JP2009248285A - パラレルメカニズム - Google Patents

Abstract

【課題】 アームをより軽量化して、アームの慣性モーメントを減少させることが可能なパラレルメカニズムを提供する。
【解決手段】 アーム本体６は、ベース部２に取り付けられた電動モータ４にその一端が連結される第１アーム７と、一対のロッド９，９を有し、第１アーム７の他端とブラケット１４とを連結する第２アーム８と、第２アーム８を構成する一対のロッド９，９を互いに引っ張る方向に付勢する連結部材１１，１２とを備える。各連結部材１１，１２は、板ばね３０と、該板ばね３０の両端に該板ばね３０と一体的に形成された一対の取付部３１，３１とを有している。板ばね３０は、該板ばね３０の湾曲部における接平面が、一対のロッド９，９それぞれの軸線を含む平面に対して垂直となるように、一対のロッド９，９に取り付けられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、パラレルメカニズムに関し、特に、一対のロッドを有するアームを備えたパラレルメカニズムに関する。

従来から、支持基盤であるベース部とエンドエフェクタが取り付けられるブラケットとが複数のアームにより並列に結合されたパラレルメカニズムが知られている。パラレルメカニズムでは、例えば電動モータ等のアクチュエータが並列に配置されるとともに、各電動モータに連結された複数のアームが最終的に一つのブラケット（エンドエフェクタ）を操るように構成されている。

このようなパラレルメカニズムを構成するアームとして、端部にボールジョイントを有する２本の平行リンクと、該平行リンク間に引張り力を加えるスプリング装置とを有するアームが特許文献１に記載されている。このスプリング装置は、互いに平行移動可能な、第１のアングル部材を有する第１の引張り機構と、第２のアングル部材を有する第２の引張り機構と、両アングル部材の間に設けられたスプリング部材とを具備する。第１のアングル部材と第２のアングル部材とが互いに離れるように引っ張られると、両アングル部材の間でスプリング部材が圧縮される。そして、圧縮されたスプリング部材がアングル機構に加える押圧力によって、引張り力が発生する。
特表２００２−５２９２５８号公報

特許文献１記載のスプリング装置は、構造が複雑なため、重量が重くなってしまう。ここで、慣性モーメントは重量に比例して大きくなるため、高速で動作するアームの先端部に取り付けられるスプリング装置の重量は、アームの振動、精度、及びアームを駆動するアクチュエータの寿命等に悪影響を与える。そのため、アームをより軽量化して、アームの慣性モーメントを減少させたいという要望があった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、アームをより軽量化して、アームの慣性モーメントを減少させることが可能なパラレルメカニズムを提供することを目的とする。

本発明に係るパラレルメカニズムは、複数のアームを介してベース部とブラケットとが並列に連結されるパラレルメカニズムにおいて、アームが、ベース部に取り付けられたアクチュエータにその一端が連結される第１リンクと、一対のロッドを有し、第１リンクの他端とブラケットとを連結する第２リンクと、第２リンクを構成する一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢する板ばねとを備えることを特徴とする。

本発明に係るパラレルメカニズムによれば、第２リンクを構成する一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢するために、構造がよりシンプルな板ばねを用いているため、第２リンクを含むアームの重量を軽減することができる。その結果、アームの慣性モーメントを減少することが可能となる。

本発明に係るパラレルメカニズムでは、板ばねの湾曲部における接平面が一対のロッドそれぞれの軸線を含む平面に対して垂直となるように、板ばねが、一対のロッドに取り付けられることが好ましい。

このようにすれば、各ロッドが軸周りに回転することを規制することが可能となる。

また、上記板ばねは、該板ばねを一対のロッドに取り付けるための取付部と一体的に形成されていることが好ましい。

このようにすれば、構成部品の点数を削減することができるため、重量の軽減、及びコストの低減が可能となる。

本発明によれば、第２リンクを構成する一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢するために、板ばねを用いる構成としたため、アームをより軽量化して、アームの慣性モーメントを減少させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を併せて用いて、実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成について説明する。図１は、実施形態に係るパラレルメカニズム１の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズム１を示す図である。

パラレルメカニズム１は、上部にベース部２を有している。パラレルメカニズム１は、ベース部２の下面側に形成された平らな取付面２ａが例えば水平な天井等に固定されることによって支持される。一方、ベース部２の下面側には、３つの支持部材３が設けられている。各支持部材３には、アクチュエータとしての電動モータ４が支持されている。電動モータ４は、モータ軸の軸線Ｃ２がベース部２の取付面２ａに対して平行（すなわち水平）となるように支持されている。それぞれの支持部材３は、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置されており、各電動モータ４もまた、ベース部２の鉛直方向軸線Ｃ１を中心として等しい角度（１２０度）を開けて配置される（図２参照）。

