JP2017132028A - 回転関節機構 - Google Patents

Abstract

【課題】目的は、回転関節機構において、その回転動作を阻害しないで、作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性を回避して安全性の向上を図ることにある。【解決手段】本実施形態に係る回転関節機構は、回転部としてのドラム体３１、回転部３１を回転自在に支持する支持部としてのサイドフレーム３２と、ドラム体３１を覆う硬質の回転部カバー２２と、サイドフレーム３２を覆う硬質の支持部カバー２１と、回転部カバー２１と支持部カバー２２との間隙を覆う中間カバー１４とを有し、中間カバー１４は断面がＵ字形又はコ字形状の蛇腹構造を有する。【選択図】 図７

Description

本発明の実施形態は回転関節機構に関する。

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ロボットの支援のもとで健常者と同様に障害者が作業をすることも可能となり得る。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、不測の方向に突然高速で動くようなことはなく、アームやエンドエフェクタの動きを予測する事ができ、その安全性は非常に高く、安全柵を不要にしてロボットと作業者との協働作業を実現としている。このロボットと作業者とが接近して協働作業をこなす環境では、アームが作業員に衝突する危険性だけでなく、曲げ回転関節の内部構造に作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性も想定される。

目的は、回転関節機構において、その回転動作を阻害しないで、作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性を回避して安全性の向上を図ることにある。

本実施形態に係る回転関節機構は、回転部と、回転部を回転自在に支持する支持部と、回転部を回転自在に支持する支持部と、回転部を覆う硬質の回転部カバーと、支持部を覆う硬質の支持部カバーと、回転部カバーと支持部カバーとの間隙を覆う中間カバーとを有し、中間カバーは断面がＵ字形又はコ字形状の蛇腹構造を有する。

図１は、本実施形態に係る回転関節機構を適用した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側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構を後方から見た斜視図である。 図４は、図１の蛇腹構造のカバーを示す斜視図である。 図５は、図４のカバーの側面図である。 図６は、図４のカバーの装着形態を示す側面図である。 図７は、図４のカバーの装着を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る回転関節機構を説明する。本実施形態に係る回転関節機構は、前方のリンクと後方のリンクとの間を回転自在に接続する。回転関節機構は回転部と、回転部を回転自在に支持する支持部とを有する。支持部の一部分と回転部の一部分とがカバーに覆われる。カバーは断面がＵ字、Ｃ字又はコ字形状の蛇腹構造を有している。カバーは回転部の回転中心軸を中心とする扇形状をなすように蛇腹構造の一端が一方のリンク側に固定され、他端が他方のリンク側に固定されている。本実施形態に係る回転関節機構は各種ロボットアーム機構に適用され得る。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への適用例を説明する。

図１、図２、図３はこの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（移動軸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。

エンドエフェクタは、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部に設けられたアダプタに取り付けられる。この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。

上述したように当該ロボットアーム機構の第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。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第２関節部Ｊ２は固定部（支持部）として一対のサイドフレーム３２を備える。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ドラム体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のフレームの上部に載設される。ドラム体３１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３２に固定されている。出力軸の回転に伴ってドラム体３１が回転する。ドラム体３１にはその周面から半径方向に沿って前方に突き出た態様でラグ体３３が固定される。ドラム体３１はラグ体３３ともに回転部を構成する。ラグ体３３には上述した第１、第２コマ列を支持する射出部３５が設置されている。ドラム体３１が回転すると、それとともに射出部３５も回転し、それにより射出部３５に支持されているアーム部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コマ列はドラム体３１の周面上部を摺動しながら方向転換される。ラグ体３３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。

前後の硬質カバー２１，２２の間隙は中間カバー１４で覆われる。前後のカバー２１，２２は起伏動に伴って接近し、離反する。このカバー２１，２２の接近／離反に伴う間隙の変化に追従するためにカバー１４は図５、図６に示すようにＵ字形（蹄鉄形）の断面を有する柔軟な樹脂製の蛇腹構造１５を有する。蛇腹構造１５は断面コ字形であってもよい。蛇腹構造１５の両端面には同じＵ字形のフランジ１６，１７が装着される。蛇腹構造１５の全て又は一部の山折り部分には、カバー１４の厚み方向の剛性を確保するために補強板（中間板）１８が嵌め込まれている。補強板１８で補強されていることにより蛇腹構造１５が潰れて、ドラム体３１の周面上部を摺動する第１、第２コマ列に干渉することがない。

ラグ体３３と射出部３５を覆うカバー２２の後方内側には、フランジ１６と同寸同形の取り付け部材２４が、回転中心軸ＲＡ２を中心とした半径方向と平行に、且つ回転中心軸ＲＡ２から所定距離だけ半径方向に離間して形成されている。この取り付け部材２４にカバー１４の前端のフランジ１６が接続される。サイドフレーム３２を覆うカバー２１の前方内側にもフランジ１７を取り付けるための取り付け部材２３が、回転中心軸ＲＡ２を中心とした半径方向と平行に、且つ回転中心軸ＲＡ２から同距離だけ半径方向に離間して形成されている。カバー１４は取り付けられた状態で第２関節部Ｊ２の回転中心軸ＲＡ２を中心とする扇形状、より具体的には円弧状の側面形状を成しており、それにより円滑な伸縮が実現されており、回転動作を阻害することもない。

なお、アーム部５が最高位に起き上がった姿勢まで第２関節部Ｊ２が回動したとき、カバー２１，２２は完全に閉じて、それらの間に隙間は無くなることが安全上好ましい。このとき蛇腹カバー１４は最も収縮した状態になる。最も収縮した蛇腹カバー１４の全体をカバー２１、２２の内部に好適に収容できるように、取り付け部材２３はカバー２１の上縁から所定距離だけ下方に奥まった位置に設けられ、同様に取り付け部材２４はカバー２２の後縁から所定距離だけ前方に奥まった位置に設けられている。

このように起伏動に追従して開閉する前後の硬質カバー２１，２２の間隙を蛇腹構造のカバー１４で覆うことにより作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性を回避して安全性の向上を図ることができる。万が一、作業者の手先が蛇腹カバー１４に置かれたとしても、蛇腹構造１５は補強板１８で補強されているので、蛇腹構造１５が潰れることがないため、作業者の手先の関節部Ｊ２のより内側への侵入を抑止することができ、関節の内部構造体に挟まれる危険を回避する事ができる。

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…基台、２…支柱部、４…起伏部、５…アーム部、６…手首部、１４…蛇腹カバー、１５…蛇腹構造、１８…補強板、２１，２２…硬質カバー、３２…サイドフレーム、３１…ドラム体。

Claims (4)

1. 回転部と、前記回転部を回転自在に支持する支持部と、前記回転部を覆う硬質の回転部カバーと、前記支持部を覆う硬質の支持部カバーと、前記回転部カバーと前記支持部カバーとの間隙を覆う中間カバーとを有し、
   前記中間カバーは断面がＵ字形又はコ字形状の蛇腹構造を有することを特徴とする回転関節機構。
2. 前記中間カバーは前記回転部の回転中心軸を中心とする扇形状又は円弧形状をなすように前記回転部カバーと前記支持部カバーとに装着されることを特徴とする請求項１記載の回転関節機構。
3. 前記中間カバーの蛇腹構造の全て又は一部の山折り部分には断面がＵ字形又はコ字形状の補強板が装着されることを特徴とする請求項１記載の回転関節機構。
4. 前記中間カバーの両端は前記回転部カバーと前記支持部カバーそれぞれの内側に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の回転関節機構。

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