JP2009248286A - パラレルメカニズム - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回軸に設けられている自在継手の磨耗を低減することが可能なパラレルメカニズムを提供する。
【解決手段】 パラレルメカニズム１は、ベース部２に取り付けられた電動モータ２１に一端が接続され、他端がエンドエフェクタ部１３に接続され、電動モータ２１の駆動力をエンドエフェクタ部１３に伝達する旋回軸ロッド２０を備える。旋回軸ロッド２０は、その両端に、一対のヨーク２４，２５を十字軸２６により連結したユニバーサルジョイント２２，２３を有する。十字軸２６は、３本のピン２７，２８，２９と、これらのピン２７，２８，２９が十字状に嵌挿されるピン孔が形成されたコマ３０を有し、十字軸２６に加わるスラスト荷重を受けるスラストベアリング３３，３４が、ヨーク２４，２５とコマ３０との間に挿入されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、パラレルメカニズムに関し、特に、自在継手を有する旋回軸を備えたパラレルメカニズムに関する。

従来から、支持基盤であるベース部と作動部分であるエンドエフェクタ部とが複数のリンクにより並列に結合されたパラレルメカニズムが知られている（例えば、特許文献１参照）。パラレルメカニズムでは、例えば電動モータ等のアクチュエータが並列に配置されるとともに、各電動モータに連結された複数のリンク（アーム）が最終的に一箇所のエンドエフェクタ部を操るように構成されている。また、特許文献１に記載のパラレルメカニズムは、キャリア（ブラケット）上に回転可能に支持された把持器（エンドエフェクタ部）と、ベース部に固定されたサーボモータとを連結する入れ子式のリンク機構（旋回軸）を有している。このリンク機構の両端はカルダン継手（自在継手）を介して接続されており、エンドエフェクタ部の移動に従ってリンク機構が傾いても、電動モータの駆動力をエンドエフェクタ部に伝えることができるように構成されている。

このような構成を有するパラレルメカニズムは、シリアルメカニズム等の関節機構と比較して、関節毎に電動モータ等を設ける必要がなく、関節に設けられている電動モータ等を振り回す必要もないため関節機構を軽量に作ることができる。また、パラレルメカニズムでは、すべての電動モータ等の力が一箇所に集約されるため出力を大きくすることができる。さらに、パラレルメカニズムは、三角錐構造を採るため非常に剛性が高い。このように、パラレルメカニズムは、軽量、高出力、高剛性という特徴を有するため、エンドエフェクタ部を非常に高速で動かすことができる。
特開２００１−２７７１６４号公報

高速で動作するパラレルメカニズムでは、旋回軸がリンクの駆動に伴い高速で移動させられると同時に、回転駆動される。そのため、旋回軸を連結する自在継手は、回転・屈曲しつつ高速に振り回されることとなる。さらに、アーム、旋回軸ともに高加速度で駆動・反転を繰り返すため、旋回軸および自在継手には極めて大きな荷重が高頻度に加わる。そのため、自在継手が回転・屈曲する際に、十字軸（クロススパイダー）を構成するコマを中心としてラジアル力が作用し、ピンがヨーク（ドウ）との間で摺動し、磨耗が生じる。このような磨耗は、例えばピンとヨークとに表面処理を施すこと、又はラジアル軸受け（例えばニードルベアリング等）を設けることで改善することができる。しかしながら、自在継手が回転・屈曲しつつ高速に振り回された場合、ラジアル軸受けの有無に関わらずピンとヨーク、又はコマとヨークとの間で磨耗が生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、旋回軸に設けられる自在継手の磨耗を低減することが可能なパラレルメカニズムを提供することを目的とする。

本発明者達は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、自在継手が回転・屈曲しつつ高速に振り回された場合、十字軸を構成するコマを中心としてスラスト荷重が加えられるため、十字軸（コマ）がスラスト荷重を受けながら摺動することでピンとヨーク、又はコマとヨークとの間で磨耗が生じるとの知見を得た。

そこで、本発明に係るパラレルメカニズムは、複数のリンクを介してベース部とエンドエフェクタ部とが並列に連結されたパラレルメカニズムにおいて、ベース部に取り付けられたアクチュエータに一端が接続され、他端がエンドエフェクタ部に接続され、アクチュエータの駆動力をエンドエフェクタ部に伝達する旋回軸を備え、該旋回軸が、その両端に、一対のヨークを十字軸により連結した自在継手を有し、少なくともいずれか一方の自在継手が、十字軸に加わるラジアル荷重を受けるラジアル軸受けと、十字軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受けとを有することを特徴とする。

