JP4493767B2

JP4493767B2 - 自在継手

Info

Publication number: JP4493767B2
Application number: JP33405499A
Authority: JP
Inventors: 英一道岡; 孝嗣畑中; 忠廣川
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: KR100690490B1; JP2001153129A; DE60014555D1; EP1103735B1; EP1103735A1; KR20010051907A; US6398656B1; DE60014555T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパラレルリンク機構に用いられる自在継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、基台と揺動台との間に複数本のリンクを介在させ、揺動台が空間運動されるパラレルリンク機構が知られている。図４はこのパラレルリンク機構を用いたドライビングシュミレーション装置示したものである（本出願人が提案した特願平１１−２２４４７２号参照）。基台１と揺動台２との間には、例えば６本のリンク３としてのアクチュエータを架設している。各アクチュエータを選択的に伸縮して揺動台２の立体的な位置および姿勢を制御しながら、揺動台２に揺動を付与する。このとき、揺動台２は、位置を定める３自由度、および姿勢を定める３自由度の計６自由度を有する。
【０００３】
このパラレルリンク機構のリンク３の両端と基台１または揺動台２との間に介在される継手４として、図１６に示すようなリンク３の球面的な動きを許容する球面軸受５、またはリンク３の基台１または揺動台２に対する交差角度の変化を許容する自在継手６が知られている。
【０００４】
球面軸受５は、リンク３の端部に設けられた球形のジャーナル７を支える軸受で、３つの回転の自由度を有する。このため、揺動台２の位置および姿勢を定める際に球面軸受５を円滑に作動することができる。
【０００５】
自在継手６は、ヨーク８を有する継手本体９と、十字金具１０と、ヨーク８と継手本体９との間に軸受を挿入した周知の機構で、２つの回転の自由度を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パラレルリンク機構においては、その構造上、継手４にリンク３の軸方向荷重が加わるという特徴を有する。球面軸受５ではこのリンク３の軸方向荷重を受けるのには剛性が不充分である。また、揺動台２の位置および姿勢を大きく変化させるのにはリンク３の揺動角度αも大きくする必要があるが、球面軸受５の場合はリンク３が軸受にあたってしまい、この揺動角度αを大きくとることができない。
【０００７】
自在継手６にあっては、リンク３の揺動角度αを大きくすることができるが、２つの回転自由度しか有さないので、揺動台２の６自由度の位置および姿勢を定めるのには自由度がたりず、揺動台２の位置および姿勢を定める際に円滑に作動することができない場合がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、円滑に作動することができ、リンクの揺動角度が大きくとれ、しかもリンクの軸方向荷重を受けることができる剛性の高いパラレルリンク機構用の自在継手を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明者らは、自在継手が円滑に作動するように３つの回転の自由度を持たせ、しかも自在継手が軸方向荷重を受けられるように３つの回転の自由度を第１乃至第３の回転案内手段から構成した。