JP2016132053A - ロボットアーム機構及び直動伸縮機構 - Google Patents

Abstract

【課題】直動伸縮機構における伸縮長の自由度の向上及び連結コマの収納スペースの狭小化を実現し得る構造を提供すること。
【解決手段】回転関節部と直動伸縮関節部とを有するロボットアーム機構において、直動伸縮関節部は、分離／連結される複数の連結コマ２３を有する。連結コマの連結により柱状体２が構成される。格納部４５は連結コマを格納する。支持部３２は柱状体を支持する。支持部において連結コマは連結され／分離される。搬送部４３は格納部と支持部との間で連結コマを搬送する。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構及び直動伸縮機構に関する。

垂直多関節部アーム機構には位置に関して３自由度（ｘ，ｙ，ｚ）、姿勢に関して３自由度（φ，θ，ψ）が要求される。手先の併進移動は関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３にその連動回転を要求するため特に肘部と呼ばれる関節部Ｊ２の動きは非常に大きくしかもその動きを予測できず、特に特異点の近傍では肘部の動きが非常に高速になることは避けられない。肘関節を解消した上で６自由度を確保するための有効な対策の一つとして直動伸縮機構の採用がある。直動伸縮機構は従来の直動機構と比較して直動可動域が大きいことを特徴としている。直動伸縮機構では、屈曲自在に連結された複数の連結コマを備えており、連結コマの屈曲を拘束させ柱状体として送り出すことでアーム部を構成しており、またその屈曲を回復させて連結コマを引き戻し、中空の支持体に収納させるようにしている。

この直動伸縮機構では、伸縮長はそれを構成する連結コマの個数に応じて予め決まってしまうという制約がある。また収納に際して連結コマを収納するスペースを狭小化する必要もある。

目的は、直動伸縮機構における伸縮長の自由度の向上及び連結コマの収納スペースの狭小化を実現し得る構造を提供することにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、回転関節部と直動伸縮関節部とを有する。直動伸縮関節部は、分離／連結される複数の連結コマを有する。連結コマの連結により柱状体が構成される。格納部は連結コマを格納する。支持部は柱状体を支持する。支持部において連結コマは連結され／分離される。搬送部は格納部と支持部との間で連結コマを搬送する。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。 図４は、図１の連結コマの構造を示す平面図、側面図及び正面図である。 図５は、図４の連結コマの連結動作を示す図である。 図６は、図１の連結コマの他の構造例を示す平面図、側面図及び正面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。
図１、図２、図３に示すようにロボットアーム機構は、いわゆる垂直多関節アーム機構として構成され、略円筒形状の基部１と、基部１に支持されるアーム部２とからなる。アーム部２の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器３が取り付けられる。図１では手先効果器３として対象物を把持可能なハンド部を示している。手先効果器３としてはハンド部に限定されず、他のツール、またはカメラ、ディスプレイであってもよい。アーム部２の先端には任意の種類の手先効果器３に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。

ロボットアーム機構は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６がリンクされてなる。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３軸ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６は手首３軸と呼ばれる。手首部４には手首３軸を構成する関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６が収納される。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３のうち少なくとも一つは直動関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動関節、特に伸縮距離の比較的長い直動伸縮関節として構成される。

第１関節部Ｊ１は基台面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節又はそれと同等のねじり関節構造である。第１関節部Ｊ１のねじり回転によりアーム部２がハンド部３とともに旋回する。第２関節部Ｊ２の曲げ回転によりアーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２を中心に起伏動をする。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的に伸縮する関節である。第４関節部Ｊ４は、第３移動軸ＲＡ３に一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節であり、第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

基部１を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１を中心に形成される略円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１支持体１１ａはアーム部２の旋回とともに軸回転する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に起伏自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収納され、また送出される。アーム部２の直動関節部を構成する第３関節部Ｊ３の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

第１関節部Ｊ１は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において図示しない基台に固定される。回転部には第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとが取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１、第２、第３支持体１１ａ、１１ｂ、１１ｃが第１回転軸ＲＡ１を中心としてアーム部２とハンド部３と共に旋回する。

第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動すると、アーム部２がハンド部３とともに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。

上記の通り関節部としての第３関節部Ｊ３はアーム部２の主要構成物を構成する。アーム部２の先端に上述のハンド部３が設けられる。第１乃至第６関節部Ｊ１−Ｊ６の回転、曲げ、伸縮によりハンド部３の２指ハンドを任意の位置・姿勢に配置することが可能である。特に第３関節部Ｊ３の直動伸縮距離の長さは、基部１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にハンド部３で作用することを可能にする。

