JP2017132027A - ロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアーム機構の可搬性を向上すること。
【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が装備される。起伏部４の曲げ関節Ｊ２は回転部３４と回転部３４を回転自在に両側から支持する一対のサイドフレーム３３とを有する。一対のサイドフレーム３３それぞれには取っ手２５−１、２５−２が装備される。取っ手２５−１、２５−２は支柱部２の回転軸ＲＡ１に対して前方に位置する。
【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。

近年ロボットがユーザと同一空間にいる環境が多くなってきている。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。この安全柵が不要であるとの優位性は、当該ロボットアーム機構を決まった位置で動作させるという制約から解放する。つまりロボットアーム機構を自由に移動させ、その場所で必要な作業をさせることができるようになると、例えば作業員の欠勤等によりある工程で必要なマンパワーが不足している状況が生じたとき、その場所にロボットアーム機構を移動し、マンパワー不足を補うような使い方ができるようになる。このような使い方では、ロボットアーム機構の可搬性を高めることが要求される。

目的は、ロボットアーム機構の可搬性を向上することにある。

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、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る。起伏部の曲げ関節は回転部と回転部を回転自在に両側から支持する一対のサイドフレームとを有する。一対のサイドフレームそれぞれには取っ手が装備される。取っ手は支柱部の回転軸に対して前方に位置する。

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取っ手を示す斜視図である。 図３は、図２の取っ手の詳細図である。 図４は、図２の取っ手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。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を有する。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は鉛直方向に平行である。第２関節部Ｊ２は曲げ回転軸ＲＡ２を備える。回転軸ＲＡ２は、回転軸ＲＡ１に直交する水平軸である。第２関節部Ｊ２は、その回転軸ＲＡ２が第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に交差しないように、例えば第１関節部Ｊ１に対して２方向にオフセットして設定される。第３関節部Ｊ３は移動軸ＲＡ３を備える。移動軸ＲＡ３は、回転軸ＲＡ２に直交し、後述のアーム部５が水平で維持されている状態で、回転軸ＲＡ１にも直交する。第３関節部Ｊ３は、その移動軸ＲＡ３が第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に交差しないように、例えば第２関節部Ｊ２に対して２方向にオフセットして設定される。第４関節部Ｊ４は、ねじり回転軸ＲＡ４を備える。回転軸ＲＡ４は移動軸ＲＡ３に一致する。第５関節部Ｊ５は、曲げ回転軸ＲＡ５を備える。回転軸ＲＡ５は、第４回転軸ＲＡ４に対して直交する。第６関節部Ｊ６は、ねじり回転軸ＲＡ６を備える。回転軸ＲＡ６は、第５回転軸ＲＡ５に直交する。

ロボットアーム機構は、垂直多関節型であり、基台１、支柱部２、起伏部４、アーム部５及び手首部６を備える。支柱部２、起伏部４、アーム部５及び手首部６は、基台１から順番に配設される。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基台１から順番に配設される。基台１には支柱部２が設置される。支柱部２は、下部２−１（固定部）と上部２−２（回転部）とからなる。下部２−１は有底の円筒体のハウジング２１により覆われる。上部２−２は円筒体のハウジング２２により覆われる。支柱部２は第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１の固定部は下部２−１に接続される。第１関節部Ｊ１の回転部は上部２−２に接続される。支柱部２の内部中空には、後述の第１、第２連結コマ列が、互いに離反した状態で回転軸ＲＡ１に沿ってそれぞれ個別に収容される。第１関節部Ｊ１の回転により、手首部６、アーム部５及び起伏部４は、支柱部２の上部２−２とともに下部２−１（基台１）に対して回転軸ＲＡ１回りに水平（左右）に旋回する。

支柱部２には起伏部４が載置される。起伏部４は、支柱部２とともに連続した中空構造を形成する。起伏部４は、固定部４−１と回転部４−２とからなる。詳細は後述するが、固定部４−１には、一対の取っ手２５−１、２５−２が装備される。固定部４−１は、鞍形のハウジング２３により覆われ、支柱部２の上部２−２に設置される。回転部４−２は、筒形のハウジング２４により覆われる。起伏部４は第２関節部Ｊ２を収容する。第２関節部Ｊ２の固定部は、固定部４−１に接続される。第２関節部Ｊ２の回転部は、回転部４−２に接続される。第２関節部Ｊ２の回転により、アーム部５はその先端の手首部６を伴って上下に起伏する。回転部４−２を覆う筒形のハウジング２４の後端と固定部４−１を覆う鞍形のハウジング２３の上端との間の間隙はカバーで覆われる。第２関節部Ｊ２の起伏動とともに上記間隙の幅が変動するため、カバーは、間隙の幅の変動に従って伸縮する蛇腹型である。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により構成される。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の固定部（射出部）は起伏部４の回転部４−２に設置され、第２関節部Ｊ２の回転部に連結される。第３関節部Ｊ３の可動部（アーム部５）は、移動軸ＲＡ３に沿って直線的剛性を維持した状態で第３関節部Ｊ３の固定部に対して前後に伸縮する。アーム部５は伸縮性を有する蛇腹カバーにより覆われる。蛇腹カバーの後端は、起伏部４の前方開口に取り付けられ、前端は手首部６の後端に取り付けられる。蛇腹カバーは、アーム部５の前後方向への伸縮に従って、伸縮する。第３関節部Ｊ３を駆動するモータと当該モータを制御するモータドライバとは、起伏部４に収容される。

