特許 7605964 直動機構および水平多関節ロボット

(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】2024-12-16

(45)【発行日】2024-12-24

(54)【発明の名称】直動機構および水平多関節ロボット

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/00 20060101AFI20241217BHJP

   B25J 9/06 20060101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

B25J19/00 H

B25J9/06 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023509104

(86)(22)【出願日】2022-03-17

(86)【国際出願番号】 JP2022012309

(87)【国際公開番号】W WO2022202614

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-10-10

(31)【優先権主張番号】P 2021047067

(32)【優先日】2021-03-22

(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】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(74)【代理人】

【識別番号】100142789

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100201466

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】糸数 建太

【審査官】牧 初

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１０１９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１０８３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００－２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の軸線に沿って延びる長尺のシャフトと、
該シャフトを所定のストロークで前記軸線方向に移動させる駆動機構と、
該駆動機構を収容し、前記シャフトの少なくとも一の端部を外部に進退可能に突出させる開口を備えるハウジングと、
該ハウジングに一端が、前記シャフトの前記端部に他端が固定される筒状の保護カバーとを備え、
該保護カバーが、前記開口および前記シャフトの前記開口から外方に突出する部分を取り囲み、前記シャフトの前記ハウジングに対する前記軸線方向の移動に対応して前記軸線方向に伸縮するとともに、前記駆動機構の前記シャフトが突出する端面を含む部分を径方向内側に配置し、
前記保護カバーが最も圧縮された際に、前記一端と前記駆動機構の前記端面との前記軸線方向の距離よりも、前記他端と前記端面との前記軸線方向の距離の方が小さくなる位置において、前記一端が前記ハウジングに固定されている、直動機構。

【請求項2】

前記シャフトがスプラインシャフトであり、
前記駆動機構が、前記軸線回りの回転によって前記シャフトを前記軸線回りに回転させるボールスプラインナットを備え、
前記保護カバーが、前記ボールスプラインナットの少なくとも一部を内側に配置した位置において前記ハウジングに固定されている請求項１に記載の直動機構。

【請求項3】

前記シャフトがボールネジスプラインシャフトであり、
前記駆動機構が、前記軸線回りの回転によって前記シャフトを前記軸線に沿う方向に移動させるボールネジナットを備え、
前記保護カバーが、前記ボールネジナットの少なくとも一部を内側に配置した位置において前記ハウジングに固定されている請求項１または請求項２に記載の直動機構。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれかに記載の直動機構を備え、
水平回転可能に支持されるアームを備え、
該アームが、前記駆動機構を搭載し、前記シャフトを鉛直方向に移動可能に支持し、
前記ハウジングが、前記アームと、該アームとの間の空間に前記駆動機構を収容するアームカバーとを備え、
前記保護カバーが、前記アームの下面の前記開口から鉛直下方に突出する前記シャフトの端部および前記アームカバーの上面の前記開口から鉛直上方に突出する前記シャフトの端部の少なくとも一方を取り囲む位置に配置される水平多関節ロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、直動機構および水平多関節ロボットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

水平回転可能な第２アームの上部に機構部を覆うカバーを備え、第２アームおよびカバーを鉛直軸線に沿う方向に移動可能に貫通し、かつ鉛直軸線回りに回転可能に支持された作動軸を備えるスカラ型ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。作動軸がカバーを貫通する上部挿通穴と作動軸との間の隙間は、作動軸上端とカバー上面との間に配置された上部ジャバラ状部材によって覆われている。また、作動軸が第２アームを貫通する下端開口と作動軸との間の隙間は、作動軸下端と第２アーム下面との間に配置された下部ジャバラ状部材によって覆われている。

【0003】

作動軸は、必要なストローク範囲にわたって作動軸を鉛直軸線回りに回転させるために必要な長さを有するスプラインシャフトの両端が、ジャバラ状部材を取り付けるための中継シャフトによって延長されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－２２８７３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

中継シャフトは、作動軸の重量を増大させるとともに、作動軸の長さを鉛直軸線方向に増大させるものであるため、スカラ型ロボットの直動機構が大型化する。したがって、作動軸のストロークを確保しつつ、直動機構を大型化させずに、ジャバラ状部材のような保護カバーを配置することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、所定の軸線に沿って延びる長尺のシャフトと、該シャフトを所定のストロークで前記軸線方向に移動させる駆動機構と、該駆動機構を収容し、前記シャフトの少なくとも一の端部を外部に進退可能に突出させる開口を備えるハウジングと、該ハウジングに一端が、前記シャフトの前記端部に他端が固定される筒状の保護カバーとを備え、該保護カバーが、前記開口および前記シャフトの前記開口から外方に突出する部分を取り囲み、前記シャフトの前記ハウジングに対する前記軸線方向の移動に対応して前記軸線方向に伸縮するとともに、前記駆動機構の前記シャフトが突出する端面を含む部分を径方向内側に配置し、前記保護カバーが最も圧縮された際に、前記一端と前記駆動機構の前記端面との前記軸線方向の距離よりも、前記他端と前記端面との前記軸線方向の距離の方が小さくなる位置において、前記一端が前記ハウジングに固定されている、直動機構である。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の一実施形態に係る水平多関節ロボットを示す全体構成図である。

