CN112606038A

CN112606038A - 直动伸缩机构

Info

Publication number: CN112606038A
Application number: CN202011039281.3A
Authority: CN
Inventors: 今坂幸介; 松本邦保; 雨宮航; 大西杜谅
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-04-06
Also published as: US11707853B2; JP2021058954A; JP7376306B2; DE102020124213A1; US20210101296A1

Abstract

本申请的目的在于，提供一种直动伸缩机构，能够在正交的3个轴的全部方向上确保高的刚性且对设置姿势无限制。本实施方式的直动伸缩机构(1)，具有：块列(30)，由多个块(40)沿着连结方向连结而成，壳体部(10)，对块列进行收纳，拉送机构，沿着连结方向送出、引入块列，以及固定机构(20)，在正交于块列的连结方向的两个方向上，对从壳体部送出的块列的前端位置(Pc)相对于供块列出入壳体部的壳体部上的出入位置(Pe)的相对位置进行固定。

Description

直动伸缩机构

技术领域

本申请涉及一种直动伸缩机构。

背景技术

直动伸缩机构由于可以不需要肘关节，因而安全性高，可期待应用于协作机器人。作为直动伸缩机构，研究了将由多个块连结而成的块列送出、拉回的结构(参考专利文献1、2、3)。

为了将直动伸缩机构装配到机器人上，需要在正交的3个轴的全部方向上确保高的刚性，除了其上下左右的挠曲外，还需要尽量抑制扭转和前后方向的晃动，且同时还要使臂前端的实际位置与控制上的位置之间的偏差最小化。另外，机器人臂根据其用途不只是垂直地设置在地面上，还会水平地安装在壁面上，或从天花板悬吊，需要在这样的各种设置姿势的任一姿势的情况下均能正常动作。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5435679号公报

专利文献2：日本特开2015-213974号公报

专利文献2：日本特开昭62-148186号公报

发明内容

发明要解决的问题

期望实现一种在正交的3个轴的全部方向上确保高的刚性并提高位置精度，且对设置姿势无限制的直动伸缩机构。

用于解决问题的手段

本公开的一形态的直动伸缩机构，具有：块列，由多个块沿着连结方向连结而成，壳体部，对块列进行收纳，拉送机构，沿着连结方向送出、拉入块列，限制结构，在正交于块列的连结方向的两个方向上对供块列出入壳体部的壳体部上的出入位置进行限制，以及固定机构，在两个方向上对从壳体部送出的块列的前端相对于出入位置的相对位置进行固定。

发明的效果

根据该形态，提供了一种能够在正交的3个轴的全部方向上确保高的刚性并提高位置精度，且对设置姿势无限制的直动伸缩机构。

附图说明

图1是一实施方式的收缩时的直动伸缩机构的立体图。

图2是伸长时的直动伸缩机构的立体图。

图3是示出去除臂部后的状态下的收缩时的直动伸缩机构的内部结构的侧视图。

图4是示出收缩时的直动伸缩机构的内部结构的侧视图。

图5是示出伸长时的直动伸缩机构的内部结构的侧视图。

图6是图4中的块的前方立体图。

图7是图4中的块的后方立体图。

图8是图4中的块的侧视图。

图9是示出对图4中的直动伸缩机构的块列的出入位置进行限制的四方筒支架的立体图。

图10是图9的局部放大图。

图11是图10的主视图。

图12是将壳体开口与四方筒支架一起示出的立体图。

图13是示出收缩时的块列的出入位置与前端位置之间的位置关系的侧视图。

图14是示出收缩时的块列的出入位置与前端位置之间的位置关系的俯视图。

图15是示出伸长时的块列的出入位置与前端位置之间的位置关系的侧视图。

图16是示出伸长时的块列的出入位置与前端位置之间的位置关系的俯视图。

图17是示出圆筒中心线与块列的移动轴之间的位置关系的主视图。

图18是示出由串联的多个直动引导机构代替可伸缩结构后的直动伸缩机构的俯视图。

图19是示出图18中的伸长的直动伸缩机构的俯视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本实施方式的直动伸缩机构进行说明。在下面的说明中，对于具有大致相同的功能及结构的构成要素，赋予相同的附图标记，并且，仅在必要的情况下进行重复说明。本实施方式的直动伸缩机构既可以单独使用，也可以作为机械臂(Robot arm)机构的直动伸缩关节来使用。

如图1、图2所示，直动伸缩机构1具有自由伸缩的臂部20和支撑臂部20的壳体部10。典型地，臂部20由牢固地组成可伸缩结构(多级嵌套结构)的多个筒体构成，在此，由4个筒体21、22、23、24构成。典型地，筒体21、22、23、24为圆筒形状，但也可以为方筒形状。典型地，壳体部10具有中空的四棱柱形状。此外，壳体部10不仅限于四棱柱形状，也可以是圆柱形状等其他形状。