第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮機構は複数の連結コマ２３を有する。連結コマ２３は、同一の形状且つ同一サイズを有する。連結コマ２３は、前後端が開放する筒状体をなし、典型的には断面四角形の角筒状体に構成される。しかし連結コマ２３は、それには限定されず、断面三角形、断面五角形、断面六角形、断面円形、断面楕円形等の筒状体であってもよい。連結コマ２３は別体として構成される。複数の連結コマ２３それぞれには連結手段は設けられている。連結手段の作用により複数の連結コマ２３は一定の剛性を備えた柱状体に連結され、また連結解除されて個々に分離される。連結手段については後述する。連結された複数の連結コマ２３は、一定の剛性を備えた柱状体としてのアーム部２を構成する。アーム部２は第３支持体１１ｃの開口付近に取り付けられた射出部３２に支持される。

射出部３２は、連結コマ２３を動通させるために連結コマ２３の形状に対応する角筒形状のフレームに複数のローラ３３が上下左右に分散して保持されてなる。これらローラ３３により、連結コマ２３の連結により構成されるアーム部２はその上下左右の４方向から強固に、しかし前後方向には移動自在に支持される。射出部３２の底板中央部分はその中心線と平行に長方形に切り欠かれ開口されている。その開口部分にはドライブギア２９が挿入されている。ドライブギア２９は図示しない減速器を介してモータに接続される。ドライブギア２９は連結コマ２３の底板表面に中心軸と平行に形成されている図示しないリニアギアにかみ合わされる。連結コマ２３が射出部３２により接合され柱状体に構成されたとき、リニアギアは直線状に連なる。直線状に連なったリニアギアはドライブギア２９とともにいわゆるラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギア２９の順回転により、アーム部２は射出部３２から送り出される。ドライブギア２９の逆回転によりアーム部２は射出部３２に引き戻される。

射出部３２内には、複数の連結コマ２３それぞれに設けられた連結手段に係合して複数の連結コマ２３を連結し、またそれを解除して分離するための連結／解除手段が設けられる。連結／解除手段として、射出部３２の上板には連結／解除ピン４１が下方に向かって支持され、下板には連結／解除ピン４２が上方に向かって支持される。連結／解除ピン４１，４２は射出部３２の中心線を解して対峙される。連結／解除ピン４１，４２は射出部３２の中心線に向かう方向、換言すると互いに接近する方向に例えばコイルバネにより付勢される。射出部３２に収容されている連結コマ２３の上面に連結／解除ピン４１が強く押し付けられ、下面には連結／解除ピン４１が強く押し付けられる。アーム部２が前方に送り出されるとき、射出部３２内に設けられた連結／解除ピン４１，４２により連結される。連結コマ２３は後方に引き戻されるときに連結／解除ピン４１，４２により分離される。

分離された連結コマ２３は例えば縦列に積み重ねられた状態で第１支持体１１ａ内の収納部４５に収納される。もちろん分離された連結コマ２３を横向き又は斜めに積み重ねた状態で第１支持体１１ａ内の収納部４５に収納するようにしてもよい。連結コマ２３は個々に分離されているので、収納姿勢としての自由度は、連結ピンで連結コマ２３を屈曲自在に連結させて分離できない構造の例に比べて非常に高く収納スペースの狭小化を実現し得る。また連結コマ２３は個々に分離されているので、収納個数を増減させることにより直動伸縮機構におけるアーム部２の伸縮長を簡易且つ任意に変更させるこができる。

収納部４５としては例えば連結コマ２３の幅と等価距離を隔てて対向配置される一対のリニアなベルトコンベアで構成される。ベルトコンベアはその搬送方向が第１支持体１１ａの中心軸と平行になるよう配置され、収納部４５に送り込まれた連結コマ２３を一対のベルトコンベアで挟み、その状態で第１支持体１１ａの底部に向かって順次移動し、その位置で保持する。収納部４５の構成はベルトコンベアに限定されることはなく、複数のドライブギアが二列に配列された構成であってもよい。

収納部４５と射出部３２との間には搬送部４３が設けられる。搬送部４３は収納部４５から射出部３２に連結コマ２３を搬送するとともに連結コマ２３を射出部３２に押し出す。また搬送部４３は射出部３２から連結コマ２３を引き戻し、収納部４５に搬送する。搬送部４３は連結コマ２３を射出部３２に押し出し、射出部３２から引き戻し、射出部３２と収納部４５との間で連結コマ２３を搬送する機能とともに、連結コマ２３の向きを例えば９０度変更する機能を備える。そのために搬送部４３としては例えば対向配置される略１／４円弧状の一対のベルトコンベアで構成される。一対のベルトコンベアは、連結コマ２３の幅と等価距離を隔てて配置されており、連結コマ２３で挟み、その状態で収納部４５と射出部３２との間で連結コマ２３を搬送する。搬送部４３の構成はベルトコンベアに限定されることはなく、複数のドライブギアが二列に配列された構成であってもよい。また搬送部４３と収納部４５とを一体として構成してもよい。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は連結コマ２３の側面図、平面図、正面図をそれぞれ示している。連結コマ２３は角筒状体であり、その前端部にはそれから突出した状態に枠形の差込部６７が設けられている。差込部６７の外形は連結コマ２３の中空部５５の四角内形に対応するよう四角形状に構成される。また差込部６７は、連結コマ２３の中空部５５にその後方から差し込み、且つその差し込んだ状態が微小な外力、少なくとも重力程度では簡単に脱落しない程度に、連結コマ２３の中空部５５の内法より若干小さい外法に形成される。さらに差込部６７の突き出し長は、その差込部６７で連結された複数の連結コマ２３からなる柱状体が一定以上の剛性を確保するのに必要とされる長さに設計される。

