WO2014156784A1 - リンク作動装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

　先端側のリンクハブ（１５）の姿勢を、複数のリンク機構（１１～１３）の基端側のリンクである各アーム（１１ａ～１３ａ）をアクチュエータ（３）で駆動して変更する制御装置（４）である。一連の動作において、先端側のリンクハブ（１５）を所定量以上の角度で姿勢変更をする場合、３軸のアーム（１１ａ～１３ａ）の干渉を緩和するように各アーム（１１ａ～１３ａ）の始点と終点との間に中継点を設定する中継姿勢設定手段（４２）を設ける。姿勢変更制御手段（４１）は、設定された中継点を前記各アーム（１１ａ～１３ａ）が同時に通過するように位置制御する。

Description

リンク作動装置の制御装置 関連出願

　この出願は、２０１３年３月２６日出願の特願２０１３－０６３９４８および２０１３年７月２９日出願の特願２０１３－１５６５４６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、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の制御装置に関する。

　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。この作業装置のパラレルリンク機構は、各リンクの作動角が小さいので、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、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、装置が大形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。

　上記問題点を解消するものとして、４節連鎖のリンク機構を３組以上設けたリンク作動装置が提案されている（例えば特許文献２，３）。この構成であると、コンパクトでありながら、精密で広範な作動範囲の動作が可能である。

　図２２～図２３は、３節連鎖のリンク機構を３組以上設けたリンク作動装置の一例を示す。このリンク作動装置１は、基端側のリンクハブ１４と、先端側のリンクハブ１５と、これらリンクハブ１４，１５を互いに連結する３組のリンク機構１１，１２，１３とでなる。各リンク機構１１，１２，１３は、基端側の端部リンク部材１１ａ，１２ａ，１３ａ、先端側の端部リンク部材１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ、および中央リンク１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ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。なお、図２２，図２３では、基端側の端部リンク部材１３ａは図示されていない。また、前記基端側の端部リンク部材１１ａ，１２ａ，１３ａを、以下、アーム１１ａ，１２ａ，１３ａと称する。

　このリンク作動装置１の構成によると、基端側のリンクハブ１４と、先端側のリンクハブ１５と、３組のリンク機構１１，１２，１３とで、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ＱＡと先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢの最大折れ角は約±９０°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の旋回角φを０°～３６０°の範囲に設定できる。

特開２０００－９４２４５号公報 米国特許第５，８９３，２９６号 特開２０１１－２４０４４０号公報 特許第４４７６６０３号

　図２２，図２３の例のような３節連鎖の３組のリンク機構１１，１２，１３を設けたリンク作動装置において、２自由度のリンク機構１１，１２，１３を３個のモータ等のアクチュエータ（図示せず）で駆動する場合、折れ角θと旋回角φにより先端側のリンクハブ１５の姿勢が決定される。折れ角θは、基端側のリンクハブ１４の中心軸ＱＡに対する先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢの傾斜角度であり、旋回角φは、基端側のリンクハブ１４の中心軸ＱＡに対する先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢの旋回角度である。その折れ角θと旋回角φとから、前記基端側の端部リンク部材である各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの回転角（以下「アーム回転角」と称す）（β１ｎ、β２ｎ、β３ｎ）を求め、アーム１１ａ，１２ａ，１３ａを駆動するアクチュエータに位置決めさせる。

　例えば、先端側のリンクハブ１５のある姿勢Ａ（θａ、φａ）とＢ（θｂ、φｂ）について、各々の姿勢に対応する各アーム回転角は、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５とアーム回転角との関係式によりＡ（β１ａ、β２ａ、β３ａ）、Ｂ（β１ｂ、β２ｂ、β３ｂ）として求められる。ここで、姿勢Ａから姿勢Ｂへの移動は、各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの回転角がβ１ａからβ１ｂ、β２ａからβ２ｂ、β３ａからβ３ｂへ移動することで実行される。

　図２４にアーム回転角βの指令値と折れ角θの関係を点線の曲線Ｌ１～Ｌ３で示す。同図に示すように、例えば、旋回角を１５°に固定した状態で折れ角θを－６０°から６０°に変化させ姿勢変更する場合、各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａは始点Ａから終点Ｂへ３つのアーム１１ａ，１２ａ，１３ａがポイントツーポイント（Ｐｏｉｎｔ－ｔｏ－Ｐｏｉｎｔ）制御で同期して等速運動で制御される。

　しかし、折れ角θを例えば－６０°、－４５°、－３０°と１５°毎に分割し、各先端側リンクハブ１５の姿勢から先端側リンクハブ１５とアーム回転角との関係式を用いてそれぞれのアーム回転角を求めると、図２４の実線で示す曲線Ｍ１～Ｍ３を通過する経路で各姿勢が決まる。同図から分かるように、特に曲線Ｌ１と曲線Ｍ１とでは折れ角０°付近で経路の乖離が大きい。

　このように、曲線Ｌ１～Ｌ３の経路で駆動の指令をすると、曲線Ｍ１～Ｍ３の経路で駆動の指令をする場合に比べて各アーム回転角β１，β２，β３は、始点と終点を除く途中の経路では各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの位置が、リンクハブとアーム回転角との関係式に対して大きく異なる位置を通過して位置決め指令されることになる。

　このとき各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａは互いに連結され、先端側リンクハブ１５の姿勢により３つのアーム回転角の相対位置は一意に決まるため、アーム回転角の相対位置が崩れ、３つのアーム１１ａ，１２ａ，１３ａが過大に干渉する。すなわち、３つのアーム１１ａ，１２ａ，１３ａが、それぞれのアクチュエータへの指令値に対して偏差を生じたアーム回転角をとる。そのため、曲線Ｌ１～Ｌ３の経路ではリンクの駆動に、より大きなトルクが必要になる。

　これは、１回の駆動における姿勢変更量が大きいほど、経路途中で、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５とアーム回転角βとの関係式から定まるアーム回転角と大きく異なる位置に位置決め指令されるため、各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａ間に干渉が生じ、リンク機構１１，１２，１３の駆動に過大なトルクが必要になることを意味する。このときリンク機構１１，１２，１３にも荷重がかかり、リンク機構１１，１２，１３の組付け不具合や、異常な摩耗等を与え、位置決め精度悪化の原因になる。これを解消するためには図２４の曲線Ｍ１～Ｍ３に近い経路を通過するように各アームを駆動する必要がある。

　しかし、先端側リンクハブ１５の姿勢Ａから姿勢Ｂまでの全経路において干渉（すなわち、指令値に対して３つのリンク機構１１，１２，１３の関係で定まる位置との偏差）を生じないように各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの回転角を制御すると、先端側リンクハブ１５の姿勢から各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの回転角への変換演算時間を要するため移動時間が長くなる。また、予め全経路の座標を記憶して制御する場合は、より大きな記憶メモリが必要になるという問題がある。

　この発明の目的は、先端側リンクハブの姿勢を大きく変更するときに、複数のリンク機構の相互の関係で一義的に定まる各アーム回転角から大きく外れることなく各アームのアクチュエータの位置決め制御が行えて、リンク機構の各部に過大な負荷を掛けずに駆動でき、かつ演算時間による遅れが回避できて高速移動が図れ、制御のための記憶メモリの容量も小さくて済むリンク作動装置の制御装置を提供することである。

　この発明のリンク作動装置の制御装置を実施形態に用いた符号を付して説明する。この発明のリンク作動装置の制御装置は、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し、前記各リンク機構１１～１３は、それぞれ前記基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５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１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂと、これら基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂ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１１ｃ～１３ｃとでなり、前記各リンク機構１１～１３は、このリンク機構１１～１３を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材１１ｃ～１３ｃ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り、前記３組以上のリンク機構１１～１３のそれぞれに、前記基端側の端部リンク部材であるアーム１１ａ～１３ａを回転させることにより、前記基端側のリンクハブ１４に対する前記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３を設けたリンク作動装置において、前記基端側のリンクハブ１４に対する前記先端側のリンクハブ１５の姿勢を、始点姿勢Ａから指令された終点姿勢Ｂへ変更させるように、前記各アクチュエータ３を制御するリンク作動装置の制御装置１である。

　この制御装置１は、前記各アクチュエータ３を、前記始点姿勢Ａとなるときの前記アーム１１ａ～１３ａの回転角である始点から前記終点姿勢Ｂとなるときの回転角である終点へポイントツーポイントで互いに同期して駆動する姿勢変更制御手段４１と、
　前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更するときの前記先端側のリンクハブ１５の姿勢変更量を所定量と比較し、所定量以上である場合に、前記始点姿勢から終点姿勢へ変更する姿勢変更経路の途中に、定められた規則によって１つ以上の中継姿勢を設定し、この中継姿勢になるときの前記各アーム１１ａ～１３ａの回転経路の中継点となる回転角を求めて設定する中継姿勢設定手段４２とを備えている。前記姿勢変更制御手段４１は、前記中継姿勢設定手段４２で設定された前記中継点を前記各アーム１１ａ～１３ａが同時に通過するように位置制御する。

