JP6104701B2 - リンク作動装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばロボットの関節部、および産業機械における三次元空間での複雑な加工や物品の取り回し等の作業を広範囲な領域で高速かつ精密に実行するための機構部に用いられるリンク作動装置に関する。

この種のリンク作動装置として、基端側のリンクハブと先端側のリンクハブを、３組以上の、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構で連結した構成のものがある。この構成のリンク作動装置は、コンパクトな構成でありながら、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブを精密で広範な作動範囲で姿勢変更することが可能である。また、この構成のリンク作動装置は、各リンク機構の配列の内側に空間が形成されるため、この空間に、基端側と先端側とを繋ぐ線材を挿通することができる。例えば特許文献１の段落「００２９」、「００５６」、「００６０」、「００６１」、「００６２」に、リンク機構の内側の前記空間に電気配線、トルクおよび回転伝達用のワイヤ、エアホース等の線材を挿通させることが提案されている。この提案では、線材の曲げ方向を変えても線材が捩れないようになっている。

特開２００５−１２７４７５号公報

しかし、単に各リンク機構の内側の空間に線材を挿通するだけでは、線材がリンク機構を構成する部材と干渉して傷む可能性がある。また、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブが姿勢変更して、基端側と先端側の各線材保持部間の距離等が変化することにより、各線材保持部から線材に張力および圧縮力が発生し、これにより線材を傷めたり、耐久性を悪化させたりすることがある。一方、線材の張力および圧縮力の反力がリンク機構に作用することで、リンク作動装置を作動させるアクチュエータへの負担が大きくなる。

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、かつ各リンク機構の内側の空間に挿通される線材を傷めず、しかも線材の曲がりに伴う装置への負担増加を抑えることができるリンク作動装置を提供することである。

この発明のリンク作動装置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、前記各リンク機構４は、それぞれ前記基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３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５，６と、これら基端側および先端側の端部リンク部材５，６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７とでなり、前記各リンク機構４は、このリンク機構４を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材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。
このリンク作動装置１において、前記各リンクハブ２，３とこれらのリンクハブ２，３に連結された前記各端部リンク５，６との各回転対偶中心軸はそれぞれ互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２と称し、前記基端側および先端側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態で、一方のリンクハブ２（３）の前記球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通り対向するリンクハブ３（２）の前記球面リンク中心Ｐ２（Ｐ１）に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃと称する場合に、前記基端側のリンクハブ２と前記先端側のリンクハブ３との間に、それぞれ前記基端側および先端側のリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃ上にあってそのリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃが通る前記球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から対向する前記球面リンク中心Ｐ２，Ｐ１に対して遠い側に位置する基端側および先端側の線材保持点Ｑ１，Ｑ２で両端が保持された線材３３が配置され、前記基端側および先端側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態における前記基端側および先端側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中点Ｏから前記各球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２までの距離をＤとし、基端側および先端側につき前記球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から前記線材保持点Ｑ１，Ｑ２までの距離をそれぞれＨとした場合に、
Ｈ＝０．５×Ｄ
の関係が成り立つことを特徴とする。

この構成によると、曲げ中心が基端側および先端側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の２点であるため、曲げ中心が１点である一般的な構成と比べて、各リンク機構４の内側の空間９に挿通される線材３３の曲げ半径Ｒが大きく、また基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲による線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）も小さい。特に、線材保持点Ｑ１，Ｑ２の位置をＨ＝０．５×Ｄとすることで、線材３３と線材保持部Ｑ１，Ｑ２との相対変位が最小となる。これにより、線材３３がリンク機構４等の他の部材と干渉することの回避が容易となる。また、線材３３にかかる張力や圧縮力が低減され、線材３３の耐久性が向上する。

