JP2005351379A - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 リンク機構の回転対偶部でのガタツキを抑制し、操作性や位置決め精度の向上、さらに原点位置への復帰を容易に図る。
【構成】 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、前記入力部材４と出力部材５の間を一つ以上の接触部１４を介して連結した球面構造体１１を前記リンク機構に付設する。
【選択図】 図３

Description

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や、二次元的な操作が可能なゲーム用ジョイスティック等に利用されるリンク作動装置に関する。

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、本出願人は、三組のリンク機構を具備したものを先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

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、前記入力部材と連結された各リンク機構の回転対偶部のうち、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。
特開２００４−９２７６号公報

しかしながら、このリンク作動装置では、入力部材と出力部材のそれぞれに設けられたリンクハブの中央部の断面積が小さいため、入出力部材の取り付けスペースが狭く、また、リンク機構の内側空間を利用して、入力部材と出力部材間の制御媒体を流通させる通路の設置スペースを確保することが困難であった。

また、出力部材の角度制御のために設けられたアクチュエータおよび回転角度駆動ギアユニットがリンク機構の回転対偶部のリンクハブ外側に張り出すように設置されるため、入力部材上に広い設置スペースを確保する必要がある。

さらに、前述したアクチュエータおよび回転角度駆動ギアユニットが外部環境に晒されているためにそれらを外部から保護する手段を講じなければならず、そのためには装置外形が大きくなってしまう。

そこで、この問題点を解消するため、本出願人は、装置全体の外形を大きくすることなく、リンクハブ中央部の外径を拡大し、アクチュエータ等の駆動機構をコンパクトに配置し得るリンク作動装置を先に提案している（特願２００３−４００８６）。

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。

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具備したリンク作動装置を先に提案している（特願２００３−２８７９４５）。

このリンク作動装置は、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することにより、所定の関係式による逆変換でもって出力側リンクハブの姿勢を制御可能とし、また、前記関係式による順変換でもって出力側リンクハブの姿勢を検出可能としたものであり、二次元的な操作が可能なゲーム用ジョイスティックとしての用途例を開示するものである。

ところで、前述のリンク作動装置において、リンク機構の各回転対偶部に摩擦部材を付設することにより、入力側端部リンク部材、中央リンク部材あるいは出力側端部リンク部材を任意の角度位置で固定可能な構造とする場合、各回転対偶部の摩擦抵抗に差が生じるため、リンク機構を手動で操作した時に、その角度方向によっては作動抵抗に差が生じることになり、手動操作性が悪くなる可能性がある。また、すべての回転対偶部に摩擦部材を設けると、手動操作が重くなり、この点でも操作性の悪化を招来する。

一方、前述のような摩擦部材が設けられていない回転対偶部を有するリンク機構の場合、その回転対偶部にすきまがあると、リンク機構の静止時における固定状態でガタツキが発生し、出力側リンクハブを高精度に位置決め停止させることが困難となる。

また、特願２００３−２８７９４５で開示されたリンク作動装置では、ジョイスティックのレバーが取り付けられた出力側リンクハブを任意の角度位置で固定させる手段としてサーボモータによる制御を用いているが、その場合、機構が大掛かりになってしまう。また、ジョイスティックにリンク作動装置を適用する場合、作動後のリンク機構を原点位置に復帰させる構造を必要とすることが多いというのが現状である。

そこで、本発明は前述の改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、リンク機構の回転対偶部でのガタツキを抑制し、操作性や位置決め精度の向上、さらに原点位置への復帰を容易に図り得るリンク作動装置を提供することにある。

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、前記入力部材と出力部材の間を一つ以上の接触部を介して連結した構造体を前記リンク機構に付設したことを特徴とする。

ここで、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。

また、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部の軸は、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。

本発明に係るリンク作動装置では、入力部材と出力部材の間を一つ以上の接触部を介して連結した構造体を前記リンク機構に付設したことにより、リンク機構の回転対偶部でのガタツキを抑制し、手動操作性や位置決め精度の向上が図れる。

