(57)【要約】【課題】本発明は、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造を提供することを目的とする。【解決手段】第１屈曲部（１４）、第２屈曲部（１８）、中間連結部（１６）、第１連結部（１２）、および、第２連結部（２０）の５つの剛体リンクが１自由度を有する４つの回転関節によって連結されてなる、４自由度の開ループ球面リンク機構に対し、第１屈曲部（１４）と中間連結部（１６）の間に、第１屈曲部（１４）の中間連結部（１６）に対する回転可動範囲を制約する特異姿勢回避手段（２２）を付加することによって、球関節と等価な関節構造であり、さらに、その可動範囲が既存の球関節等に比較して格段に広い新規な等価球関節構造が提供される。【選択図】図１
2009214277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５つの剛体リンクが４つの回転関節によって連結されてなるリンク機構と特異姿勢回避手段とを含む等価球関節構造であって、
前記リンク機構は、剛体リンクとして、第１屈曲部と、第２屈曲部と、中間連結部と、第１連結部と、第２連結部とを含んで構成され、
前記第１連結部は、第１回転関節によって前記第１屈曲部に連結され、前記第１屈曲部は、第２回転関節によって前記中間連結部に連結され、前記中間連結部は、第３回転関節によって前記第２屈曲部に連結され、前記第２屈曲部は、第４回転関節によって前記第２連結部に連結されており、
前記第１回転関節の第１関節軸と、前記第２回転関節の第２関節軸と、前記第３回転関節の第３関節軸と、前記第４回転関節の第４関節軸とが一点で交差し、且つ、前記第２関節軸と前記第３関節軸とが直交し、前記第３関節軸と前記第４関節軸とが直交し、前記第１関節軸と前記第２関節軸とが鋭角をもって交差するように、前記５つの剛体リンクが前記４つの回転関節によって連結されており、
前記特異姿勢回避手段は、前記第１関節軸が、前記第２関節軸と前記第３関節軸の両方を含む平面上に存在する姿勢に陥らないように、前記第１屈曲部と前記中間連結部１６の間に復元力を付与する手段である、等価球関節構造。
【請求項２】
前記特異姿勢回避手段は、前記第２関節軸回りの、前記第１屈曲部および前記中間連結部の相対的な回転運動に対抗する復元力を付与する手段である、請求項１に記載の等価球関節構造。
【請求項３】
前記復元力を付与する手段は、前記第１屈曲部と前記中間連結部の間に設けられる付勢手段であって、該付勢手段は、前記第１屈曲部と前記中間連結部に対して、前記第１関節軸が、前記第２関節軸と前記第３関節軸の両方を含む平面上に存在しない状態を平衡状態として設けられる、請求項１または２に記載の等価球関節構造。
【請求項４】
前記付勢手段は、ねじりバネである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の等価球関節構造。
【請求項５】
前記第２屈曲部は、Ｌ字状に屈曲して形成される剛体リンクであり、前記中間連結部は、直線状に形成される剛体リンクであり、前記第１屈曲部は、鈍角をもって屈曲して形成される剛体リンクである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の等価球関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、等価球関節構造に関し、より詳細には、広い可動範囲を有する等価球関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用ロボットのマニピュレータ構造について、種々検討がなされている。既存のマニュピュレータの多くは、リンクと関節が直列的に連結されたシリアル型構造を有していたが、近年、シリアル型マニピュレータに比べて、高い剛性および高速運動性を備えた、パラレル型マニピュレータが注目されている。パラレル型マニピュレータは、その構造上、球関節を用いるものが多いが、これまで、多くの場合、球面軸受を利用した球関節構造が用いられていた。図１０は、従来多く用いられている球面軸受を利用した球関節構造４０を示す。図１０に示す球関節構造４０においては、リンク４２は、その凸球面状に形成された端部４４が凹球面状に形成された軸受４６に嵌合されており、点Ｚを回転中心として全方位に可動自在に構成されている。しかしながら、球関節構造４０においては、リンク４２が軸受と干渉してしまうため、その可動範囲θは、６０°程度に過ぎず、球関節のこの可動範囲の狭さがパラレル型マニピュレータの運動の多様性の追求において、ネックとなっていた。
