JP2004261886A

JP2004261886A - リンク作動装置

Info

Publication number: JP2004261886A
Application number: JP2003040086A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Sone; 啓助曽根; Hiroshi Isobe; 浩磯部
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-24
Also published as: WO2004073935A1

Abstract

【目的】装置全体の外形を大きくすることなく、リンクハブの外形を拡大し、アクチュエータ等の駆動機構をコンパクトに配置することにある。
【構成】入力側と出力側のそれぞれに配されたリンクハブ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たリンク作動装置において、前記リンクハブ４，５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１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと結合させることにより、前記リンクハブ４，５内に軸受構造を埋設する。
【選択図】図１

Description

【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（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。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９４２４５号公報
【０００６】
【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。
【０００７】
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２００２−１７０２２３）。
【０００８】
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ものである。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
そこで、本発明は前記課題を解決するために提案されたもので、その目的とするところは、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形を拡大し、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提供することにある。
【００１３】
【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たリンク作動装置において、前記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、前記リンクハブ内に軸受構造を埋設したことを特徴とする。
【００１４】
具体的な軸受構造としては、前記リンクハブがその軸方向に中心孔を有する環状をなし、その半径方向に形成された貫通孔に軸受を介して軸部材を嵌挿し、その軸部材の外側軸端部に端部リンク部材を結合させた構造が可能である。
【００１５】
本発明では、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て前記リンクハブ内に軸受構造を埋設したので、装置全体の外形を大きくすることなく、リンクハブの外形を拡大することができ、入出力部材の取り付けスペースを確保することができる。また、このリンクハブの拡大により、リンク機構の内側空間を利用することができ、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容易となる。
【００１６】
なお、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。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明では、前記軸部材の内側軸端部に回転伝達部を設け、その回転伝達部を介して端部リンク部材の回転角位置を制御するアクチュエータを結合させた構造とすることが望ましい。このようにすれば、回転伝達部がリンクハブの軸部材の内側に配置できるので、その回転伝達部の保護が可能となる。また、アクチュエータを前記回転伝達部を介してリンク機構外の有効なスペースに配置することができ、装置のコンパクト化が実現容易となる。さらに、前記アクチュエータをリンク機構と切り離し可能に構成すれば、アクチュエータをリンク機構と別に組み立てることができて組立性および保守が容易となる。
【００１９】
また、本発明では、前記中央リンク部材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、前記中央リンク部材内に軸受構造を埋設した構成とすることが望ましい。その具体的な軸受構造としては、前記端部リンク部材の一端に軸部を一体的に設け、その軸部を中央リンク部材に形成された貫通孔に軸受を介して嵌挿した構造が可能である。
【００２０】
【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。
【００２１】
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。
【００２２】
これら三組のリンク機構１〜３（第一乃至第三のリンク機構）のそれぞれは幾何学的に同一形状をなす。リンク機構１〜３の入力側は、この作動装置が組み込まれる装置の固定部位、例えばアクチュエータケースｍに装着され、リンク機構１〜３の出力側は、作動装置が組み込まれる装置の可動部位、例えばツールに取り付けられる。
【００２３】
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。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。
【００２４】
一組のリンク機構１〜３は、入力側のアクチュエータｍと出力側のツール（図示せず）のそれぞれに装着され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。
【００２５】
図１の実施形態のリンク機構１〜３は回転対象タイプで、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の位置関係が、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なっている。図１では、入力側のリンクハブ軸Ｂに対して出力側のリンクハブ軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。
【００２６】
なお、図４の実施形態のリンク機構１〜３は鏡像対象タイプで、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の位置関係が、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの中心線Ａに対して鏡像対称となる位置構成となっている。図４では、入力側のリンクハブ軸Ｂに対して出力側のリンクハブ軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。
【００２７】
図２は入力側に配されたリンクハブ４を示す。同図に示すリンクハブ４は、その軸方向に配線などの通路用として中心孔６が形成され、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなし、さらに、半径方向に貫通孔８を円周方向等間隔で形成し、その貫通孔８に軸受９を介して軸部材１０を嵌挿させた構造を具備する。
【００２８】
この軸受９は、リンクハブ４の貫通孔８に内嵌された軸受外輪と、軸部材１０に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体からなる。軸部材１０の内側端部には、後述するリンク機構１〜３の駆動機構との動力伝達を行うためのギア部１１が形成されている。
【００２９】
このリングハブ４の中心孔６とリンク機構１〜３の内側空間Ｓは、入出力間で制御媒体を流通させる通路の設置スペースを確保する手段として有効に利用される。リンクハブ４に対して軸部材１０を回転自在に支承する軸受９は、止め輪１２によりリンクハブ４から抜け止めされている。
【００３０】
この軸受９としては、図示のように二個の玉軸受を配設する以外に、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受あるいはすべり軸受を使用することも可能である。なお、出力側に配されたリンクハブ５は、軸部材１０の内側端部にギア部が設けられていない点を除いて図２のリンクハブ４と同一構造である。軸部材１０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、各軸部材に端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。
