JP2007152500A

JP2007152500A - 回転ジョイント構造

Info

Publication number: JP2007152500A
Application number: JP2005351518A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hirose; 茂男廣瀬; Kazuhiro Motomura; 和寛本村
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】ロボットの関節部分である回転ジョイントを動作させても、回転軸及び／又は出力軸に巻回された線状物が絡まったり破損することがなく、軽量かつコンパクトな回転ジョイント構造を提供する。
【解決手段】一方のアーム側の回転軸を中心に回転する他方のアーム側の出力軸５と、前記回転軸及び／又は前記出力軸５に巻回された線状物１５とを有する回転ジョイント構造であって、前記回転軸及び／又は前記出力軸５に前記線状物１５を巻回するための螺旋状ガイド溝７，８が形成された。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットアーム等の関節部分等に用いられる回転ジョイント構造に関する。

従来、複数の関節を順に回動可能に連結した多関節型ロボットにおいては、関節内に信号を送受したり駆動用電源を供給するための電気ケーブルやエア等の流体を通すチューブ等の線状物を通すようにしている。

このとき、線状物を回転軸の周囲を通す構成とした場合、挟み込みにより線状物を傷つけたり、あるいは断線したりすることがある。これを防止するため、関節の回動範囲が比較的狭い範囲に限定されてしまう。

すなわち、電気ケーブル等の線状物を単に回転軸に沿わせて関節部分に配置したのでは、関節部分において相互に回転する回転部材や回転軸等で線状物が破損するおそれがある。

この問題を解決するために、回転軸の廻りに線状物を巻き方向に弾性的に巻回した状態で関節部分に配置する方法がある。しかしながら、この構造では回転軸に線状物を巻回して配置しているのみであるため、関節構造を支持するフレームが必要となり、構造が大きく、重くなっている。また、線状物を巻回している部分の有効利用が図られていない。さらに、仕切りがないため、何重にも巻回した線状物が弾性的に変化する間に、互いに重なって機能しなくなってしまう問題点がある。

すなわち、回転軸廻りに単に線状物を巻き方向に弾性的に巻回して配置した回転ジョイント構造は、当該回転軸や線状物等を保護し、関節の先に取付けられるアーム等のロボット構造材を支持するために、支持材を設ける必要がある。このロボット構造材は非常に重いため、支持材もこれらを確実に支持するような剛性の高い頑丈なものを用いる必要がある。このため、関節部分が大型化し、重くなってしまう。また、関節を動かすたびに回転軸に巻回された線状物が相互に干渉したり、重なって絡んだり、破損するおそれがある。

ロボットの関節部構造が特許文献１に記載されている。この構造は、回転駆動する出力軸にエア配管を緩やかにスパイラル状に巻回するものである。しかし、この特許文献１に記載のロボットの関節部構造では、上述したように、単に出力軸にエア配管を巻回するものであるため、構造が重厚化し、エア配管が絡まるおそれがある。

水平多関節ロボットにおけるケーブルの処理方法が特許文献２に記載されている。しかし、この処理方法も上述したように単に回動中心軸に沿って形成された支持柱廻りにケーブルを巻き方向に弾性的に巻回するものであるので、構造が重厚化し、ケーブルが絡まるおそれがある。

特開２００４−９０１３５号公報特開平８−５７７９２号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、ロボットの関節部分である回転ジョイントを動作させても、回転軸及び／又は出力軸に巻回された線状物が絡まったり破損することがなく、軽量かつコンパクトな回転ジョイント構造の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、一方のアーム側の回転軸を中心に回転する他方のアーム側の出力軸と、前記回転軸及び／又は前記出力軸に巻回された線状物とを有する回転ジョイント構造であって、前記回転軸及び／又は前記出力軸に前記線状物を巻回するための螺旋状ガイド溝が形成されたことを特徴とする回転ジョイント構造を提供する。

