JP2004358558A - 回転軸及び曲線レールを用いた、産業ロボット用移動軸 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの立体的移動を実現するのに、単一の動力付きの軸を用いて行う装置を提供する。
【解決手段】一本の回転軸ユニット１と、欲しい軌道を描いたカム曲線である曲線レールユニット２上と、作業するアーム３とで構成し、アームの一端を曲線レールユニットに係合し走らせる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、回転軸と曲線レールを用いて、動力を持つ軸を一本だけしかもたずに、立体的な移動動作を実現する産業ロボット用移動軸である。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ロボットは、工業的に、広く活用され、近代・現代の文明を支えてきた一つの主要な技術であることは、誰もが疑わないところといってよい。それは、先ず動作が正確で、大きな出力も出せた。又、人間と違い、日夜を問わない連続運転ができた。こういった産業用ロボットがなければ、今日への発展はなかったといえるであろう。
【０００３】
しかし、これらのロボットを動かすには、縦、横、高さという最低三方向への動力機能と、その各々にシーケンサーを始めとする制御ユニットを与えなくてはいけなかった。これは、未だに産業用ロボットが安価なものとは云えない、一つの要因になっている。又、三軸がそろって、始めて一つの作業が行われる為、単位空間あたりの処理量及び生産量に限界があった。
【０００４】
経済性、生産性という視点からは、この欠点は大きな障害である。具体的には、モーター一つを使えば、それだけで、各々に減速機、シーケンサー、ベルト等が必要になり、コストを削減しきれない要因になっているし、一つの動作に必要な部材が多いということは、単位空間ひいては単位時間の処理量及び生産量を延ばしきれない要因になっている。これらは軸の一つ一つが大掛かりな事が共通の原因であるという問題があった。
【０００５】
この改善策の一つとして、装置を、作業対象に対して、縦置にしたり、横置きにしたりするという工夫がされてきたが、本質的な解決策とはいえない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、２点あり、一つは経済性のため、動力軸を持った軸を最小本数に抑えて、従来の立体的移動動作を実現する事と、もう一つは、単位空間あたりの処理量、生産量を増やす為、一つの動力軸の周りでの作業可能な箇所を増やす事である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、実現させたい立体的移動動作を、直接的に、具現化するレールを持たせた後は、速度調整のみを担当し、かつ、それ自体が回転する回転軸を一本だけ持つという、基本構造を持つ事を最も主要な特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
従来の立体的な移動動作の実現と、単位空間あたりの作業量を増やすという目的を、極めて単純な構造、最小限の部品点数で、従来の産業用ロボットがも持つ、高性能な作業能力を損なわずに実現した。
【実施例】
【０００９】
人間や家畜の代わりに作業をさせる、産業用ロボットは、動物の動きを一度、抽象化して考える事で、その本質の一面が見える。ここでは、その動物の動きを三つの要素で考える。１つ目は、位置指定、２つ目は、力加減（スピード加減）、３つ目は、対象性。先ず１，２をできれば現存する、極力単純なものに、代用させ、具現化する（コスト削減のため）。次にそれらを有機的に組み合わせて、成立するシステムの対象形をとり、３を実現する。１の代用として、カーテンレール等に代表されるレール、２のスピード（力）調整として、ひねれば、出たり入ったりする、回転式の口紅等の入れ物をここではサンプルにして、３のために（単位空間の生産性の向上の為）対象形を作る。本発明はこの３つの考え方から成り立つのである。
【００１０】
