JP6275196B2 - リンク作動装置の操作装置およびリンク作動システム - Google Patents

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の精密で広範な作動範囲を必要とするリンク作動装置の操作装置およびリンク作動システムに関する。

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なリンク作動装置として、例えば、特許文献１に示されるように、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３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ものが提案されている。

一般に、上記のような３節連鎖のリンク機構を３組以上設けたリンク作動装置は、前記先端姿勢を折れ角と旋回角によって定め、その折れ角と旋回角から前記リンクの回転角を演算し、リンクを回転駆動させるアクチュエータの動作位置を位置決めしている。このため、従来は、先端姿勢を変更するに際して、目標とする先端姿勢の指定を、折れ角と旋回角を入力することで行っていた。なお、折れ角は、基端側のリンクハブの中心軸Ｑ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り、旋回角は、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。

一方、先端側のリンクハブにエンドエフェクタを設置して、リンク作動装置を実際に使用する場合、エンドエフェクタが作業する被作業物の座標位置は直交座標系で扱われることが多い。そのため、折れ角と旋回角による先端姿勢の指定では、リンク作動装置を直感的に操作することが難しかった。例えば、先端側のリンクハブがある先端姿勢で位置決めされていて、その先端姿勢から、直交座標系で指定された移動量だけエンドエフェクタが移動するように先端姿勢を変更する場合、操作者は、直交座標系での移動を折れ角と旋回角で表される角度座標系での移動に変換してアクチュエータの操作量を決めなければならない。そのため、リンク作動装置の操作が難しく、経験や特別な訓練を必要とした。

このような課題を解消する操作装置として特許文献２が提案されている。同文献では、リンク作動装置の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標を指定して、その直交座標からリンクハブの姿勢を求めて位置決めすることにより、直感的に操作できるようにしている。

米国特許第５，８９３，２９６号明細書 特開２０１３−２０２７２５号公報

特許文献２に開示の操作装置は、直感的に操作できる点では優れている。しかし、直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から、制御装置での制御に必要となるリンクハブの姿勢（θ, φ）への変換において、収束演算を用いている。そのため、計算に時間がかかってしまう。

この発明の目的は、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換が、収束演算を行うことなく簡易にかつ迅速に行えるリンク作動装置の操作装置およびリンク作動システムを提供することである。

この発明のリンク作動装置の操作装置は、
基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、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設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する３組以上のリンク機構と、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に設けられ、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させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
前記リンク機構は、それぞれが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備え、
前記操作装置は、
前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸ＱＡに対して前記先端側のリンクハブの中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度である折れ角θと、前記基端側のリンクハブの中心軸ＱＡに対して前記先端側のリンクハブの中心軸ＱＢが傾斜した水平角度である旋回角φとによって規定し、
前記基端側のリンクハブの中心軸ＱＡの延長軸と、前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系との交点Ｏ′を原点とし、前記２次元の直交座標系（例えば作業平面Ｗ）上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心ＰＢを投影した座標位置（Ｘ′，Ｙ′）から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）を取得する姿勢取得手段６４を備える。

なお、前記「球面リンク中心ＰＢ」は、前記リンクハブと前記アームの各回転対偶、および前記各アーム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言う。前記各リンク機構は、例えば、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とされる。また、前記先端側のリンクハブには、エンドエフェクタが設置される。

上記構成のリンク作動装置は、基端側リンクハブと先端側リンクハブの各球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離（Ｄ）は常に一定であるため、先端側の球面リンク中心ＰＢを平面に投影した座標（Ｘ′, Ｙ′）を用いれば先端側のリンクハブの、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢を収束演算なしに簡単に求めることができる。そのため、このリンク作動装置の操作装置によると、目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換を行うにつき、収束演算が不要で簡易にかつ迅速に行うことができる。

この発明において、前記姿勢取得手段６４は、前記２次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心ＰＢを投影した点の座標（Ｘ′, Ｙ′）を人為操作で指定する姿勢取得部６４ａと、この姿勢取得部６４ａで指定された座標（Ｘ′, Ｙ′）から折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）を取得する計算部６４ｂとを有するようにしても良い。

