JP6321852B1 - ロボットアームのカップリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロック機構における接触応力を軽減できる上に製造を容易にする。【解決手段】 ロボットアーム用マスタープレート２とツール取付用ツールプレート４とが接触した状態でプレート２側のボール押圧部材１６は、その先端がプレート４内に侵入し、非ロック位置とロック位置との間をピストン１８によって進退駆動され、ロック位置で駆動力が印加されている。ボール押圧部材１６の非ロック位置からロック位置への摺動に応じて、押圧部材１６の先端の周囲の複数の鋼球３６がプレート４側に進行したとき、プレート４のボール受け部４４が鋼球３６を受ける。押圧部材１６の周囲に環状に形成されて鋼球３６を収容しているボール収容溝５８の縦断面形状が円弧状の円弧状部６０が摺動方向に対して傾斜し、ボール受け部４４の周囲に環状に形成されたボール収容溝５０の縦断面形状が円弧状の円弧状部５４は、円弧状部６０と反対側に傾斜し、両円弧状部５４、６０の縦断面形状における径は、鋼球３６の径よりも小さい。【選択図】 図４

Description

本発明は、ロボットアームにツールを脱着できるロボットアームのカップリング装置に関し、特に、そのロック機構に関する。

ロボットアームのカップリング装置は、ロボットアームに取り付けられるマスタープレートと、ツールが取り付けられるツールプレートとを、ロック手段によって結合するものが知られている。その一例が特許文献１に開示されている。特許文献１のカップリング装置のロック手段は、マスタープレートとツールプレートを接触させた状態で、マスタープレートの中央に設けたカム部材が、ツールプレートの中央に形成した孔内に侵入し、かつこの孔内を進退可能である。カム部材の先端周囲に設けた複数の鋼球が、カム部材が進行したとき、カム部材に押圧されて孔の壁面側に向けて移動して、カム部材と孔の壁面との間に介在して、マスタープレートとツールプレートをロックする。カム部材の先端面の周面には、鋼球ごとに鋼球を収容可能なマスター側鋼球収容溝が形成され、鋼球受けには、鋼球ごとに鋼球を収容可能なツール側鋼球収容溝が形成されている。これら鋼球収容溝は、縦断面形状が鋼球と線当たりするような特殊な形状とされている。

特許第３７１７９２３号

特許文献１において、鋼球収容溝の縦断面形状を鋼球と線当たりするような形状としているのは、鋼球によるロック時の接触応力を軽減するためであるが、高精度の加工を必要とする特殊な形状の鋼球収容溝を、複数の鋼球それぞれに対応して、カム部材とツールプレートとに形成しなければならず、その製造が面倒であった。

本発明は、接触応力を軽減できるうえに製造が容易であるロボットアームのカップリング装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のロボットアームのカップリング装置は、ロボットアームに取り付けられるマスタープレートと、ツールが取り付けられるツールプレートとを、有している。前記マスタープレート側に転動体押圧部材が設けられて、前記ツールプレート内の孔に先端が侵入している。転動体押圧部材は、前記マスタープレートと前記ツールプレートとが面接触した状態において非ロック位置とロック位置との間を摺動可能である。例えば非ロック位置は、例えばマスタープレート側にあり、ロック位置はツールプレート側にある。前記転動体押圧部材は、駆動手段によって進退させることができ、前記ロック位置において駆動手段によって駆動力が印加されている。駆動手段と転動体押圧部材とは一体に形成することもできるし、別個に形成することもできる。前記転動体押圧部材の先端の周囲に間隔をおいて複数の転動体が配置されている。転動体は、その縦断面形状が円形のもので、例えば球体または円柱状体を使用することもできる。転動体の配置は、その円形縦断面形状が、転動体押圧部材の先端と前記ツールプレート側の孔の周面との間に位置するように行われている。前記転動体押圧部材の前記非ロック位置から前記ロック位置への摺動に応じて、前記転動体押圧部材の摺動方向にほぼ直交する転動体移動方向に沿って前記複数の転動体それぞれの円形縦断面形状が前記ツールプレートの孔の周面側に進行したとき、前記各転動体を受けるように、前記ツールプレート内に転動体受け部が設けられている。前記複数の転動体は、前記転動体押圧部材の周囲に環状に形成された１つの転動体押圧部材側収容部に収容されている。前記転動体押圧部材側収容部は、前記摺動方向の縦断面形状が円弧状である転動体押圧部材側円弧状溝部を、前記摺動方向に対して傾斜して有している。前記転動体受け部は、その周囲に環状に形成された１つのツールプレート側収容部を有し、前記ツールプレート側収容部は、前記摺動方向の縦断面形状が円弧状であるツールプレート側円弧状溝部を前記転動体押圧部材側円弧状溝部と反対側に傾斜した状態で、有している。前記両円弧状溝部の縦断面形状における径は、前記複数の転動体の円形縦断面の径よりも小さく形成されている。

