JP2011218552A - 捩りコンプライアンスデバイスを備えた電気グリッパ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃エネルギを吸収する能力を有する捩りコンプライアンスデバイスを備えた電気グリッパを提供することにある。
【解決手段】電気グリッパはモータを備えたハウジングを有する。モータにはギアヘッドが連結されている。モータにはコントローラが電気的に接続されていて、モータを介してグリッパを制御する。モータにはコンプライアンスデバイスが連結されている。コンプライアンスデバイスは該デバイスにより発生された衝撃エネルギを吸収する。コンプライアンスデバイスには駆動機構およびハウジング上で移動できるジョーが連結されている。ジョーには、開閉して部品をグリップするフィンガが連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、衝撃エネルギを吸収する能力を有する捩りコンプライアンスデバイスを備えた電気グリッパに関する。

今日使用されている殆どの電気グリッパはサーボ駆動され、電気グリッパに駆動モータを減速させる能力を付与している。減速は、駆動コンポーネンツへの摩耗が制限される態様で行われる。これにより、グリッパ部材にジャミング（噛んで不動になること）が生じる可能性が減少される。これらの駆動装置は、高価なモータおよび複雑で重要なプログラミングを必要とするエンコーダおよびコントローラ等のフィードバックデバイスを用いて構成されている。電気グリッパのコストを低減させるには、ＤＣブラシ型モータを使用することが望まれる。

ＤＣモータはグリッパに剛的に連結されておりかつ部品をグリップする全開／全閉の硬いストップ位置まで回転する。この場合、モータは、これらの硬いストップに出合うと瞬時に停止しなければならない。エネルギの見地から、硬いストップ位置に入るシステムは、グリッパを作動させるトルクを与えるモータの駆動電気エネルギ並びに全速度で移動する駆動トレーンコンポーネンツの運動エネルギの両方を有している。

硬いストップによる瞬時の減速は、幾つかの機械的問題、すなわちギア減速機での衝撃的負荷、グリッパ駆動装置のジャミングおよび摩耗を引き起こす。ギア減速機に過負荷を与えると急速に摩耗を引き起こし、非常に短時間に減速機を使用できなくする。またギアの一部に破損を受けることもある。運動エネルギの或るものは装置にジャミングを引き起こし、種々の駆動コンポーネンツに摩耗を生じさせる。駆動装置にジャミングが生じると、駆動装置の逆転方向に充分な電気的駆動トルクをモータに発生させて機構のジャミングを解消させることが不可能になる。また、急激な減速はモータブラシに悪影響を与え、電弧を発生させてブラシの摩耗を通常より早めてしまう。この形式のグリッパは、部品をグリップ中にフィンガ内に保持しておくには、常時給電しておかなくてはならない。電流が制限されない場合にはモータがオーバーヒートしてしまい、これによりモータの寿命が短縮されてしまう。要するに、安価なＤＣブラシモータの使用は、重大な欠点を引き起こす。

本発明の目的は、上記欠点を解消できる電気モータを備えたグリッパを提供することにある。グリッパは、全システムが合理的方法で減速できるように硬いストップの運動エネルギを捕捉することを必要とする。モータ、ギアヘッドおよびグリッパのコンポーネンツの長寿命を確保するには、破壊エネルギを消散させなくてはならない。また、電力の喪失時に、フィンガが開いてはならない。また、グリッピング時に供給される電力は、モータがオーバーヒートしないように、合理的な範囲内になくてはならない。

本発明の一態様によれば、グリッパはハウジングを有し、ハウジング内には電気モータが配置されている。モータには、ギア減速比を与えるギアヘッドが連結されている。またモータには、該モータを介してグリッパを制御するコントローラが電気的に接続されている。ギアヘッドとグリッパ駆動装置との間には、コンプライアンスデバイスが連結されている。捩りカップリングのようなコンプライアンスデバイスは、該デバイスが硬いストップに到達したときに発生される衝撃エネルギを吸収する能力を有している。駆動機構はコンプライアンスデバイスに連結されている。ジョーは駆動機構に連結されており、ハウジングに沿って移動できる。フィンガは、ワークの一部をグリップできるようにジョーに連結されている。また、該コントローラには、電力に不具合が有った場合に、グリッパのフィンガが開いて部品が落下しないようにすべく、逆起電力を発生させる回路を備えている。電流は、最大でもグリッピングに必要な大きさに制限され、このためモータは低温に維持される。ギアヘッドの減速比は、グリッパの作動時間およびグリップ力に変換される種々の速度およびトルク出力を可能にする値の範囲内にある。減速比は、１５：１〜４００：１の範囲内にある。これらの減速比は、非常に高い速度、大きいグリップ力または速度とグリップ力との組合せを必要とする種々のグリッピング用途に有効である。有効な減速比は５３：１である。

