リンク作動装置
【課題】 外径寸法が小さいコンパクトな構成であり、拘束、支持、案内等をする物とリンク機構との接触を回避しやすいリンク作動装置を提供する。
【解決手段】 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、二組のリンク機構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。一組のリンク機構４Ｂに、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とを互いに連動して回転変位させる連動手段９を設ける。一組のリンク機構４Ａに、回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータ２３，２４を設ける。
【解決手段】 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、二組のリンク機構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。一組のリンク機構４Ｂに、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とを互いに連動して回転変位させる連動手段９を設ける。一組のリンク機構４Ａに、回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータ２３，２４を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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物品の取り回しや複雑な加工等の作業を広範囲な領域で、高速かつ精密に実行するために用いられるリンク作動装置に関し、特に医療分野において人の関節部回りに装着して関節機能の回復や運動補助に用いるのに適したリンク作動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１，２）。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。また、特許文献２には、前記入力側部分と出力側部分とが点対称を成す形状である例が開示されている。
【０００３】
上記特許文献１，２を含めて、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４７６６０３号公報
【特許文献１】特開２００４−００９２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リンク作動装置のリンク機構の数が三組であると、例えば図１５に示すように、各リンク機構１０４（１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ）がほぼ１２０°の間隔で配置されることとなる。この場合、各リンク機構１０４の相互間距離が狭く、一つのリンク機構１０４Ａにおけるリンクハブ１０３（１０２）と端部リンク１０６（１０５）の回転対偶部１１２（１１１）と、他のリンク機構１０４Ｂにおける端部リンク１０６（１０５）と中央リンク１０７の回転対偶部１１４（１１３）とが接近した状態となる。そこで、両回転対偶部１１２（１１１），１１４（１１３）が互いに干渉するのを避けるために、回転対偶部１１４（１１３）を外径側に逃がした形状としている。その結果、リンク作動装置１０１全体の外径が大きいという課題があった。
【０００６】
また、三節連鎖のリンク機構を有するリンク作動装置は、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが、回転方向が２自由度の動きが可能であることから、医療分野での利用が注目されている。例えば、人の関節部回りに装着して関節機能の回復や運動補助に用いることが考えられている。しかし、リンク機構の数が三組のリンク作動装置は、各リンク機構１０４の相互間距離が狭いため、人の関節部回りに装着した場合、いずれかのリンク機構１０４の一部がどうしても患者の身体に当ってしまう。そのため、人の関節部回りに装着して使用することは実質上困難であった。
【０００７】
この発明の目的は、外径寸法が小さいコンパクトな構成であり、拘束、支持、案内等をする物とリンク機構との接触を回避しやすいリンク作動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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有する。この発明のリンク作動装置は、上記構成において、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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことを特徴とする。連動手段を設けるリンク機構と、アクチュエータを設けるリンク機構とは同じであっても違っていてもよい。また、二つ以上のアクチュエータのうち、少なくとも二つのアクチュエータの設置箇所は、中央リンクの中央部に対する入力側と出力側で対称でない配置とする。なお、この明細書で「回転対偶軸」とは、回転対偶の回転中心軸を言う。
【０００９】
この構造において、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。ここで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、このリンク作動装置では、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けたため、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。
このように入力側と出力側の球面リンク機構に加えて、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けたことにより、二組のリンク機構に関して、それぞれのリンク機構で、中央リンクの中央部に対して入力側と出力側のリンクハブ、入力側と出力側の端部リンク、および中央リンクの位置が同時に決まる。このため、二つのアクチュエータを中央リンクの中央部に対して対称な位置に配置しても１自由度の位置制御にしかならず、１自由度がフリーのままとなる。従って、２自由度の位置制御をするには、中央リンクの中央部に対して対称でない位置にアクチュエータを配置する必要がある。
この２自由度機構は、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。上記中心軸は、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の、それぞれのリンクハブ内における二つの端部リンクとの回転対偶軸の交点であるリンクハブ中心を結ぶ軸を指す。
【００１０】
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、それぞれのリンクハブと端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係とし、さらに二組のリンク機構のうちの一組に、入力側の端部リンクと出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けたことにより、リンク機構の数が二組であっても、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ことができる。リンク機構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、リンク機構の数が少ないため、低コスト化を実現できる。
【００１１】
リンク機構の回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことにより、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２自由度の回転方向に任意に変更できる。
これら二つ以上のアクチュエータは二組のリンク機構のうちの一組に設けられているため、このアクチュエータが設けられたリンク機構の側に、アクチュエータやその周辺部品が偏って集まっている。よって、このリンク作動装置を、物の拘束、支持、案内等に用いる場合、例えば人の関節部回りに装着する場合、アクチュエータが設けられたリンク機構の側が身体等の被拘束物等から離れて位置するように装着すれば、リンク機構等と患者の身体等の被拘束物等との接触を回避できる。
また、リンク機構の数が二組であるため、入側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが可能な範囲内でどのような姿勢にあるときでも、二組のリンク機構のどの部位も位置しない周方向の範囲を比較的広くとることができ、リンク機構と身体との接触も防ぎやすい。
【００１２】
この発明において、前記二組の各リンク機構は、これらリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンクの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互いに鏡像対称を成す形状であっても良い。
この場合、入力側の端部リンクと出力側の端部リンクの可動範囲が、周方向範囲で同じになるので、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブとの間の空間において、端部リンクおよび中央リンクが侵入しない領域が広くなる。この各リンクが侵入しない領域から、前記空間に物品を入れることが可能となる。また、この領域では、各リンク作動装置に他の物品を接近させてもよいため、本装置をロボット、産業機械等に取付けたときにコンパクトとなる。
さらに、中央リンクと二つの端部リンクの組立て体を入力側と出力側のリンクハブに組み付ける際に、取付け部の回転対偶軸が入力側と出力側で周方向位置が一致しているため、前記組立て体を一方向から組み付けることができ、組立て性が向上する。
【００１３】
この発明において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記端部リンクと前記中央リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けることで、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。
