JP2019120331A - パラレルリンク機構およびリンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設計自由度が広く、設計変更が容易なパラレルリンク機構、およびそれを用いたリンク作動装置を提供する。【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が、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される。リンク機構４は、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と、中央リンク部材７とを備える。基端側のアーム長Ｌ２Ａおよび先端側のアーム長Ｌ２Ｂは、３組以上のリンク機構４ですべて互いに同じである。基端側のアーム長Ｌ２Ａと先端側のアーム長Ｌ２Ｂとが互いに異なる。【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リンク作動装置が、特許文献１に提案されている。

米国特許第５，８９３，２９６号明細書

特許文献１のリンク作動装置に用いられるパラレルリンク機構では、部品の共通化を図ることを目的に、基端側の端部リンク部材および先端側の各端部リンク部材に、それぞれアーム長が同じものを使用している。しかし、この構成であると、パラレルリンク機構の可動範囲を広くした場合、特に最大折れ角を大きくした場合に、構成部品間の干渉が起きやすい。また、パラレルリンク機構の剛性を高めるために、回転対偶部に設けられている軸受をサイズアップした場合にも、構成部品間の干渉が起きやすい。このような構成部品間の干渉を避けるためには、パラレルリンク機構を全体的にサイズアップする必要がある。しかし、パラレルリンク機構を大きくすると、先端側の重量増加による固有振動数の低下のため高速動作ができなくなり、また限られた空間に配置できなくなるという課題が生じる。

この発明の目的は、設計自由度が広く、可動範囲の拡大や先端側の軽量化等を行うための設計変更が容易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、上記パラレルリンク機構の姿勢を制御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が、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、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前記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る。
このパラレルリンク機構において、基端側および先端側のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶軸と、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶中心点との距離をアーム長と定義した場合、基端側のアーム長および先端側のアーム長は前記３組以上のリンク機構ですべて互いに同じであり、かつ基端側のアーム長と先端側のアーム長とが互いに異なることを特徴とする。
なお、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶中心点は、端部リンク部材とリンクハブとの回転対偶における回転対偶軸に沿う端部リンク部材の幅方向の中心点を指す。

この構成によると、基端側のアーム長および先端側のアーム長が３組以上のリンク機構ですべて互いに同じであるため、基端側のアーム長と先端側のアーム長とが互いに異なっていても、パラレルリンク機構が動作することが可能である。基端側のアーム長と先端側のアーム長とを互いに異ならせることで、パラレルリンク機構の設計自由度が広がる。それにより、パラレルリンク機構の可動範囲の拡大や先端側の軽量化等を行うための設計変更が容易になる。

この発明において、前記先端側のアーム長の方が前記基端側のアーム長より短くてもよい。この場合、パラレルリンク機構の構成部品同士が干渉しにくくなり、コンパクトな構成で可動範囲を広くとれる。また、先端側を軽量化できるため、先端側の慣性モーメントが小さくなり、高速動作が可能になる。

この発明において、前記端部リンク部材は、任意の角度に湾曲した湾曲部材と、この湾曲部材の一端または両端に固定され、前記中央リンク部材または前記リンクハブに直接または軸受を介して回転可能に連結された回転軸を支持する回転軸支持部材とを有し、前記基端側の端部リンク部材の前記湾曲部材および前記先端側の端部リンク部材の前記湾曲部材が互いに同一仕様であってもよい。
この構成であると、基端側の端部リンク部材と先端側の端部リンク部材とで部品の共通化を実現でき、安価な構成とすることができる。

この発明において、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３組以上のリンク機構で囲まれた内部空間に少なくとも一部分が位置するように作業体が前記先端部材に取り付けられ、前記作業体に接続されたケーブルが前記内部空間を通って基端側へ延びていてもよい。
この構成であると、内部空間の基端側部分を広くとれるため、ケーブルがパラレルリンク機構の各構成部品と干渉しにくく、ケーブルの取り回しが容易になる。また、作業体が内部空間に配置されることで、作業体が先端側のリンクハブよりも先端側に配置される場合と比べて、作業体の慣性モーメントが小さくなり、高速動作が可能になる。

