JP2010284777A - ロボット回転軸のケーブル保持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーブルを配置する場合に省スペース化を図ると共に、回転側の部材との摩擦の発生を極力回避できるロボット回転軸のケーブル保持構造を提供する。
【解決手段】複数のケーブル２０は、ベース２に内部において、固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２に沿ったままフラット状に配置され、回転部３１が回転動作すると、ケーブル群２１の上端側はその回転動作に応じて移動し、ケーブル群２１は、固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２の外周に沿ってＵ字をなすように曲げられた状態のまま追従する。ケーブル群２１のＲ部分は回転方向に対応して移動するように動くが、ケーブル群２１の直線をなす部分は、回転部３１及び回転側ケーブルガイド２２，２３と一体に回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットの回転軸に対して、ケーブルを配置するための構造に関する。

多関節型のアームを有するロボットにおいては、各軸に関節を駆動するためのモータが配置されており、それらのモータに電源を供給しつつ制御するため、コントローラとロボットとの間はケーブルにより接続されている。一般に、それらのケーブルは１つの束にまとめられていることが多く、また、省スペース化を図ったりケーブルが邪魔になることを避けるため、ケーブルをロボットの内部に収容し、内部を経由して各部に接続されているものが殆どである。

しかしながら、上記のような状態では、ロボットアームが回転すると、ケーブルが回転側の部材に接触して摩擦を生じる。特に、全体をコンパクト化するため、回転部材にケーブルが押し付けられる状態になると両者間に生じる摩擦が増大し易くなる。摩擦が増大すればアームが円滑に回転動作できなくなり、動作が重くなったり回転自体が不能となる場合もある。例えば特許文献１では、回転部材とケーブルとの接触を避けるため、ケーブルをロボットの外部に配置し、ケーブルの動きを規制する部材を設けている。

特開２００６−１８７８４１号公報

特許文献１に開示されている構成は、アームの先端側にあるシャフトとケーブルとの干渉を防止して、摩擦を低減する効果はあるが、その対価として、ケーブルをロボットの外部に取り回す必要が生じる。したがって、ケーブルを外部に配置する空間分だけロボットが占める空間が大型化することになり、省スペース化が要求されているロボットには適用できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ケーブルを配置する場合に省スペース化を図ると共に、回転側の部材との摩擦の発生を極力回避できるロボット回転軸のケーブル保持構造を提供することにある。

請求項１記載のロボット回転軸のケーブル保持構造によれば、複数のケーブルは、回転軸の外周部に沿ったままフラット状に配置されるので、回転部が回転動作すると、ケーブル群の一方の先端側はその回転動作に応じて移動するが、ケーブル群は、回転軸の外周部においてＵ字をなすように曲げられた状態のまま前記外周部に沿って追従する。この時、ケーブル群のＵ字をなす曲げ部分（Ｒ部分と称す）は回転方向に対応して移動するように動くが、ケーブル群の直線をなす部分は、回転部及び回転側ケーブルガイドと一体に回転する。
すなわち、回転軸が回転動作する場合、ケーブル群にはＲ部分にしか摩擦が発生しないので、摩擦を大きく軽減することができ、回転をスムーズに行うことができる。したがって、ケーブル群を回転軸の外周部に沿ってコンパクトに配置することができ、回転動作を阻害することなく省スペース化を図ることが可能になる。また、ケーブルに係る負荷も軽減されるので損傷が発生し難くなり、信頼性を向上させることもできる。

請求項２記載のロボット回転軸のケーブル保持構造によれば、ケーブルガイドが、断面形状が所定の空隙を有するＵ字状で且つ全体が円管型をなす部材により構成される。すなわち、フラット状のケーブル群は、ケーブルガイドのＵ字をなす部分で保持されることになる。したがって、請求項１と同様に、回転軸が回転動作する場合、ケーブル群にはＲ部分にしか摩擦が発生しないので、請求項１と同様の効果が得られる。

