JP2015174208A - ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】信号線を光通信にすることで容量結合によるノイズ干渉を低減するロボットを提供する。【解決手段】ロボットは、第１アームと、関節を介して第１アームに回動可能に設けられた第２アームと、関節内に挿通され、電源線を有するフレキシブル配線板と、関節の回動軸上に光信号を送信する光通信部と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットに関するものである。

従来、アーム先端の電力線、信号線にフレキシブル配線板を使ったロボットが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−３９６７１号公報

しかしながら、信号線と電源線とにフレキシブル配線板を使用すると、信号線と電源線との対向する面積が、信号線と電源線とがケーブルである場合よりも広くなるので、容量結合が大きく、信号線と電源線との干渉が大きくなる。その結果、ノイズ干渉が大きくなるおそれがあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係るロボットは、第１アームと、関節を介して前記第１アームに回動可能に設けられた第２アームと、前記関節内に挿通され、電源線を有するフレキシブル配線板と、前記関節の回動軸上に光信号を送信する光通信部と、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、信号線を光通信にすることで容量結合によるノイズ干渉が低減されたロボットを提供することができる。

［適用例２］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記光通信部は、光信号を送信する光送信部と、前記光送信部から送信された光信号を受信する光受信部と、を有し、前記光送信部及び前記光受信部は、前記関節内に設けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、信号配線の引き回しスペースが低減された省スペースのロボットを提供することができる。

［適用例３］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記光送信部及び前記光受信部は、前記関節の回動軸上に設けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、回動軸上に光信号を伝送することができる。

［適用例４］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記回動軸を構成する透明部材を有し、前記透明部材は、前記光送信部から送信された光信号を伝送させることを特徴とする。

本適用例によれば、回動軸の透明部材に光信号を伝送することができる。

［適用例５］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記フレキシブル配線板は、前記回動軸周りに巻回されていることを特徴とする。

本適用例によれば、信号配線の引き回しスペースが低減された省スペースのロボットを提供することができる。

［適用例６］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記第２アームを駆動する駆動部を有し、前記電源線は、前記駆動部に電源を供給することを特徴とする。

本適用例によれば、第２アームを駆動する駆動部に電源を供給することができる。

［適用例７］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記第２アームに設けられたエンドエフェクターを有し、前記電源線は、前記エンドエフェクターに電源を供給することを特徴とする。

本適用例によれば、第２アームに設けられたエンドエフェクターに電源を供給することができる。

［適用例８］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記光送信部から送信される光信号の波長は、４００〜１７００ｎｍであることを特徴とする。

本適用例によれば、光受信部において、４００〜１７００ｎｍの光を効率良く電気信号に変換することができる。

本実施形態に係るロボットの概略構成を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るロボットのジョイントに対してリンクを屈伸回動させる駆動伝達部の構造を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るロボットにおける電装部の概略構成を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るロボットのリールを模式的に示すものであり、（Ａ）は、第２の面側をみた部分拡大側面図、（Ｂ）は、（Ａ）の矢印Ａの方向からみた部分拡大平面図。 本実施形態に係る光通信部の回路ブロックを示す図。

以下、本発明に係るロボットの一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。

まず、本実施形態に係るロボットの概略構成について説明する。
図１は、本実施形態に係るロボットの概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、実施形態における「回動」とは、正転及び逆転を意味する。

図１に示すロボット１０は、基本的な駆動軸である回動軸を６つ有する６軸の垂直型多関節ロボットであり、人間の腕の構造を模して高さ方向（Ｚ軸）に複数のアーム部材としてのリンク（腕木、アーム）が複数のアーム部材としてのジョイント（関節、継手）によって直列に接続された構成であるため、自由度が高く複雑な作業を行うことが可能である。

ロボット１０は、基底部７０及び本体部７１と、制御部７２と、ジョイント７３、リンク７４、ジョイント７５、リンク７６、ジョイント７７、リンク（第１アーム）７８、ジョイント（関節）７９、リンク８０、及びエンドエフェクター（不図示）が取り付けられるリンク（第２アーム）８１を有し、隣り合うリンク及び／又はジョイント同士が関節機構により回動可能に連結された多関節アームと、を有している。
基底部７０は、ロボット１０の台座であり、工場内の作業スペースの床や、作業台などの平面に複数本のボルト（ネジ）によって強固に固定される。なお、固定場所は、水平面（Ｘ軸及びＹ軸を含む面）に限定するものではなく、ロボット１０の重量、及び振動に耐え得る強度があれば、移動可能な台車上や、壁面、天井、あるいは後述するようなロボットユニットに設けられたアーム連結部などであっても良い。