各電動モータ４の出力軸には、軸線Ｃ２に対して同軸に略六角柱形状のアーム支持部材５が固定されている。アーム支持部材５は、電動モータ４が駆動されることにより軸線Ｃ２を中心として回転する。なお、各電動モータ４は、モータドライバを含む電子制御装置（図示省略）に接続されており、電動モータ４の出力軸の回転がこの電子制御装置によって制御される。

パラレルメカニズム１は、３本のアーム本体６を有しており、各アーム本体６は、第１アーム７及び第２アーム８を含んで構成される。ここで、第１アーム７は特許請求の範囲に記載の第１リンクに相当し、第２アーム８は特許請求の範囲に記載の第２リンクに相当する。第１アーム７は、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。第１アーム７の基端部は、アーム支持部材５の側面に取り付けられている。第１アーム７は、その軸線が上述した軸線Ｃ２と直交するように固定される。

第１アーム７の遊端部には、第２アーム８の基端部が連結され、第２アーム８が、第１アーム７の遊端部を中心として揺動できるように構成されている。第２アーム８は、一対の長尺のロッド９，９を含んで構成されており、一対のロッド９，９は、その長手方向において互いに平行となるように配置されている。ロッド９も、例えばカーボンファイバー等で形成された長尺の中空円筒部材である。各ロッド９の基端部は、第１アーム７の遊端部に、一対のボールジョイント１０，１０によって連結されている。なお、各ロッド９の基端部における各ボールジョイント１０，１０間を結ぶ軸線Ｃ３が、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となるため、第２アーム８は軸線Ｃ３を中心として揺動する。

また、第２アーム８の基端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１１で互いに連結されており、第２アーム８の遊端部において一方のロッド９と他方のロッド９とが連結部材１２で互いに連結されている。連結部材１１、及び連結部材１２は、付勢部材としての板ばねを有しており、板の弾性を利用して、一対のロッド９，９を互いに引き合う方向に付勢する。連結部材１１及び連結部材１２の詳細については後述する。なお、連結部材１１と連結部材１２とは、異なる構造であっても構わないが同一構造であることが低コストの観点から好ましい。いずれの連結部材１１，１２も、各ロッド９が自身の長手方向に平行な軸線まわりに回転することを防止する機能を有する。

また、パラレルメカニズム１は、エンドエフェクタ部（手先）１３を回動可能に取り付けるためのブラケット１４を有している。ブラケット１４は、略正三角形状をした板状部材である。このブラケット１４は、３本のアーム本体６によって、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａ（図１におけるブラケット１４の下面）がベース部２の取付面２ａと平行（すなわち水平）になるように保持される。

ブラケット１４の各辺には取付片１５が形成されている。各取付片１５がそれぞれのアーム本体６の遊端部（第２アーム８を構成する一対のロッド９，９の遊端部）に連結されることで、ブラケット１４は、各アーム本体６に対して、各アーム本体６の遊端部を中心として揺動する。詳しくは、ブラケット１４の各取付片１５の各端部が、対応する各ロッド９，９の遊端部に各ボールジョイント１６，１６によって連結される。なお、一対のボールジョイント１６，１６を結ぶ軸線Ｃ４（図２参照）も、電動モータ４の軸線Ｃ２に対して平行となる。このため、ブラケット１４は、水平な軸線Ｃ４を中心として各アーム本体６に対して揺動することができる。そして、略正三角形状のブラケット１４のすべての辺において、水平な軸線Ｃ４を中心として揺動できるように、ブラケット１４が３本のアーム本体６によって支持されている。

第１アーム７と第２アーム８との連結部における一対のボールジョイント１０，１０間の距離と、第２アーム８の各ロッド９とブラケット１４との連結部における一対のボールジョイント１６，１６間の距離とは等しく設定されている。そのため、上述したように、第２アームを構成する一対のロッド９は、その長手方向の全長において互いに平行に配置される。軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のいずれもが、ベース部２の取付面２ａに平行であるから、第１アーム７、第２アーム８及びブラケット１４がそれぞれ軸線Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を中心にどのように揺動したとしても、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａとベース部２の取付面２ａとの平行関係が維持される。