すなわち、本発明は、第１の回転案内手段（２０）と、この第１の回転案内手段（２０）に回転自在に案内される第２の回転案内手段（２１）と、この第２の回転案内手段（２１）に回転自在に案内される第３の回転案内手段（２２）とを備え、合計３つの回転の自由度を有し、前記第１ないし第３の回転案内手段（２０，２１，２２）の回転中心線（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）が互いに交差し、しかも一点（Ｐ）で交わり、前記第３の回転案内手段（２２）に、前記第３の回転案内手段（２２）の回転中心線（Ｐｃ）と鋭角に交差する軸（１５）が回転自在に案内され、前記第２の回転案内手段（２１）の回転中心線（Ｐｂ）と前記第３の回転案内手段（２２）の回転中心線（Ｐｃ）とを鋭角に交差させ、前記軸（１５）が３６０°回転可能なように前記第３の回転案内手段（２２）の回転中心線（Ｐｃ）の周囲にスペースを空け、前記第２の回転案内手段（２１）は、内周側にローラ転走溝（３２）が形成された外輪（２１ｂ）と、外周側にローラ転走溝（３１）が形成されて前記外輪（２１ｂ）内に嵌められた円環状の内輪（２１ａ）と、これらローラ転走溝（３１，３２）間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラ（３３）とを有し、前記第３の回転案内手段（２２）は、前記内輪（２１ａ）の内部に配置されたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、自在継手が３つの回転の自由度を有するので、例えばパラレルリンク機構において揺動台の位置および姿勢を定める際に、リンクが３次元的な任意の姿勢を取れるように自在継手（１１）が円滑、軽快に作動する。ここで、各回転案内手段（２０，２１，２２）は、回転の１自由度を有するものであればよく、例えば転がり軸受、すべり軸受、旋回軸受、曲線案内装置等を用いることができる。
【００１３】
また、この発明によれば、交差点（Ｐ）を中心とした任意の３次元的な方向に効率的にリンク等の姿勢を変化させることができる。
【００１５】
この発明によれば、例えばリンク等の自在継手（１１）に連結される軸（１５）を３６０°回転させることができ、軸（１５）の揺動角度を大きくすることができる。
【００１６】
さらに、本発明は、前記第１の回転案内手段（２０）および前記第３の回転案内手段（２２）のうち少なくとも一つは、内周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝（３２）が形成された外輪（２１ｂ）と、外周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝（３１）が形成されて前記外輪（２１ｂ）内に嵌められた内輪（２１ａ）と、これらローラ転走溝（３１，３２）間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラ（３３）とを有することを特徴とする。
【００１７】
パラレルリンク機構においてリンクから自在継手（１１）に軸方向荷重が加わる際、リンクの揺動角が変化するので、自在継手（１１）の各回転案内手段（２０，２１，２２）には、ラジアル荷重、スラスト荷重、モーメント荷重の各荷重が混合した荷重が加わる。この発明によれば、回転案内手段（２０，２１，２２）が内周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝（３２）が形成された外輪（２１ｂ）と、外周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝（３１）が形成されて前記外輪（２１ｂ）内に嵌められた内輪（２１ａ）と、これらローラ転走溝（３１，３２）間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラ（３３）を有するので、ラジアル荷重、スラスト荷重、モーメント荷重の各荷重が混合した荷重を負荷できる剛性の高い自在継手（１１）が得られる。また、ローラ（３３）がローラ転走溝（３１，３２）間を転がり運動するので、すべり運動させる場合のように内輪（２１ａ）と外輪（２１ｂ）との間にガタを設ける必要がなく、精度が出し易くなる。さらに、転がり運動によって摩擦抵抗も小さくなり、摩耗、発熱を生じ難い自在継手（１１）が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態における自在継手を示すものである。この自在継手は、例えば、基台および揺動台との間に複数のリンクを介したパラレルリンク機構に用いられ、リンクの両端と基台または揺動台とを連結する。
【００１９】
