JP7328065B2 - リンク作動装置 - Google Patents

Description

この発明は、リンク作動装置に関する。

リンク作動装置は、精密で広範な作動範囲を必要とする産業機器等に用いられる。リンク作動装置は、駆動源とリンク機構からなる。リンク機構の一種としてパラレルリンク機構が知られている。

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、たとえば、特開２０１５－１９４２０７号公報（特許文献１）に示されるようなものが提案されている。

特開２０１５－１９４２０７号公報

特開２０１５－１９４２０７号公報（特許文献１）のリンク作動装置は、基端側のリンクハブと先端側のリンクハブとを、４節連鎖の３組以上のリンク機構を介して連結した構成としている。このリンク作動装置は、コンパクトでありながら、精密かつ広範な作動範囲の動作が可能である。

しかし、特開２０１５－１９４２０７号公報（特許文献１）のリンク作動装置では、３組以上のリンク機構に設けた姿勢制御用の駆動源に対して、先端側のリンクハブが回転２自由度で動作する。そのため、さらなる回転自由度を加えるには、リンク作動装置の外側に装置全体を回転させる機構を必要とする。この結果、装置全体が大型化するという問題があった。また、構造上、リンク機構の折れ角に応じて先端側のリンクハブの回転半径が変化するとともに、当該先端側のリンクハブの回転移動における回転中心の位置を固定できない。すなわち、基端側のリンクハブから見て先端側のリンクハブは固定された回転中心から一定の半径を有する球面上を移動できないため、先端側のリンクハブの動作をイメージしにくいといった課題があった。

この発明の目的は、固定された回転中心から一定の半径を有する球面上を先端部材が移動可能なパラレルリンク機構を用いたリンク作動装置を提供することである。

本開示は、パラレルリンク機構と制御装置とを備えるリンク作動装置に関する。パラレルリンク機構は、基端側の第１リンクハブと、少なくとも３つのリンク機構と、少なくとも３つのリンク機構のうちの第１リンク機構および第２リンク機構にそれぞれ接続された第１回転体および第２回転体と、先端側の第２リンクハブとを備える。第１回転体および第２回転体の各々は、第１リンクハブと回転自在に連結される。少なくとも３つのリンク機構の各々は、第１リンク部材と、第１リンク部材に第１回転対偶部において回転可能に接続された第２リンク部材とを含む。第２リンク部材は、第２リンクハブに第２回転対偶部において回転可能に接続される。第１リンク機構の第１リンク部材は、第１回転体に固定されており、第２リンク機構の第１リンク部材は、前記第２回転体に固定されている。少なくとも３つのリンク機構において、第１回転対偶部の第１中心軸と、第２回転対偶部の第２中心軸とは、球面リンク中心点で交わる。前記第１回転体および前記第２回転体の回転中心軸は、前記球面リンク中心点と交わる。制御装置は、第２リンクハブの球面リンク中心点に対する姿勢に相当する法線ベクトルを表す情報が与えられると、第１回転体および第２回転体の回転角度を決定するように構成される。

好ましくは、前記パラレルリンク機構は、少なくとも３つのリンク機構のうちの第３リンク機構に接続された第３回転体をさらに備える。制御装置は、情報が与えられると、第１～第３回転体の回転角度を決定するように構成される。

より好ましくは、制御装置は、情報が与えられた時点の第３回転体の回転角度では情報が示す前記法線ベクトルが示す折れ角が実現できない場合には、第１回転体の回転角度を変更して、折れ角を実現するように第１～第３回転体の回転角度を決定する。

さらに好ましくは、制御装置は、第３回転体の回転角度を変更する場合には、第２リンクハブに取り付けられたエンドエフェクタに対する回転処理を併せて実行するように構成される。

上記によれば、固定された回転中心から一定の半径を有する球面上を先端部材が移動可能なリンク作動装置が得られる。

実施の形態１に係るリンク作動装置の構成を示す図である。 図１に示したリンク作動装置のパラレルリンク機構の正面模式図である。 図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに示した断面からから見た先端側リンクハブおよびリンク機構の部分模式図である。 図２の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。 図１に示したパラレルリンク機構の基本姿勢を説明するための斜視模式図である。 図１に示したパラレルリンク機構の姿勢変更時の動作を説明するための斜視模式図である。 図６に示したパラレルリンク機構の上面模式図である。 制御装置１００が実行するパラレルリンク機構の制御を説明するためのフローチャートである。 制御装置１００が実行する教示動作を説明するためのフローチャートである。 折れ角θ１に対する制限が大きい場合のパラレルリンク機構の姿勢を示した斜視図である。 図１０に示した姿勢に対応する第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の配置を示す図である。 折れ角θ１に対する制限が小さい場合のパラレルリンク機構の姿勢を示した斜視図である。 図１２に示した姿勢に対応する第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の配置を示す図である。 実施の形態２において制御装置１００が実行する処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３に係るリンク作動装置の構成を示す斜視模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
＜パラレルリンク機構の構成＞
図１は、実施の形態１に係るリンク作動装置の構成を示す図である。図１に示すリンク作動装置１０００は、パラレルリンク機構２００と、制御装置１００と、アクチュエータ１１１～１１３と、回転角検出部１２１～１２３とを備える。

