WO2022210556A1 - 球面リンク機構及び球面リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

球面リンク機構（１００，１００Ａ，１００Ｂ）は、基端リンクハブ（１０）と、先端リンクハブ（２０）と、複数のリンク（３０）と、カバー（４０）とを備える。複数のリンクの各々は、第１端部リンク部材（３１）及び第２端部リンク部材（３２）と、中間リンク部材（３３）とを有する。第１端部リンク部材は、第１端部リンク部材の一方端において、第１回転軸回りに回転可能に基端リンクハブに連結されている。第２端部リンク部材は、第２端部リンク部材の一方端において、第２回転軸回りに回転可能に先端リンクハブに連結されている。中間リンク部材は、中間リンク部材の一方端において第３回転軸回りに回転可能に第１端部リンク部材の他方端に連結されているとともに、中間リンク部材の他方端において第４回転軸回りに回転可能に第２端部リンク部材の他方端に連結されている。

Description

球面リンク機構及び球面リンク作動装置

　本発明は、球面リンク機構及び球面リンク作動装置に関する。

　特開２０１４－１１９０６９号公報（特許文献１）には、球面リンク機構が記載されている。特許文献１に記載の球面リンク機構は、基端リンクハブと、先端リンクハブと、複数のリンクとを有している。

　複数のリンクの各々は、第１端部リンク部材及び第２端部リンク部材と、中間リンク部材とを有している。第１端部リンク部材は、第１端部リンク部材の一方端において、基端リンクハブに第１回転軸回りに回転可能に連結されている。第２端部リンク部材は、第２端部リンク部材の一方端において、先端リンクハブに第２回転軸回りに回転可能に連結されている。中間リンク部材は、中間リンクハブの一方端において第３回転軸周りに回転可能に第１端部リンク部材の他方端に連結されているとともに、中間リンクハブの他方端において第４回転軸周りに回転可能に第２端部リンク部材の他方端に連結されている。

　基端リンクハブの中心軸線、第１回転軸及び第３回転軸は、第１回転リンク中心点で交わっている。基端リンクハブは、第１回転リンク中心点を中心とする球面上を移動する。先端リンクハブの中心軸線、第２回転軸及び第４回転軸は、第２回転リンク中心点で交わっている。先端リンクハブは、第２回転リンク中心点を中心とする球面上を移動する。すなわち、特許文献１に記載の球面リンク機構は、２つの球面リンクが組み合わされた構造になっている。

特開２０１４－１１９０６９号公報

　特許文献１に記載の球面リンク機構に埃、水滴、油滴、摩耗粉等が付着することを防止するためには、特許文献１に記載の球面リンク機構にカバーを取り付けることが有効であると考えられる。カバーは、例えば、一方端において基端リンクハブに取り付けられるとともに他方端において先端リンクハブに取り付けられることにより、その内部空間に複数のリンクが収納される。

　特許文献１に記載の球面リンク機構は、９０°の折れ角を実現することができる。しかしながら、カバーの素材にゴム、樹脂材料等を用いた上で上記の可動範囲を実現しようとすると、カバーが破損してしまうことがある。

　本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、大きな折れ角を実現する際にカバーに破損が生じることを抑制可能な球面リンク機構及び球面リンク作動装置を提供するものである。

