JP2020006509A - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置先端に作用する様々な方向からの外力を、簡易で安価な構成で正確に検出でき、装置全体の安全性の向上が図れ、人との協調作業に用いることができるリンク作動装置を提供する。【解決手段】基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブとを複数のリンク機構１４で連結したパラレルリンク機構９で構成されるリンク作動装置１に適用される。各姿勢制御用アクチュエータ１０を制御するコントローラ３が設けられ、コントローラ３に、各姿勢制御用アクチュエータ１０に指令を出力する姿勢制御手段４、および先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段５が設けられる。荷重推定手段５は、各姿勢制御用アクチュエータ１０に作用するトルク変化量より、先端側のリンクハブに作用する衝突を検知する衝突検知機能を有する。荷重推定手段５の衝突検知により各姿勢制御用アクチュエータ１０の動作をオフにして自由とする衝突対応制御手段を備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、医療機器や産業機器等の高速、高精度、および、広範な作動範囲を必要とする機器や人との協調作業に用いられるリンク作動装置に関する。

各種作業装置に用いられるパラレルリンク機構が、特許文献１、２に提案されている。特許文献１のパラレルリンク機構は、構成が比較的簡単であるが、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と、リンク長が長くなり、機構全体の寸法が大きくなるという問題がある。特許文献２のパラレルリンク機構は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、４節連鎖の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た構成としたことにより、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。

特開２０００−９４２４５号公報 米国特許第５，８９３，２９６号明細書

特許文献２のパラレルリンク機構など、従来のリンク作動装置は、いずれもパラレルリンク機構の先端に作用する力を検出するには高価なセンサを取り付ける必要があった。
医療機器等のように、人との協調作業に用いられるリンク作動装置では、誤って人の手や腕等が干渉した場合に、即座に自由に逃げられるようにすることが安全上で求められ、そのためには、リンク作動装置の先端に作用する力を検出して対処する必要がある。また医療機器や産業機器では、作業を精度良く行うために、リンク作動装置の先端に作用する力を検出可能とすることが求められる。

この発明の目的は、上記課題を解消し、装置先端に作用する様々な方向からの外力を、簡易で安価な構成で検出でき、装置全体の安全性の向上が図れ、人との協調作業に用いることができるリンク作動装置を提供することである。

この発明のリンク作動装置は、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姿勢制御用アクチュエータを設けたリンク作動装置において、
前記各姿勢制御用アクチュエータを制御するコントローラが設けられ、このコントローラに、前記各姿勢制御用アクチュエータに指令を出力する姿勢制御手段、および前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段が設けられると共に、前記荷重推定手段は、前記各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルク変化量より、前記先端側のリンクハブに作用する衝突を検知する衝突検知機能を有し、
前記荷重推定手段の衝突検知により前記各姿勢制御用アクチュエータの動作をオフにして自由とする衝突対応制御手段を備えた。

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軸周りに回転自在な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。各姿勢制御用アクチュエータの動作を制御することで、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させることができる。

このような構成のリンク作動装置において、前記姿勢制御用アクチュエータのそれぞれがトルク検出手段を有し、これらのトルク検出手段の検出信号から、前記荷重推定手段による荷重の推定を行ってもよい。各姿勢制御用アクチュエータにトルク検出手段を設け、このトルク検出手段の検出信号から先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段を設けたため、別のセンサを先端側のリンクハブ等の可動部分に設けることなく荷重を推定することができる。先端側のリンクハブの荷重は、前記各リンク機構を介して前記各姿勢制御用アクチュエータに伝わるため、各姿勢制御用アクチュエータのトルクから先端側のリンクハブの荷重を計算できる。前記姿勢制御用アクチュエータのトルクを検出するトルク検出手段は、この姿勢制御用アクチュエータに印加する電流を検出するセンサ等の簡単な検出手段で構成できる。
このように、姿勢制御用アクチュエータにトルク検出手段を設け、別のセンサを先端側のリンクハブ等の可動部分に設けることなく、先端側のリンクハブに作用する荷重を推定するようにしたため、装置全体のコンパクト化やコスト低減に繋がる。
また、上記構成のリンク作動装置は、その可動範囲内において特異点がなく全方向にスムーズに動ける構成であるため、先端側のリンクハブに様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用アクチュエータに確実にトルクが伝達され、正確に荷重を推定することができる。

