WO2013015165A1 - 等速自在継手およびリンク作動装置 - Google Patents

Abstract

　医療機器や産業機器等に用いられて、２軸間で動力伝達を行う等速自在継手(1)であって、入力部材(2)に対し出力部材(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する。各リンク機構(4)は、入力部材(2)および出力部材(3)に一端がそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のアーム部材(5,6)と、これら入力側および出力側のアーム部材(5,6)の他端にそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のリンク部材(7,8)と、これら入力側および出力側のリンク部材(7,8)に両端がそれぞれ個別に回転可能に連結された中央側のアーム部材(9)と、この中央側のアーム部材(9)における両端の回転対偶部を結ぶ直線上の中点に回転可能に連結された中間部材(10)とを備える。

Description

等速自在継手およびリンク作動装置 関連出願

　本出願は、２０１１年７月２５日出願の特願２０１１－１６２１３０の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　この発明は、医療機器や産業機器等に用いられて、２軸間で動力伝達を行う等速自在継手、および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機器に用いられるリンク作動装置に関する。

　２軸間で動力伝達を行う等速自在継手の一例が特許文献１に、医療機器や産業機器等に用いられるリンク作動装置の一例が特許文献２に、パラレルリンク機構を用いた加工機の一例が特許文献３にそれぞれ開示されている。

特開２００２－３４９５９３号公報 米国特許第５，８９３，２９６号明細書 特開２０００－９４２４５号公報

　特許文献１に開示された等速自在継手は、広作動角でも等速回転を伝達できるが、入力部材の軸心と出力部材の軸心とが互いに平行で、両軸心間がずれている場合は等速回転を伝達することができない。

　特許文献２に開示されたリンク作動装置は、広作動角で姿勢制御を行うことができるが、パラレルリンク機構のように平面上での作業ができない。

　特許文献３に開示されたパラレルリンク機構は、平面上での作業を容易に行うことができるが、出力部材に回転自由度を追加したい場合、出力部材に回転機構を設けなければならない。そのため、出力部材を含む可動部の重量が重くなり、すなわち慣性が大きくなり、パラレルリンク機構を動かすのに出力の大きな駆動源が必要となる。

　この発明の目的は、入力部材の軸心と出力部材の軸心とが互いに平行で、両軸心の軸間が広く離れていても等速回転を伝達することができる等速自在継手を提供することであり、他の目的は、入力部材に対して出力部材を平行に移動させることができ、出力部材の移動範囲を広くとることができるリンク作動装置を提供することである。

　この発明の等速自在継手は、入力部材に対し出力部材を、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、前記入力部材および出力部材に一端がそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のアーム部材と、これら入力側および出力側のアーム部材の他端にそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のリンク部材と、これら入力側および出力側のリンク部材に両端がそれぞれ個別に回転可能に連結された中央側のアーム部材と、この中央側のアーム部材における両端の回転対偶部を結ぶ直線上の中点に回転可能に連結された中間部材とを有する。前記各リンク機構は、前記入力側のアーム部材、前記入力側のリンク部材、および前記中央側のアーム部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記入力側のリンク部材の中央部に対する入力側部分と中央側部分とが対称を成す形状であり、かつ前記出力側のアーム部材、前記出力側のリンク部材、および前記中央側のアーム部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記出力側のリンク部材の中央部に対する出力側部分と中央側部分とが対称を成す形状である。

　この構成によると、３組以上のリンク機構により、入力部材と中間部材、および中間部材と出力部材が、それぞれ互いに直交２軸方向に移動自在な２自由度機構を構成する。そのため、中間部材の軸心に対する出力部材の軸心の折れ角は、入力部材の軸心に対する中間部材の軸心の折れ角と同一となる。また、中間部材に対する出力部材の旋回角は、入力部材に対する中間部材の旋回角と比べて１８０度位相がずれる。これにより、この等速自在継手は、入力部材の軸心と出力部材の軸心とが常に平行を保ちながら動作する。入力部材と中間部材、および中間部材と出力部材は共に等速自在継手構造であるため、入力部材と出力部材も等速自在継手構造となり、入力部材の軸心と出力部材の軸心とが互いに平行で、両軸心の軸間がずれていても等速回転を伝達することができる（特許文献１の段落「０００７」、「０００８」を参照）。

　また、前記２自由度機構は、可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材の軸心と中間部材の軸心の最大折れ角、および中間部材の軸心と出力部材の軸心の最大折れ角は共に約±９０°であり、入力部材に対する中間部材の旋回角、および中間部材に対する出力部材の旋回角を共に０°～３６０°の範囲に設定できる。そのため、この等速自在継手は、作動角が広くても、すなわち入力部材の軸心と出力部材の軸心の軸間が大きくずれていても、等速回転を伝達できる。

　この発明のリンク作動装置は、複合リンク機構とリンク用駆動源とを備える。前記複合リンク機構は、この発明の前記等速自在継手と同じ構成である。前記リンク用駆動源は、前記複合リンク機構における前記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、これら２組以上のリンク機構を動作させて前記中間部材の姿勢および前記出力部材の位置を制御するものである。

