JP2017132026A - ロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】目的は、エンドエフェクタの電力／制御ケーブルやエアチューブなどのラインがロボットアーム機構の動作を阻害しないよう、またラインの損傷を抑制するようこれらラインをハンドリングすることの可能なロボットアーム機構を提供することにある。
【解決手段】ロボットアーム機構は、基台１に回転自在に支柱部２が支持され、支柱部２上には起伏部４が載置され、起伏部４には伸縮性を備えたアーム５が起伏自在に支持され、アーム５の先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部６が装備されてなる。エンドエフェクタが動作するための電気的又は他のラインを外表面に留めるための留め具又は留め具を固定するための固定構造１００，２００が装備されている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

近年、介護用ロボットはもちろん産業用ロボットでも作業者の近傍で作業を行なう状況の可能性が検討されている。この状況が実現すれば例えば健常者と同様に障害者が作業をすることができる。発明者らが実用化を実現した直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構は肘関節がなく、特異点もないことから、安全柵を不要にしてロボットと作業者との協働作業を可能としている。

ロボットアーム機構の先端には、ワークに直接働きかける機能を持つ把持部、ナット締め具、溶接ガン、スプレーガンなどのエンドエフェクタが装着される。エンドエフェクタにはそれを動作させるために必要な電力／制御ケーブルやエアチューブなど多くのラインが接続される。ロボットアーム機構の動作を阻害しないよう、またラインの損傷を抑制するためにこれらラインをハンドリングする必要がある。

目的は、エンドエフェクタの電力／制御ケーブルやエアチューブなどのラインがロボットアーム機構の動作を阻害しないよう、またラインの損傷を抑制するようこれらラインをハンドリングすることの可能なロボットアーム機構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、基台に回転自在に支柱部が支持され、支柱部上には起伏部が載置され、起伏部には伸縮性を備えたアームが起伏自在に支持され、前記アームの先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部が装備されてなる。エンドエフェクタが動作するための電気的又は他のラインを外表面に留めるための留め具又は留め具を固定するための固定構造が装備されている。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観を示す斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の側面図である。 図３は、図１の留め具固定構造に固定される留め具の一例を示す図である。 図４は、図１の留め具固定構造の一例を示す図である。 図５は、図１の手首部の留め具固定構造の位置を詳細に示す側面図である。 図６は、図１の手首部の留め具固定構造の他の位置を詳細に示す底面図である。 図７は、図１の留め具固定構造の位置をロボットアーム機構の図記号表現上で示す図である。 図８は、図１の起伏部の留め具固定構造の位置を詳細に示す側面図である。

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。本実施形態に係るロボットアーム機構としてここでは直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構を説明するが、他のタイプのロボットアーム機構であってもよい。

図１、図２は直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構の外観を示している。このロボットアーム機構の基台１には円筒体をなす支柱部２が設置される。支柱部２は第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は例えば鉛直方向に平行である。第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５は水平に旋回する。支柱部２は下部２−１と上部２−２とからなる。下部２−１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。上部２−２は第１関節部Ｊ１の回転部に接続され、回転軸ＲＡ１を中心に軸回転する。円筒体をなす支柱部２の内部中空には後述する第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列が収納される。支柱部２の上部２−２には第２関節部Ｊ２を収容する起伏部４が設置される。第２関節部Ｊ２は曲げ回転関節である。この第２関節部Ｊ２が本実施形態に係る回転関節機構として提供される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は例えば水平である。第２関節部Ｊ２は支柱部２の上部２−２に設置される。第２関節部Ｊ２の回転によりアーム部５は上下に起伏する。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により提供される。詳細は後述するが、直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、いわゆる直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３によりアーム部５がその中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿って直線的剛性を維持した状態で前後に伸縮する。アーム部５は第１コマ列と第２コマ列とを有する。第１コマ列は屈曲自在に連結された複数の第１コマからなる。第１コマは略平板形に構成される。第２コマ列は屈曲自在に連結された複数の第２コマからなる。第２コマは横断面Ｕ字形状又はコ字形状の溝状体をなす。第２コマは底板どうしで屈曲自在に連結される。第２コマ列の屈曲は、第２コマの側板の端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列は直線的に配列する。第１コマ列のうち先頭の第１コマと、第２コマ列のうち先頭の第２コマとは結合コマにより接続される。例えば、結合コマは第２コマと第１コマとを合成した形状を有している。

