JP5434483B2 - ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム、特にリンク機構を用いたロボットアームに関する。

従来からリンク機構を用いたロボットアームを備えたロボットが知られている（例えば、特許文献１など）。

特許文献１には、図３に示すように、３つの位置制御用アクチュエータ１０１と１つのエンドエフェクタ用の回転型アクチュエータ１０２の、合計４つのアクチュエータを備えたパラレルリンクロボット１００が開示されている。このパラレルリンクロボット１００では、可動部１０３が各位置制御用アクチュエータ１０１とそれぞれの平行リンク機構１０７を介して連結されている。各平行リンク機構１０７は、位置制御用アクチュエータ１０１の出力シャフト１０８に固定され該出力シャフト１０８と共に回転する第１リンク部材１０９と、該第１リンク部材１０９に関節部１１０を介して一端が連結された２本の第２リンク部材１１１と、さらに、該２本の第２リンク部材１１１の他端は関節部１１２に連結された可動部１０３で構成され、２本の第２リンク部材１１１は平行に配置されている。そして、３つの位置制御用アクチュエータ１０１の回転位置を制御することによって、各位置制御用アクチュエータ１０１の出力シャフト１０８に結合された各平行リンク機構１０７により、可動部１０３は常にベース１１３に対して水平を保って、その位置が制御されることになる。

このようなパラレルリンク機構を用いたパラレルリンクロボットの関節部には、転がり軸受等の軸受が使用されているが（例えば特許文献２）、これらの用途、動きは多様であり、使用条件によっては大きな剛性が必要とされる場合がある。軸受は大きさが一定ならば、予め設定された予圧によって剛性が左右される。

特開２００８−２６４８８１号公報 特開平５−６９３７９号公報

しかしながら、特許文献２のように、軸部材に対しリンク部材を軸受で直接回動自在に支持した場合、予圧の設定が難しく、予圧の付与が均一でないとトルクにうねりが生じてしまい、関節部の動きに支障がでたり、耐久性が著しく劣化してしまうことが予測される。また、軸受を交換する際も予圧をかけ直す必要があるため、交換前と比べて剛性が大きく変化してしまう可能性も高い。

さらに、ロボットアームを構成するリンク部材の自重によりモーメント荷重が軸受に作用し、軸受の軌道面が損傷し軸受寿命が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、均一で安定した予圧を付与することが可能で、軸受の長寿命化が可能なロボットアームを提供することを目的としている。

上記目的は、以下の構成により達成される。
（１） 第１リンク部材と、平行に配置された一対の第２リンク部材とを備え、関節部で前記第１リンク部材と前記一対の第２リンク部材の端部同士が転がり軸受ユニットを介して回動自在に連結されたリンク機構を用いたロボットアームであって、
前記第１リンク部材のユニット装着孔に前記転がり軸受ユニットが取り付けられ、
該転がり軸受ユニットは、スリーブと、スリーブよりも大径のハウジングと、該スリーブと該ハウジングとの間に回動中心線に沿って並列に配設される２つの転がり軸受と、を備え、
前記２つの転がり軸受は、予圧が付与された状態で、前記スリーブ及び前記ハウジングに圧入若しくは接着で固定されていることを特徴とするロボットアーム。
（２） 前記スリーブと前記ハウジングは、前記２つの転がり軸受の内輪と外輪の熱伝導率よりも小さく、且つ、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材の熱伝導率よりも大きい材料からなることを特徴とする（１）に記載のロボットアーム。
（３） 前記２つの転がり軸受の内輪と外輪は、前記スリーブと前記ハウジングの線膨張係数より小さい材料からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載のロボットアーム。
（４） 前記ハウジングには、前記２つの転がり軸受間に内方に突出する環状凸部が形成されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のロボットアーム。
（５） 前記リンク機構はパラレルリンク機構であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のロボットアーム。

本発明のロボットアームによれば、関節部に軸受ユニットを使用するので、関節部に軸受ユニットを取り付ける前に軸受に均一で安定した予圧を付与することが可能であり、安定した剛性を持たせることができる。また、軸受ユニットそのものを容易に交換することができるため、メンテナンスが容易で、軸受ユニット交換後も交換前と同等の剛性を持たせることができる。
さらに、軸受ユニットにはスリーブとハウジングとの間に転がり軸受が設けられるので、ロボットアームを構成するリンク部材の自重によるモーメント荷重がスリーブとハウジングにより吸収されるため、軸受軌道面に作用する力が低減され、軸受寿命が長くなる。