このように構成されたロボットアームのカップリング装置では、駆動手段によって駆動力が印加されたとき、転動体押圧部材が非ロック位置からロック位置に摺動し、各転動体がツールプレート側収容部側に押圧される。このとき、ツールプレート側収容部及び転動体押圧部材側収容部それぞれの円弧状溝部の径は転動体の円形縦断面の径よりも小さいので、転動体は、縦断面において両円弧状溝部にそれぞれ２点で接触し、接触点での応力を分散させている。しかも、両円弧状溝部は、複数の転動体を使用しているにも関わらず、複数の転動体に対していずれも環状の１つの溝として形成されているので、その形成が容易である。しかも、これら円弧状溝部は摺動方向に傾斜して形成されている。従って、ロック位置においても転動体押圧部材に印加されている駆動力の転動体移動方向の成分が、傾斜している転動体押圧部材側円弧状溝部によって発生し、この成分が傾斜しているツールプレート側円弧状溝部側に伝達され、この成分が、ツールプレート側円弧状溝部が傾斜していることによって、転動体をツールプレート側に押し付ける成分に変換され、これが駆動力に加わるので、転動体を押し付ける力を増大させる。従って、強固にロックすることができる。

前記ツールプレート側円弧状溝部は、前記転動体押圧部材の摺動方向に対して４５度以上９０度未満の角度をなし、前記転動体押圧部材側円弧状溝部は、前記転動体押圧部材の摺動方向に対して０度より大きく９０度未満の角度をなすものとすることができ、０度より大きく約４５度以下とすることが望ましい。さらに、転動体押圧部材側円弧状部の円弧状部の角度をツールプレート側円弧状部の円弧状溝部の角度よりも小さくすることが望ましく、例えば前記転動体押圧部材側円弧状溝部の角度を約５度〜１５度とし、前記ツールプレート側円弧状溝部の角度を４５度とするのか最も望ましい。

このように構成すると、上述したように転動体押圧部材側の円弧状溝部で転動体の移動方向の成分が発生する。特に、押圧部材側円弧状溝部の角度を０度に近い角度とすると、楔効果により駆動力よりも大きい転動体の移動方向成分を発生することができる。特にその角度を約５度〜１５度とすると、かなり大きな値の転動体の移動方向成分とすることができる。またツールプレート側円弧状溝部では、その角度を４５度以上９０度未満とすると転動体の移動方向の成分以上の値である進退方向の転動体押しつけ力を発生させることができ、より強固にロックすることができる。

前記転動体押圧部材は、前記駆動手段の先端にフローティング構造で設けることもできる。このように構成すると、転動体押圧部材が駆動手段の先端に対してフリーであるので、複数の転動体それぞれと転動体押圧部材とが均一に接触し、各転動体に均一に押しつけ力が印加される。

以上のように、本発明によるカップリング装置によれば、転動体押圧部材側及びツールプレート側の収容部の円弧状溝部それぞれが１つの環状に形成されているので、その加工が容易であり、さらに転動体押圧部材側及びツールプレート側の収容部の円弧状溝部それぞれが転動体の円形縦断面の径より小さく、かつ転動体押圧部材の摺動方向に傾斜して形成されているので、応力を分散させることができる。また両円弧状溝部の縦断面が傾斜しているので、転動体を強固にロックすることができる。

