JPH11267989A

JPH11267989A - 位置決め装置

Info

Publication number: JPH11267989A
Application number: JP10074360A
Authority: JP
Inventors: Kenta Yamazaki; 健太山崎; Tetsuo Kadota; 哲郎門田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、位置決め装置に用いられる固定型等
速自在継手における回転バックラッシュの問題を解消
し、多自由度、高精度、かつ、高速な位置決めが可能な
位置決め装置を提供することを目的とする。【解決手段】位置決め装置に用いられる固定型等速自在
継手は、球面状の内径面１ａに例えば３本の曲線状の案
内溝１ｂを軸方向に形成した外側継手部材１と、球面状
の外径面２ａに曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成した
内側継手部材２と、外側継手部材１の案内溝１ｂと内側
継手部材２の案内溝２ｂとが協働して形成されるボール
トラックに配されたボール３と、ボール３を保持する保
持器４と、内側継手部材２の外径面２ａと保持器４の内
径面４ａとの間に介装された弾性押圧手段５とを備え、
弾性押圧手段がボールとボールトラックに予圧を与え、
回転バックラッシュを無くす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な動きをする
工作機械やロボットマニブレータ等に取付けられる位置
決め装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、産業用の工作機械やロボットマニ
ブレータのエンドエフェクタ（作業手）の３次元位置決
め装置には、静止節に対して並列的に立設した複数のア
ームによって、出力節を多自由度に支持したパラレルメ
カニズムが適用されつつある。

【０００３】図８に示すように、パラレルメカニズムは
静止節１０、アーム１１、出力節１２を球対偶で連結し
て構成される閉ループ機構を具備し、アーム１１の伸縮
や閉ループ機構の屈曲によって、出力節１２を多自由度
に位置決めするものである。

【０００４】このパラレルメカニズムは、従来から産業
用の工作機械等の用途に用いられているシリアルメカニ
ズム（アームが直列的に連結された開ループ機構による
位置決め装置）に比べ、複数のアームで出力節を支持す
るので構造上剛性が高く、かつ、複数のアームが一体的
に連動するので高精度かつ高速で位置決めが行えるとい
う利点があり、更なる開発が進められている。

【０００５】一般のパラレルメカニズムは、球対偶要素
として、主にカルダンジョイント或いはボールソケット
型軸継手が用いられている。

【０００６】しかし、産業用ロボットの作業手の位置決
め装置には、三次元的に十分に広い作業領域を出力節に
担保し、かつ、出力節の位置決めを高精度かつ高速に行
え、更に作業負荷に対する十分な許容荷重を有すること
必要である。

【０００７】カルダンジョイント、ボールソケット型軸
継手は、共に許容折り曲げ角が最大２０°程度しかな
く、さらに、カルダンジョイントにおいては、不等速ジ
ョイントであるため折曲げの方向によっては、アームに
回転トルクが生じるという問題があり、ボールソケット
型軸継手においては、がたつきが生じ易く、許容荷重が
小さいという問題がある。

【０００８】そこで、本出願人はパラレルメカニズムの
球対偶要素Ｑに、許容折り曲げ角が最大５０°程度で、
許容荷重も比較的大きい固定型等速自在継手を適用する
構成について既に提案している（特願平９−１６７７
７）。

【０００９】この既提案にかかるパラレルメカニズム
は、図８に示すパラレルメカニズムと同様、静止節１０
の異なる位置に並列的に立設した６つのアーム１１によ
って、出力節１２を支持するものである。各アーム１１
と、静止節１０及び出力節１２とは、出力節１２の多自
由度を担保すべく球対偶要素Ｑによって連結されてい
る。また、各アーム１１は伸縮自在な直進対偶Ｐを有
し、アーム１１の伸縮機構Ｐには駆動装置が取付けら
れ、その伸縮量が調整される。出力節１２の位置は、各
アーム１１の伸縮を調節することにより三次元的に行え
る。

【００１０】図９に示すように、この位置決め装置のア
ーム１１は、ボールねじ１４を介した伸縮構造で構成さ
れる直線対偶Ｐを有している。また、アームの両端は、
固定型等速自在継手（１５，１６）を介して静止節１０
及び出力節１２と連結されている。

【００１１】ボールねじ１４は、アーム１１の静止節側
の部材１１ａに形成されたねじ軸１４ａと、ねじ軸１４
ａにボールを介して嵌合するナット１４ｂとを備え、ナ
ット１４ｂに固定されたソケット１４ｃを介してアーム
１１の出力側の部材１１ｂに連結されている。

