JP6220105B1 - 外部駆動型の関節構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1及び図2を用いて、本実施形態に係る外部駆動型の関節構造体1を説明する。図1は、本実施形態に係る関節構造体1を模式的に例示する斜視図である。また、図2は、本実施形態に係る関節構造体1を模式的に例示する断面図である。なお、図2では、各構成要素を区別するために、ハッチングを利用している。このハッチングは、説明の便宜上のものであり、各構成要素の材質等を特定するものではない。ハッチングを利用しているその他の断面図についても同様である。
まず、軸体13について説明する。図2に例示されるように、本実施形態に係る軸体13は、第1回転部材11と一体的に形成されている。具体的には、軸体13は、第1回転部材11の後述する第2面部112の中央に一体的に連結しており、当該第2面部112から離間する方向に延びている。これにより、本実施形態では、第1回転部材11の第2面部112側に第2回転部材12が連結されるように構成されている。
次に、各回転部材(11、12)について説明する。まずは、第1回転部材11について説明する。本実施形態に係る第1回転部材11は、軸方向に対向する一対の面部(111、112)と、一対の面部(111、112)の外周縁に沿って配置される側壁部113と、を備えている。以下では、説明の便宜のため、一対の面部(111、112)をそれぞれ第1面部111及び第2面部112とも称する。
次に、図3を更に用いて、軸方向に隣接する回転部材(11、12)の両凹部(115、126)で形成される内部空間に収容される各構成要素について説明する。図3は、本実施形態に係る関節構造体1を分解した状態を模式的に例示する。各凹部(115、126)は、スラストベアリング14及びエンコーダ16を収容可能な形状を有するように形成され、これによって、上記のとおり、両凹部(115、126)で形成される内部空間に、スラストベアリング14及びエンコーダ16が収容される。
次に、図4、図5A、図5B、及び図6を更に用いて、連結部21におけるリンク部材31の連結方法について説明する。図4は、本実施形態に係る関節構造体1の連結部21を模式的に例示する部分拡大図である。図5Aは、連結部21にリンク部材31を連結する前の状態を模式的に例示する断面図である。図5Bは、連結部21にリンク部材31を連結した後の状態を模式的に例示する断面図である。図6は、連結部21の端面210とリンク部材31の端面310との連結状態を模式的に例示する。
本実施形態に係る関節構造体1によれば、様々なリンク機構を構築することができる。以下では、3つの例を示す。
まず、図7A及び図7Bを用いて、6つの関節構造体408a〜408fにより、パラレルリンク化したスコットラッセル機構を有するロボット400を構築する例について説明する。図7A及び図7Bは、本使用例に係るロボット400を模式的に例示する斜視図及び側面図である。なお、各関節構造体に符号408a〜408fを付しているのは説明の便宜に過ぎず、各関節構造体408a〜408fは上記関節構造体1である。各関節構造体408a〜408fは、第2回転部材が紙面手前側になるように配置されている。同様に、各リンク部材に符号407a〜407hを付しているのは説明の便宜に過ぎず、各リンク部材407a〜407hは上記リンク部材31である。
次に、図8を用いて、ワイヤ駆動用溝部129を利用して、関節構造体1をワイヤ駆動する例について説明する。図8は、ワイヤ引きにより駆動する3つの関節構造体412を有するロボット410を模式的に例示する斜視図である。なお、上記と同様に、各関節構造体に符号412A、412Bを付しているのは説明の便宜に過ぎず、各関節構造体(412A、412B)は上記関節構造体1である。具体的には、第1回転部材11を紙面手前側に向けて利用している関節構造体に「412A」を付しており、第2回転部材12を紙面手前側に向けて利用している関節構造体に「412B」を付している。以下、両者を区別しない場合には、単に「関節構造体412」と記載する。同様に、各リンク部材に符号411を付しているのは説明の便宜に過ぎず、各リンク部材411は上記リンク部材31である。
次に、図9Aを用いて、18つの関節構造体424により、パラレルリンク機構を3カ所に有するデルタロボット420を構築する例について説明する。図9Aは、本使用例に係るデルタロボット420を模式的に例示する斜視図である。なお、上記と同様に、各関節構造体に符号424を付しているのは説明の便宜に過ぎず、各関節構造体424は上記関節構造体1である。
以上のとおり、本実施形態に係る関節構造体1では、2つの回転部材(11、12)が軸回りに互いに回転可能に連結される。加えて、各回転部材(11、12)は、ロボットのリンクを構成するリンク部材31を連結するための連結部21を2つずつ備えている。そのため、上記使用例に示したように、異なる回転部材(11、12)に異なるリンク部材31を連結することで、関節構造体1を介して複数のリンク部材31を連結することができる。更に、アクチュエータ等から外力が作用してリンク部材31が変動した場合には、各回転部材(11、12)は、そのリンク部材31の変動に応じて、軸周りに回転することができる。
