JP3233103U - ロボット関節アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット関節アクチュエータを構成するシリンダに内蔵されるピストンを回転運動させることにより、円滑作動と正確なブレーキ機能を実現し、ロボット腕、ロボット下肢の関節として適用され、正確かつ精緻な関節機能を発揮することができるロボット関節アクチュエータを提供する。【解決手段】流体圧シリンダは、筒状のシリンダチューブと、該シリンダチューブの一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレートと、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレートとを備え、前記シリンダチューブ内には、前記アウトプレートから前記シリンダチューブ内に差し込まれた流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトに回転自在に取り付けられた流体圧ピストンと、該流体圧ピストンに接続された外部出力用の回転ピストンが内蔵されていることを特徴とするロボット関節アクチュエータ１１１。【選択図】図３５

Description

この考案は、ロボット腕、ロボット下肢の関節として適用され、正確かつ精緻な関節機能を発揮することができるロボット関節アクチュエータに関するものである。

近時の産業の発展にともない、各種生産工場、製造工場の技術水準が高度化し、作業工程も複雑化しており、人の作業を代替する手段として、様々な産業用ロボットが利用されてきている。その中でも、製造現場で利用される産業用ロボットとして多軸・多関節の制御式ロボット腕があり、高度な反復行動や正確かつ精緻な作業が実現でき、産業上の重要な役割を担うようになっている。
また、上記のロボット腕に限らず、二足歩行ロボット等の人体を模したロボットや、人体の一部分の機能を備えたものとして例えばロボット下肢も提案されている。

上記ロボット腕、ロボット下肢は、軸方向回転動作と左右振り動作が主な機能となっており、人体を動作モデルとして、複数の関節部分が連結した動きを備えている。そして、この関節の機構こそがロボット腕、ロボット下肢の動作における最も重要な機構であって、この関節部分の機構の開発が盛んに行われており、油圧シリンダ、空気圧シリンダ、電動シリンダ等を備えたロボット関節アクチュエータが提案されてきている。

例えば、特開２００９−２３３７９０号公報（特許文献１参照）には、一つの駆動手段が設けられた固定部材と、前記固定部材に固定ヒンジ部を介して一端が接続され、前記駆動手段によって前記固定ヒンジ部を中心として回動される基端部材と、前記基端部材の他端側に設けられた第１ヒンジ部に一端が接続されて前記第１ヒンジ部を中心に回動可能に配置された中間部材と、前記中間部材の他端側に設けられた第２ヒンジ部に一端が接続されて前記第２ヒンジ部を中心に回動可能に配置された先端部材と、前記基端部材と、前記中間部材と前記先端部材の少なくともいずれか一方とを連結するとともに、前記駆動手段の押圧力を前記基端部材と前記連結された部材とに分配して伝達する第１リンク部材と、前記基端部材と前記先端部材とを連結し、前記中間部材の回動に連動して前記先端部材を前記第２ヒンジ部回りに回動させる第２リンク部材と、を備え、一つの前記駆動手段により、これら基端部材、中間部材及び先端部材の３つの可動部材が、前記固定ヒンジ部、前記第１ヒンジ部及び前記第２ヒンジ部の３つのヒンジ部回りにそれぞれ回動される構成とされていることを特徴とするロボットの関節構造が開示されている。

また、特開平８−２１９１１６号公報（特許文献２参照）においては、シリンダに内蔵されるピストンを物理的な接触により停止させるブレーキ装置として、エァーシリンダのピストンロッドの外周にブレーキ部材を取り付け、該ブレーキ部材がピストンロッド中心から偏心した点を中心として回転できるようにしたブレーキ装置に於て、該ブレーキ部材をピストンロッド外周に部分的に接させることにより該ブレーキ部材の回転に平行な反力の大半を取り除き直角な反力を増大させ、且つ、該ブレーキ部材を電磁ソレノイドで操作することを特徴としたエァーシリンダ用緊急停止装置が開示されている。

また、特開平３−２２３５０６号公報（特許文献３参照）においては、流体圧シリンダに内蔵されるピストンの往復運動を、双方エア送り込みポートを同時に加圧して減速させるの停止装置として、シリンダと、該シリンダ内を往復移動するピストンと、該ピストンにより区分けされる排気室及び加圧室と、ピストンに連設されるロッド及び該ロッド内部へ出入りし、且、ピストンに螺合するネジ付回転軸と、該ネジ付回転軸に備えるブレーキ手段と排気室及び／又は加圧室へ作動空気を供給する空気圧給排手段と、排気室及び加圧室と空気圧給排手段との間に介在させる減速手段とから構成された中間位置停止空気圧シリンダ装置が開示されている。

