WO2016035564A1 - リンク作動装置 - Google Patents

Abstract

基端側リンクハブ(1)に対して一端が回転可能に連結された基端側端部リンク(3)と、先端側リンクハブに対して一端が回転可能に連結された先端側端部リンクと、基端側端部リンク(3)の他端と先端側端部リンクの他端とが回転可能に連結された中央リンク(5)とで構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構(L1～L3)を有し、基端側リンクハブ(1)に対してリンク機構(L1～L3)を介して先端側リンクハブを姿勢変更可能に連結したリンク作動装置において、リンク機構(L1)の基端側端部リンク(3)とリンク機構(L3)の基端側端部リンク(3)との円周方向離間角の差（δ3－δ1）を１８０°とし、その２組のリンク機構(L1,L3)に基端側端部リンク(3)の回転角を検出するロータリーエンコーダ(12)を設けると共に、そのロータリーエンコーダ(12)により得られた回転角に基づいて先端側リンクハブの姿勢を規定する制御部(28)を具備する。

Description

リンク作動装置

　本発明は、広範な作動範囲を必要とする医療機器や産業機器などの精密機器に組み込まれるパラレルリンク機構を備えたリンク作動装置に関する。

　例えば、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するパラレルリンク機構を具備した作業装置がある（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１で開示された作業装置は、ベースプレートとトラベリングプレートとの間を接続する複数のリンクを協調させて伸縮させることでベースプレートに対するトラベリングプレートの位置および姿勢を変化させるパラレルリンク機構を具備する。このパラレルリンク機構のトラベリングプレートにツールを取り付け、ワークを保持するテーブルを回転可能に配設することにより、テーブル上のワークに対するツールの位置および姿勢を自由に変えられるようにして、ツールによる三次元空間内での複雑な加工や物品の取り回しを可能にしている。

　この作業装置におけるパラレルリンク機構では、可動部分の質量を軽減することができ、また、各リンクの位置決め誤差がその先端部で平均化されるなど、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行する上で大きな特徴を具備している。

特開２０００－９４２４５号公報 米国特許ＵＳ５８９３２９６Ａ 特開２００５－６９４６２号公報

　ところで、特許文献１で開示された作業装置におけるパラレルリンク機構では、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しようとすると、リンク長を長くする必要がある。これにより、機構全体の寸法が大きくなって装置の大型化を招くという問題がある。また、リンク長を長くすると、機構全体の剛性が低下することから、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における可搬重量も小さいものに制限されるという問題もある。以上の理由から、コンパクトな構成でありながら、広範な作動範囲を必要とする精密な医療機器などへの適用が困難となっている。

　前述のような問題を解消するため、コンパクトな構成で、かつ、広範な作動範囲での精密動作を可能にしたリンク作動装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

　特許文献２で開示されたリンク作動装置は、基端側リンクハブに対して回転可能に連結された基端側端部リンクと、先端側リンクハブに対して回転可能に連結された先端側端部リンクと、基端側端部リンクと先端側端部リンクが回転可能に連結された中央リンクとで構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構を有する。このような構造を具備することにより、コンパクトな構成で、広範な作動範囲を必要とする精密な医療機器などへの適用を実現容易にしている。

　しかしながら、この特許文献２で開示されたリンク作動装置は、基端側端部リンクの回転位置を制御するものであるが、その制御方法については開示されておらず、また、基端側端部リンクへの回転角入力に対して先端側リンクハブの姿勢を求めたり、先端側リンクハブへの姿勢入力に対して基端側端部リンクの回転角を求めたりするための制御手段については開示されていない。

　そこで、本出願人は、基端側端部リンクへの回転角入力に対して先端側リンクハブの姿勢を求めたり、先端側リンクハブへの姿勢入力に対して基端側端部リンクの回転角を求めたりするため、先端側リンクハブの姿勢と基端側端部リンクの回転角との関係式を開示したリンク作動装置を先に提案している（例えば、特許文献３参照）。

　特許文献３で開示されたリンク作動装置は、基端側端部リンクの回転角β、中央リンクの軸角γ、基準となる基端側端部リンクに対する各基端側端部リンクの円周方向離間角δ、先端側リンクハブの姿勢を規定する折れ角θおよび旋回角φをパラメータとする関係式による逆変換でもって先端側リンクハブの姿勢を制御可能としたり、あるいは、その関係式による順変換でもって先端側リンクハブの姿勢を検出可能としている。

