JP2016107393A - パラレルリンク機構を用いた作業装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速、高精度の作業が可能で、コンパクト化を実現しつつ、比較的大きな被作業体に対しても複数方向から作業を行うことができるパラレルリンク機構を用いた作業装置を提供する。
【解決手段】 作業装置１は、パラレルリンク機構９と、姿勢制御用アクチュエータ１０と、直交２軸直動機構８とを備える。パラレルリンク機構９は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を、３組以上のリンク機構１４を介して姿勢を変更可能に連結する。姿勢制御用アクチュエータ１０は、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を任意に変更する。直交２軸直動機構８は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと直交する平面と平行に作業体３を移動させる。先端側のリンクハブ１３に、先端側のリンクハブ１２と基端側のリンクハブ１３との間の内部空間Ｓ１に位置するように被作業体２を設置する。
【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を用いた作業装置に関する。

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およびリンク作動装置が、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のリンク作動装置は、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パラレルリンク機構を用いたことにより、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のリンク作動装置は、他の機構を組み合わせてリンク作動装置の内部空間に配置した被作業体に対して作業を行う場合、被作業体や作業体がパラレルリンク機構の一部の部材と干渉することで、作業範囲が狭くなり、比較的大きな被作業体に対して作業できないといった課題がある。

この発明の目的は、高速、高精度の作業が可能で、コンパクト化を実現しつつ、比較的大きな被作業体に対しても複数方向から作業を行うことができるパラレルリンク機構を用いた作業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を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を直交２軸方向に移動させる直交２軸直動機構とを備える。
前記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有する。
前記姿勢制御用アクチュエータは、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ように、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設けられる。
前記直交２軸直動機構は、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する平面と平行に前記作業体を移動させるものである。なお、「リンクハブの中心軸」とは、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記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前記リンクハブの球面リンク中心と称する場合、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと前記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指す。
前記先端側のリンクハブに、この先端側のリンクハブと前記基端側のリンクハブとの間の内部空間に位置するように前記被作業体を設置する。

前記パラレルリンク機構は、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自由度機構を構成する。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折れ角の最大値は約±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。

このパラレルリンク機構を用いた作業装置は、パラレルリンク機構の２自由度と直交２軸直動機構の２自由度とで計４自由度の構成となる。４自由度の構成であると、姿勢制御用アクチュエータによりパラレルリンク機構を作動させて先端側のリンクハブに設置された被作業体の姿勢を変更すると共に、直交２軸直動機構により作業体を直交２軸方向に移動させることで、被作業体の各面に対して作業体で作業を行うことができる。作業体を被作業体に接触させて行う作業、および作業体を被作業体に対して一定に間隔を開けて非接触で行う作業のいずれも可能であるが、本構成は作業体と被作業体との距離の調整が不要な非接触で行う作業に優れる。パラレルリンク機構により被作業体の姿勢変更を高速、高精度で行えるため、高速、高精度の作業が可能である。

例えば、パラレルリンク機構を右側に傾けると、被作業体の右側面が作業体の側を向く。この場合、直交２軸直動機構により作業体を右方向に移動させることで、被作業体の右側面に対して作業を行うことができる。また、パラレルリンク機構を左側に傾けると、被作業体の左側面が作業体の側を向く。この場合、直交２軸直動機構により作業体を左方向に移動させることで、被作業体の左側面に対して作業を行うことができる。同様に、パラレルリンク機構を前後に傾け、直交２軸直動機構により作業体を前後方向に移動させることで、被作業体の前後の側面に対して作業を行うことができる。

パラレルリンク機構の機構特性上、上記パラレルリンク機構の傾き動作に伴い、各中央リンク部材の中央部を結ぶ円である中央リンク部材の軌道円もパラレルリンク機構の傾き側に移動する。つまり、中央リンク部材の移動跡にスペースができる。このため、パラレルリンク機構の傾き側へ作業体を移動させても、作業体と中央リンク部材とが干渉し難い。このことから、パラレルリンク機構の作動範囲を広くとれ、作業体に対する作業範囲が広くなる。また、コンパクト化を実現しつつ、比較的大きな被作業体に対しても複数方向から作業を行うことができる。