制御装置１００は、回転角検出部１２１～１２３がそれぞれ検出した回転角度ωａ～ωｃを受けてパラレルリンク機構２００の姿勢を教示することができる。また、制御装置１００は、アクチュエータ１１１～１１３に対して、目標回転角度ωａ＊～ωｃ＊を出力し、パラレルリンク機構２００の姿勢を制御することができる。

制御装置１００は、教示部１０１と、駆動部１０３と、手動操作部１０５と、記憶部１０６と、表示部１０７とを含む。教示部１０１、駆動部１０３は、それぞれ変換部１０２，１０４を含む。

教示部１０１、駆動部１０３としては中央演算装置（ＣＰＵ）を用いることができる。記憶部１０６としては、メモリ、ハードディスクなどを用いることができる。記憶部１０６に保存されたプログラムおよびデータがＣＰＵに読み込まれることによって、ＣＰＵは教示部１０１または駆動部１０３として動作する。

教示部１０１は、回転角検出部１２１～１２３から角度ωａ，ωｂ，ωｃを取得し、これを変換部１０２でパラレルリンク機構２００の姿勢を示すデータに変換し、表示部１０７に出力するなどの教示動作を行なう。

駆動部１０３は、手動操作部１０５または上位プロセッサから与えられたパラレルリンク機構２００の目標姿勢を示すデータを変換部１０４で目標角度ωａ＊，ωｂ＊，ωｃ＊に変換し、目標角度を実現するようにアクチュエータ１１１～１１３を駆動する。

図２は、図１に示したリンク作動装置のパラレルリンク機構の正面模式図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに示した断面からから見た先端側リンクハブおよびリンク機構の部分模式図である。図４は、図２の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。

図１～図４に示したパラレルリンク機構２００は、基端側の第１リンクハブ１と、３つのリンク機構１１と、３つの回転体２ａ～２ｃと、先端側の第２リンクハブ３とを備える。基端側の第１リンクハブ１は、円盤状の部材である。なお、図１に示した基端側の第１リンクハブ１の平面形状は円形状であるが、当該平面形状は三角形状、四角形状などの多角形状、あるいは楕円形状、半円形状など他の任意の形状であってもよい。また、基端側の第１リンクハブ１は図１に示すような板状体であってもよいが、他の任意の形状であってもよく、他の機械装置の一部であってもよい。また、リンク機構１１の数は３以上であればよく、たとえば４または５としてもよい。

３つの回転体２ａ～２ｃは、それぞれの回転中心軸１２が一致するように積層された状態で基端側の第１リンクハブ１と回転可能に連結される。３つの回転体２ａ～２ｃは、固定部材としてのボルト７とナット８とにより基端側の第１リンクハブ１に接続されている。３つの回転体２ａ～２ｃには上記ボルト７を通すため中央部に穴が形成されている。ボルト７の端に位置する頭部と回転体２ａとの間にはワッシャ９が配置されている。積層された３つの回転体２ａ～２ｃの間には回転抵抗低減部材１９がそれぞれ配置されている。また、積層された３つの回転体２ａ～２ｃのうち最も基端側の第１リンクハブ１側に位置する回転体２ｃと基端側の第１リンクハブ１との間にも回転抵抗低減部材１９が配置されている。

３つの回転体２ａ～２ｃは、平面形状がほぼ円形状である。３つの回転体２ａ～２ｃは、それぞれの外周部にリンク機構１１を接続するための突出部が形成されている。突出部は回転体２ａ～２ｃの外周端面から外側に突出した凸形状部である。３つ回転体２ａ～２ｃは、上記３つのリンク機構１１のそれぞれと上記突出部において接続される。

３つのリンク機構１１の各々は、第１リンク部材４ａ～４ｃと第２リンク部材６ａ～６ｃとを含む。１つめの第１リンク部材４ａは、回転体２ａの突出部に固定される。２つめの第１リンク部材４ｂは回転体２ｂの突出部に固定される。３つめの第１リンク部材４ｃは回転体２ｃの突出部に固定される。第１リンク部材４ａ～４ｃを回転体２ａ～２ｃの突出部に固定する方法は、任意の方法を用いることができる。たとえば、固定部材としてのネジ５６によって第１リンク部材４ａ～４ｃを回転体２ａ～２ｃに固定してもよい。あるいは、第１リンク部材４ａ～４ｃを回転体２ａ～２ｃの突出部に溶接して固定してもよく、接着剤層を介して固定してもよい。

第１リンク部材４ａ～４ｃは、屈曲部を有する柱状の形状を有している。第１リンク部材４ａ～４ｃの長さは互いに異なっている。最も基端側の第１リンクハブ１に近い位置に配置された回転体２ｃに接続された第１リンク部材４ｃが最も長くなっている。また、最も基端側の第１リンクハブ１から遠くに配置された回転体２ａに接続された第１リンク部材４ａが最も短くなっている。第１リンク部材４ａ～４ｃは、回転体２ａ～２ｃの表面に垂直な方向に伸びる第１部分と、第１部分の伸びる方向に対して斜めに伸びる第２部分と、第１部分と第２部分との接続部である上記屈曲部とを含む。図２に示すように、第１リンク部材４ａ～４ｃの第１部分の一方端部が回転体２ａ～２ｃに固定されている。第１部分の上記一方端部と反対側の他方端部が、第２部分の一方端部と接続されている。第２部分において一方端部と反対側の他方端部が第２リンク部材６ａ～６ｃとそれぞれ回転可能に接続されている。第２部分は、一方端部から他方端部に向けて、回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２から徐々に離れるように構成されている。つまり、第１リンク部材４ａ～４ｃの第２部分の伸びる方向は、回転中心軸１２に対して傾斜している。