制御部７２には、図示はしないが、ロボット１０を操作するための操作パネルに加えて、動作プログラムを入力するためのＲＳ２３２Ｃや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインターフェイス端子が設けられている。又は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）端末や、赤外線送受信機などのインターフェイス装置を備えた構成であっても良い。なお、制御部７２は、ロボット本体とは別体に設けられていても良い。

本体部７１の上には、ジョイント７３、リンク７４が、この順番に配置されている。
まず、ロボット１０のジョイント７３からリンク８０までの多関節アーム構造（腕から手まで）は、本体部７１をＺ軸方向に貫く肩軸９１を中心にして水平方向に旋回する。即ち、ジョイント７３は、本体部７１の多関節アームが連結される表面に対して交差する回転軸のことをいい、本実施形態では、本体部７１の表面に対して略直交する回転軸になっている。
また、エンドエフェクターが取り付けられるリンク８１が、多関節アーム構造における一端（末端）であり、本体部７１（基底部７０側）に取り付けられたジョイント７３がロボットアーム構造における他端（根元）に相当する。なお、以降の説明において、ロボットアーム構造におけるリンク８１に近い側を「末端側」、基底部７０に近い側を「根元側」という表現も用いる。
また、本体部７１には、ロボットアーム構造を回転駆動するためのモーター、及び複数のギヤを含む減速機構などが組み込まれている。また、以降説明する各回動軸の近傍にも、該当するリンクやエンドエフェクターを駆動するためのモーター、及び減速機構などが組み込まれている。

ジョイント７３の末端側に延在するように配置されたリンク７４の末端側には、ジョイント７５が組み合わされている。ジョイント７５は、肩軸９１と略直交する一の回動軸であって、リンク７４をＸ軸方向に貫く第１番目の一の回動軸９２を中心にして回動するように駆動される。第１番目の一の回動軸９２は、リンク７４の末端側に位置している。ここで、「略直交」とは、完全に直交する構成に加えて、１０°以内の範囲で交差している構成を含むものと定義する。
なお、本実施形態の多関節アームにおいて、第１番目の一の回動軸９２と略平行な一の回動軸は、本体側から順に第１〜第ｎ番目の一の回動軸と、追番にて名称を付す。ここで、「略平行」とは、完全に平行である構成に加えて、１０°以内の範囲で交差している構成を含むものと定義する。
また、回動軸の延在方向は、ロボット１０が動作すると変化する（例えば、肩軸９１を中心に旋回した場合）ため、図１に示す多関節アームの態様を初期状態と定義し、この初期状態に設置された状態を前提として説明する。

リンク７６は、ジョイント７５の末端側に延在するように配置されている。リンク７６の末端側にはジョイント７７が組み合わされており、さらにこのジョイント７７の末端側にはリンク７８が組み付けられている。リンク７８は、ジョイント７７の末端側に延在するように配置されている。リンク７８が組み付けられたジョイント７７は、リンク７６の末端側をＸ軸方向に貫く第２番目の一の回動軸９３を中心にして駆動される。
そして、リンク７８の末端側には、駆動伝達部（駆動部）５０と電装部６０とを有するジョイント７９が組み合わされている。ジョイント７９は、一の回動軸と略直交する二の回動軸９４であってリンク７８の末端側をＹ軸方向に貫く二の回動軸９４を中心にしてジョイント７９がリンク７８に対して捻れ方向に回動するように駆動される。
また、ジョイント７９の末端側には、リンク８０が組み合わされており、このリンク８０は、ジョイント７９の末端側をＸ軸方向に貫く第３番目の一の回動軸９５を中心にして駆動される。

上記したように、本実施形態のロボット１０の多関節アームの一の回動軸は、本体部７１から順に、第１番目の一の回動軸９２、第２番目の一の回動軸９３、及び第３番目の一の回動軸９５を有している。

リンク８０の末端側には、このリンク８０に延在するようにリンク８１が配置されている。リンク８１は、リンク８０の末端側をリンク８０からリンク８１の延在方向に沿うＹ軸方向、即ち、円柱状をなしたリンク８１の略中心を貫く二の回動軸９６を中心にしてリンク８１がリンク８０に対して捻れ方向に回動するように駆動される。

