JP2014046434A - 追加アクチュエータが受動リンクに配置されたパラレルリンクロボット - Google Patents

Abstract

【課題】高い剛性を維持しつつ可動部を軽量にする。
【解決手段】パラレルリンクロボット（１０）は、二つの受動リンク（２２ｂ、２３ｂ）の間においてこれら受動リンクに対して平行に配置された追加アクチュエータ（１３ｄ）と、追加アクチュエータから同軸に伸びていて該追加アクチュエータの回転駆動力を姿勢変更機構部（１５）に伝達する動力伝達軸部（３９）と、姿勢変更機構部から延びる軸部（１４）と動力伝達軸部とを連結するユニバーサルジョイント（３８）と、ユニバーサルジョイントを迂回して可動部（１２）のケーシングの切欠部の両端を互いに連結して補強する連結補強部（６１）とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンドエフェクタを三次元的に位置決めするデルタ型パラレルリンク機構を用いたパラレルリンクロボットに関する。特に、本発明は追加アクチュエータが一対の受動リンクの間に配置されたパラレルリンクロボットに関する。

図１０は特許文献１に示される従来技術におけるパラレルリンクロボットの斜視図である。図１０においては、パラレルリンクロボット１００は、ハウジング１８０に内包される基礎部１１０と、可動部１２０と、基礎部１１０および可動部１２０を連結する三つのリンク部２００ａ〜２００ｃと、を主に含んでいる。可動部１２０の下面には取付部材１９０が設けられており、図示しないエンドエフェクタが取付部材１９０に取付けられる。

図１１は図１０に示されるパラレルリンクロボットの部分斜視図である。図１１に示されるように、リンク部２００ｂは、駆動リンク２１０ｂと、可動部１２０から延びる二つの受動リンク２２０ｂ、２３０ｂとからなり、これらは球面軸受４２０ｂ、４３０ｂにより互いに連結されている。また、受動リンク２２０ｂ、２３０ｂの先端は球面軸受４４０ｂ、４５０ｂにより可動部１２０に連結されている。これら球面軸受４２０ｂ〜４５０ｂは、これら球面軸受を頂点とする四角形が平行四辺形になるように配置されている。図１０においては、基礎部１１０から延びる駆動リンク２１０ｂは、駆動リンク２１０ｂを駆動するアクチュエータ１３０ｂに接続されている。このアクチュエータ１３０ｂは基礎部１１０上に載置されている。

図１１を参照すると、補助リンク３１０が軸受を介して二つの受動リンク２２０ｂ、２３０ｂを互いに連結している。さらに、補助リンク３１０の中央部分から軸受を介して延びるシャフト３２０に追加アクチュエータ１３０ｄが取付けられている。図示されるように、追加アクチュエータ１３０ｄの出力軸は可動部１２０を向いている。

図１１に示されるように、追加アクチュエータ１３０ｄの出力軸から延びる動力伝達軸部３９０は二つの受動リンク２２０ｂ、２３０ｂの間において、これら受動リンク２２０ｂ、２３０ｂに対して平行に延びている。さらに、動力伝達軸部３９０は、姿勢変更機構部１５０から延びる軸部１４０にユニバーサルジョイント３８０を介して接続されている。姿勢変更機構部１５０は、取付部材１９０の姿勢を変更する役目を果たし、それにより、エンドエフェクタの姿勢を変更できる。

特開２０１１−８８２６２号公報

ここで、ユニバーサルジョイント３８０を二つの球面軸受４４０ｂ、４５０ｂを結ぶ線分上に配置する必要がある。言い換えれば、ユニバーサルジョイント３８０および二つの球面軸受４４０ｂ、４５０ｂは同一直線上に位置している。ユニバーサルジョイント３８０を前述したように配置するためには、図１１に示されるように、切欠部Ｃを可動部１２０の縁部に形成する必要がある。

一般的に、単位時間当たりの往復動作を増やすために、パラレルリンクロボットには高速に動作することが要求されている。このことを実現するためには、受動リンクおよび可動部を可能な限り軽量にする必要がある。ところが、切欠部Ｃが形成される場合には、必要な剛性を確保するために可動部１２０が或る程度の厚いことが要求される。このため、可動部１２０の軽量化には限界があった。

