JP2014151412A - 関節機構およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性を向上させることができる、ケーブル内蔵可能な関節機構およびロボットを提供する。
【解決手段】モータ部と減速機部とを有する第１ユニットと、ブレーキ部とエンコーダ部とを有する第２ユニットと、第１ユニットと第２ユニットとを接続する動力伝達部とを備える。第１ユニットは、モータ部と減速機部とが、第１の軸に同軸配置される。第２ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、第１の軸とは分離独立した第２の軸に同軸配置される。
【選択図】図３Ｂ

Description

開示の実施形態は、関節機構およびロボットに関する。

従来、たとえばロボットのリンク間に設けられる関節機構として、減速機、モータ、ブレーキおよびエンコーダを、共通の軸に直列的に同軸配置したものがある（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−２４４０６号公報

しかしながら、上述した従来の構成では、減速機とモータのみでなく、前記ブレーキと前記エンコーダも中央部を中空にして、内部にケーブル等を通しているので、単体で交換ができず、交換をするときには、一度関節内のケーブルを取り外した後、関節機構をすべて取り外さなければならなかった。したがって、メンテナンス性の向上が望まれていた。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、ケーブル内蔵を可能としたうえで、メンテナンス性を向上させることができる関節機構およびロボットを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る関節機構は、第１ユニットと、第２ユニットと、動力伝達部とを備える。第１ユニットは、モータ部と減速機部とが、第１の軸に同軸配置される。第２ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、前記第１の軸とは分離独立した第２の軸に同軸配置される。動力伝達部は、前記第１ユニットと前記第２ユニットとを接続する。

実施形態の一態様によれば、アームなどの内部にケーブル類を通した状態であっても、ブレーキ部やエンコーダ部を単体で取り外すことができ、メンテナンス性を向上させることができる。また、第１ユニットと第２ユニットとの組合せによる関節機構の設計自由度が高まる。

図１は、実施形態に係るロボットを示す図である。 図２Ａは、同上のロボットのリスト部が備える関節部の関節機構を示す図である。 図２Ｂは、図２ＡのＩＩ−ＩＩ線における断面視による説明図である。 図３Ａは、関節機構の１例を示す図である。 図３Ｂは、同上の関節機構の第１ユニットと第２ユニットとを分離した状態を示す図である。 図４は、同上の第１ユニットと第２ユニットの位置関係を示す図３ＡのＡ矢示図である。 図５は、同上の関節機構の動力伝達部を示す図３ＡのＶ−Ｖ断面図である。 図６は、関節機構の変形例を示す図である。 図７は、同上の変形例に係る関節機構の動力伝達部を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する関節機構およびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

先ず、本実施形態に係るロボット１の概要について、図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るロボット１を示す図である。なお、以下の説明では、ロボット１の設置面（水平面）に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、設置面の法線方向にＺ軸を定義して説明する。

本実施形態に係るロボット１は、いわゆる多関節ロボットであり、図示するように、基台１１上に設けられた胴部１２と、この胴部１２に連結されたアーム部１３と、アーム部１３の先端に設けられたリスト部１４とを備える。

基台１１は、設置面に座部１１ａを介して固定されている。かかる基台１１上に、胴部１２は垂直軸（不図示）の周りに水平方向へ回動自在に設けられる。なお、この胴部１２は、モータ部２０の駆動により水平回転する。

かかる胴部１２に連結されたアーム部１３は、複数のリンクとしての第１アーム１３１と第２アーム１３２とが、それぞれ、関節部を介して回動自在に連結されて構成される。

すなわち、第１アーム１３１は、胴部１２上に、第１関節部２ａを介して前後方向（Ｙ方向）に揺動自在に連結される。また、第２アーム１３２は、第１アーム１３１の先端部に、第２関節部２ｂを介して上下方向（Ｚ方向）に揺動自在に連結される。また、第１アーム１３１を揺動させる第１関節部２ａは第１モータ部２１を、第２アーム１３２を揺動させる第２関節部２ｂは第２モータ部２２を備える。

リスト部１４は、これも複数のリンクとしての第１リスト１４１と第２リスト１４２とが、それぞれ、後述する関節機構３を備えた関節部を介して回動自在に連結されて構成される。すなわち、本実施形態に係るロボット１は、関節機構３により連結された一対のリンクを備える構造を有する。