この発明において、前記直交２軸直動機構は、前記基端側のリンクハブと一体の部材に設置され、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する平面に沿って前記被作業体に対して前記作業体を直交２軸方向に移動させると良い。
この場合、作業体や被作業体の位置を計算する関係式が比較的簡単な形となり、姿勢制御用アクチュエータおよび直交２軸直動機構の制御が容易になる。

この発明において、前記パラレルリンク機構を前記先端側のリンクハブが下向きとなるように設置し、前記直交２軸直動機構を前記パラレルリンク機構の上方に配置すると良い。
この場合、姿勢制御用アクチュエータ、直交２軸直動機構等の制御用機器や作業体が被作業体の下方に配置されていないため、作業体から発生する切粉等や作業体に付着させるグリース、塗料等が制御用機器や作業体に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。

この発明において、前記直交２軸直動機構とは別に、前記被作業体に対して前記作業体を前記基端側のリンクハブの中心軸と平行に移動させるＺ軸直動機構を設けると良い。
この場合、前記４自由度の構成にＺ軸直動機構による１自由度を加えることで、５自由度の構成となる。被作業体が比較的大きい場合、４自由度の構成では、作業体と被作業体との距離を調整することが難しいが、５自由度の構成であると、作業体と被作業体との距離を制御できるため、接触しての作業も無理なく行える。

この発明において、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体における前記球面リンク中心から先端側のリンクハブの中心軸の方向に最も離れた位置までの距離をＴ、前記基端側のリンクハブの球面リンク中心と前記先端側のリンクハブの球面リンク中心間の距離をＬ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））
の関係が成り立つと良い。
パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した場合、先端側または基端側の球面リンク中心から先端側または基端側のリンクハブの中心軸の交点までの距離がＬ／（２cos（θmax／２））となる。距離ＴをＬ／（２cos（θmax／２））以上とすれば、最大折れ角θmaxの作動範囲内において、折れ角θが大きくなるにつれて、被作業体の側面と基端側のリンクハブの中心軸との距離が近づく。そのため、直交２軸直動機構のストロークを小さくでき、コンパクトな構成を実現できる。

この発明において、前記先端側のリンクハブの中心軸から前記被作業体の外周面までの最大距離をＭ、前記各中央リンク部材の内面の中央部を結ぶ円である中央リンク部材の内面軌道円の半径をＲ、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の先端位置までの距離をＴ，前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが成す角度である作動範囲の最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ
の関係が成り立つと良い。ここで、中央リンク部材の「内面」とは、基端側と先端側の球面リンク中心を結ぶ直線の中点に対し対向する面のことである。
このようにパラレルリンク機構の各リンク機構を構成することで、被作業体や作業体が中央リンク部材と干渉することを回避できる。それにより、パラレルリンク機構の可動範囲と作業範囲を広くとれるようになる。

この発明において、前記被作業体を前記先端側のリンクハブの中心軸に対して直交する軸回りに回転させる回転機構を設けても良い。
この場合、回転機構により被作業体を回転させることで、被作業体の全周面に対して作業を行うことができるようになる。

回転機構を設ける場合、一端が前記先端側のリンクハブに固定され他端が前記パラレルリンク機構の外部空間へ延びた回転機構固定部材の前記他端に前記回転機構を設置し、この回転機構の出力軸に被作業体固定部材を設置し、この被作業体固定部材の先端を前記３組以上のリンク機構のうちの隣合う２組のリンク機構の間を通って前記内部空間に挿入し、この被作業体固定部材の前記先端に前記被作業体を設置すると良い。
このように、回転機構をスペースに余裕のあるパラレルリンク機構の外部空間に配置することで、各リンク機構と回転機構とが干渉することを防止でき、より広い作動範囲を実現できる。