【図2】図１の水平多関節ロボットにおいて、シャフトがストロークの上限に位置する場合の下側の直動機構を示す部分的な縦断面図である。

【図3】図１の水平多関節ロボットにおいて、シャフトがストロークの下限に位置する場合の上側の直動機構を示す部分的な縦断面図である。

【図4】図２の直動機構の変形例を示す部分的な縦断面図である。

【図5】図３の直動機構の変形例を示す部分的な縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示の一実施形態に係る直動機構１００および水平多関節ロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る水平多関節ロボット１は、図１に示されるように、例えば、水平な床面Ｆに設置されるベース２と、ベース２に支持された第１アーム３と、第１アーム３に支持された第２アーム（ハウジング、アーム）４とを備えている。

【0009】

第１アーム３は、鉛直方向に延びる第１軸線Ａ回りに回転可能にベース２に支持されている。
第２アーム４は、第１軸線Ａに平行な第２軸線Ｂ回りに回転可能に第１アーム３に支持されている。第２アーム４には、第２アーム４の上部を覆うアームカバー（ハウジング）５が取り付けられており、アームカバー５と第２アーム４との間には空間Ｓが画定されている。

【0010】

また、本実施形態に係る水平多関節ロボット１は、第２アーム４に搭載された直動機構１００を備えている。直動機構１００は、図１から図３に示されるように、第２アーム４およびアームカバー５を、鉛直方向に延びる第３軸線（軸線）Ｃに沿って貫通するシャフト６と、シャフト６を駆動する駆動機構７とを備えている。また、直動機構１００は、第２アーム４およびアームカバー５から外部に突出した部分のシャフト６を取り囲む位置に軸方向に伸縮可能な円筒状のジャバラ（保護カバー）１３，２３を備えている。

【0011】

シャフト６は、例えば、ボールネジスプラインシャフトである。
シャフト６の下端（端部）６１は、図２に示されるように、第２アーム４の下面４１に設けられた開口部（開口）４２から鉛直下方に突出している。
また、シャフト６の下端６１には、ハンド等のツール（図示略）が取り付けられる取付部６３が配置されている。

【0012】

一方、シャフト６の上端（端部）６２は、図３に示されるように、アームカバー５の上面５１に設けられた開口部（開口）５２から鉛直上方に突出している。
シャフト６には、長手軸に沿って上端６２から下端６１まで貫通する中央孔６４が設けられている。制御装置（図示略）に接続されたケーブル等の線条体（図示略）が、シャフト６の上端６２から中央孔６４内に挿入され、シャフト６の下端６１に取り付けられたツールまで配線される。

【0013】

駆動機構７は、空間Ｓ内に収容されたボールスプラインナット１０およびボールネジナット２０を備えている。また、駆動機構７は、駆動力を発生するサーボモータ（図示略）と、各サーボモータの駆動力をボールスプラインナット１０およびボールネジナット２０にそれぞれ伝達するプーリ１１，２１およびベルト１２，２２とを備えている。

【0014】

ボールスプラインナット１０は、図２に示されるように、第２アーム４に固定される固定部１０ａと、固定部１０ａに対してシャフト６の長手軸回りに図示しない軸受によって回転可能に支持された可動部１０ｂとを備えている。
ボールスプラインナット１０は、図示しないボールを介在させて可動部１０ｂをシャフト６に噛み合わせている。これにより、ボールスプラインナット１０は、可動部１０ｂに対してシャフト６を長手軸に沿って移動可能に支持するとともに、可動部１０ｂの回転によってシャフト６を長手軸回りに回転させる。

【0015】

ボールネジナット２０は、図３に示されるように、第２アーム４に固定される固定部２０ａと、固定部２０ａに対してシャフト６の長手軸回りに図示しない軸受によって回転可能に支持された可動部２０ｂとを備えている。
ボールネジナット２０は、図示しないボールを介在させて可動部２０ｂをシャフト６に噛み合わせることにより、固定部２０ａに対する可動部２０ｂの回転によってシャフト６を長手軸方向に移動させる。

【0016】

ジャバラ１３は、上端１３ａが第２アーム４の下面４１に固定され、下端１３ｂが取付機構８によってシャフト６の下端６１に取り付けられている。
取付機構８は、シャフト６の下端６１に固定された円環状の内輪部材８１と、ジャバラ１３の下端１３ｂが固定された円環状の外輪部材８２と、内輪部材８１に対して外輪部材８２を第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持する軸受８３とを備えている。