前記姿勢取得部６４ａは、各種の指定方法が採用できる。例えば、前記先端側のリンクハブの球面リンク中心ＰＢを投影した点の座標（Ｘ′, Ｙ′）を入力装置６８によって数値の入力により行う方法とされる。この他に、リンク作動装置を手動で目標位置に移動させ、このときのリンク作動装置のアクチュエータに備えられた角度検出手段が検出した回転角から計算し、指定するようにしても良い。また、３次元の直交座標系の座標値を数値入力し、前記先投影した点の座標（Ｘ′, Ｙ′）に姿勢取得部６４ａで換算するようにしても良い。
制御装置６１は、前記折れ角θと旋回角φが与えられると、次の関係から各アームの回転角に変換して各アクチュエータを制御することができる。すなわち、前記リンク作動装置において、リンクハブのある姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θa 、φa ）と他の姿勢Ｂ（θb 、φb ）について、姿勢Ａ、Ｂに対応するアーム回転角は、リンクハブとアーム回転角との関係式より、それぞれ回転角Ａ（β1a、β2a、β3a）、回転角Ｂ（β1b、β2b、β3b）として関係が成り立つ。そのため、折れ角θと旋回角φの指定によって各アクチュエータを制御することができる。

この発明において、先端姿勢を変更するときに通過する中継点Ｍを定める中継点設定手段６６を有し、この中継点設定手段６６は、前記先端側の球面リンク中心を前記２次元の直交座標系上に投影した点の座標（Ｘ′, Ｙ′）を用いて、定められた規則に従い前記中継点Ｍを計算して設定するようにしても良い。前記定められた規則は、例えば後述の角度を等分すると言う規則や、所定の移動量動作する場合にのみ分割すると言う規則等である。
中継点Ｍを定めることで、先端側リンクハブに取付けられるエンドエフェクタによる希望の作業が精度良く行え、またリンク作動装置が姿勢変更動作中に周囲の器物等と干渉することを回避することができる。さらに先端姿勢を広角に姿勢変更させる場合、中継点を設定することで途中経路Ｌの各アーム回転角の相対位置が関係式を満たす位置から大きく外れることなく位置決め制御させることで、パラレルリンク機構１に過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能となる。
ある姿勢Ａから他の姿勢Ｂに移動する際の途中経路上の中継点Ｍを設定する場合、リンク作動装置の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ではなく、先端側球面リンク中心を任意の平面に投射した座標（Ｘ′，Ｙ′）を用いることで、前記中継点Ｍを、収束演算なしに簡単に求めることができる。

この発明において、前記中継点設定手段６６は、先端姿勢変更前の先端側球面リンク中心ＰＢａと、基端側球面リンク中心ＰＡａ（＝ＰＡｂ）と、先端姿勢変更後の先端側球面リンク中心ＰＢｂとでなす角γを分割して前記中継点Ｍを計算して設定するようにしても良い。
ある姿勢Ａから他の姿勢Ｂへ姿勢を変更させる際に、途中経路Ｌを分割して連続的に通過させる場合、姿勢Ａにおける先端側球面リンク中心ＰＢａと基端側球面リンク中心ＰＡａ（ＰＡｂ）と姿勢Ｂにおける先端側球面リンク中心ＰＢｂとでなす角γを等分するように途中経路Ｌを分割すれば、姿勢変更前後の先端の直交座標を使用した分割に必要な収束演算が不要となる。

この発明において、前記中継点設定手段６６は、前記中継点を、先端姿勢が所定の移動量以上動作する場合に、前記移動量を前記所定の移動量以下にするために分割して設定するようにしても良い。
ある姿勢Ａから他の姿勢Ｂへ広角に姿勢変更させる場合、駆動途中の各アーム回転角の相対位置が関係式を満たす位置から大きく外れるとリンクに過大荷重がかかってしまう。そのために駆動途中に関係式を満たす中継点を設け、その中継点から大きく外れることなく位置決め制御させることで、リンクに過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能となる。その際の中継点の姿勢を求める際に、先端側球面リンク中心ＰＢの投影座標（Ｘ′，Ｙ′）を用いることで簡単に求めることができる。

この発明において、前記中継点設定手段６６は、前記中継点Ｍを、先端姿勢の途中経路Ｌを所定数で分割して設定するようにしてもよい。前記「所定数」は、任意に設定すれば良い。
途中経路Ｌを所定数で分割する場合、中継点Ｍの設定が容易に行える。

この発明において、前記中継点設定手段６６を設ける場合、前記中継点設定手段６６は、前記先端側球面リンク中心ＰＢの通過する途中経路Ｌを等分するようにしても良い。
距離を等分して中継点Ｍを設定しても、中継点Ｍの設定が容易に行え、かつその中継点Ｍを通るようにリンク作動装置が動作することで、円滑な動作が得られる。

この発明において、前記中継点設定手段６６は、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路Ｌを直線補間する補間手段６９を有するようにしても良い。
直線補間によると、簡単な補間処理により、希望の経路に近いようにリンク作動装置を動作させることができる。