　この構成によると、中継姿勢設定手段４２により、先端側のリンクハブ１５の姿勢変更量が所定量以上である場合に、中継姿勢を設定し、この中継姿勢になるときの前記各アーム１１ａ～１３ａの回転経路の中継点を設定する。姿勢変更制御手段は、この設定された中継点を前記各アーム１１ａ～１３ａが同時に通過するように位置制御する。

　このように先端側リンクハブ１５の中継姿勢を設定して各アーム１１ａ～１３ａがその中継姿勢となる中継点を同時に通過するように制御する。そのため、先端側リンクハブ１５の姿勢を大きく変更するときに、複数のリンク機構１１～１３の相互の関係で一義的に定まる各アーム回転角から大きく外れることなく、各アーム１１ａ～１３ａのアクチュエータ３の位置決め制御が行える。したがって、リンク機構１１～１３の各部に過大な負荷を掛けずに駆動できる。

　また、中継点を求める演算は必要であるが、基本的にはポイントツーポイント制御であるため、先端側リンクハブ１５の姿勢変更の全経路において干渉を生じないように回転角を制御するものと異なり、制御に必要な演算時間が短くて済んで、演算時間による遅れが生じず、高速移動が図れる。また、予め全経路の座標を記憶して制御するものと異なり、記憶メモリの容量が小さくて済む。

　なお、上記の「先端側のリンクハブ１５の姿勢変更量を所定量と比較し、」とある姿勢変更量および所定量は、折れ角θや旋回角φによって直接に定めても良いが、ポイントツーポイント制御した場合に前記アクチュエータ３に生じる最大のトルクが所定値となる折れ角θまたは旋回角φまたはこれら折れ角θと旋回角φの両方の値であっても良い。

　この発明において、前記中継姿勢設定手段４２は、前記先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢から終点姿勢への姿勢変更量を所定量以下に分割した数をもとに前記各アーム１１ａ～１３ａの回転量を分割する構成であっても良い。前記「所定量」は、例えば、先端側のリンクハブ１５を駆動する前記各アクチュエータ３をポイントツーポイント制御で所定の値以下で駆動できる移動量としても良く、これは、リンク装置の幾何学的な寸法およびリンクに与える初期与圧によって決まる。また、駆動するアクチュエータ３についての所定の値とは、リンク装置の入力トルク許容値以下の値を示す。リンク装置が入力部に減速機を有する場合は、その減速機の入力トルク許容値以下の値を示す。

　このように姿勢変更時の経路を分割することで、各軸のアーム１１ａ～１３ａの干渉を緩和し、リンクの組付け不具合や、異常な摩耗を与えないような適正なアクチュエータトルクで駆動することができる。始点姿勢から終点姿勢への先端側のリンクハブ１５の移動経路は近似して求めれば良い。

　この発明において、前記リンク機構が３組であり、前記中継姿勢設定手段４２により前記中継点を設定する前記定められた規則は、前記、先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更する過程で動作する３つのアーム１１ａ～１３ａのうち、２つのアームを選び、この選んだ２つのアームの回転経路を等分し、残り１つのアームは、他の２つのアームとの相対位置関係から一意に決まる位置としても良い。

　この場合に、前記３つのアーム１１ａ～１３ａのうち２つのアームを選ぶ基準として、回転量の大きいアームを選択しても良い。この制御では回転量の大きい２つのアームが各軸の最大速度で等速に移動できるため、最短の移動時間で駆動できる。また、回転時間を考慮しなければ３つのアーム１１ａ～１３ａのうちの２つのアームの選択は、任意に選んでもよい。ただし、このときリンク先端の軌跡は最短経路の通過を保証しない。

　上記のように３つのアーム１１ａ～１３ａのうち２つのアームを選ぶ場合に、残り一つのアームの回転角を定めるについては、選択された２つのアームの回転角から、前記先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）を準変換の変換式で求め、前記リンクハブ１５の姿勢（θ，φ）から逆変換の変換式により前記残り一つのアームの回転角を定めるようにしても良い。これにより、残り一つのアームの回転角を適切に求めることができる。

　この場合に、前記先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）は、前記３つのアーム１１ａ～１３ａのうちの２つのアームの回転角と、順変換等の変換式とを用いて収束演算で求めるようにしても良い。収束演算を行うことで、先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）が、２つのアームの回転角から容易にかつ適切に求まる。

　この発明において、前記中継姿勢設定手段４２は、前記各アームの中継点を求める定められた規則として、前記先端側のリンクハブ１５が最短距離で移動する経路上に一つ以上の中継姿勢をとり、前記経路上の、前記始点姿勢、中継姿勢、および終点姿勢のいずれかである各姿勢のうち、隣り合う姿勢間の成す距離等の量が所定量以下となるリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）に対応する各アームの回転角を前記中継点とする構成としても良い。この場合に、前記リンクハブ１５の姿勢（θ，φ）から逆変換の変換式により各アームの回転角を求めるようにしても良い。

　すなわち、先端側のリンクハブ１５のある始点姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θａ、φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ、φｂ）について、姿勢Ａ、Ｂ間を移動する先端側のリンクハブ１５の姿勢変更経路が、できるだけ最短になるように求める。このとき必要に応じて適切な近似を行うことで、経路を求める時間を短縮することができる。姿勢Ａから姿勢Ｂへの経路を複数の姿勢に分割し、先端側のリンクハブ１５の姿勢Ｎ（θｎ、φｎ）から、逆変換アルゴリズムにより先端側のリンクハブ１５の姿勢に対するアーム軸の回転角Ｎ（β１n、β2n、β3n）を得る。リンク姿勢制御は各軸の位置を同期して移動するように行う。

　この発明において、前記リンク機構が３組であり、前記先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢から終点姿勢への姿勢変更量を所定量以下に分割する場合に、前記先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢Ａ（θａ，φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ，φｂ）から、それぞれ折れ角θの移動量Δθと旋回角φの移動量Δφが所定の移動量以下となるように等分した先端側の各リンクハブ１５の姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）（ただし、ｎ：分割数－１）を逆変換の変換式により求め、この求めた先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）を前記中継姿勢としても良い。このように、折れ角θの移動量Δθと旋回角φの移動量Δφが共に所定の移動量以下となるように等分することで、より一層干渉が少なくて過大な負荷が生じない駆動を行うことができる。

　この発明において、前記姿勢変更制御手段４１は、前記先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの位置決め制御を、前記始点姿勢Ａから姿勢変更を開始するときの加速区間と、前記姿勢Ｂに達する手前で減速する減速区間とを除いて、姿勢変更経路の全区間で加減速無しで行うようにしても良い。このように途中の点を加減速なしで位置決め制御することで、始点姿勢から終点姿勢までを一定速度で滑らかに駆動することができる。

　この発明において、前記リンク作動装置は、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記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前記中央リンク部材の連結端軸とがγの角度を成し、前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記中央リンク部材の連結端軸と前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記基端側および先端側のリンクハブの連結端軸とがαの角度を成し、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（ｎ＝１，２，３，…）、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（ｎ＝１，２，３，…）、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、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部が通る円周上において、基準となる位相に対する各回転対偶部の円周方向の離間角をεｎ（ｎ＝１，２，３，…）、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が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる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部の離間角をε０とした場合、次の関係式

 
で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする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（θ，φ）から前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御する。

　本出願人は、上記特許文献４でリンク作動装置の制御方法を提案している。提案された制御方法は、端部リンク部材の回転角βｎ、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γ、基準となる基端側の端部リンク部材に対する各基準側の端部リンク部材の円周方向の離間角δｎ、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φの４つの関数で定義されている。

　しかし、リンク作動装置を構成するために必要なパラメータである、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端部リンク部材に回転自在に連結されたリンクハブとの連結端軸とが成す角度（端部リンク部材の軸角）αの関数が含まれておらず、端部リンク部材の軸角αが９０°である場合に限定されている。よって、提案の制御方法は、端部リンク部材の軸角αが９０°であるリンク作動装置しか制御することができない。

　上記構成によれば、目標とする先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）が決まると、式１を逆変換することにより、端部リンク部材の回転角βｎを求めることができる。この求められた回転角βｎとなるように各アクチュエータを制御することで、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（θ，φ）が目標とする姿勢になる。式１には、端部リンク部材の軸角αの関数が含まれているので、式１のαの値をそれぞれのリンク作動装置の端部リンク部材の軸角αとすることで、端部リンク部材の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置についても、動作を制御することができる。

　また、式１を順変換することにより、前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎから現在の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（θ，φ）を計算する姿勢計算装置を設けてもよい。

　この構成によれば、姿勢計算装置により、現在の基端側の端部リンク部材の回転角βｎを式１に代入して順変換することにより、現在の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（θ，φ）が計算される。式１には、端部リンク部材の軸角αの関数が含まれているので、式１のαの値をそれぞれのリンク作動装置の端部リンク部材の軸角αとすることで、端部リンク部材の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置についても、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（θ，φ）を計算することができる。

