JP2010284746A - 継手及び自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットに使用されて簡易に電源電圧を安定させることができる継手、及び、当該継手を搭載した自動工具交換装置を提供する。
【解決手段】ツール部２１に接続された継手２２の第１接続ユニット３０は、ツール負荷４１に接続された第１の端子群３３を有する。本体部２０に搭載された継手２２の第２の接続ユニット３１は、第２の端子群３５を有する。継手２２は、第１の端子群３３及び第２の端子群３５で構成された接点を繰り返し接続及び離間することができる構造をもつ。継手２２の第１の接続ユニット３０は、継手２２の接点とツール負荷４１の間に接続された電圧昇圧装置４２をもっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源装置から電力供給を受けて加工処理を実行するツールを、ロボットのマニピュレータ本体に接続する継手、及び、当該継手により当該ツールと当該マニピュレータ本体を接続可能に構成された自動工具交換装置に関する。

従来、産業用ロボットのマニピュレータ先端に搭載されたツールを自動的に交換することができる自動工具交換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の自動工具交換装置は、マニピュレータ本体とツールを接続する継手を備えている。当該継手は、着脱可能な突き合わせ接点を介してマニピュレータ本体とツールの間で用途に応じた電気信号や電源電力などを中継する。

更に、産業用ロボットのマニピュレータ本体に対してツールを相対的に回転可能に接続する回転軸継手が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の回転軸継手は、相対的に回転可能な摺動接点を介してマニピュレータ本体とツールの間で用途に応じた電気信号や電源電力などを中継する。

各種継手を搭載した産業用ロボットでは、マニピュレータ本体からマニピュレータ先端部のツールの電気的負荷に電力を供給する伝送路に継手内部の突き合わせ接点や摺動接点が介在する。突き合わせ接点や摺動接点を介して電力を供給する場合、継手を使用せず直接電源ケーブルで電力を供給する場合に比較して接点抵抗が大きくなり、当該接点抵抗による電圧降下が発生しやすい。ツールが有するエンコーダなどの電気的負荷は、下限の電圧以上を供給しなければ正常に動作しないことから、ツールを正常に動作させる上で接点抵抗の存在は大きな問題となっている。

摺動接点に起因する電圧降下を減らすため、接点の材質や構造を改良することより接点抵抗を小さくする提案がされている。（例えば、特許文献３参照）。

特開平６−９１５７４号公報 特開２００１−２８４００４号公報 特開平８−２８３８８５号公報

特許文献３に提案されているように、伝送路に介在する接点の材質や構造を改良しても、接点を経由する限り接点抵抗及び電圧降下が小さくなることはあっても完全に無くなることはない。特許文献１の自動工具交換装置は、一般に、一日に数十回にも及ぶ工具交換動作を行うような使用環境におかれている。当該使用環境下では、継手の接点が摩耗したり、接点に作業環境内のゴミが噛み混んだりすることにより、継手の接点抵抗が常に変化して安定しない。特許文献２では、回転軸継手の電気的な接続構造にブラシを使用している。グリスなどの潤滑剤によりブラシの摩耗を抑制することはできるが、長年の使用や使用環境によるブラシの摩耗は避けられない。ブラシが磨耗すると、接点抵抗が変化しやすくなり、時間の経過とともに接点抵抗は増大する。

以上のように、産業用ロボットに搭載される継手は、接点抵抗が変化及び増大しやすい環境で使用されるため、ツールへ安定して電力を供給することが難しく、ツールを正常に駆動することができない状態を引き起こしやすい。

本発明は、継手の接点抵抗の変化に影響されず、安定してツールに電力を供給することができる継手及び自動工具交換装置を提供することを目的とする。

本発明の継手は、電源装置から電力供給を受けて加工処理を実行するツールを、加工処理装置の本体に接続する。更に、第１の端子を有する第１の接続ユニットと、第２の端子を有する第２の接続ユニットとを備える。第１の接続ユニット及び第２の接続ユニットは、第１の端子と第２の端子とを繰り返し接続及び離間可能とする構造を有する。第１の接続ユニットは、ツールに対して接続可能に構成されるとともに、第１の端子とツールの電気的負荷とをつなぐ電気伝送路中に配設された電圧昇圧手段を有する。第２の接続ユニットは、本体に接続可能に構成されるとともに、第２の端子と電源装置とを電気的に接続可能とする構造を有する。

