JP2007030145A - 関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、関節部分の小型化を可能にする関節装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の関節装置は、関節部分の内部にケーブル４を収容しており、関節３の回動中心軸部３ａと、ケーブル４が少なくとも一回巻回されるケーブル巻回軸部５とを個別に設け、関節３の回動に伴うケーブル４のたわみをケーブル巻回軸部５へのケーブルの巻き締まり・巻き広がりによって吸収させることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、関節部分の内部にケーブルを収容した関節装置に関する。

ロボットのアームには関節が設けられることが多い。この関節部分には、関節部分やアーム先端側に配されるアクチュエータへの電力供給線や信号線としてのケーブルが配される（内部に収容される）。このような関節装置としては、下記［特許文献１］にも開示がある。下記［特許文献１］に記載のものでは、関節の回動中心軸をケーブルの巻回軸として機能させ、弾性的にケーブルを巻回させている。
特開平８−５７７９２号公報

このような関節部分では、ケーブルのとり回しが問題となる。関節を伸ばしたときにケーブルに余計な張力が作用することを防止するには、関節を曲げたときにケーブルのたわむようにしておかなければならないが、このたわみをうまく処理しなくてはならない。上述した［特許文献１］もこの処理を考慮したものであるが、回動中心軸にモータを設ける場合には、ケーブル巻回スペースとモータ収容スペースの双方を関節部分に確保しなくてはならなくなるために関節部分が大きくなってしまい、関節を小型化することができない。ロボットの小型化を実現するためには、アクチュエータや駆動機構のある関節部を以下に小型化するかが重要な課題である。従って、本発明の目的は、関節部分の小型化を可能にする関節装置を提供することにある。

請求項１に記載の関節装置は、関節部分の内部にケーブルを収容しており、関節の回動中心軸部と、ケーブルが少なくとも一回巻回されるケーブル巻回軸部とを個別に設け、関節の回動に伴うケーブルのたわみをケーブル巻回軸部へのケーブルの巻き締まり・巻き広がりによって吸収させることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の関節装置において、ケーブルの最大巻き広がりの大きさに基づいてケーブル巻回軸部の外周側に設けられた第一ケーブルガイドと、ケーブル巻回部のケーブルの巻回入力部に配置され、ケーブルの巻き締まり・巻き広がりに伴う該ケーブルのケーブル巻回軸部からの逸脱を防止する第二ケーブルガイドとをさらに備え、ケーブル巻回軸部の中心を、第一ケーブルガイドにより形成されるケーブル動作室の中心よりも、第二ケーブルガイド側にオフセットさせて配置させたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の関節装置において、関節が第一アームと第二アームとの関節であり、第一アームとケーブルとを固定する第一ケーブルクランプ、及び、第二アームとケーブルとを固定する第二ケーブルクランプをさらに備え、第一アーム及び第二アームとが直線状の位置にあるときに、第二ケーブルガイドのガイド方向のほぼ直線状に第一ケーブルガイドが配置されることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の関節装置において、ケーブル巻回軸部の外周面と第二ケーブルガイドのガイド面との間隔が、巻回されるケーブル外径の２倍未満であることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の関節装置において、第一ケーブルガイドと第二ケーブルガイドとが一体的に形成されたケーブルガイドであることを特徴としている。

請求項１に記載の関節装置によれば、ケーブルの巻回軸部と関節の回動軸部とを個別に設けることで関節部分を小型化できる。例えば、関節部分の駆動に用いるモータを関節の回動中心部に配置させても関節部分を小型にすることができる。

請求項２に記載の関節装置によれば、ケーブル巻回軸部の中心を第二ケーブルガイド側にオフセットさせることで、ケーブル巻回部の第二ケーブルガイドと反対側にケーブルの巻き締まり・巻き広がりのスペースが形成される。また、このように、ケーブル巻回軸部の中心を第二ケーブルガイド側にオフセットさせることで、ケーブル巻回軸部と第二ケーブルガイド間でのケーブルの巻き締まり・巻き広がりに伴うケーブルの重なりを防止できる。これは、上述したスペース内でのケーブルの巻き締まり・巻き広がり時のケーブルの重なりも防止することになる。さらに、このようにすることで、第一ケーブルガイドと第二ケーブルガイドとを用いてスペースを最大限有効活用した巻回ができるため、関節部分を小型化できる。

請求項３に記載の関節装置によれば、第一ケーブルクランプと第二ケーブルクランプとの間でケーブルがたわむ可能性が削減され、関節部分の回動でケーブルに生じたたわみ力が第一ケーブルガイド及び第二ケーブルガイド内側のケーブルに伝わりやすくなり、ケーブルの巻き締まり・巻き広がりが円滑に行われるようになる。

請求項４に記載の関節装置によれば、ケーブル巻回軸部の外周面と第二ケーブルガイドのガイド面との間でケーブル同士が重なり合うことがなくなり、確実にケーブル同士の重なり合いを防止できる。

