JP4809389B2 - パラレルメカニズム - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボットとして使用されるパラレルメカニズム、なかでも操作ヘッドが複数対のアームユニットで支持してある回転型のパラレルメカニズムに関する。

この種のパラレルメカニズムの基本構造は、例えば特許文献１に公知である。そこでは、ベースと、ベースの下面に均等配置される３個のサーボモーターと、サーボモーターで駆動操作される３個のアームユニットと、３個のアームユニットで支持される操作ヘッドなどでパラレルメカニズムを構成している。ベースと操作ヘッドとの間には、伸縮しながら回転動力を伝動する駆動軸が設けてある。操作ヘッドの下面側には、処理対象を捕捉するハンドが設けてある。

各アームユニットは、サーボモーターで上下に旋回駆動される駆動アームと、駆動アームの旋回動作を操作ヘッドに伝えるロッドで構成してあり、ロッドは駆動アームおよび操作ヘッドに対してボール継手で連結してある。駆動軸は伸縮自在に連結される駆動筒と受動筒とからなり、駆動軸の上下両端がカルダン継手を介してモーターの出力軸と操作ヘッドに組み込んだ操作軸とに連結している。駆動筒および受動筒は、それぞれ非円形断面の円筒体で構成してある。各駆動アームの駆動方向と駆動量を変更することにより、操作ヘッドを所定の３次元空間内で自由に変位できる。この種のパラレルメカニズムは特許文献２にも見ることができる。

特開２００１−２７７１６４号公報（段落番号００１０、図２） 特表２００５−５２８９９３号公報（段落番号００１９、図１）

本発明における駆動軸は、伸縮自在に連結される駆動側スプライン軸と受動側スプライン軸とで構成する。また、駆動軸の上下両端をユニバーサルジョイントを介して、モーターの出力軸と操作ヘッドに組み込んだ操作軸とに連結する。パラレルメカニズムが作動している時の駆動軸は、操作ヘッドの３次元運動に追随して傾動しながら伸縮し、同時に正転あるいは逆転駆動される。そのため、駆動側スプライン軸と受動側スプライン軸との嵌合部分や、ユニバーサルジョイントに高負荷が掛かり、駆動アームなどの他の構成部品に比べて比較的短期間で消耗しやすい。こうした理由から、パラレルメカニズムの稼動開始から一定の使用時間（例えば１年）が経過すると、駆動軸の一部もしくは全体を、新規な部品と交換する必要がある。

本発明の目的は、モーターの出力軸および操作軸に対する駆動軸の連結構造を改良して駆動軸の着脱を迅速に行えるようにし、以て、駆動軸のメンテナンスや交換などの保守作業を簡便化することにある。

本発明のパラレルメカニズムは、ベースに配置される複数個の駆動モーターと、駆動モーターで駆動操作されるアームユニットと、アームユニットで支持される操作ヘッドと、ベースに設けたモーターの回転動力を操作ヘッドに設けた操作軸に伝動する駆動軸とを有する。駆動軸は、操作ヘッドの３次元運動に追随して傾動しながら伸縮し、駆動モーターの回転動力を該操作ヘッドの操作軸に伝動する。駆動軸の入力端および出力端のそれぞれを、モーターの出力軸および操作軸に対して摩擦締結具を介して着脱可能に連結することにより、駆動軸の全体をモーターの出力軸および操作軸から分離できることを特徴とする。

駆動軸は、伸縮しながら回転動力を伝動できる駆動側スプライン軸および受動側スプライン軸を含むボールスプライン軸と、これら両スプライン軸の入力端および出力端のそれぞれに設けたユニバーサルジョイントとで構成する。ユニバーサルジョイントは、モーターの出力軸および操作軸に対してそれぞれ摩擦締結具を介して着脱可能に連結する。

摩擦締結具は摩擦ロック型の締結具で構成する。摩擦ロック型の締結具は、テーパー面を介して内外に隣接する内輪および外輪と、内輪および外輪のいずれか一方を軸方向へ移動操作するねじ構造とを含んで構成する。

摩擦締結具は、出力軸に外嵌する連結穴を備えた継手本体と、連結穴の周囲壁に形成したスリットと直交する状態で配置されて、連結穴の周囲壁を縮径操作するねじ体とで構成する。

