WO2013042577A1 - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

　基端側のリンクハブ(14)に対し先端側のリンクハブ(15)を、３組以上のリンク機構(11～13)を介して姿勢を変更可能に連結する。そのうちの少なくとも２組に、端部リンク部材(11a～13a)を回動させて基端側のリンクハブ(14)に対して先端側のリンクハブ(15)の姿勢を任意に変更させるアクチュエータ(30)と、その動作量を端部リンク部材(11a～13a)に減速して伝達する減速機構(31)とを設ける。減速機構(31)は、アクチュエータ(30)の駆動で回転させられる小歯車(36)と、端部リンク部材(11a～13a)に設けられた大歯車(37)との噛み合いからなる歯車式の減速部(33)を有する。大歯車(37)のピッチ円半径は、端部リンク部材(11a～13a)のアーム長Lの1/2以上とする。

Description

リンク作動装置 関連出願

　本出願は、２０１１年９月２２日出願の特願２０１１－２０７７２４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、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するパラレルリンク機構やロボット関節等のリンク機構に利用されるリンク作動装置に関する。

　パラレルリンク機構を具備する作業装置の一例が、特許文献１に開示されている。この作業装置は、ツールを取付けたトラベリングプレートの位置および姿勢をパラレルリンク機構により変更するようにしたものである。パラレルリンク機構は、下端にトラベリングプレートが連結された複数のリンクを備え、これらリンクの上部が自在継手により角度変更可能に支持されると共に、リンクごとに、自在継手よりも下方へ位置する有効長さを変更可能とされている。

特開２０００－９４２４５号公報

　上記構成のパラレルリンク機構は、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ためには、リンク長さを長くする必要がある。それにより、機構全体の寸法が大きくなって、装置が大型になってしまうという問題があった。また、リンク長さを長くすると、機構全体の剛性の低下を招く。そのため、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の可搬重量も小さいものに制限されるという問題もあった。

　この発明は、コンパクトでありながら、可動部の可動範囲が広く、かつ姿勢調整精度が高く、しかも剛性が高いリンク作動装置を提供することを課題としている。

　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をそれぞれ回転可能に連結し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。言い換えると、この発明のリンク作動装置は、基端側および先端側のそれぞれに設けた基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに対して回転可能に端部リンク部材を連結し、基端側と先端側のそれぞれの端部リンク部材を中央リンク部材に対して回転可能に連結したリンク機構を３組以上有し、各リンク機構の中央部における横断面に関して基端側と先端側を幾何学的に同一としたものである。

　この発明は、上記リンク作動装置において、前記３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に、前記基端側の端部リンク部材を回動させて前記基端側のリンクハブに対して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、このアクチュエータの動作量を前記基端側の端部リンク部材に減速して伝達する減速機構とを設けた。前記減速機構は、前記アクチュエータの駆動で回転させられる小歯車と、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸を回転中心として回転自在に前記基端側の端部リンク部材に設けられた大歯車との噛み合いからなる歯車式の減速部を有し、前記大歯車は、前記小歯車よりもピッチ円半径が大きく、かつそのピッチ円半径が、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸の軸方向中心点から、前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の回転対偶軸の軸方向中心点を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸に直交してその軸方向中心点を通る平面に投影した点までの距離である基端側の端部リンク部材のアーム長の１／２以上である。

　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、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。３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組のリンク機構の基端側の端部リンク部材に対して、アクチュータの回転を減速機構で減速して伝達し、これら基端側の端部リンク部材を定められた角度だけ回転させることにより、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる。

　大歯車のピッチ円半径を基端側の端部リンク部材のアーム長の１／２以上とすることで、先端負荷による基端側の端部リンク部材の曲げモーメントが小さくなるため、リンク作動装置全体の剛性を必要以上に高くしなくて済み、かつ基端側の端部リンク部材の軽量化を図れる。また、大歯車のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置全体の剛性が高くなる。さらに、小歯車と大歯車とからなる歯車式の減速部の減速比を高く設定できるため、アクチュエータの小型化が可能となると共に、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなることにより、先端側のリンクハブの位置決め分解能が向上する。また、大歯車のピッチ円半径が前記アーム長の１／２以上であると、大歯車が、基端側のリンクハブと基端側の端部リンク部材の回転対偶部に設置する軸受の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車の歯部と軸受との間にスペースができ、大歯車の設置が容易である。