請求項３記載のロボット回転軸のケーブル保持構造によれば、２つのケーブル群に分けて接続を行う場合、一方のケーブル群の先端部と他方のケーブル群の先端部とが、互いに対向するように固定することで、それらを左右対象に配置する。斯様に構成すれば、回転部が回転する方向が何れであっても、各ケーブル群が互いに邪魔をすることなく、外周部に沿った状態で移動する。したがって、コントローラとロボットとの間を接続するためのケーブル本数が多くなる場合でも、回転動作を阻害することなく省スペース化を図ることができる。

請求項４記載のロボット回転軸のケーブル保持構造によれば、ケーブルガイドにより形成される空隙長を、ケーブル直径の１．７倍未満に設定するので、ケーブルの柔軟性が比較的低いため、重力によって一部が垂れ下がろうとする場合でも、直径の１．７倍未満に設定された空隙長によれば、上方のケーブルの中心が下方のケーブルの中心に対して４５度未満で外側にずれた状態に留まるようになるので、スムーズな回転動作を維持できる。
すなわち、ケーブル直径をＤとした場合、上下に接する２本のケーブルについて、上方のケーブルの中心が下方のケーブルの中心に対して４５度だけ外側にずれた状態に留まることを想定すると、その状態に対応する空隙長は、（１＋１／２^１／２）Ｄ≒１．７Ｄとなるからである。尚、前記空隙長の下限が、ケーブル直径を超える値であることは言うまでもない。

第１実施例であり、垂直多関節型ロボットの構成を示す斜視図 ベースの内部を示す（ａ）斜視図、及び（ｂ）縦断面図 ケーブルガイドにより形成される空隙長を規定する原理を説明する図 回転部が回転する場合の各ケーブルの動きを示す図 従来のケーブルの取り回し構造を、図２（ｂ）に示す断面構造に近いもので示す図 第２実施例を示す図２（ｂ）相当図

（第１実施例）
以下、第１実施例について図１ないし図５を参照して説明する。図１は、垂直多関節型（６軸）ロボットの構成を示す。このロボット１は、ベース（回転軸）２上に、この場合６軸のアームを有し、そのアームの先端に、図示しないハンド等のツールを取り付けて構成される。具体的には、前記ベース２上には、第１関節Ｊ１を介して第１のアーム３が回転可能に連結されている。この第１のアーム３には、第２関節Ｊ２を介して上方に延びる第２のアーム４の下端部が回転可能に連結され、さらに、この第２のアーム４の先端部には、第３関節Ｊ３を介して第３のアーム５が回転可能に連結されている。

この第３のアーム５の先端には第４関節Ｊ４を介して第４のアーム６が回転可能に連結され、この第４のアーム６の先端には第５関節Ｊ５を介して第５のアーム７が回転可能に連結され、この第５のアーム７には第６関節Ｊ６を介して第６のアーム８が回転可能に連結されている。なお、各関節Ｊ１〜Ｊ６においては、サーボモータＭ１〜Ｍ６により各アーム３〜８を回転駆動するようになっている。

本発明は、ロボット１の内部に配置されているサーボモータＭ１〜Ｍ６と、図示しないコントローラ（制御装置）との間を接続するケーブルを、ベース２の内部（ハウジング２Ｈの内側）に配置するための構造に特徴を有している。

図２は、ベース２のハウジング２Ｈを除去した内部を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。概ね矩形上の底板１１の中心には、モータＭ１が、その回転軸１２が上方を向くようにして配置されている。モータＭ１の外周部には、モータＭ１本体と所定の間隔を有して上方に開口部１３ａを有する円筒状のモータカバー１３が配置されており、回転軸１２の先端には、円板状の取付部材１４が固定されている。取付部材１４の直径は、開口部１３ａの直径よりも小さく設定されている。取付部材１４には、アーム３を関節Ｊ１周りで回転させるため、アーム３が搭載されて固定される略円形の天板１５がボルト１６によりねじ止めされて取り付けられている。

