JP2005059118A - 電動ハンド - Google Patents

Abstract

【課題】 ハンド部材への推力がカム部材の回転角に関係なく常に一定で、カム部材の位置に拘わらずワークへの把持力を一定にでき、しかも減速比を大きく確保できる電動ハンドを提供する。
【解決手段】 カム部材３のカム溝１１の曲線形状を、その一端が回転中心Ｏに近いところから始まってアルキメデスの渦巻き曲線を描きながら回転中心Ｏに近づくことなく遠ざかり、他端が回転中心Ｏより最も遠いところで終わる曲線とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、モータの回転をカム機構で直線運動に変換してハンド部材（爪やフィンガやチャック等）を開閉させる電動ハンドに関する。

この種の電動ハンドとして、例えば特許文献１（特許第３３２０６７１号公報）に記載のものがある。この従来の電動ハンドでは、モータにて回転されるカム部材に形成された一対のカム溝に、ハンド部材である一対のフィンガの駆動ピン（カムフォロア）が摺動自在に嵌合され、カム部材の回転により駆動ピンがカム溝に沿って摺動することにより、一対のフィンガに直線運動推力が与えられて開閉する構造となっている。

しかし、この従来例では、カム部材に設けられた一対のカム溝がほぼ半円状で、これらのカム溝は、各半円の中心を、カム部材の回転中心Ｏからそのカム溝の両端を結ぶ直線の方向に若干偏倚させ、且つそれらの一対のカム溝が回転中心Ｏの周りに点対称に配置されるようにして設けられていて、各カム溝の両端部がカム部材の回転中心Ｏを中心とする円弧に近くなるように形成されている。つまり、各カム溝の曲線形状は、その一端が回転中心Ｏに近いところから始まって遠ざかり、他端が再び回転中心Ｏに近いところで終わる半円の曲線となっている。そのため、一対のフィンガに与えられる直線運動推力がモータの回転角により変化し、モータの軸トルクと一対のフィンガの推力が、フィンガの位置により変動し、フィンガによるワーク把持力がその位置で違うことになる。
以下にその理由を図１（Ａ）・（Ｂ）を参照して解説する。

図１において、原点Ｏ（０，０）を中心に回転する円形のカム部材１０１に、半径ｒ，中心Ｏ’（ｄ，０），Ｏ”（−ｄ，０）の半円状のカム溝１０２が形成されているとき、駆動ピンＰ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）の軌跡により発生する推力、ベクトルＰＯ，ベクトルＰ’Ｏと回転トルクの関係を求める。

Οを中心に回転トルクは、直線ＯＰを半径とする円弧の接線上に発生する接線力ベクトルＰＱとΟ’を中心とする半径ｒの直線ＰＯ’上に発生するベクトルＰＲの合成力として、直線ＯＰ上に発生するベクトルＰＦが求める推力となる。
従って、ベクトルＰＱはベクトルＰＦと垂直となり、ベクトルＰＲはＯ’を中心とする円弧の垂線上に働く。
ベクトルＰＦの大きさは次の式（１）及び（２）で与えられる。

ベクトルＰＱの大きさｇは回転トルクをτとすると、次の（３）式で与えられる。

τは、円形のカム部材の回転トルクで、カム溝が２個ある場合は２分される。
ここでは１個のカム溝について考察する。
直線ＯＰは

であるので、直線Ｏ'Ｐは次の（５）式で与えられる。

また、点Ｐ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を通り直線ＯＰに垂直な直線ＰＱは、次の（６）式で与えられる。

更に、点Ｑ（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）を通り直線Ｏ’Ｐに平行な直線ＦＱは、次の（７）式で与えられる。

直線ＯＰと直線ＦＱの交点Ｆ（ｘ_ｆ，ｙ_ｆ）を式（４）、（７）より求める。

直線ＯＰから点Ｑ（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）に下ろした垂線の長さをｑとすると、

となり、この式（９）と上記の式（３）とにより、次の式（１０）が与えられる。

Ｑ（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）は直線ＰＱ上の点であるから、式（６）、（１０）より次の式（１１）にてｘ_ｑ，ｙ_ｑを求める。

