特許 7481449 直動機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-30

(45)【発行日】2024-05-10

(54)【発明の名称】直動機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 18/02 20060101AFI20240501BHJP

   F16G 13/12 20060101ALI20240501BHJP

   F16G 13/20 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

B25J18/02

F16G13/12 Z

F16G13/20

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022535307

(86)(22)【出願日】2021-07-05

(86)【国際出願番号】 JP2021025235

(87)【国際公開番号】W WO2022009816

(87)【国際公開日】2022-01-13

【審査請求日】2023-02-07

(31)【優先権主張番号】P 2020117777

(32)【優先日】2020-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】今坂 幸介

【審査官】臼井 卓巳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０１５８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３３１２０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭６２－２４１６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１４２３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０２９６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０７０９１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１６９６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１６５２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５３６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２００６－０００７２３２（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ ５／０２－１８／０６

Ｂ６６Ｆ ３／２８－ ７／０２

Ｆ１６Ｇ １３／１２－１３／２０

Ｆ１６Ｈ １９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

伸縮自在に多段に組まれる複数の直動要素と、
列状に連結される複数のブロックからなる単一のブロック列であって、前記複数のブロックのうち先頭のブロックは前記複数の直動要素のうち先頭の直動要素に接続される単一のブロック列と、
前記ブロック列を円弧状に収容する収容部と、
前記直動要素を伸長させるために前記ブロック列を前記収容部から送り出し、前記直動要素を収縮させるために前記ブロック列を前記収容部に引き戻すためのトルクを発生するトルク発生部と、
前記トルク発生部で発生したトルクを前記ブロック列に伝達するためアームとを具備し、
前記ブロック各々は、前記ブロック各々の前側又は後側の端部箇所において前記ブロック各々の前側又は後側に隣接する他のブロックの後側又は前側の端部箇所に当接することで、一方向への回動が規制され、他方向への回動を許容する構造を有し、
前記収容部は、前記ブロック列を前記円弧状に収容するとともに、前記収容部内において前記ブロック列の進行方向に直交する２つの方向への移動を規制するための第１部材と第２部材とを有し、前記第１部材は、前記ブロック列の一方の側面側に設けられ、前記第２部材は前記ブロック列の他方の側面側に設けられる、
直動機構。

【請求項2】

前記第１部材と前記第２部材とは、前記収容部から送り出され、直線状に配列された前記複数のブロック各々の連結軸により規定される直線方向が、前記収容部に円弧状に収容された複数のブロック各々の連結軸により規定される円弧の接線方向に一致するように前記収容部内に設けられる、
請求項１記載の直動機構。

【請求項3】

前記トルク発生部の回転軸は前記収容部の円弧中心に配置され、
前記アームの一端は前記トルク発生部の回転軸に接続され、他端は前記複数のブロックのうち最後尾のブロックに接続される、
請求項１又は請求項２記載の直動機構。

【請求項4】

前記アームの他端は、前記収容部に収容された前記ブロック列の連結軸が配列された円弧上において、前記最後尾のブロックに接続される、請求項３記載の直動機構。

【請求項5】

前記アームの他端と前記最後尾のブロックとは回転自在に接続される、請求項３記載の直動機構。

【請求項6】

前記アームの他端は前記第１部材と前記第２部材との間に挿し込まれている、請求項１記載の直動機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直動機構に関する。

【背景技術】

【0002】

直動機構は、ロボット装置の肘関節を不要にできることから、ロボット装置の安全性を向上する有効な機構であり、人と協働して作業を行うことができる協働ロボットへの適用が期待されている。直動機構としては、複数の第１コマ（平板）が回動軸により屈曲可能に連結された第１コマ列と、同様に複数の第２コマ（ブロック）が屈曲可能に連結された第２コマ列とを接合させることにより、柱状体としてのアーム部を構成させるとともに、第１、第２のコマ列を分離させ屈曲可能な列状体として支柱部内に縦方向に収容させる構造が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許５３１７３６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