【０００３】
この点につき、特開２００２−２７６６８３号公報（特許文献１）は、継手材を９０°以上の角度を持って屈曲させることを特徴としたユニバーサルジョイント構造を開示する。特許文献１が開示するユニバーサルジョイント構造は、第１継手材および第２継手材に対し、それぞれ第１部材および第２部材を回転可能に連結するとともに、両継手材の軸まわりの回転抵抗力を相違させることによって、継手材同士の干渉を極力回避し、もって、各継手材に連結された上記部材を全方位に同程度に屈曲させることを可能にするものである。このユニバーサルジョイント構造は、第１部材が第２部材に対して３自由度運動できるため、これを第１部材および第２部材の間に設けられた等価球関節構造と見ることもできる。しかしながら、特許文献１が開示するユニバーサルジョイント構造は、その構造上、継手材同士の干渉の可能性を完全に排除することはできず、この点において球関節との完全な等価性を担保するものではなかった。
【０００４】
今後、パラレル型マニピュレータをはじめ、産業用ロボットのさらなる応用展開を考える上で、球関節の可動範囲の拡大は重要な懸案事項であり、より広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造の創出が望まれていた。
【特許文献１】特開２００２−２７６６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造につき鋭意検討した結果、５つの剛体リンクが１自由度を有する４つの回転関節によって連結されてなる、４自由度の開ループ球面リンク機構に対し、所定のリンク間の回転可動範囲を制約する手段を付加することによって、球関節と等価な関節構造が実現され、さらに、その可動範囲が既存の球関節等に比較して格段に広くなることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００７】
すなわち、本発明によれば、５つの剛体リンクが４つの回転関節によって連結されてなるリンク機構と特異姿勢回避手段（22）とを含む等価球関節構造であって、前記リンク機構は、剛体リンクとして、第１屈曲部（14）と、第２屈曲部（18）と、中間連結部（16）と、第１連結部（12）と、第２連結部（20）とを含んで構成され、前記第１連結部（12）は、第１回転関節（24）によって前記第１屈曲部（14）に連結され、前記第１屈曲部（14）は、第２回転関節（26）によって前記中間連結部（16）に連結され、前記中間連結部（16）は、第３回転関節（28）によって前記第２屈曲部（18）に連結され、前記第２屈曲部（18）は、第４回転関節（30）によって前記第２連結部(20)に連結されており、前記第１回転関節（24）の第１関節軸(C)と、前記第２回転関節（26）の第２関節軸(B)と、前記第３回転関節（28）の第３関節軸(D)と、前記第４回転関節（30）の第４関節軸(A)とが一点で交差し、且つ、前記第２関節軸(B)と前記第３関節軸(D)とが直交し、前記第３関節軸(D)と前記第４関節軸(A)とが直交し、前記第１関節軸(C)と前記第２関節軸(B)とが鋭角をもって交差するように、前記５つの剛体リンクが前記４つの回転関節によって連結されており、前記特異姿勢回避手段（22）は、前記第１関節軸(C)が、前記第２関節軸(B)と前記第３関節軸(D)の両方を含む平面上に存在する姿勢に陥らないように、第１屈曲部１４と中間連結部１６の間に復元力を付与する手段である等価球関節構造が提供される。
【０００８】
