JP2019069478A - ロボットアーム機構及び直動伸縮機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアーム機構のメンテナンスの容易性を向上すること。【解決手段】ロボットアーム機構は、基台１に関節部Ｊ１を備えた支柱部２が支持され、支柱部２上には関節部Ｊ２を備えた起伏部４が載置され、起伏部４には直動伸縮性のアーム部５を備えた直動伸縮機構が設けられ、アーム部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。アーム部は、複数の第１コマ５３と複数の第２コマ５４と複数の第１コマの先頭と複数の第２コマの先頭とを結合する先頭ブロック５５とを有する。第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直してアーム部を構成する。先頭ブロックは、手首部が接続されるフランジ５５３と第１、第２コマが接続されるブロック本体５５１とを有し、フランジ５５３はブロック本体５５１と別体で分離可能に構成される。【選択図】 図３

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。

従来から多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。発明者らが実用化した直動伸縮機構は、それを備えた垂直多関節型のロボットアーム機構の肘関節を不要とし、作業員の近傍へのロボットの配置を実現し得る有効な機構である。

直動伸縮機構を構成するアーム部は、例えば、平板形状のコマが屈曲自在に連結されてなるコマ列と溝状体のコマが屈曲自在に連結されてなるコマ列とが互いに接合することにより構成される。アーム部の接合状態は、アーム部の後端がローラユニットにより堅持されることで維持され、このときアーム部は一定の剛性を備える。アーム部を構成する複数のコマは、アーム部が伸縮する度に互いに接触し、またローラにより強固に挟まれるため損傷する可能性があり、定期的に又は損傷する度に交換する必要がある。さらに、第１、第２コマを支持するローラは第１、第２コマよりも表面硬度が低いため、第１、第２コマよりも高い頻度で交換する必要がある。

目的は、ロボットアーム機構のメンテナンスの容易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、基台に旋回回転関節部を備えた支柱部が支持され、前記支柱部上には起伏回転関節部を備えた起伏部が載置され、前記起伏部には直動伸縮性のアーム部を備えた直動伸縮機構が設けられ、前記アーム部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、前記手首部には前記エンドエフェクタの姿勢を変更するための少なくとも一の回転関節部が装備されてなる。前記アーム部は、平板形状の複数の第１コマと断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する先頭ブロックとからなる。前記第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される。前記第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される。前記第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直して前記アーム部を構成し、前記第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰する。前記先頭ブロックは、前記手首部が接続されるフランジと前記第１、第２コマが接続されるブロック本体とを有し、前記フランジは前記ブロック本体と別体で分離可能に構成される。

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２のアーム部の先頭ブロックの構造を示す図である。 図４は、図２の手首部とアーム部との接合部分の構造を示す斜視図である。 図５は、本実施形態に係るロボットアーム機構の効果を説明するための図である。 図６は、本実施形態に係るロボットアーム機構の効果を説明するための他の図である。

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。また、本実施形態に係るロボットアーム機構が装備する直動伸縮機構は単独の機構として使用することができる。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は本実施形態に係る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。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。ロボットアーム機構は、基台１、旋回部２、起伏部、アーム部５及び手首部６を備える。旋回部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には円筒体をなす旋回部２（支柱部）が典型的には鉛直に設置される。旋回部２は旋回回転関節部としての第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は鉛直方向に平行である。旋回部２は下部フレーム２１と上部フレーム２２とを有する。下部フレーム２１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。下部フレーム２１は円筒形状のハウジング３１により覆われる。上部フレーム２２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。上部フレーム２２は円筒形状のハウジング３２により覆われる。第１関節部Ｊ１の回転に伴って下部フレーム２１に対して上部フレーム２２が回転し、それによりアーム部５は水平に旋回する。円筒体をなす旋回部２の内部中空には後述する直動伸縮機構としての第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列５１、５２が収納される。旋回部２の上部には起伏部４が設置される。

起伏部４は起伏回転関節部としての第２関節部Ｊ２を収容する。第２関節部Ｊ２は曲げ回転関節である。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は回転軸ＲＡ１に垂直である。上部フレーム２２上には、一対のサイドフレーム２３が連結される。一対のサイドフレーム２３は鞍形状のハウジング３３により覆われる。一対のサイドフレーム２３にモータハウジングを兼用する第２関節部Ｊ２の回転部としてのドラム体２４が軸支される。ドラム体２４の一端は一方のサイドフレーム２３に回転自在に軸支されている。ドラム体２４の内部にはモータとギアボックスとを備えたモータユニットが固定される。モータユニットの出力軸（駆動軸）が他方のサイドフレーム２３に固定されている。出力軸の回転に伴ってドラム体２４が回転軸ＲＡ２を中心として回転する。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により提供される。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はアーム部５を有する。アーム部５は後述の送り出し機構２５とともに、第３関節部Ｊ３の主要部分を構成する。送り出し機構２５は、円筒形状のハウジング３４により覆われる。送り出し機構２５を覆うハウジング３４の後端とサイドフレーム２３を覆うカバー３３の上端との間は、横断面Ｕ字形状の蛇腹カバー１４（以下、Ｕ字蛇腹カバー１４という）で覆われる。Ｕ字蛇腹カバー１４は、第２関節部Ｊ２の起伏動とともに伸縮し、これにより起伏動に伴う上記間隙の幅の変動に追従する。