本発明の第１の実施形態のロボットアームのカップリング装置の分解状態の縦断面図である。 図１のカップリング装置の非ロック状態の縦断面図である。 図１のカップリング装置のロック状態の縦断面図である。 図１のカップリング装置のロック状態における部分拡大縦断面図である。 図４における転動体押圧部材及び鋼球の拡大図である。 図４におけるツールプレート側収容部と鋼球の拡大図である。 図１のカップリング装置のロック状態の説明図である。 第２の実施形態のロボットアームのカップリング装置の縦断面図である。 第３の実施形態のロボットアームのカップリング装置の縦断面図である。

本発明の第１の実施形態のロボットアームのカップリング装置は、ロボットアーム（図示せず）にツールを交換可能に取り付けるためのもので、図１に示すように、マスタープレート２と、ツールプレート４とを有している。マスタープレート４は、ロボットアームに取り付けられ、ツールプレート４にはツールが取り付けられる。ツールが取り付けられたツールプレート４は、ロック手段、例えばロック機構６によって、図３に示すようにロックされる。

図１に示すように、マスタープレート２は、ロボットアームに取り付けられる平板状のマスターボディ８を有している。マスターボディ８の中央には、その一方の面、例えば上面から他方の面、例えば下面に貫通する孔、例えば円孔１０が形成されている。この円孔１０は、マスターボディ８の下面側に、径が拡大された拡大部１０ａを有している。

この拡大部１０ａに、シリンダヘッド１２のフランジ１４が収容されている。シリンダヘッド１２は、円孔１０と同心に形成された円筒状のもので、マスターボディ８の下面よりも下方に先端が突出している。このシリンダヘッド１２内には、ロック機構６の一部をなす転動体押圧部材、例えば鋼球押圧部材１６が上下方向に摺動可能に配置されている。この鋼球押圧部材１６の詳細は後述する。

この鋼球押圧部材１６の上端から、シリンダヘッド１２の上壁１２ａを貫通して上方に首部１７が円孔１０内に突出しており、その上端部には、円孔１０の内周面に接触するように駆動手段、例えばピストン１８が配置されている。ピストン１８とシリンダヘッド１２の上壁１２ａとの間に部屋２０が形成されている。この部屋２０には、マスターボディ８に形成されたポート２２及び通路２４を介して、流体、例えばエアーが給排される。また、円孔１０の上面は、蓋２６によって閉じられており、この蓋２６とピストン１８の上面との間には部屋２８が形成されている。この部屋２８には、マスターボディ８に形成されたポート３０及び通路３２を介して、流体、例えばエアーが給排される。

ポート３０及び通路３２を介してエアーを部屋２８に供給し、通路２４及びポート２２を介して部屋２０からエアーを排気すると、ピストン１８が降下し、鋼球押圧部材１６も降下する。この降下状態において、逆にポート２２及び通路２４を介してエアーを部屋２０に供給し、通路２８及びポート３０を介して部屋２８からエアーを排気すると、ピストン１８が上昇し、鋼球押圧部材１６も上昇する。このように鋼球押圧部材１６は、その摺動方向、例えば上下方向に摺動可能である。

シリンダヘッド１２の周囲には、所定間隔をあけて複数の貫通孔３４が形成され、これら貫通孔３４内には、それぞれ転動体、例えばボール、具体的には鋼球３６が配置されている。これら鋼球３６は、いずれも鋼球押圧部材１６の先端が接触可能に配置されており、鋼球押圧部材１６が降下したことにより、転動体移動方向、例えば水平方向に沿ってツールプレート４側に移動可能である。これら鋼球３６もロック機構６の一部をなす。

ツールプレート４は、マスターボディ８と同じ大きさのツールボディ３８を有している。ツールボディ３８には、図２に示すようにマスターボディ８の下面とツールボディ３８の上面とを面接触させた状態で、マスターボディ８の円孔１０と同心となる孔、例えば円孔４０が上面から下面まで貫通しており、その円孔４０は、シリンダヘッド１２を内部に収容できる大きさである。円孔４０は、ツールボディ３８の上面側に径を拡大させた拡大部４２を有し、この拡大部４２内に収まるように平板状の収容部部材４４が配置されている。収容部部材４４は、円孔４０と同心に上下方向に貫通した孔、例えば円孔を有し、その内周面に、各鋼球３６と対向するように、ロック機構６の一部をなすツールプレート側転動体受け部、例えばツールプレート側収容部４６が形成されている。ツールプレート側収容部４６の詳細は後述する。

