JP6755163B2 - センタリング機構及びこれを備えたハンド装置 - Google Patents

Description

本明細書開示の発明は、センタリング機構及びこれを備えたハンド装置に関する。

従来、駆動モータ回転駆動軸に装着されたピニオンにより一対のラックを反対方向に案内移動することで、それぞれのラックが備えるチャック用爪を開閉するチャック駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。チャック用爪にはそれぞれ把持用フィンガが設けられており、対象物を把持することができる。また、ハンド装置におけるセンタリングを可能とする左右同軸ボールねじが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−９６４８３号公報 特開２０１０−１３９０１５号公報

近年、ハンド装置を備えた産業用のロボットは、例えば、モバイル機器の製造にも普及しつつある。モバイル機器の製造では、軽量の部品を取り扱うことが多い。しかしながら、従来のハンド装置は、ハンド装置自体が重いため、ハンド装置を移動させるロボットには、取り扱う部品の重量以上の可搬性能が求められている。ロボットに求められる可搬性能が高くなると、ロボットが高価になる。また、人とロボットが共存する製造現場において、危険度が上がるという問題がある。

特許文献１のチャック駆動装置は、ラックを駆動するためにモータを備えているため、ハンド装置が重くなる。また、特許文献２の左右同軸ボールねじを用いた場合も、左右同軸ボールねじを回転させるためには、モータの使用が想定され、ハンド装置が重くなることが考えられる。

１つの側面では、本明細書開示のセンタリング機構及びこれを備えたハンド装置は、センタリング機構及びハンド装置を軽量化することを課題とする。

本明細書開示のセンタリング機構は、固定ラックと、前記固定ラックに平行に配置されると共に、前記固定ラックの長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラックと、前記固定ラックに噛み合う第１のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第１のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第２のピニオン歯車を備えた第１組歯車と、前記固定ラックに噛み合う第３のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第３のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第４のピニオン歯車を備えた第２組歯車と、前記可動ラックを移動させるアクチュエータと、を備え、前記固定ラックと前記可動ラックのうち、少なくとも一方は上段部と下段部とを有する２段ラックであり、前記第１組歯車と前記第２組歯車のうち、一方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記上段部に対応する範囲内に配置され、他方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記下段部に対応する範囲内に配置されている。

また、本明細書開示のハンド装置は、固定ラックと、前記固定ラックに平行に配置されると共に、前記固定ラックの長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラックと、前記固定ラックに噛み合う第１のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第１のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第２のピニオン歯車を備えた第１組歯車と、前記固定ラックに噛み合う第３のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第３のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第４のピニオン歯車を備えた第２組歯車と、前記可動ラックを移動させるアクチュエータと、前記固定ラックの長手方向に沿って設けられたリニアガイドと、前記リニアガイドに摺動自在に設けられると共に、前記第１組歯車と連結された第１ハンドと、前記リニアガイドに摺動自在に設けられると共に、前記第２組歯車と連結された第２ハンドと、を備え、前記固定ラックと前記可動ラックのうち、少なくとも一方は上段部と下段部とを有する２段ラックであり、前記第１組歯車と前記第２組歯車のうち、一方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記上段部に対応する範囲内に配置され、他方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記下段部に対応する範囲内に配置されている。

本明細書開示のセンタリング機構及びこれを備えたハンド装置は、センタリング機構及びハンド装置を軽量化することができる。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は実施形態に適用される直動変速機構の原理の一例を説明する図である。 図２は実施形態に適用される直動変速機構における可動ラックの移動距離の計算の一例を説明する図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）は実施形態に適用される直動変速機構の動作例を示す説明図である。 図４（Ａ）は実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が接近する様子を模式的に示す説明図であり、図４（Ｂ）は実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が離間する様子を模式的に示す説明図である。 図５は実施形態のハンド装置の概略構成を模式的に示す説明図である。 図６は図５におけるＡ−Ａ線断面図である。 図７はハンド装置が開閉する様子を模式的に示す説明図である。 図８（Ａ）は他の実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が接近する様子を模式的に示す説明図であり、図８（Ｂ）は実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が離間する様子を模式的に示す説明図である。 図９は固定ラックと可動ラックの双方が２段ラックであるセンタリング機構を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。