ここで、図２Ａ〜図６を参照しながら、リスト部１４が備える関節部の関節機構３について、具体的に説明する。図２Ａは、リスト部１４が備える関節部の関節機構３を示す図、図２Ｂは、図２ＡのＩＩ−ＩＩ線における断面視による説明図である。図３Ａは、関節機構３の１例を示す図、図３Ｂは、同関節機構３の第１ユニット４と第２ユニット５とを分離した状態を示す図である。また、図４は、第１ユニット４と第２ユニット５の位置関係を示す図、図５は、関節機構３の動力伝達部を示す図３ＡのＶ−Ｖ断面図である。また、図６は、関節機構３の変形例を示す図、図７は、同変形例に係る関節機構３の動力伝達部を示す図である。

図２Ａに示すように、リスト部１４は、第１リスト１４１と第２リスト１４２とが、それぞれ関節部を介して回動自在に連結される。すなわち、第１リスト１４１は、二又状に形成され、その基端部が第２アーム１３２の先端部に、関節機構３を備えた第３関節部２ｃを介して軸周りに回動自在に連結される。

また、第２リスト１４２は、第１リスト１４１の先端部に、第４関節部２ｄを介して上下方向（図１におけるＺ方向）に揺動自在に連結される。さらに、この第２リスト１４２は、第５関節部２ｅを介して軸周りに回動自在に連結される。なお、第３関節部２ｃ、第４関節部２ｄ、および第５関節部２ｅは、それぞれ中空構造になっており、第３関節部２ｃおよび第５関節部２ｅは、中空部に、ホースを含むケーブル類８２を通し、第４関節部２ｄは、中空部に、後述するブレーキ部５１とエンコーダ部５２とを配置している。

先ず、第３関節部２ｃおよび第５関節部２ｅが備える関節機構３について説明する。すなわち、被駆動部材となるリンク（第１リスト１４１、第２リスト１４２）自体に設けられ、当該リンクを軸周りに回動させる関節部に設けられた関節機構３について説明する。

図３Ａに示すように、関節機構３は、ロボット１のアームフレーム４４により形成される中空部４３に、第１の軸となる中空回転軸４６を介してモータ部４１と減速機部４２とが同軸配置された第１ユニット４を備える。

また、関節機構３は、ブレーキ部５１とエンコーダ部５２とが、中空回転軸４６（第１の軸）とは分離独立した第２の軸である回転軸５３に同軸配置された第２ユニット５を備える。さらに、関節機構３は、中空回転軸４６（第１の軸）と回転軸５３（第２の軸）との間に配設された動力伝達部としての第１歯車機構６を備える。

第１ユニット４は、ロボット１のアームフレーム４４に取付けられて構成される。第１ユニット４のモータ部４１は、ロボット１のアームフレーム４４に取付けられた固定子４１１と、この固定子４１１と所定のギャップを介して回転自在に設けられた回転子４１２とを備える。本実施形態に係る中空回転軸４６は、モータ部４１の回転子４１２と一体形成され、減速機部４２と接続される。したがって、回転子４１２の回転が中空回転軸４６を介して減速機部４２に伝達される。なお、中空回転軸４６は、必ずしも回転子４１２と一体形成する必要はなく、別体として一体的に構成されていればよい。また、図３Ａにおいて、符号４１３は固定子鉄心、符号４１４は固定子巻線、符号４１５は回転子磁石を示す。

一方、減速機部４２は、これもアームフレーム４４に取り付けられており、第２ユニット５と反対側に位置するようにモータ部４１に隣接して配設される。減速機部４２は、所定のギヤ組（不図示）を内蔵しており、モータ部４１からの動力を所定の減速比で減速する。かかる構成により、アームフレーム４４を介して被駆動部となるリンク（たとえば、第１リスト１４１や第２リスト１４２）を所望する速度で回転させることができる。

このように、第１ユニット４のモータ部４１と減速機部４２とは、アームフレーム４４の中空部４３に中空回転軸４６を介して支持される中空構造を有する。したがって、中空部４３の内部には、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、所定のケーブル類８２を軸方向に沿って配設することができる。

他方、第２ユニット５は、略円筒状のユニットフレーム５４の長手方向に架設した第２の軸である回転軸５３上に、ブレーキ部５１とエンコーダ部５２とを同軸配置して構成される。そして、図３Ｂに示すように、第２ユニット５は、連結部材であるボルト（不図示）などにより、第１ユニット４のアームフレーム４４の一側端面４４１に外付けされる。なお、図３Ｂにおいて、符号４４２は、第２ユニット５に対応した取付孔を示す。また、第２ユニット５のブレーキ部５１およびエンコーダ部５２は、既存の周知構造からなる装置を用いることができる。