多个圆筒体21、22、23、24中的最末尾的圆筒体24在其凸缘处以使圆筒中心线C1与壳体部10的中心线之间的角度保持为规定角度的方式固定在壳体部10的上部。下面，在正交的3个轴中，将与壳体部10的中心线平行的轴作为Z轴，将与圆筒中心线C1平行的轴作为X轴，将与X轴和Z轴均垂直的轴作为Y轴来适当地使用。

如图3所示，在固定有最末尾的圆筒体24的壳体部10的上部的侧壁上，开设有开口13(下面，称为壳体开口13)。壳体开口13使壳体部10的内部与圆筒体21、22、23、24的中空内部连通。壳体开口13为用于使后述的块列30从壳体部10出入的出入口。

如图4、图5所示，在从壳体部10的内部到圆筒体21、22、23、24的中空内部连通的内部空间中，插入有块列30。块列30由多个块40连结成列状而成。最前面的块40与最前面的圆筒体21连接。详细内容将在后面进行叙述，但是，块列30相对于壳体部10出入的壳体部10上的出入位置在与块列30的连结方向(C2)正交的两个方向(YZ)上被限制，并且，通过多级嵌套结构，使从壳体部10送出的块列30的前端位置相对于该出入位置在该两个方向(YZ)上被相对地固定，从而块列30能够直线移动。

如图6、图7所示，块40具有块主体41。块主体41例如具有长方体形状。在块主体41的前端的下部，在宽度方向上分离设置有两个向前方突出的轴承42、43。在块主体41的后端的下部，在宽度方向上分离设置有与块主体41一体形成的轴承44、46。相邻的两个块40中的一个块40的前端的轴承42、43嵌入另一个块40的后端的轴承44、46之间，并在连续的孔中插入有未图示的转动轴。由此，块40以能够转动的方式连结成列状。此外，块40沿着正交于转动轴的方向(连结方向)连结成列状。

如图8所示，轴承42、43、44、46均设置在块主体41的底部侧，且块主体41具有长方体形状，因此，在排列成直线状的状态下，邻接的两个块40的端面相互抵接，从而，限制了进一步向上方转动，但允许向下方转动。此外，为了便于说明，规定了作为块40的基准的基准线BL。基准线BL与块主体41的长度方向(前后方向)平行，并通过块主体41的宽度及高度的中心。此外，通过排列成直线的块40的基准线BL来规定块列30的移动轴C2。

返回到图4、图5。块列30的最前面的块40与多个圆筒体21、22、23、24中的最前面的圆筒体21连接。在臂部20收缩的状态下，块列30几乎整体收纳在壳体部10的内部。在该壳体部10的内部，设置有驱动机构，该驱动机构实现块列30的送出动作及拉回动作。驱动机构可以采用齿轮齿条机构、滚珠丝杆机构等任意的机构。

直动伸缩机构1的基本的伸缩动作如下。

驱动机构将收纳在壳体部10的块列30通过壳体开口13送出到臂部20的内部，从而使最前面的块40向前方移动。由于最前面的块40与最前面的圆筒体21连接，因而随着最前面的块40向前方的移动，会从固定在壳体部10的最末尾的圆筒体24中一个接一个地拉出其他圆筒体21、22、23，其结果是，臂部20沿着圆筒中心线C1向前方伸长。

驱动机构还将被送出到臂部20的内部的块列30通过壳体开口13而拉回壳体部10的内部，从而使最前面的块40向后方移动。随着最前面的块40向后方的移动，从最前面的圆筒体21起依次收纳到后方的圆筒体中，其结果是，臂部20沿着圆筒中心线C1向后方收缩。

在上述直动伸缩机构1的伸缩动作中，块列30的上下左右的晃动使臂部20的前端的位置精度下降。为了确保臂部20的前端的位置精度，需要使块列30相对于圆筒中心线C1平行且直线地移动。

为了使通过壳体开口13而从壳体部10的内部被送出到臂部20的内部的块列30沿着与圆筒中心线C1平行的移动轴C2直线移动，直动伸缩机构1具有限制结构50，该限制结构50对使块列30相对于壳体部10出入的壳体部10上的出入位置Pe进行限制。该出入位置Pe被定义为如下位置，即，经过壳体开口13的块40的基准线BL与壳体开口面交叉的位置。通过限制结构50，来将该出入位置Pe限制在正交于排列成直线的块40的基准线BL即正交于移动轴C2的两个方向(YZ)上。出入位置Pe的YZ位置被固定。

