JP6218677B2 - 伸縮部材 - Google Patents

Description

本発明は、ジャバラ構造を有する伸縮部材に関する。

従来のクリーン環境内で使用するロボットにおいては、伸縮する関節部で発生するごみをロボット外部へ放出することを防止するため、一般的にジャバラ構造を有する伸縮部材で関節部を覆う構成にしている（例えば特許文献１を参照）。さらに、伸縮部材の内部で発生したごみが外部に放出されないように、伸縮部材の端部がシール機構によって密封される。

特開２００８−１１９８１１号公報

関節部の伸縮に伴って伸縮部材が伸縮する際に、伸縮部材の内部の体積が変動することで伸縮部材の内圧が変化する。例えば、伸縮部材の収縮時には、伸縮部材の内部の体積が縮小されることで、伸縮部材の内圧が上昇する。伸縮部材の収縮時に、伸縮部材の内圧がシール機構の耐圧以上に上昇してしまった場合、伸縮部材の内部からごみが放出され、クリーン環境が汚染されるおそれがあった。

また、伸縮部材の伸長時には伸縮部材の内部の体積が増大することで、伸縮部材の内圧が低下する。伸縮部材の伸長時に、伸縮部材の内圧が低下しすぎると、伸縮部材が潰れて破損してしまうおそれがあった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、付加的な構成要素を必要とせずごみの放出や潰れを防止することができる内圧変化抑制ジャバラを得ることを目的としている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、伸縮時の内圧の変動を抑えて、内部からのごみの放出や潰れによる破損を抑えることのできるジャバラ構造を有する伸縮部材を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、軸方向に伸縮可能なジャバラ構造の伸縮部を有する伸縮部材であって、伸縮部は、軸方向への収縮に伴って、ジャバラ構造の頂部と底部との距離が大きくなる弾性素材を用いて構成されることを特徴とする。

本発明によれば、伸縮時の内圧の変動を抑えて、内部からのごみの放出や潰れによる破損を抑えることのできるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる伸縮部材を使用した水平多関節ロボットの概略構成を示す図である。 図２は、伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材が伸長した状態を示す図である。 図３は、伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、図２で示す状態よりも伸縮部材が収縮した状態を示す図である。 図４は、伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材が完全に収縮した状態を示す図である。 図５は、図３に示す矢印Ａ方向から見た図である。 図６は、本発明の実施の形態２にかかる伸縮部材を備える水平多関節ロボットの伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材が伸長した状態を示す図である。 図７は、伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、図６で示す状態よりも伸縮部材が収縮した状態を示す図である。 図８は、伸縮部材部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材が完全に収縮した状態を示す図である。 図９は、図７に示す矢印Ｂ方向から見た図である。 図１０は、ジャバラ構造の伸縮量を求めるためジャバラ構造の１つの要素をモデル化した図である。 図１１は、伸縮部材のばね要素の長さＬと角度θの関係を例示する図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる伸縮部材を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる伸縮部材を使用した水平多関節ロボットの概略構成を示す図である。水平多関節ロボット５０は、４軸水平多関節型のロボットであり、ベース１、第一アーム２、第二アーム３、シャフト４を有する。

ベース１と第一アーム２との間には、第一アーム２を水平方向に回転させる第一軸６が設けられている。第一アーム２と第二アーム３との間には、第二アーム３を水平方向に回転させる第二軸７が設けられている。第二アーム３とシャフト４の間には、シャフト４を水平方向に回転させる第三，四軸８が設けられている。第三，四軸８は、シャフト４を垂直方向に直動させる直動軸にもなる。ジャバラ構造の伸縮部を有する伸縮部材５は、上端が第二アーム３の下部に固定されており、下端がシャフト４に固定されている。

図２は、伸縮部材５部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材５が伸長した状態を示す図である。図３は、伸縮部材５部分を拡大した部分拡大断面図であって、図２で示す状態よりも伸縮部材５が収縮した状態を示す図である。図４は、伸縮部材５部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材５が完全に収縮した状態を示す図である。図５は、図３に示す矢印Ａ方向から見た図である。

