(57)【要約】【課題】簡易な構造にして長い伸長距離を実現すること。【解決手段】直動機構のベース１１には直線的移動自在に第１アーム１３が支持される。第１アームには直線移動自在に第２アーム１５が支持される。第１ラックアンドピニオンギア機構を構成する第１ピニオンギア２３はモータ２０の駆動軸に接続される。第１ピニオンギアに噛合する第１ラック２５は第１アームに取り付けられる。第２ラックアンドピニオンギア機構を構成する第２ラック３５はベースに取り付けられる。第２ラックに噛合する第２ピニオンギア３３は第１アームに設けられる。ベースに対する第１アームの移動に伴って第２ピニオンギアが回転する。伝達機構を構成する一対のプーリ４２，４４は第１アームに軸方向に沿って分設される。一対のプーリ間にベルト４５が架け渡される。一対のプーリのうち後方のプーリが第２ピニオンギアに接続される。ベルトの特定位置には第２アームが接続される。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに軸方向に沿って直線的に移動自在に支持される第１アームと、
前記軸方向に沿って直線的に移動自在に前記第１アームに支持される第２アームと、
前記ベースにマウントを介して設置されるモータと、
前記モータの駆動軸に第１ピニオンギアが接続され、前記第１ピニオンギアに噛合する第１ラックが前記第１アームに取り付けられてなる第１ラックアンドピニオンギア機構と、
前記ベースに第２ラックが取り付けられ、前記第２ラックに噛合する第２ピニオンギアが前記第１アームに設けられ、前記ベースに対する前記第１アームの移動に伴って前記第２ピニオンギアが回転する第２ラックアンドピニオンギア機構と、
前記第１アームに前記軸方向に沿って一対のプーリが分設され、前記一対のプーリ間にベルトが架け渡され、前記一対のプーリのうち後方のプーリが前記第２ピニオンギアに接続され、前記ベルトが特定位置において前記第２アームに接続されてなる伝達機構とを具備する直動機構。
【請求項２】
前記第２ピニオンギアは前記第１アームの後部に配置され、
前記第１ピニオンギアは前記ベースの前部に配置される請求項１に記載の直動機構。
【請求項３】
前記第１アームと前記第２アームとはそれぞれ筒体であり、前記第１アームは前記第２アームとともに入れ子構造に構成される請求項１又は２に記載の直動機構。
【請求項４】
前記第１アームと前記第２アームとはそれぞれ四角筒体である請求項３に記載の直動機構。
【請求項５】
前記一対のプーリと前記ベルトとは、前記第１アームと前記第２アームとの間隙に配置設置される請求項３記載の直動機構。
【請求項６】
前記第２ラックは前記第１ラックと同じ長さを有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の直動機構。
【請求項７】
前記第２ラックは前記第１ラックと同じ側に配置される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の直動機構。
【請求項８】
前記第１ラックは前記第１アームの上面に取り付けられる請求項１乃至７のいずれか一項に記載の直動機構。
【請求項９】
前記ベースには前記第１アームの移動に伴う振動を抑制するために緩衝器が設置される請求項１乃至８のいずれか一項に記載の直動機構。
【請求項１０】
ベースと、
前記ベースに軸方向に沿って直線的に移動自在に支持される第１アームと、
前記軸方向に沿って直線的に移動自在に前記第１アームに支持される第２アームと、
前記ベースに設置されるモータと、
前記第１アームの移動を駆動する駆動部と、
前記第１アームの直線運動を回転運動に変換する回転直動変換機構と、
前記第１アームに装備され、前記回転直動変換機構による回転運動を直線運動に変換する他の回転直動変換機構とを具備し、
前記回転直動変換機構と前記他の回転直動変換機構とにより前記ベースに対する前記第１アームの移動に連動して前記第２アームが前記第１アームに対して移動する直動機構。
【請求項１１】
ベースと、
前記ベースに軸方向に沿って直線移動自在に支持される第１アームと、
