JP2014061571A - ユニバーサルジョイント、及びそれを備えたパラレルリンクロボット - Google Patents

Abstract

【課題】可動範囲を広くすることが可能なユニバーサルジョイント及びそれを備えたパラレルリンクロボットを提供すること。
【解決手段】ユニバーサルジョイント２１は、固定プレート１２と可動プレート１３とを複数のアーム１４及びリンク１７で姿勢変更自在に接続したパラレルリンクロボット１０において、リンク１７と可動プレート１３を接続するユニバーサルジョイント２１であって、それぞれの軸１１ａ、１１ｂが交差した２つのジョイント部１１から構成され、ジョイント部１１は、軸１１ａ、１１ｂを支持するための部材の左右にそれぞれ窪み１１ｃが形成されたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、産業用途を主とするロボットのジョイントに関するものである。本発明は、特に、ロボットを固定する固定プレートと、エンドエフェクタなどの作用部材が取り付けられる可動プレートとの間を、複数のアームで連結した構造を持つユニバーサルジョイントに関するものである。

ロボットを固定する固定プレートと、エンドエフェクタなどの作用部材が取り付けられる可動プレートとの間を、複数のアームで連結した構造を持つパラレルリンクロボットの一例として、特許文献１に開示のものがある。

特許文献１に開示のパラレルリンクロボットは、図６に示すとおり、ベースプレート（固定プレート）１とトラベリングプレート（可動プレート）２とが、センタシャフト３及び３本のリンク４を介して互いに連結されている。センタシャフト３の先端部は、トラベリングプレート２の中央部に固定されている。センタシャフト３の後端部は、ベースプレート１の中央部を、ユニバーサルジョイント５の可動部に組み込まれたスプライン軸受５２を介して貫通している。各リンク４の先端部は、ユニバーサルジョイント７を介して、トラベリングプレート２の周縁部に接続されている。各リンク４の後端部は、ユニバーサルジョイント６の可動部に組み込まれたボールナット６２を介して、ベースプレート１の周縁部に接続されている。

このように、パラレルリンクロボットの各関節に、ユニバーサルジョイントを用いたものが提案されている。

特開平１１−８８７号公報

しかしながら、前記従来のユニバーサルジョイントでは、その構成上、トラベリングプレート２の可動範囲に限界があるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可動範囲を広くすることが可能なユニバーサルジョイント及びそれ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。

上記目的を達成するために、本発明のユニバーサルジョイントは、それぞれの軸が交差した２つのジョイント部から構成され、前記ジョイント部は、前記軸を支持するための部材の左右にそれぞれ窪みが形成されたことを特徴とする。

以上のように、本発明のユニバーサルジョイント及びそれを備えたパラレルリンクロボットによれば、ユニバーサルジョイントの可動範囲を広くすることができる。

本発明の実施の形態１におけるパラレルリンクロボットの概略図 本実施の形態１におけるパラレルリンクロボットのジョイント部近傍の部分拡大図 本実施の形態１におけるパラレルリンクロボットのユニバーサルジョイント近傍の部分拡大図 本実施の形態１におけるパラレルリンクロボットのジョイント部の概略図 （ａ）、（ｂ）本実施の形態１におけるパラレルリンクロボットのユニバーサルジョイント近傍の部分拡大図 特許文献１に記載された従来のパラレルリンクロボットを示す概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜説明を省略している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態のパラレルリンクロボット１０の概略構成図である。図１において、パラレルリンクロボット１０は、固定プレート１２と可動プレート１３とを、アーム１４及びリンク１７で連結している。そして、パラレルリンクロボット１０では、このアーム１４及びリンク１７の位置または姿勢を制御することで、可動プレート１３の動作を制御する。