この発明において、前記中継点設定手段６６は、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路Ｌを円弧補間する補間手段６９を有するようにしても良い。
円弧補間によると、前記先端側球面リンク中心の通過する経路が曲線である場合に、簡単な補間処理により、希望の経路により近いようにリンク作動装置を動作させることができる。

この発明のリンク作動システムは、この発明の上記いずれかの構成のリンク作動装置の操作装置と、前記リンク作動装置とを備える。
このため、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換が、収束演算を行うことなく簡易にかつ迅速に行える。

この発明のリンク作動装置の操作装置は、
基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、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設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する３組以上のリンク機構と、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に設けられ、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させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
前記リンク機構は、それぞれが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備え、
前記操作装置は、
前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記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と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記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とによって規定し、
前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸と、前記中心軸の延長軸と直交する２次元の直交座標系との交点を原点とし、前記２次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置から、前記折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する姿勢取得手段を備えるため、
目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換を行うにつき収束演算が不要で容易で迅速に行えるという効果が得られる。

この発明のリンク作動システムは、この発明の上記いずれかの構成のリンク作動装置の操作装置と、前記リンク作動装置とを備えるため、先端姿勢を変更するアクチュエータの制御が角度座標系で扱われるリンク作動装置において、目標とする先端姿勢のティーチングが行い易く、かつ角度座標系への入力変換が、収束演算を行うことなく簡易にかつ迅速に行える。

この発明の一実施形態に係る操作装置の操作対象となるリンク作動装置の斜視図である。 同実施形態に係る操作装置のブロック図とリンク作動装置の斜視図とを示す説明図である。 同リンク作動装置の操作装置における先端側球面リンク中心を作業平面に投影する説明図である。 同リンク作動装置の姿勢変更の前後の状態を示す斜視図である。 同作業平面とこの面に投影される球面リンク中心との関係を示す説明図である。 同リンク作動装置の操作装置における中継点を設定しない場合の処理を示す流れ図である。 同リンク作動装置の操作装置における中継点を設定する場合の処理を示す流れ図である。 同リンク作動装置の操作装置における中継点の設定方法の例を示す説明図である。 同リンク作動装置における姿勢Ａから姿勢Ｂへ広角に姿勢変更させる際の姿勢Ａから姿勢Ｂへ線形的にPoint-To-Pointで移動させた場合と折れ角θを連続的に変化させた場合の折れ角とアーム角を示す説明図である。 同リンク作動装置の操作装置における中継点の設定を行う場合の処理の他の例を示す流れ図である。 同リンク作動装置の操作装置における中継点の設定例を示す説明図である。 同リンク作動装置におけるパラレルリンク機構の正面図である。 同パラレルリンク機構の断面図である。 同パラレルリンク機構の一つのリンク機構を示す正面図である。 同パラレルリンク機構各リンクを線分で示すモデル図である。 同リンク作動装置のアクチュエータおよびエンドァフェクタの装着例を示す正面図である。 同リンク作動装置の操作装置における入力画面の説明図である。 同リンク作動装置の操作装置における入力画面の他の例の説明図である。

この発明の一実施形態に係る操作装置およびその操作対象となるリンク作動装置を図１〜図１６と共に説明する。図１はパラレルリンク機構１を示し、このパラレルリンク機構１と、図１６に示すアクチュエータ５１およびエンドエフェクタ６１とでリンク作動装置５０が構成される。このリンク作動装置５０は、図２に示す制御装置６１と、この制御装置６１に操作指令を入力する操作装置６２とを有するコントローラ６０により制御される。

図１、図１２〜図１５と共に、パラレルリンク機構１につき説明する。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１４では、１組のリンク機構４のみが示されている。リンク機構４の数は、４組以上であっても良い。

図１２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５，６はＬ字状をなし、一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１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２，３と端部リンク部材５，６の各回転対偶、および端部リンク部材５，６と中央リンク部材７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１４）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２，３と端部リンク部材５，６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５，６と中央リンク部材７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δを持っていてもよいし、平行であってもよい。

図１３は基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材等の断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ２と基端側の端部リンク部材５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３および先端側の端部リンク部材６の形状ならびに位置関係も図１３と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ２，３と端部リンク部材５，６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、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１５にように、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。図１５は、一組のリンク機構４を直線で表現した図である。この例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。

