JP2015224786A - パラレルリンク機構およびリンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速、高精度で、広範な作動範囲の動作を行うことができ、組立てが容易で、量産性に優れ、安価に製作できる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、基端側のリンクハブ２に対し先端側のリンクハブ３を、３組以上のリンク機構４を介して姿勢を変更可能に連結してなる。各リンク機構４は、基端側および先端側の端部リンク部材５，６と、中央リンク部材７とでなる。中央リンク部材７は、板厚方向の曲がり部７ａを２箇所以上有する板材を備える。【選択図】 図１

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度で、広範な作動範囲を必要とする機器に用いられるパラレルリンク機構およびリンク作動装置に関する。

医療機器や産業機器等の各種作業装置に用いられるパラレルリンク機構が、特許文献１、２に提案されている。

特開２０００−９４２４５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、構成が比較的簡単であるが、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くという問題がある。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が小さいものに制限されるという問題もある。

特許文献２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、４節連鎖の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た構成としたことにより、コンパクトでありながら、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作が可能である。

しかし、特許文献２のパラレルリンク機構は、部品構成が複雑であり、組立性が悪いという問題がある。また、剛性や強度を確保するために、各部品が複雑な形状をしており、量産性が悪く、製作コストが高いという問題もある。

この発明の目的は、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作を行うことができ、組立てが容易で、量産性に優れ、安価に製作できる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、２自由度の角度を制御することが可能で、かつ広範な作動範囲の動作を精度良く行うことができ、低コストで製作できる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に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する板材を備えることを特徴とする。

この明細書において、「基端側」および「先端側」とは、以下の意味で用いられる。すなわち、リンクハブと端部リンク部材の各回転対偶、および、端部リンク部材と中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点をリンクハブの「球面リンク中心」と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を「リンクハブの中心軸」と称する場合、それぞれのリンクハブから基端側および先端側の各リンクハブの中心軸が交差する交点から見て基端側の球面リンク中心方向を基端側、先端側の球面リンク中心方向を先端側としている。

この構成によれば、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軸周りに回転自在な２自由度機構が構成される。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、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最大折れ角は約±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。

中央リンク部材を板材としたため、中央リンク部材を低コストで製造することができ、かつ量産性に優れる。また、中央リンク部材が板材であると、端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶部の構成を簡略にでき、組立て性が向上する。このパラレルリンク機構では、機構上の理由から、中央リンク部材は、中間部が内側に突出する湾曲形状をしている。中央リンク部材が曲がり部を２箇所以上有すると、中央リンク部材の中間部の内側への突出量を少なくすることができる。これにより、各リンク機構同士の干渉や、基端側もしくは先端側のリンクハブに装着される器具との干渉を回避することができ、前記機構上の可動範囲における実質的に有効な可動範囲を広くとれる。

この発明において、前記中央リンク部材を構成する前記板材は金属板であり、前記曲がり部を板金曲げ加工により形成すると良い。
この場合、曲がり部の加工が容易である。

この発明において、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する第１の板材と、この第１の板材よりも板厚方向の曲がり部の数が少ない第２の板材とを備えていても良い。
この場合、中央リンク部材の湾曲形状に合わせて、曲がり部の数が多い第１の板材を湾曲の内周側に配置し、かつ曲がり部の数が少ない第２の板材を湾曲の外周側に配置する。中央リンク部材を２つの板材で構成すると、中央リンク部材の強度を確保しつつ、板材の板厚を薄くすることができる。それにより、中央リンク部材を安価に製造できると共に、軽量化を図ることができる。

上記構成において、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の回転対偶部は、前記第１の板材および第２の板材の間に、軸受を内蔵した前記端部リンク部材を配置し、前記第１の板材および第２の板材にそれぞれ設けられた貫通孔および前記軸受の内輪に回転軸を挿通し、前記第１の板材および第２の板材、前記軸受の内輪、および前記回転軸を互いに固定すると良い。
この構成によると、第１の板材と第２の板材とで回転軸の両端を支持し、前記２つの板材の間に軸受が位置する。このため、端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶部のモーメント荷重に対する剛性が高くなり、パラレルリンク機構全体の剛性が向上する。