本発明に係るパラレルメカニズムによれば、パラレルメカニズムを構成する旋回軸の両端に設けられた自在継手の内、少なくともいずれか一方の自在継手が、十字軸に加わるラジアル荷重を受けるラジアル軸受けに加えて、十字軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受けを有している。そのため、旋回軸が回転・屈曲しつつ高速に振り回される際に十字軸に加わるスラスト荷重をスラスト軸受けで受けることができる。すなわち、スラスト荷重によって引き起こされる十字軸の摩擦をスラスト軸受けで受けることができる。その結果、旋回軸に設けられる自在継手の磨耗を低減することが可能となる。

また、本発明に係るパラレルメカニズムでは、上記十字軸が、複数のピンと、該複数のピンが十字状に嵌挿されるピン孔が形成されたコマとを有し、スラスト軸受けが、ヨークとコマとの間に配置されていることが好ましい。

この場合、スラスト軸受けがヨークとコマとの間に配置されているため、十字軸（コマ）がスラスト荷重を受けながら摺動することで生じる、ピンとヨークとの間、又はコマとヨークとの間の磨耗を効果的に低減することが可能となる。

また、本発明に係るパラレルメカニズムでは、上記アクチュエータが電動モータであることが好ましい。

このようにすれば、エンドエフェクタ部を簡易かつ適切に回転制御することが可能となる。

本発明によれば、自在継手が、十字軸に加わるラジアル荷重を受けるラジアル軸受けと、十字軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受けとを有する構成としたので、パラレルメカニズムを構成する旋回軸に設けられる自在継手の磨耗を低減することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を併せて用いて、実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成について説明する。図１は、実施形態に係るパラレルメカニズム１の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズム１を示す図である。

パラレルメカニズム１は、上部にベース部２を有している。パラレルメカニズム１は、ベース部２の下面側に形成された平らな取付面２ａが例えば水平な天井等に固定されることによって支持される。一方、ベース部２の下面側には、３つの支持部材３が設けられている。各支持部材３には、それぞれ電動モータ４が支持されている。電動モータ４は、モータ軸の軸線Ｃ２がベース部２の取付面２ａに対して平行（すなわち水平）となるように支持されている。それぞれの支持部材３は、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置されており、各電動モータ４もまた、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置される（図２参照）。

各電動モータ４の出力軸には、軸線Ｃ２に対して同軸に略六角柱形状のアーム支持部材５が固定されている。アーム支持部材５は、電動モータ４が駆動されることにより軸線Ｃ２を中心として回転する。なお、各電動モータ４は、モータドライバを含む電子制御装置（図示省略）に接続されており、電動モータ４の出力軸の回転がこの電子制御装置によって制御される。

パラレルメカニズム１は、３本のアーム本体６を有しており、各アーム本体６は、第１アーム７及び第２アーム８を含んで構成される。第１アーム７は、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。第１アーム７の基端部は、アーム支持部材５の側面に取り付けられている。第１アーム７は、その軸線が上述した軸線Ｃ２と直交するように固定される。

第１アーム７の遊端部には、第２アーム８の基端部が連結され、第２アーム８が、第１アーム７の遊端部を中心として揺動できるように構成されている。第２アーム８は、一対の長尺のロッド９，９を含んで構成されており、一対のロッド９，９は、その長手方向において互いに平行となるように配置されている。ロッド９も、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。各ロッド９の基端部は、第１アーム７の遊端部に、一対のボールジョイント１０，１０によって回転自在に連結されている。なお、各ロッド９の基端部における各ボールジョイント１０，１０の回転中心間を結ぶ軸線Ｃ３は、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となるよう配置されている。また、第２アーム８の基端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１１で互いに連結されており、第２アーム８の遊端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１２で互いに連結されている。連結部材１１と連結部材１２とは、異なる構造であっても構わないが同一構造であることが低コストの観点から好ましい。いずれの連結部材１１，１２も、各ロッド９が自身の長手方向に平行な軸線まわりに回転することを防止する機能を有する。

