JP2015150643A

JP2015150643A - 回転型把持ユニット

Info

Publication number: JP2015150643A
Application number: JP2014026264A
Authority: JP
Inventors: 幹人鈴木; Mikito Suzuki
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【目的】小型，軽量の回転型把持装置を提供する。
【構成】プレート11に設けられた軸受30に中空回転軸40が回転自在に設けられ，回転軸40の下端部に，２つのフィンガ63Ａ，63Ｂを有する把持機構60が取付けられる。回転軸40はプーリ24，26，ベルト25を介してモータ21により回転駆動される。軸受30の位置において，プレート11上にソレノイド51が固定され，その可動鉄芯52の駆動力は，回転軸40内を通る押棒53，ジョイント部材54を介して把持機構60に伝達され，フィンガ63Ａ，63Ｂが接近，離間する。
【選択図】図３

Description

この発明は回転型把持ユニット（装置）に関し，特にロボットの先端部に設けられ，対象物を把持する把持機構が回転可能にユニット化された回転型把持ユニットに関する。

従来技術

対象物を互いに接近離間する一対の爪，フィンガ，把持部等で把持する把持装置（またはチャック装置）として，特許文献１，２に記載のものがある。

特開平９−１０９０８１号公報特許第４３３７０３９号公報

しかしながらこれらの文献に記載の装置はいずれも把持機能のみを達成するもので，把持機構それ自体が回転するタイプのものではない。

このように従来の把持装置は対象物を単に把持する機能を持つにすぎないから，把持した対象物を回転させることはできない。ファクトリー・オートメーションでは，対象物を把持して持ち上げ，所定角度回転させ，かつ異なる場所に移送して降ろして離すというような動作がよく求められる。この場合に，把持した対象物を回転させるための回転機構が必要となり，この回転機構の回転軸の先端部に，把持駆動部を含む把持装置を取付けるという形態が採用される。

このような構成では，ロボットの先端部にそれぞれ別個の回転装置と把持装置とを設けるので，先端部の重量が重くなり，駆動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸等）の速度，加速度を上げられないという問題がある。また，先端部分が長くなることも伴って，装置が大型化するとともに高価になるという問題や，把持装置のケーブルが回転軸の回転動作で捻れるなどの問題があった。

この発明は，回転軸と把持機構とを一体化することにより，上記の問題点を解決することができる構造を提供するものである。

この発明による回転型把持ユニットは，支持体，前記支持体に固定される軸受装置，前記軸受装置に，その軸方向の所定位置において回転自在に支持される回転体，前記回転体の前記軸受装置から突出している部分に接近離間可能に保持される少なくとも２つの把持部材を含む把持機構，前記支持体に設けられ，前記回転体を回転させる回転駆動部，前記回転体の回転と干渉することなく前記回転体内を通る軸を含み，この軸を往復動または回転させる，前記支持体に設けられる把持駆動部，および前記把持駆動部の前記軸の往復動または回転を前記把持機構の前記把持部材の接近離間運動に変換する変換機構を備える。これにより前記少なくとも１つの把持部材が動き，対象物の把持とその解除の動作が行なわれる。また，この把持動作と前記回転体の回転とは相互に独立に制御可能である。

この発明によると，回転体に把持機構が設けられている。回転体の回転により把持機構も回転する。しかし，把持機構の把持駆動部は回転体には設けられていない。したがって，全体的に回転型把持ユニットの小型化を図ることができ，かつその長さも短くてすむ。このようにして，回転型把持ユニットの小型化と軽量化を図ることができる。これにより，回転型把持ユニットを支持するロボット・アームの移動速度，加速度を上げることが可能となる。把持機構を駆動する把持駆動部の駆動力は前記回転体の回転と干渉することなく前記回転体内を通って把持機構に伝達される。したがって，前記回転駆動部のみならず前記把持駆動部を前記支持体に設けることができる。これにより各駆動部の駆動，制御のための配線を前記支持体に固定しておくことができ，断線等のリスクが低減し，信頼性が向上する。

好ましい実施態様では，前記把持部材を，それらが接近した把持位置，またはそれらが離間した開放位置の少なくともいずれかの状態を保つように付勢する付勢手段をさらに備える。

