JP2014046447A - スリットが形成された弾性変形体を有する機械式ストッパ装置、及び該機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で所望のストッパ機能が得られる機械式ストッパ装置、及び該機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボットの提供。
【解決手段】メカストッパ１８は、第２のアーム１６に設けられた弾性変形体２０と、第２のアーム１６が所定の回転角度になったときに弾性変形体２０が衝突又は当接するように第１のアーム１２に設けられた当接部材２２とから構成される。スプリングピン２０はその長手方向にわたって延びるスリット２６を有し、穴２４内に圧入されたときのスリット２６の延びる方向は、当接部材２２に対するスプリングピン２０の当接方向に対して交差する方向となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアームの可動範囲を規定する機械式ストッパ装置、及び該機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボットに関する。

多関節ロボットの各関節軸では、２つのアーム部材が回転軸により連結された構造となっており、誤動作よりアームが所定の動作範囲を超えて回転した場合に備え、電気的なリミット機構に加えて機械式ストッパ装置（いわゆるメカストッパ）を設けて安全を確保している。図９は従来技術に係るメカストッパを備えた多関節ロボット１００の一例を示しており、多関節ロボット１００は、第１のアーム１１２と、第１のアーム１１２に対して回転可能に連結された第２のアーム１１６とを有し、第１のアーム１１２に対する第２のアーム１１６の回転角度範囲は、メカストッパ１１８によって規制されている。より具体的には、メカストッパ１１８は、第２のアーム１１６に設けられた凸状部材１２０と、第２のアーム１１６が所定の回転角度になったときに凸状部材１２０が衝突又は当接するように第１のアーム１１２に設けられた他の凸状部材１２２とから構成される。

例えば特許文献１には、従来のメカストッパの構造として、旋回固定側部材１１に配設された固定側ストッパ１２と、旋回軸心に対し固定側ストッパ１２とほぼ同一半径上で旋回可動部材１０に配設された内部の閉空間１５に満たした圧縮性流体の圧力変化を電気信号に変換する圧電変換素子１６と、旋回方向に摺動可能に支持されたピストンロッド１４ａ，１４ｂを有する可動側ストッパ１３を備えた構成により、ピストンロッド１４ａが固定側ストッパ１２に当接することにより生じる圧縮性流体の圧力変化を、圧電変換素子１６により検出することによって、オーバーラン検出を行うとともに、圧縮性流体の弾性により、旋回可動部材１０の回転を停止できるようにしたストッパ装置が記載されている。

メカストッパは２つのアーム部材の一部を衝突させることにより動作範囲を制限する構造が一般的となっているが、近年ではロボットに対して可搬質量の増大や動作の高速化が要求されており、これに応じた各関節軸の高トルク化や高速化に伴い、メカストッパ衝突時の衝撃力は増大傾向にある。メカストッパがこれらの衝撃力に耐えるためには、特許文献１に記載されているように圧縮性流体を用いて衝撃を緩和する他、ストッパの体積を増やして応力の分散を図ったり、バネやゴムなどの緩衝要素を用いて衝撃力を吸収したりする等の対策が必要となる。

例えば特許文献２には、ストッパのせん断を防止するために、ストッパブロックの基部にボルトを挿通するための挿通穴に変形許容空間を設け、アームの回動によりストッパとストッパブロックとが所定値以上の荷重で当接した場合に敢えてボルトを変形させて衝撃を吸収させることで、ボルトにせん断が発生することを回避することを企図した技術が記載されている。

さらに、ボルトのせん断のみでなく、ボルトが固定された相手部材側の破損を防止する技術として、特許文献３には、ストッパ用ボルトを固定する相手部材に、ストッパ用ボルトの通し穴からアームの衝突方向に延びる溝を形成することにより、ストッパ用ボルトがアームに衝突されて所定量を超えて変形しても、ストッパ用ボルトのせん断や、ストッパ用ボルトが螺着された相手部材側の破損を防止できることを企図した構造が記載されている。

特開平０５−２２８８８２号公報 特開２００７−０５０４９９号公報 特開２０１０−０２３１９４号公報

特許文献１〜３に記載されているような従来のストッパ構造は、その部品数増加に伴う高コスト化が懸念されることに加え、組み付け不良に伴う信頼性の低下を防ぐために比較的高精度の施工が必要となる。また、図９のような構造のメカストッパでは、衝突時の応力分散のためにストッパ構造の体積を増やす必要があり、その場合は、その重量増に伴うアーム動作軸の低速化や、ロボットの美観が損なわれるという問題もある。

