JP2015123509A - Robot joint structure - Google Patents
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Description
本発明は、ツール側のアーム部材を基台側のアーム部材に対して所定の関節軸の周りに回転可能に連結するロボットの関節構造に関する。 The present invention relates to a joint structure of a robot in which a tool-side arm member is rotatably connected to a base-side arm member around a predetermined joint axis.
ロボットの関節構造では、回転駆動源で発生された回転駆動力が減速機を介してツール側のアーム部材に伝達される。例えば特許文献1に示されるように、減速機は、基端側のアーム部材及び先端側のアーム部材の間に介在し、減速機の出力要素は、ツール側のアーム部材と同軸でツール側のアーム部材と同じ回転角だけ回転する。
In the joint structure of the robot, the rotational driving force generated by the rotational driving source is transmitted to the tool-side arm member via the reduction gear. For example, as shown in
ツールの重量、アーム部材の重量及び長さが大きくなると、アーム部材の姿勢を保持するために必要なトルクやツール側のアーム部材を始動時等に加速させるために必要なトルクは当然大きくなり、これに対応しなければ減速機の寿命(例えば、減速機のベアリング寿命)は短くなる。前述した減速機の構成を維持するのであれば、減速機の短寿命化を避けるには減速機を大型化するよりほかなく、減速機のコスト上昇を招く。減速機の寿命とサイズやコストとの兼ね合いで、ロボットの性能が制約を受けることに繋がる。 When the weight of the tool, the weight and length of the arm member are increased, the torque necessary for maintaining the posture of the arm member and the torque necessary for accelerating the tool side arm member at the time of starting, etc. are naturally increased. If this is not addressed, the life of the reduction gear (for example, the bearing life of the reduction gear) is shortened. If the configuration of the speed reducer described above is maintained, in order to avoid shortening the service life of the speed reducer, the cost of the speed reducer can be increased, as well as increasing the size of the speed reducer. The balance between the life of the reduction gear and the size and cost leads to restrictions on the performance of the robot.
そこで本発明は、小型化及び長寿命化を図った関節構造を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a joint structure that is reduced in size and extended in life.
本発明の一形態に係るロボットの関節構造は、ツール側のアーム部材を基台側のアーム部材に関節軸周りに回転可能に連結するロボットの関節構造であって、前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸と交差する第1回転軸線周りに回転する第1回転体と、前記第1回転体と共に回転しながら前記第1回転体に対して前記第1回転軸線と交差して前記第1回転軸線に傾斜した第2回転軸線周りに回転する第2回転体と、を備える。前記第2回転体は、前記第1回転軸線と前記第2回転軸線との交点から前記第2回転軸線に傾斜した延在軸に沿って延び、前記ツール側のアーム部材と係合する出力部を含む。前記第2回転体が前記基台側のアーム部材に対して前記第1回転軸線周りに回転しながら前記第1回転体に対して前記第2回転軸線周りに回転することで、前記出力部及びこれと係合する前記ツール側のアーム部材が前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸を中心とした回転移動を行う。 A joint structure of a robot according to an aspect of the present invention is a joint structure of a robot that connects a tool-side arm member to a base-side arm member so as to be rotatable around a joint axis, and the base-side arm member A first rotating body that rotates about a first rotation axis that intersects the joint axis, and the first rotating body that intersects the first rotation axis while rotating together with the first rotating body. A second rotating body that rotates around a second rotation axis that is inclined to the first rotation axis. The second rotating body extends along an extending axis inclined from the intersection of the first rotating axis and the second rotating axis to the second rotating axis and engages with the arm member on the tool side. including. The second rotating body rotates around the second rotation axis with respect to the first rotating body while rotating around the first rotation axis with respect to the arm member on the base side, so that the output unit and The arm member on the tool side engaged therewith rotates relative to the arm member on the base side around the joint axis.
前記構成によれば、第1回転体と第2回転体とが上記のとおり動作することで、従来の関節構造と同じように、ツール側のアーム部材の基台側のアーム部材に対する関節軸周りの回転を実現することができる。これら第1回転体と第2回転体は機構的な減速装置を構成している。つまり、第2回転体は延在軸に沿って延びる出力部を含み、この出力部はツール側のアーム部材と係合して当該アーム部材と共に関節軸を中心に回転移動する。第2回転軸線は第1回転軸線、延在軸及び関節軸に対して傾斜しており、その傾斜に応じて第2回転体から見たツール側のアーム部材の見かけ上の長さ(回転半径)が短くなる。このため、ツールの重量、ツール側アーム部材の実長、重量及び慣性能率を従来の関節構造と同一の条件とする場合でも、その従来の関節構造に比べ、ツール側アーム部材の姿勢を保持するためのトルク、ツール側アーム部材を加速させるために必要な第2回転体の第2回転軸線周りのトルクが軽くなる。したがって、第1及び第2回転体並びにその周辺に設けられる部品(例えば、ベアリング)を、従来の関節構造における減速機よりも小型化したり長寿命化したりすることができる。 According to the above-described configuration, the first rotating body and the second rotating body operate as described above, so that the tool-side arm member rotates around the joint axis with respect to the base-side arm member as in the conventional joint structure. Can be realized. These first rotating body and second rotating body constitute a mechanical speed reducer. In other words, the second rotating body includes an output portion extending along the extending axis, and this output portion engages with the arm member on the tool side and rotates and moves around the joint axis together with the arm member. The second rotation axis is inclined with respect to the first rotation axis, the extension axis, and the joint axis, and the apparent length (rotation radius) of the arm member on the tool side viewed from the second rotation body according to the inclination. ) Becomes shorter. For this reason, even when the weight of the tool, the actual length of the tool side arm member, the weight, and the inertia ratio are the same as those of the conventional joint structure, the posture of the tool side arm member is maintained as compared with the conventional joint structure. Torque and torque around the second rotation axis of the second rotating body necessary for accelerating the tool side arm member are reduced. Accordingly, the first and second rotating bodies and the components (for example, bearings) provided in the periphery thereof can be made smaller and have a longer life than the speed reducer in the conventional joint structure.
本発明によれば、小型に保ちながら長寿命化を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a long life while maintaining a small size.
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。図1は、実施形態に係る関節構造を適用したロボット1の概念図である。ロボット1は、基台2と可動のロボットアーム3とを有する。ロボットアーム3は、基台2から順次に連結される複数のアーム部材4を有する(なお、図示しているアーム部材4の個数は単なる一例である)。基台2から最も離れたアーム部材4cの先端(すなわち、ロボットアーム3の先端)には、ロボット1に求める作業に応じたツール50が取外し可能に装着される。基台2とこれに連結される下アーム部材4aとの間及び隣接する2つのアーム部材4,4の間にそれぞれ、関節5が設けられる。関節5は、ツール側の部材を基台側の部材に対し、回転可能に連結する。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of a
本実施形態に係る関節構造は、例えば、上アーム部材4bを下アーム部材4aに連結する関節5bに採用される。ただし、関節構造は、他の関節5a,5cにも採用でき、図1に示すものとは異なるロボットアームの関節にも採用できる。
The joint structure according to the present embodiment is employed in, for example, the
