JP2023176477A - グリッパ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分なストロークを有しつつ、サイズを抑えたグリッパ装置を提供する。【解決手段】グリッパ装置１０は、ピストンロッド１８を有するエアシリンダ１２と、ネジ軸２２およびナット２４を有し、前記ピストンロッド１８の直進運動を回転運動に変換する回転出力機構２０と、それぞれにグリッパ爪６０が連結された複数の直動部６２と、前記回転出力機構２０から出力された回転運動を直進運動に変換して複数の前記直動部６２に伝達する直進出力機構４０であって、ピニオンギヤ４２およびラックギヤ４８を有する直進出力機構４０と、を備え、前記ナット２４は、前記ピニオンギヤ４２の内径側に配されており、前記ピストンロッド１８の直進ストロークより、前記直動部６２の直進ストロークのほうが大きい。【選択図】図３

Description

本明細書は、複数のグリッパ爪で対象物を保持するグリッパ装置を開示する。

従来から、複数のグリッパ爪を直進進退させることで、対象物を保持するグリッパ装置が知られている。こうしたグリッパ装置は、例えば、エンドエフェクタとして、ロボットに装着されたり、工作機械の加工室内に設けられたりする。

また、従来から、グリッパ爪を進退させる動力源として、エアシリンダを用いることが広く提案されている。ここで、グリッパ爪のストロークを大きくするために、ロングストロークのエアシリンダを採用した場合、グリッパ装置全体が大型化するという問題があった。

そこで、一部では、エアシリンダとグリッパ爪との間に、複数のギヤを設けることで、グリッパ爪のストロークの拡大を図る技術が提案されている。例えば、特許文献１には、一対のフィンガー体（グリッパ爪に対応）を、エアシリンダで進退させるチャック装置が開示されている。特許文献１において、エアシリンダのピストンには、ラックギヤが形成されており、このラックギヤは、主動ピニオンギヤと噛み合っている。主動ピニオンギヤは、従動軸を介して従動ピニオンギヤに連結されている。さらに、従動ピニオンギヤは、一対のフィンガー体に設けられた従動ラックギヤと噛み合っている。この場合、ピストンの進退に伴い、主動ピニオンギヤおよび従動ピニオンギヤが回転し、これにより、従動ラックギヤおよびフィンガー体が直進進退する。また、特許文献１には、従動ピニオンギヤを主動ピニオンギヤよりもピッチ径を大きく形成すれば、エアシリンダのストロークに比べて、フィンガー体の開閉ストロークを大きく確保できることも記載されている。

実開平３－８２１８５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、グリッパ装置を十分に小型化できなかった。すなわち、特許文献１の構成では、ピストンの直進運動を回転運動に変換する主動ピニオンギヤと、回転運動を従動ラックギヤに伝達する従動ピニオンギヤは、その回転軸方向に大きくズレて配置されている。ここで、主動ピニオンギヤおよび従動ラックギヤの回転軸は、チャック装置の厚み方向と平行である。そのため、特許文献１の構成では、チャック装置の厚み方向寸法が、大きくなりやすかった。

そこで、本明細書では、十分なストロークを有しつつ、サイズを抑えたグリッパ装置を開示する。

本明細書で開示するグリッパ装置は、直進進退するピストンロッドを有するエアシリンダと、前記ピストンロッドに固着されたネジ軸と、前記ネジ軸に螺合されたナットと、を有し、前記ピストンロッドの直進運動を回転運動に変換する回転出力機構と、互いに同期して進退する複数の直動部であって、それぞれにグリッパ爪が連結された複数の直動部と、前記回転出力機構から出力された回転運動を直進運動に変換して複数の前記直動部に伝達する直進出力機構であって、前記ナットと同期して回転するピニオンギヤと、前記ピニオンギヤと噛み合うラックギヤと、を有する直進出力機構と、を備え、前記ナットは、前記ピニオンギヤの内径側に配されており、前記ピストンロッドの直進ストロークより、前記直動部の直進ストロークのほうが大きい、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、ネジ軸のリードおよびピニオンギヤのピッチ円直径等を調整することで、グリッパ爪に関して、十分なストロークを確保できる。また、ナットがピニオンギヤの内径側に配されているため、グリッパ装置のサイズ、特に、グリッパ装置の厚み方向の寸法（すなわち、グリッパ爪の開閉方向と直交する方向）を低減できる。

