JP2010139067A - 平面ねじりばね - Google Patents

Abstract

【課題】小さな幅で、より大きな強度とたわみを提供できる、ロボットアーム用ねじりばねを提供すること。
【解決手段】ねじりばねは内側取付けセグメントを備える。外側取付けセグメントが内側取付けセグメントの周りに同心で配置される。複数の細長い薄板が、内側取付けセグメントから外側取付けセグメントへ延びる。各細長い薄板の少なくとも一部分が、内側取付けセグメントの周りに概して環状に延びる。
【選択図】図１

Description

政府の権益
本明細書に記載された発明は、合衆国政府の（すなわち非営利の）目的のために、それに関するまたはそのための使用料を支払うことなく、合衆国政府によってまたは合衆国政府のために製造および使用されることがある。

本発明は、一般にねじりばねに関し、より詳細には、ロボットアームと共に使用するためのねじりばねに関する。

製造および組立工場で反復業務を実行するために、ロボット、とりわけロボットアームが使用されることが多い。ロボットアームは、ロボットアームの器用な動きを容易にし、２つの部分間の相対移動を可能にするために、ロボットアームの一部分を別の部分に連結するための関節を含むことが多い。これは一般に、アームの一部分を別の部分に対して動かすための回転関節を使用することを含む。関節に組み込まれたばねを使用して、アームの２つの部分間にコンプライアンスを与えることができる。ばねコンプライアンス、またはたわみを測定して、関節が受けたトルクを決定することができる。

ロボットアームによって実行される作業が、ロボットアームのトルク要件およびたわみ要件を決める。また、ロボットアームの寸法は、アームが使用される作業、および作業環境に関連付けることができる寸法制限によって決定される。したがって、関節に使用されるねじりばねの寸法および能力は、これらの要因にも依存する。

小さな幅で、より大きな強度とたわみを提供できる、ロボットアーム用ねじりばねが望まれる。

ねじりばねは内側取付けセグメントを備える。外側取付けセグメントが、内側取付けセグメントの周りに同心で配置される。複数の細長い薄板が、内側取付けセグメントから外側取付けセグメントへ延びる。各細長い薄板の少なくとも一部分が、内側取付けセグメントの周りを、概して環状に延びる。

ロボットアームは、少なくとも１つの駆動構成部品を有するロボット関節、およびそのロボット関節に取り付けられた出力リンクを有する。ねじりばねは、ロボットアームのロボット関節と出力リンクとの間に配置される。

ロボットアームを動作させる方法は、ねじりばねの内側取付けセグメントを、ロボット関節の内側の少なくとも１つの駆動構成部品に取り付けるステップと、ねじりばねの外側取付けセグメントを、ロボットアームの出力リンクに取り付けるステップとを含む。この方法はさらに、ロボット関節の内側の少なくとも１つの駆動構成部品を動かして、ねじりばねの内側取付けセグメントを、ねじりばねの外側取付けセグメントに対して相対的に回転させるステップを含む。この相対回転が、複数の細長い薄板の弾性変形を引き起こす。ロボット関節の内側の少なくとも１つの駆動構成部品を解放することによって、複数の細長い薄板が変形していない位置に戻り、ねじりばねの内側取付けセグメントが、元の回転位置へ戻ることができるようになる。

本発明の上記の特徴および利点、ならびに他の特徴および利点は、本発明を実施するための好ましい実施形態および最良の態様の以下の詳細説明を添付図面と関連させるとき、容易に明らかになるであろう。

ロボット関節および平面ねじりばねを含むロボットアームの一部分の概略斜視図である。 図１のロボットアームと共に使用するための平面ねじりばねの第１の実施形態の正面斜視図である。 図１および図２のロボットアームと共に使用するための平面ねじりばねの第１の実施形態の背面図である。 図１のロボットアームと共に使用するための平面ねじりばねの第２の実施形態である。 図１のロボットアームと共に使用するための平面ねじりばねの第３の実施形態である。

図を参照すると、種々の図を通して同様の参照番号が同じまたは同様の構成要素を参照しており、図１は、ロボット関節１２および出力リンク１４を含むロボットアーム１０を概略的に示している。ねじりばね１６が、ロボット関節１２の第１の部分１８に取り付けられている。ロボットアーム１０を形成するように、出力リンク１４を、ねじりばね１６に取り付けることができる。