　上記リンク用駆動源を設けると、複合リンク機構の中間部材を任意の姿勢に決められる。中間部材の姿勢が決まれば、出力部材の位置が定まる。リンク用駆動源を設けるリンク機構を２組以上としたのは、入力部材に対する中間部材の姿勢を確定するのに必要なためである。先に説明したように、等速自在継手は、入力部材の軸心と出力部材の軸心とが常に平行であり、両軸心の軸間が大きくずれていても等速回転を伝達することができる。等速自在継手と同じ構成である複合リンク機構を備えたこのリンク作動装置は、複合リンク機構の出力部材に駆動機構を搭載して作業を行う場合に、駆動機構を入力部材に対して平行に移動させることができ、駆動機構の移動範囲を広くとることができる。

　この発明のリンク作動装置において、前記入力部材に対する前記入力側のアーム部材の回転角βｎ、前記入力側のアーム部材に回転自在に連結された前記入力側のリンク部材の連結端軸と、前記中央側のアーム部材に回転自在に連結された前記入力側のリンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる入力側のアーム部材に対する各入力側のアーム部材の円周方向の離間角をδｎ、前記入力部材の軸心に対して前記中間部材が傾斜した垂直角度をθ、前記入力部材の軸心に対して前記中間部材が傾斜した水平角度をφとした場合に、
　cos（θ／２）sinβｎ－sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０
で表される式を逆変換することで、前記入力部材に対する前記中間部材の姿勢を制御することができる。なお、垂直角度θは、入力部材の軸心と中間部材の軸心の折れ角のことであり、水平角度φは、入力部材に対する中間部材の旋回角のことである。

　入力部材に対する中間部材の姿勢を指定すると、上記式より、各入力側のアーム部材の回転角を計算できる。その計算値に基づき、各入力側のアーム部材を駆動するリンク用駆動源に出力することにより、入力部材に対する中間部材の姿勢を制御できる。中間部材の姿勢が決まれば、出力部材の位置が定まる。

　この発明のリンク作動装置において、前記入力部材をこの入力部材の軸心回りに旋回自在に支持する基台を設け、この基台に対し前記入力部材を旋回させる旋回用駆動源を設けても良い。この構成であると、旋回用駆動源で入力部材を軸心回りに回転させることにより、出力部材の位置を容易に変更することができる。また、２組以上のリンク機構を駆動するリンク用駆動源と上記旋回用駆動源とを互いに協調させて制御することにより、入力部材に対する中間部材および出力部材の相対位置を変更せずに、出力部材を回転させることができる。

　この発明のリンク作動装置において、前記入力部材をこの入力部材の軸心に沿って進退自在に支持する基台を設け、この基台に対し前記入力部材を進退させる直動用駆動源を設けても良い。この構成であると、直動用駆動源で入力部材を軸心に沿って進退させることにより、出力部材を平面上に位置決めすることができる。

　この発明のリンク作動装置において、前記複数のリンク機構の内側に、前記入力部材側から前記出力部材側へ回転を伝達する可撓性を有する可撓性ワイヤを設けても良い。可撓性ワイヤを設ければ、この可撓性ワイヤを介して伝達されるトルクによって、出力部材に搭載した駆動機構を駆動することができる。そのため、出力部材に駆動機構を駆動するための回転駆動源を設ける必要がなくなり、出力部材と駆動機構とでなる可動部を軽量化できる。可撓性ワイヤは可撓性を有するため、リンク作動装置の姿勢が変化しても出力部材側に回転を伝達することができる。また、可撓性ワイヤが複数のリンク機構の内側に配置されていると、可撓性ワイヤがリンク作動装置以外の器物と干渉することを防止できる。

　前記可撓性ワイヤは、可撓性のアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、隣合う転がり軸受間に、これら転がり軸受に対して予圧を与えるばね要素を設けた構造とするのが良い。

　可撓性ワイヤの回転軸となるインナワイヤをアウタチューブの内部に設けることで、インナワイヤを保護することができる。インナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、隣合う転がり軸受間にばね要素を設けることにより、インナワイヤの固有振動数が低くなることを抑えられ、インナワイヤを高速回転させることが可能である。

　前記可撓性ワイヤを設ける場合、前記出力部材に、この出力部材の軸心回りに回転する回転機構を設け、この回転機構へ前記可撓性ワイヤを介して回転を伝達しても良い。可撓性ワイヤを介して回転機構に回転を伝達すると、出力部材に回転機構の駆動源を設けずに済み、出力部材を含む可動部の軽量化を図れる。それにより、可動部の慣性が小さくなり、小さな駆動力で出力部材の位置を制御できる。

　前記可撓性ワイヤを設ける場合、前記出力部材に、この出力部材の軸心に沿って進退する直動機構を設け、この直動機構を駆動するトルクを前記可撓性ワイヤを介して伝達しても良い。可撓性ワイヤを介して直動機構を駆動するトルクを伝達すると、出力部材に直動機構の駆動源を設けずに済み、出力部材を含む可動部の軽量化を図れる。それにより、可動部の慣性が小さくなり、小さな駆動力で出力部材の位置を制御できる。