　しかしながら、この特許文献３で開示されたリンク作動装置では、前述の関係式をそのまま用いて演算する際、例えば収束演算や場合分けなどが必要であり、煩雑な演算になって演算時間がかかることから、応答性が悪くなるおそれがある。このことから、精密な医療機器などへの適用において、リンク作動装置の応答性を向上させることが要望されているというのが現状である。

　そこで、本発明は、前述の改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、精密な医療機器などに適用する上で、応答性に優れたリンク作動装置を提供することにある。

　前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、基端側リンクハブに対して一端が回転可能に連結された基端側端部リンクと、先端側リンクハブに対して一端が回転可能に連結された先端側端部リンクと、基端側端部リンクの他端と先端側端部リンクの他端とが回転可能に連結された中央リンクとで構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構を３組以上有し、基端側リンクハブに対してリンク機構を介して先端側リンクハブを姿勢変更可能に連結したリンク作動装置において、リンク機構の中から任意に選択された２組のリンク機構について、一方のリンク機構の基端側端部リンクと他方のリンク機構の基端側端部リンクとの円周方向離間角の差を１８０°とし、その２組のリンク機構に基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を検出する角度検出手段を設けると共に、その角度検出手段により得られた回転角に基づいて先端側リンクハブの姿勢を規定する演算手段を具備したことを特徴とする。

　本発明では、一方のリンク機構の基端側端部リンクと他方のリンク機構の基端側端部リンクとの円周方向離間角の差を１８０°とした２組のリンク機構について、基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を角度検出手段により検出するだけで、先端側リンクハブの姿勢を演算手段で規定するに際して、従来のような収束演算や場合分けなどの煩雑な演算が不要となる。このように、煩雑な演算が不要となることから、演算時間の短縮化が図れるので、精密な医療機器などにリンク作動装置を適用する上で、リンク作動装置の応答性の向上が図れる。また、角度検出手段を２組のリンク機構に設けるだけで済むため、リンク作動装置のコスト低減およびコンパクト化が可能となる。

　本発明では、基端側端部リンクおよび先端側端部リンクの一端が回転可能に連結された基端側リンクハブおよび先端側リンクハブの連結端軸と、基端側端部リンクおよび先端側端部リンクの他端が回転可能に連結された中央リンクの連結端軸とがなす角度を９０°とした構成を付加することが望ましい。このような構成を付加すれば、基端側リンクハブおよび先端側リンクハブの連結端軸と中央リンクの連結端軸とが直交するので、基端側端部リンクおよび先端側端部リンクの製作時における加工性やリンク機構の組立性が向上し、また、先端側リンクハブの姿勢を検出するための演算がより一層簡易となる。

　本発明では、リンク機構の中から任意に選択された２組以上のリンク機構に、先端側リンクハブの姿勢を任意に変更するアクチュエータを設けた構成を付加することが望ましい。このような構成を付加すれば、アクチュエータにより、先端側リンクハブの姿勢を任意に制御することができる。

　また、そのアクチュエータは、基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を検出するエンコーダを備えていることが望ましい。このような構成とすれば、先端側リンクハブの姿勢を制御する手段の一部としてエンコーダを機能させるだけでなく、前述の角度検出手段としても併用することができるので、装置のコンパクト化が図れる。また、このエンコーダを利用すれば、先端側リンクハブの姿勢を手動で定めるダイレクトティーチング機能を発揮させることも可能である。

　本発明によれば、一方のリンク機構の基端側端部リンクと他方のリンク機構の基端側端部リンクとの円周方向離間角の差を１８０°とした２組のリンク機構について、基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を角度検出手段により検出するだけで、先端側リンクハブの姿勢を演算手段で規定するに際して、従来のような収束演算や場合分けなどの煩雑な演算が不要となる。このように、煩雑な演算が不要となることから、演算時間の短縮化が図れるので、精密な医療機器などにリンク作動装置を適用する上で、リンク作動装置の応答性の向上が図れる。また、角度検出手段を２組のリンク機構に設けるだけで済むため、リンク作動装置のコスト低減およびコンパクト化が可能となる。その結果、コンパクトで応答性に優れた高速のリンク作動装置を容易に実現することができる。

