JP5412870B2

JP5412870B2 - ロボットフィンガー

Info

Publication number: JP5412870B2
Application number: JP2009040939A
Authority: JP
Inventors: 賢太郎坂上; 晴三宮崎; 直人堀内
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP2010194655A

Description

本発明は、人間の指に似た動作を機械的に行うロボットフィンガーに関する。

パートナーロボットや家事ロボット等の指の関節には、従来よりワイヤを掛け渡すプーリを用いたものや、転がり軸受を用いたものが提案されている（例えば特許文献１、２）。

この指の関節に使用される軸受は、各産業機械の製造等で用いられるロボットアームで使用されるような大きな軸受と異なり、比較的小径の軸受が使用されている。そのため、各軸受での負荷容量も小さく、重いものを指で支えることを想定した場合、軸受サイズをできるだけ大きくして対応する必要がある。

特開２００１−２７７１７５号公報特開２００３−３０５６８１号公報

しかしながら、軸受サイズを大きくすれば指先も太く設計せざるをえなくなり細かい作業がしにくくなる。このように負荷容量と指先の細さは、基本的にはトレードオフの関係がある。

そこで、本発明は、負荷容量が大きく、指先を細く設計可能なロボットフィンガーを提供することを目的としている。

上記目的は以下の構成により達成される。
（１）指の根元から指先に向かって少なくとも３つの関節部を備え、各関節部が２部材を回動軸回りに相対回転可能に支持するロボットフィンガーにおいて、
前記各関節部は、相対回転する一方の部材に形成したユニット装着孔に嵌入される外輪ハウジングと、該外輪ハウジングに内嵌され前記回動軸の軸方向に所定間隔を持って設けられた２組の玉軸受と、該２組の玉軸受に内嵌され相対回転する他方の部材に連結された軸部材と、を備え、
前記各外輪ハウジングには、前記相対回転する一方の部材を回動させるための駆動部材が取り付けられ、
前記少なくとも３つの関節部を構成する各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって軸受外径が次第に小さくなることを特徴とするロボットフィンガー。
（２）前記各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって基本静定格荷重が次第に小さくなることを特徴とする（１）に記載のロボットフィンガー。
（３）前記各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって玉ＰＣＤが次第に小さくなることを特徴とする（１）又は（２）に記載のロボットフィンガー。
（４）前記相対回転する一方の部材の前記ユニット装着孔が形成されている部分は二股になっており、
前記各駆動部材は、前記二股の間に設けられていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のロボットフィンガー。

本発明のロボットフィンガーによると、指の根元から指先に向かって軸受外径が次第に小さくなるので、最も負荷のかかる指の根元の軸受の負荷容量を保つことができ、且つ、指先は細く設計することができるため細かい作業を行なうことができる。

本発明に係るロボットフィンガーの一実施形態の概略を示す斜視図である。図１のロボットフィンガーの関節部の要部断面図である。図１のロボットフィンガーの関節部の軸受を説明する模式図である。ロボットフィンガーの荷重分布測定を説明する模式図であり（ａ）は本発明に係るロボットフィンガーであり、（ｂ）は比較例に係るロボットフィンガーである。

以下、本発明のロボットフィンガーの一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明に係るロボットフィンガーの概略を示す斜視図、図２は図１のロボットフィンガーに採用した関節部を示す要部断面図である。

ロボットフィンガー１は、図１に示すように、中空円筒形状の第１アーム２と、小径部３ａ及び大径部３ｂからなる中空円筒形状の第２アーム３と、一端側を中空円筒形状とし、他端部を球面形状とした中空円筒形状の第３アーム４と、第１アーム２の一端部を掌部６に連結している第１関節部５Ａと、第１アーム２の他端部及び第２アーム３の一端部を連結している第２関節部５Ｂと、第２アーム３の他端部及び第３アーム４の一端部を連結している第３関節部５Ｃとを備えている。

第２アーム３及び第３アーム４を連結している第３関節部５Ｃは、図２に示すように、第３アーム４の一端側に形成したユニット装着孔７と、このユニット装着孔７に嵌入された軸受ユニット８と、この軸受ユニット８の回転中心Ｐ位置に装着され、第２アーム３の一端に形成した連結板３ｃに固定される連結ネジ９と、軸受ユニット８の外周に掛け渡されており、軸受ユニット８を介して第３アーム４を連結ネジ９（回転中心Ｐ）回りに回動させる駆動ワイヤ１０と、軸受ユニット８を所定角度まで回転させる引張力を駆動ワイヤ１０に伝達する駆動力伝達装置１１ａ（図１参照）とを備えている。