１つめの第２リンク部材６ａは、第１リンク部材４ａに第１回転対偶部２５ａにおいて回転可能に接続される。２つめの第２リンク部材６ｂは、第１リンク部材４ｂに第１回転対偶部２５ｂにおいて回転可能に接続される。３つめの第２リンク部材６ｃは、第１リンク部材４ｃに第１回転対偶部２５ｃにおいて回転可能に接続される。第１回転対偶部２５ａ～２５ｃは、それぞれ第１中心軸１５ａ～１５ｃを有する。第１中心軸１５ａ～１５ｃは、回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２に向かう方向に伸びている。また、第１中心軸１５ａ～１５ｃは、回転中心軸１２に近づくにつれて回転体２ａ～２ｃから離れるように、回転中心軸１２に対して傾斜している。

第１回転対偶部２５ａ～２５ｃの構造は、任意の構成とすることができる。たとえば、第１回転対偶部２５ａ～２５ｃは、第１中心軸１５ａ～１５ｃに沿って伸びる軸部と、当該軸部が挿入される貫通穴が形成された第１リンク部材４ａ～４ｃの部分と、当該軸部が挿入される貫通穴が形成された第２リンク部材６ａ～６ｂの部分とにより構成されていてもよい。この場合、軸部を中心軸として第１リンク部材４ａ～４ｃおよび第２リンク部材６ａ～６ｃは回転可能となっている。第１リンク部材４ａ～４ｃおよび第２リンク部材６ａ～６ｃの貫通穴から軸部が抜けることを防止するため、軸部の両端にはたとえば位置決め部材としてのナットが固定されていてもよい。

あるいは、軸部が第１リンク部材４ａ～４ｃおよび第２リンク部材６ａ～６ｃのいずれか一方に接続されており、当該軸部が第１リンク部材４ａ～４ｃおよび第２リンク部材６ａ～６ｃのいずれか他方に形成された貫通穴に挿入された状態となっていてもよい。軸部に対して第１リンク部材４ａ～４ｃおよび第２リンク部材６ａ～６ｃのいずれか他方が回転可能になっていてもよい。軸部の先端部には貫通穴から軸部が抜けることを防止するための位置決め部材としてのナットなどが固定されていてもよい。

第２リンク部材６ａ～６ｃは、第１中心軸１５ａ～１５ｃの伸びる方向と交差する方向に伸びる第１部分と、当該第１部分の先端部から第１中心軸１５ａ～１５ｃに沿って伸びる第２部分とを含む。第１部分の上記先端部と反対側の根元部は、第１リンク部材４ａ～４ｃと回転可能に接続された第１回転対偶部２５ａ～２５ｃの一部となっている。

第２リンク部材６ａ～６ｃは、先端側の第２リンクハブ３に第２回転対偶部２６ａ～２６ｃにおいて回転可能に接続される。第２回転対偶部２６ａ～２６ｃは、それぞれ第２中心軸１６ａ～１６ｃを有する。具体的には、第２回転対偶部２６ａ～２６ｃは、第２中心軸１６ａ～１６ｃに沿って伸びる軸部と、当該軸部を挿入する貫通穴が形成された先端側の第２リンクハブ３の突出部と、当該突出部を挟むように配置され、軸部を挿入する貫通穴が形成された一対の壁部とを含む。一対の壁部は第２リンク部材６ａ～６ｃの第２部分の先端部に形成されている。軸部はボルト１７とナット１８とにより構成される。軸部を中心として、先端側の第２リンクハブ３の突出部と第２リンク部材６ａ～６ｃとは回転可能になっている。一対の壁部と先端側の第２リンクハブ３の突出部との間には、図３に示すように回転抵抗低減部材２９が配置されている。回転抵抗低減部材２９としては、上述した一対の壁部および突出部との間の摩擦係数を低減できる任意の部材を用いることができる。たとえば、回転抵抗低減部材２９として摩擦係数がより低い樹脂製のシム・ワッシャなどを用いることができる。

第２中心軸１６ａ～１６ｃは、第１中心軸１５ａ～１５ｃと異なる方向に伸びるとともに、回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２に向かう方向に伸びている。第２中心軸１６ａ～１６ｃは、回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２にたとえば直交する方向に伸びている。

３つのリンク機構１１において、第１回転対偶部２５ａ～２５ｃの第１中心軸１５ａ～１５ｃと、第２回転対偶部２６ａ～２６ｃの第２中心軸１６ａ～１６ｃとは球面リンク中心点３０で交わる。３つ以上の回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２は球面リンク中心点３０と交わる。上記のような関係を満たせば第１回転対偶部２５ａ～２５ｃおよび第２回転対偶部２６ａ～２６ｃの配置は任意に変更できる。図３からわかるように、３つの第２リンク部材６ａ～６ｃのそれぞれにおいて、先端側の第２リンクハブ３側から視て（以下、平面視）第１中心軸１５ａ～１５ｃと第２中心軸１６ａ～１６ｃとのなす角度が実質的に９０°である。また、球面リンク中心点３０を中心とした周方向において、第１中心軸１５ａ～１５ｃは等間隔に配置されている。

