特許 7189530 リンク作動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-06

(45)【発行日】2022-12-14

(54)【発明の名称】リンク作動装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 21/46 20060101AFI20221207BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20221207BHJP

   B25J 13/08 20060101ALI20221207BHJP

【ＦＩ】

F16H21/46

B25J11/00 D

B25J13/08 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018229954

(22)【出願日】2018-12-07

(65)【公開番号】P2020091022

(43)【公開日】2020-06-11

【審査請求日】2021-09-16

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 朗弘

(72)【発明者】

【氏名】福丸 浩史

(72)【発明者】

【氏名】野瀬 賢蔵

(72)【発明者】

【氏名】坂田 清悟

【審査官】前田 浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１１２６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４７３５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ ２１／４６

Ｂ２５Ｊ １３／０８

Ｂ２５Ｊ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基端部材と、前記基端部材と先端部材とを接続するように構成された少なくとも３つのリンク機構とを備えるパラレルリンク機構を用いて、前記先端部材の位置および姿勢を制御するリンク作動装置であって、
前記少なくとも３つのリンク機構の各々は、
前記基端部材に第１回転対偶部において回転可能に接続された第１リンク部材と、
前記第１リンク部材に第２回転対偶部において回転可能に接続された第２リンク部材と、
前記第２リンク部材に第３回転対偶部において回転可能に接続された第３リンク部材と、
前記第３リンク部材に第４回転対偶部において回転可能に接続された第４リンク部材とを含み、
前記少なくとも３つのリンク機構の各々において、第１回転対偶部の回転中心軸と、第２回転対偶部の回転中心軸とは、単一の球面リンク中心点で交わり、
前記少なくとも３つのリンク機構の各第４リンク部材は、互いに第５回転対偶部において回転可能に接続され、
前記第５回転対偶部の回転中心軸は、前記球面リンク中心点を通り、
前記少なくとも３つのリンク機構のうちのいずれか１つのリンク機構の第４リンク部材は、前記第５回転対偶部において前記先端部材に固定され、
前記リンク作動装置は、
前記少なくとも３つのリンク機構のうちの第１～第３のリンク機構にそれぞれ対応して設けられ、対応する第１リンク部材の第１回転対偶部における回転角を変更するように構成される第１～第３のアクチュエータと、
前記第１～第３のアクチュエータに流れる電流値または電流指令値に基づいて前記第１～第３のアクチュエータのそれぞれのトルクを推定し、推定したトルクに基づいて前記先端部材に作用する荷重を推定するように構成される制御装置とを備える、リンク作動装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記推定したトルクの変化量から前記先端部材、または前記先端部材に搭載した作業体に衝突が発生したことを検出し、前記第１～第３のアクチュエータの動作を中断させる、請求項１に記載のリンク作動装置。

【請求項3】

前記先端部材には、作業体が搭載され、
前記制御装置は、前記推定したトルクを観測しながら、前記作業体を被作業体に押し込む作業または前記被作業体から前記作業体を引き抜く作業を行なうように前記第１～第３のアクチュエータを制御する、請求項１に記載のリンク作動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、リンク作動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、医療機器や産業機器などの各種装置に用いられるパラレルリンク機構が知られている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０００－９４２４５号公報

【文献】米国特許第５，８９３，２９６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来のパラレルリンク機構では、機構の先端（作業体）にかかる荷重のフィードバックが必要となる作業（たとえばピンやコネクタのはめ込み作業）を行なう場合、機構の先端に作用する力を検出するための高価なセンサを取り付ける必要があった。

【0005】

また、周辺に存在する人の安全を確保するために、安全柵を設けたり、接触センサを用いて接触を防止したりする必要があり、協働ロボットのように人と同じ空間で作業できる構成を安価に実現することができない。

【0006】

この発明の目的は、先端部の荷重フィードバックが必要な作業が可能で、かつ安全性が向上した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】

【0007】

本開示は、基端部材と、基端部材と先端部材とを接続するように構成された少なくとも３つのリンク機構とを備えるパラレルリンク機構を用いて、先端部材の位置および姿勢を制御するリンク作動装置に関する。少なくとも３つのリンク機構の各々は、基端部材に第１回転対偶部において回転可能に接続された第１リンク部材と、第１リンク部材に第２回転対偶部において回転可能に接続された第２リンク部材と、第２リンク部材に第３回転対偶部において回転可能に接続された第３リンク部材と、第３リンク部材に第４回転対偶部において回転可能に接続された第４リンク部材とを含む。少なくとも３つのリンク機構の各々において、第１回転対偶部の回転中心軸と、第２回転対偶部の回転中心軸とは単一の球面リンク中心点で交わる。少なくとも３つのリンク機構の各第４リンク部材は、互いに第５回転対偶部において回転可能に接続される。第５回転対偶部の回転中心軸は球面リンク中心点を通る。少なくとも３つのリンク機構のうちのいずれか１つのリンク機構の第４リンク部材は、第５回転対偶部において先端部材に固定される。リンク作動装置は、第１～第３のアクチュエータと、制御装置とを備える。第１～第３のアクチュエータは、少なくとも３つのリンク機構のうちの第１～第３のリンク機構にそれぞれ対応して設けられ、対応する第１リンク部材の第１回転対偶部における回転角を変更するように構成される。制御装置は、第１～第３のアクチュエータに流れる電流値または電流指令値に基づいて第１～第３のアクチュエータのそれぞれのトルクを推定し、推定したトルクに基づいて先端部材に作用する荷重を推定するように構成される。