図１を用いて、本システムの全体的な説明をする。図２を用いて、回転軸ユニット（口紅の代用）について説明する。図３，４を用いて、曲線軸ユニットについて説明する。図５を用いて、振動に対し有効的と思われる対象性について、説明する。図６を用いて、従来のロボットと比較する。図７，８を用いて本装置のシステム構造及び、システムフロー（制作用）について説明する。以降、図９から図１８までを用いて、オプション及び、二つ以上のロボットの腕（作業する部分）が、時間差を持って、高低方向に運動する場合の仕組みについて、説明する。
【００１１】
図１において、装置全体が描かれている。同図において、１が回転軸ユニットで、スピード調整を目的とする。２が曲線レールユニットで移動動作の位置指定を目的とする。又、これは対になっていて、単位空間あたりの生産量増量をも目的としている。３は、アーム部で、１，２によって軸上を移動させられ、作業をする部分である。これは、大小の筒でついであり、伸縮できる。４は、２を回転させるモーターの制御部であり、従来の物の内、数を減らしたものとなる。これらにより、無駄、ムラ、無理を排除した、スムーズな移動動作を実現できる。
【００１２】
図２において、回転軸ユニットが描かれている。スピード調整が目的である。５がネガティブシリンダーで、８のネガティブコースというレールを持ち、これにより、アーム部の根元の動きを、水平方向のみのそれに限定する（このネガティブシリンダーは、動かない。又、これは、アームの数と同じだけあるものでも良いし、複数のアームを一つのレールでまかなっても良い。ちなみに、図では後者になる。）。６は、スピードメーカーシリンダーで、これがモーターにより動かされる事で、アーム部を動かす。これは、９のスピードメーカーコースと云う曲線のレールを持ち、仮に、等速での回転運動をしながらでも、アーム部に与えたい、適切な加減速を、このカーブの形状により、設定できる。また、動かしたい、最大のストロークもここで、設計できる。７がこれらの意図を反映するアームで、８の溝を貫通した上で、９の溝にも１０の肩関節という部分でつなげられ、６で指定される加減速を持ち、８上を水平に根元の部分では動く。６は８の中に入れられ、１１のギヤ付きモーター又は減速機付きモーター（９自体が減速機の役割も持つので、時には、減速機が不要になる。）そして、この回転軸ユニットは全ての移動動作の、主動軸となる。また、９のデザインは、複数にすることも可能で、一度、アーム部を外し、６を回転させてずらし、別の曲線を使う事で、異なる動きも実現できる。
【００１３】
以下、図３，４を用いて、立体的移動の位置指定をする、曲線レールユニット付いて説明する。
【００１４】
図３において、ポジティブコースが描かれている。１２がポジティブコースで、アーム部の作業位置側での、立体的移動を指定する。往復運動の、往と複で異なる動きをさせたい時には、１３のループメーカーを用いる。これはその形状と、１４のバネにより、一方向にしか動かなくなっていて、かつ、動かされた後は、元に戻り、これを一端通過したアーム部を、逆戻りしないようにする。これを、図の様に、１２上の折り返し点付近に設置する事で、前述の、往と複で異なる動きを実現する。アーム部が２つ以上ある場合で、時間差を持った動きも、１２のデザインとこのループメーカーにより実現される。（その場合は、１２も二本ある。つまり対象形で４本。）また、この１２について、これは８のネガティブコースに対して、垂直な動きは取れないが、地面に対して、垂直な動きが欲しい時は、装置全体を傾ければよい。尚、従来の装置と違い、ポジテイブレールにより、軌道が見えるので、動いている機械と人がぶつかるという事故が減ると思われる。
【００１５】
図４において、ポジティブレールの断面が示されている。上の図で、１５が回転軸側に位置する、入射部で、ネガティブコースに根元をつながれている、７のアームが入ってくる角度に、随所で合わせられる。１６は、アーム部の先の手（１８）を出すほうの部分で、出射部という。これは、随時、欲しい角度で、１８が出てくるようにデザインされる。１７は、異なる二つの、入射部、出射部に対応できる様に、曲がる事ができる手首である。１９は、空気圧で、作業の箇所で、求められる諸装置を動かすための、空気圧用のバルブで、それらの装置につながれる。ここでは、指と呼ぶ。（１５の入射部については、省略しても良い。）