前述の構成における構造体は、入力部材と出力部材のそれぞれに設けられた一対の球面部材からなり、前記入力部材と出力部材を一つの接触部により連結する球面構造体が望ましい。球面部材は、その球面中心が入力部材と出力部材の中心軸方向に移動可能とし、その球面中心は、入力部材と出力部材の中心軸の交点と常に一致する構造とすればよい。

また、構造体は、入力部材と出力部材のそれぞれに設けられた一対の球面部材と、それら一対の球面部材間に介設された中間部材とからなり、前記入力部材と出力部材を二つの接触部により連結する球面構造体も可能である。一対の球面部材は、それぞれの球面中心が入力部材と出力部材の中心軸上に存在する構造とすればよい。球面部材は、それぞれの球面中心が入力部材と出力部材の中心軸方向に移動可能とした構造が望ましい。また、一対の球面部材は、それぞれの球面中心が入力側と出力側のリンク中心と一致する構造とすればよい。このように入力側と出力側のリンク中心と各々の球面部材の球面中心を一致させることで球面中心間距離が作動角度によらず一定となるため、軸方向の可変構造の必要がなくなり、剛性の向上が図れる。なお、中間部材は、その軸方向長さを調整可能な構造、あるいは、球面部材と点接触する複数の転動体を円周方向に配設した構造が可能である。

前述の構成において、入力部材と出力部材のいずれか一方に球面部材を軸受を介して回転自在に装着し、前記球面部材に回転部材を固定することにより、その回転部材を入力側部材あるいは出力部材に対して回転可能とすれば、三自由度機構を実現できる。

さらに、前述の構成において、接触部に予圧を付与した予圧付与手段を具備した構造が望ましい。この予圧付与により、回転対偶部でのすきまを詰めることができて剛性の向上が図れ、リンク機構の剛性を補助することができ、リンク作動装置全体の剛性アップが図れる。その予圧付与手段としては、予圧を、入力部材あるいは出力部材の中心軸方向に付与する構造、あるいは入出力側のリンク中心を結ぶ直線方向に付与する構造が可能である。このように球面構造体の接触部に予圧を付与し、この接触部の摩擦力により、入力部材と出力部材の角度を固定可能とすれば、静止機構となりうる。

さらに、予圧付与手段としては、入力部材あるいは出力部材の中心軸の交点と入力側および出力側のリンク中心を含む平面内で、入出力側のリンク中心を結ぶ直線と平行な方向に付与する構造が可能である。

また、予圧付与手段として、リンク機構の作動角が大きくなるにつれて予圧を増加させる構造とし、リンク機構が原点位置に復帰可能とすれば、リンク機構に原点復帰機能を付加することができる。

その他、予圧付与手段により球面部材に付与される予圧でもって球面構造体の接触部に接触力を付与する構造が可能である。また、球面構造体の接触部にコーティングを施した構造とすれば、保守性と耐久性の向上が図れる。さらに、球面構造体に電磁ロック機構を付設した構造とすれば、静止時の剛性を向上させることができ、強固な角度固定が可能となる。

また、球面構造体の一部が他部品と干渉する構造を設け、前記他部品との干渉構造でもって作動角を制限することが望ましく、その球面構造体の一部が他部品と干渉する構造として、リンク機構の最大作動角の１／２の角度で面取りを球面構造体の一部に形成した構造とすればよい。

さらに、リンク機構の二つ以上の入力側端部リンク部材に回転伝達部を設け、その回転伝達部を介してアクチュエータによりリンク機構を駆動する構造や、リンク機構の二つ以上の入力側端部リンク部材の回転角度を検知する回転角度検出機構を設けた構造が可能である。

本発明によれば、入力部材と出力部材の間を一つ以上の接触部を介して連結した構造体を前記リンク機構に付設したことにより、リンク機構の回転対偶部でのガタツキを抑制し、手動操作性や位置決め精度の向上が図れる。つまり、リンク機構の全角度方向で作動性が安定し、角度方向による作動抵抗のバラツキがなく操作性が向上する。