【００１４】
また、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記リンクハブと前記中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けても、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回転方向が２自由度で任意に変更できる。リンクハブと中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータが直動アクチュエータである場合、リンクハブ、端部リンク、中央リンク、および直動アクチュエータで閉じられたリンク構成となり、リンク機構に作用する荷重を直動アクチュエータで受けるため、リンク作動装置の剛性が向上する。
【００１５】
この発明において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けても、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回転方向が２自由度で任意に変更できる。入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータが直動アクチュエータである場合、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で閉じられたリンク構成となり、リンク機構に作用する荷重を直動アクチュエータで受けるため、リンク作動装置の剛性が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
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有するもの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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたため、外径寸法が小さいコンパクトな構成であり、拘束、支持、案内等をする物とリンク機構との接触を回避しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図２】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。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】同リンク作動装置本体を展開した状態の一部破断展開図である。
【図５】同リンク作動装置本体を直線で表現した図である。
【図６】同リンク作動装置本体に付与するトルクの大きさの変化を示すグラフである。
【図７】（Ａ）は同リンク作動装置本体の一状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図８】（Ａ）は同リンク作動装置本体の異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図９】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１０】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１１】この発明の異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１２】同リンク作動装置のアクチュエータの一例を示す断面図である。
【図１３】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１４】（Ａ）は構成の異なるリンクハブの一状態を示す図、（Ｂ）は同リンクハブの異なる状態を示す図である。
【図１５】従来のリンク作動装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。このリンク作動装置１は、リンク作動装置本体１ａと、このリンク作動装置本体１ａを駆動する二つのアクチュエータ２３，２４とでなる。リンク作動装置本体１ａから説明する。
【００１９】
図２および図３はリンク作動装置本体１ａをそれぞれ異なる角度から見た斜視図、図４は同リンク作動装置本体１ａを展開した状態の一部破断展開図である。図２ないし図４に示すように、このリンク作動装置本体１ａ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。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。
【００２０】
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、図５のように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。言い換えると、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１を対称面として、前記入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称である。上記横断面Ｆ１は、中央リンク７と２つの端部リンク５，６の回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の成す角度を２等分する平面であるとも言える。
【００２１】
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、図４に示すように、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）、および端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）が、すべて球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通る構造を言う。
【００２２】
二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、それぞれの回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が互いに交差する位置関係にある。つまり、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°でない。そして、回転対偶軸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が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度αが１２０°とされている。
なお、図４の状態では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂが、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を通り、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を二等分する縦断面Ｆ４に対して互いに鏡像対称となる位置に配置されている。
【００２３】
端部リンク５，６と中央リンク７の各回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４は、ある交差角をもっていても良いし、平行であっても良い。図示例では、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の軸間角度γは９０°とされている。また、入力側および出力側のリンクハブ２，３が同一平面上に位置する図４の状態において、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）の軸間角度βは、７５°とされている。
【００２４】
図３および図４において、一方のリンク機構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。連動手段９が設けられたリンク機構４Ｂは、後述するアクチュエータ２３，２４が設けられていない方のリンク機構である。
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および出力側の端部リンク６に対してそれぞれ回転自在な一対のかさ歯車１０，１１を互いに噛み合わせた構成である。一対のかさ歯車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が複数のかさ歯車１０，１１等の歯車の噛み合いによるものであると、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６の回転変位に滑り等による誤差が生じないため、精度良く連動させることができ、またコンパクトである。
【００２５】
連動手段９は、同諸元の一対のかさ歯車１０，１１の噛み合いによるものに限らない。かさ歯車の代わりにリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。なお、前記軸間角度γ（図４）が０°のときには、平歯車を用いる。また、一対の歯車の歯数を互いに異ならせても良い。その場合、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の回転変位角度が異なる。さらに、歯車以外の別の手段、例えばロータリアクチュエータやモータ等のアクチュエータで入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の相互回転を制御してもよい。
【００２６】
図４に示すように、リンクハブ２（３）は、球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を中心として、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が位置する平面Ｆ２（Ｆ３）（図３）に沿って拡がる円弧状であり、その両端に軸受内包部１３がそれぞれ設けられている。軸受内包部１３は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、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂと一致する。二つの転がり軸受１４は間隔を開けて配置されており、その間隔部に端部リンク５，６の基端が位置している。軸受内包部１３には、端部リンク５，６の基部が回転可能に嵌る溝１３ａが形成されている。この溝１３ａにより端部リンク５，６の回転範囲を規制することで、先に説明したように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が常に回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に位置する。