本発明の第２態様では、グリッパはハウジングを有し、該ハウジングは１対の壁を有し、この１対の壁により形成されたチャネルを備えている。ハウジング内にはブラシ型モータが配置されかつハウジングに連結されている。モータにはギアヘッドが連結されている。モータにはコントローラが電気的に接続されている。コントローラは、モータを介してグリッパを制御する。また、コントローラはハウジング内に配置されている。モータには捩りカップリングが連結されており、捩りカップリングはハウジング内に配置されている。捩りカップリングは、デバイスが硬いストップに到達したときに発生される衝撃エネルギを吸収する。駆動機構が、１対のジョーを駆動すべく捩りカップリングに連結されている。ジョーはハウジングのチャネル内で移動する。１対のフィンガの各フィンガは、部品をグリップするジョーの１つに連結されている。

本発明の他の適用領域は、本明細書の説明から明らかになるであろう。この要約での説明および特定例は単に例示を目的とするものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

添付図面は、本発明の例示を目的とすることのみにあり、いかなる意味においても本発明の範囲を制限するものではない。

本発明によるグリッパを示す斜視図である。 図１のグリッパを示す分解図である。 図１のグリッパを示す断面図である。 コントローラを示す概略図である。

図１を参照すると、ここには、参照番号１０で示された電気グリッパが示されている。グリッパ１０はハウジング１２を有し、該ハウジング１２は、これから突出する電気接続プラグ１４を備えている。プラグ１４には電源（図示せず）が接続される。ハウジング１２からは１対のグリッパフィンガ１６、１８が延びている。

図２は、グリッパ装置１０を示す分解図である。ハウジング１２は全体として直方体のボックス形状を有し、ハウジングの一端には、後述のジョーを受入れる１対の壁２０、２２が設けられている。両壁２０、２２は、ベース壁２６を備えたチャネル２４を形成している。ベース壁２６には、ハウジング１２内へのアクセスを可能にする孔２７が形成されている。ハウジング１２は更に頂壁２８を有し、該頂壁２８には、ハウジング１２内へのモータ組立体３４の導入を可能にする孔２９（図３）が設けられている。また、孔２９内には、モータ組立体３４をハウジング１２内に維持するためのカバー３０がＣリング３２により固定される。

グリッパ１０はモータ組立体３４を有している。モータ組立体３４は、ここではＤＣブラシ型モータ３５として示された電気モータを有している。任意であるが、モータ３５はカーボングラファイトブラシを有している。高速・低トルク型モータ３５は、機械的減速を必要とする。ここで、その他のモータ、例えばＡＣモータ、ブラシ型またはブラシレス型のモータ、ステッピングモータ、誘導モータ、ベクトルモータ等を使用することもできる。ここでは、モータ組立体３４はギアヘッド３６を有している。

ギアヘッド３６は、モータ３５に連結されている。ギアヘッド３６は、グリッパ１０が必要とする低速・高トルクを発生する。ギアヘッド３６は、グリッパ１０の速度・トルク仕様を満たすべく使用される低ギア比を有している。したがって、減速比は小さくかつ逆転可能である。ギアヘッド３６は、１５：１〜４００：１の減速比を有している。１５：１の低い減速比により、非常に高いグリッパ作動速度および小さい力が得られる。４００：１の高い減速比により、低速で非常に高いグリップ力が得られる。ほぼ中間の減速比により、充分なグリップ力をもつ良好な速度が得られる。

モータ３５およびギアヘッド３６は、孔２９を通して頂壁２８から入れられる。モータベース３７は、ハウジング１２の内部の壁３８上に支持される。壁３８は、孔４０並びにボルト孔４２を有している。モータシャフト４６が、孔４０を通ってハウジング開口４４内に延びている。ハウジング開口４４は、コンプライアンスデバイス５０を収容している。