特開２００９−２３３７９０号公報 特開平８−２１９１１６号公報 特開平３−２２３５０６号公報

上記特許文献１のように、ロボット関節アクチュエータとして適用される電動シリンダは、電気モータを使用して回転制御する設計が主であり、電力事情の安定した昨今の製造現場においては主なロボット関節アクチュエータとして大きな役割を果たしているものである。しかし、前記電動シリンダはその性質上、防水・防爆機能を付随させることが困難であった。
また、特許文献２のようにシリンダに内蔵されるピストンを物理的な接触により任意の中間位置で停止させる場合、物理的な接触による部品の摩耗が生じるため、耐久性に乏しく、交換修理などのコストがかさむ傾向にある。
さらに特許文献３のように、双方エアポートの同時加圧によるピストンの停止についても、ピストンの往復運動を前提としているため、ピストンの往復運動に伴い慣性が働くため、物理的接触を伴わない双方エア加圧方式ではピストンの停止位置にムラが生じて正確性に欠けるものとなっていた。
さらに、電動シリンダに限らず、現在の主なロボット関節アクチュエータに適用されるシリンダは、いわゆる直線運動式のものであり、シリンダ内のピストンの往復運動を前提としており、小ストロークで高出力を得ることが困難でもあった。

そこで本考案は、上述の既存の動力シリンダが内包していた問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、ロボット関節アクチュエータを構成するシリンダに内蔵されるピストンを回転運動させることにより、円滑作動と正確なブレーキ機能を実現し、ロボット腕、ロボット下肢の関節として適用され、正確かつ精緻な関節機能を発揮することができるロボット関節アクチュエータを提供することにある。

すなわち、本考案に係るロボット関節アクチュエータは、流体圧シリンダからなるロボット関節アクチュエータであって、前記流体圧シリンダは、筒状のシリンダチューブと、該シリンダチューブの一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレートと、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレートとを備え、前記シリンダチューブ内には、前記アウトプレートから前記シリンダチューブ内に差し込まれた流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトに回転自在に取り付けられた流体圧ピストンと、該流体圧ピストンに接続された外部出力用の回転ピストンが内蔵されており、前記アウトプレートに設けた流体送り込み正転ポートから前記シリンダチューブ内に流体を送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ内を前進するとともに、前記流体圧ピストンに接続された回転ピストンを回転させ、前記シリンダチューブの前記ヘッドプレート側の周壁に設けた流体送り込み逆転ポートから前記シリンダチューブ内に流体を送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ内を後退するとともに、前記流体圧ピストンに接続された回転ピストンを逆方向に回転させ、前記流体送り込み正転ポートと前記流体送り込み逆転ポートを同時に閉止することにより、前記流体圧ピストンを前記シリンダチューブ内の任意の中間位置に停止させて前記回転ピストンの回転位置を任意の位置で停止することができるようにしたことを特徴とするものである。

本考案に係るロボット関節アクチュエータにおいて、前記流体圧ピストンが、前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトと対応する位置に流体圧ピストン回転駆動ネジナットを備えるとともに、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットのネジ山の頂部と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ山の頂部とを近接させることで、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットと前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトの双方のネジ形状から形成される略菱形の中空部に、流体圧ピストン回転駆動ネジボウルを複数配置することにより、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前進または後退する際の摩擦を低減させ、エネルギー効率を高めたことをも特徴とするものである。

本考案に係るロボット関節アクチュエータにおいて、前記回転ピストンは、長さ方向の中央部分に中央フランジ部を形成するとともに、前記中央フランジ部から前記ヘッドプレート側に形成した露出先端部と、前記中央フランジ部から前記流体圧ピストン側に形成した接続端部とからなり、前記回転ピストンは、前記ヘッドプレートの前記シリンダチューブ内側に回転自在に取り付けられ、前記流体圧ピストンは、前記回転ピストンと対応する位置に流体圧ピストン軸受けベアリングを備えるとともに、前記流体圧ピストン軸受けベアリングには係合溝を設けてあり、前記回転ピストンの接続端部の周壁に設けた係合突起が、前記流体圧ピストン軸受けベアリングの係合溝に係合することにより、前記流体圧ピストンが回転しながら前進または後退する際に前記係合溝に係合した前記係合突起を介して、前記回転ピストンが前記流体圧ピストンの回転運動と連動して回転するようにしたことをも特徴とするものである。

本考案に係るロボット関節アクチュエータにおいて、前記流体送り込み正転ポートまたは前記流体送り込み逆転ポートから前記シリコンチューブ内に送り込まれる流体が空気からなる空気圧式または油分からなる油圧式であることをも特徴とするものである。