例えば、線材３３が先端側のリンクハブ３に取り付けるツールへの配線である場合、基端側と先端側のリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃが互いに屈曲した状態となっても、線材３３の長さ変化が極めて少ないので、余裕長さを持たせることなく線材３３を各リンク機構４の内側の空間９に設置することができる。そのため、直線長さ分だけの線材３３の長さの設置で済み、また屈曲に伴う線材３３の大きな長さ変化に対応するスライド機構などの必要がないなど、リンク作動装置１への線材３３の設置が簡単である。また、線材３３が各リンク機構４の内側の空間９に収まっているため、リンク作動装置１を省スペースで設置できる。さらに、線材３３が各リンク機構４の内側の空間９に収まっていると、線材３３の保護の点でも有利である。しかも、線材３３の長さを短くでき、低コストで済む。

この発明のリンク作動装置１において、前記線材３３の最小曲げ半径をＲ_ｍｉｎとし、前記基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する前記先端側のリンクハブ中心軸Ｃの最大屈曲角を（２×θ_ｍａｘ）とした場合に、
Ｒ_ｍｉｎ＝Ｄ×（１／ｓｉｎθ_ｍａｘ＋１／（２×ｔａｎθ_ｍａｘ））
の関係が成り立つと良い。

これにより、基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲角（２×θ）の大きさに関係なく、常に各リンク機構４の内側の空間９に挿通される線材３３の曲げ半径Ｒが許容曲げ半径内に収まる。また、球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中点Ｏから球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２までの距離であるＤは、リンク作動装置１に望まれる最大屈曲角（２×θ_ｍａｘ）を得るために必要な最小の値とされている。言い換えると、限定された装置の大きさのなかで、最大の屈曲角（２×θ）が得られる。よって、リンク作動装置１をコンパクトにできる。

この発明のリンク作動装置１において、前記線材３３は光ファイバーであっても良い。
光ファイバーは、レーザー加工のレーザー伝送ケーブルまたはセンサの信号ケーブル等に使われるが、許容曲げ半径を確保することや、捩じり回しやキンクを避ける必要があり、フレキシブルであるが取扱いには注意を要する。このリンク作動装置１の先端側のリンクハブ３にレーザーヘッドやセンサを設置し、光ファイバーをリンク機構４の内側の空間９の中心に挿通させれば、リンク作動装置１の外部に光ファイバーが露出することがなく、リンク作動装置１の設置スペースをコンパクトにできる。

この発明のリンク作動装置１において、前記線材３３はトルクを伝達可能なフレキシブルシャフトであり、前記基端側のリンクハブ２に設置した回転アクチュエータ６７の出力軸６７ａに前記線材３３の一端が連結され、前記先端側のリンクハブ３に対して回転自在に設置された回転架台６１の回転軸部６１ｂに前記線材３３の他端が連結されていても良い。
これにより、フレキシブルシャフトの変形による反力を抑えた状態で、省スペースかつ簡単に回転架台６１を回転可能とすることができる。フレキシブルシャフトの反力が抑えられると、リンク作動装置１を駆動する回転アクチュエータ６７の出力を小さくでき、装置全体が軽量でコンパクトなものとすることができ、かつ低コストとなる。

この発明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、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、前記各リンクハブとこれらのリンクハブに連結された前記各端部リンクとの各回転対偶中心軸はそれぞれ互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心と称し、前記基端側および先端側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り対向するリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称する場合に、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間に、それぞれ前記基端側および先端側のリンクハブ中心軸上にあってそのリンクハブ中心軸が通る前記球面リンク中心から対向する前記球面リンク中心に対して遠い側に位置する基端側および先端側の線材保持点で両端が保持された線材が配置され、前記基端側および先端側のリンクハブが互いに平行である状態における前記基端側および先端側の球面リンク中心の中点から前記各球面リンク中心までの距離をＤとし、基端側および先端側につき前記球面リンク中心から前記線材保持点までの距離をそれぞれＨとした場合に、
Ｈ＝０．５×Ｄ
の関係が成り立つため、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、かつ各リンク機構の内側の空間に挿通される線材を傷めず、しかも線材の曲がりに伴う装置への負担増加を抑えることができる。

