい。
【００３９】
＜第４実施例＞  次に図４と図５を参照して第４実施例に係る関節装置３００について説明する。図４（Ａ）は関節装置３００の斜視図である。図４（Ｂ）は図４（Ａ）と別の角度から見た関節装置３００の斜視図である。図５は関節装置３００の模式的側面図である。なお、図４、図５には、関節装置３００のリンク部材を覆うカバーと関節装置３００のコントローラの図示を省略してある。
関節装置３００の特徴は、次の通りである。
・リンク部材３５０は、１本の伸縮リンクメンバ３５１と、伸縮リンクメンバの端部に揺動可能に連結されている揺動リンクメンバ３５３を有する。
・伸縮リンクメンバ３５１は、第１部品３２０に揺動不能に支持されている。
・伸縮リンクメンバ３５１ａは、剛体であり、第１部品３２０から第２部品３１０に向って伸びる部品間部分Ｌａと、第１部品３２０を通過して第２部品３１０から離れる方向に伸びる延長部分ＬＡを有している。アクチュエータ３５６ａが第１部品３２０に固定されている。アクチュエータ３５６ａによって、部品間部分Ｌａの長さが調整される。伸縮リンクメンバ３５１ａ自体は剛体であるが、第１部品３２０と第２部品３１０の間に位置する部品間部分Ｌａが実質的にリンクの機能を果す。即ち、アクチュエータ３５６ａが剛体である伸縮リンクメンバ３５１ａの部品部分Ｌａの長さを調整することによって、リンク長さ（部品間部分Ｌａの長さ）が調整可能な伸縮リンクを構成している。伸縮リンクメンバ３５１ｂ、３５１ｃも同様の構造を有している。
・第２部品３１０は、第２部品３１０に対して揺動可能な揺動部材３６０を有している。揺動部材３６０とリンク部材３５０が有する揺動リンクメンバ３５３の間で第２部品側球面軸受７０が形成される。
【００４０】
本実施例の関節装置３００の構造について説明する。
第１部品３２０と第２部品３１０が支柱３０によって回転可能に連結されている構造は第１実施例の関節装置１００と同様であるので説明を省略する。また、図２（Ｂ）に示した関節装置１００と同様に、リンク部材３５０によって支持される揺動部材３６０ａ、３６０ｂ、３６０ｃは、それらを結んで形成される多角形（三角形）内に支柱３０の第２部品側支柱固定部３２が位置する関係に配置されている。
関節装置３００は３本のリンク部材３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃを備える。なお、図５の模式的側面図では、リンク部材３５０ｂと３５０ｃが重なってしまうため、リンク部材３５０ｃは描かれていない。
【００４１】
リンク部材３５０ａの構造について説明する。
リンク部材３５０ａは、伸縮リンクメンバ３５１ａと揺動リンクメンバ３５３ａを有する。伸縮リンクメンバ３５１ａは、第１部品３２０に揺動不能に支持されている。伸縮リンクメンバ３５１ａは、それ自体は剛体であり、伸縮しない。伸縮リンクメンバ３５１ａは、第１部品３２０を貫通しており、第１部品３２０から第２部品３１０に向って伸びる部品間部分Ｌａと、第１部品３２０を通過して第２部品３１０から離れる方向に伸びる延長部分ＬＡを有する。アクチュエータ３５６ａが第１部品３２０に固定されている。アクチュエータ３５６ａによって、部品間部分Ｌａの長さが調整される。部品間部分Ｌａが、第１部品３２０に対して第２部品３１０を支持する機能を実質的に担う。伸縮リンクメンバ３５１ａは、それ自体は伸縮しないがリンクとしての機能を担う部品間部分Ｌａの長さが調整可能であるため、実質的には伸縮可能なリンクと等価である。
なお、伸縮リンクメンバ３５１ａは、図５に示すＸ軸とＹ軸の周りには回転不能であり、部品間部分ＬａがＺ軸方向に伸縮する。
伸縮リンクメンバ３５１ａの先端には、中間関節３５５ａを介して揺動リンクメンバ３５３ａの一端が揺動可能に連結されている。揺動リンクメンバ３５３ａは、中間関節３５５ａの回転軸Ｃ１の周りに回転可能である。図５に示すように、回転軸Ｃ１は、伸縮リンクメンバ３５１ａの長手方向と交差する方向に伸びている。図４に示すように、回転軸Ｃ１は、中間関節３５５ａと支柱３０を結ぶ方向に伸びている。
揺動リンクメンバ３５３ａの他端には、凸の球面を有する球面部３５２ａが形成されている。
【００４２】
一方、第２部品３１０には、図４に示すように、凸の球面を有する球状部３１４ａが２つ設けられている。２つの球状部３１４ａは隣接して配置されている。第２部品３１０には、球状部３１４ａに対して揺動可能な揺動部材３６０ａが設けられている。揺動部材３６０ａは、図４に示すように、２つの球状部３１４ａの共通中心線Ｃ２の周りに揺動可能である。２つの球状部３１４ａは、その共通中心線Ｃ２が中間関節３５５ａの回転軸Ｃ１と直交する関係を満たすように配置されている。