本考案のロボット関節アクチュエータは、流体圧シリンダからなり、該流体圧シリンダのシリンダチューブ内に、回転しながら前進または後退の往復運動を行うことができる流体圧ピストンと、前記流体圧ピストンの回転運動と連動して回転する回転ピストンとを備えてなるものである。前記シリンダチューブ内に流体を送り込んで加圧した際には、前記流体圧ピストンは、回転しながら前進または後退し、その回転運動を前記回転ピストンに伝えることにより、微小の回転であっても高トルクを実現することができる。
また、流体に空気圧式または油圧式を採用してあり、電動シリンダでは困難な防水・防爆機能も問題なく付随させることができ、安心・安全に運用することができる。
さらに、前記流体圧ピストンの前進または後退の運動が、回転運動を伴うものとしたことにより、前記シリンダチューブ内への流体の送り込みを停止させた際に、前記流体圧ピストンの前進または後退を直ちに停止させることができる。したがって、前記流体圧ピストンを任意の中間位置において停止位置のずれを生じさせることなく直ちに停止させることができ、前記流体圧ピストンに接続された回転ピストンの回転運動を非常に高精度に回転制御することができる。

本考案のロボット関節アクチュエータの第１の実施例を示す概略斜視図である。 その概略断面斜視図である。 その概略透視斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、ヘッドプレート部分の分解状態を示す概略斜視図である。 その概略断面斜視図である。 その組付け途中を示す概略断面斜視図である。 さらに組付けを進めた状態を示す概略断面斜視図である。 そのヘッドプレート部分の組付けが完了した状態を示す概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、流体圧ピストン部分の分解状態を示す概略斜視図である。 その概略断面斜視図である。 その組付け途中を示す概略断面斜視図である。 その流体圧ピストン部分の組付けが完了した状態を示す概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、アウトプレート部分の分解状態を示す概略斜視図である。 その概略断面斜視図である。 そのアウトプレート部分の組付けが完了した状態を示す概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、シリンダチューブを示す概略斜視図である。 その概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、ヘッドプレート部分、シリンダチューブ、流体圧ピストン部分、アウトプレート部分の組付け前を示す概略斜視図である。 そのヘッドプレート部分とシリンダチューブ分を組付けるとともに、流体圧ピストン部分とアウトプレート部分を組付けた状態を示す概略断面斜視図である。 そのヘッドプレート部分およびシリンダチューブと、流体圧ピストン部分およびアウトプレート部分とを組付けた状態を示す概略断面斜視図である。 さらに、回転ピストンの露出先端部に膝軸取付プレートを取り付けようとする状態を示す概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例の組付けが完了した状態を示す概略断面斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における動作の行程を示し、まず流体送り込み正転ポートに流体を送り込もうとする状態を示す概略断面図である。 さらに流体送り込み正転ポートに流体を送り込み、流体圧ピストン部分が回転しながら前進し始めた状態を示す概略断面図である。 さらに流体送り込み正転ポートに流体を送り込み、流体圧ピストン部分が回転しながら前進している状態を示す概略断面図である。 さらに流体送り込み正転ポートに流体を送り込み、流体圧ピストン部分が回転しながら前進している状態を示す概略断面図である。 流体送り込み正転ポートからの流体の送り込みを停止して、流体圧ピストンが停止した状態を示す概略断面図である。 流体送り込み逆転ポートに流体を送り込み、流体圧ピストン部分が回転しながら後退し始めた状態を示す概略断面図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第２の実施例を示し、シリコンチューブの周壁に腰軸取付プレートを取り付けようとする状態を示す概略断面斜視図である。 そのシリコンチューブの周壁に腰軸取付プレートを取り付けた状態を示す概略断面斜視図である。 その概略斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータの第３の実施例を示し、膝軸取付プレートにＬ字プレートを取り付けようとする状態を示す概略断面斜視図である。 膝軸取付プレートにＬ字プレートを取り付けた状態を示す概略断面斜視図である。 その概略透視断面斜視図である。 その概略斜視図である。 本考案のロボット関節アクチュエータにおいて、腰部および脚部を取り付けた状態を示す概略斜視図である。

本考案のロボット関節アクチュエータの実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
なお、図において、一点鎖線は後述の流体圧ピストンおよび回転ピストンの回転軸を示すものである。
図１ないし図２２は、本考案のロボット関節アクチュエータの第１の実施例を示すものである。
図１ないし図３に示すように、本考案のロボット関節アクチュエータ１１は流体圧シリンダ２１からなり、前記流体圧シリンダ２１は、筒状のシリンダチューブ７１と、該シリンダチューブ７１の一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレート部分３１と、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレート部分６１とを備えている。

