JP6302461B2 - 平衡型空気圧マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、平衡型空気圧マニピュレータに関する。

このタイプのマニピュレータは、典型的には把持デバイス、溶接機械、ねじ回しなどを含む様々な工具及びデバイスを平衡状態で支持して移動させるために製造産業で広く使用されており、使用者による手作業の力を最小限しか必要としない。

長年にわたって、技術的な進歩により、これらのタイプのマニピュレータの感度の改良が引き続き行われている。これらのタイプのマニピュレータは、取り扱うべき負荷に関する要求の高まりに直面して、平衡が一定でなくなるという問題を抱えている。

従来技術及びその本来的な問題の理解の助けとなるように、まず、図１〜図３を参照して、従来のタイプの平衡型空気圧マニピュレータを説明する。平衡型空気圧マニピュレータ１０は、鉛直軸ｚの周りで回転可能なアセンブリ１３を含む支持デバイスと、関節式平行四辺形リンク機構２１とを備え、関節式平行四辺形リンク機構２１は、水平振動軸の周りで回転可能アセンブリ１３に対して枢動されるスイング・アーム２４を含む。平衡作用は、回転可能アセンブリ１３に枢支されたシリンダ２２ａと、スイング・アーム２４に枢支されたロッド２２ｂとを含む空気圧リニア・アクチュエータ２２によって提供される。ねじ回し、溶接機械、把持デバイスなどの工具、又は他の工具を支持する回転可能な水平アーム３６が、関節式平行四辺形リンク機構に取り付けられる。

前述した構成は、アクチュエータがその様々な動作位置で取る様々な傾きにより、水平成分を有する力が伝達されるという欠点を有し、この水平成分は、鉛直軸に対するアクチュエータの作用線の変位αと共に増加する。６０進数で数度のオーダーの非常に小さい角度変位が、平衡に悪影響を及ぼし、移動のために手作業の力を必要とし、必要な手作業の力は、鉛直からのアクチュエータの角度変位の程度と共に増加する。そのようにして必要となる手作業の力は、鉛直からの角度変位が最大のとき、２０〜３０Ｎのオーダーの最適な値から、１００〜１５０Ｎ以上まで増加する。これらの条件では、支持される負荷が不安定になり、取扱いが難しくなり、移動の安全性及び精度に悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、前述した問題を克服することができる平衡型空気圧マニピュレータを提供することである。特に、空気圧アクチュエータの伸長の程度に関係なく、一定であり最小限の手作業の力しか必要としないマニピュレータを提供することが望ましい。

以下で明らかになるこの目的及び利点、並びに他の目的及び利点は、本発明によれば、請求項１で定義される特徴を有する平衡型空気圧マニピュレータによって実現される。好ましい実施例は、従属請求項で定義される。

本発明の特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになろう。以下の詳細な説明は、添付図面を参照して、単に非限定的な実例として与えられる。

既知のタイプの平衡マニピュレータの斜視図である。 図１に示される既知のタイプの平衡器において空気圧アクチュエータが取る１つの角度位置を例示する部分概略図である。 図１に示される既知のタイプの平衡器において空気圧アクチュエータが取る別の角度位置を例示する部分概略図である。 本発明の一実施例による平衡型空気圧マニピュレータの部分斜視図である。 図４のマニピュレータの詳細拡大図である。 図４の平衡器において空気圧アクチュエータが取る２つの異なる位置の一方を例示する部分概略図である。 図４の平衡器において空気圧アクチュエータが取る２つの異なる位置の他方を例示する部分概略図である。 本発明のさらなる実施例に従って取り付けられた空気圧アクチュエータが取る２つの異なる位置の一方を例示する部分概略図である。 本発明のさらなる実施例に従って取り付けられた空気圧アクチュエータが取る２つの異なる位置の他方を例示する部分概略図である。

図４を参照すると、参照番号１０によって全体を示されるマニピュレータが、支持デバイス１１を備え、支持デバイス１１に、平衡デバイス２０が取り付けられている。支持デバイス１１は、鉛直幾何学軸ｚを定義し、この実例では、固定された下側鉛直支柱１２と、鉛直軸ｚの周りで回転可能な上側アセンブリ１３とを備える。下側支柱１２は、基部（図示せず）と一体でよく、基部は、床又は可動支持面（図示せず）に固定することができる。他の用途では、支持デバイスは、懸架された構造、例えばトラックに沿って走行することができるキャリッジから懸架された構造の一部を成すことが可能である。そのような用途では、回転可能アセンブリ１３は、回転不能な上側部分の下に配置される。以下の本文において、「上側」及び「下側」など、位置及び向きを示す用語及び表現は、図示される実例を参照して解釈すべきであり、限定とみなすべきではない。

図４に示される実施例では、回転可能アセンブリ１３は、１対の鉛直直立部１５（その一部のみが見える）を有し、鉛直直立部１５は、平行であり、鉛直軸ｚの周りで均等に離隔される。

平衡デバイス２０は、回転可能アセンブリ１３に取り付けられ、関節式平行四辺形リンク機構２１と、空気圧リニア・アクチュエータ２２と、支持デバイスの回転可能アセンブリ１３に摺動可能に取り付けられたスライド２３とを備える。

直立部１５の上側部分で、関節式平行四辺形リンク機構２１の一部を成す上側スイング・アーム２４が、（図６及び図７にも示される）水平振動軸ｘの周りで枢動される。空気圧アクチュエータは、回転可能アセンブリ１３と一体の下側接続軸ａと、スライド２３によって定義される上側接続軸ｂとの間で作用する。好ましくは、アクチュエータ２２は、この実例では下側位置にあるシリンダ２２ａと、上側の伸長可能なロッド２２ｂとを備える単動空気圧アクチュエータである。より好ましくは、図示される実施例では、アクチュエータのシリンダは、下側接続軸に接続され、ロッド２２ｂは、上側接続軸ｂに接続されている。符号ｃ（図６及び図７）は、アクチュエータの作用線を示し、作用線は、この実例では実質的に鉛直であり、軸ｚに平行である。図４及び図５で、参照番号２９は、ロッド２２ｂの頭部に固定され、水平軸ｂの周りでスライド２３に対して枢動されるスピンドルを示す。

スイング・アーム２４及び関節式平行四辺形部２１の反対側の端部には、既知の様式で鉛直スピンドル２５が取り付けられ、鉛直スピンドル２５の周りで水平アーム３６が回転することができる。

このアームは、把持具、ねじ回し、溶接機械など様々なデバイスを支持する働きをすることができる。

関節式平行四辺形リンク機構２１は、上側スイング・アーム２４に加えて、第２の下側スイング・アーム又はレバー２６を備え、下側スイング・アーム又はレバー２６は、上側アーム２４に平行であり、その端部（図示せず）が直立部１５に蝶着される（ｈｉｎｇｅｄ）。互いに平行な２つの鉛直接続プレート２７ａ、２７ｂが、鉛直スピンドルが取り付けられている機構の反応端部に蝶着される。２つのさらなる中間接続リンク２８ａ、２８ｂが、既知の様式で上側及び下側スイング・アームに蝶着される。平行四辺形リンク機構は、既知のタイプのものと顕著には異ならず、したがって本明細書ではより詳細には説明しない。

上で説明したように、リニア・アクチュエータ２２は、回転可能アセンブリ１３と平行四辺形リンク機構２１との間で作用して、アーム２４を水平振動軸ｘの周りで回転させ、近くにアクチュエータ２２が取り付けられている端部とは反対側の平行四辺形リンク機構の端部に支持されている鉛直スピンドル２５を、回転並進運動で上昇及び下降させる。アクチュエータ２２は、アーム２４に直接は作用せず、スライド２３を介して作用する。

スライド２３は、第１のリニア・ガイドに沿って摺動可能であり、第１のリニア・ガイドは、図６及び図７に参照番号３０によって概略的に示され、回転可能アセンブリ１３と一体であり、アクチュエータ２２の作用線ｃに平行である。平衡及び負荷分散を改良するために、第１のガイド３０は、好ましくは、アクチュエータの作用線ｃに平行に延在する１対の平行なリニア・ガイド（又は「支持」ガイド）を含む。