【００２７】
転がり軸受１４は、外輪１４ａが軸受内包部１３の内周に圧入等により嵌合し、内輪１４ｂが回転軸１５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。
【００２８】
また、中央リンク７の両端部には転がり軸受１７が設けられ、この転がり軸受１７により、端部リンク５，６の先端に一体に設けた回転軸１８を回転自在に支持する。回転軸１８の軸心は、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４と一致する。転がり軸受１７は、外輪１７ａが中央リンク７の端部に圧入等により嵌合し、内輪１７ｂが回転軸１８の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受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る。転がり軸受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、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１７の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
【００２９】
リンクハブ２，３は先に説明したような円弧状であり、それぞれその内部に、前記平面Ｆ２，Ｆ３に対して垂直な方向すなわち中心軸Ｃ１，Ｃ２（図２）の方向に貫通した中空部２０を有する。このリンク作動装置１が人の関節部回りに装着されるものである場合、中空部２０の広さは、関節部に続く部位が挿通可能な広さとされる。この中空部２０は、一対の軸受内包部１３間に形成された開口部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の幅Ｗは、前記関節部に続く部位が通れる程度とする。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、各回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに対して同じ側に位置する。つまり、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。
【００３０】
図１において、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのうちの片方のリンク機構４Ａに、二つのアクチュエータ２３，２４が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、入力側のリンクハブ２に固定され、入力側の端部リンク５の基端に設けられた回転軸１５を回転させる。すなわち、第１のアクチュエータ２３は、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ２４は、中央リンク７に固定され、入力側の端部リンク５の先端に設けられた回転軸１７を回転させる。すなわち、第２のアクチュエータ２４は、入力側の端部リンク５と中央リンク７の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第１、第２のアクチュエータ２３，２４は、例えば電動モータである。
【００３１】
リンク作動装置本体１ａは、四つの回転対偶からなる三節連鎖構造の二組のリンク機構４Ａ，４Ｂで入力側および出力側のリンクハブ２，３を連結したものであるが、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を１８０°以外とし、かつ一方のリンク機構４Ｂに、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とを互いに連動して回転変位させる連動手段９を設けたことにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の構造となっている。
【００３２】
リンク機構４Ａに設けた第１のアクチュエータ２３により、入力側のリンクハブ２に対する入力側の端部リンク５の回転角を制御することで、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を決定する２自由度の回転のうち１自由度の回転位置が決められる。また、第２のアクチュエータ２４により、入力側の端部リンク５に対する中央リンク７の回転角を制御することで、もう１自由度の回転位置が決められる。
【００３３】
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。
【００３４】
このリンク作動装置１の具体的な動作を説明する。図６は、アクチュエータ２３，２４により入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更するときの、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用するトルクの変化を、図７の状態におけるトルクで無次元化した図である。図７ないし図１０は、リンク作動装置１を簡略化したモデルで表現した正面図、底面図、および斜視図であって、それぞれ図６におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各時点における姿勢を示している。このモデルでは、入力側のリンクハブ２の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（図４）を含む平面Ｆ２（図３）を鉛直状態にし、かつ開口部２１を重力Ｇ方向に配置した場合を示している。なお、図７ないし図１０には、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を球体で示してあり、リンクハブ３の中心Ｐ２に錘を配置している。錘は装置重量に比べて十分重く設定している。
【００３５】
図７は、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が平行である状態を示している。このとき、重力Ｇに抗して出力側のリンクハブ３およびリンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７の姿勢を維持するために、リンク機構４Ａ，４Ｂに、アクチュエータ２３，２４（図１）によってそれぞれ同じ値の所定値のトルクが作用している。図７の状態から、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用する各トルクを前記所定値よりも小さくすると、図８のように、出力側のリンクハブ３が、リンク機構４Ａ，４Ｂの各中央リンク７が互いに干渉するまで下方に回動する。また、図７の状態から、リンク機構４Ａの入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５との角度を固定し、リンク機構４Ｂに作用するトルクを小さくすると、図９のように、リンク機構４Ａが全体的に縮み、かつリンク機構４Ｂが全体的に伸びて、出力側のリンクハブ３が前方（同図（Ａ）における手前側）に傾いた姿勢となる。さらに、リンク機構４Ａに作用するトルクおよびリンク機構４Ｂに作用するトルクを前記所定値に対してそれぞれ別個に変化させると、図１０のように、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が捩れた姿勢となる。全状態において、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が変化しても、入力側と出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離は変化しない。
【００３６】
図７ないし図１０に示すように、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の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の折れ角θ（図８（Ａ））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φ（図１０（Ｂ））を０°〜３６０°の範囲で設定できる。折れ角θは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対する出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の傾斜角度のことであり、旋回角φは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対して出力側のリンクハブ３が傾斜した水平角度のことである。
【００３７】
このリンク作動装置１は、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を、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させる。それにより、入力側のリングハブ２に対して出力側のリンクハブ３の姿勢を変更するとき、常に、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中間点に位置して球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線に対して垂直な平面Ｆ５が、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１と一致する。これにより、入力側と出力側が前記横断面Ｆ１に対して対称に動くことで、入力側の変位に対して出力側も同じ変位となり、変動した変位とならないため、操作性が良い。
【００３８】
各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける４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との連結部分、出力側のリンクハブ３と出力側の端部リンク６との連結部分、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との二つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
