JP2013193170A - ロボットのアーム連結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】障害物に対するアームの緩衝と退避とを簡易な構成で実現し、障害物への接触後のアームの位置決めを容易に実現可能とする。
【解決手段】アーム連結装置は、第１のアーム部に設けられ対向する面の間隔が鉛直上方に向かうに連れて広がるように構成された第１の凸部および第２の凸部と、第２のアーム部に設けられ第１の凸部と第２の凸部との間に配置される第３の凸部と、第１の凸部、第２の凸部および第３の凸部に設けられ、第１のアーム部と第２のアーム部とを相対的に回転可能に軸支し、かつ、第３の凸部を第１の凸部および第２の凸部の間で第２の方向に沿って移動可能に支持する軸部材と、軸部材に平行に設けられ、第２の方向から第２のアーム部に荷重が掛かっていない場合に、両端が第１の凸部および第２の凸部の対向する面の所定の部位にそれぞれ当接する支持部材と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットのアーム連結装置に関する。

ロボットのアームには、水平方向や鉛直下方向の障害物との接触に備え、障害物への衝突を緩衝する機構や、衝突時にアームの退避を行う機構を組み込むことが好ましい。このような機構としては、例えば、アームの根元にヒンジを設け、それをバネにより保持することで緩衝を実現する機構がある。また、アームの回転軸にクラッチを設け、一定以上の力が加わったときにクラッチをすべらせることで緩衝を実現する機構がある。その他、例えば、特許文献１には、アームが水平方向に衝突した場合に、水平方向から受けた力によってアームを鉛直上方に退避させる機構が開示されている。

特開２０１１−２４０４５０号公報

しかし、上述した機構にはそれぞれ次のような問題があった。ヒンジとバネによって緩衝を実現する機構では、バネの経時変化によって位置決め精度が悪化する場合や振動が発生する場合がある。また、アームの退避を実現するためには、アームが衝突する可能性のある方向毎にヒンジやバネを設ける必要がある。クラッチによって緩衝を実現する機構では、衝突後の位置決めが困難となり、さらに、クラッチを設けることで重量が増大してしまう。また、アームの退避を実現するためには、アームが衝突する可能性のある方向毎にクラッチを設ける必要がある。特許文献１に記載の機構では、構成部品数が多いため、重量が増大してしまい、また、組み立てコストも高価になってしまう。

これらの問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、障害物に対するアームの緩衝と退避とを簡易な構成で実現し、また、障害物への接触後のアームの位置決めを容易に実現可能とする技術を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ロボットの一つのアームに含まれる第１のアーム部と第２のアーム部とを、第１の方向に連結するアーム連結装置であって、前記第１のアーム部に、それぞれ、前記第１の方向と垂直な方向でかつ水平な方向である第２の方向に所定の間隔を空けて並んで設けられ、前記第２の方向において対向する面の間隔が、それぞれ、鉛直上方に向かうに連れて広がるように構成された第１の凸部および第２の凸部と、前記第２のアーム部に設けられ、前記第１の凸部と前記第２の凸部との間に配置される第３の凸部と、前記第１の凸部、前記第２の凸部、および、前記第３の凸部に前記第２の方向に沿って設けられ、前記第１のアーム部と前記第２のアーム部とを相対的に回転可能に軸支し、かつ、前記第３の凸部を前記第１の凸部および前記第２の凸部の間で前記第２の方向に沿って移動可能に支持する軸部材と、前記第３の凸部の前記軸部材よりも前記第１の方向側に前記軸部材に平行に設けられ、前記第２の方向から荷重が掛かっていない場合に、両端が前記第１の凸部および前記第２の凸部の対向する面の所定の部位にそれぞれ当接する支持部材と、を備えるアーム連結装置。

