(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部（４）、可動プレート（６）、複数の連結支柱（８）及び基部と可動プレートの間に配設される伸縮シャフト（１０、４０）とを具備し、前記連結支柱及び伸縮シャフトの両端部（１２、１４）がそれぞれ前記基部と前記可動プレートに連結され、伸縮シャフト（１０、４０）が互いに長軸方向に変位可能に配設された第１伸縮アーム（１６、４６）と第２伸縮アーム（１８、４８）を具備し、
空中における回転を目的としたアームシステム（２）を有する産業デルタロボットであって、
第１伸縮アーム（１６、４６）が、少なくとも２つのロッド（２０、５０）と、そのロッドの第１端が固定設置される第１支持部（２４、５４）と、そのロッドの第２端が固定設置される第２支持部（２５、５５）とを具備することと、
第２伸縮アーム（１８、４８）が、前記第１伸縮アームの少なくとも２つのロッド（２０、５０）と異なる位置に配置された少なくとも２つのロッド（２２、５２）と、そのロッドの第１端が固定設置される第１支持部（２６、５６）と、そのロッドの第２端が固定設置される第２支持部（２７、５７）とを具備することと、
第１伸縮アーム（１６、４６）の第１支持部（２４、５４）が、第２伸縮アーム（１８、４８）のロッドが通るスロット（３０、６０）を具備することと、
第２伸縮アーム（１８、４８）の第１支持部（２６、５６）が、第１伸縮アーム（１６、４６）のロッド（２０、５０）が通るスロット（３０、６０）を具備することと、
前記第１伸縮アームのロッドと前記第２伸縮アームのロッドがすべて前記伸縮シャフトの中心軸に対して偏心して配置されることと、
を特徴とする産業ロボット。
【請求項２】
各伸縮アーム（１６、１８；４６、４８）が３つのロッド（２０、２２；５０、５２）を具備することを特徴とする請求項１に記載の産業ロボット。
【請求項３】
ブッシュ（５８）が、伸縮アーム（２４〜２７；５４〜５７）の支持部内の各スロット（３０、６０）に配設され、各スロットに伸縮アームのロッド（２０、２２；５０、５２）が変位可能に格納されることを特徴とする請求項１又は２に記載の産業ロボット。
【請求項４】
前記ブッシュ（５８）がスリーブを形成する平行リブ（６２）を具備することを特徴とする請求項３に記載の産業ロボット。
【請求項５】
ブッシュ（５８）がスロット（３０、６０）に取り外し可能に配設されることを特徴とする請求項３又は４に記載の産業ロボット。
【請求項６】
前記ブッシュ（５８）が１つの開口部（６８）を有することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の産業ロボット。
【請求項７】
ロッド（２０、２２；５０、５２）が円形の断面を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の産業ロボット。
【請求項８】
ロッドが、相互に平行な方向に移動するように配設されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の産業ロボット。
【請求項９】
基部（４）と可動プレート（６）がアームシステムに配設され、複数の連結支柱（８）と伸縮シャフト（１０、４０）が基部と可動プレートの間に配設され、前記連結支柱（８）と伸縮シャフト（１０、４０）の両端部（１２、１４）がそれぞれ前記基部と前記可動プレートに連結され、伸縮シャフト（１０、４０）が、互いに長軸方向に変位可能に配設される第１伸縮アーム（１６、４６）と第２伸縮アーム（１８、４８）を具備する、
空間における回転を目的としたアームシステム（２）を有する産業デルタロボットのための方法であって、
第１伸縮アーム（１６、４６）が、少なくとも２つのロッド（２０、５０）と、そのロッドの第１端が固定設置される第１支持部（２４、５４）と、そのロッドの第２端が固定設置される第２支持部（２５、５５）とを具備することと、