【００３９】
このリンク作動装置１は、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。
【００４０】
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２，３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。
【００４１】
入力側および出力側のリンクハブ２，３の中空部２０に、リンクハブ２，３の外部と連通する開口部２１が設けられているため、中空部２０に人の四肢等を入れ易い。リンク機構の数が二組であるため、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が可能な範囲内でどのような姿勢にあるときでも、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのどの部位も位置しない周方向の範囲を比較的広くとることができ、リンク機構４Ａ，４Ｂと身体との接触も防ぎやすい。
【００４２】
また、前記アクチュエータ２３，２４がいずれも同じリンク機構４Ａに設けられているため、中空部２０から外径方向に見た場合に、このリンク機構４Ａの側に、アクチュエータ２３，２４やその周辺部品が偏って集まっている。よって、このリンク作動装置１を人の関節部回りに装着する際、アクチュエータ２３，２４が設けられたリンク機構４Ａの側が身体から離れて位置するように装着すれば、リンク機構等と患者の身体との接触を回避できる。
【００４３】
また、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、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り、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の可動範囲が、周方向に付き同じである。そのため、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３との間の空間において、端部リンク５，６および中央リンク７が侵入しない周方向の領域が広くなり、この領域から前記空間に物品を入れることが可能となる。また、この領域では、各リンク５，６，７と他の部材とを接近させてもよいため、例えば、本装置を四肢に取付けたときに身体との接触を回避し易く、また、自然な姿勢を保ち易い。 さらに、中央リンク７と二つの端部リンク５，６の組立て体を入力側と出力側のリンクハブ２，３に組み付ける際に、取付け部（図示せず）の回転対偶軸が入力側と出力側で周方向位置が一致しているため、前記組立て体を一方向から組み付けることができるため、組立て性が向上する。
【００４４】
図１１は異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１も、一組のリンク機構４Ａに二つのアクチュエータ２３，２５が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、前記同様の入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ２５は、入力側のリンクハブ２と中央リンク７に一体の取付部材２６とに両端が連結された、直線方向に伸縮動作を行う直動アクチュエータである。すなわち、第２のアクチュエータ２５は、入力側のリンクハブ２と中央リンク７との相対距離を変更させるアクチュエータである。リンクハブ２と第２のアクチュエータ２５の連結部２７、および取付部材２６と第２のアクチュエータ２５の連結部２８は、いずれも球対偶とされている。直動アクチュエータである第２のアクチュエータ２５としては、例えばボールねじを用いた機構や、流体圧シリンダ装置を採用できる。
【００４５】
このように二つのアクチュータ２３，２５を設けても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。リンクハブ２と中央リンク７との相対距離を任意に変更する第２のアクチュエータ２５を直動アクチュエータとすると、リンクハブ２、端部リンク５、中央リンク７、および第２のアクチュエータ２５で閉じられたリンク構成となり、リンク機構４Ａに作用する荷重を第２のアクチュエータ２５で受けるため、リンク作動装置１の剛性が向上する。
【００４６】
図１２に、ボールねじを用いた直動アクチュエータの一例を示す。直動アクチュエータである第２のアクチュエータ２５は、一端がリンクハブ２（図１１）に連結されるねじ軸３０にナット３１が螺合しており、これらねじ軸３０とナット３１とでボールねじ３２が構成されている。ナット３１は、他方の取付部材２６（図１１）にロッド３３ａを介して連結される外筒体３３に、二つの軸受３４により回転自在に支持されている。ナット３１の外周には平歯車３６が設けられ、この平歯車３６に他の平歯車３７が噛み合っている。他の平歯車３７は、前記外筒体３３の外周に設置したモータ３８の出力軸３８ａに取り付けられている。モータ３８を回転させることで、一対の平歯車３７，３６を介してナット３１が回転し、ボールねじ３２によりねじ軸３０がナット３１に対して進退する。それにより、ねじ軸３０の先端とロッド３３ａの先端間の距離が変わる。つまり、第２のアクチュエータ２５が伸縮作動する。
【００４７】
図１３はさらに異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１も、一組のリンク機構４Ａに二つのアクチュエータ２３，４０が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、前記同様に、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ４０は、入力側の端部リンク５に一体の取付部材４１と出力側の端部リンク６に一体の取付部材４２とに両端が連結された、直線方向に伸縮動作を行う直動アクチュエータである。すなわち、第２のアクチュエータ２５は、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６との相対距離を変更させるアクチュエータである。取付部材４１と第２のアクチュエータ４０の連結部４３、および取付部材４２と第２のアクチュエータ２５の連結部４４は、いずれも球対偶とされている。
【００４８】
このように二つのアクチュータ２３，４０を設けても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。入力側および出力側の端部リンク５，６間の相対距離を変更する第２のアクチュエータ４０が直動アクチュエータであると、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、および第２のアクチュエータ４０で閉じられたリンク構成となり、リンク機構４Ａに作用する荷重を第２のアクチュエータ４０で受けるため、リンク作動装置１の剛性が向上する。
【００４９】
図１４は、リンクハブの異なる構成を示す。このリンクハブ２（３）は、中空部２０の外周に沿って周方向に並ぶ二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）に分割されている。これら二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）のそれぞれに、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのうちの一組ずつの端部リンク５（６）が回転可能に連結されている。二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は、結合部７０，７１により互いに結合されている。
【００５０】
一方の結合部７０はヒンジ構造であって、二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は、支点軸７０ａ回りに互いに回動自在である。もう一方の結合部７１は、片方のリンクハブ分割体２ａ（３ａ）に形成されたボルト穴７１ａに対して、他方のリンクハブ分割体２ｂ（３ｂ）に設けたボルト７１ｂを入れ、このボルト７１ｂにナット７１ｃを締め付けることにより、両リンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）が互いに結合される。支点軸７０ａを中心にしてハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）を回動させることで、図１４（Ａ）のように、中空部が結合部７１側で開放した状態と、同図（Ｂ）のように中空部２０が閉じられた状態とにできる。
【００５１】
このように、リンクハブ２（３）を二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）に分割したことにより、中空部２０内に関節部に続く部位を容易に入れることができる。二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は結合部７０，７１により互いに結合可能であるため、リンク作動装置１を関節部回りに安全かつ容易に装着することができる。２箇所の結合部７０，７１のうち１箇所の結合部７０をヒンジ構造とすると、二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）が分離しないので、取扱いが容易である。
【符号の説明】
【００５２】
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
２３，２４，２５，４０…アクチュエータ
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軸
【技術分野】
【０００１】
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物品の取り回しや複雑な加工等の作業を広範囲な領域で、高速かつ精密に実行するために用いられるリンク作動装置に関し、特に医療分野において人の関節部回りに装着して関節機能の回復や運動補助に用いるのに適したリンク作動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１，２）。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。また、特許文献２には、前記入力側部分と出力側部分とが点対称を成す形状である例が開示されている。
