JP2012166325A

JP2012166325A - マニピュレータ用関節部

Info

Publication number: JP2012166325A
Application number: JP2011031271A
Authority: JP
Inventors: Toru Nanasawa; 透七澤; Naoto Horiuchi; 直人堀内
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】作業効率の向上と組立て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】軸受ユニット８のハウジング１４には、ハウジング１４の回転中心Ｏ２を通り径方向に延びる直線と略直交する平坦面１４ｂが形成され、回動アームのユニット装着孔７には、外径側に窪む係止凹部７ａが形成されている。ハウジング１４の平坦面１４ｂとユニット装着孔７の係止凹部７ａとの間には、板状の係止部材３０が設けられて、ハウジング１４がユニット装着孔７に回転不能に固定される。
【選択図】図３

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、小型化が必要なマニピュレータ用関節部に採用するのは困難である。

一方、特許文献２には、マニピュレータ用関節部が開示されている。この特許文献２に記載のマニピュレータ用関節部は、転がり軸受のハウジングと回動アームとの取り付けについて具体的な記載はないが、接着剤で固定されていると考えられる。

特開２００６−３２９４２０号公報特開２０１０−５８７号公報

しかしながら、接着剤を使用した場合、その雰囲気温度や使用条件によってはアウトガスを発生することが知られており、人に身近な存在であるパートナーロボットや家事ロボットに使用される際の妨げになることが想定される。

また、このマニピュレータ用関節部に不具合が生じてしまった場合、関節部から転がり軸受単体を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改善の余地があった。

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、作業効率の向上と組立てコストの低減化を図ることができるとともに、環境に優しく且つ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、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に取り付けられる円筒状のハウジングと、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複列の転がり軸受と、を有する軸受ユニットと、を備え、
前記ハウジングの外周面には、該ハウジングの回転中心を通り径方向に延びる直線と略直交する平坦面が形成されており、
前記ユニット装着孔には、外径側に窪むように係止凹部が形成されており、
前記ハウジングの平坦面と前記ユニット装着孔の係止凹部との間には、板状の係止部材が設けられ、前記ハウジングが前記ユニット装着孔に回転不能に固定されることを特徴とするマニピュレータ用関節部。
（２）前記軸受ユニットは、前記複列の転がり軸受の内輪に嵌合され、前記関節軸が同軸上に固定されるスリーブをさらに備えていることを特徴とする（１）記載のマニピュレータ用関節部。
（３）前記回動アームは、前記転がり軸受の内輪の材料及び外輪の材料よりも線膨張係数の大きな材料から構成され、
前記関節軸は、前記スリーブの材料よりも線膨張係数の大きな材料から構成されていることを特徴とする（２）に記載のマニピュレータ用関節部。

本発明によれば、ハウジングの平坦面とユニット装着孔の係止凹部との間には、板状の係止部材を設けることで、ハウジングをユニット装着孔に回転不能に固定することができる。これにより、接着剤固定に比べて環境に優しく低コストなマニピュレータ用関節部を構成することができる。また、過大な荷重や衝撃荷重が加わっても円滑に可動することができるとともに、軸受ユニットは係止部材だけで回動アームに固定されるので、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である。本発明の一実施形態のマニピュレータ用関節部を示す要部断面図である。図２のマニピュレータ用関節部の側面図である。回動アームの斜視図である。軸受ユニットの斜視図である。板状部材の斜視図である。

以下、本発明のマニピュレータ用関節部の一実施形態を、図１〜図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、先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の先端部及び第２アーム３の後端部を連結している第１関節部５と、第２アーム３の先端部及び第３アーム４の後端部を連結している第２関節部６とを備えている。

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及び図３に示すように、第３アーム４の後端部に形成したユニット装着孔７に嵌合する軸受ユニット８と、この軸受ユニット８の回転中心Ｐ位置に装着され、第２アーム３の先端部に形成した連結板３ｃに配設される連結ネジ９と、を備え、軸受ユニット８の外周に掛け渡された駆動ワイヤ１０を駆動力伝達装置１１で引っ張ることにより、軸受ユニット８を介して第３アーム４を連結ネジ９（回転中心Ｐ）回りに回動可能に構成されている。

ユニット装着孔７は、図４に示すように、第３アーム４の長手方向に対して直交する方向に略円形に開口するとともに、略円形の開口の一部が外径側に窪むように係止凹部７ａが形成されている。係止凹部７ａは、ユニット装着孔７の中心線Ｏ１に沿って一端側から他端側まで軸方向に伸びている。

