JP2014004638A - 多関節型ロボット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基台20と、一端側が、第1軸OX1を中心に水平方向に回転可能に基台20に取り付けられた第1アーム30と、一端側が、第1アーム30の他端側に対して第2軸OX2を中心に水平方向に回転可能に取り付けられた第2アーム40と、複数の内部ケーブルが一つに束ねられ外周部が弾性を有する被覆体に被覆されて一体化されたケーブル50と、を有し、ケーブル50は、中間部が所定形状に屈曲させた状態で、一端側が、基台20に対してケーブルクランプ22にて取り付けられて固定支持され、他端側が、第2アーム40に対してケーブルクランプ46にて取り付けられて固定支持されている。
【選択図】図1
Description
このため、たとえば水平多関節型ロボットにおける配線の屈曲部分の曲げ半径が大きくなり、ロボットの動作中にダクトの撓みによってロボット周辺の機器や設備に損傷を与えるおそれがある。
しかしこの場合、ロボットの動作によりケーブルが捻じれたりすることにより固定位置へ応力がかかり、結束バンドとケーブル同士の擦れ合いにより摩耗し、ケーブルが損傷するおそれがある。
また、ロボットに対するケーブル配線が複雑であることから、ロボット組み立て工数やメンテナンスに時間を要し、作業効率がわるく改善が必要である。
第1ケーブル50は、一端側が基台20の後端部にケーブルクランプを用いて固定され、他端側が第2アーム40の後端部にケーブルクランプを用いて固定される。
ここで、原点位置とは、第1アーム30が第1軸OX1を中心に回転しておらず、第2アーム40が第2軸OX2を中心に回転しておらず、第1アーム30および第2アーム40の長手方向軸が図1〜図3に設定した直交座標系のX方向に平行で一直線になるような位置をいう。
換言すると、第1ケーブル50は、固定状態で中間部53が、鉛直端V2からななめ上後方に向けて弧を描いて頂部TP1を形成し、この頂部TPからななめ下後方に向けてなだらかな弧を描いて鉛直端V1に至るような形状を有する。
第1ケーブル50は、この固定状態で、頂部TP1が基台20での第1固定部FX1と第2アーム40での第2固定部FX2との間のうち第2固定部FX2側に近い位置に形成される。
このような形状の第1ケーブル50は、中間部53は、第2立ち上がり部52の鉛直端V2から急な勾配をもって頂部TP1に至り、頂部TP1から比較的緩やかな勾配をもって第1立ち上がり部51の鉛直端V1に至るように形成される。
この逆J次形状は、ほぼ固定され、第1アーム30および第2アーム40の第1軸OX1および第2軸OX2を中心に回転した場合であっても、ケーブル軸を中心に捻じれるような応力等の負荷を受けるが、形状が崩れることなくそのままの形状を保持する。
そして、第1ケーブル50を形成する複数の内部ケーブルも一定の状態に保持されることから、内部ケーブルの撓みが抑止(低減)され、摩耗等のケーブルへの影響が大幅に低減される。
ただし、後でも説明するように、第1ケーブル50の端部はゴムパッキンを挟んでケーブルクランプで基台20および第2アーム40に固定されていることから、立ち上がり部51,52にかかる負荷の影響が緩和され、ロボット10のスムースな動きを実現でき、またケーブルの延命化をも図ることが可能となっている。
この第1ケーブル50の具体的な構成例については後述する。
第2ケーブル60は、一端側が基台20の背面側にケーブルクランプで固定され、他端側が図示しないコントローラに接続され固定される。
この第2ケーブル60の具体的な構成例については後述する。
まず、基台20の構成例について説明する。
水平多関節型ロボット10において、基台20は、図1〜図3に示すように、中空箱型の直方体形状を有し、基準面となる床面等に設置され、上面部20aの前方側に、第1アーム30の後端側である基端部31が第1軸OX1を中心に正逆方向に回転可能(旋回可能)に連結されている。ここで、正逆方向とは、時計回り方向および反時計回り方向である。
本実施形態において、第1軸OX1は基本的に基台20内部に配置された第1軸モータ21の出力軸(回転軸)211により形成される。
基台20は、上面部20aの後方側に、第1ケーブル50の一端側がケーブルクランプ22により取り付けられ固定されている。