図１および図２に示すように、自在継手１１は、第１の回転案内手段としてのＰａ軸旋回軸受２０と、このＰａ軸旋回軸受２０に回転自在に案内される第２の回転案内手段としてのＰｂ軸旋回軸受２１と、このＰｂ軸旋回軸受２１に回転自在に案内される第３の回転案内手段としてのＰｃ軸旋回軸受２２とを備える。各旋回軸受２０，２１，２２の回転中心線Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃは、それぞれが交差し、しかも一点Ｐで交わる。そして、この自在継手１１は全体で３つの回転の自由度を有する。
【００２０】
Ｐａ軸旋回軸受の外輪２０ｂは、例えばパラレルリンク機構の基台に固定される。Ｐａ軸旋回軸受２０の内輪２０ａは、外輪内２０ｂを回転運動する。Ｐａ軸旋回軸受２０の各部の構成については後述する。内輪２０ａには、Ｐａ軸旋回軸受２０の内輪２０ａとＰｂ軸旋回軸受２１の外輪２１ｂとを連結する連結部材１２が取り付けられる。この連結部材１２は椀形状で、その上縁１２ａに傾斜が付けられている。
【００２１】
Ｐｂ軸旋回軸受２１は、Ｐａ軸旋回軸受２０の上方にそれぞれの回転中心線Ｐａ，Ｐｃが互いに交差するように連結部材１２の上縁１２ａに取り付けられている。そして、Ｐｂ軸旋回軸受２１の中心ＰはＰａ軸旋回軸受２０の回転中心線Ｐａ上に位置する。中心線Ｐｂと中心線Ｐｂとの交差角αは鋭角に、例えば２０°に設定される。内輪２０ａを回転すると、Ｐｂ軸旋回軸受２１はＰａ軸旋回軸受２０に対して交差角αを一定に保ったまま、その中心線Ｐｂが円錐状の軌跡を描くように回転する。内輪２１ａには、Ｐｂ軸旋回軸受２１の内輪２１ａとＰｃ軸旋回軸受２２の外輪２２ｂとを連結する一対の連結部材１３ａ，１３ｂが取り付けられる。連結部材の一方１３ａは内輪２１ａの上面側に取り付けられ、他方１３ｂは内輪２１ａの下面側に取り付けられている。連結部材１３ａの上縁１４ａおよび連結部材１３ｂの下縁１４ｂには傾斜が付けられている。また、内輪２１ａの中央には、内部にＰｃ軸旋回軸受２２を配置することができるようにスペースが空けられている。
【００２２】
Ｐｃ軸旋回軸受２２は、Ｐｂ軸旋回軸受２１の内側にそれぞれの回転中心線Ｐｂ，Ｐｃが互いに交差するように、連結部材１３ａの上縁１４ａおよび連結部材１３ｂの下縁１４ｂに取り付けられている。Ｐｃ軸旋回軸受２２の中心ＰはＰｂ軸旋回軸受２１の中心Ｐと一致している。中心線Ｐｃと中心線Ｐｂとの交差角βは鋭角に例えば４０°に設定される。内輪２１ａを回転すると、Ｐｃ軸旋回軸受２２は、Ｐｂ軸旋回軸受２１に対して交差角βを一定に保ったまま、その中心線Ｐｃが円錐状の軌跡を描くように回転する。
【００２３】
Ｐｃ軸旋回軸受２２の内輪２２ａには、例えばパラレルリンク機構におけるリンク等の軸１５が結合される。この軸１５の中心線は、Ｐａ軸旋回軸受２０の中心線Ｐａと重なり、Ｐｃ軸旋回軸受２２の回転中心線Ｐｃと鋭角に例えば２０°の交差角αで交差する。Ｐｃ軸旋回軸受２２の内輪２２ａを回転すると、軸１５は円錐状の軌跡を描く。
【００２４】
上述のように、Ｐｂ軸旋回軸受２１とＰｃ軸旋回軸受２２の回転中心線Ｐｂ，Ｐｃをそれぞれ鋭角に交差させ、軸１５が３６０°回転可能なようにＰｃ軸旋回軸受２２の回転中心線Ｐｃの周囲にスペースを空けている。図２は、比較のために、Ｐｃ軸旋回軸受２２の中心線ＰｃとＰｂ軸旋回軸受２１の中心線Ｐｂとの交差角を９０°に設定した自在継手を示したものである。この自在継手においてＰｃ軸旋回軸受２２の内輪２２ａを回転すると、軸１５が図中実線の位置から２点鎖線の位置まで移動し、軸１５が連結部材１２，１３やＰｂ軸旋回軸受２１にあたってしまい、３６０°回転させることができないことがわかる。
【００２５】
図３はＰｂ軸旋回軸受２１を示すものである。各旋回軸受２０，２１，２２の構成はすべて略同一なので、ここでは代表してＰｂ軸旋回軸受２１について説明する。このＰｂ軸旋回軸受２１は、内周側に９０°の断面略Ｖ字状のローラ転走溝３２が形成された外輪２１ｂと、外周側に９０°の断面略Ｖ字状のローラ転走溝３１が形成されて前記外輪２１ｂ内に嵌められた内輪２１ａと、これらローラ転走溝３１，３２間に配列収容された複数の円筒形のローラ３３とを備える（図１参照）。
【００２６】