作为限制结构50的典型示例，可采用如下的支架50(下面，称为四方筒支架50)，该支架50具有与块40的形状及外尺寸相匹配的四方筒形状，从而能够供块40在相对于周围的4个面有一些间隙的状态下通过。如图9、图10所示，四方筒支架50在其凸缘处固定在壳体部10的壳体开口13的周缘上。如图11、图12所示，四方筒支架50为了在其内表面从上下左右方向对块40的外表面进行支撑，其内尺寸构成为与块40的外尺寸相等或比块40的外尺寸宽一些的尺寸。

根据如上构成的四方筒支架50，通过四方筒支架50限制了经过壳体开口13的块40在正交于圆筒中心线C1(X轴)的两个方向(Y轴方向及Z轴方向)上的位置，使经过壳体开口13的块40始终以经过相同的位置的方式从壳体开口13送出、拉回。此时，经过四方筒支架50的块40的基准线BL始终与移动轴C2重合，因此，块40的出入位置Pe始终与移动轴C2和壳体开口面相交叉的位置重合。也就是说，通过四方筒支架50，能够在正交于圆筒中心线C1(X轴)的两个方向(Y轴方向及Z轴方向)上对出入壳体部10的块40的出入位置Pe进行限制。

在直动伸缩机构1中，相对于出入位置Pe，通过固定机构使从壳体部10送出的块列30的前端位置Pc在正交于圆筒中心线C1的两个方向(YZ)上相对固定。固定机构由组成为多级嵌套结构的多个圆筒体21、22、23、24(臂部20)构成。如已经说明的那样，块列30的最前面的块40与多个圆筒体21、22、23、24的最前面的圆筒体21连接。其连接位置被定位为，使块列30的前端位置Pc(即，最前面的块40的前端位置Pc)重合在移动轴C2上，其连接方向被定向为，使块40的基准线BL与移动轴C2平行。此外，块列30的前端位置Pc被定义为，最前面的块40的块主体41的前端面与块40的基准线BL交叉的位置。

由于多个圆筒体21、22、23、24被牢固地组成为多级嵌套结构，臂部20在正交于圆筒中心线C1的两个方向(YZ)上具有高的刚性。伴随着块列30的送出/拉回动作，块列30的前端位置Pc在正交于圆筒中心线C1的两个方向(Y轴方向及Z轴方向)上被臂部20限制。如图13、图14所示，当假设收缩时的块列30的出入位置Pe的坐标为(X1，Y1，Z1)、前端位置Pc的坐标为(X2，Y2，Z2)时，虽然X1被固定，但X2会因臂的伸缩而变化。也就是说，X1与X2会发生相对变化。另一方面，Y2相对于Y1的相对位置关系不会变化。典型地，Y2相对于Y1始终一致。同样，Z2相对于Z1的相对位置关系不会变化。典型地，Z2相对于Z1始终一致。

如图15、图16所示，臂部20从收缩时的状态伸长ΔL后的块列30的出入位置Pe与前端位置Pc的坐标可以分别表示如下。即，块列30的出入位置Pe不受臂部20的伸缩动作影响，始终为相同的位置(X1，Y1，Z1)。另一方面，由于块列30沿着移动轴C2向前方直线移动，因而块列30的前端位置Pc的坐标可以用(X2+ΔL，Y2，Z2)表示。在Y轴方向和Z轴方向上，块列30的前端位置Pc相对于出入位置Pe相对固定，因此，前端位置Pc的Y坐标和Z坐标不会因伸缩而变化。

如此，由于在Y轴方向及Z轴方向上对块列30的前端位置Pc进行限制的臂部20以及在Y轴方向及Z轴方向上对壳体部10上的块列30的出入位置Pe进行限制的四方筒支架50相对于壳体部10被固定，因此，相对于壳体部10上的块列30的出入位置Pe，块列30的前端位置Pc在这两个方向上的相对位置被固定。也就是说，送出到臂部20的内部的块列30的前端位置和后端位置在这两个方向上相对固定，因此，块列30始终沿着移动轴C2以直线形式伸长，且始终以直线形式收缩。由此，能够确保臂部20的前端位置精度。当然，由于通过限制结构和固定机构来使块列30的出入位置Pe和前端位置Pc固定，因此，在它们之间，块列30在上下左右方向上不易发生挠曲，从而使用直动伸缩机构1时的朝向不受限制。也就是说，直动伸缩机构1根据应用场所不仅能垂直地设置在地面上，还可以水平安装在壁面上，或从天花板悬吊，无论是这样的各种设置姿势中的哪一种设置姿势，直动伸缩机构1均能正常动作。

