JP2012082937A - リンク作動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 入力部材14に対し出力部材15を、3組以上のリンク機構11を介して姿勢を変更可能に連結する。リンク機構11は、入力側および出力側の端部リンク部材11a,11cと、中央リンク部材11bとでなる。リンク機構11は、各リンク部材11a,11b,11cを直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材11bの中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状である。3組以上のリンク機構11のすべてに、入力部材14に対して出力部材15を任意の姿勢で静止させることが可能な静止機構4を設ける。また、入力部材14および出力部材15にそれぞれ形成された被接触部に接触して入力部材14と出力部材15とを互いに連結する構造体5を設ける。
【選択図】 図1
Description
この発明は、上記リンク作動装置において、前記3組以上のリンク機構のすべてに、前記入力部材に対して前記出力部材を任意の姿勢で静止させることが可能な静止機構を設け、前記入力部材および出力部材にそれぞれ形成された被接触部に接触して入力部材と出力部材とを互いに連結する構造体を設けたことを特徴とする。
静止部材が上記アクチュエータを有すると、入力部材に対する出力部材の姿勢を安定して保持できるだけでなく、入力部材に対する出力部材の姿勢を変更することが可能である。
制御手段により、入力部材および出力部材の被接触部と前記構造体との間に作用する接触力が大きくなるように、すなわち入力部材と出力部材間に力が発生するようにアクチュエータを制御して、入力部材および出力部材のリンク球面中心間の距離を微小に変動させると、被接触部に作用する接触力の大きさが変わる。接触力が大きくなると、この接触力に抗してリンク作動装置を一定の動作位置に保とうとするため、姿勢調整時におけるリンク作動装置全体の剛性が向上する。
各アクチュエータの発生する力が互いに干渉し合えば、入力部材に対する出力部材の姿勢変化が抑制され、リンク作動装置全体に力が作用する。それにより、入力部材および出力部材のリンク球面中心間の距離が微小に変動するため、被接触部に作用する接触力の大きさが変わり、リンク作動装置全体の剛性が向上する。
少なくとも2つのアクチュエータを位置制御することにより、入力部材に対する出力部材の位置が決定される。残りのアクチュエータをトルク制御することで、前記2つのアクチュエータの駆動力を低減することができ、アクチュエータを小型・コンパクト化できる。また、すべてのアクチュエータを位置制御した場合、すべてのアクチュエータの位置を協調させながら駆動する必要があるため、動作速度が遅くなるが、2つのアクチュエータだけを位置制御させれば、アクチュエータのスムーズな動作が可能になり、動作速度も速くなる。
各アクチュエータと各入力側の端部リンク部材との間に相互に力の伝達が可能な力伝達機構を有すると、位置制御されるアクチュエータで駆動される入力側の端部リンク部材のトルクが、力伝達機構を介して残りのアクチュエータに伝達されるため、この残りのアクチュエータについては、トルク制御による駆動に限らず、サーボオフ状態でも駆動が可能である。
アクチュエータの回転軸にブレーキをかけることにより、アクチュエータにトルクが伝達されても一定の角度を保てるため、姿勢調整時におけるリンク作動装置全体の剛性が向上する。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することで、前記入力部材に対する前記出力部材の姿勢を制御するのが良い。
入力部材に対する出力部材の姿勢を指定すると、上記式より、各入力側の端部リンク部材の回転角を計算できる。その計算値に基づき、各入力側の端部リンク部材を駆動するアクチュエータに出力することにより、入力部材に対する出力部材の姿勢を制御できる。
構造体により入力部材と出力部材との間に力を発生させると、リンク作動装置のガタが無くなり、剛性が向上する。その結果、入力部材に対する出力部材の姿勢調整精度が向上する。
この構成によると、入力部材および出力部材の外周面から軸部を突出させたことにより、入力側および出力側の端部リンク部材に設けた軸受により前記軸部を回転自在に支持する構造となる。この構造であると、入力部材および出力部材の中央部に広いスペースを確保することが可能であり、その広いスペースに被接触部を容易に形成することができる。
入力部材および出力部材の球面形状の被接触部と、構造体の球体状の接触部とを互いに接触させることにより、リンク作動装置の動作位置に変わっても、リンク作動装置の動作に影響を与えることなく、被接触部と接触部が常に接触する状態に維持できる。
入力側構造体部分および出力側構造体部分の各接触部の中心間距離を変更可能であると、構造体により入力部材と出力部材間に発生させる力の大きさを調整できる。
この構成であると、構造体により入力部材と出力部材間に発生させる力の大きさの調整が容易である。
このように、入力側構造体部分および出力側構造体部分に入力側スライド部および出力側スライド部をそれぞれに設けても、前記同様に、構造体により入力部材と出力部材間に発生させる力の大きさの調整が容易になる。
この構成にすると、構造体と入力部材および出力部材とが干渉することを有効に回避することができ、リンク作動装置の動作範囲を広くできる。
この構成であると、前記折れ角が最大折れ角を超えると、構造体が、入力部材における凹部の内周面および出力部材における凹部の内周面の両方に接触する。そのため、リンク作動装置の動作範囲が規制され、安全性が向上する。