また、パラレルメカニズム１は、エンドエフェクタ部（手先）１３を回動可能に取り付けるためのブラケット１４を有している。ブラケット１４は、略正三角形状をした板状部材である。このブラケット１４は、３本のアーム本体６によって、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａ（図１におけるブラケット１４の下面）がベース部２の取付面２ａと平行（すなわち水平）になるように保持される。

ブラケット１４の各辺には取付片１５が形成されている。各取付片１５がそれぞれのアーム本体６の遊端部（第２アーム８を構成する一対のロッド９，９の遊端部）に連結されることで、ブラケット１４は、各アーム本体６に対して、各アーム本体６の遊端部を中心として揺動する。詳しくは、ブラケット１４の各取付片１５の各端部が、対応する各ロッド９，９の遊端部に各ボールジョイント１６，１６によって連結される。なお、一対のボールジョイント１６，１６を結ぶ軸線Ｃ４（図２参照）も、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となる。このため、ブラケット１４は、水平な軸線Ｃ４を中心として各アーム本体６に対して揺動することができる。そして、略正三角形状のブラケット１４のすべての辺において、水平な軸線Ｃ４を中心として揺動できるように、ブラケット１４が３本のアーム本体６によって支持されている。

第１アーム７と第２アーム８との連結部における一対のボールジョイント１０，１０間の距離と、第２アーム８の各ロッド９とブラケット１４との連結部における一対のボールジョイント１６，１６間の距離とは等しく設定されている。そのため、上述したように、第２アームを構成する一対のロッド９は、その長手方向の全長において互いに平行に配置される。軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のいずれもが、ベース部２の取付面２ａに平行であるから、第１アーム７、第２アーム８及びブラケット１４がそれぞれ軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を中心にどのように揺動したとしても、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａとベース部２の取付面２ａとの平行関係が維持される。

そして、電子制御装置からの指令に応じて、各電動モータ４の出力軸に固定されたアーム支持部材５の回転位置が制御されることで、各第１アーム７の遊端部の位置が制御される。この制御された各第１アーム７の遊端部の位置に、各第２アーム８の遊端部の位置が追従し、その結果、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａの位置が決まる。このとき、上述したように、ブラケット１４は、水平姿勢を維持したまま移動する。

また、パラレルメカニズム１は、その中央に鉛直方向に延びる旋回軸ロッド２０と、この旋回軸ロッド２０を回転するための電動モータ２１とを有する。電動モータ２１は、その軸出力を鉛直下方に向けた状態でベース部２に固定されている。旋回軸ロッド２０の一端部は、自在継手（以下「ユニバーサルジョイント」という）２２を介して電動モータ２１の出力軸に連結されている。一方、旋回軸ロッド２０の他端部は、ユニバーサルジョイント２３を介してエンドエフェクタ部１３に接続されている。旋回軸ロッド２０は、ロッド２０ａとシリンダ２０ｂとにより実現され、伸縮自在に構成されている。さらに、旋回軸ロッド２０はボールスプラインであるため、ロッド２０ａの回転をシリンダ２０ｂに伝達することが可能である。旋回軸ロッド２０の両端部にユニバーサルジョイント２２，２３が採用されているため、ブラケット１４が３つの電動モータ４の駆動により上下、前後左右の所定の位置に移動したとしても、旋回軸ロッド２０は、その所定位置に追従して移動することができる。なお、電動モータ２１も、上述した電子制御装置に接続されており、電動モータ２１の出力軸の回転がこの電子制御装置により制御されることにより、エンドエフェクタ部１３の回転位置が制御される。

続いて、図３を参照して、旋回軸ロッド２０の他端部に取り付けられているユニバーサルジョイント２３の構造について説明する。ここで、図３は、パラレルメカニズム１に用いられるユニバーサルジョイント２３の断面図である。なお、電動モータ２１の出力軸と旋回軸ロッド２０とを連結するユニバーサルジョイント２２の構造と、旋回軸ロッド２０とエンドエフェクタ部１３とを連結するユニバーサルジョイント２３の構造とは、同一であるので、ここでは、旋回軸ロッド２０とエンドエフェクタ部１３とを連結するユニバーサルジョイント２３の構造について説明し、電動モータ２１の出力軸と旋回軸ロッド２０とを連結するユニバーサルジョイント２２の構造については説明を省略する。