前記軸方向に沿って直線移動自在に前記第１アームに支持される第２アームと、
前記第１アームの移動を駆動する駆動部と、
前記第１アームの移動に連動して前記第２アームを前記第１アームに対して移動させる連動機構とを具備する直動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から複数の関節部を備えるロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。このようなボットアーム機構には、ロボットアーム機構に装備されたエンドエフェクタを直線的に動かすための直動関節を採用するものがある。直動関節のロボットアーム機構への採用は、例えば、ロボットアーム機構の肘関節部を不要とし、容易に特異点を解消することを可能にする。特異点を解消することにより、特異点を回避するためのロボットアーム機構の急な回転動作をなくすことができるため、ロボットアーム機構の可動領域への侵入を防止する柵を不要にできる可能性がある。また、直動関節により提供されるエンドエフェクタの直線的な動きは、作業員によるエンドエフェクタの軌道予測を容易にする。上記の理由から、直動関節を有するロボットアーム機構は、従来の垂直多関節型のロボットアーム機構に比べて、安全性が高く、作業員と協同して作業できる可能性がある。直動関節に適用できる技術として、多段アームを直線駆動機構により駆動する技術（例えば特許文献１参照）や、ボールネジ機構を用いたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平６−６１４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットアーム機構の可動範囲は直動関節の伸縮長に大きく依存する。また、部品コスト、組立容易性の観点からロボットアーム機構の構造を複雑にしたくないといった要望もある。そのため簡易な構造にして長い伸長距離を実現する直動関節が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る直動機構は、ベースを有する。ベースには軸方向に沿って直線的に移動自在に第１アームが支持される。第１アームには軸方向に沿って直線的に移動自在に第２アームが支持される。ベースにはマウントを介してモータが設置される。第１ラックアンドピニオンギア機構を構成する第１ピニオンギアはモータの駆動軸に接続される。第１ピニオンギアに噛合する第１ラックは第１アームに取り付けられる。第２ラックアンドピニオンギア機構を構成する第２ラックはベースに取り付けられる。第２ラックに噛合する第２ピニオンギアは第１アームに設けられる。ベースに対する第１アームの移動に伴って第２ピニオンギアが回転する。伝達機構を構成する一対のプーリは第１アームに軸方向に沿って分設される。一対のプーリ間にベルトが架け渡される。一対のプーリのうち後方のプーリが第２ピニオンギアに接続される。ベルトの特定位置には第２アームが接続される。
【発明の効果】
【０００６】
一態様によれば、簡易な構造にして長い伸長距離を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、一実施形態に係る直動機構を備えるロボットアーム機構の構成を図記号表現により示す図である。
【図２】図２は、一実施形態に係る直動機構の外観を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２の直動機構の正面図である。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ´断面図である。
【図５】図５は、一実施形態に係る直動機構の第３回転直動変換機構を示す図である。
【図６】図６は、図２の直動機構のアームの動作を説明するための補足説明図である。
【図７】図７は、図６の第１アームの動作を説明するための補足説明図である。
【図８】図８は、図６の第２アームの動作を説明するための補足説明図である。
【図９】図９は、図２の直動機構のアームの動作を説明するための補足説明図である。