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の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図４）と直角に交わる直線をリンクハブ２，３の中心軸（以下、「リンクハブ中心軸」とする）ＱＡ，ＱＢとした場合、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の折れ角θ（図１５）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（図１５）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中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸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中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸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中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの交点Ｏを回転中心として行われる。図１２は、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が同一線上にある状態を示し、図１は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸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Ｄ（図２，図５）は変化しない。

このパラレルリンク機構１において、各リンク機構４におけるリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６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４のリンクハブ２，３と端部リンク部材５，６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材５，６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。

図１，図１３に示すように、基端側のリンクハブ２は、中央部に円形の貫通孔１０ａを有する平板状の土台１０と、この土台１０の貫通孔１０ａ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１１とで構成される。貫通孔１０ａ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１１には、軸心がリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸１２が回転自在に連結されている。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。なお、端部リンク部材５，６は、いずれも棒状の部材３０と板状の部材３１とで構成されている。

前記回転軸１２は、外径端に他の部分よりも径が大きい頭部を有し、内径端に雄ねじ部１２ｂを有する。図の例では、２個の軸受１３を介して回転軸１２が回転軸連結部材１１に連結されているが、回転軸１２を回転軸連結部材１１に回転自在に接触させて連結しても良い。

基端側の端部リンク部材５の他端には、中央リンク部材７の一端に回転自在に連結された回転軸１５が連結される。この中央リンク部材７の回転軸１５も、リンクハブ２の回転軸１２と同様に、外径端に他の部分よりも径が大きい頭部を有し、内径端に雄ねじ部を有する。また、図の例では、２個の軸受を介して中央リンク部材７に連結されているが、回転軸１５を中央リンク部材１５に回転自在に接触させて連結しても良い。

図１に示すように、先端側のリンクハブ３は、中央部に円形の貫通孔２０ａを有する平板状の先端部材２０と、この先端部材２０の貫通孔２０ａ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２１（図１２）とで構成される。貫通孔２０ａの中心は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材２１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸２２が回転自在に連結されている。このリンクハブ３の回転軸２２に、先端側の端部リンク部材６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材６の他端には、中央リンク部材７の他端に回転自在に連結された回転軸２５が連結される。リンクハブ３の回転軸２２および中央リンク部材７の回転軸２５も、前記回転軸１２，１５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２１および中央リンク部材７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている

このリンク作動装置５０は、例えば図１６に示すように、先端側のリンクハブ３にエンドエフェクタ６１を設置して使用される。姿勢変更用アクチュエータ５１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の姿勢を変更することで、エンドエフェクタ６１の２自由度の角度を制御することができる。姿勢変更用アクチュエータ５１として、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータを用いたため許容負荷を向上できる。また、慣性モーメント比を低減できるため、高速動作を実現できる。

この構成のリンク作動装置５０は、姿勢変更用のアクチュエータ５１をロータリアクチュエータとし、このアクチュエータ５１の減速機構５２の出力軸５２ａをフランジ出力タイプとしたことにより、パラレルリンク機構１に直接、姿勢変更用アクチュエータ５１を設置することができる。そのため、駆動機構部が簡素な構造となり、安価なリンク作動装置５０を実現できる。なお、減速機構を設けずに、アクチュエータ５１の出力軸５１ａをフランジ出力タイプとしても良い。

次に、図２と共に制御および操作系の説明をする。各アクチュエータ５１の動作は、操作装置６２の操作指令に基づき、制御装置６１により制御される。
制御装置６１は、コンピュータによる数値制御式のものである。制御装置６１は、操作装置６２の姿勢情報付与手段６７から与えられる先端姿勢の角度情報（θ，φ）に応じて、各基端側の端部リンク部材５の目標とする回転角βｎ（β１ａ，β２ａ，β３ａ）（図１）を求め、姿勢検出手段６８（図１）によって検出される実際の回転角βｎが目標とする回転角βｎとなるように、各アクチュエータ５１をフィードバック制御する。
なお、前記リンク作動装置５０において、先端側リンクハブ３のある姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θa 、φa ）と他の姿勢Ｂ（θb 、φb ）について、姿勢Ａ、Ｂに対応するアーム回転角は、リンクハブとアーム回転角との関係式(1) より、それぞれ回転角Ａ（β1a、β2a、β3a）、回転角Ｂ（β1b、β2b、β3b）として関係が成り立つ。

