JP2013096547A - パラレルリンク機構、等速自在継手、およびリンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、機構全体が軽量でコンパクトなパラレルリンク機構を提供する。
【解決手段】 パラレルリンク機構１は、基端側および先端側のリンクハブ２と、３組以上のリンク機構とを有する。リンク機構は、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、基端側および先端側の端部リンク部材５と中央リンク部材とでなる。リンク機構の回転対偶は、一対の対偶構成部材２，５が互いに軸受１２を介して連結されており、一方の対偶構成部材５に設けられた軸部１３が軸受１２の内輪１２ａの内周に嵌合し、かつ他方の対偶構成部材２に設けられた環状内面形成部１５が軸受１２の外輪１２ｂの外周に嵌合する。軸部１３と環状内面形成部１５とにより、軸受１２の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造１９，２１を構築する。
【選択図】 図６

Description

この発明は、３次元空間において精密で広範な作動範囲の動作を行えるパラレルリンク機構、並びに、このパラレルリンク機構をそれぞれ備え医療機器や産業機器等に用いられる等速自在継手およびリンク作動装置に関する。

パラレルリンク機構を具備する作業装置の一例が特許文献１に、２軸間で動力伝達を行う等速自在継手の一例が特許文献２に、医療機器や産業機器等に用いられるリンク作動装置の一例が特許文献３にそれぞれ開示されている。

特開２０００−９４２４５号公報 特開２００２−３４９５９３号公報 米国特許第５，８９３，２９６号明細書

特許文献１のパラレルリンク機構は、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するには、リンク長さを長くする必要がある。それにより、機構全体の寸法が大きくなって、装置が大型になってしまうという問題があった。また、リンク長さを長くすると、機構全体の剛性の低下を招く。そのため、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の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。これらの理由から、コンパクトな構成でありながら、精密で広範な作動範囲の動作が要求される医療機器等に用いるのは難しい。

特許文献２の等速自在継手、および特許文献３のリンク作動装置は、３節連鎖のリンク機構を３組以上設けたパラレルリンク機構としたことにより、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲での動力伝達および精密な動作が可能となっている。ただし、機構全体の高剛性化を図ろうとして、各リンク機構の回転対偶部をサイズアップさせると、リンク機構の各部材間の干渉が起こりやすくなり、作動範囲が狭くなるという問題があった。また、リンク機構の各部材間の干渉を避けるためには、リンク機構のリンクの長さを長くしなければならず、機構全体の寸法が大きくなってしまうという問題があった。

この発明の目的は、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、機構全体が軽量でコンパクトなパラレルリンク機構を提供することである。
この発明の他の目的は、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角が変わっても、入力軸と出力軸とが等速回転する状態に維持され、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、全体が軽量でコンパクトな等速自在継手を提供することである。
この発明の他の目的は、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更することができ、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、全体が軽量でコンパクトなリンク作動装置を提供することである。

この発明のパラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、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、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端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る、四つの回転対偶を有する三節連鎖構造である。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基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状である。この発明のパラレルリンク機構は、上記構成において、前記各リンク機構の各回転対偶は、一対の対偶構成部材が互いに軸受を介して連結されており、一方の対偶構成部材に設けられた軸部が前記軸受の内輪の内周に嵌合し、かつ他方の対偶構成部材に設けられた環状内面形成部が前記軸受の外輪の外周に嵌合し、前記軸部と前記環状内面形成部とにより、軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造を構築したことを特徴とする。

この構成によると、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸方向に移動自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角は最大で約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。

また、各回転対偶に軸受を介在させたことにより、各回転対偶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。回転対偶の一方の対偶構成部材に設けられた軸部と他方の対偶構成部材に設けられた環状内面形成部とで構築されるシール構造により、上記軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りが規制させる。このように、パラレルリンク機構を構成する部品でシール構造を構築することで、別部材からなるシールを設ける必要がなくなり、軸受の幅寸法を抑えることができる。そのため、リンク機構の部品間の干渉が起り難く、作業範囲が広くなる。また、軸受周辺の寸法が小さくなるため、パラレルリンク機構全体の軽量・コンパクト化を実現できる。

この発明において、前記シール構造は、前記軸部の一部の外周面と、前記環状内面形成部の一部の内周面との間の隙間により構築すると良い。
上記隙間が狭いほど、軸受内部の潤滑剤が外部へ漏れることや、外部から異物が軸受内部へ侵入することを防止する効果が高くなる。軸部および環状内面形成部は、一対の対偶構成部材における軸受周辺の部位であり、回転対偶部に軸受を設ける場合に必ず必要となる部位である。そのため、別部材を設置することなく、シール構造を構築できる。

上記構成の場合、前記軸部の一部を、前記軸受の内輪の内周に嵌合した部分よりも外径が大きい段差部とし、この段差部の段差面に前記内輪の端面を当接させて内輪の軸方向の位置決めさせると良い。
軸部の段差部は、軸受の内輪を位置決めするために必要であり、環状内面形成部の一部に内周面との距離が近い部位である。この軸部の段差部を利用することにより、別部材を設置することなく、容易に隙間によるシール構造を構築できる。

また、前記環状内面形成部の一部を、前記軸受の外輪の外周に嵌合した部分よりも内径が小さい段差部とし、この段差部の段差面に前記外輪の端面を当接させて外輪の軸方向の位置決めさせると良い。
環状内面形成部の段差部は、軸受の外輪を位置決めして固定するために必要であり、軸部の一部の外周面との距離が近い部位である。この環状内面形成部の段差部を利用することにより、別部材を設置することなく、容易に隙間によるシール構造を構築できる。

この発明において、前記軸受の内輪の軸方向位置を固定する内輪固定手段と、この内輪固定手段と前記軸受の内輪との間に介在する間座部材とを設け、前記間座部材と前記環状内面形成部とにより、軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造を構築しても良い。
一般的に、内輪に対して均一に荷重がかかるように、内輪固定手段と内輪との間に間座部材を設ける。この間座部材を利用することにより、別部材を設置することなく、容易に隙間によるシール構造を構築できる。また、組立性等の問題により、軸部と環状内面形成部だけでは軸受両端のシール構造を構築することは難しいが、間座部材と環状内面形成部によるシール構造を併用することで、軸受両端のシール構造を容易に構築することができる。

上記構成の場合、前記シール構造は、前記間座部材の一部の外周面と、前記環状内面形成部の一部の内周面との間の隙間により構築すると良い。
上記隙間が狭いほど、軸受内部の潤滑剤が外部へ漏れることや、外部から異物が軸受内部へ侵入することを防止する効果が高くなる。間座部材は軸受周辺の部材であり、かつ環状内面形成部は一方の対偶構成部材における軸受周辺の部位であるため、シール構造の構築に利用しやすい。

また、前記環状内面形成部の一部を、内径が前記軸受の外輪の外径と等しい外輪嵌合部とし、この外輪嵌合部に前記外輪を嵌合させると良い。
環状内面形成部の一部を内径が軸受の外輪の外径と等しい外輪嵌合部とすることにより、別部材を用いずに、環状内面形成部に軸受の外輪を嵌合させることができる。

