JP2011224689A - ロボット手首部の線条体配設機構 - Google Patents

Abstract

【課題】線条体と周辺機器等との干渉を効率的に回避しつつ、簡易な構成で高剛性化された線条体配設機構を提供する。
【解決手段】線条体配設機構は、手首先端部に取り付けられる第１板状部材（３６）と、第１板状部材に対向配置される第２板状部材（３８）と、第１板状部材と第２板状部材を互いに連結する連結部材（４０）とから構成される案内部材（２８）を有し、連結部材の手首軸に垂直な断面における断面形状は、手首軸を含むとともに、手首軸から第１の半径方向に線条体の断面方向長さの１／２以上延び、かつ第１の半径方向と軸対称の第２の半径方向に該断面方向長さの１／２以下延び、案内部材が予め定めた回転角度範囲内のいずれの回転角度位置にあっても、線条体が第２板状部材及び連結部材の一方又は双方に当接するように配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットのロボット手首部に設けられた線条体配設機構に関する。

産業用ロボットを用いて作業を行う場合には、動力又は信号を供給するケーブルや冷却水又は駆動用エアを供給するチューブといった線条体を、該ロボットの前腕を経由し、該ロボットの手首部先端に取り付けられた溶接用ガンやハンド等のエンドエフェクタに接続する必要がある。ロボットの手首部に配設された線条体には、手首部の全動作範囲にわたって無理な力が作用しないように、ある程度の長さ（余長）を持たせる必要がある。しかし一方で、余長を有する線条体には、ロボットの手首部の位置・姿勢によっては弛みが生じることがあるため、周辺設備（隣接するロボット、ハンド、治具、ワーク等）に干渉しないようにすることが望まれる。

例えば特許文献１には、ケーブル等と周辺機器等との干渉を防止するための中間部材が開示されている。具体的には中間部材６は、手首フランジ４とスポット溶接ガン５との間に配置され、互いに平行配置された接続部材６ｃ、６ｄを有しており、溶接ケーブル７は中間部材６の下から手首第３軸２３の中心を通りさらに、接続部材６ｃ、６ｄの間を通って中間部材６の上に抜けてスポット溶接ガン５に固定される、とされている。

また特許文献２には、配管配線部材と周辺機器との干渉を防止するための中間部材又は連結部材が開示されている。具体的にはコ字形の連結部材７には、周方向で一側に連結壁７１を設け、連結壁７１の反対側の開口部７２には案内部材７３、７３が設けられている、とされている。

特開２００３−１３６４６２号公報 特開２００５−２８８５６０号公報

特許文献１のような構成では、線条体の交換時に中間部材に対する線条体の取外し、取付け作業を伴うため、作業者の手間が増大して保守性が低下する可能性がある。また特許文献２のような構成では、開口部から線条体がはみ出して周辺機器と干渉する恐れがある。また開口部側の外力に対する剛性が低くなるため、ロボット動作時にエンドエフェクタが振動しやすくなる。この振動を抑えるためには、ロボットの動作速度を制限することが考えられるが、その場合にはロボット動作のサイクルタイムが増加してしまう。

そこで本発明は、線条体と周辺機器等との干渉を効率的に回避しつつ、簡易な構成で高剛性化された線条体配設機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、産業用ロボットの前腕を経由し、手首部先端に取り付けられたエンドエフェクタまで配設され、前記エンドエフェクタに動力又は信号を供給するケーブル、及び、冷却水又は駆動用エアを供給するチューブの少なくとも一方から成る線条体を設けたロボット手首部の線条体配設機構であって、前記手首先端部に、手首軸回りに回転可能に取り付けられる第１板状部材と、前記エンドエフェクタが固定されるとともに、少なくとも前記線条体の断面方向長さよりも離れて前記第１板状部材に対向配置される第２板状部材と、前記第１板状部材と前記第２板状部材を互いに連結する連結部材とから構成される案内部材を有し、前記連結部材の前記手首軸に垂直な断面における断面形状は、前記手首軸を含むとともに、前記手首軸から第１の半径方向に前記線条体の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以上延び、かつ前記手首軸から前記手首軸について前記第１の半径方向と軸対称の第２の半径方向に前記線条体の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以下延び、前記案内部材が前記手首先端部に対して、予め定めた回転角度範囲内のいずれの回転角度位置にあっても、前記線条体が前記第２板状部材及び前記連結部材の一方又は双方に当接するように配設された、ロボット手首部の線条体配設機構を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の線条体配設機構において、前記線条体は、複数本のケーブル又はチューブを相互に撚りながら組み合わせて束状にすることにより構成される、線条体配設機構を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の線条体配設機構において、前記複数本のケーブル又はチューブの撚りの方向又は単位長さ当たりの撚りの回数は、回転半径方向への線条体の張り出しを抑えるように選定される、線条体配設機構を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の線条体配設機構において、前記線条体は、該線条体を覆うカバー及び該線条体が挿通されるコイルバネの一方又は双方を有する線条体配設機構を提供する。