図2(a)は実施形態に係る関節構造を示す図であり、図2(b)は比較例に係る関節構造を示す図である。どちらにおいても、ツール側のアーム部材(アーム部材4b又は94b)が、基台側のアーム部材(アーム部材4a又は94a)に対して関節軸A5又は9A5の周りに揺動できる。どちらの関節軸A5及びA95も、どちらも鉛直方向と交差する方向、例えば水平方向に延びている。以下の説明では、特段断らない限り、ツール及びアーム部材の重量及び慣性能率が、実施形態と比較例とで同じとする。
FIG. 2A is a diagram illustrating a joint structure according to the embodiment, and FIG. 2B is a diagram illustrating a joint structure according to a comparative example. In either case, the tool side arm member (
比較例では、基台側のアーム部材94aの先端部が、ツール側のアーム部材94bの基端部と、関節軸方向に重なっている。モータ96の回転駆動力は、減速機97の入力要素及び出力要素を介してアーム部材94bに伝達される。減速機97の出力要素は、アーム部材94bと同軸で(すなわち、関節軸A95の周りを)アーム部材94bと同じ回転角だけ回転する。
In the comparative example, the distal end portion of the
実施形態に係る関節構造は、回転機構7と、回転機構7を駆動する回転駆動源6とを備えている。回転駆動源6は回転機構7を駆動することができるのであれば、どのように構成されていてもよく、一例として電気モータで構成される。
The joint structure according to the embodiment includes a
回転機構7は、基台側のアーム部材4aに対して関節軸A5と交差する第1回転軸線A1の周りに回転する第1回転体8と、第1回転体8と共に回転しながら第1回転体8に対して第1回転軸線A1と交差して第1回転軸線A1に傾斜した第2回転軸線A2の周りに回転する第2回転体9と、を備える。第1回転体8は、基台側のアーム部材4aによって第1回転軸線A1の周りに回転可能に支持された回転軸部10を含む。第2回転体9は、先端側のアーム部材4bに係合する出力部11を含む。出力部11は、第1回転軸線A1と第2回転軸線A2との交点から第2回転軸線A2に傾斜した延在軸A3に沿って延びる。出力部11は、先端側のアーム部材4bによって延在軸A3の周りに回転可能に支持される。
The
第1回転体8が基台側のアーム部材4aに対して第1回転軸線A1の周りに回転すると、これに伴って第2回転体9が、基台側のアーム部材4aに対して第1回転軸線A1の周りに第1回転体8と同じ回転角だけ回転する。同時に、第2回転体9は、第1回転体8に対して第2回転軸線A2の周りに相対的に回転するように構成されている。これにより、出力部11及びこれと係合するツール側のアーム部材4bは、基台側のアーム部材4aに対して関節軸A5を中心とした回転運動を行うことができる。
When the first rotating
第1回転軸線A1、第2回転軸線A2、延在軸A3及び関節軸A5は一点で交わり、この交点が回転機構7の中心を形成する。第1及び第2回転体8,9の回転角に関わらず、回転機構7の中心位置はアーム部材4a,4bに対して変化しない。本実施形態では、第1回転軸線A1が関節軸A5と直交している。第2回転軸線A2は、第1回転軸線A1に対して135度傾斜している。延在軸A3は、第2回転軸線A2に対して45度傾斜している。
The first rotation axis A1, the second rotation axis A2, the extension axis A3, and the joint axis A5 intersect at one point, and this intersection point forms the center of the
図3は、実施形態に係る関節構造の動作説明図である。以降の説明では、アーム部材4aに原点をおいたXYZ座標系を想定する。第1及び第2回転体8,9の動作をわかりやすく図示する便宜上、第1及び第2回転体8,9の側面にノッチ8n,9nを設けてある。
FIG. 3 is an operation explanatory diagram of the joint structure according to the embodiment. In the following description, an XYZ coordinate system in which the origin is placed on the
図3(a)では、関節軸A5がY方向に向けられ、第1回転軸線A1がY方向と直交するZ方向に向けられている。関節軸A5及び第1回転軸線A1の向きは、第1及び第2回転体8,9の回転角に関わらず変化しない。第2回転軸線A2は、交点からZ方向上側且つX方向一側に延びるように傾斜し、Y方向に向けられていない。延在軸A3は、交点からY方向にもZ方向にも直交するX方向一側に延びている。
In FIG. 3A, the joint axis A5 is oriented in the Y direction, and the first rotation axis A1 is oriented in the Z direction perpendicular to the Y direction. The directions of the joint axis A5 and the first rotation axis A1 do not change regardless of the rotation angles of the first and second
ツール側のアーム部材4bを基台側のアーム部材4aに対して関節軸A5を中心として回転移動させるため、第1回転体8は、例えば図3(a)に示す状態から第1回転軸線A1を時計回りに回転する。
In order to rotationally move the tool
図3(b)には、第1及び第2回転体8,9が図3(a)に示す状態から第1回転軸線A1を時計回りに90度回転した後の状態を示している。この回転により、第2回転軸線A2は、第1回転軸線A1を時計回りに90度回転し、交点からZ方向上側且つY方向一側に延びる状態となる。仮に第2回転体9が第1回転体8に対して回転不能であるとすれば、延在軸A3は、図3(a)に示す状態から第1回転軸線A1の周りに90度水平旋回することとなる。第2回転体9のノッチ9nは、第1回転体8のノッチ8nと同様に右上側(Y方向他側且つZ方向上側)に位置することになり、出力部11は、回転機構7の中心からY方向一側に延びることになる。
