JP2016064472A - 関節式ロボットアームの手首構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】関節式ロボットアームの手首構造を提供する。【解決手段】本発明の関節式ロボットアームの手首構造は、先端部、後端部、先端部及び後端部の間に設けられる収納部、及び後端部に設けられると共に収納部を外界に連通させるための孔部を有する手首本体、手首本体の先端部に枢設されるように制御される手首回転体、手首本体の後端部に着脱可能な形で設置されると共に収納部内に位置され、且つ孔部に対応する切欠き部を有する信号処理回路基板、手首本体に設けられると共に信号処理回路基板に信号接続されるコネクタ、手首本体の収納部に設置されると共に信号が信号処理回路基板に接続される制御ユニット、及び手首本体の収納部に設置されると共に手首回転体の手首本体に対しての擺動を制御させるための駆動ユニットを備える。本発明は回転角度が制限されない前提の下、手首の孔部のケーブルの数量を減少させ、装設、メンテナンス、及び制御の利便性を向上させる。【選択図】図４
Description
本発明は、関節式ロボットアームの手首構造に関する。
ロボットアームは操作性があり、各分野の設備に広範に使用されている。例えば、機械加工分野に応用される場合、ロボットアームは加工機と組み合わされて、ロボットアームが自動で加工物のピックアンドプレースを行い、加工機が加工物に対して加工作業を行う。なお、医療分野に応用される場合、ロボットアームは医師に制御されて、患者の手術に利用される。さらに、エンターテインメント分野に応用される場合、ロボットアームを操作し移動させてゲーム中の物品を掴み取るのに用いられる。
図１はロボットアームの関節組構造である（例えば、特許文献１参照）。手首の関節１３の内部に設置されるモーターの回転を制御させ、複数のケーブルをアーム関節１１の内部から手首の関節１３内に進入させて内部のモーターに接続させる。ケーブルが手首の関節が回転している時に巻き付く現象が発生しないようするため、手首の関節１３及びアーム関節１１の間には貫通孔１４１を有する軸継手１４が設置され、手首の関節モーターに接続されるケーブルは軸継手１４の貫通孔１４１から手首の関節内に進入する。
しかしながら、前述した従来のロボットアームから見ると、上述の特許文献１では、軸継手１４がアーム関節１１に内設されるためアーム関節１１が長過ぎる問題が発生し、軸継手１４自体の構造強度も弱くなり、手首の関節１３の捩じれる限界も小さくなり、手首の関節１３の回転角度も制限される。
なお、上述の問題を防ぐためには、中空孔を有する中空式減速器を採用して手首の関節を駆動させ、ケーブルを中空式減速器の中空孔から直接手首の関節内に進入させる。但し、中空式減速器の中空孔の大きさは制限され、穿設可能なケーブル数量も制限されるため、アームの末端のエンドエフェクタのケーブルを制御させるにはアームの外部に設置させねばならず、アームの動作時に前記外部ケーブルが巻き付く問題が発生しやすい。
さらに、特許文献２に示すのは、工業用ロボットであり、アーム内部のケーブルを減少させるため、各駆動モーターにマトリックスコンバータを増設させ、外部の三相交流電源を各モーターの電源に並列させ、本来の電源線の総数を１２本から３本に減らし、アーム内部に穿設されるケーブル数量を減少させ、ケーブルを中空式減速器の中空孔にスムーズに貫通させることで配線の難易度を低下させる。しかしながら、マトリックスコンバータは電圧及び電流を同時に制御させる複雑な制御技術であり、システムが複雑化しやすくなった。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的かつ効果的に課題を改善する本発明の提案に到った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、関節式ロボットアームの手首構造を提供することを主目的とする。換言すれば、回転角度が制限されない前提の下、手首の孔部に穿設されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス、及び制御の利便性を向上させる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造は、先端部、後端部、先端部と後端部との間に設けられる収納部、及び後端部に設けられると共に収納部と外界とを連通させるための孔部を有する手首本体、手首本体の先端部に枢設されるように制御される手首回転体、手首本体の後端部に着脱可能な形で設置されると共に収納部内に位置され、孔部に対応させる切欠き部を有する信号処理回路基板、手首本体に設けられると共に信号が信号処理回路基板に接続されるコネクタ、手首本体の収納部に設置されると共に信号が信号処理回路基板に接続される制御ユニット、及び手首本体の収納部に設置されると共に手首回転体の手首本体に対する擺動を制御させるための駆動ユニットを備えることを特徴とする。
好ましくは、信号処理回路基板は直列信号伝送インターフェースを更に有し、手首本体の孔部からは複合ケーブルが収納部内に穿設され、且つ複合ケーブルは信号が直列信号伝送インターフェースに接続されると共に直列信号を伝送させるための直列信号ケーブルを備える。
好ましくは、信号処理回路基板は第一コネクタモジュール、第二コネクタモジュール、入／出力モジュール、及び処理ユニットを更に有する。第一コネクタモジュールは信号が直列信号伝送インターフェースと前記直列信号ケーブルとの間に接続され、直列信号を前記直列信号伝送インターフェースに伝送させた後に処理ユニットに伝送させ、処理ユニットは直列信号に対しデコードを行い、第二コネクタモジュールは信号が入／出力モジュールに接続され、且つ制御ユニット及びコネクタの各間は信号が制御ユニット用信号線及びコネクタ用信号線に接続される。
好ましくは、信号処理回路基板はボルスタにより手首本体的後端部に着脱可能な形で設置されると共に収納部内に位置され、ボルスタ手首本体の後端部に固装される急速解放部、及び急速解放部に連結されると共に手首本体の収納部内に位置され、且つ信号処理回路基板に固装される載置部を有する。
好ましくは、手首回転体は手首本体先端部に枢設される第一可動部及び第一可動部に枢設される第二可動部を有し、駆動ユニットは第一可動部の手首本体に対する擺動を制御させるための第一モーターセット、及び第二可動部の第一可動部に対する回転を制御させるための第二モーターセットを有する。