本実施の形態のパラレルリンクロボット１０の可動プレート１３は、駆動源等の重量物が無く極めて軽量な構造であるため、可動プレート１３を高速に動作させる高速動作またはダイレクト教示などに有用である。なお、「ダイレクト教示」とは、可動プレート１３をユーザが直接手に取って直接的に移動させ、このユーザの手による教示の動作軌跡を記録することにより、可動プレート１３の動作軌跡をダイレクトにパラレルリンクロボット１０に教示する方法である。

アーム１４は、固定プレート１２に内蔵されたモータ１５の主軸に接続されている。モータ１５は、関節角度検出手段としてのエンコーダ１５ａを備えている。エンコーダ１５ａを用いることで、アーム１４の角度を検出することができる。モータ１５は、パラレルリンクロボット１０の動力源の一例である。図１では、図を簡略化するためにモータ１５を一つだけ図示しているが、本実施の形態１のパラレルリンクロボット１０は、６つのアーム１４それぞれにモータ１５が接続されている。すなわち、本実施の形態１のパラレルリンクロボット１０の固定プレート１２には、モータ１５およびエンコーダ１５ａが６つ内蔵されている。

ここで、所定の空間内に設定される固定座標系において、パラレルリンクロボット１０の可動プレート１３の位置および姿勢が自由に定義されるためには、可動プレート１３が６つの自由度（可動軸）を有することが必要である。本実施の形態１のパラレルリンクロボット１０は、１つのアーム１４および１つのリンク１７および１つのモータ１５からなる組を６組用いると共に、モータ１５の回転を１組毎に独立に制御することによって、可動プレート１３の位置および姿勢を空間内で自在に設定することができる。つまり、可動プレート１３は、３組６つのアーム１４及び３組６つのリンク１７により固定プレート１２に対して姿勢変更自在に接続され、６つのアーム１４の回転角度に応じてその位置および姿勢が変化する。

アーム１４は、その一端が固定プレート１２に取り付けられており、所定の１軸周りに所定の面内を旋回するように構成されている。リンク１７の両端は、空間内を自由旋回することが可能なジョイント部１１で接続されている。ジョイント部１１は、軸受の一例である。リンク１７の一端はジョイント部１１によりアーム１４の他端に接続され、リンク１７の他端は交差した２つのジョイント部１１により可動プレート１３に接続されている。ユニバーサルジョイント２１は、この交差した２つのジョイント部１１により構成される。ユニバーサルジョイント２１は、パラレルリンクロボット用ユニバーサルジョイントの一例である。すなわち、ユニバーサルジョイント２１は、一方のジョイント部１１と他方のジョイント部１１を図３に示すように交差することで構成される。

そして、可動プレート１３の位置および姿勢は、アーム１４およびリンク１７によって連結および拘束されることにより、アーム１４およびリンク１７の位置および姿勢に応じて、空間内で変化することができる。つまり、可動プレート１３の位置および姿勢は、アーム１４の回転角度をモータ１５などの駆動源で制御することによって、変えることができる。なお、可動プレート１３には、例えば、対象物を把持するためのエンドエフェクタ１８が取り付けられる。

本実施の形態１で必要とする可動プレート１３の傾斜角度は、３０°である。この角度は、特殊な場合を除き、ほとんどの組立を可能とする可動プレート１３の傾斜角度である。

この可動プレート１３の傾斜角度の動きを実現するために、本実施の形態１のようなヘキサ型のパラレルリンクロボット１０では、アーム１４とリンク１７との間のジョイント部１１には２自由度が必要であり、リンク１７と可動プレート１３との間のユニバーサルジョイント２１（２つのジョイント部１１）には３自由度が必要である。さらに、可動プレート１３の可動範囲を広げるためには、ジョイント部１１が各自由度でそれぞれ４５°の回転が可能であり、全箇所の振り角が４５°の場合においても部品が干渉しない形状である必要がある。

また、ジョイント部１１は、振り角を持つと共に、繰返し精度を満たす剛性、可動プレート１３及びエンドエフェクタ１８の重量やその加速による慣性力に耐える強度が必要である。