本発明に係るリンク作動装置の実施形態で、角度検出手段が設けられた１組のリンク機構を示す正面図である。 ２組のリンク機構に角度検出手段が設けられた３組のリンク機構からなるリンク作動装置を示す断面図である。 図２のリンク作動装置の全体構成を示す斜視図である。 ２組のリンク機構に角度検出手段が設けられた６組のリンク機構からなるリンク作動装置を示す断面図である。 ２組のリンク機構にエンコーダ付きアクチュエータが設けられた４組のリンク機構からなるリンク作動装置を示す正面図である。 図５のリンク作動装置を示す断面図である。

　本発明の実施形態を以下に詳述する。図１は、角度検出手段としてのロータリーエンコーダ１２が設けられた１組のリンク機構Ｌ_１を示す正面図である。図２は、２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３にロータリーエンコーダ１２が設けられた３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３からなるリンク作動装置を示す断面図である。図３は、図２のリンク作動装置の全体構成を示す斜視図である。なお、図３では、ロータリーエンコーダ１２を省略している。

　図１～図３に示す実施形態のリンク作動装置は、広範な作動範囲を必要とする医療機器や産業機器などの精密機器に組み込まれ、三次元空間における複雑な加工や物品の取り回し等の作業を高速かつ精密に実行するパラレルリンク機構からなる３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３を具備する。

　３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３のそれぞれは幾何学的に同一形状をなす。リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３の基端側には、このリンク作動装置が組み込まれる装置の固定部位、例えばベース（図示せず）に装着される基端側リンクハブ１が設けられている。また、リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３の先端側には、リンク作動装置が組み込まれる装置の可動部位、例えばロボットハンド（図示せず）が取り付けられる先端側リンクハブ２が設けられている。このリンク作動装置は、基端側リンクハブ１に対してリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３を介して先端側リンクハブ２を姿勢変更可能に連結した構造を具備する。

　リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３は、基端側リンクハブ１に対して一端が回転可能に連結された基端側端部リンク３と、先端側リンクハブ２に対して一端が回転可能に連結された先端側端部リンク４と、基端側端部リンク３の他端と先端側端部リンク４の他端とが回転可能に連結された中央リンク５とで構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖の構造をなす。このように、各リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３は、２つの端部リンク３，４と１つの中央リンク５とで構成され、基端側リンクハブ１および先端側リンクハブ２は、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３で共有されている。このリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３の中央部における横断面に関して基端側と先端側を幾何学的に対称としている。つまり、中央リンク５の対称面ｍにおいて基端側と先端側に分断した場合に基端側と先端側の幾何学形状を同一としている。

　基端側リンクハブ１は円盤状をなし、図２に示すように、円周方向３箇所に設けられた支持部６で基端側端部リンク３の一端を回転自在に支承している。つまり、基端側端部リンク３の一端から内側に延びる軸部７を軸受８を介して支持部６に挿入することにより、基端側端部リンク３を基端側リンクハブ１に対して回転自在に支承している。先端側リンクハブ２と先端側端部リンク４の一端との連結構造も同様であり、先端側端部リンク４を先端側リンクハブ２に対して支持部９で回転自在に支承している（図１参照）。

　基端側端部リンク３および先端側端部リンク４はＬ字状をなし、一方の端部が前述したように基端側リンクハブ１および先端側リンクハブ２に支持部６，９で回転自在に連結され、他方の端部が中央リンク部材５に回転自在に連結されている。中央リンク５は、その両端から一体的に延びる軸部１０を基端側端部リンク３および先端側端部リンク４の他端に軸受１１を介して挿入することにより、基端側端部リンク３および先端側端部リンク４に回転自在に連結されている。中央リンク５と基端側端部リンク３および先端側端部リンク４との結合構造は、基端側リンクハブ１（先端側リンクハブ２）と基端側端部リンク３（先端側端部リンク４）との結合構造と同様である。

　基端側端部リンク３（先端側端部リンク４）の一端が回転可能に連結された基端側リンクハブ１（先端側リンクハブ２）の連結端軸と、基端側端部リンク３（先端側端部リンク４）の他端が回転可能に連結された中央リンク５の連結端軸とがなす角度α、つまり、基端側端部リンク３（先端側端部リンク４）の軸角αを９０°としている。