前記基端側のリンクハブが、前記ケーブルが挿通される貫通孔を有する場合、前記基端側のリンクハブの中心軸から前記貫通孔の内壁面までの最小距離Ｌｂが、以下の関係式

但し、
Ｒ_ｍｉｎ：ケーブルの許容最小屈曲半径
Ｌ_Ｅ：先端側の球面リンク中心から作業体のケーブル取付位置までの距離
ｒ_ｃ：ケーブルの半径
Ｄ：基端側および先端側の各球面リンク中心間の距離
θ_ｍａｘ：パラレルリンク機構の最大折れ角
の条件を満たしているとよい。
上記のように定めると、機構上の可動範囲内において、ケーブルの屈曲半径を最小屈曲半径よりも大きく保つことができ、また作業体を内部空間に配置することができる。

なお、前記パラレルリンク機構の最大折れ角は、次のように定義される。すなわち、基端側および先端側のそれぞれにつき、リンクハブと端部リンク部材との回転対偶軸、および、端部リンク部材と中央リン部材との回転対偶軸が交差する点を「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との回転対偶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、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とが成す角度の最大値のことを「パラレルリンク機構の最大折れ角」と言う。

この発明のリンク作動装置は、前記パラレルリンク機構を備え、こ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駆動源が設けられている。

姿勢変更用駆動源が設けられていると、パラレルリンク機構の姿勢制御が可能になる。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駆動源を設けることで、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を確定することができる。

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が、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、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前記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、基端側および先端側のそれぞれにつき、基端側および先端側のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶軸と、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶中心点との距離をアーム長と定義した場合、基端側のアーム長および先端側のアーム長は前記３組以上のリンク機構ですべて互いに同じであり、かつ基端側のアーム長と先端側のアーム長とが互いに異なるため、設計自由度が広く、可動範囲の拡大や先端側の軽量化等を行うための設計変更が容易である。

この発明のリンク作動装置は、前記パラレルリンク機構を備え、こ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駆動源が設けられているため、パラレルリンク機構の姿勢を制御することができる。

この発明の第１の実施形態にかかるパラレルリンク機構の一状態の正面図である。 （Ａ）は各基端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図１のII−II矢視図、（Ｂ）はその部分図である。 （Ａ）は各先端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図１のIII−III矢視図、（Ｂ）はその部分図である。 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。 この発明の第２の実施形態にかかるパラレルリンク機構の各基端側の端部リンク部材の全体を断面で示した水平面図である。 この発明の第３の実施形態にかかるパラレルリンク機構の各基端側の端部リンク部材の全体を断面で示した水平面図である。 同パラレルリンク機構の各先端側の端部リンク部材の全体を断面で示した水平面図である。 この発明の第４の実施形態にかかるパラレルリンク機構の一状態の正面図である。 （Ａ）は各基端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図８のIX−IX矢視図である。 （Ａ）は各先端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図８のＸ−Ｘ矢視図である。 この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の一状態の正面図である。 （Ａ）は各基端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図１１のXII−XII矢視図、（Ｂ）はその部分拡大図である。 各先端側の端部リンク部材の全体を断面で示した図１１のXIII−XIII矢視図である。 基端部材の貫通孔の異なる形状を示す水平面図である。 図１１に示すリンク作動装置に作業体を取り付けた状態を示す斜視図である。 同リンク作動装置の一部を示す正面図である。

この発明の実施形態を図面と共に説明する。
［パラレルリンク機構の第１の実施形態］
図１はこの発明の第１の実施形態にかかるパラレルリンク機構の一状態の正面図である。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、複数組（例えば３組）のリンク機構４を介して姿勢変更可能に連結してなる。リンク機構４の数は、４組以上であってもよい。