上記構成において、前記第１の板材および第２の板材のうちの一方の板材に設けられた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じないタイトな孔とし、もう一方の板材に設けられた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じるルーズな孔とするのが良い。
中央リンク部材の両端にそれぞれ連結される２つの回転軸は互いに角度を持っている。このため、板材の貫通孔がタイトな孔であると、２つの回転軸と２つの貫通孔を互いに位置合わせしてから、回転軸を進出させて貫通孔に回転軸を挿通することはできても、位置固定されている２つの回転軸に対して、板材を移動させて貫通孔に回転軸を挿通することはできない。
上記構成のように、２つの板材の貫通孔をそれぞれタイトな孔およびルーズな孔とすると、次の手順で組立を行うことができる。すなわち、先に、タイトな孔である貫通孔を有する板材に対して２つの回転軸を位置合わせし、板材は位置固定したまま２つの回転軸を進出させることで貫通孔に回転軸を挿通する。後で、位置固定された２つの回転軸に対して、ルーズな孔である貫通孔を有する板材を移動させて、回転軸と貫通孔の位置合わせをしながら貫通孔に回転軸を挿通する。貫通孔がルーズな孔であれば、回転軸と貫通孔の正確な位置合わせをする必要がなく、しかも板材をずらしたり傾けたりしながら回転軸を貫通孔に挿通することができるため、組立て作業性が良い。一方の板材のタイトな孔である貫通孔に回転軸が挿通されているため、中央リンク部材と回転軸の連結部の組立て精度を確保できる。

この発明において、前記端部リンク部材に固定された回転軸に、軸受を介して前記中央リンク部材を回転自在に連結する場合、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する前記板材に、前記軸受を内蔵する軸受ハウジングを固定して設けると良い。
これにより、端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶部を簡素な構成とすることができる。

この発明のリンク作動装置は、前記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の２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更す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２組以上のリンク機構に姿勢変更用アクチュエータを設ければ、基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を確定することができる。これにより、２自由度の角度を制御することが可能なリンク作動装置を低コストで実現できる。

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に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する板材を備えるため、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作を行うことができ、組立てが容易で、量産性に優れ、安価に製作できる。

この発明のリンク作動装置は、前記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の２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更する姿勢変更用アクチュエータを設けたため、２自由度の角度を制御することが可能で、かつ広範な作動範囲の動作を精度良く行うことができ、安価に製作できる。

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状態の斜視図である。 同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、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 同パラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 （Ａ）は同パラレルリンク機構の一使用状態を示す一部を省略した正面図、（Ｂ）は同パラレルリンク機構に対する比較例の一使用状態を示す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パラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同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、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 この発明のさらに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、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は同パラレルリンク機構の中央リンク部材を構成する第１の板材および第２の板材の部分図である。 この発明のさらに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、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 図９〜図１１のパラレルリンク機構を用いた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基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、駆動機構部等を示す一部破断平面図である。 図１２、図１３のパラレルリンク機構を用いたリンク作動装置の一部を省略した正面図である。

この発明の一実施形態に係るパラレルリンク機構を図１〜図５と共に説明する。
図１はこのパラレルリンク機構の一状態を示す斜視図、図２は同パラレルリンク機構の一部を省略した正面図である。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２では、１組のリンク機構４のみが示されている。リンク機構４の数は、４組以上であっても良い。

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４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は所定の角度に湾曲した形状をしており、一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の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。３組のリンク機構４は、幾何学的に同一形状をなす。

また、図４のように、リンク機構４を直線で表現したモデルは、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とが対称を成す形状である。より詳しくは、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。図４は、１組のリンク機構４のみを直線で表現している。この実施形態のパラレルリンク機構１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。

このパラレルリンク機構１は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶、および端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図２）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。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γを持っていても良いし、平行であっても良い。

図３は基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５、および中央リンク部材７の断面図であって、同図に、リンクハブ２と端部リンク部材５の回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶の中心軸Ｏ２と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。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の形状ならびに位置関係も図３と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ２と端部リンク部材５との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材５と中央リンク部材７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