本発明によれば、線条体と第２板状部材との間、及び線条体と連結部材との間の接触により摩擦力が作用して、第２板状部材及び連結部材の回転移動とともに線条体も移動するため、線条体の挙動を回転半径方向の外側へ張り出さないように制御することができ、周辺設備への干渉のない線条体配設機構を実現できる。また連結部材が手首軸に垂直な断面において手首軸を含みかつ手首軸から第１の半径方向に線条体の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以上延びるため、簡素に高い剛性を得ることができる。

線条体を、複数本のケーブル又はチューブを相互に撚りながら組み合わせて束状にすることにより、線条体に適当な剛性又は弾性を付与することができ、線条体の張り出しをより効果的に抑制できるようになる。また剛性又は弾性は、複数本のケーブル又はチューブの撚りの方向又は単位長さ当たりの撚りの回数によって適宜変化させることができる。

線条体にカバー及びコイルバネの一方又は双方を設けることにより、線条体を外部からの衝撃等から保護することができ、さらにコイルバネを使用した場合は線条体に剛性又は弾性を付与することができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る線条体配設機構を含むロボット手首部周りの上面図であり、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）図１の状態から案内部材が１８０°回転した状態を示す上面図であり、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）図１の状態から案内部材が図２の場合と逆方向に１８０°回転した状態を示す上面図であり、（ｂ）（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 連結部材を略Ｉ字状に構成した例を示す図である。 連結部材を略Ｖ字状に構成した例を示す図である。 線条体の具体的構成例を示す図である。 線条体にカバー及びコイルバネを設けた例を示す図である。

図１は、本発明の好適な実施形態を示す図であり、具体的には産業用ロボットの概略図示した前腕１０を経由して手首部１２の先端に取り付けられ概略図示されたエンドエフェクタ１４まで配設される線条体１６の配設機構の上面図（ａ）、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図（ｂ）を示す。手首部１２は、前腕１０の先端に取り付けられ、前腕１０の長手方向に略一致する手首第１軸１８回りに回転可能に構成された第１回転部２０と、第１回転部２０に取り付けられ、手首第１軸１８に略垂直な手首第２軸２２回りに回転可能に構成された第２回転部２４と、第２回転部２４に取り付けられ、手首第２軸２２に略垂直な手首第３軸２６回りに回転可能に構成された第３回転部２５と、第３回転部２５に固定された案内部材２８とから構成され、案内部材２８にエンドエフェクタ１４が取り付けられる。案内部材２８の詳細については後述する。なお本願発明では第１回転部２０及び第２回転部２４は必須の構成要素ではなく、例えば第１回転部２０及び第２回転部の一方又は双方を省略した形態も可能である。

線条体１６は、エンドエフェクタ１４に動力又は信号を供給するケーブル、及び、冷却水又は駆動用エアを供給するチューブの少なくとも一方を含む可撓性の部材であり、後述するように完全な可撓性ではなく一定の弾性又は剛性も具備することが好ましい。線条体１６は、図示しない動力、信号、冷却水又は駆動用エアの供給源から延びて、概略図示された前腕１０に沿って延び、第１回転部２０と一体に回転するように構成された第１固定部材３０に（好ましくは摺動不能に）固定され、第２回転部２４に取り付けられた保持部材３２に（好ましくは摺動可能に）保持又は案内され、さらに案内部材２８に当接し、案内部材２８又はエンドエフェクタ１４に設けられた第２固定部材３４に固定される。線条体１６と案内部材２８との当接については後述する。