このような条件を満たすために、本実施の形態１のパラレルリンクロボット１０のジョイント部１１では、すべり軸受に代えて転がり軸受を使用すると共に、ジョイント部１１が各自由度において最大４５°回転した組み合わせとなっても部品が干渉せず、かつ、ジョイント部１１が長時間動作後に拡がらない構成としている。

図２に本実施の形態１のパラレルリンクロボットのジョイント部近傍の部分拡大図を示し、図３に本実施の形態１のパラレルリンクロボットのユニバーサルジョイント近傍の部分拡大図を示す。

図２は、アーム１４とリンク１７との間におけるジョイント部１１の近傍を示す図であり、各アーム１４とリンク１７との間には、ジョイント部１１が１つ配置されている。

図３は、リンク１７と可動プレート１３との間におけるユニバーサルジョイント２１の近傍を示す図であり、各リンク１７と可動プレート１３との間には、それぞれの軸が交差するように２つのジョイント部１１が配置されている。具体的には、図３に示すように、交差する２つのジョイント部１１の軸１１ａ、１１ｂのうち、一方の軸１１ａに横向きの貫通穴を形成し、この貫通穴に他方の軸１１ｂを通すことで、交差する２つの軸１１ａ、１１ｂを構成している。交差する２つの軸１１ａ、１１ｂは、クロスピン構成となっている。各軸１１ａ、１１ｂの両端はおねじ形状になっており、軸受を両側からねじで締付ける構造とし、機械的にアキシャル方向へのガタが発生しないようにしている。すなわち、軸１１ａ、１１ｂは、ボルト及びナットにより構成される。

また、図３に示すように、ユニバーサルジョイント２１は、回転軸２２を介して可動プレート１３と接続されている。ユニバーサルジョイント２１の２自由度と回転軸２２の１自由度とにより、リンク１７と可動プレート１３との間の関節機構は、３自由度を有する。このような構成により、本実施の形態１のパラレルリンクロボット１０では、リンク１７と可動プレート１３との関節機構において、小型化可能な３自由度関節機構を実現することが可能である。

なお、アーム１４の先端及びリンク１７の両端には、転がり軸受を配置している。

ここで、ジョイント部１１を正面（図２の矢印Ａの方向、図３の矢印Ｂの方向）から見た図を、図４に示す。図４は、本実施の形態１のパラレルリンクロボットのジョイント部１１の概略図である。

図４に示すように、ジョイント部１１は、窪み１１ｃを有する。窪み１１ｃは、軸１１ａ、１１ｂを支持するための部材の左右に配置される。また、窪み１１ｃは、軸１１ａ、１１ｂを通すための穴の中心からずれた位置に配置されている。

本実施の形態１のユニバーサルジョイント２１は、可動角度が小さい場合は、従来のユニバーサルジョイントと同様に機能する。だが、本実施の形態１のユニバーサルジョイント２１は、可動角度が大きくなった場合に、一方のジョイント部１１の軸１１ａ、１１ｂを通すための穴の左右に形成された突起部１１ｄが、他方のジョイント部１１の窪み１１ｃ内に配置される構成である。そして、本実施の形態１のユニバーサルジョイント２１は、一方のジョイント部１１の突起部１１ｄが他方のジョイント部１１の窪み１１ｃ内に配置されるように可動可能であるため、従来のユニバーサルジョイントよりも可動範囲が広くなっている。

本実施の形態１のジョイント部１１は、軸１１ａ、１１ｂを通すための穴の中心からジョイントの端までの距離Ｌ１が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、略半円形状の窪み１１ｃの半径Ｒ＝Ｌ２が１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、軸１１ａ、１１ｂを通すための穴の中心と窪み１１ｃの中心との縦方向の距離Ｌ３が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、軸１１ａ、１１ｂの長さＬ４（図３参照）が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。なお、本実施の形態１では、Ｌ１＝６．５ｍｍ、Ｌ２＝１．７ｍｍ、Ｌ３＝５ｍｍ、Ｌ４＝１４ｍｍのジョイント部１１を用いた場合について説明した。