伸縮部材５部分には、ガイドプレート９，１０と、ガイドシャフト１１が設けられる。ガイドプレート９は、シャフト４に固定されている。ジャバラ構造を有する伸縮部材５は、第二アーム３とガイドプレート９の間のシャフト４の周りを覆うように第二アーム３とガイドプレート９，１０に固定されている。

ジャバラ構造の伸縮部は、水平多関節ロボット５０の密封に用いている回転部のオイルシール（シール機構）の封止対象に対する耐圧以下で十分伸縮可能な弾性素材を用いて形成されている。オイルシールは、伸縮部材５の内部を密封する位置に設けられる。オイルシールは、例えば第二アーム３と伸縮部材５との間、第二アーム３とシャフト４との間、伸縮部材５とガイドプレート９との間、ガイドプレート９とシャフト４との間に設けられる。弾性素材は、力が作用しているときは伸び、力が除去されると元の形状に戻る弾性体を用いることができる。このような素材にはゴム膜がある。

ガイドプレート１０は、伸縮部材５が径方向に伸長する際の伸長量を抑制するため、第二アーム３とガイドプレート９の間で伸縮部材５の底部５ｂの内側に固定されている。ガイドシャフト１１は、ガイドプレート１０とシャフト４との接触を防止するため、ガイドプレート１０に開けられている穴に通ることでガイドプレート１０をガイドしている。なお、ガイドプレート１０はジャバラの伸縮量に伴い基本的に複数用いる。

シャフト４が図中下方向に動作する際（図４→図３→図２と動作する際）、伸縮部材５が第三，四軸８方向に伸長することで、ジャバラ構造の頂部５ａと底部５ｂとの距離が変わらない（伸縮部材５が径方向に伸縮しない）場合には、伸縮部材５の内部の体積が減少し、内圧が低下していく。一方、本実施の形態１では、伸縮部材５に弾性部材が用いられているため、頂部５ａと底部５ｂとの距離が小さくなって（径方向に収縮して）、内部の体積を減少させて内圧の変化を抑えることができる。

また、シャフト４が図中上方向に動作する際（図２→図３→図４と動作する際）、伸縮部材５が第三，四軸８方向に収縮することで、ジャバラ構造の頂部５ａと底部５ｂとの距離が変わらない場合には、伸縮部材５の内部の体積が増大し、内圧が上昇していく。一方、本実施の形態１では、伸縮部材５に弾性部材が用いられているため、頂部５ａと底部５ｂとの距離が大きくなって（径方向に伸展して）、内部の体積を増加させて内圧の変化を抑えることができる。

したがって、伸縮部材５の伸長時および収縮時に、伸縮部材５の内圧をオイルシールによる耐圧以下に抑えることができる。これにより、伸縮部材５の内部からのごみの放出や、伸縮部材５の潰れによる破損を抑制することができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる伸縮部材２５を備える水平多関節ロボットの伸縮部材２５部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材２５が伸長した状態を示す図である。図７は、伸縮部材２５部分を拡大した部分拡大断面図であって、図６で示す状態よりも伸縮部材２５が収縮した状態を示す図である。図８は、伸縮部材２５部分を拡大した部分拡大断面図であって、伸縮部材２５が完全に収縮した状態を示す図である。図９は、図７に示す矢印Ｂ方向から見た図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施の形態２では、ジャバラ構造を有する伸縮部材２５の頂部２５ａと底部２５ｂの距離を変化させる方法として、複数の伸縮するアクチュエータ１２を伸縮部材２５に固定している。それぞれのアクチュエータ１２は、図９に示すように伸縮部材２５の頂部２５ａと底部２５ｂを結ぶように設けられている。

シャフト４が図中下方向に動作する際（図８→図７→図６と動作する際）、アクチュエータ１２自身が収縮して、頂部２５ａと底部２５ｂとの距離を縮小させる（径方向に収縮させる）。これにより、伸縮部材２５の内部の体積を減少させて内圧の変化を抑えることができる。

また、シャフト４が図中上方向に動作する際（図６→図７→図８と動作する際）、アクチュエータ１２自身が伸長して、頂部２５ａと底部２５ｂとの距離を拡大させる（径方向に伸展させる）。これにより、伸縮部材２５の内部の体積を増加させて内圧の変化を抑えることができる。