さらにその外側には、モータカバー１３の下半分を覆うように、何れも円管状の部材であり、同心で２重に配置される固定側ケーブルガイド１７，１８がボルト１９によりねじ止めされて底板１１に固定されている。固定側ケーブルガイド１７，１８は、所定の間隔を有して配置され、その間に、複数本のケーブル２０をフラット状に並べた状態のケーブル群２１が配置される。すなわち、固定側ケーブルガイド１７，１８の間隔は、ケーブル２０の直径よりもやや大きくなるように設定されている（後述する図３参照）。

一方、天板１５の下面側には、固定側ケーブルガイド１７，１８と上下対称となる位置関係で、同心で２重に配置される回転側ケーブルガイド２２，２３がボルト２４によりねじ止めされて配置固定されている。そして、固定側ケーブルガイド１７，１８と回転側ケーブルガイド２２，２３とが上下に対向する部分についても、所定の空隙が確保された状態で配置されている。これらのケーブルガイド１７，１８，２２，２３の外周側は、図１に示すように、ベース２のハウジング２Ｈによって覆われている。

図１に示すように、外側に位置する固定側ケーブルガイド１８の正面部分には切り込みが入れられており、その切り込み部分において、Ｕ字状の鋼材などで構成されるケーブル下端固定部材２５が、その上端側でボルト２６によりねじ止めされて固定側ケーブルガイド１７に固定されている。ケーブル群２１の下端側（一方の先端側）は、ケーブル下端固定部材２５からベース２の外側に延びる部分でコネクタ２７に接続されており、このコネクタ２７を介してコントローラ側に接続されるようになっている。

ケーブル群２１は、その下端側がフラット状態を維持したまま、ケーブル下端固定部材２５により固定された状態で、図２（ａ）に示すように、固定側ケーブルガイド１７に沿って直線状に延びると、ケーブル２０が並んでいる方向についてＵ字状に折り返されて、回転側ケーブルガイド２２，２３の間に導入されている。そして、今度は、固定側で延びた方向を遡るように延びると、ケーブル群２１の上端側（他方の先端側）がケーブル下端固定部材２５の上方に位置する部位に到達する。

ケーブル群２１の上端側は、同様にフラット状態を維持したまま、上記の位置で、固定部材２５と同様の構成であるケーブル上端固定部材２８により固定されている。ケーブル上端固定部材２８は、ボルト２９（図１参照）によりねじ止めされて内側に位置する回転側ケーブルガイド２２に固定されている。そこから、ケーブル群２１の上端側は上方に延びるとロボット１のアーム３〜７の内部に挿入されて、ケーブル２０の各先端は、モータＭ１〜Ｍ６等に接続されている。

また、本実施例の構成では、ケーブル群２１は２組配置されており、各ケーブル群２１の上端と下端とが互いに対向するように、左右対称となるように配置されている。すなわち、逆側では、図２（ａ）に示すように、各ケーブル群２１のＵ字をなすＲ部分の外側が互いに対向した状態となっている。そして、ケーブル２０は必ずしも電気配線を行うものに限らず、例えば圧縮空気を輸送するものであったり、真空吸着を行うための吸引用のケーブルなどを含んでいても良い。
以上において、ハウジング２Ｈ，底板１１，モータカバー１３，固定側ケーブルガイド１７，１８並びには、固定部３０を構成しており、天板１５及び回転側ケーブルガイド２２，２３は、回転部３１を構成している。

図３は、固定側ケーブルガイド１７，１８並びに回転側ケーブルガイド２２，２３によりそれぞれ形成される空隙長を規定する原理を説明するもので、回転側ケーブルガイド２２，２３と、それらの間に位置する２本のケーブル２０Ａ，２０Ｂとの断面を模式的に示している。図３では、下方に位置するケーブル２０Ｂの中心に対して、上方に位置するケーブル２０Ａの中心が、外側に４５度だけずれた状態を示している。