そして、前記シリンダチューブ７１内には、前記アウトプレート部分６１から前記シリンダチューブ７１内に差し込まれた流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５に回転自在に取り付けられた流体圧ピストン５２と、該流体圧ピストン５２に接続された外部出力用の回転ピストン４１が内蔵されている。
前記アウトプレート６２に設けた流体送り込み正転ポート６３から前記シリンダチューブ７１内に流体Ａを送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストン５２が前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ７１内を前進するとともに、前記流体圧ピストン５２に接続された前記回転ピストン４１を回転させるようにしてある。

また、前記シリンダチューブ７１の前記ヘッドプレート部分３１側の周壁に設けた流体送り込み逆転ポート７２から前記シリンダチューブ７１内に流体Ａを送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストン５２が前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ７１内を後退するとともに、前記流体圧ピストン５２に接続された前記回転ピストン４１を逆方向に回転させるようにしてある。
なお、前記流体送り込み正転ポート６３と前記流体送り込み逆転ポート７２を同時に閉止することにより、前記流体圧ピストン５２を前記シリンダチューブ７１内の任意の中間位置に停止させて前記回転ピストン４１の回転位置を任意の位置で停止することができる。

以下、本考案のロボット関節アクチュエータを構成する各部位の構成を図面を用いて詳述する。
なお、以下の説明は、本考案のロボット関節アクチュエータの各部位の位置関係を説明するために組付けの工程を示すものであり、本考案のロボット関節アクチュエータの組付けの工程は以下の説明において例示された工程に限定されるものではない。
図４ないし図８は、本考案のロボット関節アクチュエータ１１を構成するヘッドプレート部分３１を示すものである。
図４および図５に示すように、前記ヘッドプレート部分３１は、ヘッドプレート３２と、回転ピストン軸受けベアリング３３と、回転ピストンエアシール３４と、回転ピストンロックフランジ３５と、エアシールＯリング３６と、前記回転ピストン４１とからなる。

前記ヘッドプレート３２は、前記シリンダチューブ７１の一方の開口端部にネジ止めされて取り付けられるものである。そのため、前記ヘッドプレート３２の前記シリンダチューブ７１との取付位置の近傍には、Ｏリング収納部３２ａを形成し、図６に示すように、該Ｏリング収納部３２ａに前記エアシールＯリング３６を収納することにより密閉状態が保たれるようにしてある。
また、前記ヘッドプレート３２の平板面の中央部分には、前記回転ピストン４１の露出先端部４２を挿通する貫通孔３２ｃを備えたベアリング収納凹部３２ｂを備えており、図６に示すように、前記ベアリング収納凹部３２ｂには前記回転ピストン軸受けベアリング３５と前記回転ピストンエアシール３４が収納される。

前記回転ピストン４１は、長さ方向の中央位置に中央フランジ部４１ａを設けてあり、前記流体圧ピストン５２側の接続端部４３の周壁には、係合突起４４を取り付け可能な係合凹部４３ａを形成してある。
そして、図７に示すように、ヘッドプレート部分３１側の露出先端部４２を前記ヘッドプレート３２の前記ベアリング収納凹部３２ｂを経由して前記貫通孔３２ｃに挿通させると、前記回転ピストン４１の前記中央フランジ部４１ａが前記ベアリング収納凹部３２ｂに収納された前記回転ピストンエアシール３４に当接して位置決めがなされ、前記ベアリング収納凹部３２ｂを閉鎖するように、前記回転ピストンロックフランジ３５を前記ヘッドプレート３２にネジ止め固定することにより、前記回転ピストン４１が、前記ヘッドプレート３２の中央部分において、回転運動のみを行うことができるようになるのである。
その後、前記係合突起４４を、図８に示すように、前記回転ピストン４１の流体圧ピストン５２側の接続端部４３の周壁に形成した前記係合凹部４３ａに取り付ける。

図９ないし図１２は、本考案のロボット関節アクチュエータ１１を構成する流体圧ピストン部分５１を示すものである。
図９および図１０に示すように、前記流体圧ピストン部分５１は、流体圧ピストン５２と、流体圧ピストン軸受けベアリング５３と、Ｖパッキン５４，５５と、ウェアリング５６と、流体圧ピストン回転駆動ネジナットロックプレート５７と、流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８とからなる。

前記流体圧ピストン５２は、前記シリンダチューブ７１内に収納されるとともに、該シリンダチューブ７１内を回転しながら前進または後退するように前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５に取り付けられるものである。そのため、前記流体圧ピストン５２の前記シリンダチューブ７１の内壁との近接部分には、Ｖパッキン収納溝５２ａ，５２ｂを形成するとともに、ウェアリング収納溝５２ｃをも形成し、図１０に示すように、前記Ｖパッキン収納溝５２ａ，５２ｂに前記Ｖパッキン５４，５５をそれぞれ収納するとともに、前記ウェアリング収納溝５２ｃに前記ウェアリング５６を収納することにより、前記流体圧ピストン５２の周壁と前記シリンダチューブ７１の内壁との間で密閉状態が保たれるようにしてある。

