(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧空気を駆動源とするワーク保持手段への配管が外部に露出せず、省スペース化が可能であると共に、メンテンス性を良好に保つことが可能なロボットアームを提供する。【解決手段】軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列されたアーム軸３と、このアーム軸３が遊嵌する貫通孔を有すると共に該アーム軸３と相まってリニアモータを構成し、印加される電気信号に応じて前記アーム軸３を軸方向へ進退させるフォーサと、前記アーム軸３の一端に設けられると共に空気圧に応じて動作するワーク保持手段４とから構成され、前記アーム軸３には前記ワーク保持手段４に対して空気圧を作用させるための流体供給孔３０が軸方向に沿って貫通形成され、この流体供給孔３０がワーク保持手段４の供給ポートに接続されている。【選択図】図１
2008264987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列されたアーム軸と、このアーム軸が遊嵌する貫通孔を有すると共に該アーム軸と相まってリニアモータを構成し、印加される電気信号に応じて前記アーム軸を軸方向へ進退させるフォーサと、前記アーム軸の一端に設けられると共に空気圧に応じて動作するワーク保持手段とから構成され、
前記アーム軸には前記ワーク保持手段に対して空気圧を作用させるための流体供給孔が軸方向に沿って貫通形成されていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記アーム軸は、前記磁極が配列されたマグネット軸部及び軸方向に沿ってスプライン溝が形成された回転軸部を備え、
前記フォーサには、前記アーム軸の回転軸部に組付けられて該アーム軸を軸方向へ案内するスプラインナットが回転自在に保持されると共に、印加される電気信号に応じ前記スプラインナットを回転駆動する回転モータ部が前記アーム軸と同一軸心上に固定されていることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業機器において搬送対象物であるワークを保持して搬送するためのロボットアームに係り、特に、空気圧により動作するワーク保持手段をアーム軸の先端に設けたロボットアームの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のロボットアームとしては、モータの回転運動をボールねじによってアーム軸の並進運動に変換し、それによって前記アーム軸の先端に設けられたワーク保持手段をワークに対して進退させるものが知られている。しかし、このようなボールねじを用いたロボットアームでは、ボールねじの回転における危険速度やボールの高速転動に伴って発生する騒音との関係から、アーム軸の並進運動の高速化には限界がある。
【０００３】
一方、軽量なワークを高速で搬送する用途に適したロボットアームとして、ロッドタイプのリニアモータアクチュエータを使用したものが知られている。このロッドタイプのリニアモータアクチュエータは、棒状に形成されると共に軸方向に沿って所定のピッチでＮ極及びＳ極が繰り返し配列されたマグネットロッドと、このマグネットロッドの周囲に僅かな隙間を介して遊嵌しているフォーサとから構成されており、フォーサ内に設けられたコイル部材に通電することで、前記マグネットロッドがフォーサに対して進退するように構成されている。
【０００４】
このロッドタイプのリニアモータアクチュエータでは、前記マグネットロッドの周囲をコイル部材が取り囲んでいることから強力な推力を発揮することができ、小型化を図りながら前記マグネットロッド大きな推力を与えることが可能である。また、リニアモータによって直接的にマグネットロッドの並進運動を得られることから、かかるマグネットロッドをアーム軸としてその先端にワーク保持手段を設けることにより、ワークを高速で取り扱うことが可能なロボットアームを構築することが可能である。
【特許文献１】ＷＯ２００６／０３５９４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記マグネットロッドの先端に設けられるワーク保持手段としては種々の装置を選択可能であるが、ワークのクランプ及びリリースの応答速度の高速化、軽量・小型化の観点から、空気圧に応じて動作するエアチャック等の手段が多用されている。
【０００６】
しかし、前記マグネットロッドの先端にワーク保持手段としてのエアチャックを取り付ける場合には、かかるエアチャックに対して高圧空気を供給するための配管を接続する必要があり、ワーク保持手段の周辺に配管スペースが必要となるほか、ロボットアームそれ自体のメンテナンス性が悪化する懸念があつた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高圧空気を駆動減とするワーク保持手段への配管が外部に露出せず、省スペース化が可能であると共に、メンテンス性を良好に保つことが可能なロボットアームを提供することにある。
【０００８】
前記目的を達成する本発明のロボットアームは、軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列されたアーム軸と、このアーム軸が遊嵌する貫通孔を有すると共に該アーム軸と相まってリニアモータを構成し、印加される電気信号に応じて前記アーム軸を軸方向へ進退させるフォーサと、前記アーム軸の一端に設けられると共に空気圧に応じて動作するワーク保持手段とから構成されている。そして、前記アーム軸には前記ワーク保持手段に対して空気圧を作用させるための流体供給孔が軸方向に沿って貫通形成され、この流体供給孔がワーク保持手段の供給ポートに接続されている。