この場合、前記ピニオンギヤのモジュールをｍ、前記ピニオンギヤの歯数をｚ、前記ネジ軸のリードをＲとした場合、（π・ｍ・ｚ／Ｒ）＞１を満たしてもよい。

かかる構成とすることで、直動部の直進ストロークを、ピストンロッドの直進ストロークよりも確実に大きくできる。

また、前記ピストンロッドの軸方向と、前記ネジ軸の軸方向と、前記ナットの軸方向と、前記ピニオンギヤの回転軸方向は、平行であり、前記ピストンロッドの軸方向は、複数の前記直動部の直進方向と直交しており、前記ピストンロッドの軸方向範囲は、前記ネジ軸の軸方向範囲の少なくとも一部と重複しており、前記ネジ軸の軸方向範囲は、前記ピニオンギヤの軸方向範囲の少なくとも一部と重複していてもよい。

かかる構成とすることで、グリッパ装置の厚み方向の寸法をより低減できる。

本明細書で開示するグリッパ装置によれば、十分なストロークを有しつつ、サイズを抑えることができる。

閉状態のグリッパ装置の斜視図である。 開状態のグリッパ装置の斜視図である。 ケースおよび保護カバーを取り外したグリッパ装置の斜視図である 閉状態のグリッパ装置の断面図である。 開状態のグリッパ装置の断面図である。 図４のＡ－Ａ断面図である。 図５のＢ－Ｂ断面図である。 グリッパ装置を使用したワークの段積みの様子を示す図である。

以下、グリッパ装置１０の構成について図面を参照して説明する。図１は、閉鎖態のグリッパ装置１０の斜視図であり、図２は、開状態のグリッパ装置１０の斜視図である。また、図３は、ケース２８および保護カバー５２を取り外したグリッパ装置１０の斜視図である。さらに、図４、図５は、グリッパ装置１０の断面図であり、図６は、図４のＡ－Ａ断面図であり、図７は、図５のＢ－Ｂ断面図である。

本例のグリッパ装置１０は、１２０度間隔で配置された三つのグリッパ爪６０を有しており、この三つのグリッパ爪６０を互いに直進進退させることで対象物を保持する。なお、以下では、グリッパ爪６０の進退方向を「爪開閉方向」と呼び、三つのグリッパ爪６０の進退方向に対して直交する方向を、グリッパ爪６０の「厚み方向」と呼ぶ。かかるグリッパ装置１０は、例えば、エンドエフェクタとして多関節ロボットに装着されたり、工作機械において、工具やワークを搬送するためのアクチュエータに装着されたりする。

三つのグリッパ爪６０を動かすために、グリッパ装置１０は、エアシリンダ１２と、回転出力機構２０と、直進出力機構４０と、直動部６２と、を有している。エアシリンダ１２は、グリッパ爪６０を動かす動力源である。図４、図５に示す通り、エアシリンダ１２は、シリンダチューブ１４と、当該シリンダチューブ１４内で直進進退するピストン１６と、ピストン１６からシリンダチューブ１４の外側まで突出するピストンロッド１８と、を有する。そして、一般的なエアシリンダ１２と同様に、シリンダチューブ１４にエアを供給またはシリンダチューブ１４からエアを排出することで、ピストン１６およびピストンロッド１８が直進進退する。

