JP7376306B2 - 直動伸縮機構 - Google Patents

Description

本発明は、直動伸縮機構に関する。

直動伸縮機構は、肘関節を不要にすることができることから、安全性が高く、協働ロボットへの適用が期待されている。直動伸縮機構として、複数のブロックが連結されてなるブロック列を送り出し、引き戻す構造が検討されている（特許文献１、２、３参考）。

直動伸縮機構をロボットに実装するには、直交３軸の全方向に関して高い剛性を確保し、その上下左右の撓みの他、捻れや前後方向のがたを極力抑えながら、アーム先端の実際の位置と制御上の位置とのずれを最小化することが要求される。またロボットアームはその使途に応じて床面上に垂直に設置するだけでなく、壁面に水平に取り付け、また天井から吊り下げられ、そのような様々な設置姿勢のいずれであっても正常動作することが要求される。

特許第５４３５６７９号公報 特開２０１５－２１３９７４号公報 特開昭６２－１４８１８６号公報

直交３軸の全方向に関して高い剛性を確保して位置精度を向上させるとともに設置姿勢に制約のない直動伸縮機構が望まれている。

本開示の一態様に係る直動伸縮機構は、複数のブロックが連結方向に沿って連結されてなるブロック列と、ブロック列を収容する筐体部と、ブロック列を連結方向に沿って送出し、引き込む機構と、筐体部に対してブロック列が出入りする筐体部上の出入位置をブロック列の連結方向に直交する２方向に関して規制する規制構造と、出入位置に対する、筐体部から送り出されたブロック列の先端の２方向に関する相対的な位置を固定する固定機構とを具備する。

本態様によれば、直交３軸の全方向に関して高い剛性を確保して位置精度を向上させるとともに設置姿勢に制約のない直動伸縮機構を提供することができる。

図１は一実施形態に係る収縮時の直動伸縮機構の斜視図である。 図２は伸長時の直動伸縮機構の斜視図である。 図３は収縮時の直動伸縮機構の内部構造をアーム部を除外した状態で示す側面図である。 図４は収縮時の直動伸縮機構の内部構造を示す側面図である。 図５は伸長時の直動伸縮機構の内部構造を示す側面図である。 図６は図４のブロックの前方斜視図である。 図７は図４のブロックの後方斜視図である。 図８は図４のブロックの側面図である。 図４の直動伸縮機構のブロック列の出入位置を規制する四角筒ホルダを示す斜視図である。 図１０は図９の部分拡大図である。 図１１は図１０の正面図である。 図１２は筐体開口を四角筒ホルダとともに示す斜視図である。 図１３は収縮時のブロック列の出入位置と先端位置との位置関係を示す側面図である。 図１４は収縮時のブロック列の出入位置と先端位置との位置関係を示す平面図である。 図１５は伸長時のブロック列の出入位置と先端位置との位置関係を示す側面図である。 図１６は伸長時のブロック列の出入位置と先端位置との位置関係を示す平面図である。 図１７は円筒中心線とブロック列の移動軸との位置関係を示す正面図である。 図１８はテレスコピック構造が、縦続される複数の直動案内機構に代替えされた直動伸縮機構を示す平面図である。 図１９は図１８の伸長された直動伸縮機構を示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る直動伸縮機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。本実施形態に係る直動伸縮機構は、それ単独で使用することができるし、ロボットアーム機構の直動伸縮関節としても使用することができるものである。

図１、図２に示すように、直動伸縮機構１は伸縮自在なアーム部２０とアーム部２０を支持する筐体部１０とを有する。典型的には、アーム部２０は、テレスコピック構造（多段入れ子構造）に強固に組まれた複数、ここでは４つの筒体２１，２２，２３，２４からなる。筒体２１，２２，２３，２４としては典型的には円筒形状であるが、角筒形状であってもよい。筐体部１０は中空の典型的には四角柱形状を有する。なお、筐体部１０は四角柱形状に限定されることは無く、円柱形状等の他の形状であっても良い。