FIG. 3B shows a state after the first and second
しかし実際には、出力部11は、図3(b)に示す状態において回転機構7の中心からZ方向上側に延びており、図3(a)に示す状態から図3(b)に示す状態となるまでに基台側のアーム部材4aに対して関節軸A5を中心として90度反時計回りに回転移動している。出力部11と係合するツール側のアーム部材4bも同様の回転移動を行う。この出力部11及びアーム部材4bの回転移動を実現するため、第2回転体9は、図3(a)に示す状態から、アーム部材4aに対して第1回転軸線A1の周りに90度回りながら、第1回転体8に対して第2回転軸線A2の周りに180度回転する(第2回転体9のノッチ9nが左下側(Y方向一側且つZ方向下側)に位置している点参照)。
However, in reality, the
図3(c)は、第1及び第2回転体8,9が図3(b)に示す状態から第1回転軸線A1を時計回りに90度回転した後の状態を示している。この回転により、第2回転軸線A2は、第1回転軸線A1を時計回りに90度回転し、交点からZ方向上側且つX方向他側に延びる状態となる。図3(b)に示す状態において延在軸A3は第1回転軸線A1と同軸であるので、仮に第2回転体9が第1回転体8に対して回転不能であれば、出力部11はZ方向上側に延びる状態に維持され、第2回転体9のノッチ9nは、左下側(X方向他側且つZ方向下側)に位置することとなる。
FIG. 3C shows a state after the first and second
しかし実際には、出力部11は、図3(c)に示す状態において回転機構7の中心からX方向他側に延びており、図3(b)に示す状態から図3(c)に示す状態となるまでに基台側のアーム部材4aに対して関節軸A5を中心として90度反時計回りに回転移動している。出力部11と係合するツール側のアーム部材4bも同様の回転移動を行う。この出力部11及びアーム部材4bの回転移動を実現するため、第2回転体9は、図3(b)に示す状態から、アーム部材4aに対して第1回転軸線A1の周りに90度回りながら、第1回転体8に対して第2回転軸線A2の周りに180度回転する(第2回転体9のノッチ9nが右上側(X方向一側且つZ方向上側)に位置している点を参照)。
However, actually, the
図3(a)に示す状態から図3(c)に示す状態に至るまでに、第1回転体8は、アーム部材4aに対して第1回転軸線A1を時計回りに180度回転する。第2回転体9は、第1回転体8と共にアーム部材4aに対して第1回転軸線A1の周りに180度回りながら、第1回転体8に対して第2回転軸線A2の周りに360度回転する。これにより、出力部11及びこれと係合するアーム部材4bが、アーム部材4aに対して関節軸A5を中心として180度回転移動することができる。図3(c)に示す状態から図3(b)に示す状態を経て図3(a)に示す状態になるときについては、上記と逆に回転する。
From the state shown in FIG. 3A to the state shown in FIG. 3C, the first
実施形態に係る関節構造では、比較例と同じように、ツール側のアーム部材4bの基台側のアーム部材4aに対する関節軸A5の周りの回転が実現される。これら第1回転体8と第2回転体9は機構的な減速装置を構成している。つまり、第2回転体8は延在軸A3に沿って延びる出力部11を含み、この出力部11はツール側のアーム部材4bと係合して当該アーム部材4bと共に関節軸A5を中心に回転移動する。第2回転軸線A2は第1回転軸線A1、延在軸A3及び関節軸A5に対して傾斜し、その傾斜に応じて第2回転体9から見たツール側のアーム部材4bの見かけ上の長さ(回転半径)が短くなる。このため、ツールの重量、ツール側のアーム部材4bの実長、重量及び慣性能率を従来の関節構造と同一の条件とする場合でも、その従来の関節構造に比べ、ツール側のアーム部材4bの姿勢を保持するためのトルク、ツール側のアーム部材4bを加速させるために必要な第2回転体9の第2回転軸線A2の周りのトルクが軽くなる。したがって、第1及び第2回転体8,9並びにその周辺に設けられる部品(例えば、ベアリング)を、従来の関節構造における減速機よりも小型化したり長寿命化したりすることができる。
In the joint structure according to the embodiment, the rotation around the joint axis A5 with respect to the
出力部11の関節軸A5の周りの回転速度が第2回転体9の第2回転軸線A2の周りの回転速度よりも小さくなる。回転駆動源6の回転数を上げて第2回転体9の回転速度を高くすると、アーム部材4bは従前同等の速度で関節軸A5の周りに回転する。回転速度はトルクよりも回転機構7の寿命に及ぼす影響力が小さい。このため、第2回転体9の回転速度を比較例の減速機97の出力要素よりも高くし、それによりアーム部材4bを比較例と同等の速度で回転させても、トルク軽減によるメリットが大きく、回転機構7の小型化及び長寿命化を図ることができる。
The rotational speed of the
本実施形態では、第2回転軸線A2の第1回転軸線A1に対する傾斜角が135度である。傾斜角を大きくすればするほど、回転機構7におけるトルクアップ効果(姿勢保持及び加速に必要なトルクの軽減効果)が大きくなるが、その分アーム部材4bの回転速度の落ち込みも大きくなるしアーム部材4bの可動範囲が狭くなる。傾斜角が小さければ、アーム部材4bの可動範囲を広くとることができるが、トルクアップの効果が小さくなる。本実施形態では、傾斜度合いをその中間としているので、可動範囲の確保とトルクアップ効果を得ることとが両立する。