スライド２３は第２のリニア・ガイド３１を有し、第２のリニア・ガイド３１は、好ましくは、１対の第２の平行な直動ガイド３１ａ、３１ｂから構成され、直動ガイド３１ａ、３１ｂは、第１の支持ガイド又は１対の支持ガイド３０に垂直に向けられる。アクチュエータ２２に近い方の上側スイング・アーム２４の端部に取り付けられた可動要素３２が、１対の第２のガイド３１ａ、３１ｂに沿って係合される。好ましくは、スライドの第２のガイド３１ａ、３１ｂは、１対の平行なスロットの形態を取り、可動要素３２は、円柱形ローラ３３を備え、円柱形ローラ３３は、上側スイング・アーム２４の端部で位置３４に固定された水平軸（図７に破線で図示され、参照番号３５によって表される）の周りで自走式に取り付けられる。この実施例では、円柱形ローラ３３は、水平軸３７に沿って離隔された１対の転がり軸受（詳細には図示せず）によって取り付けられ、各転がり軸受は、アーム２４に固定されたそれぞれの固定外側リングと、ローラ３３の両端の一方に係止されたそれぞれの回転可能内側リングとから構成される。

円柱形ローラ３３は、好ましくは、第２のガイド３１内（又は平行な第２のガイド３１ａ、３１ｂ内）に、所定の最小の鉛直方向間隙を有して収容される。数十分の１ミリメートルのオーダーの間隙により、図６と図７に概略的に示される代替位置の間での移動時にアクチュエータが伸長又は収縮されるときに、円柱形ローラが第２のガイド３１ａ、３１ｂに沿って転動する。可動要素３２と第２のガイド３１ａ、３１ｂとの転がり接触は、スライドとアクチュエータとの間の摩擦を最小にする。

代替実施例（図示せず）では、可動係合要素３２がブロックを備えることがあり、ブロックは、スライド２３内に提供された１つ又は複数の第２のガイド３１内に、転動式ではなく摺動式に係合される。このために、（１つ又は複数の）ガイド３１は、（１つ又は複数の）ブロックの形状に応じて、１つ又は２つのスロットの形状とは異なる形状を有することがある。スロットのある形状を選択することは、スライド２３とアーム２４との間での力の最適な交換を可能にし、これら２つの部材の確実な結合を実現し、アーム２４に形成された２つの開口によって提供される構造強度を利用するという点で有利である。

図７に概略的に示されるように、スイング・アーム２４の端部は二重構造でよく、２つの平行な鉛直プレート編成２４ａ、２４ｂを提供し、それにより、可動係合要素３２の効果的な取付けを実現できるようにする。スライド２３は、図７に示される実施例では、水平方向で離隔された１対の平行な金属プレート２３ａ、２３ｂも含み、各金属プレート２３ａ、２３ｂに、円柱形ローラ３３用（又は摺動可能なブロック用）の２つの第２のガイドの一方が形成される。利用可能な空間、及びアクチュエータと上側アセンブリとの接続を最適化する一実施例によれば、スライドの各プレートは、実質的にＬ字形であり、このＬ字形の直線部分又は長辺部分は、第１のリニア・ガイド３０に結合され、Ｌ字形の短辺部分は、スロット又は第２のガイド３１を有する。第１のリニア・ガイド３０の製造のために、再循環ボール・スライドの使用が特に好ましい。

図６及び図７は、マニピュレータが取る２つの互いに逆の代替位置を概略的に示す。アクチュエータの伸長により、図６の位置から図７の位置への移動が生じ、第１のガイド３０に沿ってスライド２３を移動させ、それと同時に、スライドの第２のガイド３１に沿って可動係合要素３２を移動させる。

アクチュエータとスイング・アームとの間に挿間されたスライド、並びにガイド３０とガイド３１との相互垂直構成により、アクチュエータが、鉛直な力のみ、すなわち水平成分を有さない力を平行四辺形リンク機構に伝達する。これは、アクチュエータの全可動域においてマニピュレータの一定の平衡を保証し、動作中、操作者は一定であり最小限の力を手で加えればよく、したがって、マニピュレータと結合された工具の正確な使用に好適である。さらに、マニピュレータは、特に安定した挙動を示し、操作者が一時的にマニピュレータから両手を離すことができるようにし、手を離しても、マニピュレータは、到達している位置で静止したままであり、これは、安全性又は使いやすさの面で有利である。

