JP2012161880A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のロボットアームとエンドエフェクタの電気接続接点には、加圧用のスプリングやテコのような機構が必要であったためエンドエフェクタが大きくなり、小型の部品を組み付けるための小型マニピュレータには不向きであった。
【解決手段】 上述の課題を解決するための本発明は、第一の電気接点部（２２２）を備えた付き当て面（１２１）を有するロボットアーム（２０１）と、第二の電気接点部（１２２）を備えた付き当て面（２２１）を有する前記ロボットアームに接続されるエンドエフェクタ（１）と、接点配線を配したクサビ状空隙を備え前記付き当て面を係合する着脱可能な係合部材（３００）と、を有し、前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとを前記係合部材により係合させることで前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとが電気的に導通することを特徴とするマニピュレータである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットアームにエンドエフェクタを係合部材を介して着脱可能に取り付けて、様々な部品を把持し組立を行うマニピュレータに関するものである。

近年、カメラ等の小型で複雑な構造をした製品の組み立てに対する自動化の要求が高まっている。これらの小型の製品に対して組立を行うためには、小型の産業用ロボットを用いて高速かつ精密な組み付けを行う必要がある。

産業用ロボットとしては、複数のフィンガーを供えたエンドエフェクタを多関節のロボットアームに着脱可能に取り付けたマニピュレータが用いられ、エンドエフェクタは作業用途に応じて交換可能である。エンドエフェクタには電気アクチュエータ、センサ等が備え付けられて、ロボットアームと電気的に接続されて電気信号のやり取りや電源供給が行われる。
ロボットアームとエンドエフェクタの電気接続としては、特許文献１で開示されるように、ロボットアームとエンドエフェクタ間の電気配線を外側に這いまわして、コネクタにより接続する外側配線方式が一般的に用いられる。
さらに改良した構成として、特許文献２で開示されるように電気配線をロボットアーム内部に配置して、エンドエフェクタの着脱機構のロックレバーにより電気コネクタを加圧することによりコネクタ着脱力を低減して着脱を容易にした構成がある。また、特許文献３で開示されるようにエンドエフェクタの中心部に電気接点を配置することによりエンドエフェクタの直径を大型化することなく多くの接点を配置することができる構成がある。

特開平０５−０８４６８８号公報 特開昭６３−２５１１８３号公報 特開平４−３６０７８３号公報

マニピュレータの基本構成を図８に示す。２０１がロボットアーム、１がエンドエフェクタ、３０４はワークでありエンドエフェクタ１で把持して組み付ける部品である。

カメラ等の小型で複雑な構造をした製品に小型の部品を組み付けるためには、ロボットアーム２０１を様々な姿勢に可動させながら、狭いスペースにエンドエフェクタ１を配置して作業を行う。そのため、製品とエンドエフェクタ１およびロボットアーム２０１が干渉しないように外径Ｒを小さくし、かつ、エンドエフェクタ１先端とのロボットアーム２０１の回転軸との距離Ｌを小さくすることが求められる。

また、小さな部品や柔軟性がある部品を組み付けるためにはエンドエフェクタ１に力覚センサなどの制御用センサを多数配置する必要があり、その分電気配線の本数も増えることになり、エンドエフェクタ１へ接続する電気接点数も多くなる。そのため、小型化しつつ接点を増やす必要がある。

しかしながら、特許文献１で見られるロボットアームとエンドエフェクタと配線を外側に配置した外側配線方式は、外側に飛び出た配線とワークの干渉を回避するためにロボットアームの可動範囲を大きく制限する必要がある。そのため、この方式は小型の部品を組み付けるマニピュレータとしては不向きであった。

一方、ロボットアームとエンドエフェクタの配線を内部に配置した内部配線方式についても、特許文献２で見られる上記従来例ではシーソ型のロックレバーや加圧用のスプリング、接点コンタクトを使用しているためエンドエフェクタの小型化には不向きであった。特許文献３で見られる上記従来例では、前記外径Ｒを大きくすることなく、多くの接点を配置できるが、距離Ｌが長くなるという課題があった。