【００４３】
揺動部材３６０ａには、凹の球面を有する揺動部材側球面部３６１ａが形成されている。揺動部材側球面部３６１ａと、揺動リンク３５３ａの先端に形成された球面部３５２ａが球面接触している。揺動部材側球面部３６１ａと球面部３５２ａが接触することによって、第２部品側球面軸受７０ａが形成される。揺動部材側球面部３６１ａと球面部３５２ａは、半球を超えない範囲で球面接触している。
揺動部材側球面部３６１ａと球面部３５２ａが球面接触していることによって、両者は球面の中心Ｑ２を中心にして自由に回転できる。一方、両者は半球を超えない範囲で球面接触しているので、拘束方向に互いに押し付け合う力を発生していないと、両者は非拘束方向に相対的に移動してしまう。即ち、両者は、拘束方向に互いに押し付け合う力を発生していないと、接触状態を維持することができない。
リンク部材３５０ｂ、３５０ｃも同様の構造を有している。
【００４４】
関節装置３００が、第２部品側球面軸受７０において揺動部材側球面部３６１と球面部３５２の接触状態を維持しながら、第１部品３２０に対する第２部品３１０の回転角を制御できることを説明する。
第２部品３１０の回転角を制御するとは、目標とする回転角が与えられたときに、その目標回転角を実現するための各伸縮リンクメンバ３５１の目標長さが決定できればよい。第１部品３２０と第２部品３１０は、支柱３０によって、回転中心Ｐの位置を維持しながら分離不可に連結されている。また、各リンク部材３５０は第１部品３２０に対して回転不能に連結されている。従って、目標回転角を実現するには、第２部品３１０が目標回転角になったと仮定したときに、各リンク部材３５０の先端が夫々第２部品３１０との支持点を維持できればよい。
【００４５】
以下ではリンク部材３５０ａについて説明する。
なお、説明のため、図５に示すように、リンク部材３５０ａと第１部品３２０が連続する点を第１部品側支持点３５７ａと称する。また、揺動リンクメンバ３５３ａの先端に形成された球面部３５２ａの回転中心Ｑ２から回転軸Ｃ２へ下ろした垂線の足を第２部品側支持点３５８ａと称する。第２部品側支持点３５８ａの意味は次の通りである。
第２部品３１０は、揺動部材３６０ａを介してリンク部材３５０ａによって支持される。揺動部材３６０ａは第２部品３１０に対して揺動可能に連結されている。従って、揺動部材３６０ａは、リンク部材３５０ａを構成する第３のリンクとみなすことができる。そうすると、揺動部材３６０ａを揺動可能に連結している球状部３１４ａが揺動部材３６０ａを含むリンク部材３５０ａの支持点となる。揺動部材３６０ａによって、リンク部材３５０ａの先端の球面部３５２は、球面部３４１ａの回転軸Ｃ２の周りに回転する。そこで、球面部３５２の回転中心Ｑを、球面部３５２を代表する点と捉えると、球面部３５２ａの回転中心Ｑ２から回転軸Ｃ２へ下ろした垂線の足を第２部品側支持点３５８ａと称することが幾何学的に適切となる。
即ち、第２部品３１０は、第２部品側支持点３５８ａでリンク部材３５０ａに支持されるとみなすことができる。ここでいうリンク部材３５０ａは、第３のリンクとみなした揺動部材３６０を含む。以下の説明において、リンク部材３５０ａというときには第３のリンクとみなした揺動部材３６０を含む。
【００４６】
また、より一般化するために、目標回転角は回転中心Ｐを中心として図５に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の夫々の軸周りの目標回転角が与えられるとする。
３軸の各軸周りの目標回転角が与えられると、第１部品３２０に対する第２部品３１０の相対位置が決まる。第１部品側支持点３５７ａと第２部品側支持点３５８ａの相対位置が決まる。ここでいう相対位置は、位置と姿勢の６自由度で表現される。
第１実施例と同様に、第１部品３２０に対して第２部品３１０を目標回転角に制御するには、リンク部材３５０の先端を第２部品側支持点３５８ａに位置させることができればよい。従って、リンク部材３５０ａの先端が第１部品側支持点３５７ａに対して６自由度を有していれば良い。なお、ここでいうリンク部材３５０ａの先端とは、揺動部材３６０ａの先端を意味する。
【００４７】
