JP2015168037A - ロボット関節構造及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】関節動作角を拡大できるとともに小型化が可能であり、ケーブル配線の回転軸への巻き付きによる捻れ及び回転軸へのケーブル配線の接触を回避するロボット関節構造を得ること。
【解決手段】コイル型ケーブル１を入力側筐体７に固定する入力側クランプ４と、入力側筐体７の外部に固定され、コイル型ケーブル１が摺動ように案内するガイド８と、コイル型ケーブル１を出力側筐体１２の回転軸上に固定する出力側クランプ３と、を備え、コイル型ケーブル１は、クランク軸２の周りを周回するように予めコイル型に成型され、入力側クランプ４とガイド８との間に弛み１ａを有しており、出力側筐体１２の回転に伴ってコイル型ケーブル１に生じた捻れがガイド８に沿ってコイル型ケーブル１を摺動する力に変換され、周回の数を増減させるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、配線ケーブルの捻れ負荷を軽減するロボット関節構造及びロボット装置に関する。

従来、ロボットの関節部のケーブル配線においては、回転軸による捻れや接触による疲労を軽減させるために、円筒部にクッションのような緩衝材を設置している（例えば、特許文献１参照。）。

また、従来のロボット関節部のケーブル配線は、回転軸にケーブルが巻き付くように構成されており、巻き付きによるケーブルの捻れや接触による負荷を軽減するために駆動軸間に回転軸に回転自在となる支持部材を設けることにより、ケーブルの回転軸への接触や巻き付きを防止している（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−７９０４３号公報 特開平１０−３４５８７号公報

従来のロボット関節部は、回転軸にケーブル配線を巻き付けなければならないという点から、巻き付きを軽減するために、回転軸へ緩衝材や支持部材を設置したり、ケーブル保護のため関節動作角を規制する必要があるという問題があった。

また、回転軸へ緩衝材や支持部材を設置したり、ケーブルの可動空間を確保することによって関節部が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、関節動作角を拡大できるとともに小型化が可能なロボット関節構造を得ることを目的とする。また、ケーブル配線の回転軸への巻き付きによる捻れ及び回転軸へのケーブル配線の接触を回避するロボット関節構造及びロボット装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動源及び該駆動源に接続されるクランク軸が内蔵される入力側筐体と、クランク軸に接続されることにより入力側筐体に対し回転可能に支持される出力側筐体と、入力側筐体と出力側筐体との間に固定されるケーブルとを備えるロボット関節構造であって、入力側筐体に設置されてケーブルを入力側筐体に固定する入力側クランプと、入力側筐体の外部に設置され、ケーブルが摺動するように案内するガイドと、出力側筐体に設置されてケーブルを出力側筐体の回転軸上に固定する出力側クランプと、を備え、ケーブルは、クランク軸の周りを周回するように予めコイル型に成型され、入力側クランプとガイドとの間に弛みを有しており、出力側筐体の回転に伴ってケーブルに生じた捻れがガイドに沿ってケーブルを摺動する力に変換され、周回の数を増減させるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ロボット関節部の回転軸へのケーブル配線の巻き付きを回避してロボット関節動作角を拡大できるとともに、ロボット関節部の小型化が可能であるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるロボット関節構造の実施の形態を適用した垂直多関節ロボットの構成を示す図である。 図２は、リストの内部の構造を示す図である。 図３は、リストの内部の構造を示す図である。 図４は、実施の形態にかかる関節構造の入力軸を正回転させた状態を示す図である。 図５は、実施の形態にかかる関節構造の入力軸を正回転させた状態を示す図である。 図６は、実施の形態に係る関節構造の入力軸を逆回転させた状態を示す図である。 図７は、出力側筐体を正回転させることによってコイル型ケーブルの巻き数が増える状態を示す図である。