回転角検出手段を設ければ、この回転角検出手段の検出値を用いてフィードバック制御を行うことができる。それにより、静止機構のガタや剛性の影響が小さくなり、入力部材に対する出力部材の姿勢調整精度が向上する。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を順変換することで、前記入力部材に対する前記出力部材の姿勢を推定すると良い。
回転角検出手段によって検出される2つ以上の入力側の端部リンク部材の回転角から、入力部材に対する出力部材の姿勢を推定できる。
図5は、入力部材14と入力側の端部リンク部材11a〜13aの連結部を示す断面図である。入力部材14の側面16から軸部18が突出し、この軸部18に複列の軸受17の内輪(図示せず)が外嵌し、入力側の端部リンク部材11a〜13aの入力部材側の端部に軸受17の外輪(図示せず)が内嵌している。つまり、内輪は入力部材14に固定され、外輪が入力側の端部リンク部材11a〜13aと共に回転する構造である。軸受17は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット19による締付けでもって所定の予圧量を付与して固定されている。軸受17としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。出力部材15と出力側の端部リンク部材11c〜13cの連結部も、同様の構造である。
図9に示す構造体5は、入力側構造体部分52に筒状の入力側スライド部52bを設け、出力側構造体部分53に前記入力側スライド部52bにスライド自在な出力側スライド部53bを設けて、入力側構造体部分52および出力側構造体部分53を互いにスライド可能としている。入力側スライド部52bと出力側スライド部53bとで形成された空間部54には空気、水、油等の流体が封入されており、この流体の圧力により、入力部材14と出力部材15との間に発生する力を制御している。空間部54には、管継手55を介して外部から流体を供給可能である。空間部54内に流体を出し入れすることで、入力側スライド部52bおよび出力側スライド部53bを互いに摺動させて、前記中心間距離Mを変更する。入力側スライド部52bと出力側スライド部53bとの接触面は、例えば滑り軸受構造になっている。両スライド部52b,53bの隙間が小さいほど、空間部54からの流体の漏れが少ないため、大きな力を発生できる。
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
…(式1)
ここで、γ(図3)は、入力側の端部リンク部材11a〜13aに回転自在に連結された中央リンク部材11b〜13bの連結端軸と、出力側の端部リンク部材11c〜13cに回転自在に連結された中央リンク部材11b〜13bの連結端軸とが成す角度である。δn(図3におけるδ1,δ2,δ3)は、基準となる入力側の端部リンク部材11aに対する各入力側の端部リンク部材11a〜13aの円周方向の離間角である。
4…静止機構
5…構造体
5a…接触部
6…制御手段
11,12,13…リンク機構
11a,12a,13a…入力側の端部リンク部材
11b,12b,13b…中央リンク部材
11c,12c,13c…出力側の端部リンク部材
14…入力部材
15…出力部材
29…ブレーキ装置
30…ロータリアクチュエータ
43…力伝達機構
50…凹部
51…被接触部
52…入力側構造体部分
52a…雌ねじ部
52b…入力側スライド部
53…出力側構造体部分
53a…雄ねじ部
53b…出側スライド部
54…空間部
56…圧電アクチュエータ
71…回転角検出手段
Claims (20)
- 入力部材に対し出力部材を、3組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記入力部材および出力部材に一端が回転可能に連結された入力側および出力側の端部リンク部材と、これら入力側および出力側の端部リンク部材の他端をそれぞれ回転可能に連結した中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが対称を成す形状であるリンク作動装置において、
前記3組以上のリンク機構のすべてに、前記入力部材に対して前記出力部材を任意の姿勢で静止させることが可能な静止機構を設け、
前記入力部材および出力部材にそれぞれ形成された被接触部に接触して入力部材と出力部材とを互いに連結する構造体を設けたことを特徴とするリンク作動装置。 - 請求項1において、前記静止機構は、前記入力側の端部リンク部材に直接または間接的に連結され、前記入力部材に対する前記入力側の端部リンク部材の回転を拘束するように作用するアクチュエータを有するリンク作動装置。
- 請求項2において、前記静止機構により前記入力部材に対し前記出力部材を任意の姿勢で静止させるとき、前記入力部材および出力部材の被接触部と前記構造体との間に作用する接触力が大きくなるように前記アクチュエータを制御する制御手段を設けたリンク作動装置。
- 請求項3において、前記制御手段は、前記静止機構により前記入力部材に対し前記出力部材を任意の姿勢で静止させるとき、前記各アクチュエータを、それぞれが発生する力が互いに干渉し合う方向に駆動させるように制御するリンク作動装置。
- 請求項3または請求項4において、前記制御手段は、前記入力部材に対し前記出力部材を姿勢変更するとき、前記各アクチュエータのうち2つのアクチュエータについては、これらアクチュエータの動作位置が定められた制御目標位置となるように制御し、残りのアクチュエータについては、このアクチュエータの発生するトルクが定められた制御目標位置となるように制御するリンク作動装置。