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成す。基端側および先端側の端部リンク部材５，６の各一端が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、基端側および先端側の端部リンク部材５，６の各他端が中央リンク部材７の両端に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１は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造である。つまり、図２（Ａ）に示すように、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との各回転対偶軸Ｏ１Ａ、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７との各回転対偶軸Ｏ２Ａが、球面リンク中心ＰＡで交差している。同様に、図３（Ａ）に示すように、先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６との各回転対偶軸Ｏ１Ｂ、および先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７との各回転対偶軸Ｏ２Ｂが、球面リンク中心ＰＢで交差している。

図２（Ａ）、図３（Ａ）の例では、リンクハブ２（３）と端部リンク部材５（６）との各回転対偶軸Ｏ１Ａ（Ｏ１Ｂ）、および端部リンク部材５（６）と中央リンク部材７との各回転対偶軸Ｏ２Ａ（Ｏ２Ｂ）が互いに成す角度αＡ（αＢ）が９０°とされているが、前記角度αＡ（αＢ）は９０°以外であってもよい（図５参照）。また、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との各回転対偶軸Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂは、ある交差角γ（図１）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

基端側および先端側において、それぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢから端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との各回転対偶中心点Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂまでの距離（以下、「リンク長」とする）Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂは互いに同じである。これに対し、それぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６との各回転対偶中心点Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂまで距離（以下、「アーム長」とする）Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂは、基端側と先端側とで異なる。この実施形態の場合、基端側のアーム長Ｌ２Ａの方が、先端側のアーム長Ｌ２Ｂよりも長い。
ここで、回転対偶中心点Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂは、各回転対偶における回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに沿う端部リンク部材５，６の幅方向の中心点を指す。

３組のリンク機構４は、パラレルリンク機構１がいかなる姿勢をとっていても、基端側と先端側とが幾何学的に同一形状を成す。幾何学的に同一形状とは、図４に示すように、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。アーム長Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂ（図２、図３）が基端側と先端側で互いに異なっていても、リンク長Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂ（図２、図３）が基端側と先端側で互いに同じであれば、幾何学的に同一形状である。なお、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。各中央リンク部材７の中央部は、共通の軌道円上に位置している。

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軸回りに回転自在な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との各回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（図２、図３）と直角に交わる直線をリンクハブ２，３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、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との折れ角θ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２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。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が同一線上にある原点位置の状態を示す。先端側のリンクハブ３の姿勢が変化しても、基端側および先端側の各球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｄ（図４）は変化しない。

各リンク機構４が以下の各条件を満たす場合、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。よって、パラレルリンク機構１は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手として機能する。
条件１：回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂと回転対偶軸Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂとが成す角度αＡ，αＢ、およびリンク長Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂが、各リンク機構４で互いに等しい。
条件２：回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂおよび回転対偶軸Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂが、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差する。
条件３：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い（Ｌ１Ａ＝Ｌ１Ｂ）。
条件４：中央リンク部材７における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件５：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との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。

パラレルリンク機構１の各部について詳しく説明する。
図１、図２に示すように、基端側のリンクハブ２は、基端部材１０と、この基端部材１０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材１１とで構成される。各回転軸連結部材１１は、基端側の球面リンク中心ＰＡの周囲に円周方向に等間隔で配置されている。各回転軸連結部材１１には、軸心が回転対偶軸Ｏ１Ａと一致する回転軸１２が、２個の軸受１３を介して回転自在に連結されている。そして、この回転軸１２に、基端側の端部リンク部材５の一端が連結される。これにより、回転軸連結部材１１に対して基端側の端部リンク部材５の一端が、回転対偶軸Ｏ１Ａの回りに回転自在に連結される。

前記軸受１３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。各軸受１３は、回転軸連結部材１１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１５，４３，４５の種類および設置方法も同様である。

また、中央リンク部材７の一端には、軸心が回転対偶軸Ｏ２Ａと一致する回転軸１４が、２個の軸受１５を介して回転自在に連結されている。そして、この回転軸１４に、基端側の端部リンク部材５の他端が連結される。これにより、基端側の端部リンク部材５の他端に対して中央リンク部材７の一端が、回転対偶軸Ｏ２Ａの回りに回転自在に連結される。