　この発明のリンク作動装置は、コンパクトな構成で、パラレルリンク機構を同等の動作を行うことができるため、物品搬送用システムに使用するのに好適である。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１実施形態にかかる等速自在継手の一部を省略した正面図である。 同等速自在継手の異なる状態を示す一部を省略した正面図である。 同等速自在継手の３組の入力側リンク機構部を３次元的に表わした斜視図である。 同等速自在継手の入力部材、入力側のアーム部材、および入力側のリンク部材の縦断面図である。 同等速自在継手の中間部材、中央側のアーム部材、入力側のリンク部材、および出力側のリンク部材の縦断面図である。 同等速自在継手のリンク機構の一つを直線で模式的に表現した図である。 この発明の第２実施形態にかかる等速自在継手の一部を省略した正面図である。 同等速自在継手の異なる状態を示す一部を省略した正面図である。 同等速自在継手の入力部材、入力側のアーム部材、および入力側のリンク部材の縦断面図である。 同等速自在継手の中間部材、中央側のアーム部材、入力側のリンク部材、および出力側のリンク部材の縦断面図である。 この発明の第３実施形態にかかる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異なる状態を示す一部を省略した正面図である。 同リンク作動装置の入力部材、入力側のアーム部材、および入力側のリンク部材の縦断面図である。 同リンク作動装置の入力側リンク機構部の各部の角度を示す斜視図である。 この発明の第４実施形態にかかるリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 この発明の第５実施形態にかかるリンク作動装置の一部を省略した正面図である。 この発明の第６実施形態にかかる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可撓性ワイヤの縦断面図である。 物品搬送システムの縦断面図である。

　この発明の第１実施形態を図１～図６と共に説明する。図１および図２は、等速自在継手のそれぞれ異なる状態を示す正面図である。この等速自在継手１は、入力部材２に対し出力部材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１および図２では、１組のリンク機構４のみが示されている。

　各リンク機構４は、入力部材２および出力部材３に一端がそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のアーム部材５，６と、これら入力側および出力側のアーム部材５，６の他端にそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のリンク部材７，８と、これら入力側および出力側のリンク部材７，８に両端がそれぞれ個別に回転可能に連結された中央側のアーム部材９と、この中央側のアーム部材９における両端の回転対偶部を結ぶ直線上の中点に回転可能に連結された中間部材１０とを備える。中間部材１０は各リンク機構４で共用であり、中間部材１０の外周面に各リンク機構４の中央側のアーム部材９が連結されている。

　３組のリンク機構４は、入力部材２から中間部材１０にかけての入力側リンク機構部４ａと、中間部材１０から出力部材３にかけての出力側リンク機構部４ｂとに分けられる。これら入力側リンク機構部４ａおよび出力側リンク機構部４ｂは、互いに中央側のアーム部材９の中点を中心にして対称な形状である。以下、代表して入力側リンク機構部４ａについて説明し、出力側リンク機構部４ｂについては括弧内に名称および符号を記す。図３は、３組の入力側リンク機構部４ａを３次元的に表わした斜視図である。

　入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ：以下、カッコ内には出力側の対応部分を示す）は、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）、および中央側のアーム部材９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。入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）および中央側のアーム部材９は球面リンク構造で、３組の入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）における球面リンク中心ＰＡ（ＰＢ），ＰＣは一致しており、また、その中心ＰＡ（ＰＢ），ＰＣからの距離も同じである。入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）との連結部となる回転対偶軸、および中央側のアーム部材９と入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）との連結部となる回転対偶軸は、互いにある交差角をもっていてもよいし、平行であってもよい。

　３組の入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）、および中央側のアーム部材９を直線で表現した幾何学モデルが、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の中央部に対する入力側部分（出力側部分）と中央側部分とが対称を成す形状であることを言う。図６は、一つのリンク機構４を直線で模式的に表現した図である。

　この実施形態の入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）は回転対称タイプで、入力部材２（出力部材３）および入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と、中間部材１０および中央側のアーム部材９との位置関係が、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の軸心Ａ１（Ｂ１）に対して回転対称となる位置構成になっている。図１は、入力部材２（出力部材３）の軸心Ａ２（Ｂ２）と中間部材１０の軸心Ｃとが同一線上にある状態を示し、図２は、入力部材２（出力部材３）の軸心Ａ２（Ｂ２）に対して中間部材１０の軸心Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。各入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）の姿勢が変化しても、入力部材２（出力部材３）の球面リンク中心ＰＡ（ＰＢ）と中間部材１０の球面リンク中心ＰＣ間の距離Ｌ_Ａ（Ｌ_Ｂ）は変化しない。

　図４に示すように、入力部材２（出力部材３）は、その中心部に貫通孔１６が軸方向に沿って形成され、また、大きな角度がとれるように外形を球面状としたドーナツ形状をなしている。さらに、入力部材２（出力部材３）には、半径方向に延びる軸部材嵌挿用の貫通孔１８が円周方向等間隔で３個形成され、各貫通孔１８に複列の軸受１９を介して軸部材２０が嵌挿されている。

　前記軸受１９は、例えば深溝玉軸受であって、入力部材２（出力部材３）の貫通孔１８に内嵌された外輪１９ａと、軸部材２０に外嵌された内輪１９ｂと、これら外輪１９ａと内輪１９ｂ間に回転自在に介挿されたボール等の転動体１９ｃとからなる。軸部材２０の外側端部は、入力部材２（出力部材３）から突出し、その突出ねじ部２０ａに入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）が結合され、ナット２３による締付けでもって軸受１９に所定の予圧量を付与して固定されている。入力部材２（出力部材３）に対して軸部材２０を回転自在に支承する軸受１９は、止め輪２２により入力部材２（出力部材３）から抜け止めされている。なお、軸受１９としては、深溝玉軸受を複列で配設する以外に、アンギュラ玉軸受、ローラ軸受、あるいは滑り軸受を使用することも可能である。

　なお、軸部材２０と入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）とは、加締め等により結合される。キーあるいはセレーションにより結合することが可能である。その場合、結合構造の緩みを防止でき、伝達トルクの増加を図ることができる。