また、第２ユニット５は、図３Ａおよび図４に示すように、回転軸５３が第１ユニット４の中空回転軸４６に対して軸心が半径方向にオフセットした状態で取付けられる。すなわち、本実施形態に係る関節機構３は、第２ユニット５が第１ユニット４に対して小型化されており（軸方向から見て直径が略１／４）、この第２ユニット５の周りには、所定の空間１００が形成されることになる（図３Ａ）。

したがって、かかる空間１００を有効利用して、図２Ａに示すように、第２リスト１４２を上下揺動自在とする第４関節部２ｄを配設することができる。かかる構成により、リスト部１４の軸方向におけるコンパクト化を図ることができる。また、第５関節部２ｅの第２ユニット５は、図２Ｂに示すように、第１ユニット４の軸心よりも右側に配設されているため、空間１００の一部を利用してケーブル８１を挿通することができる。

ところで、上述してきた第１ユニット４と第２ユニット５とは、動力伝達部である第１歯車機構６により接続される。すなわち、モータ部４１の動力は、第１歯車機構６（動力伝達部）を介して伝達される。

第１歯車機構６は、所定のギヤ比となるように組み合わされた複数のギヤにより構成される。本実施形態に係る第１歯車機構６は、図３Ａおよび図５に示すように、第１ユニット４のモータ部４１に設けられた大型ギヤ６１と、第２ユニット５の回転軸５３の先端に設けられた小型ギヤ６２とから構成される。大型ギヤ６１は、中空回転軸４６の端面に、例えば、ボルト（不図示）などの締結手段を介して連結される。

そして、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第２ユニット５は、小型ギヤ６２が大型ギヤ６１と噛み合うように、第１ユニット４に取り付けられる。なお、大型ギヤ６１と小型ギヤ６２は、平歯車同士の噛み合いであるため、軸方向に簡単に移動することができ、第２ユニット５の第１ユニット４への着脱も簡単に行うことができる（図３Ｂを参照）。

このように、本実施形態に係る関節機構３は、モータ部４１と減速機部４２とを備える第１ユニット４と、ブレーキ部５１とエンコーダ部５２とを備える第２ユニット５とに分離される。そして、両者を着脱自在に構成し、第１ユニット４におけるモータ部４１の回転軸である中空回転軸４６と第２ユニット５の回転軸５３とを、第１歯車機構６により連動連結するようにした。

かかる構成により、本実施形態に係る関節機構３は、第２ユニット５のみの着脱を簡単に行うことができる。したがって、モータ部４１や減速機部４２に比べて単体交換が要求されるブレーキ部５１やエンコーダ部５２などのメンテナンス性が、既存の関節機構などと比較して向上する。

また、前述したように、第１ユニット４のモータ部４１に大型ギヤ６１を、第２ユニット５の回転軸５３に小型ギヤ６２をそれぞれ設けたため、モータ部４１による回転を、第２ユニット５の回転軸５３に増速して伝達することができる。

したがって、モータ部４１のトルクを小さくしてブレーキ部５１に伝達することができる。そのため、小型の安価なブレーキ構造を採用することができ、ロボット１の小型化および低コスト化に寄与することができる。

また、モータ部４１の回転を、第２ユニット５の回転軸５３に増速して伝達するということは、エンコーダ部５２の分解能についても低下させることが可能となる。したがって、ブレーキ部５１同様に、エンコーダ部５２のコストを削減し、ひいてはロボット１の低コスト化に寄与することができる。

次に、第２リスト１４２（リンク）を、第１リスト１４１に揺動自在に連結する第４関節部２ｄ（図２Ａを参照）が備える変形例に係る関節機構３について、図６および図７を参照しながら説明する。図６は、関節機構３の変形例を示す図、図７は、変形例に係る関節機構３の動力伝達部を示す図である。

変形例に係る関節機構３も、基本的には、第３関節部２ｃおよび第５関節部２ｅが備える関節機構３と同様の構成である。図２〜図３Ｂに示すように、関節機構３は、モータ部４１と減速機部４２とを備える第１ユニット４と、ブレーキ部５１とエンコーダ部５２とを備える第２ユニット５とに分離される。

しかし、この変形例に係る関節機構３では、第２ユニット５は、第１ユニット４に外付けするのではなく、第１ユニット４の中空部４３内に収納される構成とした。すなわち、第４関節部２ｄにおいては、中空部４３の内部にはケーブル類を通す必要がない。そこで、かかる中空部４３内に第２ユニット５を収納することとした。なお、第１ユニット４の中空部４３の軸心と第２ユニット５の回転軸５３の軸心とは一致させる。

このように、第１ユニット４の中空部４３内に第２ユニット５を収納する構成としたため、動力伝達部は、第１歯車機構６に代わって図７に示す第２歯車機構７が採用されることになる。

