JP2012115927A - マニピュレータ用関節部 - Google Patents

Abstract

【課題】組立てが容易でコストの低減化を図り、高精度のマニピュレータ動作を行うことができる小型のマニピュレータ用関節部を提供する。
【解決手段】マニピュレータ用関節部は、基部アームの端部に配設された関節軸と、回動アームの端部に形成されたユニット装着孔と、該ユニット装着孔に嵌合するハウジングと該ハウジングの内部に配設され回動アームを関節軸に対して回転自在に支持する転がり軸受とを有する軸受ユニットと、を備える。更に、長手方向における縦断面がテーパー状の係止部材は楔作用を発生し、回動アームとハウジングとを相対回転不能に固定する。係止部材は円周方向に複数本設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間の指に似た動作を機械的に行うマニピュレータにおいて複数のアームを回動自在に連結するマニピュレータ用関節部に関する。

産業機械の加工ライン、組立てライン等では、省力化、自動化のために種々のロボットアームを使用している。
ロボットアームは、複数のアームを関節部を介して連結した装置であり、関節部の構成部材として、複列の転がり軸受を組み込んだ装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の関節部に組み込まれている転がり軸受は、軸受の軸方向断面幅と半径方向断面高さの比を所定値に設定することで内輪及び外輪の厚さ寸法を増大させ、高剛性、高回転精度、低トルク、低発熱を図っている。

ところで、ロボットアームのような大型の装置ではなく、人間の指に似た動作を機械的に行うマニピュレータの技術開発も行われているが、マニピュレータの関節部に、前述した特許文献１に記載のロボットアーム用転がり軸受をそのままを採用するのは難しい。
すなわち、内輪及び外輪の厚さ寸法を増大させる特許文献１の転がり軸受の諸元を適用するとマニピュレータ用の転がり軸受が大型になってしまうので、小型化が要求されるマニピュレータ用関節に採用するのは困難である。

そこで、本出願人は、複数のアームを回動自在に連結するマニピュレータ用関節部を有する小型マニピュレータを提供した。このマニピュレータは人間の指に似た動作を機械的に行うことができる（特許文献２）。

しかし、本出願人による特許文献２には、転がり軸受のハウジングと回動アームとが接着又は圧入で固定されていると考えられるが、このマニピュレータ関節部軸受に不具合が生じてしまった場合、関節部軸受単体をアーム部材から取り外すことは難しく、アーム全体を交換することになるため、作業効率とコストの面からみると検討の余地がある。

特開２００６―３２９４２０号公報 特開２０１０―５８７号公報

そこで、本発明は、組立てが容易な転がり軸受を採用することで、作業効率の向上及び組立てコストの低減化を図ることができるとともに、高精度のマニピュレータ動作を行うことができる小型のマニピュレータ用関節部を提供することを目的としている。

上記目的は以下の構成により達成される。
（１）基部アーム及び回動アームの端部同士を連結し、端部を支点として回動アームを回動させるマニピュレータ用関節部であって、基部アームの端部に配設される関節軸と、回動アームの端部に形成されたユニット装着孔と、該ユニット装着孔に嵌合するハウジングと該ハウジングの内部に配設され回動アームを関節軸に対して回転自在に支持する転がり軸受とを有する軸受ユニットと、を備え、回動アームとハウジングとは、長手方向における縦断面がテーパー状の係止部材により回転不能に固定され、該係止部材がハウジングの外周面に形成される係止凹部と回動アームのユニット装着孔に形成される係止凹部との間に介在し、両係止凹部は該係止部材の形状に対応する形状となっており、複数本の係止部材は、円周方向において所定の間隔で設けられていることを特徴とするマニピュレータ用関節部。
（２）係止部材は円すい状の棒材であり、両係止凹部は夫々に該係止部材に対応する半円すい状溝が形成されている。
（３）軸受ユニットは、転がり軸受の内輪に嵌合され、関節軸上に固定される軸部材をさらに備えている。

断面テーパー状の係止部材をマニピュレータ関節部の回動アームと軸受のハウジングの間に介在させることにより、係止部材と係止凹部の間でくさび作用が発生し、回動アームと軸受のハウジンを強固に固定でき、回動アームを円滑・高精度に作動させることができる。更に、複数本の係止部材を周方向に所定の間隔で設けることにより、１本の棒状係止部材のみを利用する場合と比べて、アームの関節部の回転方向における固定が堅固となる。その他、軸受ユニット７は複数の棒状係止部材の挿入だけで回動アームに固定されるので、接着固定や圧入固定と比べて故障時又はメンテナンス時の軸受交換が容易となる。