この発明のパラレルリンク機構を用いた作業装置は、被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を直交２軸方向に移動させる直交２軸直動機構とを備え、前記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有し、前記姿勢制御用アクチュエータは、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ように、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設けられ、前記直交２軸直動機構は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記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前記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前記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、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する平面と平行に前記作業体を移動させるものであり、前記先端側のリンクハブに、この先端側のリンクハブと前記基端側のリンクハブとの間の内部空間に位置するように前記被作業体を設置したため、高速、高精度の作業が可能で、コンパクト化を実現しつつ、比較的大きな被作業体に対しても複数方向から作業を行うことができる。

この発明の一実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。 同作業装置の異なる状態の正面図である。 同作業装置の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一状態の斜視図である。 同リンク作動装置の異なる状態の斜視図である。 （Ａ）は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等の断面図、（Ｂ）のその部分拡大図である。 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。 同作業装置の直交２軸直動機構の平面図である。 この発明の異なる実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。 同作業装置の異なる状態の正面図である。 同作業装置の直交２軸直動機構の平面図である。 （Ａ），（Ｂ）は互いに異なる被作業体の平面図である。 同作業装置の作業動作を示す説明図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。 同作業装置の異なる状態の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。 同作業装置の異なる状態の正面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる作業装置の一状態の正面図である。

この発明の一実施形態に係るパラレルリンク機構を用いた作業装置を図１〜図８と共に説明する。
図１、図２はこの作業装置の互いに異なる状態を示す正面図である。作業装置１は、被作業体２に対して作業体３で作業を行う装置であって、土台４の上に建てられて複数本の支柱５によって水平状のベース部材６が支持され、このベース部材６に、リンク作動装置７および直交２軸直動機構８が設置されている。リンク作動装置７は、被作業体２を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構９と、このパラレルリンク機構９を作動させる姿勢制御用アクチュエータ１０とで構成される。直交２軸直動機構８は、被作業体２に対して作業体３を直交２軸方向に移動させる機構である。

図３はリンク作動装置の正面図、図４、図５はリンク作動装置の互いに異なる状態を示す斜視図である。これらの各図は、図１、図２に対して上下反転して表されている。リンク作動装置７のパラレルリンク機構９は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結したものである。なお、図３では、１組のリンク機構１４のみが示されている。リンク機構１４の数は、４組以上であっても良い。

各リンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７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１５，１６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３に回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構９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１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶、および端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７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３）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１２，１３と端部リンク部材１５，１６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１５，１６と中央リンク部材１７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１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図３）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図６は基端側のリンクハブ１２、基端側の端部リンク部材１５等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ１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１３および先端側の端部リンク部材１６の形状ならびに位置関係も図６と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７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。

３組のリンク機構１４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図７に示すように、各リンク部材１５，１６，１７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１７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７は、一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構９は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７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。各中央リンク部材１７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３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１２に対して先端側のリンクハブ１３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１２に対する先端側のリンクハブ１３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１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図６）と直角に交わる直線をリンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図７）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１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φ（図７）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１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３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１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸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１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。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Ｌ（図７）は変化しない。

このパラレルリンク機構９において、各リンク機構１４におけるリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６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１４のリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材１５，１６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１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材１７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１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６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１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。

図１〜図６に示すように、基端側のリンクハブ１２は、前記ベース部材６と、このベース部材６と一体に設けられた３個の回転軸連結部材２１とで構成される。ベース部材６は中央部に円形の貫通孔６ａ（図６）を有し、この貫通孔６ａの周囲に３個の回転軸連結部材２１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔６ａの中心は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材２１には、軸心が基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸２２が回転自在に連結されている。この回転軸２２に、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。