以下に、本発明にかかるロボット関節構造及びロボット装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかるロボット関節構造の実施の形態を適用した垂直多関節ロボットの構成を示す図である。実施の形態にかかる垂直多関節ロボット５０は、６軸垂直多関節型のロボットであり、ベース５１、第１アーム５２、第２アーム５３、リスト５４を有する。ベース５１と第１アーム５２との間には第１アーム５２を水平方向に回転させる第１軸（Ｊ１）と、第１アーム５２を垂直方向に回転させる第２軸（Ｊ２）が設けられている。また、第１アーム５２と第２アーム５３との間には第２アーム５３を垂直方向に回転させる第３軸（Ｊ３）が設けられている。第２アーム５３は、長手方向を軸方向として第２アーム５３の先端側を捻るように回転させる第４軸（Ｊ４）を備えており、先端側は二つに分岐している。第２アーム５３は、リスト５４が第５軸（Ｊ５）において回動可能となるように両側から支持している。リスト５４は、エンドエフェクタ（ハンドなど）が装着されるハンドインタフェース（Inter face：Ｉ／Ｆ）５５を備えており、ハンドＩ／Ｆ５５に装着されたエンドエフェクタは、第５軸（Ｊ５）と直交する第６軸（Ｊ６）を回転軸として捻るように回転可能である。

図２は、リストの内部の構造を示す図である。リスト５４の内部には、入力側筐体７、モータ１０、減速機１１、クランク軸２、出力側筐体（出力軸）１２、コイル型ケーブル１、出力側クランプ３、入力側クランプ４及びガイド８を有する関節構造７０が設けられている。関節構造７０は、不図示のカバーで覆われており、リスト５４の内部の構造は外部には露出していない。

関節構造７０は、モータ１０の回転を減速機１１で減速し、クランク軸２を介して出力側筐体１２に回転を伝える。したがって、出力側筐体１２に装着されたハンドＩ／Ｆは、モータ１０の回転数よりも小さい回転数で回転する。

コイル型ケーブル１は、ベース５１の内部に設けられている電源部からエンドエフェクタに電力を供給したり、ベース５１の内部に設けられている制御部からエンドエフェクタへ送る制御信号やブレーキ信号を伝送するためのケーブルであり、同じ方向に癖を付けた複数本の電線を束ねることによってコイル状に成型されている。なお、入力側クランプ４と出力側クランプ３との間で、各電線は溶着等で相互に固定はされておらず、各々に同様にコイル状の癖が付けられていることによって、緩やかに一体化されている。コイル型ケーブル１は、中心導体の周囲が樹脂で被覆された構造であり、被覆の部分がコイル型に形成されていることにより、中心導体は被覆部分に倣ってコイル形状となっている。

クランク軸２は、支柱部２１の一端に円板部２２が設けられ、他端に円環部２３が設けられている。支柱部２１の太さはコイル型ケーブル１のコイルの径よりも細くなっている。円板部２２は、減速機１１に固定される。円環部２３は、中央部に穴２３ａが形成されている。

出力側筐体１２は、円盤状であり、中央部にはコイル型ケーブル１を通すための穴１２ａが形成されている。

クランク軸２及び出力側筐体１２は、入力側筐体７に設置されたベアリング１４によって同軸となるように軸支されている。これにより円環部２３の穴２３ａと、出力側筐体１２の穴１２ａとが連通しており、コイル型ケーブル１は、穴２３ａ，１２ａを通じて出力側へ引き出されている。

出力側クランプ３は、出力側筐体１２に設置されており、コイル型ケーブル１をモータ１０の回転軸の延長上で出力側筐体１２に固定する。これにより、関節構造７０を小さくするとともに、出力側筐体１２の回転にともなってコイル型ケーブル１に生じる捻れが小さくなるようにしている。

入力側クランプ４は、入力側筐体７の外側に設置されており、コイル型ケーブル１を入力側筐体７に固定する。

ガイド８は、チューブ状であり、入力側筐体７に固定されている。ガイド８の中にはコイル型ケーブル１が通されている。ガイド８は、例えば樹脂を材料として形成される。後述するように、ガイド８の内部をコイル型ケーブル１が摺動するため、ガイド８は低摩擦の樹脂を材料として形成することが好ましい。また、ガイド８の内面に低摩擦皮膜を設けてもよい。

図３は、リストの内部の構造を示す図であり、図２とは別方向から見た状態を示す。図３に示すように、コイル型ケーブル１は、ガイド８と入力側クランプ４との間で弛み１ａが生じた状態となっている。弛み１ａは、入力側筐体７から送り出される際にガイド８で矯正されるため、コイル状にはなっていない。なお、弛み１ａが形成される部分をコイル型ケーブル１の外径よりも狭い空間とすることで、弛み１ａが強制的にコイル状とならないようにすることも可能である。

後述するように、出力側筐体１２を回転させるとコイル型ケーブル１の巻き数（支柱部２１の周囲を回る回数）が増減する。以下の説明においては、コイル型ケーブル１の巻き数が増加する回転方向を正回転、巻き数が減少する回転方向を逆回転という。また、以下の説明においては、図２、図３に示すように巻き数が「２」の状態を回転角０度という。回転角０度の状態では、コイル型ケーブル１に捻れは発生していないものとする。

図４は、実施の形態にかかる関節構造の入力軸を正回転させた状態を示す図である。図５は、実施の形態にかかる関節構造の入力軸を正回転させた状態を示す図であり、図４とは別方向から見た状態を示す。ガイド８と入力側クランプ４との間の弛み１ａが入力側筐体７内に引き込まれ、コイル状に戻ることによってコイル型ケーブル１の巻き数が増加する。以下の説明においては、図４、図５に示すように巻き数が「３」の状態を回転角＋３６０度という。

図６は、実施の形態に係る関節構造の入力軸を逆回転させた状態を示す図である。コイル型ケーブル１の支柱部２１の周囲を回るコイル状の部分が、入力側筐体７内からガイド８と入力側クランプ４との間に送られ、コイル型ケーブル１の巻き数が減少する。以下の説明においては、図６に示すように巻き数が「１」の状態を回転角−３６０度という。

出力側筐体１２の回転によりコイル型ケーブル１を摺動させる力が発生するメカニズムについて説明する。図７は、出力側筐体を正回転させることによってコイル型ケーブルの巻き数が増える状態を示す図である。図７（ａ）に示すように、モータ１０を回転させると、減速機１１は回転数を落としてクランク軸２及び出力側筐体１２に回転を伝える。コイル型ケーブル１は、出力側筐体１２側では出力側クランプ３によって回転軸上で固定されているため、図７（ｂ）に示すように、出力側筐体１２が回転することによってコイル型ケーブル１の出力側クランプ３で固定されている部分に捻れが生じる。図７（ｃ）に示すように、コイル型ケーブル１の出力側クランプ３で固定されている部分の捻れは、コイル状になっている部分を伝わり、さらにガイド８に案内されている部分にまで伝わる。捻られたコイル型ケーブル１には、元の状態（捻られていない状態）に復元しようとする力が生じ、この力により、図７（ｄ）に示すように入力側筐体７に弛み１ａが引き込まれる。弛み１ａが入力側筐体７内に引き込まれる際に、ガイド８によって真っ直ぐに矯正されていたコイル型ケーブル１はコイル状に戻る。このようにして、出力側筐体１２を正回転させると、回転角の増分＋３６０度につき１の割合でコイル型ケーブル１の巻き数が増加する。

ガイド８を設け、コイル型ケーブル１のコイル状の癖を真っ直ぐに矯正しながらガイド８の内部でコイル型ケーブル１を摺動させているため（換言すると、コイル型ケーブル１の捻れは、弛み１ａを減少させるようにコイル型ケーブル１を摺動する力に変換されるため）、回転角＋３６０度の状態においてコイル型ケーブル１に残る捻れが小さくなる。

また、コイル型ケーブル１に弛み１ａを持たせることで、出力側筐体１２を正回転させた時にコイル型ケーブル１に引張り力が加わらないようにし、コイル型ケーブル１の破断を防止している。

逆回転の場合も同様に、出力側筐体１２の回転にともなってコイル型ケーブル１の出力側クランプ３で固定されている部分で生じた捻れが、コイル型ケーブル１を入力側筐体７内からガイド８と入力側クランプ４との間に送り出す力に変換される。このようにして、出力側筐体１２を逆回転させると、回転角の減少分−３６０度につき１の割合でコイル型ケーブル１の巻き数が減少する。