ねじりばね１６は、内側取付けセグメント２２および外側取付けセグメント２４を有する。図示した実施形態では、図２に示すように、内側取付けセグメント２２は第１の複数の開口２６によって形成されるボルト円である。第１の複数の開口２６（図２に示す）は、ロボット関節１２の第１の部分１８の内側の駆動構成部品２８に対応する。ボルト３０が第１の複数の開口２６を通って延びて、ねじりばね１６をロボット関節１２内の駆動構成部品２８に取り付けている。外側取付けセグメント２４もまた、第２の複数の開口３２によって形成されるボルト円である。第２の複数の開口３２はリンク取付けセグメント３４に対応する。ボルト３０が第２の複数の開口３２を通って延びて、出力リンク１４をねじりばね１６に取り付けている。

図２は、ねじりばね１６の概略斜視図である。ねじりばね１６は、概して平面円板形状を有する。ねじりばね１６は、ばね直径３６およびばね厚３８を有する。ばね直径３６は、ねじりばね１６が共に使用されるロボットアーム１０（図１に示す）の寸法に基づいて決定される。すなわち、ばね直径３６は、第１の複数の開口２６の寸法が駆動構成部品２８（図１に示す）に対応し、第２の複数の開口３２の寸法が、リンク取付けセグメント３４（図１に示す）に対応するようになっている。ねじりばね１６の能力要件を満たすように、ばね厚３８を変えることができる。本実施形態の代表的なばね厚３８は、３．１７５〜６．３５ｍｍ（１インチの１／８〜１／４）とすることができる。ばね厚３８を増やすと、ねじりばね１６の剛性が比例して増える。ねじりばね１６は、多くの他の鋼および鋼複合材料と比較したときに、大きな降伏強度を有する鋼複合材料であるマルエージング鋼で形成されることが好ましい。鋼、鋼複合材料、およびプラスチック材料を含む他の材料を用いて、ねじりばね１６を形成することもできる。当業者は、それが使用される特定の応用例に対し、ねじりばね１６を形成するのにふさわしい材料を決めることができる。

複数の細長い薄板４０が、内側取付けセグメント２２と外側取付けセグメント２４との間に延びる。図示した実施形態では、細長い薄板４０が２つある。細長い薄板４０の数は、ねじりばね１６の性能能力要件に基づいて変えることができる。例えば、細長い薄板４０の数を増やすと、ねじりばね１６のばね定数を大きくすることができるが、ねじりばね１６の回転コンプライアンスを低下させる。当業者は、ねじりばね１６の特定の応用例に望まれる性能能力を実現するための、細長い薄板４０の適正な数を決めることができる。

細長い薄板４０は、第１の部分４２で内側取付けセグメント２２に取り付けられ、第２の部分４４で外側取付けセグメント２４に取り付けられている。各細長い薄板４０に対し、第１の部分４２は、異なる円周位置で内側取付けセグメント２２に取り付けられ、さらに第２の部分４４は、外側取付けセグメント２４に取り付けられている。第１の部分４２は、内側取付けセグメント２２から中心部分４６へ半径方向に延びる。第２の部分４４は、外側取付けセグメント２４から中心部分４６へ、半径方向内向きに延びる。中心部分４６は、内側取付けセグメント２２の円周の周りかつ外側取付けセグメント２４の円周の内側に概して環状に延びる。図２では、細長い薄板４０は、内側取付けセグメント２２から外側取付けセグメント２４へ時計回り方向に延びる。

細長い薄板４０はそれぞれ細長い薄板の幅４８を有する。細長い薄板の幅４８は中心部分４６に沿って変化する。細長い薄板の幅４８は、中心部分４６が第１の部分４２および第２の部分４４に近づくにつれて増え、中心部分４６の中央で狭くなる。平均の細長い薄板の幅４８を増やす、または減ずることによって、ねじりばね１６のばね定数を変えることができる。当業者は、ねじりばね１６の特定の応用例に対し、ふさわしいばね定数および細長い薄板の幅４８を決めることができる。

図３は、ねじりばね１６を反対面５０から示す。すなわち、図２は第１の面５２を説明し、図３は反対面５０を説明している。図２では、細長い薄板４０は、内側取付けセグメント２２から外側取付けセグメント２４へ時計回り方向に延びる。図３では、細長い薄板４０は、内側取付けセグメント２２から外側取付けセグメント２４へ反時計回り方向に延びる。第１の面５２または反対面５０がリンク取付けセグメント３４に接触するように、ねじりばね１６をロボットアーム１０（図１に示す）に取り付けることができる。