図２（Ｂ）に、１つの基端側の端部リンク部材５およびその両端周辺部を取り出して示す。同図に示すように、基端側の端部リンク部材５は、Ｌ字状に湾曲した１個の湾曲部材２０Ａと、この湾曲部材２０Ａの一端の外径側の側面および内径側の側面にそれぞれ固定された２個の回転軸支持部材２１Ａと、湾曲部材２０Ａの他端の外径側の側面および内径側の側面にそれぞれ固定された２個の回転軸支持部材３１Ａとで構成される。一端側および他端側の回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａは、ボルト、溶接等によって湾曲部材２０Ａに固定される。図２（Ｂ）には、湾曲部材２０Ａに対して回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａを位置決めする手段が図示されていないが、例えば位置決めピン等を用いて湾曲部材２０Ａに対して回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａを位置決めしてもよい。

湾曲部材２０Ａは、例えば金属材料の鋳造品であり、所定の角度αＡ（この例では９０°）に湾曲した形状をしている。回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａは、金属板等の厚さが一定の板状の部材に対して板金加工等の加工をすることで所定の形状に作られる。回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａには、前記回転軸１２，１４が挿通される貫通孔がそれぞれ設けられている。

基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶部は、具体的には以下の構造である。すなわち、基端側の端部リンク部材５の２個の回転軸支持部材２１Ａの間に回転軸連結部材１１を配置し、回転軸１２を外径側の回転軸支持部材２１Ａの貫通孔、軸受１３の内輪の孔、内径側の回転軸支持部材２１Ａの貫通孔の順に挿通し、貫通孔よりも内径側に突出した回転軸１２のねじ部１２ａにナット２３を螺着してある。内径側の回転軸支持部材２１Ａと軸受１３との間、および外径側の回転軸支持部材２１と軸受１３との間には、それぞれスペーサ２４，２５を介在させてある。このように、回転軸１２の頭部１２ｂとナット２３とで、外径側および内径側の回転軸支持部材２１Ａ、軸受１３の内輪、およびスペーサ２４，２５を挟み付けることで、軸受１３に予圧を付与した状態で、回転軸連結部材１１と基端側の端部リンク部材５の一端とが連結される。

また、基端側の端部リンク部材５の他端と中央リンク部材７との回転対偶部は、具体的には以下の構造である。すなわち、基端側の端部リンク部材５の２個の回転軸支持部材３１Ａの間に中央リンク部材７の一端を配置し、回転軸１４を外径側の回転軸支持部材３１Ａの貫通孔、軸受１５の内輪の孔、内径側の回転軸支持部材３１Ａの貫通孔の順に挿通し、貫通孔よりも内径側に突出した回転軸１４のねじ部１４ａにナット３３を螺着してある。内径側の回転軸支持部材３１Ａと軸受１５との間、および外径側の回転軸支持部材３１Ａと軸受１５との間には、それぞれスペーサ３４，３５を介在させてある。このように、回転軸１４の頭部１４ｂとナット３３とで、外径側および内径側の回転軸支持部材３１Ａ、軸受１５の内輪、およびスペーサ３４，３５を挟み付けることで、軸受１５に予圧を付与した状態で、基端側の端部リンク部材５の他端と中央リンク部材７の一端とが連結される。

図１、図３に示すように、先端側のリンクハブ３は、先端部材４０と、この先端部材４０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。各回転軸連結部材４１は、先端側の球面リンク中心ＰＢの周囲に円周方向に等間隔で配置されている。各回転軸連結部材４１には、軸心が回転対偶軸Ｏ１Ｂと一致する回転軸４２が、２個の軸受４３を介して回転自在に連結されている。そして、この回転軸４２に、先端側の端部リンク部材６の一端が連結される。これにより、回転軸連結部材４１に対して先端側の端部リンク部材６の一端が、回転対偶軸Ｏ１Ｂの回りに回転自在に連結される。