【0008】

好ましくは、制御装置は、推定した各アクチュエータのトルクの変化量から先端部材、または先端部材に搭載した作業体に衝突が発生したことを検出し、第１～第３アクチュエータの動作を中断させる。

【0009】

好ましくは、先端部材には、作業体が搭載される。制御装置は、推定した第１～第３アクチュエータのトルクを観測しながら、作業体が把持する部材を他の部材に押し込む作業または作業体が把持する部材を他の部材から引き抜く作業を行なうように第１～第３アクチュエータを制御する。

【発明の効果】

【0010】

上記によれば、先端部の荷重のフィードバックが可能となり、リンク作動装置が作業可能な内容が増えるとともに、安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施の形態に係るリンク作動装置の概略構成を示す図である。

【図2】本実施の形態に係るパラレルリンク機構の構成を示す斜視模式図である。

【図3】図２に示したパラレルリンク機構の正面模式図である。

【図4】図３の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。

【図5】図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。

【図6】図２に示したパラレルリンク機構において先端部材の姿勢を変更した状態を示す斜視模式図である。

【図7】動作中に干渉が生じた場合（衝突した場合）の各モータのトルクを示すグラフである。

【図8】リンク作動装置の先端部材に干渉が生じた際のトルクの乱れを検出して、制御を行なう例を説明するための図である。

【図9】制御装置に設けた、各モータに作用するトルクのデータベースの一例を示す図である。

【図10】荷重推定を応用した第１の作業例を示す図である。

【図11】計算によって作業体にかかる荷重を測定および推定する手法を示すフローチャートである。

【図12】テーブルによって作業体にかかる荷重を測定および推定する手法を示すフローチャートである。

【図13】荷重推定を応用した第２の作業例を示す図である。

【図14】ピンの押し込み作業を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

【0013】

図１は、本実施の形態に係るリンク作動装置の概略構成を示す図である。図１を参照して、リンク作動装置２００は、作業体を装着するパラレルリンク機構１０と、パラレルリンク機構１０を駆動する姿勢制御用の駆動源であるアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃと、アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを制御する制御装置１００とを含む。アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃには、それぞれ、パラレルリンク機構１０を構成する第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃが回転軸に取り付けられている。

【0014】

まず、パラレルリンク機構１０の詳細について説明し、その後、制御装置１００によるアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃに対する制御について説明する。

【0015】

＜パラレルリンク機構の構成＞
図２は、本実施の形態に係るパラレルリンク機構の構成を示す斜視模式図である。図３は、図２に示したパラレルリンク機構の正面模式図である。図４は、図３の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。図５は、図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。

【0016】

図２～図５に示したパラレルリンク機構１０は、基端部材１と、先端部材８と、３つのリンク機構１１とを備える。基端部材１は平面形状が円形状の板状体である。なお、基端部材１の形状は任意の形状とすることができる。たとえば基端部材１の平面形状を四角形状、三角形状などの多角形状、あるいは楕円形状、半円形状などとしてもよい。また、リンク機構１１の数は３以上であればよく、たとえば４または５としてもよい。

【0017】

３つのリンク機構１１は、先端部材８の基端部材１に対する姿勢を変更可能な状態で、基端部材１と先端部材８とを接続する。３つのリンク機構１１は、それぞれ、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃと、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃと、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃと、第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃとを含む。

【0018】

アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、３つのリンク機構１１のそれぞれに設置されている。アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは電動モータなど回転駆動力を発生させることができれば任意の構成を採用できる。アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃまわりの回転角度を変更することにより、基端部材１に対する先端部材８の姿勢を任意に変更する。

【0019】

第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃは、基端部材１に第１回転対偶部において回転可能に接続される。具体的には、基端部材１の表面における外周部に固定部３６ａ，３６ｂ，３６ｃが設置されている。

【0020】

アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、それぞれ固定部３６ａ，３６ｂ，３６ｃに固定されることで基端部材１に接続されている。固定部３６ａ，３６ｂ，３６ｃの形状は任意の形状とできるが、たとえば板状である。