直動機構において、構造の簡素化、小型化、軽量化をしながら、アームの伸縮長の拡大の実現が望まれている。

【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、伸縮自在に多段に組まれる複数の直動要素と、列状に連結される複数のブロックからなるブロック列であって、複数のブロックのうち先頭のブロックは複数の直動要素のうち先頭の直動要素に接続されるブロック列と、ブロック列を円弧状に収容する収容部と、直動要素を伸長させるためにブロック列を収容部から送り出し、直動要素を収縮させるためにブロック列を収容部に引き戻すためのトルクを発生するトルク発生部と、トルク発生部で発生したトルクをブロック列に伝達するためアームとを具備する。トルク発生部の回転軸は収容部の円弧中心に配置され、アームの一端はトルク発生部の回転軸に接続され、他端は複数のブロックのうち最後尾のブロックに接続される。

【発明の効果】

【0006】

一態様によれば、直動機構において、構造の簡素化、小型化、軽量化をしながら、アームの伸縮長の拡大を実現し得る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、一実施形態に係る収縮時の直動伸縮機構の斜視図である。

【図2】図２は、伸長時の直動伸縮機構の斜視図である。

【図3】図３は、図１の直動伸縮機構を筐体と直動アームとを分離した状態で示す側面図である。

【図4】図４は、収縮時の直動伸縮機構の内部構造を示す側面図である。

【図5】図５は、伸長時の直動伸縮機構の内部構造を示す側面図である。

【図6】図６は、図５のブロックを斜め前方から示す斜視図である。

【図7】図７は、図５のブロックを斜め後方から示す斜視図である。

【図8】図８は、ガイドレールに沿って筐体内に収納された状態の直動アームを示す側面図である。

【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。本実施形態に係る直動機構は、それ単独で使用することができるし、ロボットアーム機構の直動関節としても使用することができるものである。

【0009】

図１、図２に示すように、直動機構１は伸縮自在な直動アーム２０を有する。典型的には、直動アーム２０は、多段に組まれた複数の直動要素からなる。本実施形態では、直動アーム２０は、テレスコピック構造（多段入れ子構造）に組まれた複数、ここでは４つの直動要素（以下筒体という）２１，２２，２３，２４により構成される。筒体２１，２２，２３，２４としては典型的には円筒形状である。しかしながら、各筒体は角筒形状であってもよい。直動アーム２０は筐体１０に支持される。

【0010】

典型的には、筐体１０は、上部の略１／４円の範囲が切り欠かれた略短円筒形に構成される。図３に示すように、筐体１０の上部の切り欠き箇所にはマウント板１９が取り付けられる。マウント板１９には直動アーム２０の後端、すなわち最後尾の筒体２４の後縁に形成されたフランジ２９が接合され、ボルト等により締結される。マウント板１９には、開口１９１があけられている。それにより、筐体１０の内部が筒体２１，２２，２３，２４の中空内部と連通する。図４、図５に示すように、筐体１０の内部から筒体２１，２２，２３，２４の中空内部にわたって連通する内部空間にはブロック列４０が挿入されている。開口１９１はブロック列４０が筐体１０から出入りするための出入り口となる。ブロック列４０は複数のブロック４１が列状に連結されてなる。ブロック列４０の先頭のブロック４１は、複数の筒体２１，２２，２３，２４のうち先頭の筒体２１に接続される。

【0011】

筐体１０の内部にはブロック列４０を筐体中心Ｒｃを中心とした円弧軌道に沿って収容するための収容部を有する。収容部は、ブロック列４０を一方の側面から規制する第１部材と他方の側面から規制する第２部材とを有する。典型的には、第１部材として、筐体１０の一方の側板の内面には、収容部としての一対のガイドレール１３，１４が設けられる。同様に、第２部材として、筐体１０の他方の側板の内面には、一対のガイドレール１３，１４が設けられる。ガイドレール１３、１４は、後述のブロック４１に取り付けられたカムフォロア４８，４９をその内側と外側とからそれぞれ案内するように構成される。典型的には、ガイドレール１３，１４は、円弧形に湾曲した線条体に構成され、円弧中心が筐体中心Ｒｃに一致するように配置される。外側のガイドレール１４の案内面と内側のガイドレール１３の案内面との間の間隔は、カムフォロア４８，４９の直径と等価又はカムフォロア４８，４９の直径よりも若干大きい。直動アーム２０が最も収縮した状態において、ブロック列４０は、そのほとんどが筐体１０の内部に収容される。ブロック列４０は、筐体１０の内部において、ガイドレール１３，１４による規制を受けて、筐体中心Ｒｃを中心とした円弧状に収容される。

