JP3964273B2

JP3964273B2 - ３軸ロボット

Info

Publication number: JP3964273B2
Application number: JP2002198769A
Authority: JP
Inventors: 明成勢
Original assignee: 新栄電子計測器株式会社
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-07-08
Also published as: JP2004034276A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交する３方向に、外部に対して作用する作用部を移動する３軸ロボットの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ、Ｙ、Ｚの直交する３方向に外部に対して作用する作用部を移動する３軸ロボットの一般的な構造としては、ベースに対してＸ方向に移動可能なＸステージと、Ｘステージに対してＹ方向に移動可能なＹステージと、Ｙステージに対してＺ方向に移動可能な作用部を設け、ベースに設けたＸアクチュエータと移動機構でＸステージのＸ方向の移動を制御し、Ｘステージに設けたＹアクチュエータと移動機構でＹステージのＹ方向の移動を制御し、Ｙステージに設けたＺアクチュエータと移動機構で作用部のＺ方向の移動を制御する構造が知られている。
【０００３】
また、これらのアクチュエータとしては、ACサーボモータやステップモータなどが用いられることが多く、これらのモータの回転運動をステージや作用部の直線運動に変換する移動機構としては、ボールネジなどを用いた送りネジ機構が使用されることが多い。
【０００４】
また、この他の３軸ロボットの構造としては、ベースにエアコンプレッサを設け、エアコンプレッサよりＹステージにエアチューブにより圧縮エアを供給して、当該圧縮エアの圧力により作用部のＹステージに対するＺ方向の移動を制御する構造も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したベース、Ｘステージ、Ｙステージのそれぞれにアクチュエータと移動機構を搭載する構造によれば、ＸステージやＹステージなどの移動部に重量物を搭載することになるため大きな構造的強度が必要となる。
一方、前述したエアコンプレッサを用いる構造によれば、Ｙステージにアクチュエータ等を搭載する必要がなくなるため、構造的強度の要請は軽減される。しかしながら、このような流動体である圧縮エアを用いた移動制御によって精度良い位置制御や速度制御を行うことは比較的困難であるし、Ｚ方向移動のための構造も煩雑化する。
【０００６】
そこで、本発明は、大きな構造的強度を必要とすること無しに、簡易な構造によって精度良い移動制御を行うことができる３軸ロボットを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題達成のために、本発明は、たとえば、ベース部と、当該ベース部に支持され直交する３軸のうちの第１軸方向にベース部に対して移動される第１移動体と、前記第１移動体に支持され前記３軸のうちの第２軸方向に前記第１移動体に対して移動される第２移動体と、前記第２移動体に支持され前記３軸のうちの第３軸方向に前記第２移動体に対して移動される第３移動体とを有する３軸ロボットを、第１端が前記第２移動体に保持される中空のチューブと、前記チューブに内挿されたワイヤとを有する伝達ケーブルと、前記ワイヤの前記チューブの第１端側の端である第１端に連結し、前記ワイヤの前記第２移動体に対する移動に伴い、前記第３移動体を前記第２移動体に対して前記第３軸方向に移動する、前記第２移動体に支持された移動機構と前記第３移動体及び第２移動体外に配置された、前記チューブの第２端を保持すると共に、前記ワイヤの前記チューブの第２側の端である第２端に連結し、前記ワイヤを前記チューブに対して、前記チューブに対する前記ワイヤの抜挿方向に移動する駆動機構とを設けて構成したものである。