上述したように、多関節アームの末端側には、ロボット１０が行う所定の作業を実行する機構としてのエンドエフェクターが組み合わされる（不図示）。エンドエフェクターは、ロボット１０の用途により種々の形態のものを用いることができる。例えば、製造物の部品などを把持するロボットハンドなどの把持機構や、半田付けや溶接のような加工を行うツールをリンク８１の末端側に取り付けることにより、種々の作業を実施するロボット１０として用いることができる。

次に、本実施形態のロボット１０の多関節アームにおいて、最末端側の一の回動軸である第３番目の一の回動軸９５の関節駆動機構である駆動伝達部５０について、図面に沿って説明する。
図２は、本実施形態に係るロボット１０のジョイント７９に対してリンク８０を屈伸回動させる駆動伝達部５０の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図２では、駆動伝達部５０以外の部材を一部省略するとともに、ジョイント７９内部の駆動伝達部５０の構造を説明する便宜上、一部を透視して示す。

上記したように、複数のリンクやジョイントなどのアーム部材が、二の回動軸及び一の回動軸により連結された複数の関節駆動機構を有するロボット１０の多関節アームにおいて、最末端側の一の回動軸である第３番目の一の回動軸９５を回動軸とした関節駆動機構としての駆動伝達部５０はジョイント７９に設置されている（図１を参照）。さらに詳細には、駆動伝達部５０は、ジョイント７９の第３番目の一の回動軸９５と略直交する方向の側面のうちの一方の側面に配置されている。

その第３番目の一の回動軸９５を含む駆動伝達部５０の詳細を示す図２において、ジョイント７９には、第３番目の一の回動軸９５を回動軸として回動する従動輪としての従動プーリー８６と、第３番目の一の回動軸９５の駆動回転源としてのモーター８０Ｍと、そのモーター８０Ｍにより第３番目の一の回動軸９５と同じ回動軸回りに回動する駆動軸９７と、駆動軸９７を介してモーター８０Ｍにより回動する駆動輪としての駆動プーリー８５とを有している。また、モーター８０Ｍ近傍には、回転位置検出部８０Ｄが設けられるが、設ける位置は図示された位置以外でもよい。回転位置検出部８０Ｄは、ユニット構造を使用してもよいし、モジュール構造を使用してもよい。
そして、駆動プーリー８５と従動プーリー８６とは無縁の動力伝達索条としてのタイミングベルト８７を介して連結されている。また、駆動プーリー８５と従動プーリー８６との間には、タイミングベルト８７のテンションを調整するためにタイミングベルト８７の動きに従って回動可能に接触させたプーリーを有するアイドラー８８が配置されている。
以上、説明した構成のジョイント７９に備わる駆動伝達部５０によれば、第３番目の一の回動軸９５に駆動用回転源としてのモーターを直接接続する構造よりも、第３番目の一の回動軸９５を設置するジョイント７９の小型化が図れる。具体的には、第３番目の一の回動軸９５の軸方向にモーターが配置されることによる多関節アームの延伸方向と直交するアーム幅方向へのジョイント７９の幅の増大が抑えられる。

次に、ジョイント７９と、リンク８０との配線構造を含むジョイント７９の電装部６０について説明する。
図３は、本実施形態に係るロボット１０の電装部６０の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図３では、電装部６０以外の部材を一部省略するとともに、ジョイント７９及びリンク８０の内部の配線構造を説明する便宜上、一部を透視して示している。

図３において、電装部６０は、上記した駆動伝達部５０が設置されたジョイト７９の一方の側面の反対側の側面（他方の側面）に配置されている。電装部６０は、配線基板６１と、その配線基板６１を介して、第３番目の一の回動軸９５（図１を参照）の末端側のリンク８０及びそれに取り付けられるエンドエフェクター（図示せず）などの駆動源をなすモーターに電源を供給したり、モーターとロボット制御部との間で制御用信号を送受したりするために配線されるフレキシブル配線板としてのＦＰＣ（Flexible Printed Circuitｓ）６８とを含む。また、電装部６０は、配線基板６１を介して、第３番目の一の回動軸９５（図１を参照）の末端側のリンク８０及びそれに取り付けられるエンドエフェクター（図示せず）などの駆動源をなすモーターとロボット制御部との間で制御用信号を送受したりするために配線される光通信部を含む。