請求項５に記載の関節装置によれば、第一ケーブルガイドと第二ケーブルガイドとを一体的に形成させることで、部品点数削減や組み立て性向上を実現できる。また、関節部分（内部）での部品の納まりを効率行って小型化により一層貢献する。

本発明の関節装置（関節部分）の側面図を図１に（内部が見える状態として示してある）、平面図を図２に示す。図１及び図２に示されるように、この関節部分は、第一アーム１と第二アーム２との関節３である。関節３の中心には、この関節の回動中心軸部３ａがある。関節３の内部には、関節３で第一アーム１に対して第二アーム２を回動させるためのアクチュエータ（モータ）が組み込まれている。

そして、第一アーム１から第二アーム２にかけては、ケーブル４が配設されている。ケーブル４は、図２から分かるように、本実施形態ではケーブル４ａ〜４ｃの３本が配設されている。ケーブル４内には、上述した関節３内のモータへの電力供給線（制御信号線）や、アーム２よりも先端のアクチュエータやセンサへの電力供給線・信号線が収納されている。第一アームの関節３側先端近傍には、ケーブル４を巻回させる円筒状のケーブル巻回軸部５が配設されている。ケーブル巻回軸部５は、その中心軸が回動中心軸部３ａと平行となるように、第一アーム１の内部に固定されている。

ケーブル４ａ〜４ｃは、いずれもケーブル巻回軸部５に２回巻回されている。ケーブル巻回軸部５の外側には、ケーブルガイド６が配設されている。ケーブルガイド６は、図３に示されるように、円筒から一部を切り出したような形態を有しており、第一ケーブルガイド６ａと第二ケーブルガイド６ｂとを一体化させたものである。ケーブルガイド６も、その円筒中心軸が回動中心軸部３ａ（及びケーブル巻回軸部５）と平行となるように、第一アーム１の内部に固定されている。

ケーブル巻回軸部５の外周面と第二ケーブルガイド６ｂのガイド面（内面）との間隔は、ケーブル４の外径の二倍未満とされている。このため、ケーブル巻回軸部５の外周面と第二ケーブルガイド６ｂのガイド面（内面）との間でケーブル４同士が重なり合うようなことが防止される。ケーブル巻回軸部５に巻回されたケーブル４は、図２に示されるように、ケーブル巻回軸部５にはめ込まれたリング状の円板７によって、それぞれ仕切られている。

図４及び図５に、第一アーム１に対して第二アーム２を９０度まで屈曲させた状態の図１及び図２相当図を示す。本実施形態の関節３の可動範囲は、図１の点線で示される状態から、図４で示される９０度屈曲された状態までである。このため、ケーブル巻回軸部５に巻回されたケーブル４は、図１の点線で示される状態で最大に巻き広がり、図４の状態の時に最小に巻き締まる。上述したケーブルガイド６（特に第一ケーブルガイド６ａ）の円弧は、最大巻き広がり時のケーブル４の巻回外径に基づいて決定されている。ケーブルガイド６の曲率は、最大巻き広がり時のケーブル４の最大外径とほぼ等しくされている。

また、ケーブル巻回軸部５のケーブルガイド６とは反対側には、やはりケーブル４の巻き広がりをガイドするガイド部材８が配設されている（ガイド部材８は、請求項における第一ケーブルガイドとしても機能している）。ガイド部材８も、第一アーム１の内部に固定されている。このガイド部材８のケーブル巻回軸部５側の表面は、最大巻き広がり時のケーブル４の形態に合わせた曲面とされている。即ち、ケーブルガイド６とこのガイド部材８のガイド面とで、ほぼ円形を形成している。なお、ケーブルガイド６とガイド部材８のガイド面とで円形や楕円形状を形成することが望ましいが、本発明はこれに限定されず、ガイド部材８は加工性を考慮して正方形や長方形などの異形状としてもよい。第一ケーブルガイド（第一ケーブルガイド６ａ及びガイド部材８）の内側が、ケーブル４の巻き締まり・巻き広がりの行われるケーブル動作室である。

このケーブルガイド６及びガイド部材８によって形成されるケーブル動作室の中心に対して、ケーブル巻回軸部５の中心は、ケーブルガイド６（第二ケーブルガイド６ｂ）側にオフセットして位置されている。なお、本実施形態ではケーブルガイド６ａおよびガイド部材８によって形成されるケーブル動作室の形状を円弧としているため、ケーブル巻回軸部５の中心を円弧の中心に対してケーブルガイド６ｂ側にオフセットして位置している。そして、このようにオフセットさせることによって隙間の狭められたケーブル巻回軸部５とケーブルガイド６との間に、ケーブル巻回軸部５に巻回されるケーブル４の導入部と導出部と配置されている。

このようにすることで、ケーブル巻回軸部５へのケーブル４の巻き締まり・巻き広がりを円滑に行わせることができる。さらに、ガイド部材８（第一アーム１）には、上述したケーブル巻回軸部５へのケーブル導入部近傍に、第一ケーブルクランプ９が取り付けられている。同様に、第二アーム２には、上述したケーブル巻回軸部５へのケーブル導出部近傍に、第二ケーブルクランプ１０が取り付けられている。本実施形態の場合、第二ケーブルクランプ１０は、第二アーム２と関節３との結合部分に配置されており、関節３の外周面に取り付けられていると見ることもできる。