以上、本発明の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。また、上記関節構造体1の各構成要素に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換、及び追加が行われてもよい。上記関節構造体1の各構成要素の形状及び大きさは、実施の形態に応じて、適宜設定されてもよい。例えば、以下の変更が可能である。なお、以下で説明する変形例では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
例えば、上記実施形態に係る関節構造体1は、2個の回転部材(11、12)を備えている。しかしながら、本発明の関節構造体の備える回転部材の数は、上記実施形態の例に限定されなくてもよく、3つ以上であってもよい。
例えば、上記実施形態では、各回転部材(11、12)の各面部(111、112、121、122)は、円形状に形成されている。しかしながら、各回転部材(11、12)の形状は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、各回転部材(11、12)の各面部(111、112、121、122)は、六角形等の多角形であってもよいし、楕円形であってもよい。なお、これらの形状の場合に、各回転部材(11、12)の外形を軸方向に対称に形成してもよい。
また、例えば、上記実施形態では、各回転部材(11、12)は、2つの連結部21を有している。しかしながら、各回転部材(11、12)の有する連結部21の数は、2つに限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてもよい。例えば、各回転部材(11、12)の有する連結部21の数は、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。このとき、各連結部21は、上記実施形態と同様に各側壁部(113、123)に配置されてもよいし、上記変形例と同様に各面部(111、112、121、122)に配置されてもよい。
また、例えば、上記実施形態では、各連結部21は、各回転部材(11、12)の側壁部(113、123)に配置されている。しかしながら、各連結部21の配置は、このような例に限定されなくてもよく、各回転部材(11、12)の各面部(111、112、121、122)に配置されてもよい。
また、例えば、上記実施形態では、2つの連結部21は、各回転部材(11、12)の面方向中央に対して180度の位置に配置されている(以下、この角度を「隣接する連結部の間の角度」と称する)。しかしながら、側壁部(113、123)に複数の連結部21を設ける場合に、各連結部21の位置関係は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
また、例えば、上記実施形態及び変形例では、軸体13(13A)は、第1回転部材11と一体的に形成されている。しかしながら、軸体13(13A)は、第1回転部材11以外の回転部材と一体的に形成されてもよい。上記変形例のように、関節構造体が3つ以上の回転部材を備える場合、軸体13(13A)は、最も外側に配置される2つの回転部材のいずれかと一体的に形成されてもよい。また、軸体13(13A)は、最も外側に配置される2つの回転部材の間に配置されるいずれかと一体的に形成されてもよい。この場合、軸体13(13A)は、当該回転部材の両側の面部から軸方向に延びるように形成される。更に、軸体13(13A)は、最も外側に配置される2つの回転部材それぞれに一体的に形成されてもよい。この場合、各回転部材から延びる各軸体13(13A)はネジ結合等で連結可能に構成されてよい。
また、上記実施形態及び変形例では、各リンク部材は、各回転部材に個別に連結される。しかしながら、リンク部材と回転部材との対応関係は、このような例に限定されなくてもよい。上記図10及び図13で例示される変形例のように、関節構造体が3つ以上の回転部材を備える場合は、少なくとも2つの回転部材の連結部が同一のリンク部材に連結されてもよい。
また、図15に例示されるように、補強板を用いて、各回転部材の連結部とリンク部材との連結を補強してもよい。図15は、連結部21とリンク部材31との連結を補強する補強板51を備える関節構造体1Eを模式的に例示する断面図である。図15Eに例示されるように、本変形例に係る関節構造体1Eは、上記実施形態と同様に、2つの回転部材(11E、12E)を備える。
また、上記実施形態では、連結部21とリンク部材31とは、くさび部材32を介して連結される。しかしながら、連結部21とリンク部材31とを連結する方法は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、図16A及び図16Bにより例示されるように、連結部21とリンク部材31との連結は磁石によって構成されてもよい。
また、上記実施形態では、軸方向に隣接する回転部材(11、12)の間に、各回転部材(11、12)から軸方向に作用する力を受け止めるために、スラストベアリング14が収容されている。しかしながら、軸方向に隣接する回転部材(11、12)の間に配置可能なベアリングは、軸方向に作用する力を受け止める環状のベアリングであれば、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、隣接する回転部材(11、12)の間には、スラスト方向及びラジアル方向の両方向の力を受け止め可能なアンギュラコンタクトボールベアリングが収容されてもよい。