複数の円筒体２１，２２，２３，２４のうち最後尾の円筒体２４はそのフランジにおいて、円筒中心線Ｃ１と筐体部１０の中心線との角度が所定角に維持されるように筐体部１０の上部に固定される。以下、直交３軸のうち、筐体部１０の中心線に平行な軸をＺ軸、円筒中心線Ｃ１に平行な軸をＸ軸、Ｘ軸とＺ軸とに垂直な軸をＹ軸として適宜使用する。

図３に示すように、最後尾の円筒体２４が固定された筐体部１０の上部の側壁には、開口１３（以下、筐体開口１３と称す）があけられている。筐体開口１３は、筐体部１０の内部が円筒体２１，２２，２３，２４の中空内部と連通する。筐体開口１３は後述のブロック列３０が筐体部１０から出入りするための出入り口となる。

図４、図５に示すように、筐体部１０の内部から円筒体２１，２２，２３，２４の中空内部にわたって連通する内部空間には、ブロック列３０が挿入されている。ブロック列３０は複数のブロック４０が列状に連結されてなる。先頭のブロック４０は先頭の円筒体２１に接続されている。詳細は後述するが、筐体部１０に対してブロック列３０が出入りする筐体部１０上の出入位置が、ブロック列３０の連結方向（Ｃ２）に直交する２方向（ＹＺ）に関して規制され、それとともにこの出入位置に対して、筐体部１０から送り出されたブロック列３０の先位置が当該２方向（ＹＺ）に関して多段入れ子構造により相対的に固定されるので、ブロック列３０は直線的に移動することができる。

図６、図７に示すように、ブロック４０はブロック本体４１を有する。ブロック本体４１は、例えば直方体形状を有する。ブロック本体４１の前端の下部には前方に突出する２つの軸受け４２，４３が幅方向に離間して設けられる。ブロック本体４１の後端の下部には、ブロック本体４１と一体的に形成された軸受け４４，４６が幅方向に離間して等間隔に設けられる。隣り合う２つのブロック４０のうち一方のブロック４０の前端の軸受け４２，４３が他方のブロック４０の後端の軸受け４４，４６の間に嵌め込まれ、連続する孔に図示しない回動軸が挿入される。それによりブロック４０は回動可能に列状に連結される。なおブロック４０は回動軸に直交する方向（連結方向）に沿って列状に連結される。

図８に示すように、軸受け４２、４３，４４，４６がブロック本体４１の底部側に設けられ、ブロック本体４１が直方体形状を有するため、直線状に並んだ状態で、隣接する２つのブロック４０は互いの端面どうしが当接し、それ以上の上方への回動が規制されるが、下方への回動は許容される。なお、説明の便宜上、ブロック４０の基準となる基準線ＢＬを規定する。基準線ＢＬはブロック本体４１の長さ方向（前後方向）に平行であって、ブロック本体４１の幅及び高さの中心を通る。なお、直線的に並んだブロック４０の基準線ＢＬによりブロック列３０の移動軸Ｃ２が既定される。

図４、図５に戻る。ブロック列３０の先頭のブロック４０は、複数の円筒体２１，２２，２３，２４のうち先頭の円筒体２１に接続される。アーム部２０が収縮した状態において、ブロック列３０は、そのほとんどが筐体部１０の内部に収容されている。この筐体部１０の内部には、ブロック列３０の送り出し動作及び引き戻し動作を実現する駆動機構が設けられる。駆動機構としてはラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構など任意の機構が採用される。

直動伸縮機構１の基本的な伸縮動作は以下の通りである。
筐体部１０に収容されていたブロック列３０が駆動機構により筐体開口１３を通じてアーム部２０の内部に送り出され、先頭のブロック４０は前方に移動される。先頭のブロック４０は先頭の円筒体２１に接続されているため先頭のブロック４０の前方への移動に伴って、筐体部１０に固定された最後尾の円筒体２４から他の円筒体２１，２２，２３が次々に引き出され、その結果、アーム部２０は円筒中心線Ｃ１に沿って前方に伸長される。

駆動機構によって、アーム部２０の内部に送り出されていたブロック列３０が筐体開口１３を通じて筐体部１０の内部に引き戻され、先頭のブロック４０は後方に移動される。先頭のブロック４０の後方への移動に伴って、先頭の円筒体２１から順に後方の円筒体に収容され、その結果、アーム部２０は円筒中心線Ｃ１に沿って後方に収縮される。