絶縁性の基材に回路配線が形成された配線基板６１の第１面６１ａには、駆動回路などを構成する種々の電子部品６３や、ＦＰＣ６８の一端側が接続される接続部としてのコネクター６７が実装されている。本実施形態では、複数のＦＰＣ６８が重ねて配線される構成となっており、配線基板６１にはこれと対応する複数のコネクター６７が実装されている。

図４は、本実施形態に係るロボット１０のリール６８ｗを模式的に示すものであり、（Ａ）は、第２の面側をみた部分拡大側面図、（Ｂ）は、（Ａ）の矢印Ａの方向からみた部分拡大平面図である。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、リンク８０のリール６８ｗから配線経路６８ｔの構成をわかりやすく説明する便宜上、ジョイント７９の電装部６０の位置を一部破線で示すとともに、図４（Ｂ）では、カバー部材６８ｃの一部を切り欠いて図示している。

本実施形態に係るロボット１０は、ジョイント７９内に挿通され、電源線を有するＦＰＣ６８と、ジョイント７９の回動軸９５上に光信号を送信する光通信部２０と、を備える。

図５は、本実施形態に係る光通信部２０の回路ブロックを示す図である。
本実施形態の光通信部２０は、光信号を送信する光送信部２２と、光送信部２２から送信された光信号を受信する光受信部２４と、を備えている。光送信部２２及び光受信部２４は、ジョイント７９内に設けられている。これによれば、信号配線の引き回しスペースが低減された省スペースのロボットを提供することができる。

光送信部２２は、波形整形部２６、ＬＤ駆動部２８、ＬＤ（レーザーダイオード）３０を備えている。光受信部２４は、ＰＤ（フォトダイオード）３４、信号増幅部３６、及び波形整形部３８を備えている。光通信部２０は、光ファイバー（透明部材）３２を備えている。

波形整形部２６は、電気信号の波形を整形する。ＬＤ駆動部２８は、ＬＤ３０を駆動する。ＬＤ３０は、発光素子である。光ファイバー３２は、離れた場所に光を伝える伝送路である。ＰＤ３４は、受光素子である。信号増幅部３６は、ＰＤ３４で変換された電気信号を増幅する。波形整形部３８は、信号増幅部３６で増幅された電気信号の波形を整形する。

光送信部２２及び光受信部２４は、ジョイント７９の回動軸９５上に設けられている。これによれば、回動軸９５上に光信号を伝送することができる。

ロボット１０は、回動軸９５を構成する光ファイバー３２を備えている。光ファイバー３２は、光送信部２２から送信された光信号を伝送させる。これによれば、回動軸９５の光ファイバー３２に光信号を伝送することができる。なお、光ファイバー３２で回動軸９５を構成するために、ＦＰＣ６８のリール６８ｗの入口は図４の左側にオフセットされている。

ＦＰＣ６８は、回動軸９５周りに巻回されている。これによれば、信号配線の引き回しスペースが低減された省スペースのロボット１０を提供することができる。

ロボット１０は、リンク８１を駆動する駆動伝達部（図示せず）を備えている。ＦＰＣ６８の電源線は、駆動伝達部に電源を供給する。これによれば、リンク８１を駆動する駆動伝達部に電源を供給することができる。

ロボット１０は、リンク８１に設けられたエンドエフェクターを備えている。ＦＰＣ６８の電源線は、エンドエフェクターに電源を供給する。これによれば、リンク８１に設けられたエンドエフェクターに電源を供給することができる。

光送信部２２から送信される光信号の波長は、４００〜１７００ｎｍである。これによれば、光受信部２４において、４００〜１７００ｎｍの光を効率良く電気信号に変換することができる。

次に、上記したリール６８ｗについて図面に沿って詳細に説明する。
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、ジョイント７９からリンク８０側に引き出されたＦＰＣ６８の他端側は、一旦、リンク８０の第２の面８０ａに略垂直に（第３番目の一の回動軸９５に沿って）設けられた円筒状の芯部材１６８の第１固定部６８ｓに固定されている。この芯部材１６８（第１固定部６８ｓ）の中心軸Ｐｗは、ＦＰＣ６８のリール６８ｗの巻回の起点となる。本実施形態では、中心軸Ｐｗは、ジョイント７９とリンク８０との回動軸である第３番目の一の回動軸９５と一致している形態を説明するが、リール６８ｗの基点となる中心軸Ｐｗは第３番目の一の回動軸９５と略平行であればよく、第３番目の一の回動軸９５と一致していなくてもよい。