好ましくは、複合ケーブルは第一モーターセット及び第二モーターセットに電気的に接続されるモーターパワーケーブル、及びモーター信号ケーブルを更に備える。
好ましくは、第一モーターセットは第一減速器及び第一減速器に動力が連結される第一モーターを備え、第二モーターセットは第二減速器及び第二減速器に動力が連結される第二モーターを含む。
好ましくは、手首本体の後端部はアーム本体に設置するように枢動され、アーム本体には手首本体の後端部に連結されて連動させる中空式減速器が設置され、中空式減速器は前記孔部に連通されると共に複合ケーブルを穿設させるための中空孔を有する。
本発明によれば、回転角度が制限されない前提の下、手首の孔部に穿設されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性を向上させる。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
（第１実施形態）
図２乃至図８は本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造である。ロボットアームに設置されるアーム本体２１に適用されると共にエンドエフェクタ２２が設置され、手首本体３０、手首回転体４０、信号処理回路基板５０、コネクタ６０、制御ユニット７０、及び駆動ユニット８０で構成される。
図２乃至図８は本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造である。ロボットアームに設置されるアーム本体２１に適用されると共にエンドエフェクタ２２が設置され、手首本体３０、手首回転体４０、信号処理回路基板５０、コネクタ６０、制御ユニット７０、及び駆動ユニット８０で構成される。
手首本体３０は先端部３１、後端部３２、先端部３１と後端部３２との間に設けられる収納部３３、及び後端部３２に設けられると共に収納部３３を外界に連通させるための孔部３４を有する。
本実施形態では、後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動され、孔部３４からは複合ケーブル９１が収納部３３内に穿設される、複合ケーブル９１は直列信号用の直列信号ケーブル９１１、モーターパワーケーブル９１２、及びモーター信号ケーブル９１３を備える。
本実施形態では、後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動され、孔部３４からは複合ケーブル９１が収納部３３内に穿設される、複合ケーブル９１は直列信号用の直列信号ケーブル９１１、モーターパワーケーブル９１２、及びモーター信号ケーブル９１３を備える。
手首回転体４０は手首本体３０の先端部３１に枢設されるように制御される。なお、本実施形態では、手首回転体４０は手首本体３０の先端部３１に枢設される第一可動部４１及び前記第一可動部４１に枢設される第二可動部４２を有し、且つ第二可動部４２にはエンドエフェクタ２２が設置される。
信号処理回路基板５０は手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、且つ孔部３４に対応させる切欠き部５１を有する。
本実施形態によると、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、ボルスタ９６は手首本体３０の後端部３２に固装される急速解放部９６１、及び急速解放部９６１に連結されると共に手首本体３０の収納部３３内に位置され且つ信号処理回路基板５０を固装させるための載置部９６２を有する。当然ながら、ボルスタ９６は孔部３４に対応させるボルスタの切欠き９６３を有し、信号処理回路基板５０とボルスタ９６との間は複数のスタッド５２により相互に固定される。また、信号処理回路基板５０は、直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を更に有し、複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１は信号が第一コネクタモジュール５４に接続されると共に直列信号がインターフェース５３に伝送されて信号接続を確立させ、直列信号が伝送される。
本実施形態によると、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、ボルスタ９６は手首本体３０の後端部３２に固装される急速解放部９６１、及び急速解放部９６１に連結されると共に手首本体３０の収納部３３内に位置され且つ信号処理回路基板５０を固装させるための載置部９６２を有する。当然ながら、ボルスタ９６は孔部３４に対応させるボルスタの切欠き９６３を有し、信号処理回路基板５０とボルスタ９６との間は複数のスタッド５２により相互に固定される。また、信号処理回路基板５０は、直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を更に有し、複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１は信号が第一コネクタモジュール５４に接続されると共に直列信号がインターフェース５３に伝送されて信号接続を確立させ、直列信号が伝送される。
コネクタ６０は手首本体３０に設けられると共に信号が信号処理回路基板に５０に接続される。
本実施形態に係るコネクタ６０としては入／出力コネクタを例示し、コネクタ用信号線６１により信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、コネクタ６０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。このほか、コネクタ６０及びエンドエフェクタ２２の間には信号／パワー線６２が接続され（図２参照）、信号及び電力の伝送を制御させる。
本実施形態に係るコネクタ６０としては入／出力コネクタを例示し、コネクタ用信号線６１により信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、コネクタ６０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。このほか、コネクタ６０及びエンドエフェクタ２２の間には信号／パワー線６２が接続され（図２参照）、信号及び電力の伝送を制御させる。