　この発明において、前記大歯車のピッチ円半径は、前記基端側の端部リンク部材のアーム長以上であっても良い。これにより、大歯車のピッチ円半径がさらに大きくなり、前記作用・効果がより一層顕著に現れる。加えて、小歯車をリンク機構よりも外径側に設置することが可能となる。その結果、小歯車の設置スペースを容易に確保することができ、設計の自由度が増す。また、小歯車と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置の可動範囲が広くなる。

　この発明において、前記大歯車は、前記基端側の端部リンク部材と別部材であり、前記基端側の端部リンク部材に対して着脱自在としても良く、あるいは前記基端側の端部リンク部材と一体の部材としても良い。基端側の端部リンク部材と別部材である場合は、減速機構の減速比、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの作動範囲等の仕様の変更が容易となり、リンク作動装置の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置を、大歯車を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能である。また、メンテナンス性が良い。例えば、減速機構に障害が生じた場合に、減速機構のみを交換するだけで対処可能である。基端側の端部リンク部材と一体の部材である場合は、部品点数を減らすことができ、組立性が向上する。また、基端側の端部リンク部材と大歯車との滑りが無くなるため、リンク作動装置の剛性および位置決め精度が向上する。

　この発明において、前記歯車式の減速部の減速比を１０以上とすると良い。このように減速比が高いと、低出力のアクチュエータを使用することができ、かつアクチュエータに減速機構を設ける必要がなくなることから、アクチュエータの小型化が可能となる。また、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなるため、先端側のリンクハブの位置決め分解能が向上する。

　この発明において、前記小歯車を、前記大歯車と噛み合う歯部と、この歯部から軸方向の両側に延びる一対の軸部とを有する構成とし、これら一対の軸部を軸受で回転自在に支持するのが良い。このように小歯車を軸方向両側で支持すると、小歯車の支持剛性が高くなるため、先端負荷による基端側の端部リンク部材の角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。

　この発明において、前記小歯車および大歯車は、それぞれ平歯車とするのが良い。平歯車である小歯車および大歯車の製作が容易であり、しかも回転の伝達効率が高い。

　小歯車および大歯車が平歯車であり、前記アクチュエータがロータリアクチュエータである場合、このロータリアクチュエータの回転軸心および前記小歯車の回転軸心を同軸上に位置させ、これらの回転軸心を、前記基端側のリンクハブの中心軸に垂直で、かつ前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸を通る平面上に配置するのが良い。この構成であると、ロータリアクチュエータの回転軸心、小歯車の回転軸心、および基端側のリンクハブと基端側の端部リンク部材の回転対偶軸が同一平面上にあるため、全体的なバランスが良く、組立性が向上する。

　この発明において、前記小歯車はウォームであり、前記大歯車はウォームホイールであっても良い。この場合、小歯車および大歯車を容易に構成でき、大きな減速比を得られる。また、ウォームとウォームホイールの場合、ウォームホイール側からウォームへの逆入力ができないように設計することができるため、先端負荷が作用してもウォームホイールからウォームへ動力が伝達されず、基端側の端部リンク部材の角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置の剛性の向上に繋がる。

　この発明において、前記リンク機構を３組有し、これら３組のリンク機構のすべてに、前記アクチュエータおよび前記減速機構を設けると良い。リンク作動装置を構成する最低限のリンク機構の数は３組であるため、リンク機構を３組とすることで、リンク作動装置全体がコンパクトな構成となる。また、３組のリンク機構のすべてにアクチュエータおよび減速機構を設けることで、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブがどのような姿勢をとっていてもバランス良く駆動できる。つまり、駆動力のバランスが良い。これにより、各アクチュエータを小型化できる。また、３組のリンク機構のすべてにアクチュエータおよび減速機構を設けることで、リンク機構部や減速機構のガタを詰めるように制御することが可能となり、先端側のリンクハブの位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置自体の高剛性化を実現できる。

　この発明において、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブにおける前記各リンク機構の球面リンク中心間に力を発生させる予圧機構を設けると良い。基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブの球面リンク中心間に予圧を与えることで、リンク作動装置のガタが詰まるため、先端側のリンクハブの位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置自体の高剛性化を実現できる。

　前記予圧機構は、例えば、両端部が球面形状に形成された棒状部材を有し、この棒状部材の球面形状の両端部を、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに形成されて前記各リンク機構の球面リンク中心を中心とする球面形状の凹部に摺動自在に嵌めたものとすることができる。あるいは、前記予圧機構は、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブを、それぞれの前記各リンク機構の球面リンク中心を結ぶ直線状に配置した弾性部材により連結したものとしても良い。いずれであっても、基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブにおける各リンク機構の球面リンク中心間に力を発生させることができ、先端側のリンクハブの位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置自体の高剛性化を実現できる。

