JP2017110815A - 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動作が可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現可能とする。【解決手段】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する。基端側のリンクハブ２と端部リンク部材５との回転対偶、先端側のリンクハブ３と端部リンク部材６との回転対偶、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との回転対偶にそれぞれ軸受を介在させる。これら軸受として、臨界揺動角が、基端側のリンクハブ２の中心軸と先端側のリンクハブ３の中心軸との成す角度である折れ角の可能な範囲内における最大値よりも小さいものを使用する。基端側のリンクハブ２と端部リンク部材５との回転対偶、および先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６との回転対偶に介在させた前記軸受を前記基端側のリンクハブ５および先端側のリンクハブ３に埋設状態で設けた。【選択図】図１

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組以上設けた構成としたことにより、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。しかし、上記構成は、リンク機構の回転対偶部が揺動運動するため、作動範囲によって回転対偶部に設けられた軸受の寿命が低下する恐れがある。

この発明の目的は、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現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、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現でき、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、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現でき、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でなる。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、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記基端側および先端側の端部リンク部材の他端と前記中央リンク部材の両端との回転対偶にそれぞれ軸受を介在させ、これら軸受として、臨界揺動角が、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の成す角度である折れ角の可能な範囲内における最大値よりも小さいものを使用し、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、および前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶に介在させた前記軸受を前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに埋設状態で設けたことを特徴とする。なお、上記臨界揺動角は、軸受の実用可能な最小の揺動角であり、軸受諸元等で定まり定格寿命が得られる最小の揺動角を言う。

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、上記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。パラレルリンク機構の構造上、これら各回転対偶部の軸受は揺動運動を行う。その揺動角が小さければ揺動寿命は延びるが、ある程度以下の角度になると、フレッティングを生じて早期に寿命に達する。回転対偶部に設置する軸受として、前記臨界揺動角が、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よりも小さいものを使用することで、軸受の長寿命化を図ることができる。その根拠を以下に記す。

基端側のリンクハブに対する基端側の端部リンク部材の回転角をβｎ、基端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、先端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、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδｎ、基端側のリンクハブの中心軸に対して先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した垂直角度である折れ角をθ、基端側のリンクハブの中心軸に対して先端側のリンクハブの中心軸が傾斜した水平角度である旋回角をφとした場合、
cos（θ／２）sinβｎ−sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０
・・・（式１）
の関係が成り立つ。式１において、折れ角θの最大値をθ_ｍａｘとして旋回角φを変化させた場合の回転角βｎの変化量から、基端側のリンクハブに対する基端側の端部リンク部材の揺動範囲、および先端側のリンクハブに対する先端側の端部リンク部材の揺動範囲が求められる。求められた揺動範囲はθ_ｍａｘとなる。一方、端部リンク部材に対する中央リンク部材の揺動範囲は、パラレルリンク機構の構造上、θ_ｍａｘよりも大きくなる。そのため、各回転対偶部の軸受について、臨界揺動角ηをθ_ｍａｘ以下に設定しておけば、どの軸受も臨界揺動角η以上で駆動することになり、長寿命化を実現できる。
また、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、および前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶に介在させた前記軸受を基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに埋設状態で設けたことにより、パラレルリンク機構全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブ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および先端側のリンクハブ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。

この発明において、前記臨界揺動角は、定められた作業動作における前記折れ角の最大値よりも小さいのが、より好ましい。上記の「定められた作業動作」とは、このパラレルリンク機構を設置した機器の構成上で必然的に決まる動作、例えば等速自在継手に使用される場合の動作や、このパラレルリンク機構を駆動させるアクチュエータを設けた場合に、そのアクチュエータを制御する制御装置によって定まる作業動作を言う。前記アクチュエータを設ける場合、アクチュエータの動作範囲等の機能上で定まる作業動作も、上記の作業動作に該当する。
臨界揺動角が、定められた作業動作における折れ角の最大値よりも小さい軸受を使用すると、定められた作業動作中にフレッティング等が起きることを防ぐことができ、より一層の長寿命化を実現することが可能となる。