第２伸縮アーム（１８、４８）が、前記第１伸縮アームの少なくとも２つのロッド（２０、５０）と異なる位置に配置された少なくとも２つのロッド（２２、５２）と、そのロッドの第１端が固定設置される第１支持部（２６、５６）と、そのロッドの第２端が固定設置される第２支持部（２７、５７）とを具備することと、
第１伸縮アーム（１６、４６）の第１支持部（２４、５４）がスロット（３０、６０）を具備し、第２伸縮アーム（１８、４８）のロッドが該スロット内を通るように配設されることと、
第２伸縮アーム（１８、４８）の第１支持部（２６、５６）がスロット（３０、６０）を具備し、第１伸縮アーム（１６、４６）のロッド（２０、５０）が該スロット内を通るように配設されることと、
前記第１伸縮アームのロッドと前記第２伸縮アームのロッドがすべて前記伸縮シャフトの中心軸に対して偏心して配置されることと、
を特徴とする産業ロボットための方法。
【請求項１０】
食料品産業又は医学分野において適用される、請求項１ないし８に記載の装置による伸縮シャフト（１０、４０）。
【請求項１１】
食料品産業又は医学分野において適用される、請求項９に記載の方法による伸縮シャフト（１０、４０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明はアームシステムを有するデルタ構想に準拠した産業ロボットに関係するものである。本発明はデルタ構想に準拠した産業ロボット用の伸縮シャフトの適用にも関係するものである。本発明は空間での回転を目的としたアームシステムを有するデルタ構想に準拠した産業用ロボットの方法にも関係する。
【０００２】
【従来の技術】
時間のかかる作業や単調で困難な作業を代替するために、産業界において柔軟なプロセスオートメーションのための産業ロボットの使用がさらに一般的になった。例えば、このような作業の１つが、ベルトコンベヤからチョコレート片又は同様の対象物を所定の位置、例えばダンボールの中に仕分けをすることで、対象物は所定の速度で独立したベルトコンベヤに進む。一般的に、高精度かつ高速度で小物及び壊れ物を能率的に取扱う能力が、産業工程のオートメーション化に強く求められている。他にも応用例はあるが、本出願における産業ロボットは公知の「デルタ構想」に準拠して構成されたものである。「デルタロボット」として知られるこのタイプのロボットは、例えば、枠組み構成の中でベルトコンベヤの上部に配置することができ、空間での回転、つまりＸ、Ｙ及びＺ方向に沿う３次元自由空間での回転を目的とする付属のツールとアームシステムとを具備する。以下に記載されるロボットアームの回転は、ロボットアームによる回転運動の性能を説明することを目的とする。通常、アームシステムは、基部及び可動プレートと、それらの間に連結された複数の支柱から形成された３つのアーム部とを具備する。前記支柱に連結される可動プレートはベースプレートと平行に移動し、それにより可動プレートは常にベースプレートと同じ方向及び傾斜（面）を有する。これは可動プレートに連結される把持手段を配向する際に重要である。主に負荷を支持するのは支柱である。「第４シャフト」として知られる伸縮シャフトが基部と可動プレートの間に配置される。このシャフトの機能は基部のモータから可動プレートに連結されるツールまでの駆動シャフトとしての役割を果たすことである。回転の遊びは最小でなければならず、空間での回転を行うことが可能でなければならない。つまり、可動プレートからロボットの基台の基部までの距離は可変である。直線運動で可能な最高速度は１０ｍ／秒である。対象物の収集回数は毎分１２０回で、毎秒２個に相当する。さらに、このデルタロボットは通常、対象物を視覚的に識別し、欠陥のない物のみを選択するシステムを装備される。
【０００３】
