JP6827437B2 - ロボット用駆動ユニット、ロボットおよびシール構造 - Google Patents

ロボット用駆動ユニット、ロボットおよびシール構造 Download PDF

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Description

本発明は、ロボット用駆動ユニットおよびロボットに関するものである。
従来、ロボットの機構内部においてケーブルを処理するために、相対的に回転する2つの部材の間に配置されたアクチュエータを中空に形成した中空アクチュエータが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1の中空アクチュエータは、モータと減速機とを同軸に、中心軸に沿う方向に並べて配列し、減速機として中空構造を構成容易な波動歯車減速機を採用し、減速機の入力軸にモータの回転力を伝達するシャフトとして、中心軸回りに回転駆動される中空シャフトを用いている。中空シャフトによれば、径方向の内側の空間を、ケーブル等を配線するための空間として利用し、中空シャフトの径方向外側に配置されるグリスが封入された減速機の空間とを容易に区画することができる。また、中空シャフトは、動力を伝達するための強度を保持している必要があるため、鉄などの強度の高い金属によって構成されている。
特許第5263162号公報
しかしながら、中心軸回りに回転駆動されるシャフトによって回転力を入力する必要のない減速機構、例えば、歯車減速機構を備えた駆動ユニットの場合、中空シャフトは、ケーブル等を配線するための空間とグリスを封入する空間とを径方向に区画するための部材として専ら利用されるため、鉄などの強度の高い金属によって構成するとロボットの重量が増大するとともに、形状によってはコストが高く付くという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、中空構造を実現してケーブル等の配線を容易にしながら、ロボットの軽量化を図ることができるロボット用駆動ユニットおよびロボットを提供することを目的としている。
本発明の一態様は、ハウジングと、駆動力の出力に伴って前記ハウジングに対して所定の軸線回りに相対回転させられる出力軸部材と、前記軸線と同軸に配置され、前記ハウジングまたは前記出力軸部材の一方に固定され、他方に前記軸線回りに回転可能に支持された円筒状の中空構造のシャフトと、前記ハウジングと前記出力軸部材との間および前記ハウジングまたは前記出力軸部材の前記他方と前記シャフトとの間を、それぞれ前記軸線回りの相対回転を許容しつつ密封する回転体シール部材とを備え、前記シャフトが、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されたシャフト本体と、該シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、該シャフト本体よりも表面硬度の高い材質からなり、前記回転体シール部材と接触する接触面を構成する接触面部材とを備え、前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材を備え、前記シャフトの少なくとも一部が前記ハウジングおよび前記出力軸部材の前記他方の外部に露出しているロボット用駆動ユニットである。
本態様によれば、第1部材に固定されたハウジングに対して、第2部材に固定された出力軸部材を回転駆動することにより、第1部材と第2部材とを所定の軸線回りに相対回転させることができる。この場合に、相対回転の軸線と同軸に配置された円筒状の中空シャフトが、第1部材または第2部材の一方に固定され、他方に軸線回りに回転可能に支持されているので、ハウジングに対する出力軸部材の軸線回りの回転が許容されるとともに、中空シャフトの内側に軸線近傍を軸線に沿う方向に貫通する空間が形成される。
したがって、この空間を利用して、互いに相対回転する第1部材内部から第2部材内部へのケーブル等の線条体を敷設することができる。
そして、ハウジングと出力軸部材との間およびハウジングまたは出力軸部材の他方と中空シャフトとの間にそれぞれ配置された回転体シール部材により、ハウジング、出力軸部材および中空シャフトにより囲まれた空間が密封される。すなわち、この囲まれた空間に潤滑材により潤滑される減速機構等を配置することができる。
この場合において、中空シャフトを構成するシャフト本体を非鉄材料、すなわち、樹脂あるいはアルミニウム等の軽金属によって構成することにより、ロボットの軽量化を図ることができる。そして、非鉄材料を用いることにより表面硬度が低下しても、回転体シール部材と接触する接触面については非鉄材料より表面硬度の高い材質からなる接触面部材によって構成することにより、高い密封性能を達成することができる。
更に中空シャフトを樹脂製とすることで、中空穴を通過する線条体等との摩擦を低減し、線条体の健全性を維持することができる。
上記態様においては、前記ハウジングまたは前記出力軸部材の前記他方に対して前記中空シャフトを回転可能に支持する軸受を備えていてもよい。