また、前記環状内面形成部の一部を、前記軸受の外輪の外周に嵌合した部分よりも内径が小さい段差部とし、この段差部の段差面に前記外輪の端面に当接させて外輪の軸方向の位置決めさせると良い。
環状内面形成部の段差部は、軸受の外輪を位置決めして固定するために必要であり、間座部材の一部の外周面との距離が近い部位である。この環状内面形成部の段差部を利用することにより、別部材を設置することなく、容易に隙間によるシール構造を構築できる。

前記内輪固定手段を、前記軸部に形成されたねじ部に螺合するナットとすると良い。
内輪固定手段がナットであると、軸受の内輪の軸方向位置を容易に固定することができるだけでなく、締付けトルクにより軸受の予圧を管理することができる。

この発明において、前記シール構造をラビリンス構造とすると良い。
ラビリンス構造とすることで、隙間だけによるシール構造よりもシール性を向上させることができる。

この発明において、前記環状内面形成部は前記基端側の端部リンク部材および前記先端側の端部リンク部材に設けられ、前記軸部は前記基端側のリンクハブ、前記先端側のリンクハブ、および前記中央リンク部材に設けられていると良い。
この構成であると、リンク機構の各部品の形状が基端側と先端側で対称となる。それにより、各回転対偶に設けた軸受のシール構造を基端側と先端側で同じ構成にできるため、製作コストを削減できる。

あるいは、前記環状内面形成部は前記基端側のリンクハブ、前記先端側のリンクハブ、および前記中央リンク部材に設けられ、前記軸部は前記基端側の端部リンク部材および前記先端側の端部リンクに設けられていても良い。
この場合も、リンク機構の各部品の形状が基端側と先端側で対称となり、各回転対偶に設けた軸受のシール構造を基端側と先端側で同じ構成にできるため、製作コストを削減できる。

この発明において、前記軸受をアンギュラ玉軸受とすると良い。
アンギュラ玉軸受は、小型でかつ剛性の高い軸受であるため、モーメント荷重が作用し、コンパクトな構成を要求されるパラレルリンク機構の回転対偶部に設置される軸受に最適である。また、小型のアンギュラ玉軸受は標準品でシール付きのものは少なく、従来はパラレルリンク機構に使用することが難しかったが、この発明のシール構造を構築することで小型のアンギュラ玉軸受を使用することが可能になる。

この発明の等速自在継手は、上記いずれかのパラレルリンク機構における前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、前記先端側のリンクハブに出力軸を設けたことを特徴とする。
パラレルリンク機構の各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であるため、幾何学的対称性から、基端側のリンクハブおよび基端側の端部リンク部材と、先端側のリンクハブおよび先端側の端部リンク部材とが同じに動き、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する。このため、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角が変わっても、入力軸と出力軸とが等速回転する状態に維持される。
また、上記のような軽量・コンパクト化を実現可能なパラレルリンク機構を用いることにより、等速自在継手の軽量・コンパクト化を実現できる。

この発明のリンク作動装置は、上記いずれかのパラレルリンク機構における前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、四つの回転対偶のうちの少なくとも一つの回転対偶の角度を変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたことを特徴とする。
３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組について、基端側の端部リンク部材の回転角度が決まれば基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢も決まる。よって、３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に姿勢変更用アクチュエータを設け、これら姿勢変更用アクチュエータを適正に制御することで、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更することができる。
また、上記のような軽量・コンパクト化を実現可能なパラレルリンク機構を用いることにより、リンク作動装置の軽量・コンパクト化を実現できる。

この発明のパラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、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、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端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る、四つの回転対偶を有する三節連鎖構造であり、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基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であり、前記各リンク機構の各回転対偶は、一対の対偶構成部材が互いに軸受を介して連結されており、一方の対偶構成部材に設けられた軸部が前記軸受の内輪の内周に嵌合し、かつ他方の対偶構成部材に設けられた環状内面形成部が前記軸受の外輪の外周に嵌合し、前記軸部と前記環状内面形成部とにより、軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造を構築したため、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、機構全体が軽量でコンパクトにできる。

この発明の等速自在継手は、上記いずれかのパラレルリンク機構における前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、前記先端側のリンクハブに出力軸を設けたため、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の折れ角が変わっても、入力軸と出力軸とが等速回転する状態に維持され、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、全体が軽量でコンパクトにできる。

この発明のリンク作動装置は、上記いずれかのパラレルリンク機構における前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、四つの回転対偶のうちの少なくとも一つの回転対偶の角度を変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたため、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを任意の姿勢に変更することができ、精密で広範な作動範囲の高速動作が可能であり、全体が軽量でコンパクトにできる。

この発明の一実施形態にかかるパラレルリンク機構の一部を省略した正面図である。 同パラレルリンク機構の異なる状態を示す一部を省略した正面図である。 同パラレルリンク機構を３次元的に表わした斜視図である。 同パラレルリンク機構の一つリンク機構を直線で表現した図である。 同パラレルリンク機構の基端側のリンクハブ等の水平断面図である。 図５の一部分の拡大図である。 図５の異なる一部分の拡大図である。 この発明の異なる実施形態にかかるパラレルリンク機構の一部を省略した正面図である。 同パラレルリンク機構の基端側のリンクハブ等の水平断面図である。 図９の一部分の拡大図である。 図９の異なる一部分の拡大図である。 シール構造の異なる例を示す断面である。 この発明の一実施形態にかかる等速自在継手の一部を省略した正面図である。 この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 この発明の異なる実施形態にかかるリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 同リンク作動装置の部分断面図である。 図１６の部分拡大図である。

この発明にかかるパラレルリンク機構の一実施形態を図１〜図７と共に説明する。図１および図２はそれぞれ異なる状態を示す正面図であり、このパラレルリンク機構１は、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を３組のリンク機構４を介して姿勢変更可能に連結したものである。図１および図２では、１組のリンク機構４のみが示されている。

図３は、パラレルリンク機構１を三次元的に表わした斜視図である。各リンク機構４は、基端側の端部リンク部材５、先端側の端部リンク部材６、および中央リンク部材７で構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材５，６はＬ字状をなし、基端がそれぞれ基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３にそれぞれ回転自在に連結されている。中央リンク部材７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材５，６の先端がそれぞれ回転自在に連結されている。

基端側および先端側の端部リンク部材５，６は球面リンク構造で、３組のリンク機構４における球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図１、図２）は一致しており、また、その球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離Ｄも同じである。端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。

３組のリンク機構４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材５，６，７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図４は、一組のリンク機構４を直線で表現した図である。

この実施形態のリンク機構４は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ２および基端側の端部リンク部材５と、先端側のリンクハブ３および先端側の端部リンク部材６との位置関係が、中央リンク部材７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。図１は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢとが同一線上にある状態を示し、図２は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構４の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｄは変化しない。