さらに、図１２は従来技術における可動部の断面図である。図１２においては、回転軸５９０回りに回転可能な取付部材１９０が可動部１２０の下方に取付けられている。回転軸５９０には第一軸受５１０および第二軸受５２０が配置されており、回転軸５９０の先端にはかさ歯車５５０が取付けられている。図１２から分かるように、回転軸５９０のかさ歯車５５０は、軸部１４０の先端に取付けられたかさ歯車５６０に係合している。また、軸部１４０には、第三軸受５３０および第四軸受５４０が配置されている。これらかさ歯車５５０、５６０は姿勢変更機構部１５０を構成している。

ここで、かさ歯車５５０、５６０のモジュールおよび形状は、かさ歯車５５０、５６０の速比および伝達動力に応じて定まる。そして、かさ歯車５５０、５６０の形状が定まると、これらかさ歯車５５０、５６０とユニバーサルジョイント３８０との間の位置関係が定まる。このため、可動部１２０の上面とかさ歯車５５０、５６０との間の位置関係を変更することができない。

従って、図１２のように第一軸受５１０および第二軸受５２０が取付部材１９０とかさ歯車５５０との間に配置される場合には、取付部材１９０とかさ歯車５５０との間に或る程度の空間が必要になる。このため、可動部１２０のケーシングが回転軸５９０の軸方向に長くなり、可動部１２０が結果的に大型化してその重量も増すこととなる。

また、図１３は従来技術における他の可動部の断面図である。図１３においては、第一軸受５１０および第二軸受５２０が、取付部材１９０から見てかさ歯車５６０よりも遠方に配置されている。この場合には、第一軸受５１０および第二軸受５２０に掛かる負荷を小さくするために、第一軸受５１０と第二軸受５２０との間の距離を長くしたり、または、掛かる負荷に耐え得るために、第一軸受５１０および第二軸受５２０自体を大きくする必要がある。このため、可動部１２０のケーシングも大型化し、可動部１２０およびその関連部材の重量も増すこととなる。

さらに、パラレルリンクロボットが食品、医薬品、化粧品などの分野で使用される場合もある。そのような場合には、衛生上の問題から、パラレルリンクロボットを洗浄した際に、液体が溜まるのを防ぐ必要もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い剛性を維持しつつ軽量な可動部を備えたパラレルリンクロボットを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、基礎部と、可動部と、前記基礎部と前記可動部とを連結していて、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する三つのリンク部と、該リンク部のそれぞれを駆動する三つのアクチュエータと、を具備し、前記リンク部のそれぞれは、前記基礎部に連結された駆動リンクと、該駆動リンクと前記可動部とを連結して互いに平行な二つの受動リンクとからなり、さらに、前記可動部に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部と、少なくとも一つの前記リンク部の前記二つの受動リンクの間においてこれら受動リンクに対して平行に配置された追加アクチュエータと、前記追加アクチュエータから同軸に伸びていて該追加アクチュエータの回転駆動力を前記姿勢変更機構部に伝達する動力伝達軸部と、前記姿勢変更機構部から延びる軸部と前記動力伝達軸部とを連結するユニバーサルジョイントとを具備し、前記ユニバーサルジョイントは前記可動部のケーシングに形成された切欠部内に配置されると共に前記二つの受動リンクと前記可動部との間の二つの交点を結ぶ線上に位置している、パラレルリンクロボットにおいて、前記ユニバーサルジョイントを迂回して前記可動部のケーシングの切欠部の両端を互いに連結して補強する連結補強部を具備するパラレルリンクロボットが提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記姿勢変更機構部は、前記可動部に付属する要素を回転させる回転軸に取付けられた第一かさ歯車と、前記軸部に取付けられていて前記第一かさ歯車に係合する第二かさ歯車とを具備し、第一軸受が前記回転軸において前記第一かさ歯車の一側に配置されており、第二軸受が前記回転軸において前記第一かさ歯車の他側に配置されている。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記可動部のケーシングに少なくとも一つの溝または貫通孔が形成されている。

１番目の発明においては、連結補強部を設けたので、可動部の剛性を高めることができる。従って、可動部の厚さを小さくして、可動部の軽量化を図ることが可能である。それゆえ、パラレルリンクロボットをより高速に動作させられる。
２番目の発明においては、第一軸受と第二軸受とによって第一かさ歯車を挟むようにしている。このため、可動部に付属する要素（取付部材）と一方の軸受（第二軸受）との間の距離が短くなり、第一軸受と第二軸受に掛かる負荷を小さくできる。また、第一軸受と第二軸受との間の距離を第一かさ歯車の分だけ長くすることができるので、これら軸受に掛かる負荷をさらに小さくすることができる。このため、第一軸受および第二軸受を小型化することができ、可動部の軽量化につながる。
３番目の発明においては、パラレルリンクロボットを洗浄したときに使用される液体が溝または貫通孔を通じて可動部の外部に流出する。従って、洗浄液体が可動部の内部に溜まることがなく、衛生上の問題が発生しない。