この構成により、シャフト本体を非鉄材料によって構成したことによる中空シャフトの剛性の低下を軸受により補って、中空シャフトの芯ブレによるシール性能の低下を防止することができる。
また、上記態様においては、前記軸受が前記接触面部材の前記軸線に沿う方向の少なくとも一部にかかる位置に配置されていてもよい。
この構成により、中空シャフトの回転を支持する軸受が接触面部材を直接支持して、シール部材との接触面の振れをより確実に防止し、安定したシール性能を確保することができる。
また、上記態様においては、前記接触面部材が、前記シャフト本体の前記軸線に沿う方向の一部の外周面を全周にわたって被覆する円筒状に形成されていてもよい。
この構成により、接触面部材を比較的薄く構成して、軽量化を図ることができる。
また、上記態様においては、前記接触面部材の内周面と前記シャフト本体の外周面との間を密封するシール部材を備えていてもよい。
この構成により、接触面部材の内周面とシャフト本体の外周面との間を通過して、内部の潤滑材等が漏洩することを防止することができる。
また、上記態様においては、前記シール部材が前記軸線方向に複数配列されていてもよい。
また、上記態様においては、前記接触面部材が、円筒状に形成され、前記シャフト本体の先端を前記軸線に沿う方向に延長する位置に配置されていてもよい。
この構成により、中空シャフト全体を鉄により構成する場合と比較して軽量化を図ることができる。
また、上記態様においては、前記接触面部材の内周面が、高分子化合物からなる被覆部材によって被覆されていてもよい。
この構成により、接触面部材の内周面を被覆する被覆部材によって、中空シャフトの中空穴内を通過する線条体等との摩擦を低減し、線条体の健全性を維持することができる。
また、本発明の他の態様は、所定の軸線回りに相対回転させられる第1部材および第2部材と、第1部材に対して第2部材を相対的に回転駆動する上記いずれかのロボット用駆動ユニットとを備えるロボットである。
本発明によれば、中空構造を実現してケーブル等の配線を容易にしながら、ロボットの軽量化を図ることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るロボット用駆動ユニットおよびロボットを示す部分的な縦断面図である。 図1のロボット用駆動ユニットの中空シャフトの先端部を拡大して示す部分的な縦断面図である。 図1のロボット用駆動ユニットの変形例を示す中空シャフトの先端部の斜視図である。 図1のロボット用駆動ユニットの他の変形例を示す中空シャフトの横断面図である。 図1のロボット用駆動ユニットの変形例を示す中空シャフトの先端部を拡大して示す部分的な縦断面図である。 図1のロボット用駆動ユニットの他の変形例を示す部分的な縦断面図である。
本発明の一実施形態に係るロボット用駆動ユニット10およびロボット100について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット100は、図1に示されるように、中空の第1部材110と、第1部材110に対して所定の軸線A回りに回転可能に支持された中空の第2部材120と、第1部材110に対して第2部材120を回転駆動する本実施形態に係るロボット用駆動ユニット10とを備えている。
ロボット用駆動ユニット10は、第1部材110に固定されるハウジング11と、ハウジング11内部に軸線A回りに回転可能に支持されるとともに第2部材120に固定される出力軸部材12と、出力軸部材12に固定されるとともにハウジング11に回転可能に支持された中空シャフト13と、ハウジング11と出力軸部材12との間を密封する第1シール部材(回転体シール部材)14と、ハウジング11と中空シャフト13との間を密封する第2シール部材(回転体シール部材)15とを備えている。
ハウジング11は、筒状の外周部16と、該外周部16の軸線A方向の一端から径方向内方に延び中央に軸線Aに沿う方向に貫通する貫通孔17を備える端板18とを備えている。また、出力軸部材12は、中央に板厚方向に貫通する貫通孔19を備える円形のリング板状に形成され、ハウジング11の外周部16の他端の内周面に軸受20によって回転可能に支持されている。
中空シャフト13は、樹脂あるいはアルミニウム等の軽金属等の非鉄材料により形成された円筒状のシャフト本体21と、該シャフト本体21の一端の外周面の一部を被覆する位置に嵌合された円筒状のカラー(接触面部材)22とを備えている。カラー22はシャフト本体21よりも表面硬度の高い材質、例えば、鉄により構成されている。カラー22の表面硬度は、HRC30以上であることが好ましい。
シャフト本体21とカラー22とは、摩擦により一体化されているとともに、シャフト本体21とカラー22との間には、両者の嵌合面を密封するOリング等のシール部材23が配置されている。
シャフト本体21およびカラー22は、シャフト本体21の外径寸法、カラー22の内径寸法およびカラー22の厚さ寸法を精度よく管理することにより、シャフト本体21とカラー22の外表面との同軸度公差を小さく設定している。