操作装置６２は、姿勢指定手段６４、中継点設定手段６６、および姿勢情報付与手段６７を有し、この他に入力装置６８を有している。
姿勢指定手段６４は、前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点Ｏ′が位置し、前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系上（作業平面Ｗ上）に前記先端側のリンクハブ３の球面リンク中心ＰＢを投影した点の座標（Ｘ′，Ｙ′）から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）を取得する手段であり、姿勢取得部６４ａおよび計算部６４ｂからなる。
姿勢取得部６４ａは、目標とする先端姿勢を人為操作で指定する手段であり、前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点Ｏ′が位置して前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系上（作業平面Ｗ上）に先端側のリンクハブ３の球面リンク中心ＰＢを投影した点の座標（Ｘ′，Ｙ′）が指定されるようにする。

前記姿勢取得部６４ａは、各種の指定方法が採用できる。例えば、後述のように前記座標（Ｘ′，Ｙ′）を数値で入力する指定方法とされる。

前記計算部６４ａは、前記姿勢取得部６４ａにより指定された前記２次元の直交座標系上に投影した点の座標（Ｘ′，Ｙ′）から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）を取得する手段である。
前記２次元の直交座標系上に投影した点の座標（Ｘ′，Ｙ′）を用いれば、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）への変換は、収束演算を行うことなく容易に行える。その理由および計算式については後に説明する。

中継点設定手段６６は、先端姿勢を変更するときに通過する中継点Ｍ（図８，図１１）を定める手段である。この中継点設定手段６６は、先端側の球面リンク中心ＰＢを前記２次元の直交座標系上（作業平面Ｗ上）に投影した点の座標を用いて、定められた規則に従い前記中継点Ｍを計算して設定する。
中継点Ｍを定めることで、先端側リンクハブに取付けられるエンドエフェクタ６１による希望の作業が精度良く行え、またリンク作動装置５０が姿勢変更する動作中に周囲の器物等と干渉することを回避することができる。
ある姿勢Ａから他の姿勢Ｂに移動する際の途中経路Ｌ上の中継点Ｍを設定する場合、リンク作動装置５０の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ではなく、先端側球面リンク中心ＰＢを任意の平面に投射した座標（Ｘ′，Ｙ′）を用いることで、前記中継点Ｍを、収束演算なしに簡単に求めることができる。

図２において、姿勢情報付与手段６１は、姿勢取得手段６４により取得された先端姿勢の情報、すなわち折れ角θおよび旋回角φを制御装置６１に与える。

前記入力装置６８は、前記姿勢取得手段６４に対して先端姿勢を数値で指定する入力を行う手段である。この入力装置６８は、例えば、前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点Ｏ′が位置し、前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系上（例えば前記作業平面Ｗ上）の座標位置で、目標とする先端姿勢（Ｘ′，Ｙ′）を人為操作で指定する手段である。

図１７は、入力装置８８の操作部６８ａとなる画像表示装置の画面の一例を示す。この操作部６８ａは、座標位置を数値入力により指定する方式であり、前記作業平面Ｗ、すなわち前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点Ｏ′が位置し、前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系上（作業平面Ｗ上）に前記先端側のリンクハブ３の球面リンク中心ＰＢを投影した座標位置（Ｘ′，Ｙ′）につき、現在の座標位置のＸ′座標値およびＹ′座標値をそれぞれ表示する現在値表示部１０１，１０２と、目標のＸ′座標値およびＹ′座標値をそれぞれ表示する目標値表示部１０３，１０４と、目標値表示部１０３，１０４に目標のＸ′座標値およびＹ′座標値を入力する１０キー等からなる数値入力ボタン１０５と、動作実行ボタン１０６とを備える。なお、各座標値を表示する表示部の側には、「′」を省略して「Ｘ座標」，「Ｙ座標」の表示が付されている。
数値入力ボタン１０５を用いて目標のＸ′座標値およびＹ′座標値を入力すると、その値が目標値表示部１０３，１０４を表示される。

図１８は、入力装置６８の操作部６８ａの異なる例を示す。この操作部６８ａは、座標位置を操作量で指定する方式であり、現在の座標位置のＸ′座標値およびＹ′座標値をそれぞれ表示する現在値表示部１０１，１０２と、先端姿勢を変更操作する押し操作ボタン１０７〜１１０とを有する。押し操作ボタン１０７を押すとＸ′座標値が大きくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン１０８を押すとＸ′座標値が小さくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン１０９を押すとＹ′座標値が大きくなる側へ姿勢変更し、押し操作ボタン１１０を押すとＹ′座標値が小さくなる側へ姿勢変更する。