【図１０】図１０は、一実施形態の変形例に係る直動伸縮機構の外観を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０の直動機構の正面図である。
【図１２】図１２は、図３のベースと第１アームとの間の部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る直動機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【０００９】
ロボットアーム機構１は、複数のリンクと、複数のリンクを連結する複数の関節部とかとを有する。例えば複数の関節部のうち一の関節部が直動機構に換装される。図１に示すように、典型的には、ロボットアーム機構１は、基台に垂直な回転軸ＲＡ１を備える旋回用の第１回転関節部Ｊ１、水平な回転軸ＲＡ２を備える第２回転関節部Ｊ２、移動軸ＲＡ３を備える直動機構Ｊ３を有する。直動機構Ｊ３の先端には手首部を介してエンドエフェクタとしてのハンド３が装着される。手首部には、直交３軸（回転軸ＲＡ４，ＲＡ５、ＲＡ６）をなす３つの回転関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６が装備される。本実施形態に係る直動機構は、単独使用することができるが、典型的には、ロボットアーム機構１に組み込まれて使用される。
【００１０】
以下、図２、図３及び図４を参照して、本実施形態に係る直動機構１０の構造を説明する。  
図２に示すように、直動機構１０は、アーム構造と、アーム構造を移動自在に支持する支持台（ベース）１１とを有する。ベース１１は例えば平板である。アーム構造は、大きさが異なる２つの四角筒体を嵌め合わせてなる入れ子構造をなす。四角筒体の第１アーム１３に、その内寸よりも外寸が小さい四角筒体の第２アーム１５が挿入される。典型的には第１、第２アーム１３，１５の中心線は互いに平行である。第２アーム１５の中心線は移動軸ＲＡ３に相当する。第１アーム１３はベース１１に対してその中心線ＲＡ３に沿って直線的に移動自在に支持される。第２アーム１５は第１アーム１３に対してその中心線ＲＡ３に沿って直線的に移動自在に支持される。
【００１１】
ここで説明の便宜上、ベース１１の表面（上面）に対峙する底板を第１下部板、第１下部板に対向する天板を第１上部板、第１上部板と第１下部板とを繋ぐ垂直な両側の２つの側板を第１左側板、第１右側板と称してそれらを区別する。第２アーム１５も同様に第２上部板、第２下部板、第２左側板、第２右側板とからなるものとする。
【００１２】
第２アーム１５の前後長は第１アーム１３のそれより若干長い。第１アーム１３の上下内寸よりも、第２アーム１５の上下外寸は短く、第１アーム１３の第１下部板に対して間隙を隔てて第２アーム１５の第２下部板が配置される。この間隙に後述の第３回転直動変換機構（伝達機構）を構成する一対のプーリ４２，４４とベルト４５とが配置される。
【００１３】
上記のように第１アーム１３と第２アーム１５とをそれぞれ四角筒体に構成することで、第１アーム１３と第２アーム１５とが板状である場合に比べて、アーム自体の剛性が向上する。第１、第２アーム１３，１５は四角筒体に限定されることは無く、円筒体、六角等の多角筒体である事を否定されない。
【００１４】
第１アーム１３をベース１１に対して移動自在に支持する支持構造と、第２アーム１５を第１アーム１３に対して移動自在に支持する支持構造とは以下のように構成される。
【００１５】
図３、図４に示すように、ベース１１の表面に直線状の第１スライダレール５３が第２アーム１５の中心線ＲＡ３と平行に設けられる。第１アーム１３の第１下部板の外側面の幅中央には、第１スライダレール５３に嵌合する複数の第１スライダブロック５４が中心線ＲＡ３に沿って分設されている。また、第１アーム１３の第１上部板の内側面の幅中央には、直線状の第２スライダレール５１が中心線ＲＡ３と平行に設けられる。第２アーム１５の第２上部板の外側面の幅中央には、第２スライダレール５１に嵌合する複数の第２スライダブロック５２が中心線ＲＡ３に沿って分設されている。