ユニバーサルジョイント２３は、旋回軸ロッド２０及びエンドエフェクタ部１３の相対向する軸端部それぞれに取り付けられる一対の二股状のヨーク（ドウ）２４，２５と、これらの中間に挿入され、一対のヨーク２４，２５を互いに直角に連結する十字軸（クロススパイダ）２６とを含んで構成されている。

十字軸２６は、３本のピン２７，２８，２９と、これら３本のピン２７，２８，２９が十字状に嵌挿される４つのピン孔が形成された略立方体（正四角柱体）のコマ（十字コマ）３０とを含んで構成されている。ここで、ピン２７，２８は、コマ３０から片面のみに延びるハーフピンであり、ピン２９は、コマ３０を貫通して両面に延びるストレートピンである。コマ３０は、一平面内の互いに直角な４方向、すなわち４つの側面中央にピン孔が形成されており、これらのピン孔に上述したハーフピン２７，２８及びストレートピン２９が嵌挿される。

一方、ヨーク２４，２５の二股部分には円孔がそれぞれ形成されており、各円孔に十字軸２６を構成するピン２７，２８，２９が回動可能に嵌め込まれることにより、十字軸２６と一対のヨーク２４，２５とが連結される。このように、一対のヨーク２４，２５を互いに直角方向になるようにコマ３０の両側に配置し、コマ３０のピン孔にピン２７，２８，２９を嵌挿してヨーク２４，２５をコマ３０（十字軸２６）に連結すれば、ヨーク２４，２５は各ピンで構成される直行軸に対してそれぞれ自由に回転できるため、駆動軸（旋回軸ロッド２０）と被駆動軸（エンドエフェクタ部１３）との折れ曲がりを許容しつつ、ヨーク２４とヨーク２５との間で回転力を伝達することができる。

ピン２７，２８，２９に対するヨーク２４，２５の回転を円滑にするため、ヨーク２４，２５の円孔の直径がピン２７，２８，２９の直径と同じか若干大きく形成されるとともに、ヨーク２４，２５の円孔とピン２７，２８，２９との間にニードルベアリング３１，３２が挿入されている。ニードルベアリング３１，３２は、十字軸２６を構成するピン２７，２８，２９の径方向の荷重（ラジアル荷重）を受けるラジアル軸受けである。なお、図３は、ハーフピン２７，２８の中心軸を含み、ストレートピン２９の中心軸に垂直な平面で切断したときの断面図であり、ヨーク２５とストレートピン２９との間に挿入されるニードルベアリングは図示されていないが、ニードルベアリング３１，３２と同様に挿入されている。

また、ヨーク２４，２５とコマ３０との間（かつニードルベアリング３１，３２とコマ３０との間）には、十字軸２６を構成するピン２７，２８，２９の軸方向の荷重（スラスト荷重）を受けるスラストベアリング（スラスト軸受け）３３，３４が挿入されている。なお、上述したように図３は、ハーフピン２７，２８の中心軸を含み、ストレートピン２９の中心軸に垂直な平面で切断したときの断面図であり、ヨーク２５とコマ３０との間に挿入されるスラストベアリングは図示されていないが、スラストベアリング３３，３４と同様に挿入されている。スラストベアリング３３，３４としては、例えば、一対の鉄製のワッシャ状部材の間に鋼球を挟み込んだもの等が好適に用いられる。この場合、一対のワッシャの間に油が注入されているものが好ましい。ただし、スラストベアリング３３，３４の形式、形状、大きさ、及び材質等は、例えばＰＶ値、すなわちＰ（軸受け面圧）とＶ（軸の周速（＝回転数×軸径））との乗算値に基づいて決定することが好ましい。

ここで、スラストベアリング３３，３４の形式としては、例えば、すべり軸受け、及び玉軸受け等を挙げることができる。また、スラストベアリング３３，３４の材質としては、鉄、ステンレス等の金属他、例えばＰＯＭ（ポリアセタール）等の自己潤滑性樹脂を用いることもできる。例えば、旋回軸ロッド２０（又はエンドエフェクタ部１３）の振れ幅が大きい場合には、金属製のスラストベアリングを用い、振れ幅が小さいときには樹脂製のスラストベアリングを採用することもできる。

