WO2013176075A1 - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

　本発明のリンク作動装置（１）は、入出力側にそれぞれ配されたリンクハブ（２，３）と、複数組のリンク機構（４Ａ，４Ｂ）とを有する。リンク機構（４Ａ，４Ｂ）は、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、リンクハブ（２，３）に対して回転可能に端部リンク（５，６）を連結し、入力側および出力側の端部リンク（５，６）を中央リンク（７）に対して回転可能に連結してなる。リンクハブ（２，３）と端部リンク（５，６）の回転対偶中心軸（Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）は、対向するリンクハブ（３，２）の側に傾いている。球面リンク中心（Ｐ１，Ｐ２）は、姿勢変更中心（Ｏ）とリンクハブ面（Ｆ１，Ｆ２）との間に位置する。

Description

リンク作動装置 関連出願

　この出願は、２０１２年５月２２日出願の特願２０１２－１１６１４１および２０１２年７月２５日出願の特願２０１２－１６４３９６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、ロボットの関節部、産業機械等における三次元空間での複雑な加工や物品の取り回しに等の作業を広範囲な領域で、高速かつ精密に実行するとき等に用いられるリンク作動装置に関する。

　上記リンク作動装置として、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブを、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構で連結し、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを姿勢変更可能とした構成が提案されている（例えば特許文献１および２）。四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構は、入力側および出力側の各リンクハブ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端部リンクと、これら入力側および出力側の端部リンクに回転可能に連結された中央リンクとでなる。特許文献１には、リンク機構を直線で表現した幾何学モデルにおいて、中央リンクの中央部に対する入力側部分と出力側部分とが鏡像対称を成す形状である例と、点対称を成す形状である例とが開示されている。

　上記特許文献１および２を含む従来のリンク作動装置は、リンク機構の数が三組であった。これは、リンク機構をリンクだけで構成する場合に、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を規定するために必要な最低限のリンク機構の数は三組であることによる。

特許第３６３８０４８号公報 特許第４４７６６０３号公報

　リンク作動装置は、例えば、各リンク機構の内側に形成されている中空部内に曲げ可能な挿通物を通し、この挿通物の曲げ角度を調整することに用いられる。挿通物は、例えば各種チューブや人の腕、足等の四肢である。その場合、挿通物はリンク作動装置の入力側および出力側のリンクハブに連結され、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更することで、挿通物の曲げ角度を調整する。

　入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢変更は、球面リンク中心を曲げ中心として各リンク機構におけるリンクハブに対する端部リンクの回転角を変えることで行う。このため、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更すると、挿通物とリンクハブとの連結部に軸方向および半径方向の変位が生じる。このことを、図１９を用いて説明する。

　図１９において、入力側および出力側の球面リンク中心をＰ１，Ｐ２、入力側および出力側のリンクハブ中心軸をＣ１，Ｃ２、リンク作動装置の姿勢変更中心をＯとする。各リンク機構のリンクハブと端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する関係にあり、その交点が球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２である。リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２は、入力側と出力側とでリンクハブと端部リンクが成す角度が同一である状態において、一方のリンクハブの球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通り他方のリンクハブの球面リンク中心Ｐ２（Ｐ１）に向かって延びる軸線のことである。姿勢変更中心Ｏは、リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２の交点である。

　実線で示すように、入力側のリンクハブ中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ中心軸Ｃ２が成す角度が０°であるとき、姿勢変更中心Ｏと球面リンクハブ中心Ｐ１，Ｐ２との距離は、共にＬ０である。破線で示すように、入力側のリンクハブ中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ中心軸Ｃ２が成す角度がθ°であるとき、姿勢変更中心Ｏとリンクハブ中心Ｐ１，Ｐ２との距離は、共にＬθである。ここで、Ｌ０とＬθとの間に、Ｌ０＝Ｌθ＊cosθの関係が成り立つ。よって、Ｌ０＜Ｌθである。つまり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更すると、姿勢変更中心Ｏとリンクハブ中心Ｐ１，Ｐ２間の距離が変化することにより、挿通物とリンクハブとの連結部に軸方向および半径方向の変位が生じるのである。

　上記変位を吸収して挿通物に無理な力が作用しないようにするために、以下のような対策がなされる。挿通物がチューブである場合には、例えば、チューブを蛇腹状にして伸縮変形可能とする。また、挿通物が人の四肢である場合には、例えば、挿通物とリンクハブの連結部に、変位に応じてスライドして変位を吸収する変位吸収部材を設ける。入力側と出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離が長いと変位量も大きくなり、そのため大きな変位に対応できるように、チューブの蛇腹状部分を長くしたり、変位吸収部材の寸法を大きくしたりする必要がある。しかし、チューブの蛇腹状部分を長くするのは、加工に手間がかかる。また、変位吸収部材の寸法を大きくすると、リンク作動装置が大きくて重くなってしまう。

　他方、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを正確に位置決めするには、リンク機構の四つの回転対偶部の支持剛性を向上させる必要がある。それには、回転対偶部に設けられる軸受の径を大きくする手法、上記軸受の隙間を締め代とする手法等があるが、いずれの手法も、回転対偶部が大きくなり、かつ高価となるという欠点がある。

　この発明の目的は、内側に挿通して配置される挿通物に変位吸収のための余分な加工をしなくて済み、かつ大きな変位吸収部材を設けずに済み、軽量でコンパクトなリンク作動装置を提供することである。

　この発明の他の目的は、回転対偶部を大きくすることなく剛性を向上させることができ、コンパクトかつ低コストで製作可能なリンク作動装置を提供することである。

　この発明のリンク作動装置は、入出力側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有する。この構成のリンク作動装置において、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、球面リンク中心は、姿勢変更中心とリンクハブ面との間に位置する。

　なお、各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交差点が前記球面リンク中心である。前記リンクハブ中心軸は、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線のことである。前記姿勢変更中心は、入力側と出力側のリンクハブが互い平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点のことである。前記リンクハブ面は、前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面のことである。

　この構成によると、リンクハブとそれに連結される端部リンクの入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンクが中央リンクを介して連結されている。この構造は、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが２自由度で姿勢変更が可能であり、その姿勢変更の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ中心軸と出力側のリンクハブ中心軸の最大折れ角を９０°以上とすることが可能であり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの旋回角を０°～３６０°の範囲に設定できる。