摩擦ロック型の締結具は、テーパー面を介して内外に隣接する内輪および外輪と、内外輪のいずれか一方で相対回転自在に支持されて、内外輪の他方をねじを介して軸方向へ移動操作するナットとで構成する。

本発明のパラレルメカニズムにおいては、モーターと操作軸を接続する駆動軸の入力端および出力端のそれぞれを、モーターの出力軸および操作軸に対して摩擦締結具を介して着脱可能に連結して、駆動軸を先の出力軸および操作軸から分離できるようにした。換言すると、駆動軸を取り外す際に、モーターや操作軸あるいは操作ヘッドなどの、駆動軸の周辺構造を分離する必要もなく、摩擦締結具を着脱するだけで駆動軸を簡便に取り外し、あるいは組み付けられるようにした。したがって、本発明のパラレルメカニズムでは、高負荷が作用して消耗しやすい駆動軸の消耗度合を点検し、あるいは新規な駆動軸と交換する際に、駆動軸の着脱を迅速に行って保守作業を簡便化できる。

伸縮伝動できるボールスプライン軸と、その入力端および出力端のそれぞれに設けたユニバーサルジョイントとで構成した駆動軸によれば、操作ヘッドの３次元変位に円滑に追随しながらモーター動力を操作軸へ効果的に伝動できる。例えば、非円形の駆動筒と受動筒、および両筒の上下両端に設けたカルダン継手とで構成した従来の駆動軸に比べて、モーターの回転動力を効率よく伝動できるうえ、伸縮伝動時の摩擦抵抗を減少して操作ヘッドの高速移動に円滑に追随できる。また、入力端、および出力端のユニバーサルジョイントを、摩擦締結具を介してモーターの出力軸および操作軸に着脱可能に連結するので、摩擦締結具を着脱操作するだけで、駆動軸の一式構造を残らず分離し、あるいは組み付けることができる。

テーパー面を介して隣接する内輪および外輪と、両者の一方を移動操作するねじ構造とで摩擦締結具を摩擦ロック型に構成すると、ねじ構造を締緩操作するだけで、駆動軸とその連結対象とを同時に連結ないし分離できる。したがって、駆動軸の着脱の手間を省いて、駆動軸の消耗度合の点検や交換作業などをさらに簡便に行なえる。例えば、駆動軸の出力端と操作軸とを中間連結体を介して接続し、出力端と中間連結体、および中間連結体と操作軸のそれぞれを貫通するピンで連結する場合に比べて、連結構造を簡素化し軽量化できる。したがって、操作ヘッドに作用する重量を削減して、その分だけアームユニットに作用する駆動負荷を軽減できる。あるいは、操作ヘッドによる搬送重量を増加できる。また、内外輪の面接触によって駆動軸と連結対象を固定するので、ピン連結する場合に避けられない連結部分のがたつきを一掃して、駆動軸と連結対象の間の動力伝動効率を向上できる。

継手本体と、継手本体に設けた連結穴の周囲壁を縮径操作するねじ体とで摩擦締結具を構成し、駆動軸と連結対象とを摩擦締結具で連結すると、ねじ体を締緩操作することで駆動軸を連結対象に対して着脱できる。例えば、モーターの出力軸が連結対象であって、出力軸が高い位置にある場合や、出力軸の周囲が複数個の駆動モーターで囲まれている場合には、摩擦締結具の側方でスパナを垂直軸回りに回転操作して締緩操作するのが困難となる。しかし、継手本体のスリットと直交する向きに配置したねじ体であれば、その締緩操作が概ね水平軸回りの回転動作になるので、ねじ体の締緩操作を支障なく行なうことができ、したがって狭い作業スペースでも摩擦締結具の着脱を簡便に行なえる。これにより、駆動軸の連結対象に対する分離や組み付けを簡便に手早く行なうことができる。

内輪および外輪と、内外輪の一方をねじを介して軸心方向へ移動操作するナットとで構成した摩擦締結具によれば、１個のナットを締緩操作するだけで、駆動軸の出力端と操作軸を同時に連結しあるいは連結解除できる。したがって、複数個のねじ体で内外輪の一方を移動操作する場合に比べて、駆動軸の出力端の分離や組み付けをさらに簡便に行なえる。