制御ユニット７０は手首本体３０の収納部３３に設置されると共に信号が信号処理回路基板５０に接続される。
本実施形態では、制御ユニット７０として電磁弁による制御ユニットを例示し、電磁弁により信号線７１の信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、制御ユニット７０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。
本実施形態では、制御ユニット７０として電磁弁による制御ユニットを例示し、電磁弁により信号線７１の信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、制御ユニット７０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。
また、駆動ユニット８０は手首本体３０の収納部３３に設置されると共に手首回転体４０の手首本体３０に対する擺動を制御させる。
本実施形態に係る駆動ユニット８０は第一可動部４１の手首本体３０に対する擺動を制御させるための第一モーターセット８１、及び第二可動部４２の第一可動部４１に対する回転を制御させるための第二モーターセット８２を有し、ロボットアームの台座に設置される制御装置２３により制御され、且つ第一モーターセット８１及び第二モーターセット８２の信号制御及び電力源は複合ケーブル９１のモーターパワーケーブル９１２及びモーター信号ケーブル９１３から提供される。
第一モーターセット８１は第一減速器８１１及び第一減速器８１１に動力が連結される第一モーター８１２を備え、第二モーターセット８２は第二減速器８２１及び第二減速器８２１に動力が連結される第二モーター８２２を含む。以上が本発明の実施形態に係る主な構成部材及び形態の説明である。本発明の実施形態の効果については以下に説明する。
本実施形態に係る駆動ユニット８０は第一可動部４１の手首本体３０に対する擺動を制御させるための第一モーターセット８１、及び第二可動部４２の第一可動部４１に対する回転を制御させるための第二モーターセット８２を有し、ロボットアームの台座に設置される制御装置２３により制御され、且つ第一モーターセット８１及び第二モーターセット８２の信号制御及び電力源は複合ケーブル９１のモーターパワーケーブル９１２及びモーター信号ケーブル９１３から提供される。
第一モーターセット８１は第一減速器８１１及び第一減速器８１１に動力が連結される第一モーター８１２を備え、第二モーターセット８２は第二減速器８２１及び第二減速器８２１に動力が連結される第二モーター８２２を含む。以上が本発明の実施形態に係る主な構成部材及び形態の説明である。本発明の実施形態の効果については以下に説明する。
本発明に係る手首本体３０の収納部３３には信号処理回路基板５０が内設され、信号処理回路基板５０は直列信号伝送インターフェース５３を少なくとも有し、第一コネクタモジュール５４により信号が複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１の一端に接続され、直列信号ケーブル９１１の他端はロボットアーム台座の制御装置２３に接続される（図８参照）。これにより、ロボットアームの制御装置２３は伝送された直列信号に対しデコードを行い並列信号とし、並列信号を出力信号として制御ユニット７０或いはエンドエフェクタ２２の制御に用いる。
同様に、信号処理回路基板５０は同時に並列方式で受信した入力信号を直列信号に転換させ、直列信号をロボットアームの制御装置２３に伝送させる。回転角度が制限されず、孔部３４の孔径を大きくする前提の下、ロボットアームの手首の孔部３４に穿設されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性の向上を達成させる。
同様に、信号処理回路基板５０は同時に並列方式で受信した入力信号を直列信号に転換させ、直列信号をロボットアームの制御装置２３に伝送させる。回転角度が制限されず、孔部３４の孔径を大きくする前提の下、ロボットアームの手首の孔部３４に穿設されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性の向上を達成させる。
ちなみに、信号処理回路基板５０には孔部３４に対応させる切欠き部５１が設計され、これにより、複合ケーブル９１が孔部３４に穿設されて配線が完了した後に信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスを行う場合、切欠き部５１の設計により信号処理回路基板５０を取り外す際に前記複合ケーブル９１に干渉せずに、取り外しが簡単になる効果を有する。
また、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置されるため、信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスを行う場合、直接ボルスタ９６の急速解放部９６１を手首本体３０の後端部３２から取り外すことで信号処理回路基板５０を取り出せ、信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスが容易になる効果を有する。
以下、図８を参照しながら、本発明の信号制御の作動方式及び配置を説明する。信号処理回路基板５０は直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が前記入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を有する。処理ユニット５７はマイクロコントローラーであり、直列信号のエンコード／デコード機能、出力信号の制御命令、及び入力信号の読み取りを担う。
直列信号伝送インターフェース５３は処理ユニット５７が送受信する命令を直列伝送形式に転換させる。入／出力モジュール５５は電子信号スイッチ部材（光電スイッチ及び光結合器）を備え、光電スイッチは出力及び隔離機能を提供する。光結合器は入力及び隔離機能を提供する。第一コネクタモジュール５４は直列信号伝送インターフェース５３のコネクタである。
第二コネクタモジュール５６は入／出力モジュール５５のコネクタであり、入／出力モジュール５５の信号を手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に接続させる。