　リンクハブと端部リンクの回転対偶中心軸が対向するリンクハブの側に傾いており、球面リンク中心が姿勢変更中心とリンクハブ面との間に位置すると、従来のように、同回転対偶中心軸がリンクハブ中心軸と垂直である場合と比べて、球面リンク中心と姿勢変更中心間の距離が短くなる。また、入力側と出力側の球面リンク中心間の距離も短くなる。これにより、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を変更するときに、各リンク機構の内側に挿通された挿通物とリンクハブとの連結部の変位を小さくできる。そのため、挿通物が前記変位を吸収する構造である場合に、挿通物を大きく伸縮させなくてもよく、加工が容易である。また、挿通物とリンクハブの連結部に、前記変位に応じてスライドして変位を吸収する変位吸収部材を設ける場合に、変位吸収部材の寸法が小さくて済み、リンク作動装置をコンパクトで軽量にできる。

　この発明において、前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸を、互いに平行としてもよい。
　球面リンク機構によると、端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸は、球面リンク中心を通る。この回転対偶中心軸をリンクハブ側に傾斜させずに、入力側と出力側で互いに平行とすることで、入力側と出力側の球面リンク中心間の距離を短くできる。また、前記回転対偶中心軸が入力側と出力側で互いに平行であれば、端部リンクと中央リンクを連結する軸も入力側と出力側で互いに平行となり、中央リンクの加工を容易とする。それにより、加工の位置精度がよくなり、加工コストを低減できる。

　この発明において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸の周方向位置が互いに１８０度の位置にないものとし、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクを、互いに回転方向が逆で、回転変位角度が同じとなるように、互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると良い。
　リンク機構が二組であると、各リンク機構の内側に挿通される挿通物をリンクハブ内に入れるためのリンクハブの開口部を広く確保することができ、挿通物のリンクハブへの出し入れが容易になる。よって、リンク作動装置を挿通物に対して相対的に小型化することが可能である。また、複数のリンク機構の各リンク部材同士の干渉が減り、リンク作動装置の作動角度を大きくとれる。このため、使い勝手が良くなる。

　リンク機構が二組である場合、各リンク機構の二つの中央リンクは、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された１自由度となる。入力側および出力側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、入力側、出力側のそれぞれが独立して１自由度を有している。入力側と出力側の端部リンク間に連動手段が無い場合は、二つの中央リンクの１自由度と入力側と出力側の球面リンク機構の各１自由度とで３自由度となる。ここで、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けると、入力側と出力側の球面リンク機構が連動し、両球面リンク機構で１自由度となる。以上のように、このリンク作動装置は、中央リンクの１自由度と前記球面リンク機構の１自由度を合わせた２自由度の機構となる。なお、中央リンクの位置変位は、入力側と出力側のリンクハブ間においては角度変化となり、以上から入力側と出力側のリンクハブ間は、２方向の角度変化が可能な構造となる。

　前記連動手段は、回転中心軸が前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致する第１の平歯車と、回転中心軸が前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致し前記第１の平歯車と噛み合う第２の平歯車とを有する構成としてもよい。
　平歯車は他の歯車、例えば傘歯車等と比べて安価であるため、連動手段の製造コストを抑えることができる。また、平歯車は、軸方向位置の取付け精度を高く要求されないので、組付けが容易である。

　この発明において、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を限定するリミッターを設けてもよい。
　リミッターにより、回転対偶の相対的な回転角変位を限定することで、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの可動範囲が限定される。それに伴い、各リンク機構の内側に挿通されている挿通物の可動範囲も限定される。リミッターの設定を変えることで、挿通物の状況に応じた可動範囲の調整が容易に行える。

　前記リミッターを設ける場合、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を弾性的に限定する弾性部材を設けても良い。
　この場合、前記挿通物に荷重が加えられたとき、弾性部材の弾性反発力により、リミッターの範囲内で外力および変位を許容することができると共に、リミッターにかかる衝撃荷重を低減でき、リミッター取付部の強度向上や摩耗低減を図れる。

　また、前記リミッターを設ける場合、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を減衰させる減衰材を設けても良い。
　この場合、前記挿通物に大荷重が加えられたとき、挿通物からリンクハブに衝撃荷重が加わる。減衰材が設けられていると、上記衝撃荷重が緩和され、挿通物への負担を軽減することができる。

　この発明において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶の相対的な回転角変位を変更可能とするアクチュエータを設け、かつ前記入力側および出力側のリンクハブにおける一方のリンクハブに対する他方のリンクハブの姿勢を任意の可動範囲内で動作させるように前記アクチュエータを制御する制御装置を設けてもよい。
　この場合、制御装置でアクチュエータを制御することにより、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を、自動で任意の２方向角度位置に任意の時間で変更することができる。

　前記アクチュエータはロータリアクチュエータとすると良い。ロータリアクチュエータであると、対象とする回転対偶を直接に相対的角度変位させることができる。そのため、回転の伝達機構や直線運動を回転運動に変換する機構が不要であり、構造が簡単でコンパクトとなる。

　この発明において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクの相対的な回転角変位を変更可能とする直動アクチュエータを設けてもよい。
　この場合、入力側の端部リンク、中央リンク、出力側の端部リンク、および直動アクチュエータにより閉じたリンク構造となり、リンク機構の剛性が高まる。

　前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸は、互いに平行である場合、前記直動アクチュエータと前記入出力側の端部リンクとは軸受を介して１自由度の回転中心軸回りに互いに回転自在に連結され、前記１自由度の回転中心軸は、前記入出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と平行であるのが良い。
　この構成であると、入力側の端部リンク、中央リンク、出力側の端部リンク、および直動アクチュエータが回転１自由度で連結されることで、さらに高剛性となり、また製作および組立も容易となる。

　この発明において、前記リンク機構の構成部材である三つのリンクおよび入出力側のリンクハブのうちの二つのリンク機構構成部材間に、両者の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材を設けると良い。
　装置自体の重さおよびリンク機構の内側に挿通される挿通物の重さにより、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブ間に角度変位が生じた場合、ばね要素部材に弾性反発力により、前記角度変位を減少させるように復元させることができる。また、アクチュエータにより、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブを姿勢変更する場合には、前記角度変位によって生じる負荷をばね要素部材が補償することで、アクチュエータの出力荷重を抑えることができる。

　前記ばね要素部材は、例えば、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンク間に設ける。
　この配置であると、前記角度変位に対して、ばね要素部材が捩れることなく伸縮のみで対応することが可能であるため、引っ張りばねや圧縮ばねのようなごく普通のばね要素部材を用いることができる。