　本発明の球面リンク機構は、基端リンクハブと、先端リンクハブと、複数のリンクと、カバーとを備える。複数のリンクの各々は、第１端部リンク部材及び第２端部リンク部材と、中間リンク部材とを有する。第１端部リンク部材は、第１端部リンク部材の一方端において、第１回転軸回りに回転可能に基端リンクハブに連結されている。第２端部リンク部材は、第２端部リンク部材の一方端において、第２回転軸回りに回転可能に先端リンクハブに連結されている。中間リンク部材は、中間リンク部材の一方端において第３回転軸回りに回転可能に第１端部リンク部材の他方端に連結されているとともに、中間リンク部材の他方端において第４回転軸回りに回転可能に第２端部リンク部材の他方端に連結されている。基端リンクハブの中心軸線である第１中心軸線、第１回転軸及び第３回転軸は、第１球面リンク中心点で交わる。先端リンクハブの中心軸線である第２中心軸線、第２回転軸及び第４回転軸は、第２球面リンク中心点で交わる。基端リンクハブは、第１球面リンク中心点を中心とする第１移動球面上を移動する。先端リンクハブは、第２球面リンク中心点を中心とする第２移動球面上を移動する。カバーは、カバー中継部材と、基端側カバー及び先端側カバーとを有する。カバー中継部材は、第１移動球面及び第２移動球面が交わる中間平面に交わるように複数のリンクの外側に配置されておいる。基端側カバーの一方端及び他方端は、それぞれ、基端リンクハブ及びカバー中継部材に取り付けられている。先端側カバーの一方端及び他方端は、それぞれ、先端リンクハブ及びカバー中継部材に取り付けられている。カバーの内部空間には、複数のリンクが配置されている。

　上記の球面リンク機構では、カバー中継部材が、複数のリンクのうちの１つの中間リンク部材と一体化されていてもよい。

　上記の球面リンク機構では、カバー中継部材が、第１球面リンク中心点及び第２球面リンク中心点を通る第５回転軸回りに回転可能に複数のリンクのうちの少なくとも１つの中間リンク部材に連結されていてもよい。

　上記の球面リンク機構では、複数のリンクに、第１リンクと、複数の第２リンクとが含まれていてもよい。カバー中継部材は、第１リンクの中間リンク部材と一体化されていてもよい。カバー中継部材は、第１球面リンク中心点及び第２球面リンク中心点を通る第５回転軸回りに回転可能に複数の第２リンクのうちの少なくとも１つの中間リンク部材に連結されていてもよい。

　本発明の球面リンク作動装置は、上記の球面リンク機構と、少なくとも２つの駆動源とを備える。少なくとも２つの駆動源の各々は、複数のリンクの各々の第１端部リンク部材を第１回転軸回りに回転させる。

　本発明の球面リンク機構及び球面リンク作動装置によると、大きな折れ角を実現する際にカバーに破損が生じることを抑制可能である。

カバー４０を省略した球面リンク機構１００の斜視図である。 球面リンク機構１００の正面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶにおける断面図である。 球面リンク機構１００Ａの正面図である。 図５のＶＩ－ＶＩにおける断面図である。 球面リンク機構１００Ｂの正面図である。 図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面図である。 図８の領域ＩＸにおける拡大図である。 球面リンク作動装置２００の正面図である。 図１０のＸＩ－ＸＩにおける断面図である。

　以下に、本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

　（第１実施形態）
　第１実施形態に係る球面リンク機構（以下においては、「球面リンク機構１００」とする）を説明する。

　＜球面リンク機構１００の構成＞
　図１は、カバー４０を省略した球面リンク機構１００の斜視図である。図１に示されるように、球面リンク機構１００は、基端リンクハブ１０と、先端リンクハブ２０と、複数のリンク３０とを有している。図示されていないが、例えば先端リンクハブ２０には、エンドエフェクタが取り付けられる。

　複数のリンク３０の各々は、基端リンクハブ１０及び先端リンクハブ２０に接続されている。複数のリンク３０の各々は、第１端部リンク部材３１と、第２端部リンク部材３２と、中間リンク部材３３とを有している。複数のリンク３０の数は、例えば３つである。但し、複数のリンク３０の数は、これに限られない。複数のリンク３０の数は、４以上であってもよい。複数のリンク３０は、例えば、互いに等間隔で配置されている。なお、基端リンクハブ１０の形状及び先端リンクハブ２０の形状は、例えば、同一である。