このロボットが有する問題の１つは、アームシステムに伴う回転運動の際に構成部品間に摩擦及び遊び部が生じることである。伸縮シャフトが伸縮すると同時に、収集されるべき対象物がベルトコンベヤ上にあるのか、不規則に置かれているのか、或いは、所定の位置に置かれるているのかに関係なく、高速度／高加速度で精度の高い比較的大きいトルクを伝達することができなければならない。デルタ構想に準拠した公知の産業ロボット用の伸縮シャフトでは、内部シャフトが例えば、「スプライン」又は類似手段の形状で、通常のスライドベアリングを有する外部チューブに格納される。これでは、トルク伝達に遊び部が生じ、中程度の速度において０．５Ｎｍより高いトルクには対処することができない。
【０００４】
デルタ構想に準拠した産業ロボットは、例えば食料品産業、医学及び環境や健康を非常に厳格に管理する分野において使用される。これら影響を受けやすい環境においては、全工程の設備の清潔さに対する要件が高い。内部シャフトが長軸方向に可動な外部チューブに格納される、一般的なタイプの伸縮シャフトを使用する際の問題の１つは、清掃困難で埃及び細菌物が溜まり易い空間の存在である。とりわけ、ベアリング及びブッシュを具備する通常の伸縮シャフトは水洗浄といった清掃にも過敏である。
【０００５】
アームシステムを有するデルタ構想に準拠した産業ロボットは、米国特許４，９７６，５８２号により公知であり、ロボットが伸縮シャフトを具備するというものである。一般的に、この特許文献は一種の「デルタロボット」を記載しており、前記ロボットはアームシステムと、空間での回転、つまりＸ、Ｙ及びＺ方向に沿う３次元自由空間での回転を目的とする、前記アームシステムに連結されるツールとを具備する。アームシステムは基部、可動プレート及びそれらの間の複数の連結支柱を具備する。
【０００６】
【本発明の詳細な説明】
本発明の目的は産業ロボット用装置を達成することであり、前記装置は水洗浄ができ、従来の構造より簡単に洗浄でき、また埃及び細菌物が溜まる空間が最小である。本発明の更なる目的は、このようなロボットの伸縮アーム部に、遊びがなく可動し、低摩擦のトルク伝達運動を実現することである。本発明の１つの目的は、産業ロボットのアームシステムを使って、最小摩擦及び最大剛性で空間に遊びのない回転運動の実行を可能にすることである。前記回転運動は、比較的大きなトルクを用いて高速度及び高加速度で実行することができる。
【０００７】
その解決法は、請求項１に記載の特徴を有する産業ロボットにより達成される。さらに詳細には、本発明は空間での回転を目的とするアームシステムを有するデルタ構想に準拠した請求項１に記載の産業ロボットに関係するものであり、前記アームシステムは基部、可動プレート、複数の連結支柱及び基部と可動プレート間に配設される伸縮シャフトとを具備する。支柱及び伸縮シャフトの両端は、それぞれ基部及び可動プレートに連結される。前記伸縮シャフトは第１及び第２伸縮アームを具備し、それらは互いに長軸方向に変位可能に配設される。第１伸縮アームは、少なくとも２つのロッド、当該ロッドの内部端が固定設置される１つの内側支持部及び当該ロッドの外部端が固定設置される１つの外側支持部を具備する。第２伸縮アームは少なくとも２つのロッド、当該ロッドの内部端が固定設置される１つの内側支持部及び当該ロッドの外部端が固定設置される１つの外側支持部を具備する。第１伸縮アームの内側支持部は、第２伸縮アームのロッドが通るスロット部を具備する。第２伸縮アームの内側支持部は第１伸縮アームのロッドが通るスロット部を具備する。
【０００８】
本発明の１つの長所は、伸縮アームが容易に入り込める空間と洗浄による損傷を受けない構成部品から構成されるので、（水洗浄される）部分を問わずに素早く簡単に清掃することができることである。同時に、非常にねじれに強い構造が得られ、その構造においてトルクを伝達しかつ低摩擦の、遊びなく平行運動する伸縮シャフトが得られる。その構造は１Ｎｍより大きな高いトルクと最大直線速度１０ｍ／秒まで対応する。更なる長所は、摩擦及び遊び部が最小化されることであり、それによってロボットは高速度及び高精度で回転運動を実行することができる。