動作時は、内側取付けセグメント２２が、ロボット関節１２の駆動構成部品２８によって能動的に回転する。出力リンク１４に作用する外力がない場合、駆動構成部品２８による内側取付けセグメント２２の回転は、外側取付けセグメント２４を、またそれに続いてロボットアーム１０の出力リンク１４を回転させることになる。しかし、出力リンク１４に外力が作用している場合は、図２および３の矢印６２で示すように、細長い薄板４０は弾性変形し、ねじりばね１６の内側取付けセグメント２２と外側取付けセグメント２４との間に相対運動を引き起こすことになる。駆動構成部品２８と出力リンク１４との間の実トルクを除去することによって、細長い薄板４０が変形していない位置へ戻ることができるようになる。

細長い薄板４０は、内側取付けセグメント２２と外側取付けセグメント２４との間の相対回転移動を可能にする。内側取付けセグメント２２から、つめ５４が半径方向外向きに突き出ている。内側取付けセグメント２２が外側取付けセグメント２４に対して相対的に回転するとき、つめ５４が出力リンク１４の延長部（図示せず）に接触して、ねじりばね１６のためのポジティブストップを提供することができる。例えば、図示した実施形態では、最大トルク負荷が内側取付けセグメント２２に加えられたとき、ねじりばね１６は最大５度までたわむことができる。それ以上のたわみを防止するため、５度たわむと、ロボットアーム１０の出力リンク１４の延長部につめ５４が接触する。

図４は、ねじりばねの別の実施形態１１６を示す。ねじりばね１１６は上記と同様の方法で動作する。ねじりばね１１６は、内側取付けセグメント１２２および外側取付けセグメント１２４を有する。図示した実施形態では、内側取付けセグメント１２２は、第１の複数の開口１２６によって形成されるボルト円である。外側取付けセグメント１２４もまた、第２の複数の開口１３２によって形成されるボルト円である。

ねじりばね１１６は、概して平面円板形状を有する。ねじりばね１１６は、ばね直径１３６およびばね厚を画定する。ばね直径１３６は、第２の複数の開口１３２によって形成されるボルト円の寸法に基づいて決定される。ねじりばね１１６の能力要件を満たすように、ばね厚を変更することができる。ばね厚を増やすと、ねじりばね１１６の剛性が比例して増える。

細長い薄板１４０は、第１の部分１４２で内側取付けセグメント１２２に取り付けられ、第２の部分１４４で外側取付けセグメント１２４に取り付けられている。それぞれの細長い薄板１４０に対し、第１の部分１４２は、異なる円周位置で内側取付けセグメント１２２に取り付けられ、さらに第２の部分１４４は外側取付けセグメント１２４に取り付けられている。第１の部分１４２は内側取付けセグメント１２２から中心部分１４６へ半径方向に延びる。第２の部分１４４は、外側取付けセグメント１２４から中心部分１４６へ、半径方向内向きに延びる。中心部分１４６は、内側取付けセグメント１２２の円周の周りかつ外側取付けセグメント１２４の円周の内側に概して環状に延びる。ねじりばね１１６上の細長い薄板１４０は、内側取付けセグメント１２２から外側取付けセグメント１２４へ時計回り方向に延びる。

細長い薄板１４０はそれぞれ細長い薄板の幅１４８を有する。細長い薄板の幅１４８は中心部分１４６に沿って変化する。細長い薄板の幅１４８は、中心部分１４６が第１の部分１４２および第２の部分１４４に近づくにつれて増え、中心部分１４６の中央で狭くなる。図２の細長い薄板４０と比較するとき、細長い薄板１４０はより小さい平均の細長い薄板の幅１４８を有する。上記のように、平均の細長い薄板の幅１４８を増やす、または減ずることによって、ねじりばね１１６のばね定数を変えることができる。当業者は、ねじりばね１１６の特定の応用例に対し、ふさわしいばね定数および細長い薄板の幅１４８を、決めることができる。

動作時は、内側取付けセグメント１２２が、ロボット関節１２の駆動構成部品２８によって能動的に回転して、矢印１６２で示すように、外側取付けセグメント１２４に対して相対的に動く。細長い薄板１４０は、相対回転移動を可能にする。内側取付けセグメント１２２から、つめ１５４が半径方向外向きに突き出ている。内側取付けセグメント１２２が、外側取付けセグメント１２４に対して相対的に回転するとき、つめ１５４が出力リンク１４からの延長部（図示せず）に接触して、ねじりばね１１６のためのポジティブストップを提供することができる。

図５は、ねじりばねの別の実施形態２１６である。ねじりばね２１６は上記と同様の方法で動作する。ねじりばね２１６は、内側取付けセグメント２２２および外側取付けセグメント２２４を有する。図示した実施形態では、内側取付けセグメント２２２は、第１の複数の開口２２６によって形成されるボルト円である。外側取付けセグメント２２４もまた、第２の複数の開口２３２によって形成されるボルト円である。