　上記リンク作動装置は、前記入出力側のリンクハブは、それぞれの前記リンクハブ中心軸に沿って貫通した中空部を有し、前記入出力側のリンクハブ間に四肢関節部が位置し、かつ各リンクハブの前記中空部内に前記四肢関節部に続く部位がそれぞれ挿通された状態で前記四肢関節部回りに装着することができる。
　このリンク作動装置を上記のように四肢関節部に装着すると、筋力が弱い人の四肢関節を適正な角度に保持することができる。また、２自由度以上の曲げが可能であるため、静止時や作動時の違和感が少ない。さらに、アクチュエータにより強制的に作動させるようにした場合は、歩行等の動作補助や、四肢関節部を他動運動させるリハビリにも使える。

　この発明のリンク作動装置において、姿勢変更中心を通り入力側および出力側のリンクハブ中心軸とそれぞれ同じ角度で交差する平面である移動規制平面と平行にガイド部材を設け、このガイド部材により、前記複数組のリンク機構の各中央リンクが前記移動規制平面と平行に移動するように規制する。
　なお、各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心とする。前記リンクハブ中心軸は、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線のことである。また、前記姿勢変更中心は、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点のことである。

　ガイド部材により、複数組のリンク機構の各中央リンクが前記移動規制平面と平行に移動するように規制すると、入力側および出力側のリンクハブの間に曲げや捩じりの外力が付与されたときの、各リンク間の変形による回転対偶部の位置変化のずれを抑制できる。そのため、回転対偶部を大きくしなくても、リンク作動装置全体の剛性を向上させることができる。結果的に、リンク作動装置をコンパクトにでき、かつ低コストで製作できる。

　この発明において、前記各中央リンクは、前記ガイド部材が摺動自在に嵌るガイド溝を有していても良い。
　この場合、中央リンクの溝にガイド部材が摺動自在に嵌ることで、中央リンクの移動が前記移動規制平面と平行となるように規制される。

　この発明において、前記ガイド部材は、前記移動規制平面と直交する方向から見て円弧状の案内面を有し、前記各中央リンクに、前記案内面と摺動自在に接する摺動体を設けても良い。上記案内面の円弧形状は、このリンク作動装置の設計上で、入力側のリンクハブに対する入力側の端部リンクの角度、および出力側のリンクハブに対する出力側の端部リンクの角度を、同角度ずつ変化させた場合における、各中央リンクの移動経路に相当する形状である。
　この構成によると、各中央リンクは、前記移動規制平面と平行に、かつ円弧状の案内面に沿って移動する。それにより、各リンク間の位置変位のずれ量が小さくなるとともに、ガイド部材と中央リンクの傾き量も小さくなり、剛性が上がるとともに摺動の動きがスムーズになる。

　この発明において、前記ガイド部材に、前記各中央リンクの移動範囲を限定するストッパを設けても良い。
　この場合、リンク機構の作動角範囲が限定され、リンク作動装置の作動範囲を予め定めた使用領域内に限定できる。また、ガイド部材の脱落防止になる。

　この発明において、前記中央リンクと前記ガイド部材間に、前記中央リンクをこの中央リンクの移動経路の一方端側へ付勢するばね部材を介在させても良い。
　この場合、中央リンクに対するガイド部材の位置が決まる。

　この発明において、前記中央リンクと前記ガイド部材間に、前記中央リンクがこの中央リンクの移動経路の一方端側へ移動する力を減衰させる減衰部材を介在させても良い。
　この場合、リンクハブに入力される衝撃が緩和され、振動も減衰する。

　この発明において、前記複数組のリンク機構の各中央リンクを、前記ガイド部材を介して、ばね部材により互いに連結しても良い。
　この場合、ガイド部材と中央リンクの相対位置が決まるとともに、各中央リンク間にばね部材による予圧がかかる。その結果、各リンク機構の回転対偶部の隙間、および中央リンクとガイド部材との隙間のガタが詰まる。

　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部品番号は、同一または相当部分を示す。
この発明の第１実施形態にかかるリンク作動装置の正面図である。 同リンク作動装置の側面図である。 同リンク作動装置のリンクハブと端部リンクの連結部を示す断面図である。 同リンク作動装置の端部リンクと中央リンクの連結部を示す断面図である。 同リンク作動装置の端部リンクと中央リンクの連結部を示す側面図である。 同リンク作動装置のリンクハブの平面図である。 同リンク作動装置の端部リンクの形状を示す図である。 同リンク作動装置の使用状態の一例を示す図である。 この発明の第２実施形態にかかるリンク作動装置の正面図である。 同リンク作動装置の側面図である。 リミッターの一例を示す図である。 この発明の第３実施形態にかかるリンク作動装置の正面図である。 同リンク作動装置の平面図である。 図１２のIII－III断面図である。 図１３のIV矢視図である。 図１３のＶ－Ｖ断面図である。 図１３のＶＢ部拡大図である。 同リンク作動装置の使用状態の一例を示す図である。 この発明の第４実施形態にかかるリンク作動装置の中央リンクおよびガイド部を示す図である。 この発明の第５実施形態にかかるリンク作動装置の正面図である。 リンク機構における挿通物とリンクハブとの連結部の変位の説明図である。

　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、図２はこの発明の第１実施形態にかかるリンク作動装置の正面図と側面図である。このリンク作動装置１は、入力側および出力側のリンクハブ２，３を有し、これらリンクハブ２，３を二組のリンク機構４Ａ，４Ｂで連結したものである。図２では、片方のリンク機構４Ｂのみが表示されている。リンク機構４Ａ，４Ｂは、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、入力側のリンクハブ２に一端が回転自在に連結された入力側の端部リンク５と、出力側のリンクハブ３に一端が回転自在に連結された出力側の端部リンク６と、これら端部リンク５，６の他端に両端がそれぞれ回転自在に連結された中央リンク７とで構成される。

　上記二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、幾何学的に同じ形状である。幾何学的に同じ形状とは、リンク機構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互いに同じ形状であることを言う。また、それぞれのリンク機構４Ａ，４Ｂは、直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク７の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称を成す形状である。

　各リンク機構４Ａ，４Ｂの入力側および出力側の端部リンク５，６は、共に球面リンク構造である。球面リンク構造とは、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）、および端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）が、共通の球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）で交差する構造を言う。

　図１、図２のように、入力側と出力側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態で、一方のリンクハブ２（３）の球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通り他方のリンクハブ３（２）の球面リンク中心Ｐ２（Ｐ１）に向かって延びる軸線を、リンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）と称する。入力側と出力側のリンクハブ２，３が互い平行でない状態（図示せず）では、リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２は互いに交差する。この交差点を姿勢変更中心Ｏと称する。