更に、信号制御作動方式の出力信号発信のフローチャートは以下の通りである。
制御装置２３により制御したい出力信号を内部の直列信号伝送インターフェース２３１により直列信号に転換させた後、手首本体３０内部の信号処理回路基板５０に伝送させ、第一コネクタモジュール５４により直列信号を直列信号伝送インターフェース５３に伝送させた後に処理ユニット５７に伝送させる。処理ユニット５７が直列信号に対しデコードを行い、デコード後の出力信号命令を入／出力モジュール５５に伝送させ、入／出力モジュール５５内の光電スイッチにより隔離の出力信号を発信させ、出力信号は第二コネクタモジュール５６により手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に伝送されて対応する制御を実行する。
制御装置２３により制御したい出力信号を内部の直列信号伝送インターフェース２３１により直列信号に転換させた後、手首本体３０内部の信号処理回路基板５０に伝送させ、第一コネクタモジュール５４により直列信号を直列信号伝送インターフェース５３に伝送させた後に処理ユニット５７に伝送させる。処理ユニット５７が直列信号に対しデコードを行い、デコード後の出力信号命令を入／出力モジュール５５に伝送させ、入／出力モジュール５５内の光電スイッチにより隔離の出力信号を発信させ、出力信号は第二コネクタモジュール５６により手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に伝送されて対応する制御を実行する。
信号制御作動方式の入力信号受信のフローチャートは以下の通りである。
入力信号は手首本体３０のコネクタ６０から入力され、信号処理回路基板５０の第二コネクタモジュール５６を経由し入／出力モジュール５５に伝送され、入／出力モジュール５５内の光結合器により隔離された入力信号が処理ユニット５７に発信される。処理ユニット５７により前記入力信号が読み取られた後にエンコードを行い、信号処理回路基板５０の直列信号伝送インターフェース５３により第一コネクタモジュール５４を経由して制御装置２３内に伝送され、制御装置２３内の直列信号伝送インターフェース２３１が信号を受信させた後に中央演算ユニット（ＣＰＵ）２３２に伝送されてデコードを行い、入力信号が読み取られる。
入力信号は手首本体３０のコネクタ６０から入力され、信号処理回路基板５０の第二コネクタモジュール５６を経由し入／出力モジュール５５に伝送され、入／出力モジュール５５内の光結合器により隔離された入力信号が処理ユニット５７に発信される。処理ユニット５７により前記入力信号が読み取られた後にエンコードを行い、信号処理回路基板５０の直列信号伝送インターフェース５３により第一コネクタモジュール５４を経由して制御装置２３内に伝送され、制御装置２３内の直列信号伝送インターフェース２３１が信号を受信させた後に中央演算ユニット（ＣＰＵ）２３２に伝送されてデコードを行い、入力信号が読み取られる。
ちなみに、手首本体３０の後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動される。主にアーム本体２１に手首本体３０の後端部３２に連結されて連動される中空式減速器２３により達成され、且つ中空式減速器２３は孔部３４に連通すると共に複合ケーブル９１を穿設させるための中空孔２３１を有する（図９参照）。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１１ 手首の関節
１２ エンドエフェクタ
１３ アーム関節
１４ 軸継手
２１ アーム本体
２２ エンドエフェクタ
２３ 制御装置
２３１ 直列信号伝送インターフェース
２３２ 中央演算ユニット
２６ 中空式減速器
２６１ 中空孔
３０ 手首本体
３１ 先端部
３２ 後端部
３３ 収納部
３４ 孔部
４０ 手首回転体
４１ 第一可動部
４２ 第二可動部
５０ 信号処理回路基板
５１ 切欠き部
５２ スタッド
５３ 直列信号伝送インターフェース
５４ 第一コネクタモジュール
５５ 入／出力モジュール
５６ 第二コネクタモジュール
５７ 処理ユニット
６０ コネクタ
６１ コネクタ用信号線
６２ 信号／パワー線
７０ 制御ユニット
７１ 制御ユニット用信号線
８０ 駆動ユニット
８１ 第一モーターセット
８１１ 第一減速器
８１２ 第一モーター
８２ 第二モーターセット
８２１ 第二減速器
８２２ 第二モーター
９１ 複合ケーブル
９１１ 直列信号ケーブル
９１２ モーターパワーケーブル
９１３ モーター信号ケーブル
９６ ボルスタ
９６１ 急速解放部
９６２ 載置部
９６３ ボルスタ切欠き
１２ エンドエフェクタ
１３ アーム関節
１４ 軸継手
２１ アーム本体
２２ エンドエフェクタ
２３ 制御装置
２３１ 直列信号伝送インターフェース
２３２ 中央演算ユニット
２６ 中空式減速器
２６１ 中空孔
３０ 手首本体
３１ 先端部
３２ 後端部
３３ 収納部
３４ 孔部
４０ 手首回転体
４１ 第一可動部
４２ 第二可動部
５０ 信号処理回路基板
５１ 切欠き部
５２ スタッド
５３ 直列信号伝送インターフェース
５４ 第一コネクタモジュール
５５ 入／出力モジュール
５６ 第二コネクタモジュール
５７ 処理ユニット
６０ コネクタ
６１ コネクタ用信号線
６２ 信号／パワー線
７０ 制御ユニット
７１ 制御ユニット用信号線
８０ 駆動ユニット
８１ 第一モーターセット
８１１ 第一減速器
８１２ 第一モーター
８２ 第二モーターセット
８２１ 第二減速器
８２２ 第二モーター
９１ 複合ケーブル
９１１ 直列信号ケーブル
９１２ モーターパワーケーブル
９１３ モーター信号ケーブル
９６ ボルスタ
９６１ 急速解放部
９６２ 載置部
９６３ ボルスタ切欠き
本発明は、関節式ロボットアームの手首構造に関する。
ロボットアームは操作性があり、各分野の設備に広範に使用されている。例えば、機械加工分野に応用される場合、ロボットアームは加工機と組み合わされて、ロボットアームが自動で加工物のピックアンドプレースを行い、加工機が加工物に対して加工作業を行う。なお、医療分野に応用される場合、ロボットアームは医師に制御されて、患者の手術に利用される。さらに、エンターテインメント分野に応用される場合、ロボットアームを操作し移動させてゲーム中の物品を掴み取るのに用いられる。