【００１６】
第１、第２アーム１３，１５の直線的な移動を駆動する駆動機構は以下のように構成される。直動機構１０は単一のモータ２０を有する。モータ２０はベース１１に固定された図示しないモータマウント上に設置される。モータ２０はベース１１に対して相対的に固定される。直動機構１０には、モータ２０の駆動軸の回転運動を第１アーム１３の直線運動に変換する第１回転直動変換機構と、第１アーム１３の直線運動を回転運動に変換する第２回転直動変換機構と、第２回転直動変換機構による回転運動を第２アーム１５の直線運動に変換する第３回転直動変換機構とが装備される。
【００１７】
第１回転直動変換機構は、ラックアンドピニオン機構を構成する第１ピニオンギア２３と、それと噛合する第１ラック２５とを有する。第１ピニオンギア２３はモータシャフト２１に直接的に又は減速器を介して接続される。第１アーム１３の可動域としてその前後長と同じ又はそれに近い距離を確保するために、図２、図３に示すように第１ラック２５の長さは第１アーム１３のそれとほぼ等価である。第１ラック２５は第１アーム１３の第１右側板の外側面に中心線ＲＡ３と平行に、且つ歯先が下方を向くように取り付けられる。上記可動域の全域にわたって第１アーム１３を駆動するために、第１ピニオンギア２３はベース１１の最前位置又はその付近に配置される。
【００１８】
第２回転直動変換機構は、ラックアンドピニオンを構成する第２ピニオンギア３３と、第２ピニオンギア３３と噛合う第２ラック３５とを有する。第１アーム１３の両側板にはそれぞれ軸受けが設けられ、軸受けにシャフト３１が挿入される。シャフト３１は第１アーム１３の内部を横断して側板から突出する。シャフト３１の突出した部分に第２ピニオンギア３３が結着される。
【００１９】
シャフト３１の中央付近にはプーリ４２が嵌入される。プーリ４２は第１アーム１３の内部に配置される。第２ピニオンギア３３が回転すると、それに従ってプーリ４２も回転する。第２ラック３５は中心線ＲＡ３と平行に、且つ歯先が上方を向くようにベース１１に取り付けられる。ベース１１に対する第１アーム１３の前後移動に従って、第２ピニオンギア３３が順逆回転する。第１アーム１３の可動域のほぼ全域にわたる移動に伴って、第２ピニオンギア３３が回転するように、第２ラック３５の長さは第１ラック２５のそれと等価であり、且つ第２ピニオンギア３３のシャフト３１は第１アーム１３の最後尾又はその付近に配置される。
【００２０】
第３回転直動変機構は、伝達機構を構成する上記プーリ４２と、それともに一対をなすフリーのプーリ４４と、一対のプーリ４２，４４に掛け渡されるベルト４５とを有する。上述の通りプーリ４２は、第１アーム１３の最後尾又はその付近に配され、それと一対をなすプーリ４４は第１アーム１３の最後尾又はその付近に配される。上述の通り、第１アーム１３の前後移動に伴って第２ピニオンギア３３が回転すると、それに従ってベルト４５がプーリ４２，４４間を循環回転する。以下、第２ピニオンギア３３に接続される後方のプーリ４２を駆動プーリ４２、前方のプーリ４４を従動プーリ４４と称す。
【００２１】
図３、図４、図５に示すように、一対のプーリ４２，４４とベルト４５とは、第１アーム１３の第１下部板の内側面と第２アーム１５の第２下部板の外側面との間の間隙に配置される。従動プーリ４４は、シャフト３１に決着される。第２ピニオンギア３３の回転に従ってシャフト３１が軸回転し、それとともに従動プーリ４４が回転される。ベルト４５の表面には接続片４６が結着される。他方、接続片４６は第２アーム１５の最後尾又はその付近に結着される。ベルト４５が循環回転すると、それに伴って第２アーム１５は前後に移動駆動される。
【００２２】
第３回転直動変機構は、第２回転直動変機構とともに、第１アーム１３の移動に連動させて第２アーム１５を移動する連動機構を構成する。
【００２３】