また、中央リンク部材７の他端には、軸心が回転対偶軸Ｏ２Ｂと一致する回転軸４４が、２個の軸受４５を介して回転自在に連結されている。そして、この回転軸４４に、先端側の端部リンク部材６の他端が連結される。これにより、先端側の端部リンク部材６の他端に対して中央リンク部材７の他端が、回転対偶軸Ｏ２Ｂの回りに回転自在に連結される。

図３（Ｂ）に、１つの先端側の端部リンク部材６およびその両端周辺部を取り出して示す。同図に示すように、先端側の端部リンク部材６は、Ｌ字状に湾曲した１個の湾曲部材２０Ｂと、この湾曲部材２０Ｂの一端の外径側の側面および内径側の側面にそれぞれ固定された２個の回転軸支持部材２１Ｂと、湾曲部材２０Ｂの他端の外径側の側面および内径側の側面にそれぞれ固定された２個の回転軸支持部材３１Ｂとで構成される。一端側および他端側の回転軸支持部材２１Ｂ，３１Ｂは、ボルト、溶接等によって湾曲部材２０Ｂに固定される。図３（Ｂ）には、湾曲部材２０Ｂに対して回転軸支持部材２１Ｂ，３１Ｂを位置決めする手段が図示されていないが、例えば位置決めピン等を用いて湾曲部材２０Ｂに対して回転軸支持部材２１Ｂ，３１Ｂを位置決めしてもよい。

湾曲部材２０Ｂも、湾曲部材２０Ａと同様に、例えば金属材料の鋳造品であり、所定の角度αＢ（この例では９０°）に湾曲した形状をしている。基端側および先端側の各アーム長Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂの違いに合わせて、湾曲部材２０Ｂの湾曲部から他端までの長さＭ２Ｂが、湾曲部材２０Ａの同長さＭ２Ａよりも短く形成されている。湾曲部から一端までの長さＭ１Ａ，Ｍ１Ｂは、湾曲部材２０Ｂも湾曲部材２０Ａも同じである。
回転軸支持部材２１Ｂ，３１Ｂは、回転軸支持部材２１Ａ，３１Ａと同様に、金属板等の厚さが一定の板状の部材に対して板金加工等の加工をすることで所定の形状に作られる。回転軸支持部材２１Ｂ，３１Ｂには、前記回転軸４２，４４が挿通される貫通孔２２，３２がそれぞれ設けられている。

先端側のリンクハブ３と先端側の端部リンク部材６との回転対偶部は、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５との回転対偶部と同じ構造である。また、先端側の端部リンク部材６と中央リンク部材７との回転対偶部は、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７との回転対偶部と同じ構造である。よって、先端側の各回転対偶部については説明を省略し、基端側と構造が同じ箇所については、図面に基端側の各回転対偶部と同一符号を付して示す。なお、回転軸４２はねじ部４２ａおよび大径部４２ｂを有し、回転軸４４はねじ部４４ａおよび大径部４４ｂを有する。

以上に説明したように、このパラレルリンク機構１は、基端側のアーム長Ｌ２Ａと先端側のアーム長Ｌ２Ｂとを互いに異ならせてある。それにより、設計自由度が広がり、可動範囲の拡大や先端側の軽量化等を行うための設計変更が容易である。基端側のアーム長Ｌ２Ａと先端側のアーム長Ｌ２Ｂとが互いに異なっていても、基端側と先端側とが幾何学的に同一形状であれば、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３が回転２自由度で姿勢変更可能な２自由度機構が構成される。

この実施形態のように、先端側のアーム長Ｌ２Ｂの方が基端側のアーム長Ｌ２Ａよりも短い場合、パラレルリンク機構１の構成部品同士が干渉しにくくなり、コンパクトな構成で可動範囲を広くとれる。また、先端側を軽量化できるため、先端側の慣性モーメントが小さくなり、高速動作が可能になる。

