JP2005098497A - Link operating device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a link actuating device, for example, a link actuating device used for a game joystick capable of two-dimensional operation.
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)。 For example, there is a working device equipped with a parallel link mechanism that performs high-speed and precise operations such as complicated processing and article handling in a three-dimensional space (see, for example, Patent Document 1).
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。 This working apparatus includes a parallel link mechanism that changes the position and posture of the traveling plate with respect to the base plate by cooperatively expanding and contracting a plurality of links connecting the base plate and the traveling plate. By attaching a tool to the traveling plate of this parallel link mechanism and rotatably arranging a table to hold the workpiece, the position and posture of the tool with respect to the workpiece on the table can be freely changed. It enables complex processing and handling of articles in the space.
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。
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。 However, in the parallel link mechanism described above, since the operating angle of each link is small, if the operating range of the traveling plate is set to be large, the link length becomes long, which increases the overall size of the mechanism and increases the size of the device. There was a problem of inviting. There is also a problem that the rigidity of the entire mechanism is low and the weight of the tool mounted on the traveling plate, that is, the loadable weight of the traveling plate is limited to a small one.
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)。 In order to solve this problem, the present applicant has previously proposed a link actuating device including a link mechanism having a compact configuration, high rigidity, and a large portable weight (Japanese Patent Application No. 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。 In this link actuating device, the end link members are rotatably connected to the link hubs provided on the input member and the output member, and the end link members on the input side and the output side are connected to the central link member. 3 or more link mechanisms connected in a rotatable manner, the input side and the output side are geometrically identical with respect to the cross section at the center of each link mechanism, and the rotation of each link mechanism connected to the input member Among the kinematic pairs, two or more sets of link mechanisms are provided with a stationary mechanism for stopping the output member at an arbitrary position on the rotating part of one or more rotating pairs of each group.
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。 However, in this link actuating device, since the cross-sectional area of the central part of the link hub provided in each of the input member and the output member is small, the mounting space for the input / output member is small and the space inside the link mechanism is used. Thus, it is difficult to secure a space for installing a passage through which the control medium between the input member and the output member flows.
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。 In addition, since the actuator and the rotation angle drive gear unit provided for angle control of the output member are installed so as to protrude outside the link hub of the rotation pair of the link mechanism, a wide installation space is secured on the input member. There is a need.
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。 Further, since the actuator and the rotational angle drive gear unit described above are exposed to the external environment, a means for protecting them from the outside must be taken, and for this purpose, the outer shape of the apparatus becomes large.
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、その制御手段については開示されていなかった。 Therefore, in order to solve this problem, the applicant of the present invention can increase the outer diameter of the central portion of the link hub without enlarging the outer shape of the entire device, and can arrange a drive mechanism such as an actuator in a compact manner. Has previously been proposed (Japanese Patent Application No. 2003-40086). This link actuating device controls the rotational position of the end link member, but its control means has not been disclosed.
そこで、本発明は、前述の提案(特願2003−40086)を前提として、端部リンク部材の回転位置を制御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。 Accordingly, an object of the present invention is to disclose a control means for controlling the rotational position of the end link member based on the above-mentioned proposal (Japanese Patent Application No. 2003-40086).
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、前記入力側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ことを特徴とする。 As technical means for achieving the above-mentioned object, the present invention is such that the end link members are rotatably connected to the link hubs respectively arranged on the input / output side, and the respective end portions on the input side and the output side are connected. In a link actuating device having three or more sets of link mechanisms in which link members are rotatably connected to a central link member, and the input side and the output side are geometrically the same with respect to the cross section at the center of each link mechanism. The rotation angle detecting means for measuring the rotation angle of the input side end link member is provided.
前述の回転角検出手段は、入力側リンクハブと端部リンク部材の回転対偶に設けられた構造が望ましく、さらに、入力側リンクハブと端部リンク部材の回転対偶となる軸部材に、その軸部材の中心軸が同軸となるように設けられた構造が可能である。また、この回転角検出手段は、前記軸部材のリンクハブ内側あるいはリンクハブ外側のいずれにも設けることが可能である。 The rotation angle detecting means described above preferably has a structure provided at the rotational pair of the input side link hub and the end link member, and further, the shaft member serving as the rotational pair of the input side link hub and the end link member has a shaft thereof. A structure in which the central axis of the member is coaxial is possible. Further, the rotation angle detecting means can be provided either inside the link hub or outside the link hub of the shaft member.