【００１６】
図５において、本装置の対象性が描かれている。上から見た図で、曲線レール上の円印が、手の位置とし、これから、矢印の方向に、対向に動く。このほうが、二つが同じ方向に動くより、振動がするないと予測される。対向の場合、振動になるエネルギーの一部が、偶力なる。１の有効的な場所に、支持強化を目的とした、支柱をつける等の、施しをしても良く、装置の支え台（スペーサー等）を木製にして、振動を吸収しても良い。また、必ずしも、このように配置しなくても良い。さらに、１２自体に、左右で異なるパターンや形状を持たせて、異なる動作をさせてもよい。ところで、従来の装置であれば、同図の様に、作業場所を二箇所にするには、主流の５軸であれば（作業するアームは、合計４本）、主同軸（モーター等を持ち、自らが動く軸。）が、１０本必要になる。それに対し、本装置は、アームが対象形の両方で、４本になっても１本の主同軸で処理できるので、従来の５軸に対し、本装置を０．５軸型と呼ぶ。
【００１７】
図６において、従来の装置が描かれている。２０が一軸あたりの制御ユニットで、５軸であれば、５個あるが、本装置では１つで済む。２１は、横軸、２２は縦軸で、２３の高低軸が二本有れば、それぞれに縦軸が用意されるので、合計５軸となる。これらは全て、モーターによる主動軸（自らの動力で動く軸）で、各々に、ベルト、ギヤ、制御ユニットがあり、それらの取り付けの手間も掛かっている事を考えれば、経済的ではないが、本装置は、残りの４本について、（対象形では、９本）これらが不要となる。
【００１８】
図７は、システム構造図で、図８は制作用のシステムフローである。前者では、前述の口紅、カーテンレールが代用され、対象形が取られているのが分かる。後者では、発注者が欲しい動きを、部材の切断という物理的な手法で、処理できる事がわかる。
【００１９】
以下、図９から図１８で、オプション及び、二本のアーム部が時間差を持って、高低方向に運動をする場合の仕組みについて、説明する。
【００２０】
図９は、ポジティブレールをシリンダー化して、６、５、の外側に同心円状にかぶせて、一体化したものである。（ポジティブリンダー、２４）これでは、３は下の図の様に、円弧の動きに制限されるが、支障のない場合は、このように、ポジティブコースやその支えを小規模化、省略できる。
【００２１】
図１０は、ポジティブリンダーを使い、かつ、円弧の動き以外を実現したい時の装置を、示した図である。２５は、手首ギヤで、１１のモーターにより角度調整ができ、２６は袖で、２７のようなスプラインギヤを持つモーターが内蔵されていて、２８のライナーにも支持されて、伸縮運動を可能にする。
【００２２】
図１１は、モーターの代わりで、空気圧を回転軸の周りの偶力（モーメント）に変換して、回転動力を得る、偶力発生装置である。これを使えば、手が空気圧で動くので、そのシステムと統一しやすいと思われる。上の図において、２９が偶力発生装置で、３０がこま、３１が外筒で、これは動かない。３２は、こまの回転軸である。斜線部は空気。３０は矢印の回転方向と逆の面に穴が空いていて、ここから空気が漏れる。そのために、進行方向側の空気圧から受ける合力が強くなり（Ｆ）その作用線が中心から回転方向にずれ、モーメンの腕である、Ｌを作り、一つのこまあたり、Ｆ×Ｌのモーメントを得る。４２は、空気を送るチューブ。下の図において、これは、ブレーキ用の偶力発生装置で、斜線部の空間は、使用時は負圧である。３３は止めこまという。
【００２３】
図１２は、通常のポジティブコースを支える、ユニットの説明図である。作業の邪魔にならない事が目的である。３６は、ねじ穴フロア―、４１は、同心円スタンドで、これらをつなげて支える。４０のねじがポジティブコースとねじ穴フローアーをつなぐ。３４は、ねじ穴、３５は、フロア―のストッパー、３９は、回転部で回転し、適度な場所を探す（３８の回転角アジャスターというねじを緩めて、回転させる。）。３７は半径アジャスターというねじで、これを緩めて、３９上で、上の棒が平行移動する。これらの組み合わせで、上から見たときには、同心円状に、無段階の調節が可能になる。