また、特許文献２と特許文献３ともに、ロボットアームとエンドエフェクタのそれぞれの接触点は圧接により互いに接触する。そのため、接点部材の汚れや酸化皮膜による導通不良を防止して安定的に導通させるためには、加圧ばねで電気接点に加圧力を加える必要があった。

前記課題解決のための本発明は、
第一の電気接点部を備えた第一の付き当て面を有するロボットアームと、
第二の電気接点部を備えた第二の付き当て面を有する前記ロボットアームに接続されるエンドエフェクタと、
接点配線を配し、前記第一及び第二の付き当て面と係合する内面を備える空隙を有する係合部材と、
を有し、
前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとを前記係合部材により係合させると共に、前記第一の電気接点部と前記第二の電気接点部と前記接点配線とを接触させることで、前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとが電気的に導通されることを特徴とするマニピュレータである。

本発明によれば、ロボットアームとエンドエフェクタとを係合させる係合部材が配線の役割を兼ねるため、配線の省スペース化され小型マニピュレータを提供することが可能になる。

本発明によれば、係合部材の着脱とともに接点が摺動接触するため、接点不良に対して信頼性の高い接点を備えるマニピュレータを提供することが可能である。

本発明の実施例に係る係合部を説明する図である。 本発明の実施例に係るマニピュレータを説明する図である。 本発明の実施例に係るエンドエフェクタを説明する図である。 本発明の実施例に係るエンドエフェクタの取り付けを説明する図である。 本発明の実施例に係るエンドエフェクタの取り付けを説明する図である。 本発明の実施例に係る係合部材を説明する図である。 本発明の実施例に係る係合部を説明する断面図である。 本発明の従来例を説明する図である。

（実施例１）
以下に本発明の実施例を図を用いて順次説明する。
図２は、ロボットアーム２０１と、ロボットアーム２０１に装着したエンドエフェクタ１と、その制御部及び電源部を模式的に示した図である。

ロボットアームは複数のリンクとそれぞれのリンクとを結ぶ関節部からなり、不図示のモータによりロボットアーム制御部２１０からの信号により自由に駆動できる。

また、エンドエフェクタは基材に設けられた指モジュール１００、モータ１０５、及びエンドエフェクタに加わった外力を検知する力覚センサ１１０からなる。

エンドエフェクタ１には、エンドエフェクタ１の動作を制御するエンドエフェクタ制御部１８０がロボットアーム２０１を介して信号線１８１で接続されている。エンドエフェクタ制御部１８０は指モジュール１００の各関節を駆動するモータ１０５ａ、１０５ｂへの制御信号のやり取りや、力覚センサ部１１０より検出した変位信号から力を演算することなどを行う。ここでは２つの関節を有する指モジュールとそれぞれの関節を駆動するモータが描かれている。

エンドエフェクタ１に備えられたモータ１０５ａ、１０５ｂの駆動電力はロボットアーム２０１の電源線１８３によりエンドエフェクタ電源部１８２から供給されている。

ロボットアーム２０１には、ロボットアーム２０１の動作を制御するロボットアーム制御部２１０が接続されている。エンドエフェクタ制御部１８０より、エンドエフェクタ１の力覚センサ部１１０に印加された力の情報を、ロボットアーム制御部２１０が受信し、ロボットアーム２０１の動作に反映させるように構成されている。

図３に示すように、エンドエフェクタ１には部品を把持する指モジュール１００、部品を把持し組み付けるときの組み付け反力を検出するための力覚センサ部１１０で構成されている。指モジュール１００はそれぞれ、指先部材１０１と中節部材１０２と、第１関節１０３と第２関節１０４と、第１関節を駆動するモータ１０５ａと、第２関節を駆動する１０５ｂとで構成されている。これらの指モジュール１００を複数個エンドエフェクタ筺体１０９に配置して（本実施例では４個）、各関節をエンドエフェクタ制御部１８０で独立駆動させることにより、様々な形状のワークへの把持が可能になっている。