【０００８】
このような３軸ロボットによれば、第２移動体を介して第１移動体に支持される第３移動体の駆動源となる駆動機構を、第３移動体や第２移動体上ではなく、その外部に設け、駆動機構で発生した動力を伝達ケーブルを介して機械的に第３移動体に伝達し、第２移動体に対して第３軸方向に移動するように構成されているので、第３移動体や第２移動体上に第３移動体を移動するための機構の全てを搭載する場合に比べ、各移動体に加わる重量を低く抑えることができ、したがって、各部の構造的強度を低く抑えることができる。また、このように動力の伝達をカメラのケーブルレリーズに類似した構造によって機械的に実現するので、圧縮エアなどを動力の伝達に用いる場合に比べ簡易、安価な構造によって、精度良い移動制御を行うことができるようになる。
【０００９】
ここで、このような３軸ロボットにおいて、前記駆動機構は、たとえば、回転モータと、前記回転モータの回転運動を、前記ワイヤの前記第２端と当該駆動機構との連結部の直進運動に変換する送りネジ機構とを用いて構成することができる。
【００１０】
また、前記ワイヤの第１端と前記移動機構と、前記ワイヤの第２端と前記駆動機構との少なくとも一方は磁力によって連結するようにしても良い。
このようにすることにより、比較的劣化しやすい伝達ケーブルの交換などのメンテナンスを容易に行うことができるようになる。
さて、本発明は、以上のような３軸ロボットなどを適用して構成することのできる、ボタンキーなどの打点を行う３軸ロボットに適用できる第３移動体の構造として、第３軸方向に前記第２移動体に対して移動される軸部と、前記軸部に連結された弾性部材と、前記弾性部材に連結された打点部とを有し、前記弾性部材は、前記打点部と前記軸部に各端がそれぞれ連結した第１のコイルバネと、前記打点部に一端が連結された前記第１のコイルバネよりも短い第２のコイルバネとより構成された構造をも併せて提供する。
【００１１】
このような第３移動体の構造によれば、所定の弾性をもって打点部によってボタンキーなどを打点することができるようになると共に、もし誤って所望の位置よりも下方まで第３移動体を移動してしまった場合でも、打点部が水平方向に傾き、ボタンキーに過度に強い力が加わってしまうことが避けられるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、携帯電話器の機能検査用の３軸ロボットへの適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係る３軸ロボットの外観を示す。
図示するように、本３軸ロボットは、大きく分けて、ベース部１、Ｘ移動アーム部２、Ｙ移動ユニット３、Ｚ移動作用部４、動力伝達ケーブル部５、Ｚ方向駆動ユニット６とを有する。
Ｘ移動アーム部２は、支柱部２１と片持ち梁状の梁部２２とよりなり、ベース部１に収容された機構により支持されつつベース部１に対してＸ方向に移動する。また、Ｙ移動ユニット３は、Ｘ移動アーム部２の梁部２２に収容された機構により支持されつつＸ移動アーム部２に対してＹ方向に移動する。そして、Ｚ移動作用部４は、Ｙ移動ユニット３に支持され、動力伝達ケーブル部５を介して、Ｚ方向駆動ユニット６に収容された機構から伝達される動力によって、Ｙ移動ユニット３に対してＺ方向に移動する。
【００１３】
このように本３軸ロボットは、Ｚ移動作用部４をＸＹＺ各方向へ任意に移動することができるように構成されており、ユーザは、本３軸ロボットを用い、ベース部１上に載置した携帯電話器の複数のボタンキーを所望のシーケンスで、Ｚ移動作用部４の下端によって打点させて、携帯電話器がボタンキーの打点に対して正常に応答するかどうかを調べる携帯電話器の機能検査を行う。
【００１４】
以下、このような３軸ロボットにおける、ＸＹＺ各方向への各移動を行う機構について説明する。