　この発明において、前記式１における左辺の２行目の正負、および前記式２における右辺の正負は、前記基端側のリンクハブに対して前記基端側の端部リンクを組む方向によって決めると良い。離間角ε０は、基端側のリンクハブに対する先端側の端部リンク部材の組む方向によって異なる二つの解を有する。よって、式１における左辺の２行目の正負、および式２における右辺の正負は、基端側のリンクハブに対して基端側の端部リンクを組む方向によって決まる。例えば、組む方向が右方向である場合は「＋」、左方向の場合が「－」とすることで、式１が確定する。それにより、動作を制御することができ、かつ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（θ，φ）を計算することができる。

　この発明において、前記端部リンク部材の軸角αを９０°とすると良い。端部リンク部材の軸角αが９０°であり、基端側および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前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された基端側および先端側のリンクハブの連結端軸とが互いに直交していると、端部リンク部材の穴加工等の加工性が良く、量産性に優れる。

　前記端部リンク部材の軸角αを９０°未満としても良い。端部リンク部材の軸角αを９０°未満とすると、機構としてはリンク作動装置の作動範囲が小さくなる場合もあるが、リンク機構同士が干渉しにくい構造となる。また、端部リンク部材の軽量化、コンパクト化を実現でき、端部リンク部材を材料費等の面から低コストで製作することができる。それにより、リンク作動装置全体の軽量化、コンパクト化を実現できる。さらに、リンク作動装置の内部空間が広がり、その内部空間にケーブル類や他の部品を配置するのに適した構造となる。

　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。

　本発明は、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、本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。本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実施形態に係るリンク作動装置の制御装置のブロック図とその制御対象となるリンク作動装置の一部省略正面図とを組み合わせた説明図である。 同リンク作動装置の図１と異なる動作状態を示す一部省略正面図である。 同リンク作動装置のリンク作動装置本体の斜視図である。 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幾何学的モデル図である。 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断面図である。 同リンク作動装置の制御装置における座標変換の処理の流れ図である。 リンク作動装置の制御装置による制御の一例を示す時間と速度を関係のグラフである。 この発明の第２実施形態にかかるリンク作動装置の一部を省略した正面図に、各種の円周方向の角度を示す説明図を付加した図である。 同リンク作動装置のリンク作動装置本体の一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リンク作動装置本体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リンク作動装置本体を３次元的に表わした斜視図である。 同リンク作動装置の一つのリンク機構を直線で表現した図である。 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を展開して表した断面図である。 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に、各種の円周方向の角度を示す説明図を付加した図である。 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に、各種の円周方向の角度を示す説明図を付加した図である。 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を展開して表した断面図である。 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。 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を展開して表した断面図である。 図１８の部分拡大図である。 この発明の第６リンク作動装置のリンク作動装置本体を３次元的に表わした斜視図である。 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を展開して表した断面図である。 図２１Ａの部分拡大図である。 従来の３節連鎖のリンク機構を３組以上設けたリンク作動装置の一例の斜視図である。 同リンク作動装置の姿勢変更動作の説明図である。 同リンク作動装置を姿勢変更する場合の折れ角と基端側の端部リンクの回転角との関係を示す図である。

　この発明の実施形態を図面と共に説明する。まず、制御対象となるリンク作動装置を、図１ないし図５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、リンク作動装置本体２と、このリンク作動装置本体２を作動させる複数の姿勢制御用のアクチュエータ３とを備え、これら姿勢制御用のアクチュエータ３が制御装置４により制御される。図の例では、リンク作動装置本体２が、その基端側で、支持部材５にスペーサ６を介して吊り下げ状態に設置されている。リンク作動装置本体２の先端側には、先端取付部材７を介してエンドエフェクタ８が搭載されている。

　リンク作動装置本体２は、前述の図２２のリンク作動装置１と基本的に同じ構成である。図３に示すように、リンク作動装置本体２は、３組のリンク機構１１，１２，１３（以下、「１１～１３」と表記する。）を具備する。なお、図１および図２では、リンク機構１１の形状につき１組のみを表示し、図１では他の２組のリンク機構１２，１３について、制御の説明のためにブロックで示している。これら３組のリンク機構１１～１３のそれぞれは幾何学的に互いに同一形状をなす。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１１ｃ～１３ｃ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）、先端側の端部リンク部材１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ（以下、「１１ｂ～１３ｂ」と表記する）、および中央リンク部材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，１１ｂ～１３ｂはＬ字状をなし、基端がそれぞれ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１１ｃ～１３ｃは、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂの先端がそれぞれ回転自在に連結されている。なお、端部リンク部材１１ａ～１３ａは、リンク作動装置１の「アーム」であり、以下の説明において、「アーム１１ａ～１３ａ」と称する場合がある。

　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，１１ｂ～１３ｂ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１１～１３の各基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂは、球面リンク機構と呼ばれる構造である。つまり、基端側の各端部リンク部材１１ａ～１３ａの球面リンク中心ＰＡ（図１、図２）は互いに一致しており、先端側の各端部リンク部材１１ｂ～１３ｂの球面リンク中心ＰＢ（図１、図２）も互いに一致している。また、球面リンク中心ＰＡから基端側の各端部リンク部材１１ａ～１３ａまでの距離は同じであり、球面リンク中心ＰＢから先端側の各端部リンク部材１１ｂ～１３ｂまでの距離も同じである。基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃ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、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１１ｃ～１３ｃ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１１ｂ～１３ｂとの位置関係が、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃ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。図１は、基端側のリンクハブ１４の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢ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ＱＡに対して先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢ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，ＰＢ間の距離Ｈは変化しない。

　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の連結部を示す断面図である。基端側のリンクハブ１４の側面１６から軸部１８が突出し、この軸部１８に複列の軸受１７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１１ｂ～１３ｂ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１１ｃ～１３ｃ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）が外嵌し、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃ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。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１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの連結部も、同様の構造である。

　前記リンク機構１１～１３において、基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂの軸部１８の角度、長さ、およびこれら端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂ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１１ｃ～１３ｃについても基端側と先端側で形状が等しいとする。

　このとき、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの対称面に対して中央リンク部材１１ｃ～１３ｃと、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５と連結される基端側および先端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂとの角度位置関係を基端側と先端側で同じにする。そうすると、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１１ｂ～１３ｂとは同じに動き、基端側と先端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中央リンク部材１１ｃ～１３ｃ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１１ｃ～１３ｃが等速二等分面上のみの動きに限定される。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は４つの回転対偶の回転部を有する。具体的には、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１１ｂ～１３ｂ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，１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃとの２つの連結部分である。これら４つの回転対偶の回転部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。

　このリンク作動装置本体２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。具体的には、例えば、基端側のリンクハブ１４の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢ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。

　図１および図２において、前記複数のアクチュエータ３は、支持部材５の上に円周方向に等間隔で設置されている。アクチュエータ３の個数は、リンク機構１１，１２，１３と同数の３個である。この実施形態では、アクチュエータ３はモータからなり、その出力軸３ａにピニオン３０が設けられている。一方、前記基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａにおける前記軸部１８との回転対偶部に連結部材３１（図５）が固定して取付けられ、この連結部材３１に、前記ピニオン３０と噛み合う扇形ギア３２が設けられている。扇形ギア３２の中心軸は、軸部１８（図５）の中心軸と一致する。前記ピニオン３０と扇形ギア３２とで減速機構３３を構成する。

　各アクチュエータ３を回転駆動すると、その回転が減速機構３３を介して軸部１８（図５）に伝達されて、基端側のリンクハブ１４に対する基端側の端部リンク部材であるアーム１１ａ～１３ａの角度が変更される。それにより、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の姿勢が決まる。この姿勢は、折れ角θ（図３）および旋回角φ（図３）により規定される。アーム１１ａ～１３ａの回転角β１，β２，β３は、回転角検出手段３５により検出された値と減速機構３３の減速比との値から推定される。

　つぎに、図１と共に制御装置４につき説明する。制御装置４は、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、現在の姿勢である始点姿勢から、この制御装置４に対する外部の指令手段４０から与えられる終点姿勢へ変更するように、各アクチュエータ３を制御する装置である。制御装置４は、コンピュータによる数値制御式のものであり、主に基本的な制御を行う姿勢変更制御手段４１と、特徴的な制御に係る中継姿勢設定手段４２とを備える。

　姿勢変更制御手段４１は、前記各アクチュエータ３を、前記始点姿勢となるときの前記アーム１１ａ～１３ａの回転角である始点から、前記終点姿勢となるときの回転角である終点へポイントツーポイントで駆動する手段である。姿勢変更制御手段４１は、各アクチュエータ３が互いに同時に始点から移動を開始し、互いに同時に終点に到着を行うように同期制御を行い、かつ互いに同時に中継点を通過するように制御する機能を備える。