このような構成のアーム連結装置によれば、第１のアーム部に設けられた第１の凸部および第２の凸部と、第２のアーム部に設けられた第３の凸部とが、第３の凸部が第１の凸部と第２の凸部との間で第２の方向に沿って移動可能となるように軸部材によって連結され、第３の凸部に設けられた支持部材の両端が、第２の方向から荷重が掛かっていない場合に、鉛直上方に向かうに連れて広がる第１の凸部と第２の凸部の対向する面に当接する。そのため、第２のアーム部（または第１のアーム部）に第２の方向から障害物が接触した際には、第２のアーム部（または第１のアーム部）が第２の方向に移動させられるとともに、支持部材の端部が第１の凸部または第２の凸部の内側の面上を上方に摺動することで、第２のアーム部（または第１のアーム部）が自動的に鉛直上方に跳ね上げられる。よって、３つの凸部と軸部材と支持部材という極めて簡易な構成により、障害物への接触時におけるアームの緩衝と退避とを実現することができる。

また、上記構成のアーム連結装置によれば、第２のアーム部の鉛直方向における位置決めが、鉛直上方に向かうに連れて広がる第１の凸部と第２の凸部の対向する面に支持部材の両端が当接することによってなされる。そのため、障害物への接触後には、跳ね上げられた第２のアーム部（または第１のアーム部）が重力によって下方に移動することで、自動的に位置決めされる。そのため、障害物への接触後のアームの位置決めを極めて容易に行うことが可能になる。

なお、第１のアーム部と第２のアーム部とは、どちらがロボットに接続されていてもよい。つまり、第１のアーム部がロボットに接続され、第２のアーム部が障害物への接触時に跳ね上げられることとしてもよいし、第２のアーム部がロボットに接続され、第１のアーム部が障害物への接触時に跳ね上げられることとしてもよい。

［適用例２］適用例１に記載のアーム連結装置であって、前記第１の方向において前記支持部材が前記第３の凸部に設けられる位置は、前記第１の凸部および前記第２の凸部の前記第１の方向における先端に対応する位置であるアーム連結装置。このような構成であれば、軸部材と支持部材の間隔を長くすることができるので、第２のアーム部（または第１のアーム部）の位置決めの精度が高まり、また、障害物の接触時に、第２のアーム部が相対的に回転しやすくなる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のアーム連結装置であって、鉛直方向において前記支持部材が前記第３の凸部に設けられる位置は、前記軸部材の鉛直方向における位置と同じであるアーム連結装置。このような構成であれば、第２のアーム部が相対的に回転した際に、支持部材が第１の凸部および第２の凸部の対向する面内から脱落しないように、支持部材７５を、できるだけ先端側に配置することができる。よって、軸部材と支持部材の間隔を長くすることが可能になり、それにより、第２のアーム部を相対的に容易に回転させることが可能になる。

本発明は、上述したアーム連結装置としての構成のほか、アーム連結装置が備えられたロボットや産業機器、アーム連結装置の製造方法や使用方法としても構成することが可能である。

アーム連結装置を備える産業用ロボットの概略構成を示すである。 アーム連結装置の詳細な構成を示す説明図である。 アーム連結装置の四面図である。 アーム連結装置の動作状態を示す説明図である。 軸部材と支持部材の位置関係を示す図である。 第１の凸部と第２の凸部の面のバリエーションを示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態としてのアーム連結装置を備える産業用ロボットの概略構成を示す図である。図１には、互いに直交するＸＹＺ方向と、θ軸とを示している。図１のＸＹＺ方向は、他の図のＸＹＺ方向に対応している。本実施形態では、−Ｚ方向が鉛直方向である。ロボット１０は、アーム２０と、アーム２０をθ軸を中心として回転させる回転ユニット３０と、アームをＺ方向に沿って昇降させる昇降ユニット４０と、アームをＸ方向に沿って走行させる走行ユニット５０とを備えている。なお、Ｘ方向およびＹ方向は、水平面において互いに直行する方向である。

アーム２０は、第１のアーム部２１と、第２のアーム部２２と、アーム連結装置２３と、ハンド２４と、チャック爪２５、とを備えている。これらは、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、樹脂等の軽量な部材によって形成される。第１のアーム部２１の基端は、回転ユニット３０のθ軸に回転可能に固定されている。第２のアーム部２２は、アーム連結装置２３を介して第１のアーム部２１の先端に取り付けられている。ハンド２４は、第２のアーム部２２の先端下部に回転可能に取り付けられている。ハンド２４の下面には、ワークを把持するチャック爪２５が固定される。アーム２０の上面には、蓋部６０が嵌る。この蓋部６０は、固定されておらず、第２のアーム部２２が上方に回転した際（詳細は後述）に、その回転を妨げないように簡単に外れるようになっている。この蓋部６０は省略することも可能である。