本発明に基づくパラレルリンクロボットの斜視図である。 図１に示されるパラレルリンクロボットの部分斜視図である。 本発明の或る実施形態における可動部のケーシングの斜視図である。 本発明の他の実施形態における可動部のケーシングの斜視図である。 本発明に基づく可動部の断面図である。 パラレルリンクロボットの部分拡大図である。 或る方向において折曲がり角が最大になるときのパラレルリンクロボットの斜視図である。 或る方向とは反対方向において折曲がり角が最大になるときのパラレルリンクロボットの斜視図である。 状態Ａおよび状態Ｂにおけるユニバーサルジョイントの折曲がり角を示す図である。 従来技術におけるパラレルリンクロボットの斜視図である。 図１０に示されるパラレルリンクロボットの部分斜視図である。 従来技術における可動部の断面図である。 従来技術における他の可動部の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づくパラレルリンクロボットの斜視図である。図１においては、パラレルリンクロボット１０は、ハウジング１８に内包される基礎部１１と、可動部１２と、基礎部１１および可動部１２を連結する三つのリンク部２０ａ〜２０ｃと、を主に含んでいる。可動部１２の下面には取付部材１９が設けられており、図示しないエンドエフェクタが取付部材１９に取付けられる。

図２は図１に示されるパラレルリンクロボットの部分斜視図である。図２に示されるように、リンク部２０ｂは、駆動リンク２１ｂと、可動部１２から延びる二つの受動リンク２２ｂ、２３ｂとからなり、これらは球面軸受４２ｂ、４３ｂにより互いに連結されている。また、受動リンク２２ｂ、２３ｂの先端は球面軸受４４ｂ、４５ｂにより可動部１２に連結されている。これら球面軸受４２ｂ〜４５ｂは、これら球面軸受を頂点とする四角形が平行四辺形になるように配置されている。図１においては、基礎部１１から延びる駆動リンク２１ｂは、駆動リンク２１ｂを駆動するアクチュエータ１３ｂに接続されている。このアクチュエータ１３ｂは基礎部１１上に載置されている。

他のリンク部２０ａ、２０ｃは、リンク部２０ｂと同様の構成であるので詳細な説明を省略する。また、図から分かるように、本発明のパラレルリンクロボット１０はデルタ型である。そして、リンク部２０ａ〜２０ｃのアクチュエータ１３ａ〜１３ｃを個別に制御することによって、可動部１２に連結された取付部材１９を３自由度で第一軸から第三軸に関して所望の位置に位置決めできる。

再び図２を参照すると、補助リンク３１が軸受を介して二つの受動リンク２２ｂ、２３ｂを互いに連結している。さらに、補助リンク３１の中央部分から軸受を介して延びるシャフト３２に追加アクチュエータ１３ｄが取付けられている。図示されるように、追加アクチュエータ１３ｄの出力軸は可動部１２を向いている。

図２に示されるように、追加アクチュエータ１３ｄの出力軸から延びる動力伝達軸部３９は二つの受動リンク２２ｂ、２３ｂの間において、これら受動リンク２２ｂ、２３ｂに対して平行に延びている。さらに、動力伝達軸部３９は、姿勢変更機構部１５から延びる軸部１４にユニバーサルジョイント３８を介して接続されている。

姿勢変更機構部１５は、取付部材１９の姿勢を変更する役目を果たし、それにより、エンドエフェクタの姿勢を変更できる。なお、姿勢変更機構部１５は、その一部分が可動部１２に含まれている。あるいは、姿勢変更機構部１５全体が可動部１２と取付部材１９との間に位置していてもよい。

図３は本発明の或る実施形態における可動部のケーシングの斜視図である。図３においては、球面軸受４４ｂ、４５ｂを結ぶ線分上にユニバーサルジョイント３８が配置されている。そして、このユニバーサルジョイント３８が可動部１２のケーシングに干渉するのを避けるために、可動部１２の縁部には、切欠部Ｃが形成されている。