一実施態様では，前記把持駆動部は直線往復運動を発生するものであり，その前記軸が前記回転体の中心を通り往復動自在に保持される。この場合に，前記変換機構は前記軸の往復動を前記把持部材の接近離間運動に変換するリンクを含む。

他の実施態様では，前記把持駆動部は回転運動を発生するものであり，その前記軸が前記回転体の中心を通り回転自在に保持される。この場合に，前記変換機構は前記軸の回転を前記把持部材の接近離間運動に変換する歯車機構を含む。

一実施態様では，前記把持部材は前記回転体に固定されたレールに移動自在に支持される。他の実施態様では，前記把持部材は前記回転体に揺動自在に設けられたアームの先端部に設けられる。

前記少なくとも２つの把持部材はともに移動可能に保持されていてもよいし，いずれか一方が固定され，他方が移動可能に保持されているものでもよい。

回転型把持ユニット（装置）の全体の正面図である。回転型把持ユニットの全体の側面図である。図１のIII−III線に沿う拡大断面図である。図２のIV−IV線に沿う拡大断面図である。図３の一部をさらに拡大して示す（図４のＶ−Ｖ線に沿う）断面図である。図４のVI−VI線に沿う拡大断面図である。図６のVII−VII線に沿う断面図である。変換機構および把持機構の一部を示す斜視図である。変換機構および把持機構による把持動作を示すもので，可動部分が動いた状態を示す。変形例を示すもので，回転型把持ユニットの全体の側面図である。変形例を示すもので，回転型把持ユニットの全体の下面図である。図11のXII−XII線に沿う断面図である。変形例の変換機構および把持機構の動作を説明するものである。変形例の変換機構および把持機構の動作を説明するものである。変形例の変換機構および把持機構の動作を説明するものであり，図11に相当する下面図である。変換機構および把持機構のさらに他の変形例を示す斜視図である。

図１および図２は回転型把持ユニット（装置）の外観を示している。回転型把持ユニット10はプレート（支持体またはフレーム）11を備え，このプレート11がロボットの先端部に取付けられる。たとえば，３軸直交ロボットの場合にはそのＺ軸の上下動する可動体，１軸もしくは２軸ロボットの場合にはそのＸ軸もしくはＹ軸の水平方向に動く可動体，スカラ・ロボットの場合にはその先端アームの先端部などにプレート11を介して回転型把持ユニット10が取付けられる。最も一般的にはユニット10はプレート11が水平となる姿勢で取付けられ，かつ利用されるので，以下の記述では上下方向は図１，図２を基準にする。

プレート11の上部は上カバー12で覆われ，下部は下カバー13で覆われている。上カバー12の一部にケーブル取出口14が形成され，このケーブル取出口14から，後述するモータおよびソレノイドを駆動，制御するための電力線，信号線を含むケーブル（図示略）が引出される。下カバー13の開口から把持機構（把持部）60が下方に突出している。把持部60にはフィンガ（把持部材）63Ａ，63Ｂが水平方向に移動自在に設けられ，後述するようにこれらのフィンガ63Ａ，63Ｂは互いに接近，離間する方向に駆動される。必要に応じて，フィンガ63Ａ，63Ｂには，把持する対象物に適した把持具（チャック，把持爪）（鎖線で示す）73ａ，73ｂが取付けられる。

図３および図４は回転型把持ユニット10の内部構造を示す拡大断面図である。

回転型把持ユニット10の一方の半分（図３において右半分）の場所には，プレート11に凹部11Ａが形成され，ここに回転軸22を下向きにしてモータ・ユニット（回転駆動部）20が固定されている。このモータ・ユニット20は，モータ21とその回転量または回転角度位置を検出するロータリ・エンコーダ23とから構成される。モータ・ユニット20が取付けられる凹部11Ａの中央には穴があけられ，この穴を通ってモータ21の回転軸（出力軸）22がプレート11の下側にまで突出している。そして，プレート11の下側において回転軸22にはプーリ24が固定されている。プーリ24には歯が形成され，タイミング・ベルト25が掛けられている。