第１のアーム部２１の基端の上方には第１のプーリ２６が設けられている。この第１のプーリ２６は、その中心が回転ユニット３０のθ軸上に位置するように回転ユニット３０に固定されており、アーム２０が回転しても第１のプーリ２６は回転しないように構成されている。第２のアーム部２２の先端の上面には、第１のプーリ２６とベルト２７によって連結された第２のプーリ２８が設けられている。この第２のプーリ２８は、第１のプーリ２６と同径であり、ハンド２４に連結されている。ハンド２４は、第２のプーリ２８によって回転させられる。このような構成によれば、回転ユニット３０によって、アーム２０が回転させられると、第１のプーリ２６は、アーム２０に対して相対的に逆方向に回転することになり、その回転がベルト２７によって第２のプーリ２８に伝達される。そのため、第２のプーリ２８に連結されたハンド２４は、アーム２０の回転とは相対的に逆方向に回転することになり、その結果、ハンド２４およびチャック爪２５の姿勢は、アーム２０の回転にかかわらず、昇降ユニット４０や走行ユニット５０に対して一定の姿勢（平行）になる。

回転ユニット３０は、アーム２０を、アーム２０の基端を中心として回転させる装置であり、内部にはアーム２０を回転させるためのモータや減速機を備えている。回転ユニット３０は、回転ユニットベース３１に固定されており、この回転ユニットベース３１は、昇降ユニット４０に取り付けられている。

昇降ユニット４０は、回転ユニットベース３１を介して回転ユニット３０ごとアーム２０をＺ方向に沿って移動させる装置である。昇降ユニット４０の内部には、回転ユニットベース３１をＺ方向に沿って移動させるためのモータや減速機などが備えられている。

走行ユニット５０は、昇降ユニット４０および回転ユニット３０ごとアーム２０をＸ方向に沿って移動させる装置である。走行ユニット５０の内部には、昇降ユニット４０をＸ方向に沿って移動させるためのモータや減速機などが備えられている。

これら回転ユニット３０や昇降ユニット４０、走行ユニット５０の具体的な構成は、例えば、特開２０１１−２４０４５０号に開示されている。

図２は、アーム連結装置２３の詳細な構成を示す説明図である。また、図３は、アーム連結装置２３の四面図である。以下では、説明の簡単のため、アーム２０が、＋Ｙ方向を向いているものとして説明する。これらの図に示すように、本実施形態のアーム連結装置２３は、第１のアーム部２１の先端に設けられた第１の凸部７１および第２の凸部７２と、第２のアーム部２２の基端に設けられた第３の凸部７３と、第２のアーム部２２を第１のアーム部２１に対して回転可能に支持する軸部材７４と、第２のアーム部２２を鉛直方向に位置決めさせる支持部材７５と、を有している。第１のアーム部２１の先端の上面には、第２のアーム部２２が回転する際に、その基端が接触しないように、面取り部２９が設けられている。

第１の凸部７１および第２の凸部７２は、第１のアーム部２１の先端面に、それぞれ、＋Ｙ方向を向き、＋Ｙ方向と垂直かつ水平なＸ方向に、所定の間隔を空けて並んで設けられている。これら第１の凸部７１および第２の凸部７２の、Ｘ方向において対向する面７６，７７は、それぞれ、鉛直上方（＋Ｚ方向）に向かうに連れてこれらの面の間隔が広がるように構成されている。以下、面７６のことを斜面７６といい、面７７のことを斜面７７ともいう。本実施形態では、第１の凸部７１のＺＸ断面と、第２の凸部７２のＺＸ断面とは、それぞれ、直角二等辺三角形になっている。