ピストンロッド１８の進退方向（すなわちピストンロッド１８の軸方向）は、グリッパ爪６０の進退方向（ひいては直動部６２の軸方向）に対して直交している。すなわち、ピストンロッド１８の進退方向は、グリッパ装置１０の厚み方向と平行である。

なお、シリンダチューブ１４の周面には、連結部７０が、固着されている。連結部７０は、ロボットやアクチュエータに連結される部位である。連結部７０には、一般的なジョイント機構が設けられている。連結部７０の上部には、ロボット等から取り外されたグリッパ装置１０を吊り保持する際に利用される係止溝７２が形成されている。

回転出力機構２０は、ピストンロッド１８の直進運動を回転運動に変換する。かかる回転出力機構２０は、ネジ軸２２と、ナット２４と、を有する。ネジ軸２２は、その外周面に雄ネジが形成された軸部材である。ネジ軸２２には、その軸方向に貫通する孔が形成されており、当該孔にピストンロッド１８の末端が挿し込まれて、固着されている。したがって、ネジ軸２２の軸方向は、ピストンロッド１８の軸方向と平行であり、ネジ軸２２は、ピストンロッド１８とともに直進進退する。

このネジ軸２２には、回り止め２６が固着されている。回り止め２６の外周面には、径方向外側に突出する複数の突起（図示せず）があり、ケース２８の内面には、この突起を受け入れる溝（図示せず）が形成されている。換言すれば、回り止め２６は、ケース２８の内面に周方向に係合している。そして、これにより、回り止め２６およびネジ軸２２は、軸方向への進退が許容される一方で、その回転が禁止される。

ネジ軸２２の雄ネジには、ナット２４が螺合している。ナット２４は、連結ボルト４４によりピニオンギヤ４２に連結されており、ピニオンギヤ４２は、ベアリング４６により、保護カバー５２に対して回転可能に支持されている。したがって、ナット２４は、回転可能である一方で、軸方向への移動が禁止されている。そのため、ネジ軸２２が、軸方向に直進進退した場合、ナット２４は、軸方向に移動することなく回転する。つまり、ナット２４は、ピストンロッド１８の直進運動を回転運動に変換する。

直進出力機構４０は、回転出力機構２０から出力された回転運動を直進運動に変換して三つの直動部６２に伝達する。かかる直進出力機構４０は、一つのピニオンギヤ４２と、三つのラックギヤ４８と、を有する。ピニオンギヤ４２は、上述した通り、ナット２４に連結され、ナット２４とともに回転する歯車である。このピニオンギヤ４２の中央には、軸方向に貫通する孔が形成されており、この孔に、ナット２４、ネジ軸２２、および、ピストンロッド１８の一部が進入している。別の見方をすると、ナット２４は、ピニオンギヤ４２の内径側に配されている。

図６、図７に示す通り、ピニオンギヤ４２の周囲には、三つの直動部６２が、１２０度間隔で配置されている。各直動部６２は、シャフト状の部材であり、その基端の周面には、当該直動部６２の軸方向に延びるラックギヤ４８が形成されている。ピニオンギヤ４２は、このラックギヤ４８と噛み合っている。そのため、ピニオンギヤ４２が回転すると、ラックギヤ４８、ひいては、直動部６２が、ピニオンギヤ４２の接線方向（換言すれば爪開閉方向）に直進進退する。なお、保護カバー５２の内部には、この直動部６２が挿入されるガイド穴５４が形成されている。直動部６２は、ガイド穴５４にガイドされて、直進進退する。

直動部６２の末端（すなわち、ラックギヤ４８と反対側の端部）には、グリッパ爪６０が取り付けられている。したがって、ピストンロッド１８が直進進退することで、ナット２４およびピニオンギヤ４２が回転し、直動部６２およびグリッパ爪６０が直進進退する。