請求項２の発明では、前記回転軸内に電動モータが備わることを特徴としている。

請求項３の発明では、前記螺旋状ガイド溝の外周はカバー材で覆われ、前記回転軸を覆うハウジングを備え、該ハウジングの外周に前記螺旋状ガイド溝を装着し、該螺旋状ガイド溝の外側から前記カバー材をアーム側に対し締め付けて固定したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、回転軸及び／又は出力軸に螺旋状ガイド溝が形成されるため、線状物はこの螺旋状ガイド溝に沿って巻回される。したがって、出力軸が回転しても、線状物は螺旋状ガイド溝内に収まった状態で回転軸廻りに緩んだり縮んだりするため、線状物が相互に干渉することはなく、重なって絡まったりすることを防止できる。また、関節内の部材等に線状物が挟まれたりして破損することも防止できる。

請求項２の発明によれば、回転軸内に電動モータが備わるため、使用時にモータによる熱が発生しても、螺旋状ガイド溝が放熱のためのフィンの役割を果たす。特に、回転軸に線状物を巻回すると、回転軸内はより高温の熱がこもることになるが、螺旋状ガイド溝によって確実に放熱することができる。また、電動モータを別の箇所に設けることに比べて、スペースの有効利用を図ることができる。

請求項３の発明によれば、前記螺旋状ガイド溝の外周がカバー材で覆われるため、ロボット関節となる回転ジョイント部分を保護することができる。また、螺旋状ガイド溝により関節部分は高い剛性を有することになり、カバー材も薄い形状のものを用いることができ、関節部分の軽量化を図ることができる。

図１は本発明に係る回転ジョイント構造を用いたロボットアームの概略図である。
ロボットアーム３１はアームベース２１と上腕アームリンク２２と前腕アームリンク２３とアーム先端構造体（ハンド）２４及びこれらをそれぞれ連結する回転ジョイント３２（図では３個の回転ジョイント）で構成される。この回転ジョイント３２がロボットアーム３１の関節となる。回転ジョイント３２はこれに連結される上腕アームリンク２２等を回転軸Ｓ廻りに回転させる。このようにしてロボットアームが動作する。図では、実線がロボットアームが伸びる途中の状態、破線がたたんだ状態である。回転ジョイント３２はカバー９，１２を含み、これらのカバー９，１２で覆われる。

図２は本発明に係る回転ジョイント構造の断面図であり、図３はその断面斜視図、図４は分解斜視図である。
図示したように、回転ジョイント３２はＤＣモータ１と、減速機２と、これらを覆うハウジング３と、出力軸５と、螺旋状ガイド溝７，８と、カバー９，１２で構成される。螺旋状ガイド溝７はハウジング３に固定され、螺旋状ガイド溝８は出力軸５に固定される。ＤＣモータ１は減速機２とともに円筒状のハウジング３内に収納される。ハウジング３の一方の端部側（図の左側半分）には螺旋状ガイド溝７が固定される。この螺旋状ガイド溝７は螺旋状に形成された薄板がハウジング３の外側に向かって突出するものである。ハウジング３の他方の端部側は出力軸５に挿通される。出力軸５とハウジング３はベアリング６を介して連結されるので、出力軸５はハウジング３廻りに回転可能である。出力軸５にはハウジング３と同様に螺旋状ガイド溝８が固定される。

カバー９，１２をネジ等で螺旋状ガイド溝７，８の外側からベース板１０，１３に対し締め付けることにより、螺旋状ガイド溝７，８がそれぞれベース板１０，１３に固定される。このとき、両方の螺旋状ガイド溝７，８に共通のハウジング３に対しては、一方のガイド溝８がベアリング６を介して連結されるため、両ガイド溝７，８同士は相互に軸廻りに回転可能になる。

線状物１５は螺旋状ガイド溝７，８に沿って連続して巻回される。線状物１５は電線やチューブ等のロボットアーム先端のハンドに電力やエア等を供給するためのものである。螺旋状ガイド溝７，８の外側を覆うカバー９，１２はそれぞれベース板１０，１３に固定される。ベース板１０，１３はロボットのアームに連結される第１アームリンク１１及び第２アームリンク１４に固定される。