　第１端部リンク部材３１は、第１端部リンク部材３１の一方端において、第１回転軸回りに回転可能に基端リンクハブ１０に連結されている。第２端部リンク部材３２は、第２回転軸回りに回転可能に先端リンクハブ２０に連結されている。中間リンク部材３３は、中間リンク部材３３の一方端において、第３回転軸回りに回転可能に第１端部リンク部材３１の他方端に連結されている。中間リンク部材３３は、第４回転軸回りに回転可能に第２端部リンク部材３２の他方端に連結されている。

　基端リンクハブ１０の中心軸線を第１中心軸線とし、先端リンクハブ２０の中心軸線を第２中心軸線とする。第１中心軸線、第１回転軸及び第３回転軸は、１点で交わる。この１点を、第１球面リンク中心点とする。第２中心軸線、第２回転軸及び第４回転軸は、第１球面リンク中心点とは別の１点で交わる。この別の１点を、第２球面リンク中心点とする。

　基端リンクハブ１０は、第１球面リンク中心点を中心とする球面（第１移動球面）上を移動する。先端リンクハブ２０は、第２球面リンク中心点を中心とする球面（第２移動球面）上を移動する。すなわち、球面リンク機構１００は、２つの球面リンクが組み合わされた構造を有している。

　第１移動球面と第２移動球面とが交わる平面を、中間平面ＩＰ（図３参照）とする。球面リンク機構１００に含まれる２つの球面リンクは、中間平面ＩＰに関して対称に動く。第１中心軸線と第２中心軸線とがなす角度を、折れ角とする。先端リンクハブ２０は、基端リンクハブ１０に対して０°以上９０°以下の折れ角をなすように移動する。

　図２は、球面リンク機構１００の正面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図４は、図２のＩＶ－ＩＶにおける断面図である。図２、図３及び図４に示されるように、球面リンク機構１００は、カバー４０を有している。カバー４０は、カバー中継部材４１と、基端側カバー４２と、先端側カバー４３とを有している。なお、基端側カバー４２の形状及び先端側カバー４３の形状は、例えば、同一になっている。

　基端側カバー４２及び先端側カバー４３は、可撓性のある材料により形成されている。基端側カバー４２及び先端側カバー４３は、例えば、ゴム、樹脂材料により形成されている。但し、基端側カバー４２及び先端側カバー４３は、その他の材料により形成されていてもよい。

　カバー中継部材４１は、環状（リング状）である。カバー中継部材４１は、円環状であることが好ましい。カバー中継部材４１は、複数のリンク３０の外側に配置されている。カバー中継部材４１は、中間平面ＩＰに交わるように配置されている。

　カバー中継部材４１は、例えば、第１環状部材４１ａと、第２環状部材４１ｂとにより構成されている。第２環状部材４１ｂは、第２環状部材４１ｂの内周面が第１環状部材４１ａの外周面に対向するように配置されている。すなわち、第２環状部材４１ｂは、第１環状部材４１ａの外側に配置されている。

　基端側カバー４２は、内部中空の筒状である。基端側カバー４２の一方端は、基端リンクハブ１０に取り付けられている。基端側カバー４２の他方端は、カバー中継部材４１に取り付けられている。より具体的には、基端側カバー４２の他方端は、第１環状部材４１ａの外周面と第２環状部材４１ｂの内周面とにより挟み込まれている。

　先端側カバー４３は、内部中空の筒状である。先端側カバー４３の一方端は、先端リンクハブ２０に取り付けられている。先端側カバー４３の他方端は、カバー中継部材４１に取り付けられている。より具体的には、先端側カバー４３の他方端は、第１環状部材４１ａの外周面と第２環状部材４１ｂの内周面とにより挟み込まれている。

　カバー４０の内部空間には、複数のリンク３０が配置されている。カバー４０の内部空間には、基端リンクハブ１０の一部又は全部が配置されているとともに、先端リンクハブ２０の一部又は全部が配置されていてもよい。これにより、球面リンク機構１００の内部に埃、水滴、油滴、摩耗粉等が付着することが防止されている。