回転型把持ユニット10の他方の半分（図３において左半分）の場所において，プレート11は円筒状に盛上り，エンボス部（またはボス部，凸部）11Ｂが形成されている。このエンボス部11Ｂの下面内側の円筒内空間に軸受（回転軸受部）（軸受装置）30が配置されかつ固定されている。軸受30はボール・ベアリングであり，ボール31，そのリティナー，上下のベアリング押さえ32，33などから構成され，その内部に回転軸（回転体）40を，回転自在にかつ，軸方向に移動しないように支持している。

回転軸40は中空の円筒状の部分（円筒部）を有し，この円筒状の部分の上端はプレート11のエンボス部11Ｂの上面よりも少し突出し，下部は軸受30よりも下方に突出し，プレート11の下面より突出した部分にプーリ26が固定されている。プーリ26にタイミング・ベルト25が掛けられている。したがって，回転軸40は，プーリ24，26，タイミング・ベルト25を介してモータ21によって回転駆動される。

回転軸40の下部は，プーリ26が設けられている位置よりもさらに下方に突出し，この下方に突出した部分には，後述する変換機構および把持機構（把持部）60を配置する空間を形成するように，２つの対向する保持壁41が一体的に形成されている（図３参照）。保持壁41の内面間の間隙は，回転軸40の円筒内空間の内径よりも大きい。また，保持壁41の上端間に渡されたフランジ部42が回転軸40の円筒部の下端に相当する箇所に一体的に設けられている（図４，図７参照）。保持壁41の両端間はサイド・カバー61によってそれぞれ閉鎖されている。プーリ26と保持壁41との間（フランジ部42の上面）には，ベルト25から磨耗粉等が下方へ落下するのを防止する円板27が固定されている。

回転軸40の円筒部の下半部の内面にはすべり軸受43が固定的に設けられ，このすべり軸受43内にジョイント部材54が上下方向に移動自在に収められている。このジョイント部材54は後述するスプリング69の力によって間接的に上方に付勢されている。

プレート11の軸受30を内部に収めるエンボス部11Ｂの上には把持駆動部50が設けられている。すなわち，エンボス部11Ｂの上端の平坦な面には，ソレノイド取付枠55が固定され，この取付枠55内に把持駆動部50を構成するプランジャ形ソレノイド51が垂直な姿勢で固定的に取付けられている。ソレノイド51の可動鉄芯52の下端には押棒53が取付けられ，回転軸40の中空空間内を，内壁との間に間隙をあけて軸方向下方に伸びている。押棒53の下端には合成樹脂製のキャップ53ａが取付けられている。キャップ53ａはジョイント部材54の上端面に当っている。

ジョイント部材54は回転軸40や把持機構60とともに回転する。他方，ソレノイド50は取付枠55に固定され，取付枠55はプレート11（エンボス部11Ｂ）に固定されている。ソレノイド50の可動鉄芯52はその軸方向に移動する。そして可動鉄芯52が回転可能であったとしても回転しない方が好ましい。滑らかに突出した表面を持つキャップ53ａがジョイント部材54の上端面に接することにより，ジョイント部材54が回転してもその回転力は可動鉄芯52には伝達し難くなっている。

図５から図８を参照して変換機構および把持機構60の構成について説明する。

２つの保持壁41の下部に２本のレール（ガイド）62が平行に固定されている。フィンガ63Ａ，63Ｂがこれらのレール62の間に配置され，かつボール62ａを介してレール62に沿って移動自在に支持されている。また，２つの保持壁41間に２本の枢支ピン66が，中心からサイド・カバー61に寄った位置において固定されている。これらの枢支ピン66はフィンガ63Ａ，63Ｂの位置よりも上方にある。枢支ピン66にそれぞれリンク（変換機構）65Ａ，65Ｂが回転自在に取付けられている。リンク65Ａ，65Ｂはそれぞれ枢支ピン66の位置から内方および下方に（互いに直交する方向に）伸びる短いアーム部分を有し，それらのアーム部分の先端部にＵ状の切欠66ａ，66ｂがそれぞれ形成されている。