先端側の第２リンクハブ３の平面形状は六角形状であるが、他の任意の多角形状であってもよい。当該平面形状は円形状、楕円形状など任意の形状であってもよい。

３つのリンク機構１１は、平面視において円周上に等間隔に配置されている。すなわち、の第１中心軸１５ａ～１５ｃについて、平面視において球面リンク中心点３０から見て隣接する２つの第１中心軸のなす角度が１２０°である。また、第２中心軸１６ａ～１６ｃについて、平面視において球面リンク中心点３０から見て隣接する２つの第２中心軸のなす角度が１２０°である。なお、３つのリンク機構１１を平面視において円周上に異なる間隔で配置してもよい。

＜パラレルリンク機構の動作＞
図５は、図１に示したパラレルリンク機構の基本姿勢を説明するための斜視模式図である。図６は、図１に示したパラレルリンク機構の姿勢変更時の動作を説明するための斜視模式図である。図７は、図６に示したパラレルリンク機構の上面模式図である。

図４、図５に示すように、三つの第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部を等角度間隔に配置すると、先端側の第２リンクハブ３の姿勢を表す法線ベクトルは、回転体２ａ～２ｃの回転軸と一致する。

一方、図６に示すように、三つの第１リンク部材４ａ～４ｃの角度間隔を異ならせるように３つの回転体２ａ～２ｃを回転させると、基端側の第１リンクハブ１に対する先端側の第２リンクハブ３の姿勢を任意に変更できる。つまり、３つの回転体２ａ～２ｃのうちの３つの回転角度を制御することにより、球面リンク中心点３０から見た先端側の第２リンクハブ３の姿勢における折れ角θ１および旋回角θ２を制御できる。つまり、先端側の第２リンクハブ３の姿勢は折れ角θ１および旋回角θ２という２自由度を有する。

ここで、折れ角θ１とは、図６に示すように、第２中心軸１６ａ～１６ｃのすべてに垂直であって球面リンク中心点３０を通る直線である先端側リンクハブ中心軸３１（先端側の第２リンクハブの法線ベクトルの向き）と、回転体２ａ～２ｃの回転中心軸１２とのなす角度である。図７に示すように、旋回角θ２とは、球面リンク中心点３０を通り、回転中心軸１２が垂直に交わる平面（ＸＹ平面）に上記先端側リンクハブ中心軸３１（法線ベクトルに相当）を投影した直線と、ＸＹ平面において球面リンク中心点３０を原点として設定したＸ軸とのなす角度である。

＜パラレルリンク機構の制御＞
図８は、制御装置１００が実行するパラレルリンク機構の制御を説明するためのフローチャートである。図１、図８を参照して、まず、制御装置１００は、ステップＳ１において、先端側の第２リンクハブ３の目標法線ベクトルに対応する情報を受信する。この情報は、たとえば、手動操作部１０５から入力されたり、上位の制御装置から送信されたり、予め記憶部１０６に記憶されたりしている。

続いて、ステップＳ２において、制御装置１００は、変換部１０４において受信した情報を対応するωａ，ωｂ，ωｃに変換する。

変換部１０４における変換は、数式を用いた演算による変換であっても良いが、折れ角θ１および旋回角θ２を入力とし、角度ωｂ，ωｃを出力とするような変換テーブルを用いても良い。たとえば、このような変換テーブルは、パラレルリンク機構２００の角度ωｂ，ωｃをある角度ごとに増加または減少させ、そのときの法線ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）を予め測定しておけばよい。また、法線ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）の代わりに、折れ角θ１および旋回角θ２を予め測定しておいても良い。このような変換テーブルの例を表１に示す。このような変換テーブルが予め記憶部１０６に記憶されている。変換部１０４は、記憶部１０６に記憶されているこのような変換テーブルを参照して変換を行なう。なお、実施の形態１では、ωａ＝０に固定されているため、変換テーブルは、角度ωｂ，ωｃについてデータがあればよい。

上記の表１において、β，γは、パラレルリンク機構２００の各部材の寸法などによって決まる稼働可能角度範囲の初期値である。表１では、各初期値β，γに対して角度を１°毎に増加させてそれに対応する法線ベクトルＮ（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）のデータが登録されている。なお、法線ベクトルＮに対応する折れ角θ１、旋回角θ２をデータとして登録しても良い。また、角度の増分を１°としたがこれには限定されない。変換テーブルのωｂ、ωｃの増分をもう少し大きな増分とした場合には、データ間を補完してより細かいデータが入力された場合の変換に使用しても良い。

続いて、ステップＳ３において、制御装置１００は、得られた角度に対応して目標角度ωａ＊，ωｂ＊，ωｃ＊を決定し、第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の位置が目標角度ωａ＊，ωｂ＊，ωｃ＊と一致するようにアクチュエータ１１１～１１３を駆動部１０３によって駆動する。