さらに連結コマ２３の中空部５５から、その後方の連結コマ２３の差込部６７が不測に脱落する事態を解消し、前後の連結コマ２３どうしの連結状態を保持するための構造として、連結コマ２３の上板５７の後部略中央位置に当該後部から先端部分が突出した状態で、先端がかぎ状に屈曲した可動フック５１を設け、そしてその可動フック５１を引っ掛けるためのかぎ状に窪んだフックホール５２を連結コマ２３の上板５７の前部略中央位置に設けている。可動フック５１はその中央位置から少し後方にずれた位置において揺動可能に軸支され、且つ先端がコマ中心軸に向かう方向に付勢されている。同様に、連結コマ２３の下板５９の後部略中央位置にも可動フック５３を設け、フックホール５４を連結コマ２３の下板５９の前部略中央位置に設けている。

前位置の連結コマ２３の可動フック５１、５３が後位置の連結コマ２３のフックホール５２、５４にそれぞれ勘合することによりこれら前後の連結コマ２３は強固に連結状態が確保され、その状態が連続することにより柱状体として構成され得る。

図５には射出部３２における連結動作を示している。まず図５（ａ）に示すように射出部３２に３つの連結コマ２３ａ，２３ｂ，２３ｃが収容されている状態にあるとする。前方の２つの連結コマ２３ａ，２３ｂは差込部６７及び可動フック５１、５３で連結状態にある。後方の連結コマ２３ｃは搬送部４３により射出部３２に押し出される。中央の連結コマ２３ｂの可動フック５１、５３はそのバネ付勢により閉じた状態にあり、中央の連結コマ２３ｂの可動フック５１、５３の後端が後方の連結コマ２３ｃの先端部分に当接する。この状態のまま、後方の連結コマ２３ｃが搬送部４３に射出部３２に押し出され、前方の２つの連結コマ２３ａ，２３ｂが後方の連結コマ２３ｃとともに前方に移動される。

そのまま図５（ｂ）に示すように中央の連結コマ２３ｂの可動フック５１、５３の先端部分が連結／解除ピン４１，４２に当接する位置まで移動された時、可動フック５１、５３は連結／解除ピン４１，４２のバネ付勢により押されて回動され、外側に開いた状態になる。それにより搬送部４３に前方に向かって押し出されている後方の連結コマ２３ｃの差込部６７は、中央の連結コマ２３ｂの中空部５５にその後端から差し込まれる。

さらに連結コマ２３ｂが移動され、図５（ｃ）に示すように連結／解除ピン４１，４２が連結コマ２３ｂの可動フック５１、５３の回転軸を通過すると、可動フック５１、５３及び連結／解除ピン４１，４２のバネ付勢により可動フック５１、５３がコマ中心軸と平行な状態に復帰する。可動フック５１、５３の先端のかぎ状部分がフックホール５２、５４に勘合する。それによりこれら前後の連結コマ２３ｂ，２３ｃは強固に連結状態が確保される。このような連結動作が繰り返され、複数の連結コマ２３が強固に連結されながら柱状体が構成され、アーム２として射出部３２から前方に伸張する。

アーム２を収縮させるときには、上記連結動作とは逆の動きとなり、ドライブギア２９及び搬送部４３の連動による引き戻しにより連結コマ２３の可動フック５１、５３が連結／解除ピン４１，４２により外側に開かれて可動フック５１、５３とフックホール５２、５４との勘合が開放されて連結保持状態が解除され、その状態のまま搬送部４３により引き戻されることにより、連結コマ２３の差込部６７が前方の連結コマ２３の中空部５５から引き抜かれ、連結コマ２３が分離される。分離された連結コマ２３は搬送部４３で搬送され、収納部４５に受け渡され、分離した状態のまま収納される。