図２に示すようにシリンダヘッド１２のフランジ１４の下面と収容部部材４４の上面とを面接触させた状態で、鋼球３６はツールプレート側収容部４６に接触しているが、鋼球押圧部材１６は上昇したままであり、鋼球３６には接触していない。即ち、鋼球押圧部材１６は非ロック位置にある。この状態においてポート３０からエアーを供給し、ポート２２からエアーを排気すると、図３に示すように、ピストン１８が降下し、鋼球押圧部材１６も降下し、鋼球３６に接触し、鋼球３６は水平方向に沿ってツールプレート４側に移動し、収容部部材４４のツールプレート側収容部４６に押し付けられ、マスタープレート２とツールプレート４とがロックされる。即ち、鋼球押圧部材１６の降下位置がロック位置である。ロック位置にあるときにもピストン１８へのエアーの供給は継続され、鋼球押圧部材１６による各鋼球３６の押圧は継続されている。なお、マスターボディ８はロボットアームに締結具、例えば転動体ト（図示せず）によって、ツールボディ３８はツール、締結具、例えばボルト（図示せず）によってそれぞれ結合され、この結合が行われたうえで、ロック機構６によってロックされている。

図４にロック状態における鋼球押圧部材１６、鋼球３６、収容部部材４４の状態を拡大して示す。鋼球押圧部材１６は、その先端、即ち下端部の全周面にテーパ面４８を有している。このテーパ面４８は、鋼球押圧部材１６の下端から上方に向かうに従って鋼球押圧部材１６の径が徐々に増大するように、鋼球押圧部材１６の高さ方向に中途まで形成されている。このテーパ面４８が鋼球押圧部材１６の進退方向、即ち上下方向に対してなす角度は４５度である。このテーパ面４８の上端から鋼球押圧部材１６の上端近傍まで１つの転動体押圧部材側収容部、例えば鋼球収容部５０が、鋼球押圧部材１６の周面全域に形成されている。

図５にさらに拡大して示すように、この鋼球収容部５０の縦断面形状は、テーパ面４８に同じ角度で連ねてテーパ面５２を有し、このテーパ面５２に連ねて鋼球収容部５０の上端まで鋼球押圧部材１６の全周に亘って１つの転動体押圧部材側円弧状部、例えば円弧状溝部５４が形成されている。この円弧状溝部５４は、その縦断面においてマスタープレート２側にある上端が鋼球押圧部材１６の進退方向に対して鋼球３６側に傾くように傾斜しており、その縦断面における径は、鋼球３６の径よりも小さく形成されている。そのため、鋼球３６は、傾斜している円弧状溝部５４の縦断面において両端の２点で円弧状溝部５４に各鋼球３６が接触している。実際には、この２点それぞれが通る鋼球押圧部材１６の周囲に沿った円周上で各鋼球３６が接触している。この円弧状溝部５４の傾斜角度は、円弧状溝部５４の両端を繋ぐ直線が鋼球押圧部材１６の進退方向、即ち上下方向に対して約５度をなしている。

図４に示すように、収容部部材４４も、その下端部全周面にテーパ面５６を有している。このテーパ面５６は、その下端から上方に向かうに従って径が増大し、その角度は上下方向に対して約４５度をなしている。このテーパ面５６の上端から鋼球３６の上端より幾分下方までの全周面に環状の１つのツールプレート側転動体受け部、例えば収容部５８が形成されている。収容部５８は、図６に拡大して示すようにツールプレート側収容部、例えば円弧状溝部６０を有している。円弧状溝部６０は、収容部部材４４の全周面に亘って形成されており、その縦断面においてマスタープレート２側にある上端が鋼球押圧部材１６の進退方向に対して鋼球３６側に傾くように傾斜している。即ち、鋼球押圧部材１６の円弧状溝部５４と反対側に傾斜している。その縦断面における径も、鋼球３６の径よりも小さく形成されている。そのため、鋼球３６は、傾斜している円弧状溝部６０の縦断面において両端の２点で円弧状溝部６０に接触している。実際には、この２点それぞれが通る鋼球押圧部材１６の周囲に沿った円周上で各鋼球３６が接触している。この円弧状溝部６０の傾斜角度は、円弧状溝部６０の両端を繋ぐ直線が鋼球押圧部材１６の進退方向、即ち上下方向に対して約４５度をなしており、テーパ面５６と同一角度である。円孔状溝部６０の上端には、全周面に亘ってテーパ面６２が形成され、その角度もテーパ面５６と同じく約４５度である。