【０００９】
伸縮シャフトは回転運動を実行するように配設される。当該ロッド部は偏心的に配設され、伸縮アームの部分で伸縮シャフトの回転軸に対して平行に移動する。これは、ベアリングにかかる負荷が通常の伸縮アームの負荷より低くなることを意味する（通常の伸縮アームでは、内部チューブは外部チューブ内で長軸方向に可動する内部シャフトに格納される）。本発明により低減した負荷は、力が回転軸の周囲で中心に働く通常の伸縮シャフトと比べて、偏心配置されたロッドへ力が外側に伝達することによる。
【００１０】
各伸縮アームは少なくとも２つの平行ロッドを具備する。各ロッドはその端部で支持部に固定配設される。「プレート」又はその類似名でも呼ばれる支持部が円盤状であれば適当である。したがって、当該支持部は環状、楕円形状、正方形状又は不規則的な形状を持つことができる。伸縮シャフトの延長方向と平行な軸方向の支持部の厚みは、（ラジアル方向の）支持部の平均直径よりかなり小さくすることができる。しかし、支持部は、ロッドが屈曲に耐える固定方法で支持部に設置されることを保証するために、十分な厚み及び剛性を有する必要がある。しかし、１実施形態によれば、特に内側支持部はかなり伸長することができ、それによって、前記支持部はスリーブ形の円筒部を形成する。各伸縮アームの外側支持部は伸縮シャフトの各端部を構成し、基部とロボットの可動プレートにそれぞれ固定配設される。第１伸縮アーム及び第２伸縮アームの内側支持部は、「穴」、「貫通路」又は類似名で呼ばれる貫通スロットを具備し、前記スロットは伸縮シャフトの延長方向とおおよそ平行に配設される。支持部の各円盤形状面上で、当該スロットは開口部に開口する。１つの伸縮アームの内側支持部のスロットには、他方の伸縮アームから伸びたロッドが可動に配設され、その反対側も同様である。したがって、第１伸縮アームのロッドは内側支持部のスロットにおいて第２伸縮アームのロッドに関して可動配設される。このように、１つの伸縮アームの内側支持部は、伸縮シャフトが伸縮する際第２伸縮アームのロッドに沿って滑り、その反対側も同様である。
【００１１】
本発明の１つの好ましい実施形態によれば、「リニアガイドベアリングブッシュ」又は単に「ベアリング」とも呼ばれる、少なくとも１つのブッシュが第１伸縮アームの支持部の各スロットに配設され、各スロットにおいて第２伸縮アームのロッドは変位可能に格納される。ブッシュは第２伸縮アームの支持部の各スロットにも同様の方法で配設され、各スロットにおいて第１伸縮アームは変位可能に格納される。前記ブッシュは自由に選択した材料から形成されてよいが、摩擦が最小のプラスチック材料から形成されれば適当である。前記ブッシュはスリーブ又は類似の形状で設計され、スロットの壁面と接触すれば適当である。ブッシュはスロットに固定又は可動式に配設されてもよい。ブッシュがスロット内に可動式に配設されるということは、スロット内で放射状に回転することができることを意味する。ブッシュの長さが支持部の中を通るスロットの伸長と実質的に一致すれば適当である。他方、複数のブッシュを１スロットに配設することができ、例えば、支持部内のスロットの両側からそれぞれ１つずつのブッシュを配設することができる。
【００１２】
スロットは、そこに配設されるブッシュを含み、そのスロットの直径はスロットを貫通するロッドよりわずかに大きいだけなので、前記ロッドがスロット内を前後に押圧されるときに発生する摩擦及び遊び部が最小となる。支持部の厚みは相対的に小さいので、内側支持部を貫通するスロットの貫通路は短い。これは、特にスロットの縁部に対して、ロッドとスロットの間の接触面が小さいことを意味する。支持部がスリーブ状であり、かなり長い延長部を有する場合、内側支持部を通るスロットの貫通路は長くなる。この場合、ブッシュの拡張はさらに長くなる。
【００１３】