リンク部材３５０ａは次の自由度を有する。伸縮リンクメンバ３５１ａがＺ方向に１自由度を有する。中間関節３５５ａが回転軸Ｃ１周りに１自由度を有する。第２部品側球面軸受７０ａが回転３自由度を有する。揺動部材３６０ａが第２部品３１０に対して回転軸Ｃ２の周りに１自由度を有する。リンク部材３５０ａは合計６自由度を有する。従って、第１部品側支持点３５７ａと第２部品側支持点３５８ａが任意の相対位置となっても、リンク部材３５０ａは、その先端を第２部品側支持点３５８ａに位置させることができる。
【００４８】
次に、関節装置が３本の伸縮リンクメンバ３５１のリンク長を制御することによって、第２部品３１０を目標回転角にできることを説明する。
関節装置３００が制御可能な自由度は３自由度である。３自由度とは、リンク部材３５０ごとに伸縮リンクメンバ３５１の長さ（実質的には部品間長さ）を変更できることを意味する。
第２部品３１０の相対位置は、３軸の各軸周りの目標回転角で決定される。相対位置を決定する独立変数の数は３である。関節装置３００が制御可能な自由度の数も３である。従って、目標回転角が与えられたときに、各リンク部材の伸縮リンクメンバの長さ（目標リンク長）は一意に決定される。アクチュエータ３５６が夫々の伸縮リンクメンバ３５１の長さを対応するリンク長に調整することによって、第２部品３１０を目標回転角に制御することができる。
【００４９】
また、第１部品３２０と第２部品３１０は、支柱３０によって分離不可に連結されている。各リンク部材３５０は、概ね支柱３０と同じ方向を向いて第２部品３１０を支持している。各リンク部材３５０の伸縮リンクメンバ３５１は、概ね第２部品３１０に向って伸縮する。従って、各リンク部材３５０は第２部品３１０に対して、支柱に沿って押す方向に支持力を加えることができる。各リンク部材３５０は、第２部品３１０に対して押す方向に支持力を発生することで第２部品を支持することができる。即ち、各第２部品側球面軸受７０では、揺動部材３６０に形成された揺動部材側球面部３６１と、リンク部材３５０の先端に形成された球面部３５２が互いに押し合う状態を維持することができる。揺動部材側球面部３６１と球面部３５２が半球を超えない範囲で球面接触した状態であっても、第２部品３１０を任意の目標回転角に制御する際に、揺動部材３６０と球面部３５２が離れてしまう可能性は少ない。
【００５０】
本実施例の関節装置３００は、リンク部材３５０に６自由度を持たせるために、中間関節３５５に回転１自由度を備えており、球状部３１４と揺動部材３６０の間に回転１自由度を備える構造とした。リンク部材３５０に６自由度を持たせるためには上記の構造に限られない。例えば、中間関節３５５に２自由度の回転を持たせれば、球状部３１４と揺動部材３６０の間の自由度は不要となる。即ち、中間関節３５５に２自由度の回転を持たせる構造とすれば、揺動部材３６０は無くてもよい。
【００５１】
本実施例の関節装置３００は、伸縮リンクメンバ３５１が第１部品３２０を貫通している。これによって、伸縮リンクメンバ３５０のうち、実質的にリンクとして機能する部品間部分Ｌａのストローク、即ちリンク長の取り得る長さ範囲を大きくすることができる。第１部品３２０に対する第２部品３１０の回転角の取り得る範囲を大きくすることができる。このことは、伸縮リンクメンバ３５１を第１部品３２０に貫通させるとともに、アクチュエータ３５６を第１部品３２０に固定することによって実現できる。この場合、伸縮リンクメンバ３５１は第１部品３２０に対して回転不可となる。伸縮リンクメンバ３５１が第１部品３２０に対して回転不可であっても、伸縮リンクメンバに対して揺動可能な揺動リンクメンバ３５３を備えることによって、第２部品３１０を目標回転角に制御することができる。
【００５２】
本実施例の関節装置３００はまた、リンク部材先端の球面部３５２と揺動部材側球面部３６１が半球を超えない範囲で球面接触する球面軸受を形成している。従って、揺動部材３６０に対するリンク部材３５０先端（即ち球面部３５２）の回転範囲を大きくすることができる。これによっても第１部品３２０に対する第２部品３１０の目標回転角の取り得る範囲を大きくすることができる。図４（Ａ）、（Ｂ）に例示したように、第１部品３２０に対して第２部品３１０を９０度近くまで回転させることができる。
【００５３】
本実施例の関節装置３００では、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す揺動部材３６０と球面部３５２の位置関係からわかるように、揺動リンクメンバ３５３が軸Ｃ１の周りに回転可能であるために、揺動リンクメンバ３５３が軸Ｃ１の周りに大きく回転すると揺動部材３６０と球面部３５２の接触関係が維持できなくなる可能性がある。そのような可能性がある場合には、伸縮リンクメンバ３５１と揺動リンクメンバ３５３の間に、両者が直線状態となる側に付勢する弾性部材を備えればよい。弾性部材は例えばバネなどである。