ガイド８を設け、コイル型ケーブル１のコイル状の癖を真っ直ぐに矯正しながらガイド８の内部でコイル型ケーブル１を摺動させているため（換言すると、コイル型ケーブル１の捻れは、弛み１ａを増やすようにコイル型ケーブル１を摺動する力に変換されるため）、回転角−３６０度の状態においてコイル型ケーブル１に残る捻れが小さくなる。

コイル型ケーブル１のコイル状になっている部分の内径は支柱部２１の太さよりも大きいため、コイル型ケーブル１は支柱部２１には接触しない。したがって、支柱部２１へのコイル型ケーブル１の巻き付きを回避して関節動作角を大きく確保できる。

上記の説明では、回転角＋３６０度及び−３６０度の状態を示したが、正回転側には弛み１ａが無くなるまで回転させることが可能である。また、逆回転側には、コイル型ケーブル１の巻き数が「０」になるまで回転させることが可能である。

上記実施の形態では、複数本の電線を束ねたコイル型ケーブル１をガイド８に通す構成を例としたが、複数本の電線を個別にガイドで案内するようにしても良い。複数本の電線を個別にガイドすることにより、纏めて案内する場合よりもコイル型ケーブル１の捻れが摺動を生じさせる力に変換されやすい構造とすることができる。

このように、本実施の形態によれば、コイル型ケーブル１に生じた捻れはコイル型ケーブル１を摺動させる力に変換されるため、回転角０度の状態から出力側筐体１２を回転させた後にコイル型ケーブル１に残る捻れを小さくすることができる。また、回転角の増加に伴って入力側筐体７内に引き込まれた弛み１ａは、コイル状に復元され、クランク軸２の支柱部２１には巻き付かないため、緩衝材を設置する必要がなく関節部分の小型化が可能である。よって、垂直多関節ロボット５０のリスト５４に適用することで、リスト５４を小型化できる。また、コイル型ケーブル１の保護のために関節動作角度を規制する必要がない。

以上のように、本発明にかかるロボット関節構造は、関節動作角を拡大できるとともに、関節部の大きさを小さくできる点で有用であり、特に、垂直多関節ロボットのリスト部分に適用するのに適している。

１ コイル型ケーブル、１ａ 弛み、２ クランク軸、３ 出力側クランプ、４ 入力側クランプ、７ 入力側筐体、８ ガイド、１０ モータ、１１ 減速機、１２ 出力側筐体、１２ａ，２３ａ 穴、２１ 支柱部、２２ 円板部、２３ 円環部、５０ 垂直多関節ロボット、５１ ベース、５２ 第１アーム、５３ 第２アーム、５４ リスト、５５ ハンドＩ／Ｆ、７０ 関節構造。

Claims (4)

1. 駆動源及び該駆動源に接続されるクランク軸が内蔵される入力側筐体と、前記クランク軸に接続されることにより前記入力側筐体に対し回転可能に支持される出力側筐体と、前記入力側筐体と前記出力側筐体との間に固定されるケーブルとを備えるロボット関節構造であって、
   前記入力側筐体に設置されて前記ケーブルを前記入力側筐体に固定する入力側クランプと、
   前記入力側筐体に設置され、前記ケーブルが摺動するように案内するガイドと、
   前記出力側筐体に設置されて前記ケーブルを前記出力側筐体の回転軸上に固定する出力側クランプと、
   を備え、
   前記ケーブルは、前記クランク軸の周りを周回するように予めコイル型に成型され、前記入力側クランプと前記ガイドとの間に弛みを有しており、
   前記出力側筐体の回転に伴って前記ケーブルに生じた捻れが前記ガイドに沿って前記ケーブルを摺動する力に変換され、前記周回の数を増減させるようにしたことを特徴とするロボット関節構造。
2. 前記ガイドは、樹脂材料を用いてチューブ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット関節構造。
3. 請求項１又は２に記載のロボット関節構造を備えたロボット装置。
4. 前記ロボット関節構造がリストの部分に適用された垂直多関節ロボットであることを特徴とする請求項３に記載のロボット装置。

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