この発明において、前記３組以上のリンク機構は、これらリンク機構が並ぶ周方向に等間隔に配置し、前記リンク機構の全てに対して前記姿勢制御用アクチュエータを設けても良い。
このように３組以上のリンク機構を等間隔に配置し、リンク機構全てに姿勢制御用アクチュエータを設けることで、各姿勢制御用アクチュエータに対してバランス良くトルクが伝達される。そのため、前記姿勢制御用アクチュエータに設けられたトルク検出手段の検出信号を用いてより正確に荷重を推定できるようになる。

この発明のリンク作動装置は、前記基本構成において、前記３組以上のリンク機構に対して前記姿勢制御用アクチュエータを設けている。
リンク機構を３組とすると、リンク機構同士の干渉も少なくなり、作動範囲が大きくなるだけでなく、部品点数も少ないため、コスト低減に繋がる。また、リンク機構が３組であり、これら３組のリンク機構に対して前記姿勢制御用アクチュエータが設けられていると、バランス良くトルク伝達が行える。そのため、装置先端に作用する荷重を各姿勢制御用アクチュエータのトルク検出手段から求めるにつき、計算が行い易く、より正確に荷重を推定できるようになる。

この発明において、前記荷重推定手段は、前記トルク検出手段により検出されるトルク変化量より、前記先端側のリンクハブに作用する衝突を検知する機能を有するようにしても良い。
先端側のリンクハブまたはこれに搭載しているものが何かに衝突すると、姿勢制御用アクチュエータに作用するトルクが急激に変化する。そのため、このトルク変動量により様々な方向に対する衝突を検知することができる。このように前記荷重推定手段に衝突検知機能を設けた構成により、リンク作動装置が人や物に接触した場合でも、それを検知して装置を停止させるなどの措置を採れるようになり、安全性が向上する。

この発明のリンク作動装置は、前記荷重推定手段が、前記トルク検出手段のそれぞれのトルク値から、前記先端側のリンクハブに作用する荷重値と荷重が作用する方向を検知する機能を有する。
事前に先端に作用する荷重に対する各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルクを測定し、各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルクと先端に作用する荷重との関係を定めたテーブル等を作成しておいたり、機構解析により各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルクから先端に作用する荷重を算出する計算式を立てておけば、トルク検出手段が検出するトルク値から先端側の荷重を推定できるようになる。先端に作用する荷重が精度良く検出されると、先端側のリンクハブに取付けられたエンドエフェクタ等による作業が精度良く行える。

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姿勢制御用アクチュエータを設けたリンク作動装置において、前記各姿勢制御用アクチュエータを制御するコントローラが設けられ、このコントローラに、前記各姿勢制御用アクチュエータに指令を出力する姿勢制御手段、および前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段が設けられると共に、前記荷重推定手段は、前記各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルク変化量より、前記先端側のリンクハブに作用する衝突を検知する衝突検知機能を有し、前記荷重推定手段の衝突検知により前記各姿勢制御用アクチュエータの動作をオフにして自由とする衝突対応制御手段を備えたため、装置先端に作用する様々な方向からの外力を、簡易で安価な構成で検出でき、装置全体の安全性の向上を図ることができる。