【0017】

また、ジャバラ２３は、下端２３ｂがアームカバー５の上面５１に固定され、上端２３ａが取付機構９によってシャフト６の上端６２に取り付けられている。
取付機構９は、シャフト６の上端６２の外周面に固定された円環状の内輪部材９１と、ジャバラ２３の上端２３ａが固定された円環状の外輪部材９２と、内輪部材９１に対して外輪部材９２を第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持する軸受９３とを備えている。

【0018】

これにより、シャフト６が第３軸線Ｃ方向に移動するときには、シャフト６に固定された取付機構８，９の上下動に対応してジャバラ１３，２３が伸縮させられる。ジャバラ１３，２３は、シャフト６の全ストロークにわたって、開口部４２，５２および開口部４２，５２から突出するシャフト６の外面を覆った状態に維持可能な寸法を有している。また、シャフト６が第３軸線Ｃ回りに回転するときには、外輪部材８２，９２に対して内輪部材８１，９１を回転させることにより、ジャバラ１３，２３の捩じれを防止している。

【0019】

この場合において、第２アーム４の下面４１には、空間Ｓ内に収容されているボールスプラインナット１０の外周を取り囲む位置に、上方に窪む円筒状の凹部４３が設けられている。そして、凹部４３の底面４３ａには、ジャバラ１３の上端１３ａを固定する座面が設けられている。また、第２アーム４に設けられた開口部４２は、ボールスプラインナット１０の可動部１０ｂの下面（端面）と略同等の位置に配置されている。

【0020】

開口部４２から凹部４３の底面４３ａまでの深さは、図２に示されるように、シャフト６のストロークの上限において、最も圧縮した状態となるジャバラ１３を収容可能な寸法に設定されている。この位置において、取付機構８が第２アーム４の下面４１に微小隙間を空けて最も近接する。

【0021】

また、アームカバー５の上面５１には、空間Ｓ内に収容されているボールネジナット２０の外周を取り囲む位置に、下方に窪む円筒状の凹部５３が設けられている。そして、凹部５３の底面５３ａには、ジャバラ２３の下端２３ｂを固定する座面が設けられている。また、アームカバー５に設けられた開口部５２は、ボールネジナット２０の可動部２０ｂの上面（端面）と略同等の位置に配置されている。

【0022】

開口部５２から凹部５３の底面５３ａまでの深さは、図３に示されるように、シャフト６のストロークの下限において、最も圧縮した状態のジャバラ２３を収容可能な寸法に設定されている。この位置において、取付機構９がアームカバー５の上面５１に微小隙間を空けて最も近接する。

【0023】

このように構成された直動機構１００および水平多関節ロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る水平多関節ロボット１によれば、ベース２に対する第１アーム３の第１軸線Ａ回りの回転および第１アーム３に対する第２アーム４の第２軸線Ｂ回りの回転によって、シャフト６を水平方向の所望の位置に２次元的に位置決めすることができる。

【0024】

そして、サーボモータの作動によって、ボールスプラインナット１０を第３軸線Ｃ回りに回転させることにより、第２アーム４に対してシャフト６を第３軸線Ｃ回りに回転させることができる。また、サーボモータの作動によって、ボールネジナット２０を第３軸線Ｃ回りに回転させることにより、第２アーム４に対してシャフト６を第３軸線Ｃに沿って直線移動させることができる。これにより、所望の水平方向位置に位置決めされたシャフト６を回転および上下動させ、シャフト６の下端６１の取付部６３に取り付けられたツールの上下方向位置および第３軸線Ｃ回りの角度を調節することができる。

【0025】

例えば、図２に示されるように、第２アーム４に対して、シャフト６が鉛直上方に移動させられた場合には、開口部４２からのシャフト６の突出量は、シャフト６の移動量だけ減少し、開口部５２からのシャフト６の突出量は、シャフト６の移動量だけ増大する。このとき、ジャバラ１３は、開口部４２からのシャフト６の突出量の減少に対応して圧縮させられ、ジャバラ２３は、開口部５２からのシャフト６の突出量の増大に対応して伸長させられる。

【0026】

反対に、図３に示されるように、第２アーム４に対して、シャフト６が鉛直下方に移動させられると、開口部５２からのシャフト６の突出量は、シャフト６の移動量だけ減少し、開口部４２からのシャフト６の突出量は、シャフト６の移動量だけ増大する。この場合には、ジャバラ２３が圧縮され、ジャバラ１３が伸長させられる。

【0027】

すなわち、第２アーム４に対して、シャフト６が上下動させられても、開口部４２，５２および開口部４２，５２から突出するシャフト６は、それぞれジャバラ１３，２３によって覆われた状態に維持される。これにより、シャフト６および空間Ｓ内は、外部からの水分や塵埃等から保護される。