図１（ａ）に示すように、案内部材２８は、第３回転部２５に固定される略平板状の第１板状部材３６と、エンドエフェクタ１４に固定される略平板状の第２板状部材３８と、第１板状部材３６と第２板状部材３８とを対向配置状態に連結する連結部材４０とを有する。第１板状部材３６と第２板状部材３８とは、互いに少なくとも線条体１６の差し渡し長さ（すなわち線条体１６の長手方向に垂直な断面方向長さ（直径））よりも離れて、好ましくは互いに平行に、対向配置される。また連結部材４０は、図１（ｂ）に示すように、手首第３軸２６に垂直な断面形状において、手首第３軸２６を含み、かつ手首第３軸２６から第１の半径方向（図１（ｂ）では下方）に線条体１６の断面方向長さ（例えば直径）の１／２以上延び、さらに手首第３軸２６について第１の半径方向と反対の第２の半径方向（図１（ｂ）では上方）に線条体１６の断面方向長さの１／２以上延びないように構成される。

図１の線条体１６の配置は、第２回転部２４に対する第３回転部２５及び案内部材２８の回転角度位置が手首第３軸２６回りの回転動作範囲の中間にある状態を示している。より詳細に言えば、案内部材２８は図１の状態を中心として時計回り及び反時計回りのそれぞれについて予め定めた角度だけ（好ましくは１８０°以上）回転可能である。図１（ｂ）に示すように、案内部材２８が回転動作範囲の中間に位置している状態では、手首第３軸２６に垂直な断面において連結部材４０の延びる方向と線条体１６の延びる方向とは概ね同一であり、かつ線条体１６は連結部材４０と例えば部位４２において予め定めた押し付け力で当接しており、図１（ａ）に示すように第２板状部材３８と例えば部位４４において予め定めた押し付け力で当接している。このように線条体１６が連結部材４０及び第２板状部材３８の一方又は双方に予め定めた押し付け力で当接することにより、当接部位において所望の摩擦力が生じ、後述するように案内部材２８が回転した場合も主として該摩擦力によって線条体１６は案内部材２８とともに回転移動することができる。

次に、案内部材２８が図１に示す中心位置から、線条体１６が連結部材４０に巻き付く方向（すなわち図１（ｂ）において反時計回り）に１８０°回転した場合を考え、このときの線条体１６の取り回し状態を図２に示す。このとき、図２（ａ）に示すように線条体１６と第２板状部材３８とは例えば部位４６において予め定めた押し付け力で当接しており、かつ図２（ｂ）に示すように、線条体１６と連結部材４０とは例えば部位４８において予め定めた押し付け力で当接している。従って線条体１６と第２板状部材３８及び連結部材４０との間には所望の摩擦力が生じ、案内部材２８が回転しても線条体１６は連結部材４０及び第２板状部材３８に対して大きくは摺動せず、案内部材２８から手首第３軸２６を中心とする半径方向に大きく張り出さない。

逆に、案内部材２８が図１に示す中心位置から、図２とは反対方向（すなわち図１（ｂ）において時計回り）に１８０°回転した場合を考え、このときの線条体１６の取り回し状態を図３に示す。このとき、図３（ａ）に示すように線条体１６と第２板状部材３８とは例えば部位５０において予め定めた押し付け力で当接しており、かつ図３（ｂ）に示すように、線条体１６と連結部材４０とは例えば部位５２において予め定めた押し付け力で当接している。従って線条体１６と第２板状部材３８及び連結部材４０との間には所望の摩擦力が生じ、案内部材２８が回転しても線条体１６は連結部材４０及び第２板状部材３８に対して大きくは摺動せず、案内部材２８から手首第３軸２６を中心とする半径方向に大きく張り出さない。