この発明の第１の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等の横断面図と制御系の概念構成のブロック図とを組み合わせた説明図である。 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模式図である。 同リンク作動装置の作動装置本体の斜視図である。 同リンク作動装置の図４とは異なる動作状態を示す斜視図である。 同リンク作動装置の荷重推定手段で用いるトルクと衝突発生との関係を示すグラフである。 同リンク作動装置の荷重推定手段におけるトルクと作用力，作用方向の関係を示すテーブルの説明図である。 この発明の他の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等の横断面図と制御系の概念構成のブロック図とを組み合わせた説明図である。 この発明のさらに他の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と制御系の概念構成のブロック図とを組み合わせた説明図である。 同リンク作動装置の基端側のリンクハブ等の横断面図である。

この発明の第１の実施形態を図１〜図７と共に説明する。このリンク作動装置１は、パラレルリンク機構９と、このパラレルリンク機構９を作動させる姿勢制御用アクチュエータ１０と、この姿勢制御用アクチュエータを制御してパラレルリンク機構９の姿勢を変更させるコントローラ３（図２）とで構成される。

図１はリンク作動装置の正面図、図４、図５はリンク作動装置の互いに異なる状態を示す斜視図である。パラレルリンク機構９は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組の個別のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結したものである。なお、図１では、１組のリンク機構１４のみが示されている。前記３組のリンク機構１４は、この実施形態では、これらリンク機構１４が並ぶ周方向に等間隔に配置され、前記リンク機構１４の全てに対して前記姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられている。前記３組のリンク機構１４の並びの内部空間が、パラレルリンク機構９の内部空間Ｓとなる。なお、リンク機構１４の数は、４組以上であっても良い。

各個別のリンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７で構成され、４つの回転対偶からなる４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１５，１６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３に回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構９は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶、および端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ（図３）で交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γ（図１）を持っていてもよいし、平行であってもよい。

図２は基端側のリンクハブ１２、基端側の端部リンク部材１５等の断面図にコントローラ３の概念構成のブロックを加えた図である。同図に、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６の形状ならびに位置関係も図２と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

３組のリンク機構１４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図３に示すように、各リンク部材１５，１６，１７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１７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３は、一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構９は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７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。各中央リンク部材１７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸周りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を、回転が２自由度で姿勢変更自在とした機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図２）と直角に交わる直線をリンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図３）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φ（図３）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３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１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図４は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図５は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。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Ｌ（図３）は変化しない。

このパラレルリンク機構９において、各リンク機構１４におけるリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１（図２）の角度および球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの長さが互いに等しく、かつ各リンク機構１４のリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸Ｏ１、および、端部リンク部材１５，１６と中央リンク１７の回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材１７についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。

図１に示すように、基端側のリンクハブ１２は、前記ベース部材６と、このベース部材６と一体に設けられた３個の回転軸連結部材２１とで構成される。ベース部材６は中央部に円形の貫通孔６ａ（図２）を有し、この貫通孔６ａの周囲に３個の回転軸連結部材２１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔６ａの中心は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸連結部材２１には、軸心がリンクハブ中心軸ＱＡと交差する回転軸２２が軸受２３により回転自在に連結されている。軸受２３は、スペーサ２４と共に前記回転軸連結部材２１に設置されている。前記回転軸２２に、基端側の端部リンク部材１５の一端が、ナット２２ｃで止め付けて連結される。

回転軸２２は、減速機構５２の出力軸に同軸上に配置される。また、減速機構５２の出力軸には、この減速機構５２の出力軸と一体に回転するように、スペーサ２８を介して基端側の端部リンク部材１５の一端がボルト２９で連結される。ボルト２９は、基端側の端部リンク部材１５の一端に形成された切欠き部２５内から止め付けられている。
基端側の端部リンク部材１５の他端には切欠き部２６が設けられ、この切欠き部２６内に配置された中央リンク部材１７の一端に、回転自在に連結する回転軸３５が連結される。