【0021】

アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの各々は、それぞれ軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃにトルクを発生させるように構成される。軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃは、それぞれ固定部３６ａ，３６ｂ，３６ｃを貫通し、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの一方端に設けられた貫通孔４３ａ，４３ｂ，４３ｃに嵌合されている。軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃの先端部は、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの貫通孔４３ａ，４３ｂ，４３ｃに挿入されナット３ａ，３ｂ，３ｃにより抜け止めがされている。つまり軸部３７に第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃが固定されている。軸部３７の回転により、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃは、回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃ周りに回転する。ここで、回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、図４に示すように軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃのそれぞれの中心軸である。

【0022】

軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃと、貫通孔４３ａ，４３ｂ，４３ｃが形成された第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの部分とにより「第１回転対偶部」が構成される。

【0023】

第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃは円弧状に延びる棒状の部材である。第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの一方端部に上記貫通孔４３ａ，４３ｂ，４３ｃがそれぞれ形成されている。図４に示すように、基端部材１の表面に垂直な方向から見た平面視において、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの内周側表面は曲面状になっている。なお、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの形状は円弧状以外の形状でもよい。たとえば、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの形状は直線状に延びる棒状であってもよいし、屈曲部を含む棒状であってもよい。

【0024】

第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃにおいて貫通孔４３ａ，４３ｂ，４３ｃが形成された一方端部と反対側に位置する他方端部４１ａ，４１ｂ，４１ｃには、軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃが形成されている。軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃの各々は、基端部材１の外周から外側に向けて延びるように形成されている。軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、それぞれ第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの円弧形状の内周側側面と反対側の外周側側面に形成されている。軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、それぞれ第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの貫通孔６３ａ，６３ｂ，６３ｃに挿入されている。貫通孔６３ａ，６３ｂ，６３ｃから突出した軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃのそれぞれの先端部には、固定部材の一例であるナット５ａ，５ｂ，５ｃが固定されている。第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃは、それぞれ軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃを中心に回転可能になっている。軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃと貫通孔６３ａ，６３ｂ，６３ｃが形成されている第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの部分とにより「第２回転対偶部」が構成される。つまり、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃは、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃに第２回転対偶部において回転可能に接続される。

【0025】

軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃの回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃは「第１回転対偶部」の回転中心軸に相当する。第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの他方端部４１ａ，４１ｂ，４１ｃにおける軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃの回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃは「第２回転対偶部」の回転中心軸に相当する。図２および図４に示すように、上記軸部３７ａ，３７ｂ，３７ｃの回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃと軸部４２ａ，４２ｂ，４２ｃの回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃとは球面リンク中心点３０において交差する。この交差は必要条件であり、球面リンク中心点３０に、上記第１回転対偶部の回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃと第２回転対偶部の回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃが交差するならば、第１および第２回転対偶部の配置は任意に変更可能である。

【0026】

第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃは直線状に延びる棒状の部材である。第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの一方端部に上記貫通孔６３ａ，６３ｂ，６３ｃが形成されている。第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの形状は直線状に延びる棒状以外の任意の形状としてもよい。たとえば、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃを円弧状に延びる棒状体などとしてもよい。

【0027】

第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃにおいて貫通孔６３ａ，６３ｂ，６３ｃが形成された一方端部と反対側に位置する他方端部には、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの一方端部を受け入れる凹部がそれぞれ形成されている。第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの各他方端部には、凹部に面する位置に貫通孔が形成されている。第３リンク部材７ａの一方端部にも貫通孔７３ａ（図５）が形成されており、第３リンク部材７ｂ，７ｃの各一方端部にも同様な位置に図示しない貫通孔７３ｂ，７３ｃが形成されている。第２リンク部材６ａ，６ｂの他方端部における貫通孔と、第３リンク部材７ａ，７ｂの一方端部における貫通孔７３ａ，７３ｂとは直線状に並ぶように配置され、連結部材１３ａ，１３ｂがそれぞれ挿入されている。同様に、第２リンク部材６ｃの他方端部における貫通孔と、第３リンク部材７ｃの一方端部における貫通孔７３ｃとは直線状に並ぶように配置され、連結部材１３ｃが挿入されている。

【0028】

連結部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃと第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃとを相対的に回転可能な状態でそれぞれ連結する。連結部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃはたとえばボルトおよびナットである。連結部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃと第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃの他方端部と第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの一方端部とにより「第３回転対偶部」が構成される。つまり、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃと第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃとは「第３回転対偶部」において回転可能に接続される。

【0029】

連結部材１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各中心軸は、第３回転対偶部における回転中心軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃに相当する。回転中心軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、それぞれ回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃと直交する方向に延びる。

