JP2019111586A - 回転関節機構 - Google Patents

Abstract

【課題】目的は、回転関節機構の小型軽量化を実現しながらモータ等内部構造のメンテナンス性を向上することにある。【解決手段】本実施形態に係る回転関節機構は、貴台１には回転台座２０１を介して回転自在に回転体（円環体２０２、円筒体２１１）が支持される。回転関節機構は、回転体２０２を回転する動力を発生するモータユニット２１２を有する。モータユニット２１２は、回転体２０２の円筒体２１１に収容され、モータユニットの出力軸２１３が基台１に固定される。【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回転関節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い。

回転関節機構は、固定部に対して可動部が回転自在に支持されてなり、可動部にモータにより発生された回転動力が可動部に伝達されることにより回転する。一般に、モータは、固定部に対して固定され、その出力軸と可動部との間に、モータの回転動力を可動部に伝達するための伝達機構が介在されていた。しかしながら、伝達機構を設けることは、回転関節機構の小型化及び軽量化を困難にする。

目的は、回転関節機構の小型軽量化を実現しながらモータ等内部構造のメンテナンス性を向上することにある。

本実施形態に係る回転関節機構は、固定部と、固定部に回転自在に支持される回転部と、回転部を回転する動力を発生するモータユニットとを具備する。モータユニットは回転部に固定され、モータユニットの出力軸が固定部に固定される。

図１は、本実施形態に係る回転関節機構の外観を示す斜視図である。 図２は、図１の回転関節機構の内部構造を示す側面図である。 図３は、図１の回転関節機構の構成を図記号表現により示す図である。 図４は、図１の支柱部のカバーを外して回転関節部の構造を示す斜視図である。 図５は、図４の上部フレームを外した状態の平面図である。 図６は、図５の回転体を外した状態の平面図である。 図７は、図４の断面図である。

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として、ここでは直動伸縮機構を備えた垂直多関節型の回転関節機構を説明するが、他のタイプの回転関節機構であってもよい。

図１は本実施形態に係る垂直多関節型の回転関節機構の斜視図である。図２は回転関節機構の内部構造を示す側面図である。当該回転関節機構の基台１には円筒体をなす支柱部２が典型的には鉛直に設置される。支柱部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。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は下部カバー１２、上部２−２は上部カバー１３によりそれぞれ覆われる。上部２−２には、上部カバー１３の内部に上部フレーム２３が設けられる。上部フレーム２３は、第１関節部Ｊ１の回転部としての回転体２０２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（上部フレーム２３）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コマ列５１及び第２コマ列５２が収納される。また、上部フレーム２３の内部中空には、関節部を動作させるためのモータ（図示せず）を駆動するモータドライバ２４が実装される。モータドライバ２４は、上部フレーム２３の内部中空を通じて、各モータと電気的に接続される。モータドライバ２４は、ロボット制御装置（図示せず）の制御に基づいてモータを駆動する。支柱部２の上部２−２には起伏回転関節部としての第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。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は回転軸ＲＡ１に垂直である。起伏部４は、第２関節部Ｊ２の固定部（支持部）としての一対のサイドフレーム５７を有する。一対のサイドフレーム５７は、上部フレーム２３に連結される。一対のサイドフレーム５７は、鞍形形状のカバー１５により覆われる。一対のサイドフレーム５７にモータハウジングを兼用する第２関節部Ｊ２の回転部としての円筒体６０が支持される。円筒体６０の周面には、送り出し機構５６が取り付けられる。送り出し機構５６は円筒形状のカバー１６により覆われる。送り出し機構５６は、複数のローラ５９、ドライブギア６４、ガイドローラ６９を支持する。円筒体６０の軸回転に伴って送り出し機構５６は回動し、送り出し機構５６に支持されたアーム部５が起伏する。鞍形カバー１５と円筒カバー１６との間の間隙は断面Ｕ字形状のＵ字蛇腹カバー１４により覆われる。Ｕ字蛇腹カバー１４は、第２関節部Ｊ２の起伏動に追従して伸縮する。

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、可動範囲の観点でいわゆる従来の直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３のアーム部５は屈曲自在であるが、中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿ってアーム部５の根元の送り出し機構５６から前方に送り出されるときには屈曲が制限され、直線的剛性が確保される。アーム部５は後方に引き戻されるときには屈曲が回復される。アーム部５は第１コマ列５１と第２コマ列５２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。第１コマ５３は略平板形に構成される。前後の第１コマ５３は、互いの端部箇所で連結ピンにより屈曲自在に連結される。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Ｕ字形状の溝状体又は断面ロ字形状の筒状体をなす。ここでは、第２コマ５４は筒状体とする。第２コマ５４は底板端部箇所で連結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。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とは結合コマ５５により接続される。例えば、結合コマ５５は第１コマ５３と第２コマ５４とを合成した形状を有している。