本発明においては、前記特異姿勢回避手段（22）を、前記第２関節軸(B)回りの、前記第１屈曲部（14）および前記中間連結部（16）の相対的な回転運動に対抗する復元力を付与する手段とすることができる。また、本発明においては、前記復元力を付与する手段を、前記第１屈曲部（14）と前記中間連結部（16）の間に設けられる付勢手段であって、該付勢手段は、前記第１屈曲部（14）と前記中間連結部（16）に対して、前記第１関節軸(C)が、前記第２関節軸(B)と前記第３関節軸(D)の両方を含む平面上に存在しない状態を平衡状態として設けられる付勢手段とすることができ、前記付勢手段をねじりバネとすることができる。さらに、本発明においては、前記第２屈曲部（18）を、Ｌ字状に屈曲して形成される剛体リンクとし、前記中間連結部（16）を、直線状に形成される剛体リンクとし、前記第１屈曲部（14）は、鈍角をもって屈曲して形成される剛体リンクとして構成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、従来よりも格段に広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本実施形態の等価球関節構造１０を示す斜視図である。図１に示されるように、本実施形態の等価球関節構造１０は、第１連結部１２、第１屈曲部１４、中間連結部１６、第２屈曲部１８、および第２連結部２０の５つの剛体リンクが４つの回転関節によって連結されたリンク機構を含んで構成される。具体的には、第１連結部１２と第１屈曲部１４、第１屈曲部１４と中間連結部１６、中間連結部１６と第２屈曲部１８、および、第２屈曲部１８と第２連結部２０は、それぞれ１自由度を有する回転関節によって連結されている。等価球関節構造１０は、その使用に際して、第１連結部１２および第２連結部２０が、それぞれ、図示しない剛体リンクＸおよび剛体リンクＹに連結され、剛体リンクＸと剛体リンクＹに対し球関節と等価の働きをする。
【００１２】
また、実施形態の等価球関節構造１０は、さらに、特異姿勢回避手段を含んで構成されている。特異姿勢回避手段は、等価球関節構造１０が、球関節との等価性を喪失することを回避するために設けられる手段であり、図１に示す実施形態においては、特異姿勢回避手段をねじりバネ２２によって構成している。なお、特異姿勢回避手段の機能・作用については後に詳説する。以上、本実施形態の等価球関節構造１０の物理的構成について概説してきたが、次に、本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構について図２を参照して以下説明する。なお、以下、図２〜９においては、共通する要素について同じ符号を用いて示し、その説明を適宜省略する。
【００１３】
図２は、本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構を説明するための概念図である。なお、図２においては、説明の便宜のため特異姿勢回避手段２２を省略している。
【００１４】
本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構は、上述したように、５つの剛体リンク（第１連結部１２、第１屈曲部１４、中間連結部１６、第２屈曲部１８、第２連結部２０）が、図中の★で示す４つの１自由度を有する回転関節で連結されてなる開ループ構造として構成されている。第１連結部１２と第１屈曲部１４は、回転関節２４によって連結され、第１屈曲部１４と中間連結部１６は、回転関節２６によって連結され、中間連結部１６と第２屈曲部１８は、回転関節２８によって連結され、第２屈曲部１８と第２連結部２０は、回転関節３０によって連結されており、上述した剛体リンク間はすべて１自由度に拘束されている。したがって、上記リンク機構は、全体で４自由度（１自由度×４）を有している。球関節はそれに結合する２つの物体間の運動を３自由度に拘束するものであり、この点に鑑みれば、本実施形態の等価球関節構造１０は、４自由度を有しており、１自由度分、冗長に構成されている。この冗長性が後に詳説する特異姿勢回避手段と連関することによって、等価球関節構造１０において、球関節との等価性が好適に実現される。