図２に戻って、軸受ユニット８は、２つの玉軸受１２，１３と、単一のハウジング１４と、単一のスリーブ１５とを一体化した部品である。

２つの玉軸受のうち一方の玉軸受１２は、外輪１２ａ及び内輪１２ｂと、外輪１２ａの軌道溝及び内輪１２ｂの軌道溝間に転動自在に配設された多数の玉１２ｃと、外輪１２ａ及び内輪１２ｂの間の軸方向の両端部を閉塞する環状シール体１２ｄとを備えている。また、他方の玉軸受１３も、一方の玉軸受１２と同一形状の外輪１３ａ及び内輪１３ｂと、外輪１３ａの軌道溝及び内輪１３ｂの軌道溝間に転動自在に配設された多数の玉１３ｃと、外輪１３ａ及び内輪１３ｂの間の軸方向の両端部を閉塞する環状シール体１３ｄとを備えている。

外輪１２ａ，１３ａ、内輪１２ｂ，１３ｂ及び玉１２ｃ，１３ｃ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、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 等）を採用してもよい。

ハウジング１４は、２つの玉軸受１２，１３の外輪１２ａ，１３ａを内嵌し、第３アーム４のユニット装着孔７の内周面に嵌合する円筒形状の部材である。より具体的に、ハウジング１４は、その内部が延出方向に沿って中空を成す円筒状に構成されており、その内周面の略中央部に周方向に沿って環状凸部１４ａが設けられている。また、外周面には、図５に示すように、ハウジング１４の回転中心Ｏ２を通り径方向に延びる直線Ｌと略直交する平坦面１４ｂが形成される。この平坦面１４ｂは、軸方向一端部から他端部に亘って延びており、このハウジング１４を軸方向から見ると略Ｄ字形状の外観をなしている。

このハウジング１４を第３アーム４のユニット装着孔７に、平坦面１４ｂが係止凹部７ａと径方向で対向するように周方向の位置をあわせて配置すると、平坦面１４ｂと係止凹部７ａとにより、軸方向に延びる略四角柱状の空間が形成される。この空間には、図６に示す板状の係止部材３０が圧入されている。

スリーブ１５は、玉軸受１２，１３の内輪１２ｂ，１３ｂ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（図２中下側）に外径側に突出する鍔部１５ａが形成されている。なお、鍔部１５ａは必ずしも設ける必要はないが、鍔部１５ａ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１２、１３の外輪１２ａ，１３ａ及び内輪１２ｂ，１３ｂ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はスリーブ１５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１２、１３から発生する熱により軸受１２、１３の内外輪１２ｂ，１３ｂ、１２ａ，１３ａが膨張しても剛性を確保することができる。

駆動ワイヤ１０は、その先端部が第３アーム４の外周に固定されたワイヤ止め部材１６に係止されているとともに、第２アーム３を構成する大径部３ｂの内部空間を通過し、小径部３ａの内部空間に配置したプーリ１７に係合した後に、第１アーム２の内部空間に延在し、第１アーム２の外部に配置した駆動力伝達装置１１に連結されている。

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説明する。
まず、２つの軸受１２、１３の外輪１２ａ，１３ａ間に環状凸部１４ａを介在させて、ハウジング１４の内周面に各外輪１２ａ，１３ａを圧入固定した状態で、軸方向一方側（図２中下側）から内輪１２ｂ，１３ｂにスリーブ１５を内嵌させて軸受ユニット８を組み付ける。このとき、軸受１３の内輪１３ｂは、スリーブ１５の鍔部１５ａに当接する。

そして、第３アーム４のユニット装着孔７に軸受ユニット８を軸方向一方側から挿入する。このとき、ハウジング１４の平坦面１４ｂと、ユニット装着孔７の係止凹部７ａとが径方向で対向するように周方向位置をあわせて配置する。この状態で、平坦面１４ｂと係止凹部７ａとにより形成された略四角柱状の空間に係止部材３０を圧入することで、ユニット装着孔７にハウジング１４が回転不能に固定される。即ち、第３アーム４に軸受ユニット８が固定される。

続いて、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８のスリーブ１５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。

第１アーム２及び第２アーム３を連結している第１関節部５も、詳細には説明しないが、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１２，１３を内蔵した軸受ユニット１８と、この軸受ユニット１８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１９と、を備え、軸受ユニット１８の外周に掛け渡された駆動ワイヤ２０を前述した駆動力伝達装置１１で引っ張ることにより、軸受ユニット１８を介して第２アーム３を連結ネジ１９回りに回動可能に構成されている。なお、第１関節部５についても第２関節部６と同様に、第２アーム３のユニット装着孔に軸受ユニット１８のハウジングを係止部材で固定するように構成してもよい。