【０００３】
上記特許文献１，２を含めて、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４７６６０３号公報
【特許文献１】特開２００４−００９２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リンク作動装置のリンク機構の数が三組であると、例えば図１５に示すように、各リンク機構１０４（１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ）がほぼ１２０°の間隔で配置されることとなる。この場合、各リンク機構１０４の相互間距離が狭く、一つのリンク機構１０４Ａにおけるリンクハブ１０３（１０２）と端部リンク１０６（１０５）の回転対偶部１１２（１１１）と、他のリンク機構１０４Ｂにおける端部リンク１０６（１０５）と中央リンク１０７の回転対偶部１１４（１１３）とが接近した状態となる。そこで、両回転対偶部１１２（１１１），１１４（１１３）が互いに干渉するのを避けるために、回転対偶部１１４（１１３）を外径側に逃がした形状としている。その結果、リンク作動装置１０１全体の外径が大きいという課題があった。
【０００６】
また、三節連鎖のリンク機構を有するリンク作動装置は、入力側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが、回転方向が２自由度の動きが可能であることから、医療分野での利用が注目されている。例えば、人の関節部回りに装着して関節機能の回復や運動補助に用いることが考えられている。しかし、リンク機構の数が三組のリンク作動装置は、各リンク機構１０４の相互間距離が狭いため、人の関節部回りに装着した場合、いずれかのリンク機構１０４の一部がどうしても患者の身体に当ってしまう。そのため、人の関節部回りに装着して使用することは実質上困難であった。
【０００７】
この発明の目的は、外径寸法が小さいコンパクトな構成であり、拘束、支持、案内等をする物とリンク機構との接触を回避しやすいリンク作動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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有する。この発明のリンク作動装置は、上記構成において、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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことを特徴とする。連動手段を設けるリンク機構と、アクチュエータを設けるリンク機構とは同じであっても違っていてもよい。また、二つ以上のアクチュエータのうち、少なくとも二つのアクチュエータの設置箇所は、中央リンクの中央部に対する入力側と出力側で対称でない配置とする。なお、この明細書で「回転対偶軸」とは、回転対偶の回転中心軸を言う。
【０００９】
この構造において、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。ここで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、このリンク作動装置では、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けたため、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。
このように入力側と出力側の球面リンク機構に加えて、入力側と出力側の端部リンク間に連動手段を設けたことにより、二組のリンク機構に関して、それぞれのリンク機構で、中央リンクの中央部に対して入力側と出力側のリンクハブ、入力側と出力側の端部リンク、および中央リンクの位置が同時に決まる。このため、二つのアクチュエータを中央リンクの中央部に対して対称な位置に配置しても１自由度の位置制御にしかならず、１自由度がフリーのままとなる。従って、２自由度の位置制御をするには、中央リンクの中央部に対して対称でない位置にアクチュエータを配置する必要がある。
この２自由度機構は、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。上記中心軸は、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の、それぞれのリンクハブ内における二つの端部リンクとの回転対偶軸の交点であるリンクハブ中心を結ぶ軸を指す。
【００１０】
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、それぞれのリンクハブと端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係とし、さらに二組のリンク機構のうちの一組に、入力側の端部リンクと出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けたことにより、リンク機構の数が二組であっても、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ことができる。リンク機構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、リンク機構の数が少ないため、低コスト化を実現できる。
【００１１】
リンク機構の回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことにより、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２自由度の回転方向に任意に変更できる。
これら二つ以上のアクチュエータは二組のリンク機構のうちの一組に設けられているため、このアクチュエータが設けられたリンク機構の側に、アクチュエータやその周辺部品が偏って集まっている。よって、このリンク作動装置を、物の拘束、支持、案内等に用いる場合、例えば人の関節部回りに装着する場合、アクチュエータが設けられたリンク機構の側が身体等の被拘束物等から離れて位置するように装着すれば、リンク機構等と患者の身体等の被拘束物等との接触を回避できる。
また、リンク機構の数が二組であるため、入側のリンクハブに対して出力側のリンクハブが可能な範囲内でどのような姿勢にあるときでも、二組のリンク機構のどの部位も位置しない周方向の範囲を比較的広くとることができ、リンク機構と身体との接触も防ぎやすい。
【００１２】
この発明において、前記二組の各リンク機構は、これらリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンクの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互いに鏡像対称を成す形状であっても良い。
この場合、入力側の端部リンクと出力側の端部リンクの可動範囲が、周方向範囲で同じになるので、入力側のリンクハブと出力側のリンクハブとの間の空間において、端部リンクおよび中央リンクが侵入しない領域が広くなる。この各リンクが侵入しない領域から、前記空間に物品を入れることが可能となる。また、この領域では、各リンク作動装置に他の物品を接近させてもよいため、本装置をロボット、産業機械等に取付けたときにコンパクトとなる。
さらに、中央リンクと二つの端部リンクの組立て体を入力側と出力側のリンクハブに組み付ける際に、取付け部の回転対偶軸が入力側と出力側で周方向位置が一致しているため、前記組立て体を一方向から組み付けることができ、組立て性が向上する。
【００１３】
この発明において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記端部リンクと前記中央リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けることで、入力側のリンクハブに対する出力側のリンクハブの姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。
【００１４】
また、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記リンクハブと前記中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けても、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回転方向が２自由度で任意に変更できる。リンクハブと中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータが直動アクチュエータである場合、リンクハブ、端部リンク、中央リンク、および直動アクチュエータで閉じられたリンク構成となり、リンク機構に作用する荷重を直動アクチュエータで受けるため、リンク作動装置の剛性が向上する。
【００１５】
この発明において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータとを設けても良い。
このように二つのアクチュータを設けても、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回転方向が２自由度で任意に変更できる。入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータが直動アクチュエータである場合、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で閉じられたリンク構成となり、リンク機構に作用する荷重を直動アクチュエータで受けるため、リンク作動装置の剛性が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
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有するもの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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたため、外径寸法が小さいコンパクトな構成であり、拘束、支持、案内等をする物とリンク機構との接触を回避しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図２】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。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】同リンク作動装置本体を展開した状態の一部破断展開図である。