　端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）は、互いに平行である。これに対し、リンクハブ２，３と端部リンク５，６の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）は、対向するリンクハブ３，２の側に傾いている。そのため、球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２は、前記姿勢変更中心Ｏとリンクハブ面Ｆ１，Ｆ２との間に位置する。リンクハブ面Ｆ１，Ｆ２は、リンクハブ２，３におけるリンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２方向の位置が最も姿勢変更中心Ｏに近い箇所を含み、リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２に対して垂直な平面のことである。

　回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）とリンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２の成す角度η（図３）は、例えば４５°である。リンクハブ２，３と端部リンク５，６の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）の成す角度β（図６）は、例えば９０°である。

　図５に示すように、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、それぞれの回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が互いに交差する位置関係にある。つまり、リンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）と垂直な面上での、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°でない。そして、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７（図３では省略）が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度α_１が１２０°とされている。したがって、リンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）と垂直な面上での、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と横断面対称面との角度α_２も１２０°である。

　図１、図２において、上記各リンク機構４Ａ，４Ｂの入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とは、連動手段９により、互いに連動して回転変位するようになっている。この実施形態の場合、連動手段９は、入力側の端部リンク５と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ回りに回転する第１の平歯車１０と、出力側の端部リンク６と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ回りに回転し第１の平歯車１０と噛み合う第２の平歯車１１とで構成されている。一対の平歯車１０，１１は同諸元のものであり、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６が、互いの回転方向が反対で、かつ回転変位角度が同じになるように連動する。

　このように、連動手段９を一対の平歯車１０，１１で構成すると、平歯車は他の歯車、例えば傘歯車等と比べて安価であるため、連動手段９の製造コストを抑えることができる。また、平歯車１０，１１は、軸方向位置の取付け精度をあまり高く要求されないので、組付けが容易である。連動手段９は、同諸元の一対の平歯車１０，１１の噛み合いによるものに限らない。平歯車の代わりリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。

　図示例では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの両方に連動手段９が設けられているが、片方だけであっても良い。片方だけであっても、後で説明する２自由度の動作を規制することは可能である。しかし、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの両方に連動手段９を設けると、リンク作動装置１の剛性が高く、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３を正確に位置決めすることができる。

　図５に示すように、リンクハブ２（３）は、リンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）と垂直な平面に沿って拡がる円弧状であり、内部にリンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）の方向に貫通する中空部２０が形成されている。この中空部２０は、開口部２１を介してリンクハブ２，３の外部と連通している。開口部２１は、入力側および出力側のリンクハブ２，３のいずれについても、各回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに対して同じ側に位置する。つまり、図１、図２のように、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３が互いに平行になる姿勢において、両リンクハブ２，３の開口部２１が、共に同じ側を向く。

　リンクハブ２（３）の両端には、端部リンク５（６）が回転自在に連結されるリンク連結部１３がそれぞれ設けられている。リンク連結部１３は、図３に示すように、内部に二つの転がり軸受１４を有し、これら転がり軸受１４により、端部リンク５（６）の基端に一体に設けた回転軸１５を回転自在に支持する。回転軸１５の軸心は、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と一致する。回転軸１５の一端はリンク連結部１３からリンクハブ２（３）の外径側へ突出しており、その突出部に端部リンク５（６）の基端が、キー１６により回転不能に取り付けられている。回転軸１５は、一端の大径部１５ａと他端に螺着したナット１７とで転がり軸受１４および端部リンク５（６）の基端を挟み込むことで、軸方向に抜け止めされている。

　転がり軸受１４は、外輪１４ａがリンク連結部１３の内周に圧入等により嵌合し、内輪１４ｂが回転軸１４の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１４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。転がり軸受１４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、ローラー軸受を用いても良い。また、転がり軸受１４の代わりに滑り軸受を用いてもよい。

　また、図４Ａ，４Ｂに示すように、中央リンク７の両端部にそれぞれ二つの転がり軸受１８が設けられ、これら転がり軸受１８により、端部リンク５，６の先端にボルト１９ａにより結合された連結軸１９を回転自在に支持する。連結軸１９の軸心は、回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と一致する。転がり軸受１８は、外輪１８ａが中央リンク７の端部に圧入等により嵌合し、内輪１８ｂが連結軸１９の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１８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。転がり軸受１８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、ローラー軸受を用いても良い。また、転がり軸受１８の代わりに滑り軸受を用いてもよい。

　図１に示すように、各リンク機構４Ａ，４Ｂには、入力側のリンクハブ２に対する入力側の端部リンク５の姿勢を任意に変更可能なアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂがそれぞれ設けられている。アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは、例えばロータリアクチュエータであって、回転軸１５を回転駆動することで、端部リンク５を回転させる。アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂがロータリアクチュエータであると、アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの回転をそのまま回転軸１５に伝えることができ、構造が簡単でコンパクトとなる。

　また、図２に示すように、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間には、両端部リンク５，６の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材２６が設けられている。ばね要素部材２６は、例えば引っ張りばねである。ばね要素部材２６の両端は、端部リンク５，６にそれぞれ支持されたばね連結軸２７に、回転可能に連結されている。このばね連結軸２７は、端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行である。

　作用面からだけ見れば、ばね要素部材２６は、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間以外の他のリンク機構構成部材間に設けてもよい。リンク機構構成部材は、入出力側のリンクハブ２，３および三つのリンク５，６，７のことである。しかし、この例のように、ばね要素部材２６を、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間に設けると、前記角度変位に対して、ばね要素部材２６が捩れることなく伸縮のみで対応することが可能である。そのため、引っ張りばねや圧縮ばねのようなごく普通のばね要素部材を用いることができる。また、回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行なばね連結軸２７にばね要素部材２６の両端を連結すれば、ばね連結軸２７とばね要素部材２６の連結部に偏荷重がかかることがなく、ばね保持強度が増す。

　アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂにより入力側の端部リンク５を回転させると、連動手段９により、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６が、中央リンク７に対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動する。それにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の動きが、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる。つまり、このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の機構である。

　詳しく説明する。この構造において、リンクハブ２，３とそれに連結される端部リンク５，６の入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンク５，６が中央リンク７を介して連結されている。ここで各リンク機構４Ａ，４Ｂの二つの中央リンク７は、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された１自由度となる。入力側および出力側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、入力側、出力側のそれぞれが独立して１自由度を有している。入力側と出力側の端部リンク５，６間に連動手段９が無い場合は、二つの中央リンク７の１自由度と入力側と出力側の球面リンク機構の各１自由度とで３自由度となる。ここで、このリンク作動装置１では、入力側と出力側の端部リンク５，６間に連動手段９を設けたため、それぞれの球面リンク機構は連動し、両球面リンク機構で１自由度となる。以上のように、このリンク作動装置１は、中央リンク７の１自由度と前記球面リンク機構の１自由度を合わせた２自由度の機構となる。なお、中央リンク７の位置変位は、入力側と出力側のリンクハブ２，３間においては角度変化となり、以上から入力側と出力側のリンクハブ２，３間は、２方向の角度変化が可能な構造となる。