上記のように、第１アーム１３の第１右側板側に駆動系（第１回転直動変換機構と第２回転直動変換機構）を集約することで、上記の駆動系が第１アーム１３の周囲に分散している場合に比べて直動機構１０の専有面積、具体的には直動機構１０の幅または高さを小さくすることができる。また、駆動系を集約することは、直動機構１０の組み立てを容易にし、メンテナンス性を向上する。これらは、直動機構１０のロボットアーム機構１への導入を容易にすることにも寄与する。
【００２４】
以下、図６、図７及び図８を参照して、一実施形態に係る直動機構１０の動作を説明する。図６に示すように、モータ２０が順回転するとき、第１アーム１３がベース１１に対して前方に送り出され、第１アーム１３の前方への移動に連動して第２アーム１５が第１アーム１３の開口から前方に送り出される。同様に、モータ２０が逆回転するとき、第１アーム１３が引き戻され、第１アーム１３の後方への移動に連動して第２アーム１５が第１アーム１３に対して相対的に後方へ移動する。これにより、図１に示す第３直動関節部Ｊ３として直動機構１０を用いたとき、第２アーム１５の先端に接続された手首部及び手首部に装着されたハンド３を中心線ＲＡ３に沿って直線的に前後に移動させることができる。直動機構１０の動作の詳細は以下の通りである。
【００２５】
直動機構１０の固定部側と可動部側とを整理すると、第１ピニオンギア２３はモータ２０に接続されているためその位置は固定である。第２ラック３５はベース１１に設けられているためその位置は固定である。一方、第１ラック２５と第２ピニオンギア３３とはそれぞれ第１アーム１３に設けられているため中心線ＲＡ３に沿って移動自在である。
【００２６】
図７（ａ）に示すように、モータ２０が順回転（矢印Ｓ１の方向に回転）すると、モータ２０とともに第１ピニオンギア２３が回転する。第１ピニオンギア２３の回転に伴って、第１ピニオンギア２３が噛合された第１ラック２５が前方に引き出される。これにより、第１ラック２５を装備する第１アーム１３はベース１１に対して中心線ＲＡ３に沿って前方（矢印Ｓ２の方向）に移動される。
【００２７】
図７（ｂ）に示すように、第１アーム１３が中心線ＲＡ３に沿って前方に移動される（矢印Ｓ２の方向）と、第１アーム１３とともに第２ピニオンギア３３が中心線ＲＡ３に沿って前方に移動する。このとき、第２ピニオンギア３３は第２ラック３５上を転動する。これにより、第２ピニオンギア３３は、第１アーム１３の移動に伴って順方向（矢印Ｓ３の方向）に回転される。
【００２８】
図８（ａ）に示すように、第２ピニオンギア３３が順方向（矢印Ｓ３の方向）に回転されると、第２ピニオンギア３３と同軸に接続された駆動プーリ４２も順方向（矢印Ｓ３の方向）に回転する。図８（ｂ）に示すように、駆動プーリ４２が順方向（矢印Ｓ３の方向）に回転すると、駆動プーリ４２と従動プーリ４４との間に掛け渡されたベルト４５が（矢印Ｓ４の方向）に回転し、従動プーリ４４も順方向（矢印Ｓ５の方向）に回転する。ベルト４５が順方向（矢印Ｓ４の方向）に回転することによって、ベルト４５の上側に接続された第２アーム１５がベルト４５の回転方向（矢印Ｓ６の方向）に送り出される。これにより、第２アーム１５は第１アーム１３に対して中心線ＲＡ３に沿って前方（矢印Ｓ７の方向）に送り出される。
【００２９】
上記のように、直動機構１０が備える各回転直動変換機構により、モータ２０の回転運動が第１アーム１３の直線運動に変換され、第１アーム１３の直線運動が第２ピニオンギア３３の回転運動に変換され、第２ピニオンギア３３の回転運動が第２アーム１５の直線運動に変換される。その結果、図６に示すような、直動機構１０のアームの伸縮動作を単一のモータ２０で実現することができる。また、第３回転直動変換機構としててベルト機構を採用することは、ラックアンドピニオン機構を採用する場合に比べて以下のような効果を発揮する。すなわち、ラックとギアの噛合ではなく、ベルト４５が回転しているだけであるため静音性が高く、第１アーム１３の上下の振動も抑えられる。また、ベルト機構の主な部品は駆動プーリ４２、従動プーリ４４及びベルト４５だけであるため、部品点数が少なく、構造的にもシンプルであるため、組立性がよい。ラックアンドピニオン機構を採用した場合、第２アーム１５にラックを設け、このラックに噛合するピニオンギアを第１アーム１３の前部に配置する必要がある。