また、前記流体圧ピストン５２の前記ヘッドプレート３２側の平板面の中央部分には、前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３を収納するベアリング収納凹部５２ｄを備えており、図１１に示すように、前記ベアリング収納凹部５２ｄには前記流体圧ピストン軸受けベアリング５２が収納されている。なお、前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３は、前記ベアリング収納凹部５２ｄに収納されるに際して、前記流体圧ピストン５２にネジ止め固定されている。

前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３は、前記回転ピストン４１の接続端部４３を挿通可能な筒状本体５３ａと、前記ヘッドプレート３２側の開口端部に設けたフランジ部５３ｂとからなり、前記流体圧ピストン５２のベアリング収納凹部５２ｄに収納されるに際しては、前記フランジ部５３ｂにおいて前記流体圧ピストン５２にネジ止め固定される。
また、前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３の前記筒状本体５３ａの内周壁には、前記筒状本体５３ａ内に前記回転ピストン４１の接続端部４３を挿通させた際に、前記前記回転ピストン４１の接続端部４３に取り付けられた係合突起４４が係合可能な係合溝５３ｃを形成してある。

前記流体圧ピストン５２の前記アウトプレート部分６１側の平板面の中央部分には、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットロックプレート５７および流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８を収納するネジナット収納凹部５２ｅを備えており、図１２に示すように、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット収納凹部５２ｅには前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットロックプレート５７および流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８が収納されている。なお、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットロックプレート５７および流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８は、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット収納凹部５２ｅに収納されるに際して、前記流体圧ピストン５２にネジ止め固定されている。

図１３ないし図１５は、本考案のロボット関節アクチュエータ１１を構成するアウトプレート部分６１を示すものである。
図１３および図１４に示すように、前記アウトプレート部分６１は、アウトプレート６２と、流体送り込み正転ポート６３と、流体圧ピストン回転駆動ネジシールＯリング６４と、流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５と、流体圧ピストン回転駆動ネジボウル６６と、エアシールＯリング６７とからなる。

前記アウトプレート６２は、前記シリンダチューブ７１の他方の開口端部にネジ止めされて取り付けられるものである。そのため、前記アウトプレート６２の前記シリンダチューブ７１との取付位置の近傍には、Ｏリング収納部６２ａを形成し、図１５に示すように、該Ｏリング収納部６２ａに前記エアシールＯリング６７を収納することにより密閉状態が保たれるようにしてある。
また、前記アウトプレート６２の平板面の中央部分には、前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５を挿通する貫通孔６２ｃを備えたネジシャフト収納凹部６２ｂを備えており、図１５に示すように、前記ネジシャフト収納凹部６２ｂには流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５が収納されてネジ止め固定されるとともに、前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５の先端ネジ部６５ａを前記貫通孔６２ｃに挿通させることで、前記先端ネジ部６５ａが前記シリンダチューブ７１内に差し込まれるようにしてある。なお、前記貫通孔６２ｃの周壁にはＯリング収納部６２ｄを形成し、図１５に示すように、前記Ｏリング収納部６２ｄに前記流体圧ピストン回転駆動ネジシールＯリング６４を収納することにより、前記貫通孔６２ｃと前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５と間において密閉状態が保たれるようにしてある。

前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５は、周囲にネジ形状を備えた先端ネジ部６５ａと、該先端ネジ部６５ａの一方の端部に形成されたフランジ部６５ｂとからなり、前記ネジシャフト収納部６２ｂに収納されるに際しては、前記フランジ部６５ｂにおいて前記アウトプレート６２にネジ止め固定される。
なお、前記流体圧ピストン回転駆動ネジボウル６６は、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８のネジ山の頂部と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ山の頂部とを近接させることで、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５の双方のネジ形状から形成される略菱形の中空部に複数配置されるものであり、前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５と前記流体圧ピストン回転駆動ネジボウル６６との位置関係は図１５に示すとおりとなる。

図１６および図１７は、本考案のロボット関節アクチュエータ１１を構成するシリンダチューブ７１を示すものである。
図１６および図１７に示すように、前記シリンダチューブ７１は、筒状をなし、前記ヘッドプレート３２側の周壁には流体送り込み逆転ポート７２を形成してある。

図１８ないし図２２は、上述の本考案のロボット関節アクチュエータの第１実施例における、前記ヘッドプレート部分３１、前記シリンダチューブ７１、前記流体圧ピストン部分５１、前記アウトプレート部分６１の位置関係と、各部位の組付けの工程を示すものである。
まず、図１９に示すように、前記ヘッドプレート部分３１は、前記回転ピストン４１の接続端部４３側が前記シリンダチューブ７１内に差し込まれるように前記シリンダチューブ７１の一方の開口端部に取り付けられる。また、前記流体圧ピストン部分５１は、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８に前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５の先端ネジ部６５ａを挿入させて、前記アウトプレート部分に取り付けられる。