ここで、図１に示すマニピュレータ１には、詳細には図示しないが、第１関節部５に、駆動ワイヤ２０の引張力により軸受ユニット１８が回動する方向に対して軸受ユニット１８を逆方向（図１の符号Ｙ１で示す方向）に回動させようとする力を発生させる反力部材（例えばバネ等の弾性部材）が内蔵されているとともに、第２関節部６にも、駆動ワイヤ１０の引張力により軸受ユニット８が回動する方向に対して軸受ユニット８を逆方向（図１の符号Ｙ２で示す方向）に回動させようとする力を発生させる反力部材（例えばバネ等の弾性部材）が内蔵されている。

上記構成のマニピュレータ１は、駆動力伝達装置１１の駆動により駆動ワイヤ２０に引張力を付与すると、軸受ユニット１８の２つの玉軸受１２，１３に支持されたハウジング１４がスムーズに連結ネジ１９回りに回動するので、第２アーム３が、図１に示すＹ１方向に対して逆方向に所定角度まで高精度に回動する。また、駆動力伝達装置１１の駆動により駆動ワイヤ１０に引張力を付与すると、軸受ユニット８の２つの玉軸受１２，１３に支持されたハウジング１４がスムーズに連結ネジ９回りに回動するので、第３アーム４が、図１に示すＹ２方向に対して逆方向に所定角度まで高精度に回動する。また、駆動力伝達装置１１の駆動を解除して駆動ワイヤ２０を所定量だけ戻すと、第２アーム３は反力部材の力によりＹ１方向に所定角度まで回動する。さらに、駆動力伝達装置１１の駆動を解除して駆動ワイヤ１０を所定量だけ戻すと、第２アーム３は反力部材の力によりＹ２方向に所定角度まで回動する。

以上説明したように、本実施形によれば、第３アーム４と軸受ユニット８を係止部材３０で固定することができるので、接着剤固定に比べて環境に優しく低コストなマニピュレータ用関節部を構成することができる。

また、過大な荷重や衝撃荷重が加わっても円滑に可動することができるとともに、軸受ユニットは係止部材３０だけで回動アームに固定されるので、故障時又はメンテナンス時の軸受交換が容易となる。さらに、ハウジング１４と係止部材３０との係合面は平坦面なので、ハウジング１４の加工が容易である。

また、軸受ユニット８は、単一のハウジング１４と単一のスリーブ１５との間に２つの玉軸受１２，１３が組み込まれた部材であり、マニピュレータ１の組立て作業時には玉軸受１２，１３の難しい取付けが不要となるので、さらに組立てコストの低減化を図ることができる。また、故障時又はメンテナンス時の軸受１２、１３の交換が容易である。そのほか、ハウジング１４自体をユニット装着孔７に圧入する場合に比べて交差の管理が容易である。

なお、上記各実施形態の関節部で使用した転がり軸受は、外輪、内輪、転動体、保持器等の構成は、上記各態様の実施の形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。

例えば、係止凹部７ａと係止部材３０の形状は上記実施形態に限定されず、係止凹部７ａは、ハウジング１４の平坦面１４ｂと対向する底面が軸方向一端側から他端側に向かって傾斜する傾斜面で構成され、係止部材３０係止凹部７ａの傾斜面に対応するように傾斜面を有するように構成してもよい。

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）
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ユニット装着孔
７ａ係止凹部
８、１８軸受ユニット
９、１９連結ネジ（関節軸）
１４ハウジング
１４ｂ平坦面
１５スリーブ
３０係止部材

Claims

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に取り付けられる円筒状のハウジングと、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複列の転がり軸受と、を有する軸受ユニットと、を備え、
前記ハウジングの外周面には、該ハウジングの回転中心を通り径方向に延びる直線と略直交する平坦面が形成されており、
前記ユニット装着孔には、外径側に窪むように係止凹部が形成されており、
前記ハウジングの平坦面と前記ユニット装着孔の係止凹部との間には、板状の係止部材が設けられ、前記ハウジングが前記ユニット装着孔に回転不能に固定されることを特徴とするマニピュレータ用関節部。
前記軸受ユニットは、前記複列の転がり軸受の内輪に嵌合され、前記関節軸が同軸上に固定されるスリーブをさらに備え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。
前記回動アームは、前記転がり軸受の内輪の材料及び外輪の材料よりも線膨張係数の大きな材料から構成され、
前記関節軸は、前記スリーブの材料よりも線膨張係数の大きな材料から構成されていることを特徴とする請求項２に記載のマニピュレータ用関節部。