図２に、ベース部１に収容された、Ｘ移動アーム部２をベース部１に対してＸ方向に移動する機構を模式的に示す。
図中aは、本機構を上方（Ｚ方向）より、bは本機構を側方（Ｙ方向）より見たようすを表している。
図示するように本機構は、ステップモータ１１、二つのガイド板１２を有し、これらはベース部１に対して固定されている。二つのガイド板１２の間には、両端が各ガイド板１２に固定された二つのガイドシャフト１３が設けられ、二つのガイドシャフト１３には、ガイドシャフト１３に沿って滑動可能なリニアガイド１４が４つ各ガイドシャフト１３につき２つずつ装着されている。また、本機構はボールネジ１５を有し、ボールネジ１５の一端はガイド板１２に設けられた軸受１６によって回動可能に受けられており、ボールネジ１５の他端はステップモータ１１の回転軸に固定されている。そして、ボールネジナット１７と４つのリニアガイド１４に対して移動ベース１８が固定されており、移動ベース１８に、Ｘ移動アーム部２の支柱の下端が固定されている。
【００１５】
そして、このような機構によって、ステップモータ１１の回転に伴い、Ｘ移動アーム部２は、ベース部１に対してＸ方向に移動する。
次に、図３にＸ移動アーム部２の梁部２２に収容された、Ｙ移動ユニット３をＸ移動アーム部２に対してＹ方向に移動する機構を模式的に示す。
図中aは、本機構を上方（Ｚ方向）より、bは本機構を正面方向（Ｘ方向）より見たようすを表している。
図示するように本機構は、ステップモータ２０１、二つのガイド板２０２を有し、これらはＸ移動アーム部２に対して固定されている。二つのガイド板２０２の間には、両端が各ガイド板２０２に固定された一つのガイドシャフト２０３が設けられ、ガイドシャフト２０３には、ガイドシャフト２０３に沿って滑動可能なリニアガイド２０４が一つ装着されている。また、本機構はボールネジ２０５を有し、ボールネジ２０５の一端はガイド板２０２に設けられた軸受２０６によって回動可能に受けられており、ボールネジ２０５の他端はステップモータ２０１の回転軸に固定されている。そして、ボールネジナット２０７とリニアガイド２９４に対してくの字状の移動ベース２０８が固定されており、移動ベース２０８に、Ｙ移動ユニット３が固定されている。
【００１６】
そして、このような機構によって、ステップモータ２０１の回転に伴い、Ｙ移動ユニット３は、Ｘ移動アーム部２に対してＹ方向に移動する。
次に、Ｚ移動作用部４をＹ移動ユニット３に対してＺ方向に移動する機構について説明する。
ここで、この機構は、動力伝達ケーブル部５と、Ｚ方向駆動ユニット６に収容された機構と、Ｙ移動ユニット３に収容された機構とより構成される。
まず、動力伝達ケーブル部５の構造について説明する。
図４aに、動力伝達ケーブル部５の外形を、図４bに動力伝達ケーブル部５の断面を示す。
本動力伝達ケーブル部は、カメラのケーブルレリーズに類似した構造を有しており、大きく分けて中空のケーブルガイド部と、ケーブルガイド部の内側を滑動するワイヤ部とよりなる。
ワイヤ部は、コイルワイヤ５１の両端にそれぞれ鋼性のあるシャフト５２を固着したものであり、各シャフト５２のコイルワイヤ５１と連結していない方の端部はシャフト５２よりも直径の大きな円盤形状となるように加工されている。
一方、ケーブルガイド部は、二重のフッ素樹脂チューブ（テフロン(商品名)チューブ）５３よりなるチューブ部５４と、チューブ部５４の一端に連結した中空のＹ移動ユニット装着部５５と、チューブ部５４の他端に連結したＺ方向駆動ユニット装着部５６とよりなる。Ｙ移動ユニット装着部５５は、開口側端に雄ねじが切られた中空円筒形状の金具であり、開口側端の中空内部には摩擦軽減用の金属製の中空円筒５５１が内挿されている。また、Ｚ方向駆動ユニット装着部５６は、ねじ孔を有するフランジが設けられた中空の金具であり、やはり開口側端の中空内部には摩擦軽減用の金属製の中空円筒５６１が内挿されている。
【００１７】