まず、図１（Ａ）乃至図３（Ｂ）を参照しつつ、本発明の実施形態に適用される直動変速機構の原理について説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）は実施形態に適用される直動変速機構の原理の一例を説明する図である。図２は実施形態に適用される直動変速機構における可動ラックの移動距離の計算の一例を説明する図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は実施形態に適用される直動変速機構の動作例を示す説明図である。

図１（Ａ）や図１（Ｂ）に示すように、直動変速機構１（以下、単に変速機構１という場合がある）は、１つの固定ラック２と、固定ラック２に平行に配置されると共に、図示されないスライド機構によって矢印に示す長手方向に沿って移動可動な可動ラック３とを有する。固定ラック２と可動ラック３は、歯が同じ向きになるように、かつ複数の歯の配列方向である固定ラック２、可動ラック３の長手方向が平行になるように配置されている。また、固定ラック２には、第１のピニオン歯車４が噛み合わされており、第１ラックアンドピニオン機構７を構成している。また、可動ラック３には、第２のピニオン歯車５が噛み合わされており、第２ラックアンドピニオン機構８を構成している。

固定ラック２と噛み合う第１のピニオン歯車４のピッチ円直径はＤａになっている。可動ラック３と噛み合う第２のピニオン歯車５のピッチ円直径はＤｂになっている。第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５は回転軸部６によって同軸に連結されている。ここで、ピッチ円直径とは、歯数×モジュールである。また、第１のピニオン歯車４と第２のピニオン歯車５のピッチ円直径は、異なる値になっている。図１（Ａ）に示す例では、第１のピニオン歯車４のピッチ円直径が第２のピニオン歯車５のピッチ円直径よりも大きくなっている。一方、図１（Ｂ）に示す例では、第２のピニオン歯車５のピッチ円直径が第１のピニオン歯車４のピッチ円直径よりも大きくなっている。

図１（Ａ）に示す例では、第１のピニオン歯車４を固定ラック２の長手方向、即ち矢印に示す方向に平行移動させると、固定ラック２に噛み合っている第１のピニオン歯車４が回転し、回転軸部６によって第１のピニオン歯車４に連結された第２のピニオン歯車５も同じ回転数で回転する。そして、第２のピニオン歯車５が回転することによって、可動ラック３が矢印に示す長手方向に移動させられる。

このとき、第１のピニオン歯車４の直線移動距離と、可動ラック３の移動距離の比率は図２に示すように計算できる。なお、図２では、計算の都合上、固定ラック２が移動することを仮定して計算している。図２のケース（１）に示すように、第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５が平行移動せずに１回転した場合は、第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５の移動距離は、「０」である。そして、固定ラック２の仮想の移動距離が「−π・Ｄａ」になり、可動ラック３の移動距離は、「−π・Ｄｂ」になる。

また、ケース（２）に示すように、全体を「π・Ｄａ」だけ平行移動させた場合、第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５の移動距離は、「π・Ｄａ」である。そして、固定ラック２の仮想の移動距離が「π・Ｄａ」になり、可動ラック３の移動距離は、「π・Ｄａ」になる。

従って、ケース（１）とケース（２）を合計すると、第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５の移動距離は、「π・Ｄａ」であり、固定ラック２の移動距離が「０」になる。可動ラック３の移動距離は、「π・（Ｄａ−Ｄｂ）」になる。このことは、固定ラック２を固定した状態で、第１のピニオン歯車４及び第２のピニオン歯車５を「π・Ｄａ」だけ移動させると、可動ラック３は「π・（Ｄａ−Ｄｂ）」だけ移動することを示し、変速比は（Ｄａ−Ｄｂ）／Ｄａとなる。

従って、図１（Ａ）図示のように、第１のピニオン歯車４のピッチ円直径が第２のピニオン歯車５のピッチ円直径よりも大きい場合（Ｄａ＞Ｄｂ）、可動ラック３とピニオン歯車４、５の移動方向は、図３（Ａ）に示すように一致する。

一方、図１（Ｂ）図示のように、第２のピニオン歯車５のピッチ円直径が第１のピニオン歯車４のピッチ円直径よりも大きい場合（Ｄｂ＞Ｄａ）、可動ラック３とピニオン歯車４、５の移動方向は、図３（Ｂ）に示すように逆向きとなる。