図１および図２に示すリンク作動装置の基本構成を示す。こ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や、二次元的な操作が可能なゲーム用ジョイスティック等に利用される三組のリンク機構１〜３を具備する。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。

図１に示すリンク作動装置の基本的構成は、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り、入出力部材４，５は、中心軸に貫通孔９，１０が形成され、外形を球面状としたドーナツ形状をなすリンクハブである。このリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃは、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを片持ちで支持した構造を具備する。

一方、図２に示すリンク作動装置の基本構成は、本出願人が先に提案した特願２００３−３８８３０７に開示したものと同一であり、入出力部材４，５は、円盤状をなす。このリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃは、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃを両端支持する構造を具備する。

図１および図２に示すように、各リンク機構１〜３は、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、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。

なお、図１および図２のリンク機構１〜３における各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃは軸受構造を内蔵している。これにより、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。その軸受構造としては、二個のラジアル玉軸受、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受、すべり軸受、もしくは一個の複列アンギュラ玉軸受などを使用することが可能である。

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との二つの回転対偶部６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂の各軸は、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。

リンク機構１〜３において、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。

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。

以下で説明する図３〜図１３の実施形態では、図１に示す基本構成のリンク作動装置に適用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されることなく、図２に示す基本構成のリンク作動装置にも適用可能であるのは勿論である。

［第一の実施形態］

図３は、リンク機構１〜３で構成されるリンク作動装置に一つの球面構造体１１を付設し、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの方向に力を付与するリンク作動装置を示す。入力部材４と出力部材５に連結された球面部材１２，１３は、入力部材４と出力部材５の間で球面接触している球面接触部１４を先端に有するロッド状をなす形状で、その球面中心は入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの交点Ａと一致している。なお、図面の簡略化のため、リンク機構１〜３の一部は省略している。

また、球面部材１２，１３は、入出力部材４，５に設置された滑り軸受１５を介して入出力部材４，５の貫通孔９，１０に挿通され、入出力部材４，５に対して中心軸方向Ｆ，Ｇに沿って移動可能な構造を具備する。さらに、入出力部材４，５の貫通孔９，１０の開口端部にねじ部材１６を螺着し、このねじ部材１６により入出力部材４，５の外部から球面部材１２，１３の端面を押すことにより、手動で球面部材１２，１３の球面接触部１４に球面力を付与する構造となっている。

球面部材１２，１３の球面接触部１４に球面力を付与することにより、その球面接触部１４での摩擦でもって、リンク機構１〜３を任意の姿勢で固定することができ、また、この力によりリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃのすきまを詰めることができるため、静止時のガタツキを低減することができる。また、球面接触部１４の剛性が高いため、リンク機構１〜３自体の剛性を補助することになり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。さらに、球面部材１２，１３の中心軸方向Ｆ，Ｇのスライド位置を固定することで、入出力部材４，５の作動角を一定に固定できる。球面接触部１４にグリースの付与やコーティングを施すことにより、リンク機構１〜３を動かすときの摩擦抵抗を軽減することができる。

なお、この実施形態では、手動によるねじ部材１６の押込みでもって球面接触部１４に球面力を付与しているが、入出力部材４，５の貫通孔９，１０にばねやゴムなどの弾性部材を設置し、その弾性力でもって球面接触部１４に球面力を付与するようにしてもよい。また、入出力部材４，５のいずれか一方に弾性部材を設置し、他方からねじ等で球面接触部１４に球面力を付与しても構わない。

［第二の実施形態］

前述した第一の実施形態のように球面接触部１４の球面中心と入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの交点Ａとを一致させた球面構造体１１を用いた場合、リンク作動装置が高角になる（出力部材５の作動角が大きくなる）につれて、球面構造体１１と中央リンク部材１ｂ〜３ｂが干渉するため、リンク作動装置の作動範囲が狭くなることが考えられる。

この点を改善したリンク作動装置を図４および図５に示す。なお、図４はリンク作動装置が直立状態、図５はリンク作動装置が９０°傾いた状態を示す。リンク機構１〜３で構成されるリンク作動装置に球面構造体２１を付設し、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの方向に力を付与する構造を具備する。球面構造体２１は、入力部材４および出力部材５のそれぞれに設けられた二つの球面部材２２とその間に位置する中間部材２３を有する。なお、図面の簡略化のため、リンク機構１〜３の一部は省略している。