第１実施形態のロボットアームの関節部の断面図である。 第２実施形態のロボットアームの関節部の断面図である。 特許文献１に記載のパラレルリンクロボットである。

以下、本発明に係るロボットアームの各実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のロボットアームは、例えば図３に記載のパラレルリンクロボット１００のようなリンク機構を有するロボットアームに適用可能であるが、特にこれに限定されず、リンク機構を備えた種々のロボットアームに適用することができる。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のロボットアームの関節部の断面図である。
ロボットアーム１０は、主として、第１リンク部材２０と、平行に配置された一対の第２リンク部材３０とを備えて構成され、関節部１５で第１リンク部材２０と一対の第２リンク部材３０の端部同士が軸受ユニット４０を介して回動自在に連結される。

第１リンク部材２０には、ロッド部２１の一端にロッド部２１の長手方向と直交する方向（以下、軸方向と呼ぶ。）にロッド部２１を中心に延設された円筒状の連結部２２が設けられ、該連結部２２にはユニット装着孔２３が形成される。ユニット装着孔２３は、軸方向に円形に貫通して形成され、軸受ユニット４０が取り付けられる。

軸受ユニット４０は、スリーブ４１と、該スリーブ４１と略等しい軸方向長さを有し該スリーブ４１より大径のハウジング４２と、スリーブ４１とハウジング４２との間に回動中心線Ｐに沿って並列に配設される２つの転がり軸受４３（以下、軸受と呼ぶ。）と、を備えて構成される。

スリーブ４１は、その全延出方向に亘って一定の外径を成す円筒状、すなわち、回動中心線Ｐ上に貫通孔４１ａを有し、その外周面に、例えば、フランジ部や環状凸部などが設けられていない、いわゆるストレート軸として構成されている。

ハウジング４２は、その内部が延出方向に沿って中空を成す円筒状に構成されており、その内周面に周方向に沿って環状凸部４２ａが設けられているとともに、その外周面がストレート軸として構成されている。なお、この環状凸部４２ａは、周方向に沿って連続させて若しくは断続させて形成してもよい。

このような構成を成すスリーブ４１及びハウジング４２において、その材料は、特に限定されず、任意の素材を適用することができるが、本実施形態においては、ロボットアーム１０が熱に弱い電子部品の組立に使用されうることを考慮して運転中に軸受４３で発生した熱が外部に伝達しないことが望ましい。そのため、スリーブ４１とハウジング４２の材料としては、軸受４３の内外輪４３ｂ、４３ａの熱伝導率よりも小さく第１及び第２リンク部材２０、３０の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。

軸受４３は、相対回転可能に対向して配置された外輪４３ａと内輪４３ｂと、外輪４３ａと内輪４３ｂとの間に転動自在に組み込まれた複数の玉４３ｃと、複数の玉４３ｃを周方向に所定の間隔で回転自在に保持する保持器４３ｄと、を備える深溝玉軸受である。左右の軸受４３は、同じＰＣＤ（ピッチ円直径）を有するものである。なお、深溝玉軸受に限らず、使用条件等を考慮してアンギュラ玉軸受、ころ軸受、針状ころ軸受等種々の転がり軸受を使用することができ、さらにＰＣＤの異なる軸受を使用してもよい。

外輪４３ａの軸方向両端部には取付溝４３ｅが設けられており、該取付溝４３ｅに、内輪４３ｂとの間にラビリンスを形成する環状で絶縁性のシールド板４３ｆが取り付けられている。これら２個の軸受４３には所定量の潤滑剤が充填されている。潤滑剤は、鉱油系グリースや合成油系（例えば、リチウム系、ウレア系等）のグリースや油であり、高温環境用途などではフッ素系グリースまたはフッ素系の油、あるいはフッ素樹脂、ＭｏＳ_２などの固体潤滑剤である。但し、固体潤滑剤は玉４３ｃや外輪４３ａ、内輪４３ｂの軌道溝に直接塗布される。この軸受４３においては、シールド板４３ｆとラビリンスにより、例えば、軸受４３の外部からの異物(例えば、塵埃)の侵入や、軸受４３の内部からの潤滑剤(例えば、グリース、潤滑油)の漏洩などを防止している。

また、外輪４３ａの外周面と内輪４３ｂの内周面には絶縁被膜が設けられており、また、上述したようにシールド板４３ｆを絶縁性とすることで玉４３ｃと軸受軌道面とで発生する静電気が外部に伝達することを防止している。なお、外輪４３ａの外周面と内輪４３ｂの内周面に絶縁被膜を設ける代わりに、スリーブ４１とハウジング４２の軸受４３と接触する部分に絶縁被膜を設けてもよい。