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３が直交２軸周りに回転自在な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、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図３）と直角に交わる直線をリンクハブ２，３の中心軸（以下、「リンクハブ中心軸」とする）ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの折れ角θ（図１）の最大値を約±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（図１）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中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸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中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢ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に対する先端側のリンクハブ３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの交点である姿勢変更中心Ｏを回転中心として行われる。図１の斜視図は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示し、図２の正面図は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示す。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（図２）は変化しない。

このパラレルリンク機構１において、各リンク機構４におけるリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しく、かつ各リンク機構４のリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材５，６と中央リンク７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、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についても基端側の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。

次に、各リンク機構４における４つの回転対偶部、つまり、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、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、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、および先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部の構造について説明する。基端側と先端側の互いに対応する回転対偶部は同じ構造であるので、ここでは、図３と共に、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、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部を説明する。

リンクハブ２の円周方向の３箇所に軸部１１が形成され、この軸部１１の外周に２つの軸受１２の内輪（図示せず）が嵌合し、端部リンク部材５の基端に形成された軸受設置孔１３の内周に軸受１２の外輪（図示せず）が嵌合している。つまり、軸受１２は、内輪が固定で外輪が回転する。前記軸受１２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、軸部１１のねじ部１１ａに螺着したナット１５による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で軸部１１に固定されている。軸受１２とナット１５との間には、それぞれスペーサ１６が介在している。

また、中央リンク部材７の端部に軸部材２１が固定して設けられ、この軸部材２１の外周に２つの軸受２２の内輪（図示せず）が嵌合し、端部リンク部材５の先端に設けられた軸受設置孔２３の内周に軸受２２の外輪（図示せず）が嵌合している。軸部材２１は、中央リンク部材７の軸挿通孔２４に圧入等により挿通されている。前記軸受２２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、軸部材２１のねじ部２１ａに螺着したナット２５による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で軸部材２１に固定されている。軸受２２と中央リンク部材７との間、および軸受２２とナット２５との間には、それぞれスペーサ２６，２７が介在している。

このように、各回転対偶部に軸受１２，２２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１２，２２を設けた構造では、軸受１２，２２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１２，２２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。

中央リンク部材７は、一定厚さ、一定幅で両端が半円形に形成された細長い１枚の金属板からなり、この金属板を２箇所の曲がり部７ａで板厚方向に折り曲げて、両端間が所定の角度γを持つ湾曲形状としてある。この湾曲形状は、中央部がパラレルリンク機構１の内側、すなわち姿勢変更中心Ｏ（図１、図２）に近い側に突出する形状である。曲がり部７ａの折り曲げは、板金曲げ加工により行われる。金属板からなる中央リンク部材７の両端部には、前記軸挿通孔２４が設けられている。

このように、中央リンク部材７を板材とすると、中央リンク部材７を安価に製造することができ、かつ量産性が良い。また、中央リンク部材７が板材であると、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の回転対偶部の構成を簡略にでき、組立て性が向上する。特に、中央リンク部材７を構成する板材を金属板とすると、輪郭形状の切り出し、曲がり部７ａの折り曲げ、および軸挿通孔２４の形成を板金加工で行うことができ、加工が容易である。

パラレルリンク機構１の機構上の理由から、中央リンク部材７は、中間部が内側に突出する湾曲形状をしている。中央リンク部材７が曲がり部７ａを２箇所有すると、曲がり部７ａが１箇所である場合と比べて、中央リンク部材７の中間部の内側への突出量を少なくすることができる。これにより、各リンク機構４同士の干渉や、リンクハブ２，３に装着される器具との干渉を回避することができ、機構上の可動範囲(例えば、折れ角θが９０°、旋回角φが３６０°)における実質的に有効な可動範囲を広くとれる。