そこで本発明は、簡易な構成で所望のストッパ機能が得られる機械式ストッパ装置、及び該機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボット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、本願第１の発明は、第１のアームと、前記第１のアームに対して回転軸線回りに回転可能に連結された第２のアームとを備えた多関節ロボットにおいて、第１のアームの一部を第２のアームの一部に当接させることによって、前記第１のアームに対する前記第２のアームの回転角度範囲を規制するように構成された機械式ストッパ装置であって、前記第１のアームに当接する前記第２のアームの一部及び前記第２のアームに当接する前記第１のアームの一部の少なくとも一方は、当接方向に対して交差する方向に延びるスリットが形成された弾性変形体であることを特徴とする、機械式ストッパ装置を提供する。

本願第２の発明は、第１の発明において、前記弾性変形体は、その長手方向にわたって延びるスリットが形成された中空の円筒状部材である、機械式ストッパ装置を提供する。

本願第３の発明は、第２の発明において、前記弾性変形体の径方向断面における前記スリットの位置は、前記当接方向に対して７０〜１１０度の角度位置である、機械式ストッパ装置を提供する。

本願第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記弾性変形体は、第１のアーム又は第２のアームに形成された穴に対して脱着可能に圧入されている、機械式ストッパ装置を提供する。

本願第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明に係る機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボットを提供する。

本発明によれば、多関節ロボットに設けた機械式ストッパ装置において、スリットを有する弾性変形体を使用することにより、該弾性変形体は衝撃力によって好適に変形して該衝撃力を吸収するため、弾性変形体の破損だけでなく、該弾性変形体に当接する相手側部材の破損も防止することができる。またスリットの入った弾性変形体は、機械要素として一般的に広く普及しているものを使用できるため、安価で入手することができ、機械式ストッパ装置の低コスト化や小型化が図れる。

本発明の第１の実施形態に係るメカストッパを含む多関節ロボットの要部を示す図である。 図１のメカストッパのスプリングピンを示す断面図である。 図１のスプリングピンが当接部材に衝突した状態を示す図である。 比較例として、スリットを具備しないピンが当接部材に衝突した状態を示す図である。 図３の場合に、衝突によるスプリングピンの径方向断面の変形を示す図である。 図４の場合に、衝突によるピンの径方向断面の変形を示す図である。 図１に示すスプリングピンに、ゴム製のキャップを取り付けた状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るメカストッパを含む多関節ロボットの要部を示す図である。 従来技術に係るメカストッパを含む多関節ロボットの要部を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るメカストッパを含む多関節ロボットの要部を示す図であり、図２はメカストッパ取り付け箇所の断面図である。多関節ロボット１０は、第１のアーム１２と、第１のアーム１２に対して回転軸線１４回りに回転可能に連結された第２のアーム１６とを有し、第１のアーム１２に対する第２のアーム１６の回転角度範囲は、メカストッパ１８によって規制されている。

図１において、メカストッパ１８を拡大図示するＡ部に示すように、メカストッパ１８は、第２のアーム１６に設けられた弾性変形体２０と、第２のアーム１６が所定の回転角度になったときに弾性変形体２０が衝突又は当接するように第１のアーム１２に設けられた当接部材２２とから構成される。当接部材２２は、例えば図示するような凸状部材であり、ある程度の弾性を有してもよいし、実質剛体のものでもよい。

弾性変形体２０は、好ましくは中空の円筒状部材であり、例えばＪＩＳ Ｂ２８０８に規定されたみがき特殊帯鋼を成形してなる、金属製のスプリングピンである。スプリングピン２０は、第２のアーム１６に形成された、回転軸線１４と平行な向きに延びる穴２４内に圧入される。穴２４の直径はスプリングピン２０のフリー（無負荷）の状態の径よりわずかに小さく、スプリングピン２０の弾性力により発生した内圧により、ピン２０と穴２４は摩擦により固定され、ロボット１０の動作時の振動や衝撃などでは容易に外れない構造となっている。穴２４内へのピン２０の圧入は、例えば金属製のハンマーなどを用いた打ち込み操作によって行うことができ、また、穴２４からのピン２０の取り外しは、ペンチなどを用いた引き抜き操作によって行うことができるため、脱着・交換が可能である。なお図２に示すように、穴２４の深さは、スプリングピン２０の全長の半分程度が好ましい。

図１のＡ部に示すように、スプリングピン２０はその長手方向にわたって延びるスリット２６を有し、穴２４内に圧入されたときのスリット２６の延びる方向は、当接部材２２に対するスプリングピン２０の当接方向（衝突方向）に対して交差（図示例では概ね直交）する方向となっている。これによりスプリングピン２０は、当接部材２２に衝突したときに弾性変形可能となっている。より具体的には、図３に示すように、第２のアーム１６が、誤操作などにより第１のアーム１２に対して予め設定した動作範囲を超えて回転した場合、第１のアーム１２の当接部材２２にスプリングピン２０が当接（衝突）することにより、第２のアーム１６のさらなる回転が防止される。