　これにより、基端側リンクハブ１（先端側リンクハブ２）の連結端軸と中央リンク５の連結端軸とが直交するので、基端側端部リンク３および先端側端部リンク４の製作時における加工性やリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３の組立性が向上し、また、後述するように、先端側リンクハブ２の姿勢を検出するための演算がより一層簡易となる。なお、この実施形態では、基端側端部リンク３（先端側端部リンク４）の軸角を９０°としているが、その以外の値であってもよい。

　各リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３における４つの回転対偶、つまり、基端側リンクハブ１と基端側端部リンク３、および先端側リンクハブ２と先端側端部リンク４の２つの連結部分と、基端側端部リンク３と中央リンク５、および先端側端部リンク４と中央リンク５の２つの連結部分を軸受構造とすることにより、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。

　３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３の中から任意に選択された２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３について、一方のリンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３と他方のリンク機構Ｌ_３の基端側端部リンク３との円周方向離間角δ_１，δ_３の差（δ_３－δ_１）を１８０°としている。この場合、リンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３の離間角δ_１が０であることから、リンク機構Ｌ_３の基端側端部リンク３の離間角δ_３を１８０°とすることになる。

　ここで、「離間角δ」とは、基準となる基端側端部リンク３に対する各端部リンク３の円周方向位置間隔を規定し、基端側端部リンク３の基端側リンクハブ１との連結端軸のそれぞれがなす角度を意味する。この実施形態では、リンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３を基準としている。なお、リンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３とリンク機構Ｌ_２の基端側端部リンク３との離間角δ_１，δ_２の差（δ_２－δ_１）、つまり、リンク機構Ｌ_２の基端側端部リンク３の離間角δ_２は９０°としている。

　この離間角δ_１，δ_３の差（δ_３－δ_１）を１８０°とした２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３に、基端側リンクハブ１に対する基端側端部リンク３の回転角を検出する角度検出手段としてのロータリーエンコーダ１２を設けている。その角度検出手段として、基端側端部リンク３から延びて基端側リンクハブ１の支持部６から突出する軸部７の先端にカップリング１３を介してロータリーエンコーダ１２を同軸的に取り付けた構造が採用されている。このような構造を採用することにより、基端側端部リンク３の回転角をロータリーエンコーダ１２で直接的に検出している。

　この実施形態では、基端側リンクハブ１および先端側リンクハブ２が円盤状をなす場合を例示するが、リング形状など他の形状であってもよい。この基端側リンクハブ１の形状によっては、この実施形態のようにロータリーエンコーダ１２をリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３の内側に配置する以外に、リンク機構Ｌ_１，Ｌ_３の外側に配置することも可能である。また、この実施形態では、角度検出手段としてロータリーエンコーダ１２を採用しているが、測距センサや傾斜角センサなど他のセンサ類を使用することも可能である。

　以上で説明した実施形態では、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３を例示したが、リンク機構の組数は３組以上であってもよい。リンク機構を３組以上とするのは、基端側と先端側との間を回転二自由度の機構とするためである。図４は、６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６を備えたリンク作動装置を例示する。６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６における基端側端部リンク３の離間角δ_１～δ_６は、δ_１＝０°、δ_２＝６０°、δ_３＝１２０°、δ_４＝１８０°、δ_５＝２４０°、δ_６＝３００°としている。なお、この６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６の基本構成は、図１～図３のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３と同一であるため、重複説明は省略する。

　このリンク作動装置では、６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６の中から任意に選択された２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_４について、一方のリンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３と他方のリンク機構Ｌ_４の基端側端部リンク３との離間角δ_１，δ_４の差（δ_４－δ_１）を１８０°としている。この離間角δ_１，δ_４の差（δ_４－δ_１）を１８０°とした２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_４に、基端側リンクハブ１に対する基端側端部リンク３の回転角を検出するロータリーエンコーダ１２を設けている。なお、この実施形態では、ロータリーエンコーダ１２をリンク機構Ｌ_１，Ｌ_４の外側に配置している。

　また、図５および図６は、４組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_４を備えたリンク作動装置を例示する。この４組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_４における基端側端部リンク３の離間角δ_１～δ_４は、δ_１＝０°、δ_２＝９０°、δ_３＝１８０°、δ_４＝２７０°としている。なお、この４組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_４の基本構成は、図１～図３のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３と同一であるため、重複説明は省略する。