直動伸縮機構を構成するアーム部５は第１連結コマ列と第２連結コマ列とを有する。第１連結コマ列は屈曲自在に連結された複数の第１連結コマからなる。第１連結コマは略平板形に構成される。第２連結コマ列は屈曲自在に連結された複数の第２連結コマからなる。第２連結コマは横断面Ｕ字形又はコ字形の溝状体に構成される。第１連結コマ列のうち先頭の第１連結コマ、第２連結コマ列のうち先頭の第２連結コマと接続される。起伏部４は、その回転部４−２に四角筒形の射出部を収容する。射出部は、その中心軸が移動軸ＲＡ３に一致するように配置される。射出部は、第１、第２連結コマ列を接合して柱状のアーム部５を構成するとともに、そのアーム部５を上下左右に支持する。射出部の後方にはドライブギアが設置される。ドライブギアは減速器等を介してモータに接続される。第１連結コマには、その背面の幅中央に連結方向に沿ってリニアギアが形成される。ドライブギアは、第１連結コマのリニアギアに噛み合される。

第１、第２連結コマ列は、アーム部５が収縮した状態で、支柱部２と起伏部４とにより形成される中空部分の収納部に収容される。ドライブギアが順回転するとき、アーム部５が伸長する。アーム部５が伸長するとき、第１連結コマ列と第２連結コマ列とは、射出部の後端開口に誘導される。射出部に誘導された第１、第２連結コマ列は、射出部で押圧され、互いに接合し、柱状の棒体（以下、柱状体又はアーム部５という）を構成する。第１、第２連結コマ列の接合による柱状体が射出部により堅持されることで、第１、第２連結コマ列の接合状態が維持される。第１、第２連結コマ列の接合状態が維持されているとき、第１、第２連結コマ列の屈曲は互いに拘束され、それにより第１、第２連結コマ列の接合による柱状体は、一定の剛性を備える。アーム部５は、移動軸ＲＡ３に沿って直線的に起伏部４の前方の開口から前方に向かって送り出される。一方、ドライブギアが逆回転するとき、アーム部５は収縮する。アーム部５が収縮するとき、アーム部５は射出部の後方に引き戻される。引き戻されたアーム部５は、射出部の後方で第１、第２連結コマ列に分離される。分離された第１、第２連結コマ列はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰し、互いに平行に揃った状態で回転軸ＲＡ１に沿って収納部に収納される。
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り、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。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り、この第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される。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を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

第６関節部Ｊ６の回転部下面にはアダプタが設けられる。このアダプタにはエンドエフェクタが取り付けられる。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。

上述したように、本実施形態に係るロボットアーム機構は取っ手を備える。取っ手は、作業員がロボットアーム機構を運搬する際に安定して把持するためのハンドルとして機能するものである。ロボットアーム機構は、その重心位置が支柱部２の中心軸ＲＡ１よりも前方にある。また、ロボットアーム機構の重心位置は、アーム部５の伸縮長と起伏角とにより、さらにエンドエフェクタの重量によっても変動する。そのため、単独の運搬者がロボットアーム機構を安定的に運搬するのに最も好適な姿勢は、支柱部２の後方に立ち、支柱部２を腕全体で抱え込み、支柱部２を胴部に引きつけた状態でロボットアーム機構を持ち上げる姿勢である。この姿勢は、ロボットアーム機構の重心位置の変動を許容し、運搬時の安定性を向上させる。取っ手の形状や位置は、運搬者に対して上記の好適な運搬姿勢を促す、換言すると運搬者が上記の好適な運搬姿勢を自然に誘導することを実現している。

図２に示すように、一対の取っ手２５−１、２５−２は起伏部４の両側に互いに平行に設置される。さらに一対の取っ手２５−１、２５−２は、回転軸ＲＡ３と回転軸ＲＡ１とで規定されるロボットアーム機構の中心面に対して対称の位置に設置される。そして図４に示すように、取っ手２５−１、２５−２は、支柱部２の回転軸ＲＡ１より前方であって、起伏部４及びアーム部５の軸ＲＡ２，ＲＡ３の下方に配置される。さらに、第２関節部Ｊ２の起伏回転軸に負荷がかからないよう、取っ手２５−１、２５−２は支柱部２のフレームに対して構造的に連結された箇所に接続される。