基台20は、背面部20bに、第2ケーブル60の一端側がケーブルクランプ23により取り付けられ固定されている。
基台20は、前面部30cに、バッテリボックス24が配置されている。
開口部201は、第1アーム30の底面側に配置された第1軸減速機32を取り付け可能となる径をもって形成され、周縁部には第1軸減速機32を連結し固定するための、たとえば孔付ボルト202が複数配置されている。
そして、第1軸モータ21は、その出力軸部が第1アーム30の底面30aの基端部31に固定されている第1軸減速機32がギア等を介して連結されている。
これにより、第1アーム30は、第1軸モータ21により正逆いずれかの方向に回転される第1軸OX1を中心に、基台20に対して水平方向、換言すれば、上記直交座標系のXY平面内において旋回(水平旋回)する。
この開口部202には螺着により締結可能なケーブルクランプ22が嵌め込まれている。
この開口部203には螺着により締結可能なケーブルクランプ23が嵌め込まれている。
基台20は、図3に示すように、その内部に、第1ケーブル50の内部ケーブルを形成する各種配線が接続された複数の第1コネクタ26と第2ケーブル60の内部ケーブルを形成する各種配線が接続された複数の第2コネクタ27が配置されている。
そして、基台20の内部において、それぞれ対応する配線が接続された第1コネクタ26と第2コネクタ27が接続されている。
なお、図3においては、図面の簡単化のために第1コネクタ26および第2コネクタ27を一体的に示しているが、実際は配線種ごとにコネクタが配置され接続される。
この場合、第1ケーブル50および第2ケーブル60から被覆をはがされて取り出された各配線は結束バンド等により束ねて基台20の内部に収容される。
次に、第1アーム30の構成例について説明する。
図5(A)〜(C)は、本実施形態に係る第1アームの構成例を示す図であって、図5(A)は上面図を、図5(B)は側面から見た断面図を、図5(C)は上面側から見た斜視図である。
第1アーム30は、前述したように、底面(第1面)30aの後端側の基端部31に第1軸減速機32が固定されている。
第1アーム30は、この第1軸減速機32が基台20に配置された第1軸モータ21の正逆いずれかの方向に回転される出力軸部と連結される。
これにより、第1アーム30は、第1軸モータ21の正逆いずれかの方向に回転される第1軸OX1を中心に、基台20に対して水平方向、換言すれば、上記直交座標系のXY平面内において旋回(水平旋回)する。
第1アーム30は、この第2軸減速機34が第2アーム40の後端側の基端部411に配置された第2軸モータ41の正逆いずれかの方向に回転される第2軸OX2を形成する出力軸部と連結されている。
これにより、第2アーム40は、第2軸モータ41により第2軸OX2であるその出力軸を正逆回転させるときに、その軸から第2軸モータ41が受ける反力によって、第2軸OX2を中心にして第1アーム30に対して水平方向に旋回する。すなわち、第2アーム40が水平旋回される。
したがって、第1アーム30は、中空である必要がなく、剛性を有しており、底面側および上面側に減速機を固定可能であれば、たとえば板状のものであってもよい。
次に、第2アーム40の構成例について説明する。
図6(A)および(B)は、本実施形態に係る第2アームの構成例を示す図であって、図6(A)は主要部の斜視図、図6(B)はアーム本体を底面側から見た斜視図である。
また、図7は、本実施形態に係る第2アームの背面パネル部の一例を示す図である。
アーム本体410は、高い剛性を有する金属等により形成される。
カバー体430は軽量な樹脂等により形成され、取り付け状態で、背面パネル部420の背面および上面部が露出するように形成されている。
開口部411aは、第1アーム30の先端部における支持軸部33の第2軸減速機34を取り付け可能となる径をもって形成されている。
そして、第2軸モータ41は、その出力軸部が第1アーム30の上面30bの支持軸部33に固定されている第2軸減速機34がギア等を介して連結される。
これにより、第2アーム40は、第2軸モータ41により第2軸OX2であるその出力軸を正逆回転させるときに、その軸から第2軸モータ41が受ける反力によって、第2軸OX2を中心にして第1アーム30に対して水平方向に旋回する。すなわち、第2アーム40が水平旋回される。