また、図2に示されるように、シャフト本体21の先端部に、カラー22の内径寸法より若干大きい大径部38と、大径部38からシャフト本体21の先端側に向かって先細になるテーパ面39とが設けられている。これにより、カラー22をシャフト本体21の先端側からシャフト本体21に嵌合させる際に、大径部38を弾性変形により縮径させ、嵌合が終了した時点でシャフト本体21の弾性復元力によって大径部38を拡径させる、いわゆるスナップフィット方式で簡易に組み付けることができる。
シャフト本体21の他端には径方向外方に延びる鍔部24が備えられている。中空シャフト13はシャフト本体21を出力軸部材12の貫通孔19に嵌合させた状態で、鍔部24を出力軸部材12の軸方向の端面に突き当てて、図示しないボルトによって出力軸部材12に固定されている。中空シャフト13と出力軸部材12との嵌合面はOリング等のシール部材25によって密封されている。
第2シール部材15は、図1および図2に示されるように、ハウジング11の端板18の貫通孔17の内面と中空シャフト13の他端との間に配置されている。第2シール部材15に対して、中空シャフト13の軸線Aに沿う方向の基端側に隣接する位置には、ハウジング11に対して中空シャフト13を軸線A回りに回転可能に支持する軸受26が配置されている。軸受26は、その内輪の内周面にカラー22の一部が接触する位置に配置されている。すなわち、軸受26とカラー22とは軸線Aに沿う方向に重複する位置関係に配置されている。
これにより、ハウジング11、出力軸部材12および中空シャフト13によって囲まれるリング状の空間は、第1シール部材14および第2シール部材15によって、ハウジング11に対する出力軸部材12および中空シャフト13の回転を許容しながら密封されている。この密封された空間には、図示しないモータからの駆動力を減速しつつ出力軸部材12に伝達する図示しない減速機構が配置されている。減速機構は潤滑材によって潤滑されている。モータは、例えば、端板18の外部に取り付けられ、端板18を板厚方向に貫通して、密封された空間内部にモータシャフトを挿入している。
中空シャフト13は、ハウジング11の一端の端板18と、ハウジング11の他端の出力軸部材12とに掛け渡される位置に配置されており、中空シャフト13の内部空間は、ロボット用駆動ユニット10を軸線Aに沿う方向に貫通して両端に開口している。
これにより、中空シャフト13の内部空間は、第1部材110の内部空間と第2部材120の内部空間とを連絡しており、この内部空間を利用して、図1に示されるように、第1部材110内部を導かれてきたケーブル等の線条体130を、軸線A近傍を通して第2部材120内部に配線することができる。
図中、符号27は、線条体130を第1部材110および第2部材120にそれぞれ固定するための固定金具である。
このように構成された本実施形態に係るロボット用駆動ユニット10およびロボット100の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット用駆動ユニット10によれば、中空シャフト13によって、ハウジング11に対する出力軸部材12の回転の回転中心となる軸線A近傍に線条体130を貫通させるための空間を形成することができる。
この空間を通過する線条体130は、回転によって主として捩られるだけであるため、大きな繰り返し曲げを受けないので、耐久的に健全な状態に維持される。
この場合において、本実施形態によれば、中空シャフト13を非鉄材料によって構成することにより、鉄によって構成する場合と比較して大幅な軽量化を図ることができる。
特に、本実施形態においては、中空シャフト13は、主として減速機構および潤滑材を封入するリング状の空間を画定するものであり、トルクを伝達する必要がないので、大きな機械的強度が要求されない。したがって、強度の低い非鉄材料によって構成しても強度上の問題は生じない。
また、シャフト本体21がハウジング11の端板18に対して軸受26によって回転可能に支持されているので、機械的強度の低い非鉄材料によって構成されていても、中空シャフト13の回転による芯ブレが抑制される。したがって、軸受26に隣接して配置されている第2シール部材15のシール面の変動が抑制され、安定して密封状態を維持することができる。
そして、本実施形態によれば、シャフト本体21よりも表面硬度の高い材料からなるカラー22がシャフト本体21の先端外周面に配置され、カラー22の外表面と貫通孔17との間に第2シール部材15が配置されているので、シャフト本体21の表面に直接第2シール部材15を接触させる場合と比較して、摩耗を防止して、カラー22と第2シール部材15との間の密封状態を耐久的に維持することができるという利点がある。
また、本実施形態に係るロボット100によれば、第1部材110にハウジング11を固定し、出力軸部材12に第2部材120を固定するだけで、第1部材110内部を経由して配線されてきた線条体130を中空シャフト13の内部空間を経由して第2部材120内部に導くことができる。これにより、線条体130を外部に露出させることなく敷設することができる。