図１はロボットアームの関節組構造である（例えば、特許文献１参照）。手首の関節１３の内部に設置されるモーターの回転を制御させ、複数のケーブルをアーム関節１１の内部から手首の関節１３内に進入させて内部のモーターに接続させる。ケーブルが手首の関節が回転している時に巻き付く現象が発生しないようするため、手首の関節１３及びアーム関節１１の間には貫通孔１４１を有する軸継手１４が設置され、手首の関節モーターに接続されるケーブルは軸継手１４の貫通孔１４１から手首の関節内に進入する。
しかしながら、前述した従来のロボットアームから見ると、上述の特許文献１では、軸継手１４がアーム関節１１に内設されるためアーム関節１１が長過ぎる問題が発生し、軸継手１４自体の構造強度も弱くなり、手首の関節１３の捩じれる限界も小さくなり、手首の関節１３の回転角度も制限される。
なお、上述の問題を防ぐためには、中空孔を有する中空式減速器を採用して手首の関節を駆動させ、ケーブルを中空式減速器の中空孔から直接手首の関節内に進入させる。但し、中空式減速器の中空孔の大きさは制限され、挿通可能なケーブル数量も制限されるため、アームの末端のエンドエフェクタのケーブルを制御させるにはアームの外部に設置させねばならず、アームの動作時に前記外部ケーブルが巻き付く問題が発生しやすい。
さらに、特許文献２に示すのは、工業用ロボットであり、アーム内部のケーブルを減少させるため、各駆動モーターにマトリックスコンバータを増設させ、外部の三相交流電源を各モーターの電源に並列させ、本来の電源線の総数を１２本から３本に減らし、アーム内部に挿通されるケーブル数量を減少させ、ケーブルを中空式減速器の中空孔にスムーズに貫通させることで配線の難易度を低下させる。しかしながら、マトリックスコンバータは電圧及び電流を同時に制御させる複雑な制御技術であり、システムが複雑化しやすくなった。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的かつ効果的に課題を改善する本発明の提案に到った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、関節式ロボットアームの手首構造を提供することを主目的とする。換言すれば、回転角度が制限されない前提の下、手首の孔部に挿通されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス、及び制御の利便性を向上させる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造は、先端部、後端部、先端部と後端部との間に設けられる収納部、及び後端部に設けられると共に収納部と外界とを連通させるための孔部を有する手首本体、手首本体の先端部に枢設されるように制御される手首回転体、手首本体の後端部に着脱可能な形で設置されると共に収納部内に位置され、孔部に対応させる切欠き部を有する信号処理回路基板、手首本体に設けられると共に信号が信号処理回路基板に接続されるコネクタ、手首本体の収納部に設置されると共に信号が信号処理回路基板に接続される制御ユニット、及び手首回転体の手首本体に対する擺動を制御させるための駆動ユニットを備えることを特徴とする。
好ましくは、信号処理回路基板は直列信号伝送インターフェースを更に有し、手首本体の孔部からは複合ケーブルが収納部内に挿通され、且つ複合ケーブルは信号が直列信号伝送インターフェースに接続されると共に直列信号を伝送させるための直列信号ケーブルを備える。
好ましくは、信号処理回路基板は第一コネクタモジュール、第二コネクタモジュール、入／出力モジュール、及び処理ユニットを更に有する。第一コネクタモジュールは信号が直列信号伝送インターフェースと前記直列信号ケーブルとの間に接続され、直列信号を前記直列信号伝送インターフェースに伝送させた後に処理ユニットに伝送させ、処理ユニットは直列信号に対しデコードを行い、第二コネクタモジュールは信号が入／出力モジュールに接続され、且つ制御ユニット及びコネクタの各間は信号が制御ユニット用信号線及びコネクタ用信号線に接続される。
好ましくは、信号処理回路基板はボルスタにより手首本体的後端部に着脱可能な形で設置されると共に収納部内に位置され、ボルスタ手首本体の後端部に固装される急速解放部、及び急速解放部に連結されると共に手首本体の収納部内に位置され、且つ信号処理回路基板に固装される載置部を有する。
好ましくは、手首回転体は手首本体先端部に枢設される第一可動部及び第一可動部に枢設される第二可動部を有し、駆動ユニットは第一可動部の手首本体に対する擺動を制御させるための第一モーターセット、及び第二可動部の第一可動部に対する回転を制御させるための第二モーターセットを有する。
好ましくは、複合ケーブルは第一モーターセット及び第二モーターセットに電気的に接続されるモーターパワーケーブル、及びモーター信号ケーブルを更に備える。
好ましくは、第一モーターセットは第一減速器及び第一減速器に動力が連結される第一モーターを備え、第二モーターセットは第二減速器及び第二減速器に動力が連結される第二モーターを含む。
好ましくは、手首本体の後端部はアーム本体に設置するように枢動され、アーム本体には手首本体の後端部に連結されて連動させる中空式減速器が設置され、中空式減速器は前記孔部に連通されると共に複合ケーブルを挿通させるための中空孔を有する。
本発明によれば、回転角度が制限されない前提の下、手首の孔部に挿通されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性を向上させる。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
（第１実施形態）
図２乃至図８は本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造である。ロボットアームに設置されるアーム本体２１に適用されると共にエンドエフェクタ２２が設置され、手首本体３０、手首回転体４０、信号処理回路基板５０、コネクタ６０、制御ユニット７０、及び駆動ユニット８０で構成される。
図２乃至図８は本発明に係る関節式ロボットアームの手首構造である。ロボットアームに設置されるアーム本体２１に適用されると共にエンドエフェクタ２２が設置され、手首本体３０、手首回転体４０、信号処理回路基板５０、コネクタ６０、制御ユニット７０、及び駆動ユニット８０で構成される。
手首本体３０は先端部３１、後端部３２、先端部３１と後端部３２との間に設けられる収納部３３、及び後端部３２に設けられると共に収納部３３を外界に連通させるための孔部３４を有する。