図１−図３からわかるように、案内部材２８が予め定めた回転角度範囲内（本実施形態では±１８０°）のいずれの回転角度位置にあっても、線条体１６は連結部材４０及び第２板状部材３８の一方又は双方に当接することにより、当接部位において摩擦力が生じ、案内部材２８が回転した場合も主として該摩擦力によって線状体１６は案内部材２８とともに回転移動することができるため、線条体１６は案内部材２８から手首第３軸２６を中心とする半径方向に大きく張り出さず、周辺機器等との干渉を効率的に回避することができる。また図１（ｂ）等に示したように連結部材４０は手首第３軸２６に垂直な断面形状において手首第３軸２６を含み、かつ手首第３軸２６から第１の半径方向に線条体１６の長手方向に垂直な断面方向長さ（例えば直径）の１／２以上延びており、これにより案内部材２８は好適な剛性を備え、例えば手首第３軸２６が高速で回転したような場合であってもエンドエフェクタの好適な位置決め精度を確保できる。一方、連結部材４０は手首第３軸２６について第１の半径方向と軸対称（反対側）の第２の半径方向には線条体１６の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以上延びないように構成されることにより、線条体１６を第１板状部材３６と第２板状部材３８との間に案内するためのスペースが確保され、線条体１６が案内部材２８から大きく張り出さない形態を実現することができる。

なお連結部材４０が第１の半径方向に延びる距離は、案内部材２８が具備すべき剛性を考慮して選定される。従って上述のように線条体１６の断面方向長さの１／２以上に限定されるものではなく、案内部材の材質等に応じて例えば１／３以上又は２／３以上とすることもできる。また連結部材４０が第２の半径方向に延びる距離は、第１板状部材３６と第２板状部材３８との間の線条体の配置スペースを考慮して選定される。従って上述のように線条体１６の断面方向長さの１／２以下に限定されるものではなく、板状部材の大きさ等に応じて例えば１／３以下又は２／３以下とすることもできる。

本実施形態では、上述の第１固定部材３０、保持部材３２及び第２固定部材３４の少なくとも１つの配置位置や姿勢を適宜調整することにより、図１−図３のいずれの回転角度位置においても、線条体１６が連結部材４０及び第２板状部材３８の一方又は双方に対して大きく摺動しない程度の適度な摩擦力が線条体１６と連結部材４０及び第２板状部材３８との間に生じるように、線条体１６を連結部材４０及び第２板状部材３８に押し付けることができる。

本実施形態では、案内部材２８の前後で線条体１６を固定又は保持する保持部材３２及び第２固定部材３４が、図１の状態（案内部材２８の回転角度位置がその動作範囲の中間に位置している状態）において、連結部材４０の延びる方向について手首第３軸２６に関して互いに反対側に位置し、案内部材２８近傍を通る線条体１６が連結部材４０及び第２板状部材３８に当接できるようになっている。

図４は、図１（ｂ）に示す案内部材２８を模式的に表した図である。第２板状部材３８は、好適には略円形の板状部材であり、その大きさすなわち回転中心（手首第３軸２６）からの距離（図４で言えば半径）は、周辺機器との干渉回避の観点からは小さい方が好ましいが、図２（ｂ）のように線条体１６が巻き付く形態を考慮すると、線条体１６の差し渡し長さ（直径）と略同等であることが好ましい。一方第２板状部材３８の大きさ（図４で言えば半径）は、線条体１６と当接して適切な摩擦力を生じさせるという観点から、少なくとも線条体１６の差し渡し長さ（直径）の１／２以上とすることが好ましい。

また図４では、連結部材４０の断面形状は比較的単純なＩ字形状として図示されているが、確保すべき剛性を考慮して適宜変更可能である。例えば図１（ｂ）に示すように、剛性に対して影響が大きい部分は肉厚にしかつ影響が少ない部分は薄肉にする等、自由度の高い設計が可能である。このように本願発明によれば、簡易な構造でありながら高い剛性を有し、かつ線条体の張り出しを効率的に抑制できる線条体配設機構が得られる。

図５は、図４の案内部材２８の変形例である案内部材２８′を示す図である。案内部材２８′では、連結部材４０′が線条体の直径の１／２よりも長く延びる部分を複数有しており、例えば略Ｖ字形状に形成されている。このようにすると、図４の略Ｉ字形態よりも案内部材２８をより高剛性にすることができる。一方図４のような略Ｉ字形状の場合は、案内部材をより軽量化することができる。なお図５のように連結部材が線条体の直径の１／２よりも長く延びる部分を複数有する場合は、該部分の全てが第２板状部材２８′を概略図示する円の半分（半円）内、より好ましくは四分円内を延びるように構成する。

上述のように線条体１６は主として摩擦力によって案内部材２８と連れ回るようにするためには線条体１６はある程度の剛性又は弾性を有することが好ましい。図６は、そのような線条体の一例を示す図である。図６の例では、複数のケーブル又はチューブ５４を相互に撚りながら組み合わせて実質１つの線条体（束）とし、全体の剛性を高めている。またこのような形態では、ケーブル又はチューブ５４を相互に撚りながら組み合わせて束にする際に、撚りの方向や、単位長さ当たりの撚りの回数（すなわちピッチＰ）を適宜選定することにより線条体１６の剛性を調整でき、アームの構成や状況に応じて回転半径方向への線条体の張り出しを抑えることができる。

図７は、線条体１６をカバーとバネの両方で保護する形態の一例を示す図である。線条体１６は、例えば図６に示したような束状の部材を、布又はゴムシート等を円筒状に形成してなるカバー５６によって覆い、さらにカバー５６をコイルバネ５８の内側に挿通することによって形成される。このようにして形成された線条体は、外部からの衝撃や擦過抵抗等から内部のケーブルやチューブを好適に保護することができる。

図７に示すような線条体を使用する場合、上述の第１固定部材３０は、ケーブル又はチューブの束をカバーとともにクランプし、コイルバネはカバーと別にクランプすることが好ましい。具体的には、第１固定部材３０は、カバー５６をクランプするためのカバークランプ部６０と、コイルばね５８をクランプするためのバネクランプ部６２とを有する。同様に、第２固定部材３４は、カバー５６をクランプするためのカバークランプ部６４と、コイルばね５８をクランプするためのバネクランプ部６６とを有する。

なお図７の例ではカバー５６とコイルバネ５８の双方によって線条体１６を保護する例を示しているが、いずれか一方のみを使用する形態ももちろん可能である。またコイルバネ５８を使用する場合は、その線径やピッチを適宜選定することにより、外部からの保護機能に加え、線条体１６が図６のような形態でなくとも、所望の剛性又は弾性を付与することができる。

１０ 前腕
１２ 手首部
１４ エンドエフェクタ
１６ 線条体
２０ 第１回転部
２４ 第２回転部
２５ 第３回転部
２８ 案内部材
３０ 第１固定部材
３２ 保持部材
３４ 第２固定部材
３６ 第１板状部材
３８ 第２板状部材
４０ 連結部材
５６ カバー
５８ コイルバネ
６０、６４ カバークランプ部
６２、６６ バネクランプ部

Claims (4)

1. 産業用ロボットの前腕を経由し、手首部先端に取り付けられたエンドエフェクタまで配設され、前記エンドエフェクタに動力又は信号を供給するケーブル、及び、冷却水又は駆動用エアを供給するチューブの少なくとも一方から成る線条体を設けたロボット手首部の線条体配設機構であって、
   前記手首先端部に、手首軸回りに回転可能に取り付けられる第１板状部材と、前記エンドエフェクタが固定されるとともに、少なくとも前記線条体の断面方向長さよりも離れて前記第１板状部材に対向配置される第２板状部材と、前記第１板状部材と前記第２板状部材を互いに連結する連結部材とから構成される案内部材を有し、
   前記連結部材の前記手首軸に垂直な断面における断面形状は、前記手首軸を含むとともに、前記手首軸から第１の半径方向に前記線条体の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以上延び、かつ前記手首軸から前記手首軸について前記第１の半径方向と軸対称の第２の半径方向に前記線条体の長手方向に垂直な断面方向長さの１／２以下延び、
   前記案内部材が前記手首先端部に対して、予め定めた回転角度範囲内のいずれの回転角度位置にあっても、前記線条体が前記第２板状部材及び前記連結部材の一方又は双方に当接するように配設された、ロボット手首部の線条体配設機構。
2. 前記線条体は、複数本のケーブル又はチューブを相互に撚りながら組み合わせて束状にすることにより構成される、請求項１に記載のロボットアーム部の線条体配設機構。
3. 前記複数本のケーブル又はチューブの撚りの方向又は単位長さ当たりの撚りの回数は、回転半径方向への線条体の張り出しを抑えるように選定される、請求項２に記載のロボットアーム部の線条体配設機構。
4. 前記線条体は、該線条体を覆うカバー及び該線条体が挿通されるコイルバネの一方又は双方を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム部の線条体配設機構。

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