第３の凸部７３は、第２のアーム部２２の基端面に、−Ｙ方向を向いて設けられている。そして、この第３の凸部７３は、所定の間隔を空けて配置された第１の凸部７１と第２の凸部７２との間に配置される。本実施例では、第３の凸部７３は、そのＺＸ断面が、逆等脚台形状に形成されている。なお、このＺＸ断面は、逆三角形状に形成されていてもよいし、矩形状に形成されていてもよい。第３の凸部７３には、後述する軸部材７４が挿入されるため、そのＺＸ断面が逆等脚台形状や逆三角形状のように鉛直下方に向かうほど幅が狭まる形状に形成されていれば、軸部材７４との接触長さを長くすることができるので、Ｙ軸を中心として第２のアーム部２２によじれが生じることを低減することができる。

軸部材７４は、第１のアーム部２１等と同等以上の強度を有する材料（例えば、鉄）によって形成された棒状の部材であり、第１の凸部７１、第２の凸部７２、および、第３の凸部７３内に、Ｘ方向に沿って設けられている。軸部材７４は、第１の凸部７１および第２の凸部７２に対しては固定されている。第３の凸部７３には、Ｘ方向に沿って貫通孔７８が設けられており、この貫通孔７８には軸部材７４が摺動可能に挿通される。そのため、第２のアーム部２２は、軸部材７４に沿ってＸ方向に移動可能になっている。なお、軸部材７４は、第３の凸部７３に固定されていてもよく、この場合、軸部材７４は、第１の凸部７１および第２の凸部７２にＸ方向に沿って設けられた穴に摺動可能に挿通される。また、この場合、軸部材７４は、２本の棒部材により形成されていてもよく、それらの棒部材は、第３の凸部７３の＋Ｘ方向側の面および−Ｘ方向側の面に、それぞれ固定される。

支持部材７５は、第１のアーム部２１等と同等以上の強度を有する材料（例えば、鉄）によって形成された棒状の部材であり、その両端は、半球状に面取りされている。支持部材７５は、第３の凸部７３に、軸部材７４と平行に固定されている。その固定位置は、軸部材７４よりも＋Ｙ方向側となっている。支持部材７５の両端は、Ｘ方向から第２のアーム部２２に荷重が掛かっていない通常の状態で、第１の凸部７１および第２の凸部７２の対向する斜面７６，７７の所定の部位にそれぞれ当接する。このように、支持部材７５の両端が、第１の凸部７１および第２の凸部７２の対向する斜面７６，７７にそれぞれ当接することで、第２のアーム部２２が、アーム連結装置２３から鉛直下方に折れ曲がることが防止され、精度良く位置決めされることになる。なお、本実施形態では、支持部材７５は、１本の棒部材により形成されているが、２本の棒部材により形成されていてもよい。この場合、第３の凸部７３の＋Ｘ方向側の面および−Ｘ方向側の面に、それぞれの棒部材が固定される。また、支持部材７５の形状は、棒状に限らず、両端が斜面７６，７７に当接可能で、後述のように斜面７６，７７を上方に摺動可能であれば、板状など、任意の形状に形成可能である。

図４は、アーム連結装置の動作状態を示す説明図である。この図４には、＋Ｙ方向を向くアーム２０が走行ユニット５０によって＋Ｘ方向に移動した際に、第２のアーム部２２に側面から障害物が接触した場合のアーム連結装置２３の動作の様子を示している。図４（Ａ）には、第２のアーム部２２がまだ障害物に接触していない状態が示されている。図中、左側の図は、第１のアーム部２１と第２のアーム部２２との接続角度を＋Ｘ方向側から見た状態を示しており、中央の図は、軸部材７４と支持部材７５の位置関係を＋Ｘ方向側から見た状態を示している。また、右側の図は、第２のアーム部２２のＸ方向への動きと障害物への接触によって第２のアーム部２２が回転する様子を示している。第２のアーム部２２に＋Ｘ方向側から障害物が接触すると、図４（Ｂ）に示すように、第２のアーム部２２は、軸部材７４に沿って−Ｘ方向側に移動する。しかし、第２のアーム部２２の第３の凸部７３には、支持部材７５が固定されているので、その支持部材７５の−Ｘ方向の端部が第１のアーム部２１の第１の凸部７１の斜面７６上を鉛直上方に摺動する。そうすると、第２のアーム部２２は、軸部材７４を中心として鉛直上方に回転し、その結果、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、第２のアーム部２２は、障害物を回避するように、上方に跳ね上げられる。つまり、本実施形態のアーム連結装置２３は、第２のアーム部２２に横方向から加わる力を、第２のアーム部２２を鉛直上方に回転移動させる力に変換する作用を有する。こうして第２のアーム部２２が上方に跳ね上げられると、アーム２０上に蓋部６０が配置されている場合には、蓋部６０はアーム２０から自然に外れることになる。

