JP7396879B2

JP7396879B2 - パラレルリンクロボット

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Publication number: JP7396879B2
Application number: JP2019216659A
Authority: JP
Inventors: 健太郎田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2023-12-12
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: JP2021084208A; CN112873173A; DE102020130645A1; US20210162612A1; US11224979B2

Description

本開示は、パラレルリンクロボットに関するものである。

基礎部と可動部とを並列に連結する複数のアームを備えるパラレルリンクロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。各アームはアクチュエータにより駆動される駆動リンクと、各駆動リンクに連結された２本の平行な受動リンクとを備えている。可動部に備えられた手首軸を駆動するためのアクチュエータが２本の受動リンクの間に平行に配置され、受動リンク間に掛け渡された補助リンクによって支持されている。また、アクチュエータと手首軸とは動力伝達軸によって接続されている。

特開２０１９－３８０５１号公報

可動部の動作範囲を拡大するために、機構部のサイズが大きくなって動力伝達軸の長さが長くなると、動力伝達軸自体の慣性量の増加によって、パラレルリンクロボットの作動時における動力伝達軸の撓みが増大する。撓みの増大は、理想的な平行４節リンクを崩すため、アームの動作に際して各部の荷重を増大させる。したがって、動力伝達軸が長くなってもパラレルリンクロボットの作動時における動力伝達軸の撓みを抑え、アクチュエータとの接続部における摩耗等を抑制することが望まれている。

本開示の一態様は、基礎部と、付属軸を備える可動部と、前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、前記基礎部に配置され各前記アームを駆動する複数のアクチュエータとを備え、各前記アームが、各前記アクチュエータによって駆動される駆動リンクと、関節により前記駆動リンクに連結された２本の平行な受動リンクとを備え、少なくとも１つの前記アームの２本の前記受動リンクの間に、該受動リンクと平行に回転軸を配置した追加アクチュエータが、前記受動リンクの間に掛け渡され各該受動リンクに揺動可能に連結された第１補助リンクによって支持され、前記付属軸と前記追加アクチュエータの前記回転軸とが動力伝達軸によって連結され、該動力伝達軸の長手軸に沿う方向の途中位置が、前記受動リンクの間に掛け渡され各該受動リンクに揺動可能に連結された第２補助リンクに、軸受によって前記長手軸回りに回転可能に支持されているパラレルリンクロボットである。

本開示の一実施形態に係るパラレルリンクロボットを示す斜視図である。図１のパラレルリンクロボットの１つのアームの受動リンクおよび追加アクチュエータを示す斜視図である。図２の追加アクチュエータと動力伝達軸との接続部を説明する斜視図である。図１のパラレルリンクロボットの手首軸の構造を説明する模式図である。図１のパラレルリンクロボットの動力伝達軸を支持する第２補助リンクおよび軸受を説明する縦断面図である。図５の軸受と支持部材との間に配置される弾性体を示す縦断面図である。図６の弾性体の作用を説明する縦断面図である。図２のアームの受動リンクおよび追加アクチュエータの動作を説明する模式図である。図８の状態から可動プレートを移動させた状態を示す模式図である。図６の弾性体の変形例を示す縦断面図である。

本開示の一実施形態に係るパラレルリンクロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るパラレルリンクロボット１は、図１に示されるように、ハウジング２に収容される基礎部３と、円板状の可動プレート（可動部）４と、基礎部３と可動プレート４とを並列に連結する３つのアーム５とを備えている。

基礎部３には、各アーム５をそれぞれ駆動する３つのアクチュエータ６が備えられている。アクチュエータ６は、例えば、サーボモータおよび減速機により構成されている。
各アーム５は、各アクチュエータ６によって揺動させられる駆動リンク７と、駆動リンク７に揺動可能に連結された２本の平行な受動リンク８とを備えている。