以下で説明する本実施形態のセンタリング機構１０では、図３（Ａ）で示す態様と図３（Ｂ）に示す態様とを組み合わせることによって、後に説明するハンド装置２０における右ハンド２３及び左ハンド２４の左右対称の動作を実現する。

（実施形態）
まず、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照しつつ、センタリング機構１０の概略構成及びその動作について説明する。図４（Ａ）は実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が接近する様子を模式的に示す説明図であり、図４（Ｂ）は実施形態のセンタリング機構が備える二つの組歯車が離間する様子を模式的に示す説明図である。

センタリング機構１０は、固定ラック１２と、この固定ラック１２に平行に配置されると共に、上段部１３ａと下段部１３ｂとを有し、固定ラック１２の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラック１３を備える。また、センタリング機構１０は、第１組歯車１４と第２組歯車１５を備える。すなわち、本実施形態では、可動ラック１３を２段ラックとしている。

第１組歯車１４は、固定ラック１２に噛み合う第１のピニオン歯車１４ａと、可動ラック１３の上段部１３ａと噛み合う第２のピニオン歯車１４ｂとを備える。第１のピニオン歯車１４ａと第２のピニオン歯車１４ｂとは、回転軸部１４ｃを介して連結されている。第１のピニオン歯車１４ａのピッチ円直径をＥａとし、第２のピニオン歯車１４ｂのピッチ円直径をＥｂとすると、Ｅａ＞Ｅｂの関係が成立している。

第２組歯車１５は、固定ラック１２に噛み合う第３のピニオン歯車１５ａと、可動ラック１３の下段部１３ｂと噛み合う第４のピニオン歯車１５ｂとを備える。第３のピニオン歯車１５ａと第４のピニオン歯車１５ｂとは、回転軸部１５ｃを介して連結されている。第３のピニオン歯車１５ａのピッチ円直径をＤａとし、第４のピニオン歯車１５ｂのピッチ円直径をＤｂとすると、Ｄａ＜Ｄｂの関係が成立している。

このようなセンタリング機構１０において、図４（Ａ）に示すように可動ラック１３を矢示１６ａのように左側に移動させると、第１組歯車１４は矢示１６ｂのように左側に移動する。一方、第２組歯車１５は矢示１６ｃのように右側に移動する。また、図４（Ｂ）に示すように可動ラック１３を矢示１９ａのように右側に移動させると、第１組歯車１４は矢示１９ｂのように右側に移動する。一方、第２組歯車１５は矢示１９ｃのように左側に移動する。このように、センタリング機構１０によれば、第１組歯車１４と第２組歯車１５との左右対称の動作を実現することができる。

なお、可動ラック１３が上段部１３ａと下段部１３ｂとを備えるのは、下径が異なる第２のピニオン歯車１４ｂと第４のピニオン歯車１５ｂとをともに可動ラック１３に噛み合わせるためである。また、可動ラック１３は、アクチュエータで移動させることができる。

つぎに、このような原理で作動するセンタリング機構１０を備えたハンド装置２０について、図５乃至図７を参照しつつ説明する。図５は実施形態のハンド装置の概略構成を模式的に示す説明図である。図６は図５におけるＡ−Ａ線断面図である。図７はハンド装置が開閉する様子を模式的に示す説明図である。

ハンド装置２０は、フレーム２１を備えている。フレーム２１は、底面板２１ａ、背面板２１ｂ、右側面板２１ｃ及び左側面板２１ｄを備えている。なお、図６では、左側面板２１ｄは取り外されている。

図６を参照すると、背面板２１ｂには、図５における左右方向に延びるリニアガイド２２が設けられている。また、背面板２１ｂには、スペーサ部２５を介して固定ラック１２が設けられている。固定ラック１２は、図５における左右方向を長手方向として設けられている。従って、リニアガイド２２は、固定ラック１２の長手方向に沿って設けられていることになる。

図５において、固定ラック１２の手前側には、固定ラック１２に平行に配置されると共に、固定ラック１２の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラック１３が配置されている。可動ラック１３には、固定ラック１２の長手方向に沿って延びる案内溝１３１が設けられている。案内溝１３１には、図６に示すように固定ラック１２を貫通してスペーサ部２５に支持されているピン部材３０が挿通されている。これにより、可動ラック１３は、固定ラック１２の長手方向に沿って移動できるようになっている。

