JP2005069462A - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 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端部リンク部材の回転角を求めたりするための制御手段を開示することにある。
【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、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角βｎとの関係式による逆変換でもって出力側リンクハブ５の姿勢を制御可能とし、順変換でもって出力側リンクハブ４の姿勢を検出可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リンク作動装置に関し、例えば、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用いら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）。

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。

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。
特開２０００−９４２４５号公報

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。

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）。

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。

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、本発明は、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ようとすることを目的とする。

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、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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出力側リンクハブの姿勢を制御可能としたり、あるいは、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ことを特徴とする。

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。

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。

出力側リンクハブの姿勢において、「折れ角θ」とは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブが傾斜した垂直角度で、「旋回角φ」とは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブが傾斜した水平角度を意味する。「回転角βｎ」とは、入力側リンクハブ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、入力側リンクハブ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、出力側リンクハブ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、入力側リンクハブ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側リンクハブ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、出力側リンクハブ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リンクハブの端部リンク部材の回転角を求めることを意味し、「関係式による順変換」とは、入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を規定する目標値を関係式に入力することにより、その回転角入力に対する出力側リンクハブの姿勢を求めることを意味する。

このリンク作動装置において、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付設した構造とすることが望ましく、その回転角検出手段としては、入力側リンクハブの外径側あるいは内径側のいずれかに回転角度センサを配設した構造が可能である。また、入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を規制する回転角規制手段を付設した構造とすることが望ましい。

また、このリンク作動装置において、出力側リンクハブにレーザ光学機器を取り付けた構造、入力側リンクハブにトルクセンサを取り付け、出力側リンクハブの捩れトルクを検出可能とした構造、入力側リンクハブを入力側に対して回転可能とし、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と回転変位を検出可能とした構造とすることが可能である。

さらに、このリンク作動装置としては、各リンク機構を入出力間で直列に連設した構造とすることも可能である。このように各リンク機構を直列に配置したことにより、最大１８０°で大きな作動角をとることができる。

本発明によれば、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角βｎとの所定の関係式を用いることにより、そ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することができ、また、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することができる。つまり、出力側リンクハブの姿勢制御は、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リンクハブの端部リンク部材の回転角を求めることで実現できる。また、出力側リンクハブの姿勢検出は、入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。

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。

図１に示す実施形態は、例えば、二次元的な操作が可能なゲーム用ジョイスティックや、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。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（図示せず）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、例えばジョイスティックのレバー（図示せず）が取り付けられる。

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。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。

一組のリンク機構１〜３は、入力側のアクチュエータケースと出力側のレバー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とを具備する。

図２（ａ）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。この軸受９は、図示しないが、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。

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１３によりリンクハブ４から抜け止めされている。

この軸受９としては、二個の玉軸受、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が可能である。なお、出力側に配されたリンクハブ５は、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１０に端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃが連結される。

端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃはＬ字状をなし、一方の端部１１ａ，１１ｃをリンクハブ４，５から突出する軸部材１０の先端にナットで結合し、他方の端部１２ａ，１２ｃを中央リンク部材１ｂ〜３ｂに連結する。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。

一方、中央リンク部材１ｂ〜３ｂはほぼＬ字状をなし、一方の端部は入力側の端部リンク部材１ａ〜３ａの端部１２ａに、他方の端部は出力側の端部リンク部材１ｃ〜３ｃの端部１２ｃに軸受を介して回転自在に結合されている。この中央リンク部材１ｂ〜３ｂと端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの結合構造は、前述したリンクハブ４，５と端部リンク部材１ａ〜３ａ，１ｃ〜３ｃとの結合構造と同様である。

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。

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。

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。

このリンク作動装置は、以下の規定に従って制御することが可能である。
すなわち、出力側のリンクハブ５の姿勢は、二自由度（折れ角θと旋回角φ）で規定することができ、出力側リンクハブ５の姿勢（折れ角θと旋回角φ）と入力側リンクハブ４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。

なお、下記の関係式におけるパラメータθは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブ５が垂直方向に傾斜した角度、パラメータφは、入力側リンクハブ軸に対して出力側リンクハブ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、入力側リンクハブ４に回転自在に連結された端部リンク部材１ａ，３ａの連結端における回転角、パラメータγは、入力側リンクハブ４の端部リンク部材２ａに回転自在に連結された中央リンク部材２ｂの連結端軸と、出力側リンクハブ５の端部リンク部材２ｃに回転自在に連結された中央リンク部材２ｂの連結端軸とがなす角度である。この関係式は、リンク機構が三組で、端部リンク部材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

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側リンクハブの姿勢を制御することができる。つまり、出力側リンクハブの姿勢制御は、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リンクハブの端部リンク部材の回転角を求めることで実現できる。