２本の各受動リンク８の両端は、駆動リンク７および可動プレート４に、ボールジョイント（関節）９によって、それぞれ揺動可能に接続されている。すなわち、駆動リンク７、２本の受動リンク８および可動プレート４は、それぞれ平行４節リンクを構成している。これにより駆動リンク７に対する受動リンク８の角度が変化しても、４つのボールジョイント９を順番に直線で結んだ４角形は常に平行四辺形となる。

可動プレート４には、該可動プレート４の中心軸線Ｘ回りに回転駆動される手首軸（付属軸）１０が設けられている。
手首軸１０を駆動するための追加アクチュエータ１１は、図２に示されるように、１つのアーム５の２本の受動リンク８の間に、回転軸１２を受動リンク８と平行にして配置されている。追加アクチュエータ１１は、例えば、サーボモータである。

追加アクチュエータ１１は、図２に示されるように、２つの受動リンク８に掛け渡されて、軸受１３によって各受動リンク８に揺動可能に連結された補助リンク（第１補助リンク）１４によって支持されている。すなわち、追加アクチュエータ１１は、一端が補助リンク１４の中央部分に、軸受１３によって揺動可能に接続されている。

追加アクチュエータ１１の回転軸１２には、回転軸１２を延長する方向に延びる動力伝達軸１５の一端が接続されている。回転軸１２と動力伝達軸１５とは、例えば、図３に示されるように、スプライン１６とスプライン孔１７とを嵌合させることにより、回転軸１２に沿う方向に移動可能に接続されている。これにより、追加アクチュエータ１１によって回転軸１２が回転することによって、動力伝達軸１５が長手軸Ｃ回りに回転させられる。

動力伝達軸１５の他端は、手首軸１０にユニバーサルジョイント１８によって接続されている。
手首軸１０の一例を図４に示す。動力伝達軸１５の回転はユニバーサルジョイント１８を経由して手首軸１０に伝達され、歯車対１９を経由して先端の取付フランジ２０が、可動プレート４の中心軸線Ｘ回りに回転させられる。

本実施形態においては、図２に示されるように、動力伝達軸１５が、その長手軸Ｃ方向の途中位置においても、２つの受動リンク８に掛け渡されて、軸受１３によって各受動リンク８に揺動可能に連結された補助リンク（第２補助リンク）２１によって支持されている。補助リンク２１は、相互に平行な揺動軸線Ａ回りに受動リンク８に揺動可能に支持されたリンク本体２２と、揺動軸線Ａに平行な軸線Ｂ回りにリンク本体２２に対して揺動可能に支持された支持部材２３とを備えている。

支持部材２３は、図５に示されるように、軸受２４によってリンク本体２２に揺動可能に支持され、中央に動力伝達軸１５を貫通させる貫通孔（孔）２５を備えている。動力伝達軸１５は、貫通孔２５との間に配置された軸受２６によって、長手軸Ｃ回りに回転可能に支持部材２３に支持されている。

また、本実施形態によれば、支持部材２３の貫通孔２５と軸受２６の外輪２６ａとの間に、弾性変形によって軸受２６を動力伝達軸１５の長手軸Ｃ方向に微小移動可能に支持する円筒状の弾性体２７が配置されている。
弾性体２７には、図６に示されるように、弾性体２７の軸方向に沿う剛性を径方向に沿う剛性よりも大きく低減させる剛性低減構造が設けられている。剛性低減構造は、例えば、円筒状の弾性体２７の内周面に、軸方向に間隔をあけて２本設けられ、全周にわたって径方向外方に窪む周溝（溝）２８である。

図６に示す例では、軸受２６の外輪２６ａの外周面には、弾性体２７における軸受２６の軸方向の長さの１／４の厚さの円環状の領域が、軸方向に間隔をあけて２か所に密着している。この場合には、周溝２８を設けずに、軸受２６の軸方向の全厚さにおいて円環状の領域が密着している場合と比較して、弾性体２７の剛性は、軸方向に低減される。その一方で、弾性体２７の剛性は、径方向に低減される。図中、符号２７ａは、弾性体２７の軸方向の片側に配置され、軸受２６の外輪２６ａを軸方向に突き当てる肩部である。

