JP4803841B2 - パラレルメカニズム - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボットとして使用されるパラレルメカニズム、なかでも操作ヘッドが複数対のアームユニットで支持してある回転型のパラレルメカニズムに関する。

この種のパラレルメカニズムの基本構造は、例えば特許文献１に公知である。そこでは、ベースと、ベースの下面に均等配置される３個のサーボモーターと、サーボモーターで駆動操作される３個のアームユニットと、３個のアームユニットで支持される操作ヘッドなどでパラレルメカニズムを構成している。ベースと操作ヘッドとの間には、伸縮しながら回転動力を伝動する駆動軸が設けてある。操作ヘッドの下面側には、処理対象を捕捉するハンドなどが設けてある。この種のパラレルメカニズムは特許文献２にも見ることができる。

本発明におけるアームユニットは、サーボモーターで上下に旋回駆動される駆動アームと、駆動アームの旋回動作を操作ヘッドに伝えるロッドで構成する。図１に示すようにロッドは平行に配置される一対のリンク棒と、リンク棒の上下端寄りに設けられて、両リンク棒を引き寄せ付勢するばねユニットとで構成してある。ロッドの両端は、駆動アームおよび操作ヘッドに対してボール継手で連結される。ボール継手は、連結端に球体を備えたボール軸と、球体を介してボール軸に連結されるソケットロッドと、ソケットロッドの装着座に装着される樹脂ソケットで構成している。この種のボール継手に関して特許文献３が公知である。そこでは、一端に球体が形成してあるボール軸と、ボール軸に連結されるソケットロッドとでボール継手を構成している。ソケットロッドの端部には、先の球体を支持する球面座が嵌め込んである。

特開２００１−２７７１６４号公報（段落番号００１０、図２） 特表２００５−５２８９９３号公報（段落番号００１９、図１） 実用新案登録第２５６４４１６号公報（段落番号００１４、図５）

本発明に係るパラレルメカニズムにおいては、一対のリンク棒をばねユニットで常に引き寄せ付勢している。そのため、リンク棒の両端に固定したソケットロッドは、樹脂ソケットを介してボール軸の球体に常に強く押し付けられた状態で、操作ヘッドと共に高速で変位操作される。このように常時圧接される球体と樹脂ソケットとの摺動面には大きな摩擦力が作用するため、比較的短期間で樹脂ソケットや球体が摩耗しやすく、その交換を頻繁に行なう必要があり保守費用が嵩む。

本発明の目的は、球体と樹脂ソケットとの摺動面に作用する摩擦力を軽減し、樹脂ソケットや球体の摩耗を抑止することにより、ボール継手のメンテナンスに要する手間と費用を削減できるパラレルメカニズムを提供することにある。

本発明のパラレルメカニズムは、ベースに配置される複数個の駆動モーターと、駆動モーターで駆動操作される駆動アームおよびロッドと、ロッドで支持される１個の操作ヘッドとを備えている。ロッドの両端は、駆動アームおよび操作ヘッドに対してボール継手で連結してある。ボール継手は、連結端に球体を備えたボール軸と、球体を介してボール軸に連結されるソケットロッドと、ソケットロッドの装着座に装着される樹脂ソケットとを備えている。以て、球体の表面にダイヤモンド・ライク・カーボン処理を施し、樹脂ソケットが、ポリアセタールを主成分とする樹脂で形成してある。樹脂ソケットの装着座との接合面に軸状の回り止め突起が突設され、装着座に回り止め突起と係合する係合凹部が形成してある。回り止め突起の形成位置に臨む樹脂ソケットの軸受面に、グリースを貯留するグリース溜が形成してあることを特徴とする。なお、本発明においてポリアセタールを主成分とする樹脂とは、ポリアセタールを８０パーセント以上含んでいる樹脂を意味する。

球体と樹脂ソケットとの間は、フッ素系合成油とフッ素系樹脂で構成されたグリースで潤滑する。

前記グリース溜は、円錐台状とする。

前記回り止め突起は、半球殻状のソケット壁の外面球頂部分に形成する。

本発明では、駆動アームおよび操作ヘッドとロッドとの間に設けられるボール継手を、球体を備えたボール軸と、ソケットロッドと、ソケットロッドに装着される樹脂ソケットとで構成した。そのうえで、球体の表面にダイヤモンド・ライク・カーボン処理を施して、球体の摩擦係数を小さくし、同時に耐摩耗性を向上した。さらに、樹脂ソケットをポリアセタールを主成分とする樹脂で形成して、樹脂ソケットの摩擦係数を小さくした。