　＜球面リンク機構１００の効果＞
　球面リンク機構１００は、基端リンクハブ１０と先端リンクハブ２０とが中間平面ＩＰに関して対称な位置にあるように動作する。また、球面リンク機構１００では、カバー中継部材４１が中間平面ＩＰと交わる位置に配置されているため、球面リンク機構１００が動作している際、基端側カバー４２及び先端側カバー４３も、中間平面ＩＰに関して対称に変形することになる。そのため、折れ角が大きい場合（例えば、折れ角が９０°になる場合）であっても、カバー４０全体としての変形は、基端側カバー４２及び先端側カバー４３に均等に分散される。そのため、球面リンク機構１００によると、大きい折れ角を実現する際に基端側カバー４２及び先端側カバー４３に破損が生じることが抑制される。

　（第２実施形態）
　第２実施形態に係る球面リンク機構（以下においては、「球面リンク機構１００Ａ」とする）を説明する。ここでは、球面リンク機構１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

　図５は、球面リンク機構１００Ａの正面図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩにおける断面図である。図５及び図６に示されるように、球面リンク機構１００Ａでは、カバー中継部材４１が複数のリンク３０のうちの１つの中間リンク部材３３と一体化されている。

　球面リンク機構１００では、カバー中継部材４１が複数のリンク３０のいずれにも取り付けられていないため、カバー４０に外力が加わることにより、カバー４０の全体が変形して複数のリンク３０に接触することがある。

　他方で、球面リンク機構１００Ａでは、カバー中継部材４１が複数のリンク３０のうちの１つの中間リンク部材３３と一体化されているため、カバー４０に外力が加わったとしても、中間リンク部材３３が当該外力を支持するためカバー４０の全体が変形してしまうことが抑制される。

　（第３実施形態）
　第３実施形態に係る球面リンク機構（以下においては、「球面リンク機構１００Ｂ」とする）を説明する。ここでは、球面リンク機構１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

　図７は、球面リンク機構１００Ｂの正面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面図である。図９は、図８の領域ＩＸにおける拡大図である。図７～図９に示されるように、球面リンク機構１００Ｂでは、第１環状部材４１ａの内周面に、溝４１ａａが形成されている。第１環状部材４１ａの内周面は、溝４１ａａにおいて、第１環状部材４１ａの外周面側に向かって窪んでいる。溝４１ａａは、第１環状部材４１ａの周方向に延在している。

　複数のリンク３０の各々の中間リンク部材３３は、突起部３３ａを有している。突起部３３ａは、溝４１ａａに挿入されている。これにより、カバー中継部材４１は、第５回転軸回りに回転可能に複数のリンク３０の各々の中間リンク部材３３に連結されている。

　第５回転軸は、第１球面リンク中心点及び第２球面リンク中心点を通っている。すなわち、第５回転軸は、中間平面ＩＰの中心を通り、かつ中間平面ＩＰに直交している。そのため、カバー中継部材４１が第５回転軸回りに回転可能に複数のリンク３０の各々の中間リンク部材３３に連結されても、球面リンク機構１００Ｂの動作は変化しない。

　なお、カバー中継部材４１は、複数のリンク３０の全ての中間リンク部材３３に第５回転軸回りに回転可能に連結されていなくてもよい。複数のリンク３０のうちの１つを、第１リンクとする。複数のリンク３０のうちの第１リンク以外のものを、複数の第２リンクとする。球面リンク機構１００Ｂでは、第１リンクの中間リンク部材３３がカバー中継部材４１と一体化されていてもよく、カバー中継部材４１が複数の第２リンクのうちの少なくとも１つに第５回転軸回りに回転可能に連結されていてもよい。

　球面リンク機構１００では、複数のリンク３０の各々の中間リンク部材３３が相互に連結されていないため、球面リンク機構１００全体の剛性には改善の余地がある。他方で、球面リンク機構１００Ｂでは、カバー中継部材４１が複数のリンク３０の各々の中間リンク部材３３に連結されているため、複数のリンク３０に加わる荷重がカバー中継部材４１にも分散されることになり、球面リンク機構１００Ｂ全体の剛性が改善される。