弾性体２７は、例えば、樹脂により構成され、図５に示されるように、軸受２６の外輪２６ａの外周面および支持部材２３の貫通孔２５の内周面にそれぞれ密着した状態に維持される。そして、動力伝達軸１５に長手軸Ｃに沿う方向の力が作用したときには、図７に示されるように、弾性体２７が弾性変形することによって軸受２６を長手軸Ｃに沿う方向に微小移動させることができる。

このように構成された本実施形態に係るパラレルリンクロボット１の作用について以下に説明する。
図８および図９は可動プレート４が移動するときの１つのアーム５の受動リンク８の動作を説明するための略図である。これら図面から分かるように、可動プレート４の移動の前後において、２つの受動リンク８は互いに平行である。そして、追加アクチュエータ１１および動力伝達軸１５も２つの受動リンク８に対して平行に維持される。

つまり、２つの受動リンク８および動力伝達軸１５は常に互いに平行であり、また、それらの長さも変化しない。したがって、理想的には、補助リンク２１、各受動リンク８、可動プレート４および動力伝達軸１５も平行４節リンクを構成する。

しかしながら、現実には、動力伝達軸１５が長くなると、アーム５の作動時に、動力伝達軸１５が、動力伝達軸１５自体の慣性量によって、長手軸Ｃに直交する方向に外力を受ける。外力によって動力伝達軸１５が撓んだり、寸法誤差、組付誤差あるいは摩耗等が発生したりする場合には、上記の理想的な平行４節リンクは崩れる。この場合、補助リンク２１とユニバーサルジョイント１８との間の距離が変化するので、動力伝達軸１５は追加アクチュエータ１１に対して長手軸Ｃ方向に移動する。

本実施形態によれば、動力伝達軸１５の途中位置が、２つの受動リンク８に掛け渡される補助リンク２１に、軸受２６によって長手軸Ｃ回りに回転可能に支持されている。したがって、長手軸Ｃに交差する方向に作用する外力が、軸受２６および補助リンク２１を経由して２本の受動リンク８により支持され、アーム５の作動時における動力伝達軸１５の撓みの発生を十分に抑制することができるという利点がある。

また、上記の原因によって、理想的な平行４節リンクが崩れた場合には、動力伝達軸１５が長手軸Ｃ方向に移動することがあり、その移動は、追加アクチュエータ１１と動力伝達軸１５との接続部におけるスプライン結合によって吸収される。一方、動力伝達軸１５を補助リンク２１に回転可能に支持させる軸受２６が、弾性体２７によって、長手軸Ｃ方向に微小移動可能に動力伝達軸１５を支持している。

その結果、平行４節リンクが崩れた状態でアーム５が動作して、動力伝達軸１５が長手軸Ｃ方向に移動しても、弾性体２７を弾性変形させて軸受２６が動力伝達軸１５の長手軸Ｃ方向に移動する。これにより、軸受２６によって動力伝達軸１５を長手軸Ｃ回りに回転可能に支持しながら、軸受２６に過大なスラスト力が作用するのを防止することができるという利点がある。

特に、本実施形態においては、円筒状の弾性体２７に、軸方向の剛性を径方向の剛性よりも大きく低下させる剛性低減構造である周溝２８を設けているので、動力伝達軸１５の撓みをより確実に防止しながら、軸受２６にかかるスラスト力を低減することができる。
また、剛性低減構造として、弾性体２７の内周面に周溝２８を設けるだけの簡易な構造を採用することにより、弾性体２７の外径を大きくすることなく、コンパクトに構成することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、弾性体２７に設ける剛性低減構造として、円筒状の弾性体２７の内周面に設けた２本の周溝２８を例示したが、これに代えて、１本または３本以上の周溝２８を採用してもよい。また、周溝２８の形状は、底面の横断面が円弧からなるＵ溝、矩形状の矩形溝あるいはＶ溝等任意の形状でよい。