１つの基端側の端部リンク部材１５およびその両端周辺部を取り出した図６（Ｂ）に示すように、前記回転軸２２は、大径部２２ａ、小径部２２ｂ、および雄ねじ部２２ｃを有し、小径部２２ｂで２個の軸受２３を介して回転軸連結部材２１に回転自在に支持されている。軸受２３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。これらの軸受２３は、回転軸連結部材２１に設けられた内径溝２４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸２２は、大径部２２ａで後記減速機構５２の出力軸５２ａに同軸上に配置される。その配置構造については、後で説明する。また、回転軸２２には、この回転軸２２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の一端に形成された切欠き部２５内に回転軸連結部材２１を配置し、回転軸２２の小径部２２ｂを、基端側の端部リンク部材１５の一端における前記切欠き部２５の両側部分である内外一対の回転軸支持部２６，２７にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受２３の内輪に挿通してある。そして、回転軸２２の大径部２２ａの外周に嵌合するスペーサ２８を介し、基端側の端部リンク部材１５と減速機構５２の出力軸５２ａとをボルト２９で固定すると共に、外側の回転軸支持部２７よりも突出した回転軸２２の雄ねじ部２２ｃにナット３０を螺着してある。軸受２３の内輪と一対の回転軸支持部２６，２７との間に、スペーサ３１，３２を介在させてあり、ナット３０を螺着時に軸受２３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材１５の他端には、中央リンク部材１７の一端に回転自在に連結された回転軸３５が連結される。この中央リンク部材１７の回転軸３５は、リンクハブ１２の回転軸２２と同様に、大径部３５ａ、小径部３５ｂ、および雄ねじ部３５ｃを有し、小径部３２ｂで２個の軸受３６を介して中央リンク部材１７の一端に回転自在に支持されている。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の他端に形成された切欠き部３７内に中央リンク部材１７の一端を配置し、回転軸３５の小径部３５ｂを、基端側の端部リンク部材１５の他端における前記切欠き部３７の両側部分である内外一対の回転軸支持部３８，３９にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受３６の内輪に挿通してある。そして、外側の回転軸支持部３９よりも突出した回転軸３５の雄ねじ部３５ｃにナット４０を螺着してある。軸受３６の内輪と一対の回転軸支持部３８，３９との間に、スペーサ４１，４２を介在させてあり、ナット４０を螺着時に軸受３６に予圧を付与する構成である。

図１〜図５に示すように、先端側のリンクハブ１３は、中央部に円形の貫通孔４０ａを有する平板状の先端部材４０と、この先端部材４０の貫通孔４０ａの周囲に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。貫通孔４０ａの中心は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材４１は、軸心が先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢと交差する回転軸４３が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ１３の回転軸４３に、先端側の端部リンク部材１６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材１６の他端には、中央リンク部材１７の他端に回転自在に連結された回転軸４５が連結される。先端側のリンクハブ１３の回転軸４３および中央リンク部材１７の回転軸４５も、前記回転軸３５と同じ形状であり、かつ２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材４１および中央リンク部材１７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

リンク作動装置７の姿勢制御用アクチュエータ１０は、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ１２のベース部材６の上面に、前記回転軸２２と同軸上に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ１０と減速機構５２は一体に設けられ、モータ固定部材５３により減速機構５２がベース部材６に固定されている。この例では、３組のリンク機構１４のすべてに姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられているが、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ１０を設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

図６（Ｂ）において、減速機構５２はフランジ出力であって、大径の出力軸５２ａを有する。出力軸５２ａの先端面は、出力軸５２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面５４となっている。出力軸５２ａは、前記スペーサ２８を介して、基端側の端部リンク部材１５の回転軸支持部２６にボルト２９で接続されている。基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部の前記回転軸２２の大径部２２ａが、減速機構５２の出力軸５２ａに設けられた内径溝５７に嵌っている。

直交２軸直動機構８は、図１、図２、図８に示すように、ベース部材６の上に設置されＸ軸方向に移動可能なＸ軸移動体６１ａを有するＸ軸直動機構６１と、Ｘ軸移動体６１ａに固定されたブラケット６２に設置されＹ軸方向に移動可能なＹ軸移動体６３ａを有するＹ軸直動機構６３とで構成される。Ｘ軸直動機構６１およびＹ軸直動機構６３のＸ軸移動体６１ａおよびＹ軸移動体６３ａを移動させる駆動源はモータ６１ｂ，６３ｂである。