　（第４実施形態）
　第４実施形態に係る球面リンク作動装置（以下においては、「球面リンク作動装置２００」とする）を説明する。

　図１０は、球面リンク作動装置２００の正面図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩにおける断面図である。図１０及び図１１に示されるように、球面リンク作動装置２００は、球面リンク機構１００Ｂと、複数の駆動源１１０とを有している。

　なお、球面リンク作動装置２００では、球面リンク機構１００Ｂに代えて、球面リンク機構１００又は球面リンク機構１００Ａが用いられてもよい。球面リンク作動装置２００では、基端リンクハブ１０の形状及び先端リンクハブ２０の形状が同一ではなく（基端リンクハブ１０が先端リンクハブ２０よりも大きく）、基端側カバー４２の形状及び先端側カバー４３の形状が同一ではない。

　複数の駆動源１１０の数は、例えば、複数のリンク３０の数に等しい。但し、複数の駆動源１１０の数は、少なくとも２つ以上であればよい。複数の駆動源１１０の各々は、複数のリンク３０の各々の第１端部リンク部材３１を第１中心軸回りに回転させる。複数の駆動源１１０の各々の駆動は、独立して行われる。これにより、先端リンクハブ２０の基端リンクハブ１０に対する位置及び姿勢が、決定されることになる。

　基端リンクハブ１０は、内面と、外面とを有している。基端リンクハブ１０の内面は、カバー４０の内部空間側を向いている面である。基端リンクハブ１０の外面は、基端リンクハブ１０の内面の反対面である。基端リンクハブ１０には、複数の貫通穴１０ａが形成されている。複数の貫通穴１０ａの各々は、基端リンクハブ１０を貫通し、カバー４０の内部空間に連通している。

　複数の駆動源１１０の各々は、本体部１１０ａと、回転軸１１０ｂとを有している。本体部１１０ａは、基端リンクハブ１０の外面に取り付けられている。回転軸１１０ｂの中心軸は、第１回転軸の方向に直交している。本体部１１０ａは、回転軸１１０ｂを回転軸１１０ｂの中心軸回りに回転させる。複数の駆動源１１０の各々の回転軸１１０ｂは、複数の貫通穴１０ａの各々に挿入されている。

　球面リンク作動装置２００は、複数のはす歯歯車機構１２０をさらに有している。複数のはす歯歯車機構１２０の各々は、カバー４０の内部空間に配置されている。

　複数のはす歯歯車機構１２０の各々は、第１はす歯歯車１２１と、第２はす歯歯車１２２とを有している。第１はす歯歯車１２１は複数のリンク３０の各々の第１端部リンク部材３１の一方端に取り付けられており、第２はす歯歯車１２２は複数の駆動源１１０の各々の回転軸１１０ｂに取り付けられている。第１はす歯歯車１２１は、第１端部リンク部材３１とともに、第１回転軸回りに回転する。第２はす歯歯車１２２は、回転軸１１０ｂとともに回転する。第１はす歯歯車１２１は、第２はす歯歯車１２２に噛み合っている。

　そのため、複数の駆動源１１０の各々の回転軸１１０ｂが回転することにより、複数のリンク３０の各々の第１端部リンク部材３１が第１回転軸回りに回転し、先端リンクハブ２０の基端リンクハブ１０に対する位置及び姿勢が変更される。

　球面リンク作動装置２００では、複数の駆動源１１０を取り付けるために、カバー－４０（基端側カバー４２及び先端側カバー４３）に回転軸１１０ｂを通すための穴を形成する必要がなくなる。そのため、球面リンク作動装置２００によると、カバー４０の内部空間に埃、水滴、油滴、摩耗粉等がカバー４０に形成された穴を通って侵入することが抑制されている。

　以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上記の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