　この実施形態のように、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂにおいて、端部リンク５，６の角度、長さ、および端部リンク５，６の幾何学的形状が入力側と出力側で等しく、また、中央リンク７についても入力側と出力側で形状が等しいとき、中央リンク７の対称面に対して中央リンク７と、入力側および出力側のリンクハブ２，３と連結される端部リンク５，６との角度位置関係を入力側と出力側で同じにすれば、幾何学的対称性から入力側のリンクハブ２および入力側の端部リンク５と、出力側のリンクハブ３および出力側の端部リンク６とは同じに動く。

　この２自由度のリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ中心軸Ｃ２の折れ角の最大値（最大折れ角）を９０°以上とすることができる。また、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の旋回角を０°～３６０°の範囲で設定できる。折れ角は、入力側のリンクハブ中心軸Ｃ１に対する出力側のリンクハブ中心軸Ｃ２の傾斜角度のことであり、旋回角は、入力側のリンクハブ中心軸Ｃ１に対して出力側のリンクハブ中心軸Ｃ２が傾斜した水平角度のことである。

　また、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）を対向するリンクハブ３（２）の側に傾けたことにより、従来のように、同回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）がリンクハブ中心軸Ｃ１（Ｃ２）と垂直である場合と比べて、球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）と姿勢変更中心Ｏ間の距離が短い。また、入力側と出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離も短い。これにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を変更するときに、各リンク機構４の内側に挿通される挿通物（図示せず）とリンクハブ２，３との連結部の変位を小さくできる。

　各アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂは、手動で制御してもよく、制御装置２４（図１）により制御してもよい。制御装置２４により制御する場合は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を、自動で任意の２方向角度位置に任意の時間で変更することができる。

　リンク作動装置１を使用するに際して、リンク作動装置１自体の重さおよびこのリンク作動装置１が装着される挿通物の重さにより、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３間に角度変位が生じることがあるが、ばね要素部材２６の弾性反発力により、前記角度変位を減少させるように復元させることができる。また、アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂにより、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３を姿勢変更するとき、前記角度変位によって生じる負荷をばね要素部材２６が補償することで、アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの出力荷重を抑えることができる。

　このリンク作動装置１は、各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける四つの回転対偶、つまり、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶、出力側のリンクハブ３と出力側の端部リンク６の回転対偶、および入力側および出力側の端部リンク５，６と中央リンク７との二つの回転対偶を軸受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、滑らかな回転角変位を確保できると共に耐久性を向上できる。

　リンク機構４Ａ，４Ｂの数が二組であって、従来の三組と比べて少ないため、各リンク機構４Ａ，４Ｂ同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。それにより、リンク作動装置１全体の外径が小さいコンパクトな構成とすることが可能である。また、リンク機構４Ａ，４Ｂの数が少ないため、低コスト化を実現できる。さらに、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの形状が同じであるため、部品の種類を減らすことができ、このことからも低コスト化を実現できる。

　また、リンク機構４Ａ，４Ｂが二組であると、各リンク機構４Ａ，４Ｂの内側に挿通される挿通物をリンクハブ２，３の中空部２０に入れるための開口部２１を広く確保することができ、中空部２０への挿通物の出し入れが容易になる。よって、リンク作動装置１を挿通物に対して相対的に小型化することが可能である。また、リンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク部材５，６，７同士の干渉が減り、リンク作動装置１の作動角度を大きくとれる。このため、使い勝手が良くなる。

　各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７は、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのリンクハブ２，３と端部リンク５，６の各回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂが成す角度が１８０°よりも大きい側に位置している。そのため、構造的に、一方のリンク機構４Ａ（４Ｂ）のリンクハブ２と端部リンク５，６の回転対偶部が、他方のリンク機構４Ｂ（４Ａ）の端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶部に干渉しにくい。このことから、前記干渉を避けるために、端部リンク５，６と中央リンク７の回転対偶部を外径方向に張り出して設ける必要がなくなり、外径寸法が小さいコンパクトな構成にできる。

　図７は、このリンク作動装置１をリハビリ、運動補助等の目的で、人の膝関節回りに装着した状態を示す。入力側および出力側のリンクハブ２，３間に膝関節４０が位置し、かつリンクハブ２，３の各中空部２０に膝関節４０に続く部位、すなわち上腿部４１および下腿部４２が挿通される。この場合、人の脚４３が、リンク機構４Ａ，４Ｂの内側に挿通された挿通物となる。上腿部４１および下腿部４２は、開口部２１を通して中空部２０に出し入れされる。リンク作動装置１の装着時に中空部２０から脚４３が抜けないように、開口部２１を塞ぐベルト等（図示せず）を設けておくとよい。

　リンク作動装置１を装着した状態において、アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの駆動により、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの各回転対偶の回転角をそれぞれ調整することで、膝関節４０の曲げ角度および捻り角度を調整できる。また、リンク機構４Ａ，４Ｂの各回転対偶の回転角を固定すれば、上記曲げ角度および捻り角度を固定することが可能となる。このように、膝関節４０の角度を調整や固定することにより、患者の肉体的特徴や患部の状況に応じて異なる角度差に対して容易に対応できる。入力側および出力側のリンクハブ２，３が、患部である膝関節４０の両側で荷重を受けるため、膝関節４０にかかる負荷を軽減できる。さらに、アクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの駆動により、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの各回転対偶の回転角を強制的に変更させることで、歩行等の動作補助を行ったり、膝関節を他動運動させてリハビリを行ったりすることができる。

　先に説明したように、このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢変更時における挿通物とリンクハブ２，３との連結部の変位が小さいため、挿通物である脚４３とリンクハブ２，３との間に前記変位を吸収する変位吸収部材を設けなくて済むか、または寸法の小さい変位吸収部材で済む。このため、リンク作動装置１をコンパクトで軽量にできる。リンク作動装置１は、膝以外の四肢関節部回りに装着して使用することもできる。

　また、このリンク作動装置１は、可撓性のチューブ等（図示せず）をリンク機構４Ａ，４Ｂの内側に挿通し、このチューブ等の曲げ角度を調整するのにも用いることができる。この場合、チューブ等が挿通物となる。このリンク作動装置１であっても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢変更時に挿通物とリンクハブ２，３との連結部が多少変位するため、チューブ等を蛇腹状等の伸縮可能な構造とする必要がある。しかし、前記変位の量は小さいので、蛇腹状部分の寸法が短くて済み、加工が簡単である。