ここで、これまでの説明で明らかな通り、本例では、グリッパ爪６０を動かすための動力源として、エアシリンダ１２を用いている。この場合、電動や油圧の動力源に比べて、グリッパ装置１０のロボットやアクチュエータへの着脱が容易になる。すなわち、本例のグリッパ装置１０は、工作機械の加工室内で用いることを想定しているが、通常、加工室内では、切削水や切粉が舞うことが多い。そのため、電動式を用いた場合、電気接点が切削水で短絡したり、腐食したりするおそれがある。また、油圧式では、作動油が漏れたり、油圧回路に空気が入りこんだりするおそれがある。一方、エアシリンダ１２を利用する空圧式の場合、こうした問題が生じないため、空圧回路の接続が容易に行える。

また、通常、一つの工作機械は、様々な大きさのワークを取り扱う。また、同じワークであっても、加工前の素材の状態から加工後の製品の状態へと、大きく形を変化させる。そのため、工作機械とともに用いられるグリッパ装置１０は、ストロークが大きいことが求められる。そこで、本例では、ネジのリードピッチおよびピニオンのモジュールを調整することで、直進部の直進ストロークをピストンロッド１８の直進ストロークより大きくしている。

具体的に説明すると、ピストンロッド１８の直進ストロークをＳ、ネジ軸２２のリードをＲとした場合、ナット２４の回転角θｎは、θｎ＝２・π・Ｓ／Ｒとなる。一方、直動部６２の直進ストロークＬは、ピニオンギヤ４２のモジュールをｍ、ピニオンギヤ４２の歯数をｚとすれば、Ｌ＝ｍ・ｚ・θｎ／２＝π・ｍ・ｚ・Ｓ／Ｒとなる。したがって、Ｌ＞Ｓとするためには、（π・ｍ・ｚ・Ｓ／Ｒ）＞Ｓ、ひいては、（π・ｍ・ｚ／Ｒ）＞１とすればよい。

なお、（ｍ・ｚ）は、ピニオンギヤ４２のピッチ円直径である。したがって、例えば、ピストンロッド１８のストロークＳを変えずに、グリッパ爪６０のストロークを増やしたい場合は、ネジ軸２２のリードＲを小さくする、あるいは、ピニオンギヤ４２のピッチ円直径を大きくすればよい。なお、モジュールｍが小さければ、ピッチ円直径を大きくしても、ピニオンギヤ４２のサイズの拡大、ひいては、グリッパ装置１０のサイズ拡大を小さく抑えることができる。

また、グリッパ装置１０は、コンパクトであることも求められる。特に、グリッパ装置１０が工作機械の加工室で使用される場合において、グリッパ装置１０のサイズが大きいと、当該グリッパ装置１０が、主軸や刃物台等の他部材と干渉するおそれがある。また、グリッパ装置１０の厚み方向寸法が大きい場合、ワークを積層する作業が制限される。これについて図８を参照して説明する。

工作機械では、図８に示すように、ロボット１００を使用して、複数のワーク１１０を積層することがある。この場合、複数のワーク１１０は、その厚み方向に重ねられる。ロボット１００には、グリッパ装置１０が取り付けられており、グリッパ装置１０は、グリッパ装置１０の厚み方向と、ワーク１１０の厚み方向と、が略平行になる姿勢でワーク１１０を把持する。

ここで、図８のグリッパ装置１０ａとグリッパ装置１０ｂとの比較から明らかな通り、厚み方向寸法が小さいグリッパ装置１０ｂの方が、厚み方向寸法が大きいグリッパ装置１０ａよりも、グリッパ爪６０を積層方向上側に配置できる。そのため、ワーク１１０の厚み方向の寸法が小さいほど、積層できるワーク１１０の個数が多くなる。