前記Ｙ軸移動体６２ａには、正面形状Ｌ形の作業体設置部材６４が取り付けられている。この作業体設置部材６４は、ベース部材６の貫通孔６ａを貫通してベース部材６の下方へ延びており、その下端に作業体固定部材６５が取り付けられている。そして、この作業体固定部材６５に作業体３が固定される。直交２軸直動機構８のＸ軸直動機構６１およびＹ軸直動機構６３を駆動することで、作業体３が水平面、すなわち基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと直交する平面に沿って直交２軸方向に移動する。

図１、図２において、この実施形態の被作業体２は、例えば直方体形状であって、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０に設置した被作業体固定部材６７の上面に載置される。被作業体固定部材６７は、先端部材４０の貫通孔４０ａに下方から挿入され、フランジ部６７ａがボルト接合、溶接等により先端部材４０に固定されている。被作業体固定部材６７の上面に載置された被作業体２は、先端側のリンクハブ１２と基端側のリンクハブ１３との間の内部空間Ｓ１に位置する。

また、図の例では、作業体３は被作業体２に対して非接触で作業を行うものとされている。例えばグリース塗布機、レーザ検査機、スプレー式塗装機、溶接機等であり、グリースノズル等の作業部３ａを下向きにして前記作業体固定部材６５に保持されている。被作業体２に対して接触して作業を行う作業体３も使用することができる。

このパラレルリンク機構を用いた作業装置１は、パラレルリンク機構９の２自由度と直交２軸直動機構８の２自由度とで計４自由度の構成である。このため、リンク作動装置７を作動させて先端側のリンクハブ１３に設置された被作業体２の姿勢を変更すると共に、直交２軸直動機構８により作業体３を直交２軸方向に移動させることで、被作業体２の各面に対して作業体３で非接触作業を行うことができる。姿勢制御用アクチュエータ１０および直動機構８は、互いに連係して動作するように制御される。リンク作動装置７により被作業体２の姿勢変更を高速、高精度で行えるため、高速、高精度の作業が可能である。

例えば、図１に示す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とが同一線上にある状態から、姿勢制御用アクチュエータ１０によりパラレルリンク機構９を作動させて、図２のように基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を左側に傾けると、先端側のリンクハブ１３に設置された被作業体２の左側面が作業体３の側を向く。この場合、直交２軸直動機構８のＸ軸直動機構６１により作業体３を左方向に移動させることで、被作業体２の左側面に対して作業を行うことができる。

また、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を右側に傾けると、被作業体２の右側面が作業体３の側を向く。この場合、直交２軸直動機構８により作業体３を右方向に移動させることで、被作業体２の右側面に対して作業を行うことができる。

同様に、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を前後に傾けると、被作業体２の前後の側面が作業体３の側を向くので、直交２軸直動機構８のＹ軸直動機構６３により作業体３を前後方向に移動させることで、被作業体２の前後の側面に対して作業を行うことができる。

パラレルリンク機構９の機構特性上、上記パラレルリンク機構９の傾き動作に伴い、各中央リンク部材１７の中央部を結ぶ円である中央リンク部材の軌道円Ｄ（図７）もパラレルリンク機構９の傾き側に移動する。つまり、中央リンク部材１７の移動跡にスペースができる。このため、パラレルリンク機構９の傾き側へ作業体３を移動させても、作業体３と中央リンク部材１７とが干渉し難い。その結果、パラレルリンク機構９の作動範囲を広くとれ、作業体３に対する作業範囲が広くなる。また、コンパクト化を実現しつつ、比較的大きな被作業体２に対しても複数方向から作業を行うことができる。

また、この実施形態のように、直交２軸直動機構８により基端側のリンクハブの中心軸ＱＡと直交する平面に沿って作業体３を移動させると、作業体３や被作業体２の位置を計算する関係式が比較的簡単な形となり、姿勢制御用アクチュエータ１０および直交２軸直動機構８の制御が容易である。

さらに、パラレルリンク機構９を先端側のリンクハブ１３が下向きとなるように設置し、直交２軸直動機構８をパラレルリンク機構９の上方に配置すると、姿勢制御用アクチュエータ１０、直交２軸直動機構８等の制御用機器や作業体３が被作業体２の下方に配置されていないため、作業体３から発生するグリース、塗料等が制御用機器や作業体３に付着して、これらに悪影響を与えることを防止できる。

