JP7396879B2 - パラレルリンクロボット - Google Patents

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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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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