进一步，根据本实施方式的直动伸缩机构1，直线排列且前后端面相互抵接的作为刚体的块40牢固地承受与圆筒中心线C1平行的方向上的外力、负荷。另外，组成为多级嵌套结构的多个圆筒体21、22、23、24承受在正交于圆筒中心线C1的两个方向上的负荷。由此，组成为多级嵌套结构的圆筒体21、22、23、24和块列30分散地负担正交的3个轴的全部方向上的负荷。由此，作为臂部20能够确保高的刚性，并且，除了能够抑制其上下左右的挠曲外，还能够尽量抑制扭转和前后方向的晃动。

此外，如图17所示，块列30直线移动的移动轴C2相对于圆筒中心线C1有偏移。也就是说，经过四方筒支架50的块列30的基准线BL(移动轴C2)与圆筒体21、22、23、24的圆筒中心线C1不一致，四方筒支架50相对于壳体部10以偏移的方式安装。由此，通过块列30可以有效地抑制圆筒体21、22、23、24的以圆筒中心线C1为中心的旋转(绕轴旋转)。另外，通过使移动轴C2相对于圆筒中心线C1在重力方向上向下方偏移，从而始终施加在圆筒体21、22、23、24上的向下方的负荷不仅由圆筒体21、22、23、24来负担，还能够分散到块列30上来由块列30负担，从而能够进一步提高臂部20的综合刚性。进而，与以使移动轴C2与圆筒中心线C1重合的方式配置块列30的情况相比，能够有效地利用圆筒体21、22、23、24的内部空间。

此外，在本实施方式中，从确保刚性等观点出发，作为固定机构(臂部20)，采用了组成为嵌套结构的多个圆筒体21、22、23、24，但固定机构也可以是将三棱筒体、四棱筒体等多棱筒体或椭圆筒体等圆筒体组成嵌套结构的构造。

另外，相对于出入位置Pe，只要能够固定从壳体部送出的块列的前端的在正交于连结方向的两个方向上的相对位置，固定机构并不仅限于牢固地组成为多级嵌套结构的多个圆筒体21、22、23、24。固定机构也可以由串联的多个直动引导机构构成。如图18、图19所示，例如，对多个直动引导机构61、62、63中的最末尾的直动引导机构63的导轨进行支撑的基部水平固定在壳体部10上，最前面的直动引导机构61的滑块通过L字形的连接件64与块列30的最前面的块40连接。多个直动引导机构61、62、63在正交于其滑动方向(X轴方向)的两个方向(Y轴方向和Z轴方向)上具有高的刚性。因此，多个直动引导机构61、62、63能够在Y轴方向和Z轴方向上使块列30的前端位置相对于块列30的出入位置相对固定。也就是说，即使是固定机构采用直动引导机构的直动伸缩机构，也能产生与固定机构采用可伸缩结构时的直动伸缩机构1相同的效果。

虽然已经对一些实施例进行了说明，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并不旨在限制本发明的范围。实际上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其它形式体现；此外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的实施方式进行各种省略、替换和变更。所附权利要求及其等同内容旨在涵盖落入本发明的范围和精神内的形式或修改。

Claims

1.一种直动伸缩机构，其特征在于，具有：

块列，由多个块沿着连结方向连结而成，

壳体部，对所述块列进行收纳，

拉送机构，沿着所述连结方向送出、拉入所述块列，以及

固定机构，在正交于所述块列的连结方向的两个方向上，对从所述壳体部送出的所述块列的前端位置相对于供所述块列出入所述壳体部的所述壳体部上的出入位置的相对位置进行固定。

2.根据权利要求1所述的直动伸缩机构，其特征在于，

还具有限制结构，所述限制结构在所述两个方向上对供所述块列出入所述壳体部的所述壳体部上的出入位置进行限制。

3.根据权利要求1或2所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述固定机构由组成为多级嵌套结构的多个筒状体构成，

所述多个筒状体中的最末尾的筒状体被固定在所述壳体部上，

所述块列的前端与所述多个筒状体中的最前面的筒状体连接。

4.根据权利要求3所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述块列被插入所述筒状体中。

5.根据权利要求4所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述块列相对于所述筒状体的中心线偏移。

6.根据权利要求1或2所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述固定机构由后端固定在所述壳体部上的串联的多个直动引导机构构成，

所述块列的前端与所述多个直动引导机构中的最前面的直动引导机构连接。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述块被连结为，在通过相邻的块的前后端面相互的抵接来使所述块列排列成直线状的状态下，限制所述块进行正向转动，而允许所述块进行反向转动。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的直动伸缩机构，其特征在于，

所述块列承受在所述连结方向上的负荷，

组成为多级嵌套结构的多个筒状体或串联的多个直动引导机构承受在正交于所述连结方向的两个方向上的负荷。