【0030】

なお回転中心軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃと回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃとが交差するように第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃを構成する形態もある。その場合、第１リンク部材４ａ～４ｃの構造と第２リンク部材６ａ～６ｃの構造とが上記とは若干異なるものとなる。具体的には、当該形態においては、第１リンク部材４ａ～４ｃの端部（回転対偶部Ｒ２の場所）に貫通孔が形成され、第２リンク部材６ａ～６ｃの回転対偶部Ｒ２に対応する場所は軸状に形成されている。回転対偶部Ｒ２では第２リンク部材６ａ～６ｃの軸状の部分が第１リンク部材４ａ～４ｃの貫通孔に挿入される。第２リンク部材６ａ～６ｃは回転対偶部Ｒ２での軸状の部分が棒状に延び、その端部が第３リンク部材７ａ～７ｃを接続する凹部となる。つまり、たとえば球面リンク中心点３０と、回転対偶部Ｒ３と、回転対偶部Ｒ４との３点により形成される三角形は、回転対偶部Ｒ２で回転する幾何学的構造となる。そのようになるように、３つの回転対偶部Ｒ２、Ｒ３，Ｒ４が配置される。

【0031】

第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃは直線状に延びる棒状の部材である。第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの形状は直線状に延びる棒状以外の任意の形状としてもよい。たとえば、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃを円弧状に延びる棒状体などとしてもよい。

【0032】

第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃにおいて貫通孔７３ａが形成された一方端部と反対側に位置する他方端部には、貫通孔７４ａ（図５）が形成されている。第３リンク部材７ｂ，７ｃにも貫通孔７４ａと同様な位置に図示しない貫通孔７４ｂ，７４ｃがそれぞれ形成されている。

【0033】

第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃには、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの他方端部を受け入れる凹部が形成されている。第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃの上記凹部に面する壁部８３ａ，８３ｂ，８３ｃには、凹部に繋がる貫通孔が形成されている。第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの他方端部における貫通孔７４ａ，７４ｂ，７４ｃと、第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃの壁部８３ａ，８３ｂ，８３ｃに形成された貫通孔とは直線状に並ぶように配置され、連結部材１４ａ，１４ｂ，１４ｃがそれぞれ挿入されている。

【0034】

連結部材１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃと第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃとを相対的に回転可能な状態で連結する。連結部材１４ａ，１４ｂ，１４ｃはたとえばボルトおよびナットである。連結部材１４ａ，１４ｂ，１４ｃと第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃの他方端部と第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃの壁部８３ａ，８３ｂ，８３ｃとにより「第４回転対偶部」が構成される。つまり、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃと第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃとは第４回転対偶部において回転可能に接続される。

【0035】

連結部材１４ａ，１４ｂ，１４ｃの各中心軸は、第４回転対偶部における回転中心軸１８ａ，１８ｂ，１８ｃに相当する。回転中心軸１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、それぞれ回転中心軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃと平行な方向に延びる。

【0036】

第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃは、それぞれ壁部８３ａ，８３ｂ，８３ｃに接続されたベース部８１ａ，８１ｂ，８１ｃを含む。ベース部８１ａ，８１ｂ，８１ｃの平面形状は円形状である。ベース部８１ａの中央には図５に示すように中心軸８２が設けられている。第４リンク部材８ｂのベース部８１ｂは、ベース部８１ａに重なるように配置されている。ベース部８１ｂの中央には貫通孔が形成されている。第４リンク部材８ｃのベース部８１ｃは、ベース部８１ｂに重なるように配置されている。ベース部８１ｃの中央には貫通孔が形成されている。ベース部８１ｂ，８１ｃは、各々の貫通孔に中心軸８２が挿入された状態で、ベース部８１ａ上に積層されている。中心軸８２の先端部には固定部材としてのナット９が設置されている。第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃは、中心軸８２を中心とした互いに独立に回転可能になっている。図２～図５に示したパラレルリンク機構１０では、積層配置された第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃの中心軸８２またはベース部８１ａ，８１ｂ，８１ｃを先端部材８とみることができる。なお、先端部材として、別の部材を中心軸８２またはベース部８１ａ，８１ｂ，８１ｃのいずれかと接続してもよい。

【0037】

上記のような構成において、ベース部８１ａ，８１ｂ，８１ｃと中心軸８２とナット９とから「第５回転対偶部」が構成される。図２からわかるように、３つのリンク機構１１の第５回転対偶部の回転中心軸１９は重なるように配置される。つまり、複数のリンク機構１１の第５回転対偶部は１カ所に重なるように配置されている。なお、中心軸８２としてはベース部８１ａと別部材であるボルトなどを用いてもよい。この場合、ベース部８１ａの中央部に当該ボルトを挿入する貫通孔が形成される。