姿勢変更の程度は、押し操作ボタン１０７〜１１０を押している時間または押した回数に応じて変わる。また、この例では、各押し操作ボタン１０７〜１１０は、姿勢変更が低速で行われる低速ボタン１０７ａ，１０８ａ，１０９ａ，１１０ａと、姿勢変更が高速で行われる高速ボタン１０７ｂ，１０８ｂ，１０９ｂ，１１０ｂとからなり、姿勢変更を低速および高速の２段階で行えるようになっている。

上記構成の原理、詳細、および動作について説明する。
図２において、前記「球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ」は、前記リンクハブ２，３と前記アーム（端部リンク部材５，６）の各回転対偶、および前記各アームと前記中央リンク部材７の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点を言う。
前記姿勢取得手段６４は、前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点Ｏ′が位置し、前記中心軸ＱＡの延長軸と直交する２次元の直交座標系（作業平面Ｗ）の上に前記先端側のリンクハブ３の球面リンク中心ＰＢを投影した座標位置（Ｘ′，Ｙ′）から、前記折れ角θおよび旋回角φで表される先端姿勢（θ，φ）を取得する。
前記２次元の直交座標系となる平面は、前記基端側のリンクハブ２の中心軸ＱＡの延長軸上に原点が位置しておれば良く、基端側のリンクハブ２からの距離は問わない。前記平面は、一般的に、先端側のリンクハブに取付けられエンドエフェクタ６１によるの作業平面とされるため、ここでは作業平面Ｗと称して説明する。

図３において、リンク作動装置１のある姿勢Ａにけおける先端側リンクハブ３の作業平面Ｗ上の交点（Ｘａ，Ｙａ）から、折れ角θａおよび旋回角φａで表される先端姿勢を求めるには収束演算が必要となる。
しかし、姿勢Ａにおける先端側球面リンク中心を作業平面Ｗに投影した点（Ｘａ′，Ｙａ′）から折れ角θａおよび旋回角φａで表される先端姿勢を求めるには、次式の関係から、収束演算無しに簡単に求めることができる。この式は、基端側と先端側の各球面リンク中心間の距離（図５のＤ）は常に一定であるため成り立つ。

次に、図４に示す先端側リンクハブ３のある姿勢Ａ（以下、「先端姿勢Ａ」と称する）から他の姿勢Ｂ（以下、「先端姿勢Ｂ」と称する）に変更する場合につき説明する。
先端姿勢Ａ（θａ，φａ）を取得する処理の流れを図６と共に説明する。まず、先端姿勢Ａ決定する（ステップＳ１）。先端姿勢Ａの決定については、例えば、作業者により入力装置６８（図２参照）に数値入力が行われ、かつその入力を確定させる操作が行われると、姿勢取得部６４ａがその入力された座標によって決定する。リンク作動装置５０を手動操作で先端姿勢Ａに移動させることにより行っても良い。
姿勢取得部６４ａは、この決定した３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）等による先端姿勢Ａの情報から、前記作業平面Ｗへ先端側球面リンク中心ＰＢを投影した点の座標（Ｘａ′，Ｙａ′）を換算して取得する（ステップＳ２）。
この取得した作業平面Ｗ上の点の座標（Ｘａ′，Ｙａ′）から、折れ角θａおよび旋回角φａで表される先端姿勢（θａ，φａ）を、計算部６４ｂが計算して求める（ステップ３）。
この先端姿勢Ａ（θａ，φａ）の取得と同様にして、先端姿勢Ｂ（θｂ，φｂ）の取得が行われる。

このように取得された先端姿勢Ａ（θａ，φａ），先端姿勢Ｂ（θｂ，φｂ）の情報が姿勢情報付与手段６７によって制御装置６１に与えられ、制御装置６１は、リンク作動装置５０の各アクチュエータ５１を制御する。

図９は、旋回角φ＝１５°固定で、折れ角θを−６０°から６０°まで移動したときの各アーム角度位置を示す。
曲線(1)(図では丸囲み数字で示す）は先端位置Ａから先端位置Ｂへの姿勢変更において、位置Ａから位置Ｂまで線形的にPoint-to-Pointでアームを駆動させた場合の各アームの回転角位置の軌跡を示す。
曲線(2)は、先端位置Ａから先端位置Ｂへの姿勢変更において、折れ角θを連続的に変化させたときの各アームの回転角位置の軌跡を示す。
先端位置Ａから先端位置Ｂまで広角に移動する際、中継点を設けない場合には各アーム回転角位置は曲線(1)に示す軌跡を描き、各折れ角と旋回角において各アーム回転角の相対位置が関係式(1)を満たす位置（曲線(2)）から大きく外れてしまい、パラレルリンク機構１に過大荷重がかかってしまうことになる。