（エンドエフェクタとロボットアームの係合）
エンドエフェクタ１のロボットアーム２０１へ係合する際の位置決め方法について詳細に説明する。
図４に示すようにロボットアーム２０１には円筒状の凸部２１２を有する取り付け面があり、エンドエフェクタ１側の対応する位置に丸穴部（不図示）がある。

まず、エンドエフェクタ１をロボットアーム２０１の円筒状の凸部２１２に接触させると図５に示すように前記凸部２１２がエンドエフェクタ１の丸穴部（不図示）と嵌合してロボットアーム２０１とエンドエフェクタ１が同軸に位置決めされる。このことによりｘ、ｙ軸方向が規制される。

つづいて、本願の一つの特徴部分を示す着脱可能な係合部材についての説明を、図１を用いて行う。

エンドエフェクタ１のロボットアーム２０１への取り付け面の外縁上（円周上）４箇所には係合部材と係合する係合面１２０ａが形成されている。（本実施例では係合面１２０ａはクサビ形状で構成しているため、以後クサビ面と称す）そして、クサビ面のそれぞれに第一の付き当て面１２１が形成されている。また、ロボットアーム２０１側にも同様に、係合部材と係合する係合面（以下クサビ面と称す）２２０ａ、がありそれぞれに第二の付き当て面２２１が形成されている。付き当て面にはそれぞれ電気接点部２２２、１２２が形成されている。

電気接点部２２２はエンドエフェクタ制御部１８０と電気的に接続されており、電気接点部１２２はエンドエフェクタ１内部のモータ１０５、力覚センサ部１１０と電気的に接続されている。
クサビ面２２０ａ、クサビ面１２０ａとで形成される「クサビ」が下記にて説明される係合部材に接合する。

そして、エンドエフェクタ１のクサビ面１２０ａとロボットアーム２０１のクサビ面２２０ａとが互いに接した状態で、係合部材３００ａをボルト３０３で締付ける。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように係合部材３００ａは前記第一の付き当て面１２１と第二の付き当て面２２１に対応するようにクサビ状空隙の内面に付き当て面３２１、３２２が形成され、更に、ボルト３０３が挿入できる貫通穴３０２が形成されている。また、クサビ面２２０ａの上面には、この貫通孔３０２と連通するねじ穴部が形成されている。

図７の（ａ）のように係合部材３００ａを図中の矢印方向に挿入しボルト３０３で締付けることにより、クサビ面１２０ａとクサビ面２２０ａとで形成される「クサビ」によるクサビ効果により、エンドエフェクタ１とロボットアーム２０１は図７の（ｂ）のＦ方向に互いに押し付けられて、図５に示すＺ方向の位置が決まる。

また、図１に示すように係合部材３００ａ、の幅ｈ１とクサビ面１２０ａ、クサビ面２２０ａの溝幅ｈ２は嵌合寸法でつくられており、係合部材３００ａを締付けることにより図５に示すＺ軸周りの回転が規制される。このとき他の係合部材３００ｂ、ｃ、ｄの係合部は隙間が空けてあり係合部材３００ａの回転方向の規制を妨げないようになっている。

以上説明したように、クサビ状空隙のある係合部材３００ａを締付けて取り付けることによりエンドエフェクタ１とロボットアーム２０１位置が高精度に決まる。

なお、上述の「クサビ」として説明した部材の形状は矩形としてもよく、要するに係合部材は、第一及び第二の付き当て面と係合する内面を備える空隙を有するものであればよい。

（エンドエフェクタの電気接続方法）
次にエンドエフェクタ１への電気接続方法について説明する。
図１に示すように、前述のロボットアーム２０１の付き当て面２２１には、第一の電気接点部２２２があり、前述の制御部１８０からロボットアーム２０１を通して伝達された電気信号が供給されている。また、エンドエフェクタの付き当て面１２１にも同様に第二の電気接点部１２２があり、エンドエフェクタのモータ１０５ａ、１０５ｂや力覚センサ部１１０に接続されている。

電気接点部１２２および２２２は導電部材で構成され、クサビ面１２０ａ、２２０ａとは電気的に絶縁された状態で前述の付き当て面１２１、２２１よりも一段深い面に配置される。そのため、電気接点部１２２および２２２には容易に触れることができないため接点汚れや短絡を防止できる。