【0038】

第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃにおいては、第４回転対偶部の回転中心軸１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、第５回転対偶部の回転中心軸１９とがねじれた配置になっている。より具体的には、第４回転対偶部の回転中心軸１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、第５回転対偶部の回転中心軸１９とは互いに直交する方向に延びている。

【0039】

図２および図４に示すように、第１回転対偶部の回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、第２回転対偶部の回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃとは球面リンク中心点３０で交わる。また、図５に示すように、リンク機構１１の各第５回転対偶部に共通する回転中心軸１９は、球面リンク中心点３０と交わる。なお、上記の関係を満たせば各対偶部の配置は任意に設定できる。

【0040】

＜パラレルリンク機構の動作＞
図６は、図２に示したパラレルリンク機構において先端部材の姿勢を変更した状態を示す斜視模式図である。図６に示すように、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの第１回転対偶部における回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃまわりの回転角度をそれぞれ変更することにより、先端部材８の位置を任意に変更することができる。図６では、第１リンク部材４ｂの回転中心軸１５ｂまわりの回転角度を相対的に大きくすることで、先端部材８において第４リンク部材８ｂ側が上方に持上げられるとともに、先端部材中心３１から見て第４リンク部材８ｂが位置する側と反対側に先端部材８全体が移動している。

【0041】

図２～図６に示したパラレルリンク機構１０では、上述のような構成とすることにより、球面リンク中心点３０を中心とした球面上を先端部材８が動作する。すなわち、先端部材８の姿勢は、図６に示すように球面リンク中心点３０を原点とした３次元の極座標（θ，φ，ｒ）で表すことができる。ここでいう折れ角θとは、図６に示すように、先端部材中心３１から垂直方向に降ろした線が、基端部材１と第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃとの接続部である第１回転対偶部の回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃを含む平面と交わる点と球面リンク中心点３０とを通る直線と、先端部材８の中心軸である回転中心軸１９とが成す角度である。また、旋回角φとは、先端部材中心３１から垂直方向に降ろした線が、回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃを含む平面と交わる点と球面リンク中心点３０とを通る直線と、リンク機構１１に第１回転対偶部の回転中心軸１５ａとが成す角度である。また、中心間距離ｒとは、球面リンク中心点３０と先端部材中心３１との距離である。

【0042】

本開示に従ったパラレルリンク機構１０は、３つ以上のリンク機構１１のそれぞれが第１～第５回転対偶部を有する５節連鎖構造となっているので、基端部材１に対して先端部材８を、球面リンク中心点３０を中心とした回転２自由度と、回転中心軸１９に沿った方向の１自由度という合計３自由度で移動させることができる。このため、基端部材１に対して先端部材８を、上記球面リンク中心点３０を中心とした球面に沿って移動させることができるとともに、当該球面に沿った移動とは独立して回転中心軸１９に沿った方向にも移動させることができる。この結果、先端部材８を上記球面に沿って移動させるとともに、先端部材８が沿って移動する球面の半径を調整できるので、先端部材８が一定半径の球面に沿ってしか移動できない場合よりも先端部材８の可動範囲を大きくできる。なお、ここで第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃが、先端部材８に第５回転対偶部において回転可能に接続されるように構成される、とは、第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃにおいて別部材としての先端部材を接続可能な部分が存在していることを意味し、第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃの一部が先端部材として機能する場合も含む。

【0043】

＜アクチュエータの駆動制御の説明＞
再び、図１を参照して、アクチュエータを制御する制御装置１００の概要について説明する。制御装置１００は、外部指令変換部１０１と、個別制御部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃと、トルク検出部１０３と、荷重検出部１０４とを含む。

【0044】

個別制御部１０２ａは、位置指令変換部１１１と、電流発生器１１２とを含む。図示しないが、個別制御部１０２ｂ，１０２ｃも個別制御部１０２ａと同様な構成を有している。

【0045】

第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃを回転させるためのアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃには、それぞれ電流を送る個別制御部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃが接続されている。ここで、個別制御部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃとは別にトルク検出部１０３および荷重検出部１０４を設けていることが本実施の形態の制御装置１００の特徴である。

【0046】

アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃに対する姿勢変更指令は、以下の手順で行われる。第１に、外部指令装置１５０から動作指令（たとえば目標の（θ，φ，ｒ））を外部指令変換部１０１に送る。第２に、外部指令変換部１０１は動作指令を各モータへの位置指令に変換し、各個別制御部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの位置指令変換部１１１へ位置指令を送る。第３に、位置指令変換部１１１は位置指令をモータの電流指令に変換し、電流指令を電流発生器１１２へ送る。第４に、電流発生器１１２は電流指令に比例して電流を発生させ、対応するアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃへ送る。この際、制御装置１００は、実際に流れている電流を測定してフィードバック制御を行なう。フィードバック制御するためにモータの電流指令およびモータへ送られる電流をモニタリングする必要があるため、電流発生器１１２は図示しない電流センサを有している。