本発明は、本明細書で説明及び図示される実施例に限定されず、実施例は、本発明のマニピュレータの実施例の例示とみなすべきであることを理解されたい。実際、本発明は、各部の形状及び配置、並びにその構成及び動作の詳細に関して変更することができる。例えば、図８及び図９に示されるように、マニピュレータの別の実施例では、アクチュエータ２２の作用線ｃは、垂線に対して例えば４５°傾けることができる。その結果、第１のガイド３０は、線ｃに平行に傾けられ、第２のガイド３１は、線ｃに垂直である。さらに、マニピュレータは、単一のアクチュエータではなく、２つの空気圧アクチュエータを設けられることがある。例えば、２つの空気圧リニア・アクチュエータを横並びで互いに平行に取り付けることができ、これらの空気圧リニア・アクチュエータは、軸ａに沿って回転可能アセンブリ１３に取り付けられたそれぞれのシリンダと、振動アーム２４の両側でスピンドル２９又はスピンドル２９の延在部と一体であるそれぞれのロッドとを備える。

Claims (7)

1. 鉛直軸（ｚ）の周りで回転可能なアセンブリ（１３）を含む支持デバイス（１１）と、
   水平振動軸（ｘ）の周りで回転するように前記アセンブリ（１３）に枢支されたスイング・アーム（２４）を含む関節式平行四辺形リンク機構（２１）と、
   前記回転可能アセンブリ（１３）と前記関節式平行四辺形リンク機構（２１）との間で作用し、前記アーム（２４）を前記振動軸（ｘ）の周りで回転させる単一の空気圧リニア・アクチュエータ（２２）と
   を備える平衡型空気圧マニピュレータにおいて、
   前記アクチュエータ（２２）に接続されたスライド（２３）であって、前記スライド（２３）は、前記アクチュエータ（２２）が延びる方向に平行な第１の方向（ｃ）に延ばされた第１の直動ガイド手段（３０）によって前記回転可能アセンブリ（１３）に摺動可能に取り付けられており、前記スライド（２３）は、前記第１の直動ガイド手段（３０）に沿って移動する、スライド（２３）と、
   前記スライド（２３）と一体であり、前記第１の方向に垂直な第２の方向に延びる第２の直動ガイド手段（３１）と、
   前記スイング・アーム（２４）に取り付けられた係合要素（３２、３３）であって、前記係合要素（３２、３３）は、前記第２のガイド手段（３１）に自由に移動可能に係合しており、前記係合要素（３２、３３）は、前記第２のガイド手段（３１）に沿って移動する、係合要素（３２、３３）と
   をさらに備えることを特徴とする平衡型空気圧マニピュレータ。
2. 前記係合要素（３２、３３）が、ローラ手段（３３）を備え、前記ローラ手段（３３）が、前記スイング・アーム（２４）と一体の軸（３５）の周りで回転可能に取り付けられ、前記スライド（２３）の前記第２の直動ガイド手段（３１）に沿って転動することを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記第２のガイド手段（３１）が、少なくとも１つのスロット（３１ａ、３１ｂ）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマニピュレータ。
4. 前記第２のガイド手段が、前記第２の方向に垂直な方向で互いに離隔された１対の平行なスロット（３１ａ、３１ｂ）を備えることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 前記ローラ手段が、両方のスロット（３１ａ、３１ｂ）内で転動する円柱形ローラ（３３）を備えることを特徴とする請求項２及び４に記載のマニピュレータ。
6. 前記第１のガイド手段が鉛直方向に延在し、前記第２のガイド手段が水平方向に延在することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のマニピュレータ。
7. 前記スライド（２３）が、少なくとも１つの剛性のＬ字形要素を備え、前記第１のガイド手段（３０）に結合される長辺区域と、前記長辺区域に垂直であり、前記第２のガイド手段（３１）を提供する短辺区域とを有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載のマニピュレータ。

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