また、この実施形態は、基端側および先端側の端部リンク部材５，６が、湾曲部材２０Ａ，２０Ｂと、回転軸支持部材２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂとで構成されている。このように、端部リンク部材５，６を複数の部材に分割すると、各部材を単純な形状とすることができるため、加工費を抑制でき、量産性が向上する。また、組立時に、端部リンク部材５，６と中央リンク部材７との回転対偶部、あるいは端部リンク部材５，６とリンクハブ２，３との回転対偶部を構成する部品、例えば軸受やスペーサ等を一方向から回転軸に挿入することができるようになり、組立性が向上する。

さらに、各回転対偶部において、２つの回転軸支持部材２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂにより回転軸１２，１４，４２，４４の両端を支持することで、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の全体の剛性が向上する。各回転軸支持部材２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂを同一形状とすれば、部品の共通化を図れ、安価で量産性が良くなる。

［パラレルリンク機構の第２の実施形態］
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との各回転対偶軸Ｏ１Ａ、および基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７との各回転対偶軸Ｏ２Ａが互いに成す角度αＡが９０°以外である場合を示す。先端側については図示を省略しているが、先端側のリンクハブと先端側の端部リンク部材との各回転対偶軸、および先端側の端部リンク部材と中央リンク部材７との各回転対偶軸が互いに成す角度αＢ（図示せず）も、基端側の角度αＡと同じ大きさである。このように角度αＡ，αＢが９０°以外であっても、基端側と先端側とが幾何学的に同一形状であれば、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブが回転２自由度で姿勢変更可能な２自由度機構が構成される。

［パラレルリンク機構の第３の実施形態］
図６、図７は、基端側および先端側の端部リンク部材５，６の構成が前記第１の実施形態と異なるパラレルリンク機構を示す。このパラレルリンク機構の全体構成は第１の実施形態と同じであるので、全体構成の図面および説明を省略する。

このパラレルリンク機構は、基端側の端部リンク部材５に使用される湾曲部材２０Ａ、および先端側の端部リンク部材６に使用される湾曲部材２０Ｂが同一仕様である。湾曲部材２０Ａ，２０Ｂに対する回転軸支持部材２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂの固定位置を変更することで、端部リンク部材５，６の各アーム長Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂがそれぞれ所定の長さとなるようにしている。このように同一仕様の湾曲部材２０Ａ，２０Ｂを使用することで、部品の共通化を図り、パラレルリンク機構を安価に製作することができる。

［パラレルリンク機構の第４の実施形態］
図８はこの発明の第４の実施形態にかかるパラレルリンク機構の一状態の正面図である。このパラレルリンク機構１は、第１の実施形態とは逆で、基端側のアーム長Ｌ２Ａよりも先端側のアーム長Ｌ２Ｂの方が長くなっている。図９、図１０に示すように、基端側と先端側とでアーム長Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂが互いに異なっていても、基端側と先端側のリンク長Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂは互いに同じである。

このように基端側のアーム長Ｌ２Ａよりも先端側のアーム長Ｌ２Ｂを長くすると、先端部材４０に大きな貫通孔４０ａを設けることができる。これにより、大きな作業体（図示せず）を、貫通孔４０ａから挿入してパラレルリンク機構１の内部空間８に配置することができる。なお、内部空間８は、基端側および先端側のリンクハブ２，３と各リンク機構４に囲まれた空間のことである。

［リンク作動装置］
図１１〜図１３は、第１の実施形態のパラレルリンク機構を備えたリンク作動装置を示す。このリンク作動装置５０は、パラレルリンク機構１の各リンク機構４に、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢を任意に変更する姿勢変更用駆動源５１が設けられている。図の例では３組すべてのリンク機構４に姿勢変更用駆動源５１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組に姿勢制御用駆動源５１を設ければ、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。

各姿勢制御用駆動源５１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２の基端部材１０の上面に、前記回転軸１２と同軸上に設置されている。姿勢制御用駆動源５１と減速機構５２は一体に設けられ、駆動源固定部材５３により減速機構５２が基端部材１０に固定されている。