一対の取っ手２５−１、２５−２は一対のサイドフレーム３３−１，３３−２の前方下部にそれぞれ装備される。一対のサイドフレーム３３−１，３３−２は、支柱部上部２−２のフレーム３２上に設置される。一対のサイドフレーム３３−１，３３−２は、第２関節部Ｊ２の回転部をなすドラム体３４を回転軸ＲＡ２周りに回転自在に軸支する。ドラム体３４の内部にはモータがギアボックスとともに固定される。ギアボックスの出力軸（駆動軸）が一方のサイドフレーム３３−１に固定されている。出力軸の回転に伴ってドラム体３４が回転する。ドラム体３４の周面には半径方向にその前方に突出した態様で、上述した第１、第２コマ列を支持する射出部３５が固定されている。ドラム体３４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。一対のサイドフレーム３３−１，３３−２は、硬質製の鞍形のハウジング２３により覆われる。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、取っ手２５−１は略直角二等辺三角形状の板状ハンドルに構成され、その頂角部分が丸められている。板状であること、そして頂角部分が丸められていることは作業員が丸めた手指に取っ手２５−１を前寄り、後ろ寄り、頂角付近など任意の位置で引っ掛けて当該ロボットアーム機構を後方から抱え込み支持する事を可能にしている。勿論、取っ手２５−１は板状ハンドルに限定されることは無く、作業員が握ることを可能にするよう略直角に屈曲した棒体のグリップであってもよい。ここでは板状ハンドルとして説明する。

取っ手２５−１は、サイドフレーム３３−１，３３−２を覆う鞍形のハウジング２３と同一の硬質材、又はサイドフレーム３３−１，３３−２と同じステンレス等の金属で形成される。取っ手２５−１がステンレス等の金属で形成されるとき、取っ手２５−１はサイドフレーム３３−１，３３−２とともにハウジング２３で覆われる。

取っ手２５−１の底辺縁近傍には取り付け孔２５−１Ａ，２５−１Ｂが離間して空けられる。サイドフレーム３３−１の前方下部には、取っ手２５−１の取り付け孔２５−１Ａ，２５−１Ｂを受ける受け孔３３−１Ａ、３３−１Ｂが設けられる。取っ手２５−１の取り付け孔２５−１Ａ，２５−１Ｂをサイドフレーム３３−１の受け孔３３−１Ａ、３３−１Ｂにそれぞれ連通させた状態でネジ等により強固に共締めされる。サイドフレーム３３−１に装着された状態で、取っ手２５−１の前端（底辺に対する２辺のうちの鉛直な一辺の縁）は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に略平行であって、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に略垂直であり、好適には、鞍形のハウジング２３の前端縁に連続する。サイドフレーム３３−１に装着された状態で、取っ手２５−１の下端（底辺に対する２辺のうちの水平な他辺の縁）は、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１と第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とに略垂直であり、好適には、鞍形のハウジング２３の下端縁に連続する。他方の取っ手２５−２は取っ手２５−１と同一の形態、構造を備え、他方のサイドフレーム３３−２に装備される。

以上説明したように、一対の取っ手２５−１、２５−２が、ロボットアーム機構の中心面に対して対称な位置に配設される。取っ手２５−１、２５−２は、支柱部２の円筒のハウジングの表面から前方に向かって突出する。ロボットアーム機構の設置面に対して取っ手２５−１、２５−２の底辺縁は水平であり、側辺縁は鉛直である。運搬者は、支柱部２を後方から抱え込んだ状態で、その腕又は手を取っ手２５−１、２５−２の底辺縁に引っかけることができ、支柱部２を後方から抱え込んだ状態で、一対の取っ手２５−１、２５−２それぞれの頂角付近を手指に引っ掛けて、支柱部２を体に引きつけながら持ち上げることができる。このように一対の取っ手２５−１、２５−２を設けることは、運搬者に対して支柱部２を後方から抱え込んだ姿勢を示唆し、その姿勢に誘導し、ロボットアーム機構を安定して運搬することを実現する。取っ手２５−１、２５−２の頂角部分が丸められていることは、運搬する際のロボットアーム機構のバランスが前後に崩れても、それにあわせた持ち位置を随意に変更することを可能にする。

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、２−１…下部、２−２…上部、４…起伏部、４−１…固定部、４−２…回転部、５…アーム部、６…手首部、２１，２２，２３，２４…ハウジング、２５−１、２５−２…取っ手、３２，３３，３４…フレーム、３５…射出部。

Claims (5)

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、
   前記起伏部の曲げ関節は回転部と前記回転部を回転自在に両側から支持する一対のサイドフレームとを有し、
   前記一対のサイドフレームそれぞれには、前記支柱部の回転軸より前方に位置する取っ手が装備されることを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記取っ手は、前記支柱部の回転軸より前方であって前記起伏部の回転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。
3. 前記取っ手は頂角が丸められた略三角形状の板状体であり、その底辺側において前記サイドフレームに接続され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. 前記取っ手は略直角三角形であり、一辺は前記支柱部の回転軸と前記起伏部の回転軸との略垂直であり、他辺は前記支柱部の回転軸に平行であって前記起伏部の回転軸に略垂直であることを特徴とする請求項３記載のロボットアーム機構。
5. 前記取っ手はグリップ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。

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