【００１５】
図２においては、回転関節２４、２６、２８、３０のそれぞれの関節軸を線Ａ〜Ｄによって示す。なお、図２においては、説明の便宜のため、関節軸Ｂと関節軸Ｄを屈曲した線として示しているが、図１に示すように各剛体リンクが連結されたとき、関節軸Ｂおよび関節軸Ｄは直線になることを理解されたい。等価球関節構造１０においては、第１連結部１２は、第１屈曲部１４に対して回転関節２４の関節軸Ｃを回転軸として３６０°回転自在とされ、また、中間連結部１６は、第２屈曲部１８に対して回転関節２８の関節軸Ｄを回転軸として３６０°回転自在とされており、さらに、第２連結部２０は、第２屈曲部１８に対して回転関節３０の関節軸Ａを回転軸として３６０°回転自在とされている。一方、第１屈曲部１４は、中間連結部１６に対して回転関節２６の関節軸Ｂを回転軸として回動自在に構成されてはいるものの、上述した剛体リンク要素と異なり、第１屈曲部１４と中間連結部１６の間に設けられた図示しない特異姿勢回避手段の作用によって、その回転運動が一定の制約を受けている。この点については後に詳説する。
【００１６】
さらに、本実施形態の等価球関節構造１０においては、図２に示されるように、回転関節３０の関節軸Ａと、回転関節２６の関節軸Ｂと、回転関節２４の関節軸Ｃと、回転関節２８の関節軸Ｄとが、「Ｓ」で示す一点で交差するように構成されている。第１連結部１２は、第２連結部２０を固定した場合に、関節軸Ａ〜Ｄの全てが交わる、この点Ｓを回転中心として、全方位に動くことができる。すなわち、この点Ｓは、球関節における回転中心に相当するものであり、本明細書においては、この関節軸Ａ〜Ｄの全てが交わる点Ｓを、等価球関節構造１０の「仮想回転中心」と定義して以下用いる。
【００１７】
次に、図３を参照して、本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構における各剛体リンク要素についてさらに詳説する。図３は、等価球関節構造１０の各剛体リンクについて説明するための図であり、図３（ａ）は第２屈曲部１８の側面図を、図３（ｂ）は中間連結部１６の上面図を、図３（ｃ）は第１屈曲部１４の側面図をそれぞれ示す。図３（ａ）に示されるように、第２屈曲部１８は、Ｌ字状に屈曲して形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節２８と回転関節３０とに連結され、その際、回転関節２８の関節軸Ｄと回転関節３０の関節軸Ａとが仮想回転中心Ｓを交点として直交するように構成されている。なお、本実施形態においては、第２屈曲部１８は、そのＬ字状の屈曲構造と中間連結部１６とによって、空間ｄが定義されるように、その形状および寸法が決定される。ここで、この空間ｄとは、第１連結部１２が、第２連結部２０に近づく形で運動する際に、第１屈曲部１４の第１連結部１２が接続されていない方の端部が、第２屈曲部１８と干渉することなく通りぬけることを可能にする空間をいう。
【００１８】
また、図３（ｂ）に示されるように、中間連結部１６は、直線状に形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節２８と回転関節２６とに連結され、その際、回転関節２８の関節軸Ｄと回転関節２６の関節軸Ｂとが仮想回転中心Ｓを交点として直交するように構成されている。一方、図３（ｃ）に示されるように、第１屈曲部１４は、鈍角θ２をもって屈曲して形成された剛体であり、図中の★で示す回転関節２４と回転関節２６とに連結され、その際、回転関節２４の関節軸Ｃと回転関節２６の関節軸Ｂとは直交せず、仮想回転中心Ｓを交点として鋭角θ１もって交差するように構成されている。
【００１９】