上記の直動伸縮機構１の伸縮動作において、ブロック列３０の上下左右のガタツキはアーム部２０の先端の位置精度を低下させる。アーム部２０の先端の位置精度を確保するためには、ブロック列３０が円筒中心線Ｃ１に対して平行に、且つ直線的に移動することが要求される。

直動伸縮機構１は、筐体開口１３を通じて筐体部１０の内部からアーム部２０の内部に送り出されたブロック列３０を円筒中心線Ｃ１に平行な移動軸Ｃ２に沿って直線的に移動させるために、筐体部１０に対してブロック列３０が出入りする筐体部１０上の出入位置Ｐｅを規制する規制構造５０を備える。この出入位置Ｐｅは、筐体開口１３を通過するブロック４０の基準線ＢＬが筐体開口面に交差する位置として定義される。この出入位置Ｐｅは、直線的に並んだブロック４０の基準線ＢＬ、つまり移動軸Ｃ２に直交する２方向（ＹＺ）に関して規制構造５０により規制される。出入位置ＰｅのＹＺ位置は固定される。
規制構造５０の典型例としてブロック４０が周囲４面に関して若干の隙間が有る状態で通過できるようにブロック４０の形状及び外寸に整合する四角筒形状を有するホルダ５０（以下、四角筒ホルダ５０という）が適用される。図９、図１０に示すように、四角筒ホルダ５０はそのフランジにおいて筐体部１０の筐体開口１３の周縁に固定される。図１１、図１２に示すように、四角筒ホルダ５０は、その内面でブロック４０の外面を上下左右から支持するために、内寸がブロック４０の外寸と等価またはブロック４０の外寸よりも若干広く構成される。

上記のように構成された四角筒ホルダ５０によれば、筐体開口１３を通過するブロック４０は、四角筒ホルダ５０によって、円筒中心線Ｃ１（Ｘ軸）に直交する２方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に関する位置が規制され、常に同じ位置を通過して筐体開口１３を送り出され、引き戻される。このとき、四角筒ホルダ５０を通過するブロック４０の基準線ＢＬは常に移動軸Ｃ２に重なるため、ブロック４０の出入位置Ｐｅは移動軸Ｃ２が筐体開口面を交差する位置に常に重なる。つまり、四角筒ホルダ５０によって筐体部１０を出入りするブロック４０の出入位置Ｐｅを円筒中心線Ｃ１（Ｘ軸）に直交する２方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に関して規制することができる。

直動伸縮機構１は、出入位置Ｐｅに対して、筐体部１０から送り出されたブロック列３０の先端位置Ｐｃは、円筒中心線Ｃ１に直交する２方向（ＹＺ）に関して固定機構により相対的に固定される。固定機構は、多段入れ子構造に組まれた複数の円筒体２１，２２，２３，２４（アーム部２０）により構成される。既に説明したように、ブロック列３０の先頭のブロック４０は複数の円筒体２１，２２，２３，２４の先頭の円筒体２１に接続される。その接続位置は、ブロック列３０の先端位置Ｐｃ（つまり、先頭のブロック４０の先端位置Ｐｃ）が移動軸Ｃ２上に重なるように位置決めされ、その接続方向は、ブロック４０の基準線ＢＬが移動軸Ｃ２に平行になるように方向付けされている。なお、ブロック列３０の先端位置Ｐｃは、先頭のブロック４０のブロック本体４１の前端面とブロック４０の基準線ＢＬとが交差する位置として定義する。

複数の円筒体２１，２２，２３，２４は多段入れ子構造に強固に組まれているため、円筒中心線Ｃ１に対して直交する２方向（ＹＺ）に関して、アーム部２０は高い剛性を有する。ブロック列３０の送り出し／引き戻し動作に伴って、ブロック列３０の先端位置Ｐｃは、アーム部２０によって、円筒中心線Ｃ１に対して直交する２方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に関して規制される。図１３、図１４に示すように、収縮時のブロック列３０の出入位置Ｐｅの座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、先端位置Ｐｃの座標を（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）と仮定すると、Ｘ１は固定されているが、アームの伸縮によりＸ２は変化する。つまりＸ１とＸ２は相対的に変化する。一方、Ｙ１に対するＹ２の相対的な位置関係は変化しない。典型的にはＹ２はＹ１に対して常に一致する。同様にＺ１に対するＺ２の相対的な位置関係は変化しない。典型的にはＺ２はＺ１に対して常に一致する。