ねじりばね２１６は、概して平面円板形状を有する。ねじりばね２１６は、ばね直径２３６およびばね厚を画定する。ばね直径２３６は、第２の複数の開口２３２によって形成されるボルト円の寸法に基づいて決まる。ねじりばね２１６の能力要件を満たすように、ばね厚を変えることができる。ばね厚を増やすと、ねじりばね２１６の剛性が比例して増える。

細長い薄板２４０は、第１の部分２４２で内側取付けセグメント２２２に取り付けられ、第２の部分２４４で外側取付けセグメント２２４に取り付けられている。各細長い薄板２４０に対し、第１の部分２４２は異なる円周位置で内側取付けセグメント２２２に取り付けられ、さらに第２の部分２４４は外側取付けセグメント２２４に取り付けられている。第１の部分２４２は内側取付けセグメント２２２から中心部分２４６へ半径方向に延びる。第２の部分２４４は外側取付けセグメント２２４から中心部分２４６へ、半径方向内向きに延びる。中心部分２４６は、内側取付けセグメント２２２の円周の周りかつ外側取付けセグメント２２４の円周の内側に概して環状に延びる。ねじりばね２１６上の細長い薄板２４０は、内側取付けセグメント２２２から外側取付けセグメント２２４へ時計回り方向に延びる。

細長い薄板２４０はそれぞれ細長い薄板の幅２４８を有する。細長い薄板の幅２４８は中心部分２４６に沿って変化する。細長い薄板の幅２４８は、中心部分２４６が第１の部分２４２および第２の部分２４４に近づくにつれて増加し、中心部分２４６の中央で狭くなる。上記のように、平均の細長い薄板の幅２４８を増やす、または減ずることによって、ねじりばね２１６のばね定数を変えることができる。当業者は、ねじりばね２１６の特定の応用例に対し、ふさわしいばね定数および細長い薄板の幅２４８を決めることができる。

動作時は、内側取付けセグメント２２２が、矢印２６２で示したように、外側取付けセグメント２２４に対して相対的に回転する。細長い薄板２４０は、相対回転移動を可能にする。

細長い薄板２４０からつめ２５４が半径方向外向きに突き出ている。外側取付けセグメント２２４内に配置された切欠き２６０が、ねじりばね２１６の不要なたわみを防ぐためのストップを提供する。内側取付けセグメント２２２が外側取付けセグメント２２４に対して相対的に回転するとき、つめ２５４が切り欠き２６０に接触して、ねじりばね２１６のためのポジティブストップを提供することができる。内側取付けセグメント２２２は、外側取付けセグメント２２４に対して相対的に時計回り方向または反時計回り方向に回転することができ、切欠き２６０は、つめ２５４のための、両方の回転方向に対するポジティブストップを提供する。この特徴が、ロボットアーム１０の他の構成部品を改変するまたは追加する必要なしに、ねじりばねのためのポジティブストップを提供する。

本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明してきたが、本発明の当業者には、添付の特許請求の範囲内で本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が理解されよう。

１０ ロボットアーム
１２ ロボット関節
１４ 出力リンク
１６ ねじりばね
１８ 第１の部分
２２ 内側取付けセグメント
２４ 外側取付けセグメント
２６ 第１の複数の開口
２８ 駆動構成部品
３０ ボルト
３２ 第２の複数の開口
３４ リンク取付けセグメント
３６ ばね直径
３８ ばね厚
４０ 細長い薄板
４２ 第１の部分
４４ 第２の部分
４６ 中心部分
４８ 細長い薄板の幅
５０ 反対面
５２ 第１の面
５４ つめ
６２ 矢印
１１６ ねじりばね
１２２ 内側取付けセグメント
１２４ 外側取付けセグメント
１２６ 第１の複数の開口
１３２ 第２の複数の開口
１３６ ばね直径
１４０ 細長い薄板
１４２ 第１の部分
１４４ 第２の部分
１４６ 中心部分
１４８ 細長い薄板の幅
１５４ つめ
１６２ 矢印
２１６ ねじりばね
２２２ 内側取付けセグメント
２２４ 外側取付けセグメント
２２６ 第１の複数の開口
２３２ 第２の複数の開口
２３６ ばね直径
２４０ 細長い薄板
２４２ 第１の部分
２４４ 第２の部分
２４６ 中心部分
２４８ 細長い薄板の幅
２６２ 矢印
２５４ つめ
２６０ 切欠き

Claims (14)