すなわち、回転側ケーブルガイド２２，２３の空隙長が、ケーブル２０の直径Ｄよりも大きく設定されていると、図３に示すように、上方に位置するケーブル２０Ａが外側にずれ込むことが想定される。後述するように、ベース２に対してアーム３が回転する場合、ケーブル群２１はフラット状態を維持することが望ましいので、上記空隙長について上限を適切に設定すれば上方側のケーブル２０Ａの過剰な脱落を効果的に防止できる。この場合、上方に位置するケーブル２０Ａの中心ずれを、外側に４５度未満とするよう規定している。ずれが丁度４５度になる場合の回転側ケーブルガイド２２，２３の空隙長は、ケーブル２０の直径をＤとすると、
（Ｄ／２）×２＋Ｄ／２^１／２＝（１＋／２^１／２）Ｄ≒１．７Ｄ
となる。したがって、上記空隙長は、ケーブル２０の直径の１．７倍未満（例えば１．５倍など）に設定するのが適切であると言える。

次に、本実施例の作用について図４も参照して説明する。図４は、初期状態として、ケーブル群２１の上端と下端とが上下に並ぶ位置（ａ）から、ベース２の回転部を回転させた場合に、ケーブル群２１がどのように動くのかを、Ｕ字をなすＲ部分を中心に示したものである。この場合、ケーブルガイド１７，１８，２２，２３等は透明の部材で構成されているとする。
図４（ａ）に示す初期位置において、固定側ケーブルガイド１８と、回転側ケーブルガイド２３とに上下矢印の先端が一致するようにマーキングをしており、内部のケーブル群２１を構成する各ケーブル２０にも直線状のラインをマーキングしている。また、回転側ケーブルガイド２３には、右向き矢印の先端が、ケーブル群２１のＲ部分に付した水平状のラインに一致するようにマーキングしている。

この状態から、天板１５側の回転部３１を、上方から見たとした時計回り（ＣＷ）に回転させて行く。すると、図４（ｂ）では、回転側ケーブルガイド２３の下向き矢印が図中左方向に移動しており、それに伴い、ケーブル群２１の上端側も図中左方向に引っ張られ、Ｒ部分も全体が左側に移動している。また、回転側ケーブルガイド２３の右向き矢印先端に対して、Ｒ部分に付した水平状のラインは上方に移動している。

そこから、回転部３１を更に時計回りに回転させると、図４（ｃ）では、回転側ケーブルガイド２３の右向き矢印が、初期位置を示す縦軸一点鎖線よりも左側に移動し、ケーブル群２１のＲ部分は、上記一点鎖線により近付いている。そして、Ｒ部分では、ケーブル群２１の最も内側に位置するケーブル２０Ｉは、最も外側に位置するケーブル２０Ｏよりも見かけ上の移動量が多くなっている。その結果、各ケーブル２０の移動量の差に応じて、図４（ａ）の初期位置では、右向き矢印の先端に一致していた水平状のラインは、段をなすようにずれている

回転部を更に時計回りに回転させた図４（ｄ）では、上記の傾向がより明確になっておいる。また、もう一方のケーブル群２１のＲ部分の後端が、図中右方向から回り込んできている。尚、図４（ａ）の初期位置から、回転部３１を時計回り，反時計周り（ＣＣＷ）に回転させる範囲は、例えば±１７０度程度となっている。
すなわち、回転部３１を回転させると、ケーブル群２１は、Ｕ字に折り曲げられてフラットな状態を維持したまま、回転部３１の動きに追従している。

ここで、図５は、比較のため、従来のロボットにおけるケーブルの配置構造を、図２（ｂ）に示す断面構造に近いもので示している。従来の場合、ケーブル３２は、バラ線が１つにまとめられた１本の太いケーブルであり、モータカバー１３と、ベース２のハウジング２Ｈとの間に形成される空間には、本実施例では固定側に相当するケーブルガイド３３だけが設けられている。ケーブル３２は、Ｕ字をなすように上下方向に折り曲げられているが、天板１５を中心とする回転側が回転して、ケーブル３２の上端側が追従しようとすると、固定されているケーブルガイド３３との間に大きな摩擦を生じることになる。