【００１２】所要方向に回転させると、ボールねじ１４
を介してアーム１１の出力側部材１１ｂが軸方向に移動
し、これによりアーム１１ｂは伸長又は伸縮する。

【００１３】アーム１１の出力節側に取付けられる固定
型等速自在継手１５は、外側継手部材が出力節１２に固
定され、内側継手部材がアーム１１の出力節側部材１１
ｂに連結される。アーム１１の静止節側に取付けられる
固定型等速自在継手１６は、外側継手部材が、ベアリン
グ１９を介して駆動源となるサーボモータ１７の主軸１
８に連結され、内側継手部材がアーム１１の静止側継手
部材１１ａに連結される。アーム１１の静止側部材１１
ａの回転量に応じて、アーム１１の伸縮量が決まる。

【００１４】アーム１１が伸縮すると、アーム１１と静
止節１０及び出力節１２との間に角度変位が生じ、その
角度変位が固定型等速自在継手（１５，１６）によって
吸収される。また、固定型等速自在継手の等速性によ
り、アーム１１の交叉角が変化しても、アーム１１の静
止節側の部材１１ａは、サーボモータ１７の主軸１８と
等速で回転するので、サーボモータ１７の回転は正確に
アーム１１の静止節側の部材１１ａに伝達される。そし
てアーム１１の長さは、サーボモータ１７の主軸１８の
回転角を制御することによって正確に調節できる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】固定型等速自在継手と
してはツェッパー型等速自在継手が一般的であるが、こ
の種の継手では内側継手部材と外側継手部材との間のス
ムーズな角度変位を可能にするため、案内溝とボールと
の間に僅かなクリアランス（内部隙間）をもたせてあ
る。そのため、回転方向の変化時、継手内部に回転バッ
クラッシュ（円周方向のガタツキ）が生じることが不可
避である。従って、固定型等速自在継手をパラレルメカ
ニズムにそのまま適用すると、位置決め装置に十分な位
置決め精度や動作応答が得られない可能性がある。特
に、アームの構造が前述のようなねじ対偶である場合
は、回転バックラッシュによって、各アームの伸縮量む
らが生じることとなり、高精度な位置決めが行えない場
合が生じ得る。

【００１６】本発明は、位置決め装置に用いられる固定
型等速自在継手における回転バックラッシュの問題を解
消し、多自由度、高精度、かつ、高速な位置決めが行え
る位置決め装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明の位置決め装置は、パラレルメカニズムの球
対偶要素に、がたつきの無い固定型等速自在継手を用い
る。

【００１８】本発明の位置決め装置は、がたつきの無い
固定型等速自在継手として、球面状の内径面に曲線状の
案内溝を軸方向に形成した外側継手部材と、球面状の外
径面に曲面状の案内溝を軸方向に形成した内側継手部材
と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが
協働して形成され、この継手の開口側又は奥部側に向か
って漸次縮小したボールトラックに配されたボールと、
ボールを保持する保持器と、外側自在継手部材の案内溝
および内側継手部材の案内溝とボールとの間の隙間を詰
める弾性的な予圧付与手段を有する固定型等速自在継手
を用いる。

【００１９】また、内側継手部材を保持器に対して軸方
向に相対変位可能にすると共に、内側継手部材の外径面
と保持器の内径面との間に、内側継手部材の外径面に適
合接触する球面部を有する弾性押圧手段を介装し、この
弾性押圧手段の弾性力によって、内側継手部材の外径面
を、その案内溝の中心のオフセット方向と反対方向に押
圧する固定型等速自在継手を適用することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態を説明する。

【００２１】本実施形態の位置決め装置は、図８に示す
前述の位置決め装置と同様に、静止節１０と、静止節１
０の異なる６箇所の位置に並列的に立設されたアーム１
１と、アーム１１に多自由度に支持される出力節１２と
を具備する。

【００２２】位置決め装置のアーム１１は、図９に示す
前述したアームと同様の構造を有するので、ここでは重
複する説明を省略する。

【００２３】本実施形態の固定型等速自在継手は、図９
における固定型等速自在継手（１５，１６）に適用され
るものである。

【００２４】以下、本実施形態に用いられる固定型等速
自在継手について説明する。

【００２５】本実施形態の固定型等速自在継手は、図１
に示すように、球面状の内径面１ａに例えば３本の曲線
状の案内溝１ｂを軸方向に形成した外側継手部材１と、
球面状の外径面２ａに例えば３本の曲線状の案内溝２ｂ
を軸方向に形成した内側継手部材２と、外側継手部材１
の案内溝１ｂと内側継手部材２の案内溝２ｂとが協働し
て形成されるボールトラックに配された例えば３個のボ
ール３と、ボール３を保持する保持器４と、内側継手部
材２の外径面２ａと保持器４の内径面４ａとの間に介装
された弾性押圧手段５とを備えている。