　図８および図９は、この発明の異なる実施形態を示す。このリンク作動装置５１は、前記リンク作動装置１におけるアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの代わりに、各リンク機構４Ａ，４Ｂに、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の相対的な回転角変位を変更可能とする直動アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂを設けたものである。直動アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂの本体部５３ａとロッド部５３ｂは、端部リンク５，６に軸受５４を介して１自由度の回転中心軸５５ａ，５６ａ回りに回転自在に支持された取付部材５５，５６にそれぞれ取り付けられている。前記回転中心軸５５ａ，５６ａは、端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行である。

　この場合、入力側の端部リンク５、中央リンク７、出力側の端部リンク６、および直動アクチュエータ５３Ａ（５３Ｂ）により閉じたリンク構造となり、リンク機構４Ａ（４Ｂ）の剛性が高まる。また、直動アクチュエータ５３Ａ（５３Ｂ）を、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６に回転１自由度で連結したことで、さらに高剛性となり、製作および組立も容易となる。

　図１０は、リンクハブと端部リンクの連結部の異なる構成を示す。この連結部には、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶の相対的な回転角変位を限定するリミッター６０が設けられている。リミッター６０は、リンクハブ２（３）に設けられたストッパ６１と、端部リンク５（６）に設けた一対のストッパ受け６２Ａ，６２Ｂとで構成される。

　ストッパ６１は、リンクハブ２（３）の端面から端部リンク５（６）側に突出した柱状の部材であって、端部リンク５（６）に形成された円弧状の長穴６３に通されている。長穴６３は、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）を中心とする円弧状である。

　ストッパ受け６２Ａ，６２Ｂは、前記ストッパ６１を挟んで周方向の両側にそれぞれ配置され、端部リンク５（６）に対して周方向位置を変更可能に取付けられている。詳しくは、端部リンク５（６）に前記長穴６３に沿う複数のねじ孔６４が設けられており、ストッパ受け６２Ａ，６２Ｂのボルト挿通孔６５に挿通したボルト６６を前記複数のねじ孔６４のいずれかに選択的にねじ込むことで、ストッパ受け６２Ａ，６２Ｂが端部リンク５（６）に対して周方向位置を変更可能に取付けられる。ストッパ受け６２Ａ，６２Ｂの回り止めのために、１つのストッパ受け６２Ａ，６２Ｂに付き、２本のボルト６６で端部リンク５（６）に取付けられる。図示例では、前記ボルト挿通孔６５が２本のボルト６６で共用の長穴とされているが、ボルト６６ごとにボルト挿通孔６５を設けても良い。

　ストッパ受け６２Ａ，６２Ｂには、ストッパ６１側を向く面に、ダンパ６７が設けられている。このダンパ６７は、ゴム等のばね要素部材からなり、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶の相対的な回転角変位を弾性的に限定する作用をする。ダンパ６７は、請求項で言うところの「弾性部材」であり、かつ「減衰材」である。

　図のようにストッパ６１の両側にストッパ受け６２Ａ，６２Ｂの各ダンパ６７が接触した状態にあるとき、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）のなす角度をｃ°、ストッパ６１とストッパ受け６２Ａのなす角度をａ°、ストッパ６１とストッパ受け６２Ｂのなす角度をｂ°とした場合、リンクハブ２（３）に対する端部リンク５（６）の可変角範囲は、（ｃ－ａ）°～（ｃ＋ｂ）°となる。

　リミッター６０により、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶の相対的な回転角変位を限定することで、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の可動範囲が限定される。それに伴い、このリンク作動装置１が装着されている挿通物、例えば四肢関節部の可動範囲も限定される。リミッター６０の設定を変えることで、患部である四肢関節部の状況に応じた可動範囲の調整が容易に行える。また、四肢に衝撃力が加えられたとき、リンクハブ２（３）と接触する四肢に急激に荷重が加わることになるが、ダンパ６７により急な荷重変化が緩和され、四肢への負担を軽減することができる。

　図１１ないし図１５Ａ，１５Ｂに示すように、この発明の第３実施形態にかかるリンク作動装置１は、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７の移動を規制するガイド部材３０を備えている。なお、第１実施形態と同一または相当する構成部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略し、相違する構成について説明する。ガイド部材３０は、姿勢変更中心Ｏを通り入力側および出力側のリンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２とそれぞれ同じ角度で交差する平面である移動規制平面Ｆ４上に配置されており、この移動規制平面Ｆ４と直交する方向から見て円弧状をしている。図１３では、移動規制平面Ｆ４は紙面と平行である。

　上記ガイド部材３０の円弧形状は、このリンク作動装置１の設計上で、入力側のリンクハブ５に対する入力側の端部リンク５の角度、および出力側のリンクハブ６に対する出力側の端部リンク６の角度を、同角度ずつ変化させた場合における、各中央リンク７の中心の移動経路に相当する形状である。中央リンク７の中心は、中央リンク７と入力側の端部リンク５の連結点と、中央リンク７と出力側の端部リンク６の連結点とを結ぶ線分の中間点のことである。

　詳しくは、図１３および図１５Ｂの部分拡大図に示すように、ガイド部材３０は、前記移動規制平面Ｆ４に対して垂直な円筒面からなる案内面Ｆ５を内周に有する案内面部３０ａと、この案内面部３０ａから外周側へ突出した溝嵌り部３０ｂとでなる。図１３に示すように、溝嵌り部３０ｂの両端には、溝嵌り部３０ｂの両面に突出したストッパ３０ｃが設けられている。ストッパ３０ｃは、前記移動経路上における各中央リンク７の移動範囲を限定する。

　一方、各中央リンク７には、ガイド部材３０の前記溝嵌り部３０ｂが摺動自在に嵌るガイド溝３１が形成されている。また、各中央リンク７には、前記案内面Ｆ５と摺動自在に接する摺動体３２が、ボルト３３により取り付けられている。摺動体３２は、中央リンク７のガイド溝３１の底面との間でガイド部材３０を挟み込んで、ガイド部材３０が中央リンク７から離れないように保持する。

　図１１、図１２に示すように、各リンク機構４Ａ，４Ｂには、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を任意に変更するアクチュエータがそれぞれ設けられている。この実施形態では、アクチュエータは直動アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂであって、直動アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂの本体部５３ａとロッド部５３ｂは、端部リンク５，６に軸受２４を介して１自由度の回転中心軸２５ａ，２６ａ回りに回転自在に支持された取付部材２５，２６にそれぞれ取り付けられている。前記回転中心軸２５ａ，２６ａは、端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行である。