したがって、本発明のボール継手によれば、球体および樹脂ソケットの摺動面の組み合わせ関係を最適化して、摩擦力と摩耗のいずれをも軽減できる。従来のボール継手に比べると、球体と樹脂ソケットの軸受面との摺動面で発生する摩擦力を著しく軽減し、同時に樹脂ソケットや球体の摩耗を抑止できる。その結果、ボール軸や樹脂ソケットの耐久性を向上して交換間隔を延長できる。また、樹脂ソケットやボール軸が限界状態まで摩耗した場合には、樹脂ソケット、あるいはボール軸を交換するだけでボール継手を適正な状態に更新できるので、全体としてボール継手のメンテナンスに要する手間と費用を削減できる。

球体と樹脂ソケットとの間をフッ素系合成油とフッ素系樹脂で構成されたグリースで潤滑すると、球体と樹脂ソケットの軸受面との摺動面で発生する摩擦力をさらに軽減して、樹脂ソケットや球体の摩耗を効果的に抑止できる。樹脂ソケットやボール軸の交換間隔を延長できる利点もある。

樹脂ソケットの軸受面の一部にグリース溜を形成すると、グリース溜に貯留したグリースで樹脂ソケットの軸受面と球体との摺動面を長期にわたって潤滑でき、その分だけグリースの補給間隔を大きくして、ボール継手のメンテナンスに要する手間を軽減できる。

樹脂ソケットと装着座との接合面に、互いに係合する回り止め突起と係合凹部を形成すると、樹脂ソケットが球体と同行変位するのを防止できる。また、回り止め突起の形成位置に臨む軸受面にグリース溜を凹み形成すると、グリース溜を形成することで樹脂ソケットの構造強度が低下するのを防止できる。また、球殻状のソケット壁にグリース溜を形成する場合に比べて、グリース溜の深さ寸法を大きく形成して、より大量のグリースを貯留できる。

（実施例） 図１から図６は本発明に係るパラレルメカニズムを搬送ロボットに適用した実施例を示す。図２に示すように、パラレルメカニズムは、テーブルやコンベアーを跨ぐ状態で設置される高剛性の架台１を基体にして構成する。詳しくは、架台１の上壁に固定されるベース２と、ベース２の下面に配置される３個の駆動モーター３と、駆動モーター３で駆動される３個のアームユニット４と、各アームユニット４で支持される１個の操作ヘッド５と、中央部に配置される駆動軸６などで構成する。駆動軸６はボールスプライン軸からなり、上下端がユニバーサルジョイント８を介してモーター７の出力軸と、操作ヘッド５に設けた操作軸９とに連結してある。

ベース２の下面には３個のモーターブラケット１０が均等な間隔をあけて設けてあり、これらのモーターブラケット１０に駆動モーター３が組み付けてある。駆動モーター３はサーボモータと減速機とを一体に備えており、減速機で減速された往復旋回動力を出力する。３個の駆動モーター３は、その中心軸線が正三角形の各辺を構成する状態でベース２に配置してあり、先の正三角形の中心は駆動軸６の軸中心位置に一致させてある。

アームユニット４は、駆動モーター３で上下に旋回駆動される駆動アーム１２と、駆動アーム１２の旋回動作を操作ヘッド５に伝えるロッド１３とで構成してある。駆動アーム１２の基端にはアームボス１４が固定してあり、このアームボス１４が駆動モーター３の出力軸に固定してある。図３に示すようにロッド１３は、平行に配置される一対のリンク棒１５と、リンク棒１５の上下端寄りに設けられて、両リンク棒１５を引き寄せ付勢するばね１６とで構成してある。駆動アーム１２および操作ヘッド５とロッド１３とは、それぞれボール継手１７で連結してある。このように、ボール継手１７を介して連結されたアームユニット４は、各駆動アーム１２を駆動モーター３で上下に往復旋回操作することにより、操作ヘッド５を所定の３次元空間内で自由に変位できる。