図５は、軸部材７４と支持部材７５の位置関係を示す図である。この図５は、アーム２０が＋Ｙ方向を向く場合において、第１の凸部７１および第２の凸部７２の斜面７６，７７上における軸部材７４と支持部材７５との位置を＋Ｘ方向側から見た様子を示している。図５（Ａ）に示すように、本実施形態では、支持部材７５は、軸部材７４よりも＋Ｙ方向側に位置している。そのため、第１の凸部７１および第２の凸部７２の斜面７６，７７に支持部材７５の両端が当接することで、第２のアーム部２２が鉛直下方に折れ曲がることが防止される。また、支持部材７５は、斜面７６，７７の＋Ｙ方向の端部よりも−Ｙ方向側の位置で、かつ、第２のアーム部２２が軸部材７４を中心に回転した場合に支持部材７５が斜面７６，７７から脱落しない位置に設けられている。

図５（Ａ）に示した位置関係において、図５（Ｂ）に示した、軸部材７４と支持部材７５のＹ方向における間隔Ｄ１は、できるだけ長い方が好ましい。この間隔Ｄ１は、長ければ、それだけ、第２のアーム部２２の鉛直方向における位置決め精度に製造誤差の影響を与える可能性が低くなるので、精度よく位置決めを行うことが可能になる。また、この間隔Ｄ１が長ければ、障害物への接触時に第２のアーム部２２が回転する際に、支持部材７５に対して重力方向に掛かる荷重が小さくなるので、第２のアーム部２２が上方に回転しやすくなる。図５（Ｂ）に示されているように、支持部材７５は、第１の凸部７１および第２の凸部７２の先端に対応する位置に設けられていることが好ましい。支持部材７５が、第１の凸部７１および第２の凸部７２の先端に対応する位置に設けられていれば、間隔Ｄ１を最大限長くすることができるからである。

更に、図５（Ａ）に示した位置関係において、図５（Ｃ）に示した、軸部材７４と支持部材７５のＺ方向における間隔Ｄ２は、できるだけ短いことが好ましく、ゼロであることがより好ましい。この間隔Ｄ２が短ければ、それだけ、図５（Ｂ）に示すように、支持部材７５が斜面７６，７７から脱落しないように、支持部材７５を先端側に配置することができるからである。よって、間隔Ｄ２が短いほど、距離Ｄ１を長くすることが可能になり、それに伴い、第２のアーム部２２が上方に回転しやすくなる。間隔Ｄ２がゼロでない場合には、支持部材７５のＺ方向の位置は、軸部材７４のＺ方向の位置よりも＋Ｚ方向側であっても−Ｚ方向側であってもよい。斜面７６，７７の角度が一定である限り、どちらの方向側に設けられていても第２のアーム部２２の動きやすさに影響はないからである。

以上で説明した本実施形態のアーム連結装置２３では、第１のアーム部２１に設けられた第１の凸部７１および第２の凸部７２と、第２のアーム部２２に設けられた第３の凸部７３とを、第３の凸部７３が第１の凸部７１と第２の凸部７２との間で移動可能となるように軸部材７４によって連結し、通常動作時に第１の凸部７１の斜面７６と第２の凸部７２の斜面７７とに当接するように第３の凸部７３に支持部材７５を設ける。そのため、第２のアーム部２２が側面から障害物に接触した際には、第２のアーム部２２の側面に加えられた力が第２のアーム部２２を鉛直上方に回転移動させる力に変換され、第２のアーム部２２が自動的に鉛直上方に跳ね上げられることになる。よって、３つの凸部７１，７２，７３と、軸部材７４と、支持部材７５という極めて簡易な構成により、障害物への接触時におけるアーム２０の緩衝と退避とを実現することができる。