【００２６】図３に示すように、外側継手部材１は一端
が開口したカップ状のもので、図示されていない他端に
軸部が一体に形成され、あるいは、別体の軸部が適宜の
手段で接合される。案内溝１ｂの中心Ａは内径面１ａの
球面中心Ｏに対して、軸方向に（この実施形態では継手
の奥部側に）所定距離だけオフセットされている。ま
た、内径面１ａの開口側領域は円筒面１ａ１になってい
る。円筒面１ａ１の内径（半径）Ｄ１は、図５（ａ）の
保持器４の輪郭線を包含できる径に設定されている。

【００２７】図４に示すように、この実施形態におい
て、内側継手部材２は軸部２ｃと一体に形成されてい
る。これは、部品点数の削減、組立工数の削減等に配慮
したものである。案内溝２ｂの中心Ｂは、外径面２ａの
球面中心Ｏに対して、軸方向に（この実施形態では継手
の開口側に）所定距離だけオフセットされている。案内
溝２ｂのオフセット量は、外側継手部材１の案内溝１ｂ
のオフセット量と同じであるが、オフセットの方向が反
対になっている（案内溝１ｂは奥部側、案内溝２ｂは開
口側）。

【００２８】図５に示すように、この実施形態におい
て、保持器４はボール３を収容する３つの窓形のポケッ
ト４ｂを備えている。保持器４の内径面４ａは、開口側
領域が円筒面４ａ１、奥部側領域が円錐面４ａ２になっ
ている。円筒面４ａ１の内径（半径）Ｄ５は、内側継手
部材２の外径面２ａの外径（半径）Ｄ２に対して、Ｄ５
≧Ｄ２に設定されている。奥部側領域は球面又は円筒面
としても良い。保持器４の外径面４ｃは、半径Ｄ４の球
面（球面中心Ｏ）である。保持器４は金属材料で形成し
ても良いが、より一層の軽量・低コスト化を図るため樹
脂材料で形成することもできる。

【００２９】この実施形態では、弾性押圧手段５とし
て、図６に示すような縮拡径自在な分割リングを採用し
ている。この弾性押圧手段５はバネ鋼等で形成され、１
つの割り口５ａと、軸方向に突出した３つの爪部５ｂを
備えている。各爪部５ｂの先端は、内側継手部材２の外
径面２ａと同じ曲率をもった凹球状の球面部５ｃになっ
ている。尚、弾性押圧手段５は樹脂、ゴム等の弾性材料
で形成しても良い。

【００３０】この固定型等速自在継手は、外側継手部材
１の案内溝１ｂの中心Ａと内側継手部材２の案内溝２ｂ
の中心Ｂとが、ボール３の中心を含む継手中心面Ｏに対
して軸方向に等距離だけ反対側（中心Ａは継手の奥部
側、中心Ｂは継手の開口側）にオフセットされている。
そのため、案内溝１ｂと案内溝２ｂとが協働して形成さ
れるボールトラックは奥部側が広く、開口側に向かって
漸次縮小したくさび状になる。

【００３１】図２（図１のＸ部の拡大図）に示すよう
に、保持器４の内径面４ａ（円錐面４ａ２）と内側継手
部材２の外径面２ａとの間に軸方向隙間Ｓが設けられ、
内側継手部材２の保持器４に対する軸方向の相対変位が
許容されている。そして、内側継手部材２の外径面２ａ
と保持器４の内径面４ａ（円筒面４ａ１）との間に介在
する弾性押圧手段５の弾性力Ｆによって、内側継手部材
２の外径面２ａが案内溝２ｂの中心Ｂのオフセット方向
（開口側）と反対方向（奥部側）に押圧付勢されてい
る。内側継手部材２は、弾性押圧手段５の押圧付勢力Ｆ
を受けて反オフセット方向（奥部側）に軸方向に相対変
位してボール３を押圧し、ボール３と内・外側継手部材
１、２の案内溝１ｂ、２ｂとの間の内部隙間がなくなる
位置で止まる。その結果、ボール３に軸方向の一定の予
圧Ｆが与えられ、継手の動作応答が良くなる。

【００３２】本実施形態の位置決め装置は、パラレルメ
カニズムの球対偶要素に、がたつきの無い固定型等速自
在継手を用いており、サーボモータの主軸の回転角が正
確にアームの静止節側の部材に伝わるので、位置決め動
作が高精度で行えるものとなる。