図１，図４，図５に示すように、先端側のリンクハブ１３は、平板状の先端部材４０と、この先端部材４０の底面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材４１とで構成される。先端部材４０には、このリンク作動装置１の用途に応じて作業機となるエンドエフェクタ（図示せず）が取付けられる。各回転軸連結部材４１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材４１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸４２（図４）が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ１３の回転軸４２に、先端側の端部リンク部材１６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材１６の他端には、中央リンク部材１７の他端に回転自在に連結された回転軸４５が連結される。先端側のリンクハブ１３の回転軸４２および中央リンク部材１７の回転軸４５も、前記回転軸３５と同じ形状であり、かつ２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材４１および中央リンク部材１７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

リンク作動装置１の姿勢制御用アクチュエータ１０は、減速機構５２を備えたロータリアクチュエータであり、具体的には減速機構付きのサーボモータであり、基端側のリンクハブ１２のベース部材６の上面に、前記回転軸２２と同軸上に設置されている。姿勢制御用アクチュエータ１０と減速機構５２は一体に設けられ、モータ固定部材５３により減速機構５２がベース部材６に固定されている。この例では、３組のリンク機構１４の全てに姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられている。なお、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ１０を設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

図２において、コントローラ３は、リンク作動装置１のパラレルリンク機構９を制御する装置であり、上位の制御手段（図示せず）または手入力の操作手段（図示せず）から与えられた姿勢変更先の指令に従って、各姿勢制御用アクチュエータ１０に回転角度の指令を出力する姿勢制御手段４が設けられている。コントローラ３への変更先の姿勢指令は、例えば前記旋回角φ（図３）と折れ角θで与えられるが、姿勢制御手段４は、与えられた旋回角φと折れ角θの指令を、所定の演算式に従って各姿勢制御用アクチュエータ１０の回転角度の指令に変換し、各姿勢制御用アクチュエータ１０に出力する。また、姿勢制御手段４は、各姿勢制御用アクチュエータ１０に設けられた回転角度検出器（図示せず）の検出信号を用いてサーボ機構（図示せず）によりフィードバック制御を行う。パラレルリンク機構９に前記エンドエフェクタ（図示せず）を設ける場合は、このエンドエフェクタの制御についても、コントローラ３により行う。

このコントローラ３に、前記先端側のリンクハブ１３（図１）に作用する荷重を推定する荷重推定手段５が設けられている。前記姿勢制御用アクチュエータ１０は、それぞれがトルク検出手段８を有し、これらのトルク検出手段８の検出信号から、前記荷重推定手段５による前記先端側のリンクハブ１３の作用荷重の推定を行う。トルク検出手段８は、例えば、各姿勢制御用アクチュエータ１０に流れる電流を検出する電流センサ等からなる。

荷重推定手段５による先端側のリンクハブ１３の作用荷重の推定は、必ずしも数値として推定しなくても良く、例えば衝突が生じたか否かの判定を行える程度の段階的な推定であっても良い。図６は、衝突検知の例を示し、縦軸に各トルク検出手段８が検出したトルクの値を、横軸に時間の経過をそれぞれ示す。同図の例では、姿勢制御用アクチュエータ１０の加速時のトルク値を示しており、各姿勢制御用アクチュエータ１０のトルク値は次第に上昇しているが、時刻ｔ１の時点で急激に上昇している。荷重推定手段５は、このような各トルク検出手段８により検出されるトルクの単位時間当たりの変化量であるトルク変化量（同図ではトルク変化曲線の勾配で表れる）から、先端側のリンクハブ１３が衝突をしたことを検知するようにしても良い。この衝突検知では、トルク変化量は、例えば閾値を超えたか否かが分かれば良い。この衝突検知において、荷重推定手段５は、各トルク検出手段８の検出値のうち、いずれか一つのトルク検出手段８の検出値が閾値を超えていると衝突と判定するようにしても良く、また各トルク検出手段８の検出値から、定められた規則に従って総合的に判断して衝突と判定するようにしても良い。