　上記の実施形態は、球面リンク機構及び球面リンク機構を有する球面リンク作動装置に特に有利に適用される。

　１０　基端リンクハブ、１０ａ　貫通穴、２０　先端リンクハブ、３０　リンク、３１　第１端部リンク部材、３２　第２端部リンク部材、３３　中間リンク部材、３３ａ　突起部、４０　カバー、４１　カバー中継部材、４１ａ　第１環状部材、４１ａａ　溝、４１ｂ　第２環状部材、４２　基端側カバー、４３　先端側カバー、１００，１００Ａ，１００Ｂ　球面リンク機構、１１０　駆動源、１１０ａ　本体部、１１０ｂ　回転軸、１２０　はす歯歯車機構、１２１　第１はす歯歯車、１２２　第２はす歯歯車、２００　球面リンク作動装置、ＩＰ　中間平面。

Claims (5)

1. 　基端リンクハブと、
   　先端リンクハブと、複数のリンクと、
   　カバーとを備え、
   　前記複数のリンクの各々は、第１端部リンク部材及び第２端部リンク部材と、中間リンク部材とを有し、
   　前記第１端部リンク部材は、前記第１端部リンク部材の一方端において、第１回転軸回りに回転可能に前記基端リンクハブに連結されており、
   　前記第２端部リンク部材は、前記第２端部リンク部材の一方端において、第２回転軸回りに回転可能に前記先端リンクハブに連結されており、
   　前記中間リンク部材は、前記中間リンク部材の一方端において第３回転軸回りに回転可能に前記第１端部リンク部材の他方端に連結されているとともに、前記中間リンク部材の他方端において第４回転軸回りに回転可能に前記第２端部リンク部材の他方端に連結されており、
   　前記基端リンクハブの中心軸線である第１中心軸線、前記第１回転軸及び前記第３回転軸は、第１球面リンク中心点で交わり、
   　前記先端リンクハブの中心軸線である第２中心軸線、前記第２回転軸及び前記第４回転軸は、第２球面リンク中心点で交わり、
   　前記基端リンクハブは、前記第１球面リンク中心点を中心とする第１移動球面上を移動し、
   　前記先端リンクハブは、前記第２球面リンク中心点を中心とする第２移動球面上を移動し、
   　前記カバーは、カバー中継部材と、基端側カバー及び先端側カバーとを有し、
   　前記カバー中継部材は、前記第１移動球面及び前記第２移動球面が交わる中間平面に交わるように前記複数のリンクの外側に配置されており、
   　前記基端側カバーの一方端及び他方端は、それぞれ、前記基端リンクハブ及び前記カバー中継部材に取り付けられており、
   　前記先端側カバーの一方端及び他方端は、それぞれ、前記先端リンクハブ及び前記カバー中継部材に取り付けられており、
   　前記カバーの内部空間には、前記複数のリンクが配置されている、球面リンク機構。
2. 　前記カバー中継部材は、前記複数のリンクのうちの１つの前記中間リンク部材と一体化されている、請求項１に記載の球面リンク機構。
3. 　前記カバー中継部材は、前記第１球面リンク中心点及び前記第２球面リンク中心点を通る第５回転軸回りに回転可能に前記複数のリンクのうちの少なくとも１つの前記中間リンク部材に連結されている、請求項１に記載の球面リンク機構。
4. 　前記複数のリンクには、第１リンクと、複数の第２リンクとが含まれており、
   　前記カバー中継部材は、前記第１リンクの前記中間リンク部材と一体化されているとともに、前記第１球面リンク中心点及び前記第２球面リンク中心点を通る第５回転軸回りに回転可能に前記複数の第２リンクのうちの少なくとも１つの前記中間リンク部材に連結されている、請求項１に記載の球面リンク機構。
5. 　請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の前記球面リンク機構と、
   　少なくとも２つの駆動源とを備え、
   　前記少なくとも２つの駆動源の各々は、前記複数のリンクの各々の前記第１端部リンク部材を前記第１回転軸回りに回転させる、球面リンク作動装置。

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