　図５に示すように、中間部材１０も、上記入力部材２（出力部材３）と同一構造である。中間部材１０の場合、軸部材２０の突出ねじ部２０ａに中央側のアーム部材９の中央部が結合されている。

　入力部材２、出力部材３、および中間部材１０において、軸部材２０の円周方向位置は等間隔でなくてもよいが、各部材２，３，１０で同じ円周方向の位置関係とする必要がある。これら入力部材２、出力部材３、および中間部材１０は、３組のリンク機構部４で共有され、各軸部材２０に入力側のアーム部材５、出力側のアーム部材６、および中央側のアーム部材９がそれぞれ連結される。

　入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）はＬ字状をなし、一辺を入力部材２（出力部材３）から突出する軸部材２０に結合し、他辺を入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）に連結する。中央部のアーム部材９は２つのＬ字を鏡面対称で組み合わせた形状をなし、２つのＬ字の連結部である中央部を中間部材１０から突出する軸部材２０に結合し、両辺を入力側のリンク部材７および出力側のリンク部材８にそれぞれ連結する。入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）および中央部のアーム部材９は、大きな角度がとれるように、他辺側に位置する軸部２５の屈曲基端内側が大きくカットされた形状を有する。

　入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）はほぼＬ字状をなし、両辺に貫通孔２４を有する。この入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）は、大きな角度がとれるようにその周方向側面がカットされた形状を有する。入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）の他辺から一体的に屈曲成形された軸部２５を、複列の軸受２６を介して入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の両辺の貫通孔２４に挿通する。

　前記軸受２６も、例えば深溝玉軸受であって、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の貫通孔２４に内嵌された外輪２６ａと、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）の軸部２５に外嵌された内輪２６ｂと、これら外輪２６ａと内輪２６ｂ間に回転自在に介挿されたボール等の転動体２６ｃとからなる。入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）および中央側のアーム部材９に対して入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）を回転自在に支承する軸受２６は、止め輪２７により入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）から抜け止めされている。

　上記構成である各入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）において、入力部材２（出力部材３）および中間部材１０の軸部材２０の角度および長さが等しく、かつ入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と中央側のアーム部材９の幾何学的形状が等しく、かつ入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）についても入力側（出力側）と中央側とで形状が等しいとき、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の対称面に対して、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）と、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）および中央側のアーム部材９との角度位置関係を同じにすれば、幾何学的対称性から入力部材２（出力部材３）および入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と、中間部材１０および中央側のアーム部材９とは同じに動き、入力部材２（出力部材３）側と中間部材１０側は同じ回転角になって等速で回転することになる。この等速回転するときの入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の対称面を等速二等分面という。

　このため、入力部材２(出力部材３)および中間部材１０を共有する同じ幾何学形状の入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）を円周上に複数配置させることにより、複数の入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）が矛盾なく動ける位置として入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）が等速二等分面上のみの動きに限定される。これにより、入力部材２（出力部材３）側と中間部材１０側とが任意の作動角をとっても、入力部材２（出力部材３）側と中間部材１０側とが等速回転する。

　各入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）における４つの回転対偶の回転部、つまり、入力部材２（出力部材３）と入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）の連結部分、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の連結部分、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）と中央側のアーム部材９の連結部分、および中央側のアーム部材９と中間部材１０の連結部分に、軸受１９，２６を介在させた構造とすることにより、その連結部分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が向上する。

　この軸受１９，２６を介在させた構造では、軸受１９，２６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、連結部分でのがたつきを抑えることができ、入力部材２（出力部材３）側と中間部材１０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１９，２６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。

　入力側リンク機構部４ａ（出力側リンク機構部４ｂ）は上記構成であり、等速自在継手１は、このような入力側リンク機構部４ａおよび出力側リンク機構部４ｂの組み合わせからなるリンク機構４を３組備える。

　図１、図２において、この等速自在継手１は、３組のリンク機構４により、入力部材２と中間部材１０、および中間部材１０と出力部材３が、それぞれ互いに直交２軸方向に移動自在な２自由度機構を構成する。そのため、中間部材１０の軸心Ｃに対する出力部材３の軸心Ｂ２の折れ角θ_Ｂは、入力部材２の軸心Ａ２に対する中間部材１０の軸心Ｃの折れ角θ_Ａと同一となる。また、中間部材１０に対する出力部材３の旋回角は、入力部材２に対する中間部材１０の旋回角と比べて１８０度位相がずれる。これにより、この等速自在継手１は、入力部材２の軸心Ａ２と出力部材３の軸心Ｂ２とが常に平行を保ちながら動作する。入力部材２と中間部材１０、および中間部材１０と出力部材３は共に等速自在継手構造であるため、入力部材２と出力部材３も等速自在継手構造となり、入力部材２の軸心Ａ２と出力部材３の軸心Ｂ２とが互いに平行で、両軸心Ａ２，Ｂ２の軸間がずれていても等速回転を伝達することができる。

　また、前記２自由度機構は、可動範囲を広くとれる。例えば、入力部材２の軸心Ａ２と中間部材１０の軸心Ｃの最大折れ角、および中間部材１０の軸心Ｃと出力部材３の軸心Ｂ２の最大折れ角は共に約±９０°であり、入力部材２に対する中間部材１０の旋回角、および中間部材１０に対する出力部材３の旋回角を共に０°～３６０°の範囲に設定できる。そのため、この等速自在継手１は、入力部材２の軸心Ａ２と出力部材３の軸心Ｂ２とが各軸心Ａ２，Ｂ２と直交する方向に大きくずれていても、等速回転を伝達できる。

