JPWO2012025948A1

JPWO2012025948A1 - 直動機構及びロボット

Info

Publication number: JPWO2012025948A1
Application number: JP2011521404A
Authority: JP
Inventors: 達礒部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2013-10-28
Also published as: WO2012025948A1; US20120042740A1

Abstract

磁気継手が切り離された場合に、磁気継手の接合関係の復帰が容易な直動機構及びロボットを提供する。直動機構（１００）は、一軸方向に配置されたガイド（ボールネジナット１１３）に反力をとり、ガイドに沿って移動する移動部（１１４）と、ガイドに沿って摺動する摺動部（１２０）と、移動部（１１４）と摺動部（１２０）とを磁気的に接合する磁気継手（１３０）と、移動部（１１４）と摺動部（１２０）との接合関係を復帰させる復帰部材（１４０）と、を備える。

Description

本発明は直動機構及びロボットに関する。

例えば、特許文献１、２に開示されているように、磁気継手を用いた直動機構が知られている。特に、特許文献１の直動機構は、紐を介してブラインドを吊り下げ支持する回転軸にピニオンが設けられている。ピニオンには、上下方向に配置されたラックが噛み合わされている。ラックには磁気継手を成す一方の内側磁石が設けられている。内側磁石に向かい合うように、磁気継手を成す他方の外側磁石が配置されている。外側磁石は、駆動装置によって上下方向へ移動する。駆動装置を駆動して外側磁石を上下方向に移動させると、内側磁石も磁気誘引されて上下動する。これにより、ラックが上下動して、ピニオンが回転する。その結果、回転軸が回転し、ブラインドが開閉する。

特開平７−９１１５３号公報特許第２６３５２２６号公報

特許文献１の直動機構は、内側磁石又は外側磁石に過負荷が作用すると、相互の接合関係が破綻する。このとき、内側磁石と外側磁石との接合関係を復帰させるべく、原点位置の再調整等の処理が必要となる。そのため、内側磁石と外側磁石との接合関係が破綻した後の処理が煩雑となる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、磁気継手が切り離された場合に、磁気継手の接合関係の復帰が容易な直動機構及びロボットを提供することを目的とするものである。

本発明に係る直動機構は、一軸方向に配置されたガイドに反力をとり、前記ガイドに沿って移動する移動部と、前記ガイドに沿って摺動する摺動部と、前記移動部と前記摺動部とを磁気的に接合する磁気継手と、前記移動部と前記摺動部との接合関係を復帰させる復帰部材と、を備える。これにより、磁気継手が切り離されても、復帰部材によって再び磁気継手の接合関係を復帰させることができる。そのため、直動機構は磁気継手の接合関係の復帰が容易である。

前記摺動部には、前記一軸方向に間隔を開けて反力伝達部が形成されており、前記反力伝達部の間隔部分に前記移動部が配置され、前記反力伝達部と前記移動部との間に前記復帰部材が配置されていること、が好ましい。

前記摺動部における前記ガイドの軸回りの回転を拘束する拘束機構を備えること、が好ましい。

前記磁気継手として、前記移動部又は前記摺動部のいずれか一方に磁石が設けられ、他方に前記磁石に磁気誘引される部材が設けられ、前記磁石と前記磁石に磁気誘引される部材とは向かい合って配置されていること、が好ましい。

前記磁気継手は、前記ガイドを挟んで両側に配置されていること、が好ましい。これにより、磁気継手の接合力によって移動部が摺動部側に移動しようとする力を略相殺することができる。

前記移動部と前記摺動部との接合関係を補助する補助機構を備えること、が好ましい。これにより、磁気継手の負担を低減でき、磁気継手を小型化することができる。

前記移動部と前記摺動部との前記一軸方向への間隔を測定する測定部と、前記測定部の測定値が入力され、前記測定値に基づいて前記移動部に対する前記摺動部の変位を算出し、算出した変位が閾値以上であると、前記移動部の移動を停止させる制御部と、を備えること、が好ましい。これにより、移動部と摺動部との接合関係が安易に切り離されない。

本発明に係るロボットは、上記の直動機構を備える。これにより、磁気継手が切り離されても、復帰部材によって再び磁気継手の接合関係を復帰させることができる。そのため、直動機構は磁気継手の接合関係の復帰が容易である。