ボールねじスプラインシャフト部42は、上記直交座標系のZ方向(上下方向)の移動のための第3軸OX3および上記直交座標系のXY平面内において旋回(水平旋回)するための第4軸OX4としての機能を併せ持つ。
ボールねじスプラインシャフト421は、円柱状の軸体であって、その周表面には図示しないボールねじ溝とスプライン溝とが所定間隔をおいて形成されている。
これに対応して、ボールねじスプラインシャフト421には、図1に示すように、ボールねじナット422およびボールスプラインナット423が取り付けられている。
本例では、図2に示すように、ボールねじナット422がZ方向の上部側に位置し、ボールスプラインナット423がZ方向の下部側、より具体的には開口部412aより下部側に取り付けられている。
すなわち、ボールねじスプラインシャフト421は、ボールねじ溝がボールねじナット422の中心に螺合されるように挿通され、スプライン溝がボールスプラインナット423の中心に嵌め合わされて挿通されている。
第2アーム40のアーム本体410には、基端部411の第2軸モータ41の取り付け領域と先端部412のボールねじスプラインシャフト部42の取り付け領域との間に、第3軸OX3用の第3軸モータ43および第4軸OX4用の第4軸モータ44が並列に取り付けられている。
ただし、本実施形態では、第4軸モータ44の出力軸にはギア等を介して第4軸減速機45が連結されている。
そして、第3軸モータ43の出力軸に嵌め合わされたプーリ431とボールねじスプラインシャフト部42の第3軸プーリ424に第3軸タイミングベルト432が架け渡されている。
同様に、第4軸モータ44に連結された第4軸減速機45の出力軸に嵌め合わされたプーリ451とボールねじスプラインシャフト部42の第4軸プーリ425に第4軸タイミングベルト452が架け渡されている。
ボールねじスプラインシャフト421は、第2アーム40内に配置された昇降用の第3軸モータ43の正逆回転がボールねじナット422を正逆回転させることによって上下方向(Z方向)に昇降移動され、その昇降移動によりその下端部426を上下方向に昇降させる。
ボールねじスプラインシャフト421は、第2アーム40内に配置された回転用の第4軸モータ44の正逆回転がボールスプラインナット423を正逆回転させることによって自らの軸心OX42を中心にして正逆回転される。
背面パネル部420は、背面パネル4201その上端部がアーム本体410に取り付けられた第2軸モータ41と所定間隔をおいて対向するように略直角に屈曲され、第1ケーブル50の他端部を取り付け固定するためのケーブル取り付け部422が形成されている。
背面パネル部420において、ケーブル取り付け部4202には、ほぼ中央部に第1ケーブル50の他端側を受け入れるための開口部4202aが形成されている。
この開口部4202aには螺着により締結可能なケーブルクランプ46が嵌め込まれている。
また、背面パネル部420の背面パネル4201には、ロボット制御信号を入力するためのコネクタ47やブレーキ解除スイッチ48等が配置されている。
このとき、図2に関連付けて説明したように、第1ケーブル50は、鉛直方向(Z方向)に立ち上って延びる第2の立ち上がり部52を形成して固定される。
この場合、本実施形態においては、ケーブル取り付け部4202に固定された第1ケーブル50の軸は、第2アーム40を旋回させる第2軸OX2と平行で、しかも軸同士が若干のずれはあるが、概略的にほぼ一致するような位置関係にある。
したがって、第1ケーブル50の他端側は、第2軸OX2の回転に伴う第2アーム40、第1アーム30の水平旋回動作に追従しやすく、ケーブルの弾力とケーブルクランプの固定部全体にてロボットの動作における応力を吸収しやすくなり、その結果ケーブルに損傷を与えることを抑制することができる。
この場合、第1ケーブル50から被覆をはがされて取り出された各配線は結束バンド等により束ねて第2アーム40のアーム本体410に収容される。
次に、第1ケーブル50の具体的な構成例について説明する。
図8は、本実施形態に係る基台と第2アーム間を接続する第1ケーブルの構成例を示す簡略断面図である。
第1ケーブル50は、23mm程度の外径を有する。