この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の使用状態を、一部を省略して表した正面図である。 同リンク作動装置のリンク作動装置本体を３次元的に表わした斜視図である。 同リンク作動装置本体の一つリンク機構を直線で表現した図である。 同リンク作動装置本体の各回転対偶部の構成を示す断面図である。 同リンク作動装置の断面図である。 同リンク作動装置のリンクハブと線材との位置関係を示す概略図である。 同リンク作動装置の作動によるリンクハブ中心軸の屈曲角と線材の長さ変化との関係を示すグラフである。 同リンク作動装置の作動によるリンクハブ中心軸の屈曲角と線材の曲げ半径の大きさとの関係を示す図である。 参考例としてのリンク作動装置のリンクハブと線材との位置関係を示す概略図である。 この発明の異なる実施形態にかかるリンク作動装置の使用状態を示す断面図である。 リンク作動装置本体の異なる構成を３次元的に表わした斜視図である。

この発明にかかるリンク作動装置の一実施形態を図１〜図６と共に説明する。
図１はリンク作動装置の使用状態を示す図である。同図に示すように、このリンク作動装置１は、上方側となる基端側が天井面３０に設置された取付ベース３１に取り付けられ、下方側となる先端側に作業装置３２が取り付けられている。図の例では、作業装置３２はレーザー加工ヘッドであり、このレーザー加工ヘッドに対して、光ファイバーからなる線材３３を介して、リンク作動装置１の外部に設置したレーザー発振器（図示せず）からのレーザー光が送られる。前記取付ベース３１には、リンク作動装置１を駆動する直動アクチュエータ３４が設けられている。

図２は、リンク作動装置１のリンク作動装置本体１ａを３次元的に表わした斜視図である。リンク作動装置本体１ａ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を介して姿勢変更可能に連結したものである。リンク機構４の数は例えば３組である。なお、図１では１組のリンク機構４のみが示されている。

図２において、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、各リンク機構４の端部リンク部材５，６の基端が、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３の球面状をした外周面における円周方向に等間隔の位置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。

図３は、リンク作動装置本体１ａの一つリンク機構４を直線で表現した図である。３組のリンク機構４における基端側および先端側の端部リンク部材５，６は、球面リンク構造を成す。すなわち、基端側および先端側のリンクハブ２，３とこのリンクハブ２，３に連結された各端部リンク５，６との各回転対偶中心軸はそれぞれ互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２と称する。球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から各端部リンク５，６までの距離は同じである。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、図３のように、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。

この実施形態のリンク機構４は鏡像対称タイプで、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の中心面である対称面Ａに対して鏡像対称となる位置構成になっている。図２、図３は、基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対して先端側のリンクハブ中心軸Ｃが所定の屈曲角をとった状態を示す。リンクハブ中心軸Ｂ，Ｃは、基端側および先端側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態で、一方のリンクハブ２（３）の球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通り対向するリンクハブ３（２）の球面リンク中心Ｐ２（Ｐ１）に向かって延びる軸線を言う。基端側および先端側のリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃの交点は、基端側および先端側のリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃが同一線上に並ぶときの球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中点Ｏである。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Ｐ１，Ｐ２間の距離は常に一定である。

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軸方向に移動自在な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、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中心軸Ｂと先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲角（２×θ）（図２）の最大値である最大屈曲角を約±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（図２）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。屈曲角（２×θ）は、基端側のリンクハブ２の中心軸Ｂに対して先端側のリンクハブ３の中心軸Ｃ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Ｂに対して先端側のリンクハブ中心軸Ｃが傾斜した水平角度のことである。

このリンク作動装置１において、各リンク機構４における球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２と端部リンク部材５，６の角度、および球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から端部リンク部材５，６までの長さが等しく、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Ａ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。例えば、基端側と先端側のリンクハブ２，３にリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃと同軸に回転軸を設け、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なる。

図４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。これら回転対偶の構造は、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の回転対偶部についても同じである。