図９、図１０は、この発明の異なる実施形態を示す。この作業装置１は、前記直交２軸直動機構８とは別に、被作業体２に対して作業体３をＺ軸方向、すなわち基端側のリンクハブの中心軸ＱＡと平行に移動させるＺ軸直動機構７０を設けてある。リンク作動装置７は、前記実施形態のものと同じ構成である。作業体３は、被作業体２に接触させて作業を行う切削加工機、塗料塗布機等である。

図９、図１０、図１１に示すように、Ｚ軸直動機構７０は、直交２軸直動機構８のＹ軸直動機構６３のＹ軸移動体６３ａにブラケット７１を介して設置され、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸移動体７０ａを有する。Ｚ軸直動機構７０の駆動源はモータ７０ｂである。そして、Ｚ軸移動体７０ａに作業体設置部材６４が取り付けられ、この作業体設置部材６４の下端に作業体固定部材６５を介して作業体３が保持される。

この作業装置１は、前記実施形態の４自由度の構成にＺ軸直動機構７０による１自由度を加えることで、５自由度の構成となる。被作業体２が比較的大きい場合、４自由度の構成では、作業体３と被作業体２との距離を調整することが難しいが、５自由度の構成であると、作業体３と被作業体２との距離を制御できるため、図１３に示すように接触しての作業を無理なく行える。同図（Ａ）は基端側のリンクハブの中心軸ＱＡと先端側のリンクハブの中心軸ＱＢとの折れ角θが０°である状態、同図（Ｃ）は折れ角θが最大となるまで被作業体２が傾斜した状態、同図（Ｂ）は（Ａ）と（Ｃ）の中間の状態を示す。

上記５自由度の構成では、作業装置１のコンパクト化を図るために、基端側のリンクハブ１２に対する被作業体２の設置位置は次のように定めると良い。すなわち、先端側のリンクハブ１３の球面リンク中心ＰＢから被作業体２における球面リンク中心ＰＢからリンクハブ中心軸ＱＢの方向に最も離れた位置までの距離をＴ、基端側のリンクハブ１２の球面リンク中心ＰＡと先端側のリンクハブ１３の球面リンク中心ＰＢ間の距離をＬ、パラレルリンク機構９が最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））
の関係が成り立つようにする。

パラレルリンク機構９が作動可能範囲の最大域まで作動した場合、先端側または基端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢから先端側または基端側のリンクハブの中心軸ＱＡ，ＱＢの交点Ｏまでの距離ＴはＬ／（２cos（θmax／２））となる。距離ＴをＬ／（２cos（θmax／２））以上とすれば、最大折れ角θmaxの作動範囲内において、折れ角θが大きくなるにつれて、被作業体２の側面と基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡとの距離が近づく。そのため、直交２軸直動機構８のＸ軸直動機構６１およびＹ軸直動機構６３のストロークを小さくでき、コンパクトな構成を実現できる。

また、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢから被作業体２の外周面までの最大距離をＭ、各中央リンク部材１７の内面の軌道円Ｄの半径をＲ、先端側のリンクハブ１３の球面リンク中心ＰＢから被作業体２の先端位置までの距離をＴ、最大折れ角をθmaxとした場合、
Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ
の関係が成り立つと良い。なお、図１２（Ａ）のように被作業体２の平面形状が円形である場合、前記最大距離Ｍは半径となり、図１２（Ｂ）のように被作業体２の平面形状が矩形である場合、前記最大距離Ｍは矩形の中心から角までの距離となる。

このようにパラレルリンク機構９の各リンク機構１４を構成することで、被作業体２や作業体３が中央リンク部材１７と干渉することを回避できる。それにより、パラレルリンク機構９の可動範囲およびリンク作動装置７の作業範囲を広くとれる。