これらの第一ケーブルクランプ９及び第二ケーブルクランプ１０は、第一アーム１及び第二アーム２とが直線状の位置にあるとき（図１の点線の状態）に、直線上に位置している。このように、第一ケーブルクランプ９及び第二ケーブルクランプ１０を設けることによって、ケーブル巻回軸部５へのケーブル４の巻き締まり・巻き広がり時に、ケーブル巻回軸部５に前後でのケーブルのたわみを防止でき、ケーブル４を確実にケーブル巻回軸部５に巻き締まり・巻き広がりさせることができる。

このように、ケーブル巻回軸部５と関節３とを個別に設けることによって、関節部分（特に関節）を小型化することが可能となる。これは、関節３にモータなどを内蔵させても同様である。このため、アームを細くでき、アームを細かい場所などに差し込みやすくなる。関節部が大きいと、アームの軌道設計時などに、関節部分が周囲の物体に干渉しないようにするために無駄な軌道を生成しなければならない場合もあるが、アームの関節部を小型化できればこのようなことがない。

また、上述したようにケーブル４を収納させることで、アームの回動時に生じてしまうケーブルの余剰部分を効率よく収納させることができ、ケーブル内部での電力線や信号線の断線を招きにくくなる。もちろん、上述したケーブル回動軸部５を利用したケーブルの収納は、関節部分の小型にも寄与している。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では関節３の可動角度は９０度であったが、その以下あるいはこれ以上であっても良い。その際、ケーブル４のケーブル巻回軸部５への最小巻き締まり巻回内径に基づいてケーブル巻回軸部５の外径が決定され、最大巻き広がり時の巻回外径に基づいてケーブルガイド６（第一ケーブルガイド６ａ）の大きさが決定される。また、上述した実施形態では、ケーブル巻回軸部５は固定としたが、その中心軸回りに回転するようであっても良い。

また、図６に示されるように、ケーブルガイド６（第二ケーブルガイド６ｂ）とガイド部材８（請求項における第一ケーブルガイド）とが（第一ケーブルガイド６ａを介して）、一体的に形成されたケーブルガイドとして構成されても良い。

本発明の関節装置の一実施形態の側面図である。 本発明の関節装置の一実施形態の平面図である。 本発明の関節装置の一実施形態におけるケーブルガイドを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の関節装置の一実施形態の側面図（アーム屈曲時）である。 本発明の関節装置の一実施形態の平面図（アーム屈曲時）である。 本発明の関節装置の他の実施形態の側面図（アーム屈曲時）である。

符号の説明

１…第一アーム、２…第二アーム、３…関節、３ａ…回動中心軸部、４（４ａ〜４ｃ）…ケーブル、５…ケーブル回動軸部、６…ケーブルガイド、６ａ…第一ケーブルガイド、６ｂ…第二ケーブルガイド、７…円板、８…ガイド部材、９…第一ケーブルクランプ、１０…第二ケーブルクランプ。

Claims (5)

1. 関節部分の内部にケーブルを収容した関節装置において、
   関節の回動中心軸部と、前記ケーブルが少なくとも一回巻回されるケーブル巻回軸部とを個別に設け、
   前記関節の回動に伴う前記ケーブルのたわみを前記ケーブル巻回軸部への前記ケーブルの巻き締まり・巻き広がりによって吸収させることを特徴とする関節装置。
2. 前記ケーブルの最大巻き広がりの大きさに基づいて前記ケーブル巻回軸部の外周側に設けられた第一ケーブルガイドと、前記ケーブル巻回部の前記ケーブルの巻回入力部に配置され、前記ケーブルの巻き締まり・巻き広がりに伴う該ケーブルの前記ケーブル巻回軸部からの逸脱を防止する第二ケーブルガイドとをさらに備え、
   前記ケーブル巻回軸部の中心を、前記第一ケーブルガイドにより形成されるケーブル動作室の中心よりも、前記第二ケーブルガイド側にオフセットさせて配置させたことを特徴とする請求項１に記載の関節装置。
3. 前記関節が第一アームと第二アームとの関節であり、前記第一アームと前記ケーブルとを固定する第一ケーブルクランプ、及び、前記第二アームと前記ケーブルとを固定する第二ケーブルクランプをさらに備え、
   前記第一アーム及び前記第二アームとが直線状の位置にあるときに、前記第二ケーブルガイドのガイド方向のほぼ直線状に前記第一ケーブルガイドが配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の関節装置。
4. 前記ケーブル巻回軸部の外周面と前記第二ケーブルガイドのガイド面との間隔が、巻回されるケーブル外径の２倍未満であることを特徴とする請求項２又は３に記載の関節装置。
5. 前記第一ケーブルガイドと前記第二ケーブルガイドとが一体的に形成されたケーブルガイドであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の関節装置。
   

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