そして、本発明においては、切欠部Ｃの両端を互いに連結する連結補強部６１が設けられている。図示されるように、連結補強部６１はユニバーサルジョイント３８を迂回するように湾曲する帯状部材である。連結補強部６１は可動部１２のケーシングと同一の材料から形成されるのが好ましい。なお、連結補強部６１の形状は図示されるものに限定されない。例えば連結補強部６１が、切欠部Ｃの両端に隣接する可動部１２のケーシングの外面から延びていてもよい。あるいは、連結補強部６１が、多角形状に湾曲しつつユニバーサルジョイント３８を迂回していてもよい。

ところで、図１においては、単一の追加アクチュエータ１３ｄおよび関連する部材が一対の受動リンク２２ｂ、２３ｂの間に設けられている。本発明の他の実施形態においては、追加アクチュエータ１３ｄおよび関連する部材が、他の対の受動リンク２２ａ、２３aの間および受動リンク２２ｃ、２３ｃの間に付加的に設けられていてもよい。そのような場合には、図１に示される場合と比較して、取付部材１９の自由度をさらに二つ高めることができる。

図４は本発明の他の実施形態における可動部のケーシングの斜視図である。図４においては、切欠部Ｃが、受動リンク２２ａ、２３ａに関連する球面軸受４４ａ、４５ａの間、および受動リンク２２ｃ、２３ｃに関連する球面軸受４４ｃ、４５ｃの間にも形成されている。そして、これら切欠部Ｃには、関連するユニバーサルジョイント３８が配置されている。さらに、これら切欠部Ｃにも、前述したのと同様な連結補強部６１が設けられている。

本発明においては、連結補強部６１が可動部１２のケーシングの切欠部Ｃを補強する役目を果たす。このため、可動部１２のケーシングの剛性は高くなる。従って、本発明においては、可動部１２の厚さを小さくしたとしても、可動部１２の必要な剛性が保たれる。その結果、可動部１２を軽量化して、パラレルリンクロボット１０をより高速に動作させることが可能となる。

さらに、図３においては、複数の貫通孔６５が可動部１２のケーシングの下側傾斜面に形成されている。これら貫通孔６５は可動部１２の周方向にほぼ等間隔で形成されている。また、図４においては、溝６６がユニバーサルジョイント３８のそれぞれに対応する位置に形成されている。なお、貫通孔６５及び溝６６の形状は図示されるものに限定されない。

本発明では連結補強部６１が設けられているので、これら貫通孔６５および溝６６を形成したとしても、可動部１２のケーシングの必要な剛性を保つことができる。言い換えれば、連結補強部６１が設けられているので、貫通孔６５および溝６６を可動部１２のケーシングに形成することができる。そして、これら貫通孔６５および溝６６は可動部１２のケーシングをさらに軽量化する役目を果たす。

パラレルリンクロボット１０は定期的に洗浄される場合がある。そして、パラレルリンクロボット１０を洗浄したときに使用された液体は貫通孔６５または溝６６を通じて可動部１２の外部に流出する。従って、本発明においては、洗浄液体が可動部１２の内部に溜まることがなく、衛生上の問題が発生しない。それゆえ、本発明のパラレルリンクロボット１０は、食品、医薬品、化粧品などの分野で使用される場合に特に有利である。

図５は本発明に基づく可動部の断面図である。図５においては、回転軸５９回りに回転可能な取付部材１９が可動部１２の下方に取付けられている。回転軸５９には第一軸受５１および第二軸受５２が配置されており、回転軸５９の先端にはかさ歯車５５が取付けられている。図５から分かるように、回転軸５９のかさ歯車５５は、軸部１４の先端に取付けられたかさ歯車５６に係合している。また、軸部１４には、第三軸受５３および第四軸受５４が配置されている。これらかさ歯車５５、５６は姿勢変更機構部１５を構成している。

図５に示されるように、本発明においては、第一軸受５１はかさ歯車５５の一面側に配置されており、第二軸受５２はかさ歯車５５の他面側に配置されている。言い換えれば、第一軸受５１と第二軸受５２とによってかさ歯車５５が挟まれており、第二軸受５２はかさ歯車５５と取付部材１９との間に配置されている。

このため、可動部１２に付属する取付部材１９と第二軸受５２との間の距離が短くなり、第一軸受５１と第二軸受５２に掛かる負荷が小さくなる。また、第一軸受５１と第二軸受５２との間の距離をかさ歯車５５の分だけ長くすることができるので、これら軸受５１、５２に掛かる負荷をさらに小さくすることができる。このため、第一軸受５１および第二軸受５２を小型化することができ、可動部１２をさらに軽量化することができる。その結果、パラレルリンクロボット１０をさらに高速に動作させられるのが分かるであろう。