このとき、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８のネジ山の頂部と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ山の頂部とを近接させることで、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナット５８と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５の双方のネジ形状から形成される略菱形の中空部に、前記流体圧ピストン回転駆動ネジボウル６６を複数配置してある。したがって、前記流体圧ピストン５２が前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転しながら前進または後退する際の摩擦を低減させ、エネルギーロスのない、エネルギー効率の高い、非常に滑らか回転運動を実現することができる。

そして、図２０に示すように、前記ヘッドプレート部分３１および前記シリンダチューブ７１と、前記流体圧ピストン部分５１および前記アウトプレート部分６１とを組付けるとともに、図２１および図２２に示すように、前記回転ピストン４１の露出先端部４２に膝軸取付プレート８１を取り付けると、本考案のロボット関節アクチュエータ１１の第１実施例の組付けが完了する。

図２３ないし図２８は、本考案のロボット関節アクチュエータ１１の第１実施例における動作の行程を示すものである。
図２３に示すように、前記アウトプレート部分３１の前記流体送り込み正転ポート６３から前記シリンダチューブ７１内への流体Ａの送り込みを開始すると、図２４に示すように、前記流体圧ピストン５２が前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転するとともに前記ヘッドプレート部分３１側への前進を開始して、前記流体圧ピストン５２の前記アウトプレート部分６１側の平板面と前記アウトプレート部分６１との間に僅かな空隙が生じる。この空隙には、前記流体送り込み正転ポート６３から前記シリンダチューブ７１内に送り込まれた流体Ａが直ちに行き渡るとともに、前記流体圧ピストン５２の平板面を均一に加圧するようになる。
そして、前記流体送り込み正転ポート６３から前記シリンダチューブ７１へ流体Ａを送り込んで加圧していくと、図２５および図２６に示すように、前記流体圧ピストン５２は前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ７１内を前進していくのである。

このとき、前記回転ピストン４１は、前記回転ピストン４１の接続端部４３が前記流体圧ピストン５２の前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３に挿通されるとともに、前記接続端部４３の周壁に取り付けた係合突起４４が、前記流体圧ピストン軸受けベアリング５３の内壁に形成した係合溝５３ｃに係合している。したがって、前記回転ピストン４１は、前記流体圧ピストン５２の回転運動と連動して回転運動するとともに、前記回転ピストン４１の露出先端部４２に取り付けられた膝軸取付プレート８１をも回転させるので、前記流体送り込み正転ポート６３から前記シリンダチューブ７１内に送り込む流体Ａの流量を調整して加圧することにより、前記膝軸取付プレート８１の回転制御を行うことができるのである。
本考案のロボット関節アクチュエータ１１は、小型の場合でも前記流体圧ピストン５２の平板面がエア圧力７Ｋｇｆ／ｃｍ^２を安定して受けるので、前記流体圧ピストン５２の前進または後退の運動が小ストロークであっても十分な回転力に変化させることができ、前記膝軸取付プレート８１を自在に回転制御することができる。

そして、図２７に示すように、前記流体送り込み正転ポート６３からの流体Ａの送り込みを停止する、すなわち、前記流体送り込み正転ポート６３および前記流体送り込み逆転ポート７２の双方からの流体Ａの送り込みを停止させることにより、前記流体圧ピストン５２を前進または後退の任意の中間位置で停止させることができる。この中間位置での停止における停止位置の精度については、前記シリンダチューブ７１内への流体Ａの送り込みによる加圧を停止させると、前記流体圧ピストン５２の平板面の全域において同時にかつ瞬間的に加圧状態が解除され、前記流体圧ピストン５２の回転運動が停止するとともに、前記流体圧ピストン５２の前進または後退の運動が停止するので、従来の直線運動方式のピストンからなる流体シリンダに比べて、非常に高精度で前記流体圧ピストン５２を任意の中間位置で停止させることができる。
図２８は、前記流体送り込み逆転ポート７２から前記シリンダチューブ７１内に流体Ａを送り込み、前記流体圧ピストン５２の平板面を加圧することで、前記流体圧ピストン５２が前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト６５のネジ形状に沿って回転しながら後退し始めた状態を示すものである。