【００３３】尚、この実施形態では、外側継手部材１の
内径面１ａの開口側領域が図５（ａ）の保持器４の輪郭
線を包含できる形状にしておくことで、保持器４を外側
継手部材１に組み込むことができる。また、保持器４の
内径面４ａの開口側領域が半径Ｄ５（≧Ｄ２）の円筒面
４ａ１であり、かつ、内側継手部材２の案内溝２ｂの中
心Ｂが開口側にオフセットされているため、内側継手部
材２の軸線を保持器４及び外側継手部材１の軸線に一致
させた状態で、内側継手部材２を軸方向に進めて保持器
４の内径面４ａおよびボール３の内側に組み込むことが
できる。

【００３４】また、弾性押圧手段５として分割リングを
採用しているが、必要な弾性力が得られる場合は、図６
に示す形態に準じた一体リングを採用しても良い。その
場合、爪部の弾性によって必要な弾性力を与えても良い
し、あるいは、図７に示すように、一体リング５' の爪
部５ｂ' の弾性を補強する別体の弾性リング５" を配設
しても良い。弾性リング５" は、例えば波板バネ、ゴム
リング、樹脂リング等である。この弾性リング５" は、
図６に示す分割リング５と併用しても良い。あるいは、
弾性リング５" は、内側継手部材２の外径面２ａに接触
する剛体リング（弾性を持たないリング）と併用しても
良い。この場合、本発明の弾性押圧手段は、内側継手部
材の外径面を押圧する押圧部材（弾性を持たない部材）
と、この部材に弾性力を付与する弾性部材とを組合わせ
たものとなる。また、本発明の弾性押圧手段は特にリン
グ状のものに限定されず、本発明の目的を達成できる範
囲において、材質、形状等を任意に変更できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の位置決め装置は、パラレルメカ
ニズムの球対偶要素に回転バックラッシュの生じない固
定型等速自在継手を適用し、サーボモータの主軸の回転
角が正確にアームの静止節側の部材に伝わるので、出力
節の高精度な位置決めが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の位置決め装置における固定型
等速自在継手の実施形態を示す横断面図、（ｂ）は
（ａ）におけるｂ−ｂ縦断面図である。

【図２】図１におけるＸ部の拡大縦断面図である。

【図３】外側継手部材を示す縦断面図である。

【図４】内側継手部材を示す縦断面図である。

【図５】（ａ）は保持器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）の
右方向矢視図である。

【図６】（ａ）は弾性押圧手段の正面図、（ｂ）は
（ａ）のｂ−ｂ断面図である。

【図７】第２の実施形態における部分拡大縦断面図であ
る。

【図８】パラレルメカニズムを用いた位置決め装置の概
略斜視図。

【図９】パラレルメカニズムのアームの縦断面図。

【符号の説明】

１外側継手部材１ａ内径面１ｂ案内溝２内側継手部材２ａ外径面２ｂ案内溝３ボール４保持器５弾性押圧手段１０静止節１１アーム１２出力節１４ボールねじ１４ａボルト部材１４ｂナット１４ｃソケット１５，１６固定型等速自在継手

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静止節の少なくとも３箇所以上の異なる位
置に、固定型等速自在継手を介して連結され並列的に立
設する伸縮可能なアームと、アームの伸縮を操作する駆
動装置と、これらアームの先端に固定型等速自在継手を
介して連結される出力節とを有する位置決め装置におい
て、上記固定型等速自在継手が、球面状の内径面に曲線状の
案内溝を軸方向に形成した外側継手部材と、球面状の外
径面に曲面状の案内溝を軸方向に形成した内側継手部材
と、外側継手部材の案内溝と内側継手部材の案内溝とが
協働して形成され、この継手の開口側または奥部側に向
かって漸次縮小したボールトラックに配されたボール
と、ボールを保持する保持器と、上記外側自在継手部材
の案内溝および内側継手部材の案内溝とボールとの間の
隙間を詰める弾性的な予圧付与手段を有する固定型等速
自在継手であることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】上記予圧付与手段が、上記内側継手部材を
保持器に対して軸方向に相対変位可能にすると共に、内
側継手部材の外径面と保持器の内径面との間に、内側継
手部材の外径面に適合接触する球面部を有する弾性押圧
手段を介装し、この弾性押圧手段の弾性力によって、内側継手部材の外
径面を、その案内溝の中心のオフセット方向と反対方向
に押圧するものであることを特徴とする請求項１の位置
決め装置。