第２歯車機構７は、これも第１歯車機構６と同じように、所定のギヤ比となるように組み合わされた複数のギヤにより構成される。すなわち、第２歯車機構７は、図７に示すように、リングギヤ７１と、入力ギヤ７２と、アイドラギヤ７３とを備えて構成される。

リングギヤ７１は、第１ユニット４の中空回転軸４６の先端側内周面に固設される。入力ギヤ７２は、第２ユニット５の回転軸５３の先端に設けられる。そして、アイドラギヤ７３は、リングギヤ７１と入力ギヤ７２との間に配設される。

かかる構成により、モータ部４１からの回転が、リングギヤ７１→アイドラギヤ７３→入力ギヤ７２と伝達されることになる。そして、この場合でも、第１ユニット４におけるモータ部４１の回転は、第２ユニット５の回転軸５３に増速して伝達される。したがって、第４関節部２ｄの関節機構３においても、前述したように、ブレーキ部５１の小型化やエンコーダ部５２の小分解能化が可能となり、ひいてはロボット１のコスト削減に寄与することができる。

上述してきたように、実施形態に係る関節機構３は、リスト部１４の第３関節部２ｃおよび第５関節部２ｅに適用する場合は、第１ユニット４における中空部４３の内部をケーブル類が挿通するスペースとして利用することができる。また、第４関節部２ｄに適用する場合は、かかる中空部４３の内部を、第２ユニット５の収納部として利用することができる。

そして、関節機構３の基本構造は、先に説明した例でも変形例でも同じであり、伝達機構のみを変えるだけでよい。したがって、関節機構が、ケーブル類８２を挿通可能な中空構造であっても、変形例のように、第２ユニット５が収納された中実構造であっても、関節機構３として部品の共通化を図ることができる。

なお、本実施形態では、第２ユニット５を外付けする場合、第１ユニット４のアームフレーム４４の一側端面４４１に取付ける構成とした。しかし、第２ユニット５を第１ユニット４に外付けする構成は、たとえば、アームフレーム４４の一側端面４４１に形成する取付孔４４２に第２ユニット５を嵌め込み、第１ユニット４内のモータ部４１のフレームに取付けることもできる。

また、上述してきた実施形態では、動力伝達部として歯車機構を採用したが、たとえば、プーリとベルトとを用いた構成とすることもできる。

また、本実施形態では、関節機構３を、ロボット１のリスト部１４の関節部に採用した例を示した。しかし、関節機構３は、たとえば一対のリンクを回動自在に連結する関節部であれば適用可能である。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボット
２ａ 第１関節部
２ｂ 第２関節部
２ｃ 第３関節部
２ｄ 第４関節部
２ｅ 第５関節部
３ 関節機構
４ 第１ユニット
５ 第２ユニット
６ 第１歯車機構（動力伝達部）
７ 第２歯車機構（動力伝達部）
１３ アーム部
１４ リスト部
４１ モータ部
４２ 減速機部
５１ ブレーキ部
５２ エンコーダ部
１４１ 第１リスト（リンク）
１４２ 第２リスト（リンク）

実施形態の一態様に係る関節機構は、第１ユニットと、第２ユニットと、動力伝達部とを備える。第１ユニットは、モータ部と減速機部とが、第１の軸に同軸配置される。第２ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、前記第１の軸とは分離独立した第２の軸に同軸配置され、前記第１ユニットに対して着脱自在である。動力伝達部は、前記第１ユニットと前記第２ユニットとを接続する。

Claims (6)

1. モータ部と減速機部とが、中空構造の第１の軸に同軸配置された第１ユニットと、
   ブレーキ部とエンコーダ部とが、前記第１の軸とは分離独立した第２の軸に同軸配置された第２ユニットと、
   前記第１ユニットと前記第２ユニットとを接続する動力伝達部と
   を備えることを特徴とする関節機構。
2. 前記動力伝達部は、
   複数のギヤの組み合わせにより構成されること
   を特徴とする請求項１に記載の関節機構。
3. 前記動力伝達部は、
   前記第１の軸の回転を、前記第２の軸に増速して伝達すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の関節機構。
4. 前記第１の軸に対して前記第２の軸は軸心がオフセットしており、前記第２ユニットは、前記第１ユニットに外付けされる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の関節機構。
5. 前記第２ユニットは、前記第１ユニットの前記第１の軸内に収納される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の関節機構。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの関節機構と、
   前記関節機構により連結された一対のリンクと
   を備えることを特徴とするロボット。

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