　この発明において、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβｎ、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδｎ、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をθ、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制御するのが良い。

　基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を指定すると、上記式より、各基端側の端部リンク部材の回転角を計算できる。その計算値に基づき、各基端側の端部リンク部材を駆動するアクチュエータに出力することにより、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を制御できる。

　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斜視図である。 同リンク作動装置のリンク機構の一つを直線で表現した模式図である。 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、および中央リンク部材の縦断面図である。 図５の部分拡大図である。 この発明の第２実施形態にかか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、および中央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縦断面図である。 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。 同リンク作動装置の部分断面図である。 同リンク作動装置の構造体の拡大図である。 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に示すように、このリンク作動装置１は、基台２に対して、リンク機構部３を介して、医療用器具等が取付けられる先端取付部材４を姿勢変更可能に連結したものである。リンク機構部３は、基台２にスペーサ５を介して固定された基端側のリンクハブ１４と、先端取付部材４に固定された先端側のリンクハブ１５と、これら基端側のリンクハブ１４と先端側のリンクハブ１５とを連結する３組のリンク機構１１，１２，１３とを有する。なお、図１および図２では、１組のリンク機構１１のみを表示している。

　図３は、リンク機構部３の斜視図である。３組のリンク機構１１，１２，１３（以下、「１１～１３」と表記する）のそれぞれは、幾何学的に同一形状をなす。すなわち、各リンク機構１１～１３は、後述の各リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂ，１１ｃ～１３ｃを直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂ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。

　各リンク機構１１，１２，１３は、基端側の端部リンク部材１１ａ，１２ａ，１３ａ（以下、「１１ａ～１３ａ」と表記する）、中央リンク部材１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ（以下、「１１ｂ～１３ｂ」と表記する）、および先端側の端部リンク部材１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ（以下、「１１ｃ～１３ｃ」と表記する）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１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃはＬ字状をなし、基端がそれぞれの基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５に回転自在に連結されている。中央リンク部材１１ｂ～１３ｂは、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃの先端がそれぞれ回転自在に連結されている。

　基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃは球面リンク構造で、３組のリンク機構１１～１３における球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ（図１、図２）は一致しており、また、その球面リンク中心ＰＡ，ＰＣからの距離も同じである。端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂとの連結部となる回転対偶軸は、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１１～１３は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、各リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂ，１１ｃ～１３ｃを直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂ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４は、一つのリンク機構１１を直線で表現した模式図である。

　この実施形態のリンク機構１１～１３は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１４および基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと、先端側のリンクハブ１５および先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃとの位置関係が、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの中心線Ａに対して回転対称となる位置構成になっている。図１は、基端側のリンクハブ１４の中心軸Ｂと先端側のリンクハブ１５の中心軸Ｃとが同一線上にある状態を示し、図２は、基端側のリンクハブ１４の中心軸Ｂに対して先端側のリンクハブ１５の中心軸Ｃが所定の作動角をとった状態を示す。各リンク機構１１～１３の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ間の距離Ｄは変化しない。

　基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５は六角柱状で、外周面を構成する６つの側面１６のうちの１つ置きに離れた３つの側面１６に、基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃがそれぞれ回転自在に連結されている。

　図５は基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの連結部を示す縦断面図、図６はその部分拡大図である。基端側のリンクハブ１４の側面１６（図３）から軸部１８（図６）が突出し、この軸部１８に複列の軸受１７（図６）の内輪（図示せず）が外嵌し、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの基端側のリンクハブ側の端部に軸受１７の外輪（図示せず）が内嵌している。つまり、内輪は基端側のリンクハブ１４に固定され、外輪が基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと共に回転する構造である。軸受１７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１９（図６）による締付けでもって所定の予圧量を付与して固定されている。軸受１７としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。先端側のリンクハブ１５と先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃの連結部も、同様の構造である。

　また、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの連結部も、複列の軸受２０を介して互いに回転自在に連結されている。すなわち、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに軸受２０の外輪（図示せず）が内嵌し、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂに設けた軸部２１に軸受２０の内輪（図示せず）が外嵌している。なお、図５および図６では、基端側の端部リンク部材１１ａと中央リンク部材１１ｂの連結部についてのみ図示されている。軸受２０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２２による締付けでもって所定の予圧量を付与して固定されている。軸受２０としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの連結部も、同様の構造である。