本発明によれば、磁気継手が切り離された場合に、磁気継手の接合関係の復帰が容易な直動機構及びロボットを提供することができる。

本発明に係る実施形態１のロボットを概略的に示す部分断面図である。本発明に係る実施形態１の直動機構を概略的に示す水平断面図である。本発明に係る実施形態１の直動機構の一部を概略的に示す側面図である。磁気継手と復帰部材との特性を示す図である。移動部に対する摺動部の変位を説明する図である。本発明に係る実施形態１のロボットにおける、制御系のブロック図である。本発明に係る実施形態２の直動機構における、磁気継手の構成を示す図である。本発明に係る実施形態３の直動機構における、移動部と摺動部との関係を概略的に示す図である。磁気継手の配置を概略的に示す図である。本発明に係る実施形態４のロボットを概略的に示す正面図である。本発明に係る実施形態５のロボットを概略的に示す正面図である。本発明に係る実施形態５のロボットにおける、制御系のブロック図である。

＜実施形態１＞
本発明に係る直動機構及びロボットの実施形態１を、図面に基づいて説明する。
ロボット１は、図１乃至３に示すように、直動機構１００と、ロボットアーム２００と、を備える。直動機構１００は、駆動機構１１０と、摺動部１２０と、磁気継手１３０と、復帰部材１４０と、拘束機構１５０と、を備える。

駆動機構１１０は、基台１１１と、駆動モータ１１２と、ギアトレイン（図示を省略）と、ボールネジナット（ガイド）１１３と、移動部１１４と、を備える。具体的に云うと、基台１１１に駆動モータ１１２が搭載されている。基台１１１内にギアトレインが内蔵されている。基台１１１にボールネジナット１１３が回転可能に支持されている。つまり、ボールネジナット１１３は上下方向に配置されている。駆動モータ１１２の回転駆動力はギアトレインを介してボールネジナット１１３に伝達される。

移動部１１４は、磁気継手１３０を介して摺動部１２０を移動させた際に、上下方向に振られない厚さを備える。移動部１１４は、図１に示すように、上下方向に貫通穴を備える。この貫通穴に雌ネジが形成され、雌ネジ部１１４１とされている。雌ネジ部１１４１は、ベアリングを介してボールネジナット１１３に噛み合わされている。移動部１１４は、磁気継手１３０を成す第１の磁気部材（磁石）１３１を備える。

摺動部１２０は、基部１２１と、反力伝達部１２２と、を備える。基部１２１は、ロボットアーム２００を支持する。基部１２１における移動部１１４側に配置される側部は、上下方向に間隔を開けて、反力伝達部１２２を備える。基部１２１における移動部１１４側に配置される側部は、上下の反力伝達部１２２の間の位置に、磁気継手１３０を成す第２の磁気部材（磁石）１３２を備える。ここで、摺動部１２０の第２の磁気部材１３２が移動部１１４の第１の磁気部材１３１と向かい合う位置を、摺動部１２０の原点位置とする。

反力伝達部１２２は、略水平、且つ略同一方向に基部１２１から突出する。つまり、本実施形態の反力伝達部１２２は、図２に示すように、同一平面上に配置される。反力伝達部１２２の一方の端部は、基部１２１に接合されている。他方の端部には、切り欠き部１２２１が形成されている。この切り欠き部１２２１内に、ボールネジナット１１３が収められている。上下に配置された反力伝達部１２２の間隔部分に、移動部１１４が配置されている。

磁気継手１３０は、図１に示すように、第１の磁気部材１３１と、第２の磁気部材１３２と、を備える。第１の磁気部材１３１は、移動部１１４における摺動部１２０の基部１２１側に配置される側部に設けられている。第２の磁気部材１３２は、摺動部１２０における移動部１１４側に配置される側部に設けられている。これにより、摺動部１２０が原点位置に配置されると、第１の磁気部材１３１と第２の磁気部材１３２とが向かい合う。第１の磁気部材１３１及び第２の磁気部材１３２は、ロボットアーム２００を上下に移動させたり、摺動部１２０に負荷が作用したりした際に、摺動部１２０と移動部１１４との磁気的な接合関係が破綻しない磁気誘引力を発揮する。