　入力部材２（出力部材３）および中間部材１０に軸受１９の外輪１９ａを内包すると共に内輪１９ｂを入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）および中央側のアーム部材９と結合させて、入力部材２（出力部材３）および中間部材１０内に軸受１９を埋設したので、全体の外形を大きくすることなく、入力部材２（出力部材３）および中間部材１０の外形を拡大することができる。そのため、入力部材２（出力部材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７～図１０は第２実施形態を示す。この第２実施形態の等速自在継手１は、入力部材２、出力部材３，および中間部材１０に対し入力側のアーム部材５、出力側のアーム部材６、中央側のアーム部材９をそれぞれ支持する軸受１９（図９、図１０）を外輪回転タイプとしたものである。図９において、入力部材２（出力部材３）と入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）の連結部を例にとって説明すると、入力部材２（出力部材３）の円周方向の３箇所に軸部３３が形成され、この軸部３３に複列で設けた軸受１９の内輪１９ｂが外嵌され、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）に形成された軸受支持部３４に軸受１９の外輪１９ａが内嵌している。つまり、内輪１９ｂは入力部材２（出力部材３）に固定され、外輪１９ａが入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）と共に回転する構造である。軸部３３の先端ねじ部３３ａに螺着したナット２３による締付けでもって、軸受１９に所定の予圧量を付与している。図１０に示すように、中間部材１０と中央側のアーム部材９の連結部も、上記同様の構造である。

　また、図９および図１０の図例では、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）に対し入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）を支持する軸受２６は、入力側のアーム部材５（出力側のアーム部材６）の軸受支持部３５に外輪２６ａが内嵌し、入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の軸部３６に内輪２６ｂが外嵌している。中央側のアーム部材９と入力側のリンク部材７（出力側のリンク部材８）の連結部も、上記同様の構造である。なお、入力部材２、出力部材３、および中間部材１０には、前記実施形態と同様に、中心部に軸方向に沿う貫通孔１６が形成されている。

　図１１～図１４は、この発明の第３実施形態を示し、上記等速自在継手１と同じ構成の複合リンク機構１Ａを用いたリンク作動装置を示す。図１１および図１２に示すように、このリンク作動装置４１は、複合リンク機構１Ａと、この複合リンク機構１Ａを支持する基台４２と、複合リンク機構１Ａを作動させる２つ以上のリンク用駆動源４３と、これらリンク用駆動源４３を操作するコントローラ４４とを備える。この例では、複合リンク機構１Ａとして、図１ないし図６に示す第１実施形態の等速自在継手１が採用されているが、図７ないし図１０に示す第２実施形態の等速自在継手１であっても良い。複合リンク機構１Ａは等速自在継手１と同じ構成であるので、複合リンク機構１Ａの各部について等速自在継手１の対応する各部と同一符号を付して表し、説明は省略する。

　基台４２は縦長の部材であって、その上面に複合リンク機構１Ａの入力部材２が固定されている。基台４２の上部の外周につば状の駆動源取付台４５が設けられ、この駆動源取付台４５に前記リンク用駆動源４３が垂下状態で取付けられている。リンク用駆動源４３はロータリアクチュエータからなり、その出力軸に取付けたかさ歯車４６と入力部材２の軸部材２０（図１３）に取付けた扇形のかさ歯車４７とが噛み合っている。図１３に示すように、この実施形態では、３本の軸部材２０のうち２本の軸部材２０にかさ歯車４７が取付けられている。これに対応して、リンク用駆動源４３およびかさ歯車４６も、それぞれ２個ずつ設けられている。

　このリンク作動装置４１は、コントローラ４４を操作してリンク用駆動源４３を回転駆動することで、複合リンク機構１Ａを作動させる。詳しくは、リンク用駆動源４３が回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車４６，４７を介して軸部材２０に伝達されて、入力部材２に対する入力側のアーム部材５の角度が変更する。それにより、中間部材１０の姿勢が決まる。中間部材１０の姿勢が決まれば、出力部材３の位置が定まる。リンク用駆動源４３を設けるリンク機構４を２組以上としたのは、入力部材２に対する中間部材１０の姿勢を確定するのに必要なためである。３組すべてのリンク機構４にリンク用駆動源４３を設けてもよい。

　先に説明したように、等速自在継手１は、入力部材２の軸心Ａ２と出力部材３の軸心Ｂ２とが常に平行であり、両軸心Ａ２，Ｂ２の軸間が大きくずれていても等速回転を伝達することができる。そのため、等速自在継手１と同じ構成の複合リンク機構１Ａを備えたこのリンク作動装置４１は、出力部材３に駆動機構（図示せず）を搭載して作業を行う場合に、駆動機構を入力部材２に対して平行に移動させることができ、駆動機構の移動範囲を広くとることができる。

　複合リンク機構１Ａを作動させるためのリンク用駆動源４３の回転駆動は、コントローラ４４に設けた操作具（図示せず）により手動で行なってもよく、またはコントローラ４４に設けた設定器（図示せず）によって定められた設定量となるように、制御手段５０（図１１）により自動制御で行ってもよい。制御手段５０は、コントローラ４４内に設けてもよく、またはコントローラ４４の外部に設けてもよい。