図２９ないし図３１は、本考案のロボット関節アクチュエータの第２の実施例を示すものである。
図２９ないし図３１に示すように、本考案のロボット関節アクチュエータ９１は、上述の第１実施例と同様の流体圧シリンダ２１からなり、前記流体圧シリンダ２１は、筒状のシリンダチューブ７１と、該シリンダチューブ７１の一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレート部分３１と、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレート部分６１とを備え、前記回転ピストン４１の露出先端部４２には前記膝軸取付プレート８１が取り付けられ、さらに、前記シリンダチューブ７１の外側の周壁に腰軸取付プレート１０１を取り付けてある。

図３２ないし図３５は、本考案のロボット関節アクチュエータの第３の実施例を示すものである。
図３２ないし図３５に示すように、本考案のロボット関節アクチュエータ１１１は、上述の第１実施例と同様の流体圧シリンダ２１からなり、前記流体圧シリンダ２１は、筒状のシリンダチューブ７１と、該シリンダチューブ７１の一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレート部分３１と、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレート部分６１とを備え、前記回転ピストン４１の露出先端部４２には前記膝軸取付プレート８１が取り付けられ、さらに、前記シリンダチューブ７１の外側の周壁には上述の第２実施例と同様の前記腰軸取付プレート１０１を取り付けられ、加えて、前記前記膝軸取付プレート８１にはＬ字プレート１２を取り付けてある。

本考案の各実施例のロボット関節アクチュエータ１１，９１，１１１は、ロボット関節アクチュエータとして適用するロボット腕、ロボット下肢、その他の産業用ロボットごとに、各実施例の実施の形態を適宜選択することができることは言うまでもない。
図３６は、一例として、上述の第３実施例のロボット関節アクチュエータ１１１を適用したロボット下肢を示すものである。
図３６に示すように、前記ロボット関節アクチュエータ１１１は、ロボット本体または荷台とロボット下肢との接続部分において関節として適用することができるとともに、ロボット下肢とロボット下肢との接続部分においても関節としても適用することができる。

本考案の各実施例のロボット関節アクチュエータ１１，９１，１１１を構成する各部位の材料としてはアルミニウム合金を好適に用いることができるが、もちろんこれに限るものではなく、本考案のロボット関節アクチュエータが適用される環境に応じて本考案のロボット関節アクチュエータを構成する各部位ごとに適宜材料を選択すればよい。
さらに、本考案のロボット関節アクチュエータは、大型のものから、小型かつ軽量とすることもでき、設置環境を問わず、あらゆる場面の産業用ロボットとして適用することができるのみならず、二足歩行ロボットや家庭用ロボット等にも適用することができる。

本考案のロボット関節アクチュエータ１１，９１，１１１は、流体圧シリンダ２１からなり、該流体圧シリンダ２１のシリンダチューブ７１内に、回転しながら前進または後退の往復運動を行うことができる流体圧ピストン５２と、前記流体圧ピストン５２の回転運動と連動して回転する回転ピストン４１とを備えてなるものである。前記シリンダチューブ７１内に流体Ａを送り込んで加圧した際には、前記流体圧ピストン５２は、回転しながら前進または後退し、その回転運動を前記回転ピストン４１に伝えることにより、微小の回転であっても高トルクを実現することができる。
また、本考案のロボット関節アクチュエータ１１，９１，１１１において前記シリンダチューブ内に送り込む流体Ａには空気圧式または油圧式を採用することができ、電動シリンダでは困難な防水・防爆機能も問題なく付随させることができ、安心・安全に運用することができる。
さらに、前記流体圧ピストン５２の前進または後退の運動に回転運動が伴うものとしたことにより、前記シリンダチューブ７１内への流体Ａの送り込みを停止させた際に、前記流体圧ピストン５２は惰性で前進または後退をすることなく、直ちに停止させることができるのである。したがって、前記流体圧ピストン５２を任意の中間位置において停止位置のずれを生じさせることなく正確に停止させることができ、前記流体圧ピストン５２に接続された回転ピストン４１の回転運動を非常に高精度に回転制御することができる。

本考案のロボット関節アクチュエータは、小型で軽量とすることができ、かつ防水・防爆機能を備え、さらに微小な回転から高トルクの出力を実現することができるので、上述のロボット腕やロボット下肢の関節のみならず、その他の産業用ロボット、二足歩行ロボット等、あるいは家庭用ロボット等の関節用アクチュエータとして適用することもできる。