1. 内側取付けセグメントと、
   前記内側取付けセグメントの周りに同心で配置された外側取付けセグメントと、
   前記内側取付けセグメントから前記外側取付けセグメントへ延びる複数の細長い薄板であって、細長い薄板のそれぞれの少なくとも一部分が、前記内側取付けセグメントの周りを部分的に環状に延びる、細長い薄板とを備える
   ねじりばね。
2. 前記細長い薄板のそれぞれが、
   前記内側取付けセグメントの方へ半径方向内向きに延びる第１の部分と、
   前記外側取付けセグメントの方へ半径方向外向きに延びる第２の部分と、
   前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置され、前記内側取付けセグメントの周りを部分的に環状方向に延びる中心部分とをさらに備える、請求項１に記載のねじりばね。
3. 前記細長い薄板から半径方向外向きに突き出る複数のつめをさらに備え、前記複数のつめが、前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間を所定量相対移動したあと、前記外側取付けセグメントに接触する、請求項１に記載のねじりばね。
4. 前記外側取付けセグメントによって形成される複数の切欠きをさらに備え、前記複数のつめがそれぞれ、前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間を所定量相対移動したあと、前記複数の切欠きそれぞれに接触する、請求項１に記載のねじりばね。
5. 前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間の前記相対移動が、時計回り方向および反時計回り方向の１つである、請求項４に記載のねじりばね。
6. 細長い薄板の幅、ばね幅、ばね厚、および細長い薄板の数の少なくとも１つが、前記ねじりばねのばね定数および前記ねじりばねの最大負荷能力を決める、請求項１に記載のねじりばね。
7. 少なくとも１つの駆動構成部品を有するロボット関節と、
   前記ロボット関節に取り付けられた出力リンクと、
   前記少なくとも１つの駆動構成部品と前記出力リンクとの間に配置されたねじりばねとを備え、前記ねじりばねが、
   前記少なくとも１つの駆動構成部品に連結された内側取付けセグメントと、
   前記内側取付けセグメントの周りに同心で配置され、前記出力リンクに連結された外側取付けセグメントと、
   前記内側取付けセグメントから前記外側取付けセグメントへ延びる複数の細長い薄板であって、細長い薄板のそれぞれの少なくとも一部分が、前記内側取付けセグメントの周りを部分的に環状に延びる細長い薄板とを含む、
   ロボットアーム。
8. 前記細長い薄板のそれぞれが、
   前記内側取付けセグメントの方へ半径方向内向きに延びる第１の部分と、
   前記外側取付けセグメントの方へ半径方向外向きに延びる第２の部分と、
   前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置され、前記内側取付けセグメントの周りを部分的に環状方向に延びる中心部分とをさらに備える、請求項７に記載のロボットアーム。
9. 前記細長い薄板から半径方向外向きに突き出る複数のつめをさらに備え、前記複数のつめが、前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間を所定量相対移動したあと、前記外側取付けセグメントに接触する、請求項７に記載のロボットアーム。
10. 前記外側取付けセグメントによって形成された複数の切欠きをさらに備え、前記複数のつめがそれぞれ、前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間を所定量相対移動したあと、前記複数の切欠きそれぞれに接触する、請求項７に記載のロボットアーム。
11. 前記内側取付けセグメントと前記外側取付けセグメントとの間の前記相対移動が、時計回り方向および反時計回り方向の１つである、請求項１０に記載のロボットアーム。
12. 細長い薄板の幅、ばね幅、ばね厚、および細長い薄板の数の少なくとも１つが、前記ねじりばねのばね定数および前記ねじりばねの最大負荷能力を決める、請求項７に記載のロボットアーム。
13. ねじりばねの内側取付けセグメントをロボット関節の内側の少なくとも１つの駆動構成部品に取り付けるステップと、
    前記ねじりばねの外側取付けセグメントを前記ロボット関節の出力リンクに取り付けるステップと、
    前記ロボット関節の内側の前記少なくとも１つの駆動構成部品を動かして、前記ねじりばねの前記内側取付けセグメントを、前記ねじりばねの前記外側取付けセグメントに対して相対的に、元の位置から回転した位置まで回転させるステップであって、前記相対回転が、複数の細長い薄板の弾性変形を引き起こす、ステップと、
    前記ロボット関節の内側の前記少なくとも１つの駆動構成部品を解放して、前記複数の細長い薄板が変形していない位置へ戻ることができるようにし、前記ねじりばねの前記内側取付けセグメントが前記元の位置へ戻ることができるようにするステップとを
    含むロボットアームの動作方法。
14. 前記少なくとも１つの駆動構成部品を動かす前記ステップが、前記ねじりばね上の少なくとも１つのつめを、前記ねじりばね上の少なくとも１つのストップと接触させて、前記内側取付けセグメントが前記外側取付けセグメントに対して相対的にさらに回転することを防止するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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