JP6352054B2 - パラレルリンク機構およびリンク作動装置 - Google Patents

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パラレルリンク機構が、特許文献１、２に提案されている。

特開２０００−９４２４５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、構成が比較的簡単であるが、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と、リンク長が長くなることにより、機構全体の寸法が大きくなって装置の大型化を招くという問題がある。また、機構全体の剛性が低く、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における可搬重量が小さいものに制限されるという問題もある。

特許文献２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、４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構成としたことにより、コンパクトでありながら、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作が可能である。

しかし、特許文献２のパラレルリンク機構は、部品構成が複雑であり、組立性が悪いという問題がある。また、剛性や強度を確保するために、各部品が複雑な形状をしており、量産性が悪く、製作コストが高いという問題もある。

この発明の目的は、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作を行うことができ、組立てが容易で、量産性に優れ、安価に製作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、２自由度の角度を制御することが可能で、かつ広範な作動範囲の動作を精度良く行うことができ、低コストで製作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を備え、前記端部リンク部材は、板厚方向に曲がった曲がり部を２箇所以上有する板材からなることを特徴とする。

この明細書において、「基端側」および「先端側」とは、以下の意味で用いられる。すなわち、リンクハブと端部リンク部材の各回転対偶、および、端部リンク部材と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リンクハブの「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の回転対偶の中心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、それぞれのリンクハブから基端側および先端側の各リンクハブの中心軸が交差する交点から見て基端側の球面リンク中心方向を基端側、先端側の球面リンク中心方向を先端側としている。

この構成によれば、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軸周りに回転自在な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、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最大折れ角は約±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。

端部リンク部材を板材としたため、端部リンク部材を低コストで製造することができ、かつ量産性に優れる。また、端部リンク部材が板材であると、端部リンク部材とリンクハブの回転対偶部、および端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶部の構成を簡略にでき、組立て性が向上する。曲がり部の曲げ角度を変えることで、設計変更に容易に対応可能である。端部リンク部材が曲がり部を２箇所以上有するため、パラレルリンク機構の外径寸法がコンパクトになり、部品同士の干渉を回避することができる。

この発明において、前記端部リンク部材を構成する前記板材は金属板であり、前記曲がり部を板金曲げ加工により形成すると良い。
この場合、曲がり部の加工が容易である。

この発明において、前記端部リンク部材は、板厚方向に曲がった曲がり部を２箇所以上有する２つ以上の板材からなっていても良い。例えば、前記端部リンク部材は２つの板材からなり、これら２つの板材を板面同士が互いに向き合うように並列に配置する。
端部リンク部材を２つ以上の板材で構成すると、端部リンク部材の強度を確保しつつ、板材の板厚を薄くすることができる。それにより、端部リンク部材を安価に製造できると共に、軽量化を図ることができる。

前記２つの板材を板面同士が互いに向き合うように並列に配置した場合、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶部、および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部は、前記２つの板材の間に、軸受を内蔵した前記リンクハブおよび前記中央リンク部材を配置し、前記２つの板材に設けた貫通孔および前記軸受の内輪に回転軸を挿通し、前記２つの板材、前記軸受の内輪、および前記回転軸を互いに固定すると良い。
この構成によると、外径側と内径側の２つの板材で回転軸の両端を支持し、２つの板材の間に軸受が位置する。このため、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全体の剛性が向上する。

上記構成において、前記端部リンク部材を構成する前記２つの板材のうちの一方の板材に設けた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じないタイトな孔とし、もう一方の板材に設けた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じるルーズな孔とするのが良い。
前記端部リンク部材の両端にそれぞれ連結される２つの回転軸は互いに角度を持っている。このため、板材の貫通孔がタイトな孔であると、２つの回転軸と２つの貫通孔を互いに位置合わせしてから、回転軸を進出させて貫通孔に回転軸を挿通することはできても、位置固定されている２つの回転軸に対して、板材を移動させて貫通孔に回転軸を挿通することはできない。
上記構成のように、２つの板材の貫通孔がそれぞれタイトな孔およびルーズな孔であると、次の手順で組立を行うことができる。すなわち、先に、タイトな孔である貫通孔を有する板材に対して２つの回転軸を位置合わせし、板材は位置固定したまま２つの回転軸を進出させることで貫通孔に回転軸を挿通する。後で、位置固定された２つの回転軸に対して、ルーズな孔である貫通孔を有する板材を移動させて、回転軸と貫通孔の位置合わせをしながら貫通孔に回転軸を挿通する。貫通孔がルーズな孔であれば、回転軸と貫通孔の正確な位置合わせをする必要がなく、しかも板材をずらしたり傾けたりしながら回転軸を貫通孔に挿通することができるため、組立て作業性が良い。一方の板材のタイトな孔である貫通孔に回転軸が挿通されているため、端部リンク部材と回転軸の連結部の組立て精度を確保できる。