　図３に示す前記リンク機構１１～１３において、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５の軸部１８の角度、長さ、および端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃの幾何学的形状が基端側と先端側で等しく、また、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂについても基端側と先端側で形状が等しいとき、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの対称面に対して中央リンク部材１１ｂ～１３ｂと、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５と連結される端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃとの角度位置関係を基端側と先端側で同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１４および基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと、先端側のリンクハブ１５および先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃとは同じに動く。例えば、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５にそれぞれ中心軸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。この等速回転するときの中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの対称面を等速二等分面という。

　このため、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５を共有する同じ幾何学形状のリンク機構１１～１３を円周上に複数配置させることにより、複数のリンク機構１１～１３が矛盾なく動ける位置として中央リンク部材１１ｂ～１３ｂが等速二等分面上のみの動きに限定され、これにより基端側と先端側は任意の作動角をとっても等速回転が得られる。

　各リンク機構１１～１３における４つの回転対偶の回転部、つまり、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａとの連結部分、先端側のリンクハブ１５と先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃとの連結部分、および基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｃ～１３ｃと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂとの２つの連結部分を軸受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を向上できる。

　このリンク機構部３の構成によれば、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の可動範囲を広くとれる。例えば、基端側のリンクハブ１４の中心軸Ｂと先端側のリンクハブ１５の中心軸Ｃの折れ角θの最大値（最大折れ角）を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の旋回角φを０°～３６０°の範囲で設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ１４の中心軸Ｂに対して先端側のリンクハブ１５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１４の中心軸Ｂに対して先端側のリンクハブ１５の中心軸Ｃが傾斜した水平角度のことである。

　前記３組以上のリンク機構１１～１３のうちの少なくとも２組に、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを回動させて基端側のリンクハブ１４に対して先端側のリンクハブ１５の姿勢を任意に変更させるアクチュエータ３０と、このアクチュエータ３０の動作量を基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに減速して伝達する減速機構３１とが設けられている。図示例では、３組以上のリンク機構１１～１３のすべてに、アクチュエータ３０および減速機構３１が設けられている。以下、図５および図６と共に、リンク機構１１に設けられたアクチュエータ３０および減速機構３１について説明するが、リンク機構１２，１３に設けられたものについても同じ構成である。

　図５に示すように、アクチュエータ３０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機３０ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材３２により基台２に固定されている。減速機構３１は、アクチュエータ３０の減速機３０ａと、歯車式の減速部３３とでなる。

　歯車式の減速部３３は、アクチュエータ３０の出力軸３０ｂにカップリング３５を介して回転伝達可能に連結された小歯車３６と、基端側の端部リンク部材１１ａに固定され前記小歯車３６と噛み合う大歯車３７とで構成されている。図示例では、小歯車３６および大歯車３７は平歯車であり、大歯車３７は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車３７は小歯車３６よりもピッチ円半径が大きく、アクチュエータ３０の出力軸３０ｂの回転が基端側の端部リンク部材１１ａへ、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａの回転対偶軸Ｏ１回りの回転に減速して伝達される。その減速比は１０以上とされている。

　大歯車３７のピッチ円半径は、基端側の端部リンク部材１１ａのアーム長Ｌの１／２以上としてある。前記アーム長Ｌは、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａの回転対偶軸Ｏ１の軸方向中心点Ｐ１から、基端側の端部リンク部材１１ａと中央リンク部材１１ｂの回転対偶軸Ｏ２の軸方向中心点Ｐ２を基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａの回転対偶軸Ｏ１に直交してその軸方向中心点Ｐ１を通る平面に投影した点Ｐ３までの距離である。この実施形態の場合、大歯車３７のピッチ円半径が前記アーム長Ｌ以上である。そのため、高い減速比を得るのに有利である。

　小歯車３６は、大歯車３７と噛み合う歯部３６ａの両側に突出する軸部３６ｂを有し、これら両軸部３６ｂが、基台２に設置された回転支持部材３９に設けられた複列の軸受４０によりそれぞれ回転自在に支持されている。軸受４０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。図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受や滑り軸受を用いてもよい。複列の軸受４０の各外輪（図示せず）間にはシム（図示せず）を設け、軸部３６ｂに螺合したナット４１を締め付けることにより、軸受４０に予圧を付与する構成としてある。軸受４０の外輪は、回転支持部材３９に圧入されている。

　大歯車３７は、基端側の端部リンク部材１１ａと別部材であり、基端側の端部リンク部材１１ａに対してボルト等の結合具４２により着脱可能に取付けられている。

　図６に示すように、アクチュエータ３０の回転軸心Ｏ３および小歯車３６の回転軸心Ｏ４は同軸上に位置する。これら回転軸心Ｏ３，Ｏ４は、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａの回転対偶軸Ｏ１と平行で、かつ基台２からの高さが同じとされている。