ユニバーサルジョイント３８は受動リンク２２ｂ、２３ｂおよび可動部１２の動作に追従する。ここで、パラレルリンクロボットの部分拡大図である図６には、ユニバーサルジョイント３８の折曲がり角αが示されている。この折曲がり角αが大きくなると、関連する部品が互いに干渉する。このような干渉を防止するために、部品を大きくする必要がある。

これに対し、ユニバーサルジョイント３８の小型化および軽量化を図ることが望まれている。ユニバーサルジョイント３８の最大折曲がり角を小さくするために、入力側の軸部１４のかさ歯車５６は、回転軸５９に対して約３０°の角度だけ傾斜している。

図７は或る方向において折曲がり角が最大になるときのパラレルリンクロボットの斜視図であり、図７に示される状態を状態Ａとする。また、図８は、或る方向とは反対方向において折曲がり角が最大になるときのパラレルリンクロボットの斜視図であり、図８に示される状態を状態Ｂとする。なお、図７および図８の下方に示される楕円は、可動部１２の動作範囲を示している。

さらに、図９は、状態Ａおよび状態Ｂにおけるユニバーサルジョイントの折曲がり角を示す図である。図９においては駆動リンク２１ｂおよび受動リンク２２ｂを代表として示している。図９に示される実線は図７の状態Ａに概ね対応し、図９に示される破線は図８の状態Ｂに概ね対応するものとする。

図７〜図９において、状態Ａおよび状態Ｂにおける折曲がり角αが互いに等しいように傾きを定めれば、最大折曲がり角は小さくなる。従って、本発明においては、折曲がり角αを３０°に設定している。なお、当然のことながら、折曲がり角αを３０°以外の他の値に設定することも可能である。

１０ パラレルリンクロボット
１１ 基礎部
１２ 可動部
１３ａ〜１３ｃ アクチュエータ
１３ｄ 追加アクチュエータ
１４ 軸部
１５ 姿勢変更機構部
１９ 取付部材（要素）
２０ａ〜２０ｃ リンク部
２１ａ〜２１ｃ 駆動リンク
２２ａ〜２２ｃ、２３ａ〜２３ｃ 受動リンク
３８ ユニバーサルジョイント
３１ 補助リンク
３９ 動力伝達軸部
４４ａ、４５ａ、４２ｂ〜４５ｂ、４４ｃ、４５ｃ 球面軸受
５１ 第一軸受
５２ 第二軸受
５３ 第三軸受
５４ 第四軸受
５５、５６ かさ歯車
５９ 回転軸
６１ 連結補強部
６５ 貫通孔
６６ 溝

Claims (3)

1. 基礎部と、
   可動部と、
   前記基礎部と前記可動部とを連結していて、前記基礎部に対してそれぞれ１自由度を有する三つのリンク部と、
   該リンク部のそれぞれを駆動する三つのアクチュエータと、を具備し、前記リンク部のそれぞれは、前記基礎部に連結された駆動リンクと、該駆動リンクと前記可動部とを連結して互いに平行な二つの受動リンクとからなり、
   さらに、
   前記可動部に付属する要素の姿勢を変更する姿勢変更機構部と、
   少なくとも一つの前記リンク部の前記二つの受動リンクの間においてこれら受動リンクに対して平行に配置された追加アクチュエータと、
   前記追加アクチュエータから同軸に伸びていて該追加アクチュエータの回転駆動力を前記姿勢変更機構部に伝達する動力伝達軸部と、
   前記姿勢変更機構部から延びる軸部と前記動力伝達軸部とを連結するユニバーサルジョイントとを具備し、前記ユニバーサルジョイントは前記可動部のケーシングに形成された切欠部内に配置されると共に前記二つの受動リンクと前記可動部との間の二つの交点を結ぶ線上に位置している、パラレルリンクロボットにおいて、
   前記ユニバーサルジョイントを迂回して前記可動部のケーシングの切欠部の両端を互いに連結して補強する連結補強部を具備するパラレルリンクロボット。
2. 前記姿勢変更機構部は、前記可動部に付属する要素を回転させる回転軸に取付けられた第一かさ歯車と、前記軸部に取付けられていて前記第一かさ歯車に係合する第二かさ歯車とを具備し、
   第一軸受が前記回転軸において前記第一かさ歯車の一側に配置されており、第二軸受が前記回転軸において前記第一かさ歯車の他側に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. 前記可動部のケーシングに少なくとも一つの溝または貫通孔が形成されている請求項１に記載のパラレルリンクロボット。

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