本実施形態では、後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動され、孔部３４からは複合ケーブル９１が収納部３３内に挿通される、複合ケーブル９１は直列信号用の直列信号ケーブル９１１、モーターパワーケーブル９１２、及びモーター信号ケーブル９１３を備える。
本実施形態では、後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動され、孔部３４からは複合ケーブル９１が収納部３３内に挿通される、複合ケーブル９１は直列信号用の直列信号ケーブル９１１、モーターパワーケーブル９１２、及びモーター信号ケーブル９１３を備える。
手首回転体４０は手首本体３０の先端部３１に枢設されるように制御される。なお、本実施形態では、手首回転体４０は手首本体３０の先端部３１に枢設される第一可動部４１及び前記第一可動部４１に枢設される第二可動部４２を有し、且つ第二可動部４２にはエンドエフェクタ２２が設置される。
信号処理回路基板５０は手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、且つ孔部３４に対応させる切欠き部５１を有する。
本実施形態によると、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、ボルスタ９６は手首本体３０の後端部３２に固装される急速解放部９６１、及び急速解放部９６１に連結されると共に手首本体３０の収納部３３内に位置され且つ信号処理回路基板５０を固装させるための載置部９６２を有する。当然ながら、ボルスタ９６は孔部３４に対応させるボルスタの切欠き９６３を有し、信号処理回路基板５０とボルスタ９６との間は複数のスタッド５２により相互に固定される。また、信号処理回路基板５０は、直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を更に有し、複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１は信号が第一コネクタモジュール５４に接続されると共に直列信号がインターフェース５３に伝送されて信号接続を確立させ、直列信号が伝送される。
本実施形態によると、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置され、ボルスタ９６は手首本体３０の後端部３２に固装される急速解放部９６１、及び急速解放部９６１に連結されると共に手首本体３０の収納部３３内に位置され且つ信号処理回路基板５０を固装させるための載置部９６２を有する。当然ながら、ボルスタ９６は孔部３４に対応させるボルスタの切欠き９６３を有し、信号処理回路基板５０とボルスタ９６との間は複数のスタッド５２により相互に固定される。また、信号処理回路基板５０は、直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を更に有し、複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１は信号が第一コネクタモジュール５４に接続されると共に直列信号がインターフェース５３に伝送されて信号接続を確立させ、直列信号が伝送される。
コネクタ６０は手首本体３０に設けられると共に信号が信号処理回路基板に５０に接続される。
本実施形態に係るコネクタ６０としては入／出力コネクタを例示し、コネクタ用信号線６１により信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、コネクタ６０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。このほか、コネクタ６０及びエンドエフェクタ２２の間には信号／パワー線６２が接続され（図２参照）、信号及び電力の伝送を制御させる。
本実施形態に係るコネクタ６０としては入／出力コネクタを例示し、コネクタ用信号線６１により信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、コネクタ６０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。このほか、コネクタ６０及びエンドエフェクタ２２の間には信号／パワー線６２が接続され（図２参照）、信号及び電力の伝送を制御させる。
制御ユニット７０は手首本体３０の収納部３３に設置されると共に信号が信号処理回路基板５０に接続される。
本実施形態では、制御ユニット７０として電磁弁による制御ユニットを例示し、電磁弁により信号線７１の信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、制御ユニット７０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。
本実施形態では、制御ユニット７０として電磁弁による制御ユニットを例示し、電磁弁により信号線７１の信号が第二コネクタモジュール５６に接続され、制御ユニット７０及び信号処理回路基板５０の入／出力モジュール５５の信号が接続される。
また、駆動ユニット８０は手首回転体４０の手首本体３０に対する擺動を制御させる。
本実施形態に係る駆動ユニット８０は第一可動部４１の手首本体３０に対する擺動を制御させるための第一モーターセット８１、及び第二可動部４２の第一可動部４１に対する回転を制御させるための第二モーターセット８２を有し、ロボットアームの台座に設置される制御装置２３により制御され、且つ第一モーターセット８１及び第二モーターセット８２の信号制御及び電力源は複合ケーブル９１のモーターパワーケーブル９１２及びモーター信号ケーブル９１３から提供される。
第一モーターセット８１は第一減速器８１１及び第一減速器８１１に動力が連結される第一モーター８１２を備え、第二モーターセット８２は第二減速器８２１及び第二減速器８２１に動力が連結される第二モーター８２２を含む。以上が本発明の実施形態に係る主な構成部材及び形態の説明である。本発明の実施形態の効果については以下に説明する。