基端側のリンクハブ２と先端側のリンクハブ３と３組のリンク機構４とで、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブが直交２軸方向に移動自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢの折れ角θの最大値（最大折れ角）を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の旋回角φを０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３が傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３は、その中心部に貫通孔１０が軸方向に沿って形成され、外形が球面状をしたドーナツ形状をしている。これら基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３の外周面の円周方向に等間隔の位置に、基端側の端部リンク部材５および先端側の端部リンク部材６がそれぞれ回転自在に連結されている。

図５は、基端側のリンクハブ２等の水平断面図であって、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶部Ｔ１、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２、および先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ３が図示されている。なお、回転対偶部Ｔ２，Ｔ３については、一つのリンク機構４のものだけが図示されている。

基端側のリンクハブ２は、前記軸方向の貫通孔１０と外周側とを連通する半径方向に延びる連通孔１１が円周方向３箇所に形成され、各連通孔１１内に設けた二つの軸受１２により軸部材１３がそれぞれ回転自在に支持されている。軸部材１３の外側端部は基端側のリンクハブ２から突出し、その突出部に基端側の端部リンク部材５が連結され、先端ねじ部１３ａに螺着したナット１４によって、間座部材１６と共に締付け固定されている。つまり、回転対偶部Ｔ１は、一対の対偶構成部材である基端側のリンクハブ２と他方の対偶構成部材である基端側の端部リンク部材５とが、軸受１２を介して互いに回転自在に連結されている。

基端側のリンクハブ２における前記連通孔１１の周辺部分が、請求の範囲で言う環状内面形成部１５である。図示例では、環状内面形成部１５はリンクハブ２の一部とされているが、環状内面形成部１５はリンクハブ２と別体であっても良い。また、前記軸部材１３が、請求の範囲で言う軸部である。図示例では、軸部である軸部材１３は端部リンク部材５とは別部材とされているが、軸部は端部リンク部材５と一体に設けられていても良い。

より詳しくは、図６の部分拡大図に示すように、二つの軸受１２はアンギュラ玉軸受であり、例えば背面組合せで配置されている。軸部材１３の内端部分は、軸受１２の内輪１２ａの内周に嵌合した部分１３ｂよりも外径が大きい段差部１３ｃとされ、この段差部１３ｃの段差面１３ｄが内側の軸受１２の内輪１２ａの端面に当接することで、内輪１２ａを軸方向に位置決めしている。また、外側の軸受１２の内輪１２ａと端部リンク部材５との間には、両端をこれらに接して間座部材１６が設けられている。よって、前記ナット１４を締付けることにより、端部リンク部材５および間座部材１６を介して内輪１２ａが前記段差面１３ｄに押付けられて、内輪１２ａを締付け固定すると共に、軸受１２に対して予圧を付与する。ナット１４は、内輪１２ａの軸方向位置を固定する内輪固定手段である。

環状内面形成部１５の一部は、軸受１２の外輪１２ｂの外周に嵌合した部分すなわち外輪嵌合部１５ａよりも内径が小さい段差部１５ｂとされ、この段差部１５ｂの段差面１５ｃが内側の軸受１２の外輪１２ｂの端面に当接することで、外輪１２ｂを軸方向に位置決めしている。また、外側の軸受１２の外輪１２ｂは、環状内面形成部１５に取付けた止め輪１７によって抜け止めされている。

前記軸部材１３の段差部１３ｃの外周面と前記環状内面形成部１５の段差部１５ｂの内周面とは、僅かな隙間１８を介して非接触で対向している。これにより、軸部材１３の段差部１３ｃと環状内面形成部１５の段差部１５ｂとは互いに回転が可能でありながら、軸受１２の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造１９が構築されている。つまり、隙間１８を狭くすることで、軸受１２の内部の潤滑剤が外部に漏れることや、外部から軸受１２の内部へ異物が侵入することを防いでいる。上記隙間１８が狭いほどシール効果が高い。

前記間座部材１６の軸方向外側部分は、前記止め輪１７を避けて外径側へ延びたつば状部１６ａとして形成されており、このつば状部１６ａの外周面と環状内面形成部１５の一部である外端部１５ｄとが、僅かな隙間２０を介して非接触で対向している。これにより、間座部材１６のつば状部１６ａと環状内面形成部１５の外端部１５ｄとは互いに回転が可能であり、かつ前記同様のシール機能を有するシール構造２１が構築されている。上記隙間２０が狭いほどシール効果が高い。

図５において、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２は、中央リンク部材７の連通孔２３内に二つの軸受２４を設け、これら軸受２４により、基端側の端部リンク部材５の先端の軸部２５を回転自在に支持する構造である。つまり、回転対偶部Ｔ２は、一対の対偶構成部材である基端側の端部リンク部材５と他方の対偶構成部材である中央リンク部材７とが、軸受２４を介して互いに回転自在に連結されている。軸受２４は、間座部材２６を介して、軸部２５の先端ねじ部２５ａに螺着したナット２７によって締付け固定されている。

この回転対偶部Ｔ２の場合、中央リンク部材７における前記連通孔２３の周辺部分が、請求の範囲で言う環状内面形成部２８である。図示例では、環状内面形成部２８は中央リンク部材７の一部とされているが、環状内面形成部２８は中央リンク部材７と別体であっても良い。また、図示例では、軸部２５は端部リンク部材５と一体に設けられているが、軸部２５は端部リンク部材５と別部材であっても良い。

より詳しくは、図７の部分拡大図に示すように、二つの軸受２４はアンギュラ玉軸受であり、例えば背面組合せで配置されている。軸部２５の基端部分は、軸受２４の内輪２４ａの内周に嵌合した部分２５ｂよりも外径が大きい段差部２５ｃとされ、この段差部２５ｃの段差面２５ｄが基端側の軸受２４の内輪２４ａの端面に当接することで、内輪２４ａを軸方向に位置決めしている。また、先端側の軸受２４の内輪２４ａは、前記間座部材２６に接している。よって、前記ナット２７を締付けることにより、間座部材２６を介して内輪２４ａが前記段差面２５ｄに押付けられて、内輪２４ａを締付け固定すると共に、軸受２４に対して予圧を付与する。ナット２７は、内輪２４ａの軸方向位置を固定する内輪固定手段である。

環状内面形成部２８の一部は、軸受２４の外輪２４ｂの外周に嵌合した部分すなわち外輪嵌合部２８ａよりも内径が小さい段差部２８ｂとされ、この段差部２８ｂの段差面２８ｃが基端側の軸受２４の外輪２４ｂの端面に当接することで、外輪２４ｂを軸方向に位置決めしている。また、先端側の軸受２４の外輪２４ｂは、環状内面形成部２８に取付けた止め輪２９によって抜け止めされている。

前記軸部２５の段差部２５ｃの外周面と前記環状内面形成部２８の段差部２８ｂの内周面とは、僅かな隙間３０を介して非接触で対向している。これにより、軸部２５の段差部２５ｃと環状内面形成部２８の段差部２８ｂとは互いに回転が可能でありながら、軸受２４の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造３１が構築されている。つまり、隙間３０を狭くすることで、軸受２４の内部の潤滑剤が外部に漏れることや、外部から軸受２４の内部へ異物が侵入することを防いでいる。上記隙間３０が狭いほどシール効果が高い。