アーム部５は第１コマ列５１と第２コマ列５２と先頭ブロック５５とを有する。第１コマ列５１は屈曲自在に連結された複数の第１コマ５３からなる。前後の第１コマ５３は、互いの端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第１コマ５３は略平板形に構成される。第１コマ５３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５３が直線状に整列されたときに隣り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。このリニアギアにドライブギア２９が噛合する。第２コマ列５２は複数の第２コマ５４からなる。第２コマ５４は横断面コ字形状の溝状体をなす。ここでは、第２コマ５４は、その横断面がコ字形状としたが、他の形状、例えばＵ字形状であってもよい。また、第２コマ５４は、その横断面がロ字形状の筒状体であってもよい。前後の第２コマ５４は、底板の端部箇所においてピンにより屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の屈曲は、第２コマ５４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５２は直線的に配列する。詳細は後述するが、先頭ブロック５５は第１コマ列５１のうち先頭の第１コマ５３と、第２コマ列５２のうち先頭の第２コマ５４とを結合する。

送り出し機構２５はドラム体２４の周面に取り付けられる。ドラム体２４の回転に伴って送り出し機構２５は回転し、それにより送り出し機構２５に支持されたアーム部５が起伏する。送り出し機構２５はローラユニット２７とドライバユニット２６とを有し、これらは別体で構成される。ドライバユニット２６がドラム体２４の周面に着脱自在に連結され、ローラユニット２７はドライバユニット２６に対して着脱自在に連結される。ローラユニット２７はアーム部５を上下左右の四方位から強固に且つ移動自在に支持するための複数のローラ３０を備える。ローラ３０は、第１、第２コマ５３、５４を損傷しないために、第１、第２コマ５３、５４のコマ材よりも硬度が低いローラ材製である。例えば、ローラ３０はアルミニウム製又は樹脂製である。一方、第１、第２コマ５３、５４は、ハードアルマイト処理がなされたアルミニウム製である。ドライバユニット２６は、第１コマ５３背面のリニアギアに噛合されるドライブギア２９と、ドライブギア２９とともに第１コマ５３を挟むガイドローラ２８とを備える。ドライブギア２９が順回転するとき、第１コマ５３とともにアーム部５は前方に送り出される。このとき、第１、第２コマ列５１、５２はローラユニット２７を通過する際に互いに押圧されて接合し柱状のアーム部５を構成する。アーム部５の接合状態はアーム部５の後端がローラユニット２７により堅持されることで維持される。接合状態が維持されたアーム部５は直線的剛性を備える。アーム部５は伸縮性を有する横断面ロ字形状の蛇腹カバー１５により覆われる。蛇腹カバー１５の後端は、送り出し機構２５を収納するハウジング３４の前方開口に取り付けられる。蛇腹カバー１５の前端は後述のアーム部５の先端のフランジ５５３の背面に取り付けられる。蛇腹カバー１５は、アーム部５の伸縮軸ＲＡ３に沿った伸縮に伴って、伸縮する。ドライブギア２９が逆回転するとき、第１コマ５３とともにアーム部５は後方に引き戻される。引き戻された第１、第２コマ列５１、５２はローラユニット２７後方で分離される。分離された第１コマ列５１、第２コマ列５２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５１、５２は、ともに同じ方向（内側）に屈曲し、旋回部２の内部に鉛直に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行にほぼ揃った状態で収納される。

先頭ブロック５５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（手先効果器）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。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従前の直動関節と異なる特徴的な点である。

図３は、図２のアーム部５の先頭ブロック５５の構造を示す図である。図４は、図２のアーム部５と手首部６と締結構造を示す斜視図である。先頭ブロック５５の後端には、第１、第２コマ５３，５４が接続され、先頭ブロック５５の先端には手首部６が接続される。先頭ブロック５５はブロック本体５５１とフランジ５５３とから構成される。ブロック本体５５１は角筒状体に構成される。ブロック本体５５１の後方部分は、縦断面Ｌ字形状に構成される。第１コマ列５１の先頭の第１コマ５３は、ブロック本体５５１の後方に突出した部分に屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の先頭の第２コマ５４は、先頭の第１コマ５３に対して前方に、例えば第２コマ５４の長さの１／２長オフセットした位置でブロック本体５５１に屈曲自在に連結される。ブロック本体５５１の前端面には複数のネジ孔５５２が空けられている。複数のネジ孔５５２は、ブロック本体５５１の中心軸を中心とした円周上に等間隔に空けられている。第１、第２コマ列５１、５２が直線状に整列したとき、ブロック本体５５１の側面は第１、第２コマ５３、５４の表面に連続する。

フランジ５５３はブロック本体５５１と別体で分離可能に構成される。フランジ５５３は、板状の円環フレームの背面に短角筒フレームが一体成形されてなる。短角筒フレームの内径は円環フレームのそれよりも短く、円環フレームの内腔（内径部分）に短角筒フレームの前端面が露出する。フランジ５５３には、フランジ５５３をブロック本体５５１に接続するための複数の第１貫通孔５５４とフランジ５５３に手首部６を接続するための複数の第２貫通孔５５５とが空けられている。具体的には、複数の第１貫通孔５５４は、円環フレームの内腔に露出した短角筒フレームの前端面に空けられている。複数の第２貫通孔５５５は、円環フレームの縁近傍に空けられている。複数の第１、第２貫通孔５５４，５５５は、フランジ５５３の中心軸を中心とした半径の異なる２つの円周上にそれぞれ等間隔に配置される。

第１貫通孔５５４とブロック本体５５１のネジ孔５５２とは、フランジ５５３の後端面をブロック本体５５１の前端面に突き合わせ、接合した状態で連続的につながる。この連続的につながった孔に挿入されたネジ５５６により、フランジ５５３はブロック本体５５１に螺着される。フランジ５５３がブロック本体５５１に螺着された状態で、ブロック本体５５１の内腔とフランジ５５３の内腔とは連通する。フランジ５５３の後端面をブロック本体５５１の前端面に突き合わせた状態でブロック本体５５１にフランジ５５３を締結することは、ブロック本体５５１の内腔にフランジ５５３の後端部分を入れ子にした状態でブロック本体５５１にフランジ５５３を締結する場合に比べて、先頭ブロック５５の内径を大きくできる。先頭ブロック５５の内径を大きくすることは、手首部６に収納される第４関節部Ｊ４を駆動するモータユニットを、先頭ブロック５５の内腔に配置することを可能にし、それにより手首部６を小型化できる。しかしながら、これは、ブロック本体５５１の内腔にフランジ５５３の後端部分をさし込んだ状態でブロック本体５５１にフランジ５５３を締結する構造を否定するものではない。ブロック本体５５１の内腔にフランジ５５３（角筒状体）の後端部分をさし込んだ状態でブロック本体５５１にフランジ５５３を締結することにより、フランジ５５３をブロック本体５５１に強固に締結できる。

フランジ５５３には手首部６が装着される。具体的には、手首部６に収納される第４関節部Ｊ４の固定部がフランジ５５３の円環フレームに接続される。第４関節部Ｊ４は、固定部として円筒フレーム５６を備える。円筒フレーム５６の後端外周面には、円環状のフランジ５６１が一体成形されている。円筒フレーム５６後端のフランジ５６１は、先頭ブロック５５のフランジ５５３と同一の大きさ、形状に構成される。また、円筒フレーム５６後端のフランジ５６１には、先頭ブロック５５のフランジ５５３と同じように、複数の貫通孔５６２が空けられている。円筒フレーム５６のフランジ５６１の貫通孔５６２と先頭ブロック５５のフランジ５５３の第２貫通孔５５５とは、円筒フレーム５６の後端面を先頭ブロック５５の前端面に合わせた状態で連続的につながる。この連続的につながった貫通孔に通したボルトをナットで締めることで、手首部６がフランジ５５３に装着される。

なお、フランジ５５３はネジによりブロック本体５５１に締結され、手首部６はボルトとナットとによりフランジ５５３に締結される。ネジを挿入する第１貫通孔５５４は、ボルトが通される第２貫通孔５５５よりも内側に配置される。したがって、第１貫通孔５５４に挿入されたネジ５５６を取り外すためには、手首部６をフランジ５５３から脱着させなければならない。先頭ブロック５５の中空部分の径を大きくするために、フランジ５５３をブロック本体５５１に締結するためのネジ５５６は、手首部６をフランジ５５３に締結するためのボルトに比べて細く、その強度は低い。フランジ５５３から手首部６が脱着された状態でフランジ５５３をブロック本体５５１から脱着させることは、フランジ５５３をブロック本体５５１から脱着する作業中にネジ５５６にかかる荷重を小さくし、これにより作業員によるフランジ５５３の脱着作業を容易にするとともに、ネジ５５６が損傷するリスクを低減する。