【0012】

（筐体１０の内部の駆動機構）
筐体１０の内部には、ブロック列４０の送り出し動作及び引き戻し動作を実現する駆動機構３０が設けられる。駆動機構３０は、トルク発生部と回転アーム３５とを有する。トルク発生部は、モータ（図示しない）とその回転速度を減速する減速機３１を有する。減速機３１は、その回転軸３３の回転中心が筐体中心Ｒｃと一致するように配置される。減速機３１の回転軸３３に、棒状の回転アーム３５の一端（基端）が接続される。回転アーム３５の他端（先端）は、最後尾のブロック４１に接続される。回転アーム３５の先端と最後尾のブロック４１との接続構造の詳細は後述する。

【0013】

（直動機構の動作説明）
上記のように構成された駆動機構３０によれば、モータ、減速機３１及び回転軸３３により発生されたトルクは回転アーム３５によりブロック列４０に伝達され、それにより、ブロック列４０を筐体１０の内部から直動アーム２０の内部に送り出し、直動アーム２０の内部から筐体１０の内部に引き戻すことができる。

【0014】

具体的には、モータの順方向への回転に伴って、回転アーム３５の先端が筐体中心Ｒｃを中心として順方向に回転する。回転アーム３５の先端が接続された最後尾のブロック４１は、回転アーム３５の先端とともに、ガイドレール１３，１４により規定された円弧軌道に沿って、開口１９１に近づく向き（順方向）に移動される。最後尾のブロック４１の移動に伴って、先頭側のブロック４１から順に筐体１０の内部から開口１９１を通じて直動アーム２０の内部に送り出され、先頭のブロック４１はアーム中心線ＣＬ１と平行な軸に沿って前方に移動される。先頭のブロック４１は先頭の筒体２１に接続されているため、先頭のブロック４１の前方への移動に伴って、筐体１０に固定された最後尾の筒体２４から他の筒体２１，２２，２３が次々に引き出され、その結果、直動アーム２０は円筒中心線ＣＬ１に沿って前方に伸長される。

【0015】

モータの逆方向への回転に伴って、回転アーム３５の先端が筐体中心Ｒｃを中心として逆方向に回転する。回転アーム３５の先端が接続された最後尾のブロック４１は、回転アーム３５の先端とともに、ガイドレール１３，１４により規定された円弧軌道に沿って、開口１９１から遠ざかる向き（逆方向）に移動される。最後尾のブロック４１の移動に伴って、後端側のブロック４１から順に直動アーム２０の内部から開口１９１を通じて筐体１０の内部に引き戻され、先頭のブロック４１はアーム中心線ＣＬ１と平行な軸に沿って後方に移動される。先頭のブロック４１の後方への移動に伴って、先頭の筒体２１から順にその後方の筒体に収容され、その結果、直動アーム２０は円筒中心線ＣＬ１に沿って後方に収縮される。

【0016】

このように、ブロック列４０は、直動アーム２０の伸縮を駆動するアクチュエータの一部を構成する。直動アーム２０を多段入れ子構造に組まれた複数の筒体２１，２２，２３，２４で構成するとともに、その伸縮のアクチュエータを単一のブロック列４０により構成することにより、構造が簡素化され、軽量化が実現され、多段入れ子構造とブロック列とにより相乗的に直動アーム２０の強度が向上する。