本実施形態に係る駆動ユニット８０は第一可動部４１の手首本体３０に対する擺動を制御させるための第一モーターセット８１、及び第二可動部４２の第一可動部４１に対する回転を制御させるための第二モーターセット８２を有し、ロボットアームの台座に設置される制御装置２３により制御され、且つ第一モーターセット８１及び第二モーターセット８２の信号制御及び電力源は複合ケーブル９１のモーターパワーケーブル９１２及びモーター信号ケーブル９１３から提供される。
第一モーターセット８１は第一減速器８１１及び第一減速器８１１に動力が連結される第一モーター８１２を備え、第二モーターセット８２は第二減速器８２１及び第二減速器８２１に動力が連結される第二モーター８２２を含む。以上が本発明の実施形態に係る主な構成部材及び形態の説明である。本発明の実施形態の効果については以下に説明する。
本発明に係る手首本体３０の収納部３３には信号処理回路基板５０が内設され、信号処理回路基板５０は直列信号伝送インターフェース５３を少なくとも有し、第一コネクタモジュール５４により信号が複合ケーブル９１の直列信号ケーブル９１１の一端に接続され、直列信号ケーブル９１１の他端はロボットアーム台座の制御装置２３に接続される（図８参照）。これにより、ロボットアームの制御装置２３は伝送された直列信号に対しデコードを行い並列信号とし、並列信号を出力信号として制御ユニット７０或いはエンドエフェクタ２２の制御に用いる。
同様に、信号処理回路基板５０は同時に並列方式で受信した入力信号を直列信号に転換させ、直列信号をロボットアームの制御装置２３に伝送させる。回転角度が制限されず、孔部３４の孔径を大きくする前提の下、ロボットアームの手首の孔部３４に挿通されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性の向上を達成させる。
同様に、信号処理回路基板５０は同時に並列方式で受信した入力信号を直列信号に転換させ、直列信号をロボットアームの制御装置２３に伝送させる。回転角度が制限されず、孔部３４の孔径を大きくする前提の下、ロボットアームの手首の孔部３４に挿通されるケーブル数量を減少させ、装設、メンテナンス及び制御の利便性の向上を達成させる。
ちなみに、信号処理回路基板５０には孔部３４に対応させる切欠き部５１が設計され、これにより、複合ケーブル９１が孔部３４に挿通されて配線が完了した後に信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスを行う場合、切欠き部５１の設計により信号処理回路基板５０を取り外す際に前記複合ケーブル９１に干渉せずに、取り外しが簡単になる効果を有する。
また、信号処理回路基板５０はボルスタ９６により手首本体３０の後端部３２に着脱可能な形で設置されると共に収納部３３内に位置されるため、信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスを行う場合、直接ボルスタ９６の急速解放部９６１を手首本体３０の後端部３２から取り外すことで信号処理回路基板５０を取り出せ、信号処理回路基板５０の交換やメンテナンスが容易になる効果を有する。
以下、図８を参照しながら、本発明の信号制御の作動方式及び配置を説明する。信号処理回路基板５０は直列信号伝送インターフェース５３、信号が直列信号伝送インターフェース５３に接続される第一コネクタモジュール５４、入／出力モジュール５５、信号が前記入／出力モジュール５５に接続される第二コネクタモジュール５６、及び処理ユニット５７を有する。処理ユニット５７はマイクロコントローラーであり、直列信号のエンコード／デコード機能、出力信号の制御命令、及び入力信号の読み取りを担う。
直列信号伝送インターフェース５３は処理ユニット５７が送受信する命令を直列伝送形式に転換させる。入／出力モジュール５５は電子信号スイッチ部材（光電スイッチ及び光結合器）を備え、光電スイッチは出力及び隔離機能を提供する。光結合器は入力及び隔離機能を提供する。第一コネクタモジュール５４は直列信号伝送インターフェース５３のコネクタである。
第二コネクタモジュール５６は入／出力モジュール５５のコネクタであり、入／出力モジュール５５の信号を手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に接続させる。
更に、信号制御作動方式の出力信号発信のフローチャートは以下の通りである。
制御装置２３により制御したい出力信号を内部の直列信号伝送インターフェース２３１により直列信号に転換させた後、手首本体３０内部の信号処理回路基板５０に伝送させ、第一コネクタモジュール５４により直列信号を直列信号伝送インターフェース５３に伝送させた後に処理ユニット５７に伝送させる。処理ユニット５７が直列信号に対しデコードを行い、デコード後の出力信号命令を入／出力モジュール５５に伝送させ、入／出力モジュール５５内の光電スイッチにより隔離の出力信号を発信させ、出力信号は第二コネクタモジュール５６により手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に伝送されて対応する制御を実行する。
制御装置２３により制御したい出力信号を内部の直列信号伝送インターフェース２３１により直列信号に転換させた後、手首本体３０内部の信号処理回路基板５０に伝送させ、第一コネクタモジュール５４により直列信号を直列信号伝送インターフェース５３に伝送させた後に処理ユニット５７に伝送させる。処理ユニット５７が直列信号に対しデコードを行い、デコード後の出力信号命令を入／出力モジュール５５に伝送させ、入／出力モジュール５５内の光電スイッチにより隔離の出力信号を発信させ、出力信号は第二コネクタモジュール５６により手首本体３０のコネクタ６０及び制御ユニット７０に伝送されて対応する制御を実行する。
信号制御作動方式の入力信号受信のフローチャートは以下の通りである。
入力信号は手首本体３０のコネクタ６０から入力され、信号処理回路基板５０の第二コネクタモジュール５６を経由し入／出力モジュール５５に伝送され、入／出力モジュール５５内の光結合器により隔離された入力信号が処理ユニット５７に発信される。処理ユニット５７により前記入力信号が読み取られた後にエンコードを行い、信号処理回路基板５０の直列信号伝送インターフェース５３により第一コネクタモジュール５４を経由して制御装置２３内に伝送され、制御装置２３内の直列信号伝送インターフェース２３１が信号を受信させた後に中央演算ユニット（ＣＰＵ）２３２に伝送されてデコードを行い、入力信号が読み取られる。