復帰部材１４０は、例えばバネ、ゴムなどの弾性部材である。復帰部材１４０は、移動部１１４と摺動部１２０の反力伝達部１２２との間にそれぞれ配置されている。例えば、復帰部材１４０としてバネを用いた場合、移動部１１４と摺動部１２０の反力伝達部１２２との間においてボールネジナット１１３に挿入された状態とされる。復帰部材１４０は、磁気継手１３０による移動部１１４と摺動部１２０との接合関係が切り離された際に、摺動部１２０が原点位置に復帰するように、摺動部１２０を移動させる復元力を発揮する。

拘束機構１５０は、図２及び３に示すように、支柱１５１と、リニアレール１５２と、を備える。支柱１５１は、平面から見てボールネジナット１１３を挟んで両側に配置されている。支柱１５１の高さは、ボールネジナット１１３と略等しい。

リニアレール１５２は、レール１５２１と、スライダー１５２２と、を備える。レール１５２１は、支柱１５１における摺動部１２０の基部１２１側に配置される側面に設けられている。スライダー１５２２は、摺動部１２０の基部１２１における支柱１５１側に配置される側面に設けられている。スライダー１５２２は、レール１５２１に沿って軸方向に移動可能であって、且つ当該軸方向以外の変位を拘束可能に、レール１５２１に連結されている。これにより、摺動部１２０におけるボールネジナット１１３の軸回りの回転を拘束することができる。しいては、摺動部１２０の第２の磁気部材１３２と移動部１１４の第１の磁気部材１３１とは、磁気的に接合されているので、移動部１１４におけるボールネジナット１１３の軸回りの回転を拘束することができる。

このような直動機構１００は、駆動モータ１１２を制御部４００（図６）からの制御信号に基づいて駆動させると、駆動モータ１１２の回転駆動力はギアトレインを介してボールネジナット１１３に伝達される。これにより、ボールネジナット１１３は回転し、移動部１１４は上方又は下方に移動する。そして、移動部１１４と摺動部１２０とは、磁気的に接合されているので、移動部１１４の上方又は下方への移動に伴って、摺動部１２０は上方又は下方に移動する。その結果、ロボットアーム２００を所定の高さに移動させることができる。ここで、上方又は下方から摺動部１２０に負荷が作用し、磁気継手１３０が切り離されて当該負荷が作用する方向に摺動部１２０が移動すると、移動部１１４を挟んで上方又は下方に配置された復帰部材１４０が収縮する。収縮した復帰部材１４０は、復元力を発揮して摺動部１２０を押し上げ又は押し下げ、移動部１１４と摺動部１２０との磁気的な接合関係を復帰させる。これにより、摺動部１２０は原点位置に復帰する。このように直動機構１００は、磁気継手が切り離されても、復帰部材１４０によって再び磁気継手１３０の接合関係を復帰させることができる。そのため、直動機構１００は磁気継手１３０の接合関係の復帰が容易である。

ここで、磁気継手１３０と復帰部材１４０とは、図４に示す特性を満たすように設定されていることが好ましい。具体的に云うと、図５に示すように、移動部１１４に対する摺動部１２０の変位をＸとし、摺動部１２０に作用する負荷をＦとする。

このとき、ロボットアーム２００を上方又は下方に移動させる際に、摺動部１２０に作用する負荷より大きな負荷が当該摺動部１２０に作用しても、磁気継手１３０の接合関係が維持される。そして、摺動部１２０に作用する負荷が所定の大きさに達すると、移動部１１４に対して摺動部１２０が離れようとして、磁気継手１３０の接合関係が弱まる。このとき、移動部１１４に対して摺動部１２０が離れるにつれ、摺動部１２０に作用する負荷が小さくなるが、磁気継手１３０の接合関係も弱まる。最終的に、磁気継手１３０の接合関係が殆ど無くなると、変わって当該変位に比例するように復帰部材１４０が復元力を発揮する。