　図５に示すように、各アクチュエータ３０は制御装置５０で制御される。制御手段５０は、コンピュータによる数値制御式のものであり、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の姿勢を設定する姿勢設定手段５１と、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の姿勢を検出する姿勢検出手段５２とからの信号に基づき、各アクチュエータ３０に出力指令を与える。姿勢設定手段５１は、例えば折れ角θ（図３）および旋回角φ（図３）を規定することで、先端側のリンクハブ１５の姿勢を設定する。姿勢検出手段５２は、例えばエンコーダ（図示せず）等により基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角βｎ（図３におけるβ１，β２）を検出する。あるいはアクチュエータ３０のエンコーダ（図示せず）を先端側のリンクハブ１５の姿勢検出に用いても良い。折れ角θおよび旋回角φと、各回転角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。

　基端側のリンクハブ１４に対し先端側のリンクハブ１５を姿勢変更する場合、姿勢設定手段５１により設定された先端側のリンクハブ１５の姿勢に応じて、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角βｎの制御目標値を計算する。上記回転角βｎは、アクチュエータ３０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、折れ角θおよび旋回角φから基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角βｎを算出する変換のことである。
cos（θ／２）sinβｎ－sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式１）
　ここで、γ（図３）は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの回転対偶軸Ｏ２と、先端側の端部リンク部材１１ｃ～１３ｃと中央リンク部材１１ｂ～１３ｂの回転対偶軸Ｏ５とが成す角度である。δｎ（図３におけるδ１，δ２，δ３）は、基準となる基端側の端部リンク部材１１ａに対する各基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ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、姿勢検出手段５２の信号を利用したフィードバック制御により、実際の回転角βｎが制御目標値となるように各アクチュエータ３０の出力を制御する。それにより、すべてのリンク機構１１～１３の基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａが定められた回転角βｎだけ回転し、先端側のリンクハブ１５が姿勢設定手段５１により設定された姿勢に変更される。

　このリンク作動装置１は、３組のリンク機構１１～１３を有する。リンク作動装置を構成する最低限のリンク機構の数は３組であるため、リンク機構を３組とすることで、リンク作動装置全体がコンパクトな構成となっている。リンク作動装置１は、基端側のリンクハブ１４に対し先端側のリンクハブ１５が直交２軸方向に移動自在な２自由度機構として構成されており、コンパクトでありながら、先端側のリンクハブ１５の可動範囲を広くとれる。そのため、先端取付部材４に取付けられる医療用器具等の操作性が良い。

　３組のリンク機構１１～１３のすべてにアクチュエータ３０および減速機構３１を設けたことにより、基端側のリンクハブ１４に対して先端側のリンクハブ１５がどのような姿勢をとっていてもバランス良く駆動できる。つまり、駆動力のバランスが良い。これにより、各アクチュエータ３０を小型化できる。また、３組のリンク機構１１～１３のすべてにアクチュエータ３０および減速機構３１を設けることで、リンク機構部３や減速機構３１のガタを詰めるように制御することが可能となり、先端側のリンクハブ１５の位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置１自体の高剛性化を実現できる。

　減速機構３１の歯車式の減速部３３は、小歯車３６と大歯車３７の組合せからなり、１０以上の高い減速比が得られる。減速比が高いと、エンコーダ等による位置決め分解能が高くなるため、先端側のリンクハブ１５の位置決め分解能が向上する。また、低出力のアクチュエータ３０を使用することができる。この実施形態では減速機３０ａ付きのアクチュエータ３０を使用しているが、歯車式の減速部３３の減速比が高ければ、減速機無しのアクチュエータ３０を使用することも可能となり、アクチュエータ３０を小型化できる。

　大歯車３７のピッチ円半径を、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａのアーム長Ｌの１／２以上としたことで、先端負荷による基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの曲げモーメントが小さくなる。そのため、リンク作動装置１全体の剛性を必要以上に高くしなくて済むと共に、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの軽量化を図れる。例えば、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａをステンレス鋼（ＳＵＳ）からアルミに変更できる。また、大歯車３７のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車３７の歯部の面圧が減少し、リンク作動装置１全体の剛性が高くなる。また、大歯車３７のピッチ円半径が前記アーム長の１／２以上であると、大歯車３７が、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転対偶部に設置する軸受１７の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車３７の歯部と軸受１７との間にスペースができ、大歯車３７の設置が容易である。