入力信号は手首本体３０のコネクタ６０から入力され、信号処理回路基板５０の第二コネクタモジュール５６を経由し入／出力モジュール５５に伝送され、入／出力モジュール５５内の光結合器により隔離された入力信号が処理ユニット５７に発信される。処理ユニット５７により前記入力信号が読み取られた後にエンコードを行い、信号処理回路基板５０の直列信号伝送インターフェース５３により第一コネクタモジュール５４を経由して制御装置２３内に伝送され、制御装置２３内の直列信号伝送インターフェース２３１が信号を受信させた後に中央演算ユニット（ＣＰＵ）２３２に伝送されてデコードを行い、入力信号が読み取られる。
ちなみに、手首本体３０の後端部３２はロボットアームのアーム本体２１に設置するように枢動される。主にアーム本体２１に手首本体３０の後端部３２に連結されて連動される中空式減速器２３により達成され、且つ中空式減速器２３は孔部３４に連通すると共に複合ケーブル９１を挿通させるための中空孔２３１を有する（図９参照）。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１１ 手首の関節
１２ エンドエフェクタ
１３ アーム関節
１４ 軸継手
２１ アーム本体
２２ エンドエフェクタ
２３ 制御装置
２３１ 直列信号伝送インターフェース
２３２ 中央演算ユニット
２６ 中空式減速器
２６１ 中空孔
３０ 手首本体
３１ 先端部
３２ 後端部
３３ 収納部
３４ 孔部
４０ 手首回転体
４１ 第一可動部
４２ 第二可動部
５０ 信号処理回路基板
５１ 切欠き部
５２ スタッド
５３ 直列信号伝送インターフェース
５４ 第一コネクタモジュール
５５ 入／出力モジュール
５６ 第二コネクタモジュール
５７ 処理ユニット
６０ コネクタ
６１ コネクタ用信号線
６２ 信号／パワー線
７０ 制御ユニット
７１ 制御ユニット用信号線
８０ 駆動ユニット
８１ 第一モーターセット
８１１ 第一減速器
８１２ 第一モーター
８２ 第二モーターセット
８２１ 第二減速器
８２２ 第二モーター
９１ 複合ケーブル
９１１ 直列信号ケーブル
９１２ モーターパワーケーブル
９１３ モーター信号ケーブル
９６ ボルスタ
９６１ 急速解放部
９６２ 載置部
９６３ ボルスタ切欠き
１２ エンドエフェクタ
１３ アーム関節
１４ 軸継手
２１ アーム本体
２２ エンドエフェクタ
２３ 制御装置
２３１ 直列信号伝送インターフェース
２３２ 中央演算ユニット
２６ 中空式減速器
２６１ 中空孔
３０ 手首本体
３１ 先端部
３２ 後端部
３３ 収納部
３４ 孔部
４０ 手首回転体
４１ 第一可動部
４２ 第二可動部
５０ 信号処理回路基板
５１ 切欠き部
５２ スタッド
５３ 直列信号伝送インターフェース
５４ 第一コネクタモジュール
５５ 入／出力モジュール
５６ 第二コネクタモジュール
５７ 処理ユニット
６０ コネクタ
６１ コネクタ用信号線
６２ 信号／パワー線
７０ 制御ユニット
７１ 制御ユニット用信号線
８０ 駆動ユニット
８１ 第一モーターセット
８１１ 第一減速器
８１２ 第一モーター
８２ 第二モーターセット
８２１ 第二減速器
８２２ 第二モーター
９１ 複合ケーブル
９１１ 直列信号ケーブル
９１２ モーターパワーケーブル
９１３ モーター信号ケーブル
９６ ボルスタ
９６１ 急速解放部
９６２ 載置部
９６３ ボルスタ切欠き
Claims (5)
- 先端部、後端部、前記先端部及び後端部の間に設けられる収納部、及び前記後端部に設けられると共に前記収納部を外界に連通させるための孔部を有する手首本体と、
前記手首本体の先端部に枢設されるように制御される手首回転体と、
前記手首本体の後端部に着脱可能な形で設置されると共に前記収納部内に位置され、且つ前記孔部に対応させる切欠き部を有する信号処理回路基板と、
前記手首本体に設けられると共に信号が前記信号処理回路基板に接続されるコネクタと、
前記手首本体の収納部に設置されると共に信号が前記信号処理回路基板に接続される制御ユニットと、
前記手首本体の収納部に設置されると共に前記手首回転体の前記手首本体に対する擺動を制御させるための駆動ユニットと、を備えることを特徴とする、
関節式ロボットアームの手首構造。 - 前記信号処理回路基板は直列信号伝送インターフェースを更に有し、前記手首本体の孔部からは複合ケーブルが前記収納部内に穿設され、且つ前記複合ケーブルは、前記直列信号伝送インターフェースに信号接続されると共に直列信号を伝送させるための直列信号ケーブルを備え、また、前記信号処理回路基板は第一コネクタモジュール、第二コネクタモジュール、入／出力モジュール、及び処理ユニットを更に有し、前記第一コネクタモジュールは信号が前記直列信号伝送インターフェースと前記直列信号ケーブルとの間に接続されると共に直列信号を前記直列信号伝送インターフェースに伝送させた後に前記処理ユニットに伝送させ、前記処理ユニットは直列信号に対しデコードを行い、前記第二コネクタモジュールは信号が前記入／出力モジュールに接続され、且つ前記制御ユニット及び前記コネクタの各間は信号が制御ユニット用信号線及びコネクタ用信号線に接続されることを特徴とする、請求項１記載の関節式ロボットアームの手首構造。
- 前記信号処理回路基板はボルスタにより前記手首本体の後端部に着脱可能な形で設置されると共に前記収納部内に位置され、前記ボルスタは前記手首本体の後端部に固装される急速解放部、及び前記急速解放部に連結されると共に前記手首本体の収納部内に位置され且つ前記信号処理回路基板に固装される載置部を有することを特徴とする、請求項１記載の関節式ロボットアームの手首構造。
- 前記手首回転体は前記手首本体の先端部に枢設される第一可動部、及び前記第一可動部に枢設される第二可動部を有し、前記駆動ユニットは前記第一可動部の前記手首本体に対する擺動を制御させるための第一モーターセット、及び前記第二可動部の前記第一可動部に対する回転を制御させるための第二モーターセットを有することを特徴とする、請求項１記載の関節式ロボットアームの手首構造。
- 前記手首本体の後端部はアーム本体に設置するように枢動され、前記アーム本体には前記手首本体の後端部に連結されて連動させる中空式減速器が設置され、前記中空式減速器は前記孔部に連通されると共に複合ケーブルを穿設させるための中空孔を有することを特徴とする、請求項１記載の関節式ロボットアームの手首構造。
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