【００３１】
端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃはＬ字状をなし、一辺をリンクハブ４，５から突出する軸部材１０の先端にナット１３で結合し、他辺を中央リンク部材１ｂ〜３ｂに連結する。この端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃは、大きな角度がとれるようにリンク中心側に位置する軸部１５の屈曲基端内側が大きくカットされた形状を有する。
【００３２】
なお、軸部材１０と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃは、前述したナット１３以外に、加締めにより結合することが可能で、その場合、結合構造の省スペース化が実現できる。さらに、軸部材１０と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃをキーあるいはセレーションにより結合させれば、その結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることもできる。
【００３３】
一方、中央リンク部材１ｂ〜３ｂはほぼＬ字状をなし、両辺に貫通孔１４を有する。この中央リング部材１ｂ〜３ｂは、大きな角度がとれるようにその周方向側面がカットされた形状を有する。端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃの他辺から一体的に屈曲成形された軸部１５を軸受１６を介して中央リンク部材１ｂ〜３ｂの両辺の貫通孔１４に挿通する。
【００３４】
この軸受１６は、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの貫通孔１４に内嵌された軸受外輪と、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃの軸部１５に外嵌された軸受内輪と、軸受外輪と軸受内輪間に回転自在に介挿されたボール等の転動体からなる。端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃに対して中央リンク部材１ｂ〜３ｂを回転自在に支承する軸受１６は、止め輪１７により中央リンク部材１ｂ〜３ｂから抜け止めされている。
【００３５】
なお、リンクハブ４の貫通孔８と中央リンク部材３ｂの貫通孔１４のなす角は、回転対称となるリンク機構３の位置構成から９０°としている。また、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの入力側と出力側の貫通孔１４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°より小さいと、中央リンク部材１ｂ〜３ｂの外径が大きくなりすぎ、１００°より大きいと、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。
【００３６】
前記リンク機構１〜３において、リンクハブ４，５の軸部材１０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とリンクハブ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。
【００３７】
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。
【００３８】
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の二つの連結部分と、端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃと中央リンク部材１ｂ〜３ｂの二つ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。
【００３９】
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、入出力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、入出力間に生じるバックラッシュを少なくすることができる。
【００４０】
リンク機構１〜３の駆動機構は、図１および図３に示すように入力側のリンクハブ４に装着された軸部材１０の内側端部に形成されたギア部１１を連結ギア１８を介して減速ギアユニット１９に連結し、その減速ギアユニット１９をアクチュエータである駆動モータ２０に出力軸２１に連結する。これら減速ギアユニット１９および駆動モータ２０は、リングハブ４の下部に配置されたアクチュエータケースｍ内に収容されている。
【００４１】
なお、この実施形態では、駆動力伝達手段としてギアを利用しているが、これ以外にベルトやチェーン、さらにシリンダによる直接駆動を利用してもよい。また、回転駆動用アクチュエータとしては、前述したモータ以外に、ラックとピニオンからなる直動アクチュエータを使用することも可能である。さらに、この実施形態では、三つのリンク機構をアクチュエータにより駆動制御しているが、二つのリンク機構を駆動制御するようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、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て前記リンクハブ内に軸受構造を埋設したので、装置全体の外形を大きくすることなく、リンクハブの外形を拡大することができ、入出力側での取付けスペースの確保が容易となる。また、このリンクハブの拡大と共にリンク機構の内側空間を利用することで、入出力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容易となる。
【００４３】
また、前記軸部材の内側軸端部に回転伝達部を設け、その回転伝達部を介して端部リンク部材の回転角位置を制御するアクチュエータを結合させた構造とすれば、回転伝達部がリンクハブの軸部材の内側に配置できるので、その回転伝達部の保護が可能となる。また、アクチュエータを前記回転伝達部を介してリンク機構外の有効なスペースに配置することができ、装置のコンパクト化が実現容易となる。さらに、前記アクチュエータをリンク機構と切り離し可能に構成すれば、アクチュエータをリンク機構と別に組み立てることができて組立性および保守が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリンク作動装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のリンクハブおよび端部リンク部材を示す断面図である。
【図３】図１のリンクハブおよびアクチュエータを示す一部省略部分を含む斜視図である。
【図４】本発明に係るリンク作動装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【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
６，７中心孔
８，１４貫通孔
９，１６軸受
１０軸部材
１１回転伝達部（ギア部）
２０アクチュエータ

Claims

入出力側にそれぞれ配され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リンク作動装置において、前記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、前記リンクハブ内に軸受構造を埋設したことを特徴とするリンク作動装置。
前記リンクハブはその軸方向に中心孔を有する環状をなし、その半径方向に形成された貫通孔に軸受を介して軸部材を嵌挿し、その軸部材の外側軸端部に端部リンク部材を結合させた請求項１に記載のリンク作動装置。
前記軸部材の内側軸端部に回転伝達部を設け、その回転伝達部を介して端部リンク部材の回転角位置を制御するアクチュエータを結合させた請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
前記アクチュエータをリンク機構と切り離し可能に構成した請求項３に記載のリンク作動装置。
前記中央リンク部材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、前記中央リンク部材内に軸受構造を埋設した請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリンク作動装置。
前記端部リンク部材の一端に軸部を一体的に設け、その軸部を中央リンク部材に形成された貫通孔に軸受を介して嵌挿した請求項５に記載のリンク作動装置。