本実施形態の等価球関節構造１０は、上述したリンク機構を備えることによって、従来の球関節構造やユニバーサルジョイント構造に比較して、格段に大きい可動範囲を実現する。図４は、本実施形態の等価球関節構造１０が運動する態様を時系列的に示す。図４においては、第２連結部２０を地表面に固定した状態で、第１連結部１２を全方位に動かしたときの等価球関節構造１０の姿勢の変化を、視線を固定して番号１〜番号９の順に時系列的に示した。図４を参照することによって、本実施形態の等価球関節構造１０が、仮想回転中心に対して全方位に３００°近い可動範囲を実現していることが理解されよう。
【００２０】
ここでは、本実施形態の等価球関節構造１０が球関節と実質的に等価に機能するメカニズムについて説明する。図５は、本発明のメカニズムを説明するためにモデルリンク機構Ｒを示す。球関節においては、それに結合する２つの物体間の運動が３自由度に拘束される。この点からすると、モデルリンク機構Ｒは、図５（ａ）に示すように、３つの関節軸（Ｊ１〜Ｊ３）を有し、それら３つの関節軸が一点で交わるように構成されており、継手材Ｔ１の結合する物体と、継手材Ｔ２に結合する物体との間の運動を３自由度に拘束するものであるから、球関節と同様に機能することが期待される。しかし、モデルリンク機構Ｒの場合、図５（ｂ）に示すように、３つの関節軸（Ｊ１〜Ｊ３）が破線で示す同一平面上に存在する姿勢においては、継手材Ｔ１の結合する物体の図中の矢印で示す方向への回転が不可能となる。つまり、この姿勢においてモデルリンク機構Ｒは、球関節との等価性が喪失されている。
【００２１】
上述した点につき、本実施形態においても、３つの関節軸が同一平面上に存在する姿勢は発生する。図６は、本実施形態の等価球関節構造１０がその運動の過程で取り得る３つの姿勢を示す。図６（ａ）に示す姿勢においては、関節軸Ａ、Ｃ、Ｄは、いずれも破線で示す平面Ｐ上に存在するが、関節軸Ｂが平面Ｐ上に存在しないため、第２連結部２０を固定した状態において、第１連結部１２は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができる。同じく、図６（ｂ）に示す姿勢においては、関節軸Ａ、Ｂ、およびＤがいずれも平面Ｐ上に存在するが、関節軸Ｃが平面Ｐ上に存在しないため、第２連結部２０を固定した状態において、第１連結部１２は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができ、図６（ｃ）に示す姿勢においても、関節軸Ａ、Ｂ、およびＤがいずれも平面Ｐ上に存在するが、関節軸Ｃが平面Ｐ上に存在しないため、第２連結部２０を固定した状態において、第１連結部１２は、仮想回転中心に対して全方位に動くことができる。上述したように、本実施形態の等価球関節構造１０においては、３つの関節軸が同一平面上に存在する姿勢であっても、残る1つの関節軸が平面Ｐ上に存在しない限りにおいては、球関節との等価性が維持されることが理解されるであろう。しかしながら、本実施形態においても、関節軸Ａ〜Ｄの全てが同一平面上に存在する場合、等価球関節構造１０は球関節との等価性を失う可能性がある。以下、この点につき図７を参照して説明する。
【００２２】
図７は、本実施形態の等価球関節構造１０がその運動の過程で取り得る別の３つの姿勢を示す。図７（ａ）に示す姿勢においては、関節軸Ａ〜Ｄの全てが破線で示す平面Ｐ上に存在するため、第２連結部２０を固定した状態において、第１連結部１２は、仮想回転中心に対して平面Ｐ上の矢印で示される方向への回転運動がロックされ、その結果、球関節との等価性が失われる。同じく、図７（ｂ）および（ｃ）に示す姿勢においても、関節軸Ａ〜Ｄの全てが破線で示す平面Ｐ上に存在するため、第２連結部２０を固定した状態において、第１連結部１２は、仮想回転中心に対して平面Ｐ上の矢印で示される方向への回転運動がロックされ、その結果、球関節との等価性が失われることになる。なお、本明細書においては、上述した関節軸Ａ〜Ｄの全てが同一平面上に存在するリンク機構の姿勢を「特異姿勢」と定義し、以下用いることとする。
【００２３】