ｘ_ｑtanθ−ｙ_ｑに式（１１）を代入して、

式（１２）を（８）に代入して次のようにｘ_ｐ−ｘ_ｆ，ｙ_ｐ−ｙ_ｆを求める。

式（１）と（１３）より、推力ｆは次の式（１４）が成り立つ。

従って、推力ｆはθによって変化する。

特許第３３２０６７１号公報（第３頁、図４）

上述のように特許文献１に記載のものでは、カム部材の回転角によりハンド部材であるフィンガへの推力が変化し、それによるワークへの挟持力がフィンガの位置により変動するため、本発明の課題はこれを解消すること、すなわち、ハンド部材への推力がカム部材の回転角に関係なく常に一定で、カム部材の位置に拘わらずワークへの把持力を一定にでき、しかも減速比を大きく確保できる電動ハンドを提供することにある。

本発明者らは、このような課題を解決するため、カム部材のカム溝の曲線形状について次のような解析を行い、本発明に到達した。

＜解析の目的＞
モータの回転する出力トルクと、その回転により直線運動するハンド部材の推力の関係を一定とするため、力制御がハンド部材の位置に関係なく一定となるカム溝の曲線（以下、「カム曲線」と言う）を求める。求めたカム曲線は減速機構となり、ハンド部材の位置と回転角との関係が線形となることを数値解析で確認する。

図２において、次のように条件を設定する。
τ：モータトルク
Ｆ：ハンド部材の推力
ｒ：初期カム曲線半径
Δθ：角度刻み幅

接線力は次の（１５）式で与えられる。

合成力Ｆを得るための分力Ｃの傾きは、次の（１６）式で与えられる。

分力Ｃを発生させるための効力Ｒの傾きは分力Ｃの法線と同じ傾きになる。従って、抗力Ｒの傾きαは次の（１７）式で与えられる。

原点Ｏ（０，０）を通り、傾きtan(Δθ)の直線は次の（１８）式で与えられる。

また、点（ｒ_ｎ,０）を通り、傾きαの直線は次の（１９）式で与えられる。

式（１８）,（１９）を解くと、次式（２０）及び（２１）のようになる。

ｒ_ｎ＋１を求めると、次式（２２）のようになる。

これから、次の（２３）のように絶対座標に座標変換する。

数値解析したカム曲線の軌跡と、モータ軸の回転角とハンド部材の位置関係を図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す。

以上の結果より、この数値解析で求められた曲線は渦巻き線となり、回転あたりの進み量が線形となり、減速機構を持つことが分かる。
一般に渦巻き線は

で表されるが、θとｒが線形となるためには、

となり、数値解析で求めた軌跡は式（２４）となることが分かる。
この式（２４）の解析解から得られる軌跡を図３（Ｂ）、θとｒの関係を図４（Ｂ）にそれぞれグラフにして示す。
従って、数値解析で求めた軌跡と、渦巻き線ｒ＝ａθの軌跡が一致することが分かる。
このことにより、目的とする軌跡は渦巻き線ｒ＝ａθで求めても同じ結果となる。

以上の結果により、求めた軌跡はモータ軸の回転トルクとハンド部材の推力との関係が線形であり、回転角とハンド部材の位置関係が線形であることが分かり、この求められた曲線がアルキメデスの渦巻き線と一致することが示唆された。
よって、制御システムのモデルは一般の運動方程式である次式（２７）

となり、線型モデルとして扱うことができる。

そこで、本発明は、以上のような解析結果に基づき、カム部材のカム溝が、カム部材の回転中心Ｏを中心とするアルキメデスの渦巻き曲線に沿って形成されていることを特徴とする。

具体的には、カム溝の曲線形状は、その一端が回転中心Ｏに近いところから始まってアルキメデスの渦巻き曲線を描きながら回転中心Ｏに近づくことなく遠ざかり、他端が回転中心Ｏより最も遠いところで終わる曲線となっている。

ハンド部材が２以上の場合、カム溝も２以上となるが、その場合には、２以上のカム溝のそれぞれが、カム部材の回転中心を中心とするアルキメデスの渦巻き線に沿って分離形成される。