　特にこの実施形態の場合、大歯車３７のピッチ円半径が前記アーム長Ｌ以上であるため、大歯車３７のピッチ円半径がさらに大きくなり、前記作用・効果がより一層顕著に現れる。加えて、小歯車３６をリンク機構１１～１３よりも外径側に設置することが可能となる。その結果、小歯車３６の設置スペースを容易に確保することができ、設計の自由度が増す。また、小歯車３６と他の部材との干渉が起こり難くなり、リンク作動装置１の可動範囲が広くなる。

　小歯車３６および大歯車３７は、それぞれ平歯車であるため、製作が容易であり、しかも回転の伝達効率が高い。小歯車３６は軸方向両側で軸受４０により支持されているため、小歯車３６の支持剛性が高い。それにより、先端負荷による基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの角度保持剛性が高くなり、リンク作動装置１の剛性や位置決め精度の向上に繋がる。また、アクチュエータ３０の回転軸心Ｏ３、小歯車３６の回転軸心Ｏ４、および基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転対偶軸Ｏ１とが同一平面上にあるため、全体的なバランスが良く、組立性が良い。

　大歯車３７は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに対して着脱自在であるため、歯車式の減速部３３の減速比や、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の作動範囲等の仕様の変更が容易となり、リンク作動装置１の量産性が向上する。つまり、同じリンク作動装置１を、大歯車３７を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能である。また、メンテナンス性が良い。例えば、歯車式の減速部３３に障害が生じた場合に、同減速部３３のみを交換するだけで対処可能である。

　図７に示す第２実施形態のように、大歯車３７は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと一体の部材であっても良い。この場合、部品点数を減らすことができ、組立性が向上する。また、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと大歯車３７との滑りが無くなるため、リンク作動装置１の剛性および位置決め精度が向上する。

　また、図８に示す第３実施形態のように、アクチュエータ３０を小歯車３６に対して反転した位置に設置しても良い。アクチュエータ３０の位置以外は、図１～図６の実施形態と同じである。この実施形態の場合、中央リンク部材１１ｂ～１３ｂ等がアクチュエータ３０やモータ固定部材３２等と干渉して作動範囲が狭くなる場合もあるが、全体的にコンパクトな構成となる。

　図９ないし図１１は、この発明の第４実施形態を示す。図９に示すように、このリンク作動装置１は、図１ないし図６に示す前記第１実施形態の構成に加えて、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５における各リンク機構１１～１３の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ間に力を発生させる予圧機構６０を設けたものである。予圧機構６０が設けられていること以外は、前記実施形態と同じ構成である。

　予圧機構６０は、図１１のように両端部６１ａが球面形状に形成された棒状部材６１を有する。基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５には、図１０に示すように、上記棒状部材６１の球面形状の両端部６１ａがそれぞれ摺動自在に嵌る凹部６２が設けられている。図１０は基端側のリンクハブ１４の凹部６２を示すが、先端側のリンクハブ１５の凹部６２も同様である。凹部６２は、基端側のリンクハブ１４（先端側のリンクハブ１５）における先端側のリンクハブ１５（基端側のリンクハブ１４）と対向する側の端面に開口しており、円すい状に先狭まりとなる導入部６２ａと、この導入部６２ａの最奥部に形成された球面状部６２ｂとでなる。球面状部６２ｂの中心は、前記基端側（先端側）の球面リンク中心ＰＡ（ＰＣ）と一致する。棒状部材６１の両端部６１ａは、上記球面状部６２ｂに摺動自在に嵌る球体状である。

　前記導入部６２ａの内周面の母線Ｅと基端側のリンクハブ１４（先端側のリンクハブ１５）の中心線Ｂ（Ｃ）とがなす角度αは、基端側のリンクハブ１４の中心線Ｂと先端側のリンクハブ１５の中心線Ｃとがなす角度である折れ角θ（図３）の最大折れ角をθ_ｍａｘとした場合、α＝θ_ｍａｘ／２としてある。

　図１１に示すように、棒状部材６１は、基端側のリンクハブ１４の凹部６２に嵌る先端部６１ａを有する基端側構造体部分６３と、先端側のリンクハブ１５の凹部６２に嵌る先端部６１ａを有する先端側構造体部分６４とでなり、基端側構造体部分６３の雌ねじ部６３ａと先端側構造体部分６４の雄ねじ部６４ａとが螺合している。これら雄ねじ部６４ａと雌ねじ部６３ａのねじ込み量を変えることで、基端側構造体部分６３および先端側構造体部分６４の各先端部６１ａの中心間距離Ｍが変更される。基端側構造体部分６３に隣接して先端側構造体部分６４の雄ねじ部６４ａと螺合するナット６５が設けられており、このナット６５により、雄ねじ部６４ａと雌ねじ部６３ａの螺合の緩みを防止している。なお、基端側構造体部分６３に雄ねじ部（図示せず）を設け、先端側構造体部分６４に雌ねじ部（図示せず）を設けた構成としてもよい。