入出力部材４，５には、その貫通孔９，１０の対向する開口端部に取り付け部材２６がボルト等で固定され、その取り付け部材２６に球面部材２２が入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇに沿ってスライド可能に装着されている。なお、取り付け部材２６は、入出力部材４，５の貫通孔９，１０を加工して入出力部材４，５と一体的に設けることも可能である。球面部材２２は、先端に球面接触部２４を有する軸状をなす形状で、この軸状部分の外径面と球面部材２２に押し当てたシム２７の外径面が取り付け部材２６と接触し、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの方向にスライド可能となっている。なお、シム２７と球面部材２２は別部材となっているが、これらを一体に成形してもよい。

このシム２７と取り付け部材２６の間には圧縮ばね２８が介設され、球面部材２２には、常に、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇに沿って近接する方向に力が付勢されている。この時、入力側と出力側の球面部材２２の球面中心Ｄ，Ｅは、それぞれ入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇ上に存在し、入力側のリンク中心Ｂと球面部材２２の球面中心Ｄの距離Ｂ−Ｄと、出力側のリンク中心Ｃと球面部材２２の球面中心Ｅの距離Ｃ−Ｅは等しくなっている。つまり、球面部材２２の球面中心Ｄ，Ｅを通る直線Ｉは、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの交点Ａと入出力側のリンク中心Ｂ，Ｃからなる平面上に存在し、入出力側のリンク中心Ｂ，Ｃを結ぶ直線Ｈと平行になっている（図５参照）。

ここで、入力側のリンク中心Ｂとは、入力側端部リンク部材１ａ〜３ａと入力部材４の回転対偶部６ａ〜８ａの回転軸と、入力側端部リンク部材１ａ〜３ａと中央リンク部材１ｂ〜３ｂとの回転対偶部６ｂ₁〜８ｂ₁の回転軸との交点を意味する。また、出力側のリンク中心Ｃとは、出力側端部リンク部材１ｃ〜３ｃと出力部材５の回転対偶部６ｃ〜８ｃの回転軸と、出力側端部リンク部材１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの回転対偶部６ｂ₂〜８ｂ₂の回転軸との交点を意味する。

この球面部材２２の球面部分は、両端が球面形状をなす中間部材２３と球面接触することにより球面接触部２４を構成し、圧縮ばね２８により球面接触部２４に球面力を付与する構造となっている。そのため、この球面接触部２４の摩擦により、リンク機構１〜３を任意の姿勢で固定することができ、また、この力によりリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃのすきまを詰めることができるため、作動および静止時のガタツキを減らすことができる。また、球面接触部２４の剛性が高いため、リンク機構１〜３自体の剛性を補助することになり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。球面接触部２４にグリースの付与やコーティングを施すことにより、リンク機構１〜３を動かすときの摩擦抵抗を軽減することができる。

なお、この実施形態では、圧縮ばね２８により球面接触部２４に球面力を付与しているが、前述の第一の実施形態のようにねじ等により手動で球面接触部２４に球面力を付与するようにしてもよい。また、圧縮ばね２８以外の弾性部材を使用することも可能である。また、球面部材２２のスライド部分の案内面には、スライド動作を滑らかに行えるように滑り軸受を設置してもよく、グリースの付与やコーティングを施してもよい。

この実施形態における球面構造体２１では、圧縮ばね２８による弾性力が入出力部材４，５の作動角が大きくなる方向に作用するため、リンク機構１〜３を静止させるためには、前述の弾性力に打ち勝つ摩擦力が必要となる。ここで、入力側のリンク中心Ｂと球面部材２２の球面中心Ｄの距離Ｂ−Ｄと、出力側のリンク中心Ｃと球面部材２２の球面中心Ｅの距離Ｃ−Ｅ（オフセット量）は小さいほうが、入出力部材４，５の作動角に作用する力が小さくなるため、入力側のリンク中心Ｂと球面部材１９の球面中心Ｄの距離Ｂ−Ｄと、出力側のリンク中心Ｃと球面部材２２の球面中心Ｅの距離Ｃ−Ｅは小さいほうが望ましい。