前記間座部材２６の軸方向先端側部分は、前記止め輪２９を避けて外径側へ延びたつば状部２６ａとして形成されており、このつば状部２６ａの外周面と環状内面形成部２８の一部である先端部２８ｄとが、僅かな隙間３２を介して非接触で対向している。これにより、間座部材２６のつば状部２６ａと環状内面形成部２８の先端部２８ｄとは互いに回転が可能であり、かつ前記同様のシール機能を有するシール構造３３が構築されている。上記隙間３２が狭いほどシール効果が高い。

以上、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶部Ｔ１、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２について説明した。詳細な説明は省略するが、先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６の回転対偶部Ｔ４は回転対偶部Ｔ１と同じ構造であり、先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ３は回転対偶部Ｔ２と同じ構成である。

このように、各リンク機構４における４つの回転対偶部Ｔ１〜Ｔ４に軸受１２，２４を設けた構造とすることにより、各回転対偶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。

この軸受１２，２４を設けた構造では、軸受１２，２４に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、回転対偶のがたつきを抑えることができ、基端側のリンクハブ２側と先端側のリンクハブ３側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１２，２４の軸受隙間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。

軸受１２，２４として、例えばアンギュラ玉軸受が用いられている。アンギュラ玉軸受は、小型でかつ剛性の高い軸受であるため、モーメント荷重が作用し、コンパクトな構成を要求されるパラレルリンク機構１の回転対偶部Ｔ１〜Ｔ４に設置される軸受１２，２４に最適である。また、小型のアンギュラ玉軸受は標準品でシール付きのものは少なく、従来はパラレルリンク機構に使用することが難しかったが、この発明のシール構造を構築することで小型のアンギュラ玉軸受を使用することが可能になる。場合によっては、アンギュラ玉軸受以外の玉軸受を用いても良く、あるいはころ軸受を用いても良い。

基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３の環状内面形成部１５に軸受１２を埋設状態で設けたことにより、パラレルリンク機構１全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３の外形を拡大することができる。そのため、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３を他の部材に取付けるための取付スペースの確保が容易である。

リンクハブ２（３）と端部リンク部材５（６）の回転対偶部Ｔ１（Ｔ４）では、軸受１２の軸方向一方側に、回転対偶の一方の対偶構成部材である端部リンク部材５（６）に設けられた軸部材１３と他方の対偶構成部材であるリンクハブ２（３）に設けられた環状内面形成部１５とでシール構造１９が構築され、かつ軸方向他方側に、前記軸部材１３の外周に嵌合する間座部材１６と前記環状内面形成部１５とでシール構造２１が構築されている。
リンクハブ２（３）および端部リンク部材５（６）は、パラレルリンク機構１を構成する部品である。また、間座部材１６は、軸受１２の内輪１２ａを内輪固定手段であるナット１４で締付け固定する場合に、内輪１２ａに対して均一に荷重がかかるように、一般的に内輪１２ａとナット１４の間に設けられる部品である。このように、必要不可欠な部品だけでシール構造１９，２１を構築することで、別部材からなるシールを設ける必要がなくなり、軸受１２の幅寸法を抑えることができる。そのため、リンク機構４の部品間の干渉が起り難く、作業範囲が広くなる。また、軸受１２周辺の寸法が小さくなるため、パラレルリンク１構１全体の軽量・コンパクト化を実現できる。
組立性等の問題により、軸部材１３と環状内面形成部１５だけでは軸受１２の両端にシール構造を構築することは難しいが、間座部材１６と環状内面形成部１５とによるシール構造を併用することで、軸受２４の両端にシール構造１９，２１を容易に構築することができる。

端部リンク部材５（６）と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２（Ｔ３）では、軸受２４の軸方向一方側に、回転対偶の一方の対偶構成部材である端部リンク部材５（６）に設けられた軸部２５と他方の対偶構成部材である中央リンク部材７に設けられた環状内面形成部２８とでシール構造３１が構築され、かつ軸方向他方側に、前記軸部２５の外周に嵌合する間座部材２６と前記環状内面形成部２８とでシール構造３３が構築されている。
前記同様に、必要不可欠な部品だけでシール構造３１，３３を構築することで、別部材からなるシールを設ける必要がなくなり、軸受２４の幅寸法を抑えることができる。そのため、リンク機構４の部品間の干渉が起り難く、作業範囲が広くなる。また、軸受２４周辺の寸法が小さくなるため、パラレルリンク１構１全体の軽量・コンパクト化を実現できる。
組立性等の問題により、軸部２５と環状内面形成部２８だけでは軸受２４の両端にシール構造を構築することは難しいが、間座部材２６と環状内面形成部２８とによるシール構造を併用することで、軸受２４の両端にシール構造３１，３３を容易に構築することができる。

より詳しくは、前記シール構造１９は、軸部材１３の一部である段差部１３ｃの外周面と、環状内面形成部１５の一部である段差部１５ｂの内周面との間の隙間１８により構築されている。軸部材１３の段差部１３ｃは内輪１２ａの位置決めに利用され、環状内面形成部１５の段差部１５ｂは外輪１２ｂの位置決めに利用される。両段差部１３ｃ，１５ｂは互いに近い距離にあるため、別部材を設置することなく、容易に隙間１８によるシール構造１９を構築できる。

前記シール構造２１は、間座部材１６の一部であるつば状部１６ａの外周面と環状内面形成部１５の一部である外端部１５ｄの内周面との間の隙間２０により構築されている。間座部材１６は内輪１２ａの締付け固定に利用され、環状内面形成部１５の外端部１５ｄは止め輪１７の保持に利用される。間座部材１６につば状部１６ａを設けて、つば状部１６ａの外周面と環状内面形成部１５の外端部１５ｄの内周面との距離を近くすることにより、別部材を設置することなく、容易に隙間２０によるシール構造２１を構築できる。

前記シール構造３１は、軸部２５の一部である段差部２５ｃの外周面と、環状内面形成部２８の一部である段差部２８ｂの内周面との間の隙間３０により構築されている。軸部２５の段差部２５ｃは内輪２４ａの位置決めに利用され、環状内面形成部２８の段差部２８ｂは外輪２４ｂの位置決めに利用される。両段差部２５ｃ，２８ｂは互いに近い距離にあるため、別部材を設置することなく、容易に隙間３０によるシール構造３１を構築できる。

前記シール構造３３は、間座部材２６の一部であるつば状部２６ａの外周面と環状内面形成部２８の一部である外端部２８ｄの内周面との間の隙間３２により構築されている。間座部材２６は内輪２４ａの締付け固定に利用され、環状内面形成部２８の外端部２８ｄは止め輪２９の保持に利用される。間座部材２６につば状部２６ａを設けて、つば状部２６ａの外周面と環状内面形成部２８の外端部２８ｄの内周面との距離を近くすることにより、別部材を設置することなく、容易に隙間３２によるシール構造３３を構築できる。