図１５、図１６に示すように、収縮時の状態からアーム部２０がΔＬ伸長したときのブロック列３０の出入位置Ｐｅと先端位置Ｐｃとの座標はそれぞれ以下のように表すことができる。すなわち、ブロック列３０の出入位置Ｐｅはアーム部２０の伸縮動作に影響されず、常に同じ位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）である。一方、ブロック列３０は移動軸Ｃ２に沿って前方に直線的に移動されるため、ブロック列３０の先端位置Ｐｃの座標は（Ｘ２＋ΔＬ，Ｙ２，Ｚ２）と表すことができる。Ｙ軸方向とＺ軸方向とに関して、ブロック列３０の先端位置Ｐｃは出入位置Ｐｅに対して相対的に固定されているため、先端位置ＰｃのＹ座標とＺ座標とは伸縮によって変化しない。

このように、筐体部１０に対してブロック列３０の先端位置ＰｃをＹ軸方向及びＺ軸方向に規制するアーム部２０と筐体部１０上のブロック列３０の出入位置ＰｅをＹ軸方向及びＺ軸方向に規制する四角筒ホルダ５０とが固定されているため、筐体部１０上のブロック列３０の出入位置Ｐｅに対して、ブロック列３０の先端位置Ｐｃは、当該２方向に関して相対的に位置が固定される。換言すると、アーム部２０の内部に送り出されたブロック列３０の先端位置と後端位置とが当該２方向に関して相対的に固定されているので、ブロック列３０は移動軸Ｃ２に沿って常に直線的に伸長し、また常に直線的に収縮する。それにより、アーム部２０の先端位置精度を確保し得る。もちろん、規制構造と固定機構によってブロック列３０の出入位置Ｐｅと先端位置Ｐｃとが固定されているため、その間においてブロック列３０は上下左右に撓みにくく、直動伸縮機構１を使用する向きは制限されない。つまり、直動伸縮機構１は適用先に応じて床面上に垂直に設置するだけでなく、壁面に水平に取り付け、また天井から吊り下げられ、そのような様々な設置姿勢のいずれであっても正常に動作することができる。

さらに、本実施形態に係る直動伸縮機構１によれば、円筒中心線Ｃ１に平行な方向に関する外力、荷重は、直線的に並んで前後端面どうしが当接する剛体としてのブロック４０が強固に受け止めることができる。また、円筒中心線Ｃ１に直交する２方向に関する荷重は、多段入れ子構造に組まれた複数の円筒体２１，２２，２３，２４が受け止める。それにより、直交３軸の全方向に関する荷重に対して、多段入れ子構造に組まれた円筒体２１，２２，２３，２４とブロック列３０とが分散して負担する。それによりアーム部２０として高い剛性を確保することができ、さらにその上下左右の撓みの他、捻れや前後方向のがたを極力抑えることができる。

なお、図１７に示すように、ブロック列３０が直線的に移動する移動軸Ｃ２は、円筒中心線Ｃ１に対してオフセットされる。つまり四角筒ホルダ５０は、それを通過するブロック列３０の基準線ＢＬ（移動軸Ｃ２）が円筒体２１，２２，２３，２４の円筒中心線Ｃ１に対して一致せず、オフセットするように筐体部１０に対して取り付けられている。それにより円筒体２１，２２，２３，２４の円筒中心線Ｃ１を中心とした回転（軸回転）が、ブロック列３０により効果的に抑えられる。また、移動軸Ｃ２を円筒中心線Ｃ１に対して重力方向の下方にオフセットさせることで、円筒体２１，２２，２３，２４に対して定常的にかかる下方への荷重を円筒体２１，２２，２３，２４だけではなく、ブロック列３０にも分散して負担させることができ、アーム部２０としての総合的な剛性をさらに向上し得る。さらに移動軸Ｃ２が円筒中心線Ｃ１に重なるようにブロック列３０が配置された場合に比べて、円筒体２１，２２，２３，２４の内部空間を有効的に活用することができる。