各モータ駆動線511は、たとえば軟銅線により形成され、周囲が絶縁体で被覆され、その外径は2mm〜3mm程度となっている。モータ駆動線511の耐電圧は、たとえばAC2000V/分である。
第1内部ケーブルユニット510は、全体で8mm程度の外径を有する。
本実施形態においては、エンコーダ線521−1は、ツイストペア線により形成されており、これにより、ノイズ低減効果を発現でき、ケーブルの外径の小径化を実現できる。
第2内部ケーブルユニット520−1は、全体で7.5mm〜8mm程度の外径を有する。
本実施形態においては、エンコーダ線521−2およびブレーキ線526−2は、ツイストペア線により形成されており、これにより、ノイズ低減効果を発現でき、ケーブルの外径の小径化を実現できる。
第2内部ケーブルユニット520−2は、全体で7.5mm〜8mm程度の外径を有する。
本実施形態においては、ユーザ配線527は、ツイストペア線により形成されており、これにより、ノイズ低減効果を発現でき、ケーブルの外径の小径化を実現できる。
第3内部ケーブルユニット520−3は、全体で7.5mm〜8mm程度の外径を有する。
ここで、編組シールド540は、たとえば錫メッキ軟銅線により形成され、厚さは0.5mm程度である。
また、弾性、可撓性等を有する内燃ポリウレタンシース550は、その厚さは1.5mm程度である。
第1ケーブル50は、全体として23mm程度の外径を有する。
さらに、ポリウレタンシース550は、耐摩耗性、耐油性、耐熱性、耐衝撃性等の優れた特性を有する。
したがって、第1ケーブル50は、水平多関節型ロボット10は、ロボットが動作することによりケーブルに負荷がかかったとしても、ケーブルが損傷を受けるおそれは極めて少ない。
これにより、ケーブルの曲げ半径を従来よりも小さくすることができるため、使用ケーブル長と撓みを低減することができる。
ロボットを動作させると、ケーブルダクトの振れにより影響によりロボット周辺の機器や設備に損傷を与えることが懸念されていたが、撓みが低減することで、ケーブルの振れが小さくなることから、ロボット周辺の機器や設備をロボットの近くに配置することが可能となる。
また、従来のロボットでは、第2アームにケーブルを結束バンド等で板金に固定していたので、ロボットを動作させるとケーブルが捻じれたりすることにより、固定位置へ応力がかかりケーブルが損傷を受けるおそれがあった。
本実施形態よれば、ケーブルクランプを使用して第2アーム40にて第1ケーブル50を固定することで、ケーブルの弾力とケーブルクランプの固定部全体にてロボットの動作における応力を吸収することができる。このため、ケーブルへの損傷を与えることを抑制することができる。
また、ケーブルダクトを使用しないことから、一体化したケーブルにすることでベアリングやそれら固定用の板金や機械加工等の使用部品点数を削減することができる。
重複する部分もあるがその構造を以下に示す。
換言すると、第1ケーブル50は、固定状態で中間部53が、鉛直端V2からななめ上後方に向けて弧を描いて頂部TP1を形成し、この頂部TPからななめ下後方に向けてなだらかな弧を描いて鉛直端V1に至るような形状を有する。
第1ケーブル50は、この固定状態で、頂部TP1が基台20での第1固定部と第2アームでの第2固定部との間のうち第2固定部側に近い位置に形成される。
このような形状の第1ケーブル50は、中間部53は、第2立ち上がり部52の鉛直端V2から急な勾配をもって頂部TP1に至り、頂部TP1から比較的緩やかな勾配をもって第1立ち上がり部51の鉛直端V1に至るように形成される。
この逆J次形状は、ほぼ固定され、第1アーム30および第2アーム40の第1軸OX1および第2軸OX2を中心に回転した場合であっても、ケーブル軸を中心に捻じれるような応力等の負荷を受けたとしても、形状が崩れることなくそのままの形状を保持することが可能である。
ただし、上記構成を有する第1ケーブル50の端部はゴムパッキンを挟んでケーブルクランプで基台20および第2アーム40に固定された固定領域、さらに立ち上がり部51,52にてかかる負荷の影響が緩和され、ロボット10のスムースな動きを実現でき、またケーブルの延命化をも図ることが可能となっている。
このような試作の結果、第1ケーブル50は、図8に関連付けて説明した構成を採用するに至った。