【0047】

アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃとしてモータを使用する場合、電流とトルクには相関関係があるため、電流指令またはモータの電流から、トルクを推定することができる。たとえば、先端部材８にある方向から荷重が加わった場合、姿勢保持のために各モータで発生する電流が増減する。その時の各モータの電流値、または電流指令値からトルクの向きおよび大きさを計算し、先端部材８に加わる荷重の向きおよび大きさを推定する荷重検出部１０４を設けることで荷重を推定することができる。電流センサを有しているため、検出された電流値から、ソフトウェアによりトルクおよび荷重を推定できるので、トルクセンサまたは荷重センサを別に設けることなく荷重を検出することが可能となる。

【0048】

トルク検出部１０３および荷重検出部１０４における検出結果をそれぞれ外部に出力する外部出力端子１５１，１５２を設けても良い。外部出力端子１５１，１５２を設けた場合、検出結果を外部指令装置１５０または、他の外部の制御装置から参照することができる。

【0049】

図７は、動作中に干渉が生じた場合（衝突した場合）の各モータ（３５ａ，３５ｂ，３５ｃ）のトルクを示すグラフである。先端部材８を駆動させる場合、各モータは図７の時刻ｔ０～ｔ１のようにトルクを与えることでリンク部材（４ａ，４ｂ，４ｃ）を回転させる。正常運転中のトルクＭ１，Ｍ２，Ｍ３は低水準で一定値を示すが、動作中、時刻ｔ１において先端部材８に対して何らかの干渉が生じた場合、干渉によって各モータのトルクＭ１，Ｍ２，Ｍ３が増減する。

【0050】

図８は、リンク作動装置の先端部材に干渉が生じた際のトルクの乱れを検出して、制御を行なう例を説明するための図である。図８では、時刻ｔ１でトルクＭ１，Ｍ２，Ｍ３の乱れを検出した場合に、衝突が発生したとして時刻ｔ２において各モータのトルクＭ１，Ｍ２，Ｍ３を時刻ｔ２以降ゼロにしてリンク作動装置を非常停止させるなどの措置を行なうことによって安全を確保する例を示している。

【0051】

図９は、制御装置に設けた、各モータに作用するトルクのデータベースの一例を示す図である。リンク作動装置のある姿勢において、先端部にかかる荷重の方向および大きさ（作用力）における各モータのトルク（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）は計算によって算出することが可能である。しかし好ましくは、図９のように予めデータベースとして登録しておき、制御装置１００は、データベースを参照することによって荷重が加わった時のトルク（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）から荷重の方向および大きさを推定する。これにより、より速く荷重の推定を行なうことができる。

【0052】

図１０は荷重推定を応用した第１の作業例を示す図である。図１０では、パラレルリンク機構１０に作業体としてハンド２１１が搭載されている。先端部材８にベース部材２１０が固定され、ベース部材２１０にハンド２１１が取り付けられている。したがって、ハンド２１１は、先端部材８と同様な動きができる。すなわちハンド２１１の（θ，φ，ｒ）をパラレルリンク機構１０によって制御することができる。なお、ハンド２１１の把持と解放を制御する制御ケーブルは、図５の中心軸８２を中空とすることによって中心軸８２の内部を貫通させることができる。第１の作業例は、このようにパラレルリンク機構１０に取り付けられたハンド２１１を用いて、斜め方向に設置された作業台２１３の穴に対して、被作業体であるコネクタ２１２を挿入する作業である。

【0053】

この作業の制御を示すフローチャートを図１１および図１２に示す。図１１は、計算によって作業体にかかる荷重を測定および推定する手法を示すフローチャートである。

【0054】

まず、ステップＳ１において、制御装置１００は、３次元の極座標（θ，φ，ｒ）で示される最初の目的の姿勢であるコネクタ挿入直前の位置になるようにパラレルリンク機構１０の姿勢を変更する。本実施の形態に開示されるパラレルリンク機構１０を用いれば、その後ステップＳ２においてｒを伸長方向に動作させることによって、作業台２１３の穴の深さ方向に沿った方向からコネクタ２１２をはめ込むことが可能である。