　予圧機構６０により、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣ間に予圧を与えると、リンク作動装置１全体に予圧がかかった状態となり、リンク機構部３のガタが詰まる。そのため、先端側のリンクハブ１５の位置決め精度が向上すると共に、リンク作動装置１自体の高剛性化を実現できる。棒状部材６１の両端部６１ａは球面形状であり、かつ基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５の各凹部６２における前記両端部６１ａが嵌る部位が球面状部６２ｂであるため、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の姿勢が変わっても、棒状部材６１の両端部６１ａが常に球面リンク中心ＰＡ（ＰＣ）に位置する状態に維持され、リンク作動装置１の動作に影響を与えない。予圧機構６０の棒状部材６１は、両端部６１ａの中心間距離Ｍを変更可能であるため、上記予圧量を容易に調整できる。

　予圧機構６０は、図１２に示す第５実施形態のように、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５を、それぞれの各リンク機構１１～１３の球面リンク中心ＰＡ，ＰＣを結ぶ直線状に配置した弾性部材６５により連結したものとしても良い。この場合も、前記同様に、先端側のリンクハブ１５の位置決め精度の向上、およびリンク作動装置１自体の高剛性化を実現できる。

　図１３は、減速機構の構成が異なる第６実施形態を示す。このリンク作動装置１の減速機構３１も、アクチュエータ３０の減速機３０ａと歯車式の減速部３３とでなるが、この歯車式の減速部３３は、小歯車３６がウォーム、大歯車３７がウォームホイールで構成されている。この場合も、大歯車３７のピッチ円半径は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａのアーム長Ｌの１／２以上としている。これにより、小歯車３６および大歯車３７が平歯車である場合と同様の作用・効果が得られる。ただし、アーム長Ｌが１以上であると、減速比が大きくなり過ぎて、駆動速度が低下することがある。

　ウォームからなる小歯車３６は、アクチュエータ３０の出力軸３０ｂにカップリング３５を介して回転伝達可能に連結されている。小歯車３６は、ウォームホイールからなる大歯車３７と噛み合う歯部３６ａの両側に突出する軸部３６ｂを有し、これら両軸部３６ｂが、複列の軸受４０によりそれぞれ回転自在に支持されている。複列の軸受４０の各外輪（図示せず）間にはシム（図示せず）を設け、軸部３６ｂに螺合したナット４１を締め付けることにより、軸受４０に予圧を付与する構成としてある。軸受４０の外輪は、回転支持部材３９に圧入されている。

　大歯車３７は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと別部材であり、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに対してボルト等の結合具４２により着脱可能に取付けられている。

　アクチュエータ３０の回転軸心Ｏ３および小歯車３６の回転軸心Ｏ４は同軸上に位置する。これら回転軸心Ｏ３，Ｏ４は、基台２の天板２ａに対し垂直である。アクチュエータ３０は天板２ａの下方に配置され、基台２に固定した支持部材４３に対して、モータ固定部材３２により固定されている。小歯車３６は天板２ａの上方に配置されており、前記支持部材４３に固定された上下一対の回転支持部材３９に、小歯車３６を回転自在に支持する前記軸受４０が設けられている。ウォームからなる小歯車３６とウォームホイールからなる大歯車３７とが噛み合えば、アクチュエータ３０の回転軸心Ｏ３および小歯車３６の回転軸心Ｏ４を別の方向に向けて設置しても良い。

　このリンク作動装置１も、前記実施形態と同様の作用・効果が得られる。さらに、小歯車３６をウォーム、大歯車３７をウォームホイールとしたことで、小歯車３６および大歯車３７を容易に構成でき、大きな減速比を得られる。

　上記各実施形態では、３組のリンク機構１１～１３のすべてのアクチュエータ３０および減速機構３１を設けたが、２組のリンク機構にだけアクチュエータ３０および減速機構３１を設けた構成としても、基端側のリンクハブ１４に対して先端側のリンクハブ１５を姿勢変更することができる。ただし、３組すべてに設けた場合に比べて、減速機構３１等にガタが生じるおそれがある。リンク機構の数は３組に限らず、４組以上設けても良い。