図８ないし図１１は、この発明のパラレルリンク機構の異なる実施形態を示す。このパラレルリンク機構１は、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３に対して端部リンク部材５，６をそれぞれ回転自在に支持する軸受１２（図９）を外輪回転タイプとしたものである。基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶部Ｔ１を例にとって説明すると、図９に示すように、基端側のリンクハブ２の円周方向の３箇所に軸部３５が形成され、これら軸部３５の外周に、並列に設けた二つの軸受１２を介して端部リンク部材５が回転自在に支持されている。二つの軸受１２は、端部リンク部材５に形成された連通孔３４内に設けられ、間座部材３６を介して、軸部３５の先端ねじ部３５ａに螺着したナット３７によって締付け固定されている。

この回転対偶部Ｔ１の場合、端部リンク部材５における前記連通孔３４の周辺部分が、請求の範囲で言う環状内面形成部３８である。図示例では、環状内面形成部３８は端部リンク部材５の一部とされているが、環状内面形成部３８は端部リンク部材５と別体であっても良い。また、図示例では、軸部３５はリンクハブ２と一体に設けられているが、軸部３５はリンクハブ２と別部材であっても良い。

より詳しくは、図１０の部分拡大図に示すように、二つの軸受１２はアンギュラ玉軸受であり、例えば背面組合せで配置されている。軸部３５の基端部分は、軸受１２の内輪１２ａの内周に嵌合した部分３５ｂよりも外径が大きい段差部３５ｃとされ、この段差部３５ｃの段差面３５ｄが基端側の軸受１２の内輪１２ａの端面に当接することで、内輪１２ａを軸方向に位置決めしている。また、先端側の軸受１２の内輪１２ａは、前記間座部材３６に接している。よって、前記ナット３７を締付けることにより、間座部材３６を介して内輪１２ａが前記段差面３５ｄに押付けられて、内輪１２ａを締付け固定すると共に、軸受１２に対して予圧を付与する。ナット３７は、内輪１２ａの軸方向位置を固定する内輪固定手段である。

環状内面形成部３８の一部は、軸受１２の外輪１２ｂの外周に嵌合した部分すなわち外輪嵌合部３８ａよりも内径が小さい段差部３８ｂとされ、この段差部３８ｂの段差面３８ｃが基端側の軸受１２の外輪１２ｂの端面に当接することで、外輪１２ｂを軸方向に位置決めしている。また、端部リンク部材５には、その側面から突出して基端が外輪嵌合部３８ａの一部となる環状のつば状部３８ｄを有しており、外輪嵌合部３８ａに外輪１２ｂが嵌合した状態で前記つば状部３８ｄを内径側へかしめることで、外輪１２ｂを締まり嵌めとし、またはつば状部３８ｄの外輪１２ｂよりも突出した部分である先端部３８ｄａの基端を外輪１２ｂの端面に係合させることで、前記段差部３８ｂとかしめ部分の間で外輪１２ｂを軸方向に抜け止めした状態に位置決めしている。

前記軸部３５の段差部３５ｃの外周面と前記環状内面形成部３８の段差部３８ｂの内周面とは、僅かな隙間４０を介して非接触で対向している。これにより、軸部３５の段差部３５ｃと環状内面形成部３８の段差部３８ｂとは互いに回転が可能でありながら、軸受１２の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造４１が構築されている。つまり、隙間４０を狭くすることで、軸受１２の内部の潤滑剤が外部に漏れることや、外部から軸受１２の内部へ異物が侵入することを防いでいる。上記隙間４０が狭いほどシール効果が高い。

前記間座部材３６の軸方向先端側部分は、外輪１２ａとの接触を避けて外径側へ延びたつば状部３６ａとして形成されており、このつば状部３６ａの外周面と環状内面形成部３８の一部である前記先端部３８ｄａの内周面とが、僅かな隙間４２を介して非接触で対向している。これにより、間座部材３６のつば状部３６ａと環状内面形成部３８の先端部３８ｄａとは互いに回転が可能であり、かつ前記同様のシール機能を有するシール構造４３が構築されている。上記隙間４２が狭いほどシール効果が高い。

図９において、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２は、端部リンク部材５の連通孔４４内に二つの軸受２４を設け、これら軸受２４により中央リンク部材７の軸部４５を回転自在に支持する構造である。つまり、回転対偶部Ｔ２は、一対の対偶構成部材である基端側の端部リンク部材５と他方の対偶構成部材である中央リンク部材７とが、軸受２４を介して互いに回転自在に連結されている。軸受２４は、間座部材４６を介して、軸部４５の先端ねじ部４５ａに螺着したナット４７によって締付け固定されている。

基端側の端部リンク部材５における前記連通孔４４の周辺部分が、請求の範囲で言う環状内面形成部４８である。図示例では、環状内面形成部４８は端部リンク部材５の一部とされているが、環状内面形成部４８は端部リンク部材５と別体であっても良い。また、図示例では、軸部４５は中央リンク部材７と一体に設けられているが、軸部４５は中央リンク部材７と別部材であっても良い。

より詳しくは、図１１の部分拡大図に示すように、二つの軸受２４はアンギュラ玉軸受であり、例えば背面組合せで配置されている。軸部４５の基端部分は、軸受２４の内輪２４ａの内周に嵌合した部分４５ｂよりも外径が大きい段差部４５ｃとされている。この段差部４５ｃは２段の段差４５ｃａ，４５ｃｂを有し、１段目の段差４５ｃａの段差面４５ｄが基端側の軸受２４の内輪２４ａの端面に当接することで、内輪２４ａを軸方向に位置決めしている。２段目の段差４５ｃｂは別部材としても良い。例えば、２段目の段差４５ｃｂをリング部材とし、その内周面を１段目の段差４５ｃａの外周面に嵌合させて固定しても良い。また、先端側の軸受２４の内輪２４ａは、前記間座部材４６に接している。よって、前記ナット４７を締付けることにより、間座部材４６を介して内輪２４ａが前記段差面４５ｄに押付けられて、内輪２４ａを締付け固定すると共に、軸受２４に対して予圧を付与する。ナット４７は、内輪２４ａの軸方向位置を固定する内輪固定手段である。

環状内面形成部４８の一部は、軸受２４の外輪２４ｂの外周に嵌合した部分すなわち外輪嵌合部４８ａよりも内径が小さい段差部４８ｂとされ、この段差部４８ｂの段差面４８ｃが先端側の軸受２４の外輪２４ｂの端面に当接することで、外輪２４ｂを軸方向に位置決めしている。また、端部リンク部材５には、その側面から突出して基端が外輪嵌合部４８ａの一部となる環状のつば状部４８ｄを有しており、外輪嵌合部４８ａに外輪２４ｂが嵌合した状態で前記つば状部４８ｄを内径側へかしめることで、外輪２４ｂを締まり嵌めとし、またはつば状部４８ｄの外輪２４ｂよりも突出した部分である先端部４８ｄａの基端を外輪１２ｂの端面に係合させることで、前記段差部４８ｂとかしめ部分の間で外輪２４ｂを軸方向に抜け止めした状態に位置決めしている。