１個の鋼球３６に対して１か所の鋼球を受ける部分を設けるのではなく、円周状に各鋼球３６より小さい半径で円周溝である円弧状溝部５４、６０を設けているので、各鋼球３６と円弧状溝部５４、６０の接触点を２か所と増加させることができ、鋼球３６と円弧状溝部５４、６０との接触点での応力を軽減することができる。従って、鋼球３６を受ける側である円弧状溝部５４、６０の加工が簡素化される。

しかも、円弧状溝部５４は、約５度傾斜している。従って、図７（ａ）に示すように、楔効果によって、上下方向に加えられるピストン１８による押し力ｆ１よりも大きな鋼球３６の移動方向（水平方向）の鋼球押し力ｆ２が発生し、これが鋼球３６に加えられる。ここで円弧状溝部６０は約４５度に傾斜しているので、ｆ２＊ｔａｎ４５度＝ｆ２の上向きの締結力ｆ３を発生し、この締結力ｆ３によって鋼球３６は円弧状溝部６０に締結される。従って、ピストン１８による押し力ｆ１が小さい場合でも、ｆ１を楔効果によって押しつけ力ｆ２に増大し、これに等しい締結力ｆ３で鋼球３６を円弧状溝部６０に締結することができる。このとき、ピストン１８は、鋼球押圧部材１６の押圧を継続しているので、鋼球３６は、ピストン１８による押しつけ力に、締結力ｆ３が加えられて、鋼球３６は円弧状部６０に押し付けられている。

図８に第２の実施形態のカップリング装置の部分省略縦断面図を示す。このカップリング装置では、ピストン１８と鋼球押圧部材１６とが別個に形成され、結合具、例えばボルト６６によって結合されている。他の構成は、第１の実施形態のカップリング装置と同様であるので、詳細な説明は省略する。このようにピストン１８と鋼球押圧部材１６とを別個に形成すると、それぞれの製造が容易になる。

図９に第３の実施形態のカップリング装置の部分省略縦断面図を示す。このカップリング装置では、第２の実施形態のようにピストン１８と鋼球押圧部材１６とを別個に形成し、ボルト６６によって結合した上で、ボルト６６の柱状部６６ａと鋼球押圧部材１６との間に、カラー６８を挿入してある。即ち、ボルト６６の柱状部６６ａが内部に挿通されたカラー６８は、鋼球押圧部材１６の中心に上下方向に貫通するように形成した貫通円孔６９に挿入されている。貫通円孔６９は、下部の径が拡大されており、この拡大された下部にカラー６８の下端に形成したフランジが接触している。また、カラー６８の上端は、ピストン１８の首部１７の下端に接触している。鋼球押圧部材１６の上端は、首部１７の下端と微小な隙間を有している。貫通円孔６９の径は、カラー６８の外径よりも大きくされている。従って、鋼球押圧部材１６は、ボルト６６及びピストン１８に対して、図１０における上下左右に微小に移動可能なフローディング構造である。このようにフローティング構造とすることで、環状に配置された複数の鋼球３６が、円弧状溝部５４、６０と均一に接触し、円弧状溝部５４、６０に均一に力が加わるようになる。