さらに、第１アーム１３の後部の第２ピニオンギア３３の回転運動を第１アーム１３の前部のピニオンギアに伝達するための伝達機構が必要となる。したがって、ベルト機構に比べて部品点数が多く、構造が複雑になってしまい、組立性はわるい。また、これらの部品を第１アーム１３と第２アーム１５との間の隙間に収容するためには、第１アーム１３の開口を大きくするか、または第２アーム１５の開口を小さくする必要がある。第１アーム１３の開口を大きくした場合、直動機構１０の専有面積が拡大してしまう。一方、第２アーム１５の開口を小さくした場合、アーム自体の剛性が確保できない可能性がある。
【００３０】
なお、典型的には、第１ピニオンギア２３と第２ピニオンギア３３とのギア比は１対１である。また、第１ラック２５と第２ラック３５とのギア比も１対１である。これにより、図９に示すように、第１アーム１３がベース１１に対して距離Ｄ１だけ前方に移動したとき、第２アーム１５も第１アーム１３に対して距離Ｄ１と同じ距離Ｄ２だけ前方に移動させることができる。第１アーム１３と第２アーム１５とが連動して同じ距離を移動するため、アーム伸縮時の外観が良い。
【００３１】
図９に示すように、アームの伸縮長Ｄｔは第１アーム１３の移動距離Ｄ１と第２アーム１５の移動距離Ｄ２の和で表される。第１アーム１３の移動距離Ｄ１は第１ラック２５の長さに対応し、第２アーム１５の移動距離Ｄ２は第２ラック３５の長さに対応する。第１ラック２５の長さは第１アーム１３の長さと同一であり、第２ラック３５の長さはベース１１の長さと同一である。したがって、ベース１１と第１アーム１３とを同じ長さに構成することで、アームの伸縮長Ｄｔを最長化することができる。
【００３２】
なお、第１ラック２５が設置される位置は上記に限定されない。図１０、図１１に示すように、第１ラック２５は、第１アーム１３の第１上部板の外側面の幅中央に中心線ＲＡ３に沿って設置されてもよい。このとき第１ラック２５は、第２ラック３５と同様に、歯先が上方を向くように配置される。ベース１１と第１ピニオンギア２３とはその位置が固定されているため、位置が固定されている２つの部材により第１アーム１３を上下から挟み込むことで、第１アーム１３に装備された第１ラック２５から第１ピニオンギア２３が外れること、及びベース１１に設置された第２ラック３５から第２ピニオンギア３３が外れることを抑制することができる。この効果は、第１アーム１３を幅中央においてベース１１と第１ピニオンギア２３とで上下から挟み込むことで、さらに向上する。
【００３３】
また、第１ラック２５の移動に伴う振動を抑えるために、ベース１１に複数の緩衝器６０を設置してもよい。例えば、緩衝器６０はローラ６１とローラ６１の両端をそれぞれ支持する２つのダンパ６２とにより構成される。図１２に示すように、緩衝器６０は、ベース１１に設置された第１スライダレール５３の両脇、第１アーム１３の第１下部板とベース１１との間に中心線ＲＡ３に沿って分設される。これにより、第１アーム１３の第１スライダレール５３の中心線に対する傾きを抑制することができ、スムーズな移動が実現される。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０…直動機構、１１…ベース、１３…第１アーム、１５…第２アーム、２０…モータ、２１…モータシャフト、２３…第１ピニオンギア、２５…第１ラック、３１…シャフト、３３…第２ピニオンギア、３５…第２ラック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020116651.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020116651.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2020116651.tif 000013
【図１２】
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