前記荷重推定手段５が上記のように衝突検知機能を有するものである場合、前記コントーラ３またはその前記前記姿勢制御手段４に、前記荷重推定手段５による衝突検知によって、各姿勢制御用アクチュエータ１０の動作をサーボオフ等によって自由とする衝突対応制御手段（図示せず）を設けても良い。このようにサーボオフ等によって自由にパラレルリンク機構９が自由に移動できるようにすることで、安全性が向上する。

この実施形態では、荷重推定手段５は、上記衝突検知の機能の他に、前記トルク検出手段８のそれぞれのトルク値から、前記先端側のリンクハブ１３に作用する荷重値と荷重が作用する方向の検知を可能としている。
この例では、具体的には、事前に先端側のリンクハブ１３に作用する荷重に対する各姿勢制御用アクチュエータ１０に作用するトルクを測定し、その測定結果を用いて、各姿勢制御用アクチュエータ１０に作用するトルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３と先端側のリンクハブ１３に作用する荷重との関係を定めたテーブル７（図７）を作成しておき、前記各トルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３の検出値を前記テーブル７と照合して作用力と方向を求めるようにしている。テーブル７における方向は、例えば、図３に示す先端側のリンクハブ１３の旋回角φである。

荷重推定手段５は、図７のテーブル７を用いる代わりに、機構解析により各姿勢制御用アクチュエータ１０に作用するトルクから先端側のリンクハブ１３に作用する荷重を算出する計算式を備えておき、トルク検出手段８が検出するトルク値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３から先端側のリンクハブ１３に作用する荷重を推定するようにしても良い。

この構成のリンク作動装置１によると、上記のように、基端側のリンクハブ１２と、先端側のリンクハブ１３と、３組以上のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸周りに回転自在な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１３の可動範囲を広くとれる。各姿勢制御用アクチュエータ１０の動作を制御することで、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３の姿勢を任意に変更させることができる。

このような構成のリンク作動装置１において、姿勢制御用アクチュエータ１０にトルク検出手段８を設け、このトルク検出手段８の検出信号から先端側のリンクハブ１３に作用する荷重を推定する荷重推定手段５を設けたため、別のセンサを先端側のリンクハブ１３等の可動部分に設けることなく荷重を推定することができる。先端側のリンクハブ１３の荷重は、前記各リンク機構１４を介して前記各姿勢制御用アクチュエータ１０に伝わるため、各姿勢制御用アクチュエータ１０のトルクから先端側のリンクハブ１３の荷重を計算できる。前記トルク検出手段８は、姿勢制御用アクチュエータ１０に印加する電流を検出するセンサ等の簡単な検出手段で構成できる。

このように、姿勢制御用アクチュエータ１０にトルク検出手段８を設け、別のセンサを先端側のリンクハブ１３等の可動部分に設けることなく、先端側のリンクハブ１３に作用する荷重を推定するようにしたため、装置全体のコンパクト化やコスト低減に繋がる。
また、上記構成のリンク作動装置１は、その可動範囲内において特異点がなく全方向にスムーズに動ける構成であるため、先端側のリンクハブ１３に様々な方向から荷重が作用した場合でも姿勢制御用アクチュエータ１０に確実にトルクが伝達され、正確に荷重を推定することができる。

この実施形態では、前記３組以上のリンク機構１４を等間隔に配置し、これらリンク機構１４の全てに姿勢制御用アクチュエータ１０を設けたため、各姿勢制御用アクチュエータ１０に対してバランス良くトルクが伝達される。そのため、前記姿勢制御用アクチュエータ１０に設けられたトルク検出手段８の検出信号を用いて正確に荷重を推定できるようになる。また、リンク機構１４は３組としたため、リンク機構１４の相互の干渉も少なくなり、作動範囲が大きくなるだけでなく、部品点数も少なくなって、コスト低減に繋がる。