　姿勢変更制御手段４１は、具体的には各リンク機構１１～１３のアクチュエータ３をそれぞれ制御する複数の個別制御部４３と、指令変換部４４と、同期制御部４５と、個別指令部４８でなる。

　各個別制御部４３は、対応するアクチュエータ３を、与えられた始点から終点へポイントツーポイントで位置制御する手段であり、例えば、加速、等速移動、減速の台形速度制御をする。この台形速度制御の等速移動の速度、加減速時の加速度は、同期制御部４５によって与えられる。個別制御部４３は、より具体的には、例えばアーム回転角をアクチュエータ移動量に変換する動作量変換部（図示せず）と動作指令生成部（図示せず）とサーボコントローラ部（図示せず）とからなる。動作指令生成部は前記台形速度制御の速度曲線に従ってパルス払い出し等によってサーボコントローラ部へ動作指令を与え、サーボコントローラ部は、その与えられた動作指令と前記回転角検出手段３５の検出値を用いてフィードバック制御を行う。

　指令変換部４４は、指令手段４０から折れ角θと旋回角φとで与えられる終点姿勢の指令Ｂ（θｂ，φｂ）を、各リンク機構１１～１３のアーム１１ａ～１３ａの回転角βに変換する手段であり、その変換された回転角βが各アーム回転角の終点となる。指令変換部４４は、この変換した各アーム１１ａ～１３ａの回転角βを、対応する個別指令部４８へ終点の位置として与える。折れ角θと旋回角φから各アーム１１ａ～１３ａの回転角βを求める演算は、後述の関係式（１）による逆変換で行われる。

　始点姿勢は現在の姿勢であり、各個別指令部４８に与えられる始点は、現在の各アーム１１ａ～１３ａの位置である。この始点は、前回移動時の終点であり、または各回転角検出手段３５により検出された値と減速機構３３の減速比との値から推定される現在位置であり、あるいは定められた基準位置等である。

　同期制御部４５は、各アーム１１ａ～１３ａが、同時に始点から回転を始め、同時に終点で止まるように、各個別制御部４３における前記台形速度制御の等速移動時の速度、および加減速時の加速度（または加減速時定数）を設定することで同期制御を行う手段である。加速度の代わりに、加速の終了時刻および減速の開始時刻を定めるようにしても良い。同期制御部４５は、この他に、前記中継点を各アーム１１ａ～１３ａが同時に通過するような位置・速度制御が実行されるように、前記速度曲線を定める。

　中継姿勢設定手段４２は、先端側のリンクハブ１５が前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更するときの先端側リンクハブ１５の姿勢変更量を、設定部４６に定められた所定量と比較部４７によって比較し、所定量以上である場合に、姿勢変更経路の途中に、定められた規則によって１つ以上の中継姿勢を設定する手段である。中継姿勢設定手段４２は、この中継姿勢になるときの前記各アーム１１ａ～１３ａの回転経路の中継点となる回転角を求めて設定する。なお、先端側のリンクハブ１５の姿勢変更の経路は、例えば、このリンクハブ１５の中心の経路とする。また、先端側のリンクハブ１５は、任意の経路で姿勢変更可能であるが、中継姿勢は、例えば最短経路となる姿勢変更経路を通る場合の中継姿勢とする。

　中継姿勢設定手段４２は、この例では、先端側のリンクハブ１５の前記始点姿勢から終点姿勢への姿勢変更量を所定量以下に分割した数をもとに、前記各アーム１１ａ～１３ａの回転量を分割する。前記の「定められた規則」は、例えば、前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更する過程で動作する３つのアーム１１ａ～１３ａのうち、２つのアームを選び、この選んだ２つのアームの回転経路を等分し、残り１つのアームは、他の２つのアームとの相対位置関係から一意に決まる位置としても良い。この３つのアーム１１ａ～１３ａのうち２つのアームを選ぶ基準としては、回転量の大きいアームを選択することが好ましい。

　前記同期制御部４５は、上記のように中継姿勢設定手段４２で定めた各アーム１１ａ～１３ａの中継点を、各アーム１１ａ～１３ａが同時に通過するように、各個別制御部４３に前記速度曲線を定めさせる。各個別制御部４３は、この定められた速度曲線で各アーム１１ａ～１３ａのアクチュエータ３を制御する。これにより、姿勢変更制御手段４１は、各アクチュエータ３が互いに同時に始点から移動を開始し、互いに同時に終点に到着を行い、かつ互いに同時に中継点を通過するように同期制御する。

　上記構成の動作を説明する。制御対象となるリンク作動装置１は、前記折れ角θおよび旋回角φと、各基端側の端部リンク１１ａ，１２ａ，１３ａの回転角βｎ（β１，β２，β３）とが次式（Ａ）で表わされる関係にある。
　ｃｏｓ（θ／２）・ｓｉｎβｎ－ｓｉｎ（θ／２）・ｓｉｎ（φ＋δｎ）・ｃｏｓβｎ＋ｓｉｎ（γ／２）＝０　・・・式（Ａ）

　ここで、γは、アーム１１ａ，１２ａ，１３ａに回転自在に連結された中央リンク部材１１ｃ，１２ｃ，１３ｃの連結端軸と、先端側の端部リンク部材１１ｂ，１２ｂ，１３ｂに回転自在に連結された中央リンク部材１１ｃ，１２ｃ，１３ｃの連結端軸とが成す角度である。δｎ（δ１，δ２，δ３）は、基準となるアーム１１ａに対する各基端側の端部リンク部材１１ａ，１２ａ，１３ａの円周方向の離間角である。リンク機構１１，１２，１３の数が３組で、各リンク機構１１，１２，１３が円周方向に等配である場合、各アーム１１ａ，１２ａ，１３ａの離間角δ１，δ２，δ３はそれぞれ０°，１２０°，２４０°となる。

　この関係より、先端側のリンクハブ１５のある始点姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θａ、φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ、φｂ）について、これらの姿勢Ａ、Ｂに対応するアーム回転角は、基端側および先端側のリンクハブ１４，１５とアーム回転角との前記関係式（Ａ）より、それぞれ回転角Ａ１（β１ａ、β２ａ、β３ａ）、回転角Ｂ１（β１ｂ、β２ｂ、β３ｂ）として関係が成り立つ。

　このとき、中継姿勢設定手段４２は、先端側のリンクハブ１５の始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの先端側のリンクハブ１５の移動量を求め、求めた移動量が所定の移動量より大きい場合、所定の移動量以下になるように始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂの間を複数の姿勢に分割する。ここで「所定の移動量」とは、例えば、モータからなる各アクチュエータ３のモータトルクが所定の値以下で駆動できる移動量とする。この移動量は、リンク作動装置１の幾何学的な寸法およびリンクに与える初期与圧によって決まる。また、駆動するモータトルクについての所定の値とは、例えば、リンク作動装置１の入力部となる前記減速機構３３等の入力トルク許容値以下の値を示す。

　このように姿勢変更時の経路を分割し、その分割部である中継点を各軸のアーム１１ａ～１１ｃが同時に通過するように制御することで、各軸のアーム１１ａ～１１ｃの干渉を緩和し、リンクの組付け不具合や、異常な摩耗等を与えないような適正なモータトルクで駆動することができる。ここで言う「干渉」は、上述のようにアクチュエータ３への指令値に対して偏差を生じたアーム回転角となることをいう。始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの先端側リンクハブ１５の移動経路は近似して求める。

　また、中継点を求める演算は必要であるが、基本的にはポイントツーポイント制御であるため、先端側リンクハブ１５の姿勢変更の全経路において干渉を生じないように回転角を制御するものと異なり、制御に必要な演算時間が短くて済んで、演算時間による遅れが生じず、高速移動が図れる。また、予め全経路の座標を記憶して制御するものと異なり、記憶メモリの容量が小さくて済む。

　中継姿勢設定手段４２により中継点を求める分割方法としては、次の第１～第３の例が採用できる。まず、分割方法の第１の例を表１に示す。

　始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの移動においてアーム軸β１、β２、β３の回転角移動量を求め、移動量の大きい２つのアームを選ぶ。このとき移動量の大きいアーム軸をβ１、β２とすると、β１、β２の移動量を先に求めた分割数ｎで等分割し、各アーム１１～１３の分割された回転角位置を決める。このとき分割数ｎは、先端側リンクハブ１５の始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの移動量をＬ、所定の移動量をｄとし、Ｌ÷ｄ＝ｍ（商）…ａ（剰余）として、分割数ｎを、ｎ＝ｍ＋１とする。