また、伸縮部材２５の頂部２５ａと底部２５ｂとの距離を、アクチュエータ１２を用いて機械的に変化させることができるので、伸縮部材２５に用いられる素材の経年劣化等の影響を抑えることができる。

図１０は、ジャバラ構造の伸縮量を求めるためジャバラ構造の１つの要素をモデル化した図である。ジャバラ構造の１つの要素（要素）の断面を、２つのばね要素と１つの剛体要素とそれらをつなぐ４つの回転関節でモデル化した。伸縮部材２５とガイドプレート１０の固定部（底部５ｂ，２５ｂ）から軸（第三，四軸８）までの距離をｒ∈（０，∞）とし、伸縮部材２５の外周部の厚さ（頂部５ａ，２５ａの長さ）をｔ∈（０，∞）とし、軸とジャバラのばね要素のなす角度をθ∈［０，π／２］とすると、ジャバラのばね要素の長さＬ（θ）は、以下の数式（１）によって表される。

図１１は、伸縮部材のばね要素の長さＬと角度θの関係を例示する図である。図１１で示す例は、上記実施の形態で示した伸縮部材５，２５を、三菱電機製の水平多関節ロボット（ＲＨ−３／６ＦＨ）に適用した例であり、ｒが１５ｍｍ、ｔが５ｍｍ、Ｌ（０）が３０ｍｍとなっている。角度θに対し、要素の長さＬを図１１で示すように伸縮させれば、伸縮部材５，２５の内部の体積を減少させて内圧の変化を抑えることができる。すなわち、実施の形態１で示した伸縮部材５であれば、図１１で示す角度θと長さＬの関係で伸縮する素材で伸縮部を形成すればよい。実施の形態２で示した伸縮部材２５であれば、図１１で示す角度θと長さＬの関係となるようにアクチュエータ１２の長さを制御すればよい。

以上のように、本発明にかかる伸縮部材は、クリーン環境で用いられる伸縮部材に有用である。

１ ベース、２ 第一アーム、３ 第二アーム、４ シャフト、５ 伸縮部材、５ａ 頂部、５ｂ 底部、６ 第一軸、７ 第二軸、８ 第三，四軸、９，１０ ガイドプレート、１１ ガイドシャフト、１２ アクチュエータ、２５ 伸縮部材、２５ａ 頂部、２５ｂ 底部、５０ 水平多関節ロボット。

Claims (4)

1. 軸方向に伸縮可能なジャバラ構造の伸縮部を有する伸縮部材であって、
   前記伸縮部は、前記軸方向への収縮に伴って、前記ジャバラ構造の頂部と底部との距離が大きくなる弾性素材を用いて構成され、
   前記ジャバラ構造の前記頂部と前記底部とに連結されて伸縮することで前記頂部と前記底部との距離を変化させるアクチュエータを備え、
   前記アクチュエータは、前記ジャバラ構造の伸長時よりも収縮時に前記頂部と前記底部との距離を拡大させることを特徴とする伸縮部材。
2. 前記伸縮部材の一端部と他端部はシール機構によって密封され、
   前記弾性素材は、前記伸縮部材の内部が前記シール機構の耐圧以下となるように前記ジャバラ構造の頂部と底部との距離を変化させることを特徴とする請求項１に記載の伸縮部材。
3. 前記軸に垂直な方向から見た断面において前記ジャバラ構造を構成する１つの山を、前記頂部と前記底部を結ぶ２つのばね要素と、前記ばね要素同士を前記頂部で連結する１つの剛体要素としてモデル化し、
   前記軸から前記底部までの距離をｒとし、前記ばね要素と前記軸とがなす角度をθとし、前記剛体要素の長さをｔとした場合に、
   前記アクチュエータは、前記伸縮部の伸縮する際に、前記ばね要素の長さＬ（θ）が以下の数式を満たすように動作することを特徴とする請求項１に記載の伸縮部材。
   

   
4. 前記ジャバラ構造の底部部分の内側に固定されたプレートと、
   前記プレートの移動方向を前記軸方向に規制するガイドと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の伸縮部材。

Images