図１２（Ｂ）において、減速機構５２により減速された回転出力は、大径の基部５４ａと小径の先端部５４ｂとからなる出力軸５４に出力される。出力軸５４の先端部５４ｂは、パラレルリンク機構１における前記回転軸１２に相当する。出力軸５４の基部５４ａの先端面を、基端側の端部リンク部材５の外径側の回転軸支持部材２１Ａに当接させ、ボルト５５により基部５４ａが回転軸支持部材２１Ａに結合される。

リンク作動装置５０は、各姿勢制御用駆動源５１を回転駆動することで、パラレルリンク機構１が動作する。詳しくは、姿勢制御用駆動源５１を回転駆動すると、その回転が減速機構５２を介して減速して回転軸１２に伝達される。それにより、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の角度が変わり、基端側のリンクハブ２に対する先端側のリンクハブ３の姿勢が変更される。先端側のリンクハブ３に作業体（エンドエフェクタ）を取り付けることで、作業体の姿勢を任意に変更しながら作業を行うことができる。

図１２（Ａ）に示すように、基端側のリンクハブ２の基端部材１０の中央部に、先端側のリンクハブ３に取り付けられた作業体に繋がる電気配線等のケーブルを通す貫通孔１０ａが設けられている。また、図１３に示すように、先端側のリンクハブ３の先端部材４０の中央部に、作業体を嵌め込んで取り付けるための貫通孔４０ａが設けられている。図１２、図１３の例では、貫通孔１０ａ，４０ａは、それぞれリンクハブ２，３の中心軸ＱＡ，ＱＢを中心とする略正方形である。例えば図１４に示すように、貫通孔１０ａ，４０ａは他の形状であってもよい。

図１５は、上記リンク作動装置５０の先端側のリンクハブ３に作業体６０を取り付けた状態を示す。作業体６０は先端部材４０の前記貫通孔４０ａ（図１２（Ａ）参照）に嵌め込んで取り付けられており、その大半部分がパラレルリンク機構１の内部空間８に配置されている。作業体６０に接続されたケーブル６１が、前記内部空間８と基端部材１０の貫通孔１０ａを通ってリンク作動装置５０の外部へ延びている。

このように有線の作業体６０を先端側のリンクハブ３に取り付ける場合、パラレルリンク機構１の動作範囲内でケーブル６１の屈曲半径が許容値を超えないように設計する必要がある。具体的には、基端部材１０の貫通孔１０ａの内壁面にケーブル６１が接触しないように、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡから貫通孔１０ａの内壁面までの最小距離Ｌｂを適正に定める。図１２（Ａ）のように貫通孔１０ａが正方形である場合も、図１４のように貫通孔１０ａが正方形以外の形状である場合も、最小距離Ｌｂは貫通孔１０ａの内接円の半径となる。

各部の寸法を図１６に示すように定めた場合、基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡから貫通孔１０ａの内壁面までの最小距離Ｌｂが、以下の関係式

但し、
Ｒ_ｍｉｎ：ケーブル６１の許容最小屈曲半径
Ｌ_Ｅ：先端側の球面リンク中心ＰＢから作業体６０のケーブル取付位置までの距離
ｒ_ｃ：ケーブル６１の半径
Ｄ：基端側および先端側の各球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離
θ_ｍａｘ：パラレルリンク機構１の最大折れ角
の条件を満たすように、貫通孔１０ａの形状を設計するとよい。その理由を以下に記す。

図１６の水平方向で考えた場合、先端側の球面リンク中心ＰＢから基端部材１０の貫通孔１０ａの内壁面までの水平距離が、先端側の球面リンク中心ＰＢから作業体６０のケーブル６１の端面までの水平距離よりも大きければ、ケーブル６１の屈曲半径を許容値内に収めながらケーブル６１をパラレルリンク機構１の内部空間８（図１５）を通して貫通孔１０ａから外部に出すことができる。