前記軸受が深溝玉軸受であり、この深溝玉軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０／（０．５５５・Ｚ・π）［ｄｅｇ］とするのが良い。このように定められた臨界揺動角の値は、実験データから得られる臨界揺動角の最適値とほぼ合致する。

前記軸受が円筒ころ軸受であり、この円筒ころ軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０／（０．３７・（Ｚ＋０．１）・π）［ｄｅｇ］とするのが良い。このように定められた臨界揺動角の値は、実験データから得られる臨界揺動角の最適値とほぼ合致する。

前記軸受が針状ころ軸受であり、この針状ころ軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０／（０．５４４・Ｚ・π）［ｄｅｇ］とするのが良い。このように定められた臨界揺動角の値は、実験データから得られる臨界揺動角の最適値とほぼ合致する。

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を備え、このパラレルリンク機構の前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、かつ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。

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を備え、このパラレルリンク機構の３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に、前記基端側の端部リンク部材を回動させて、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変更させる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組にアクチュエータを設け、これら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。

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、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記基端側および先端側の端部リンク部材の他端と前記中央リンク部材の両端との回転対偶にそれぞれ軸受を介在させ、これら軸受として、臨界揺動角が、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の成す角度である折れ角の可能な範囲内における最大値よりも小さいものを使用し、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、および前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶に介在させた前記軸受を前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに埋設状態で設けたため、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現できる。また、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、および前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶に介在させた前記軸受を基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに埋設状態で設けたことにより、パラレルリンク機構全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブ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および先端側のリンクハブ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。

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を備え、このパラレルリンク機構の前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、かつ前記先端側のリンクハブに出力軸を設けたため、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現でき、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。

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を備え、このパラレルリンク機構の３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に、前記基端側の端部リンク部材を回動させて、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変更させるアクチュエータを設けたため、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可能で、かつ回転対偶部に設けられた軸受の長寿命化を実現でき、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。

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部分断面図である。 端部リンク部材の可動範囲と臨界揺動角との関係を示す図である。 中央リンク部材の可動範囲と臨界揺動角との関係を示す図である。 軸受の臨界揺動角を示す図である。 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部分断面図である。 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１４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５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。

つまり、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３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の回転対偶部を示す断面図である。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の連通孔１１が円周方向３箇所に形成され、各連通孔１１内に設けた複列の軸受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、その突出ねじ部１３ａに基端側の端部リンク部材５が結合され、ナット１４によって締付け固定されている。

前記軸受１２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）が前記連通孔１１の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部材１３の外周に嵌合している。外輪は止め輪１５によって抜け止めされている。また、内輪と基端側の端部リンク部材５の間には間座１６が介在し、ナット１４の締付力が基端側の端部リンク部材５および間座１６を介して内輪に伝達されて、軸受１２に所定の予圧を付与している。

基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部は、中央リンク部材７の両端に形成された連通孔１８に複列の軸受１９が設けられ、これら軸受１９により、基端側の端部リンク部材５の先端の軸部２０が回転自在に支持されている。軸受１９は、間座２１を介して、ナット２２によって締付け固定されている。

前記軸受１９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）が前記連通孔１８の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部２０の外周に嵌合している。外輪は止め輪２３によって抜け止めされている。軸部２０の先端ねじ部２０ａに螺着したナット２２の締付力が間座２１を介して内輪に伝達されて、軸受１９に所定の予圧を付与している。

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、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶部について説明したが、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、および先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部も同じ構成である（図示省略）。

このように、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と回転対偶部、および先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部に、軸受１２，１９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１２，１９を設けた構造では、軸受１２，１９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１２，１９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を基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３に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。