In the present embodiment, the inclination angle of the second rotation axis A2 with respect to the first rotation axis A1 is 135 degrees. The greater the inclination angle, the greater the torque-up effect in the rotating mechanism 7 (the effect of reducing the torque required for posture maintenance and acceleration), but the corresponding decrease in the rotational speed of the
なお、図3(a)〜(c)に示すように、傾斜角が135度であれば、アーム部材4bの可動範囲を180度にすることができる。ロボットアームの関節のなかには180度を充分な可動範囲とする関節も多くあり、本実施形態に係る関節構造をそのような関節に適用するのは有益である。傾斜角を135度とするのは好適な一例に過ぎず、傾斜角は、適用対象となる関節に求められる可動範囲や、回転機構及び回転駆動源の設計仕様に応じて適宜変更することができる。
As shown in FIGS. 3A to 3C, if the inclination angle is 135 degrees, the movable range of the
実施形態は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、図2(a)及び図3(a)〜(c)では第1及び第2回転体8,9が円盤状に図示されているが、これは単なる一例であり、軸線A1〜A3が上記のように配置されており、出力部11及びアーム部材4bを関節軸A5の周りに回転移動させるために必要な回転速度で第1及び第2回転体8,9が回転するのであれば、第1及び第2回転体8,9の形状はどのようなものであってもよい。
Embodiment is an example and can be changed suitably in the range which does not deviate from the meaning of the present invention. For example, in FIGS. 2A and 3A to 3C, the first and second
本発明は、ロボットアームの関節に適用することができる。 The present invention can be applied to a joint of a robot arm.
A1 第1回転軸線
A2 第2回転軸線
A3 延在軸
A5 関節軸
1 ロボット
2 基台
3 ロボットアーム
4(4a〜4c) アーム部材
5(5a〜5c) 関節
6 回転駆動源
7 回転機構
8 第1回転体
9 第2回転体
11 出力部
50 ツール
A1 First rotation axis A2 Second rotation axis A3 Extension axis
Claims (1)
前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸と交差する第1回転軸線周りに回転する第1回転体と、
前記第1回転体と共に回転しながら前記第1回転体に対して前記第1回転軸線と交差して前記第1回転軸線に傾斜した第2回転軸線周りに回転する第2回転体と、を備え、
前記第2回転体は、前記第1回転軸線と前記第2回転軸線との交点から前記第2回転軸線に傾斜した延在軸に沿って延び、前記ツール側のアーム部材と係合する出力部を含み、
前記第2回転体が前記基台側のアーム部材に対して前記第1回転軸線周りに回転しながら前記第1回転体に対して前記第2回転軸線周りに回転することで、前記出力部及びこれを支持する前記ツール側のアーム部材が前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸を中心とした回転移動を行う、ロボットの関節構造。 A joint structure of a robot that connects a tool side arm member to a base side arm member so as to be rotatable around a joint axis,
A first rotating body that rotates about a first rotation axis that intersects the joint axis with respect to the arm member on the base side;
A second rotating body that rotates around the second rotating axis that intersects with the first rotating axis and is inclined to the first rotating axis while rotating together with the first rotating body. ,
The second rotating body extends along an extending axis inclined from the intersection of the first rotating axis and the second rotating axis to the second rotating axis and engages with the arm member on the tool side. Including
The second rotating body rotates around the second rotation axis with respect to the first rotating body while rotating around the first rotation axis with respect to the arm member on the base side, so that the output unit and The joint structure of the robot, wherein the tool-side arm member that supports this rotates and moves around the joint axis with respect to the base-side arm member.
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