ロボットアームの関節を動作させる場合、それぞれのアームに連結される第１アームリンク１１に対して第２アームリンク１４を回転させることにより行われる。この回転は次のようにして行われる。まず、ＤＣモータ１からの出力が減速機２を伝わって減速機２の軸廻りに回転する動力伝達部材４を回転させる。これに伴い、動力伝達部材４に固定された出力軸５がベアリング６を介してハウジング３廻りに回転する。さらに、出力軸５に固定された螺旋状ガイド溝８及びカバー１２も回転する。これにより、カバー１２に固定されるベース板１３及び第２アームリンク１４が回転する。このとき、第１アームリンク１１はハウジング３に固定されたまま動かない。したがって、第２アームリンク１４は第１アームリンク１１に対して回転することになり、ロボットアームの関節が動作する。

線状物１５は螺旋状ガイド溝７，８に沿って巻回される。このように、溝に沿って線状物１５が巻回されるため、ＤＣモータ１を作動させて出力軸５を回転させても、線状物１５は螺旋状ガイド溝内に収まった状態で回転軸Ｓ廻りに緩んだり縮んだりする。このため、線状物１５が相互に干渉することはなく、重なって絡まったりすることはない。また、関節内の部材等（例えば出力軸５とハウジング３）に線状物１５が挟まれたりして破損することも防止できる。

モータ１は回転軸Ｓを形成するハウジング３内に収納される。このモータ１は使用により発熱するため、放熱することが好ましい。螺旋状ガイド溝７はハウジング３から外側に薄板が突出する構造であるため、これが放熱フィンの役割を果たす。特に、回転軸Ｓに線状物１５を巻回した場合、回転軸内で発生した熱は逃げ場がなくより高温の熱がこもることになるが、この螺旋状ガイド溝７によって確実に放熱することができる。また、モータ１を別の箇所に設けることに比べて、スペースの有効利用を図ることができる。

カバー９，１２は螺旋状ガイド溝７，８を外側から締め付けるようにベース板１０，１３に固定される。このとき、螺旋状ガイド溝７，８がリブの役割を果たし、回転ジョイント３２の強度が向上する。したがって、強度向上のためにカバー９，１２を剛性の高い重厚な部材を用いる必要がなく、回転ジョイント３２の軽量化を図ることができる。

図５は本発明に係る別の回転ジョイント構造の断面斜視図である。
図示したように、出力軸５の周りに多くの線状物１５を巻回する必要がない場合、出力軸側に螺旋状ガイド溝を設けなくてもモータ側にのみ螺旋状ガイド溝を設ければ、本発明が目的とする効果を得ることができる。これとは逆に、出力軸５側のみに螺旋状ガイド溝を設けてもよい。その他の構成、作用、効果は図３と同様である。

本発明は、回転ジョイントによる関節に適用できる。

本発明に係る回転ジョイント構造を用いたロボットアームの概略図。本発明に係る回転ジョイント構造の断面図。本発明に係る回転ジョイント構造の断面斜視図。本発明に係る回転ジョイント構造の分解斜視図。本発明のさらに別の回転ジョイント構造の断面斜視図。

符号の説明

１：ＤＣモータ、２：減速機、３：ハウジング、４：動力伝達部材、５：出力軸、６：ベアリング、７，８：螺旋状ガイド溝、９，１２：カバー、１０，１３：ベース板、１１：第１アームリンク、１４：第２アームリンク、１５：線状物、２１：アームベース、２２、上腕アームリンク、２３：前腕アームリンク、２４：アーム先端構造体、３１：ロボットアーム、３２：回転ジョイント。

Claims

一方のアーム側の回転軸を中心に回転する他方のアーム側の出力軸と、
前記回転軸及び／又は前記出力軸に巻回された線状物とを有する回転ジョイント構造であって、
前記回転軸及び／又は前記出力軸に前記線状物を巻回するための螺旋状ガイド溝が形成されたことを特徴とする回転ジョイント構造。
前記回転軸内に電動モータが備わることを特徴とする請求項１に記載の回転ジョイント構造。
前記螺旋状ガイド溝の外周はカバー材で覆われ、前記回転軸を覆うハウジングを備え、該ハウジングの外周に前記螺旋状ガイド溝を装着し、該螺旋状ガイド溝の外側から前記カバー材をアーム側に対し締め付けて固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転ジョイント構造。