【０００９】
このような本発明によれば、高圧空気はマグネットロッドとして機能するアーム軸に貫通形成された流体供給孔を介してワーク保持手段に供給されるので、アーム軸に対してワーク保持手段を固定し、ワーク保持手段に具備された高圧空気の供給ポートに対して前記アーム軸の流体供給孔を連結すれば、アーム軸の外部に高圧空気の供給配管を別途設ける必要がなくなる。それにより、アーム軸及びワーク保持手段の周囲に無駄なスペースを必要とせず、ロボットアームの省スペース化を図ることができるものである。また、アーム軸及びワーク保持手段の周囲に配管が露出しないので、ロボットアームのメンテナンス性も向上する。
【００１０】
更に、前記流体供給孔を通過する高圧空気によってアーム軸が冷却されるので、このアーム軸と相まってリニアモータを構成するフォーサが通電によって発熱しても、アーム軸を介して前記フォーサを間接的に冷却することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に基づいて本発明のロボットアームを詳細に説明する。
【００１２】
図１及び図２は本発明のロボットアームの実施形態の一例を示す概略図である。このロボットアーム１は、マグネットロッドとしてのアーム軸３を備えたリニアモータアクチュエータ２と、前記アーム軸３の先端に固定されたワーク保持手段としてのエアチャック４とから構成されており、前記アーム軸３を進退させてエアチャック４を搬送対象物たるワーク５にアプローチさせ、エアチャック４の把持爪４０によってワーク５を保持することができるようになっている。
【００１３】
前記エアチャック４に対して把持爪４０の駆動源となる高圧空気を供給するため、前記アーム軸３には軸方向に沿って流体供給孔３０が貫通形成されており、エアチャック４をアーム軸３に固定することにより、前記流体供給孔３０がエアチャック４に具備された高圧空気の供給ポートに接続されるように構成されている。
【００１４】
また、前記アーム軸３の流体供給孔３０には前記エアチャック４の動作を制御するバルブ６を介してコンプレッサ７が接続されており、バルブ６の開閉を制御することでコンプレッサ７から供給される高圧空気が前記流体供給孔３０を介してエアチャック４に作用するようになっている。
【００１５】
図２は前記リニアモータアクチュエータ２の第一の実施形態を示すものである。このリニアモータアクチュエータ２は、前記アーム軸３と、このアーム軸３が遊嵌する貫通孔を有すると共に信号の印加に応じて前記アーム軸３を進退させるフォーサ３１とから構成されている。
【００１６】
前記アーム軸３は、ステンレスパイプの中空部内に着磁された磁石を複数配列したものであり、ステンレテパイプの両端はプラグによって閉塞されている。図３に示すように、ステンレスパイプ内で互いに隣接する磁石３ａはＮ極同士またはＳ極同士が対向するように交互に向きを逆転させて配列されている。これにより、アーム軸３にはその長手方向に沿ってＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に並び、これがリニアモータの界磁マグネットとしてのマグネットロッドを構成している。また、このアーム軸３の中心には軸方向に沿って前記流体供給孔３０が貫通形成されている。この流体供給孔３０は各磁石を貫通するように形成されると共に、前記プラグをも貫通しており、前記アーム軸３の軸方向に沿って連続的に形成されている。
【００１７】
一方、前記フォーサ３１は前記アーム軸３の軸方向に垂直な断面が長方形状をなす四角柱状に形成されており、その中心には前記アーム軸３が貫通する貫通孔が形成されている。このフォーサ３１は、コイル部材３２を収納したフォーサハウジング３３と、このフォーサハウジング３３の長手方向の前後両端部に固定された軸受支持部材としての一対のフォーサエンド３４と、このフォーサエンド３４に嵌合すると共に前記アーム軸３の進退を支承する一対の軸受ブッシュ３５とから構成されている。前記コイル部材３２はフォーサハウジング３３に形成された貫通孔の内周面に配列されている。アーム軸３は前記軸受ブッシュ３５に摺接するが、前記フォーサエンド３４及びコイル部材３２とは０．２ｍｍ程度の隙間を介して非接触に保たれている。また、前記フォーサハウジング３３の表面には複数の放熱フィンが立設されており、前記コイル部材３２に通電した際に該コイル部材３２で発生する熱をフォーサハウジング３３に伝達すると共に、周辺雰囲気中に放熱し、コイル部材３２そのものを効果的に冷却することができるようになっている。
【００１８】