実際、図8の構成の第1ケーブルを使用して、水平多関節型ロボット10を動作して、20万回のサイクル試験を行った。
その結果、ケーブルの弾力とケーブルクランプの固定部全体にてロボットの動作における応力を吸収することができ、ケーブルに損傷を与えることを抑制することができた。
この結果から、本実施形態の内燃ポリウレタンシース550を1.5mm程度の1層とし適度な弾性、可撓性を持たせた第1ケーブル50の構成および取り付け構造は、十分に実用に供することが可能であることがわかった。
次に、第2ケーブル60の具体的な構成例について説明する。
図9は、本実施形態に係る基台とコントローラを接続する第2ケーブルの構成例を示す簡略断面図である。
また、第2ケーブル60において、エンコーダ線、ユーザ配線、ブレーキ線、およびモータ動力線である駆動線は錫メッキ軟銅線により形成される。
第2内部ケーブルユニット610において、各エンコーダ線、ユーザ配線、ブレーキ線は1.5mm程度の外径を有する。
遮蔽テープ620は、たとえばアルミニウム箔貼付付けプラスチックテープにより形成される。
編組シールド630は、たとえば錫メッキ軟銅線により形成され、その厚さは0.5mm程度である。
内部PVCシース640は、厚さは1mm程度である。
そして、第2内部ケーブルユニット610は18mm程度の外径を有する
そして、第2ケーブル60は、駆動線を含む第1内部ケーブルユニット650を押さテープ660、編組シールド670、耐熱・耐油性PVCシース680で被覆した1本のケーブルとして構成される。
編組シールド670は、たとえば錫メッキ軟銅線により形成され、その厚さは0.5mm程度である。
耐熱・耐油性PVCシースで680は厚さが1.5mm〜2.0mm程度である。
第2ケーブル60は、全体として26.6mm〜27mm程度の外径を有する。
また、従来のロボットでは4種類のコネクタにて接続していたが、本実施形態のケーブル配線では、1種類のコネクタによる接続となることから、使用部材の点数が少なくなり、部材費削減とハーネスの製造工数を削減することができ、コスト低減を図ることができる。
ところで、複数の配線を含む複数の内部ケーブルを一体化して1本のケーブルとした場合、上述したように、第2アーム40内、および基台20内で対応する線同士を各コネクタを介して接続するときに、被覆材を取り除くと線の種類を的確に把握し難く、作業の習熟度等によって作業効率の低下を招く場合もある。
そこで、本実施形態においては、第1ケーブル50および第2ケーブル60を構成する各線心の識別が明確となるように、線心を被覆する絶縁体の色を適宜選定し適用している。
図10(A)は内部ケーブルを含む第1ケーブルの概要を示し、図10(B)は第1内部ケーブルユニットの各動力線を識別するための絶縁体への色の適用例を示している。図10(C)は第2内部ケーブルユニットの各線心に便宜的に番号を付与した概略構成を示し、図10(D)は各第2内部ケーブルユニットの各線心の絶縁体への色の適用例を表として示している。
ケーブルを一本化することにより、ケーブルの曲げ半径を従来よりも小さくすることができるため、使用ケーブル長と撓みを低減することができる。
従来、ロボットを動作させると、ケーブルダクトの振れによる影響によりロボット周辺の機器や設備を損傷させることが懸念されていたが、撓みが低減することでケーブルの振れが小さくなることから、ロボット周辺の機器や設備をロボットの近くに懸念なく配置することが可能となる。
また、従来、ロボットが動作するときにケーブルダクト内部に配線されたケーブル同士の擦れ合い等による摩耗やケーブルとダクトの擦れ合い等による摩耗によってケーブルが損傷を受けるおそれがあった。
これに対して、本実施形態においては、ケーブルダクトを使用しないことから、上記摩耗等の懸念が払拭され、ケーブルの寿命も向上し、ロボットの品質向上につながる。
これに対して、本実施形態によれば、一体化したケーブルを使用することで、ケーブルクランプを用いてケーブルの固定を行い、ケーブルの弾力とケーブルクランプの固定部全体にてロボットの動作における応力を吸収することができるため、固定位置においてハーネスが断線や損傷することを抑止することができる。
また、ハーネス固定用板金等が不要となったため、コスト削減を実現することが可能となる。