上記の各実施形態では、円弧状溝部５４は約５度の角度をなすように構成したが、０度よりも大きく９０度未満であればよい。しかし、５度〜１５度の角度とすることが望ましい。また、円弧状溝部６０は約４５度の角度をなすように構成したが、４５度以上９０度未満の角度とすることができる。上記の各実施形態では、ピストン１８はエアーによって駆動したが、これに代えて圧油によって駆動することもできるし、電磁ソレノイドによって駆動することもできる。また、上記の実施形態では、マスターボディ８とシリンダヘッド１２とを別個に形成したが、一体に形成することができるし、ツールボディ３８と収容部部材４４とを別個に形成したが、一体に形成することもできる。また、転動体として鋼球３６を使用したが、例えば合成樹脂製のボールを転動体として使用することもできる。また、鋼球３６のような球体に代えて、円柱体を転動体として使用することもできる。その場合、円柱体の縦断面、例えば円柱体の中心軸を通る縦断面が円形となるが、この円形縦断面が、第１の実施形態の図２若しくは図３、第２の実施形態の図４または第３の実施形態の図５において、それぞれ円形に示した鋼球３６の位置に位置するように、鋼球押圧部材１６の周囲に間隔をおいて複数の円柱体を配置する。こ上記の実施形態では、蓋２６を設けて部屋２８を閉じたが、マスターボディ８はロボットアームに取り付けられるので、取り付けられるロボットアームの面によって部屋２８を閉じることもでき、その場合には、蓋２６を設けても設けなくてもよい。

２ マスタープレート
４ ツールプレート
１６ 鋼球押圧部材（転動体押圧部材）
１８ ピストン（駆動手段）
３６ 鋼球（転動体）
４６ ツールプレート側収容部（ツールプレート側転動体受け部）
５０ 収容部（転動体押圧部材側収容部）
５４ 円弧状溝部（転動体押圧部材側円弧状溝部）
５８ 収容部（転動体受け部）
６０ 円弧状溝部（ツールプレート側円弧状溝部）

Claims (3)

1. ロボットアームに取り付けられるマスタープレートと、
   ツールが取り付けられるツールプレートと、
   前記マスタープレート側に設けられ、前記マスタープレートと前記ツールプレートとが面接触した状態において前記ツールプレート内に形成した孔内に先端が侵入し、非ロック位置とロック位置との間を駆動手段によって進退駆動され、前記駆動手段によって前記ロック位置においても駆動力が印加されている転動体押圧部材と、
   縦断面形状が円形で、その円形縦断面が前記転動体押圧部材の先端と前記ツールプレートの孔の周面との間に位置して、前記転動体押圧部材の先端の周囲に間隔をおいて配置された複数の転動体と、
   前記転動体押圧部材の前記非ロック位置から前記ロック位置への摺動に応じて前記転動体押圧部材の摺動方向にほぼ直交する転動体移動方向に沿って前記複数の転動体の円形縦断面が前記ツールプレートの孔の周面側に進行したとき、前記複数の転動体をそれぞれ受けるように、前記ツールプレートの孔の周面に設けられたツールプレート側転動体受け部とを、
   有し、前記複数の転動体は、前記転動体押圧部材の周囲に環状に形成された１つの転動体押圧部材側収容部に収容され、前記転動体押圧部材側収容部は、前記摺動方向の縦断面形状が円弧状である転動体押圧部材側円弧状溝部を前記摺動方向に対して傾斜した状態で有し、前記ツールプレート側転動体受け部は、その周囲に環状に形成された１つのツールプレート側収容部を有し、前記ツールプレート側収容部は、前記摺動方向の縦断面形状が円弧状であるツールプレート側円弧状溝部を前記転動体押圧部材側円弧状溝部と反対側に傾斜した状態で有し、前記両円弧状溝部の縦断面形状における径は、前記複数の転動体の円形縦断面の径よりも小さく形成されているロボットアームのカップリング装置。
2. 請求項１記載のロボットアームのカップリング装置において、前記転動体押圧部材側円弧状溝部は、前記転動体押圧部材の摺動方向に対して０度より大きく９０度未満の角度をなし、前記ツールプレート側円弧状溝部は、前記転動体押圧部材の摺動方向に対して４５度以上９０度未満の角度をなすロボットアームのカップリング装置。
3. 請求項１または２記載のロボットアームのカップリング装置において、前記転動体押圧部材は、前記駆動手段の先端にフローティング構造で設けられているロボットアームのカップリング装置。

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