他方，ジョイント部材54の下端部には駆動ピン64が通り，かつ固定されている。駆動ピン64はジョイント部材54の両側に突出し，リンク65Ａ，65Ｂの内方にのびるアーム部分のＵ状切欠66ａ内にそれぞれ回動可能に嵌っている。また，各フィンガ63Ａ，63Ｂの上方に伸びる作用部分63ａ，63ｂには従動ピン67が固定的に挿通されている。これらの従動ピン67は，リンク65Ａ，65Ｂの下方に伸びるアーム部分に形成されたＵ状切欠66ｂ内に回動可能に入っている。

一方のサイド・カバー61には凹所68が形成され，この凹所68内にスプリング（付勢部材）69が収められている。スプリング69は対向するフィンガ63Ａの作用部分63ａの側面に従動ピン67の高さ位置で当り，フィンガ63Ａを内方に押している（付勢している）。必要であれば他方のサイド・カバー61にも凹所を形成し，この凹所内に他方のフィンガ63Ｂを押すスプリング（付勢部材）を収めてもよい。

ソレノイド51の励磁コイルに通電すると，その鉄芯52は下方に下り，ジョイント部材54も下方の位置（図３から図８に図示の位置）に至る。このとき，フィンガ63Ａと63Ｂとは互いに最も離れた状態にある。

ソレノイド51の励磁コイルへの通電を停止すると，鉄芯52には磁気力が働かなくなる。スプリング69が一方のフィンガ63Ａを内方に押しているので，フィンガ63Ａはレール62に沿って内方に移動する。これに伴い，図９に示すように，リンク65Ａが枢支ピン66を中心に回動し，駆動ピン64が上昇する。スプリング69の付勢力はジョイント部材54や可動鉄芯52をその重力に抗して持ち上げるほどに強い。可動鉄芯52の上端が取付枠55の天板（ストッパとして働く）55ａに当って上限位置が定まる。天板55ａの下面にはゴムシート55ｂが取付けられ，可動鉄芯52が天板55ａに当たったときの衝撃音の発生を抑制する。駆動ピン64が上昇すると，他方のリンク65Ｂも枢支ピン66を中心に回動し，フィンガ63Ｂは内方に動く。すなわち，２つのフィンガ63Ａと63Ｂは互いに最も接近した位置まで移動することになる。２つのフィンガ63Ａと63Ｂの間（またはこれらに取付けられた爪73ａ，73ｂ等の間）に対象物があれば，この対象物は２つのフィンガによって挟持（すなわち把持）されることになる。把持力はスプリング69の強さに依存する。

ソレノイド51に通電すれば，鉄芯52とジョイント部材54が下降し，駆動ピン64が下降し，これによってリンク65Ａ，65Ｂは枢支ピン66を中心に上記とは反対方向に回動するので，フィンガ63Ａと63Ｂはレール62に沿って互いに離れる方向に動く。これは，把持した対象物を離す（把持の解除）ことを意味する。

なお，上記とは逆に，ソレノイド51に通電したときに駆動ピン64を上昇させて２つのフィンガ63Ａ，63Ｂを接近させてもよい。また，駆動ピン64の位置を固定し，枢支ピン66の位置をジョイント部材54に連動させるようにすれば，上記と逆の動きになる。

上記の把持動作と回転軸40の回転動作とは相互に独立しており，互いに影響を及ぼさないから，対象物を把持した状態で把持機構60を回転させることも，対象物を離した状態で把持機構60を回転させることもできる。

以上のようにして，回転軸（回転体）に変換機構と把持機構を設けているので，全体的に小型化を図ることができる。回転型把持ユニットの小型化により，軽量化を図ることができ，速度，加速度を上げることが可能となる。把持機構を駆動する把持駆動部の駆動力は回転軸40内をその回転とは関係なく変換機構を経て把持機構に伝達される。したがって，回転駆動部20のみならず把持駆動部50をプレート11に固定することができる。これにより，把持駆動部のための動力用および制御用ケーブルを固定しておくことができ，断線等のリスクが低減し，信頼性が向上する。