【0017】

また、駆動機構３０の回転アーム３５はブロック列４０の最後尾のブロック４１に接続されているため、最後尾のブロック４１に接続された回転アーム３５が開口１９１に差し掛かるまで、ブロック列４０を直動アーム２０の内部に送り出すことができる。それにより、直動アーム２０の伸長距離を、ブロック列４０の全長とほぼ等価の長さにまで伸ばすことができる。さらに、回転アーム３５の回転を利用してブロック列４０の筐体１０から押し出し、筐体１０に引き戻す駆動機構３０は、ブロック４１に形成したギアと駆動ギアとの噛み合わせによりブロック列４０を筐体１０から送り出し、筐体１０に引き戻す駆動機構に比べて、以下の点で優位である。すなわち、噛み合わせ不良などのギア特有の不良が発生しないため、ブロック列４０の駆動不具合の発生リスクを低減することができる。また、モータの回転トルクをブロック列４０に伝達する伝達機構にギアを使用していないため、ギア歯の欠損などによる屑の発生を抑えられる。それにより、衛生管理の厳しい食品の製造ラインでも活用できる。ブロック４１にギアを形成する必要がないため、ブロック４１を高い剛性を有する素材で形成する必要がなく、ブロック自体のコストを低減できるとともにブロック４１を軽量化できる。特に、円弧軌道上においてブロック４１のギアと駆動ギアとを噛み合わせる場合には、円弧状に湾曲した精密なギアを形成する必要があり、ブロック４１の部品コストはさらに高い。このように、ブロック４１にギアを形成しないことによるコスト低減の効果はさらに大きい。一方、直線軌道上においてブロック４１のギアと駆動ギアとを噛み合わせる場合には、ブロック列４０が直線状に整列する直動アーム２０の内部に駆動ギアを設ける必要があるため、直動アーム２０が大型化してしまう。本願の構成によれば、回転アーム３５でブロック列４０を押し引きするという非常に簡素な構造でブロック列４０の移動を駆動することができる。また、ブロック列４０を収容する円弧軌道の中心付近に駆動機構３０の主要な構成要素を集中配置することができるため、直動機構１の不要な大型化、重量化を抑えられるとともに、他の部品配置の自由度を向上することができる。

【0018】

図６、図７に示すように、ブロック４１はブロック本体４２を有する。ブロック本体４２は、例えば直方体形の概形形状を有する。ブロック本体４２の前端には前方に突出する２つの軸受け４３，４４が幅方向に離間して設けられる。ブロック本体４２の後端には、ブロック本体４２と一体的に形成された軸受け４５，４６，４７が幅方向に離間して設けられる。ブロック本体４２の前端の軸受け４３，４４の軸孔と後端の軸受け４５，４６，４７の軸孔とはブロック本体４２の高さ中央に位置する。隣り合う２つのブロック４１のうち一方のブロック４１の前端の軸受け４３が他方のブロック４１の後端の軸受け４４，４５の間に嵌め込まれ、一方のブロック４１の前端の軸受け４４が他方のブロック４１の後端の軸受け４５，４６の間に嵌め込まれ、連続する孔に図示しない連結軸が挿入される。それにより隣接する２つのブロック４１は高さ中央において回動可能に連結される。ブロック４１は連結軸に直交する方向（連結方向）に沿って列状に連結される。

【0019】

ブロック列４０の送り出し動作及び引き戻し動作の平滑性を向上しながら、直線状に並んだ状態のブロック列４０の剛性を確保するために、直線状に並んだ状態で、隣接する２つのブロック４１は互いの端面どうしが当接し、それ以上の上方への回動が規制され、下方への回動は許容されるように、ブロック本体４２は構成される。

【0020】

ブロック本体４２の両側面には、筐体１０の内部に設けられたガイドレール１３，１４を転動する一対のカムフォロア４８、４９が突状に設けられる。

【0021】

カムフォロア４８、４９は、ブロック列４０が円弧軌道に沿って平滑に移動することができるように、図８に示すように、側面視においてカムフォロア４８（４９）の外輪回転軸がブロック４１を連結する連結軸とともに筐体中心Ｒｃを中心とする円ＣＯ１上に配列される。典型的には、カムフォロア４８、４９は、それぞれの外輪回転軸がブロック４１の連結軸と同軸になるようにブロック本体４２に取り付けられている。それにより、ブロック列４０はガイドレール１３，１４による規制を受けて筐体１０内に円弧軌道に沿って平滑に移動する。