また、前記関係式の順変換でもって出力側リンクの姿勢を検出することができる。つまり、出力側リンクハブの姿勢検出は、入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を測定し、その測定値を関係式に入力することにより実現できる。なお、前述した方程式を解く代わりに収束演算を行なうようにしてもよい。

図３に示す実施形態のリンク作動装置は、出力側リンクハブ５にレバー１４を装着した構造を具備する。一方、入力側リンクハブ４を円盤状のベースプレート１５に固着し、そのベースプレート１５の周縁部に直角に起立するように支持フレーム１６を垂設する。この支持フレーム１６には、ポテンショメータ１７が取り付けられ、そのポテンショメータ１７の軸とリンクハブ４の軸部材１０〔図２（ａ）参照〕が同軸上になるように配置されている。このポテンショメータ１７の軸とリンクハブ４の軸部材１０とはカップリング１８により連結されている。

この実施形態では、リンクハブ４の軸部材１０にポテンショメータ１７を配設しているが、例えばロータリーエンコーダを取り付けることも可能である。要するに、ポテンショメータやロータリーエンコーダ等のように回転角度を検出する手段を入力側リンクハブ４の軸部材１０に配設すればよい。このようにして入力側リンクハブ４の軸部材１０に回転角検出手段を設けることにより、前述した関係式でもって出力側リンクハブ５の姿勢を検出することができる。

なお、出力側リンクハブ５の姿勢を制御する際には、入力側リンクハブ４に連結された端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を検出する傾斜角センサ（図示せず）を設置するようにしてもよい。

前述の実施形態では、リンクハブ４の外側にポテンショメータ１７を配設した場合について説明したが、図２（ａ）（ｂ）に示すように取り付け棒１９に小型のトリマポテンショメータ２０を貼着し、その取り付け棒１９を入力側リンクハブ４の貫通孔６に挿通させてベースプレート１５に固定するようにしてもよい。

このようにすれば、リンクハブ４の内側にトリマポテンショメータ２０を配設することが可能となって装置のコンパクト化が実現できる。なお、リンク機構自体が大きければ、リンクハブ４の内径側にポテンショメータ１７（図３参照）を配設することも可能である。

図４は、リンク機構１〜３の駆動機構として、入力側のリンクハブ４に装着された軸部材１０の内側端部にギア部を形成し、端部リンク部材１ａ〜３ａを駆動力伝達手段である連結ギア２１を介して逆入力可能なエンコーダ付きサーボモータ２２の出力軸２３に連結した実施形態を示す。これら連結ギア２１およびエンコーダ付きサーボモータ２２は、リンクハブ４の下部に配置されたアクチュエータケース２４内に収容されている。

この場合、サーボモータ２２のエンコーダで入力側リンクハブ４の端部リンク部材１ａ〜３ａの回転角を検出して出力側リンクハブ５の姿勢を検出または制御することができる。また、このエンコーダの検出出力に基づいてサーボモータ２２を制御することにより、出力側リンクハブ５に取り付けられたレバー１４に反力を付与したり、そのレバー１４を動かした位置で固定することができる。

なお、このようにレバー１４に反力を付与したり、そのレバー１４を動かした位置で固定する手段としては、入力側リンクハブ４等の回転部分、例えば軸部材１０の一部にブレーキ機構（図示せず）を設けた構造とすることも可能である。また、図５に示すようにポテンショメータ１７とサーボモータ２２の両方を併設するようにしてもよい。

前述の実施形態では、駆動力伝達手段としてギア２１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、カップリング等を利用してモータを入力側リンクハブ４に直接的に取り付けるようにしてもよい。さらに、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。なお、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。

前述した実施形態では、ジョイスティックとしての用途以外で、レバーの代わりに出力側リンクハブ５にシャフトを装着した用途で、前述の逆変換を利用して出力側リンクハブ５の姿勢を制御し、シャフトの先端にレーザ光学測長器（図示せず）を取り付けて、対象物までの距離を測定するようにしてもよい。

図６に示す実施形態は、シャフト２５，２６間の角度を測定することができるリンク作動装置を示す。このリンク作動装置では、入力側リンクハブ４と出力側リンクハブ５のそれぞれにシャフト２５，２６を取り付けている。また、入力側リンクハブ４の内径部では、軸部材１０に回転角度センサ（図示せず）を配設している。この実施形態では、シャフト２５，２６を自在方向に動かすことができ、二つのシャフト２５，２６が折れ角±９０°の範囲内であれば、シャフト２５，２６間の角度（折れ角θ、旋回角φ）を求めることができる。

図７に示す実施形態は、シャフト２５に加えられた捩れトルクを測定することができるリンク作動装置を示す。このリンク作動装置では、入力側リンクハブ４と出力側リンクハブ５のそれぞれにシャフト２５，２６を取り付けている。また、入力側リンクハブ４のシャフト２５に磁歪式トルクセンサ２７を配設し、そのシャフト２５の端部を固定している。この実施形態では、出力側リンクハブ５のシャフト２６に捩れトルクを加えると、入力側リンクハブ４に伝達されるため、磁歪式トルクセンサ２７によりその値を測定することができる。なお、磁歪式トルクセンサ２７以外に、歪ゲージ等の他の検出手段であってもよい。