これに対して、本実施例の構成では、複数の細いケーブル２０をフラット状にまとめたケーブル群２１として、ベース２のモータカバー１３に沿うように配置し、ケーブル群２１が水平方向に占める幅が少なくなっている。そして、回転部３１が回転する場合には、回転側ケーブルガイド２２，２３も一体に回転するので、ケーブル群２１の上端側が追従しようとする場合に生じる摩擦も極めて少なくなっている。

以上のように本実施例によれば、複数のケーブル２０は、ベース２の内部において、固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２（これらが「回転部の外周部」に相当）に沿ったままフラット状に配置される。そして、回転部３１が回転動作すると、ケーブル群２１は、固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２の外周に沿ってＵ字をなすように曲げられた状態のまま、上端側がその回転動作に応じて移動することで追従する。この時、ケーブル群２１のＲ部分は回転方向に対応して移動するように動くが、ケーブル群２１の直線をなす部分、つまり回転側ケーブルガイド２２，２３により保持されている部分は、回転部３１及び回転側ケーブルガイド２２，２３と一体に回転する。

すなわち、ベース２が回転動作する場合、ケーブル群２１にはＲ部分にしか摩擦が発生しないので、摩擦を大きく軽減することができ、回転をスムーズに行うことができる。したがって、ケーブル群２１を固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２の
外周に沿ってベース２の内部にコンパクトに配置することができ、回転動作を阻害することなく省スペース化を図ることが可能になる。また、各ケーブル２０に係る負荷も軽減されるので損傷が発生し難くなり、信頼性を向上させることもできる。

また、本実施例によれば、コントローラとロボット１との間を、２つのケーブル群２１に分けて接続する場合、一方のケーブル群２１の先端部と他方のケーブル群２１の先端部とが、互いに対向するように固定することで、それらを左右対象に配置した。したがって、回転部３１が回転する方向が何れであっても、各ケーブル群２１が互いに邪魔をすることなく、固定側ケーブルガイド１７，回転側ケーブルガイド２２の外周に沿った状態で移動するので、コントローラとロボット１との間を接続するケーブル２０の本数が多くなる場合でも、回転動作を阻害することなく省スペース化を図ることができる。

更に、本実施例によれば、固定側ケーブルガイド１７，１８並びに回転側ケーブルガイド２２，２３により形成される空隙長を、ケーブル２０の直径Ｄの１．７倍未満に設定するので、ケーブル２０の柔軟性が比較的低いため、重力によって一部が垂れ下がろうとする場合でも、上方のケーブル２０の中心が下方のケーブル２０の中心に対して４５度未満で外側にずれた状態に留まるようになり、スムーズな回転動作を維持できる。

（第２実施例）
図６は第２実施例を示す図２（ｂ）相当図である。第２実施例では、固定側ケーブルガイド１７，１８並びに回転側ケーブルガイド２２，２３に替えて、断面がＵ字状をなしてそれぞれが一体の部材である固定側ケーブルガイド４１並びに回転側ケーブルガイド４２が配置されている。そして、断面がＵ字状をなす部分で形成されている空隙長は、第１実施例と同様にケーブル２０の直径Ｄの１．７倍未満に設定されている。