【0028】

また、ジャバラ１３，２３は、図２および図３に示されるように、最も圧縮した状態においても軸方向に所定の長さを有する。本実施形態によれば、ジャバラ１３，２３を取り付ける座面を凹部４３，５３の底面４３ａ，５３ａに配置したので、最も圧縮した状態において、ジャバラ１３，２３を凹部４３，５３内に収容することができる。

【0029】

すなわち、ジャバラ１３，２３をシャフト６に取り付けていても、ストロークエンドにおいてシャフト６の端部をボールスプラインナット１０あるいはボールネジナット２０の端面に十分に近接させることができる。その結果、シャフト６にジャバラ１３，２３を取り付けるために、シャフト６の両端を中継シャフトによって延長する必要がなく、水平多関節ロボット１の大型化を抑制することができるという利点がある。

【0030】

従来のようにジャバラ１３，２３を装着するためにシャフト６の両端を中継シャフトによって延長する場合には、ジャバラ１３，２３の有無によってシャフト６の端部におけるツールの取付部６３の位置が変動するが、本実施形態によればそのような不都合はない。

【0031】

なお、本実施形態においては、図４に示されるように、ジャバラ１３の下端１３ｂと外輪部材８２との間およびジャバラ１３の上端１３ａと凹部４３の底面４３ａとの間を、ガスケット等の円環状のシール部材１５によって密封してもよい。
また、シャフト６の外周面と内輪部材８１との間を、Ｏリング等のシール部材１６によって密封し、軸受８３として、シール付きベアリングを採用してもよい。

【0032】

同様に、図５に示されるように、ジャバラ２３の上端２３ａと外輪部材９２との間およびジャバラ２３の下端２３ｂと凹部５３の底面５３ａとの間を、ガスケット等の円環状のシール部材２５によって密封してもよい。
また、シャフト６の外周面と内輪部材９１との間を、Ｏリング等のシール部材２６によって密封し、軸受９３として、シール付きベアリングを採用してもよい。

【0033】

これにより、シャフト６および空間Ｓに対して、外部から水分や塵埃等が侵入することをより確実に防止することができる。
また、シャフト６と内輪部材８１，９１との間はラビリンス構造にしてもよい。

【0034】

また、本実施形態においては、シャフト６が第２アーム４およびアームカバー５の両者を鉛直方向に貫通する場合を例示したが、これに代えて、シャフト６が第２アーム４またはアームカバー５の一方のみを鉛直方向に貫通してもよい。
この場合、第２アーム４またはアームカバー５を貫通しないシャフト６の端部には、ジャバラを設ける必要がなく、直動機構１００をより簡易な構成にすることができる。

【0035】

また、本実施形態においては、シャフト６の下端６１および上端６２にジャバラ１３，２３を取り付けた水平多関節ロボット１を例示したが、これに代えて、いずれか一方のみにジャバラが装着されていてもよい。

【0036】

また、本実施形態においては、直動機構１００として、水平多関節ロボット１の第２アーム４に搭載された上下軸を例示したが、これに代えて、同様の構造を有する他の任意の直動機構を採用してもよい。

【0037】

また、本実施形態においては、シャフト６をボールネジスプラインシャフトとしたが、これに代えて、シャフト６をボールスプラインシャフトによって構成してもよい。この場合、駆動機構７として、ボールスプラインシャフトを、その長手軸回りに回転駆動させる機構と、ボールスプラインシャフトをその長手軸方向に直線移動させる機構とを備えていればよい。
ボールスプラインシャフトを長手軸に沿う方向に直線移動させる機構としては、ボールネジの他、シリンダ等の公知の直動機構を採用すればよい。

【0038】

また、本実施形態においては、シャフト６をボールネジシャフトによって構成し、駆動機構７としてボールネジナット２０を備えてもよい。この場合、ボールネジシャフトは、その長手軸に沿う方向にのみ移動が可能となるため、取付機構８，９については、第３軸線Ｃ回りの回転機能を省略することができる。
また、保護カバーとしてジャバラを例示したが、これに限定されるものではなく、軸方向に伸縮可能な任意の構造の保護カバーを採用してもよい。例えば、テレスコピックに伸縮する保護カバーあるいは螺旋状に伸縮する保護カバーであってもよい。

【符号の説明】

【0039】

１ 水平多関節ロボット
４ 第２アーム（ハウジング、アーム）
５ アームカバー（ハウジング）
６ シャフト
７ 駆動機構
１０ ボールスプラインナット
１３ ジャバラ（保護カバー）
２０ ボールネジナット
２３ ジャバラ（保護カバー）
４１ 下面
４２ 開口部（開口）
５１ 上面
５２ 開口部（開口）
６１ 下端（端部）
６２ 上端（端部）
１００ 直動機構
Ｃ 第３軸線（軸線）
Ｓ 空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】