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２組以上のリンク機構に姿勢変更用アクチュエータを設ければ、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確定することができる。これにより、２自由度の角度を制御することが可能なリンク作動装置を低コストで実現できる。

上記リンク作動装置において、前記姿勢変更用アクチュエータは、出力軸にこの出力軸と直交するフランジ面を有するロータリアクチュエータであり、前記基端側の端部リンク部材を構成する任意数の前記板材のうちの少なくとも１つの板材は、前記基端側のリンクハブに回転自在に連結される回転軸と直交するフランジ取付面を有し、前記姿勢変更用アクチュエータの前記フランジ面に前記板材の前記フランジ取付面を直接または間接的に結合しても良い。
この構成によると、パラレルリンク機構に直接、姿勢変更用アクチュエータを設置できるため、駆動機構部が簡素な構造となり、安価なリンク作動装置を実現できる。

また、上記リンク作動装置において、前記姿勢変更用アクチュエータは減速機構を備えたロータリアクチュエータであり、前記減速機構の出力軸はこの出力軸と直交するフランジ面を有し、前記基端側の端部リンク部材を構成する任意数の前記板材のうちの少なくとも１つの板材は、前記基端側のリンクハブに回転自在に連結される回転軸と直交するフランジ取付面を有し、前記減速機構の前記フランジ面に前記板材の前記フランジ取付面を直接または間接的に結合しても良い。
この構成によると、減速機構を備えたロータリアクチュエータを用いることで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を備え、前記端部リンク部材は、板厚方向に曲がった曲がり部を１箇所以上有する板材からなるため、高速、高精度で、広範な作動範囲の動作を行うことができ、組立てが容易で、量産性に優れ、安価に製作できる。

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アクチュエータを設けたため、２自由度の角度を制御することが可能で、かつ広範な作動範囲の動作を精度良く行うことができ、安価に製作できる。

この発明の基礎となる提案例実施形態にかかるパラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同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基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 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。 この発明の一実施形態に係るパラレルリンク機構における基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 他の定例例にかかるパラレルリンク機構の一状態の斜視図である。 同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基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の一部破断平面図である。 同パラレルリンク機構の１つの基端側の端部リンク部材およびその両端周辺部の断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は同パラレルリンク機構の端部リンク部材の外径側および内径側のリンク構成板材のそれぞれの正面図である。 他の実施形態に係るパラレルリンク機構の１つの基端側の端部リンク部材およびその両端周辺部の断面図である。 さらに異なる提案例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基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。 図１〜図４のパラレルリンク機構を用いたリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 図６〜図１０のパラレルリンク機構を用いた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基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、駆動機構部等の一部破断平面図である。 同リンク作動装置の端部リンク部材の外径側のリンク構成板材の正面図である。 異なるリンク作動装置の基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材等の一部破断平面図である。

この発明の基礎となる提案例に係るパラレルリンク機構を図１〜図４と共に説明する。 図１はこのパラレルリンク機構の一状態を示す斜視図、図２は同パラレルリンク機構の一部を省略した正面図である。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２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。

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は所定の角度に湾曲した形状をしており、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。３組のリンク機構４は、互いに幾何学的に同一形状をなす。

また、図４のように、リンク機構４を直線で表現したモデルは、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。より詳しくは、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。図４は、１組のリンク機構４のみを直線で表現している。この提案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。

この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２）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γを持っていても良いし、平行であっても良い。

図３は基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５、および中央リンク部材７の断面図であって、同図に、リンクハブ２と端部リンク部材５の回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶の中心軸Ｏ２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３と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ２と端部リンク部材５との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材５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。

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３）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１）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１）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１の斜視図は、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し、図２の正面図は、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）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において、基端側のリンクハブ２および先端側のリンクハブ３は、その中心部にそれぞれ貫通孔１０Ａ，１０Ｂがリンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢ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。貫通孔１０Ａ，１０Ｂの中心は、リンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢと一致している。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３において、基端側のリンクハブ２には、外周と貫通孔１０Ａ間を貫通する軸受設置孔１１が円周方向に等配で３箇所に形成され、各軸受設置孔１１内に設けた２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。軸受設置孔１１は、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と同心である。前記軸部材１３の外側端部はリンクハブ２から突出しており、その先端にねじ部１３ａが形成されている。軸部材１３のリンクハブ２から突出した部分を、端部リンク部材５の一端に設けられた軸挿通孔２５に挿通し、軸部材１３のねじ部１３ａに螺着したナット１４を締め付けて、軸部材１３に端部リンク部材５を結合する。これにより、リンクハブ２に対して端部リンク部材５が、軸受１２を介して回転自在に連結される。

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）が前記軸受設置孔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。

中央リンク部材７の基端側の端部には、基端側の端部リンク部材５と中央リンク部材７の回転対偶の中心軸Ｏ２と同心の軸受設置孔１８が形成され、この軸受設置孔１８内に２つの軸受１９が設けられている。端部リンク部材５の他端に設けられた軸挿通孔２６と前記軸受１９の内輪（図示せず）に軸部材２０を挿通し、その軸部材２０のねじ部２０ａに螺着したナット２２を締め付けて、軸部材２０に端部リンク部材５を結合する。これにより、端部リンク部材５に対して中央リンク部材７が、軸受１９を介して回転自在に連結される。

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）が前記軸受設置孔１８の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部材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。軸部材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、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に埋め込んだ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を他の部材に取り付けるための取付スペースの確保が容易である。

この提案例の端部リンク部材５，６は、一定厚さ、一定幅の細長い１枚の金属板を、その長さ方向の中央部に位置する１箇所の曲がり部２７で９０°に折り曲げて、全体形状をＬ字状としてある。両端部には、前記軸挿通孔２５，２６が設けられている。曲がり部２７の折り曲げは、板金曲げ加工により行われる。

このように、端部リンク部材５，６を板材とすると、端部リンク部材５，６を安価に製造することができ、かつ量産性が良い。また、端部リンク部材５，６が板材であると、端部リンク部材５，６とリンクハブ２，３の回転対偶部、および端部リンク部材５，６と中央リンク部材７の回転対偶部の構成を簡略にでき、組立て性が向上する。特に、端部リンク部材５，６を構成する板材を金属板とすると、輪郭形状の切り出し、曲がり部２７の折り曲げ、および軸挿通孔２５，２６の形成を板金加工で行うことができ、加工が容易である。

図５は、この発明の一実施形態に係るパラレルリンク機構における基端側のリンクハブ、基端側の端部リンク部材、および中央リンク部材の断面図である。
上記提案例は、端部リンク部材５，６の曲がり部２７が１箇所であるが、この実施形態では、図５のように、曲がり部２７を２箇所とし、または３箇所以上とする。端部リンク部材５，６の曲がり部２７を２箇所以上とすると、加工に若干手間がかかるようになるが、リンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢに対する端部リンク部材５，６の張り出し量を抑えることができるため、パラレルリンク機構１の外径寸法がコンパクトになり、部品同士の干渉を回避することができる。

図６〜図１０は、他の提案例を示す。このパラレルリンク機構１も、前記提案例と同様に、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ている。各部の位置関係や動作特性も、前記提案例と同じである。以下、前記提案例と異なる点について説明する。

図６はこのパラレルリンク機構の一状態を示す斜視図、図７はその一部を省略した正面図である。このパラレルリンク機構１の基端側のリンクハブ２は、中央部に円形の貫通孔３０ａを有する平板状の土台３０と、この土台３０の貫通孔３０ａ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３１とで構成される。貫通孔３０ａ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３１には、軸心がリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸３２が回転自在に連結されている。この回転軸３２に、基端側の端部リンク部材５の一端が連結される。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３５が連結される。

また、先端側のリンクハブ３は、中央部に円形の貫通孔４０ａを有する平板状の先端部材４０と、この先端部材４０の貫通孔４０ａ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４１とで構成される。貫通孔４０ａ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４１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸４２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４２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４５が連結される。

このパラレルリンク機構１の基端側および先端側の端部リンク部材５，６は、前記提案例とは異なり、図８に示すように、板面同士が互いに向き合うように並列に配置した外径側および内径側の２つのリンク構成板材５０，５１からなる。図８は基端側の端部リンク部材５を示すが、先端側の端部リンク部材６も同様である。図の例では、各リンク構成板材５０，５１は、一定厚さ、一定幅の板材で、それぞれ板厚方向に９０°の角度に曲がった曲がり部５０ａ，５１ａを１箇所だけ有する。なお、リンク構成板材５０，５１の端部は、半円形に形成されている（図６、図７参照）。リンク構成板材５０，５１は例えば金属板からなり、板金曲げ加工により曲がり部５０ａ，５１ａが折り曲げられる。

図８は基端側のリンクハブ２、基端側の端部リンク部材５等の断面図、図９はそのうちの１つの端部リンク部材５およびその両端周辺部を取り出して表した図であり、両図と共に各回転対偶部の構成を説明する。図８、図９は、基端側の端部リンク部材５と基端側のリンクハブ２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が、先端側の端部リンク部材６と先端側のリンクハブ３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。

外径側および内径側のリンク構成板材５０，５１の両端の端部間には、リンクハブ２（３）の回転軸連結部材３１（４１）および中央リンク部材７の一端がそれぞれ配置される。回転軸連結部材３１（４１）の前記回転軸３２（４２）は、２個の軸受３３を介して回転軸連結部材３１（４１）に連結されている。また、中央リンク部材７の前記回転軸３５（４５）は、２個の軸受３６を介して中央リンク部材７に連結されている。軸受３３，３６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。また、軸受３３，３６は、回転軸連結部材３１（４１）に設けられた内径溝３４、および中央リンク部材７に設けられた内径溝３７にそれぞれ埋め込んだ状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定してある。軸受３３，３６を使用せずに、回転軸３２，３５（４２，４５）を回転軸連結部材３１（４１）および中央リンク部材７に回転自在に接触させて連結しても良い。

図９に示すように、回転軸３２，３５（４２，４５）は、外径端に他の部分よりも径が大きい頭部３２ａ，３５ａを有し、内径端に雄ねじ部３２ｂ，３５ｂを有する軸である。回転軸連結部材３１（４１）の回転軸３２（４２）は、リンク構成板材５０，５１の貫通孔５２，５３、軸受３３の内輪、およびこの内輪とリンク構成板材５０，５１との間に介在させたスペーサ６０，６１の孔に挿通される。そして、回転軸３２（４２）の雄ねじ部３２ｂにナット６２を螺着し、回転軸３２（４２）の頭部３２ａと前記ナット６２とで外径側および内径側のリンク構成板材５０，５１、軸受３３の内輪、およびスペーサ６０，６１を挟み付けることで、軸受３３に予圧を付与した状態で、回転軸３２（４２）に端部リンク部材５（６）を連結する。

また、中央リンク部材７の回転軸３５（４５）は、リンク構成板材５０，５１の貫通孔５２，５３、軸受３６の内輪、およびこの内輪とリンク構成板材５０，５１との間に介在させたスペーサ６０，６１の孔に挿通される。そして、回転軸３５（４５）の雄ねじ部３５ｂにナット６２を螺着し、回転軸３５（４５）の頭部３５ａと前記ナット６２とで外径側および内径側のリンク構成板材５０，５１、軸受３６の内輪、およびスペーサ６０，６１を挟み付けることで、軸受３６に予圧を付与した状態で、回転軸３５（４５）に端部リンク部材５を連結する。

このように、端部リンク部材５，６を、２つのリンク構成板材５０，５１が板面同士を互いに向き合わせて並列に配置された構成とすると、端部リンク部材５，６の強度を確保しつつ、各リンク構成板材５０，５１の板厚を薄くすることができる。それにより、端部リンク部材５，６を安価に製造できると共に、軽量化を図ることができる。また、外径側と内径側の２つのリンク構成板材５０，５１で回転軸３２，３５，４２，４５の両端を支持するため、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全体の剛性が向上する。

外径側のリンク構成板材５０の貫通孔５２は、図１０（Ａ）のように、回転軸３２，３５，４２，４５（図６）の直径とほぼ同径の円形であり、内径側のリンク構成板材５１の貫通孔５３は、図１０（Ｂ）のように、このリンク構成板材５１の長手方向に長い長孔とされている。つまり、外径側のリンク構成板材５０の貫通孔５２は、この貫通孔５２に挿通される回転軸３２，３５，４２，４５との間にすきまが生じないタイトな孔であり、内径側のリンク構成板材５１の貫通孔５３は、この貫通孔５３に挿通される回転軸３２，３５，４２，４５との間にすきまが生じるルーズな孔である。このような貫通孔５２，５３としたのは、組立て性を高めるための工夫である。

基端側の端部リンク部材５を例にとって、端部リンク部材５，６の組立て方法を説明する。まず、外径側のリンク構成板材５０の貫通孔５２に回転軸３２，３５を外径側から挿通した後、それぞれの回転軸３２，３５に対して内径側からスペーサ６０、軸受３３，３６の内輪、スペーサ６１を順に嵌め込む。そして、回転軸３２，３５の先端を内径側のリンク構成板材５１の貫通孔５３に挿通する。その際、回転軸３２，３５の先端がスペーサ６１よりも大きく突出していると、互いに直交している回転軸３２，３５を貫通孔５３に挿通することができない。

そこで、回転軸３２，３５の突出量を少なくした状態で、回転軸３２，３５に対して内径側のリンク構成板材５１の貫通孔５３を位置合わせしてから、回転軸３２，３５を進出させて貫通孔５３に挿通する。内径側のリンク構成板材５１の貫通孔５３は長孔であり一合わせに融通性があるため、回転軸３２，３５と貫通孔５３の正確な位置合わせをする必要がなく、しかも回転軸３２，３５の先端がスペーサ６１から少し程度突出しているだけなら、リンク構成板材５１をずらしたり傾けたりすることで回転軸３２，３５を貫通孔５３に挿入することができる。最後に、回転軸３２，３５の雄ねじ部３２ｂ，３５ｂにナット６２を螺着して締め付けることで、端部リンク部材５の組立てが完了する。
この方法であると、先端が突出した回転軸３２，３５に対して貫通孔５３を嵌める際に、目視での位置合わせが可能であり、組立て作業性が良い。タイトな孔である外径側のリンク構成板材５０の貫通孔５１に回転軸３２，３５が挿通されているため、端部リンク部材５と回転軸３２，３５の連結部の組立て精度は確保できる。

リンク構成板材の数は３つ以上であっても良い。３つ以上のリンク構成板材をそれぞれ離して配置しても良く、要求される強度等に応じて複数のリンク構成板材を重ね合わせて使用しても良い。

また、この例では、各リンク構成板材５０，５１の曲がり部５０ａ，５１ａが１箇所だけであるが、この発明の実施形態では、図１１のように、曲がり部５０ａ，５１ａを２箇所、または３箇所以上にする。曲がり部５０ａ，５１ａを２箇所以上とすると、加工に若干手間がかかるようになるが、リンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢに対する端部リンク部材５，６の外側への張り出し量を抑えることができるため、パラレルリンク機構１の外径寸法がコンパクトになり、部品同士の干渉を回避することができる。

図１２および図１３は、さらに異なる提案例を示す。このパラレルリンク機構１も、前記各実施形態と同様に、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ている。各部の位置関係や動作特性も、前記各実施形態と同じである。このパラレルリンク機構１が前記実施形態と異なる点は、各回転対偶部に設けられる軸受を外輪回転タイプとしたことである。

図１３と共に、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の回転対偶部を例にとって説明する。
リンクハブ２の外周部における円周方向に等配の３箇所に軸部７１が形成され、この軸部７１の外周に２つの軸受７２の内輪（図示せず）が嵌合し、端部リンク部材５の基端に設けられた筒状の軸受支持部材７３の内周に軸受７２の外輪（図示せず）が嵌合している。また、中央リンク部材７の端部に軸部材７４が一体に設けられ、この軸部材７４の外周に２つの軸受７５の内輪（図示せず）が嵌合し、端部リンク部材５の先端に設けられた筒状の軸受支持部材７６の内周に軸受７５の外輪（図示せず）が嵌合している。前記軸受７２，７５は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナット７７による締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で軸部７１および軸部材７４に固定されている。

端部リンク部材５は、図６〜図１０の提案例と同様に、板面同士が互いに向き合うように並列に配置した外径側および内径側の２つのリンク構成板材５０，５１を有し、これら２つのリンク構成板材５０，５１間に前記軸受支持部材７３，７６がそれぞれ固定状態で設けられている。この場合も、外径側と内径側の２つのリンク構成板材５０，５１で軸部７１および軸部材７４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全体の剛性が向上する。

図１４は、図１〜図４のパラレルリンク機構１を用いたリンク作動装置を示す。このリンク作動装置８１は、パラレルリンク機構１と、このパラレルリンク機構１を支持する土台８２と、パラレルリンク機構１を作動させる複数の姿勢変更用アクチュエータ８３と、これら姿勢変更用アクチュエータ８３の動作によりパラレルリンク機構１を作動させるコントローラ８４とを備える。姿勢変更用アクチュエータ８３を制御する制御装置（図示せず）は、コントローラ８４内に設けられていても良く、コントローラ８４と別に設けられていても良い。

前記土台８２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。土台８２の上部の外周にはつば状のアクチュエータ取付台８５が設けられ、このアクチュエータ取付台８５に前記姿勢変更用アクチュエータ８３が垂下状態で取り付けられている。姿勢変更用アクチュエータ８３の数は、リンク機構４と同数の３個である。姿勢変更用アクチュエータ８３はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取り付けたかさ歯車８６と基端側のリンクハブ２の軸部材１３に取り付けた扇形のかさ歯車８７とが噛み合っている。
なお、この例では、リンク機構４と同数の姿勢変更用アクチュエータ８３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組に姿勢変更用アクチュエータ８３が設けられていれば、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。

このリンク作動装置８１は、コントローラ８４を操作して各姿勢変更用アクチュエータ８３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、姿勢変更用アクチュエータ８３を回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車８６，８７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、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まる。ここでは、かさ歯車８６，８７を用いて基端側の端部リンク部材５の角度を変更しているが、その他の機構（例えば、平歯車やウォーム機構）でも良い。

図１５〜図１７は、図６〜図１０のパラレルリンク機構１を用いたリンク作動装置を示す。このリンク作動装置９０は、図１５、図１６に示すように、３組のリンク機構４のそれぞれに、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アクチュエータ９１が設けられている。図１５は、１組のリンク機構４と１つの姿勢変更用アクチュエータ９１のみを図示している。

各姿勢変更用アクチュエータ９１は、減速機構９２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の土台３０の上面に、回転軸３２と同軸上に設置されている。姿勢変更用アクチュエータ９１と減速機構９２は一体に設けられ、モータ固定部材９３により減速機構９２が土台３０に固定されている。なお、３組のリンク機構４のうち少なくとも２組に姿勢変更用アクチュエータ９１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。

図１６において、減速機構９２はフランジ出力であって、大径の出力軸９２ａを有する。出力軸９２ａの先端面は、出力軸９２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面９４となっている。出力軸９２ａは、スペーサ９５を介して、基端側の端部リンク部材５の外径側のリンク構成板材５０にボルト９６で接続されている。リンクハブ２と端部リンク部材５の回転対偶部の回転軸３２は大径部３２Ａと小径部３２Ｂとからなり、小径部３２Ｂが前記軸受３３の内輪に挿通され、大径部３２Ａは減速機構９２の出力軸９２ａに設けられた内径溝９７に嵌っている。

端部リンク部材５は、図９の示すものと同様に、外径側および内径側の２つのリンク構成板材５０，５１とで構成される。外径側のリンク構成板材５０は、減速機構９２の前記フランジ面９４と前記スペーサ９５を介して結合されるフランジ取付面９８を有する。フランジ取付面９８は、図１７に示すように、出力軸９２ａのフランジ面９４に対応する円形であり、中心部に回転軸３２が挿通される貫通孔５２が設けられ、この貫通孔５２の周囲に、前記ボルト９６が挿通される複数のボルト挿通孔９９が円周方向に等配で設けられている。