ロボットアーム２００は、多関節のアーム部２１０と、ハンド部２２０と、を備える。本実施形態のアーム部２１０は、第１のアーム２１１と、第２のアーム２１２と、第３のアーム２１３と、を備える。第１のアーム２１１の一端部は、摺動部１２０の基部１２１の上面に連結されている。第１のアーム２１１の他端部には、第２のアーム２１２の一端部が回転可能に連結されている。第２のアーム２１２の他端部には、第３のアーム２１３の一端部が回転可能に連結されている。第３のアーム２１３の他端部には、ハンド部２２０が回転可能に連結されている。各アームの連結部（関節部）は、図６に示すように、駆動モータ３１０、３２０、３３０を備える。ハンド部２２０も、一般的なロボットハンドと同様に駆動モータ（図示を省略）を備える。これにより、ロボットアーム２００として機能する。つまり、図６に示す制御部４００は、記憶部５００に格納されたプログラム又は操作部６００からの操作信号に基づいて制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ３１０、３２０、３３０やハンド部２２０の駆動モータ、及び直動機構１００の駆動モータ１１２等を制御する。

＜実施形態２＞
実施形態１では、磁気継手１３０を、第１の磁気部材１３１と、第２の磁気部材１３２と、で構成したが、この限りでない。つまり、図７に示す磁気継手１３００のように、磁気継手を磁気部材１３１０と、磁気部材１３１０に磁気誘引される鉄等の部材１３２０と、で構成しても良い。これにより、磁気部材に代わって鉄等の安価な部材を用いることができるので、コストの削減に寄与できる。なお、図７に示す磁気継手１３００は、磁気部材１３１０を移動部１１４に設け、鉄等の部材１３２０を摺動部１２０に設けているが、逆の構成でも良い。

＜実施形態３＞
実施形態１、２では、一つの磁気継手を用いて移動部１１４と摺動部１２０とを磁気的に接合しているが、この限りでない。つまり、図８及び９に示すように、ボールネジナット１１３を挟んで両側に磁気継手２３００が配置されていることが好ましい。磁気継手２３００は、実施形態２と同様に、磁気部材２３１０と、鉄等の部材２３２０と、を備える。磁気部材２３１０は、移動部１１４の外周部におけるボールネジナット１１３を挟む位置に設けられている。つまり、磁気部材２３１０は、ボールネジナット１１３を中心とする点対称の位置に配置されている。摺動部１２０は、ボールネジナット１１３を側方から覆う側壁部１２３を備える。側壁部１２３は、基部１２１における移動部１１４側に配置される側部から突出する。鉄等の部材２３２０は、側壁部１２３における高さ方向の略中央位置に設けられている。このような構成により、移動部１１４はボールネジナット１１３を挟む両側から摺動部１２０を支持することになる。そのため、磁気継手の接合力によって移動部１１４が摺動部１２０側に移動しようとする力を略相殺することができ、ボールネジナット１１３の摩耗を低減できる。

＜実施形態４＞
実施形態１乃至３では、摺動部１２０を磁気継手のみで支持しているが、この限りでない。つまり、図１０に示すように、摺動部１２０を下方からガススプリングやガスバランサ、エアシリンダ等の補助機構７００によって支持することが好ましい。このような構成により、磁気継手の負担を低減でき、磁気継手を小型化することができる。