図５は、中央リンク部材７の曲がり部７ａが２箇所であるパラレルリンク機構１（同図（Ａ））と１箇所であるパラレルリンク機構１´（同図（Ｂ））とについて、先端側のリンクハブ３にエンドエフェクタ１００を基端側へ突出させた状態で装着した場合を比較した図である。基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３を同じ角度だけ姿勢変更しても、曲がり部７ａが２箇所であると、図５（Ａ）のように、エンドエフェクタ１００が中央リンク部材７に干渉することを回避できる(丸で囲った部分)が、曲がり部７ａが１箇所であると、図５（Ｂ）のように、エンドエフェクタ１００が中央リンク部材７に干渉してしまう(丸で囲った部分)ことが分かる。なお、曲がり部７ａの数は、３箇所以上であっても良い。

図６〜図８は、この発明の異なる実施形態を示す。このパラレルリンク機構１も、前記実施形態と同様に、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ている。各部の位置関係や動作特性も、前記実施形態と同じである。以下、前記実施形態と異なる点について説明する。

図６において、リンクハブ２，３は、その中心部にそれぞれ貫通孔３０Ａ，３０Ｂがリンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢ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。貫通孔３０Ａ，３０Ｂの中心は、リンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢと一致している。これらリンクハブ２，３の外周面の円周方向に等間隔の位置に、端部リンク部材５，６がそれぞれ回転自在に連結されている。

図８と共に、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、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部を例にとって、各回転対偶部の構造を説明する。
リンクハブ２には、外周と貫通孔３０Ａ間を貫通する軸受設置孔３１が円周方向に等配で３箇所に形成され、各軸受設置孔３１内に設けた２つの軸受３２により軸部材３３がそれぞれ回転自在に支持されている。軸部材３３の外側端部はリンクハブ２から突出しており、その先端にねじ部３３ａが形成されている。軸部材３３のリンクハブ２から突出した部分を、端部リンク部材５の一端に設けられた軸挿通孔５ａに挿通し、軸部材３３のねじ部３３ａに螺着したナット３４を締め付けて、軸部材３３に端部リンク部材５を結合する。

前記軸受３２は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪（図示せず）が前記軸受設置孔３１の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部材３３の外周に嵌合している。外輪は止め輪３５によって抜け止めされている。また、内輪と端部リンク部材５の間にはスペーサ３６が介在し、ナット３４の締付力が端部リンク部材５およびスペーサ３６を介して内輪に伝達されて、軸受３２に所定の予圧を付与している。

この実施形態では、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶部に設けられる軸受３２は、外輪が固定で内輪が回転する。この軸受３２をリンクハブ２，３に埋め込んだ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、リンクハブ２，３の外形を拡大することができる。そのため、リンクハブ２，３を他の部材に取り付けるための取付スペースの確保が容易である。

端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部は、端部リンク部材５に固定された軸部材４１に、軸受４２を介して中央リンク部材７を回転自在に支持している。軸受４２は例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、軸受４２の内輪(図示せず)が軸部材４１の外周に嵌合し、軸受４２の外輪(図示せず)が、中央リンク部材７に固定して設けられた軸受ハウジング４３の内周に嵌合している。軸部材４１は、端部リンク部材５に設けられた軸挿通孔５ｂと、端部リンク部材５と軸受４２間に介在するスペーサ４４と、軸受４２の内輪とに挿通し、軸部材４１のねじ部４１ａに螺着したナット４５を締め付けて、軸部材４１に端部リンク部材５を結合する。ナット４５の締付力がスペーサ４４を介して内輪に伝達されて、軸受４２に所定の予圧を付与する。

中央リンク部材７は、前記実施形態と同様に、一定厚さ、一定幅で両端が半円形に形成された細長い１枚の金属板を、２箇所の曲がり部７ａで板厚方向に折り曲げて両端間が所定の角度γを持つ湾曲形状としてある。曲がり部７ａの折り曲げは、板金曲げ加工により行われる。両端部には、内部に前記スペーサ４４が配置される貫通孔４６が設けられている。中央リンク部材７をこの構成としたことによる効果は、前記実施形態の場合と同様である。

上記各実施形態は、中央リンク部材７が１つの板材からなるが、中央リンク部材７が２つ以上の板材からなっていても良い。図９〜図１１に示すパラレルリンク機構は、図１〜図４に示すものに対して、中央リンク部材７を２つの板材からなる構成に変更している。また、図１２、図１３に示すパラレルリンク機構は、図６〜図８に示すものに対して、中央リンク部材７を２つの板材からなる構成に変更している。