継手が搭載される加工処理装置には、自動工具交換装置などの各種産業用ロボットが含まれる。加工処理装置が実行する加工処理として、溶接、切断、把持、屈曲、組立、搬送、塗装、検査、研磨又は洗浄などが例示される。加工処理装置は、当該加工処理のいくつかを選択的に実行できるものであってもよいし、他の加工処理を実行できるものであってもよい。

第１の端子と第２の端子で構成される接点は、スリップリングとブラシのように摺動接触する接点であってもよいし、突き合わせ接触する接点であってもよく、着脱可能な他の構成をもつ接点であってもよい。第１の接続ユニット及び第２の接続ユニットは、第１の端子と第２の端子を繰り返し接続及び離間可能とする構造をもつものであれよい。

電圧昇圧手段は、第１の端子からの入力電圧を、ツールの電気的負荷の下限電圧を超える電圧まで昇圧し、昇圧された電圧を電気的負荷に供給することが好ましい。電圧昇圧手段は、常時動作するものであってもよいし、入力電圧が所定値以下に下がったときに動作するものであってもよい。電圧昇圧手段は、入力電圧の変化を検出する手段を有し、所定の変化が検出されたときに動作するよう構成されたものであってもよい。電圧昇圧手段は、上限の電圧を超えないように所定範囲内に電圧を収めるように動作するものであってもよい。電圧昇圧手段の動作を制限することにより、電力消費量を抑制することができる。

本発明の第１の自動工具交換装置は、電源装置から電力供給を受けて加工処理を実行するツールを、マニピュレータ本体に搭載するとともに、当該ツールを自動的に交換する構成をもつ自動工具交換装置であって、本発明の継手とツールとを備える。更に、第１の接続ユニット及びツールは、一方に当該第１の接続ユニットと当該ツールとを繰り返し接続及び離間可能とするような構造をもつ。第１の接続ユニットはツールに接続されている。

本発明の第２の自動工具交換装置は、第１の自動工具交換装置において複数の第１の接続ユニットと複数のツールとを備える。更に、一のツールと一の第１の接続ユニットとを接続することにより構成されたツールユニットを複数備える。当該自動工具交換装置は、マニピュレータ本体に接続された第２の接続ユニットにツールユニットを着脱することにより、複数のツールを交換する。

本発明の継手によれば、ツールの電気的負荷に近い第１の接続ユニットに電圧昇圧手段を搭載することによって、電源装置からツールまでの電圧降下を補償することができ、ツールの電気的負荷に安定して電力を供給することができ、ツールの正常な駆動を確保することができる。特に、電圧昇圧手段を接点とツールの間に設けたことで、接点抵抗の変化に影響されずに安定した電力をツールの電気的負荷に供給することができる。

本発明の第１及び第２の自動工具交換装置によれば、ツールを搭載した第１の接続ユニットと、第２のユニットとを繰り返し接続及び離間することができる構成をもつことにより、複数の種類のツールに対して、各ツールに適した電力を安定して供給することができる。

図１は本実施形態の産業用ロボットの概略構成図である。 図２（ａ）は図１の継手の第１接続ユニットの概略斜視図であり、図２（ｂ）は図１の継手の第２接続ユニットの概略斜視図である。図２（ｃ）は他の実施形態の継手における接点の概略斜視図である。 図３は図１の産業用ロボットの電気的な接続関係を示す構成図である。

本実施形態では、マニピュレータ本体とツールとの間を接続する継手を産業用ロボットに搭載し、自動的にツール交換可能とした例について説明する。なお、本発明の継手及び自動工具交換装置は、本実施形態で説明する継手及び産業用ロボットに限られるものではない。

図１は、本実施形態の産業用ロボット１の概略構成図である。図１に示すように、産業用ロボット１は、制御盤１０、外部配線１１及びマニピュレータ１２で構成されている。産業用ロボット１は、更に、電気信号、液体、気体及び固体の一部又は全てをマニピュレータ１２に供給する供給装置を備えていてもよく、他の構成を更に備えるものであってもよい。

制御盤１０は、作業者の入力に従ってマニピュレータ１２を動作させるとともに、所定のプログラムに従ってマニピュレータ１２を自動的に動作させる。更に、制御盤１０は、マニピュレータ１２を動作させるための電源装置を内蔵している。なお、電源装置は、制御盤１０から分離されたものであっても良い。