図７は、先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへの姿勢変更途中に、図８または図１１に示すように途中経路Ｌ上に中継点Ｍを設定する場合の処理の流れを示す。以下に示す中継点の設定は、中継点設定手段６６（図２参照）によって行う。
前述した図６に示す手順と同様に、先端姿勢Ａの決定（ステップＳ１）、作業平面Ｗ上の先端側球面リンク中心位置（Ｘａ′，Ｙａ′）の取得（ステップＳ２）、折れ角θａおよび旋回角φａで表される先端姿勢Ａ（θａ，φａ）の計算を行う（ステップＳ３）。
先端姿勢Ａの場合と同様に、先端姿勢Ｂの決定（ステップＳ４）、作業平面Ｗ上の先端側球面リンク中心位置（Ｘｂ′，Ｙｂ′）の取得（ステップＳ５）、折れ角θａおよび旋回角φａで表される先端姿勢Ｂ（θａ，φａ）の計算を行う（ステップＳ６）。

この後、前記作業平面Ｗ上における先端姿勢Ａと先端姿勢Ｂ間の角度γを計算する（ステップＳ７）。この角度γを分割し、各中継点Ｍの姿勢（θｍ，φｍ）を計算する（ステップＳ１０）。
このように設定された中継点Ｍ（θｍ，φｍ）の情報は、前記先端姿勢Ａ（θａ，φａ）および先端姿勢Ｂ（θａ，φａ）の情報と共に、姿勢情報付与手段６７によって制御装置６１に与えられる。制御装置６１は、リンク作動装置５０の先端側球面リンク中心が先端姿勢Ａが各中継点Ｍ（θｍ，φｍ）を通り、先端姿勢Ｂ（θａ，φａ）に移動させる（ステップＳ１１）。

このように、先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへ移動する際の途中経路に中継点Ｍを設定する場合、リンク作動装置５０の姿勢延長上の範囲にある任意の直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）ではなく、先端側球面リンク中心を任意の平面である作業平面Ｗに投射した座標（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）を用いることで収束演算なしに簡単に求めることができる。
また、先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへ姿勢を変更させる際に、途中経路Ｌを分割して連続的に通過させる場合、上記のように、先端姿勢Ａにおける先端側球面リンク中心ＰＢａと基端側球面リンク中心ＰＡａ（＝ＰＡｂ）と先端姿勢Ｂにおける先端側球面リンク中心ＰＢｂとでなす角γを等分するように経路を分割することが好ましく、これにより、姿勢変更前後の先端の直交座標を使用した分割に必要な収束演算が不要となる。

図１０は、先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへの移動量が所定量を超える場合のみ中継点Ｍを設定する場合の処理を示す。同図において、図７と同じ処理を行うステップは、図７と同じステップ番号を付してある。
図７の例と同様に、先端姿勢Ａと先端姿勢Ｂ間の角度γの計算（ステップＳ７）を行った後、移動量が所定量以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。前記移動量は、例えば、角度γで定めてもよい。また、前記移動量は、先端姿勢Ａおよび先端姿勢Ｂにおいて、それぞれの先端側球面リンク中心を、任意の平面である作業平面Ｗに投射した座標（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）を用いて定めてもよい。移動量が所定量以下である場合は、中継点Ｍを設定せず、中継点Ｍを経由せずに先端姿勢Ａと先端姿勢Ｂへ移動させる（ステップＳ９）。

ステップＳ８の判定において、移動量が所定量を超える場合は、前記と同様に、角度γを分割し、各中継点Ｍの姿勢（θｍ，φｍ）を計算する（ステップＳ１０）。この後、前記と同様に先端姿勢Ａから各中継点Ｍ（θｍ，φｍ）を通り、先端姿勢Ｂへ移動させる（ステップＳ１１）。

前記関係式(1) は、次に示す式である。
cos （θ／２）sin βｎ−sin （θ／２）sin （φ＋δｎ）cos βｎ＋sin （ε／２）＝０
；（ｎ＝１，２，３）
ここで、εは、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である。δｎは、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である。

なお、前記各実施形態では、中継点設定手段６６は角度で分割するようにしたが、前記中継点設定手段６６は、例えば図１１に示すように、前記先端側球面リンク中心ＰＢの通過する途中経路Ｌを距離で等分する構成であっても良い。

先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへ広角に姿勢変更させる場合、途中経路Ｌの各アーム回転角の相対位置が関係式を満たす位置から大きく外れるとパラレルリンク機構１に過大荷重がかかってしまう。そのために途中経路に関係式を満たす中継点Ｍを設け、その中継点Ｍから大きく外れることなく位置決め制御させることで、パラレルリンク機構１に過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能となる。その際の中継点Ｍの姿勢を求める際に、先端側球面リンク中心の前記投影座標を用いることで簡単に求めることができる。