伸縮シャフトのパーツ、すなわち第１伸縮アーム及びロッドと第２伸縮アームとそれらを構成するロッドは、本発明によって、相互に平行運動することができる。前記伸縮アームは振動及びブッシュにかかる破断荷重による影響から保護される。
【００１４】
各伸縮アームのロッド数は変えてもよいが、十分なねじれ剛性及び対称性を与えるために、少なくとも２つは必要である。１つの好ましい実施形態によれば、各伸縮アームは３つのロッドを具備し、それらのねじれ剛性は非常に高い。前記伸縮アームは３つを超えるロッドを具備してもよい。以下で詳述する伸縮アーム用ロッドは、例えば「支柱」、「チューブ」又は類似の用語でも呼ばれる。各ロッドの断面は、例えば、正方形状、楕円形状又は環形状など変えることができる。当該ロッドはチューブ状であってもよく、この場合は中央が空洞部を含んでもよい。ロッドの断面部は好ましくは環形状であり、これにより「引き出し」（chest of drawer）効果、（スロットを貫通する際に傾いていると、ロッドが引っかかる又は束縛保持される）のリスクを最小限に抑制する。各ロッドの直径は伸縮シャフトの直径よりかなり小さい。
【００１５】
本発明は空間での回転を目的としたアームシステムを有するデルタ構想に準拠した産業ロボットにおいて、基部及び可動プレートをアームシステムに配設する方法も含む。複数の連結支柱及び伸縮シャフトが基部と可動プレートの間に配設される。支柱の両端部と伸縮シャフトはそれぞれ基部と可動プレートに連結される。前記伸縮シャフトは、相互に長軸方向で変位可能な第１伸縮アームと第２伸縮アームを具備する。第１伸縮アームは、少なくとも２つのロッド、そのロッドの内部端が固定設置される１つの内側支持部及びそのロッドの外部端が固定設置される外側支持部を具備して配設される。第２伸縮アームは、少なくとも２つのロッド、そのロッドの内部端が固定配置される内側支持部及びそのロッドの外部端が固定設置される外側支持部を具備して配設される。第１伸縮アームの内側支持部はスロットを具備し、そのスロット内を第２伸縮アームのロッドが通るように配設される。前記第２伸縮アームの内側支持部はスロットを具備し、そのスロット内を第１伸縮アームのロッドが通るように配設される。
【００１６】
本発明は、食料品産業又は医学の分野への、上述の装置又は方法による前記伸縮シャフトの適用も含む。
【００１７】
「マニピュレータ」又は「制御装置」とも呼ばれる上記産業ロボットは、本発明により、最大１ｋｇの荷重の搬送が可能である。
【００１８】
デルタ構想に準拠した産業ロボット用のアームシステムの一般的な説明は、米国特許４，９７６，５８２号（特に第２段落１５〜３１行目、第３段落２７行目〜第４段落７行目）を参照されたい。
【００１９】
【実施形態の説明】
図１はデルタ構想に準拠した産業ロボットを示している。産業ロボットは空間での回転を目的に設計されたアームシステム２を具備して構成される。複数の連結支柱８はそれらの一端部で可動プレート６に取付けられる。前記連結支柱はそれらの反対側の端部で、簡単に図示されたロボットの基部４に取付けられる。ツールは可動プレート６上に配設される。前記可動プレートは一定方向及び一定傾斜で空間運動をすることができる。伸縮シャフト１０の形状の第４シャフトは基部と可動プレートの間に配設され、伸縮シャフトの両端部１２、１４（図２参照）と支柱８はそれぞれ基部と可動プレートに連結される。伸縮シャフトのタスクは、ロボット構造のモータから可動プレート上に配設されたツールへの駆動シャフトとして機能することである。伸縮シャフトは一端において基部４に固定連結され、他端は可動プレート６に連結されるのでそこで自由に動くことができる。伸縮シャフト全体は非常に高速で前後に振動することができる。その回転は空間において行われ、つまり、可動プレート６からロボットの基台である基部４までの距離を変えることができる。
【００２０】