【図５】同リンク作動装置本体を直線で表現した図である。
【図６】同リンク作動装置本体に付与するトルクの大きさの変化を示すグラフである。
【図７】（Ａ）は同リンク作動装置本体の一状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図８】（Ａ）は同リンク作動装置本体の異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図９】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１０】（Ａ）は同リンク作動装置本体のさらに異なる状態を示す正面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は斜視図である。
【図１１】この発明の異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１２】同リンク作動装置のアクチュエータの一例を示す断面図である。
【図１３】この発明のさらに異なる実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。
【図１４】（Ａ）は構成の異なるリンクハブの一状態を示す図、（Ｂ）は同リンクハブの異なる状態を示す図である。
【図１５】従来のリンク作動装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、この発明の一実施形態にかかるリンク作動装置の底面図である。このリンク作動装置１は、リンク作動装置本体１ａと、このリンク作動装置本体１ａを駆動する二つのアクチュエータ２３，２４とでなる。リンク作動装置本体１ａから説明する。
【００１９】
図２および図３はリンク作動装置本体１ａをそれぞれ異なる角度から見た斜視図、図４は同リンク作動装置本体１ａを展開した状態の一部破断展開図である。図２ないし図４に示すように、このリンク作動装置本体１ａ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。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。
【００２０】
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、図５のように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。言い換えると、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１を対称面として、前記入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称である。上記横断面Ｆ１は、中央リンク７と２つの端部リンク５，６の回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の成す角度を２等分する平面であるとも言える。
【００２１】
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、図４に示すように、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）、および端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）が、すべて球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通る構造を言う。
【００２２】
二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、それぞれの回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が互いに交差する位置関係にある。つまり、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°でない。そして、回転対偶軸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が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度αが１２０°とされている。
なお、図４の状態では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂが、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を通り、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を二等分する縦断面Ｆ４に対して互いに鏡像対称となる位置に配置されている。
【００２３】
端部リンク５，６と中央リンク７の各回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４は、ある交差角をもっていても良いし、平行であっても良い。図示例では、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４の軸間角度γは９０°とされている。また、入力側および出力側のリンクハブ２，３が同一平面上に位置する図４の状態において、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と回転対偶軸Ｏ３（Ｏ４）の軸間角度βは、７５°とされている。
【００２４】
図３および図４において、一方のリンク機構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。連動手段９が設けられたリンク機構４Ｂは、後述するアクチュエータ２３，２４が設けられていない方のリンク機構である。
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および出力側の端部リンク６に対してそれぞれ回転自在な一対のかさ歯車１０，１１を互いに噛み合わせた構成である。一対のかさ歯車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が複数のかさ歯車１０，１１等の歯車の噛み合いによるものであると、入力側の端部リンク５および出力側の端部リンク６の回転変位に滑り等による誤差が生じないため、精度良く連動させることができ、またコンパクトである。
【００２５】
連動手段９は、同諸元の一対のかさ歯車１０，１１の噛み合いによるものに限らない。かさ歯車の代わりにリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。なお、前記軸間角度γ（図４）が０°のときには、平歯車を用いる。また、一対の歯車の歯数を互いに異ならせても良い。その場合、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の回転変位角度が異なる。さらに、歯車以外の別の手段、例えばロータリアクチュエータやモータ等のアクチュエータで入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の相互回転を制御してもよい。
【００２６】
図４に示すように、リンクハブ２（３）は、球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を中心として、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が位置する平面Ｆ２（Ｆ３）（図３）に沿って拡がる円弧状であり、その両端に軸受内包部１３がそれぞれ設けられている。軸受内包部１３は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、回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂと一致する。二つの転がり軸受１４は間隔を開けて配置されており、その間隔部に端部リンク５，６の基端が位置している。軸受内包部１３には、端部リンク５，６の基部が回転可能に嵌る溝１３ａが形成されている。この溝１３ａにより端部リンク５，６の回転範囲を規制することで、先に説明したように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が常に回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に位置する。
【００２７】
転がり軸受１４は、外輪１４ａが軸受内包部１３の内周に圧入等により嵌合し、内輪１４ｂが回転軸１５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。
【００２８】
また、中央リンク７の両端部には転がり軸受１７が設けられ、この転がり軸受１７により、端部リンク５，６の先端に一体に設けた回転軸１８を回転自在に支持する。回転軸１８の軸心は、回転対偶軸Ｏ３，Ｏ４と一致する。転がり軸受１７は、外輪１７ａが中央リンク７の端部に圧入等により嵌合し、内輪１７ｂが回転軸１８の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受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る。転がり軸受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、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１７の代わりに滑り軸受を用いてもよい。
【００２９】
リンクハブ２，３は先に説明したような円弧状であり、それぞれその内部に、前記平面Ｆ２，Ｆ３に対して垂直な方向すなわち中心軸Ｃ１，Ｃ２（図２）の方向に貫通した中空部２０を有する。このリンク作動装置１が人の関節部回りに装着されるものである場合、中空部２０の広さは、関節部に続く部位が挿通可能な広さとされる。この中空部２０は、一対の軸受内包部１３間に形成された開口部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の幅Ｗは、前記関節部に続く部位が通れる程度とする。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、各回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに対して同じ側に位置する。つまり、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。