保持器４３ｄには、一例として、冠型の保持器が適用されており、２つの保持器４３ｄは、その開口を互いに向かい合わせて各軸受４３に組み込まれ、外輪４３ａと内輪４３ｂとの間を回転している。なお、２つの保持器４３ｄは、その開口を互いに同一方向へ向けて軸受４３に組み込んでもよいし、他方側（開口とは反対側の閉塞側）を互いに向かい合わせて軸受４３に組み込んでもよい。また、保持器４３ｄとして冠型のタイプを適用しているが、この他、例えば、波型保持器、かご形保持器及び合せ保持器など、各種のタイプを適用することができる。

このような構成をなす軸受４３において、その材料は、特に限定されず、任意の素材を適用することができるが、本実施形態においては、運転中の軸受４３から発生する熱により軸受４３の内外輪４３ｂ、４３ａが膨張しても軸受軌道面に影響を受けないように、内輪４３ｂ及び外輪４３ａの線膨張係数がスリーブ４１及びハウジング４２の線膨張係数より小さいことが望ましい。

各軸受４３には、所定の予圧がそれぞれ付与されており、かかる予圧は、以下のような方法により付与することができる。例えば、２つの軸受４３の外輪４３ａ間に環状凸部４２ａを介在させて、ハウジング４２の内周面に各外輪４３ａを圧入固定する。そして、一方側の軸受４３(図１の左側の軸受)の内輪４３ｂに軸方向(同図の左右方向)に対して一方向き(同図の右向き)の予圧を付与し、その状態で当該軸受４３の内輪４３ｂをスリーブ４１に圧入固定する。同様に、他方側の軸受４３(図１の右側の軸受)の内輪４３ｂに軸方向(同図の左右方向)に対して他方向き(同図の左向き)の予圧を付与し、その状態で当該軸受４３の内輪４３ｂをスリーブ４１に圧入固定する。これにより、２つの軸受４３に所定の予圧を付与することができる。そして、このように予圧された軸受４３を備えた軸受ユニット４０が第１リンク部材２０のユニット装着孔２３に圧入される。圧入は、２つの要素間、例えば、第１リンク部材２０のユニット装着孔２３とハウジング４２との間、スリーブ４１及びハウジング４２と軸受４３との間のはめあいが中間ばめ又はしまりばめのときに選択される。なお、圧入に限らず、接着剤などにより接着してもよい。接着は、２つの要素間のはめあいがすきまばめのときに選択される。

各第２リンク部材３０には、一端の連結部３１に貫通孔３１ａが形成される。そして、軸受ユニット４０をユニット装着孔２３に装着した第１リンク部材２０Ａの連結部２２の軸方向両側に各第２リンク部材３０を配置し、軸受ユニット４０の貫通孔４１ａと第２リンク部材３０Ａの連結部３１に形成された貫通孔３１ａの位置を合わせて、第２リンク部材３０Ａの外側から回動中心線Ｐに沿ってピン５０を貫通孔４１ａと貫通孔３１ａに取り付ける。なお、ピン５０は、軸受ユニット４０の貫通孔４１ａに嵌合して第１リンク部材２０と一体に回転し、第２リンク部材３０と摺接して第１リンク部材２０に対する第２リンク部材３０の相対回転を許容する。

上記構成のロボットアーム１０は、関節部１５で第１リンク部材２０と一対の第２リンク部材３０の端部同士が軸受ユニット４０を介して連結され、不図示のアクチュエータにより第１リンク部材２０と一対の第２リンク部材３０がピン５０を回動軸として回動する。

以上説明したように、本実施形態のロボットアーム１０によれば、関節部１５に軸受ユニット４０を使用するので、関節部１５に軸受ユニット４０を取り付ける前に軸受４３に均一で安定した予圧を付与することが可能であり、安定した剛性を持たせることができる。また、軸受ユニット４０そのものを容易に交換することができるため、メンテナンスが容易で、軸受ユニット交換後も交換前と同等の剛性を持たせることができる。
さらに、軸受ユニット４０にはスリーブ４１とハウジング４２との間に転がり軸受４３が設けられるので、第２リンク部材３０の先端に荷重が作用してもモーメント荷重がスリーブ４１とハウジング４２により吸収されるため、軸受軌道面に作用する力が低減され、軸受寿命が長くなる。