以上のように構成される第２実施例によれば、固定側ケーブルガイド４１，回転側ケーブルガイド４２を、断面形状が所定の空隙を有するＵ字状で且つ全体が円管型をなす部材により構成し、ケーブル群２１を、ケーブルガイド４１，４２のＵ字をなす部分で保持するので、第１実施例と同様に、回転部３１Ａが回転動作する場合、ケーブル群２１にはＲ部分にしか摩擦が発生せず、同様の効果が得られる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
必要な配線数を満たすことができれば、ケーブル群２１を１つだけ配置しても良い。
モータカバー１３は、必要に応じて設ければ良い。また、ハウジング２Ｈを除去して、外周側に位置するケーブルガイド１８，２３をその代わりとしても良い。
あるいは、モータカバー１３に相当する部材ＭＣを水平方向に２分割し、その上方側部材ＭＣ＿Ｕを回転軸１２に結合して回転部としても良い。そして、外周側に位置する固定側ケーブルガイド１８，回転側ケーブルガイド２３を除去し、ケーブル群２１を、下方側部材ＭＣ＿Ｄと固定側ケーブルガイド１７との間，上方側部材ＭＣ＿Ｕと回転側ケーブルガイド２２との間に配置しても良い。この場合、部材ＭＣの外周が「回転軸の外周部」に相当する。
ケーブルガイドによる空隙長の設定は、適宜変更して良い。
ロボットの軸数は６軸に限ることはない。また、垂直多関節型に限ることなく、水平多関節型のロボットに適用しても良い。

図面中、１はロボット、２はベース（回転軸）、１７，１８は固定側ケーブルガイド、
２０はケーブル、２１はケーブル群、２２，２３は回転側ケーブルガイド、２５はケーブル下端固定部材、２８はケーブル上端固定部材、３０は固定部、３１は回転部、４１は固定側ケーブルガイド、４２は回転側ケーブルガイド、Ｍ１〜Ｍ６はサーボモータを示す。

Claims (4)

1. 外形が円筒型をなすロボットの回転軸において、前記ロボットの多関節型アームの各軸に配置されるモータと、コントローラとの間とを接続する複数のケーブルを保持するための構造であって、
   前記回転軸は、上底側と下底側とに分離されており、前記下底側が固定される固定部，前記上底側が回転動作する回転部となるもので、
   前記複数のケーブルは、フラット状に並ぶようにまとめられた状態で、その一方の先端部は前記固定部の外周に沿って固定部材により固定され、前記複数のケーブルが並ぶ方向についてＵ字をなすように曲げられると、他方の先端部が、前記回転部の外周に沿って固定部材により固定され、
   前記複数のケーブルを前記回転軸の外周部に沿わせた状態で保持するように円管型をなす部材からなり、前記固定部の外周部との間に所定の空隙を有するように配置される固定側ケーブルガイドと、前記回転部の外周部との間に所定の空隙を有するように配置され、当該回転部と一体に回転する回転側ケーブルガイドとを備えたことを特徴とするロボット回転軸のケーブル保持構造。
2. 外形が円筒型をなすロボットの回転軸において、前記ロボットの多関節型アームの各軸に配置されるモータと、コントローラとの間とを接続する複数のケーブルを保持するための構造であって、
   前記回転軸は、上底側と下底側とに分離されており、前記下底側が固定される固定部，前記上底側が回転動作する回転部となるもので、
   前記複数のケーブルは、フラット状に並ぶようにまとめられた状態で、その一方の先端部は前記固定部の外周に沿って固定部材により固定され、前記複数のケーブルが並ぶ方向についてＵ字をなすように曲げられると、他方の先端部が、前記回転部の外周に沿って固定部材により固定され、
   前記複数のケーブルを前記回転軸の外周部に沿わせた状態で保持するように断面形状が所定の空隙を有するＵ字状で且つ全体が円管型をなす部材からなり、前記固定部の外周部に、前記Ｕ字の開放側が下方を向くように配置される固定側ケーブルガイドと、前記回転部の外周部に、前記Ｕ字の開放側が上方を向くように配置され、当該回転部と一体に回転する回転側ケーブルガイドとを備えたことを特徴とするロボット回転軸のケーブル保持構造。
3. 前記複数のケーブルが、２群に分けられて接続される場合、
   一方のケーブル群の先端部と他方のケーブル群の先端部とが、互いに対向するように前記固定部材により固定されることで、２つのケーブル群が左右対象に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のロボット回転軸のケーブル保持構造。
4. 前記ケーブルガイドにより形成され、前記ケーブル群を保持する部分の空隙長は、前記ケーブルの直径の１．７倍未満に設定されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のロボット回転軸のケーブル保持構造。

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