また、前記荷重推定手段５は、前記トルク検出手段８により検出されるトルク変化量より、前記先端側のリンクハブ１３に作用する衝突を検知する機能を有する。
先端側のリンクハブ１３に搭載しているもの、例えばエンドエフェクタ（図示せず）が何かに衝突すると、姿勢制御用アクチュエータ１０に作用するトルクが急激に変化する（図 参照）。そのため、このトルク変動量により様々な方向に対する衝突を検知することができる。このように前記荷重推定手段５に衝突検知機能を設けた構成により、リンク作動装置１が人や物に接触した場合でも、それを検知して装置を停止させるなどの措置をと採れるようになり、安全性が向上する。

前記荷重推定手段５は、さらに、前記トルク検出手段８のそれぞれのトルク値から、前記先端側のリンクハブ１３に作用する荷重値と荷重が作用する方向の検知する機能を有する。前述のようにテーブル７等を作成しておいたり、計算式を立てておけば、トルク検出手段８が検出するトルク値から先端側の荷重を推定できるようになる。先端に作用する荷重が精度良く検出されると、先端側のリンクハブ１３に取付けられたエンドエフェクタ等による作業が精度良く行える。

図８，図９は、他の実施形態を示す。特に説明する事項の他は、図１〜図７に示す第１の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。この実施形態では、図８、図９に示すように先端側のリンクハブ１３が多角形状に形成され、基端側のリンクハブ１２は、ベース部材６上にスペーサ６５を介して多角形状の基端側のリンクハブ１２を設置した構成とされている。先端側のリンクハブ１３にエンドエフェクタ（図示せず）が設置されている。また、姿勢制御用アクチュエータ１０が図９のように接続されている。

パラレルリンク機構９の３組のリンク機構１４の全てに、基端側の端部リンク部材１５を回動させて基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を任意に変更させる姿勢制御用アクチュエータ１０と、この姿勢制御用アクチュエータ１０の動作量を基端側の端部リンク部材１５に減速して伝達する減速機構７１とが設けられている。姿勢制御用アクチュエータ１０はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機５２付きのサーボモータであって、モータ固定部材５３によりベース部材６に固定されている。減速機構７１は、姿勢制御用アクチュエータ１０の減速機５２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、姿勢制御用アクチュエータ１０の出力軸にカップリング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１５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、姿勢制御用アクチュエータ１０の出力軸の回転が基端側の端部リンク部材１５へ、減速して伝達される。

この実施形態のようにパラレルリンク機構９および姿勢制御用アクチュエータ１０を構成した場合も、コントローラ３の荷重推定手段５によって、前記第１の実施形態と同様に、装置先端に作用する様々な方向からの外力を、簡易で安価な構成で検出でき、装置全体の安全性の向上を図ることができる。

図１０，図１１は、さらに他の実施形態を示す。特に説明する事項の他は、図１〜図７に示す第１の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。この実施形態では、基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３は、その中心部にそれぞれ貫通孔が形成されて外形が球面状をしたドーナツ形状をしている。これら基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３の外周面の円周方向に等間隔の位置に、基端側の端部リンク部材１５および先端側の端部リンク部材１６がそれぞれ回転自在に連結されている。

図１１は、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部、および基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の回転対偶部を示す断面図である。基端側のリンクハブ１２は、外周部に半径方向の軸孔８１が円周方向３箇所に形成され、各軸孔８１内に設けた二つの軸受８２により軸部材８３がそれぞれ回転自在に支持されている。軸部材８３の中心は、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５との回転対偶の中心軸と一致している。軸部材８３の外側端部は基端側のリンクハブ１２から突出し、その突出ねじ部８３ａに基端側の端部リンク部材１５が結合され、ナット９４によって締付け固定されている。

前記軸受８２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８１の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部材８３の外周に嵌合している。外輪は止め輪８５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１５の間には間座８６が介在し、ナット８４の締付力が基端側の端部リンク部材１５および間座８６を介して内輪に伝達されて、軸受８２に所定の予圧を付与している。

基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の回転対偶部は、中央リンク部材１７の両端に形成された連通孔８８に二つの軸受８９が設けられ、これら軸受８９により、基端側の端部リンク部材１５の先端の軸部９０が回転自在に支持されている。軸受８９は、間座９１を介して、ナット９２によって締付け固定されている。