以上、説明したように、本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構は、その運動の過程において、同一平面上に存在している関節軸が、関節軸Ａ〜Ｄのうちの３つ以下となるような姿勢を維持している間は、球関節との等価性を失わないが、関節軸Ａ〜Ｄの全てが同一平面上に存在するような姿勢に陥った場合には、その瞬間、球関節との等価性を失う可能性があることが理解されるであろう。
【００２４】
しかしながら、実際には、本実施形態の等価球関節構造１０は、特異姿勢回避手段の作用によって特異姿勢に陥ることが回避されるため、球関節との等価性は常に担保される。この点につき、図８および図９を参照して以下詳細に説明する。
【００２５】
図８は、本実施形態の等価球関節構造１０における特異姿勢回避手段について説明するための図である。図８においては、説明の便宜のため、等価球関節構造１０の剛体リンク要素のうち、第１屈曲部１４および中間連結部１６のみを抜き出して示している。図８（ａ）は、等価球関節構造１０を第１屈曲部１４の側面方向から見た図である。本実施形態においては、第１屈曲部１４には、軸状突起３２が突設されており、軸状突起３２が中間連結部１６に形成された開口部１６ａに挿入されることによって、関節軸Ｂを有する回転関節が実現されている。ここで、軸状突起３２には、特異姿勢回避手段としてのねじりバネ２２が挿嵌され、ねじりバネ２２の一端２２ａが中間連結部１６に固着され、その他端２２ｂが軸状突起３２の先端部近傍に固着されている。なお、第１屈曲部１４には、関節軸Ｃを有する回転関節を介して図示しない第１連結部１２に連結されている。
【００２６】
図８（ｂ）は、等価球関節構造１０を中間連結部１６の正面方向から見た図である。上述したように、第１屈曲部１４と中間連結部１６とは関節軸Ｂを有する回転関節によって連結されているので、第１屈曲部１４に連結された図示しない第１連結部１２の運動に伴って、第１屈曲部１４と中間連結部１６とは、様々な位置関係を取り得る。仮に、第１屈曲部１４が、関節軸Ｂまわりに実線の矢印Ｑが示す方向に９０°回転してしまうと、第１屈曲部１４が有する関節軸Ｃが、中間連結部１６が有する関節軸Ｄおよび関節軸Ｂの両方を含む平面上に存在する状態が生じてしまうことになる。この関節軸Ｂ〜Ｄが同一平面上に存在する状態を保持したまま、中間連結部１６が関節軸Ｄまわりに回転すると、図示しない関節軸Ａと関節軸Ｂ〜Ｄとが同一平面上に存在する姿勢、すなわち特異姿勢が惹起されてしまうことになる。
【００２７】
しかしながら、本実施形態においては、第１屈曲部１４と中間連結部１６の間に、ねじりバネ２２が設けられており、ねじりバネ２２は、図８（ｂ）の実線で示した状態、すなわち、図８（ａ）に示す状態を平衡状態として取り付けられているため、屈曲部１４が関節軸Ｂまわりに実線の矢印Ｑが示す方向に回転する場合には、その回転運動に応答して、破線の矢印Ｒが示す方向にねじりバネ２２の復元力が中間連結部１６に瞬時に作用し、これに伴って、中間連結部１６が関節軸Ｂを回転軸として破線の矢印Ｒが示す方向に回転する。すなわち、ねじりバネ２２は、関節軸Ｂ回りの、第１屈曲部１４および中間連結部１６の相対的な回転運動に対抗する復元力を生成する手段として機能しており、上述したねじりバネ２２の作用によって、第１屈曲部１４が有する関節軸Ｃが、中間連結部１６が有する関節軸Ｄおよび関節軸Ｂの両方を含む平面上に存在する状態から常に適度な斥力が生成され、その結果、関節軸Ａ〜Ｄが同一平面上に存在する特異姿勢が回避されることになる。
【００２８】
なお、本発明における特異姿勢回避手段は、関節軸Ｂ回りの、第１屈曲部１４および中間連結部１６の相対的な回転運動に対抗する復元力を生成することができる手段であればよく、上述したねじりバネ２２に限定されるものではなく、ゴムやバネなどの弾性体を用いて適宜設計することができるが、球関節との等価性を担保する上で、上述した斥力が過大にならないように構成することがより好ましい。
【００２９】