第１、第２コマ列は四角筒体形状の射出部の内部を押圧されて通過する際に接合する。接合した第１、第２コマ列は柱状のアーム部５を構成する。射出部の後方にはドライブギアが設けられる。ドライブギアは減速器を介してステッピングモータに接続される。第１コマの背面の幅中央には連結方向に沿ってリニアギアが形成されている。複数の第１コマが直線状に整列されたときに隣合うリニアギアは直線状につながって、長いリニアギアを構成する。ドライブギアは、直線状のリニアギアにかみ合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギアとともにラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギアが順回転するときアーム部５が伸長する。ドライブギアが逆回転するときアーム部５が起伏部４の内部に引き戻される。引き戻された第１、第２コマ列は射出部後方で分離される。例えば、柱状体を構成する第１コマ列はガイドローラとドライブギアとにより水平姿勢を維持し、柱状体を構成する第２コマ列は重力により下方に引かれ、それにより第２コマ列と第１コマ列とは互いに分離される。分離された第１、第２コマ列はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１、第２コマ列は、ともに同じ方向（内側）に屈曲しながら、支柱部２の内部に収納される。このとき、第１コマ列は第２コマ列に略平行な状態で収納される。

アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は第３伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節である。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ回転関節である。

エンドエフェクタは、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部に設けられたアダプタ７に取り付けられる。エンドエフェクタは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達させ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線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが特徴的である。

エンドエフェクタはロボットが作業対象（ワーク）に直接働きかける機能を持つ部分であり、例えば、把持部、真空吸着部、ナット締め具、溶接ガン、スプレーガンなどのタスクに応じて様々なツールが存在する。このエンドエフェクタにはそのツールの種類に応じて電力ケーブル、制御コード、エアチューブ、水冷ケーブルなど各種ラインが接続されている。このようなラインの取り回し（ハンドリング）が周辺との干渉、ロボットアーム機構の動作障害等の観点から重要である。本実施形態ではこれら観点からラインを好ましく取り回すために好適な位置に外表面に露出した状態で、ラインをロボットアーム機構の外表面に係留する留め具、又は留め具を固定するための固定構造１００，２００を予め装備させている。ここでは固定構造１００，２００が予め装備されているものとして説明する。なお図１等では固定構造１００，２００が一側面に装備されているものとして示されているが、それぞれ反対側にも装備されている。

留め具としては図３に例示するようにラインが挿通される円環形又は短円筒形状のホルダ１３１が台座１３２上に支柱１３４を介して回転自在に支持されてなる。台座１３２には支柱１３４を挟んで両側にスルーホール１３３が空けられている。この種の留め具を固定するための固定構造としては、図４に例示するように所定軸長の円柱軸体の前方部分がオネジに形成され、後方部分にはメネジがあけられ、後端面に割付きが形成されたいわゆるスペーサネジ４１，４２が適用される。留め具はスペーサネジ４１，４２のメネジ（ネジ孔２０１，２０２）に螺着され固定される。なお、固定構造２００としてはネジ孔２０１，２０２に限定されることは無く、圧入孔や突起等他の構造であっても良い。このネジ孔による固定構造は後述の全ての固定構造において共通する。