リンクハブ２（３）は、外周部に半径方向の軸孔１１が円周方向３箇所に形成され、各軸孔１１内に設けた二つの軸受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の外側端部はリンクハブ２（３）から突出し、その突出ねじ部１３ａに端部リンク部材５（６）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）が前記軸孔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、内輪と端部リンク部材５（６）の間には間座１６が介在し、ナット１４の締付力が端部リンク部材５（６）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。

端部リンク部材５（６）と中央リンク部材７の回転対偶は、中央リンク部材７の両端に形成された連通孔１８に二つの軸受１９が設けられ、これら軸受１９により、端部リンク部材５（６）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。

このように、各リンク機構４における４つの回転対偶、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、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、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、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、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、リンク作動装置本体１ａ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。

図１において、前記直動アクチュエータ３４は、シリンダ部３４ａの基端が取付ベース３１に回転可能に連結され、かつピストンロッド３４ｂの先端が基端側の端部リンク５の中間部に回転可能に連結されている。直動アクチュエータ３４は、例えば各リンク機構４にそれぞれ設けられるが、リンク機構４の数が３組である場合、２組以上のリンク機構４に設ければ良い。各直動アクチュエータ３４を制御して、基端側の端部リンク５を回動させることにより、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３を任意の姿勢に変更させられる。

図５は、リンク作動装置１と取付ベース３１および作業装置３２との取付部の構造を示す断面図である。同図に示すように、基端側のリンクハブ２は、その基端面を取付ベース３１の底面板部３１ａに接触させて、ボルト４１により取付ベース３１に取り付けられる。また、先端側のリンクハブ３は、その先端面に先端プレート４２がボルト４３により取り付けられ、前記先端プレート４２に対して、レーザー加工ヘッドからなる作業装置３２のヘッド取付フランジ４４がボルト４５で取り付けられる。なお、ヘッド取付フランジ４４は、作業装置３２にボルト４６で固定されている。

光ファイバーからなる前記線材３３は、フレキシブルなものであり、各リンク機構４の内側の空間９、および各リンクハブ２，３に設けられた貫通孔１０に挿通させて配置される。各貫通孔１０の中心軸線はリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃと一致している。

取付ベース３１の底面板部３１ａは基端側のリンクハブ２の貫通孔１０と対応する貫通孔５０を有し、この貫通孔５０に線材保持部材５１が嵌め込まれている。線材保持部材５１は、ボルト５２で取付ベース３１に固定される。線材保持部材５１は、弾性体５３で線材３３の外周を覆う状態で線材３３を保持する。弾性体５３は線材３３の外周面に密着しており、線材３３における弾性体５３で覆われた部分は一定の状態、例えば直線状に保持される。線材３３における弾性体５３に覆われた部分と貫通孔１０内に位置する部分の境界点が、基端側の線材保持点Ｑ１となる。この基端側の線材保持点Ｑ１は、基端側のリンクハブ中心軸Ｂ上にあって、基端側の球面リンク中心Ｐ１に対し中点Ｏから遠い側に位置する。

また、前記先端プレート４２およびヘッド取付フランジ４４はリング状で、その中空部に作業装置３２の線材導入部３２ａが突出している。そして、線材３３の先端部が前記線材導入部３２ａに挿入されている。線材３３における線材導入部３２ａに挿入された部分と貫通孔１０内に位置する部分の境界点が、先端側の線材保持点Ｑ２となる。この先端側の線材保持点Ｑ２は、先端側のリンクハブ中心軸Ｃ上にあって、先端側の球面リンク中心Ｐ２に対し中点Ｏから遠い側に位置する。基端側の球面リンク中心Ｐ１から基端側の線材保持点Ｑ１までの距離、および先端側の球面リンク中心Ｐ２から先端側の線材保持点Ｑ２までの距離は、互いに等しい。

リンク作動装置１の作動に伴い線材３３が曲がるが、その場合に線材３３を傷めず、しかも線材３３の曲がりに伴うリンク作動装置１への負担増加を抑えるために、以下のように各部の寸法が設定されている。