なお、本実施形態では、剛性の確保などの観点から固定機構（アーム部２０）として入れ子構造に組まれた複数の円筒体２１，２２，２３，２４を採用したが、固定機構は三角筒体、四角筒体などの多角筒体や楕円筒体などの円筒体を入れ子構造に組んだものであってもよい。

また、出入位置Ｐｅに対する、筐体部から送り出されたブロック列の先端の連結方向に直交する２方向に関する相対的な位置を固定できるのであれば、固定機構は、多段入れ子構造に強固に組まれた複数の円筒体２１，２２，２３，２４に限定されない。固定機構は、縦続される複数の直動案内機構により構成されてもよい。図１８、図１９に示すように、例えば、複数の直動案内機構６１，６２，６３のうち最後尾の直動案内機構６３のレールを支持するベースが筐体部１０に水平に固定され、先頭の直動案内機構６１のスライダがＬ字形の接続具６４を介してブロック列３０の先頭のブロック４０に接続される。複数の直動案内機構６１，６２，６３はそのスライド方向（Ｘ軸方向）に直交する２方向（Ｙ軸方向とＺ軸方向）に関して高い剛性を有する。そのため、複数の直動案内機構６１，６２，６３は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに関してブロック列３０の先端位置をブロック列３０の出入位置に対して相対的に固定することができる。つまり、固定機構として直動案内機構を採用した直動伸縮機構であっても、固定機構としてテレスコピック構造を採用した直動伸縮機構１と同様の効果を奏する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…直動伸縮機構、１０…筐体部、１３…筐体開口、２０…アーム部、２１，２２，２３，２４…円筒体、３０…ブロック列、４０…ブロック、５０…四角筒ホルダ、Ｃ１…円筒中心線、Ｃ２…移動軸。

Claims (7)

1. 複数のブロックが連結方向に沿って連結されてなるブロック列と、
   前記ブロック列を収容する筐体部と、
   前記ブロック列を前記連結方向に沿って送出し、引き込む機構と、
   前記筐体部に対して前記ブロック列が出入りする前記筐体部上の出入位置に対する、前記筐体部から送り出された前記ブロック列の先端位置の前記ブロック列の連結方向に直交する２方向に関する相対的な位置を固定する固定機構とを具備し、
   前記筐体部に対して前記ブロック列が出入りする前記筐体部上の出入位置を前記２方向に関して規制する規制構造をさらに備え、
   前記規制構造は、前記ブロック列が通過する四角筒形状のホルダであり、前記ホルダを通過する前記ブロック列が前記ホルダの内壁に当接するように前記ホルダの内形状及び内寸は前記ブロックの外形及び外寸に整合する、直動伸縮機構。
2. 前記固定機構は多段入れ子構造に組まれた複数の筒状体により構成され、
   前記複数の筒状体のうち最後尾の筒状体は前記筐体部に固定され、
   前記ブロック列の先端は前記複数の筒状体のうち先頭の筒状体に接続される、請求項１記載の直動伸縮機構。
3. 前記ブロック列は前記筒状体に挿入される、請求項２記載の直動伸縮機構。
4. 前記ブロック列は前記筒状体の中心線に対してオフセットされる、請求項３記載の直動伸縮機構。
5. 前記固定機構として、前記筐体部に後端が固定された、縦続される複数の直動案内機構により構成され、
   前記ブロック列の先端が前記複数の直動案内機構のうち先頭の直動案内機構に接続される、請求項１記載の直動伸縮機構。
6. 前記ブロックは、隣り合うブロックの前後端面どうしの当接により前記ブロック列が直線状に並んだ状態で順方向の回動が制限され、逆方向の回動は許容されるように連結される、請求項１乃至５のいずれか一項記載の直動伸縮機構。
7. 前記連結方向に関する荷重は、前記ブロック列が受け止め、
   前記連結方向に直交する２方向に関する荷重は、多段入れ子構造に組まれた複数の筒状体又は縦続される複数の直動案内機構が受け止める、請求項１乃至６のいずれか一項記載の直動伸縮機構。