係合部材３００ａのクサビ状空隙には図６（ｂ）に示すように、付き当て面３２１、３２２に接点配線３０１が配置され、導電部材により接点と導通経路が形成されている。

係合部材３００ａの取り付け前の状態では電気接点部１２２および２２２は接続されず電気的に遮断されている（図７（ａ））。次に、係合部材３００ａを取り付けてボルト３０３で締付けると電気接点部１２２および２２２が接点配線３０１と導通する（図７（ｂ））。この状態になってはじめてエンドエフェクタ１とエンドエフェクタ制御部１８０が電気的に接続されてエンドエフェクタ１が動作可能になる。

取外しについては取り付けの逆の手順で行い、係合部材の取外しにより電気接続が遮断される構成になっている。

接点配線３０１は付き当て面３２１、３２２及びクサビ状空隙の底面に配置され、取り付け動作により、接点配線３０１が電気接点部１２２、２２２に擦れながら接触するため係合部材３００ａの取り付けの度に接点表面の清掃効果が働く。そのため、接点表面に異物が付着した場合や、接点表面に酸化皮膜が形成されて導通不良が発生するのを防止できる。

また係合部材による締結が不十分な場合はエンドエフェクタへの電力の供給がなされないため、不十分な締結によるロボットの動作中のエンドエフェクタの脱離が防止されるため安全面においても有利である。

本実施例ではエンドエフェクタ１を着脱する複数の係合部材のうち、Ｚ軸周りの回転を規制する係合部材３００ａに接点配置した構成を説明したが、この場合は、接点配線３０１が電気接点部１２２、２２２との位置が嵌合により決まるのでより高密度な接点配置ができるが、その他の係合部材に接点を配置してもかまわない。

また、本実施例ではエンドエフェクタ制御部１８０の制御信号の接点を配置した例を示したが、電気的に接続する接点全てに適応できるため、たとえばエンドエフェクタ電源部１８２の電源線等にも適応可能である。

以上説明したように、接点部１２２および２２２を導通させるためにエンドエフェクタ１とロボットアーム２０１の係合部材３００ａが配線の役割を兼ねるため、電気配線の省スペース化につながりロボットアームの小型化に資する。

さらに、係合部材のクサビ形状部の締付け力を利用して接点圧を得るために、接点構成に特別な加圧機構やバネを必要としないためエンドエフェクタ１とロボットアーム２０１を小さくすることができ、マニピュレータＡの小型化が可能である。

また、エンドエフェクタ１の着脱の度に接点同士が擦れて清掃効果が働くために信頼性の高い接点構成を実現することができる。

Ａ マニピュレータ
１ エンドエフェクタ
２０１ ロボットアーム
１００ 指モジュール
１０５ａ、１０５ｂ アクチュエータ
１１０ 力覚センサ
１２０ａ、ｂ、ｃ、ｄ クサビ面
１８１ 信号線
１８３ 電源線
２１２ 凸部
２２０ａ、ｂ、ｃ、ｄ クサビ面
３００ａ、ｂ、ｃ、ｄ 係合部材
３０１ 接点配線
１２１ 付き当て面（エンドエフェクタ）
２２１ 付き当て面（ロボットアーム）
１２２、２２２ 電気接点部
３２１、３２２ 付き当て面（係合部材）

Claims (2)

1. 第一の電気接点部を備えた第一の付き当て面を有するロボットアームと、
   第二の電気接点部を備えた第二の付き当て面を有する前記ロボットアームに接続されるエンドエフェクタと、
   接点配線を配し、前記第一及び第二の付き当て面と係合する内面を備える空隙を有する係合部材と、
   を有し、
   前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとを前記係合部材により係合させると共に、前記第一の電気接点部と前記第二の電気接点部と前記接点配線とを接触させることで、前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとが電気的に導通されることを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記係合部材は、前記ロボットアームと前記エンドエフェクタの係合部の周囲に間欠的に複数配置されているとともに、前記係合部材のひとつは前記第一及び第二の付き当て面が形成された部位と嵌合するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。

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