ユニット装着孔７は、第３アーム４の長手方向に対して直交する方向に円形に開口して形成されている。軸受ユニット８は、２組の玉軸受１２Ｃ，１２Ｃと、単一の外輪ハウジング１４と、単一の軸部材１５とを一体化した部品である。
２組の玉軸受１２Ｃ、１２Ｃは、それぞれ外輪１２ａ及び内輪１２ｂと、外輪１２ａの軌道溝及び内輪１２ｂの軌道溝間に転動自在に配設された多数の玉１２ｃと、外輪１２ａ及び内輪１２ｂの間の軸方向の両端部を閉塞する環状シール体１２ｄとを備えている。

外輪１２ａ、内輪１２ｂ及び玉１２ｃの材料は、標準的な使用条件では軸受鋼（例えば、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３など）とするが、使用環境に応じて、耐食材料であるステンレス系材料（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼材やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼材、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス鋼材など）、チタン合金やセラミック系材料（例えば、Ｓｉ₃ Ｎ₄、ＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 等）を採用してもよい。

外輪ハウジング１４は、２組の玉軸受１２Ｃ，１２Ｃの外輪１２ａ，１２ａを内嵌し、第３アーム４のユニット装着孔７に内嵌される円筒形状の部材である。また、軸部材１５は、２組の玉軸受１２Ｃ，１２Ｃの内輪１２ｂ，１２ｂに内嵌される円筒形状の部材であり、内周面には連結ネジ９が螺合する雌ネジが形成されている。
駆動ワイヤ１０は、その先端部が外輪ハウジング１４の外周に固定されたワイヤ止め部材１６に係止されているとともに、第２アーム３を構成する大径部３ｂの内部空間を通過し、小径部３ａの内部空間に配置した第１プーリ１７に係合した後に、第２アーム３の内部に配置した駆動力伝達装置１１ａに連結されている。

また、第１アーム２及び第２アーム３を連結している第２関節部５Ｂも、詳細には説明しないが、第２アーム３の小径部３ａに形成したユニット装着孔と、このユニット装着孔に嵌入された２組の玉軸受１２Ｂ，１２Ｂを内蔵した軸受ユニット１８と、この軸受ユニット１８の回転中心位置に装着され、第１アーム２の一端に形成した連結板２ｃに固定される連結ネジ１９と、軸受ユニット１８の外周に掛け渡され、軸受ユニット１８を介して第２アーム３を連結ネジ１９回りに回動させる駆動ワイヤ２０とを備えており、駆動ワイヤ２０は、前述した駆動力伝達装置１１ａに連結されている。

また、掌部６及び第１アーム２を連結している第１関節部５Ａも、詳細には説明しないが、第１アーム２の一端に形成したユニット装着孔と、このユニット装着孔に嵌入された２組の玉軸受１２Ａ，１２Ａを内蔵した軸受ユニット２８と、この軸受ユニット２８の回転中心位置に装着され、掌部６の一端に形成した連結板６ｃに固定される連結ネジ２９と、軸受ユニット２８の外周に掛け渡され、軸受ユニット２８を介して第１アーム２を連結ネジ２９回りに回動させる駆動ワイヤ３０とを備えており、駆動力伝達装置１１ｂに連結されている。

また、図１に示すロボットフィンガー１の第３関節部５Ｃには、詳細には図示しないが、駆動ワイヤ１０の引張力により軸受ユニット８が回動する方向に対して軸受ユニット８を逆方向（図１の符号Ｙ３で示す方向）に回動させようとする力を発生させる反力部材（例えばバネ等の弾性部材）が内蔵されているとともに、第１及び第２関節部５Ａ、５Ｂにも、駆動ワイヤ３０、２０の引張力により軸受ユニット２８、１８が回動する方向に対して軸受ユニット２８、１８を逆方向（図１の符号Ｙ１、Ｙ２で示す方向）に回動させようとする力を発生させる反力部材（例えばバネ等の弾性部材）が内蔵されているものとする。

ここで本実施形態のロボットフィンガー１は、前述したように指の根元から指先に向かって３つの関節部、即ち第１関節部５Ａ、第２関節部５Ｂ、第３関節部５Ｃを備え、それぞれの関節部５Ａ〜５Ｃを構成する玉軸受１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃがそれぞれ並列に２個ずつ配設されているが、玉軸受１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの外径をそれぞれＤ_１２Ａ、Ｄ_１２Ｂ、Ｄ_１２Ｃとすると、図３に示すように、Ｄ_１２Ａ＞Ｄ_１２Ｂ＞Ｄ_１２Ｃの関係を有する。また、それぞれの基本静定格荷重、玉ＰＣＤ（ピッチ円直径）も根元の玉軸受１２Ａから指先の玉軸受１２Ｃに向かって小さくなるように構成されている。なお、基本静定格荷重とは、最大応力を受けている転動体と軌道の接触部の中央において４２００ＭＰａ（自動調心玉軸受を除く玉軸受の場合の値）の接触応力を生じさせるような静荷重をいう。