　アーム軸β３の回転角は、図６に示すように、２軸のアーム軸β１、β２の回転角と順変換アルゴリズムから求められる先端側リンクハブ１５の姿勢（θｎ，φｎ）を用いて、逆変換によりβ３のアーム回転角を得る。順変換について、リンクハブとアーム回転角との前記関係式（Ａ）よりβ１ａ、β２ａ、θ、φの４つの角度は次式（Ｂ）、（Ｃ）を満足する。
ｆ：ｃｏｓθ・ｓｉｎβ１ａ－ｓｉｎθ・ｓｉｎφ・ｃｏｓβ１ａ＋ｓｉｎγ＝０≡ｆ（θ，φ）　・・・式（Ｂ）
ｇ：ｃｏｓθ・ｓｉｎβ２ａ－ｓｉｎθ・ｓｉｎ（φ＋σ)・ｃｏｓβ２ａ＋ｓｉｎγ＝０≡ｇ（θ，φ）　・・・式（Ｃ）

　この式（Ｂ）、（Ｃ）はθ，φの非線形方程式であるため、数値的に解を求める。この２軸のアーム軸β１、β２の回転角から順変換の変形式を用いて先端側リンクハブ１５の姿勢（θｎ，φｎ）を求める演算は、例えば収束演算で行う。ここでγはリンクの設計構造によって決まる軸角度、σは３つアームの配列位置によって決まる位相角度とする。また、逆変換についてはリンクハブとアーム回転角との前述の関係式（Ａ）より、あるリンクハブ姿勢（θ、φ）におけるβ１、β２、β３のアーム回転角は一意に求まる。表２に３軸のアームの回転角移動量を分割した位置を示す。

　リンク姿勢制御は、表２に示す各軸の回転角位置を、同期制御部４５の制御により同期して移動するように行う。

　この制御では移動量の大きい２つのアーム１１ａ，１１ｂが各軸の最大速度で等速に移動できるため、最短の移動時間で駆動できる。また、移動時間を考慮しなければβ１、β２、β３のうち２つのアームの選択は任意に選んでもよい。ただし、このときリンク先端の軌跡は最短経路の通過を保証しない。

　第２の分割方法を示す。この方法では、先端側のリンクハブ１５が最短距離で移動する経路上に一つ以上の中継姿勢をとり、前記経路上の、前記始点姿勢、中継姿勢、および終点姿勢のいずれかである各姿勢のうち、隣り合う姿勢間の成す距離等の量が所定量以下となるリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）に対応する各アーム１１ａ～１３ａの回転角を前記中継点とする。この場合に、前記リンクハブ１５の姿勢（θ，φ）から逆変換の変換式により各アーム１１ａ～１３ａの回転角を求めるようにしても良い。

　第２の分割方法は、より具体的には、先端側リンクハブ１５のある始点姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θａ、φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ、φｂ）について、姿勢Ａ、Ｂ間を移動する先端側リンクハブ１５の経路が、できるだけ最短になるように求める。このとき必要に応じて適切な近似を行うことで経路を求める時間を短縮することができる。始点姿勢Ａから終点姿勢Ｂへの経路を複数の姿勢に分割し、各先端側のリンクハブ１５の姿勢Ｎ（θｎ，φｎ）から、逆変換アルゴリズムにより各リンクハブの姿勢に対するアーム軸の回転角Ｎ（β１ｎ、β２ｎ、β３ｎ）を得る。

　前記逆変換アルゴリズムは、例えば、前述の関係式（Ａ）に従って、折れ角θおよび旋回角φから回転角βｎを算出する変換である。リンク姿勢制御は、同期制御部４５の制御により、各軸のアクチュエータ３の位置を同期して移動するように行う。

　第３の分割方法を示す。この方法では、先端側のリンクハブ１５のある始点姿勢Ａ（θａ，φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ，φｂ）から、それぞれ折れ角θの移動量Δθと旋回角φの移動量Δφが所定の移動量以下となるように等分した先端側の各リンクハブ１５の姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）を逆変換の変換式により求め、この求めたリンクハブ１５の姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）を前記中継姿勢とする。ここで、ｎ＝（分割数－１）である。

　第３の分割方法は、具体的には、先端側のリンクハブ１５のある始点姿勢（折れ角、旋回角）Ａ（θａ、φａ）と終点姿勢Ｂ（θｂ、φｂ）の間にて、折れ角移動量Δθと旋回角移動量Δφを各々等間隔に分割し、先端側のリンクハブ１５の複数の姿勢を求める。このとき分割した移動量が所定の移動角度以下となるようにする。つぎに先端側のリンクハブ１５の各姿勢Ｎ（θａ+ｎ×Δθ／Ｍ、φａ+ｎ×Δφ／Ｍ）から、逆変換アルゴリズムによりアーム軸の回転角Ｎ（β１ｎ、β２ｎ、β３ｎ）を得る。ここでＮ，ｎは分割した各姿勢のＮ（またはｎ）番目を示し、Ｍは分割数とする。

　リンク姿勢制御は、同期制御部４５の制御により、各軸の位置を同期して移動するように行う。このように、折れ角θの移動量Δθと旋回角φの移動量Δφが共に所定の移動量以下となるように等分することで、より一層干渉が少なくて過大な負荷が生じない駆動を行うことができる。

　上記第１，第２，第３のいずれの分割方法の場合においても、姿勢変更制御手段４１の同期制御部４５は、これらの方法で得た先端側のリンクハブ１５のある始点姿勢Ａ（θａ、φａ）から終点姿勢Ｂ（θｂ、φｂ）への移動経路について、図７に示すように、各アーム軸β１～β３の回転角βＡ（β１ａ、β２ａ、β３ａ）、回転角βＢ（β１ｂ、β２ｂ、β３ｂ）への制御は、途中の中継点を加減速なしで位置決め制御することが好ましい。

　この場合、表３に示す各軸の回転角位置を、同期制御部４５の制御により同期して移動するように行う。すなわち、全てのアーム１１ａ～１３ａの軸β１～β３につき、台形速度制御の加速を行う時間（時刻（１）～（２））、および減速を行う時間（時刻（４）～（５））を揃え、例えば時刻（３）等のように、等速動作を行う間（時刻（２）～（４））に、各中継点を通過するように制御する。

　このように中継点を加減速なしで位置決め制御することにより、始点姿勢Ａ点から終点姿勢Ｂまでを一定速度で滑らかに駆動することができる。

　以上の各実施形態によると、リンク作動装置１を広角に姿勢変更させる場合、駆動途中の各アーム回転角の相対位置関係が、複数のリンク機構の相互の関係で一義的に定まる式（Ａ）を満たす位置から大きく外れることなく位置決め制御させることができ、これにより、リンクに過大荷重をかけず、かつ高速移動が可能になる。

　この発明の第２実施形態を図８～図１３と共に説明する。第１実施形態と構造が同じ箇所については、同一符号で表し、説明を省略する。図８は、リンク作動装置の一部を省略した正面図に、各種の円周方向の角度を示す説明図を付加した図である。同図に示すように、このリンク作動装置１は、リンク作動装置本体２と、このリンク作動装置本体２を支持する基台５２と、リンク作動装置本体２を作動させる複数のアクチュエータ３と、これらアクチュエータ３を制御する制御装置４と、姿勢計算装置５９とを備える。この例では、制御装置４および姿勢計算装置５９が制御ユニット５４内に設けられているが、制御装置４および姿勢計算装置５９は制御ユニット５４と別に設けてもよい。

　基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５は、その中心部に貫通孔１０が軸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１０の中心は基端側および先端側のリンクハブ１４，１５の中心軸ＱＡ，ＱＢと一致している。

　端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの各回転対偶中心軸Ｓ１，Ｓ２は、ある交差角を持っていてもよいし、平行であってもよい。図の例は交差角を持っており、この交差角を「中央リンク部材の軸角γ」と呼ぶ。回転対偶中心軸Ｓ１は、「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」であり、回転対偶中心軸Ｓ２は、「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」である。

　折れ角θは、基端側のリンクハブ１４の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１５の中心軸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１４の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１５の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。なお、旋回角φは、先端側のリンクハブ１５の側から見て反時計回りの方向を正方向とする。

　図１３は、基端側のリンクハブ１４、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ、および中央リンク部材１１ｃ～１３ｃを展開して表した断面図である。基端側のリンクハブ２は、前記軸方向の貫通孔１０と外周側とを連通する半径方向の軸孔１１１が円周方向３箇所に形成され、各軸孔１１１内に設けた二つの軸受１１２により軸部材１１３がそれぞれ回転自在に支持されている。図の例では、各軸部材１１３が円周方向に等配の位置にあるが、これに限定されない。軸部材１１３の外側端部は基端側のリンクハブ１４から突出し、その突出ねじ部１１３ａに基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａが結合され、ナット１１４によって締付け固定されている。図の例では、端部リンク部材の軸角αが９０°であるが、これに限定されない。

　前記軸受１１２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）が前記軸孔１１１の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部材１１３の外周に嵌合している。外輪は止め輪１１５によって抜け止めされている。また、内輪と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの間には間座１１６が介在し、ナット１１４の締付力が基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａおよび間座１１６を介して内輪に伝達されて、軸受１１２に所定の予圧を付与している。