図３及び図４はこのリニアモータアクチュエータ２の作動原理を示すものである。コイル部材３２はＵ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。いずれの相のコイル部材３２もリング状であり、アーム軸３の外周面と僅かな隙間を介して対向している。また、各相のコイル部材３２の配列ピッチはアーム軸３の磁石３ａの配列ピッチよりも短く設定される。マクネットロッド３にはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束３ｂが形成されており、フォーサ３１にはその磁束密度を検出する磁極センサ（図示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号からコイル部材３２に対するアーム軸３の各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。コイル部材３２への通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し、コイル部材３２とアーム軸３の各磁石３ａとの位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各コイル部材３２に通電する。その結果、各コイル部材３２に流れる電流と磁石３ａによって形成される磁束３ｂとの相互作用によって、コイル部材３２と各磁石３ａとの間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ３１がマグネットロッド３の軸線方向に推進されることになる。
【００１９】
そして、以上のように構成されたロボットアーム１では、前記フォーサ３１を各種搬送装置の移動テーブル等に固定し、かかる搬送装置を用いてロボットアーム１を任意の作業ポイントに送り込み、前記リニアモータアクチュエータ２を動作させてアーム軸３を進退させることにより、ワーク保持手段としてのエアチャック４をワーク５に対してアプローチさせ、かかるエアチャック４でワーク５を把持し、または搬送してきたワーク５を解放することができるものである。
【００２０】
このとき、前記アーム軸３には流体供給孔３０が貫通形成されていることから、エアチャック４の動作に必要な高圧空気はこの流体供給孔３０を介して行うことができ、エアチャック４はアーム軸３の先端に固定しさえすれば、即座に使用することが可能となる。このため、エアチャック４をバルブ６及びコンプレッサ７と接続するための配管を別途設ける必要がなく、アーム軸３及びエアチャック４の周囲に無駄なスペースを必要とせず、ロボットアーム１の省スペース化を図ることが可能となる。また、アーム軸３及びエアチャック４の周囲に配管が露出しないので、ロボットアーム１のメンテナンス性も向上する。
【００２１】
図２に示したリニアモータアクチュエータ２ではアーム軸３を進退させるのみなので、エアチャック４でワーク５を把持しても、かかるワーク５の姿勢を変化させることはできず、専らワーク５をそのままの姿勢で搬送する目的にしか使用することができない。しかし、図５に示す回転制御機構を前記リニアモータアクチュエータ２に付設すると共に、アーム軸３の外周面にスプライン溝を設けることで、アーム軸３に対して軸心周りの任意の回転を与えて、エアチャック４で把持したワーク５の姿勢を任意に変化させることが可能となる。
【００２２】
この回転制御機構８は、前記フォーサ３１に固定されたハウジング８０と、このハウジング８０内でベアリング８１を介して回転自在に支承された中空連結軸８２と、この中空連結軸８２に対して任意の回転角度を与える回転モータ部８３と、前記中空連結軸８２に収容されたスプラインナット８４とから構成されている。
【００２３】
一方、前記アーム軸３はスプライン溝が形成された回転軸部３ｃを前記エアチャック４の固定端とは反対側の端部に有しており、この回転軸部３ｃは磁石３ａが配列されたマグネットロッドの部位と連続的に形成されている。また、前記流体供給孔３０は前記回転軸部３ｃにも設けられており、アーム軸３の軸心に対して貫通形成されている。前記スプラインナット８４はこの回転軸部３ｃに嵌合しており、スプラインナット８４はその回転をアーム軸３の回転軸部３ｃに伝達する。その一方、スプラインナット８４は回転軸部３ｃを軸方向へ自在に案内するように構成されており、アーム軸３の進退運動を妨げないように構成されている。
【００２４】
また、前記ハウジング８０の端部にはアーム軸３の回転角度を検出するロータリエンコーダ８５が固定されており、前記回転モータ部８３はこのロータリエンコーダ８５の検出値に基づいてその駆動を制御される。
【００２５】
そして、このように構成される回転制御機構８をリニアモータアクチュエータ２に付設した場合には、アーム軸３に対してその軸方向の並進運動のみならず、軸周りの回転運動も与えることが可能となり、エアチャック４によって把持したワーク５を任意の角度で回転させ、その姿勢を変化させることも可能となる。
【００２６】
図６は前記リニアモータアクチュエータ２の第二の実施形態を示すものである。
【００２７】
このリニアモータアクチュエータは、中空部５０を有して略円筒状に形成されたスプライン軸５１と、多数のボールを介してこのスプライン軸５１の外側に嵌合した一対のスプラインナット５２とを備え、前記スプライン軸５１の中空部５０内に収容されたリニアモータの発生する推力を用いて、前記スプライン軸５１をスプラインナット５２の軸方向へ往復運動させることができるように構成されている。
【００２８】
前記スプライン軸５１は長手方向に沿った開口部を有して断面略Ｕ字状に形成されており、その外周面には１８０°位相をずらして２条のボール転走溝が形成されている。一方、前記スプラインナット５２は、その内径が前記スプライン軸５１よりも僅かに大きな略円筒状に形成されており、前記スプライン軸５１のボール転走溝を転走する多数のボールを介してスプライン軸５１の外側に嵌合している。このスプラインナット５２はボールの無限循環路を具備しており、前記スプラインナット５２をスプライン軸５１に沿って移動させると、ボールがスプラインナット５２とスプライン軸５１との間で荷重を負荷しながら前記無限循環路の内部を循環し、スプラインナット５２をスプライン軸５１に沿って連続的に移動させることができるようになっている。また、各スプラインナット５２にはねじ孔５３が設けられており、このねじ孔５４に固定ねじを螺合させることで、前記スプラインナット５２を他の機械装置などに固定することが可能となっている。