上述では連結コマ２３同士の連結状態を確保するために可動フック５１、５３とフックホール５２、５４との構造を説明した。しかし当該構造はそれには限定されない。例えば図６に示す構造であってもよい。連結コマ２３の後端部分に短冊形状の連結子７１、７３を往復移動自在に設け、連結コマ２３の前端部分に連結子７１、７３が挿入される受け孔７２，７４を設け、前方の連結コマ２３の連結子７１、７３を後方の連結コマ２３の受け孔７２，７４に挿入することにより前後の連結コマ２３の連結状態を確保する。具体的には連結コマ２３の上板５７の後端部分に連結子７１をその長手方向に沿って往復移動自在に支持させる。また連結子７１は連結コマ２３の上板５７の幅中央位置に配される。連結子７１は連結コマ２３の上板５７の内部に収納され、その位置から当該後端から連結子７１の略半分程度が突出するまでの範囲で移動される。さらに連結子７１の移動軸はコマ中心軸に対して傾斜する、より具体的には後方に向かってコマ中心軸に接近する向きに若干傾斜している。この連結子７１の傾斜に対応して挿入される受け孔７２も傾斜して形成される。

同様に連結コマ２３の下板５９の後端部分にも連結子７３がその長手方向に沿って往復移動自在に支持されている。連結子７３は連結コマ２３の下板５９の幅中央位置に配され、連結コマ２３の下板５９の内部に収納され、その位置から当該後端から連結子７３の略半分程度が突出するまでの範囲で移動される。この連結子７３の移動軸もコマ中心軸に接近する向きに若干傾斜している。連結子７３の傾斜に対応して挿入される受け孔７４も傾斜して形成されている。連結子７１、７３は連結コマ２３のコマ中心軸に向かって斜めに互いに接近するよう移動するので、連結された前後の連結コマ２３の脱落が抑止される。

連結子７１、７３の移動は任意の手法で実現すればよく、例えば磁力を利用してもよいし、外部固定ピンで連結コマ２３の移動に伴って連結子７１、７３を移動させる構造を採用してもよい。

本実施形態によれば、連結コマは個々に分離されているので、収納姿勢としての自由度は、連結ピンで連結コマを屈曲自在に連結させて分離できない構造の例に比べて非常に高く収納スペースの狭小化を実現し得る。また連結コマは個々に分離されているので、収納個数を増減させることにより直動伸縮機構におけるアーム部２の伸縮長を簡易且つ任意に変更させることもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…アーム部、３…手先効果器、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２３…連結コマ、４１，４２…連結／解除ピン、４３…搬送部、４５…収納部、５１、５３…可動フック、５２、５４…フックホール、５５…中空部、６７…差込部。

Claims (10)

1. 回転関節部と直動伸縮関節部とを有するロボットアーム機構において、
   前記直動伸縮関節部は、
   分離／連結される複数の連結コマと、前記連結コマの連結により柱状体が構成される、
   前記連結コマを格納する格納部と、
   前記柱状体を支持する支持部と、前記支持部において前記連結コマは連結され／分離される、
   前記格納部と前記支持部との間で前記連結コマを搬送する搬送部とを具備することを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記連結コマは筒状体であることを特徴とする請求項１記載のボットアーム機構。
3. 前記連結コマの前端には前記連結コマの中空部の後端に差し込まれる差込部が設けられていることを特徴とする請求項２記載のボットアーム機構。
4. 前記連結コマ各々には揺動可能に軸支されるフックと前記フックの受け部とが前後に分離して設けられ、前記フックが前記受け部に勘合することにより前記連結コマの連結状態が保持されることを特徴とする請求項１記載のボットアーム機構。
5. 前記フックは前記受け部に勘合する向きに付勢されることを特徴とする請求項４記載のボットアーム機構。
6. 前記支持部には前記連結コマの移動に伴って前記フックを押圧してその付勢に抗する向きに回動させる構造が設けられていることを特徴とする請求項５記載のボットアーム機構。
7. 前記連結コマ各々には移動自在の連結板と前記連結板が挿入される受け孔とが前後に設けられ、前記連結コマ各々の前記連結板がそれに隣接する前記連結コマの前記受け孔に挿入されることにより前記連結コマの連結状態が保持されることを特徴とする請求項１記載のボットアーム機構。
8. 前記連結板は磁力により往復動されることを特徴とする請求項７記載のボットアーム機構。
9. 前記搬送部は前記連結コマの姿勢を変化させることを特徴とする請求項１記載のボットアーム機構。
10. 分離／連結される複数の連結コマと、前記連結コマの連結により柱状体が構成される、
    前記連結コマを格納する格納部と、
    前記柱状体を支持する支持部と、前記支持部において前記連結コマは連結され／分離される、
    前記格納部と前記支持部との間で前記連結コマを搬送する搬送部とを具備することを特徴とする直動伸縮機構。