先端側の球面リンク中心ＰＢから基端部材１０の貫通孔１０ａの内壁面までの水平距離は、Ｌ_ｂ＋Ｌ_ｐsinθ_ｍａｘ、すなわち、

で表すことができる。
また、先端側の球面リンク中心ＰＢから作業体６０のケーブル６１の端面までの水平距離は、Ｌ_Ｅsinθ_ｍａｘ＋Ｒ_ｍｉｎ（１・cosθ_ｍａｘ）＋ｒ_ｃで表すことができる。

これらから、式１を満たす貫通孔１０ａの形状であると、パラレルリンク機構１の動作範囲内において、基端部材１０の貫通孔１０ａの内壁面にケーブル６１が接触しない。言い換えると、式１を満たす範囲内で、先端側の球面リンク中心ＰＢから作業体６０のケーブル取付位置までの距離Ｌ_Ｅを大きくすることができる。つまり、作業体６０の多くの部分が内部空間８に位置するように、先端側のリンクハブ３に作業体６０を取り付けることができる。これにより、作業体６０が先端側のリンクハブ３よりも先端側に配置される場合と比べて、作業体６０の慣性モーメントを小さくして、パラレルリンク機構１の可動範囲を大きくとることができる。

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…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
８…内部空間
１２，１４，４２，４４…回転軸
１３，１５，４３，４５…軸受
２０Ａ，２０Ｂ…湾曲部材
２１Ａ，２１Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ…回転軸支持部材
１０ａ，４０ａ…貫通孔
５０…リンク作動装置
５１…姿勢制御用駆動源
６０…作業体
６１…ケーブル
Ｃ２Ａ…基端側の端部リンク部材と基端側のリンクハブとの回転対偶中心点
Ｃ２Ｂ…先端側の端部リンク部材と先端側のリンクハブとの回転対偶中心点
Ｌ１Ａ…基端側のアーム長
Ｌ１Ｂ…先端側のアーム長
Ｏ１Ａ…基端側のリンクハブと基端側の端部リンク部材との回転対偶軸
Ｏ１Ｂ…先端側のリンクハブと先端側の端部リンク部材との回転対偶軸
Ｏ２Ａ…基端側の端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶軸
Ｏ２Ｂ…先端側の端部リンク部材と中央リンク部材との回転対偶軸

Claims (6)

1. 基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、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前記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たパラレルリンク機構において、
   基端側および先端側のそれぞれにつき、前記端部リンク部材と前記中央リンク部材との回転対偶軸と、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶中心点との距離をアーム長と定義した場合、
   基端側のアーム長および先端側のアーム長は前記３組以上のリンク機構ですべて互いに同じであり、かつ基端側のアーム長と先端側のアーム長とが互いに異な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、前記先端側のアーム長の方が前記基端側のアーム長よりも短い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、前記端部リンク部材は、任意の角度に湾曲した湾曲部材と、この湾曲部材の一端または両端に固定され、前記中央リンク部材または前記リンクハブに直接または軸受を介して回転可能に連結された回転軸を支持する回転軸支持部材とを有し、前記基端側の端部リンク部材の前記湾曲部材および前記先端側の端部リンク部材の前記湾曲部材が互いに同一仕様であるパラレルリンク機構。
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において、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３組以上のリンク機構で囲まれた内部空間に少なくとも一部分が位置するように作業体が前記先端部材に取り付けられ、前記作業体に接続されたケーブルが前記内部空間を通って基端側へ延びている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、前記基端側のリンクハブは前記ケーブルが挿通される貫通孔を有し、前記基端側のリンクハブの中心軸から前記貫通孔の内壁面までの最小距離Ｌｂが、以下の関係式
   

   

   但し、
   Ｒ_ｍｉｎ：ケーブルの許容最小屈曲半径
   Ｌ_Ｅ：先端側の球面リンク中心から作業体のケーブル取付位置までの距離
   ｒ_ｃ：ケーブルの半径
   Ｄ：基端側および先端側の各球面リンク中心間の距離
   θ_ｍａｘ：パラレルリンク機構の最大折れ角
   の条件を満たす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駆動源が設けられたリンク作動装置。

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