【0055】

その際、ステップＳ３において、制御装置１００は、動作時のモータのトルクを計測し、ステップＳ４における計算により先端荷重を推定する。

【0056】

ステップＳ５において荷重が加わってない場合（Ｓ５でＮＯ）、荷重が加わるまでパラレルリンク機構１０をｒ方向に伸長させ、ステップＳ５において荷重が加わった時点（Ｓ５でＹＥＳ）でハンド２１１の動作を停止させる。そして、ステップＳ６において確認動作を行なわせる。確認動作とは、コネクタ２１２が作業台２１３のコネクタ挿入口に挿入されたか否かを、動作時の荷重（トルク）によって確認する動作のことである。たとえば、ある動作における挿入完了時の荷重（トルク）をデータベースに持っておくことで挿入を確認できる。ステップＳ６における確認動作の結果、コネクタの挿入が確認できた場合は（Ｓ７でＹＥＳ）終了するが、確認できなかった場合（Ｓ７でＮＯ）は、ステップＳ８において先端にかかった荷重の方向および大きさから再度目的位置を推定する。この一連の動作を続けることでコネクタの挿入が可能となる。

【0057】

図１２は、テーブルによって作業体にかかる荷重を測定および推定する手法を示すフローチャートである。図１２のフローチャートは、図１１のフローチャートのステップＳ４の処理をステップＳ１１およびＳ１２に置き換えた処理を示す。ステップＳ１～Ｓ３，Ｓ５～Ｓ８の処理については、図１１において説明した内容と同じであるので説明は繰り返さない。図１２においては、ステップＳ１１において、図９に示したようなテーブルを参照し、各トルク値と計測されたトルク値とを比較し、最も近い値を示すデータを選択することによって、先端部の荷重を推定する（ステップＳ１２）。そしてステップＳ５においては推定した荷重を用いた判断が実行される。

【0058】

図１３は荷重推定を応用した第２の作業例を示す図である。図１３では、図１０とは逆向きにパラレルリンク機構１０に作業体としてハンド３１１が搭載されている。先端部材８にベース部材３１０が固定され、ベース部材３１０にハンド３１１が取り付けられている。したがって、ハンド３１１は、先端部材８と同様な動きができる。すなわちハンド３１１の（θ，φ，ｒ）をパラレルリンク機構１０によって制御することができる。図１３ではピン３１２を作業台３１３のピン挿入口に押し込む作業が示されている。作業体としてのハンド３１１にピン３１２を把持させる。そして、垂直方向に設置された作業台３１３のピン挿入口に対して位置合わせ動作を行ないながらピンを挿入する。

【0059】

図１４は、ピンの押し込み作業を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ２１において、制御装置１００は、３次元の極座標（θ，φ，ｒ）で示される最初の目的の姿勢であるピン挿入直前の位置になるようにパラレルリンク機構１０の姿勢を変更する。その後、制御装置１００は、ステップＳ２２において、微小にｒを縮退（図１３の下方向）方向に動作させ、トルク計測（ステップＳ２３）および先端荷重計算（Ｓ２４）を行ない、ステップＳ２５において衝突に相当する荷重が先端部に加わっているか否かを判断する。制御装置１００は、作業台３１３に衝突するまでステップＳ２２～Ｓ２５の処理を繰り返す。

【0060】

ステップＳ２５において、衝突に相当する荷重が検出された場合、制御装置１００は、ステップＳ２６においてパラレルリンク機構１０にピン３１２が衝突した位置で探り動作を行なわせる。探り動作とは穴の深さ方向とピンの方向が一致する角度を探索する動作である。限定されないが探り動作として、たとえば、衝突位置からある微小な折れ角θで旋回角φを１周させる動作が挙げられる。その後、ステップＳ２７において、制御装置１００は、荷重が最小となる姿勢にパラレルリンク機構１０を設定し、ステップＳ２８において規定のｒ値（ピン押し込み完了値）までピン３１２を押し込むようにパラレルリンク機構１０を操作する。このように処理することによって、本実施の形態のリンク作動装置によれば、ピン挿入口に適切な方向からピン３１２を挿入することが可能となる。

【0061】

なお、図１４におけるステップＳ２３の計算処理を図１２のステップＳ１１，Ｓ１２のようにテーブルを使用する処理に変更しても良い。

【0062】

最後に、再び図１等を参照して、本実施の形態について総括する。リンク作動装置２００は、図２～図６で詳細に説明したパラレルリンク機構１０を用いて、先端部材８の位置および姿勢を制御する。パラレルリンク機構１０は、基端部材１と、基端部材１と先端部材８とを接続するように構成された少なくとも３つのリンク機構１１とを備える。