実施の形態１のリンク作動装置１０００では、パラレルリンク機構２００の先端側の第２リンクハブ３の姿勢を、指示された姿勢に一致させるために、制御装置１００が図８で説明したようにアクチュエータを駆動する。

これに対して、たとえば、ダイレクトティーチング実行時、または異常復帰後等で現在位置が不明な状態からの始動時には、制御装置１００が角度ωａ，ωｂ，ωｃを計測して、そのときの第２リンクハブ３の姿勢を教示する。

図９は、制御装置１００が実行する教示動作を説明するためのフローチャートである。図１、図９を参照して、まずステップＳ１１において、制御装置１００は、回転角検出部１２１～１２３を用いて、角度ωａ，ωｂ，ωｃを取得する。

そしてステップＳ１２において、制御装置１００は、教示部１０１の変換部１０２において、先端側の第２リンクハブ３の法線ベクトルＮ（ｘ、ｙ、ｚ）に角度ωａ，ωｂ，ωｃを変換する。実施の形態１ではωａ＝０であるので、既出の表１に示した変換テーブルを用いて変換することができる。変換部１０２は、記憶部１０６に予め記憶された表１のような変換テーブルを参照して変換を行なう。

続いて、ステップＳ１３において、教示部１０１は、表示部１０７に現在の姿勢に対応する法線ベクトルを示す情報を表示し、得た法線ベクトルを記憶部１０６に記憶させ、姿勢の初期情報またはダイレクトティーチングの情報とする。

以上説明したように、実施の形態１に示したリンク作動装置１０００は、パラレルリンク機構２００と制御装置１００とを備える。パラレルリンク機構２００は、基端側の第１リンクハブ１と、少なくとも３つのリンク機構１１と、少なくとも３つのリンク機構１１のうちの第１リンク機構１１ｂ、第２リンク機構１１ｃにそれぞれ接続された第１回転体２ｂ、第２回転体２ｃと、先端側の第２リンクハブ３とを備える。第１回転体２ｂおよび第２回転体２ｃの各々は、第１リンクハブ１と回転自在に連結される。少なくとも３つのリンク機構１１の各々は、第１リンク部材４ａ～４ｃと、第１リンク部材４ａ～４ｃに第１回転対偶部２５ａ～２５ｃにおいて回転可能に接続された第２リンク部材６ａ～６ｃとを含む。第２リンク部材６ａ～６ｃは、第２リンクハブ３に第２回転対偶部２６ａ～２６ｃにおいて回転可能に接続される。第１リンク機構１１ｂの第１リンク部材４ｂは、第１回転体４ｂに固定され、第２リンク機構１１ｃの第１リンク部材４ｃは、第２回転体２ｃに固定されている。少なくとも３つのリンク機構１１において、第１回転対偶部２５ａ～２５ｃの第１中心軸と、第２回転対偶部２６ａ～２６ｃの第２中心軸とは、球面リンク中心点で交わる。第１回転体２ｂおよび第２回転体２ｃの回転中心軸は、球面リンク中心点と交わる。制御装置１００は、第２リンクハブ３の球面リンク中心点に対する姿勢に相当する法線ベクトルを表す情報が与えられると、第１回転体２ｂおよび第２回転体２ｃの回転角度ωｂ，ωｃを決定するように構成される。

このようにすれば、基端側の第１リンクハブ１に対して先端側の第２リンクハブ３を、２自由度で動作させることができる。つまり、２つの回転体２ｂ～２ｃを回転させることにより、基端側の第１リンクハブ１に対して先端側の第２リンクハブ３を、球面リンク中心点３０を中心とした球面に沿って移動させることができる。また、回転体２ｂ～２ｃの回転運動により先端側の第２リンクハブ３の姿勢を制御するので、上記パラレルリンク機構２００を用いたコンパクトなリンク作動装置を実現できる。さらに、先端側の第２リンクハブ３が、球面リンク中心点３０を中心とした球面に沿って移動するので、先端側の第２リンクハブ３の動作をイメージしやすい。

なお、実施の形態１のように回転体のうち１つを固定して使用する場合には、回転体を１つ削除し、基端側の第１リンクハブ１に１つの第１リンク部材を固定しても良い。

［実施の形態２］
実施の形態１では、３つのリンク機構１１のうちの１つの第１リンク部材４ａを基準位置に固定して制御する例を説明した。しかし、このように制御すると、旋回角によっては、折れ角に制限が生じる範囲がある。

図１０は、折れ角θ１に対する制限が大きい場合のパラレルリンク機構の姿勢を示した斜視図である。図１１は、図１０に示した姿勢に対応する第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の配置を示す図である。

図１０の姿勢は、旋回角θ２が第１リンク部材４ａの基端部の方向になっている。このような場合には、第２リンク部材６ａが先端側の第２リンクハブ３と干渉し、図１０に示すように折れ角θ１は、およそ４５°程度が上限となる。

図１２は、折れ角θ１に対する制限が小さい場合のパラレルリンク機構の姿勢を示した斜視図である。図１３は、図１２に示した姿勢に対応する第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の配置を示す図である。