カム部材は円板状でよい。
カム部材は、通常はモータにて直接回転させるが、カム部材を、モータにて回転される駆動ギアーと噛み合い、該駆動ギアーを介して回転される従動ギアーとすることにより、減速比を大きくすることができる。

また、１個の駆動ギアーに複数のカム部材が従動ギアーとして噛み合い、これらが駆動ギアーの回転により同時に回転される多連構造にすることも可能である。

カムフォロアは、カム部材に突設されたピンとし、ハンド部材は、その両側の平行なガイドレールの間を直線摺動する構造とすればよい。

本発明によれば、上述した解析結果から明らかなように、モータの回転角とハンド部材の位置関係が線形となり、モータの回転トルクによって生ずるハンド部材の推力が回転角によって変化せず、どの位置でも一定の推力が得られる。
ラック・ピニオンにて回転運動を直線運動に変換する場合には、ピニオンの径で減速比が制限されるが、本発明によるとカム部材が減速機能を有するため、減速比を大きく確保できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図５〜図１８は、２個（一対）のハンド部材でワークをハンドする電動ハンドに適用した実施例を示す。図５の分解斜視図に示すように、この実施例１の電動ハンドは、正逆反転可能なモータ１と、ほぼ矩形のブロックであるモータ台２と、本発明を適用した円板状のカム部材３と、レール台４と、一対のガイドレール５と、一対のハンド部材６とからなる。

モータ１は、図６に示すように、そのモータ軸７をモータ台２の中央に設けられたモータ軸挿通孔８に挿通させて、モータ台２の裏面に固定される。モータ軸７の先端部７ａは角形になっており、モータ軸挿通孔８からモータ台２の表面へ突出する。

モータ台２の表面には、モータ軸挿通孔８の軸線を中心とする円形のカム囲い壁９が突出形成されている。

円板状のカム部材３には、その中央に角形の軸孔１０が設けられているとともに、これから離れた位置に一対のカム溝１１が対称に設けられている。このカム部材３は、図７、図１０及び図１１に示すように、その軸孔１０をモータ軸７の先端部７ａに嵌合させてモータ軸７に固定され、モータ台２のカム囲い壁９の内側でモータ１により回転される。

一対のカム溝１１は、図９に示すように、軸孔１０の中心、つまりカム部材３の回転中心Ｏから見て互いに点対称になっているとともに、個々には、その一端１１ａが回転中心Ｏに近いところから始まってアルキメデスの渦巻き曲線を描きながら回転中心Ｏに近づくことなく遠ざかり、他端１１ｂが回転中心Ｏより最も遠いところで終わる曲線形状となっている。

レール台４は、その裏面がモータ台２の表面と合致する形状になっているのに対し、その表面には、両側縁に沿って側壁１２が立ち上がり形成され、またこれら側壁１２の中間において、円形の一対のピン挿通孔１３が所定の間隔で設けられている。

一対のガイドレール５は角棒状で、その一側面にガイド溝１４を形成している。これらガイドレール５は、図７、及び図１２〜図１５に示すように、互いのガイド溝１４を内側に向けてレール台４の両側の側壁１２にそれぞれ添えた状態でレール台４に平行に固定される。

一対のハンド部材６は小ブロック状で、それぞれがカムフォロアとなる駆動ピン１５を貫通させて固定し、また両側面にベアリング溝１６を形成している。そして、これらハンド部材６は、その両側面のベアリング溝１６と両側のガイドレール５のガイド溝１４との間にそれぞれスラストベアリング１７を介在させることにより、これらガイドレール５に図６及び図７に示すように摺動自在に支持される。

このようにレール台４と一対のガイドレール５と一対のハンド部材６とを組み立て、またモータ１とモータ台２とカム部材３とを上記のように組み立てて、図８に示すようにレール台４をモータ台２の表面に固定し、一対のハンド部材６の駆動ピン１５を、それぞれレール台４の一対のピン挿通孔１３を通じてカム部材３の一対のカム溝１１へそれぞれ突入させ、モータ台２のカム囲い壁９の内側に位置しているカム部材３をレール台４で覆うと、本電動ハンドが完成する。