外輪２１ｂ及び内輪２１ａそれぞれに形成されたＶ字状のローラ転走溝３１，３２で断面略四角形のローラ転走路が形成される。複数のローラ３３は、隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するようにローラ転走路に配列収納される。複数のローラ３３間には、ローラ３３を所定の姿勢に保持するスペーサ３４が介在される。このローラ転走路において、スペーサ３４の左右に隣接するローラ３３は、その軸線が互いに直交し、外向きローラ３３ａと内向きローラ３３ｂとに分類される。外向きローラ３３ａは、その軸線Ｃが前記外輪２１ｂ及び前記内輪２１ａの回転中心線上に位置する旋回中心点Ｂを向くような姿勢に保持されている。内向きローラ３３ｂも、その軸線Ｄが回転中心線上に位置する旋回中心点Ａを向くような姿勢に保持されている。ローラ転走路をローラ３３ａ，３３ｂが荷重を受けながら転走する際、ローラ３３ａ，３３ｂの軸線はリング状のローラ転走路に対して常に直角を保ち、各ローラ３３ａ，３３ｂは均等なすべりを保ちながら転走する。
【００２７】
Ｐｂ軸旋回軸受２１は、上述のように９０°のＶ字状のローラ転走溝３１，３２に、円筒形ローラ３３が隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように交互に配列されているため、ラジアル荷重、スラスト荷重、モーメント荷重などのあらゆる方向の荷重を負荷することができる。
【００２８】
図１に示すように自在継手１１の各旋回軸受２０，２１，２２の回転による軸１５の姿勢変化について説明する。まず、Ｐｃ軸旋回軸受２２の内輪２２ａを回転させた場合について説明する。内輪２２ａを回転すると、上述のように、軸１５はＰａ軸上に位置する初期姿勢から円錐状の軌跡を描くように３６０°回転して姿勢変化する。軸１５の中心線上の一点Ｑの平面上における軌跡は、図１中▲１▼で示す楕円状になる。そして、側面方向からみた軸１５は初期位置からＰ点を中心として時計回りに角度２αまで旋回する。
【００２９】
次に、Ｐｂ軸旋回軸受２１の内輪２１ａを回転させた場合について説明する。軸１５が初期位置姿勢の状態で内輪２１ａを回転すると、軸１５は初期姿勢から円錐状の軌跡を描くように３６０°回転して姿勢変化し、Ｑ点の平面上における軌跡は図１中▲２▼で示すような楕円状になる。そして、側面方向からみた軸１５は初期姿勢からＰ点を中心として反時計回りに角度２αまで旋回する。また、軸１５が反時計回りに２α旋回した状態で、Ｐｃ軸旋回軸受２２の内輪２２ａを回転すると、Ｑ点の平面上における軌跡は図１中▲３▼で示すような楕円になる。
【００３０】
次に、Ｐｃ軸旋回軸受２２とＰｂ軸旋回軸受２１を同時に回転させると、Ｑ点が移動可能な動作範囲Ｓは図１中斜線で示す領域となる。Ｐｃ軸旋回軸受２２とＰｂ軸旋回軸受２１を回転するだけだと、動作範囲ＳにＱ点が移動できない空白部１６が存在するが、Ｐａ軸旋回軸受２０の内輪２０ａを回転すると、Ｑ点がＲ点を中心として回転することになるので、空白部１６がなくなり、広範囲の動作が可能になる。中心線Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃの取付角度を変化することで、このＱ点の動作範囲を自在継手１１が使用される状況に合わせて任意に変えることができる。また、軸１５は常にＰ点を中心として旋回するので、Ｑ点の動作範囲Ｓに空白部がなくなれば軸１５を３次元的に任意に姿勢変化させることができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、自在継手を、第１ないし第３の旋回軸受を連結部材で連結することで構成しているが、もちろん自在継手の構成はこれに限られることはなく、例えば、ヨークを有する一対の継手本体と、十字金具と、ヨークと継手本体との間に軸受を挿入した２つの回転の自由度を有する周知の自在継手に、３つの回転の自由度を有するように、もう一つ旋回軸受を取り付けた構成にしてもよい。すなわち、自在継手は、二股のヨークを有する一対の継手本体と、このヨークに連結される十字状の軸部を有する十字形部材とを備え、一方の継手本体のヨークと十字形部材の軸部との間に第２の旋回軸受を設け、他方の前記継手本体のヨークと十字形部材の前記軸部と交差する軸部との間に第３の旋回軸受を設け、前記一対の継手本体のいずれか一方に第１の旋回軸受を設けた構成であってもよい。