この回転角検出手段に基づいて、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なる。なお、この順変換は、収束演算を用いるようにしてもよい。また、出力側リンクハブにジョイスティック用レバーを取り付けた構造の場合、レバー操作による出力側リンクハブの姿勢を前述の順変換でもって検出可能となる。
Based on this rotation angle detection means, a relational expression between the attitude of the output side link hub defined by the folding angle θ and the turning angle φ and the rotation angle βn of the end link member of the input side link hub (γ is the central link member) Of each end link member with respect to the reference end link member in the circumferential direction),
cosθsinβn−sinθsin (φ + δn) cosβn + sinγ = 0
It is possible to control the attitude of the output side link hub by reverse conversion according to the above, or to detect the attitude of the output side link hub by forward conversion according to the relational expression. Note that this forward conversion may use a convergence calculation. In the case of a structure in which a joystick lever is attached to the output side link hub, the posture of the output side link hub by lever operation can be detected by the above-described forward conversion.
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。 The input member and the output member are connected by three or more sets of link mechanisms, and each link mechanism has the same geometric shape. The reason why the number of link mechanisms is three or more is to provide a mechanism with two degrees of freedom of rotation between the input member and the output member. Here, “the input side and the output side are geometrically identical with respect to the cross section at the center of the link mechanism” means that the input side and the output side are separated on the symmetry plane of the central link member. It means that the geometric shape on the output side is the same.
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。 Each link mechanism constitutes a three-bar chain composed of four rotating pairs. The end link members on the input side and the output side have a spherical link structure, and the spherical link centers in the three or more sets of link mechanisms coincide with each other, and the distances from the centers are also the same. The rotation pair axis that becomes the connecting portion between the end link member and the central link member may have a certain crossing angle or may be parallel. However, the shape of the central link member in the three or more sets of link mechanisms is geometrically the same.
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。 In the attitude of the output side link hub, the “fold angle θ” is the vertical angle at which the output side link hub is inclined with respect to the input side link hub axis, and the “turning angle φ” is the angle with respect to the input side link hub axis. This means the horizontal angle at which the output side link hub is inclined. “Rotation angle βn” means the rotation angle at the connecting end of the end link member rotatably connected to the input side link hub. The “axis angle γ” is rotatably connected to the connecting end shaft of the central link member rotatably connected to the end link member of the input side link hub and to the end link member of the output side link hub. It means the angle formed by the connecting end axis of the central link member. The “separation angle δ” defines the circumferential position distance of each end link member with respect to the end link member serving as a reference for the input side link hub, and the end link member is connected to the input side link hub at the connecting end shaft. It means the angle that each of makes.
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。 In addition, “inverse transformation based on the relational expression” is to obtain a rotation angle of the end link member of the input side link hub with respect to the attitude input by inputting a target value that defines the attitude of the output side link hub into the relational expression. "Forward conversion by relational expression" means that a target value that defines the rotation angle of the end link member of the input side link hub is input to the relational expression, and the output side link hub with respect to the rotation angle input. It means to ask for attitude.
本発明によれば、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、前記入力側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ことにより、この回転角検出手段に基づいて、端部リンク部材の回転位置を制御することができる。 According to the present invention, the end link members are rotatably connected to the link hubs respectively arranged on the input / output side, and the end link members on the input side and the output side are rotated with respect to the central link member. In a link actuating device having three or more sets of link mechanisms that can be connected and having the input side and the output side geometrically identical with respect to the cross section at the center of each link mechanism, the end link member of the input side By providing the rotation angle detection means for measuring the rotation angle, the rotation position of the end link member can be controlled based on the rotation angle detection means.
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。 Embodiments of the link actuating device according to the present invention will be described in detail below.