１１ ロボット関節アクチュエータ
２１ 流体圧シリンダ
３１ ヘッドプレート部分
３２ ヘッドプレート
３２ａ Ｏリング収納部
３２ｂ ベアリング収納凹部
３２ｃ 貫通孔
３３ 回転ピストン軸受けベアリング
３４ 回転ピストンエアシール
３５ 回転ピストンロックフランジ
３６ エアシールＯリング
４１ 回転ピストン
４１ａ 中央フランジ部
４２ 露出先端部
４３ 接続端部
４３ａ 係合凹部
４４ 係合突起
５１ 流体圧ピストン部分
５２ 流体圧ピストン
５２ａ，５２ｂ Ｖパッキン収納溝
５２ｃ ウェアリング収納溝
５２ｄ ベアリング収納凹部
５２ｅ ネジナット収納凹部
５３ 流体圧ピストン軸受けベアリング
５３ａ 筒状本体
５３ｂ フランジ部
５３ｃ 係合溝
５４，５５ Ｖパッキン
５６ ウェアリング
５７ 流体圧ピストン回転駆動ネジナットロックプレート
５８ 流体圧ピストン回転駆動ネジナット
６１ アウトプレート部分
６２ アウトプレート
６２ａ Ｏリング収納部
６２ｂ ネジシャフト収納凹部
６２ｃ 貫通孔
６２ｄ Ｏリング収納部
６３ 流体送り込み正転ポート
６４ 流体圧ピストン回転駆動ネジシールＯリング
６５ 流体圧ピストン回転駆動ネジシャフト
６５ａ 先端ネジ部
６５ｂ フランジ部
６６ 流体圧ピストン回転駆動ネジボウル
６７ エアシールＯリング
７１ シリンダチューブ
７２ 流体送り込み逆転ポート
８１ 膝軸取付プレート
９１ ロボット関節アクチュエータ
１０１ 腰軸取付プレート
１１１ ロボット関節アクチュエータ
１２１ Ｌ字プレート
Ａ 流体

Claims (4)

1. 流体圧シリンダからなるロボット関節アクチュエータであって、
   前記流体圧シリンダは、筒状のシリンダチューブと、該シリンダチューブの一方の開口端部に取り付けられたヘッドプレートと、他方の開口端部に取り付けられたアウトプレートとを備え、
   前記シリンダチューブ内には、前記アウトプレートから前記シリンダチューブ内に差し込まれた流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトに回転自在に取り付けられた流体圧ピストンと、該流体圧ピストンに接続された外部出力用の回転ピストンが内蔵されており、
   前記アウトプレートに設けた流体送り込み正転ポートから前記シリンダチューブ内に流体を送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ内を前進するとともに、前記流体圧ピストンに接続された回転ピストンを回転させ、
   前記シリンダチューブの前記ヘッドプレート側の周壁に設けた流体送り込み逆転ポートから前記シリンダチューブ内に流体を送り込んで加圧すると、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前記シリンダチューブ内を後退するとともに、前記流体圧ピストンに接続された回転ピストンを逆方向に回転させ、
   前記流体送り込み正転ポートと前記流体送り込み逆転ポートを同時に閉止することにより、前記流体圧ピストンを前記シリンダチューブ内の任意の中間位置に停止させて前記回転ピストンの回転位置を任意の位置で停止することができるようにしたことを特徴とするロボット関節アクチュエータ。
2. 前記流体圧ピストンが、前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトと対応する位置に流体圧ピストン回転駆動ネジナットを備えるとともに、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットのネジ山の頂部と前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ山の頂部とを近接させることで、前記流体圧ピストン回転駆動ネジナットと前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトの双方のネジ形状から形成される略菱形の中空部に、流体圧ピストン回転駆動ネジボウルを複数配置することにより、前記流体圧ピストンが前記流体圧ピストン回転駆動ネジシャフトのネジ形状に沿って回転しながら前進または後退する際の摩擦を低減させ、エネルギー効率を高めたことを特徴とする請求項１に記載のロボット関節アクチュエータ。
3. 前記回転ピストンは、長さ方向の中央部分に中央フランジ部を形成するとともに、前記中央フランジ部から前記ヘッドプレート側に形成した露出先端部と、前記中央フランジ部から前記流体圧ピストン側に形成した接続端部とからなり、前記回転ピストンは、前記ヘッドプレートの前記シリンダチューブ内側に回転自在に取り付けられ、
   前記流体圧ピストンは、前記回転ピストンと対応する位置に流体圧ピストン軸受けベアリングを備えるとともに、前記流体圧ピストン軸受けベアリングには係合溝を設けてあり、
   前記回転ピストンの接続端部の周壁に設けた係合突起が、前記流体圧ピストン軸受けベアリングの係合溝に係合することことにより、前記流体圧ピストンが回転しながら前進または後退する際に前記係合溝に係合した前記係合突起を介して、前記回転ピストンが前記流体圧ピストンの回転運動と連動して回転するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のロボット関節アクチュエータ。
4. 前記流体送り込み正転ポートまたは前記流体送り込み逆転ポートから前記シリコンチューブ内に送り込まれる流体が空気からなる空気圧式または油分からなる油圧式であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のロボット関節アクチュエータ。
   
   

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