図１４は、この発明のさらに異なる実施形態を示す。この作業装置１は、Ｚ軸直動機構７０がボールねじ機構を用いた構成となっている。すなわち、ベース部材６から上方に延びる複数のシャフト８０に、リニアブッシュ８１を介して昇降台８２が昇降可能に案内され、この昇降台８２の下面に直交２軸直動機構８が設置されている。ベース部材６からねじ軸８３が前記シャフト８０と平行に上方に延びており、このねじ軸８３に、昇降台８２に設けたナット８４が螺合している。モータ８５でねじ軸８３を回転させると、昇降台８２が昇降する。

直交２軸直動機構８は、Ｘ軸直動機構６１が上側、かつＹ軸直動機構６３が下側となるように配置され、上側のＸ軸直動機構６１が前記昇降台８２に固定されている。下側のＹ軸直動機構６３のＹ軸移動体６３ａに作業体設置部材６４が取り付けられ、この作業体設置部材６４の下端に取り付けられた作業体固定部材６５により作業体３が固定される。Ｚ軸直動機構７０を作動させることで、直交２軸直動機構８と共に作業体３が基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに沿って移動する。
このボールねじ機構を用いたＺ軸直動機構７０は、図９、図１０のＺ軸直動機構７０と比較して、構成が簡単であると共に、高さ位置を低くできるという利点がある。

次に、被作業体を先端側のリンクハブの中心軸に対して直交する軸回りに回転させる回転機構を設けた実施形態について説明する。
図１５、図１６に示す作業装置１は、図１、図２に示す４自由度の構成の作業装置１に対して、回転機構９０を設けて５自由度の構成としたものである。図１、図２に示す作業装置１が、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０に設置した被作業体固定部材６７の上面に被作業体２が設置されるの対し、図１５、図１６に示す作業装置１は、次のように先端側のリンクハブ１３に被作業体２が設置される。

すなわち、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０の外周縁に回転機構固定部材９１の一端が固定されている。この回転機構固定部材９１は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢと平行に基端側のリンクハブ１２の側に延びており、他端がパラレルリンク機構９の外部空間Ｓ２に位置する。そして、この回転機構固定部材９１の他端に回転機構９０が設置されている。回転機構９０は例えばモータである。回転機構９０の出力軸９０ａが先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢに対して直交する軸９２に沿って内部空間Ｓ１の側に突出しており、その出力軸９０ａに、同軸上に延びる被作業体固定部材９３が固定されている。被作業体固定部材９３は、その先端が３組以上のリンク機構１４のうちの隣合う２組のリンク機構１４の間を通って内部空間Ｓ１に挿入されている。そして、この被作業体固定部材９３の先端に被作業体２が設置される。被作業体２は、例えば前記軸９２を中心軸とする円柱形である。被作業体２は他の形状、例えば立方体、直方体、球体等であっても良い。

この構成によると、回転機構９０により被作業体２を前記軸９２の回りに回転させることで、被作業体２の全周面に対して作業を行うことができる。回転機構９０がスペースに余裕のあるパラレルリンク機構９の外部空間Ｓ２に配置されているため、各リンク機構１４と回転機構９０とが干渉することが防止され、より広い作動範囲を実現できる。

図１７、図１８に示す作業装置１は、図９、図１０に示す５自由度の構成の作業装置１に対して、回転機構９０を設けて６自由度の構成としたものである。回転機構９０および被作業体２は、図１５、図１６に示す作業装置１と同様に、先端側のリンクハブ１３に設置される。これにより、図１５、図１６に示す作業装置１と同様の作用・効果が得られる。

図１９に示す作業装置１は、図１４に示す５自由度の構成の作業装置１に対して、回転機構９０を設けて６自由度の構成としたものである。回転機構９０および被作業体２は、図１５、図１６に示す作業装置１と同様に、先端側のリンクハブ１３に設置される。これにより、図１５、図１６に示す作業装置１と同様の作用・効果が得られる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…作業装置
２…被作業体
３…作業体
６…ベース部材（基端側のリンクハブと一体の部材）
８…直交２軸直動機構
９…パラレルリンク機構
１０…姿勢制御用アクチュエータ
１２…基端側のリンクハブ
１３…先端側のリンクハブ
１４…リンク機構
１５…基端側の端部リンク部材
１６…先端側の端部リンク部材
１７…中央リンク部材
７０…Ｚ軸直動機構
９０…回転機構
９０ａ…出力軸
９１…回転機構固定部材
９２…軸
９３…被作業体固定部材
Ｏ１…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
Ｏ２…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸
Ｓ１…内部空間
Ｓ２…外部空間