［第三の実施形態］

前述の第二の実施形態では、入力側のリンク中心Ｂと入力側の球面部材２２の球面中心Ｄが一致せず、また、出力側のリンク中心Ｃと出力側の球面部材２２の球面中心Ｅが一致していないため、球面部材２２を入出力部材４，５に対してスライド自在に設ける必要があった。また、リンク機構１〜３の姿勢により圧縮ばね２８の圧縮量が異なるため、球面接触部２４の球面力も姿勢により異なってくる。

この点を改善したリンク作動装置を図６〜図８に示す。これらリンク作動装置は、入力側のリンク中心Ｂと入力側の球面部材３２の球面中心Ｄを一致させ、かつ、出力側のリンク中心Ｃと出力側の球面部材３２の球面中心Ｅを一致させ、入出力側の球面中心Ｂ，Ｃを結ぶ軸方向に力を付与する球面構造体３１を具備する。なお、図面の簡略化のため、リンク機構１〜３の一部は省略している。

図６の実施形態では、入出力部材４，５の貫通孔９，１０の対向する開口端部に球面部材３２を設置し、その間に中間部材３３を介設した球面構造体３１としている。中間部材３３は、入力側中間部材３３ａと出力側中間部材３３ｂに分割されており、それらが入力側中間部材３３ａのボルト部３３ｃで連結され、そのボルト部３３ｃのねじ込み量により中間部材３３の長さは調整可能としている。中間部材３３の両端面は球面形状をなし、それぞれ入出力側の球面部材３２と球面接触することにより球面接触部３４を構成している。

そのため、中間部材３３を短くした状態でリンク作動装置への組み込みを行い、その中間部材３３を長くすることで球面接触部３４に球面力を付与することができる。その結果、球面接触部３４の摩擦により、リンク機構１〜３を任意の姿勢で固定することができ、また、この力によりリンク機構１〜３の各回転対偶部部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃのすきまを詰めることができるため、作動および静止時のガタツキを減らすことができる。また、球面接触部３４の剛性が高いため、リンク機構１〜３自体の剛性を補助することになり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。この球面構造体３１では、球面力の方向は、常に入出力側の球面中心Ｂ，Ｃを結ぶ軸方向となる。

なお、ボルト部３３ｃによる入力側中間部材３３ａと出力側中間部材３３ｂの締結部分には、緩み止め対策としてナット３３ｄを装着すればよい。また、入出力側の球面部材３２を別体で設ける以外に、入出力部材４，５の相互に対向する内側端面をそれぞれのリンク中心Ｂ，Ｃを球面中心とした球面形状としてもよい。

図７の実施形態では、球面部材４２を球面半径を大きくすることにより、リンク作動装置の作動範囲を広くした球面構造体４１としている。なお、この球面構造体４１を構成する中間部材４３は、前述の図６の実施形態と同様、その中間部材４３の長さを可変できる構造としてもよい。その他の構成および動作については、図６の実施形態と同様であるため、重複説明は省略する。

図８（ａ）（ｂ）の実施形態では、入出力部材４，５の貫通孔９，１０の対向する開口端部に球面部材５２を設置し、その間に中間部材５３を介設し、出力側から球面接触部５４に球面力を付与する球面構造体５１としている。中間部材５３と入出力側の球面部材５２の間には転動体５５（図では鋼球）を介在させ、転動体５５と球面部材５２の球面を点接触させている。