図１２の姿勢は、旋回角θ２が第１リンク部材４ａの基端部と第１リンク部材４ｃの基端部のちょうど中間の方向になっている。このような場合には、第２リンク部材６ａ～６ｃはいずれも先端側の第２リンクハブ３と干渉しにくい。このような姿勢では、折れ角θ１は、およそ９０°近くが上限となる。

ここで、実施の形態１では、ωａ＝０に固定して角度ωｂ，ωｃを２自由度のθ１，θ２に対応させた。しかし、ωａを可変に構成していれば、図１２に示す姿勢を任意の方向に向けて取ることが可能となる。

すなわち、すべての回転体２ａ～２ｃを図５の矢印に示すように同方向に同角度だけ回転させることで、先端側の第２リンクハブ３の姿勢を維持したまま、回転中心軸１２（図２参照）を中心に第２リンクハブ３を回転させることができる。このとき、回転体２ａ～２ｃの突出部間、すなわち第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部間の相対的な位置関係は維持される。

また、回転体２ｂ，２ｃに加えて、図６に示すように、回転体２ａの回転方向や回転角度を異ならせることにより、基端側の第１リンクハブ１に対する先端側の第２リンクハブ３の姿勢を任意に変更できる。つまり、３つの回転体２ａ～２ｃの回転角度を制御することにより、球面リンク中心点３０から見た先端側の第２リンクハブ３の姿勢における折れ角θ１、旋回角θ２および回転角を制御できる。つまり、先端側の第２リンクハブ３の姿勢は折れ角θ１、旋回角θ２および回転角という３自由度を有する。

ここで、回転角とは、基端側の第１リンクハブ１に対して回転中心軸１２を中心に第１リンク部材４ａの基端部が図４に示す基準位置から回転する場合の回転角度ωａである。

ただし、先端側の第２リンクハブ３に取り付けるエンドエフェクタ３０２（図２の破線で示す）の種類によっては、エンドエフェクタに回転処理を行なう必要がある。たとえば、方向性を有しない針のようなエンドエフェクタであれば回転処理は不要である。一方、エンドエフェクタが検査などに使用するカメラなどの場合には、映像を回転させるようにカメラ画像を回転させる処理を行なうことが望ましい。また、エンドエフェクタ３０２がワークをピックアップする２本指のハンドのような場合には、ハンドを回転させる回転機構３０１（図２の破線で示す）を先端側の第２リンクハブ３に設け、回転角ωａに応じて回転させることが望ましい。このような画像の回転処理またはハンド等のエンドエフェクタの物理的な回転処理が必要に応じて実行される。

図１４は、実施の形態２において制御装置１００が実行する処理を説明するためのフローチャートである。図１および図１４を参照して、制御装置１００は、ステップＳ２１において、先端側の第２リンクハブ３の目標法線ベクトルに対応する情報を受信する。

続いて、ステップＳ２２において、制御装置１００は、ステップＳ２１で取得した情報に対応する折れ角θ１が４５°以上であるか否かを判断する。なお、ここでは判定しきい値を４５°としたが、パラレルリンク機構２００の構造によって、判定値は適宜変更される。

折れ角θ１が４５°以上でない場合（ステップＳ２２でＮＯ）には、回転角を変化させる必要がないので、ステップＳ２６において回転角ωａ＝０とし、ステップＳ２７において、制御装置１００は、実施の形態１の場合と同様に変換部１０４において受信した情報を対応するωｂ，ωｃに変換する。変換部１０４における変換は、数式を用いた演算による変換であっても良いが、折れ角θ１および旋回角θ２を入力とし、角度ωｂ，ωｃを出力とするような変換テーブルを用いても良い。

一方、折れ角θ１が４５°以上である場合（ステップＳ２２でＹＥＳ）には、回転角を変化させないと、先端側の第２リンクハブ３と第２リンク部材６ａとが干渉してしまうため、制御装置１００は、ステップＳ２３において回転角ωａ＝αとする。リンク機構１１が３つである場合には、たとえば、α＝６０°とすることができるが、αは０°以外の他の値であっても良い。そして、ステップＳ２４において、制御装置１００は、変換部１０４において受信した情報を対応するωｂ，ωｃに変換する。変換テーブルを使用する場合、ステップＳ２７では実施の形態１と同様のωａ＝０の場合の変換テーブルを参照した、ステップＳ２４では、予めωａ＝αの場合の変換テーブルを用意して記憶部１０６に記憶させておき、ωａ＝αの場合の変換テーブルを参照するようにする。

さらに、制御装置１００は、ステップＳ２５において、必要に応じて先端側の第２リンクハブ３に取り付けられているエンドエフェクタに対する回転処理を行なう。ここでの回転処理は、エンドエフェクタで撮影された画像を回転させる処理の場合や、物理的にエンドエフェクタを回転させる処理の場合等がある。

続いて、もしくは同時に、ステップＳ２８において、制御装置１００は、得られた角度に対応して目標角度ωａ＊，ωｂ＊，ωｃ＊を決定し、第１リンク部材４ａ～４ｃの基端部の位置が目標角度ωａ＊，ωｂ＊，ωｃ＊と一致するようにアクチュエータ１１１～１１３を駆動部１０３によって駆動する。