　また、上記各実施形態では、アクチュエータ３０の回転軸心Ｏ３と小歯車３６の回転軸心Ｏ４とを同軸上に位置させているが、アクチュエータ３０の回転を小歯車３６に伝達することが可能であれば、アクチュエータ３０および小歯車３６の配置については特に規定しない。

　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態および応用形態を説明したが、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…リンク作動装置
１１，１２，１３…リンク機構
１１ａ，１２ａ，１３ａ…基端側の端部リンク部材
１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ…中央リンク部材
１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ…先端側の端部リンク部材
１４…基端側のリンクハブ
１５…先端側のリンクハブ
３０…アクチュエータ
３１…減速機構
３３…歯車式の減速部
３６…小歯車
３６ａ…歯部
３６ｂ…軸部
３７…大歯車
４０…軸受
６０…予圧機構
６１…棒状部材
６２…凹部
６５…弾性部材
Ｏ１…基端側のリンクハブと基端側の端部リンク部材の回転対偶軸
Ｏ３…アクチュエータの回転軸心
Ｏ４…小歯車の回転軸心
ＰＡ…基端側のリンクハブの球面リンク中心
ＰＣ…先端側のリンクハブの球面リンク中心

Claims (14)

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をそれぞれ回転可能に連結し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であって、
   　前記３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組に、前記基端側の端部リンク部材を回動させて前記基端側のリンクハブに対して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、このアクチュエータの動作量を前記基端側の端部リンク部材に減速して伝達する減速機構とを設け、
   　前記減速機構は、前記アクチュエータの駆動で回転させられる小歯車と、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸を回転中心として回転自在に前記基端側の端部リンク部材に設けられた大歯車との噛み合いからなる歯車式の減速部を有し、前記大歯車は、前記小歯車よりもピッチ円半径が大きく、かつそのピッチ円半径が、前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸の軸方向中心点から、前記基端側の端部リンク部材と前記中央リンク部材の回転対偶軸の軸方向中心点を前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸に直交してその軸方向中心点を通る平面に投影した点までの距離である基端側の端部リンク部材のアーム長の１／２以上であるリンク作動装置。
2. 　請求項１において、前記大歯車のピッチ円半径が、前記基端側の端部リンク部材のアーム長以上であるリンク作動装置。
3. 　請求項１において、前記大歯車は、前記基端側の端部リンク部材と別部材であり、前記基端側の端部リンク部材に対して着脱自在としたリンク作動装置。
4. 　請求項１において、前記大歯車は、前記基端側の端部リンク部材と一体の部材としたリンク作動装置。
5. 　請求項１において、前記歯車式の減速部の減速比を１０以上としたリンク作動装置。
6. 　請求項１において、前記小歯車は、前記大歯車と噛み合う歯部と、この歯部から軸方向の両側に延びる一対の軸部とを有し、これら一対の軸部を軸受で回転自在に支持したリンク作動装置。
7. 　請求項１において、前記小歯車および前記大歯車は、それぞれ平歯車としたリンク作動装置。
8. 　請求項７において、前記アクチュエータはロータリアクチュエータであり、このロータリアクチュエータの回転軸心および前記小歯車の回転軸心は同軸上にあり、これらの回転軸心を、前記基端側のリンクハブの中心軸に垂直で、かつ前記基端側のリンクハブと前記基端側の端部リンク部材の回転対偶軸を通る平面上に配置したリンク作動装置。
9. 　請求項１において、前記小歯車はウォームであり、前記大歯車はウォームホイールであるリンク作動装置。
10. 　請求項１において、前記リンク機構を３組有し、これら３組のリンク機構のすべてに、前記アクチュエータおよび前記減速機構を設けたリンク作動装置。
11. 　請求項１において、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブにおける前記各リンク機構の球面リンク中心間に力を発生させる予圧機構を設けたリンク作動装置。
12. 　請求項１１において、前記予圧機構は、両端部が球面形状に形成された棒状部材を有し、この棒状部材の球面形状の両端部を、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに形成されて前記各リンク機構の球面リンク中心を中心とする球面形状の凹部に摺動自在に嵌めたものであるリンク作動装置。
13. 　請求項１１において、前記予圧機構は、前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブを、それぞれの前記各リンク機構の球面リンク中心を結ぶ直線状に配置した弾性部材により連結したものであるリンク作動装置。
14. 　請求項１において、前記基端側のリンクハブに対する前記基端側の端部リンク部材の回転角をβｎ、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸と前記先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された中央リンク部材の連結端軸とが成す角度をγ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基端側の端部リンク部材の円周方向の離間角をδｎ、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をθ、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制御するリンク作動装置。

Images