【００２９】
一方、前記スプライン軸５１の中空部５０内にはリニアモータの固定子としてのマグネットロッド５３が収容されている。かかるマグネットロッド５３は軸方向に沿って永久磁石のＮ極及びＳ極を交互に配列したものであり、スチールパイプの内部に多数の永久磁石を詰め込んで製作しても良いし、成形された丸棒に対して後から着磁して磁極を形成するようにしても良い。
【００３０】
前記スプライン軸５１の軸方向両端の開口部には一対のエンドキャップ５５が嵌合しており、スプライン軸５１の中空部５０を閉塞すると共に、前記マグネットロッド５３をスプライン軸５１の中空部内で両端支持している。
【００３１】
また、前記マグネットロッド５３の周囲にはリニアモータを構成するフォーサ５６が僅かな隙間を保って遊嵌している。このフォーサ５６は熱伝導性に優れたアルミニウムで形成されると共に、前記マグネットロッド５３が貫通する中空部を有し、かかる中空部の内周面には固定子としての励磁コイル（図示せず）が収納されている。励磁コイルはＵ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。いずれの相の励磁コイルもリング状であり、マグネットロッド５３の外周面と僅かな隙間を介して対向している。また、各相の励磁コイルの配列ピッチはマグネットロッド５３における永久磁石の配列ピッチよりも短く設定されている。マグネットロッド５３にはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束が形成されており、コイル部材にはその磁束密度を検出する磁極センサが内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号から励磁コイルに対するマグネットロッドの各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。励磁コイルへの通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し、励磁コイルとマグネットロッドの各磁極との位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各励磁コイルに通電する。その結果、各励磁コイルに流れる電流と永久磁石によって形成される磁束との相互作用によって、励磁コイルと永久磁石の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ５６がマグネットロッド５３の軸方向へ推進されることになる。
【００３２】
前記フォーサ５６はその長手方向の端部が前記スプラインナット５２に固定されており、一対のスプラインナット５２はフォーサ５６によって結合されている。このため、前記フォーサは軸方向に間隔をおいて配置された一対のスプラインナット５２を介してスプライン軸５１の中空部５０内に位置決めされており、フォーサ５６がマグネットロッド５３に沿って推進されると、スプラインナット５２がスプライン軸５１に沿って推進されることになる。もっとも、この実施形態ではスプラインナット５２を他の機械装置に固定することから、スプライン軸５１がスプラインナット５２に対して軸方向へ推進されることになる。
【００３３】
前記マグネットロッド５３の中心には軸方向に沿って前記流体供給孔が貫通形成されている。この流体供給孔はマグネットロッド５３内に配列された各磁石を貫通するように形成されている。また、前記スプライン軸５１の両端においてマグネットロッド５３の両端を支持するエンドキャップ５５の中心には、前記エアチャック４を取り付けるためのタップ孔５７が形成されており、このタップ孔５７はマグネットロッド５３の流体供給孔に連通連結されている。すなわち、この第二の実施形態のリニアモータアクチュエータにおいては、マグネットロッド５３を収容したスプライン軸５１が図１に示すアーム軸３に相当している。
【００３４】
そして、この第二の実施形態のリニアモータアクチュエータにおいても、前記アーム軸３には流体供給孔３０が貫通形成されていることから、エアチャック４をバルブ６及びコンプレッサ７と接続するための配管を別途設ける必要がなく、アーム軸３及びエアチャック４の周囲に無駄なスペースを必要とせず、ロボットアーム１の省スペース化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のロボットアームの実施形態を示す概略図である。
【図２】ロボットアームに使用可能なリニアモータアクチュエータの第一の実施形態を示す斜視図である。
【図３】実施形態に係るリニアモータアクチュエータの動作原理を示す側面図である。
【図４】実施形態に係るリニアモータアクチュエータの動作原理を示す正面図である。
【図５】リニアモータアクチュエータに付設される回転制御機構の一例を示す断面図である。
【図６】ロボットアームに使用可能なリニアモータアクチュエータの第二の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…ロボットアーム、２…リニアモータアクチュエータ、３…アーム軸、４…エアチャック、５…ワーク、３０…流体供給孔、３１…フォーサ
【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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