このリンク作動装置９０は、姿勢変更用アクチュエータ９１として減速機構９２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。さらに、ロータリアクチュエータである姿勢変更用アクチュエータ９１の減速機構９２の出力軸９２ａ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９１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９０を実現できる。

図１８のように、減速機構を設けずに、姿勢変更用アクチュエータ９１の出力軸９１ａをフランジ出力タイプとしても良い。その場合、姿勢変更用アクチュエータ９１の出力軸９１ａの先端面が、基端側のリンクハブ５を構成する外径側のリンク構成板材５０のフランジ取付面９８と結合されるフランジ面９４となる。

また、図１５〜図１７の提案例は、スぺーサ９５を介して外径側のリンク構成板材５０に減速機構９２を取り付けているが、パラレルリンク機構１と姿勢変更用アクチュエータ９１の干渉等の問題がなければ、外径側のリンク構成板材５０に減速機構９２を直接設置しても構わない。さらに、キー出力タイプの姿勢変更用アクチュエータ９１または減速機構９２を用い、カップリング（図示せず）により姿勢変更用アクチュエータ９１または減速機構９２の出力軸と回転軸３２を連結しても良い。

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
１２，１９，３３，３６，７２，７５…軸受
２７…曲がり部
３２，３５，４２，４５…回転軸
５０…外径側のリンク構成板材（板材）
５０ａ…曲がり部
５１…内径側のリンク構成板材（板材）
５１ａ…曲がり部
５２…貫通孔（タイトな孔）
５３…貫通孔（ルーズな孔）
８１，９０…リンク作動装置
８３，９１…姿勢変更用アクチュエータ
９１ａ，９２ａ…出力軸
９２…減速機構
９４…フランジ面
９８…フランジ取付面

Claims (9)

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を備え、
   前記端部リンク部材は、板厚方向に曲がった曲がり部を２箇所以上有する板材から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、前記端部リンク部材を構成する前記板材は金属板であり、前記曲がり部を板金曲げ加工により形成した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、板厚方向に曲がった曲がり部を２箇所以上有する２つ以上の板材からなるパラレルリンク機構。
4. 請求項３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２つの板材からなり、これら２つの板材を板面同士が互いに向き合うように並列に配置した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、前記端部リンク部材と前記リンクハブとの回転対偶部、および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部は、前記２つの板材の間に、軸受を内蔵した前記リンクハブおよび前記中央リンク部材を配置し、前記２つの板材に設けた貫通孔および前記軸受の内輪に回転軸を挿通し、前記２つの板材、前記軸受の内輪、および前記回転軸を互いに固定したパラレルリンク機構。
6. 請求項５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を構成する前記２つの板材のうちの一方の板材に設けた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じないタイトな孔であり、もう一方の板材に設けた前記貫通孔は、この貫通孔に挿通される前記回転軸との間にすきまが生じるルーズな孔であるパラレルリンク機構。
7. 請求項１ないし請求項６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。
8. 請求項７に記載のリンク作動装置において、前記姿勢変更用アクチュエータは、出力軸にこの出力軸と直交するフランジ面を有するロータリアクチュエータであり、前記基端側の端部リンク部材を構成する任意数の前記板材のうちの少なくとも１つの板材は、前記基端側のリンクハブに回転自在に連結される回転軸と直交するフランジ取付面を有し、前記姿勢変更用アクチュエータの前記フランジ面に前記板材の前記フランジ取付面を直接または間接的に結合したリンク作動装置。
9. 請求項７に記載のリンク作動装置において、前記姿勢変更用アクチュエータは減速機構を備えたロータリアクチュエータであり、前記減速機構の出力軸はこの出力軸と直交するフランジ面を有し、前記基端側の端部リンク部材を構成する任意数の前記板材のうちの少なくとも１つの板材は、前記基端側のリンクハブに回転自在に連結される回転軸と直交するフランジ取付面を有し、前記減速機構の前記フランジ面に前記板材の前記フランジ取付面を直接または間接的に結合したリンク作動装置。

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