　直動アクチュエータ５３Ａ，５３Ｂを伸縮させると、前記回転中心軸２５ａ，２６ａ間の距離が変わる。言い換えると、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の相対角度が変わる。このとき、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６は、連動手段９により、中央リンク７に対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動する。それにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ４の動きが、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる。つまり、このリンク作動装置１は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の機構である。

　ガイド部材３０により、複数組のリンク機構４Ａ，４Ｂの各中央リンク７が移動規制平面Ｆ４上を移動するように規制されているため、入力側および出力側のリンクハブ２，３間に曲げや捩じりの外力が付与されたときの、各リンク５，６，７間の変形による回転対偶部の位置変化のずれを抑制できる。そのため、回転対偶部を大きくしなくても、リンク作動装置１全体の剛性を向上させることができる。結果的に、リンク作動装置１をコンパクトにでき、かつ低コストで製作できる。

　さらに、この実施形態では、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を任意に変更するアクチュエータとして直動アクチュータ５３Ａ，５３Ｂが用いられ、入力側の端部リンク５、中央リンク７、出力側の端部リンク６、および直動アクチュエータ５３Ａ（５３Ｂ）により閉じたリンク構造となっている。そのため、リンク機構４Ａ（４Ｂ）自体の剛性も高い。また、直動アクチュエータ５３Ａ（５３Ｂ）を、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６に回転１自由度で連結したことで、さらに高剛性となり、製作および組立も容易となる。

　以下、異なる実施形態について説明する。
　図１７は、ガイド部材３０の両端部と各中央リンク７とを、それぞれ引っ張りばね等のばね部材５１、およびダンパ等の減衰部材５２により連結した構成を示す。ばね部材５１および減衰部材５２は、ガイド部材３０および中央リンク７に対して、それぞれ移動規制平面Ｆ４と垂直な軸５３，５４回りに回動自在に連結されている。この構成とすると、ばね部材５１により、中央リンク７が移動経路の一方端側へ付勢される。それにより、中央リンク７に対するガイド部材３０の位置が決まる。また、減衰部材５２により、ばね部材５１および外力による中央リンク７にかかる力が減衰させられる。それにより、リンクハブ２，３に入力される衝撃が緩和され、振動も減衰する。

　さらに、この構成の場合、各中央リンク７が、ガイド部材３０を介して、ばね部材５１により互いに連結されている。そのため、ガイド部材３０と中央リンク７の相対位置が決まるとともに、各中央リンク７間にばね部材による予圧がかかる。その結果、各リンク機構４Ａ，４Ｂの回転対偶部の隙間、および中央リンク７とガイド部材３０との隙間のガタが詰まる。

　図１８は、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を変更するアクチュエータとして、ロータリアクチュータ２３Ａ，２３Ｂを用いたリンク作動装置１を示す。ロータリアクチュータ２３Ａ，２３Ｂは、入力側のリンクハブ２の前記回転軸１５を回転駆動することで、入力側の端部リンク５を回転させる。アクチュエータがロータリアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂであると、対象とする回転対偶を直接に相対的角度変位させることができる。そのため、回転の伝達機構や直線運動を回転運動に変換する機構が不要であり、構造が簡単でコンパクトとなる。

　また、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間には、両端部リンク５，６の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材５４が設けられている。ばね要素部材５４は、例えば引っ張りばねである。ばね要素部材５４の両端は、端部リンク５，６にそれぞれ支持されたばね取付軸５５に、回転可能に連結されている。このばね取付軸５５は、端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行である。

　作用面からだけ見れば、ばね要素部材５４は、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間以外の他のリンク間に設けてもよい。しかし、この例のように、ばね要素部材５４を、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６間に設けると、前記対象とする回転対偶の角度変位に対して、ばね要素部材５４が捩れることなく伸縮のみで対応することが可能である。そのため、引っ張りばねや圧縮ばねのようなごく普通のばね要素部材を用いることができる。また、回転対偶中心軸Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ（Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ）と平行なばね取付軸５５にばね要素部材５４の両端を連結すれば、ばね取付軸５５とばね要素部材５４の連結部に偏荷重がかかることがなく、ばね保持強度が増す。

　上記第３～第５実施形態は、「前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面をリンクハブ面と称した場合に、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、前記球面リンク中心は、前記姿勢変更中心と前記リンクハブ面との間に位置する」という構成を有しない、つぎの態様１を含む。

　[態様１]
　入出力側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有するリンク作動装置であって、各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交点を球面リンク中心と称し、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称し、入力側と出力側のリンクハブが互いに平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点を姿勢変更中心と称する場合に、前記姿勢変更中心を通り前記入力側および出力側のリンクハブ中心軸とそれぞれ同じ角度で交差する平面である移動規制平面と平行にガイド部材を設け、このガイド部材により、前記複数組のリンク機構の各中央リンクが前記移動規制平面と平行に移動するように規制するリンク作動装置。

　この構成によると、リンクハブとそれに連結される端部リンクの入力側と出力側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、入力側と出力側の端部リンクが中央リンクを介して連結されている。この構造は、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが２自由度で姿勢変更が可能であり、その姿勢変更の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブの中心軸と出力側のリンクハブの中心軸の最大折れ角を９０°以上とすることが可能であり、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの旋回角を０°～３６０°の範囲に設定できる。

　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、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１…リンク作動装置
２…入力側のリンクハブ（リンク機構構成部材）
３…出力側のリンクハブ（リンク機構構成部材）
４Ａ，４Ｂ…リンク機構
５…入力側の端部リンク（リンク機構構成部材）
６…出力側の端部リンク（リンク機構構成部材）
７…中央リンク（リンク機構構成部材）
９…連動手段
１０，１１…平歯車
２０…中空部
２３Ａ，２３Ｂ…ロータリアクチュエータ
２４…制御装置
２６…ばね要素部材
２８…制御装置
３０…ガイド部材
３０ｃ…ストッパ
３１…ガイド溝
３２…摺動体
４０…膝関節（四肢関節部）
５１…ばね部材
５２…減衰部材
５３Ａ，５３Ｂ…直動アクチュエータ
５４…軸受
５５ａ，５６ａ…回転中心軸
６０…リミッター
６７…ダンパ（弾性部材、減衰材）
Ｃ１…入力側のリンクハブ中心軸
Ｃ２…出力側のリンクハブ中心軸
Ｆ１…入力側のリンクハブ面
Ｆ２…出力側のリンクハブ面
Ｆ３…縦断面対称面
Ｆ４…移動規制平面
Ｆ５…案内面
Ｏ…姿勢変更中心
Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ…入力側のリンクハブと入力側の端部リンクの回転対偶中心軸
Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ…出力側のリンクハブと出力側の端部リンクの回転対偶中心軸
Ｏ３Ａ，Ｏ３Ｂ…入力側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
Ｏ４Ａ，Ｏ４Ｂ…出力側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
Ｐ１…入力側の球面リンク中心
Ｐ２…出力側の球面リンク中心