可動ラック１３には、磁石２６が取り付けられている。フレーム２１には、電磁石２７が取り付けられている。電磁石２７は、左側面板２１ｃに支持されている。電磁石２７は、可動ラック１３を移動させるアクチュエータの一例である。電磁石２７は、可動ラック１３に設けられた磁石２６を吸引することで可動ラック１３を移動させることができる。電磁石２７の一端部には、鍔部２８が設けられている。鍔部２８と可動ラック１３との間には、電磁石２７によって吸引された可動ラック１３を元の位置に復帰させる弾性体であるバネ２９が挟持されている。なお、本実施形態では、コイルバネを用いているが、可動ラック１３を元の位置に復帰されることができれば、他の弾性体を用いてもよい。また、電磁石２７に逆向きの電流を流すようにすれば、弾性体を廃止してもよい。

リニアガイド２２には、右ハンド２３と左ハンド２４とが摺動自在に取り付けられている。右ハンド２３は、把持部２３ａとスライダブロック部２３ｂを備え、スライダブロック部２３ｂがリニアガイド２２に取り付けられている。左ハンド２４は、把持部２４ａとスライダブロック部２４ｂを備え、スライダブロック部２４ｂがリニアガイド２２に取り付けられている。

右ハンド２３には、第１組歯車１４が取り付けられている。一方、左ハンド２４には第２組歯車１５が取り付けられている。第１組歯車１４と第２組歯車１５とは、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように左右対称の動作をするため、右ハンド２３と左ハンド２４は、図７に示すように開閉動作をすることができる。

ここで、各ピニオン歯車１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの歯数について説明する。右ハンド２３と左ハンド２４とをセンタリングするには、第１組歯車１４と第２組歯車１５が異なる向きに移動し、かつ、その移動量が同一であることが求められる。

右ハンド２３に取り付けられている第１組歯車１４の変速比は、（Ｅａ−Ｅｂ）／Ｅａであり、一方、左ハンド２４に取り付けられている第２組歯車１５の変速比は、（Ｄａ−Ｄｂ）／Ｄａである。そして、第１組歯車１４と第２組歯車１５の移動方向は逆向きになるため、下記式１が成立する。
（Ｄａ−Ｄｂ）／Ｄａ＝−（Ｅａ−Ｅｂ）／Ｅａ
１−Ｄｂ／Ｄａ＝−１＋Ｅｂ／Ｅａ
Ｄｂ／Ｄａ＋Ｅｂ／Ｅａ＝２
式１

これより、第１組歯車１４と第２組歯車１５のそれぞれのピッチ円直径の比、すなわち、歯数比（速度比）の和が２になるように各ピニオン歯車１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの歯数を選択すればよいことがわかる。例えば、Ｄａ＝２０、Ｄｂ＝２２、Ｅａ＝２０、Ｅｂ＝１８とすれば、２２／２０＋１８／２０＝２となる。このような歯数に設定することで、可動ラック１３の移動によって右ハンド２３と左ハンド２４とのセンタリングが可能になる。

なお、上記の計算例のように、Ｄａ＝Ｅａとすれば、式１における分母が共通となり、和が２となる整数の選択肢が増えるため、歯数を選定するための計算が簡単になる。

以上のような本実施形態のハンド装置２０によれば、センタリング機構１０を駆動するためのアクチュエータを装備すればよいため、モータによりハンド装置を駆動する場合と比較して、軽量化することができる。また、アクチュエータとして電磁石２７を用いた場合、小型の電磁石２７であっても、電流や電圧の調整で所望の出力を得ることができ、可動ラック１３を移動させることができる。この結果、ハンド装置２０が装備されるロボットの可搬性能を低く抑えることができる。すなわち、ロボットの出力を抑えることができ、作業の安全性を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、可動ラック１３を２段ラックとしているが、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、固定ラック１２を上段部１２ａと下段部１２ｂを備えた２段ラックとしてもよい。このように、固定ラックを２段ラックとし、可動ラックを１段ラックとしても、開閉動作を実現することができる。すなわち、図８（Ａ）に示すように可動ラック１３を矢示１６ａのように左側に移動させると、第１組歯車１４は矢示１６ｂのように左側に移動する。一方、第２組歯車１５は矢示１６ｃのように右側に移動する。また、図８（Ｂ）に示すように可動ラック１３を矢示１９ａのように右側に移動させると、第１組歯車１４は矢示１９ｂのように右側に移動する。一方、第２組歯車１５は矢示１９ｃのように左側に移動する。このように、センタリング機構１０によれば、第１組歯車１４と第２組歯車１５との左右対称の動作を実現することができる。