さまざまな変形例が可能である。たとえば把持駆動部をソレノイドに代えてモータで実現し，その回転力を回転軸（回転体）内を通して把持機構に伝達する。駆動機構には回転をフィンガの直線運動に変換する機構を設ける。または，把持機構をレール上を移動するフィンガではなく，一端または中間部を回転自在に枢止されたアーム（把持部材）により実現し，アームの回動を上記の回転力により行なえばよい。このとき，１対のアームを回動可能としてもよいし，一方のアームを固定し，他方のアームを回動させてもよい。上記実施例においても１つのフィンガを固定し，他方のフィンガのみを移動させるようにしてもよい。さらに，必要ならば，３つ以上の把持部材を設けてもよい。

このような変形例の具体的形態のいくつかについて以下に説明する。上述した実施例と実質的な同一物（形状は若干異なっても同じ働きをするもの）には同一符号を付し，重複説明を避ける。

まず図10から図12を参照して，プレート11のエンボス部11Ｂに軸受30により回転軸（回転体）40が回転自在にかつ軸方向に移動しないように保持されていること，およびこの回転軸40が，プレート11に固定されたモータ21によってプーリ24，ベルト25，プーリ26を介して回転されることは上記実施例の場合と同じである。

この変形例では，把持駆動部，把持機構および変換機構が上記実施例と異なっている。把持駆動部は把持用モータ80であり，エンボス部11Ｂ上に固定されている。回転軸40の中心に回転自在に保持されたジョイント部材（回転軸）83はその上端でモータ80の回転軸81に継手82により結合（固定）されている。したがって，ジョイント部材83はモータ80によって回転駆動されるとともに，落下しないように保持されている。

回転軸40の軸受30よりも下方に突出している部分には水平方向に２つのレール86が互いに平行に固定されており，これらのレール86にそれぞれ摺動部材（ラック部材）（移動部材）（変換機構）85が摺動自在（移動自在）に支持されている。摺動部材85の互いに向かい合う面にはラック（歯）85Ａが形成されている。２つの摺動部材85の互いに反対側の一端にはフィンガ63Ａ，63Ｂが取付けられている。他方，ジョイント部材83の下端にはピニオン（変換機構）84が固定されており，両側のラック85Ａと噛み合っている。したがって，モータ80を正逆回転することにより，ジョイント部材83を通してピニオン84が回転し，それと噛み合うラック85Ａを有する２つの摺動部材85がレール86に沿って互いに反対方向に動き，フィンガ63Ａ，63Ｂが互いに接近，離間する。ラック85Ａを有する摺動部材85およびピニオン84が変換機構を構成する。また，ラック85Ａを有する摺動部材85，レール86，フィンガ63Ａ，63Ｂ等により把持機構が構成される。

図13から図15を参照して，フィンガ63Ａ，63Ｂによる把持動作と回転軸（回転体）の回転動作を統一的に説明する。

図13はフィンガ63Ａ，63Ｂが互いに離れた状態，すなわち開放状態である。モータ80を回転させると，ピニオン84の回転により，フィンガ63Ａ，63Ｂが互いに接近する方向に動く。互いに接近したフィンガ63Ａ，63Ｂにより直接に，またはフィンガ63Ａ，63Ｂに取付けられた把持具等により対象部が把持される。これが図14に示す把持状態である。モータ80にトルクをかけ続けることで把持状態を維持する（付勢手段）。

回転駆動用のモータ21を駆動すると，プーリ24，ベルト25，プーリ26を介して回転軸（回転体）40が回転する。回転軸40が90°回転した状態が図15に示されている（ただし，フィンガ63Ａと63Ｂは離れた状態で図示されている）。回転軸40を回転させると，ラック85Ａもピニオン84の廻りを同じ角度回転するので，この結果，フィンガ63Ａと63Ｂが離れる方向に摺動部材85が摺動してしまう。このような事態の発生を防止するために，把持用モータ80を回転用モータ21とは反対方向に回転させる。これにより，フィンガ63Ａ，63Ｂは把持状態（最も接近した状態）に維持される。

もっとも，回転用モータ21による回転軸（回転体）40の回転中に，把持用モータ80の回転方向，回転角を調整することにより，回転軸（回転体）が回転しながら対象物を離したり，掴んだりするように制御することも可能となる。