そして、電子制御装置からの指令に応じて、各電動モータ４の出力軸に固定されたアーム支持部材５の回転位置が制御されることで、各第１アーム７の遊端部の位置が制御される。この制御された各第１アーム７の遊端部の位置に、各第２アーム８の遊端部の位置が追従し、その結果、ブラケット１４のエンドエフェクタ部１３の取付面１４ａの位置が決まる。このとき、上述したように、ブラケット１４は、水平姿勢を維持したまま移動する。

また、パラレルメカニズム１は、その中央に鉛直方向に延びる旋回軸ロッド２０と、この旋回軸ロッド２０を回転するための電動モータ２１とを有する。電動モータ２１は、その軸出力を鉛直下方に向けた状態でベース部２に固定されている。旋回軸ロッド２０の一端部は、自在継手（以下「ユニバーサルジョイント」という）２２を介して電動モータ２１の出力軸に連結されている。一方、旋回軸ロッド２０の他端部は、ユニバーサルジョイント２３を介してエンドエフェクタ部１３に接続されている。旋回軸ロッド２０は、ロッド２０ａとシリンダ２０ｂとにより実現され、伸縮自在に構成されている。旋回軸ロッド２０の両端部にユニバーサルジョイント２２，２３が採用されているため、ブラケット１４が３つの電動モータ４の駆動により上下、前後左右の所定の位置に移動したとしても、旋回軸ロッド２０は、その所定位置に追従して移動することができる。なお、電動モータ２１も、上述した電子制御装置に接続されており、電動モータ２１の出力軸の回転がこの電子制御装置により制御されることにより、エンドエフェクタ部１３の回転位置が制御される。

続いて、図３〜図６を併せて参照して、一対のロッド９，９を連結する連結部材１１，１２について説明する。図３は、一対のロッド９，９に取り付けられた状態の連結部材１１（板ばね３０）を示す図である。図４は、一対のロッド９，９に取り付けられた連結部材１１（板ばね３０）をロッド９，９の軸方向から見た図である。図５は、連結部材１１（板ばね３０）の展開図である。また、図６は、取り付け前のフリーな状態にある連結部材１１（板ばね３０）を示す図である。なお、連結部材１１と連結部材１２とは同一又は同様であるので、ここでは、連結部材１１について説明し、連結部材１２についての説明を省略する。

連結部材１１は、板ばね３０と、該板ばね３０の両端に該板ばね３０と一体的に形成された一対の取付部３１，３１とを有している。一対の取付部３１，３１は、互いに同じ形状を有している。取付部３１は、互いに対向する第１取付片３１ａと第２取付片３１ｂ、及び、第１取付片３１ａと第２取付片３１ｂの端部同士を繋ぐ接続片３１ｃから構成されている。第１取付片３１ａ、及び第２取付片３１ｂそれぞれには、板厚方向に貫通するピン孔３１ｄが形成されている。なお、ロッド９にもピン孔が径方向に形成されている。取付部３１を構成する第１取付片３１ａと第２取付片３１ｂとでロッド９を挟んだ状態で、第１取付片３１ａに形成されたピン孔３１ｄ、ロッド９に形成されたピン孔、及び第２取付片３１ｂに形成されたピン孔３１ｄにピン３２が挿通されることによって、連結部材１１がロッド９，９に取り付けられる。

板ばね３０は、一対の取付部３１，３１と一体的に形成されている。より詳細には、板ばね３０は、取付部３１の接続片３１ｃの端部から連続して形成されている。そのため、板ばね３０は、湾曲部における接平面が一対のロッド９，９それぞれの軸線を含む平面に対して垂直となるように、取付部３１を介して一対のロッド９，９に取り付けられる。

板ばね３０の素材、形状、板厚、及び半径等は、要求される引張り力（例えば、１０ｋｇｆ以上等）に基づいて設定される。本実施形態では、素材として、板厚が１．６〜２．０ｍｍのＳＫ材（工具用炭素鋼材）を用い、半径２５ｍｍのＵ字状に板ばね３０を形成した。また、焼き入れ後の硬さをＨＶ４４０±４０とした。

ここで、板ばね３０の形成方法について説明する。板ばね３０は、図５に示される１枚の略Ｈ状の板材に曲げ加工等を施すことにより、取付部３１と一体的に形成される。まず、略Ｈ状の板材の両端に形成されている突片にピン孔３１ｄが形成される。次に、ピン孔３１ｄが形成された４つの突片が略直角に折り曲げられ、断面略コ字状の取付部３１（第１取付片３１ａ、第２取付片３１ｂ、接続片３１ｃ）が形成される。続いて、一方の接続片３１ｃと他方の接続片３１ｃとの間が円弧状に形成され板ばね３０が形成される。取付部３１及び板ばね３０の形成が終了した後、強度を向上させるとともに、形状を安定させるため、焼き入れ、焼き戻しが行われる。ここで、形成が終了した状態（取付前のフリーな状態）の連結部材１１を図６に示す。