芯部材１６８の近傍には、円筒状の芯部材１６８の側面の一部を囲うように設けられたカバー部材６８ｃが配置されている。芯部材１６８の第１固定部６８ｓに一部が固定されたＦＰＣ６８のさらに他端側は、第３番目の一の回動軸９５と略平行する（本実施形態では概ね合致する）中心軸Ｐｗを起点として所定の方向に巻回されている。即ち、ＦＰＣ６８は、芯部材１６８とカバー部材６８ｃとの間の空間で巻回されている。そして、巻回されたＦＰＣ６８のさらに他端側は、第２固定部６８ｅに固定されている。
以上、述べた構成の芯部材１６８、カバー部材６８ｃ、及び、芯部材１６８とカバー部材６８ｃとの間の空間で巻回されたＦＰＣによりリール６８ｗが構成されている。このＦＰＣ６８のリール６８ｗにより、ジョイント７９とリンク８０との第３番目の一の回動軸９５回りの相対回動に伴うＦＰＣ６８の長さ方向の往復移動が吸収され、相対回動を阻害しない配線構造が実現される。

本実施形態によれば、信号線を光通信にすることで容量結合によるノイズ干渉が低減されたロボットを提供することができる。また、関節部分に光通信を使うことで信号線の捻じれが生じない。

１０…ロボット ２０…光通信部 ２２…光送信部 ２４…光受信部 ２６，３８…波形整形部 ２８…ＬＤ駆動部 ３０…ＬＤ（レーザーダイオード） ３２…光ファイバー（透明部材） ３４…ＰＤ（フォトダイオード） ３６…信号増幅部 ５０…駆動伝達部（駆動部） ６０…電装部 ６１…配線基板 ６１ａ…第１面 ６３…電子部品 ６７…コネクター ６８…ＦＰＣ（フレキシブル配線板） ６８ｃ…カバー部材 ６８ｅ…第２固定部 ６８ｓ…第１固定部 ６８ｔ…配線経路 ６８ｗ…リール ７０…基底部 ７１…本体部 ７２…制御部 ７３，７５，７７…部材としてのジョイント ７４，７６，７８，８１…リンク ７９…第１部材としてのジョイント ８０…第２部材としてのリンク ８０ａ…第２の面 ８０Ｄ…回転位置検出部 ８０Ｍ…モーター ８１…リンク ８５…駆動プーリー ８６…従動プーリー ８７…タイミングベルト ８８…アイドラー ９１…肩軸 ９２…第１番目の一の回動軸 ９３…第２番目の一の回動軸 ９４，９６…二の回動軸 ９５…第ｎ番目の一の回動軸としての第３番目の一の回動軸 ９７…駆動軸 １６８…芯部材。

Claims (8)

1. 第１アームと、
   関節を介して前記第１アームに回動可能に設けられた第２アームと、
   前記関節内に挿通され、電源線を有するフレキシブル配線板と、
   前記関節の回動軸上に光信号を送信する光通信部と、
   を有することを特徴とするロボット。
2. 請求項１に記載のロボットにおいて、
   前記光通信部は、
   光信号を送信する光送信部と、
   前記光送信部から送信された光信号を受信する光受信部と、
   を有し、
   前記光送信部及び前記光受信部は、前記関節内に設けられていることを特徴とするロボット。
3. 請求項２に記載のロボットにおいて、
   前記光送信部及び前記光受信部は、前記関節の回動軸上に設けられていることを特徴とするロボット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
   前記回動軸を構成する透明部材を有し、
   前記透明部材は、前記光送信部から送信された光信号を伝送させることを特徴とするロボット。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
   前記フレキシブル配線板は、前記回動軸周りに巻回されていることを特徴とするロボット。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
   前記第２アームを駆動する駆動部を有し、
   前記電源線は、前記駆動部に電源を供給することを特徴とするロボット。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
   前記第２アームに設けられたエンドエフェクターを有し、
   前記電源線は、前記エンドエフェクターに電源を供給することを特徴とするロボット。
8. 請求項２〜７のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
   前記光送信部から送信される光信号の波長は、４００〜１７００ｎｍであることを特徴とするロボット。

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