外部配線１１は、制御盤１０からマニピュレータ１２まで駆動電力及び制御信号を伝送する複数の配線で構成されている。制御盤１０は、一般的に安全性の観点からマニピュレータ１２の動作領域外に配設されているため、制御盤１０からマニピュレータ１２までの距離に応じて外部配線１１を引き回す必要がある。本実施形態の外部配線１１は、約１０ｍ〜２０ｍの長さを有するが、本発明は当該長さに限定されるものではない。

当該外部配線１１の引き回しの長さが長いほど、電源装置から出力された電源電圧が外部配線１１の配線抵抗によって降下する。更に、制御盤１０とマニピュレータ１２の距離は設置環境によって異なるため、外部配線１１による電圧降下は設置環境により異なる。

マニピュレータ１２は、本体部２０、ツール部２１及び継手２２で構成されている。

本体部２０は、多自由度の動作を実現する複数の関節を有し、所定範囲内で姿勢変更することによりツール部２１を移動及び動作させる。本体部２０には、外部配線１１から供給された駆動電力及び制御信号を伝送するための内部配線が配設されている。本体部２０は、本実施形態よりも簡素な動作を実行するものであってもよいし、複雑な動作を実行するものであってもよい。

ツール部２１は、本体部２０の先端に継手２２を介して着脱可能に接続されており、加工対象物に対して各種加工を施す。本実施形態のツール部２１は、スポット溶接を実現するものである。ツール部２１に設けられた溶接ガン及びエンコーダの動作に必要な駆動電力及び制御信号は、本体部２０から供給される。ツール部２１は、交換可能に構成されている。他のツール部２１を本体部２０に取り付けることにより、溶接、切断、把持、屈曲、組立、搬送、塗装、検査、研磨又は洗浄などの加工を実現することができる。マニピュレータ１２は、当該加工のいくつかを選択的に実行できるものであってもよいし、他の加工を実行できるものであってもよい。

継手２２は、本体部２０とツール部２１を着脱可能に接続し、自動でツール部２１を交換可能とする構成をもつ。継手２２は、本体部２０に対してツール部２１を固定するものであってもよく、本体部２０に対してツール部２１の少なくとも一部を相対的に回転可能に接続するものであってもよい。更に、継手２２は、本体部２０に対してツール部２１の少なくとも一部を相対的に移動可能に接続するものであってもよい。継手２２は、本体部２０とツール部２１の間で駆動電力及び制御信号を伝送する。なお、継手２２は、本体部２０とツール部２１の間で、気体、液体及び固体の一または全てを搬送可能な構成をもつものであってもよい。

図２（ａ）は、本実施形態の継手２２を構成する第１接続ユニット３０の概略斜視図である。図２（ｂ）は、継手２２を構成する第２接続ユニット３１の概略斜視図である。第１接続ユニット３０は、ボルトによってツール部２１に固定されているため、繰り返し接続及び離間することができる。第２接続ユニット３１は、ボルトによって本体部２０に固定されているため、繰り返し接続及び離間することができる。第１接続ユニット３０及び第２接続ユニット３１は、それぞれ、他方に対して強固に接続する接続構造をもつ。当該接続構造は、繰り返し接続及び離間が可能となる構造をもつ。当該接続構造として、エアによって係合部材を動作させるものが例示される。ツール部２１に固定された第１接続ユニット３０を、本体部２０に固定された第２接続ユニット３１に接続するとき、第１接続ユニット３０の第１の上面３２と第２接続ユニット３１の第２の上面３４が対面する。更に、第１の上面３２に配設された棒状の第１の端子群３３が、第２の上面３４に配設された円盤状の第２の端子群３５に突き合わせ接触し、駆動電力及び制御信号の伝送が可能となる。第１の端子群３３と第２の端子群３５は接点を構成している。当該接点には接触抵抗（一種の接点抵抗）が存在するため、電圧降下が生じる。更に、工場内の粉塵、経時的な劣化、端子の弾性力の変化などの要因によって接触抵抗が変動する。なお、駆動電力及び制御信号を伝送する接点の構造は本実施形態で示した構造に限られず、着脱可能な他の構造であってもよい。図２（ａ）の第１接続ユニット３０と図２（ｂ）の第２接続ユニット３１を着脱することにより、図１の本体部２０に対するツール部２１の着脱が実現される。異なるツールを搭載した複数のツール部２１のそれぞれに第１接続ユニット３０を装着して交換台に搭載しておくことにより、自動的に工具を交換することができる。なお、本明細書において上下方向は、説明の便宜上規定したものであり、相対的な方向を示すに過ぎない。