本発明の実施形態に係るマニピュレータ用関節部を有するマニピュレータの概略を示す斜視図。 図１のマニピュレータの関節部軸受ユニットを示す概略図。 図１のマニピュレータの回動アームを示す概略図。 マニピュレータ第２関節部の要部を示す断面概略図。 図３の軸受ユニットと回動アームの組立手順に関する説明図。

以下、本発明のマニピュレータ用関節部の各実施形態を、図１〜５を参照しながら詳細に説明する。

マニピュレータ１は、図１に示すように、中空円筒形状の第１アーム２と、小径部３ａ及び大径部３ｂからなる中空円筒形状の第２アーム３と、一端側を中空円筒形状とし、他端部を球面形状とした中空円筒形状の第３アーム４と、第１アーム２の一端部及び第２アーム３の一端部を連結している第１関節部５と、第２アーム３の他端部及び第３アーム４の一端部を連結している第２関節部６とを備えている。以下には、基部アームとしての第２アーム３と、回動アームとしての第３アーム４との間について説明する。

第２アーム３及び第３アーム４を連結している第２関節部６は、図２に示す軸受ユニット７と、この軸受ユニット７の回転中心位置に装着され、第２アーム３の一端に形成した連結板３ｃに配設される連結ネジ（関節軸）９と、軸受ユニット７を介して第３アーム４を上述の連結ネジ回りに回動させる駆動ワイヤ８と、軸受ユニット７を所定角度まで回転させる引張力を駆動ワイヤ８に伝達する駆動力伝達装置１８と、を備えている。

図４は、駆動ワイヤ８を省略した第２関節部の断面概略図を示している。軸受ユニット７は、２つの玉軸受１０と、単一のハウジング１２と、単一の軸部材１１とを一体化した部品である。玉軸受１０は、外輪１０ａ及び内輪１０ｂと、外輪１０ａの軌道溝及び内輪１０ｂの軌道溝間に転動自在に配設された多数の玉１０ｃと、外輪１０ａ及び内輪１０ｂの間の軸方向の両端部を閉塞する環状シール体１０ｄとを備えている。

外輪１０ａ、内輪１０ｂ及び玉１０ｃの材料は、標準的な使用条件では軸受鋼（例えば、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３など）とするが、使用環境に応じて、耐食材料であるステンレス系材料（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼材やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼材、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼材など）、チタン合金やセラミック系材料（例えば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃、ＺｒＯ₂ 等）を採用してもよい。

軸部材１１は、玉軸受１０の内輪１０ｂの内周部に嵌合する円筒形状の部材であり、内周面には連結ネジ９（図４）が螺合する雌ネジ部が形成され、外周面には、軸方向一方側に外径側に突出する鍔部１１ａ（図４）が形成されている。なお、鍔部１１ａは必ずしも設ける必要はないが、鍔部１１ａを設けることで玉軸受１３を位置決めすることができる。

第２アーム３及び第３アーム４は、その材料として、軸受１０の外輪１０ａ及び内輪１０ｂの材料よりも線膨張係数の大きな材料が使用される。また、連結ネジ９は軸部材１１の材料よりも線膨張係数の大きな材料が使用される。これにより、運転中の軸受１０から発生する熱により軸受１０の内外輪１０ｂ、１０ａが膨張しても剛性を確保することができる。

ハウジング１２は、２つの玉軸受１０の外輪１０ａを内嵌し、図３に示す後述の第３アーム４のユニット装着孔１３の内周部に嵌合する円筒形状の部材である。その内周面の軸方向中央部に周方向に沿って環状凸部１２ａが設けられている。また、外周面には、軸方向に延びる３つの半円すい状溝１２ｂ（図２）が形成されている。該半円すい状溝１２ｂはハウジング１２の周方向において等間隔で設けられており、後述のピン（係止部材）１４に対応する形状となっている。

第３アーム４の内周面のユニット装着孔１３は、第３アーム４の長手方向に対して直交する方向に円形に開口して形成されている（図３）。ユニット装着孔１３には、軸方向に沿って半円すい状溝４ａが彫られており、かつ周方向において等間隔で３つ形成されている。ハウジング１２側の半円すい状溝１２ｂとを合わせて円すい状溝を形成でき、後述のピン１４を挿入できるようになっている。

円すい状の棒材のピン１４は、ハウジング１２の半円すい状溝１２ｂと第３アーム４の半円すい状溝４ａとの間に嵌められ、第３アーム４と軸受ハウジング１２を強固に固定できる（図４）。また、３本のピン１４は、円周方向において等間隔に設けられている。