上記のように先端姿勢Ａから先端姿勢Ｂへ姿勢変更する場合に、姿勢が指定される各点（先端姿勢Ａ、先端姿勢Ｂ、中継点Ｍ）の間の移動経路は、補間手段６９（図２参照）によって補間を行うようにすることが好ましい。この補間は、例えば直線補間、または円弧補間とする。補間手段６９は、例えば、図２における制御装置６１に設けられてリンク作動装置５０を先端姿勢Ａ、先端姿勢Ｂ、中継点Ｍの情報に従って動作させる時に補間の処理を行うようにされ、その場合、請求項で言う「操作装置」は、補間手段６９を含む構成を意味する。この他に、補間手段６９は、操作装置６２に設けられて補間する途中経路Ｌ上の各位置の座標（θ，φ）を求め、その求められた座標（θ，φ）を姿勢情報付与手段６７から制御装置６１に与えるようにしても良い。

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
５０…リンク作動装置
５１…アクチュエータ
６０…コントローラ
６１…制御装置
６２…操作装置
６４…姿勢取得手段
６４ａ…姿勢取得部
６４ｂ…計算部
６６…中継点設定手段
６７…姿勢情報付与手段
６８…入力装置
６９…補間手段
Ｏ…回転中心
ＰＡａ…基端側の球面リンク中心
ＰＢａ…先端側の球面リンク中心
ＱＡａ…基端側のリンクハブ中心軸
ＱＢａ…先端側のリンクハブ中心軸
θ…折れ角
φ…旋回角
Ｗ…作業平面
（Ａａ，Ｙａ）…作業平面の交点
（Ａａ′，Ｙａ′）…投影した点

Claims (10)

1. 基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、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設けられ、前記先端側のリンクハブを前記基端側のリンクハブに対して姿勢を変更可能に連結する３組以上のリンク機構と、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に設けられ、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させるアクチュエータとを備えるリンク作動装置の操作装置であって、
   前記リンク機構は、それぞれが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備え、
   前記操作装置は、
   前記先端姿勢を、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記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と、前記基端側のリンクハブの中心軸に対して前記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とによって規定し、
   前記基端側のリンクハブの中心軸の延長軸と、前記中心軸の延長軸と直交する２次元の直交座標系との交点を原点とし、前記２次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置から、前記折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する姿勢取得手段を備え、
   前記折れ角および前記旋回角が変化しても、基端側と先端側の各球面リンク中心間距離が一定であるリンク作動装置の操作装置。
2. 請求項１に記載のリンク作動装置の操作装置であって、前記姿勢取得手段は、前記２次元の直交座標系上に前記先端側のリンクハブの球面リンク中心を投影した座標位置を人為操作で指定する姿勢取得部と、この姿勢取得部で指定された座標位置から折れ角および旋回角で表される先端姿勢を取得する計算部とを有するリンク作動装置の操作装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のリンク作動装置の操作装置において、先端姿勢を変更するときに通過する中継点を定める中継点設定手段を有し、この中継点設定手段は、前記先端側の球面リンク中心を前記２次元の直交座標系上に投影した点の座標を用いて、定められた規則に従い前記中継点を計算して設定するリンク作動装置の操作装置。
4. 請求項３に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、先端姿勢変更前の先端側球面リンク中心と、基端側球面リンク中心と、先端姿勢変更後の先端側球面リンク中心とでなす角を分割して前記中継点を計算して設定するリンク作動装置の操作装置。
5. 請求項３または請求項４に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記中継点を、先端姿勢が所定の移動量以上動作する場合に、前記移動量を前記所定量以下にするために分割して設定するリンク作動装置の操作装置。
6. 請求項３または請求項４に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記中継点を、先端姿勢の途中経路を所定数で分割して設定するリンク作動装置の操作装置。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれか１項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記中継点設定手段は、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を等分するリンク作動装置の操作装置。
8. 請求項３ないし請求項７のいずれか１項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を直線補間する補間手段を有するリンク作動装置の操作装置。
9. 請求項３ないし請求項７のいずれか１項に記載のリンク作動装置の操作装置において、前記先端側球面リンク中心の通過する途中経路を円弧補間する補間手段を有するリンク作動装置の操作装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のリンク作動装置の操作装置と、前記リンク作動装置とを備えるリンク作動システム。

Images