出力部材５の貫通孔９，１０には、滑り軸受５６を介して押付部材５７の軸状部分が、出力部材５の中心軸Ｇの方向にスライド可能に挿入されている。出力側の球面部材５２と出力部材５の間にはすきまが設けられており、このすきまを利用して球面部材５２間に中間部材５３を介在させ、押付部材５７を出力部材５の外側平面にボルト等で固定することにより、転動体５５と球面部材５２の接触部５４に力を付与することができる。そのため、この接触部５４の摩擦により、リンク機構１〜３を任意の姿勢で固定することができ、また、この力によりリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃのすきまを詰めることができるため、作動および静止時のガタツキを減らすことができる。また、接触部５４の剛性が高いため、リンク機構１〜３自体の剛性を補助することになり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。接触部５４にグリースの付与やコーティングを施すことにより、リンク機構１〜３を動かすときの摩擦抵抗を軽減することができる。

［第四の実施形態］

図９に示す第四の実施形態では、図７の実施形態における出力側に回転プレート６９を設置し、三自由度の回転機構を設けた構造を具備する。出力部材５の貫通孔１０の両開口端部には、二つのアンギュラ玉軸受６６，６８が背面合わせで設置されており、出力側の球面部材６２の軸状部分をアンギュラ玉軸受６６，６８の内径部に挿入している。なお、中間部材６３については、図６の実施形態と同様、その長さを可変できる構造としてもよい。なお、図面の簡略化のため、リンク機構１〜３は省略している。

この球面構造体６１の組立手順としては、まず、中間部材６３を縮めた状態で入出力側の球面部材６２間に配置し、その中間部材６３を延ばすことにより球面接触部６４に球面力を付与する。出力側の球面部材６２は、出力部材５の内側に位置する一方のアンギュラ玉軸受６６の内輪端面に接触し、その他の部分には接触しないようにする。

出力部材５の上面部では、回転部材６９を出力側の球面部材６２の軸状部分に挿入してナット６７で固定する。回転部材６９は、出力部材５の外側に位置する他方のアンギュラ玉軸受６８の内輪端面のみに接触しているため、ナット６７の締め付けによりそのアンギュラ玉軸受６６，６８に予圧が付与される。

この結果、回転部材６９は出力側の球面部材６２と一体的に回転する。そのため、球面接触部６４の摩擦により、リンク機構１〜３を任意の姿勢で固定することができるだけでなく、この回転部材６９の回転方向の自由度も任意の位置で固定することができる。また、この力によりリンク機構１〜３の各回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃのすきまを詰めることができるため、作動および静止時のガタツキを減らすことができる。また、球面接触部６４の剛性が高いため、リンク機構１〜３自体の剛性を補助することになり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。球面接触部６４にグリースの付与やコーティングを施すことにより、リンク機構１〜３を動かすときの摩擦抵抗を軽減することができる。

なお、この実施形態では、回転自由度を与えるためにアンギュラ玉軸受６６，６８を背面合わせで設置しているが、回転自由度を与える手段として他の構造であってもよい。また、この実施形態のように、出力側の球面部材６２に軸状部分を設けて出力部材５に軸受６６，６８を設置して回転可能にすれば、他の構造の三自由度機構を付設することができる。

［第五の実施形態］

図１０および図１１は、リンク作動装置を傾けても手を離すと原点（直立姿勢）に復帰するリンク作動装置を示す。なお、図１０はリンク作動装置が直立した状態を示し、図１１はリンク作動装置が９０°傾いた状態を示す。なお、図面の簡略化のため、リンク機構１〜３は省略している。

入出力部材４，５の貫通孔９，１０の対向する開口端部には、内径面の一部に球面を持つ受け部材７６がボルト等で取り付けられており、それぞれの内径部に球面部材７２が挿入され、その球面部材７２の球面の一部が受け部材７６と球面接触することにより、球面接触部７４を構成している。なお、球面部材７２の球面中心Ｄ，Ｅは、入出力側のリンク中心Ｂ，Ｃと一致していない。入力側と出力側の球面部材７２の球面中心Ｄ，Ｅは、それぞれ入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇ上に存在し、入力側のリンク中心Ｂと球面部材７２の球面中心Ｄの距離Ｂ−Ｄと、出力側のリンク中心Ｃと球面部材７２の球面中心Ｅの距離Ｃ−Ｅは等しくなっている。