そして、ロボット用駆動ユニット10の作動により第1部材110に対して第2部材120を軸線A回りに回転させても、内部に敷設されている線条体130に大きな繰り返し曲げ応力を作用させずに済み、ロボット100を耐久的に動作させることができる。さらに、樹脂等の軟性な材質によりシャフト本体21を構成することにより、線条体130とシャフト本体21との摩擦による摩耗を低減し、線条体130の健全性を維持することもできる。
また、ロボット用駆動ユニット10を軽量化することによりロボット100自体の軽量化を図ることができるという利点もある。
なお、本実施形態においては、シャフト本体21とカラー22とが摩擦により一体的に動作することとしたが、これに代えて、図3に示されるように、シャフト本体21に凹部28が設けられ、カラー22に、凹部28に周方向に係合する凸部29が設けられていてもよい。凹部28と凸部29との係合により、シャフト本体21とカラー22とを軸線A回りに一体的に回転させることができる。
凹部28と凸部29との係合を隙間なく実施するために、シャフト本体21側に設けられている凹部28を周方向に広げる方向に弾性変形させながらカラー22の凸部29を係合させることにしてもよい。
また、シャフト本体21に凸部29、カラー22に凹部28が設けられていてもよい。この場合には、シャフト本体21側に設けられている凸部29を周方向に圧縮する方向に弾性変形させながらカラー22の凹部28に係合させればよい。
凸部29と凹部28とは2以上設けられていてもよい。
また、凹部28と凸部29との係合に代えて、図4に示されるように、シャフト本体21およびカラー22の嵌合面にそれぞれ設けたキー溝30にキー31を挿入状態に配置することにしてもよい。キー31は単一でもよいし、周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。また、シャフト本体21とカラー22との間にスプライン継手あるいはセレーション継手を採用してもよい。
また、カラー22をシャフト本体21にスナップフィット方式で組み付ける場合を例示したが、これに代えて、インサート成形により一体成形することにしてもよい。
また、シャフト本体21とカラー22との間に単一のOリング等のシール部材23を配置した場合を例示したが、これに代えて、図5に示されるように、シャフト本体21の長手軸方向(軸線A方向)に複数のOリング等のシール部材23を配置することにしてもよい。これにより、シャフト本体21とカラー22との間の摩擦を増大させて、回り止め効果を向上することができる。
また、本実施形態においては、接触面部材として、シャフト本体21の一部の外周面を被覆するカラー22を例示したが、これに代えて、図6に示されるように、シャフト本体21の先端部に接続され、シャフト本体21を軸線Aに沿う方向に延長する円筒状の部材32によって構成してもよい。シャフト本体21の先端および接触面部材32の基端にはそれぞれ軸線Aに沿う方向に突き当てられ、ボルト33によって密着させられるフランジ34,35が設けられている。シャフト本体21と接触面部材32とは位置決めピン36によって位置決めされている。なお、シャフト本体21と接触面部材32との接合面にシール部材を挿入し、シール機能を持たせる必要がある。
この場合において、接触面部材32は、シャフト本体21よりも表面硬度の高い材質、例えば、鉄により構成され、内周面が4フッ化エチレン等の高分子化合物からなるライナー(被覆部材)37によって覆われていることが好ましい。
これにより、シャフト本体21と接触面部材32とを一体化させて、位置ズレをより確実に防止することができる。また、ライナー37によって内部の線条体130との摩擦による摩耗を低減し、線条体130の健全性を維持することができる。
また、本実施形態においては、中空シャフト13を出力軸部材12に固定し、ハウジング11との間を第2シール部材15によって回転可能に密封したが、これに代えて、中空シャフト13をハウジング11の端板18に固定し、出力軸部材12との間を第2シール部材15によって回転可能に密封してもよい。
また、第1部材110および第2部材120としては、任意の形式のロボット100を構成している任意の関節の構成部品を採用してもよい。例えば、垂直多関節ロボットの場合には、旋回胴と第1アームとの間の関節、第1アームと第2アームとの間の関節等に適用してもよい。
10 ロボット用駆動ユニット
11 ハウジング
12 出力軸部材
13 中空シャフト
14 第1シール部材(回転体シール部材)
15 第2シール部材(回転体シール部材)
20,26 軸受
21 シャフト本体
22 カラー(接触面部材)
23 シール部材
32 接触面部材
37 ライナー(被覆部材)
110 第1部材
120 第2部材
A 軸線

Claims (13)

  1. ウジングと、
    駆動力の出力に伴って前記ハウジングに対して所定の軸線回りに相対回転させられる出力軸部材と、
    前記軸線と同軸に配置され、前記出力軸部材に固定され、前記ハウジングに前記軸線回りに回転可能に支持された円筒状の中空構造のシャフトと、
    前記ハウジングと前記出力軸部材との間および前記ハウジングと前記シャフトとの間を、それぞれ前記軸線回りの相対回転を許容しつつ密封する回転体シール部材とを備え、