以上の構成において、パラレルメカニズム１を構成するアーム本体６、及び旋回軸ロッド２０が駆動され、ユニバーサルジョイント２３が回転・屈曲しつつ振られた場合、十字軸２６に対して、ラジアル方向（ピン２７，２８，２９の径方向）の荷重に加え、図３中に矢印Ａ２，Ａ３で示されるスラスト方向（ピン２７，２８，２９の軸方向）の荷重が付与される。その際に、十字軸２６に付与されるスラスト荷重は、ヨーク２４，２５とコマ３０との間に挿入されたスラストベアリング３３，３４によって受けられる。なお、十字軸２６に付与されるラジアル荷重はニードルベアリング３１，３２によって受けられる。

本実施形態によれば、パラレルメカニズム１を構成する旋回軸ロッド２０の両端に設けられたユニバーサルジョイント２２，２３が、ラジアル荷重を受けるニードルベアリング３１，３２に加えて、スラスト荷重を受けるスラストベアリング３３，３４を有している。そのため、回転・屈曲しつつ高速に振り回される際に十字軸２６に加えられるスラスト荷重をスラストベアリング３３，３４で受けることができる。すなわち、スラスト荷重によって引き起こされるコマ３０とヨーク２４，２５の摩擦をスラストベアリング３３，３４で受けることができる。その結果、旋回軸ロッド２０に設けられるユニバーサルジョイント２２，２３の磨耗を低減することが可能となる。

特に、本実施形態では、スラストベアリング３３，３４がヨーク２４，２５とコマ３０との間に配置されているため、コマ３０がスラスト荷重を受けながら摺動することで生じる、コマ３０とヨーク２４，２５との間の磨耗を効果的に低減することが可能となる。

また、本実施形態によれば、ヨーク２４，２５とコマ３０との間にスラストベアリング３３，３４を挿入して遊びを減少するにより、バックラッシュを低減することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、十字軸２６が、コマ３０と、２本のハーフピン２７，２８と、１本のストレートピン２９とで構成されていたが、十字軸をコマと４本のハーフピンとで構成してもよい。また、上記実施形態では、３本のピン２７，２８，２９がコマ３０のピン孔に嵌挿されていたが、ピン孔に螺子止めする構成とすることもできる。さらに、コマとピンとが一体で形成された十字軸を用いてもよい。

上記実施形態では、電動モータ２１の出力軸と旋回軸ロッド２０とを連結するユニバーサルジョイント２２にも、旋回軸ロッド２０とエンドエフェクタ部１３とを連結するユニバーサルジョイント２３にも、スラストベアリング３３，３４を備えるタイプのものを用いたが、いずれか一方のユニバーサルジョイントに、本実施形態に係るユニバーサルジョイント２２，２３に代えて、スラストベアリングを有しない従来から用いられているユニバーサルジョイントを使用する構成としてもよい。

実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成を示す斜視図である。 図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズムを示す図である。 実施形態に係るパラレルメカニズムに用いられる自在継手の断面図である。

符号の説明

１ パラレルメカニズム
２ ベース部
３ 支持部材
４，２１ 電動モータ
５ アーム支持部材
６ アーム本体
７ 第１アーム
８ 第２アーム
９ ロッド
１０，１６ ボールジョイント
１１，１２ 連結部材
１３ エンドエフェクタ部
１４ ブラケット
１５ 取付片
２０ 旋回軸ロッド
２２，２３ ユニバーサルジョイント
２４，２５ ヨーク
２６ 十字軸
２７，２８， ハーフピン
２９ ストレートピン
３０ コマ
３１，３２ ニードルベアリング
３３，３４ スラストベアリング

Claims (3)

1. 複数のリンクを介してベース部とエンドエフェクタ部とが並列に連結されたパラレルメカニズムにおいて、
   前記ベース部に取り付けられたアクチュエータに一端が接続され、他端が前記エンドエフェクタ部に接続され、前記アクチュエータの駆動力を前記エンドエフェクタ部に伝達する旋回軸を備え、
   前記旋回軸は、その両端に、一対のヨークを十字軸により連結した自在継手を有し、
   少なくともいずれか一方の前記自在継手は、
   前記十字軸に加わるラジアル荷重を受けるラジアル軸受けと、
   前記十字軸に加わるスラスト荷重を受けるスラスト軸受けと、を有することを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記十字軸は、複数のピンと、該複数のピンが十字状に嵌挿されるピン孔が形成されたコマとを有し、
   前記スラスト軸受けは、前記ヨークと前記コマとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパラレルメカニズム。
3. 前記アクチュエータは電動モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム。
   

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