（実施例） 図１から図６は本発明に係るパラレルメカニズムを搬送ロボットに適用した実施例を示す。図２に示すように、パラレルメカニズムは、テーブルやコンベアーを跨ぐ状態で設置される高剛性の架台１を基体にして構成する。詳しくは、架台１の上壁に固定されるベース２と、ベース２の下面に配置される３個の駆動モーター３と、駆動モーター３で駆動される３個のアームユニット４と、各アームユニット４で支持される操作ヘッド５と、中央部に配置される駆動軸６などで構成する。ベース２は、操作ヘッド５の動作空間の上方に位置しており、その上面には駆動軸６を回転駆動するモーター７が設けてある。

ベース２の下面には３個のモーターブラケット１０が均等な間隔をあけて設けてあり、これらのモーターブラケット１０に駆動モーター３が組み付けてある。駆動モーター３はサーボモータと減速機とを一体に備えており、減速機で減速された往復旋回動力を出力する。図３に示すように３個の駆動モーター３は、その中心軸線が正三角形の各辺を構成する状態でベース２に配置してあり、先の正三角形の図形中心は駆動軸６の軸中心位置に一致させてある。先のモーター７も駆動モーター３と同じ構造のモーターからなり、減速機で減速された正転動力および逆転動力を出力する。

アームユニット４は、駆動モーター３で上下に旋回駆動される駆動アーム１２と、駆動アーム１２の旋回動作を操作ヘッド５に伝えるロッド１３とで構成する。駆動アーム１２の基端にはアームボス１４が固定してあり、このアームボス１４が駆動モーター３の出力軸に固定してある。図３に示すようにロッド１３は、平行に配置される一対のリンク棒１５と、リンク棒１５の上下端寄りに設けられて、両リンク棒１５を引き寄せ付勢するばねユニット１６とで構成してある。

ロッド１３の上下両端は、駆動アーム１２および操作ヘッド５に対して、それぞれボール継手１７で連結する。このように、ボール継手１７を介して連結されたアームユニット４によれば、駆動アーム１２を駆動モーター３で上下に往復旋回駆動することにより、操作ヘッド５を所定の３次元空間内で自由に変位できる。操作ヘッド５が３次元変位できる空間のうち、基準平面上の直径１０４０ｍｍ、高さ２００ｍｍの作動範囲が操作ヘッド５の作業領域となる。なお、対向するボール継手１７のボール中心どうしを結ぶ線は、先の駆動モーター３の中心軸線と平行になっている。

操作ヘッド５は、三角形状の板状ブロックからなり、その中央部分に駆動軸６の回転動力を受け継ぐ操作軸２０が回転自在に軸支してある。図４に示すように、操作軸２０は、クロスローラーベアリング５１で回転自在に軸支される軸部５２と、軸部５２の下端に設けられるフランジ５３と、軸部５２の上端に設けられる連結軸５４とで構成する。フランジ５３を利用して、吸着具やハンドなどの捕捉構造が装着される。

駆動軸６は、モーター７の回転動力を伸縮しながら伝動する。伸縮伝動時の摩擦抵抗を減少し、さらに操作ヘッド５の高速移動に円滑に追随させるために、駆動軸６はボールスプライン軸と、ボールスプライン軸の上下端に連結されるユニバーサルジョイント２１とで構成する。図１に示すように、ボールスプライン軸は、上半側の駆動スプライン軸２２と、下半側の受動スプライン軸２３とで構成する。駆動軸６のメンテナンスや交換を簡便に行なうために、駆動軸６の入力端および出力端を、モーター７の出力軸（連結対象）２５および先の操作軸（連結対象）２０に対してそれぞれ摩擦締結具２６・２７を介して着脱可能に連結している。

図４および図５に示すようにモーター７の出力軸２５に連結される摩擦締結具２６は、出力軸２５に外嵌する連結穴２９を備えた継手本体２８と、連結穴２９の周囲壁を縮径操作する六角穴付ボルト（ねじ体）３０とで構成してある。継手本体２８は断面が六角形の軸体からなり、その連結穴２９の周囲壁の一部にスリット３１が形成され、スリット３１を間に挟んでボルト挿通穴３２とねじ穴３３が形成してある。継手本体２８は、丸軸あるいは断面が多角形の軸体で形成してもよい。