　このリンク作動装置では、基端側リンクハブ１の中央の１箇所に設けられた支持部１４から一体的に延びる軸部１５を基端側端部リンク３の一端に軸受１６を介して挿入することにより、各リンク機構Ｌ_１～Ｌ_４の基端側端部リンク３が共通して基端側リンクハブ１の支持部１４で回転自在に支承されている。先端側リンクハブ２と先端側端部リンク４との連結構造も同様であり、先端側端部リンク４を先端側リンクハブ２に対して支持部１７で回転自在に支承している。

　このリンク作動装置では、４組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_４の中から任意に選択された２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３について、一方のリンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３と他方のリンク機構Ｌ_３の基端側端部リンク３との離間角δ_１，δ_３の差（δ_３－δ_１）を１８０°としている。この離間角δ_１，δ_３の差（δ_３－δ_１）を１８０°とした２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３に、先端側リンクハブ２の姿勢を変更する駆動手段としてのエンコーダ付きアクチュエータ１８を設けている。この実施形態では、２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３にアクチュエータ１８を設けているが、２組以上のリンク機構にアクチュエータを設ければよいので、他のリンク機構Ｌ_２，Ｌ_４にアクチュエータ１８を設けてもよい。

　なお、図１～図３に示す実施形態では、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３のうち、離間角δ_１，δ_３の差（δ_３－δ_１）を１８０°とした２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３にアクチュエータを設ければよい。さらに、図４に示す実施形態では、６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６のうち、離間角δ_１，δ_４の差（δ_４－δ_１）を１８０°とした２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_４にアクチュエータを設ければよい。これら図１～図４に示すリンク作動装置では、ロータリーエンコーダ１２を設けているので、エンコーダなしのアクチュエータを設ければよい。

　先端側リンクハブ２の駆動手段として、２組のリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３について、基端側端部リンク３に扇形の大歯車部材１９を装着すると共に、その大歯車部材１９の近傍に小歯車部材２０を配置する。小歯車部材２０は軸状をなし、その両端部が軸受２１を介して支持部材２２により基端側リンクハブ上に支承されている。小歯車部材２０の中央部外周に形成された歯部と、大歯車部材１９の端面に形成された歯部とが噛み合った状態となっている。小歯車部材２０の一方の軸端部にカップリング２３を介してアクチュエータ１８が同軸的に連結されている。アクチュエータ１８は、減速機２４、モータ２５およびエンコーダ２６からなり、支持部材２７により基端側リンクハブ上に固定されている。

　このアクチュエータ１８は、先端側リンクハブ２の姿勢を制御するエンコーダ２６を備えていることから、このエンコーダ２６を先端側リンクハブ２の姿勢を制御する機能だけでなく、基端側リンクハブ１に対する基端側端部リンク３の回転角を検出する角度検出手段としても併用することができるので、基端側端部リンク３にロータリーエンコーダ１２を設ける必要がなく、リンク作動装置のコンパクト化が図れる。また、このエンコーダ２６を利用すれば、先端側リンクハブ２の姿勢を手動で定めるダイレクトティーチング機能を発揮させることも可能である。

　この実施形態では、アクチュエータ１８の駆動力を歯車で伝達しているが、これ以外にベルトやチェーンを利用してもよい。アクチュエータ１８としてのシリンダによる直接駆動であってもよい。また、カップリング等を利用してモータを基端側リンクハブ１の軸部１５に直接的に取り付けるようにしてもよい。さらに、回転駆動用アクチュエータ１８としては、前述したモータ以外に、ラックとピニオンからなる直動アクチュエータを使用することも可能である。

　以上で述べた各実施形態における各リンク機構Ｌ_１～Ｌ_３において、基端側端部リンク３および先端側端部リンク４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５についても基端側と先端側で形状が等しいとき、中央リンク５の対称面ｍに対してその中央リンク５と基端側端部リンク３および先端側端部リンク４との角度位置関係を基端側と先端側で同じにすれば、幾何学的対称性から基端側リンクハブ１および基端側端部リンク３と、先端側リンクハブ２および先端側端部リンク４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回転する。

　この等速回転時の中央リンク５の対称面ｍを等速二等分面という。このため、基端側リンクハブ１および先端側リンクハブ２を共有する同じ幾何学形状のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３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Ｌ_１～Ｌ_３が矛盾無く動ける位置として中央リンク５が等速二等分面上のみの動きに限定され、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。