本例では、グリッパ装置１０の厚み方向寸法を小さく抑えるため、ナット２４をピニオンギヤ４２の内径側に配置している。別の見方をすれば、本例では、ナット２４の軸方向範囲を、ピニオンギヤ４２の軸方向範囲の少なくとも一部と重複させている。ナット２４およびピニオンギヤ４２の軸方向は、厚み方向と平行であるため、両者の軸方向範囲を重複させることで、グリッパ装置１０の厚み方向寸法を小さく抑えることができる。さらに、本例では、ピストンロッド１８の軸方向範囲を、ネジ軸２２の軸方向範囲の少なくとも一部と重複させ、ネジ軸２２の軸方向範囲を、ピニオンギヤ４２の軸方向範囲の少なくとも一部と重複させている。これにより、グリッパ装置１０の厚み方向寸法をより低減できる。

なお、これまで説明した構成は一例であり、適宜変更されてもよい。例えば、グリッパ爪６０の個数は、二つでもよいし、四つ以上でもよい。また、グリッパ爪６０の形状も適宜変更されてもよい。また、本例では、ピストンロッド１８とネジ軸２２とを別部材としているが、両者は一体化されてもよい。すなわち、ピストンロッド１８の末端に、ネジ軸２２として機能する雄ネジを形成してもよい。ただし、この場合、専用のピストンロッド１８を製作する必要がある。したがって、汎用的なエアシリンダ１２を使用する場合には、ピストンロッド１８とネジ軸２２とを別部材とすればよい。かかる構成とすれば、目的に応じてチューブ径の異なるエアシリンダ１２に交換することも容易となり、グリッパ装置１０の把持力を容易に変更できる。また、ナット２４およびピニオンギヤ４２も別部材で構成する必要はなく、ナット２４の外周面にピニオンギヤ４２として機能する歯を形成してもよい。

１０ グリッパ装置、１２ エアシリンダ、１４ シリンダチューブ、１６ ピストン、１８ ピストンロッド、２０ 回転出力機構、２２ ネジ軸、２４ ナット、２６ 回り止め、２８ ケース、４０ 直進出力機構、４２ ピニオンギヤ、４４ 連結ボルト、４６ ベアリング、４８ ラックギヤ、５２ 保護カバー、５４ ガイド穴、６０ グリッパ爪、６２ 直動部、７０ 連結部、７２ 係止溝、１００ ロボット、１１０ ワーク。

Claims (3)

1. 直進進退するピストンロッドを有するエアシリンダと、
   前記ピストンロッドに固着されたネジ軸と、前記ネジ軸に螺合されたナットと、を有し、前記ピストンロッドの直進運動を回転運動に変換する回転出力機構と、
   互いに同期して進退する複数の直動部であって、それぞれにグリッパ爪が連結された複数の直動部と、
   前記回転出力機構から出力された回転運動を直進運動に変換して複数の前記直動部に伝達する直進出力機構であって、前記ナットと同期して回転するピニオンギヤと、前記ピニオンギヤと噛み合うラックギヤと、を有する直進出力機構と、
   を備え、前記ナットは、前記ピニオンギヤの内径側に配されており、
   前記ピストンロッドの直進ストロークより、前記直動部の直進ストロークのほうが大きい、
   ことを特徴とするグリッパ装置。
2. 請求項１に記載のグリッパ装置であって、
   前記ピニオンギヤのモジュールをｍ、前記ピニオンギヤの歯数をｚ、前記ネジ軸のリードをＲとした場合、（π・ｍ・ｚ／Ｒ）＞１を満たす、ことを特徴とする、グリッパ装置。
3. 請求項１または２に記載のグリッパ装置であって、
   前記ピストンロッドの軸方向と、前記ネジ軸の軸方向と、前記ナットの軸方向と、前記ピニオンギヤの回転軸方向は、平行であり、
   前記ピストンロッドの軸方向は、複数の前記直動部の直進方向と直交しており、
   前記ピストンロッドの軸方向範囲は、前記ネジ軸の軸方向範囲の少なくとも一部と重複しており、
   前記ネジ軸の軸方向範囲は、前記ピニオンギヤの軸方向範囲の少なくとも一部と重複している、
   ことを特徴とする、グリッパ装置。