【００２４】
図１３は、金型から出た、出来立ての製品を並べる時の一例を示した図である。ここでは、４３が製品を取り出す吸着板で、アームの先に取り付けれられ、真空を使って、製品を吸着してつかみ、離す時は、真空状態を破り、離す。ここでの問題は、取り出して、おくときの、並べ方である。４４を製品として、一般には、場所がかさばらない様に、同図の下の図の様にして、並べていく。左上から、先ず吸着板が、６個の製品を一度に置く。これにより右上の図の様な状態になる。その状態では、６個の製品に、隙間がある。これを利用して、右下のように一列分だけ、紙面下方に、４３の吸着板をずらし、次の６個の製品を並べる。結果として、左下図のように、２回の取り出し作業で、１２個の製品をコンパクトに、隙間の少ない状態で並べる事ができ、又、このようにするのが一般的である。
【００２５】
図１４に移って、図１３で説明した動きを実現する手段を示す。つまり、吸着板のずらし方である。これは、レールによっては再現できる動きではない。そこで、スプライン軸を持ったモーターを吸着板に取り付ける。１８の手に掘り込まれた４５のスプラインシリンダーに、２７のスプライン軸を入れて、下の図の様に、モーターで、吸着板の位置をコントロールできる。
【００２６】
図１５は、ベルトを回転軸ユニットの代わりに用いて図である。４６は肩入れで、アーム部の肩の部分と連結される。ベルト上のある箇所で固定されていて、同ベルトが動く事で、その位置を変える。４７がそのベルトで、４８のベルト軸が回転する事で動く。１１は、そのベルト軸を回すモーターで、４９の連結軸を介する事で、二つのユニットを同時に動かす事ができる。
【００２７】
図１６は、スプライン軸を、回転軸ユニットの代わりに用いたものを示した図である。５０は、スプライン軸用の肩入れで、前述の肩入れの、スプラインに対応したものである。これも下の図の様に、モーターと連動する事で、二つのユニットを同時に動かす事ができる。
【００２８】
図１７は、一つのユニット内での、二本のアームが上下方向に、時間差を持って、動く時の様子を示した図である。ここでは、その動きと、ポジティブレールとの関係について説明する。上の図は、二本の手の上下方向の動きを示していて、左から右へと進行していくものとする。それぞれの下に対応する図が、その時々に、二本のアームが存在するポジティブレール上での位置を、まる印で示したものである。ここでは仮に、５１を、二本のアームのうち、製品を金型から取り出すほうのもの、５２を余ったプラスティック等を捨てる方のものとする。又、ポジティブレールについて、５３は、ループ状のレールで、ループレールと呼び、５４は、ループせずにそのまま往復するので、往復レールと呼んで区別する。左端の図において、二本のアームは左側へ向かい、レール上を移動している。そして、二本とも高い位置にある。その右隣の図に移って、５２の手だけが下に下がる。レールでは、ループレール、往復レール共に左端に位置していて、折り返し地点となる。したがって、二本のアームは、こらから右側に向かう事となる。その隣の図の様に、少し右に行けば、再び、二本のアームは共に高い位置に戻る。しかし、更に右に行って、５１，５２の高さは逆転し、さらにその隣の図に移ると、再び二本とも高い位置に戻る。
【００２９】
最後に、図１８では、二本のアームを使い、かつ、レールは往復レール、あるいは、ループレールのうち、一本しか使わず、しかも、前述の上下方向に、二本のアームが時間差をもって運動するものを示したものである。この場合、１１のモーターが必要になる。このモーターは２７のスプライン軸を持っている。これが回転する事で、腕が伸び縮みするので、前述の動きが実現できる。５５は、スプラインの回転で、アームが回転してしまうのを防ぐ、ガイドポールで、５６がそれを支えるガイドリング、５５は、５６を貫通して、スライドする。（５２の内部は、５１と同様で、省略した。）