次に、ロボットフィンガーの荷重分布測定について説明する。
測定は、実施例、比較例ともに指長さが１００ｍｍのロボットフィンガーを用いて、指の根元から指先までの３つの関節にそれぞれ並列に２個ずつ玉軸受を配置して行なった。また、根元から指先までの関節間距離を５０ｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍとして、指先の関節からさらに先端側に１０ｍｍのところに２５Ｎの垂直荷重を負荷して、ワイヤー張力（Ｎ）と各軸受に作用する合力（Ｎ）を算出した。

図４（ａ）は実施例に係るロボットフィンガーであって、根元から指先に向かって３つの関節を構成する軸受を軸受Ａ、Ｂ、Ｃとし、軸受外径をＤ_Ａ＞Ｄ_Ｂ＞Ｄ_Ｃとした。
図４（ｂ）は比較例に係るロボットフィンガーであって、根元から指先に向かって３つの関節を構成する軸受を軸受Ｅ、Ｆ、Ｇとし、軸受外径を全て同一Ｄ_Ｅ＝Ｄ_Ｆ＝Ｄ_Ｇとした。なお、これらの軸受Ｅ、Ｆ、Ｇと実施例に係る軸受Ｂは同じ軸受である。
軸受Ａ〜ＦはＳＵＳ４４０Ｃを使用した軸受であり、より詳細な仕様は表１に示す。また、ワイヤーは２ｍｍ以下の幅を有するワイヤーを使用した。

測定結果を表１に示す。なお、図４（ａ）、（ｂ）中の矢印は各軸受に作用する合力を示している。

ここで、ロボットフィンガーで最も負荷がかかる軸受Ａと軸受Ｅに着目すると、実施例に係る軸受Ａの基本静定格荷重６８８Ｎは軸受Ａに作用する合力５９１Ｎより十分に大きいため軸受回転性能としては問題なく、良好な操作を行うことができることが確認できた。

一方、比較例に係る軸受Ｅの基本静定格荷重４５０Ｎに対して軸受Ｅに作用する合力は６３６Ｎと大きいため、軌道輪に永久変形が生じ十分な回転精度が得られない可能性が高いことが確認できた。なお、ワイヤー張力が１０Ｎ以下である場合にも、すべりが生じ良好な操作ができないおそれがあるが、これについては実施例、比較例とも満たすものであった。

また、図４（ａ）、（ｂ）を比較して明らかなように、実施例に係るロボットフィンガーの指先は比較例に係るロボットフィンガーの指先よりも細くなっていることがわかる。

以上、説明したように本実施形態のロボットフィンガー１によれば、指の根元から指先に向かって軸受外径が次第に小さくなるので、指先を細く設計することができ、細かい作業を行なうことができる。

また、本実施形態のロボットフィンガー１によれば、指の根元から指先に向かって基本静定格荷重が次第に小さくなるので、最も負荷の大きい根元の軸受の負荷容量を確保しつつ、指先を細く設計することができる。

また、本実施形態のロボットフィンガー１によれば、指の根元から指先に向かって玉ＰＣＤが次第に小さくなるので、指先を細く設計することができ、細かい作業を行なうことができる。

なお、本発明のロボットフィンガーは、上記各態様の実施の形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。

１ロボットフィンガー
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ玉軸受（転がり軸受）

Claims

指の根元から指先に向かって少なくとも３つの関節部を備え、各関節部が２部材を回動軸回りに相対回転可能に支持するロボットフィンガーにおいて、
前記各関節部は、相対回転する一方の部材に形成したユニット装着孔に嵌入される外輪ハウジングと、該外輪ハウジングに内嵌され前記回動軸の軸方向に所定間隔を持って設けられた２組の玉軸受と、該２組の玉軸受に内嵌され相対回転する他方の部材に連結された軸部材と、を備え、
前記各外輪ハウジングには、前記相対回転する一方の部材を回動させるための駆動部材が取り付けられ、
前記少なくとも３つの関節部を構成する各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって軸受外径が次第に小さくなることを特徴とするロボットフィンガー。
前記各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって基本静定格荷重が次第に小さくなることを特徴とする請求項１に記載のロボットフィンガー。
前記各２組の玉軸受は、指の根元から指先に向かって玉ＰＣＤが次第に小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットフィンガー。
前記相対回転する一方の部材の前記ユニット装着孔が形成されている部分は二股になっており、
前記各駆動部材は、前記二股の間に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットフィンガー。