JP2018167365A - ロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】アーム先端が任意の角度および位置となるように正確に素早く動作させることができ、軽量かつコンパクトで、配線が容易なロボットアームを提供する。【解決手段】ロボットアームＲＡは、上腕部１と前腕部２とを有する。上腕部１は、上腕基端部材１２に対して上腕先端部材１３が任意方向に姿勢変更可能に支持される。前腕部２は、上腕先端部材１３に前腕基端部材７０が結合され、この前腕基端部材７０に対して前腕先端部材７１が、姿勢を一定に保ったまま、前腕基端部材７０の軸心方向の相互距離を変更可能、かつ前腕基端部材７０の軸心と直交する任意の方向に移動可能に支持されている。【選択図】図１

Description

この発明は、産業用ロボット等に用いられるロボットアームに関する。

特許文献１、２に、ロボットアームに関する提案がなされている。特許文献１に記載のロボットが具備するロボットアームは、複数の構造体を直列に並べた多軸ロボットアームであって、各関節にそれぞれアクチュエータが設けられている。特許文献２には、多軸ロボットアームを天井に吊り下げて使用することが記載されている。

また、特許文献３には、複数のリンクを組み合わせて構成され、固定プレートに対して出力プレートが進退可能かつ平行移動可能なロボットアームが提案されている。さらに特許文献４には、基端側のリンクハブと先端側のリンクハブを４節連鎖の３組以上のリンク機構を介して連結し、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を変更可能なパラレルリンク機構が記載されている。

特許第５４９９６７号公報 特許第５８１０８３号公報 特開２０１５−２２９１９８号公報 特開２０１６−１５３１５９号公報

特許文献１、２に記載の多軸ロボットアームは、各関節にそれぞれアクチュエータが設けられているため、アームの先端側の重量が重く、素早い動作が難しかった。また、重量の重いアームの先端側を支えるために、アーム全体の剛性を高くする必要があり、全体的に大型で大重量となる。このため、特許文献２のように天井に吊り下げて使用する場合、多軸ロボットアームを支持する構造物も頑丈にする必要がある。さらに、多軸ロボットアームは、各関節に設けられるアクチュエータやセンサ類へ配線をする必要があり、これらの配線がアーム各部と干渉しないように配置することが難しい。

この発明の目的は、アーム先端が任意の角度および位置となるように正確に素早く動作させることができ、軽量かつコンパクトで、配線が容易なロボットアームを提供することである。

この発明のロボットアームは、上腕部と前腕部とを有し、前記上腕部は、上腕基端部材に対して上腕先端部材が任意方向に姿勢変更可能に支持され、前記前腕部は、前記上腕先端部材に前腕基端部材が結合され、この前腕基端部材に対して前腕先端部材が、姿勢を一定に保ったまま、前記前腕基端部材の軸心方向の相互距離を変更可能、かつ前記前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動可能に支持されていることを特徴とする。

この構成のロボットアームは、例えば、上腕部の上腕基端部材を任意の支持体に固定し、前腕部の前腕先端部材にエンドエフェクタを取り付けて使用される。その場合、上腕基端部材に対して上腕先端部材を任意の方向に姿勢変更することでエンドエフェクトの姿勢が変更され、前腕基端部材に対して前腕先端部材を、姿勢を一定に保ったまま、前腕基端部材の軸心方向の相互距離を変更し、かつ前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動させることでエンドエフェクトの位置が変更される。このように、姿勢を変更する動作と位置を変更する動作を上腕部と前腕部で別々に行わせることにより、動きが簡明となり、エンドエフェクタが任意の角度および位置となるように素早く動作させることができる。

上腕部および前腕部は、共に一つのユニットとして構成されていて軽量化を図れるため、複数の構造体がそれぞれ関節を介して組み合わされている構成に比べて、全体を軽量かつコンパクトにすることができる。また、上腕部および前腕部を駆動するアクチュエータをそれぞれの基端に配置することにより、各アクチュエータへの配線を短くでき、配線が容易になる。

この発明において、前記上腕部は、前記上腕基端部材に対し前記上腕先端部材が３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記上腕基端部材および前記上腕先端部材に一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記上腕基端部材に対して前記前腕先端部材の姿勢を任意に変更させる上腕アクチュエータが前記上腕基端部材に設けられているとよい。

上腕部が上記構成であると、上腕基端部材と、上腕先端部材と、３組以上のリンク機構とで、上腕基端部材に対し上腕先端部材が直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、上腕先端部材の可動範囲を広くとれる。３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に上腕アクチュエータを設けることで、上腕先端部材の姿勢を確定することができる。上腕アクチュエータが、上腕部における最も基端側に位置する部材である上腕基端部材に設けられているため、ロボットアームの先端側の重量増加を招くことがなく、駆動力を低く抑えることができる。

前記上腕アクチュエータは、前記上腕基端部材に対する前記基端側の端部リンク部材の回転角度を変更させるものであってもよい。
上腕アクチュエータは、リンク機構を構成する基端側の端部リンク部材、中央リンク部材、および先端側の端部リンク部材のどれを上腕基端部材に対して回転させてもよい。これら各リンク部材のうち最も上腕基端部材に近い基端側の端部リンク部材を回転させることで、機構を最もコンパクトにすることができる。

この発明において、前記前腕部は、前腕先端部材を、姿勢を一定に保ったまま、前記前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動させる前腕アクチュエータが、前記前腕基端部材または前記上腕先端部材に設けられているとよい。
前腕アクチュエータを、前腕部における最も基端側の位置する部材である前腕基端部材、またはこの前腕基端部材に固定の上腕先端部材に設けることにより、ロボットアームの先端側の重量増加を招かずに、駆動力を低く抑えることができる。また、配線も容易となる。

この発明において、前記上腕部の前記上腕基端部材を１軸周りに回転させる回転機構が設けられていてもよい。
回転機構を設けることで、上腕部および前腕部を１軸周りに回転させることができるようになり、より多様な動作が可能となる。

この発明のロボットアームは、上腕部と前腕部とを有し、前記上腕部は、上腕基端部材に対して上腕先端部材が任意方向に姿勢変更可能に支持され、前記前腕部は、前記上腕先端部材に前腕基端部材が結合され、この前腕基端部材に対して前腕先端部材が、姿勢を一定に保ったまま、前記前腕基端部材の軸心方向の相互距離を変更可能、かつ前記前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動可能に支持されているため、エンドエフェクタが取り付けられるアーム先端が任意の角度および位置となるように正確に素早く動作させることができ、軽量かつコンパクトで、配線が容易である。

この発明の一実施形態にかかるロボットアームが中立位置にある状態を示す正面図である。 同ロボットアームが異なる動作位置にある状態を示す正面図である。 同ロボットアームがさらに異なる動作位置にある状態を示す正面図である。 同ロボットアームの上腕部の一部を省略した正面図である。 （Ａ）は図４のＶ−Ｖ断面図、（Ｂ）はその部分拡大図である。 同上腕部のパラレルリンク機構の１つのリンク機構を直線で表現した図である。 同ロボットアームの前腕部の一例の機構を直線で表現した図である。

以下、図面と共にこの発明の実施形態を説明する。
図１〜図３は、この発明の一実施形態に係るロボットアームのそれぞれ異なる状態を示す正面図である。このロボットアームＲＡは、上腕部１と前腕部２とを備え、上腕部１が上側になるように吊り下げ状態に設置されている。具体的には、地面から高い位置に設けられたハウジング１００の下面に複数のボルト１０１によって支持体１０２が固定され、この支持体１０２に複数のボルト１０３とナット１０４によって回転機構３が固定されている。そして、回転機構３の回転部３ａに上腕部１が支持されている。回転部３ａは、回転アクチュエータ３ｂの出力軸に取り付けられている。回転機構３により、上腕部１および前腕部２が鉛直方向の軸心Ｏ１周りに回転させられる。軸心Ｏ１は、後述する基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと同軸上に位置する。

［上腕部］
上腕部１は、前記回転機構３の回転部３ａに固定された基端側のリンクハブ１２と、前腕部２の後記前腕基端部材７０が固定させる先端側のリンクハブ１３とを有し、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３が任意の方向に姿勢変更可能な構成である。基端側のリンクハブ１２は請求項で言う「上腕基端部材」に相当し、先端側のリンクハブ１３は請求項で言う「上腕先端部材」に相当する。

図４に示すように、上腕部１は、パラレルリンク機構１０と、このパラレルリンク機構１０を作動させる上腕アクチュエータ１１とで構成される。パラレルリンク機構１０は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結してなる。なお、図４では、１組のリンク機構１４のみが示されている。リンク機構１４の数は、４組以上であってもよい。

各リンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６はＬ字状をなし、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３に回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構１０は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構造であって、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶、および端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、ある交差角γを持っていてもよいし、平行であってもよい。

図５は図４のＶ−Ｖ断面図であって、同図に、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ１と、中央リンク部材１７と基端側の端部リンク部材１５の各回転対偶の中心軸Ｏ２と、基端側の球面リンク中心ＰＡとの関係が示されている。つまり、中心軸Ｏ１と中心軸Ｏ２とが交差する点が球面リンク中心ＰＡである。先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６の形状ならびに位置関係も図５と同様である（図示せず）。図の例では、リンクハブ１２（１３）と端部リンク部材１５（１６）との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材１５（１６）と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であってもよい。

３組のリンク機構１４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図６に示すように、各リンク部材１５，１６，１７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材１７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図６は、一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のパラレルリンク機構１０は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。各中央リンク部材１７の中央部は、共通の軌道円Ｄ上に位置している。

基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸回りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の可動範囲を広くとれる。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶の中心軸Ｏ１（図５）と直角に交わる直線をリンクハブ１２，１３の中心軸ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの折れ角θ（図６）の最大値を約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φ（図６）を０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。

基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢変更は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢとの交点Ｏを回転中心として行われる。図１は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある状態を示し、図２、図３は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが或る作動角をとった状態を示す。姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｌ（図６）は変化しない。

各リンク機構１４が次の各条件を満たす場合、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。よって、パラレルリンク機構１０は、基端側から先端側へ回転伝達を行う場合、基端側と先端側は同じ回転角になって等速で回転する等速自在継手として機能する。
条件１：各リンク機構１４におけるリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との回転対偶の中心軸Ｏ１の角度および長さが互いに等しい。
条件２：リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との回転対偶の中心軸Ｏ１および端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との回転対偶の中心軸Ｏ２が、基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差する。
条件３：基端側の端部リンク部材１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しい。
条件４：中央リンク部材１７における基端側部分と先端側部分の幾何学的形状が等しい。
条件５：中央リンク部材１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６との角度位置関係が基端側と先端側とで同じである。

図４に示すように、基端側のリンクハブ１２は、平板状の基端部材２０と、この基端部材２０と一体に設けられた３個の回転軸連結部材２１とで構成される。図５に示すように、基端部材２０は中央部に円形の貫通孔２０ａを有し、この貫通孔２０ａの周囲に３個の回転軸連結部材２１が円周方向に等間隔で配置されている。貫通孔２０ａの中心は、基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡ（図４）上に位置する。各回転軸連結部材２１には、軸心が基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと交差する回転軸２２が回転自在に連結されている。この回転軸２２に、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。

一つの基端側の端部リンク部材１５およびその両端周辺部を拡大した図５（Ｂ）に示すように、回転軸２２は、大径部２２ａ、小径部２２ｂ、および雄ねじ部２２ｃを有し、小径部２２ｂで２個の軸受２３を介して回転軸連結部材２１に回転自在に支持されている。軸受２３は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。これらの軸受２３は、回転軸連結部２１に設けられた内径溝２４に嵌合状態で設置され、圧入、接着、加締め等の方法で固定されている。他の回転対偶部に設けられる軸受の種類および設置方法も同様である。

回転軸２２は、大径部２２ａで後記減速機構６２の出力軸６２ａに同軸上に配置される。その配置構造については、後で説明する。また、回転軸２２には、この回転軸２２と一体に回転するように、基端側の端部リンク部材１５の一端が連結される。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の一端に形成された切欠き部２５内に回転軸連結部材２１を配置し、回転軸２２の小径部２２ｂを、基端側の端部リンク部材１５の一端における前記切欠き部２５の両側部分である内外一対の回転軸支持部２６，２７にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受２３の内輪に挿通してある。そして、回転軸２２の大径部２２ａの外周に嵌合するスペーサ２８を介し、基端側の端部リンク部材１５と減速機構６２の出力軸６２ａとをボルト２９で固定すると共に、外側の回転軸支持部２７よりも突出した回転軸２２の雄ねじ部２２ｃにナット３０を螺着してある。軸受２３の内輪と一対の回転軸支持部２６，２７との間に、スペーサ３１，３２を介在させてあり、ナット３０を螺着時に軸受２３に予圧を付与する構成である。

基端側の端部リンク部材１５の他端には、中央リンク部材１７の一端に回転自在に連結された回転軸３５が連結される。この中央リンク部材１７の回転軸３５は、リンクハブ１２の回転軸２２と同様に、大径部３５ａ、小径部３５ｂ、および雄ねじ部３５ｃを有し、小径部３２ｂで２個の軸受３６を介して中央リンク部材１７の一端に回転自在に支持されている。すなわち、基端側の端部リンク部材１５の他端に形成された切欠き部３７内に中央リンク部材１７の一端を配置し、回転軸３５の小径部３５ｂを、基端側の端部リンク部材１５の他端における前記切欠き部３７の両側部分である内外一対の回転軸支持部３８，３９にそれぞれ形成された貫通孔、および軸受３６の内輪に挿通してある。そして、外側の回転軸支持部３９よりも突出した回転軸３５の雄ねじ部３５ｃにナット４０を螺着してある。軸受３６の内輪と一対の回転軸支持部３８，３９との間に、スペーサ４１，４２を介在させてあり、ナット４０を螺着時に軸受３６に予圧を付与する構成である。

図４に示すように、先端側のリンクハブ１３は、平板状の先端部材５０と、この先端部材５０の内面に円周方向等配で設けられた３個の回転軸連結部材５１とで構成される。先端部材５０も、基端部材２０と同様に円形の貫通孔（図示せず）を有する。各回転軸連結部材５１が配置される円周の中心は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸連結部材５１は、軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する回転軸５２が回転自在に連結されている。この先端側のリンクハブ１３の回転軸５２に、先端側の端部リンク部材１６の一端が連結される。先端側の端部リンク部材１６の他端には、中央リンク部材１７の他端に回転自在に連結された回転軸５５が連結される。先端側のリンクハブ１３の回転軸５２および中央リンク部材１７の回転軸５５も、前記回転軸３５と同じ形状であり、かつ２個の軸受（図示せず）を介して回転軸連結部材５１および中央リンク部材１７の他端にそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構１０を作動させる上腕アクチュエータ１１は、減速機構６２を備えたロータリアクチュエータであり、基端側のリンクハブ１２の基端部材２０の下面に、前記回転軸２２と同軸上に設置されている。上腕アクチュエータ１１と減速機構６２は一体に設けられ、モータ固定部材６３により減速機構６２が基端部材２０に固定されている。この実施形態では、３組のリンク機構１４のすべてに上腕アクチュエータ１１が設けられている。ただし、３組のリンク機構１４のうち少なくとも２組に上腕アクチュエータ１１を設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

図５（Ｂ）において、減速機構６２はフランジ出力であって、大径の出力軸６２ａを有する。出力軸６２ａの先端面は、出力軸６２ａの中心線と直交する平面状のフランジ面６４となっている。出力軸６２ａは、前記スペーサ２８を介して、基端側の端部リンク部材１５の回転軸支持部２６にボルト２９で接続されている。前記回転軸２２の大径部２２ａが、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部を構成し、この大径部２２ａが、減速機構６２の出力軸６２ａに設けられた内径溝６７に嵌っている。

［前腕部］
図１〜図３において、前記前腕部２は、上腕部１の上腕先端部材である先端側のリンクハブ１３に固定される前腕基端部材７０と、この前腕基端部材７０と離れて位置する前腕先端部材７１と、前腕基端部材７０に対して前腕先端部材７１を伸縮および平行移動させる伸縮・平行移動機構７２とを備える。「伸縮および平行移動させる」とは、詳しくは、前腕基端部材７０に対して前腕先端部材７１を、姿勢を一定に保ったまま、前腕基端部材７０の軸心Ｏ２の方向の相互距離を変更し、かつ前記軸心Ｏ２と直交する任意方向に移動させることである。前腕基端部材７０の軸心Ｏ２は、先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢと同軸線上にある。伸縮・平行移動機構７２を駆動する前腕アクチュエータ７３は、図１に示すように前腕基端部材７０または先端側のリンクハブ１３に設けられる。なお、図２、図３では、前腕アクチュエータ７３の図示が省略されている。

前記伸縮・平行移動機構７２としては、例えば図７に示す構成を採用することができる。図７に示す伸縮・平行移動機構７２は、前腕基端部材７０と前腕先端部材７１とが、複数（図示例は３つ）の連結機構７４を介して連結されている。連結機構７４の数は４つ以上であってもよい。各連結機構７４は、基端アーム７５、中間アーム７６、および先端アーム７７を有し、さらに前記基端アーム７５と前記中間アーム７６とを連結する第一連結部７８、および前記中間アーム７６と前記先端アーム７７とを連結する第二連結部７９を有する。

各連結機構７４の基端アーム７５は、それぞれ前腕基端部材７０の中心Ｃ１から等距離の箇所、つまり同一円周上に、回転軸心Ｌ１の周りに回転自在に設けられている。回転軸心Ｌ１は、前記中心Ｃ１を通る直線である。

各連結機構７４の中間アーム７６は、その中央部が、それぞれ前腕基端部材７０と前腕先端部材７１との間に位置する中間プレート８０の中心Ｃ２から等距離の箇所、つまり同一円周上に、回転軸心Ｌ２の周りに回転自在に設けられている。回転軸心Ｌ２は、前記中心Ｃ２を通る直線である。

各連結機構７４の先端アーム７７は、それぞれ前腕先端部材７１の中心Ｃ３から等距離の箇所、つまり同一円周上に、回転軸心Ｌ３の周りに回転自在に設けられている。回転軸心Ｌ３は、前記中心Ｃ３を通る直線である。

第一連結部７８は、互いに回転自在な基端側連結体７８ａと中間側連結体７８ｂとからなる。そして、基端側連結体７８ａと基端アーム７５とが、互いに回転自在に連結されている。また、中間側連結体７８ｂと中間アーム７６とが、互いに回転自在に連結されている。基端側連結体７８ａと基端アーム７５の回転軸心、および中間側連結体７８ｂと中間アーム７６の回転軸心は、共に基端側連結体７８ａと中間側連結体７８ｂの回転軸心に対して直交している。

第二連結部７９は、互いに回転自在な中間側連結体７９ａと先端側連結体７９ｂとからなる。そして、中間側連結体７９ａと中間アーム７６とが、互いに回転自在に連結されている。また、先端側連結体７８ｂと先端アーム７７とが、互いに回転自在に連結されている。中間側連結体７９ａと中間アーム７６の回転軸心、および先端側連結体７９ｂと先端アーム７７の回転軸心は、共に中間側連結体７９ａと先端側連結体７９ｂの回転軸心に対して直交している。

この構成によると、３つの回転軸心を有する第一連結部７８を介して基端アーム７５と中間アーム７６とを連結したことにより、伸縮・平行移動機構７２が動作しても、各基端アーム７５の先端側の自由端を結ぶ仮想円と、各中間アーム７６の基端側の自由端を結ぶ仮想円とが平行に維持される。同様に、先端アーム７７と中間アーム７６とを第二連結部７９を介して連結したことにより、各先端アーム７７の基端側の自由端を結ぶ仮想円と、各中間アーム７６の先端側の自由端を結ぶ仮想円とが平行に維持される。また、各中間アーム７６の基端側の自由端と先端側の自由端は、常に中間プレート８０の中心Ｃ２に対して点対称の位置にあるため、各中間アーム７６の基端側の自由端を結ぶ仮想円と、中間アーム７６の基端側の自由端を結ぶ仮想円とが平行に維持される。

各前腕アクチュエータ７３により、各基端アーム７５を回転軸心Ｌ１の周りにそれぞれ同じ角度だけ回転させると、各基端アーム７５の先端側の自由端を結ぶ仮想円は、前腕基端部材７０に対して姿勢を変えずに、径が変化すると共に、前腕基端部材７０からの距離が変化する。この動きは、中間アーム７６および先端アーム７７にも伝えられる。この結果、前腕基端部材７０に対して前腕先端部材７１が、姿勢を一定に保ったまま、前腕基端部材７０の軸心Ｏ２の方向の相互距離を変更する。つまり、前腕先端部材７１が、姿勢を変えずに伸縮する。

各前腕アクチュエータ７３により、各基端アーム７５を回転軸心Ｌ１の周りにそれぞれ角度を変えて回転させると、各基端アーム７５の先端側の自由端を結ぶ仮想円は、前腕基端部材７０に対して姿勢を変える。しかし、各基端アーム７５の先端側の自由端を結ぶ仮想円と、各先端アーム７６の基端側の自由端とは平行に保たれるため、前腕基端部材７０に対して前腕先端部材７１が、姿勢を一定に保ったまま、前腕基端部材７０の軸心Ｏ２と直交する方向に移動する。

［作用］
この構成のロボットアームＲＡは、例えば、図１〜図３のように支持体１０２に吊り下げ状態に設置され、前腕部２の前腕先端部材７１に作業用のエンドエフェクタＥＥが取り付けられる。そして、回転機構３の回転アクチュエータ３ｂ、上腕アクチュエータ１１、および前腕アクチュエータ７３にそれぞれ電力を供給する電気配線（図示せず）、並びにこれらのアクチュエータ３ｂ，１１，７３の近傍に設置されるセンサ類への電気配線（図示せず）が、ハウジング１００の側から引かれている。また、エンドエフェクタＥＥには、動作部を駆動するための電気配線または圧縮エア供給用のエアホース（図示せず）が、ハウジング１００の側から引かれている。

前記電気配線やエアホースを上腕部１の基端側および先端側のリンクハブ１２，１３に設けられた貫通孔２０ａに通して設けることで、ハウジング１００から離れて位置する前腕アクチュエータ６３やエンドエフェクタＥＥについても、上腕部１や前腕部２の動作に邪魔にならないように電気配線やエアホースを設けることができる。前腕部２が、内部に前腕基端部材７０から前腕先端部材７１に連なる空間部を有すると、エンドエフェクタへの電気配線やエアホースをより一層容易に設けることができる。

作業に際しては、上腕アクチュエータ１１の駆動により上腕部１の先端側のリンクハブ１３の姿勢を変更することでエンドエフェクトＥＥの姿勢を変更すると共に、前腕アクチュエータ７３の駆動により前腕部２の前腕先端部材７２を伸縮および平行移動させることでエンドエフェクトＥＥの位置を変更する。

図１はロボットアームＲＡが中立位置にある状態を示す。このとき、上腕部１は、上腕基端部材である基端側のリンクハブ１２の中心軸ＱＡと、上腕先端部材である先端側のリンクハブ１３の中心軸ＱＢが同一線上にある。前腕部２は、前腕基端部材７０の軸心Ｏ２と前腕基端部材７１の軸心Ｏ３が同一線上にある。
図２は、図１の中立状態から、上腕部１の先端側のリンクハブ１３が姿勢変更すると共に、前腕部２の前腕先端部材７１が図の右方向に平行移動した状態を示す。このとき、前腕基端部材７０の軸心Ｏ２と前腕基端部材７１の軸心Ｏ３は互いに平行である。
図３は、図１の中立状態から、上腕部１の先端側のリンクハブ１３が姿勢変更すると共に、前腕部２の前腕先端部材７１が前腕基端部材７０から離れる方向へ移動した状態を示す。前腕先端部材７１の姿勢は変化しない。

このように、上腕部１による姿勢を変更する動作と、前腕部２による位置を変更する動作を別々に行わせることにより、動きが簡明となり、エンドエフェクタＥＥが任意の角度および位置となるように素早く動作させることができる。また、この実施形態の場合、回転機構３が設けられているため、上腕部１および前腕部２を鉛直方向の軸心Ｏ１周りに回転させることができ、より多様な動作が可能である。

上腕部１および前腕部２は、共に一つのユニットとして構成されていて軽量化が図れるため、複数の構造体がそれぞれ関節を介して組み合わされている構成に比べて、全体を軽量かつコンパクトにすることができる。また、上腕部１および前腕部２を駆動するアクチュエータ１１，７３をそれぞれの基端に配置されているため、各アクチュエータ１１，７３への配線の長さを短くでき、配線が容易になる。

上腕部１は、基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３を４節連鎖の３組以上のリンク機構１４を介して連結した構成としたことにより、コンパクトでありながら角度変更の可動範囲を広くとれる。上腕アクチュエータ１１は、上腕部１における最も基端側の位置する部材である基端側のリンクハブ１２に設けられているため、ロボットアームＲＡの先端側の重量増加を招くことがなく、駆動力を低く抑えることができる。

また、この実施形態では、上腕アクチュエータ１１は、基端側のリンクハブ１２に対する基端側の端部リンク部材１５の回転角度を変更させるように構成されている。上腕アクチュエータ１１は、リンク機構１４を構成する基端側の端部リンク部材１５、中央リンク部材１７、および先端側の端部リンク部材１６のどれを回転させてもよいが、これら各リンク部材１５，１６，１７のうち最も基端側のリンクハブ１２に近い基端側の端部リンク１５を回転させることで、機構を最もコンパクトにすることができる。

上腕部１と同様に、前腕部２の前腕アクチュエータ７２が、前腕部１における最も基端側の位置する部材である前腕基端部材７０に設けられているため、ロボットアームＲＡの先端側の重量増加を招かずに、駆動力を低く抑えることができる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…上腕部
２…前腕部
３…回転機構
１１…上腕アクチュエータ
１２…基端側のリンクハブ（上腕基端部材）
１３…先端側のリンクハブ（上腕先端部材）
１４…リンク機構
１５…基端側の端部リンク部材
１６…先端側の端部リンク部材
１７…中央リンク部材
７０…前腕基端部材
７１…前腕先端部材
７２…前腕アクチュエータ
ＲＡ…ロボットアーム

Claims (5)

1. 上腕部と前腕部とを有し、前記上腕部は、上腕基端部材に対して上腕先端部材が任意方向に姿勢変更可能に支持され、前記前腕部は、前記上腕先端部材に前腕基端部材が結合され、この前腕基端部材に対して前腕先端部材が、姿勢を一定に保ったまま、前記前腕基端部材の軸心方向の相互距離を変更可能、かつ前記前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動可能に支持されていることを特徴とするロボットアーム。
2. 請求項１に記載のロボットアームにおいて、前記上腕部は、前記上腕基端部材に対し前記上腕先端部材が３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結され、前記各リンク機構は、それぞれ前記上腕基端部材および前記上腕先端部材に一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とを有し、前記３組以上のリンク機構のうちの２組以上のリンク機構に前記上腕基端部材に対して前記前腕先端部材の姿勢を任意に変更させる上腕アクチュエータが前記上腕基端部材に設けられているロボットアーム。
3. 請求項２に記載のロボットアームにおいて、前記上腕アクチュエータは、前記上腕基端部材に対する前記基端側の端部リンク部材の回転角度を変更させるロボットアーム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、前記前腕部は、前腕先端部材を、姿勢を一定に保ったまま、前記前腕基端部材の軸心と直交する任意の方向に移動させる前腕アクチュエータが、前記前腕基端部材または前記上腕先端部材に設けられているロボットアーム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のロボットアームにおいて、前記上腕部の前記上腕基端部材を１軸周りに回転させる回転機構が設けられたロボットアーム。

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