Claims (25)

1. 　入出力側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、入力側および出力側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記入力側の端部リンク、中央リンク、および出力側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有するリンク作動装置であって、
   　各リンク機構の前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は互いに交差する位置関係であって、この交差点を球面リンク中心と称し、
   　入力側と出力側のリンクハブが互いに平行である状態で、一方のリンクハブの前記球面リンク中心を通り他方のリンクハブの前記球面リンク中心に向かって延びる軸線をリンクハブ中心軸と称し、
   　入力側と出力側のリンクハブが互いに平行でない状態で、入力側および出力側の各前記リンクハブ中心軸が互いに交差する点を姿勢変更中心と称し、
   　前記リンクハブにおける前記リンクハブ中心軸方向の位置が最も前記姿勢変更中心に近い箇所を含み、前記リンクハブ中心軸に対して垂直な平面をリンクハブ面と称した場合に、
   　前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸は、対向するリンクハブの側に傾いており、前記球面リンク中心は、前記姿勢変更中心と前記リンクハブ面との間に位置するリンク作動装置。
2. 　請求項１において、前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸は、互いに平行であるリンク作動装置。
3. 　請求項１において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸の周方向位置が互いに１８０度の位置にないものとし、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクを、互いに回転方向が逆で、回転変位角度が同じとなるように、互いに連動して回転変位させる連動手段を設けたリンク作動装置。
4. 　請求項３において、前記連動手段は、回転中心軸が前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致する第１の平歯車と、回転中心軸が前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と一致し前記第１の平歯車と噛み合う第２の平歯車とを有るリンク作動装置。
5. 　請求項１において、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を限定するリミッターを設けたリンク作動装置。
6. 　請求項５において、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を弾性的に限定する弾性部材を設けたリンク作動装置。
7. 　請求項５において、前記リンク機構における四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶に、この回転対偶の相対的な回転角変位を減衰させる減衰材を設けたリンク作動装置。
8. 　請求項１において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶の相対的な回転角変位を変更可能とするアクチュエータを設け、かつ前記入力側および出力側のリンクハブにおける一方のリンクハブに対する他方のリンクハブの姿勢を任意の可動範囲内で動作させるように前記アクチュエータを制御する制御装置を設けたリンク作動装置。
9. 　請求項８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るリンク作動装置。
10. 　請求項１において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクの相対的な回転角変位を変更可能とする直動アクチュエータを設けたリンク作動装置。
11. 　請求項１０において、前記入力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸、および前記出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸は、互いに平行であり、前記直動アクチュエータと前記入出力側の端部リンクとは軸受を介して１自由度の回転中心軸回りに互いに回転自在に連結され、前記１自由度の回転中心軸は、前記入出力側の端部リンクと前記中央リンクの回転対偶中心軸と平行であるリンク作動装置。
12. 　請求項１において、前記リンク機構の構成部材である三つのリンクおよび入出力側のリンクハブのうちの二つのリンク機構構成部材間に、両者の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材を設けたリンク作動装置。
13. 　請求項１２において、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンク間に、前記ばね要素部材を設けたリンク作動装置。
14. 　請求項１において、前記入出力側のリンクハブは、それぞれの前記リンクハブ中心軸に沿って貫通した中空部を有し、前記入出力側のリンクハブ間に四肢関節部が位置し、かつ各リンクハブの前記中空部内に前記四肢関節部に続く部位がそれぞれ挿通された状態で前記四肢関節部回りに装着されるリンク作動装置。
15. 　請求項１において、前記姿勢変更中心を通り前記入力側および出力側のリンクハブ中心軸とそれぞれ同じ角度で交差する平面である移動規制平面と平行にガイド部材を設け、このガイド部材により、前記複数組のリンク機構の各中央リンクが前記移動規制平面と平行に移動するように規制するリンク作動装置。
16. 　請求項１５において、前記各中央リンクは、前記ガイド部材が摺動自在に嵌るガイド溝を有するリンク作動装置。
17. 　請求項１６において、前記ガイド部材は、前記移動規制平面と直交する方向から見て円弧状の案内面を有し、前記各中央リンクに、前記案内面と摺動自在に接する摺動体を設けたリンク作動装置。
18. 　請求項１５において、前記ガイド部材に、前記各中央リンクの移動範囲を限定するストッパを設けたリンク作動装置。
19. 　請求項１５において、前記中央リンクと前記ガイド部材間に、前記中央リンクをこの中央リンクの移動経路の一方端側へ付勢するばね部材を介在させたリンク作動装置。
20. 　請求項１５において、前記中央リンクと前記ガイド部材間に、前記中央リンクがこの中央リンクの移動経路の一方端側へ移動する力を減衰させる減衰部材を介在させたリンク作動装置。
21. 　請求項１５において、前記複数組のリンク機構の各中央リンクを、前記ガイド部材を介して、ばね部材により互いに連結したリンク作動装置。
22. 　請求項１５において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、入力側および出力側のいずれについても、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶中心軸の周方向位置が互いに１８０度の位置にないものとし、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクを、互いに回転方向が逆で、回転変位角度が同じとなるように、互いに連動して回転変位させる連動手段を設けたリンク作動装置。
23. 　請求項１５において、前記複数のリンク機構のうちの二組以上に、四つの回転対偶のうち少なくとも一つの回転対偶の相対的な回転角変位を変更可能とするアクチュエータを設け、かつ前記入力側および出力側のリンクハブにおける一方のリンクハブに対する他方のリンクハブの姿勢を任意の可動範囲内で動作させるように前記アクチュエータを制御する制御装置を設けたリンク作動装置。
24. 　請求項１５において、前記リンク機構を構成する三つのリンクのうちの二つのリンク間に、両者の位置関係を弾性的に規制するばね要素部材を設けたリンク作動装置。
25. 　請求項１５において、前記入出力側のリンクハブは、それぞれの前記リンクハブ中心軸に沿って貫通した中空部を有し、前記入出力側のリンクハブ間に四肢関節部が位置し、かつ各リンクハブの前記中空部内に前記四肢関節部に続く部位がそれぞれ挿通された状態で前記四肢関節部回りに装着されるリンク作動装置。

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