前記軸部４５の段差部４５ｃの外周面と前記環状内面形成部４８の先端部４８ｄａの内周面とは、僅かな隙間５０を介して非接触で対向している。これにより、軸部４５の段差部４５ｃと環状内面形成部４８の先端部４８ｄａとは互いに回転が可能でありながら、軸受２４の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造５１が構築されている。つまり、隙間５０を狭くすることで、軸受２４の内部の潤滑剤が外部に漏れることや、外部から軸受２４の内部へ異物が侵入することを防いでいる。上記隙間５０が狭いほどシール効果が高い。

前記間座部材４６の外周面と環状内面形成部４８の段差部４８ｂの内周面とが、僅かな隙間５２を介して非接触で対向している。これにより、間座部材４６と環状内面形成部４８の段差部４８ｂとは互いに回転が可能であり、かつ前記同様のシール機能を有するシール構造５３が構築されている。上記隙間５２が狭いほどシール効果が高い。

以上、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶部Ｔ１、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２について説明した。詳細な説明は省略するが、先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６の回転対偶部Ｔ４は回転対偶部Ｔ１と同じ構造であり、先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ３は回転対偶部Ｔ２と同じ構成である。このように、各リンク機構４における４つの回転対偶部Ｔ１〜Ｔ４に軸受１２，２４を設けた構造とすることにより、前記実施形態の場合と同様の作用・効果が得られる。

図１２はシール構造の異なる例を示す。このシール構造は、図８ないし図１１の実施形態におけるリンクハブ２（３）と端部リンク部材５（６）の回転対偶部Ｔ１（Ｔ４）に適用されたものであり、軸部３５の段差部３５ｃの外周面、および間座部材３６のつば状部３６ａの外周面に、円周方向に沿った複数の溝５５，５６がそれぞれ設けられている。それにより、各シール構造５７，５８はラビリンスシール構造となり、隙間４０，４２だけのシール構造４１，４２（図１０）よりもさらにシール性が向上する。このシール構造は、端部リンク部材５（６）と中央リンク部材７の回転対偶部Ｔ２（Ｔ３）に適用しても良い。また、図１ないし図７の実施形態の各回転対偶部Ｔ１〜Ｔ４に適用しても良い。

図１３は、この発明のパラレルリンク機構を用いた等速自在継手を示す。この等速自在継手６１は、図１ないし図７に示すパラレルリンク機構１の基端側のリンクハブ２に、取付板６２を介して入力軸６３を取付け、かつ先端側のリンクハブ３に、取付板６４を介して出力軸６５を取付けたものである。入力軸６３および出力軸６５の軸心は、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡおよび基端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢとそれぞれ一致している。

パラレルリンク機構１において、基端側および出力側のリンクハブ２，３の軸部材１３（図５）の角度、および長さが等しく、かつ基端側の端部リンク部材５と先端側の端部リンク部材６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材７についても基端側と先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材７の対称面に対して、中央リンク部材７と端部リンク部材５，６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ２および基端側の端部リンク部材５と、先端側のリンクハブ３および先端側の端部リンク部材６とは同じに動く。この例のように、基端側と先端側のリンクハブ２，３にそれぞれ中心軸ＱＡ，ＱＢと同軸に入力軸６３および出力軸６５を設け、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、入力軸６３と出力軸６５は同じ回転角になって等速で回転する。この等速回転するときの中央リンク部材７の対称面を等速二等分面という。

このため、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３を共有する同じ幾何学形状のリンク機構４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４が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材７が等速二等分面上のみの動きに限定される。これにより、基端側と先端側とが任意の作動角をとっても、入力軸６３と出力軸６５とが等速回転する。

図１４は、この発明のパラレルリンク機構を用いたリンク作動装置を示す。このリンク作動装置７１は、図１ないし図７に示すパラレルリンク機構１と、このパラレルリンク機構１を支持する基台７２と、パラレルリンク機構１を作動させる２つ以上の姿勢変更用アクチュエータ７３と、これら姿勢変更用アクチュエータ７３を操作するコントローラ７４とを備える。

基台７２は縦長の部材であって、その上面にパラレルリンク機構１の基端側のリンクハブ２が固定されている。基台７２の上部の外周にはつば状の駆動源取付台７５が設けられ、この駆動源取付台７５に前記姿勢変更用アクチュエータ７３が垂下状態で取付けられている。姿勢変更用アクチュエータ７３の数は、例えば２個である。姿勢変更用アクチュエータ７３はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取付けたかさ歯車７６と基端側のリンクハブ２の軸部材１３（図５）に取付けた扇形のかさ歯車７７とが噛み合っている。

このリンク作動装置７１は、コントローラ７４を操作して姿勢変更用アクチュエータ７３を回転駆動することで、パラレルリンク機構１を作動させる。詳しくは、姿勢変更用アクチュエータ７３が回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車７６，７７を介して軸部材１３に伝達されて、基端側のリンクハブ２に対する基端側の端部リンク部材５の角度が変更する。それにより、先端側のリンクハブ３の位置および姿勢が定まる。姿勢変更用アクチュエータ７３を設けるリンク機構４の数を２組以上としたのは、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の位置および姿勢を確定するのに必要なためである。３組すべてのリンク機構４に姿勢変更用アクチュエータ７３を設けてもよい。

パラレルリンク機構１を作動させるための姿勢変更用アクチュエータ７３の回転駆動は、コントローラ７４に設けた操作具（図示せず）により手動で行なってもよく、またはコントローラ７４に設けた設定器（図示せず）によって定められた設定量となるように、制御手段７８により自動制御で行ってもよい。制御手段７８は、コントローラ７４内に設けてもよく、またはコントローラ７４の外部に設けてもよい。

自動制御で行う場合、設定器により設定された先端側のリンクハブ３の姿勢に応じて、基端側の端部リンク部材５の回転角βｎの制御目標値を計算する。上記回転角βｎは、姿勢変更用アクチュエータ７３の動作位置を意味する。回転角βｎの計算は、下記の式１を逆変換することで行われる。逆変換とは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対する先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢの折れ角θ（図３）、および基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の旋回角φ（図３）から、基端側の端部リンク部材５の回転角βｎを算出する変換のことである。換言すると、折れ角θは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度であり、旋回角φは、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度である。

cos（θ／２）sinβｎ−sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０ ・・・（式１）
ここで、γ（図３）は、基端側の端部リンク部材５に回転自在に連結された中央リンク部材７の連結端軸と先端側の端部リンク部材６に回転自在に連結された中央リンク部材７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、基準となる基端側の端部リンク部材５に対する各基端側の端部リンク部材５の円周方向の離間角である。

回転角βｎの制御目標値を計算したなら、２つの姿勢変更用アクチュエータ７３を、前記回転角βｎが制御目標値となるように、先端側のリンクハブ３の姿勢を検出する姿勢検出手段７９の信号を利用してフィードバック制御する。姿勢検出手段７９は、例えば図示のように、基端側の端部リンク部材５の回転角βｎ（図３におけるβ１，β２）を検出する。折れ角θおよび旋回角φと、回転角βｎとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。