［第１の設定］
基端側および先端側の線材保持点Ｑ１，Ｑ２の各位置を、基端側および先端側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態における基端側および先端側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離の１／２をＤとし、球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から線材保持点Ｑ１，Ｑ２までの距離をそれぞれＨとした場合に、関係式
Ｈ＝０．５×Ｄ ・・・（式１）
で表されるように設定する。

上記関係式（式１）の根拠を、図６と共に説明する。同図におけるＳは基端側および先端側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態における基端側の線材保持点Ｑ１と先端側の線材保持点Ｑ２間の距離、Ｄは基端側および先端側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中点Ｏと各球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離、Ｈは球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２と線材保持点Ｑ１，Ｑ２間の距離であり、これらは互いに式２の関係にある。
Ｓ＝２（Ｄ＋Ｈ） ・・・（式２）

線材３３が一様な曲げ剛性の可撓性材であると仮定した場合、基端側のリンクハブ２に対して先端側のリンクハブ３が姿勢変更すると、線材３３は円弧状に変形する。基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲角が（２×θ）である時の線材３３の曲げ半径をＲ、基端側および先端側の線材保持点Ｑ１，Ｑ２間の円弧長さをＬとすると、ＲおよびＬは式３、式４で表される。
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＝Ｄ／ｓｉｎθ＋Ｈ／ｔａｎθ ・・・（式３）
Ｌ＝２Ｒθ ・・・（式４）

図７は、リンク作動装置１の作動による屈曲角（２×θ）と線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）との関係を、線材保持点Ｑ１，Ｑ２の位置（Ｈ／Ｄ）がそれぞれ異なる各仕様について比較して示すグラフである。線材３３の長さ変化は、（Ｌ／Ｓ）で無次元化して表している。また、図８は、リンク作動装置１の作動による屈曲角（２×θ）と線材３３の曲げ半径（Ｒ／Ｓ）との関係を、線材保持点Ｑ１，Ｑ２の位置（Ｈ／Ｄ）がそれぞれ異なる各仕様について比較して示すグラフである。線材３３の曲げ半径は、（Ｒ／Ｓ）で無次元化して表している。図７、図８の関係は計算により求められたものである。なお、このリンク作動装置１のように曲げ中心が２点である構成との比較のために、図７、図８には、参考として、一般的な１点で屈曲するリンク作動装置（図９参照）について行なった計算結果も併せて示してある。

図８から、線材保持点Ｑ１，Ｑ２間の距離Ｓが同じで、屈曲角（２×θ）も同じであるとき、曲げ中心が２点である構成（図６）は、曲げ中心が１点である構成（図９）よりも、線材３３の曲げ半径Ｒが大きいことが分かる。また、曲げ中心が２点である場合の仕様比較では、Ｈ／Ｄの値が大きいほど、すなわち線材保持点Ｑ１，Ｑ２の位置が球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２から離れているほど、線材３３の曲げ半径Ｒは小さくなる。可撓性材は曲げ半径Ｒに下限があり、これにより屈曲角（２×θ）が限定されるが、同じ屈曲角（２×θ）で曲げ半径Ｒが大きければ、より大きい屈曲角（２×θ）をとることができる。

図７から、線材保持点Ｑ１，Ｑ２間の距離Ｓが同じで、屈曲角（２×θ）も同じであるとき、曲げ中心が２点である構成（図６）は、曲げ中心が１点である構成（図９）よりも、線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）が小さいことが分かる。また、曲げ中心が２点である場合の仕様比較では、（Ｈ／Ｄ）が０．５のとき、線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）が最も小さくなる。

したがって、任意の距離Ｄに対して、線材保持点Ｑ１，Ｑ２の位置をＨ＝０．５×Ｄとすることで、線材３３と線材保持部Ｑ１，Ｑ２との相対変位が最小となる。これにより、線材３３がリンク機構４等の他の部材と干渉することの回避が容易となる。また、線材３３にかかる張力や圧縮力が低減され、線材３３の耐久性が向上する。