　以下、図１～図３の実施形態で示す３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３を備えたリンク作動装置について説明するが、図４の実施形態で示す６組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_６を備えたリンク作動装置や、図５および図６の実施形態で示す４組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_４を備えたリンク作動装置についても同様である。

　図１～図３に示すリンク作動装置において、先端側リンクハブ２の姿勢は、二自由度（折れ角θと旋回角φ）で規定することができ、先端側リンクハブ２の姿勢（折れ角θと旋回角φ）とロータリーエンコーダ１２により検出された基端側端部リンク３の回転角βとの関係を以下の式で規定することができる。リンク作動装置は、以下の関係式による変換でもって先端側リンクハブ２の姿勢を検出可能とする演算手段としての制御部２８（図１参照）を具備する。この制御部２８の入力には、リンク機構Ｌ_１，Ｌ_３に設けられたロータリーエンコーダ１２が接続され、制御部２８の出力には、リンク機構Ｌ_１，Ｌ_３に設けられたアクチュエータ（図示せず）が接続されている。

　ここで、「折れ角θ」とは、基端側リンクハブ１の中心軸に対して先端側リンクハブ２の中心軸が傾斜した垂直角度で、「旋回角φ」とは、基端側リンクハブ１の中心軸に対して先端側リンクハブ２の中心軸が傾斜した水平角度を意味する。「回転角β」とは、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３について基端側リンクハブ１に対する基端側端部リンク３の連結端の回転角を意味する。「関係式による変換」とは、基端側リンクハブ１の基端側端部リンク３の回転角を規定する目標値を関係式に入力することにより、その回転角入力に対する先端側リンクハブ２の姿勢を制御部２８での演算処理により求めることを意味する。

　このリンク作動装置においては、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３のうち、基準となるリンク機構Ｌ_１における基端側リンクハブ１の連結端軸の位相を旋回角φ＝０とする。この時、中央リンク５の軸角をγ、基準となるリンク機構Ｌ_１の基端側端部リンク３に対する各基端側端部リンク３の円周方向離間角をδとした場合、離間角δ_１，δ_３の差（δ_３-δ_１）が１８０°であるリンク機構Ｌ_１，Ｌ_３において、先端側リンクハブ２の姿勢（折れ角θと旋回角φ）と、ロータリーエンコーダ１２により検出された基端側端部リンク３の回転角β_１，β_３との関係式は、以下のようになる。なお、「中央リンク５の軸角γ」とは、基端側端部リンク３が回転自在に連結された中央リンク５の連結端軸と、先端側端部リンク４が回転自在に連結された中央リンク５の連結端軸とがなす角度を意味する。
cos（θ／２）sin（β_１）－sin（θ／２）sin（φ－δ_１）cos（β_１）＋sin（γ／２）＝０　・・・（１）
cos（θ／２）sin（β_３）－sin（θ／２）sin（φ－δ_３）cos（β_３）＋sin（γ／２）＝０　・・・（２）

　ここで、（１）式×cos（β_３）＋（２）式×cos（β_１）は、以下のようになる。
cos（θ／２）｛sin（β_１）cos（β_３）＋sin（β_３）cos（β_１）｝－sin（θ／２）cos（β_１）cos（β_３）｛sin（φ－δ_１）＋sin（φ－δ_３）｝＋sin（γ／２）｛cos（β_３）＋cos（β_１）｝＝０　・・・（３）

　この（３）式の第２項、つまり、sin（θ／２）cos（β_１）cos（β_３）｛sin（φ－δ_１）＋sin（φ－δ_３）｝は、sin（θ／２）cos（β_１）cos（β_３）［sin（φ）｛cos（δ_１）＋cos（δ_３）｝－cos（φ）｛sin（δ_１）＋sin（δ_３）｝］　・・・（４）
と変形できる。ここで、リンク機構Ｌ_１の離間角δ_１＝０°、リンク機構Ｌ_３の離間角δ_３＝１８０°であることから、この値を（４）式に代入すると、その（４）式中の中括弧内、つまり、｛cos（δ_１）＋cos（δ_３）｝と｛sin（δ_１）＋sin（δ_３）｝は共に０となり、（３）式の第２項は０となって消去される。