この逆J次形状は、ほぼ固定され、第1アーム30および第2アーム40の第1軸OX1および第2軸OX2を中心に回転した場合であっても、ケーブル軸を中心に捻じれるような応力等の負荷を受けたとしても、形状が崩れることなくそのままの形状を保持することが可能である。
このような配線取り付け構造により、立ち上がり部等にかかる負荷の影響が緩和され、ロボットのスムースな動きを実現でき、またケーブルの延命化をも図ることが可能となっている。
Claims (6)
- 基台と、
一端側が、第1軸を中心に水平方向に回転可能に前記基台に取り付けられた第1アームと、
一端側が、前記第1アームの他端側に対して第2軸を中心に水平方向に回転可能に取り付けられた第2アームと、
複数の内部ケーブルが一つに束ねられ外周部が弾性を有する被覆体に被覆されて一体化されたケーブルと、
を有し、
前記ケーブルは、
中間部が所定形状に屈曲させた状態で、
一端側が、前記基台に対して取り付けられて固定支持され、
他端側が、前記第2アームに対して取り付けられて固定支持されている
多関節型ロボット。 - 前記ケーブルは、
前記基台および前記第2アームへの取り付け領域のうち、少なくとも前記第2アームへの取り付け領域は、所定の高さをもって鉛直方向に立ち上る立ち上がり部を有し、当該立ち上がり部から前記基台への取り付け領域にかけて逆J字状をなすように取り付けられ固定されている
多関節型ロボット。 - 前記基台は、基準面に設置され、
前記ケーブルは、
一端側が、前記基台の基準面に対向する上面部に取り付けられて固定支持され、
他端側が、前記第2アームにおいて、前記第2軸を中心とする回転部より前記水平方向に直交する鉛直方向における上部に取り付けられて固定支持され、
前記基台に固定された状態で、鉛直方向に所定の高さをもって立ち上がって延びる第1立ち上がり部、前記第2アームに固定された状態で、鉛直方向に所定の高さをもって立ち上がって延びる第2立ち上がり部、並びに、前記第1立ち上がり部の第1鉛直端および第2立ち上がり部の第2鉛直端間の中間部を有し、
固定状態で前記中間部が、前記第2鉛直端からななめ上後方に向けて弧を描いて頂部を形成し、当該頂部からななめ下後方に向けてなだらかな弧を描いて前記第1鉛直端に至るような形状を有する
請求項1または2記載の多関節型ロボット。 - 前記ケーブルは、
複数の動力線を同心円状に配列させた第1内部ケーブルユニットと、
複数の信号用の配線を同心円状に配列させて束ねた1または複数の第2内部ケーブルユニットと、を含み、
前記第1内部ケーブルユニットと前記第2内部ケーブルユニットを一つに束ね、当該束ねられたケーブルユニットの外周部をシールド体と弾性を有するシースで被覆として1本のケーブルとして形成されている
請求項1から3のいずれか一に記載の多関節型ロボット。 - 前記基台には、コントローラと接続するための第2ケーブルの一端側が取り付けられて固定され、
前記第2ケーブルは、
複数の動力線を同心円状に配列させた第1内部ケーブルユニットと、
複数の信号用の配線を同心円状に配列させた1または複数の第2内部ケーブルを含む第2内部ケーブルユニットと、を有し、
上記第2内部ケーブルユニットは、前記1または複数の前記第2内部ケーブルを中心部から1層または複数構造となるように配置させて、その外周部をシールド体および内部シーツで被覆し形成され、
前記第1内部ケーブルユニットは、前記第2内部ケーブルユニットの外周部に配置され、
当該第1内部ケーブルユニットの外周部をシールド体と弾性を有するシースで被覆として1本のケーブルとして形成されている
請求項1から4のいずれか一に記載の多関節型ロボット。 - 前記基台は、
出力軸が前記第1軸を中心に回転する第1軸モータが配置され、
前記第2アームは、
出力軸が前記第2軸を中心に回転する第2軸モータが配置され、
前記第1アームは、
一端側の底面部の軸部に前記第1軸モータの出力軸が連結され、
他端側の上面部の軸部に前記第2軸モータの出力軸が連結され、
一端側および他端側の軸部間は、少なくとも配線が配置されない非配置領域である
請求項1から5のいずれか一に記載の多関節型ロボット。
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