図７、図８から分かるように、曲げ中心が２点である構成は、曲げ中心が１点である構成と比べて、各リンク機構４の内側の空間９に挿通される線材３３の曲げ半径Ｒが大きく、また基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲による線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）も小さい。

よって、この実施形態のように、線材３３が先端側のリンクハブ３に取り付けるツールへの配線である場合、基端側と先端側のリンクハブ中心軸Ｂ，Ｃが互いに屈曲した状態となっても、線材３３の長さ変化（Ｌ／Ｓ）が極めて少ないので、余裕長さを持たせることなく線材３３を各リンク機構４の内側の空間９に設置することができる。そのため、直線長さ分だけの線材３３の長さの設置で済み、また屈曲に伴う線材３３の大きな長さ変化に対応するスライド機構などの必要がないなど、リンク作動装置１への線材３３の設置が簡単である。また、線材３３が前記空間９に収まっているため、リンク作動装置１を省スペースで設置できる。さらに、線材３３が前記空間９に収まっていると、線材３３の保護の点でも有利である。しかも、線材３３の長さを短くでき、低コストで済む。

［第２の設定］
線材３３の最小曲げ半径をＲ_ｍｉｎとし、基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの最大屈曲角を（２×θ_ｍａｘ）とした場合に、関係式
Ｒ_ｍｉｎ＝Ｄ×（１／ｓｉｎθ_ｍａｘ＋１／（２×ｔａｎθ_ｍａｘ）） ・・・（式５）
で表されるように設定する。

これにより、基端側のリンクハブ中心軸Ｂに対する先端側のリンクハブ中心軸Ｃの屈曲角（２×θ）の大きさに関係なく、常に各リンク機構４の内側の空間９に挿通される線材３３の曲げ半径Ｒが許容曲げ半径内に収まる。また、距離Ｄは、リンク作動装置１に望まれる最大屈曲角（２×θ_ｍａｘ）を得るために必要な最小の値とされている。言い換えると、限定された装置の大きさのなかで、最大の屈曲角（２×θ）が得られる。よって、リンク作動装置１をコンパクトにできる。

この実施形態のように線材３３が光ファイバーである場合、特に線材３３の許容曲げ半径を確保することや、捩じり回しやキンクを避けることが求められる。上記のように各部の寸法が設定されていると、リンク作動装置１の作動に伴う光ファイバーの長さ変化が少ないため、捩じり回しやキンクを避けることができ、取扱い性が向上する。また、リンク作動装置１の外部に光ファイバーが露出することがなく、リンク作動装置１の設置スペースをコンパクトにできる。

図１０は、線材３３がトルクを伝達可能なフレキシブルシャフトである例を示す。このリンク作動装置１は、回転工具等の回転体（図示せず）を姿勢変更可能に支持するものであり、基端側のリンクハブ２が取付ベース３１にボルト４１で固定され、先端側のリンクハブ３に回転自在に設けられた回転架台６１に前記回転体が設置される。

回転架台６１は、例えば以下のように先端側のリンクハブ３に支持される。この例では、先端側のリンクハブ３の先端面に先端プレート４２をボルト４３で取り付け、前記先端プレート４２に対して回転架台保持フランジ６２をボルト６３で取り付け、前記回転架台保持フランジ６２に軸受６４を介して回転架台６１の回転軸部６１ｂを回転自在に支持している。なお、回転架台６１の回転架台本体６１ａと回転軸部６１ｂは別体とされ、両者６１ａ，６１ｂはボルト６５により互いに結合されている。

取付ベース３１の内部には、回転架台６１を回転駆動する回転アクチュエータ６７が設置されている。この回転アクチュエータ６７の出力軸６７ａに、カップリング６８を介して、フレキシブルシャフトである線材３３の基端が結合される。線材３３におけるカップリング６８に挿入された部分と基端側のリンクハブ２の貫通孔１０内に位置する部分の境界点が、基端側の線材保持点Ｑ１となる。この基端側の線材保持点Ｑ１は、基端側のリンクハブ中心軸Ｂ上にあって、基端側の球面リンク中心Ｐ１に対し中点Ｏから遠い側に位置する。