　各基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの円周方向位相は、次のように表示する。すなわち、３組のリンク機構１１～１３のうちの一つを基準となるリンク機構１１を定め、その基準となるリンク機構１１における基端側の端部リンク部材１１ａの連結端軸（回転対偶中心軸Ｓ３を指す）の円周方向位相をδ１（例えばδ１＝０°）とする。そして、この基端側の端部リンク部材１１ａの連結端軸Ｓ３に対する、他の２つの基端側の端部リンク部材１２ａ，１３ａの連結端軸Ｓ４，Ｓ５の円周方向の離間角をそれぞれδ２，δ３とする。離間角δｎ（ｎ＝１，２，３）は、先端側のリンクハブ１５の側から見て反時計回りの方向を正方向とする。

　また、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの回転対偶部Ｔ１～Ｔ３については、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの両端に形成された連通孔１１８に２つの軸受１１９を設け、これら軸受１１９により、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの先端の軸部１２０を回転自在に支持する構造である。軸受１１９は、間座１２１を介して、ナット１２２によって締付け固定されている。

　前記軸受１１９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）が前記連通孔１１８の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部１２０の外周に嵌合している。外輪は止め輪１２３によって抜け止めされている。軸部１２０の先端ねじ部１２０ａに螺着したナット１２２の締付力が間座１２１を介して内輪に伝達されて、軸受１１９に所定の予圧を付与している。

　図１３では、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの回転対偶部Ｔ１を、その回転対偶中心軸Ｓ１上における２つの軸受１１９の軸方向の中心位置で表示している。これに代えて、回転対偶部Ｔ１を、回転対偶中心軸Ｓ１上にあり、かつ３組のリンク機構１１～１３のすべてにおいて基端側のリンクハブ１４の球面中心ＰＡからの距離が同じである位置で表わしても良い。このように、回転対偶部Ｔ１を１点で示される位置で表わした場合、図８に示すように、各リンク機構１１～１３の回転対偶部Ｔ１は常に同じ円周Ｅ上に位置する。

　各リンク機構１１～１３の回転対偶部Ｔ１の円周方向位相は、次のように表示する。すなわち、前記基準となるリンク機構１１の回転対偶部Ｔ１の、基端側の端部リンク部材１１ａの連結端軸Ｓ３に対する円周方向の離間角をε１とする。そして、この基準となるリンク機構１１の回転対偶部Ｔ１に対する、他の２つの回転対偶部Ｔ１の円周方向の離間角をそれぞれε２，ε３（図示せず）とする。離間角εｎ（ｎ＝１，２，３）も、先端側のリンクハブ１５の側から見て反時計回りの方向を正方向とする。また、図８のように、先端側のリンクハブ１５の姿勢が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となるリンク機構１１の回転対偶部Ｔ１の円周方向位相をε０とする。

　以上、図１３と共に、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの連結構造、および基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの連結構造について説明したが、先端側のリンクハブ１５と先端側の端部リンク部材１１ｂ～１３ｂの連結構造、および先端側の端部リンク部材１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの連結構造も同じ構成である。

　このように、各リンク機構１１～１３における４つの回転対偶部Ｔ１～Ｔ４に軸受１１２，１１９を設けた構造とすることにより、各回転対偶部Ｔ１～Ｔ４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１１２，１１９を設けた構造では、軸受１１２，１１９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、回転対偶部Ｔ１～Ｔ４のがたつきを抑えることができ、基端側のリンクハブ１４側と先端側のリンクハブ１５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１１２，１１９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１１２を基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５に埋設状態で設けたことにより、リンク作動装置本体２全体の外形を大きくすることなく、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５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１４および先端側のリンクハブ１５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８において、基台５２は縦長の部材であって、その上面にリンク作動装置本体２の基端側のリンクハブ１４が固定されている。基台５２の上部の外周にはつば状のアクチュエータ取付台５５が設けられ、このアクチュエータ取付台５５に前記アクチュエータ３が垂下状態で取付けられている。アクチュエータ３の数は、リンク機構１１～１３と同数の３個である。アクチュエータ３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５６と基端側のリンクハブ１４の軸部材１１３に取付けた扇形のかさ歯車５７とが噛み合っている。

　このリンク作動装置１は、制御ユニット５４に設けられた操作具（図示せず）を操作して各アクチュエータ３を回転駆動することで、リンク作動装置本体２を作動させる。詳しくは、アクチュエータ３が回転駆動すると、その回転が一対のかさ歯車５６，５７を介して軸部材１１３に伝達されて、基端側のリンクハブ１４に対する基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ１４に対する先端側のリンクハブ１５の姿勢が決まる。ここでは、かさ歯車５６，５７を用いて基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ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。

　制御ユニット５４は、各アクチュエータ３を制御する制御装置４、および先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）を計算する姿勢計算装置５９を有する。これら制御装置４および姿勢計算装置５９は、コンピュータによる数値制御式のものである。この例では、制御装置４と姿勢計算装置５９が互いに別の装置とされているが、両装置５８，５９をまとめて１つの装置としても良い。

　制御装置４は、前記操作具により先端側のリンクハブ１５の姿勢が指令されると、その指令された先端側のリンクハブ１５の姿勢に応じて、各基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角βｎ（ｎ＝１，２，３）を求め、この求めた回転角βｎとなるように各アクチュエータ３を制御する。回転角βｎは、指令された先端側のリンクハブ１５の姿勢に対応する各基準側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角度であり、例えば図８のように水平面からの角度とされる。

　指令された先端側のリンクハブ１５の姿勢に対応する回転角βｎは、下記の式１で表される関係を充足するように、式１を逆変換することで求める。逆変換とは、前記折れ角θおよび旋回角φ（図１１）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。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。

　なお、式１の右辺の３×３の行列は、（φ－δｎ）、θ、－（φ－δｎ）のオイラー角による変換行列である。

　基準となるリンク機構１１の回転対偶部Ｔ１の円周方向位相ε０は、基端側のリンクハブ１４に対する基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの組む方向によって異なる二つの解を有する。よって、式１における左辺の２行目の正負、および式２における右辺の正負は、基端側のリンクハブ１４に対して基端側の端部リンク１１ａ～１３ａを組む方向によって決める。組む方向が右方向である場合は「＋」、左方向の場合が「－」とする。例えば、図８の第２実施形態のように基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを左方向に組んでいる場合、式１、式２が式３、式４のように確定される。

　このようにして求められた回転角βｎとなるように各アクチュエータ３を制御することで、先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）が目標とする姿勢になる。式３には、端部リンク部材の軸角αの関数が含まれているので、式３のαにそれぞれのリンク作動装置１の端部リンク部材の軸角αに代入することで、端部リンク部材の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置１についても、動作を制御することができる。

　また、姿勢計算装置５９により、現在の基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転角βｎを式３に代入して順変換することにより、現在の先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）が計算される。式３には、端部リンク部材の軸角αの関数が含まれているので、式３のαにそれぞれのリンク作動装置１の端部リンク部材の軸角αを代入することで、端部リンク部材の軸角αが９０°以外であるリンク作動装置１についても、先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）を計算することができる。

　図１４は、リンク作動装置本体２の各リンク機構１１～１３が鏡像対称タイプである第３実施形態を示す。このリンク作動装置１は、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１１ｂ～１３ｂとの位置関係が、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの中心線Ｃに対して鏡像対称となる位置構成になっている。他の構成は、図８の第２実施形態と同じである。図１４の第３実施形態も、図８の第１実施形態と同様に、基端側のリンクハブ１４に対して基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを左方向に組んでいるため、前記式３、式４の関係式を用いて、アクチュエータ３の制御、および先端側のリンクハブ１５の姿勢の計算を行うことができる。

　図１５および図１６は、第４実施形態に係るリンク作動装置１を示す。このリンク作動装置１は、リンク作動装置本体２の各リンク機構１１～１３が回転対称タイプであり、かつ基端側のリンクハブ１４に対して基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを右方向に組んでいる。このリンク作動装置１の場合、式１における左辺の２行目の正負、および式２における右辺の正負が「＋」となり、下記式５、式６のように確定される。これら式５、式６の関係式を用いて、アクチュエータ３の制御、および先端側のリンクハブ１５の姿勢の計算を行うことができる。

　図１７ないし図１９は、リンク作動装置の第５実施形態を示す。このリンク作動装置１は、図１７に示すように、基台６２にスペーサ６４を介してリンク作動装置本体２の基端側のリンクハブ１４が設置されている。リンク作動装置本体２は、基端側のリンクハブ１４に対して基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを左方向に組んでいる。そのため、前記式３、式４の関係式を用いて、後記アクチュエータ７０の制御、および先端側のリンクハブ１５の姿勢の計算を行うことができる。

　図１８および図１９に示すように、リンク作動装置本体２は、基端側のリンクハブ１４および先端側のリンクハブ１５に対して端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂをそれぞれ回転自在に支持する軸受１３１を外輪回転タイプとしたものである。