図５（ａ）、図６には手首部４の固定構造を示している。固定構造２００は、第５関節部Ｊ５の回転部４４に連結されたＵ字形アーム（リンク）４３の一側面に装備されている。Ｕ字形アーム４３の反対側面にも同様の固定構造３００が装備されている。またＵ字形アーム４３の底面にも同様の固定構造としてのネジ孔４０１，４０２が装備されている。ネジ孔４０１，４０２は第６関節部Ｊ６を挟んで両側に配置されている。

図７に示すように、固定構造２００は、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５の前下方、つまり第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間であって、回転軸ＲＡ５及びねじり回転軸ＲＡ４、さらに伸縮アーム５の伸縮中心軸ＲＡ３よりもエンドエフェクタのアダプタ７に近い側にシフトした位置に配置されている。

上述したように第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは左右に揺動回転し、第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転するものである。第５関節部Ｊ５とともに傾動回転をするＵ字形アーム４３の側面に装備した固定構造２００に取り付けた留め具にエンドエフェクタからのライン５００を留めることにより、エンドエフェクタが図５（ｂ）に示した基準姿勢から、図５（ｃ）に示した傾動した姿勢に変位するとき、当該ライン５００はアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３から大きく外れることなく、当該軸ＲＡ３に接近してそれに沿った状態が維持され得る。仮に、図５（ｃ）に破線で示すように、固定構造のネジ孔２０１´，２０２´が第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５上に装備されていたとすると、当該ライン５００´はエンドエフェクタの傾動に伴ってアーム部５の中心軸ＲＡ３から大きく外れることになる。当該ライン５００がアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３にできるだけ沿った状態を維持できることは、ライン５００の動きを抑えて周辺への干渉を抑制できるばかりでなく、ライン５００の屈曲等によるアーム部５の伸縮動作への影響を低減することができ、また当該ライン５００が鋭角に屈曲して断線やエアの導通阻害といった事態を好ましく回避することもできる。

なお、固定構造２００が、第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５の前上方、つまり第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５と第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６との間であって、回転軸ＲＡ５及びねじり回転軸ＲＡ４、さらに伸縮アーム５の伸縮中心軸ＲＡ３よりもエンドエフェクタのアダプタ７に遠い側にシフトして配置されていてもよい。これにより、剛性が低く、重力等により下方に弛むライン５００を、アーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３にできるだけ沿わせた状態で維持できる。

図８には起伏部４の側面に装備された固定構造１００を示しており、固定構造１００を成すネジ孔１０１，１０２は、上記固定構造２００と同様に、起伏部４のサイドフレーム３２に固定された対のスペーサネジのメネジにより提供される。この起伏部４のサイドフレーム３２は、支柱部２の躯体としての支柱フレーム（リンク）の上部に載置されている。この一対のサイドフレーム３２に、モータハウジングを兼用する回転部としての円筒体３１がその両端において軸支されている。一対のサイドフレーム３２は鞍形の硬質カバー２１に覆われている。サイドフレーム３２は第１、第２関節部Ｊ１，Ｊ２間のリンクに相当する支柱部２のフレーム１２の上部に載設される。円筒体３１の内部フレーム（図示しない）にモータとギアボックスとが固定される。ギアボックスの出力軸（駆動軸）が一方のサイドフレーム３２に固定されている。出力軸の回転に伴って円筒体が回転する。円筒体の内部フレームにはその前方に上述した第１、第２コマ列を支持する射出部３５が設置されている。円筒体３１が回転すると、それとともに射出部３５も回転し、それによりアーム部５が起伏する。射出部３５を通過して送り出され、また引き戻される第１、第２コマ列は円筒体の周面上部を摺動しながら方向転換される。円筒体は射出部３５とともに筒状の硬質カバー２２に覆われている。硬質カバー２１、２２の間隙は例えば蛇腹カバー１４に覆われている。