このように、２つの姿勢変更用アクチュエータ７３の回転駆動を制御することにより、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の位置および姿勢が決定される。３組あるリンク機構４のうち２組のリンク機構４だけに姿勢変更用アクチュエータ７３を設けたため、２つの姿勢変更用アクチュエータ７３だけを制御すればよい。３組すべてのリンク機構４に姿勢変更用アクチュエータ７３を設けた場合と比べて、姿勢変更用アクチュエータ７３のスムーズな動作が可能になり、動作速度が速い。

図１５ないし図１７は、この発明のパラレルリンク機構を用いた異なるリンク作動装置を示す。図１５において、このリンク作動装置８１は、図８ないし図１１に示すパラレルリンク機構１を介して、基台８２に対して、各種器具等が取付けられる先端取付部材８３を姿勢変更可能に連結したものである。基台８２と、パラレルリンク機構１の基端側のリンクハブ２との間にはスペーサ８４を介在させてある。

図１６およびその部分拡大図である図１７に示すように、パラレルリンク機構１の３組のリンク機構４のうちの少なくとも２組に、基端側の端部リンク部材５を回動させて基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３の姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータ９０と、この姿勢変更用アクチュエータ９０の動作量を基端側の端部リンク部材５に減速して伝達する減速機構９１とが設けられている。図示例では、３組のリンク機構４のすべてに、姿勢変更用アクチュエータ９０および減速機構９１が設けられている。

姿勢変更用アクチュエータ９０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機９０ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材９２により基台８２に固定されている。減速機構９１は、姿勢変更用アクチュエータ９０の減速機９０ａと、歯車式の減速部９３とでなる。

歯車式の減速部９３は、姿勢変更用アクチュエータ９０の出力軸９０ｂにカップリング９５を介して回転伝達可能に連結された小歯車９６と、基端側の端部リンク部材５に固定され前記小歯車９６と噛み合う大歯車９７とで構成されている。図示例では、小歯車９６および大歯車９７は平歯車であり、大歯車９７は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車９７は小歯車９６よりもピッチ円半径が大きく、姿勢変更用アクチュエータ９０の出力軸９０ｂの回転が基端側の端部リンク部材５へ、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶の回転軸Ｏ１回りの回転に減速して伝達される。その減速比は１０以上とされている。

大歯車９７のピッチ円半径は、基端側の端部リンク部材５のアーム長Ｌの１／２以上としてある。前記アーム長Ｌは、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶の中心軸Ｏ１の軸方向中心点Ｐ１から、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７との回転対偶の中心軸Ｏ２の軸方向中心点Ｐ２を基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶軸Ｏ１に直交してその軸方向中心点Ｐ１を通る平面に投影した点Ｐ３までの距離である。この実施形態の場合、大歯車９７のピッチ円半径が前記アーム長Ｌ以上である。そのため、高い減速比を得るのに有利である。

小歯車９６は、大歯車９７と噛み合う歯部９６ａの両側に突出する軸部９６ｂを有し、これら両軸部９６ｂが、基台８２に設置された回転支持部材９９に設けられた二つの軸受１００によりそれぞれ回転自在に支持されている。軸受１００は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。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。二つの軸受１００の各外輪（図示せず）間にはシム（図示せず）を設け、軸部９６ｂに螺合したナット１０１を締め付けることにより、軸受１００に予圧を付与する構成としてある。軸受１００の外輪は、回転支持部材９９に圧入されている。

この実施形態の場合、大歯車９７は、基端側の端部リンク部材５と別部材であり、基端側の端部リンク部材５に対してボルト等の結合具１０２により着脱可能に取付けられている。大歯車９７は基端側の端部リンク部材５と一体であってもよい。

姿勢変更用アクチュエータ９０の回転軸心Ｏ３および小歯車９６の回転軸心Ｏ４は同軸上に位置する。これら回転軸心Ｏ３，Ｏ４は、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶軸Ｏ１と平行で、かつ基台８２からの高さが同じとされている。

図１６に示すように、各姿勢変更用アクチュエータ９０は制御装置１１０で制御される。制御装置１１０は、コンピュータによる数値制御式のものであり、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を設定する姿勢設定手段１１１と、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を検出する姿勢検出手段１１２とからの信号に基づき、各姿勢変更用アクチュエータ９０に出力指令を与える。姿勢設定手段１１１は、例えば折れ角θ（図３を参考）および旋回角φ（図３を参考）を規定することで、先端側のリンクハブ３の姿勢を設定する。姿勢検出手段１１２は、例えばエンコーダ（図示せず）等により基端側の端部リンク部材５の回転角βｎ（図３におけるβ１，β２）を検出する。あるいは姿勢変更用アクチュエータ９０のエンコーダ（図示せず）を先端側のリンクハブ３の姿勢検出に用いても良い。折れ角θおよび旋回角φと、各回転角βｎとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。

基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を姿勢変更する場合、姿勢設定手段１１１により設定された先端側のリンクハブ３の姿勢に応じて、基端側の端部リンク部材５の回転角βｎの制御目標値を計算する。上記回転角βｎは、姿勢変更用アクチュエータ９０の動作位置を意味する。回転角βｎの計算は、前記式１を逆変換することで行われる。逆変換とは、折れ角θおよび旋回角φから基端側の端部リンク部材５の回転角βｎを算出する変換のことである。

回転角βｎの制御目標値を計算したなら、姿勢検出手段１１２の信号を利用したフィードバック制御により、実際の回転角βｎが制御目標値となるように各姿勢変更用アクチュエータ９０の出力を制御する。それにより、すべてのリンク機構４の基端側の端部リンク部材５が定められた回転角βｎだけ回転し、先端側のリンクハブ２が姿勢設定手段１１１により設定された姿勢に変更される。

このリンク作動装置８１は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれるため、先端取付部材８３に取付けられる医療用器具等の操作性が良い。３組のリンク機構４のすべてに姿勢変更用アクチュエータ９０および減速機構９１を設けたことにより、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３がどのような姿勢をとっていてもバランス良く駆動できる。つまり、駆動力のバランスが良い。これにより、各姿勢変更用アクチュエータ９０を小型化できる。また、３組のリンク機構４のすべてに姿勢変更用アクチュエータ９０および減速機構９１を設けることで、パラレルリンク機構１や減速機構９１のガタを詰めるように制御することが可能となり、先端側のリンクハブ３の位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置８１自体の高剛性化を実現できる。

減速機構９１の歯車式の減速部９３は、小歯車９６と大歯車９７の組合せからなり、１０以上の高い減速比が得られる。減速比が高いと、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなるため、先端側のリンクハブ３の位置決め分解能が向上する。また、低出力の姿勢変更用アクチュエータ９０を使用することができる。この実施形態では減速機９０ａ付きの姿勢変更用アクチュエータ９０を使用しているが、歯車式の減速部９３の減速比が高ければ、減速機無しの姿勢変更用アクチュエータ９０を使用することも可能となり、姿勢変更用アクチュエータ９０を小型化できる。