　よって、この（３）式から、先端側リンクハブ２の折れ角θは、
θ＝２cos^－１（Ａ）　・・・（５）
となり、この（５）式を前述の（１）式に代入することにより、先端側リンクハブ２の旋回角φは、
φ＝sin^－１［±｛Ａsin（β_１）＋sin（γ／２）｝／｛√（１－Ａ^２）cos（β_１）｝］　・・・（６）
となる。但し、これら（５）（６）式中のＡは、
Ａ＝－sin（γ／２）［｛cos（β_１）＋cos（β_３）｝／｛sin（β_１）cos（β_３）＋sin（β_３）cos（β_１）｝］　・・・（７）
である。

　この簡易な（５）（６）式に基づいて、先端側リンクハブ２の姿勢（折れ角θと旋回角φ）は、基端側端部リンク３の回転角β_１，β_３から一意的に規定される。なお、以上では、３組のリンク機構Ｌ_１～Ｌ_３を有するリンク作動装置について説明したが、３組以上のリンク機構を有するリンク作動装置についても同様の結果が得られる。つまり、３組以上のリンク機構の中から任意に選択されたＫ，Ｌ番目の２組のリンク機構について、離間角δ_Ｋ，δ_Ｌの差（δ_Ｌ－δ_Ｋ）が１８０°であれば、（５）～（７）式中のβ_１がβ_Ｋ、β_３がβ_Ｌにそれぞれ対応しており、以下の（８）～（１０）式となる。
θ＝２cos^－１（Ｂ）　・・・（８）
φ＝sin^－１［±｛Ｂsin（β_Ｋ）＋sin（γ／２）｝／｛√（１－Ｂ^２）cos（β_Ｋ）｝］　・・・（９）
Ｂ＝－sin（γ／２）［｛cos（β_Ｋ）＋cos（β_Ｌ）｝／｛sin（β_Ｋ）cos（β_Ｌ）＋sin（β_Ｌ）cos（β_Ｋ）｝］　・・・（１０）

　以上のように、基端側端部リンク３の離間角の差を１８０°とした２組のリンク機構について、基端側リンクハブ１に対する基端側端部リンク３の回転角をロータリーエンコーダ１２により検出するだけで、先端側リンクハブ２の姿勢を制御部２８での演算処理により規定するに際して、従来のような収束演算や場合分けなどの煩雑な演算が不要となる。このように、煩雑な演算が不要となることから、演算時間の短縮化が図れるので、精密な医療機器などにリンク作動装置を適用する上で、リンク作動装置の応答性の向上が図れる。また、ロータリーエンコーダ１２を２組のリンク機構に設けるだけで済むため、リンク作動装置のコスト低減およびコンパクト化が可能となる。

　本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

Claims (4)

1. 　基端側リンクハブに対して一端が回転可能に連結された基端側端部リンクと、先端側リンクハブに対して一端が回転可能に連結された先端側端部リンクと、前記基端側端部リンクの他端と前記先端側端部リンクの他端とが回転可能に連結された中央リンクとで構成され、４つの回転対偶からなる３節連鎖のリンク機構を３組以上有し、基端側リンクハブに対して前記リンク機構を介して先端側リンクハブを姿勢変更可能に連結したリンク作動装置において、
   　前記リンク機構の中から任意に選択された２組のリンク機構について、一方のリンク機構の基端側端部リンクと他方のリンク機構の基端側端部リンクとの円周方向離間角の差を１８０°とし、前記２組のリンク機構に基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を検出する角度検出手段を設けると共に、前記角度検出手段により得られた回転角に基づいて先端側リンクハブの姿勢を規定する演算手段を具備したことを特徴とするリンク作動装置。
2. 　前記基端側端部リンクおよび先端側端部リンクの一端が回転可能に連結された基端側リンクハブおよび先端側リンクハブの連結端軸と、前記基端側端部リンクおよび先端側端部リンクの他端が回転可能に連結された中央リンクの連結端軸とがなす角度を９０°とした請求項１に記載のリンク作動装置。
3. 　前記リンク機構の中から任意に選択された２組以上のリンク機構に、前記先端側リンクハブの姿勢を任意に変更するアクチュエータを設けた請求項１又は２に記載のリンク作動装置。
4. 　前記アクチュエータは、基端側リンクハブに対する基端側端部リンクの回転角を検出するエンコーダを備えている請求項３に記載のリンク作動装置。

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