コンプライアンスデバイス５０は、モータシャフト４６を受入れる部分を有している。また、コンプライアンスデバイス５０は、駆動機構５４を備えた出力スピンドル５２を有している。駆動機構５４は、駆動目的のためのピニオンギア、ボールねじ等で形成できる。コンプライアンスデバイス５０は、捩りカップリングで形成できる。コンプライアンスデバイス５０は、衝撃エネルギを長時間に亘って拡散できる。これにより、モータ３５の減速度が小さくなり、衝撃荷重が大幅に低減される。捩りカップリングはまた、衝撃エネルギを貯蔵する。これにより、モータを逆転させるべき信号が入力されたときに、このエネルギを使用できる。貯蔵エネルギは逆転トルクに変換され、グリッパ駆動装置がコントローラにより逆転コマンドを受けたときに、グリッパ駆動装置を逆転させるトルクが増大される。

殆どのカップリングは、捩り撓みおよびバックラッシが最小になるように設計されている。これにより、モーションデバイスの位置決めを正確に制御することが可能になる。しかしながら、一般的なカップリングの小さいバックラッシおよび高い捩り剛性は、硬いストップに到達したときに、極めて大きい衝撃力を、ここに開示する設計のカップリングに伝達する。本発明の設計では、極めて小さい捩り剛性をもつカップリングを使用しなければならない。バックラッシが存在しても、性能に悪影響を与えない。本発明のカップリングは、減速度を小さくできるようにするため、約１５°に亘って回転できる。これは、種々のギアヘッド減速比と組合わされて、モータを、部分的回転に亘って、またはモータのロータの数回転まで減速させることを可能にする。この長い減速回転により、モータの整流ブラシおよびギアボックスのコンポーネンツに与える損傷が低減される。小さい捩り剛性に加え、カップリングは、損傷を受けることなく数千万サイクルに亘ってエネルギを吸収できなくてはならない。幾つかのエラストマーカップリング材料は、低デュロメータで使用されるとき、これらの形式のカップリングにコンプライアンスを付与できる。特に、ＥＰＤＭ、例えば、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール社（E.I. DuPont de Nemours）から市販されているネオプレン（登録商標）またはHytrel（登録商標）が使用できる。

駆動機構５４にはコンプライアントカップリング５０が連結されており、駆動機構５４は、ジョー５６、５８に取付けられたラック６０、６２を駆動する。この場合、ラック６０、６２は、ジョー５６、５８の全体的サイズを減少させるべく両ジョー内に直接機械加工される。両ジョーは、ハウジング１２のチャネル２４内で、ベース壁２６上でスライドする。かくして、スピンドル５２が回転すると、両ジョー５６、５８が互いに近づく方向および離れる方向に移動され、これによりグリッパフィンガ１６、１８も互いに近づく方向および離れる方向に移動されて、部品をグリップする。また、壁２０、２２にはカバープレート６６が正確に位置決めされかつ連結されて、両ジョー５６、５８をハウジング１２のチャネル２４内に保持する。カバープレート６６は、駆動機構５４を半径方向に支持するベアリングを心出しするアクセルピン（axel pin）６８を有している。

ハウジング１２の孔７２を通ってコントローラ７０が配置されている。コントローラ７２はハウジング１２内に固定される。コントローラ７０は、モータ３５に電気的に接続されている。コントローラ７０には、コネクタ１４を介して電源から給電される。また、コントローラ７０の頂部にはカバープレート７４が配置され、コントローラ７０をハウジング１２内に保持している。かくしてグリッパ１０は、電源からの電力を受入れるべく待機する自己完結型ユニットを形成する。

図４に示すように、グリッパモータコントローラ７０は、プログラム可能なマイクロプロセッサ４０１およびモータ駆動装置４０３を用いて、コントローラ７０で受けた制御信号にしたがって２方向のうちの１方向にＤＣモータ３５のロータシャフト４６を回転させる。

作動に際し、ＤＣモータ３５によりグリッパ１０を開閉させるリクエスト信号が、コントローラ入力４５１、４５３で受入れられる。入力４５３ではロジック０（この実施形態では、接地電位）であり、入力４５１ではロジック１（この実施形態では、正電圧）であることは、グリッパ１０を開く方向にモータ３５を駆動するリクエストを示す。同様に、入力４５１ではロジック０であり、入力４５３ではロジック１であることは、モータ３５によりグリッパ１０を閉じるリクエストを示す。ＬＥＤ４３１は、入力４５１で開コマンドを受けたときは必ず点灯し、一方、ＬＥＤ４３２は、入力４５３で閉コマンドを受けたときは必ず点灯する。次に、入力４５１、４５３でのコマンドリクエストが、光アイソレータインターフェース４０５を通ってマイクロプロセッサ４０１の入力４５７、４５５に導かれる。光アイソレータ４０５は、入力４５１、４５３に生じたロジック信号の電圧レベルを、マイクロプロセッサ４０１で使用するのに適したレベルに本質的に変換する。