図１においてボール継手１７は、駆動アーム１２および操作ヘッド５にねじ込み固定されるボール軸２０と、リンク棒１５の両端に固定されるソケットロッド２１と、ソケットロッド２１に装着される樹脂ソケット２２で構成する。ボール軸２０の球体２５は、冷間圧造用炭素鋼線（ＳＷＣＨ）からなり、ソケットロッド２１はアルミニウム合金を素材とするダイキャスト成形品からなる。ボール軸２０の一端にはねじ軸２４が形成され、他端には球体２５が形成してある。図４から図６に示すようにソケットロッド２１は、リンク棒１５が内嵌連結されるボス部２７と、球体２５が連結されるソケット部２８とで構成してあり、ソケット部２８に樹脂ソケット２２を装着するための半球状の装着座２９が凹み形成してある。

樹脂ソケット２２は半球殻状の射出形品からなり、その内面に先の球体２５を軸支する軸受面３１が半球面状に形成してある。使用状態において樹脂ソケット２２が球体２５に同行してずれ動くのを防ぐために、樹脂ソケット２２の開口周縁の１個所に四角板状の回り止め突起３２を、さらに半球殻状のソケット壁の外面球頂部分に丸軸状の回り止め突起３４を形成した。また、これらの回り止め突起３２・３４に対応して、ソケットロッド２１の側に係合凹部３３と、貫通穴からなる係合凹部３５が形成してある。このように、ソケット壁の外面２個所に設けた回り止め突起３２・３４を係合凹部３３・３５で受け止めると、樹脂ソケット２２が互いに交差する３軸回りにずれ動くのを確実に規制できる。詳しくは、樹脂ソケット２２が突起３４の中心と軸受面３１の半球中心とを結ぶ仮想軸線Ｌ１の回りにずれ動くのを、突起３２と凹部３３とで阻止できる。さらに、樹脂ソケット２２が先の仮想軸線Ｌ１と直交する平面に平行してずれ動くのを、突起３４と穴３５、および突起３２と凹部３３とで阻止できる。

上記構成のボール継手１７において、樹脂ソケット２２の軸受面３１と球体２５との間の摩擦抵抗を可能な限り小さくし、両者の摩耗を抑止するために、樹脂ソケット２２および球体２５を以下のように構成した。冷間圧造用炭素鋼線で形成される球体２５の表面に、イオンプレーティング法によってダイヤモンド・ライク・カーボン層（以下ＤＬＣ層と言う）を形成した。ＤＬＣ層を形成することにより、球体２５の耐摩耗性を向上し、しかも摩擦係数を０．２〜０．４程度に小さくできる。ＤＬＣ層の厚み寸法は３μｍとした。また、ポリアセタールを形成素材にして樹脂ソケット２２を射出成形した。さらに、球体２５と樹脂ソケット２２との間をグリースで潤滑するようにした。グリースは、市販品（東レ・ダウコーニング社のモリコート（登録商標）ＨＰ−３００）からなり、パーフロロポリエーテル（フッ素系合成油）をフッ素系樹脂で増ちょうしたグリースである。

長期にわたって球体２５と樹脂ソケット２２との間を潤滑するために、樹脂ソケット２２の軸受面３１の一部に、先のグリースを貯留するグリース溜３６を形成する。詳しくは、先の丸軸状の回り止め突起３４の形成位置に臨む軸受面３１に、円錐台状のグリース溜３６を凹み形成した。

図４に示すように、ばね１６は圧縮コイル形のばねからなり、その両端に設けたフック部３８が、対向するソケットロッド２１に設けた突起３９に掛止装着してある。このようにばね１６を一対のソケットロッド２１に掛止することにより、一対のリンク棒１５・１５は互いに近接する向きに引き寄せられる。したがって、ロッド１３を駆動アーム１２および操作ヘッド５と連結した状態においては、ソケットロッド２１が樹脂ソケット２２を介して球体２５に圧接される。