また、図９に示すように、固定ラック１２と可動ラック１３の双方を２段ラックとすることもできる。すなわち、固定ラック１２と可動ラック１３のいずれかを直線状としなくても第１組歯車１４と第２組歯車１５との左右対称の動作を実現することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 変速機構
１０ センタリング機構
１２ 固定ラック
１３ 可動ラック
１３ａ 上段部
１３ｂ 下段部
１４ 第１組歯車
１４ａ 第１のピニオン歯車
１４ｂ 第２のピニオン歯車
１４ｃ 回転軸部
１５ 第２組歯車
１５ａ 第３のピニオン歯車
１５ｂ 第４のピニオン歯車
１５ｃ 回転軸部
２０ ハンド装置
２１ フレーム
２２ リニアガイド
２３ 右ハンド
２３ａ 把持部
２３ｂ スライダブロック部
２４ 左ハンド
２４ａ 把持部
２４ｂ スライダブロック部
２５ スペーサ部
２６ 磁石
２７ 電磁石
２８ 鍔部
２９ バネ
３０ ピン部材

Claims (6)

1. 固定ラックと、
   前記固定ラックに平行に配置されると共に、前記固定ラックの長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラックと、
   前記固定ラックに噛み合う第１のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第１のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第２のピニオン歯車を備えた第１組歯車と、
   前記固定ラックに噛み合う第３のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第３のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第４のピニオン歯車を備えた第２組歯車と、
   前記可動ラックを移動させるアクチュエータと、を備え、
   前記固定ラックと前記可動ラックのうち、少なくとも一方は上段部と下段部とを有する２段ラックであり、
   前記第１組歯車と前記第２組歯車のうち、一方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記上段部に対応する範囲内に配置され、他方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記下段部に対応する範囲内に配置されたセンタリング機構。
2. 少なくとも前記可動ラックは、前記上段部と前記下段部とを有する２段ラックであり、
   前記第２のピニオン歯車のピッチ円直径は前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径よりも小さく、
   前記第４のピニオン歯車のピッチ円直径は前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径よりも大きい請求項１に記載のセンタリング機構。
3. 少なくとも前記固定ラックは、前記上段部と前記下段部とを有する２段ラックであり、
   前記第２のピニオン歯車のピッチ円直径は前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径よりも大きく、
   前記第４のピニオン歯車のピッチ円直径は前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径よりも小さい請求項１に記載のセンタリング機構。
4. 前記アクチュエータは、前記可動ラックに設けられた磁石を吸引する電磁石である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンタリング機構。
5. 前記電磁石によって吸引された前記可動ラックを元の位置に復帰させる弾性体をさらに備える請求項４に記載のセンタリング機構。
6. 固定ラックと、
   前記固定ラックに平行に配置されると共に、前記固定ラックの長手方向に沿って移動可能に設けられた可動ラックと、
   前記固定ラックに噛み合う第１のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第１のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第１のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第２のピニオン歯車を備えた第１組歯車と、
   前記固定ラックに噛み合う第３のピニオン歯車と、回転軸部を介して前記第３のピニオン歯車と連結されると共に、ピッチ円直径が前記第３のピニオン歯車のピッチ円直径と異なり、前記可動ラックと噛み合う第４のピニオン歯車を備えた第２組歯車と、
   前記可動ラックを移動させるアクチュエータと、
   前記固定ラックの長手方向に沿って設けられたリニアガイドと、
   前記リニアガイドに摺動自在に設けられると共に、前記第１組歯車と連結された第１ハンドと、
   前記リニアガイドに摺動自在に設けられると共に、前記第２組歯車と連結された第２ハンドと、を備え、
   前記固定ラックと前記可動ラックのうち、少なくとも一方は上段部と下段部とを有する２段ラックであり、
   前記第１組歯車と前記第２組歯車のうち、一方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記上段部に対応する範囲内に配置され、他方は、前記固定ラックの長手方向に沿う前記下段部に対応する範囲内に配置されたハンド装置。

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