また、本実施形態では、第２のアーム部２２の鉛直方向における位置決めが、支持部材７５の両端が第１の凸部７１の斜面７６と第２の凸部７２の斜面７７とに当接することによってなされる。そのため、障害物への接触後には、跳ね上げられた第２のアーム部２２が重力によって下方に移動することで、自動的に位置決めされる。そのため、障害物への接触後のアーム２０の位置決めを極めて容易に行うことが可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、アーム連結装置２３が備えられるロボットは、図１に示したロボットに限られず、図１のＹ方向に沿って直動可能なロボットなど、種々のロボットに適用可能である。その他、以下のような変形も可能である。

上記実施形態では、第１のアーム部２１が回転ユニット３０に接続され、第２のアーム部２２にハンド２４が取り付けられることとした。これに対して、第２のアーム部２２が回転ユニット３０に接続され、第１のアーム部２１にハンド２４が取り付けられることとしてもよい。つまり、上記実施形態では、第２のアーム部２２が障害物の接触時に跳ね上げられることとしたが、第１のアーム部２１が障害物の接触時に跳ね上げられることとしてもよい。

図６は、第１の凸部７１の面７６と第２の凸部７２の面７７のバリエーションを示す説明図である。上記実施形態では、図６（Ａ）に示すように、対向する面７６，７７はそれぞれ、一定に角度に傾いている。これに対して、図６（Ｂ），（Ｃ）に示すように、面７６，７７は、Ｚ方向の所定の位置で傾きが１箇所以上変化する面であることとしてもよい。また、図６（Ｄ）に示すように、一定の傾きではなく、曲面状に面が形成されていることとしてもよい。

１０…ロボット
２０…アーム
２１…第１のアーム部
２２…第２のアーム部
２３…アーム連結装置
２４…ハンド
２５…チャック爪
２６…第１のプーリ
２７…ベルト
２８…第２のプーリ
２９…面取り部
３０…回転ユニット
３１…回転ユニットベース
４０…昇降ユニット
５０…走行ユニット
６０…蓋部
７１…第１の凸部
７２…第２の凸部
７３…第３の凸部
７４…軸部材
７５…支持部材
７６，７７…斜面
７８…貫通孔

Claims (3)

1. ロボットの一つのアームに含まれる第１のアーム部と第２のアーム部とを、第１の方向に連結するアーム連結装置であって、
   前記第１のアーム部に、それぞれ、前記第１の方向と垂直な方向でかつ水平な方向である第２の方向に所定の間隔を空けて並んで設けられ、前記第２の方向において対向する面の間隔が、それぞれ、鉛直上方に向かうに連れて広がるように構成された第１の凸部および第２の凸部と、
   前記第２のアーム部に設けられ、前記第１の凸部と前記第２の凸部との間に配置される第３の凸部と、
   前記第１の凸部、前記第２の凸部、および、前記第３の凸部に前記第２の方向に沿って設けられ、前記第１のアーム部と前記第２のアーム部とを相対的に回転可能に軸支し、かつ、前記第３の凸部を前記第１の凸部および前記第２の凸部の間で前記第２の方向に沿って移動可能に支持する軸部材と、
   前記第３の凸部の前記軸部材よりも前記第１の方向側に前記軸部材に平行に設けられ、前記第２の方向から荷重が掛かっていない場合に、両端が前記第１の凸部および前記第２の凸部の対向する面の所定の部位にそれぞれ当接する支持部材と、
   を備えるアーム連結装置。
2. 請求項１に記載のアーム連結装置であって、
   前記第１の方向において前記支持部材が前記第３の凸部に設けられる位置は、前記第１の凸部および前記第２の凸部の前記第１の方向における先端に対応する位置である、アーム連結装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアーム連結装置であって、
   鉛直方向において前記支持部材が前記第３の凸部に設けられる位置は、前記軸部材の鉛直方向における位置と同じである、アーム連結装置。

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