以上のように構成したボール継手１７によれば、操作ヘッド５をアームユニット４で変位操作するとき、球体２５が樹脂ソケット２２の軸受面３１と摺接して、ロッド１３と操作ヘッド５との姿勢の変化を吸収できる。使用状態における樹脂ソケット２２は、ばね１６の張力で球体２５に対して常に押し付けられるので、ソケットロッド２１とボール軸２０とが分離することはない。

上記のように、樹脂ソケット２２の軸受面３１は常に球体２５に圧接している。そのため、球体２５および軸受面３１はパラレルメカニズムの稼働時間に比例して徐々に摩耗する傾向にある。しかし、球体２５の表面にＤＬＣ層を形成し、ポリアセタールで樹脂ソケットを形成し、さらに、球体２５と樹脂ソケット２２との間を先のグリースで潤滑することにより、摺動面の摩擦を極めて小さくできる。同時に、球体２５および樹脂ソケット２２が摩耗するのを長期にわたって抑止できる。また、球体２５や樹脂ソケット２２が限界状態まで摩耗した場合には、ボール軸２０、あるいは樹脂ソケット２２を交換するだけでボール継手１７を更新できるので、全体としてボール継手１７のメンテナンスに要する手間と費用を削減できる。

また、球体２５の表面処理材、樹脂ソケット２２、および潤滑用のグリースとして、人体に無害な物質や材料を用いることにより、本パラレルメカニズムを、食品や医薬品のような経口摂取する対象物の搬送用途に使用することができる。これにより、摺動部から摩擦粉末が発生し、万一落下して対象物に付着するようなことがあっても、人体に害を及ぼすことがない。ここで言う無害な物質とは、例えば食品衛生法の、食品、添加物などの規格基準（昭和３４年厚生省告示第３７０号）に適合するものである。また、食品衛生法の、器具および容器包装の規格基準に適合するものである。グリースに関しては、ＵＳＤＡ（米国農務省）、ＮＳＦ ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌのＨ１（食品との偶発的接触が許される潤滑材）に登録されたものである。

上記の実施例以外に、グリース溜３６は軸受面３１の任意の複数箇所に形成することができる。必要があれば、ソケット部２８の側にグリース溜３６を設けて、樹脂ソケット２２に形成したグリース通口を介して摺動面を潤滑することができる。

ボール継手の縦断面図である。 パラレルメカニズムの正面図である。 パラレルメカニズムの平面図である。 一部を破断したロッドの正面図である。 樹脂ソケットの装着状態を示す縦断面図である。 ボール継手の分解斜視図である。

符号の説明

２ ベース
３ 駆動モーター
５ 操作ヘッド
１２ 駆動アーム
１３ ロッド
１７ ボール継手
２０ ボール軸
２１ ソケットロッド
２２ 樹脂ソケット
２５ 球体
２９ 装着座
３１ 軸受面

Claims (4)

1. ベースに配置される複数個の駆動モーターと、前記駆動モーターで駆動操作される駆動アームおよびロッドと、前記ロッドで支持される１個の操作ヘッドとを備えており、前記ロッドの両端が前記駆動アームおよび前記操作ヘッドに対してボール継手で連結してあるパラレルメカニズムであって、
   前記ボール継手は、連結端に球体を備えたボール軸と、前記球体を介して前記ボール軸に連結されるソケットロッドと、前記ソケットロッドの装着座に装着される樹脂ソケットとを備えており、
   前記球体の表面にダイヤモンド・ライク・カーボン処理が施されており、
   前記樹脂ソケットが、ポリアセタールを主成分とする樹脂で形成されており、
   前記樹脂ソケットの前記装着座との接合面に軸状の回り止め突起が突設され、前記装着座に前記回り止め突起と係合する係合凹部が形成されており、
   前記回り止め突起の形成位置に臨む前記樹脂ソケットの軸受面に、前記グリースを貯留するグリース溜が形成されていることを特徴とするパラレルメカニズム。
2. 前記球体と前記樹脂ソケットとの間が、フッ素系合成油とフッ素系樹脂で構成されたグリースで潤滑してある請求項１記載のパラレルメカニズム。
3. 前記グリース溜が、円錐台状である請求項１又は２記載のパラレルメカニズム。
4. 前記回り止め突起が半球殻状のソケット壁の外面球頂部分に形成されている請求項１、２又は３記載のパラレルメカニズム。

Images