ボルト挿通穴３２の外端には、六角穴付ボルト３０の操作頭部を受け止める締結座３４が形成してある。継手本体２８の下部には連結軸３５が形成してあり、この連結軸３５がユニバーサルジョイント２１の駆動側の継手体３６に図示していないボルト、またはピンで固定される。連結軸３５はボルトおよびピンの両方で継手体３６に固定してあってもよい。出力軸２５を連結穴２９に嵌め込んだ状態で、スリット３１と直交する状態で六角穴付ボルト３０をねじ穴３３にねじ込むことにより、連結穴２９の周囲壁を縮径変形させて摩擦締結具２６を出力軸２５に連結固定できる。

図４および図６に示すように、操作軸２０に連結される摩擦締結具２７は市販されている摩擦ロック型の締結具（商品名メカロック）からなる。摩擦締結具２７は、上下両端が開口する円筒状の内輪３８と、内輪３８に外嵌する円筒状の外輪３９と、外輪３９の下端周囲に張り出したフランジ壁４０で相対回転自在に支持されるナット（ねじ構造）４１の三者で構成してある。内輪３８と外輪３９とはテーパー面４２を介して内外に隣接しており、それぞれの筒壁には拡縮変形を許すスリット（図示していない）が形成してある。テーパー面４２は、外輪３９のフランジ壁４０の側から外輪３９の上端へ向かって上拡がり状に形成してある。内輪３８の下端周面には、ナット４１と噛み合うねじ軸（ねじ構造）４３が形成してある。

上記構成の内輪３８の連結穴４４に操作軸２０の連結軸５４を内嵌し、さらに外輪３９をユニバーサルジョイント２１の受動側の継手体４５に嵌め込んだ状態でナット４１をねじ込むことにより、内輪３８が軸心に沿ってナット４１の側へ引き寄せられる。内輪３８の移動に伴い外輪３９が拡径変形して、その周面が受動側の継手体４５の内周面に圧接される。同時に内輪３８が縮径変形して、その連結穴４４が連結軸５４に圧接する。その結果、操作軸２０とユニバーサルジョイント２１とを摩擦締結具２７を介して強固に連結できる。ナット４１を締緩操作するとき、ユニバーサルジョイント２１の受動側の継手体４５および操作軸２０が連れ回り回転するのを避ける必要がある。そのために、操作軸２０および継手体４５の軸周面の対向位置には、それぞれスパナを係合するための平坦面４６・４７が形成してある。

駆動軸６を取り外す場合には、以下の手順に従って作業を行なう。まず、駆動モータ３のブレーキを解除して、操作ヘッド５を作業しやすい位置へ移動し、先のブレーキを作動させてアームユニット４を移動不能に固定する。次に、専用スパナを先に説明した平坦面４６・４７に同時に係合して、操作軸２０および継手体４５を回転不能に固定する。この状態で、別のスパナをナット４１に係合して緩み側へ回転操作し、内外輪３８・３９による摩擦締結状態を解除する。この後、上側の摩擦締結具２６の六角穴付ボルト３０を六角棒レンチで緩み側へ操作して、モーター７の出力軸２５と継手本体２８との連結状態を解除する。最後に駆動側スプライン軸２２を受動側スプライン軸２３の内部に差し込んで駆動軸６の全長を小さくすることにより、駆動軸６を操作軸２０および継手体４５から分離できる。

操作軸２０の周囲は、３組のアームユニット４で囲まれているものの、操作軸２０の上方空間は開放されており、しかも操作ヘッド４を作業しやすい位置へ自由に移動できる。したがって、操作軸２０に連結した摩擦締結具２７のナット４１を側方からはスパナで容易に締緩操作できる。摩擦ロック型の摩擦締結具２７は、それのみで連結軸５４と継手体４５とを同時に連結できるので、連結構造を簡素化し軽量化できるうえ、高トルクを伝動できる利点もある。

上記のように、連結構造を簡素化できる摩擦ロック型の摩擦締結具２７で、モーター７の出力軸２５と駆動軸６とを接続するとよいが、問題がある。モーター７の出力軸２５は高い位置にあり、しかも出力軸２５の周囲が３個の駆動モーター３で囲まれているため、スパナを使用してナット側方から締緩操作するのが困難な場合がある。こうした理由から、出力軸２５に連結される摩擦締結具２６を継手本体２８と六角穴付ボルト３０とで構成し、狭い作業スペースでも操作できる六角棒レンチで六角穴付ボルト３０を締緩操作できるようにしている。