パラレルリンク機構１の構造上、各回転対偶部の軸受１２，１９は揺動運動を行う。その揺動角が小さければ揺動寿命は延びるが、ある程度以下の角度になると、フレッティングを生じて早期に寿命に達する。そこで、各回転対偶部に設置する軸受１２，１９の長寿命化を図るために、図６および図７に示すように、これら軸受１２，１９として、軸受の実用可能な最小の揺動角である臨界揺動角ηが、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）θ_ｍａｘよりも小さいものを使用している。この最大折れ角θ_ｍａｘは、パラレルリンク機構１の構造上で可能な範囲内における折れ角θの最大値であり、より好ましくは、定められた作業動作における折れ角θの最大値である。その根拠を以下に記す。

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の回転角をβｎ、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をγ、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をδｎ、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る折れ角をθ、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旋回角をφとした場合、
cos（θ／２）sinβｎ−sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０
・・・（式１）
の関係が成り立つ。式１において、最大折れ角をθ_ｍａｘとして旋回角φを変化させた場合の回転角βｎの変化量から、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の揺動範囲、および先端側のリンクハブ３に対する先端側の端部リンク部材６の揺動範囲が求められる。求められた揺動範囲はθ_ｍａｘとなる（図６）。一方、端部リンク部材５，６に対する中央リンク部材７の揺動範囲は、構造計算式の開示は省略するが、パラレルリンク機構１の構造上、θ_ｍａｘよりも大きくなる（図７）。そのため、各回転対偶部の軸受１２，１９について、臨界揺動角ηをθ_ｍａｘ以下に設定しておけば、どの軸受１２，１９も臨界揺動角η以上で駆動することになり、長寿命化を実現できる。
臨界揺動角ηが、定められた作業動作における折れ角の最大値よりも小さい軸受１２，１９を使用する場合は、定められた作業動作中にフレッティング等が起きることを防ぐことができ、より一層の長寿命化を実現することが可能となる。

臨界揺動角ηについて、補足的に説明する。軸受の揺動角が非常に小さい場合は、軌道輪と転動体との接触面に油膜が形成され難く、フレッティング（微動摩耗）を生じることがある。内輪揺動の場合の臨界揺動角ηは式２で表される。
η≧（３６０／Ｚ）・｛ｄ_ｐ／（ｄ_ｐ−Ｄ_ｐ・cosα）｝・・・（式２）
Ｚ：転動体（１列）の数
ｄ_ｐ：転動体のピッチ円直径
Ｄ_ｐ：転動体の直径
α：接触角
なお、外輪揺動の場合は、右辺分母が（ｄ_ｐ＋Ｄ_ｐ・cosα）となる。

具体的には、図８のように軸受１２（１９）が深溝玉軸受である場合は、この深溝玉軸受の転動体１２ａ（１９ａ）の個数をＺとしたとき、臨界揺動角ηを２・１８０／（０．５５５・Ｚ・π）［ｄｅｇ］とする。軸受１２（１９）が円筒ころ軸受である場合は（図示せず）、この円筒ころ軸受の転動体の個数をＺとしたとき、臨界揺動角ηを２・１８０／（０．３７・（Ｚ＋０．１）・π）［ｄｅｇ］とする。また、軸受１２（１９）が針状ころ軸受である場合は（図示せず）、この針状ころ軸受の転動体の個数をＺとしたとき、臨界揺動角ηを２・１８０／（０．５４４・Ｚ・π）［ｄｅｇ］とする。このように定められた臨界揺動角の値は、実験データから得られる臨界揺動角ηの最適値とほぼ合致する。

図９および図１０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１０）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の回転対偶部を例にとって説明すると、図１０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２５が形成され、この軸部２５の外周に複列で設けた軸受１２の内輪（図示せず）が嵌合し、基端側の端部リンク部材５に形成された連通孔２６の内周に軸受１２の外輪（図示せず）が嵌合している。軸部２５の先端ねじ部２５ａに螺着したナット２７による締付けにより、間座２８を介して軸受１２に所定の予圧量が付与されている。先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６の回転対偶部も、上記同様の構造である。