【００５４】
なお、図４では、球状部３１４、揺動部材３６０、及び球面部３５２が、第１部品３２０や第２部品３１０と比較して大きく描いてある。これらの部品は、半球を超えない範囲で球面接触する球面軸受を形成できればよい。従って、球状部３１４、揺動部３６０、及び球面部３５２の寸法は極めて小さくできる。コンパクトな関節装置を実現することができる。
【００５５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００５６】
例えば、図１、図２に示す関節装置１００は、第２部品１０と第１部品２０の相対回転角を、支柱回転中心Ｐを中心としてＹ軸周りとＸ軸周りに制御可能である。さらに図１に示すＺ軸周りの相対回転角を制御可能とすることもできる。その場合には、支柱ジョイント３６は支柱回転中心Ｐを中心としてＺ軸周りにも回転可能な構成とする。そして、予め第２部品１０に対して第１部品２０をＺ軸周りに所定角だけ回転させた状態を初期状態とする。即ち、３本の伸縮リンク５０を、支柱３０の周方向に傾斜させておく。そうすることで、３本の伸縮リンク５０のリンク長を全て伸展させると第２部品１０をＺ軸周りに回転させることができる。
【００５７】
また、上記実施例では伸縮リンクは３本とした。伸縮リンクの数は３本以上であれば何本でもよい。伸縮リンクの数が何本であっても、複数の第１軸受部を、隣接する第１軸受部を結んで形成される多角形内に支柱の端部が位置するように配置することで実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第２実施例に係る関節装置の斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、第２実施例に係る関節装置の模式的側面図である。図２（Ｂ）は、第２実施例に係る関節装置の模式的平面図である。
【図３】第３実施例に係る関節装置の模式的側面図である。
【図４】図４（Ａ）は、第４実施例に係る関節装置の斜視図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）とは別の角度から見た第４実施例に係る関節装置の斜視図である。
【図５】第４実施例に係る関節装置の模式的側面図である。
【図６】図６（Ａ）は、第１実施例に係る関節装置の模式的側面図である。図６（Ｂ）は、関節装置において、第１部品に対する第２部品の回転角が変化した状態を示す模式的側面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０：第２部品
１２：第１対向面
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：第２部品側リンク支持部
２０：第１部品
２２：第２対向面
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ：リンク連結部
３０：支柱
３２：第２部品側支柱固定部
３４：第１部品側支柱固定部
３６：ユニバーサルジョイント
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ：リンク部材
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：球面部
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ：アクチュエータ
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ：第２部品側球面軸受
７２ａ、７２ｂ：第１部品側球面軸受
８０：コントローラ
１００、２００、３００、４００：関節装置
２２４ａ、２２４ｂ：第１部品側リンク支持部
３１４ａ、３１４ｂ：球状部
３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ：リンク部材
３５１ａ、３５１ｂ、３５１ｃ：伸縮リンクメンバ
３５３ａ、３５３ｂ、３５３ｃ：揺動リンクメンバ
３６０ａ、３６０ｂ、３６０ｃ：揺動部材
【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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