　基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転対偶を例にとって説明すると、基端側のリンクハブ１４の円周方向の３箇所に軸部１３２が形成され、この軸部１３２の外周に２つの軸受１３１の内輪（図示せず）が嵌合し、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに形成された連通孔１３３の内周に軸受１３１の外輪（図示せず）が嵌合している。軸受１３１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１３４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固定されている。先端側のリンクハブ１５と先端側の端部リンク部材１１ｂ～１３ｂの回転対偶も、上記同様の構造である。

　また、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの連結部に設けられた軸受１３６は、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの先端に形成された連通孔１３７の内周に外輪（図示せず）が嵌合し、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃと一体の軸部１３８の外周に内輪（図示せず）が嵌合している。軸受１３６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１３９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固定されている。先端側の端部リンク部材１１ｂ～１３ｂと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの回転対偶も、上記同様の構造である。

　リンク作動装置本体２の３組のリンク機構１１～１３のすべてに、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを回動させて先端位置姿勢を任意に変更させるアクチュエータ７０と、このアクチュエータ７０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７１とが設けられている。アクチュエータ７０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機７０ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材７２により基台６２に固定されている。減速機構７１は、アクチュエータ７０の減速機７０ａと、歯車式の減速部７３とでなる。以下では、減速機構７１に平歯車を使用しているが、その他の機構（例えば、かさ歯車やウォーム機構）でも良い。

　歯車式の減速部７３は、アクチュエータ７０の出力軸７０ｂにカップリング７５を介して回転伝達可能に連結された小歯車７６と、基端側の端部リンク部材５に固定され前記小歯車７６と噛み合う大歯車７７とで構成されている。図示例では、小歯車７６および大歯車７７は平歯車であり、大歯車７７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７７は小歯車７６よりもピッチ円半径が大きく、アクチュエータ７０の出力軸７０ｂの回転が基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａへ、基端側のリンクハブ１４と基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａの回転対偶中心軸Ｓ１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７７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～１３ａの回転対偶中心軸Ｓ３の軸方向中心点Ｐ１から、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの回転対偶中心軸Ｓ１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～１３ａの回転対偶中心軸Ｓ３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７７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７６は、大歯車７７と噛み合う歯部７６ａの両側に突出する軸部７６ｂを有し、これら両軸部７６ｂが、基台６２に設置された回転支持部材７９に２つの軸受８０を介してそれぞれ回転自在に支持されている。軸受８０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。二つの軸受８０の各外輪（図示せず）間にはシム（図示せず）を設け、軸部７６ｂに螺合したナット８１を締め付けることにより、軸受８０に予圧を付与する構成としてある。軸受８０の外輪は、回転支持部材７９に圧入されている。

　第５実施形態の場合、大歯車７７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８２により着脱可能に取付けられている。大歯車７７は基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａと一体であってもよい。

　アクチュエータ７０の回転軸心Ｏ１および小歯車７６の回転軸心Ｏ２は同軸上に位置する。これら回転軸心Ｏ１，Ｏ２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の回転対偶軸Ｏ１と平行で、かつ基台６２からの高さが同じとされている。

　図１７に示すように、このリンク作動装置１の制御ユニット５４も、各アクチュエータ７０を制御する制御装置４と、先端側のリンクハブ１５の姿勢（θ，φ）を計算する姿勢計算装置５９を有する。第５実施形態は、図８の第２実施形態と比べて、上記のように細部の構造はと違うものの、基本的な構成は同じであり、また図８の第２実施形態と同様に、基端側のリンクハブ１４に対して基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａを左方向に組んでいる。そのため、制御装置４および姿勢計算装置５９により、前記式３、式４の関係式を用いて、アクチュエータ７０の制御、および先端側のリンクハブ１５の姿勢の計算を行うことができる。

　このリンク作動装置１は、３組のリンク機構１１～１３のすべてにアクチュエータ７０および減速機構７１を設けたことで、リンク作動装置本体２や減速機構７１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。

　また、減速機構７１の歯車式の減速部７３は、小歯車７６と大歯車７７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７０を使用することができる。この実施形態では減速機７０ａ付きのアクチュエータ７０を使用しているが、歯車式の減速部７３の減速比が高ければ、減速機無しのアクチュエータ７０を使用することも可能となり、アクチュエータ７０を小型化できる。

　大歯車７７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７７のピッチ円半径が比較的大きいため、大歯車７７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７７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７７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の回転対偶に設置する軸受１３１の外径よりも十分大きな径となるため、大歯車７７の歯部と軸受１３１との間にスペースができ、大歯車７７の設置が容易である。

　特にこの第５実施形態の場合、大歯車７７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７７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７６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７６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７６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７６および大歯車７７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７６は軸方向両側で軸受８０により支持されているため、小歯車７６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７０の回転軸心Ｏ１、小歯車７６の回転軸心Ｏ２、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との回転対偶中心軸Ｓ３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７７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７３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７７を変えるだけで、様々な用途に適用することが可能であり、また、メンテナンス性が良い。例えば、歯車式の減速部７３に障害が生じた場合に、同減速部７３のみを交換するだけで対処可能である。

　上記の第２～５実施形態は、端部リンク部材の軸角αが９０°であるが、端部リンク部材の軸角αは９０°以外であっても良い。例えば、図２０に示す第６実施形態のリンク作動装置本体２は、図１７～図１９の第５実施形態と同様に、各リンク機構１１～１３が回転対称タイプであり、かつ基端側のリンクハブ２に対して基端側の端部リンク部材５を左方向に組んだ構成であるが、端部リンク部材の軸角αが４５°となっている。

　このように、端部リンク部材の軸角αを９０°未満とすると、各リンク機構１１～１３の内側の内部空間を広くすることができる。それにより、内部空間にケーブル類や他の部品を配置することが可能になる。また、リンク作動装置のサイズを大きくしても、各端部リンク部材１１ａ～１３ａ，１１ｂ～１３ｂが軽量、コンパクトな構成となり、リンク作動装置全体の軽量、コンパクト化を実現できる。

　このリンク作動装置本体２の基端側および先端側のリンクハブ１４，１５は、貫通孔９２ａを有する円板部９２と、この円板部９２の円周方向３箇所にそれぞれ固定された支持部材９３と、各支持部材９３から前記円板部９２と平行に外径側へ延びる軸部材９４とでなる。支持部材９３は、ボルト等（図示せず）で円板部９２に固定される。基端側のリンクハブ１４の円板部９２がこのリンク作動装置９１の土台となり、先端側のリンクハブ１５の円板部９２に各種器具等が取付けられる。

　図２０Ａは、図２０のリンク作動装置本体２を備えたリンク作動装置１の基端側のリンクハブ１４、基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａ、および中央リンク部材１１ｃ～１３ｃを展開して表した断面図である。図２０Ｂは、図２０Ａの部分拡大図である。

　前記軸部材９４は、例えば圧入等により前記支持部材９３に固定される。そして、軸部材９４に、端部リンク部材１１ａ～１３ａ（１１ｂ～１３ｂ）の一方端が２個の軸受１３１を介して回転自在に連結される。端部リンク部材１１ａ～１３ａ（１１ｂ～１３ｂ）の他方端は、２個の軸受１３６を介して中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの軸部材１３９に回転自在に連結される。軸部材１３９は、例えば圧入等により中央リンク部材１１ｃ～１３ｃに固定される。中央リンク部材１１ｃ～１３ｃは両端に軸部材１３９を有し、一方端の軸部材１３９が基端側の端部リンク部材１１ａ～１３ａに連結され、他方端の軸部材１３９が先端側の端部リンク部材１１ｂ～１３ｂに連結される。前記軸受１３１，１３６は、共に外輪回転タイプである。

　図２０Ｂに示すように、リンクハブ１４（１５）の軸部材９４の外周に軸受１３１の内輪（図示せず）が嵌合し、この内輪とその両側に配した２個のスペーサ９５，９６とを、軸部材９４のフランジ部９４ａに対してナット９７で締め付けてある。これにより、軸受１３１に予圧を付与した状態で、端部リンク部材１１ａ～１３ａ（１１ｂ～１３ｂ）を中央リンク部材１１ｃ～１３ｃに対して回転自在に連結する。

　また、中央リンク部材１１ｃ～１３ｃの軸部材１３９の外周に軸受１３６の内輪（図示せず）が嵌合し、この内輪とその両側に配した２個のスペーサ９８，９９とを、軸部材１３９のフランジ部１３９ａに対してナット１００で締め付けてある。これにより、軸受１３６に予圧を付与した状態で、端部リンク部材１１ａ～１３ａ（１１ｂ～１３ｂ）を中央リンク部材１１ｃ～１３ｃに対して回転自在に連結する。他の構造は、図１７～図１９の第５実施形態のものと同じである。

　以上説明した図８～図２１Ａおよび図２１Ｂの第２～第６実施形態について、「姿勢変更制御手段」、「中継姿勢設定手段」を要件としない態様として、つぎのようなものがある。