本実施形態の等価球関節構造１０において特異姿勢が回避される機構について、図９を参照してさらに具体的に説明する。図９（ａ）〜（ｃ）の紙面左側に示した等価球関節構造１０の姿勢は、それぞれ、図７（ａ）〜（ｃ）に示した姿勢に対応するものであり、図７について上述したように全てが特異姿勢の状態にある。本実施形態の等価球関節構造１０は、第２連結部２０を固定した状態で、第１連結部１２を仮想回転中心に対して全方位に動かす場合、第１屈曲部１４と中間連結部１６の相対角度に応じて、特異姿勢回避手段２２の復元力が、常時、第１屈曲部１４および中間連結部１６に作用するため、通常の状況下では、図９（ａ）〜（ｃ）の紙面左側に示した特異姿勢の状態に陥ることはないが、ここでは、説明の便宜のため、仮に、図９（ａ）〜（ｃ）の紙面左側に示した特異姿勢の状態に極めて近い姿勢に陥った状況を考える。本実施形態によれば、そのような状況に陥った場合でも、瞬時にねじりバネの復元力が作用することにより、中間連結部１６および第２屈曲部１８が、それぞれ関節軸Ｂおよび関節軸Ａまわりに回転するため、特異姿勢が完全に回避され、その結果、図９（ａ）〜（ｃ）の紙面右側に示した姿勢、すなわち、関節軸Ａ〜Ｄのうち、同一平面上に存在している関節軸が３つ以下となるような姿勢に復帰する。
【００３０】
ここで、本実施形態の等価球関節構造１０のリンク機構は、上述したように、１自由度分、冗長性を有している。ここで注目すべき点は、リンク機構自体は冗長性を有しながらも、４本の関節軸が仮想回転中心1点で交わるよう構成されているため、第２連結部２０と第１連結部１２は、球関節で拘束された状態と等価な状態であるという点である。つまり、第２連結部２０に対する第１連結部１２の運動の自由度は３であり、上述した本リンク機構の１自由度分の冗長性は、第２連結部２０と第１連結部１２の間の運動とは分離された３つの剛体リンク要素である、第１屈曲部１４、中間連結部１６、第２屈曲部１８が連動した1自由度分の運動となって現れるに過ぎない。本実施形態では、第２連結部２０と第１連結部１２の間の運動とは分離された１自由度分のこの運動を特異姿勢回避のための運動として活用している。本発明におけるリンク機構は、上述したメカニズムによって、その特異姿勢が好適に回避されるため、球関節との等価性が好適に実現されるのである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上、説明したように、本発明によれば、広い可動範囲を有する新規な等価球関節構造が提供される。本発明の等価球関節構造によって、従来、パラレル型マニピュレータにおいて、球関節の可動範囲の制約によってその実現が困難とされていた動きが可能となり、このようなパラレル型マニピュレータが各種産業用ロボットに応用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態の等価球関節構造を示す斜視図。
【図２】本実施形態の等価球関節構造のリンク機構を説明するための概念図。
【図３】本実施形態の等価球関節構造の剛体リンクを示す図。
【図４】本実施形態の等価球関節構造が運動する態様を時系列的に示す図。
【図５】本発明のメカニズムを説明するためのモデルリンク機構を示す図。
【図６】本実施形態の等価球関節構造がその運動の過程で取り得る３つの姿勢を示す図。
【図７】本実施形態の等価球関節構造における３つの特異姿勢を示す図。
【図８】本実施形態の等価球関節構造における特異姿勢回避手段を示す図。
【図９】本実施形態の等価球関節構造において特異姿勢が回避される態様を示す図。
【図１０】従来の球面軸受を利用した球関節構造を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…等価球関節構造、１２…第１連結部、１４…第１屈曲部、１６…中間連結部、１８…第２屈曲部、２０…第２連結部、２２…ねじりバネ、２４…回転関節、２６…回転関節、２８…回転関節、３０…回転関節、３２…軸状突起、４０…球関節構造、４２…リンク、４４…端部、４６…軸受
【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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