マイクロプロセッサ４０１は商業的に入手できるデバイスであり、この実施形態では、テキサス・インスツルメンツ社（Texas Instruments）のＭＳＰ４３０からなる。マイクロプロセッサ４０１は、基本的に、リード４５５、４５７でのコマンド入力を読取り、リード４５９でパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧信号を割り当て、かつリード４６１で方向表示ロジック信号を割り当てる。マイクロプロセッサ４０１が出力４５９でＰＷＭ信号を発生しかつ出力４６１で方向表示信号を発生した後、これらの出力は、デマルチプレキシング回路４０７に供給され、該デマルチプレキシング回路４０７は、マイクロプロセッサの出力４６１での方向表示信号に基づいて、ＰＷＭ信号を、モータコントローラ駆動装置４０３の入力４６３または４６５の一方に出力する。

ＰＷＭ信号は、低電力でのモータ３５の運転を可能にする。モータ３５は、運転中はフルパワーを消費する。部品をグリップするには低電力が要求され、したがって停止状態では低電力を消費し、モータがオーバーヒートすることはない。通常、グリップが開いているか閉じているときは、電力はフルパワーの約３０％に低減される。

モータ駆動装置４０３は本質的にＨブリッジの電子バージョンであり、モータ駆動装置の構成は当業界で良く知られている。この実施形態では、モータ駆動装置要素４０３は、Apex社製のモデルＳＡ５３として商業的に入手できる。既知のように、Ｈブリッジ構造は、モータへの駆動信号の極性を反転させるのに一般に使用されている。したがって、モータ駆動装置４０３は、駆動装置の入力４６３と入力４６５のどちらがＰＷＭ信号を受入れるかに基づいて、いずれかの出力４６７または４６９にＰＷＭ電圧を出力する。出力４６７または４６９でのＰＷＭ信号は、次に、インダクタ４２０、４２２およびキャパシタ４２４からなる平滑フィルタまたは積分フィルタにより、実質的に一定の電圧レベルに変換される。したがって、モータ３５は、モータ駆動入力４７１、４７３を横切る電圧信号の極性にしたがう方向にロータシャフト４６を回転させる。

したがって、電力がコントローラ７０に供給される。コントローラ７０はモータ３５に接続されており、該モータ３５は捩りカップリング５０を回転させ、次に駆動機構５４を回転させ、該駆動機構５４は、ジョー５６、５８並びにフィンガ１６、１８を互いに近づく方向および離れる方向に駆動して部品をクランプしかつ解放する。かくして、モータ３５は全開位置と全閉位置との間で作動し、部品のグリップまたは解放を行う。したがってグリッパ１０が全開位置または全閉位置に達すると、モータ３５は、これらの硬いストップに出合うときに瞬時に停止しなければならない。これが生じると、捩りカップリング５０は、硬いストップで生じたエネルギを吸収しながら回転する。また、捩りカップリング５０はモータを減速させ、カップリングが解放されると、エネルギがギアヘッドおよびモータを逆方向に駆動させてフィンガを開く。グリッパが開かれる間または閉じられる間、ＰＷＭ信号を使用してモータへの電流を実質的に減少させる。モータは、停止しているときに電力を減少させることにより、モータが停止している間にグリップ力を維持しかつモータ温度を低く維持できる。かくして、コントローラは非常に簡単でありかつ開ループ設計を有している。

グリッパ１０への電力が喪失されかつグリッパ１０が部品をグリップしているとき、捩りカップリング５０はそのエネルギを放出して、ギアヘッド３６およびモータ３５を逆転させる。モータ３５およびギアヘッド３６が逆転し始めると、これらの運動エネルギは、モータ３５およびギアヘッド３６が低摩擦システムでグリッピングポイントを通過できるようにする。これにより、グリッパフィンガ１６、１８が開いて部品を落下させる。