　［態様１］
　態様１に係るリンク作動装置は、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でなり、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記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前記中央リンク部材の連結端軸とがγの角度を成し、前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記中央リンク部材の連結端軸と前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記基端側および先端側のリンクハブの連結端軸とがαの角度を成し、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り、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、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させるアクチュエータを設け、さらにこれらアクチュエータを制御する制御装置を設けて成る。

　態様１に係るリンク作動装置は、上記基本構成において、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（ｎ＝１，２，３，…）、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（ｎ＝１，２，３，…）、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、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部が通る円周上において、基準となる位相に対する各回転対偶部の円周方向の離間角をεｎ（ｎ＝１，２，３，…）、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が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる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部の離間角をε０とした場合、前記制御装置は、次の関係式

で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする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（θ，φ）から前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御する。

　態様１では、３組以上のリンク機構のうちの少なくとも２組について、基端側の端部リンク部材の回転角βｎが決まれば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も決まる。よって、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アクチュエータを設け、これらアクチュエータを適正に制御することで、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（θ，φ）を任意に変更することができる。

　［態様２］
　態様２に係るリンク作動装置は、上記基本構成において、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（ｎ＝１，２，３，…）、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（ｎ＝１，２，３，…）、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、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部が通る円周上において、基準となる位相に対する各回転対偶部の円周方向の離間角をεｎ（ｎ＝１，２，３，…）、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が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる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部の離間角をε０とした場合、次の関係式

の式１を順変換することにより、前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎから現在の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（θ，φ）を計算する姿勢計算装置を設けている。

　［態様３］
　態様１または態様２において、前記式１における左辺の２行目の正負、および前記式２における右辺の正負は、前記基端側のリンクハブに対して前記基端側の端部リンクを組む方向によって決めると良い。

　［態様４］
　態様１または態様２において、前記端部リンク部材の軸角αを９０°とすると良い。

　［態様５］
　態様１または態様２において、前記端部リンク部材の軸角αを９０°未満としても良い。

　なお、本発明は上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々
の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１　リンク作動装置
２　リンク作動装置本体
３，７０　アクチュエータ
４　制御装置
１４　基端側のリンクハブ
１５　先端側のリンクハブ
１１～１３　リンク機構
１１ａ，１２ａ，１３ａ　基端側の端部リンク部材（アーム）
１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ　先端側の端部リンク部材
１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ　中央リンク部材
４１　姿勢変更制御手段
４２　中継姿勢設定手段
５９　姿勢計算装置
Ｅ　円周
ＱＡ　基端側のリンクハブの中心軸
ＱＢ　先端側のリンクハブの中心軸
Ｔ１　基端側の端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶部

Claims (15)

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り、前記３組以上のリンク機構のそれぞれに、前記基端側の端部リンク部材であるアームを回転させることにより、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させるアクチュエータを設けたリンク作動装置において、
   　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、始点姿勢から指令された終点姿勢へ変更させるように、前記各アクチュエータを制御するリンク作動装置の制御装置であって、
   　前記各アクチュエータを、前記始点姿勢となるときの前記アームの回転角である始点から前記終点姿勢となるときの回転角である終点へポイントツーポイントで互いに同期して駆動する姿勢変更制御手段と、
   　前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更するときの前記先端側のリンクハブの姿勢変更量を所定量と比較し、所定量以上である場合に、前記始点姿勢から終点姿勢へ変更する姿勢変更経路の途中に、定められた規則によって１つ以上の中継姿勢を設定し、この中継姿勢になるときの前記各アームの回転経路の中継点となる回転角を求めて設定する中継姿勢設定手段とを設け、
   　前記姿勢変更制御手段は、前記中継姿勢設定手段で設定された前記中継点を前記各アームが同時に通過するように位置制御するリンク作動装置の制御装置。
2. 　請求項１に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記中継姿勢設定手段は、前記先端側のリンクハブの前記始点姿勢から終点姿勢への姿勢変更量を所定量以下に分割した数をもとに前記各アームの回転量を分割するリンク作動装置の制御装置。
3. 　請求項１または請求項２に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記リンク機構が３組であり、前記中継姿勢設定手段により前記中継点を設定する前記規則は、前記先端側のリンクハブの前記始点姿勢から終点姿勢へ姿勢変更する過程で動作する３つのアームのうち、２つのアームを選び、この選んだ２つのアームの回転経路を等分し、残り１つのアームは、他の２つのアームとの相対位置関係から一意に決まる位置とするリンク作動装置の制御装置。
4. 　請求項３に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記３つのアームのうち２つのアームを選ぶ基準として、回転量の大きいアームを選択するリンク作動装置の制御装置。
5. 　請求項３または請求項４に記載のリンク作動装置の制御装置において、残り一つのアームの回転角を定めるについては、選択された２つのアームの回転角から、前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）を準変換の変換式で求め、前記リンクハブの姿勢（θ，φ）から逆変換の変換式により前記残り一つのアームの回転角を定めるリンク作動装置の制御装置。
6. 　請求項５に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）は、前記３つのアームのうちの２つのアームの回転角と変換式とを用いて収束演算で求めるリンク作動装置の制御装置。
7. 　請求項１または請求項２に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記中継姿勢設定手段は、前記各アームの中継点を求める定められた規則として、前記先端側のリンクハブが最短距離で移動する経路上に一つ以上の中継姿勢をとり、前記経路上の、前記始点姿勢、中継姿勢、および終点姿勢のいずれかである各姿勢のうち、隣合う姿勢間の成す量が所定量以下となる先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）に対応する各アームの回転角を前記中継点とするリンク作動装置の制御装置。
8. 　請求項７において、前記先端側のリンクハブの姿勢（θ，φ）から逆変換の変換式により各アームの回転角を求めるリンク作動装置の制御装置。
9. 　請求項１または請求項２または請求項７に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記リンク機構が３組であり、前記先端側のリンクハブの前記始点姿勢（θａ，φａ）と終点姿勢（θｂ，φｂ）から、それぞれ折れ角θの移動量Δθと旋回角φの移動量Δφが所定の移動量以下となるように等分した各リンクハブ姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）（ただし、ｎ：分割数－１）を逆変換の変換式により求め、この求めたリンクハブ姿勢（θ１，θ２，…θｎ，φ１，φ２，…φｎ）を前記中継姿勢とするリンク作動装置の制御装置。
10. 　請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記姿勢変更制御手段は、前記先端側のリンクハブの前記始点姿勢から終点姿勢への位置決め制御を、前記始点姿勢から姿勢変更を開始するときの加速区間と、前記姿勢に達する手前で減速する減速区間とを除いて、姿勢変更経路の全区間で加減速無しで行うリンク作動装置の制御装置。
11. 　請求項１に記載のリンク作動装置の制御装置において、
    　前記リンク作動装置は、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記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前記中央リンク部材の連結端軸とがγの角度を成し、前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記中央リンク部材の連結端軸と前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記基端側および先端側のリンクハブの連結端軸とがαの角度を成し、
    　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（ｎ＝１，２，３，…）、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（ｎ＝１，２，３，…）、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、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部が通る円周上において、基準となる位相に対する各回転対偶部の円周方向の離間角をεｎ（ｎ＝１，２，３，…）、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が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる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部の離間角をε０とした場合、次の関係式
    

    

    で表される関係を充足するように、上記式１を逆変換することにより、目標とする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（θ，φ）から前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎを求め、この求めた回転角βｎとなるように前記各アクチュエータを制御するリンク作動装置の制御装置。
12. 　請求項１に記載のリンク作動装置の制御装置において、
    　前記リンク作動装置は、前記基端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記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前記中央リンク部材の連結端軸とがγの角度を成し、前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記中央リンク部材の連結端軸と前記基端側および先端側の端部リンク部材に回転自在に連結された前記基端側および先端側のリンクハブの連結端軸とがαの角度を成し、
    　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（ｎ＝１，２，３，…）、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（ｎ＝１，２，３，…）、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、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部が通る円周上において、基準となる位相に対する各回転対偶部の円周方向の離間角をεｎ（ｎ＝１，２，３，…）、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が原点位置（θ＝０，φ＝０）にある状態における基準となる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部の離間角をε０とした場合、次の関係式
    

    

    の式１を順変換することにより、前記基端側の端部リンク部材の回転角βｎから現在の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（θ，φ）を計算する姿勢計算装置を設けたリンク作動装置の制御装置。
13. 　請求項１１または請求項１２に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記式１における左辺の２行目の正負、および前記式２における右辺の正負は、前記基端側のリンクハブに対して前記基端側の端部リンクを組む方向によって決めるリンク作動装置の制御装置。
14. 　請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のリンク作動装置の制御装置おいて、前記端部リンク部材の軸角αが９０°であるリンク作動装置の制御装置。
15. 　請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のリンク作動装置の制御装置において、前記端部リンク部材の軸角αが９０°未満であるリンク作動装置の制御装置。

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