＜実施形態５＞
実施形態１乃至４では、移動部１１４に対する摺動部１２０の変位が大きくなった際に、駆動モータ１１２の動作を制御する構成とされていないが、この限りでない。つまり、図１１及び１２に示すように、移動部１１４と摺動部１２０との上下方向における間隔Ｌに基づいて、駆動モータ１１２を制御する構成とされていることが好ましい。具体的に云うと、直動機構１００は、上述の要素に加えて、さらに測距センサ等の測定部８００を備える。測定部８００は、移動部１１４と摺動部１２０との上下方向における間隔Ｌを測定する。例えば、測定部８００は、摺動部１２０における下側の反力伝達部１２２の上面に設けられている。測定部８００は、移動部１１４の下面と摺動部１２０における下側の反力伝達部１２２の上面との間隔を測定する。測定部８００は、測定した測定値を制御部４００に出力する。制御部４００は、予め設定されている移動部１１４の下面と摺動部１２０における下側の反力伝達部１２２の上面との間隔から、入力された測定値を差分して、移動部１１４に対する摺動部１２０の変位を算出し、算出した変位が予め定められた閾値以上であると、駆動モータ１１２の動作を停止させる。要するに、摺動部１２０に作用する負荷と、移動部１１４と摺動部１２０との間隔Ｌの変位と、は関連付けることができるので、当該変位が大きいと摺動部１２０に大きな負荷が作用しているものと判断できる。そこで、本実施形態では、摺動部１２０に大きな負荷が作用して、移動部１１４との接合関係が切り離されないように、駆動モータ１１２の動作を停止させる。このような構成により、移動部１１４と摺動部１２０との接合関係が安易に切り離されない。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の実施形態では、駆動機構１１０をボールネジナット１１３と移動部１１４の雌ネジ部１１４１とをベアリングを介して噛み合わせて回転駆動力を伝達可能な構成としているが、この限りでない。つまり、ボールネジナット１１３の代わりにラックを用い、当該ラックと、移動部１１４に搭載した駆動モータの回転軸に設けたピニオンギアと、を噛み合わせて移動部１１４が上下方向に移動可能な構成としても良い。要するに、一軸方向に移動部１１４を移動させることができる構成であれば良い。

上記の実施形態では、直動機構１００の移動部１１４が上下方向に移動するように配置したが、水平方向に移動するように配置しても良い。
上記の実施形態では、直動機構１００にロボットアーム２００を搭載したが、直動機構１００の使用用途は限定されない。
上記の実施形態では、拘束機構１５０としてリニアレールを用いたが、要するに摺動部１２０におけるボールネジナット１１３の軸方向への回転を拘束できる構成であれば良い。

本発明の直動機構及びロボットは、磁気継手が切り離された場合に、磁気継手の接合関係の復帰が容易な直動機構及びロボットとして用いられる。

１００直動機構
１１０駆動機構
１１１基台
１１２駆動モータ
１１３ボールネジナット
１１４移動部、１１４１雌ネジ部
１２０摺動部、１２１基部、１２２反力伝達部、１２２１切り欠き部、１２３側壁部
１３０磁気継手、１３１第１の磁気部材、１３２第２の磁気部材
１４０復帰部材
１５０拘束機構、１５１支柱、１５２リニアレール１５２１レール、１５２２スライダー
２００ロボットアーム
２１０アーム部、２１１第１のアーム、２１２第２のアーム、２１３第３のアーム
２２０ハンド部
３１０駆動モータ
４００制御部
５００記憶部
６００操作部
７００補助機構
８００測定部
１３００磁気継手、１３１０磁気部材、１３２０鉄等の部材
２３００磁気継手、２３１０磁気部材、２３２０鉄等の部材

Claims

一軸方向に配置されたガイドに反力をとり、前記ガイドに沿って移動する移動部と、
前記ガイドに沿って摺動する摺動部と、
前記移動部と前記摺動部とを磁気的に接合する磁気継手と、
前記移動部と前記摺動部との接合関係を復帰させる復帰部材と、
を備えることを特徴とする直動機構。
前記摺動部には、前記一軸方向に間隔を開けて反力伝達部が形成されており、
前記反力伝達部の間隔部分に前記移動部が配置され、
前記反力伝達部と前記移動部との間に前記復帰部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の直動機構。
前記摺動部における前記ガイドの軸回りの回転を拘束する拘束機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の直動機構。
前記磁気継手として、前記移動部又は前記摺動部のいずれか一方に磁石が設けられ、他方に前記磁石に磁気誘引される部材が設けられ、
前記磁石と前記磁石に磁気誘引される部材とは向かい合って配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直動機構。
前記磁気継手は、前記ガイドを挟んで両側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の直動機構。
前記移動部と前記摺動部との接合関係を補助する補助機構を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の直動機構。
前記移動部と前記摺動部との前記一軸方向への間隔を測定する測定部と、
前記測定部の測定値が入力され、前記測定値に基づいて前記移動部に対する前記摺動部の変位を算出し、算出した変位が閾値以上であると、前記移動部の移動を停止させる制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の直動機構。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の直動機構を備えるロボット。