図９〜図１１に示すパラレルリンク機構１の中央リンク部材７は、板面同士を向き合わせて互いに一定間隔を開けて並ぶ第１の板材５１および第２の板材５２からなり、これら第１および第２の板材５１，５２の両端間に、軸受５３を内蔵した端部リンク部材５が配置される。内側すなわち姿勢変更中心Ｏに対して近い側に位置する第１の板材５１は、板厚方向の曲がり部５１ａを２箇所有し、外側すなわち姿勢変更中心Ｏに対して遠い側に位置する第２の板材５２は、板厚方向の曲がり部５２ａを１箇所有する。つまり、第１の板材５１の曲がり部５１ａの数よりも第２の曲がり部５２ａの数が少ない。曲がり部５１ａ，５２ａの曲がり方向は、各板材５１，５２の中間部が内側に突出する方向である。各板材５１，５２は、例えば金属板からなり、曲がり部５１ａ，５２ａを板金曲げ加工により折り曲げている。

前記軸受５３は、例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、その外輪（図示せず）が端部リンク部材５の軸受設置孔５４の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が中央リンク部材７に固定された回転軸５５の外周に嵌合している。回転軸５５は、第２の板材５２に設けられた貫通孔５６、筒状のスペーサ５７、軸受５３の内輪、筒状のスペーサ５８、および第１の板材５１に設けられた貫通孔５９に挿通される。そして、回転軸５５のねじ部５５ａにナット６０を螺着し、回転軸５５の大径部５５ｂと前記ナット６０とで、板材５１，５２、軸受５３、およびスペーサ５７，５８を挟み付けることで、軸受５３に予圧を付与した状態で、回転軸５５に端部リンク部材５，６を連結する。

このように、中央リンク部材７を、２つの板材５１，５２が板面同士を互いに向き合わせて並列に配置した構成とすると、中央リンク部材７の強度を確保しつつ、各板材５１，５２の板厚を薄くすることができる。それにより、中央リンク部材７を安価に製造できると共に、軽量化を図ることができる。また、２つの板材５１，５２で回転軸５５の両端を支持するため、回転対偶部のモーメント荷重に対する剛性が高くなり、パラレルリンク機構１全体の剛性が向上する。

第２の板材５２の貫通孔５６は、図１１（Ｂ）のように、回転軸５５（図１０）の直径とほぼ同径の円形であるのに対し、第１の板材５１の貫通孔５９は、図１１（Ａ）のように、この板材５１の長手方向に長い長孔とされている。つまり、第２の板材５２の貫通孔５６は、この貫通孔５６に挿通される回転軸５５との間にすきまが生じないタイトな孔であり、第１の板材５１の貫通孔５９は、この貫通孔５９に挿通される回転軸５５との間にすきまが生じるルーズな孔である。このような貫通孔５６，５９としたのは、組立て性を高めるための工夫である。

中央リンク部材７の組立て方法を説明する。まず、回転軸５５を第２の板材５２の貫通孔５６に外側から挿通した後、回転軸５５に対して内側からスペーサ５７、軸受５３の内輪、スペーサ５８を順に嵌め込む。そして、回転軸５５の先端を第１の板材５１の貫通孔５９に挿通する。中央リンク部材７の両端に設けられる２つの回転軸５５は互いに角度を持っているため、回転軸５５の先端がスペーサ５８よりも大きく突出していると、２つの回転軸５５を貫通孔５９に挿通することができない。