また、スリーブ４１とハウジング４２の材料としては、軸受４３の内外輪４３ｂ、４３ａの熱伝導率よりも小さく第１及び第２リンク部材２０、３０の熱伝導率よりも大きい材料を用いることで、運転中に軸受４３で発生した熱が外部に伝達せず、ロボットアーム１０を熱に弱い電子部品の組立に適用することができる。

また、内外輪４３ｂ、４３ａの材料の線膨張係数がスリーブ４１及びハウジング４２の線膨張係数より小さいので、運転中の軸受４３から発生する熱により軸受４３の内外輪４３ｂ、４３ａが膨張しても軸受軌道面に影響を与えることなく軸受寿命が長くなる。

また、絶縁性のシールド板４３ｆを用いるとともに、外輪４３ａの外周面と内輪４３ｂの内周面には絶縁被膜を設けることで、玉４３ｃと軸受軌道面とで発生する静電気が外部に伝達することを防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態のロボットアームについて説明する。図２は第２実施形態のロボットアームの関節部の断面図である。なお、第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

第１リンク部材２０Ａは、ユニット装着孔２３が形成された連結部２２の軸方向両端部から平行にロッド部２１が一体形成され、第２リンク部材３０Ａは、一本のロッド部３２が断面略Ｕ字形状の連結部３１と一体形成され、第１リンク部材２０Ａの連結部２２と第２リンク部材３０Ａの連結部３１同士が軸受ユニット４０を介して回動自在に連結されて、本実施形態のロボットアーム１０Ａの関節部１５を構成している。

この軸受ユニット４０においては、スリーブ４１の貫通孔４１ａに雌ねじが形成される。そして、軸受ユニット４０をユニット装着孔２３に装着した第１リンク部材２０Ａの連結部２２を収容するように第２リンク部材３０Ａの連結部３１を配置し、軸受ユニット４０の貫通孔４１ａと第２リンク部材３０Ａの連結部３１に形成された貫通孔３１ａの位置を合わせて第２リンク部材３０Ａの外側から回動中心線Ｐに沿ってボルト５１で貫通孔４１ａに螺合させる。このとき第２リンク部材３０Ａの貫通孔３１ａはボルト５１の外径より僅かに大きく形成されており、回動軸であるボルト５１に対し第２リンク部材３０Ａが回動する。

以上説明したように、本実施形態のロボットアーム１０Ａにおいても、第１実施形態のロボットアーム１０と同様に、関節部１５に軸受ユニット４０を取り付ける前に軸受４３に均一で安定した予圧を付与することが可能であり、安定した剛性を持たせることができる。また、軸受ユニット４０そのものを容易に交換することができるため、メンテナンスが容易で、軸受ユニット交換後も交換前と同等の剛性を持たせることができる。さらに、第２リンク部材３０Ａの先端に荷重が作用してもモーメント荷重がスリーブ４１とハウジング４２により吸収されるため、軸受軌道面に作用する力が低減され、軸受寿命が長くなる。

なお、上記各実施形態のロボットアームは、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。

１０、１０Ａ ロボットアーム
１５ 関節部
２０、２０Ａ 第１リンク部材
３０、３０Ａ 第２リンク部材
４０ 軸受ユニット（転がり軸受ユニット）
４１ スリーブ
４２ ハウジング
４３ 転がり軸受

Claims (5)

1. 第１リンク部材と、平行に配置された一対の第２リンク部材とを備え、関節部で前記第１リンク部材と前記一対の第２リンク部材の端部同士が転がり軸受ユニットを介して回動自在に連結されたリンク機構を用いたロボットアームであって、
   前記第１リンク部材のユニット装着孔に前記転がり軸受ユニットが取り付けられ、
   該転がり軸受ユニットは、スリーブと、スリーブよりも大径のハウジングと、該スリーブと該ハウジングとの間に回動中心線に沿って並列に配設される２つの転がり軸受と、を備え、
   前記２つの転がり軸受は、予圧が付与された状態で、前記スリーブ及び前記ハウジングに圧入若しくは接着で固定されていることを特徴とするロボットアーム。
2. 前記スリーブと前記ハウジングは、前記２つの転がり軸受の内輪と外輪の熱伝導率よりも小さく、且つ、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材の熱伝導率よりも大きい材料からなることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
3. 前記２つの転がり軸受の内輪と外輪は、前記スリーブと前記ハウジングの線膨張係数より小さい材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットアーム。
4. 前記ハウジングには、前記２つの転がり軸受間に内方に突出する環状凸部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
5. 前記リンク機構はパラレルリンク機構であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットアーム。

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