　自動制御で行う場合、設定器により設定された中間部材１０の姿勢に応じて、入力側のアーム部材５の回転角βｎの制御目標値を計算する。上記回転角βｎは、リンク用駆動源４３の動作位置を意味する。回転角βｎの計算は、下記の式１を逆変換することで行われる。逆変換とは、入力部材２の軸心Ａ２と中間部材１０の軸心Ｃの折れ角θ（図１４）、および入力部材２に対する中間部材１０の旋回角φ（図１４）から入力側のアーム部材５の回転角βｎを算出する変換のことである。換言すると、折れ角θは、入力部材２の軸心Ａ２に対して中間部材１０が傾斜した垂直角度であり、旋回角φは、入力部材２の軸心Ａ２に対して中間部材１０が傾斜した水平角度である。
　cos（θ／２）sinβｎ－sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０　　　　…（式１）
　ここで、γ（図１４）は、入力側のアーム部材５に回転自在に連結された入力側のリンク部材７の連結端軸と、中央側のアーム部材９に回転自在に連結された入力側のリンク部材７の連結端軸とが成す角度である。δｎ（図１４におけるδ１，δ２，δ３）は、基準となる入力側のアーム部材５（５Ａ）に対する各入力側のアーム部材５の円周方向の離間角である。

　回転角βｎの制御目標値を計算したなら、２つのリンク用駆動源４３を、前記回転角βｎが制御目標値となるように、中間部材１０の姿勢を検出する姿勢検出手段５１の信号を利用してフィードバック制御する。姿勢検出手段５１は、例えば図１１のように、入力側のアーム部材５の回転角βｎ（図１４におけるβ１，β２）を検出する。折れ角θおよび旋回角φと、回転角βｎとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。

　このように、２つのリンク用駆動源４３の回転駆動を制御することにより、入力部材２に対する中間部材１０の姿勢および出力部材３の位置が決定される。３組あるリンク機構４のうち２組のリンク機構４だけにリンク用駆動源４３を設けたため、２つのリンク用駆動源４３だけを制御すればよい。３組すべてのリンク機構４にリンク用駆動源４３を設けた場合と比べて、リンク用駆動源４３のスムーズな動作が可能になり、動作速度が速い。

　図１５は、リンク作動装置の第４実施形態を示す。このリンク作動装置４１は、複合リンク機構１Ａを旋回させる回転機構５３を備えたものであり、基台４２に対して駆動源取付台４５が軸受５４を介して旋回可能に支持されている。複合リンク機構１Ａは、その入力部材２が駆動源取付台４５の上面突出部４５ａの上に固定されている。回転機構５３の駆動源として、基台４２の内部にロータリアクチュエータからなる旋回用駆動源５５が固定して設けられ、この旋回用駆動源５５の出力軸５５ａと駆動源取付台４５の下面突出部４５ｂとが、カップリング５６により互いに一体回転するように連結されている。出力軸５５ａの軸心は、複合リンク機構１Ａの入力部材２の軸心Ａ２と一致している。図示されていないが、前記実施形態のリンク作動装置４１と同様に、リンク用駆動源４３（図１１、図１２）および一対のかさ歯車４６，４７（図１１、図１２）が設けられている。

　このリンク作動装置４１は、旋回用駆動源５５を回転駆動することで、駆動源取付台４５および複合リンク機構１Ａが、入力部材２の軸心Ａ２回りに旋回する。それにより、出力部材３の位置を容易に変更することができる。また、複合リンク機構１Ａを作動させるリンク用駆動源４３と旋回用駆動源５５とを互いに協調させて制御することにより、入力部材２に対する中間部材１０および出力部材３の相対位置を変更せずに、出力部材３を回転させることができる。

　なお、この第４実施形態の場合、旋回用駆動源５５を回転駆動すると、リンク用駆動源４３も回転する構成である。そのため、リンク用駆動源４３に接続されている各種ケーブルに無理な捩れ等が生じないように、駆動源取付台４５および複合リンク機構１Ａの旋回角度を±１８０°以内に制限するのが望ましい。

　また、この第４実施形態では、旋回用駆動源５５が入力部材２の軸心Ａ２上に設置されているが、駆動源取付台４５および複合リンク機構１Ａを旋回させることができれば、旋回用駆動源５５はどのように設置しても構わない。例えば、駆動源取付台４５を、外周に歯が形成された歯車とし、基台４２の外周に旋回用駆動源５５（図示せず）を設け、この旋回用駆動源５５で回転させる歯車を前記駆動源取付台４５からなる歯車と噛み合わせた構成とする。

　図１６は、この発明の第５実施形態にかかるリンク作動装置を示す。このリンク作動装置４１は、複合リンク機構１Ａを直線方向に進退させる直動機構６０を備えたものであり、基台４２の上部筒状内周面に駆動源取付台４５の下面突出部４５ｂが摺動自在に嵌合している。複合リンク機構１Ａは、その入力部材２が駆動源取付台４５の上面突出部４５ａの上に固定されている。直動機構６０の駆動源として、基台４２の内部にリニアアクチュエータからなる直動用駆動源６１が固定して設けられ、この直動用駆動源６１の出力軸６１ａと駆動源取付台４５の下面突出部４５ｂに結合されている。図示されていないが、前記実施形態のリンク作動装置４１と同様に、リンク用駆動源４３（図１１、図１２）および一対のかさ歯車４６，４７（図１１、図１２）が設けられている。