- 請求項3または請求項4において、前記各アクチュエータと前記各入力側の端部リンク部材との間に相互に力の伝達が可能な力伝達機構を有し、前記制御手段は、前記入力部材に対し前記出力部材を姿勢変更するとき、前記各アクチュエータのうち2つのアクチュエータについては、これらアクチュエータの動作位置が定められた制御目標位置となるように制御し、残りのアクチュエータについては、このアクチュエータの発生するトルクが定められた制御目標位置となるように制御するか、またはフィードバック制御機能をオフした状態であるサーボオフ状態で駆動するリンク作動装置。
- 請求項2ないし請求項6のいずれか1項において、前記各アクチュエータはロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータの回転軸の回転をロックするブレーキ装置を有し、前記入力部材に対し前記出力部材を任意の姿勢で静止させるとき、前記ブレーキ装置を作動させるリンク作動装置。
- 請求項2ないし請求項7のいずれか1項において、前記入力部材に対する前記入力側の端部リンク部材の回転角をβn、前記入力側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、前記出力側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成す角度をγ、基準となる入力側の端部リンク部材に対する各入力側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記入力部材の中心軸に対して前記出力部材が傾斜した垂直角度をθ、前記入力部材の中心軸に対して前記出力部材が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を逆変換することで、前記入力部材に対する前記出力部材の姿勢を制御するリンク作動装置。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか1項において、前記構造体は、前記入力部材と出力部材との間に力を発生させるリンク作動装置。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか1項において、前記入力部材および出力部材は、外周面から突出する前記リンク機構と同数の軸部を有し、これら軸部に各リンク機構の前記入力側および出力側の端部リンク部材をそれぞれ回転可能に連結し、かつ前記軸部よりも内径側に前記被接触部を配置したリンク作動装置。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか1項において、前記入力部材および出力部材の各被接触部は、前記各リンク機構のリンク球面中心を中心とする球面形状であり、前記構造体は、両端に前記被接触部に摺動自在に嵌る球体状の接触部を有するリンク作動装置。
- 請求項11において、前記構造体は、前記入力部材の被接触部に嵌る接触部を有する入力側構造体部分と、前記出力部材の被接触部に嵌る接触部を有する出力側構造体部分とでなり、これら入力側構造体部分および出力側構造体部分の各接触部の中心間距離を変更可能としたリンク作動装置。
- 請求項12において、前記入力側構造体部分および出力側構造体部分のうち一方の部材は雄ねじ部を有し、他方の部材は前記雄ねじ部と螺合する雌ねじ部を有し、これら雄ねじ部と雌ねじ部のねじ込み量を変えることで、前記入力側構造体部分および出力側構造体部分の各接触部の中心間距離を変更するものとしたリンク作動装置。
- 請求項12において、前記入力側構造体部分および出力側構造体部分に、これら入力側構造体部分および出力側構造体部分の球体状の接触部の中心を結ぶ直線に沿って互いにスライド自在な入力側スライド部および出力側スライド部をそれぞれ設けたリンク作動装置。
- 請求項14において、前記入力側構造体部分と出力側構造体部分とで空間部を形成し、この空間部に流体を出し入れすることで、前記入力側スライド部および出力側スライド部を互いにスライドさせるものとしたリンク作動装置。
- 請求項14において、前記入力側スライド部および出力側スライド部を互いにスライドさせる圧電アクチュエータを設けたリンク作動装置。
- 請求項1ないし請求項16のいずれか1項において、前記入力部材は前記出力部材側の端面に、また前記出力部材は前記入力部材側の端面に、それぞれ円すい状に先狭まりとなる凹部を有し、これら凹部の最奥部を前記被接触部としたリンク作動装置。
- 請求項17において、前記入力部材の中心線と前記出力部材の中心線とがなす角度である折れ角の最大折れ角がθmaxであり、前記入力部材における前記凹部の内周面の母線と前記入力部材の中心線とがなす角度、および前記出力部材における前記凹部の内周面の母線と前記出力部材の中心線とがなす角度を、共にθmax/2としたリンク作動装置。
- 請求項1ないし請求項18のいずれか1項において、前記3組以上のリンク機構うちのの2組以上に、前記入力側の端部リンク部材の回転角を検出する回転角検出手段を設けたリンク作動装置。
- 請求項19において、前記入力部材に対する前記入力側の端部リンク部材の回転角をβn、前記入力側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、前記出力側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成す角度をγ、基準となる入力側の端部リンク部材に対する各入力側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδn、前記入力部材の中心軸に対して前記出力部材が傾斜した垂直角度をθ、前記入力部材の中心軸に対して前記出力部材が傾斜した水平角度をφとした場合に、
cos(θ/2)sinβn−sin(θ/2)sin(φ+δn)cosβn+sin(γ/2)=0
で表される式を順変換することで、前記入力部材に対する前記出力部材の姿勢を推定するリンク作動装置。
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