ここでは、二本のアームが一体化したもの（図中５７、二股アームと呼ぶ。）を示したが、そうでないもので、二本がばらばらでも良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の回転軸及び曲線レールを用いた、産業ロボット用移動軸は、曲線レールと回転軸を使い分けた結果、動力を持つ軸を一本でまかなえるのと、対象形に作れるので、経済性と生産性の両方の向上を実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転軸及び曲線レールを用いた産業ロボット用移動軸の、全体を示した説明図である。
【図２】回転軸ユニットの構成を示した説明図。
【図３】ポジティブレール及びループメーカーの構造を示した説明図である。
【図４】ポジティブレールの断面を示した説明図である。
【図５】本装置の対象性を示した説明図である。
【図６】従来の装置を示した説明図である。
【図７】本装置のシステム構造を示した説明図である。
【図８】本装置の制作フローを示した説明図である。
【図９】ポジティブシリンダーとの組み合わせを示した説明図である。
【図１０】袖と手首の構造を示した説明図である。
【図１１】偶力発生装置を示した説明図である。
【図１２】ポジティブレール支持ユニットを示した説明図である。
【図１３】金型から出た、製品の並べ方を示した説明図である。
【図１４】手と、スプライン軸を持った吸着板との連結を示した説明図である。
【図１５】ベルトを、回転軸ユニットの代わりに用いたものを示した説明図である。
【図１６】スプライン軸を、回転軸ユニットの代わりに用いたものを示した説明図である。
【図１７】一つのユニット内での、二本のアームが上下方向に、時間差を持って、動く時の様子を示した説明図である。
【図１８】二股アームを示した説明図である。
【符号の説明】
１ 回転軸ユニット
２ 曲線レールユニット
３ アーム部
４ 制御ユニット
５ ネガティブシリンダー
６ スピードメーカーシリンダー
７ アーム
８ ネガティブコース
９ スピードメーカーコース
１０ 肩関節
１１ ギヤ付きモーター又は減速機付きモーター
１２ ポジティブコース
１３ ループメーカー
１４ バネ
１５ 入射部
１６ 出射部
１７ 手首
１８ 手
１９ 指
２０ 一軸あたりの制御ユニット
２１ 横軸
２２ 縦軸
２３ 高低軸
２４ ポジティブシリンダー
２５ 手首ギヤ
２６ 袖
２７ スプライン軸
２８ ライナー
２９ 偶力発生装置
３０ こま
３１ 外筒
３２ 回転軸
３３ 止めこま
３４ ねじ穴
３５ ストッパー
３６ ねじ穴フロアー
３７ 半径アジャスター
３８ 回転角アジャスター
３９ 同心円部
４０ ねじ
４１ 同心円スタンド
４２ エアーチューブ
４３ 吸着板
４４ コップ（製品）
４５ スプラインシリンダー
４６ 肩入れ
４７ ベルト
４８ ベルト軸
４９ 連結軸
５０ スプライン用肩入れ
５１ 二本のアームのうち、金型から製品を取り出す方のもの
５２ 二本のアームのうち、余ったプラスティック等を捨てる方のもの
５３ ポジテイブレールのうち、ループ状のもの（ループレール）
５４ ポジテイブレールのうち、単道での、往復型のもの（往復レール）
５５ ガイドポール
５６ ガイドリング
５７ 二股アーム
Ｏ 円の中心
Ｆ こまの受ける力の合力
Ｇ Ｆの作用線
Ｌ ＦのＯのまわりでのモーメントの腕

Claims (2)

1. 従来では、最低三軸方向にサーボモーターを始めとする動力機関を用いて、実現されてきた立体的な移動動作を、回転軸と曲線レールを組み合わせる事で、動力機関を用いる軸を一本に減らして、前述の移動動作を実現する事ができる、回転軸及び曲線レールを用いた産業ロボット用移動軸。
2. 請求項１の原理を持つ産業ロボット用移動軸で、前述の回転軸のまわりに、同じく前述の曲線レールを対になるよう、もう一つ持ち合わせる事で、目的とする作業を一つの装置の回りで、二箇所において、できる様になり、ひいては、単位空間あたりの処理量および生産量を増やす事のできる回転軸及び曲線レールを用いた産業ロボット用移動軸。

Images