ここで、前述のように、交差するジョイント部１１においても最大振り角度４５°を実現するためには、Ｌ１：Ｌ２が１：０．３５以上１：０．４５以下である必要がある。さらに、Ｌ４＞Ｌ１×２であると共に、Ｌ１：Ｌ３が１：０．７以上１：０．８以下である必要がある。

また、ジョイント部１１が所定の強度を有するためには、Ｌ１≧５ｍｍであると共に、Ｌ３≧３．５ｍｍである必要がある。

なお、本実施の形態１におけるジョイント部１１の先端の形状は、突起部１１ｄを別のジョイント部の窪み１１ｃ内に配置するために四角形状では成り立たず、Ｒ＝Ｌ１の略半円形状とする必要がある。

また、窪み１１ｃの形状は、略半円形状である必要はなく、適当な窪み深さを有すると共に、図４の紙面横方向の窪み幅が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であれば、四角形状でも良い。

このように構成されたパラレルリンクロボット１０におけるジョイント部１１は、エンドエフェクタ１８が移動及び回転しても、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各自由度の最大振り角度（４５°）に達するまで各構成部品が干渉しない。これは、本実施の形態１のジョイント部１１に、窪み１１ｃを設けたことによる効果である。なお、図６に示すように、従来のユニバーサルジョイントには、このような窪みは存在しない。

なお、本実施の形態１では、リンク１７と可動プレート１３との接続部にユニバーサルジョイント２１を形成したが、可動範囲を更に広げるために、アーム１４とリンク１７との接続部にユニバーサルジョイントを形成しても良い。

本発明のパラレルリンクロボット用ユニバーサルジョイント及びそれを備えたパラレルリンクロボットは、産業用の組み立てに用いられるロボットとして有用である。

１０ パラレルリンクロボット
１１ ジョイント部
１１ａ、１１ｂ 軸
１１ｃ 窪み
１１ｄ 突起部
１２ 固定プレート
１３ 可動プレート
１４ アーム
１５ モータ
１５ａ エンコーダ
１７ リンク
１８ エンドエフェクタ
２１ ユニバーサルジョイント
２２ 回転軸

Claims (5)

1. それぞれの軸が交差した２つのジョイント部から構成され、
   前記ジョイント部は、前記軸を支持するための部材の左右にそれぞれ窪みが形成された、
   ユニバーサルジョイント。
2. 可動角度が大きくなった場合に、一方の前記ジョイント部の前記軸を通すための穴の左右に形成された突起部が、他方の前記ジョイント部の前記窪み内に配置される、
   請求項１に記載のユニバーサルジョイント。
3. 固定プレートと可動プレートとを複数のアーム及びリンクで姿勢変更自在に接続したパラレルリンクロボットであって、
   請求項１又は２に記載のユニバーサルジョイントが、前記リンクと前記可動プレートを接続する、
   パラレルリンクロボット。
4. 前記リンクに接続された前記ユニバーサルジョイントは、前記可動プレートと回転軸を介して接続されており、
   前記ユニバーサルジョイントと前記回転軸とにより構成される関節機構が、３自由度を有する、
   請求項３に記載のパラレルリンクロボット。
5. 前記ジョイント部は、前記軸を通すための前記部材の穴の中心から前記部材の端までの距離Ｌ１と、前記窪みの幅Ｌ２と、前記軸を通すための部材の穴の中心と前記窪みの中心との縦方向の距離Ｌ３と、前記軸の長さＬ４との関係が、 Ｌ１：Ｌ２＝１：０．３５〜１：０．４５ 、 Ｌ１：Ｌ３＝１：０．７〜１：０．８ 、 Ｌ４＞Ｌ１×Ｌ２ を満たす、
   請求項３または４に記載のパラレルリンクロボット。