このような構造の実施例１の電動ハンドにおいて、モータ１の正転によりカム部材３が図１６において反時計方向に回転されると、その２つカム溝１１も同方向に回転するので、図１７に示すようにこれらカム溝１１のそれぞれにおいて、各ハンド部材６の駆動ピン１５が回転中心の方向へ直線移動される。すなわち、各ハンド部材６の駆動ピン１５が、カム溝１１に対しては、その回転中心より最も遠い一端側から、回転中心より最も近い他端側へとカム溝１１のカム曲線に沿って摺動する。この動作は両側のハンド部材６で同時に起こるので、これらハンド部材６は、図１６の状態から図１７の状態へ、更に図１８の状態へと両側のレール５に沿って互いに接近し、それらの間のワーク（図示せず）をハンドできるようになる。

このとき（カム部材３の反時計方向への回転時）のカム溝１１のカム曲線を見ると、回転中心より最も遠い一端側から、回転中心より最も近い他端側へとアルキメデスの渦巻き曲線を描いているので、カム部材３の回転角とハンド部材６の位置関係が線形となり、モータ１の回転トルクによって生ずる２個のハンド部材６の推力が回転角によって変化せず、どの位置でも一定の推力でワークをハンドできることになる。

モータ１の逆転によりカム部材３が図１６において時計方向に回転されると、上記とは逆の動きになる。

図１９〜図３１は、実施例１より１個多い３個のハンド部材でワークをハンドする電動ハンドに適用した実施例を示す。

この実施例２の電動ハンドでは、円板状のカム部材３に、３個のカム溝１１が図２６に示すように、軸孔１０の中心、つまりカム部材３の回転中心Ｏから見て１２０度の位相差で設けられている。これらのカム曲線は、同じ周方向に、一端１１ａが回転中心Ｏに近いところから始まってアルキメデスの渦巻き曲線を描きながら回転中心Ｏに近づくことなく遠ざかり、他端１１ｂが回転中心Ｏより最も遠いところで終わる曲線形状となっている。

レール台４上には、図２２及び図２４に示すような平面く字形の３個の側壁１２が、１２０度の位相差をもって立ち上がり形成され、これらの内側に３組のレール５が各組平行に設置され、各組のレール５のそれぞれに、ハンド部材６が実施例１の場合と同様に摺動自在に支持されている。

モータ台２は円形で、その表面の周縁に円形のカム囲い壁９が突出形成されている。

実施例２は、実施例１と上記のような点が相違しているが、その他については実施例１と同様で、図２０、図２４、図２７、図２８に示すように実施例１の場合と同じように組み立てられ、完成状態は図２１、図２２、図２３に示すようになっている。

このような構造の実施例２の電動ハンドにおいて、モータ１の正転によりカム部材３が図２９において反時計方向に回転されると、その３つカム溝１１も同方向に回転するので、図３０に示すようにこれらカム溝１１のそれぞれにおいて、各ハンド部材６の駆動ピン１５が回転中心の方向へ直線移動される。すなわち、各ハンド部材６の駆動ピン１５が、カム溝１１に対しては、その回転中心より最も遠い一端側から、回転中心より最も近い他端側へとカム溝１１のカム曲線に沿って摺動する。この動作は３個のハンド部材６で同時に起こるので、これらハンド部材６は、図２９の状態から図３０の状態へ、更に図３１の状態へと両側のレール５に沿って互いに接近し、それらの間のワーク（図示せず）をハンドできるようになる。

このとき（カム部材３の反時計方向への回転時）のカム溝１１のカム曲線を見ると、実施例１の場合と同様に、回転中心より最も遠い一端側から、回転中心より最も近い他端側へとアルキメデスの渦巻き曲線を描いているので、カム部材３の回転角とハンド部材６の位置関係が線形となり、モータ１の回転トルクによって生ずる３個のハンド部材６の推力が回転角によって変化せず、どの位置でも一定の推力でワークをハンドできることになる。

本発明の変形例についてその概要を説明すると、図３２は、モータ１のモータ軸７に駆動ギアー１８を固定し、この駆動ギアー１８に噛み合う歯を上述のような構成のカム部材３の外周に設けることで、カム部材３を、駆動ギアー１８を介してモータ１の回転を伝達される従動ギアーとしても機能させるようにしたものである。このようにすると、減速比を大きくすることができる。