そこで、回転軸５５の突出量を少なくした状態で、回転軸５５に対して第１の板材５１の貫通孔５９を位置合わせしてから、回転軸５５を進出させて貫通孔５９に挿通する。第１の板材５１の貫通孔５９は長孔であり、前記位置合わせに融通性があるため、回転軸５５と貫通孔５９の正確な位置合わせをする必要がなく、しかも回転軸５５の先端がスペーサ５８から少し程度突出しているだけなら、第１の板材５１を適宜ずらしたり傾けたりすることで回転軸５５を貫通孔５９に挿入することができる。最後に、回転軸５５の雄ねじ部５５ａにナット６０を螺着して、このナット６０を締め付けることで、中央リンク部材７の組立てが完了する。
この方法であると、先端が突出した回転軸５５に対して貫通孔５９を嵌める際に、目視での位置合わせが可能であり、組立て作業性が良い。タイトな孔である第２の部材５２の貫通孔５６に回転軸５５が挿通されているため、中央リンク部材７と回転軸５５の連結部の組立て精度は確保できる。

図１２、図１３に示すパラレルリンク機構１の中央リンク部材７は、板面同士を向き合わせて互いに一定間隔を開けて並ぶ第１の板材５１および第２の板材５２と、これら板材５１，５２の両端間に固定された２つの軸受ハウジング６２とからなる。前記同様に、内側に位置する第１の板材５１は、板厚方向の曲がり部５１ａを２箇所有し、外側に位置する第２の板材５２は、板厚方向の曲がり部５２ａを１箇所有する。軸受ハウジング６２には、端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部に設けられる回転軸６３を回転自在に支持する軸受６４が設置されている。この実施形態では、端部リンク部材５も板材からなり、この板材である端部リンク部材５の外径側に中央リンク部材７が配置される。

前記軸受６４は例えば深溝玉軸受等の転がり軸受であり、軸受６４の内輪(図示せず)が回転軸６３の外周に嵌合し、軸受６４の外輪(図示せず)が軸受ハウジング６２の内周に嵌合している。回転軸６４は、端部リンク部材５に設けられた軸挿通孔５ｂ、筒状のスペーサ６５、軸受６４の内輪、および筒状のスペーサ６６に内径側から挿通され、この回転軸６３の頭部６３ａとねじ部６３ｂに螺着されたナット６７とで前記各部品を挟み付けることで、軸受６４に予圧を付与した状態で端部リンク部材５に連結される。

図１４、図１５は、図９〜図１１のパラレルリンク機構１を用いたリンク作動装置を示す。図１４において、このリンク作動装置７０は、パラレルリンク機構１と、このパラレルリンク機構１を支持する土台７１と、パラレルリンク機構１を作動させる複数の姿勢変更用アクチュエータ７２とで構成される。姿勢変更用アクチュエータ７２を動作させることで、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を変更する。土台７１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７３を介在させてある。先端側のリンクハブ３には、エンドエフェクタ７４が設置される。

図１５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のすべてに、基端側の端部リンク部材５を回動させる前記姿勢変更用アクチュエータ７２と、この姿勢変更用アクチュエータ７２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８１とが設けられている。姿勢変更用アクチュエータ７２はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機７２ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材８２により土台７１に固定されている。減速機構８１は、姿勢変更用アクチュエータ７２の減速機７２ａと、歯車式の減速部８３とでなる。

歯車式の減速部８３は、姿勢変更用アクチュエータ７２の出力軸７２ｂにカップリング８５を介して回転伝達可能に連結された小歯車８６と、基端側の端部リンク部材５に固定され前記小歯車８６と噛み合う大歯車８７とで構成されている。例えば、小歯車８６および大歯車８７は平歯車であり、大歯車８７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８７は小歯車８６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７２の出力軸７２ｂ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回りの回転に減速して伝達される。

小歯車８６は、歯部の両側に突出する軸部を有し、両軸部のそれぞれが２つの軸受８８により回転自在に支持されている。２つの軸受８８は、土台７１に設置された回転支持部材８９に設けられている。前記軸受８８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良い。

図示例では、歯車式の減速部８３に平歯車を使用しているが、その他の機構（例えば、かさ歯車やウォーム機構）でも良い。また、図示例では、大歯車８７が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に対してボルト等により着脱可能に取付けられているが、大歯車８７は基端側の端部リンク部材５と一体であっても良い。

このリンク作動装置７０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７２および減速機構８１を設けたことで、パラレルリンク機構１や減速機構８１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７０自体の高剛性化を実現できる。