このような構造において、ワイヤ部のＺ方向駆動ユニット装着部５６側のシャフト５２端をケーブルガイド部に対して押し込むと、ケーブルガイド部の反対側端よりワイヤ部のＹ移動ユニット装着部５５側のシャフト５２が突出し、ワイヤ部のＺ方向駆動ユニット装着部５６側のシャフト５２端をケーブルガイド部に対して引き込むと、ワイヤ部のＹ移動ユニット装着部５５側のシャフト５２がケーブルガイド部に引き込まれることになる。
【００１８】
次に、Ｚ方向駆動ユニット６に収容された機構について説明する。
図５は、本機構を正面方向（Ｘ方向）より見たようすを表している。
図示するように本機構は、ステップモータ６１、二つのガイド板６２を有し、これらはＺ方向駆動ユニット６、ベース部１に対して固定されている。二つのガイド板６２の間には、両端が各ガイド板６２に固定された一つのガイドシャフト６３が設けられ、ガイドシャフト６３には、ガイドシャフト６３に沿って滑動可能なリニアガイド６４が一つ装着されている。また、本機構はボールネジ６５を有し、ボールネジ６５の一端はガイド板６２に設けられた軸受６６によって回動可能に受けられており、ボールネジ６５の他端はステップモータ６１の回転軸に固定されている。そして、ボールネジナット６７とリニアガイド６４に対して移動ステージ６８が固定されており、移動ステージ６８上にはシャフト受部６９が固定されている。
【００１９】
また、Ｚ方向駆動ユニット６に対しては、その上部において、動力伝達ケーブル部５のＺ方向駆動ユニット装着部５６が、Ｚ方向駆動ユニット装着部５６のフランジに設けらているネジ孔を利用してネジ止めされ装着される。また、このようにして動力伝達ケーブル部５がＺ方向駆動ユニット６に装着された状態において、動力伝達ケーブル部５のＺ方向駆動ユニット装着部５６側のシャフト５２端は、シャフト受け部６９の上端に設けた凹み内に載置された状態となる。ここで、シャフト受部６９は永久磁石を用いて形成されており、動力伝達ケーブル部５のＺ方向駆動ユニット装着部５６側のシャフト５２端は鉄を用いて形成されている。よって両者は磁力によって一定の力をもって連結される。
【００２０】
このような機構によって、ステップモータ６１の回転に伴い、移動ステージ６８は、Ｚ方向駆動ユニット６、ベース部１に対してＺ方向に移動し、この移動に伴い、シャフト受部６９を介して、動力伝達ケーブル部５のＺ方向駆動ユニット装着部５６側のシャフト５２が、ケーブルガイド部に対して押し込まれたり引き出されたりすることになる。
【００２１】
次に、Ｙ移動ユニット３に収容された機構について説明する。
図６aは、本機構を正面方向（Ｘ方向）より見たようすを表している。
図示するようにＹ移動ユニット３には、Ｚ移動作用部４の軸部４１がベアリングガイド３１によって上下方向に滑動可能に指示されている。また、Ｚ移動作用部４の軸部４１の上方端には、シャフト受け部４１１が形成されており、このシャフト受け部４１１を介してＺ移動作用部４は、コイルバネ３２により上方向に一定の力で付勢されている。また、Ｙ移動ユニット３の上部には、動力伝達ケーブル部５のＹ移動ユニット装着部５５が、Ｙ移動ユニット装着部５５に設けられた雄ねじとＹ移動ユニット３の上部壁に設けられた雌ねじが切られた貫通孔を利用してネジ止めされ装着される。また、このようにして、動力伝達ケーブル部５がＹ移動ユニット３に装着された状態において、動力伝達ケーブル部５のＹ移動ユニット装着部５５側のシャフト５２端は、シャフト受け部４１１の上端に設けた凹み内に載置された状態となる。ここで、シャフト受け部４１１は永久磁石を用いて形成されており、動力伝達ケーブル部５のＹ移動ユニット３側のシャフト５２端は鉄を用いて形成されている。よって両者は磁力によって一定の力をもって連結される。
【００２２】
このような機構によって、動力伝達ケーブル部５のＹ移動ユニット３側のシャフト５２がケーブルガイド部に対して押し出されるとＺ移動作用部４は下方向に移動し、動力伝達ケーブル部５のＹ移動ユニット３側のシャフト５２がケーブルガイド部に対して引き込まれるとＺ移動作用部４は上方向に移動されることになる。