図16は変換機構および把持機構のさらに他の変形例を示している。変換機構が，回転駆動されるジョイント部材83の下端に固定されたピニオン84と，これに噛み合うラック85Ａを有しかつレール86により案内される摺動部材85とから構成されることは上記変形例と同じである。

把持機構は２つのアーム91を備えている。これらのアーム91はその中間付近で枢支ピン93により揺動自在に連結されている。枢支ピン93は好ましくは回転軸（回転体）40の下部（図示略）に固定される。アーム91の上部には長穴91Ａが形成され，この長穴91Ａに摺動部材85の端部に固定された駆動ピン92が相対的に移動自在に入っている。アーム91の下端がフィンガ63Ａ，63Ｂである。

ジョイント部材83の回転によりピニオン84が回転し，ラック85Ａを有する摺動部材85がレール86に沿って互いに反対方向に摺動する。摺動部材85に固定されたピン92によってアーム91の上端が互いに接近，または離間する方向に動き，アーム91の下端のフィンガ63Ａ，63Ｂも互いに接近，離間する方向に動く。アーム91を上記実施例の往復動するジョイント部材により開閉させることも可能である。この場合に，スプリング等によりアーム91を開放または把持位置に保持するとよい。

10 回転型把持ユニット（回転型把持装置）
11 プレート（支持体）（フレーム）
20 モータ・ユニット（回転駆動部）
30 軸受（回転軸受部）（軸受装置）
40 回転軸（回転体）
50 把持駆動部
51 ソレノイド
52 可動鉄芯
53 押棒
54，83 ジョイント部材（軸）
55 ソレノイド取付枠
60 把持機構（把持部）
62，86 レール
63Ａ，63Ｂフィンガ（把持部材）
65Ａ，65Ｂリンク（変換機構）
69 スプリング（付勢部材）（付勢手段）
80 把持用モータ（把持駆動部）（付勢手段）
84 ピニオン（変換機構）（歯車機構）
85 摺動部材（移動部材）（ラック部材）
85Ａラック（変換機構）（歯車機構）
91 アーム（把持機構）

Claims

支持体，
前記支持体に固定される軸受装置，
前記軸受装置に，その軸方向の所定位置において回転自在に支持される回転体，
前記回転体の前記軸受装置から突出している部分に接近離間可能に保持される少なくとも２つの把持部材を含む把持機構，
前記支持体に設けられ，前記回転体を回転させる回転駆動部，
前記回転体の回転と干渉することなく前記回転体内を通る軸を含み，この軸を往復動または回転させる，前記支持体に設けられる把持駆動部，および
前記把持駆動部の前記軸の往復動または回転を前記把持機構の前記把持部材の接近離間運動に変換する変換機構を備える，
回転型把持ユニット。
前記把持部材を，それらが接近した把持位置，またはそれらが離間した開放位置の少なくともいずれかの状態を保つように付勢する付勢手段をさらに備える，請求項１に記載の回転型把持ユニット。
前記把持駆動部の前記軸が前記回転体の中心を通り往復動自在に保持され，
前記変換機構は前記軸の往復動を前記把持部材の接近離間運動に変換するリンクを含む，
請求項１または２に記載の回転型把持ユニット。
前記把持駆動部の前記軸が前記回転体の中心を通り回転自在に保持され，
前記変換機構は前記軸の回転を前記把持部材の接近離間運動に変換する歯車機構を含む，
請求項１または２に記載の回転型把持ユニット。
前記把持部材は前記回転体に固定されたレールに移動自在に支持されている，請求項１から４のいずれか一項に記載の回転型把持ユニット。
前記把持部材は前記回転体に揺動自在に設けられたアームの先端部に設けられている，請求項１から４のいずれか一項に記載の回転型把持ユニット。
前記少なくとも２つの把持部材がともに移動可能に保持されている，請求項１から６のいずれか一項に記載の回転型把持ユニット。
前記少なくとも２つの把持部材の一方が固定され，他方が移動可能に保持されている，請求項１から６のいずれか一項に記載の回転型把持ユニット。