上述の通り固定構造１００（ネジ孔１０１，１０２）は、上記固定構造２００と同様に、起伏部４のサイドフレーム３２に固定された一対のスペーサネジのメネジにより提供される。つまり、固定構造１００は、支柱部２の上部２−２の回転（旋回）とともに回転する位置であって、できるだけ伸縮アーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３に接近した位置に配置される。また図７に示すように、固定構造１００は、この支柱部２内の第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１の前方（エンドエフェクタに接近する方向）、好ましくは起伏部４内の第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２より前方に位置される。

この位置に固定構造１００を配置することにより、前方からアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３に沿って送られてきたライン５００をそのまま受け取り、緩やかに屈曲させて支柱部２と起伏部４との側面に這わせ、基台１に送り出すことができる。また第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５が旋回するとき、さらに第２関節部Ｊ２の回転によりアーム部５が起伏するときにおいても、ライン５００がアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３に沿った状態をできるだけ維持しつつ、ライン５００の動きを抑えて周辺への干渉を抑制し、ライン５００の屈曲等によるアーム部５の旋回、起伏動作への影響を低減することができ、また当該ラインが鋭角に屈曲して断線やエア導通阻害といった事態を回避することもできる。

なお、前方からアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３に沿って送られてきたライン５００を受け取る固定構造は、該軸ＲＡ３よりも上方の、起伏部４の頂部に設けられてもよい。固定構造６００、７００は、起伏部４の頂部に、伸縮中心軸ＲＡ３に沿って互いに前後に離設される。固定構造６００（ネジ孔６０１，６０２）と固定構造７００（ネジ孔７０１，７０２）とは、上記固定構造２００と同様に、射出部３５又は射出部３５に連結されたフレームに固定された一対のスペーサネジのメネジにより提供される。固定構造６００，７００は、エンドエフェクタに接近する方向、好ましくは起伏部４内の第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２より前方に位置される。この位置に固定構造６００，７００を配置することにより、前方からアーム部５の伸縮中心軸ＲＡ３に沿って送られてきたライン５００をそのまま受け取り、緩やかに屈曲させて起伏部４の頂部に沿って這わせ、支柱部２の後方に送り出すことができる。このように、複数種のライン５００の取りまわし経路を設けることは、ロボットアーム機構の周囲の作業員の位置やライン５００が接続される、例えば電源装置やコンプレッサ等の配置に応じたライン５００の好適な取りまわしを実現する。

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…基台、２…支柱部、４…起伏部、５…アーム部、６…手首部、１００，２００…固定構造、１０１，１０２，２０１，２０２，３０１，３０２…ネジ孔。

Claims (6)

1. 基台に回転自在に支柱部が支持され、前記支柱部上には起伏部が載置され、前記起伏部には伸縮性を備えたアームが起伏自在に支持され、前記アームの先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部が装備されてなるロボットアーム機構において、
   前記エンドエフェクタが動作するための電気的又は他のラインを外表面に留めるための留め具又は前記留め具を固定するための固定構造が装備されていることを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記固定構造は、前記留め具を固定するためのネジ孔であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記留め具又は前記固定構造は、前記基台側からの前記ラインを前記アームの中心軸に接近させるように前記起伏部の側面であって、前記支柱部の回転軸より前記アームの側であり且つ前記アームの中心軸より下方に位置することを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
4. 前記留め具又は前記固定構造は、前記起伏部の回転軸より前方に位置することを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
5. 前記手首部は前記アーム先端から順に第１ねじり回転間接部、曲げ回転間接部、第２ねじり回転間接部が組み合わされてなり、前記第２ねじり回転間接部の回転部には前記エンドエフェクタを装着するための構造が装備され、
   前記留め具又は前記固定構造は、前記エンドエフェクタからの前記ラインを前記アームの中心軸に沿うよう誘導するために前記曲げ回転関節部の回転軸より前方であって前記曲げ回転関節部の側面に位置することを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
6. エンドエフェクタが動作するための電気的又は他のラインを外表面に留めるために必要な少なくとも一つの留め具又は前記留め具を固定するための固定構造が装備されていることを特徴とするロボットアーム機構。

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