図８に示す実施形態は、出力側リンクハブ５の姿勢と回転変位を測定することができるリンク作動装置を示す。このリンク作動装置では、入力側リンクハブ４の内径部において、軸部材１０に回転角度センサ（図示せず）を設けている。また、入力側リンクハブ４に取り付けられたシャフト２５をベアリング２８により回転可能とし、出力側リンクハブ５に取り付けられたシャフト２６にハンドル２９を取り付けている。このハンドル２９はシャフト２６に必ず取り付けなければならないものではない。この実施形態では、シャフト２５の回転角度を検出する回転センサ付き軸受のような回転角検出器（図示せず）を配設し、入力側のシャフト２５の回転数や回転角度を測定する。この回転角検出器としては、回転センサ付き軸受やロータリーエンコーダ等を使用すればよい。これにより、出力側リンクハブ５の姿勢（折れ角θ、旋回角φ）と回転変位を測定することができる（三自由度測定）。

図９に示す実施形態は、二つのリンク機構１〜３と１’〜３’を直列に連設したリンク作動装置を示す。このリンク作動装置では、一方のリンク機構１〜３の出力側リンクハブ５と他方のリンク機構１’〜３’の入力側リンクハブ４’を同軸的に接合させた構造であり、一方のリンク機構１〜３の入力側リンクハブ４に取り付けられたシャフト２５をベアリング２８により回転可能とし、他方のリンク機構１’〜３’の出力側リンクハブ５’に取り付けられたシャフト２６にハンドル２９を取り付けている。この実施形態では、前述の回転角検出器により、入出力間で大きな作動角（最大約１８０°）をとっても、他方のリンク機構１’〜３’の出力側リンクハブ５’の回転角度や回転速度を検出することができる。

なお、この実施形態では、一方のリンク機構１〜３の出力側リンクハブ５と他方のリンク機構１’〜３’の入力側リンクハブ４’を同軸的に接合させた構造であるが、一方のリンク機構１〜３の出力側端部リンク部材１ｃ〜３ｃと出力側リンクハブ５の回転対偶の回転軸と、他方のリンク機構１’〜３’の入力側端部リンク部材１ａ’〜３ａ’と入力側リンクハブ４’の回転対偶の回転軸を共用した構造も可能である。

本発明は、ゲーム機などで利用されるジョイスティック以外、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も利用可能である。

本発明に係るリンク作動装置の実施形態で、三組のリンク機構において、出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブの回転角の関係を説明するための斜視図である。 （ａ）はポテンショメータを入力側リンクハブの内側に設けた実施形態で、その入力側リンクハブの断面図、（ｂ）はポテンショメータの取り付け状態を示す正面図である。 本発明の実施形態で、ポテンショメータを設けたリンク機構を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で、リンク機構の駆動機構として、エンコーダ付きサーボモータを配設したリンク作動装置を示す一部省略部分を含む斜視図である。 本発明の他の実施形態で、ポテンショメータをリンク機構に設けると共に、エンコーダ付きサーボモータを配設したリンク作動装置を示す一部省略部分を含む斜視図である。 本発明の他の実施形態で、シャフト間の角度を測定可能としたリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で、シャフトの捩れトルクを検出可能としたリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で、出力側リンクハブの姿勢と回転変位を測定可能としたリンク作動装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で、二つのリンク機構を直列に連設したリンク作動装置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
θ 折れ角
φ 旋回角
β₁、β₂ 回転角

Claims (9)

1. 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、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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出力側リンクハブの姿勢を制御可能としたことを特徴とするリンク作動装置。
2. 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、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と入力側リンクハブ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出力側リンクハブの姿勢を検出可能としたことを特徴とするリンク作動装置。
3. 前記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付設した請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
4. 前記回転角検出手段は、入力側リンクハブの外径側あるいは内径側のいずれかに回転角度センサを配設した請求項３に記載のリンク作動装置。
5. 前記入力側リンクハブの端部リンク部材の回転角を規制する回転角規制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。
6. 前記出力側リンクハブにレーザ光学機器を取り付けた請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
7. 前記入力側リンクハブにトルクセンサを取り付け、出力側リンクハブの捩れトルクを検出可能とした請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
8. 前記入力側リンクハブを入力側に対して回転可能とし、折れ角θと旋回角φで規定される出力側リンクハブの姿勢と回転変位を検出可能とした請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
9. 前記各リンク機構を入出力間で直列に連設した請求項１乃至８のいずれか一項に記載のリンク作動装置。