また、上記実施形態では、スケール161が第2回転部材12側に配置され、検出素子162が第1回転部材11側に配置されている。しかしながら、スケール161及び検出素子162の配置は、このような例に限定されなくてもよく、入れ替わってもよい。すなわち、スケール161が第1回転部材11側に配置され、検出素子162が第2回転部材12側に配置されてもよい。この場合、配線用溝部114は第2回転部材12側に設けられ、検出素子162の出力は第2回転部材12側で取り出される。
また、上記実施形態では、連結部21の端面210に4つの突起部213を設けることで、連結部21とリンク部材31との連結を強固にしている。しかしながら、このような突起部の数及び形状は、上記実施形態の例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。連結部の端面に設けられる突起部は、当該連結部に連結されるリンク部材の端面形状に応じて適宜設計されてよい。
また、上記実施形態では、エンコーダ16の配線基板163は、第1回転部材11側から外部に出力されている。しかしながら、配線基板163を外部に出力する方向は、このような例に限定されなくてもよい。例えば、検出素子162が第2回転部材12側に配置される場合、第2回転部材12に上記配線用溝部114と同様の配線用溝部を設け、配線基板163が第2回転部材12側から外部に出るようにしてもよい。更に、両回転部材(11、12)に配線用溝部114を設けておき、関節構造体1を利用する場面に応じて、配線基板163を外部に出力する方向を選択できるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、各回転部材(11、12)の側壁部(113、123)に配置される各連結部21の端面は、突起部213を除いて、平らに形成されている。しかしながら、各連結部21の形状は、このような例に限定されなくてもよい。
また、上記実施形態では、関節構造体1の内部に配置するベアリングとして、スラストベアリング14及びラジアルベアリング15が用いられている。しかしながら、利用可能なベアリングは、これらに限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。
11…第1回転部材、
111…第1面部、112…第2面部、113…側壁部、
114…配線用溝部、115…凹部、116…空隙部
12…第2回転部材、
121…第1面部、122…第2面部、123…側壁部、
124…貫通孔、125…係止用凸部、126…第1凹部、127…第2凹部、
128…突出部、129…ワイヤ駆動用溝部、
13…軸体、131…締結具、132…中空部、
133…基部、134…円筒部、
14…スラストベアリング、
141…ワッシャー、142…盤、143…孔部
15…ラジアルベアリング、
16…エンコーダ、
161…スケール、162…検出素子、163…配線基板、164…突出部、
165…コネクタ部、
17…ケーブル、171…コネクタ部、
21…連結部、
210…端面、211…溝部、212…肉厚部、213…突起部、214…底部、
31…リンク部材、
310…端面、311…孔部、312・313…貫通孔、
314…溝部、315…縁部、
32…くさび部材、
321…頭部、322…胴部、323…貫通孔、324…テーパー部
33…ねじ、
331…頭部、332…テーパー部、333…雄ネジ部
400…ロボット、401…ベース、402…支柱、
403・404…アクチュエータ、405・406…可動部、
407a〜407h…リンク部材、408a〜408f…関節構造体、
409…先端部、
410…ロボット、411…リンク部材、412…関節構造体、
413・414…固定具、415・416…(ボーデン)ワイヤ、
417…結束具、
420…デルタロボット、
421…基部、422…回転モータ、
423a〜423e…リンク部材、424…関節構造体、
425…先端部、426…リンク部、
420A…デルタロボット、427…リニアモータ、
1A…関節構造体、13A…軸体、18…第3回転部材、
1B…関節構造体、11B…第1回転部材、111B…第1面部、
21B…連結部、
400C…ロボット、
1C…関節構造体、31c…リンク部材、
1D…関節構造体、
11D…第1回転部材、117…凹部、
12D…第2回転部材、
13D…軸体、133…基部、134…円筒部、
18D…第3回転部材、
34…リンク部材、
1E…関節構造体、
11E…第1回転部材、12E…第2回転部材、
51…補強板、511〜514…補強板用凹部、
19…回転部材、
21F…連結部、31F…リンク部材、
61…軟磁性体プレート、62…永久磁石、
63・64…軟磁性体ピン、65…非磁性体ボルト
Claims (15)
- 軸方向に延びる軸体と、
前記軸方向に配置され、前記軸体によって軸周りに互いに回転可能に連結される複数の回転部材と、
を備え、
前記各回転部材は、
前記軸方向に対向する一対の面部と、
前記一対の面部の外周縁に沿って配置される側壁部と、
前記面部又は前記側壁部に配置され、ロボットのリンクを構成するリンク部材が連結する少なくとも1つの連結部と、