　このリンク作動装置４１は、直動用駆動源６１を進退駆動することで、駆動源取付台４５および複合リンク機構１Ａが、入力部材２の軸心Ａ２に沿って進退する。それにより、出力部材３の高さ位置を容易に変更することができる。複合リンク機構１Ａは、入力部材２および出力部材３をそれぞれの軸心Ａ２，Ｂ２を平行に保ちながら、入力部材２に対する出力部材３の位置決めがされるが、出力部材３の高さ位置は中間部材１０の姿勢によって異なる。したがって、出力部材３を入力部材２および出力部材３の軸心Ａ２，Ｂ２と直交する方向に移動させると、出力部材３の高さ位置が変わってしまう。しかし、直動機構６０が設けられていると、上記出力部材３の高さ位置の変化分だけ複合リンク機構１Ａ全体を高さ方向に進退させることにより、出力部材３の高さ位置を一定に維持することができる。そのため、出力部材３に搭載した駆動機構（図示せず）により、平面上で作業することができる。

　図１７は、この発明の第６実施形態にかかるリンク作動装置を示す。このリンク作動装置４１は、出力部材３に固定した駆動装置取付台６３に、回転機構または直動機構からなる駆動機構６４が搭載されており、基台４２の内部に設けた回転駆動源６５のトルクを、可撓性ワイヤ７０を介して上記駆動機構６４へ伝達するようにしたものである。駆動機構６４が回転機構である場合は、可撓性ワイヤ７０を介して伝達されるトルクによってそのまま駆動され、駆動機構６４が直動機構である場合は、可撓性ワイヤ７０を介して伝達されるトルクをねじ機構等によって直線運動に変換して駆動する。可撓性ワイヤ７０は、入力部材２、中間部材１０、および出力部材３の各貫通孔１６に挿通して設けられている。

　可撓性ワイヤ７０は、図１８に示すように、可撓性のアウタチューブ７１と、このアウタチューブ７１の内部の中心位置に設けられた可撓性のインナワイヤ７２と、このインナワイヤ７２を前記アウタチューブ７１に対して回転自在に支持する複数の転がり軸受７３とを備える。インナワイヤ７２の両端は、それぞれ回転の入力端７２ａおよび出力端７２ｂとなる。アウタチューブ７１は、例えば樹脂製である。インナワイヤ７２としては、例えば金属、樹脂、グラスファイバー等のワイヤが用いられる。ワイヤは単線であっても、撚り線であってもよい。

　各転がり軸受７３はアウタチューブ７１の軸心に沿って一定の間隔を開けて配置されており、隣合う転がり軸受７３間に、これら転がり軸受７３に対して予圧を与えるばね要素７４Ｉ，７４Ｏが設けられている。ばね要素７４Ｉ，７４Ｏは、例えば圧縮コイルばねであり、インナワイヤ７２の外周を巻線が囲むように設けられる。ばね要素は、転がり軸受７３の内輪に予圧を発生させる内輪用ばね要素７４Ｉと、外輪に予圧を発生させる外輪用ばね要素７４Ｏとがあり、これらが交互に配置されている。

　アウタチューブ７１の両端には、このアウタチューブ７１を他の部材、例えば基台４２（図１７）や駆動機構６４（図１７）に結合する継手７５が設けられている。また、インナワイヤ７２の両端には、このインナワイヤ７２を他の回転軸、例えば回転駆動源６５（図１７）の出力軸や駆動機構６４（図１７）の入力軸に回転伝達可能に連結するカップリング７６が設けられている。駆動機構６４を駆動するトルクが大きい（低速高トルク）場合には、図１８のように、インナワイヤ７２の出力端７２ｂに減速機７７を設けると良い。それにより、可撓性ワイヤ７０のインナワイヤ７２のねじれが小さくなり、細いワイヤでも大きなトルクを伝達できる。駆動機構６４を駆動するトルクが小さい（高速低トルク）場合には、インナワイヤ７２の出力端７２ｂに減速機７７を設けなくてもよい。図１８は可撓性ワイヤ７０の一例を示すものであって、可撓性ワイヤ７０は、回転力を伝達できれば、図１８とは別の構成であってもよい。

　このように、可撓性ワイヤ７０を介して出力部材３に搭載された駆動機構６４に回転を伝達すると、出力部材３に駆動機構６４用の駆動源を設けずに済み、出力部材３を含む可動部の軽量化を図れる。それにより、可動部の慣性が小さくなり、小さな駆動力で出力部材３の位置を制御できる。また、可撓性ワイヤ７０は、入力部材２、中間部材１０、および出力部材３の各貫通孔１６に挿通して設けられているため、取り回しが容易であり、操作時にリンク作動装置４１以外の器物と干渉することを防止できる。

　図１９は、この発明のリンク作動装置を生産ライン等における物品搬送システムに適用した例を示す。この例では、生産ライン８０等が設置された空間の上部に設けた天板８１に、出力部材３が下向きになるようにリンク作動装置４１が設置されている。リンク作動装置４１は、直動機構８２を介して天板８１に設置されており、天板８１に対して上下動可能である。直動機構８２は、天板８１のガイド溝８３に沿ってリンク作動装置４１の駆動源取付台４５を上下に摺動自在に案内し、リニアアクチュエータからなる直動用駆動源８４により駆動源取付台４５を上下動させる構成である。リンク作動装置４１の出力部材３には、エアチャック８５が搭載されている。このエアチャック８５には、天板８１に設置したエア供給源８６からのエアが、入力部材２、中間部材１０、および出力部材３の各貫通孔１６に挿通して設けられたエアホース８７を介して供給される。