上記説明したように、本実施形態に係るロボットアーム機構において、アーム部５の先端の先頭ブロック５５がフランジ５５３とブロック本体５５１とを別体で分離可能に構成される。本実施形態に係るロボットアーム機構の効果について、図５，図６を参照して説明する。図５、図６は、本実施形態に係るロボットアーム機構の効果を説明するための図である。本実施形態に係るロボットアーム機構において、アーム部５を構成する第１、第２コマ５３、５４は、定期的又は損傷する度に交換される。損傷したコマを交換するためには、アーム部５を覆う蛇腹カバー１５を外す必要がある。しかしながら、アーム部５の先端には手首部６を締結するためのフランジ５５３が設けられるため、蛇腹カバー１５をアーム部５の先端から引き抜くためにはフランジ５５３が邪魔となる。従来、先頭ブロック５５はブロック本体５５１とフランジ５５３とが一体に成形されていたため、アーム部５の先端のフランジ５５３をアーム部５から取り外すときには、蛇腹カバー１５を手で押し縮めた状態で、ブロック本体５５１の後方に対してピンにより留められた第１、第２コマ５３、５４を取り外す必要があり、この作業は作業員にとって負担であった。図５に示すように、本実施形態では、先頭ブロック５５はフランジ５５３とブロック本体５５１との別体で構成され、フランジ５５３は、ネジ５５６によりブロック本体５５１に締結される。そのため、作業員はフランジ５５３の前端面のネジ５５６を取り外すだけで、フランジ５５３をブロック本体５５１から脱着でき、これによりアーム部５を覆う蛇腹カバー１５をアーム部５の先端から引き抜くことができる。

また、本実施形態に係るロボットアーム機構のローラユニット２７を構成するローラ３０は、第１、第２コマ５３、５４を損傷しないために、第１、第２コマ５３、５４よりも表面硬度が低い。そのため、ローラユニット２７のローラ３０は第１、第２コマ５３、５４よりも交換頻度が高い。従来、ローラユニット２７を分解して損傷したローラ３０毎に交換作業が行われていた。しかしながら、この作業は作業員にとって負担であった上、多くの時間を費やしていた。上記で説明したように、本実施形態に係るロボットアーム機構は、アーム部５を覆う蛇腹カバー１５とアーム部５の先端のフランジ５５３とを容易に取り外すことができる。これにより、図６に示すように、ローラユニット２７をドライバユニット２６から脱着した状態で、アーム部５の先端から引き抜くことができる。つまり、損傷したローラ３０毎に新しいローラ３０に交換するのではなく、ローラユニット２７を交換することができるようになり、これにより、損傷したローラ３０毎に新しいローラ３０に交換するときに比べて、ダウンタイムを短くできる。
上記説明した本実施形態に係るロボットアーム機構によれば、ロボットアーム機構のメンテナンスを容易にする。

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。

５…アーム部、５３…第１コマ、５４…第２コマ、５５…先頭ブロック、５５１…ブロック本体、５５２…ネジ孔、５５３…フランジ、５５４，５５５…貫通孔、５５６…ネジ。

Claims (6)

1. 基台に旋回回転関節部を備えた支柱部が支持され、前記支柱部上には起伏回転関節部を備えた起伏部が載置され、前記起伏部には直動伸縮性のアーム部を備えた直動伸縮機構が設けられ、前記アーム部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、前記手首部には前記エンドエフェクタの姿勢を変更するための少なくとも一の回転関節部が装備されてなるロボットアーム機構において、
   前記アーム部は、
   平板形状の複数の第１コマと、前記第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される、
   断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、前記第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、前記第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直して前記アーム部を構成し、前記第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰する、
   前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する先頭ブロックとを具備し、
   前記先頭ブロックは、前記手首部が接続されるフランジと前記第１、第２コマが接続されるブロック本体とを有し、前記フランジは前記ブロック本体と別体で分離可能に構成されることを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記ブロック本体は角筒状体に構成され、前記フランジは円環状体に短角筒状体が結合した形状に構成され、前記ブロック本体の前記角筒状体の内腔と前記フランジの前記短角筒状体の内腔とは連通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. 前記フランジの前記短角筒状体の後端面が前記ブロック本体の前記角筒状体の先端面に接合され螺着されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 前記フランジの前記短角筒状体の後端部分が前記ブロック本体の前記角筒状体の内腔に差し込まれ螺着されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
5. 前記フランジの前記円環状体に前記手首部が螺着され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。
6. 平板形状の複数の第１コマと、前記第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される、
   断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、前記第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、前記第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直して柱状体を構成し、前記第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰する、
   前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する先頭ブロックとを具備し、
   前記先頭ブロックは、手首部が接続されるフランジと前記第１、第２コマが接続されるブロック本体とを有し、前記フランジは前記ブロック本体と別体で分離可能に構成されることを特徴とする直動伸縮機構。

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