上述したように形成された連結部材１１を一対のロッド９，９に取り付ける際には、一対の取付部３１，３１を互いに離隔するように、すなわち板ばね３０の両端部を離隔するように引っ張った状態で、ピン孔３１ｄにピン３２を挿通する。このように一対の取付部３１（板ばね３０の両端部）を両側に拡張した状態でロッド９，９に取り付けることにより、板ばね３０が元に戻ろうとする弾性力がロッド９，９相互間に作用するため、一対のロッド９，９が互いに引っ張られる方向に付勢される。

以上の構成において、素材に板厚１．６ｍｍのＳＫ４を用いて、半径２５ｍｍに形成した場合、引張り力８．３３ｋｇｆ、重量６２ｇの板ばね（連結部材）が得られた。また、素材に板厚２．０ｍｍのＳＫ４を用いて、半径２５ｍｍに形成した場合、引張り力１４．４３ｋｇｆ、重量８２ｇの板ばね（連結部材）が得られた。その結果、従来の構造を用いた連結部材（素材：アルミ、引張り力：１０．９６ｋｇｆ、重量９６ｇ）に対して、それぞれ、３４ｇ、１４ｇの軽量化が達成された。

本実施形態によれば、第２アーム８を構成する一対のロッド９，９を互いに引っ張る方向に付勢するために、構造がよりシンプルな板ばね３０を用いているため、第２アーム８を含むアーム本体６の重量を軽減することができる。その結果、アーム本体６の慣性モーメントを減少することが可能となる。

また、本実施形態によれば、板ばね３０が、該板ばね３０を一対のロッド９，９に取り付けるための取付部３１と一体的に形成されているため、構成部品の点数を削減することができる。その結果、重量の軽減、及びコストの低減が可能となる。

本実施形態では、板ばね３０の湾曲部における接平面が一対のロッド９，９それぞれの軸線を含む平面に対して垂直となるように、板ばね３０が一対のロッド９，９に取り付けられているため、各ロッド９，９が軸周りに回転することを規制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、連結部材１１，１２の掃除が容易であり、水洗いもできる。そのため、衛生上の要求が厳しい環境でも使用することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、連結部材１１及び連結部材１２の双方に板ばね３０を用いたが、いずれか一方の連結部材のみに板ばね３０を用いる構成としてもよい。

上記実施形態では、板ばね３０をＵ字状に形成したが、Ｓ字状、又はＷ字状に形成してもよい。また、上記実施形態では、板ばね３０に一枚の板でできた単板ばねを用いたが、複数枚を用いた重ね板ばねを用いてもよい。

実施形態に係るパラレルメカニズムの全体構成を示す斜視図である。 図１中の矢印Ａ１方向から見たパラレルメカニズムを示す図である。 ロッドに取り付けられた状態の連結部材（板ばね）を示す図である。 ロッドに取り付けられた連結部材（板ばね）をロッドの軸方向から見た図である。 連結部材（板ばね）の展開図である。 ロッドに取り付けられる前のフリーな状態にある連結部材（板ばね）を示す図である。

符号の説明

１ パラレルメカニズム
２ ベース部
３ 支持部材
４，２１ 電動モータ
５ アーム支持部材
６ アーム本体
７ 第１アーム
８ 第２アーム
９ ロッド
１０，１６ ボールジョイント
１１，１２ 連結部材
１３ エンドエフェクタ部
１４ ブラケット
１５ 取付片
２０ 旋回軸ロッド
２２，２３ ユニバーサルジョイント
３０ 板ばね
３１ 取付部
３２ ピン

Claims (3)

1. 複数のアームを介してベース部とブラケットとが並列に連結されるパラレルメカニズムにおいて、
   前記アームは、
   前記ベース部に取り付けられたアクチュエータにその一端が連結される第１リンクと、
   一対のロッドを有し、前記第１リンクの他端と前記ブラケットとを連結する第２リンクと、
   前記第２リンクを構成する前記一対のロッドを互いに引っ張る方向に付勢する板ばねと、を備えることを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記板ばねは、該板ばねの湾曲部における接平面が、前記一対のロッドそれぞれの軸線を含む平面に対して垂直となるように、前記一対のロッドに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のパラレルメカニズム。
3. 前記板ばねは、該板ばねを前記一対のロッドに取り付けるための取付部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレルメカニズム。
   
   

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