【0022】

回転アーム３５の先端は、筐体１０の内部に筐体中心Ｒｃを中心とした円弧状に収容されたブロック列４０の連結軸が配列された円ＣＯ１上において、最後尾のブロック４１に接続される。具体的には、回転アーム３５の先端は、ブロック４１の先端と同様な軸受け構造を有する。回転アーム３５の先端は、最後尾のブロック４１の後端の軸受け４５，４６，４７の間に嵌め込まれ、連続する軸孔に軸が挿入される。それにより、回転アーム３５の先端は最後尾のブロック４１に回転自在に接続される。

【0023】

ブロック同士の連結軸の遊びなどによってブロック列４０にガタツキを生じさせ、筐体中心Ｒｃに対する最後尾のブロック４１の向きが変化する可能性がある。回転アーム３５と最後尾のブロック４１との間が固定されていないことで、回転アーム３５を最後尾のブロック４１の向きの変化に追従させることができる。これは、ブロック列４０の送り出し動作及び引き戻し動作の平滑性の向上に寄与する。

【0024】

また、ブロック列４０の連結軸と同一の円ＣＯ１上において、回転アーム３５の先端が最後尾のブロック４１に接続されていることで、ブロック４１が回転アーム３５から受ける荷重方向を連結軸に直交する連結方向に一致させることができるため、ブロック列４０の高さ方向（上下方向）へのガタツキを抑えながら、回転アーム３５によるブロック列４０の送り出し動作及び引き戻し動作を実現できる。

【0025】

さらに、回転アーム３５の先端は、筐体１０の一方の側板の内面に設けられたガイドレール１３と他方の側板の内面に設けられたガイドレール１３との間に挿し込まれ、ブロック列４０の最後尾のブロック４１に接続される。回転アーム３５の先端を、最後尾のブロック４１の高さ中央、幅中央において接続することができることで、回転アーム３５の先端が最後尾のブロック４１の側面において接続される場合に比べて、ブロック列４０の幅方向（左右方向）へのガタツキを抑えながら、回転アーム３５によるブロック列４０の送り出し動作及び引き戻し動作を実現できる。

【0026】

ブロック４１がガイドレール１３，１４に沿って移動できるのであれば、ガイドレール１３，１４に係合する突状体４８、４９はカムフォロアに限定されることはない。突状体４８、４９としては、レール表面を転動する転動体やレール表面を摺動する摺動体を適宜採用することができる。転動体としては、円筒形状、針状、棒状、円錐状、球状などの各種軸受けが挙げられる。摺動体としては、少なくともガイドレール１３，１４に接触する面が自己潤滑性樹脂製の筒体、棒状体などが挙げられる。

【0027】

ブロック列４０を円弧軌道に沿って収容することができるのであれば、その収容構造は本実施形態に限定されない。本実施形態では、ブロック４１に取り付けられたカムフォロア４８，４９を筐体１０の側板の内面に設けたガイドレール１３，１４で規制する構成としたが、筐体１０の内面に円弧状に設けた溝にカムフォロア４８，４９を嵌め込み、規制するようにしてもよい。また、ブロック４１にカムフォロア４８，４９を設けずに、ブロック４１を直接的に規制し、円弧軌道に沿って収容するようにしてもよい。

【0028】

本実施形態に係る直動アーム２０は、テレスコピック構造に限定されることはない。例えば、直動アーム２０は縦続された複数の直動案内機構により構成されてもよい。複数の直動案内機構のうち最後尾の直動案内機構のレールを支持するベースがマウント板１９に水平に固定され、先頭の直動案内機構のスライダに対して、ブロック列４０の先頭のブロック４１が接続される。ブロック列４０の前後の移動に伴って、複数の直動案内機構からなる直動アームは伸縮される。

【0029】

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】

【0030】

１…直動機構１、１０…筐体、１３，１４…ガイドレール、１９…マウント板、１９１…開口、２０…直動アーム、２１，２２，２３，２４…筒体、２９…フランジ、３０…駆動機構、３１…減速機、３３…回転軸、３５…回転アーム、４０…ブロック列、４１…ブロック、４２…ブロック本体、４３，４４，４５，４６、４７…軸受け、４８，４９…カムフォロア。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】