図３３は、１個の駆動ギアー１８に対して２つのカム部材３を噛み合わせた場合、図３４は、１個の駆動ギアー１８に対して３つのカム部材３を噛み合わせた場合で、このようにすると、１個のモータ１で複数の電動ハンドを同時に駆動させることができる。

従来例におけるカム部材の解説図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は幾何学解説図である。 本発明を解析するための幾何学解説図である。 （Ａ）は数値解析によるカム曲線の軌跡図、（Ｂ）は求められた式の解析解によるカム曲線である。 同じく（Ａ）は数値解析による回転角と軌跡の関係グラフ、（Ｂ）は求められた式による同様のグラフである。 本発明の実施例１を示す分解斜視図である。 その一部を組み立てた斜視図である。 一部を更に組み立てた斜視図である。 その完成斜視図である。 実施例１におけるカム部材を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 実施例１の一部を断面にした分解図である。 その組み立て完成状態の一部を簡略した断面図である。 実施例１のハンド部材案内部の分解平面図である。 同じく端面図である。 ハンド部材案内部の組み立て状態平面図である。 同じく端面図である。 実施例１の動作を示す平面図で、一対のハンド部材が開いた状態である。 同じく一対のハンド部材が途中まで閉じた状態である。 同じく一対のハンド部材が更に閉じた状態である。 本発明の実施例２を示す分解斜視図である。 その一部を組み立てた斜視図である。 その完成斜視図である。 同じく平面図である。 同じく側面図である。 その一部の平面図である。 同じく側面図である。 実施例２におけるカム部材を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 実施例１の一部を断面にした分解図である。 その組み立て完成状態の一部を簡略した断面図である。 実施例２の動作を示す平面図で、３個のハンド部材が開いた状態である。 同じく３個のハンド部材が途中まで閉じた状態である。 同じく３個のハンド部材が更に閉じた状態である。 本発明の変形例の概念斜視図である。 別の変形例の概念斜視図である。 更に別の変形例の概念斜視図である。

符号の説明

１ モータ
２ モータ台
３ カム部材
４ レール台
５ ガイドレール
６ ハンド部材
７ モータ軸
７ａ 先端部
８ モータ軸挿通孔
９ カム囲い壁
１０ 軸孔
１１ カム溝
１１ａ 一端
１１ｂ 他端
１２ 側壁
１３ ピン挿通孔
１４ ガイド溝
１５ 駆動ピン（カムフォロア）
１６ ベアリング溝
１７ スラストベアリング
１８ 駆動ギアー

Claims (7)

1. モータにて回転されるカム部材に形成されたカム溝に、ハンド部材側のカムフォロアが摺動自在に嵌合され、カム部材の回転によりカムフォロアがカム溝に沿って摺動することにより、ハンド部材に直線運動推力が与えられる電動ハンドにおいて、前記カム溝が、前記カム部材の回転中心Ｏを中心とするアルキメデスの渦巻き曲線に沿って形成されていることを特徴とする電動ハンド。
2. カム溝の曲線形状は、その一端が回転中心Ｏに近いところから始まってアルキメデスの渦巻き曲線を描きながら回転中心Ｏに近づくことなく遠ざかり、他端が回転中心Ｏより最も遠いところで終わる曲線であることを特徴とする請求項１に記載の電動ハンド。
3. ２以上のカム溝のそれぞれが、カム部材の回転中心を中心とするアルキメデスの渦巻き線に沿って分離形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動ハンド。
4. カム部材が円板状であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電動ハンド。
5. カム部材が、モータにて回転される駆動ギアーと噛み合い、該駆動ギアーを介して回転される従動ギアーにもなっていることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電動ハンド。
6. １個の駆動ギアーに複数のカム部材が従動ギアーとして噛み合い、駆動ギアーの回転により同時に回転されることを特徴とする請求項５に記載の電動ハンド。
7. カムフォロアがカム部材に突設されたピンで、ハンド部材がその両側の平行なガイドレールの間を直線摺動することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の電動ハンド。

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