【0063】

少なくとも３つのリンク機構１１の各々は、基端部材１に第１回転対偶部において回転可能に接続された第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃと、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃに第２回転対偶部において回転可能に接続された第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃと、第２リンク部材６ａ，６ｂ，６ｃに第３回転対偶部において回転可能に接続された第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃと、第３リンク部材７ａ，７ｂ，７ｃに第４回転対偶部において回転可能に接続された第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃとを含む。少なくとも３つのリンク機構１１の各々において、第１回転対偶部の回転中心軸１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、第２回転対偶部の回転中心軸１６ａ，１６ｂ，１６ｃとは単一の球面リンク中心点３０で交わる。少なくとも３つのリンク機構１１の各第４リンク部材８ａ，８ｂ，８ｃは、互いに第５回転対偶部において回転可能に接続される。第５回転対偶部の回転中心軸１９は球面リンク中心点３０を通る。少なくとも３つのリンク機構１１のうちの１つの第４リンク部材８ａは、第５回転対偶部において先端部材８に固定される。リンク作動装置２００は、少なくとも３つのリンク機構１１のうちの第１～第３のリンク機構にそれぞれ対応して設けられ、第１リンク部材４ａ，４ｂ，４ｃの各第１回転対偶部における回転角を変更するように構成された第１～第３のアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃと、アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃに流れる電流値または電流指令値に基づいて、アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのそれぞれのトルクを推定し、推定したアクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのトルクに基づいて先端部材８に作用する荷重を推定する制御装置１００を備える。

【0064】

リンク作動装置の姿勢制御に使用するモータ（アクチュエータ）の制御装置１００は、図１に示すように、モータを駆動させるための電流の大きさからモータのトルクを検出するためのトルク検出部１０３を有し、さらにモータのトルクから先端部材８に作用する荷重を推定する荷重検出部１０４を備えるので、専用のセンサを設けることなく荷重を推定できる。このため、リンク作動装置２００のコンパクト化やコスト低減に寄与する。また、リンク作動装置２００は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、任意の姿勢で先端部材８に様々な方向から荷重が作用した場合でもモ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。

【0065】

好ましくは、制御装置１００は、推定した各アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのトルクの変化量から先端部材８、または先端部材８に搭載した作業体に衝突が発生したことを検出し、各アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの動作を中断させる。たとえば、中断処理として、アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのトルクをゼロにしたり、荷重を受けた方向を計算してその方向と逆方向に先端部材８を動かしたりしても良い。

【0066】

このように先端部材８、もしくは先端部材８に搭載した作業体が他の物体に衝突した際のトルクの変化量から、衝突を検知し、装置を停止するなどの措置をとる構成であると良い。この構成によりリンク作動装置２００が人や物に接触した場合でも、それを検知してリンク作動装置２００を停止させるなどの措置をとれるようになり、安全性が向上する。

【0067】

好ましくは、先端部材８には、作業体が搭載される。制御装置１００は、推定した各アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのトルクを観測しながら、図１０～図１２で示した作業体が把持する部材（たとえば、コネクタ）を他の部材（たとえば、端子台）に押し込む作業または図１３、図１４で示した作業体が把持する部材（たとえば、ピン）を他の部材（たとえば、穴が形成された部材）から引き抜く作業を行なうように各アクチュエータ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを制御する。

【0068】

このように、パラレルリンク機構１０の先端に作業体または被作業体を搭載し、トルクを検出しながら被作業体の押し込み/引き抜き等の作業を行なう組立装置にリンク作動装置２００を適用することができる。この構成により、探索による位置決め動作等、トルクのフィードバックを用いての作業が可能な装置を実現できる。

【0069】

なお、制御装置１００は、荷重推定に使用する、各モータに作用するトルクと先端に作用する荷重の関係を示すデータベース、または各モ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備えることが好ましい。これによりトルク検出部が検出するトルク値から先端側の荷重を推定できる。

【0070】

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。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すべての変更が含まれることを意図される。

【符号の説明】

【0071】

１ 基端部材、３ａ，３ｂ，３ｃ，５ａ，５ｂ，５ｃ，９ ナット、４ａ，４ｂ，４ｃ 第１リンク部材、６ａ，６ｂ，６ｃ 第２リンク部材、７ａ，７ｂ，７ｂｃ，７ｃ 第３リンク部材、８ 先端部材、８ａ，８ｂ，８ｃ 第４リンク部材、１０ パラレルリンク機構、１１ リンク機構、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 連結部材、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１９ 回転中心軸、３０ 球面リンク中心点、３１ 先端部材中心、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ アクチュエータ、３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 固定部、３７，３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 軸部、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 他方端部、４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ 貫通孔、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ ベース部、８２ 中心軸、８３ａ，８３ｂ，８３ｃ 壁部、１００ 制御装置、１０１ 外部指令変換部、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ 個別制御部、１０３ トルク検出部、１０４ 荷重検出部、１１１ 位置指令変換部、１１２ 電流発生器、１５０ 外部指令装置、１５１，１５２ 外部出力端子、２００ リンク作動装置、２１１，３１１ ハンド、２１２ コネクタ、２１３，３１３ 作業台。

【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】