次にこのように構成された第２関節部６の組み付け方法について、図４、５を参照しながら説明する。
まず、２つの軸受１０の外輪１０ａ間に環状凸部１２ａを介在させて、ハウジング１２の内周面に各外輪１０ａを接着又は圧入固定した状態で、軸方向一方側から内輪１０ｂに軸部材１１を内嵌させて軸受ユニット７を組み付ける。このとき、一方の軸受１０の内輪１０ｂは、軸部材１１の鍔部１１ａに当接する。
そして、図５に示すように、ハウジング１２の半円すい状溝１２ｂに３本のピン１４を夫々に取り付け、ハウジング１２の半円すい状溝１２ｂとユニット装着孔１３の半円すい状溝４ａの位置を合わせながら、ピン１４を取り付けたハウジング１２をユニット装着孔１３に挿入する。若しくは、図示していないが、ハウジング１２の半円すい状溝１２ｂとユニット装着孔１３の半円すい状溝４ａの位置を合わせて、一本のピン１４を円すい状溝の中に挿入し、次に残りの２本のピンを挿入する。３本のピンを周方向等間隔に挿入することにより、第２アームの軸受ユニット７に第３アーム４が固定される。
続いて、図４に示すように、第２アーム３の連結板３ｃ間に第３アーム４を配置し、連結ネジ９を締め付けることで、連結ネジ９が軸受ユニット７の軸部材１１に形成された雌ネジに螺合し、第２アーム３に対し第３アーム４が回動可能に固定される。

本実施形態では、マニピュレータ１の第２関節部６の構造を説明したが、第１関節部５も第２関節部６と同様な構造を採用してもよい。例えば、第１関節部５は、第２アーム３の小径部３ａに形成したユニット装着孔に嵌合する２つの玉軸受１０を内蔵した軸受ユニット１５と、この軸受ユニット１５の回転中心位置に装着され、第１アーム２の一端に形成した連結板２ｃに配設される連結ネジ１６と、第２アーム３を連結ネジ１６回りに回動させる駆動ワイヤ１７とを備えており、駆動ワイヤ１７は、前述した駆動力伝達装置１８に連結されている。

本実施形態では、第３のアーム４と軸受のハウジング１２とをピンで止めることにより、第２の関節部６の組立てが簡単であり、組立てコストの低減化を図ることができる。故障時又はメンテナンス時の軸受１０の交換が容易である。そのほか、圧入で固定する場合と比べて公差の管理が容易である。

１ マニピュレータ
２ 第１アーム（基部アーム）
３ 第２アーム（基部アーム、回動アーム）
４ 第３アーム（回動アーム）
４ａ 半円すい状溝
５ 第１関節部（マニピュレータ用関節部）
６ 第２関節部（マニピュレータ用関節部）
７、１５ 軸受ユニット
１０ 玉軸受（転がり軸受）
１０ａ 外輪
１０ｂ 内輪
１０ｃ 玉（転動体）
１１ 軸部材
１１ａ 鍔部
１２ ハウジング
１２ａ 環状凸部
１２ｂ 半円すい状溝
１４ ピン（係止部材）
９、１６ 連結ネジ
８、１７ 駆動ワイヤ
１８ 駆動力伝達装置

Claims (3)

1. 基部アーム及び回動アームの端部同士を連結し、前記端部を支点として前記回動アームを回動させるマニピュレータ用関節部であって、
   前記基部アームの前記端部に配設される関節軸と、
   前記回動アームの前記端部に形成されたユニット装着孔と、該ユニット装着孔に嵌合するハウジングと該ハウジングの内部に配設され前記回動アームを前記関節軸に対して回転自在に支持する転がり軸受とを有する軸受ユニットと、を備え、
   前記回動アームと前記ハウジングとは、長手方向における縦断面がテーパー状の係止部材により回転不能に固定され、該係止部材が前記ハウジングの外周面に形成される係止凹部と回動アームのユニット装着孔に形成される係止凹部との間に介在し、両係止凹部は該係止部材の形状に対応する形状となっており、複数本の前記係止部材は、円周方向において所定の間隔で設けられていることを特徴とするマニピュレータ用関節部。
2. 前記係止部材は円すい状の棒材であり、前記の両係止凹部は夫々に該係止部材に対応する半円すい状溝となっていることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ用関節部。
3. 前記軸受ユニットは、前記転がり軸受の内輪に嵌合され、前記関節軸上に固定される軸部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマニピュレータ用関節部。

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