【００２３】
したがって、Ｚ方向駆動ユニット６のステップモータ６１の回転に伴い、Ｚ移動作用部４はＺ方向に移動することになる。
なお、コイルバネ３２は、主として、動力伝達ケーブル部５のコイルワイヤ５１の遊びを無くすために設けられている。
以上、Ｚ移動作用部４をＹ移動ユニット３に対してＺ方向に移動する機構について説明した。
次に、Ｚ移動作用部４の作用端の構造について説明する。
図６bは、Ｚ移動作用部４の作用端すなわち下端部の構造を模式的に示したものである。
図示するように、Ｚ移動作用部４の軸部の下端は中空円筒形状の加工されている。また、Ｚ移動作用部４の最下端は、二重のコイルバネ４２、４３に連結された作用子４５となっており、この二重のコイルバネ４２、４３を軸部の下端の中空円筒形状内に挿入し、ネジ４４によって軸部に装着することにより、作用子４５は軸部と弾性をもって連結される。そして、作用子４５は円筒形状の金具の下部に、合成ゴム製の下向きドーム形状の接触部を形成したものとなっている。
【００２４】
ここで、本実施形態では、作用子４５に二つのコイルバネ４２、４３を、作用子４５側の一部についてのみ２重となるように作用子４５に連結している。これは、上下方向への所定の弾力を得つつ、左右方向への弾力を強化するためであり、このようにすることにより、所定の弾性をもって作用子４５によって携帯電話器のボタンキーを打点することができるようになると共に、もし誤って所望の位置よりも下方までＺ移動作用部４を移動してしまった場合でも、作用子４５が水平方向に傾き、ボタンキーに過度に強い力が加わってしまうことが避けられるようになる。
【００２５】
以上、本実施形態に係る３軸ロボットについて説明した。
なお、ベース部１には、この他、制御回路や、当該制御回路や前記各ステップモータに電力を供給する電源回路が内蔵されており、前記各ステップモータの回転は、この制御回路によって制御される。
さて、本実施形態に係る３軸ロボットによれば、Ｙ移動ユニット３外にＺ駆動ユニットを設けて、Ｙ移動ユニット３外でＺ方向移動の駆動力を発生し、発生した駆動力を動力伝達ケーブル部５でＹ移動ユニット３内に伝達し、Ｚ移動作用部４をＹ移動ユニット３に対してＺ方向に移動するようにしたので、Ｙ移動ユニット３にＺ移動作用部４のＺ方向移動のためのアクチュエータや移動機構の全てを備える場合に比べ、Ｙ移動ユニット３に加わる重量は小さく、したがって、Ｙ移動ユニット３やＹ移動ユニット３を支持するＸ移動アーム部２やベース部１に必要とされる構造的強度を低く抑えることができる。また、このような駆動力の伝達をカメラのケーブルレリーズに類似した構造によって機械的に実現するので、圧縮エアなどを伝達してＺ方向の移動を行う場合に比べ簡易、安価な構造によって、精度良い移動制御を行うことができるようになる。
【００２６】
また、さらには、動力伝達ケーブル部５のワイヤ部の両端とワイヤ部とＹ移動ユニット３やＺ方向駆動ユニット６内のシャフト受け部６９、４１１との連結を磁力によって行い、動力伝達ケーブル部５のケーブルガイド部とＹ移動ユニット３やＺ方向駆動ユニット６との連結を外部より操作可能なネジ止めにより行っているので、ワイヤ部とＹ移動ユニット３やＺ方向駆動ユニット６内の機構を良好に保護しつつ、比較的劣化しやすい伝達ケーブルの交換などのメンテナンスを、Ｙ移動ユニット３やＺ方向駆動ユニット６を分解などすることなく容易に行うことができる。
【００２７】