また、独立した複数本の周溝２８に代えて、螺旋状に連続する溝を採用してもよい。
また、円筒状の弾性体２７の内周面に剛性低減構造である周溝２８を設けたが、これに代えて、外周面に設けてもよいし、内周面および外周面の両方に設けてもよい。

また、剛性低減構造としては、周溝２８に代えて、図１０に示されるように、弾性体２７の内周面および外周面の少なくとも一方に、周方向に沿いかつ径方向に延びる１以上のスリット２９を設けることにしてもよい。この場合には、スリット２９を設けずに、弾性体２７における軸受２６の軸方向の全厚さにおいて円環状の領域が密着している場合と比較して、弾性体２７の剛性は、軸方向に低減され、径方向には低減されない。また、円環状の複数のリング板を板厚方向に積層することにより、弾性体２７を構成してもよい。

１パラレルリンクロボット
３基礎部
４可動プレート（可動部）
５アーム
６アクチュエータ
７駆動リンク
８受動リンク
９ボールジョイント（関節）
１０手首軸（付属軸）
１１追加アクチュエータ
１２回転軸
１４補助リンク（第１補助リンク）
１５動力伝達軸
２１補助リンク（第２補助リンク）
２２リンク本体
２３支持部材
２５貫通孔（孔）
２６軸受
２６ａ外輪
２７弾性体
２８周溝（溝、剛性低減構造）
２９スリット（剛性低減構造）
Ａ揺動軸線
Ｂ軸線
Ｃ長手軸

Claims

基礎部と、
付属軸を備える可動部と、
前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、
前記基礎部に配置され各前記アームを駆動する複数のアクチュエータとを備え、
各前記アームが、各前記アクチュエータによって駆動される駆動リンクと、関節により前記駆動リンクに連結された２本の平行な受動リンクとを備え、
少なくとも１つの前記アームの２本の前記受動リンクの間に、該受動リンクと平行に回転軸を配置した追加アクチュエータが、前記受動リンクの間に掛け渡され各該受動リンクに揺動可能に連結された第１補助リンクによって支持され、
前記付属軸と前記追加アクチュエータの前記回転軸とが動力伝達軸によって連結され、
該動力伝達軸の長手軸に沿う方向の途中位置が、前記受動リンクの間に掛け渡され各該受動リンクに揺動可能に連結された第２補助リンクに、軸受によって前記長手軸回りに回転可能に支持されているパラレルリンクロボット。
前記第２補助リンクが、２つの前記受動リンクに、相互に平行な揺動軸線回りに揺動可能に支持されたリンク本体と、該リンク本体に対して前記揺動軸線に平行な軸線回りに揺動可能に支持された支持部材とを備え、
前記軸受が前記支持部材に設けられ、
前記支持部材と前記軸受との間に、弾性変形によって該軸受を前記動力伝達軸の前記長手軸に沿う方向に微小移動可能に支持する弾性体が配置されている請求項１に記載のパラレルリンクロボット。
前記弾性体が、前記軸受の外輪と前記支持部材の孔との間に挟まれる円筒状に形成され、径方向の剛性よりも軸方向の剛性を大きく低減する剛性低減構造が設けられている請求項２に記載のパラレルリンクロボット。
前記剛性低減構造は、前記弾性体の内周面および外周面の少なくとも一方に、周方向に沿って延びる１以上の溝である請求項３に記載のパラレルリンクロボット。
前記剛性低減構造は、前記弾性体の内周面および外周面の少なくとも一方に、周方向に沿いかつ径方向に延びる１以上のスリットである請求項３に記載のパラレルリンクロボット。