を有する、
外部駆動型の関節構造体。 - 前記複数の回転部材のうちの少なくとも1つの回転部材は、前記側壁部に配置された複数の前記連結部を備える、
請求項1に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記複数の回転部材のうちの少なくとも1つの回転部材は、前記一対の面部のいずれかに配置された少なくとも1つの前記連結部を備え、
前記複数の回転部材のうちのその他の回転部材は、前記側壁部に配置された少なくとも1つの前記連結部を備える、
請求項1又は2に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各回転部材の前記各面部には、前記軸方向に隣接する回転部材の間で、前記軸方向に作用する力を受け止める環状のベアリングを収容可能な形状を有する凹部が設けられる、
請求項1から3のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記軸方向に隣接する回転部材の凹部の間には、当該隣接する回転部材の相対的な回転角を検出するエンコーダが更に収容される、
請求項4に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各凹部は、円環状に形成され、
前記各凹部の内周面の付け根には、当該内周面から径方向内側に延びる円環状の段差部が設けられ、
前記各回転部材と隣接する回転部材の前記各凹部と対向する面部には、前記各凹部より径の小さい円環状の突出部が設けられ、
前記突出部の外周面の付け根には、当該突出部の外周面から径方向外側に延びる円環状の段差部が設けられ、
クロスローラベアリングが、前記環状のベアリングとして、前記各凹部の内周面、前記各凹部の前記段差部の軸方向の面、前記突出部の外周面、及び前記突出部の前記段差部の軸方向の面で支持されるように配置される、
請求項4又は5に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 2つの前記回転部材を備え、
前記各回転部材の前記連結部は、前記関節構造体を軸方向に垂直な軸で反転させても、前記リンク部材の位置関係を保持したまま当該関節構造体を利用可能なように、軸方向に対称に配置され、
前記2つの回転部材のうち一方の回転部材は前記軸体と一体形成され、
前記2つの回転部材のうち他方の回転部材は前記軸体が挿通する貫通孔を有し、
ラジアルベアリングが、前記軸体にしまりばめ及び前記貫通孔の内周壁にすきまばめになる、又は前記軸体にすきまばめ及び前記貫通孔の内周壁にしまりばめになるように配置される、
請求項1から6のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 3つ以上の前記回転部材を備え、
前記3つ以上の前記回転部材のうちの少なくとも2つの回転部材の前記連結部は同一のリンク部材に連結される、
請求項1から6のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各連結部と前記リンク部材との連結は磁石によって構成される、
請求項1から8のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各回転部材は、前記側壁部に配置された少なくとも1つの前記連結部を有し、
前記各回転部材の側壁部は円筒状に形成され、
前記側壁部に配置される各連結部は、接線方向に前記側壁部の円弧部を切り欠いた形状を有している、
請求項1から9のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各回転部材の側壁部の高さは、前記リンク部材の厚みと同一である、
請求項10に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記側壁部に配置される各連結部は、前記リンク部材の端面の中央に設けられる凹部に対応して、前記接線方向の中央に径方向外側に突出する凸部を有する、
請求項10又は11に記載の外部駆動型の関節構造体。 - 前記各回転部材の前記側壁部に配置される前記各連結部と前記リンク部材との連結部分の軸方向の両側のうち少なくとも一方には当該連結部分を支持する補強板が配置される、請求項10から12のいずれか1項に記載の外部駆動型の関節構造体。
- 請求項10から13のいずれか1項に記載の関節構造体と、
前記関節構造体の前記各回転部材の前記側壁部に配置される前記各連結部に連結されるリンク部材と、
を備え、
前記関節構造体の前記各回転部材の前記側壁部は、ワイヤ駆動用溝部を有し、
前記リンク部材には、固定具が取り付けられ、
外部の駆動源により駆動されるワイヤは、前記ワイヤ駆動用溝部に沿うように配置され、当該ワイヤの端部が前記固定具に固定される、
リンク機構。 - 請求項7に記載の2つ以上の関節構造体と、
前記各関節構造体の前記連結部に連結されるリンク部材と、
を備え、
前記リンク部材を介して隣接する2つの関節構造体は、一方の関節構造体が他方の関節構造体に対して軸方向に垂直な軸で反転した状態で利用されることにより、軸方向に垂直な方向に各回転部材が対向するように配置される、
リンク機構。
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