なお、本実施形態で示した、任意の用途における３軸ロボットに適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、大きな構造的強度を必要とすること無しに、簡易な構造によって精度良い移動制御を行うことができる３軸ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る３軸ロボットの外観を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＸ移動アーム部のＸ方向の移動を行う機構を模式的に示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＹ移動ユニットのＹ方向の移動を行う機構を模式的に示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る動力伝達ケーブル部の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＺ方向駆動ユニットに収容された機構を模式的に示した図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＹ移動ユニットに収容された機構を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１：ベース部、２：Ｘ移動アーム部、３：Ｙ移動ユニット、４：Ｚ移動作用部、５：動力伝達ケーブル部、６：Ｚ方向駆動ユニット、１１、６１，２０１、：ステップモータ、１２、６２、２０２：ガイド板、１３、６３、２０３：ガイドシャフト、１４、６４、２０４：リニアガイド、１５、６５，２０５：ボールネジ、１６、６６、２０６：軸受、１７、６７、２０７：ボールネジナット、１８、２０８：移動ベース、２１：支柱部、２２：梁部、３１：ベアリングガイド、４１：軸部、４２、４３：コイルバネ、４４：ネジ、４５：作用子、５１：コイルワイヤ、５２：シャフト、５３：フッ素樹脂チューブ、５４：チューブ部、５５：Ｙ移動ユニット装着部、５６：Ｚ方向駆動ユニット装着部、６８：移動ステージ、６９：シャフト受部、４１１：シャフト受部、５５１、５６１：中空円筒。

Claims

ベース部と、当該ベース部に支持され直交する３軸のうちの第１軸方向にベース部に対して移動される第１移動体と、前記第１移動体に支持され前記３軸のうちの第２軸方向に前記第１移動体に対して移動される第２移動体と、前記第２移動体に支持され前記３軸のうちの第３軸方向に前記第２移動体に対して移動される第３移動体とを有する３軸ロボットであって、
第１端が前記第２移動体に保持される中空のチューブと、前記チューブに内挿されたワイヤとを有する伝達ケーブルと、
前記ワイヤの前記チューブの第１端側の端である第１端に連結し、前記ワイヤの前記第２移動体に対する移動に伴い、前記第３移動体を前記第２移動体に対して前記第３軸方向に移動する、前記第２移動体に支持された移動機構と
前記第３移動体及び第２移動体外に配置された、前記チューブの第２端を保持すると共に、前記ワイヤの前記チューブの第２端側の端である第２端に連結し、前記ワイヤを前記チューブに対して、前記チューブに対する前記ワイヤの抜挿方向に移動する駆動機構とを有し、
前記ワイヤの第１端と前記移動機構と、前記ワイヤの第２端と前記駆動機構との少なくとも一方は磁力によって連結されていることを特徴とする３軸ロボット。
請求項１記載の３軸ロボットであって、
前記駆動機構は、
回転モータと、
前記回転モータの回転運動を、前記ワイヤの前記第２端と当該駆動機構との連結部の、前記チューブに対する前記ワイヤの抜挿方向の直進運動に変換する送りネジ機構とを有することを特徴とする３軸ロボット。
ベース部と、当該ベース部に支持され直交する３軸のうちの第１軸方向にベース部に対して移動される第１移動体と、前記第１移動体に支持され前記３軸のうちの第２軸方向に前記第１移動体に対して移動される第２移動体と、前記第２移動体に支持され前記３軸のうちの第３軸方向に前記第２移動体に対して移動される第３移動体とを有する３軸ロボットであって、
前記第３移動体は、第３軸方向に前記第２移動体に対して移動される軸部と、前記軸部に連結された弾性部材と、前記弾性部材に連結された打点部とを有し、
前記弾性部材は、前記打点部と前記軸部に各端がそれぞれ連結した第１のコイルバネと、前記打点部に一端が連結された前記第１のコイルバネよりも短い第２のコイルバネとより構成されることを特徴とする３軸ロボット。