大歯車９７のピッチ円半径を、基端側の端部リンク部材５のアーム長Ｌの１／２以上としたことで、先端負荷による基端側の端部リンク部材５の曲げモーメントが小さくなる。そのため、リンク作動装置８１全体の剛性を必要以上に高くしなくて済むと共に、基端側の端部リンク部材５の軽量化を図れる。例えば、基端側の端部リンク部材５をステンレス鋼（ＳＵＳ）からアルミに変更できる。また、大歯車９７のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車９７の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置８１全体の剛性が高くなる。
また、大歯車９７のピッチ円半径が前記アーム長の１／２以上であると、大歯車９７が、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５の回転対偶部に設置する軸受１２の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車９７の歯部と軸受１２との間にスペースができ、大歯車９７の設置が容易である。

特にこの実施形態の場合、大歯車９７のピッチ円半径が前記アーム長Ｌ以上であるため、大歯車９７のピッチ円半径がさらに大きくなり、前記作用・効果がより一層顕著に現れる。加えて、小歯車９６をリンク機構４よりも外径側に設置することが可能となる。その結果、小歯車９６の設置スペースを容易に確保することができ、設計の自由度が増す。また、小歯車９６と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置８１の可動範囲が広くなる。

小歯車９６および大歯車９７は、それぞれ平歯車であるため、製作が容易であり、しかも回転の伝達効率が高い。小歯車９６は軸方向両側で軸受１００により支持されているため、小歯車９６の支持剛性が高い。それにより、先端負荷による基端側の端部リンク部材５の角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置８１の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。また、姿勢変更用アクチュエータ９０の回転軸心Ｏ３、小歯車９６の回転軸心Ｏ４、および基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶の中心軸Ｏ１が同一平面上にあるため、全体的なバランスが良く、組立性が良い。

大歯車９７は、基端側の端部リンク部材５に対して着脱自在であるため、歯車式の減速部９３の減速比や、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の作動範囲等の仕様の変更が容易となり、リンク作動装置８１の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置８１を、大歯車９７を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能である。また、メンテナンス性が良い。例えば、歯車式の減速部９３に障害が生じた場合に、同減速部９３のみを交換するだけで対処可能である。

１…パラレルリンク機構
２…基端側のリンクハブ
３…先端側のリンクハブ
４…リンク機構
５…基端側の端部リンク部材
６…先端側の端部リンク部材
７…中央リンク部材
１２，２４…軸受
１２ａ，２４ａ…内輪
１２ｂ，２４ｂ…外輪
１３…軸部材（軸部）
１３ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ…ねじ部
１３ｃ，２５ｃ，３５ｃ，４５ｃ…段差部
１３ｄ，２５ｄ，３５ｄ…段差面
１４，２７，３７，４７…ナット（内輪固定手段）
１５，２８，３８，４８…環状内面形成部
１５ａ，２８ａ，３８ａ，４８ａ…外輪嵌合部
１５ｂ，２８ｂ，３８ｂ，４８ｂ…段差部
１５ｃ，２８ｃ，３８ｃ，４８ｃ…段差面
１６，２６，３６，４６…間座部材
１８，２０，３０，３２，４０，４２，５０，５２…隙間
１９，２１，３１，３３，４１，４３，５１，５３，５７，５８…シール構造
２５，３５，４５…軸部
６１…等速自在継手
６３…入力軸
６５…出力軸
７１，８１…リンク作動装置
７３，９０…姿勢変更用アクチュエータ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…回転対偶部
ＱＡ…基端側のリンクハブの中心軸
ＱＢ…先端側のリンクハブの中心軸

Claims (15)

1. 基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、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、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端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る、四つの回転対偶を有する三節連鎖構造であり、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基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であるパラレルリンク機構において、
   前記各リンク機構の各回転対偶は、一対の対偶構成部材が互いに軸受を介して連結されており、一方の対偶構成部材に設けられた軸部が前記軸受の内輪の内周に嵌合し、かつ他方の対偶構成部材に設けられた環状内面形成部が前記軸受の外輪の外周に嵌合し、前記軸部と前記環状内面形成部とにより、軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造を構築したことを特徴とするパラレルリンク機構。
2. 請求項１において、前記シール構造は、前記軸部の一部の外周面と、前記環状内面形成部の一部の内周面との間の隙間により構築されたものであるパラレルリンク機構。
3. 請求項２において、前記軸部の一部は、前記軸受の内輪の内周に嵌合した部分よりも外径が大きい段差部とされ、この段差部の段差面が前記内輪の端面に当接することで内輪の軸方向の位置決めをするパラレルリンク機構。
4. 請求項２または請求項３において、前記環状内面形成部の一部は、前記軸受の外輪の外周に嵌合した部分よりも内径が小さい段差部とされ、この段差部の段差面が前記外輪の端面に当接することで外輪の軸方向の位置決めをするパラレルリンク機構。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記軸受の内輪の軸方向位置を固定する内輪固定手段と、この内輪固定手段と前記軸受の内輪との間に介在する間座部材とを設け、前記間座部材と前記環状内面形成部とにより、軸受の内部と外部間の潤滑剤等の出入りを規制するシール構造を構築したパラレルリンク機構。
6. 請求項５において、前記シール構造は、前記間座部材の一部の外周面と、前記環状内面形成部の一部の内周面との間の隙間により構築されたものであるパラレルリンク機構。
7. 請求項６において、前記環状内面形成部の一部は、外径が前記軸受の外輪の外径と等しい外輪嵌合部とされ、この外輪嵌合部に前記外輪が嵌合したパラレルリンク機構。
8. 請求項６において、前記環状内面形成部の一部は、前記軸受の外輪の外周に嵌合した部分よりも内径が小さい段差部とされ、この段差部の段差面が前記外輪の端面に当接することで外輪の軸方向の位置決めをするパラレルリンク機構。
9. 請求項５ないし請求項８のいずれか１項において、前記内輪固定手段は、前記軸部に形成されたねじ部に螺合するナットであるパラレルリンク機構。
10. 請求項１ないし請求項９において、前記シール構造は、ラビリンス構造であるパラレルリンク機構。
11. 請求項１ないし請求項１０において、前記環状内面形成部は前記基端側の端部リンク部材および前記先端側の端部リンク部材に設けられ、前記軸部は前記基端側のリンクハブ、前記先端側のリンクハブ、および前記中央リンク部材に設けられているパラレルリンク機構。
12. 請求項１ないし請求項１０において、前記環状内面形成部は前記基端側のリンクハブ、前記先端側のリンクハブ、および前記中央リンク部材に設けられ、前記軸部は前記基端側の端部リンク部材および前記先端側の端部リンクに設けられているパラレルリンク機構。
13. 請求項１ないし請求項１２において、前記軸受はアンギュラ玉軸受であるパラレルリンク機構。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構における前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、前記先端側のリンクハブに出力軸を設けたことを特徴とする等速自在継手。
15. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構における前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、四つの回転対偶のうちの少なくとも一つの回転対偶の角度を変更させる姿勢変更用アクチュエータを設けたことを特徴とするリンク作動装置。

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