また、図例では、基端側の端部リンク部材５に対して中央リンク部材７を支持する軸受１９は、基端側の端部リンク部材５の先端に形成された連通孔３０の内周に外輪（図示せず）が嵌合し、中央リンク部材７と一体の軸部３１の外周に内輪（図示せず）が嵌合している。軸部３１の先端ねじ部３１ａに螺着したナット３２による締付けにより、間座３３を介して軸受１９に所定の予圧量が付与されている。先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７の回転対偶部も、上記同様の構造である。
このパラレルリンク機構１も、前記実施形態と同様に、軸受１２，１９として、臨界揺動角ηが最大折れ角θ_ｍａｘよりも小さいものを使用している。

図１１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４１は、図１ないし図５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４２を介して入力軸４３を取付け、かつ先端側のリンクハブ３に、取付板４４を介して出力軸４５を取付けたものである。入力軸４３および出力軸４５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４３および出力軸４５を設け、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、入力軸４３と出力軸４５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４３と出力軸４５とが等速回転する。

図１２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５１は、図１ないし図５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５２と、パラレルリンク機構１を作動させる２つ以上のリンク用駆動源５３と、これらリンク用駆動源５３を操作するコントローラ５４とを備える。

基台５２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５２の上部の外周にはつば状の駆動源取付台５５が設けられ、この駆動源取付台５５に前記リンク用駆動源５３が垂下状態で取付けられている。リンク用駆動源５３の数は、例えば２個である。リンク用駆動源５３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５６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５７とが噛み合っている。

このリンク作動装置５１は、コントローラ５４を操作してリンク用駆動源５３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、リンク用駆動源５３が回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車５６，５７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。リンク用駆動源５３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にリンク用駆動源５３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リンク用駆動源５３の回転駆動は、コントローラ５４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５４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５８により自動制御で行ってもよい。制御手段５８は、コントローラ５４内に設けてもよく、またはコントローラ５４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、リンク用駆動源５３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（図３）および回転角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。

回転角βｎの制御目標値を計算したなら、２つのリンク用駆動源５３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５９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５９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および回転角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つのリンク用駆動源５３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だけにリンク用駆動源５３を設けたため、２つのリンク用駆動源５３だけを制御すればよい。３組すべてのリンク機構４にリンク用駆動源５３を設けた場合と比べて、リンク用駆動源５３のスムーズな動作が可能になり、動作速度が速い。

図１３ないし図１５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１３において、このリンク作動装置６１は、図９ないし図１０に示すパラレルリンク機構１を介して、基台６２に対して、各種器具等が取付けられる先端取付部材６３を姿勢変更可能に連結したものである。基台６２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６４を介在させてある。

図１４およびその部分拡大図である図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アクチュエータ７０と、このアクチュエータ７０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７１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、アクチュエータ７０および減速機構７１が設けられている。

アクチュエータ７０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機７０ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材７２により基台６２に固定されている。減速機構７１は、アクチュエータ７０の減速機７０ａと、歯車式の減速部７３とでなる。

歯車式の減速部７３は、アクチュエータ７０の出力軸７０ｂにカップリング７５を介して回転伝達可能に連結された小歯車７６と、基端側の端部リンク部材５に固定され前記小歯車７６と噛み合う大歯車７７とで構成されている。図示例では、小歯車７６および大歯車７７は平歯車であり、大歯車７７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７７は小歯車７６よりもピッチ円半径が大きく、アクチュエータ７０の出力軸７０ｂ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７７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７７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７６は、大歯車７７と噛み合う歯部７６ａの両側に突出する軸部７６ｂを有し、これら両軸部７６ｂが、基台６２に設置された回転支持部材７９に設けられた複列の軸受８０によりそれぞれ回転自在に支持されている。軸受８０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。複列の軸受８０の各外輪（図示せず）間にはシム（図示せず）を設け、軸部７６ｂに螺合したナット８１を締め付けることにより、軸受８０に予圧を付与する構成としてある。軸受８０の外輪は、回転支持部材７９に圧入されている。