【００３０】
図１において、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのうちの片方のリンク機構４Ａに、二つのアクチュエータ２３，２４が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、入力側のリンクハブ２に固定され、入力側の端部リンク５の基端に設けられた回転軸１５を回転させる。すなわち、第１のアクチュエータ２３は、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ２４は、中央リンク７に固定され、入力側の端部リンク５の先端に設けられた回転軸１７を回転させる。すなわち、第２のアクチュエータ２４は、入力側の端部リンク５と中央リンク７の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第１、第２のアクチュエータ２３，２４は、例えば電動モータである。
【００３１】
リンク作動装置本体１ａは、四つの回転対偶からなる三節連鎖構造の二組のリンク機構４Ａ，４Ｂで入力側および出力側のリンクハブ２，３を連結したものであるが、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を１８０°以外とし、かつ一方のリンク機構４Ｂに、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６とを互いに連動して回転変位させる連動手段９を設けたことにより、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の構造となっている。
【００３２】
リンク機構４Ａに設けた第１のアクチュエータ２３により、入力側のリンクハブ２に対する入力側の端部リンク５の回転角を制御することで、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を決定する２自由度の回転のうち１自由度の回転位置が決められる。また、第２のアクチュエータ２４により、入力側の端部リンク５に対する中央リンク７の回転角を制御することで、もう１自由度の回転位置が決められる。
【００３３】
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。
【００３４】
このリンク作動装置１の具体的な動作を説明する。図６は、アクチュエータ２３，２４により入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更するときの、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用するトルクの変化を、図７の状態におけるトルクで無次元化した図である。図７ないし図１０は、リンク作動装置１を簡略化したモデルで表現した正面図、底面図、および斜視図であって、それぞれ図６におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各時点における姿勢を示している。このモデルでは、入力側のリンクハブ２の回転対偶軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（図４）を含む平面Ｆ２（図３）を鉛直状態にし、かつ開口部２１を重力Ｇ方向に配置した場合を示している。なお、図７ないし図１０には、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を球体で示してあり、リンクハブ３の中心Ｐ２に錘を配置している。錘は装置重量に比べて十分重く設定している。
【００３５】
図７は、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が平行である状態を示している。このとき、重力Ｇに抗して出力側のリンクハブ３およびリンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７の姿勢を維持するために、リンク機構４Ａ，４Ｂに、アクチュエータ２３，２４（図１）によってそれぞれ同じ値の所定値のトルクが作用している。図７の状態から、リンク機構４Ａ，４Ｂに作用する各トルクを前記所定値よりも小さくすると、図８のように、出力側のリンクハブ３が、リンク機構４Ａ，４Ｂの各中央リンク７が互いに干渉するまで下方に回動する。また、図７の状態から、リンク機構４Ａの入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５との角度を固定し、リンク機構４Ｂに作用するトルクを小さくすると、図９のように、リンク機構４Ａが全体的に縮み、かつリンク機構４Ｂが全体的に伸びて、出力側のリンクハブ３が前方（同図（Ａ）における手前側）に傾いた姿勢となる。さらに、リンク機構４Ａに作用するトルクおよびリンク機構４Ｂに作用するトルクを前記所定値に対してそれぞれ別個に変化させると、図１０のように、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が捩れた姿勢となる。全状態において、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢が変化しても、入力側と出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２間の距離は変化しない。
【００３６】
図７ないし図１０に示すように、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の可動範囲を広くとれる。例えば、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１と出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の折れ角θ（図８（Ａ））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φ（図１０（Ｂ））を０°〜３６０°の範囲で設定できる。折れ角θは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対する出力側のリンクハブ３の中心軸Ｃ２の傾斜角度のことであり、旋回角φは、入力側のリンクハブ２の中心軸Ｃ１に対して出力側のリンクハブ３が傾斜した水平角度のことである。
【００３７】
このリンク作動装置１は、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を、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させる。それにより、入力側のリングハブ２に対して出力側のリンクハブ３の姿勢を変更するとき、常に、入力側および出力側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中間点に位置して球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線に対して垂直な平面Ｆ５が、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１と一致する。これにより、入力側と出力側が前記横断面Ｆ１に対して対称に動くことで、入力側の変位に対して出力側も同じ変位となり、変動した変位とならないため、操作性が良い。
【００３８】
各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける４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との連結部分、出力側のリンクハブ３と出力側の端部リンク６との連結部分、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との二つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。
【００３９】
このリンク作動装置１は、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。
【００４０】
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２，３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。
【００４１】
入力側および出力側のリンクハブ２，３の中空部２０に、リンクハブ２，３の外部と連通する開口部２１が設けられているため、中空部２０に人の四肢等を入れ易い。リンク機構の数が二組であるため、入力側のリンクハブ２に対して出力側のリンクハブ３が可能な範囲内でどのような姿勢にあるときでも、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのどの部位も位置しない周方向の範囲を比較的広くとることができ、リンク機構４Ａ，４Ｂと身体との接触も防ぎやすい。
【００４２】
また、前記アクチュエータ２３，２４がいずれも同じリンク機構４Ａに設けられているため、中空部２０から外径方向に見た場合に、このリンク機構４Ａの側に、アクチュエータ２３，２４やその周辺部品が偏って集まっている。よって、このリンク作動装置１を人の関節部回りに装着する際、アクチュエータ２３，２４が設けられたリンク機構４Ａの側が身体から離れて位置するように装着すれば、リンク機構等と患者の身体との接触を回避できる。
【００４３】
また、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、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り、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６の可動範囲が、周方向に付き同じである。そのため、入力側のリンクハブ２と出力側のリンクハブ３との間の空間において、端部リンク５，６および中央リンク７が侵入しない周方向の領域が広くなり、この領域から前記空間に物品を入れることが可能となる。また、この領域では、各リンク５，６，７と他の部材とを接近させてもよいため、例えば、本装置を四肢に取付けたときに身体との接触を回避し易く、また、自然な姿勢を保ち易い。 さらに、中央リンク７と二つの端部リンク５，６の組立て体を入力側と出力側のリンクハブ２，３に組み付ける際に、取付け部（図示せず）の回転対偶軸が入力側と出力側で周方向位置が一致しているため、前記組立て体を一方向から組み付けることができるため、組立て性が向上する。