この状況を矯正するため、図４に示すように、モータ駆動ライン４７１、４７３に対して短絡回路要素４０９が設けられる。図示の実施形態では、短絡回路要素４０９は本質的にリレー回路であり、そのコイル４１１は、通常、正電位と接地との間に接続される。このパワー・オン状態では、リレーのトランスファ接点４１３がリード４８１をリード４７１に接続し、これにより、駆動装置の出力４６７がモータ駆動装置の入力４７１に接続する。電力が消失されるようなことがあると、リレーコイル４１１が保護ゼナーダイオード４１５を介して放電しかつトランスファ接点がパワー・オフ状態になり、ここでリード４８５がリード４７１に接続されるため、駆動装置の入力４７１、４７３を横切る短絡回路がモータ３５に形成される。通常のパワーアップ状態においてリレーコイル４１１を通る電流を維持することにより、トランスファ接点４１３の接続がきれいな状態に維持される。この構成により、モータ３５が、捩りカップリング５０の巻き解きすなわち逆駆動に対して反作用する捩り力を有効に供給する逆起電力（ＥＭＦ）を発生する。これにより、フィンガ１６、１８の開速度が低下し、同時に、両ジョー５６、５８がグリッピング位置を通過しないように維持する。かくして、逆起電力がギアヘッド３６により増大され、フィンガが開かないようにする大きい抵抗が付与される。

本発明の上記説明は単なる例示目的で書かれたものであり、したがって、本発明の範囲内で、本発明の本質を逸脱しない変更は本発明の範囲内にある。このような変更は、本発明の精神および範囲から逸脱するものとみなすべきではない。

１０ 電気グリッパ（グリッパ装置）
１２ ハウジング
１６、１８ グリッパフィンガ
３４ モータ組立体
５０ コンプライアンスデバイス（捩りカップリング）
５６、５８ ジョー
７０ コントローラ
４０１ マイクロプロセッサ
４０３ モータ駆動装置
４０５ 光アイソレータインターフェース
４０９ 短絡回路要素

Claims (10)

1. グリッパにおいて、
   ハウジングと、
   該ハウジング内に配置されたモータと、
   該モータに連結されたギアヘッドと、
   該モータを介してグリッパを制御すべく該モータに電気的に接続されたコントローラと、
   該モータに接続されたコンプライアンスデバイスとを有し、該コンプライアンスデバイスは衝撃エネルギを吸収し、
   該コンプライアンスデバイスに連結された駆動機構と、
   該駆動機構に連結された少なくとも１つのジョーとを有し、該少なくとも１つのジョーは該ハウジング上で移動可能であり、
   部品をグリップすべく、前記少なくとも１つのジョーに連結されたフィンガを更に有することを特徴とするグリッパ。
2. 前記コンプライアンスデバイスは、捩りカップリングを更に有していることを特徴とする請求項１記載のグリッパ。
3. 前記ギアヘッドは、減速比ギアヘッドであることを特徴とする請求項１記載のグリッパ。
4. 前記コントローラは、電力の喪失時に逆起電力を発生させる回路を有し、フィンガが開いてグリップした部品が落下しないようにすることを特徴とする請求項１記載のグリッパ。
5. 前記ギアヘッドは、１５：１〜４００：１の減速比を有することを特徴とする請求項３記載のグリッパ。
6. 前記コントローラは、モータが停止しているときにモータへの電流、したがって電力を実質的に減少させ、グリッパ部分を維持している間にオーバーヒートを防止する回路を有していることを特徴とする請求項１記載のグリッパ。
7. グリッパにおいて、
   ハウジングおよび該ハウジングの１対の壁により形成されたチャネルと、
   該ハウジング内に配置されかつハウジングに連結されたブラシ型モータと、
   該モータに連結されたギアヘッドと、
   該モータに電気的に接続されたコントローラとを有し、該コントローラは、該モータを介してグリッパを制御し、該コントローラはハウジング内に配置され、
   該モータに連結された捩りカップリングを有し、該捩りカップリングはハウジング内に配置され、該捩りカップリングは衝撃エネルギを吸収し、
   １対のジョーを駆動すべく該捩りカップリングに連結された駆動機構を有し、該ジョーはハウジングのチャネル内で移動し、
   １対のフィンガを更に有し、各フィンガは、部品をグリップする該ジョーの１つに連結されていることを特徴とするグリッパ。
8. 前記コントローラは、電力の喪失時に逆起電力を発生させる回路を有し、フィンガが開いてグリップした物品が落下しないようにすることを特徴とする請求項７記載のグリッパ。
9. 前記ギアヘッドは、１５：１〜４００：１の減速比を有することを特徴とする請求項７記載のグリッパ。
10. 前記コントローラは、モータが停止しているときにモータへの電流、したがって電力を実質的に減少させ、グリッパ部分を維持している間にオーバーヒートを防止する回路を有していることを特徴とする請求項７記載のグリッパ。

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