Claims (8)

1. 被作業体に対して作業体で接触状態または非接触状態で作業を行う作業装置であって、
   前記被作業体を姿勢変更可能に支持するパラレルリンク機構と、このパラレルリンク機構を作動させる姿勢制御用アクチュエータと、前記パラレルリンク機構に対して前記作業体を直交２軸方向に移動させる直交２軸直動機構とを備え、
   前記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有し、
   前記姿勢制御用アクチュエータは、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ように、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設けられ、
   前記直交２軸直動機構は、前記リンクハブと前記端部リンク部材の各回転対偶、および、前記端部リンク部材と前記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前記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前記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、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する平面と平行に前記作業体を移動させるものであり、
   前記先端側のリンクハブに、この先端側のリンクハブと前記基端側のリンクハブとの間の内部空間に位置するように前記被作業体を設置したことを特徴とするパラレルリンク機構を用いた作業装置。
2. 請求項１に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記直交２軸直動機構は、前記基端側のリンクハブと一体の部材に設置され、前記基端側のリンクハブの中心軸と直交する平面に沿って前記被作業体に対して前記作業体を直交２軸方向に移動させるパラレルリンク機構を用いた作業装置。
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を用いた作業装置において、前記パラレルリンク機構を前記先端側のリンクハブが下向きとなるように設置し、前記直交２軸直動機構を前記パラレルリンク機構の上方に配置したパラレルリンク機構を用いた作業装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記直交２軸直動機構とは別に、前記被作業体に対して前記作業体を前記基端側のリンクハブの中心軸と平行に移動させるＺ軸直動機構を設けたパラレルリンク機構を用いた作業装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体における前記球面リンク中心から基端側のリンクハブの中心軸の方向に最も離れた位置までの距離をＴ、前記基端側のリンクハブの球面リンク中心と前記先端側のリンクハブの球面リンク中心間の距離をＬ、前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが成す角度である最大折れ角をθmaxとした場合、
   Ｔ≧Ｌ／（２cos（θmax／２））
   の関係が成り立つパラレルリンク機構を用いた作業装置。
6. 請求項１ないし請求項５に記載のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、前記先端側のリンクハブの中心軸から前記被作業体の外周面までの最大距離をＭ、前記各中央リンク部材の内面の中央部を結ぶ円である中央リンク部材の内面軌道円の半径をＲ、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心から前記被作業体の先端位置までの距離をＴ，前記パラレルリンク機構が作動可能範囲の最大域まで作動した状態における前記基端側のリンクハブの中心軸と前記先端側のリンクハブの中心軸とが成す角度である作動範囲の最大折れ角をθmaxとした場合、
   Ｒ≧Ｔ・sin（θmax／２）＋Ｍ
   の関係が成り立つパラレルリンク機構を用いた作業装置。
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を用いた作業装置において、前記被作業体を前記先端側のリンクハブの中心軸に対して直交する軸回りに回転させる回転機構を設けたパラレルリンク機構を用いた作業装置。
8. 請求項７に記載のパラレルリンク機構を用いた作業装置において、一端が前記先端側のリンクハブに固定され他端が前記パラレルリンク機構の外部空間へ延びた回転機構固定部材の前記他端に前記回転機構を設置し、この回転機構の出力軸に被作業体固定部材を設置し、この被作業体固定部材の先端を前記３組以上のリンク機構のうちの隣合う２組のリンク機構の間を通って前記内部空間に挿入し、この被作業体固定部材の前記先端に前記被作業体を設置するパラレルリンク機構を用いた作業装置。

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