この実施形態の場合、大歯車７７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８２により着脱可能に取付けられている。大歯車７７は基端側の端部リンク部材５と一体であってもよい。

アクチュエータ７０の回転軸心Ｏ３および小歯車７６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２４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６２からの高さが同じとされている。

図１４に示すように、各アクチュエータ７０は制御装置９０で制御される。制御装置９０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９１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９２とからの信号に基づき、各アクチュエータ８０に出力指令を与える。姿勢設定手段９１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９２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。あるいはアクチュエータ７０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９１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、アクチュエータ７０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９２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アクチュエータ７０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９１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６１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６４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のすべてにアクチュエータ７０および減速機構７１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、各アクチュエータ７０を小型化できる。また、３組のリンク機構４のすべてにアクチュエータ７０および減速機構７１を設けることで、パラレルリンク機構１や減速機構７１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６１自体の高剛性化を実現できる。

減速機構７１の歯車式の減速部７３は、小歯車７６と大歯車７７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、低出力のアクチュエータ７０を使用することができる。この実施形態では減速機７０ａ付きのアクチュエータ７０を使用しているが、歯車式の減速部７３の減速比が高ければ、減速機無しのアクチュエータ７０を使用することも可能となり、アクチュエータ７０を小型化できる。

大歯車７７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６１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７７のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車７７の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置６１全体の剛性が高くなる。
また、大歯車７７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７７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７７の歯部と軸受１２との間にスペースができ、大歯車７７の設置が容易である。

特にこの実施形態の場合、大歯車７７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７７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７６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７６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７６と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置６１の可動範囲が広くなる。

小歯車７６および大歯車７７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７６は軸方向両側で軸受８０により支持されているため、小歯車７６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６１の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。また、アクチュエータ７０の回転軸心Ｏ３、小歯車７６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７７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７３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６１の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置６１を、大歯車７７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７３に障害が生じた場合に、同減速部７３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
１２，１９…軸受
１２ａ，１９ａ…転動体
４１…等速自在継手
４３…入力軸
４５…出力軸
５１，６１…リンク作動装置
５３，７０…アクチュエータ
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 (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、
   前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、前記基端側および先端側の端部リンク部材の他端と前記中央リンク部材の両端との回転対偶にそれぞれ軸受を介在させ、これら軸受として、臨界揺動角が、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の成す角度である折れ角の可能な範囲内における最大値よりも小さいものを使用し、
   前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の一端との回転対偶、および前記先端側のリンクハブと前記先端側の端部リンク部材の一端との回転対偶に介在させた前記軸受を前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに埋設状態で設け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、前記臨界揺動角は、定められた作業動作における前記折れ角の最大値よりも小さいパラレルリンク機構。
3. 請求項１または請求項２において、前記軸受は深溝玉軸受であり、この深溝玉軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０/（０．５５５・Ｚ・π）［ｄｅｇ］としたパラレルリンク機構。
4. 請求項１または請求項２において、前記軸受は円筒ころ軸受であり、この円筒ころ軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０/（０．３７・（Ｚ＋０．１）・π）［ｄｅｇ］としたパラレルリンク機構。
5. 請求項１または請求項２において、前記軸受は針状ころ軸受であり、この針状ころ軸受の転動体の個数をＺとした場合、前記臨界揺動角を２・１８０/（０．５４４・Ｚ・π）
   ［ｄｅｇ］としたパラレルリンク機構。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を備え、このパラレルリンク機構の前記基端側のリンクハブに入力軸を設け、かつ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。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のパラレルリンク機構を備え、このパラレルリンク機構の３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に、前記基端側の端部リンク部材を回動させて、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変更させる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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