ここで、スプリングピン２０は当接部材２２から受ける衝撃力によって変形するが、具体的にはスリット２６を挟んで対向する部分２８、３０がスリット方向に互いに滑るように変形するので、比較例として図４に示すようにスリットを有さないピン４０に比べて、穴２４内に圧入されていないピン２０の部分は、より大きく弾性変形することができる。またスプリングピン２０の径方向断面を示す図５のように、スリット２６を有することによりスプリングピン２０はその径方向断面において、比較例として図６に示すスリットを有さないピン４０に比べて、より大きく変形（衝撃力の作用する方向に潰れる）することができる。

従って本願発明では、図４に示したスリットの入っていない同じ大きさ、素材のピン４０に比べてより折れ曲がり易く、高効率で衝撃を吸収する。このような構造により、スプリングピンの破損だけでなく、第２のアーム１６のスプリングピン固定箇所（穴２４）、及び第１のアーム１２のストッパ衝突箇所（当接部材２２）の破損防止を実現できる他、ストッパの小型化、及び軽量化の実現も可能となる。さらに、上述のようにスプリングピン２０は、機械要素として一般的に広く普及しているものを使用できるため、安価で入手することができ、低コストでストッパ構造を作製することができる。

なお、図３に示したようなスリット２６を挟んだ滑り（変形）の効果を好適に得るためには、スリット２６は衝撃力が作用する方向（図３では上下方向）に垂直な方向に延びることが好ましく、また図５に示すようにスプリングピン２０がより大きく変形できるようにするためには、スプリングピン２０の径方向断面におけるスリット２６の位置は、衝撃力の作用方向に対して７０〜１１０度、好ましくは８０〜１００度、より好ましくは図５に示すような９０度の角度位置（位相）であることが好ましい。

図７はスプリングピン２０の露出部位に、ゴム又は軟質の樹脂等からなる柔軟なキャップ３２を取り付けた例である。キャップ３２の弾性力により、アーム衝突時の衝撃をより効果的に吸収することができ、さらなる高効率の衝撃吸収効果が期待できる。また、キャップ３２によりスプリングピン２０への水分等の付着も防止できるため、スプリングピン２０の錆の発生を防止でき、さらにスプリングピンが外部に露出しないので、美観の向上も図れる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係るメカストッパ１８′を含む多関節ロボットの要部を示す図である。第２の実施形態では、第１のアーム１２に弾性変形体（スプリングピン２０′）をアームの回転軸に対して垂直に取り付けている。弾性変形体は第１のアーム１２に圧入され、第２のアーム１６に当接部材（凸部）２２′が形成されている。第２の実施形態でも、前述と同様の効果により、弾性変形体が衝撃を吸収して変形する事により、アームの回転を規制する。また第２の実施形態でも、スプリングピン２０′に形成されたスリット２６′の効果を好適に得るために、スリット２６′は衝撃力が作用する方向（概ね上下方向）に垂直な方向に延び、かつ、スプリングピン２０′の径方向断面におけるスリット２６′の位置は、衝撃力の作用方向に対して９０度の角度位置となっている。

以上、説明したように、本願発明は多関節ロボットのメカストッパにおいて、当接する部材に着脱交換可能なスリットの入った弾性変形体を用いた構造を提供するものである。一方のアームに形成された穴にスリットの入った弾性変形体を圧入し、スリットの方向は衝突方向に対して概ね垂直方向であることが好ましい。この構造により、メカストッパの小型軽量化、低コスト化を実現することができる。また上述のように、スリットが形成された弾性変形体はいずれのアームに設けられてもよいが、双方のアームに該弾性変形体を設けてもよい。

１０ ロボット
１２ 第１のアーム
１６ 第２のアーム
１８、１８′ メカストッパ
２０、２０′ スプリングピン
２２、２２′ 当接部材
２６、２６′ スリット
３２ キャップ

Claims (5)

1. 第１のアームと、前記第１のアームに対して回転軸線回りに回転可能に連結された第２のアームとを備えた多関節ロボットにおいて、第１のアームの一部を第２のアームの一部に当接させることによって、前記第１のアームに対する前記第２のアームの回転角度範囲を規制するように構成された機械式ストッパ装置であって、
   前記第１のアームに当接する前記第２のアームの一部及び前記第２のアームに当接する前記第１のアームの一部の少なくとも一方は、当接方向に対して交差する方向に延びるスリットが形成された弾性変形体であることを特徴とする、機械式ストッパ装置。
2. 前記弾性変形体は、その長手方向にわたって延びるスリットが形成された中空の円筒状部材である、請求項１に記載の機械式ストッパ装置。
3. 前記弾性変形体の径方向断面における前記スリットの位置は、前記当接方向に対して７０〜１１０度の角度位置である、請求項２に記載の機械式ストッパ装置。
4. 前記弾性変形体は、第１のアーム又は第２のアームに形成された穴に対して脱着可能に圧入されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械式ストッパ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の機械式ストッパ装置を備えた多関節ロボット。

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