実施の形態２のリンク作動装置では、少なくとも３つのリンク機構は１１、第１～第３リンク機構である。少なくとも２つの回転体は、第１～第３リンク機構１１にそれぞれ対応する第１～第３回転体２ａ～２ｃである。

前記パラレルリンク機構２００は少なくとも３つのリンク機構１１のうちの第３リンク機構１１ａに接続された第３回転体２ａをさらに備える。制御装置１００は、情報が与えられると、第１回転体２ｂの回転角度ωｂ、第２回転体２ｃの回転角度ωｃに加え、第３回転体２ａの回転角度ωａを決定するように構成される。

このように、実施の形態２では、回転体として３つの回転体２ａ～２ｃを設けているので、折れ角θ１、旋回角θ２に加えて回転角αの３自由度でパラレルリンク機構２００を動かすことができる。

好ましくは、図１４で説明したように、制御装置１００は、目標の法線ベクトルを示す情報が与えられた時点の第３回転体２ａの回転角度では情報が示す法線ベクトルが示す折れ角θ１が実現できない場合には、（Ｓ２２でＹＥＳ）、第１回転体２ａの回転角度ωａを変更して、折れ角θ１を実現するように回転体２ａ～２ｃの回転角度ωａ～ωｃを決定する（Ｓ２３，Ｓ２４）。

さらに好ましくは、制御装置１００は、第１回転体２ａの回転角度を変更する場合には、第２リンクハブ３に取り付けられたエンドエフェクタに対する回転処理（Ｓ２５）を併せて実行するように構成される。

このように、実施の形態２のリンク作動装置では、パラレルリンク機構２００の先端側の第２リンクハブ３の姿勢を指示された姿勢に一致させるために、制御装置１００が図１４で説明したようにアクチュエータを駆動する。これによって、どの旋回角θ２の方向に対しても折れ角θ１の稼働範囲を広くすることができる。

［実施の形態３］
実施の形態１および２では、回転体２ａ～２ｃがアクチュエータ１１１～１１３によって駆動された。たとえば、中空の回転軸などを使用して２つの回転体を回転させることができる。これに対して実施の形態２では、アクチュエータとして、姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃを基端側の第１リンクハブに取り付けた例を説明する。なお、アクチュエータの制御については、実施の形態１または実施の形態２で説明した方法を適用するので、ここでは説明は繰り返さない。

図１５は、実施の形態３に係るリンク作動装置の構成を示す斜視模式図である。図１５に示したリンク作動装置１００１は、基本的には図１～図１４に示したパラレルリンク機構２００を利用したリンク作動装置である。図１５に示したリンク作動装置１００１は、パラレルリンク機構２００と、当該パラレルリンク機構２００を駆動するための姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃとを主に備える。

図１５に示したリンク作動装置１００１においては、基端側の第１リンクハブ１が回転体２ａ～２ｃの外周より外側にまで延びるように形成されている。つまり基端側の第１リンクハブ１の平面視における大きさは回転体２ａ～２ｃの平面視における大きさより大きくなっている。基端側の第１リンクハブ１の平面形状は、図１５に示すような円形状であってもよいが、他の任意の形状、たとえば四角形や三角形などの多角形状であってもよく、楕円形状などでもよい。基端側の第１リンクハブ１には３つの姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃが固定部３６ａ～３６ｃを介して固定されている。姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃとしては、たとえば電動モータなどを用いることができる。

姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃはそれぞれ回転体２ａ～２ｃと歯車３８および回転伝達部材３７ａ～３７ｃを介して駆動力を伝達可能に接続されている。姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃは、平面視において回転中心軸１２を中心として周方向に実質的に等間隔に配置されている。なお、姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃの配置は上記周方向において異なる間隔で配置されていてもよい。

具体的には、姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃはそれぞれ回転軸を含み、当該回転軸の端部に歯車３８が接続されている。また回転体２ａ～２ｃの外周部には回転伝達部材３７ａ～３７ｃがネジなどの固定部材４７により固定されている。回転伝達部材３７ａ～３７ｃは、外周部に歯車部を有する円環状の部材である。なお、回転伝達部材３７ａ～３７ｃを回転体２ａ～２ｃに固定する方法としては、必要な強度および精度が得られれば、上述した固定部材４７を用いる方法以外の任意の方法を採用できる。たとえば、回転伝達部材３７ａ～３７ｃを接着、圧入、カシメなどの方法により回転体２ａ～２ｃに固定してもよい。

回転伝達部材３７ａ～３７ｃの歯車部は姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃの回転軸に接続された歯車３８と噛み合っている。姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃの回転軸が回転することにより、歯車３８および回転伝達部材３７ａ～３７ｃが回転し、結果的に回転体２ａ～２ｃを回転駆動することができる。

回転体２ａ～２ｃにはリンク機構１１の第１リンク部材４ａ～４ｃが固定部材４６としてのネジにより固定されている。回転体２ａ～２ｃが姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃにより回転することにより、リンク機構１１の回転中心軸１２周りの位置が変更される。この結果、先端側の第２リンクハブ３の姿勢を変更できる。