また、線材３３の先端は、カップリング６９を介して、前記回転架台６１の回転軸部６１ｂに結合される。線材３３におけるカップリング６９に挿入された部分と先端側の端部リンク３の貫通孔１０内に位置する部分の境界点が、先端側の線材保持点Ｑ２となる。この先端側の線材保持点Ｑ２は、先端側のリンクハブ中心軸Ｃ上にあって、先端側の球面リンク中心Ｐ２に対し中点Ｏから遠い側に位置する。基端側の球面リンク中心Ｐ１から基端側の線材保持点Ｑ１までの距離、および先端側の球面リンク中心Ｐ２から先端側の線材保持点Ｑ２までの距離は、互いに等しい。

この場合も、前記第１の設定および第２の設定に基づいて、各部の寸法が設定されている。それにより、フレキシブルシャフトの変形による反力を抑えた状態で、省スペースかつ簡単に回転架台６１を回転可能とすることができる。フレキシブルシャフトの反力が抑えられると、リンク作動装置を駆動するアクチュエータの出力を小さくでき、装置全体が軽量でコンパクトなものとすることができ、かつ低コストとなる。

上記各実施形態のリンク作動装置１は、各リンク機構４が鏡像対称タイプであるが、図１１に示すように、各リンク機構４が点対称タイプであっても良い。その場合も、第１の設定および第２の設定に基づいて各部の寸法を適正に設定することにより、鏡像対称タイプと同じ作用・効果が得られる。図１１では、鏡像対称である構成と対応させて符号を付してある。

１…リンク作動装置
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
３３…線材
６１…回転架台
６１ｂ…回転軸部
６７…回転アクチュエータ
６７ａ…出力軸
Ｂ…基端側のリンクハブの中心軸
Ｃ…先端側のリンクハブの中心軸
Ｏ…中点
Ｐ１…基端側の球面リンク中心
Ｐ２…先端側の球面リンク中心
Ｑ１…基端側の線材保持点
Ｑ２…先端側の線材保持点

Claims (4)

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リンク作動装置において、
   前記各リンクハブとこれらのリンクハブに連結された前記各端部リンクとの各回転対偶中心軸はそれぞれ互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心と称し、前記基端側および先端側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り対向するリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称する場合に、前記基端側のリンクハブと前記先端側のリンクハブとの間に、それぞれ前記基端側および先端側のリンクハブ中心軸上にあってそのリンクハブ中心軸が通る前記球面リンク中心から対向する前記球面リンク中心に対して遠い側に位置する基端側および先端側の線材保持点で両端が保持された線材が配置され、
   前記基端側および先端側のリンクハブが互いに平行である状態における前記基端側および先端側の球面リンク中心の中点から前記各球面リンク中心までの距離をＤとし、基端側および先端側につき前記球面リンク中心から前記線材保持点までの距離をそれぞれＨとした場合に、
   Ｈ＝０．５×Ｄ
   の関係が成り立つことを特徴とするリンク作動装置。
2. 請求項１に記載のリンク作動装置において、前記線材の最小曲げ半径をＲ_ｍｉｎとし、前記基端側のリンクハブ中心軸に対する前記先端側のリンクハブ中心軸の最大屈曲角を（２×θ_ｍａｘ）とした場合に、
   Ｒ_ｍｉｎ＝Ｄ×（１／ｓｉｎθ_ｍａｘ＋１／（２×ｔａｎθ_ｍａｘ））
   の関係が成り立つリンク作動装置。
3. 請求項１または請求項２のリンク作動装置において、前記線材は光ファイバーであるリンク作動装置。
4. 請求項１または請求項２のリンク作動装置において、前記線材はトルクを伝達可能なフレキシブルシャフトであり、前記基端側のリンクハブに設置した回転アクチュエータの出力軸に前記線材の一端が連結され、前記先端側のリンクハブに対して回転自在に設置された回転架台の回転軸部に前記線材の他端が連結されているリンク作動装置。

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