図２（ｃ）は、継手２２が回転継手である場合の他の接点の一例を示す図である。当該接点は、スリップリング３６とブラシ３７を有する。スリップリング３６とブラシ３７は、繰り返し接続及び離間することができる。本体部２０に固定されたスリップリング３６に対し、ツール部２１に固定されたブラシ３７が相対的に回転すると、スリップリング３６に形成された同心円状に並ぶ複数の環状端子３８に沿ってブラシ３７の摺動端子群３９が摺動する。環状端子３８と摺動端子群３９の間には導電性のグリスが塗られている。環状端子３８と摺動端子群３９の間には接触抵抗（一種の接点抵抗）が存在するため、電圧降下が生じる。更に、環状端子３８と摺動端子群３９は相対的な回転運動により摺動するため、回転せずにそのまま互いに接触させて静置されている場合に比較して接触抵抗が変動しやすい。更に、工場内の粉塵、経時的な劣化、端子の弾性力の変化などの要因によって接触抵抗が変動する。

図３は、本実施形態の産業用ロボット１の駆動電力供給ラインの接続関係を示す概略構成図である。制御盤１０の電源装置から供給された駆動電力は、外部配線１１を通じてマニピュレータ１２に供給される。外部配線１１からマニピュレータ１２に供給された駆動電力は、本体部２０内の内部配線４０、継手２２の第２接続ユニット３１及び継手２２の第１接続ユニット３０を順に通ってツール部２１に供給される。ツール部２１は、供給された駆動電力によって動作するツール負荷４１を有する。第１の接続ユニット３０内には、電圧昇圧装置４２がツール負荷４１に最も近い位置に配置されている。本実施形態のツール負荷４１はエンコーダである。ツール負荷４１は、エンコーダに限られるものではなく、ツール部２１に搭載された溶接ガンなど他の電気的な負荷であってもよい。比較的低電圧で動作するツール負荷４１ほど、動作電圧に対する接点及び配線に起因した電圧降下の割合が大きく、当該電圧降下によるツール負荷４１の正常な駆動が妨げられやすい。そのため、電圧昇圧装置４２は、比較的低電圧で動作するツール負荷４１に接続されていることが好ましく、ツール負荷４１の動作電圧が低いほど高い効果を実現することができる。比較的低電圧で動作するツール負荷４１として、直流電圧で動作するセンサやエンコーダが例示される。

電圧昇圧装置４２は、ツール負荷４１に供給すべき目標電圧があらかじめ設定されており、第２接続ユニット３１から供給された電圧を目標電圧に昇圧する。電圧昇圧装置４２は、制御盤１０の電源装置から供給された駆動電力で駆動する。制御盤１０の電源装置が供給する電源電圧は、主として、外部配線１１の配線抵抗、内部配線４０の配線抵抗及び継手２２における接点抵抗によって大幅に低下する。電圧昇圧装置４２を備えることによって、ツール負荷４１の動作に必要とされる目標電圧を確実にツール負荷４１に印加することができる。継手２２の接点部分における接点抵抗が変動して電源電圧の電圧降下量が変動しても、ツール負荷４１の動作に必要とされる目標電圧を確実にツール負荷４１に印加することができる。

電圧昇圧装置４２は、第２接続ユニット３１からの入力電圧を、ツール負荷４１の下限電圧を超える電圧まで昇圧し、昇圧された電圧をツール負荷４１に供給することが好ましい。電圧昇圧装置４２は、常時動作するものであってもよいし、入力電圧が所定値以下に下がったときに動作するものであってもよい。電圧昇圧装置４２は、入力電圧の変化を検出する手段を有し、所定の変化が検出されたときに動作するよう構成されたものであってもよい。例えば、電圧昇圧装置４２は、電圧が徐々に低下するのを検出して動作を開始するものであってもよい。電圧昇圧装置４２は、上限の電圧を超えないように所定範囲内に電圧を収めるように動作するものであってもよい。例えば、接点の影響によってパルス的に変動する電圧を所定電圧範囲に収めるものであってもよい。電圧昇圧装置４２の動作を制限することにより、電力消費量を抑制しながら安定した電圧を供給することができる。