つまり、球面部材７２の球面中心Ｄ，Ｅを通る直線Ｉは、入出力部材４，５の中心軸Ｆ，Ｇの交点Ａと入出力側のリンク中心Ｂ，Ｃからなる平面上に存在し、入出力側のリンク中心Ｂ，Ｃを結ぶ直線Ｈと平行になっている（図１１参照）。球面部材７２の間には中間部材７３が介設され、この中間部材７３には入力側の球面部材７２の軸状部分がスライド自在に挿入されている。この中間部材７３の内部には圧縮ばね７７を軸方向に沿って配設し、入力側の球面部材７２の先端に押え部材７５をボルト等で固定することにより、中間部材７３と入力側の球面部材７２の間に圧縮力が付与される。

また、中間部材７３は出力側の球面部材７２にピンやねじ（図示せず）により固定されているため、圧縮ばね７７が圧縮すると球面部材７２間で引き寄せあう方向に力が働く。つまり、リンク作動装置が傾くと、圧縮ばね７７が圧縮するために入出力側で引き寄せあう方向に力が働き、リンク作動装置が原点位置（直立姿勢）に復帰しようとする。なお、その原点位置（直立姿勢）でも、圧縮ばね７７は圧縮した状態になるようにばねを選定すればよい。

図１２は図１１のＪ部詳細図を示す。入力側もしくは出力側の受け部材７６の内径部内側端面に、リンク作動装置に要求される最大作動角θ_maxの１／２の角度で面取りを行い、リンク作動装置が最大作動角θ_maxに達したときに、球面部材７２の軸状部分がこの面取り部Ｌと接触するようにすれば、リンク作動装置の角度制限機構ともなりうる。

また、図１３は図１１のＫ部詳細図を示す。出力側の球面部材７２に、リンク作動装置に要求される最大作動角θ_maxの１／２の角度で面取りを行い、リンク作動装置が最大作動角θ_maxに達した時に、受け部材７６がこの面取り部Ｍと接触するようにすれば、リンク作動装置の角度制限機構ともなりうる。

なお、この実施形態においても、球面接触部７４にグリースの付与やコーティングを施すことにより、リンク作動装置を動かすときの摩擦抵抗を軽減することができる。また、入力側の球面部材７２と中間部材７３のスライド部分の案内面には、スライド動作を滑らかに行えるように滑り軸受を設置してもよく、グリースの付与やコーティングを施してもよい。

以上で説明した第一〜第五の実施形態においては、二つ以上の入力側端部リンク部材１ａ〜３ａの回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃに回転伝達部を設け、その回転伝達部を介して回転モータあるいは直動モータ等のアクチュエータによりリンク作動装置を駆動するようにしてもよい。また、入力側端部リンク部材１ａ〜３ａと入力部材４の回転対偶部６ａ〜８ａ，６ｂ₁，６ｂ₂〜８ｂ₁，８ｂ₂，６ｃ〜８ｃの回転軸上に、その端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角度を検知できる二つ以上の回転角度検出機構を設け、ジョイスティックとして利用することも可能である。さらに、第一〜第五の実施形態における球面構造体に電磁ロック機構を付設した構造とすれば、静止時の剛性を向上させることができ、強固な角度固定が可能となる。

本発明に係るリンク作動装置で、三組のリンク機構を具備した片持ち支持タイプの基本構成を示す斜視図である。 本発明に係るリンク作動装置で、三組のリンク機構を具備した両端支持タイプの基本構成を示す斜視図である。 本発明の第一の実施形態を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態で、リンク機構が直立した状態を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態で、リンク機構が９０°傾いた状態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態の変形例で、リンク機構が９０°傾いた状態を示すを示す正面図である。 本発明の第三の実施形態の変形例で、（ａ）はリンク機構が直立した状態を示す断面図、（ｂ）は中間部材を示す平面図である。 本発明の第四の実施形態で、リンク機構が直立した状態を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態で、リンク機構が直立した状態を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態で、リンク機構が９０°傾いた状態を示す断面図である。 図１１のＪ部を示す拡大断面図である。 図１１のＫ部を示す拡大断面図である。

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 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
１１ 構造体（球面構造体）
１２，１３ 球面部材
１４ 接触部