　この物品搬送システムは、生産ライン８０を流れる物品（図示せず）を、エアチャック８５により把持して他の場所へ移動させる。その際、コントローラ４４により、リンク用駆動源４３で複合リンク機構１Ａを作動させて行う出力部材３の位置決め制御と、直動用駆動源８４でリンク作動装置４１全体を昇降させて行う高さ制御とを協調制御することにより、出力部材３を任意の高さに制御することができる。

　図示は省略するが、図１５のリンク作動装置４１のように旋回用駆動源５５を設けて、天板８１（図１９）に対してリンク作動装置４１を入力部材２の軸心Ａ２回りに回転できるようにしても良い。また、図１６のリンク作動装置４１のように直動用駆動源６１を設けて、天板８１（図１９）に対してリンク作動装置４１を入力部材２の軸心Ａ２に沿って直動させられるようにしても良い。

　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１…等速自在継手
１Ａ…複合リンク機構
２…入力部材
３…出力部材
４…リンク機構
５…入力側のアーム部材
６…出力側のアーム部材
７…入力側のリンク部材
８…出力側のリンク部材
９…中央側のアーム部材
１０…中間部材
４１…リンク作動装置
４２…基台
４３…リンク用駆動源
５３…回転機構
５５…旋回用駆動源
６０…直動機構
６１…直動用駆動源
７０…可撓性ワイヤ
７１…アウタチューブ
７２…インナワイヤ
７３…転がり軸受
７４Ｉ，７４Ｏ…ばね要素

Claims (12)

1. 　入力部材に対し出力部材を、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、前記入力部材および出力部材に一端がそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のアーム部材と、これら入力側および出力側のアーム部材の他端にそれぞれ回転可能に連結された入力側および出力側のリンク部材と、これら入力側および出力側のリンク部材に両端がそれぞれ個別に回転可能に連結された中央側のアーム部材と、この中央側のアーム部材における両端の回転対偶部を結ぶ直線上の中点に回転可能に連結された中間部材とを有し、
   　前記各リンク機構は、前記入力側のアーム部材、前記入力側のリンク部材、および前記中央側のアーム部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記入力側のリンク部材の中央部に対する入力側部分と中央側部分とが対称を成す形状であり、かつ前記出力側のアーム部材、前記出力側のリンク部材、および前記中央側のアーム部材を直線で表現した幾何学モデルが、前記出力側のリンク部材の中央部に対する出力側部分と中央側部分とが対称を成す形状である等速自在継手。
2. 　請求項１に記載の複合リンク機構とリンク用駆動源とを備え、
   　前記リンク用駆動源は、前記複合リンク機構における前記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、これら２組以上のリンク機構を動作させて前記中間部材の姿勢および前記出力部材の位置を制御するものであるリンク作動装置。
3. 　請求項２において、前記入力部材に対する前記入力側のアーム部材の回転角βｎ、前記入力側のアーム部材に回転自在に連結された前記入力側のリンク部材の連結端軸と、前記中央側のアーム部材に回転自在に連結された前記入力側のリンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる入力側のアーム部材に対する各入力側のアーム部材の円周方向の離間角をδｎ、前記入力部材の軸心に対して前記中間部材が傾斜した垂直角度をθ、前記入力部材の軸心に対して前記中間部材が傾斜した水平角度をφとした場合に、
   cos（θ／２）sinβｎ－sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０
   で表される式を逆変換することで、前記入力部材に対する前記中間部材の姿勢を制御するリンク作動装置。
4. 　請求項２において、前記入力部材をこの入力部材の軸心回りに旋回自在に支持する基台を設け、この基台に対し前記入力部材を旋回させる旋回用駆動源を設けたリンク作動装置。
5. 　請求項２において、前記入力部材をこの入力部材の軸心に沿って進退自在に支持する基台を設け、この基台に対し前記入力部材を進退させる直動用駆動源を設けたリンク作動装置。
6. 　請求項２において、前記出力部材に、この出力部材の軸心回りに回転する回転機構を設けたリンク作動装置。
7. 　請求項２において、前記出力部材に、この出力部材の軸心に沿って進退する直動機構を設けたリンク作動装置。
8. 　請求項２において、前記複数のリンク機構の内側に、前記入力部材側から前記出力部材側へ回転を伝達する可撓性を有する可撓性ワイヤを設けたリンク作動装置。
9. 　請求項８において、前記可撓性ワイヤは、可撓性のアウタチューブの内部に、両端がそれぞれ回転の入力端および出力端となる可撓性のインナワイヤを複数の転がり軸受によって回転自在に支持し、隣合う転がり軸受間に、これら転がり軸受に対して予圧を与えるばね要素を設けた構造としたリンク作動装置。
10. 　請求項８において、前記出力部材に、この出力部材の軸心回りに回転する回転機構を設け、この回転機構へ前記可撓性ワイヤを介して回転を伝達するものとしたリンク作動装置。
11. 　請求項８において、前記出力部材に、この出力部材の軸心に沿って進退する直動機構を設け、この直動機構を駆動するトルクを前記可撓性ワイヤを介して伝達するものとした操作機構。
12. 　請求項２において、物品搬送用システムに使用されたリンク作動装置。

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