【００４４】
図１１は異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１も、一組のリンク機構４Ａに二つのアクチュエータ２３，２５が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、前記同様の入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ２５は、入力側のリンクハブ２と中央リンク７に一体の取付部材２６とに両端が連結された、直線方向に伸縮動作を行う直動アクチュエータである。すなわち、第２のアクチュエータ２５は、入力側のリンクハブ２と中央リンク７との相対距離を変更させるアクチュエータである。リンクハブ２と第２のアクチュエータ２５の連結部２７、および取付部材２６と第２のアクチュエータ２５の連結部２８は、いずれも球対偶とされている。直動アクチュエータである第２のアクチュエータ２５としては、例えばボールねじを用いた機構や、流体圧シリンダ装置を採用できる。
【００４５】
このように二つのアクチュータ２３，２５を設けても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。リンクハブ２と中央リンク７との相対距離を任意に変更する第２のアクチュエータ２５を直動アクチュエータとすると、リンクハブ２、端部リンク５、中央リンク７、および第２のアクチュエータ２５で閉じられたリンク構成となり、リンク機構４Ａに作用する荷重を第２のアクチュエータ２５で受けるため、リンク作動装置１の剛性が向上する。
【００４６】
図１２に、ボールねじを用いた直動アクチュエータの一例を示す。直動アクチュエータである第２のアクチュエータ２５は、一端がリンクハブ２（図１１）に連結されるねじ軸３０にナット３１が螺合しており、これらねじ軸３０とナット３１とでボールねじ３２が構成されている。ナット３１は、他方の取付部材２６（図１１）にロッド３３ａを介して連結される外筒体３３に、二つの軸受３４により回転自在に支持されている。ナット３１の外周には平歯車３６が設けられ、この平歯車３６に他の平歯車３７が噛み合っている。他の平歯車３７は、前記外筒体３３の外周に設置したモータ３８の出力軸３８ａに取り付けられている。モータ３８を回転させることで、一対の平歯車３７，３６を介してナット３１が回転し、ボールねじ３２によりねじ軸３０がナット３１に対して進退する。それにより、ねじ軸３０の先端とロッド３３ａの先端間の距離が変わる。つまり、第２のアクチュエータ２５が伸縮作動する。
【００４７】
図１３はさらに異なる実施形態を示す。このリンク作動装置１も、一組のリンク機構４Ａに二つのアクチュエータ２３，４０が設けられている。第１のアクチュエータ２３は、前記同様に、入力側のリンクハブ２と入力側の端部リンク５の回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータである。第２のアクチュエータ４０は、入力側の端部リンク５に一体の取付部材４１と出力側の端部リンク６に一体の取付部材４２とに両端が連結された、直線方向に伸縮動作を行う直動アクチュエータである。すなわち、第２のアクチュエータ２５は、入力側の端部リンク５と出力側の端部リンク６との相対距離を変更させるアクチュエータである。取付部材４１と第２のアクチュエータ４０の連結部４３、および取付部材４２と第２のアクチュエータ２５の連結部４４は、いずれも球対偶とされている。
【００４８】
このように二つのアクチュータ２３，４０を設けても、入力側のリンクハブ２に対する出力側のリンクハブ３の姿勢を回転方向が２自由度で任意に変更できる。入力側および出力側の端部リンク５，６間の相対距離を変更する第２のアクチュエータ４０が直動アクチュエータであると、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、および第２のアクチュエータ４０で閉じられたリンク構成となり、リンク機構４Ａに作用する荷重を第２のアクチュエータ４０で受けるため、リンク作動装置１の剛性が向上する。
【００４９】
図１４は、リンクハブの異なる構成を示す。このリンクハブ２（３）は、中空部２０の外周に沿って周方向に並ぶ二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）に分割されている。これら二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）のそれぞれに、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのうちの一組ずつの端部リンク５（６）が回転可能に連結されている。二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は、結合部７０，７１により互いに結合されている。
【００５０】
一方の結合部７０はヒンジ構造であって、二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は、支点軸７０ａ回りに互いに回動自在である。もう一方の結合部７１は、片方のリンクハブ分割体２ａ（３ａ）に形成されたボルト穴７１ａに対して、他方のリンクハブ分割体２ｂ（３ｂ）に設けたボルト７１ｂを入れ、このボルト７１ｂにナット７１ｃを締め付けることにより、両リンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）が互いに結合される。支点軸７０ａを中心にしてハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）を回動させることで、図１４（Ａ）のように、中空部が結合部７１側で開放した状態と、同図（Ｂ）のように中空部２０が閉じられた状態とにできる。
【００５１】
このように、リンクハブ２（３）を二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）に分割したことにより、中空部２０内に関節部に続く部位を容易に入れることができる。二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）は結合部７０，７１により互いに結合可能であるため、リンク作動装置１を関節部回りに安全かつ容易に装着することができる。２箇所の結合部７０，７１のうち１箇所の結合部７０をヒンジ構造とすると、二つのリンクハブ分割体２ａ，２ｂ（３ａ，３ｂ）が分離しないので、取扱いが容易である。
【符号の説明】
【００５２】
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
２３，２４，２５，４０…アクチュエータ
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軸
【特許請求の範囲】
【請求項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有するリンク作動装置において、
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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことを特徴とするリンク作動装置。
【請求項２】
請求項１において、前記二組の各リンク機構は、これら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リンク作動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記端部リンクと前記中央リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記リンクハブと前記中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【請求項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有するリンク作動装置において、
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、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、二組のリンク機構のうちの一組に、前記入力側の端部リンクと前記出力側の端部リンクとを互いに連動して回転変位させる連動手段を設けると共に、二組のリンク機構のうちの一組に、前記回転対偶の回転角を任意に変更可能か、または、前記各リンクまたは前記リンクハブである複数のリンク機構構成部材のうちの二つのリンク機構構成部材間の相対距離を変更させる二つ以上のアクチュエータを設けたことを特徴とするリンク作動装置。
【請求項２】
請求項１において、前記二組の各リンク機構は、これら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リンク作動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記端部リンクと前記中央リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記リンクハブと前記中央リンクとの相対距離を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、前記二つ以上のアクチュエータとして、前記リンクハブと前記端部リンクの回転対偶の回転角を変更させるアクチュエータと、前記入力側および出力側の端部リンク間の相対距離を変更させるアクチュエータとを設けたリンク作動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−９６５２４（Ｐ２０１３−９６５２４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１０７１（Ｐ２０１１−２４１０７１）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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