Claims (24)

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、前記入力部材と出力部材の間を一つ以上の接触部を介して連結した構造体を前記リンク機構に付設したことを特徴とするリンク作動装置。
2. 前記構造体は、入力部材と出力部材のそれぞれに設けられた一対の球面部材からなり、前記入力部材と出力部材を一つの接触部により連結する球面構造体とした請求項１に記載のリンク作動装置。
3. 前記球面部材は、その球面中心が入力部材と出力部材の中心軸方向に移動可能とした構造である請求項２に記載のリンク作動装置。
4. 前記球面中心は、入力部材と出力部材の中心軸の交点と常に一致する構造である請求項３に記載のリンク作動装置。
5. 前記構造体は、入力部材と出力部材のそれぞれに設けられた一対の球面部材と、それら一対の球面部材間に介設された中間部材とからなり、前記入力部材と出力部材を二つの接触部により連結する球面構造体とした請求項１に記載のリンク作動装置。
6. 前記一対の球面部材は、それぞれの球面中心が入力部材と出力部材の中心軸上に存在する構造とした請求項５に記載のリンク作動装置。
7. 前記球面部材は、それぞれの球面中心が入力部材と出力部材の中心軸方向に移動可能とした構造である請求項５又は６に記載のリンク作動装置。
8. 前記一対の球面部材は、それぞれの球面中心が入力側と出力側のリンク中心と一致する構造とした請求項５又は６に記載のリンク作動装置。
9. 前記中間部材は、その軸方向長さを調整可能な構造とした請求項８に記載のリンク作動装置。
10. 前記中間部材は、球面部材と点接触する複数の転動体を円周方向に配設した構造とした請求項８に記載のリンク作動装置。
11. 前記入力部材と出力部材のいずれか一方に球面部材を軸受を介して回転自在に装着し、前記球面部材に回転部材を固定することにより、その回転部材を入力側部材あるいは出力部材に対して回転可能とした請求項１〜１０のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
12. 前記接触部に予圧を付与した予圧付与手段を具備した請求項１〜１１のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
13. 前記予圧付与手段は、予圧を、入力部材あるいは出力部材の中心軸方向に付与する構造とした請求項１２に記載のリンク作動装置。
14. 前記予圧付与手段は、予圧を、入出力側のリンク中心を結ぶ直線方向に付与する構造とした請求項１２に記載のリンク作動装置。
15. 前記球面構造体の接触部に予圧を付与し、この接触部の摩擦力により、入力部材と出力部材の角度を固定可能とした請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
16. 前記予圧付与手段は、入力部材あるいは出力部材の中心軸の交点と入力側および出力側のリンク中心を含む平面内で、入出力側のリンク中心を結ぶ直線と平行な方向に付与する構造とした請求項１２に記載のリンク作動装置。
17. 前記予圧付与手段は、リンク機構の作動角が大きくなるにつれて予圧を増加させる構造とし、リンク機構が原点位置に復帰可能とした請求項１６に記載のリンク作動装置。
18. 前記予圧付与手段により球面部材に付与される予圧でもって球面構造体の接触部に接触力を付与する構造とした請求項１２〜１７のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
19. 前記球面構造体の接触部にコーティングを施した請求項１〜１８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
20. 前記球面構造体に電磁ロック機構を付設した請求項１〜１９のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
21. 前記球面構造体の一部が他部品と干渉する構造を具備し、前記他部品との干渉構造でもって作動角を制限した請求項１〜２０のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
22. 前記球面構造体の一部が他部品と干渉する構造として、リンク機構の最大作動角の１／２の角度で面取りを球面構造体の一部に形成した請求項２１に記載のリンク作動装置。
23. 前記リンク機構の二つ以上の入力側端部リンク部材に回転伝達部を設け、その回転伝達部を介してアクチュエータによりリンク機構を駆動する請求項１〜２２のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
24. 前記リンク機構の二つ以上の入力側端部リンク部材の回転角度を検知する回転角度検出機構を設けた請求項１〜２２のいずれか一項に記載のリンク作動装置。

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