    前記シャフトが、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されたシャフト本体と、該シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、該シャフト本体よりも表面硬度の高い材質からなり、前記回転体シール部材と接触する接触面を構成する接触面部材とを備え、
    前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材を備え、
    前記シャフトの少なくとも一部が前記ハウジングの外部に露出しているロボット用駆動ユニット。
  2. ハウジングと、
    駆動力の出力に伴って前記ハウジングに対して所定の軸線回りに相対回転させられる出力軸部材と、
    前記軸線と同軸に配置され、前記ハウジングに固定され、前記出力軸部材に前記軸線回りに回転可能に支持された円筒状の中空構造のシャフトと、
    前記ハウジングと前記出力軸部材との間および前記出力軸部材と前記シャフトとの間を、それぞれ前記軸線回りの相対回転を許容しつつ密封する回転体シール部材とを備え、
    前記シャフトが、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されたシャフト本体と、該シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、該シャフト本体よりも表面硬度の高い材質からなり、前記回転体シール部材と接触する接触面を構成する接触面部材とを備え、
    前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材を備え、
    前記シャフトの少なくとも一部が前記出力軸部材の外部に露出しているロボット用駆動ユニット。
  3. 前記ハウジングに対して前記シャフトを回転可能に支持する軸受を備える請求項1に記載のロボット用駆動ユニット。
  4. 前記出力軸部材に対して前記シャフトを回転可能に支持する軸受を備える請求項2に記載のロボット用駆動ユニット。
  5. 前記軸受が前記接触面部材の前記軸線に沿う方向の少なくとも一部にかかる位置に配置されている請求項3または請求項4に記載のロボット用駆動ユニット。
  6. 前記接触面部材が、前記シャフト本体の前記軸線に沿う方向の一部の外周面を全周にわたって被覆する円筒状に形成されている請求項1から請求項のいずれかに記載のロボット用駆動ユニット。
  7. 前記シール部材が、前記接触面部材の内周面と前記シャフト本体の外周面との間を密封する請求項に記載のロボット用駆動ユニット。
  8. 前記シール部材が前記軸線方向に複数配列されている請求項に記載のロボット用駆動ユニット。
  9. 前記接触面部材が、円筒状に形成され、前記シャフト本体の先端を前記軸線に沿う方向に延長する位置に配置されている請求項1から請求項のいずれかに記載のロボット用駆動ユニット。
  10. 前記接触面部材の内周面が、高分子化合物からなる被覆部材によって被覆されている請求項に記載のロボット用駆動ユニット。
  11. 所定の前記軸線回りに相対回転させられる第1部材および第2部材と、
    前記ハウジングが前記第1部材に固定され、前記出力軸部材が前記第2部材に固定され、前記第1部材に対して前記第2部材を相対的に回転駆動する請求項1から請求項10のいずれかに記載のロボット用駆動ユニットとを備えるロボット。
  12. ハウジングと、
    駆動力の出力に伴って前記ハウジングに対して相対回させられ、鉄よりも軽い非鉄材料により構成され、中空構造を有するシャフト本体と、
    前記ハウジングに設けられた回転体シール部材と、
    前記シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、前記シャフト本体と一体的に回転し、前記回転体シール部材と接触し、前記非鉄材料よりも表面硬度が高い接触面部材と、
    前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材と、を備え、
    前記シャフト本体の少なくとも一部が、前記ハウジングの外部に露出しているロボット用駆動ユニット。
  13. 駆動力の出力に伴って相対回転するハウジングと中空のシャフト本体とを有するロボット用駆動ユニットの前記ハウジングと前記シャフト本体との間を密封するシール構造であって、前記シャフト本体が、鉄よりも軽い非鉄材料により構成されると共に前記シャフト本体の少なくとも一部が前記ハウジングの外部に露出し、
    前記ハウジングに設けられた回転体シール部材と、
    前記シャフト本体の長手方向に移動不能に該シャフト本体に固定され、前記シャフト本体と一体的に回転し、前記回転体シール部材と接触し、前記非鉄材料よりも表面硬度が高い接触面部材と、
    前記シャフト本体と前記接触面部材との間を密封するシール部材と、を備えるシール構造。
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