伸縮シャフト１０は図２の斜視図に示されており、第１伸縮アーム１６と第２伸縮アーム１８を具備し、それらは相互に長軸方向に変位可能に配設される。各伸縮アーム１６、１８は、各端部において支持部２４、２５、２６、２７に固定される３つのロッド２０、２２を具備する。第１伸縮アーム１６は内側支持部２４と外側支持部２５を具備し、各支持部にロッド２０が２１で固定される。第２伸縮アーム１８は内側支持部２６と外側支持部２７を具備し、各支持部２６、２７にロッド２２が２３で固定される。第１伸縮アーム１６の内側支持部２４と第２伸縮アーム１８の内側支持部２６はスロット３０を具備し、該スロット内に、第１伸縮アーム１６のロッド２０と第２伸縮アーム１８のロッド２２が変位可能に配設される。ブッシュが伸縮アームの内側支持部２４、２６内の各スロット３０に配設される。伸縮シャフト１０は圧力をかけられるほど、つまり、内側支持部２４と２６の間の距離が大きくなるほど伸縮シャフト１０の剛性は大きくなる。内側支持部２４と２６の間の距離が増すことは、第２内側支持部２６上のブッシュに対して内側支持部２４上のブッシュ間の距離が増すことを意味する。例えば、第１伸縮アーム１６のねじれ運動は内部伸縮アーム１８に伝達される。各伸縮アームのロッド２０、２２はねじれ運動の際に各支持部２４、２６のスロット３０の穴の縁部に圧力を伝達する。
【００２１】
図３Ａ〜３Ｃは、（主に図１と図２に示される伸縮シャフトと同一の）伸縮シャフト４０の別の実施形態を図示している。前記伸縮シャフト４０は第１伸縮アーム４６と第２伸縮アーム４８を具備し、それらは相互に長軸方向に変位可能に配設される。各伸縮アーム４６、４８はそれぞれ、各端部において支持部５４、５５、５６、５７に固定される３つのロッド５０、５２を具備する。第１伸縮アーム４６は内側支持部５４と外側支持部５５を具備し、各支持部５４、５５にロッド５０と５１が固定配設される。第２伸縮アーム４８は内側支持部５６と外側支持部５７を具備し、各支持部５６、５７にロッド５２、５３が固定配設される。第１伸縮アーム４６の内側支持部５４と第２伸縮アーム４８の内側支持部５６はスロット６０を具備する。ブッシュ５８が伸縮アームの内側支持部５４、５６の各スロット６０に配設され、該ブッシュはリニアスライディングベアリングブッシュとして機能する。伸縮アーム４６、４８のロッド５０、５２は、各スロット６０に変位可能に格納される。
【００２２】
図３Ｄは図３Ａと３Ｃのブッシュ５８を示している。ブッシュ５８は、ブッシュの外面に放射状に位置した中央の突出部６４、突起部、尾根部又はそのような部分を有する、軸方向に伸びたリブ６２を具備する。この突出部６４は支持部５４、５６内のスロット６０の内壁部に形成される軌道部に配設することを目的としており、それによって、ブッシュはロッド５０、５２が貫通する際の負荷及び摩擦があっても可動又は固定配設されるスロット内に残る。中央壁部６６は２つの平行なリブ６２間に配設され、それはスリーブ又は類似のものを形成するために前記リブを一緒に保持する。好適にはブッシュは周囲の一部に中央壁を欠いており、それによって、２つのリブは連結されず、隙間を空けることができる。したがって、覆包部は開口部６８を有し、それによりいくらか収縮するので、支持部又は伸縮アームを大規模に分解せずに容易にスロットから引出すことができる。
【図面の簡単な説明】
添付図を用いて、本発明による非制限的な実施形態において本発明を更に詳細に述べる。
【図１】  図１はデルタ構想に準拠した産業ロボットの斜視図を示している。
【図２】  図２は産業ロボット用の伸縮シャフトを示している。
【図３】  図３Ａは伸縮シャフトの別の実施形態の部分断面斜視図を図示している。
図３Ｂは真横から見た図３Ａの伸縮シャフトを図示している。
図３Ｃは図３Ｂの伸縮シャフトのＡ−Ａの断面図を示している。
図３Ｄは図３Ａと３Ｃに示されたブッシュの斜視図を図示している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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