継手２２の第１接続ユニット３０内に電圧昇圧装置４２を配置することによって、電源装置からツール部２１までの電圧降下を予測して電源電圧をあらかじめ調整する必要がなくなる。更に、継手２２の電圧昇圧装置４２によって電圧降下を補償することができるため、外部配線１１の長さの制約を減らし、マニピュレータ１２の構造の制約を減らすことができる。すなわち、産業用ロボット１全体の設計の自由度を上げることができる。外部配線１１の長さの制約が減るので、制御盤１０とマニピュレータ１２の配置の自由度が高まる。マニピュレータ１２の構造の制約及び継手２２の選択の制約が減るので、設計要求を満足する性能を実現しやすい。更に、工場内の粉塵、経時的な劣化及び端子の弾性力の変化などの設置環境や事後的な各種要因によって生じる電圧降下を、電圧昇圧装置４２によって補償することができる。

なお、本実施形態の第１接続ユニット３０が本発明の第１の接続ユニットに相当し、本実施形態の第２接続ユニット３１が本発明の第２の接続ユニットに相当する。本実施形態の第１の端子群３３が本発明の第１の端子に相当し、本実施形態の第２の端子群３５が本発明の第２の端子に相当する。本実施形態の電圧昇圧装置４２が本発明の電圧昇圧手段に相当する。

本発明は、自動工具交換装置や搬送装置に例示されるような各種の産業用ロボットに適用できる。なお、本実施形態の電圧昇圧装置は、電源電圧を目標電圧に昇圧するものであるが、制御信号の電圧など他の電圧を目標電圧に昇圧するものであってもよい。

１ 産業用ロボット
１０ 制御盤
１１ 外部配線
１２ マニピュレータ
２０ 本体部
２１ ツール部
２２ 継手
３０ 第１接続ユニット
３１ 第２接続ユニット
３２ 第１の上面
３３ 第１の端子群
３４ 第２の上面
３５ 第２の端子群
３６ スリップリング
３７ ブラシ
３８ 環状端子
３９ 摺動端子群
４０ 内部配線
４１ ツール負荷
４２ 電圧昇圧装置

Claims (5)

1. 電源装置から電力供給を受けて加工処理を実行するツールを、加工処理装置の本体に接続する継手であって、
   第１の端子を有する第１の接続ユニットと、
   第２の端子を有する第２の接続ユニットと、を備え、
   前記第１の接続ユニット及び前記第２の接続ユニットは、前記第１の端子と前記第２の端子とを繰り返し接続及び離間可能とする構造を有し、
   前記第１の接続ユニットは、前記ツールに対して接続可能に構成されるとともに、前記第１の端子と前記ツールの電気的負荷とをつなぐ電気伝送路中に配設された電圧昇圧手段を有し、
   前記第２の接続ユニットは、前記本体に接続可能に構成されるとともに、前記第２の端子と前記電源装置とを電気的に接続可能とする構造を有する、
   継手。
2. 前記第１の端子と前記第２の端子とは、突き合わせ接点を構成する
   請求項１の継手。
3. 前記第１の端子と前記第２の端子とは、摺動接点を構成する
   請求項１の継手。
4. 電源装置から電力供給を受けて加工処理を実行するツールを、マニピュレータ本体に搭載するとともに、当該ツールを自動的に交換する自動工具交換装置であって、
   請求項１または請求項２の前記継手と、
   前記ツールと、を備え、
   前記第１の接続ユニット及び前記ツールは、当該第１の接続ユニットと当該ツールとを繰り返し接続及び離間可能とするような構造をもち、
   前記第１の接続ユニットは前記ツールに接続されている、
   自動工具交換装置。
5. 複数の前記第１の接続ユニットと、
   複数の前記ツールと、を備え、
   一の前記ツールと一の前記第１の接続ユニットとを接続することにより構成されたツールユニットを複数備え、
   前記マニピュレータ本体に接続された前記第２の接続ユニットに前記ツールユニットを着脱することにより、複数の前記ツールを交換する、
   請求項４の自動工具交換装置。