以上説明したように、実施の形態３に係るリンク作動装置１００１は、パラレルリンク機構２００と、姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃとを備える。姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃは、３つ以上の回転体２ａ～２ｃのうち少なくとも３つの回転体２ａ～２ｃを回転させ、基端側の第１リンクハブ１に対する先端側の第２リンクハブ３の姿勢を任意に変更する。

この場合、姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃが複数のリンク機構１１を個別に制御することで、先端側の第２リンクハブ３を広範囲かつ精密に動作させることができる。また、上記のようなパラレルリンク機構を用いることで、軽量かつコンパクトなリンク作動装置を実現できる。

上記リンク作動装置は、少なくとも３つの回転体２ａ～２ｃに接続された回転伝達部材３７ａ～３７ｃを備える。姿勢制御用駆動源３５ａ～３５ｃは、回転伝達部材３７ａ～３７ｃを介して少なくとも３つの回転体２ａ～２ｃを回転させる。この場合、回転体２ａ～２ｃに別部材としての回転伝達部材３７ａ～３７ｃを設置するので、回転伝達部材３７ａ～３７ｃの材質を回転体２ａ～２ｃの材質とは独立して選択できる。

なお、実施の形態３においても実施の形態１のように回転体のうち１つを固定して使用する場合には、回転体を１つ削除し、基端側の第１リンクハブ１に１つの第１リンク部材を固定しても良い。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の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 第１リンクハブ、２ａ～２ｃ 回転体、３ 第２リンクハブ、４ａ～４ｃ 第１リンク部材、６ａ～６ｃ 第２リンク部材、７，１７ ボルト、８，１８ ナット、９ ワッシャ、１１，１１ａ～１１ｃ リンク機構、１２，１５ａ～１５ｃ，１６ａ～１６ｃ 回転中心軸、１９，２９ 回転抵抗低減部材、２５ａ～２５ｃ 第１回転対偶部、２６ａ～２６ｃ 第２回転対偶部、３０ 球面リンク中心点、３１ 先端側リンクハブ中心軸、３５ａ～３５ｃ 姿勢制御用駆動源、３６ａ～３６ｃ 固定部、３７ａ～３７ｃ 回転伝達部材、３８ 歯車、４６，４７ 固定部材、５６ ネジ、１００ 制御装置、１０１ 教示部、１０２，１０４ 変換部、１０３ 駆動部、１０５ 手動操作部、１０６ 記憶部、１０７ 表示部、１１１～１１３ アクチュエータ、１２１～１２３ 回転角検出部、２００ パラレルリンク機構、１０００，１００１ リンク作動装置。

Claims (6)

1. パラレルリンク機構と制御装置とを備えるリンク作動装置であって、
   前記パラレルリンク機構は、
   基端側の第１リンクハブと、
   少なくとも３つのリンク機構と、
   前記少なくとも３つのリンク機構のうちの第１リンク機構および第２リンク機構にそれぞれ接続された第１回転体および第２回転体と、
   先端側の第２リンクハブとを備え、
   前記第１回転体および前記第２回転体の各々は、前記第１リンクハブと回転自在に連結され、
   前記少なくとも３つのリンク機構の各々は、
   第１リンク部材と、
   前記第１リンク部材に第１回転対偶部において回転可能に接続された第２リンク部材とを含み、
   前記第２リンク部材は、前記第２リンクハブに第２回転対偶部において回転可能に接続され、
   前記第１リンク機構の第１リンク部材は、前記第１回転体に固定されており、
   前記第２リンク機構の第１リンク部材は、前記第２回転体に固定されており、
   前記少なくとも３つのリンク機構において、前記第１回転対偶部の第１中心軸と、前記第２回転対偶部の第２中心軸とは、球面リンク中心点で交わり、
   前記第１回転体および前記第２回転体の回転中心軸は、前記球面リンク中心点と交わり、
   前記制御装置は、前記第２リンクハブの前記球面リンク中心点に対する姿勢に相当する法線ベクトルを表す情報が与えられると、前記第１回転体および前記第２回転体の回転角度を決定するように構成される、リンク作動装置。
2. 前記パラレルリンク機構は、
   前記少なくとも３つのリンク機構のうちの第３リンク機構に接続された第３回転体をさらに備え、
   前記制御装置は、前記情報が与えられると、前記第１～第３回転体の回転角度を決定するように構成される、請求項１に記載のリンク作動装置。
3. 前記第３回転体は、前記第１リンクハブと回転自在に連結され、
   前記第３リンク機構の第１リンク部材は、前記第３回転体に固定されている、請求項２に記載のリンク作動装置。
4. 前記制御装置は、前記情報が与えられた時点の前記第３回転体の回転角度では前記情報が示す前記法線ベクトルが示す折れ角が実現できない場合には、前記第３回転体の回転角度を変更して、前記折れ角を実現するように前記第１～第３回転体の回転角度を決定する、請求項２または３に記載のリンク作動装置。
5. 前記制御装置は、前記第３回転体の回転角度を変更する場合には、前記第２リンクハブに取り付けられたエンドエフェクタに対する回転処理を併せて実行するように構成される、請求項４に記載のリンク作動装置。
6. 前記少なくとも３つのリンク機構のうちの第３リンク機構の第１リンク部材は、前記第１リンクハブとの位置関係が変わらないように固定されている、請求項１に記載のリンク作動装置。

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