また、減速機構８１の歯車式の減速部８３は、小歯車８６と大歯車８７の組合せからなり、例えば１０以上の高い減速比を得ることができる。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７２を使用することができる。この実施形態では減速機７２ａ付きの姿勢変更用アクチュエータ７２を使用しているが、歯車式の減速部８３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７２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７２を小型化できる。

図１６は、図１２、図１３のパラレルリンク機構１を用いたリンク作動装置を示す。このリンク作動装置９０は、パラレルリンク機構１と、このパラレルリンク機構１を支持する土台９２と、パラレルリンク機構１を作動させる複数の姿勢変更用アクチュエータ９３と、これら姿勢変更用アクチュエータ９３の動作によりパラレルリンク機構１を作動させるコントローラ９４とを備える。姿勢変更用アクチュエータ９３を制御する制御装置（図示せず）は、コントローラ９４内に設けられていても良く、コントローラ９４と別に設けられていても良い。

前記土台９２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。土台９２の上部の外周にはつば状のアクチュエータ取付台９５が設けられ、このアクチュエータ取付台９５に前記姿勢変更用アクチュエータ９３が垂下状態で取り付けられている。姿勢変更用アクチュエータ９３の数は、リンク機構４と同数の３個である。姿勢変更用アクチュエータ９３はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取り付けたかさ歯車９６と基端側のリンクハブ２の軸部材３３に取り付けた扇形のかさ歯車９７とが噛み合っている。
なお、この例では、リンク機構４と同数の姿勢変更用アクチュエータ９３が設けられているが、３組のリンク機構４のうち少なくとも２組に姿勢変更用アクチュエータ９３が設けられていれば、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を確定することができる。

このリンク作動装置９０は、コントローラ９４を操作して各姿勢変更用アクチュエータ９３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９３を回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車９６，９７を介して軸部材３３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、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まる。ここでは、かさ歯車９６，９７を用いて基端側の端部リンク部材５の角度を変更しているが、その他の機構（例えば、平歯車やウォーム機構）でも良い。

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
７ａ…曲がり部
５１…第１の板材
５１ａ…曲がり部
５２…第２の板材
５２ａ…曲がり部
５３…軸受
５５…回転軸
５６…貫通孔（タイトな孔）
５９…貫通孔（ルーズな孔）
６２…軸受ハウジング
６３…回転軸
６４…軸受
７０…リンク作動装置
７２…姿勢変更用アクチュエータ
９０…リンク作動装置
９３…姿勢変更用アクチュエータ

Claims (7)

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に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを備え、
   前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する板材を備えることを特徴とするパラレルリンク機構。
2. 請求項１に記載のパラレルリンク機構において、前記中央リンク部材を構成する前記板材は金属板であり、前記曲がり部を板金曲げ加工により形成したパラレルリンク機構。
3. 請求項１または請求項２に記載のパラレルリンク機構において、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する第１の板材と、この第１の板材よりも板厚方向の曲がり部の数が少ない第２の板材とを備えるパラレルリンク機構。
4. 請求項３に記載のパラレルリンク機構において、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材の回転対偶部は、前記第１の板材および第２の板材の間に、軸受を内蔵した前記端部リンク部材を配置し、前記第１の板材および第２の板材にそれぞれ設けられた貫通孔および前記軸受の内輪に回転軸を挿通し、前記第１の板材および第２の板材、前記軸受の内輪、および前記回転軸を互いに固定したパラレルリンク機構。
5. 請求項４に記載のパラレルリンク機構において、前記第１の板材および第２の板材のうちの一方の板材に設けられた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じないタイトな孔であり、もう一方の板材に設けられた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じるルーズな孔であるパラレルリンク機構。
6. 請求項１または請求項２に記載のパラレルリンク機構において、前記端部リンク部材に固定された回転軸に、軸受を介して前記中央リンク部材を回転自在に連結し、前記中央リンク部材は、板厚方向の曲がり部を２箇所以上有する前記板材に、前記軸受を内蔵する軸受ハウジングを固定して設けたパラレルリンク機構。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構において、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更す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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