【００３２】
また、上記実施の形態では、自在継手１１をパラレルリンク機構に適用した場合について説明しているが、本発明の自在継手１１は、自在継手１１に軸方向荷重が加わり、しかも自在継手１１に複数の回転の自由度が要求される機構であれば、パラレルリンク機構に限られることなく種々な機構に適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、自在継手が３つの回転の自由度を有するので、例えばパラレルリンク機構において揺動台の位置および姿勢を定める際リンクが３次元的な任意の姿勢を取れるように自在継手が円滑、軽快に作動する。
【００３４】
また、本発明によれば、前記第１ないし第３の回転手段の回転中心線が互いに交差し、しかも一点で交わるので、リンク等に効率的に３次元的な任意の姿勢を取らせることができる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、例えばリンク等の軸を３６０°回転させることができ、軸の揺動角度を大きくすることができる。
【００３６】
さらに、回転案内手段が内周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝が形成された外輪と、外周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝が形成されて前記外輪内に嵌められた内輪と、これらローラ転走溝間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラを有するので、ラジアル荷重、スラスト荷重、モーメント荷重の各荷重が混合した荷重を負荷できる自在継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における自在継手を示す断面図および軸上のＱ点の動作領域を記載した図。
【図２】Ｐｃ軸旋回軸受とＰｂ軸旋回軸受との交差角を９０°に設定した自在継手を示す比較例。
【図３】上記自在継手に組み込まれる旋回軸受を示す斜視図（一部断面図を含む）。
【図４】パラレルリンク機構を示す概略図。
【図５】従来の球面軸受を示す断面図。
【図６】従来の自在継手を示す斜視図。
【符号の説明】
１１自在継手
１５軸
２０Ｐａ軸旋回軸受（第１の回転案内手段）
２１Ｐｂ軸旋回軸受（第２の回転案内手段）
２１ａ内輪
２１ｂ外輪
２２Ｐｃ軸旋回軸受（第３の回転案内手段）
３１，３２ローラ転走溝
３３ローラ
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ回転中心線

Claims

第１の回転案内手段と、
この第１の回転案内手段に回転自在に案内される第２の回転案内手段と、
この第２の回転案内手段に回転自在に案内される第３の回転案内手段とを備え、
合計３つの回転の自由度を有し、
前記第１、第２、第３の回転案内手段の回転中心線が互いに交差し、しかも一点で交わり、
前記第３の回転案内手段に、前記第３の回転案内手段の回転中心線と鋭角に交差する軸が回転自在に案内され、前記第２の回転案内手段の回転中心線と前記第３の回転案内手段の回転中心線とを鋭角に交差させ、前記軸が３６０°回転可能なように前記第３の回転案内手段の回転中心線の周囲にスペースを空け、
前記第２の回転案内手段は、内周側にローラ転走溝が形成された外輪と、外周側にローラ転走溝が形成されて前記外輪内に嵌められた円環状の内輪と、これらローラ転走溝間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラとを有し、
前記第３の回転案内手段は、前記内輪の内部に配置されたことを特徴とする自在継手。
前記第１の回転案内手段および前記第３の回転案内手段のうち少なくとも一つは、内周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝が形成された外輪と、外周側に断面略Ｖ字状のローラ転走溝が形成されて前記外輪内に嵌められた内輪と、これらローラ転走溝間に隣り合うもの同士の回転軸が互いに直交するように配列収容された複数のローラとを有することを特徴とする請求項１に記載の自在継手。