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。
The embodiment shown in FIG. 1 includes, for example, a game joystick capable of two-dimensional operation, a parallel link mechanism and a robot joint that perform complicated processing and article handling in a three-dimensional space at high speed and precision. It comprises three sets of
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。
Each of these three sets of
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。
Each of the
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。
A set of
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。
FIG. 2A shows the
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。
The
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。
As this
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。
The end link members 1a to 3a and 1c to 3c are L-shaped, and one
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。
On the other hand, the
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。
In the
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。
Therefore, a plurality of
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。
The rotating parts of the four rotating pairs in each of the
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。
This link actuator can be controlled according to the following rules.
That is, the attitude of the output
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
The parameter θ in the following relational expression is the angle at which the output
cosθsinβ 1 −sinθsinφcosβ 1 + sinγ = 0
cosθsinβ 2 -sinθsin (φ + 120 ° ) cosβ 2 + sinγ = 0
cosθsinβ 3 -sinθsin (φ + 240 ° ) cosβ 3 + 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。 By solving these two or more equations, the attitude of the output side link hub can be controlled by the inverse transformation of the relational expression. In other words, the attitude control of the output side link hub can be realized by obtaining a rotation angle of the end link member of the input side link hub with respect to the attitude input by inputting a target value defining a predetermined attitude into the relational expression. .
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。 Further, the attitude of the output side link can be detected by forward conversion of the relational expression. That is, the posture detection of the output side link hub can be realized by measuring the rotation angle of the end link member of the input side link hub and inputting the measured value into the relational expression. Instead of solving the above-described equation, convergence calculation may be performed.
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。
The link actuating device of the embodiment shown in FIG. 3 has a structure in which a
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。
In this embodiment, the
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。
When controlling the attitude of the output
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。
In the above-described embodiment, the case where the
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。
In this way, the
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。
FIG. 4 shows a drive mechanism for the
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。
In this case, the encoder of the
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。
As a means for applying a reaction force to the
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。
In the above-described embodiment, the
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。
In the embodiment described above, the posture of the output
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。
The embodiment shown in FIG. 6 shows a link actuator that can measure the angle between the
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。
The embodiment shown in FIG. 7 shows a link actuator that can measure torsional torque applied to the
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)。
The embodiment shown in FIG. 8 shows a link actuator that can measure the attitude and rotational displacement of the output
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。
The embodiment shown in FIG. 9 shows a link actuating device in which two
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。
In this embodiment, the output
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。 The present invention can be used for a link mechanism such as a parallel link mechanism or a robot joint that performs a high-speed and precise operation such as complicated processing in a three-dimensional space or handling of an article other than a joystick used in a game machine or the like. It is.
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
17 回転角検出手段(ポテンショメータ)
20 回転角検出手段(トリマポテンショメータ)
θ 折れ角
φ 旋回角
β1、β2 回転角
1-3 Link mechanism 1a-3a, 1c-3c
20 Rotation angle detection means (trimmer potentiometer)
θ Folding angle φ Turning angle β 1 , β 2 Rotation angle
Claims (8)
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請求項1〜4のいずれか一項に記載のリンク作動装置。 Based on the rotation angle detection means, a relational expression between the attitude of the output side link hub defined by the bending angle θ and the turning angle φ and the rotation angle βn of the end link member of the input side link hub (γ is the central link member) Of each end link member with respect to the reference end link member in the circumferential direction),
cosθsinβn−sinθsin (φ + δn) cosβn + sinγ = 0
The link actuating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the attitude of the output side link hub can be controlled by reverse conversion according to claim 5.
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請求項1〜4のいずれか一項に記載のリンク作動装置。 Based on the rotation angle detection means, a relational expression between the attitude of the output side link hub defined by the bending angle θ and the turning angle φ and the rotation angle βn of the end link member of the input side link hub (γ is the central link member) Of each end link member with respect to the reference end link member in the circumferential direction),
cosθsinβn−sinθsin (φ + δn) cosβn + sinγ = 0
The link actuating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the attitude of the output-side link hub can be detected by forward conversion.
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- 2004-08-18 JP JP2004238650A patent/JP2005098497A/en not_active Withdrawn
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