前記軸受８９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８８の内周に嵌合し、その内輪（図示せず）が前記軸部９０の外周に嵌合している。外輪は止め輪９３によって抜け止めされている。軸部９０の先端ねじ部９０ａに螺着したナット９２の締付力が間座９１を介して内輪に伝達されて、軸受８９に所定の予圧を付与している。なお、図１１では後述するかさ歯車５７は省略している。

以上、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部、および基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の回転対偶部について説明したが、先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６の回転対偶部、および先端側の端部リンク部材１６と中央リンク部材１７の回転対偶部も同じ構成である（図示省略）。

このように、各リンク機構１４における４つの回転対偶部、つまり、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部、先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６の回転対偶部、基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７と回転対偶部、および先端側の端部リンク部材１６と中央リンク部材１７の回転対偶部に、軸受８２，８９を設けた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、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。

図１０において、ベース部材６の上面にスペーサ６５を介して基端側のリンクハブ１２が固定されている。ベース部材６の下面には前記姿勢制御用アクチュエータ１０が垂下状態で取付けられている。姿勢制御用アクチュエータ１０の数は、リンク機構１４と同数の３個である。姿勢制御用アクチュエータ１０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１２の軸部材８３（図５）に取付けた扇形のかさ歯車５７とが噛み合っている。
なお、この例では、リンク機構１４と同数の姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられているが、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に姿勢制御用アクチュエータ１０が設けられていれば、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

このパラレルリンク機構９では、各姿勢制御用アクチュエータ１０を回転駆動させることで、その回転が一対のかさ歯車５６，５７を介して軸部材８３に伝達されて、基端側のリンクハブ１２に対する基端側の端部リンク部材１５の角度が変更する。それにより、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の位置および姿勢が決まる。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１５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。

この実施形態のようにパラレルリンク機構９および姿勢制御用アクチュエータ１０を構成した場合も、コントローラ３の荷重推定手段５によって、前記第１の実施形態と同様に、装置先端に作用する様々な方向からの外力を、簡易で安価な構成で検出でき、装置全体の安全性の向上を図ることができる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…リンク作動装置
３…コントローラ
４…姿勢制御手段
５…荷重推定手段
６…ベース部材
８…トルク検出手段
９…パラレルリンク機構
１０…姿勢制御用アクチュエータ
１２…基端側のリンクハブ
１３…先端側のリンクハブ
１４…リンク機構
１５…基端側の端部リンク部材
１６…先端側の端部リンク部材
１７…中央リンク部材
Ｏ１…リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸
Ｏ２…端部リンク部材と中央リンク部材の回転対偶の中心軸
ＰＡ，ＰＢ…球面リンク中心
ＱＡ，ＱＢ…リンクハブの中心軸
Ｓ…内部空間

Claims (2)

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姿勢制御用アクチュエータを設けた２自由度機構のリンク作動装置において、
   前記各姿勢制御用アクチュエータを制御するコントローラが設けられ、このコントローラに、前記各姿勢制御用アクチュエータに指令を出力する姿勢制御手段、および前記先端側のリンクハブに作用する荷重を推定する荷重推定手段が設けられると共に、前記荷重推定手段は、前記各姿勢制御用アクチュエータに作用するトルク変化量より、前記先端側のリンクハブに作用する衝突を検知する衝突検知機能を有し、
   前記荷重推定手段の衝突検知により前記各姿勢制御用アクチュエータの動作をオフにして自由とする衝突対応制御手段を備えたことを特徴とするリンク作動装置。
2. 請求項１に記載のリンク作動装置において、前記姿勢制御用アクチュエータのそれぞれがトルク検出手段を有し、これらのトルク検出手段の検出信号から、前記荷重推定手段による荷重の推定を行うリンク作動装置。
   
   

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