上記の実施例では、内外輪３８・３９の一方をナット４１で軸心方向へ移動操作する摩擦締結具２７について説明したが、その構造に限定するものではない。内外輪３８・３９の一方を複数個のボルト（ねじ体）で軸心方向へ移動操作する形態の摩擦締結具２７であってもよい。駆動軸６はボールスプライン軸で構成することが好ましいが、操作ヘッド５の変位速度が遅い場合などには、伸縮しながら回転動力を伝動できる軸継手全般を適用できる。同様に、ユニバーサルジョイント２１は、他形式の自在継手を適用できる。摩擦締結具２６においては、ナットと回り止め保持されたボルトとでねじ体を構成し、ナットを締め込み操作して連結穴２９の周囲壁を縮径操作することができる。なお、上記の実施例では、摩擦締結具２６が高い位置にあることと、その周辺に駆動モーター３が配置されることを勘案して、摩擦締結具２６を駆動軸６の入力端側に配置し、出力端側に別の摩擦締結具２７を配置したが、その必要はない。パラレルメカニズムは用途に応じて種々の大きさのものがあり、その取り付ける向きも様々であるので、摩擦締結具２６・２７の配置位置は、個々のパラレルメカニズムの使用に応じて選択すればよい。例えば、両摩擦締結具２６・２７を上下逆に配置することができ、あるいは駆動軸６の両端に同じ摩擦締結具２６（または摩擦締結具２７）を配置することができる。

駆動軸を分離した状態の一部破断正面図である。 図３におけるＡ−Ａ線矢視図である。 パラレルメカニズムの平面図である。 駆動軸を組み付けた状態の一部破断正面図である。 図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。 摩擦ロック型の摩擦締結具の断面図である。

符号の説明

２ ベース
３ 駆動モーター
４ アームユニット
５ 操作ヘッド
６ 駆動軸
７ モーター
２０ 操作軸
２１ ユニバーサルジョイント
２２ 駆動スプライン軸
２３ 受動スプライン軸
２５ 出力軸
２６ 摩擦締結具
２７ 摩擦締結具
２８ 継手本体
２９ 連結穴
３０ ねじ体（ボルト）
３１ スリット
３８ 内輪
３９ 外輪
４１ ねじ構造（ナット）
４２ テーパー面
４３ ねじ構造（ねじ軸）

Claims (5)

1. ベースに配置される複数個の駆動モーターと、前記駆動モーターで駆動操作されるアームユニットと、前記アームユニットで支持される操作ヘッドと、前記ベースに設けたモーターの回転動力を、前記操作ヘッドに設けた操作軸に伝動する駆動軸とを有するパラレルメカニズムであって、
   前記駆動軸は、前記操作ヘッドの３次元運動に追随して傾動しながら伸縮し、前記駆動モーターの回転動力を該操作ヘッドの操作軸に伝動するものであり、
   前記駆動軸の入力端および出力端のそれぞれが、前記モーターの出力軸および前記操作軸に対して摩擦締結具を介して着脱可能に連結してあることを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記駆動軸が、伸縮しながら回転動力を伝動できる駆動側スプライン軸および受動側スプライン軸を含むボールスプライン軸と、これら両スプライン軸の入力端および出力端のそれぞれに設けたユニバーサルジョイントとで構成されており、
   前記ユニバーサルジョイントが、前記モーターの前記出力軸および前記操作軸に対してそれぞれ前記摩擦締結具を介して着脱可能に連結してある請求項１記載のパラレルメカニズム。
3. 前記摩擦締結具が摩擦ロック型の締結具で構成してあり、
   前記摩擦ロック型の締結具が、テーパー面を介して内外に隣接する内輪および外輪と、前記内輪および前記外輪のいずれか一方を軸方向へ移動操作するねじ構造とを含んで構成してある請求項１または２記載のパラレルメカニズム。
4. 前記摩擦締結具が、前記出力軸に外嵌する連結穴を備えた継手本体と、前記連結穴の周囲壁に形成したスリットと直交する状態で配置されて、前記連結穴の周囲壁を縮径操作するねじ体とで構成してある請求項１ないし３のいずれかに記載のパラレルメカニズム。
5. 前記摩擦ロック型の締結具が、テーパー面を介して内外に隣接する内輪および外輪と、前記内外輪のいずれか一方で相対回転自在に支持されて、前記内外輪の他方をねじを介して軸方向へ移動操作するナットとで構成してある請求項３記載の記載のパラレルメカニズム。

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