第１コマ列５１及び第２コマ列５２は、送り出し機構５６の複数のローラ５９の間を通過する際に互いに押圧されて接合する。接合により第１コマ列５１及び第２コマ列５２は直線的剛性を発揮し、柱状のアーム部５を構成する。ローラ５９の後方にはドライブギア６４がガイドローラ６９とともに配置される。ドライブギア６４は図示しない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５３の内側の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６４はガイドローラ６９に押圧された第１コマ５３のリニアギアに噛み合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギア６４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６４が順回転するとき第１コマ列５１及び第２コマ列５２はローラ５９から前方に送り出される。ドライブギア６４が逆回転するとき第１コマ列５１及び第２コマ列５２は、ローラ５９の後方に引き戻される。引き戻された第１コマ列５１及び第２コマ列５２は、ローラ５９とドライブギア６４との間で分離される。分離された第１コマ列５１及び第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コマ列５１及び第２コマ列５２は、ともに同じ方向（内側）に屈曲し、支柱部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。

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（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。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は回転関節機構の構成を図記号表現により示している。回転関節機構において、根元３軸を構成する第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とにより３つの位置自由度が実現される。また、手首３軸を構成する第４関節部Ｊ４と第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とにより３つの姿勢自由度が実現される。図３に示すように、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１は鉛直方向に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は水平方向に設けられる。第２関節部Ｊ２は第１関節部Ｊ１に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１には交差しない。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第３関節部Ｊ２は第２関節部Ｊ２に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第３関節部Ｊ３の回転軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２には交差しない。複数の関節部Ｊ１−Ｊ６の根元３軸のうちの一つの曲げ関節部を直動伸縮関節部Ｊ３に換装し、第１関節部Ｊ１に対して第２関節部Ｊ２を２方向にオフセットさせ、第２関節部Ｊ２に対して第３関節部Ｊ３を２方向にオフセットさせることにより、本実施形態に係るロボット装置の回転関節機構は、特異点姿勢を構造上解消している。

図４は、支柱部２の上部２−２の上部カバー１３を取り外した状態において第１関節部Ｊ１の内部構造を示す斜視図である。図５は、図４の上部フレーム２３を外した状態の平面図である。図６は、図５の回転体２０２を外した状態の平面図である。図７は、図４の断面図である。

第１関節部Ｊ１は、円筒形状又は円環形状の回転台座２０１を有する。回転台座２０１は、下部２−１の固定部である下部カバー１２に固定される。下部カバー１２は基台１に接続されるので、回転台座２０１は固定される。回転体２０２は、円筒形状又は円環形状をなす。回転体２０２はその外径が回転台座２０１の内径よりも若干短く、回転台座２０１の内側に回転自在に嵌め込まれる。典型的には回転台座２０１と回転体２０２との間にはベアリングが介在される。回転体２０２の上部には円筒形状の上部フレーム２３が接続される。上部フレーム２３の内部中空には、分離されて屈曲自在の第１コマ列５１及び第２コマ列５２が収容される。回転体２０２は、後述するモータユニット２１２のモータの回転動力が伝達されて回転される。回転体２０２の回転に伴って上部フレーム２３が上部カバー１３とともに回転する。

回転体２０２の上面は、回転台座２０１の上面に揃えられ、又は回転台座２０１の上面よりも若干高い。これら回転体２０２と回転台座２０１とには、回転体２０２の回転を制限するためのストッパ機構が設けられている。

ストッパ機構は、回転体２０２の回転を、第１関節部Ｊ１の機構上の作動範囲内に制限する。機構上の作動範囲は、回転体２０２の回転に起因する「支柱部２の内部を引き回されている多数のケーブルの断線」、及び「支柱部２の内部構造と第１コマ列５１及び第２コマ列５２との接触による破損」等を回避するためのロボット設計上許容されている最大回転範囲である。

ストッパ機構は、回転台座２０１の上面に、上方に突起する状態で設置される一対のストッパブロック２０７，２０８と、回転体２０２の上面に半径方向外側に突起する状態で取り付けられるストッパロッド２０６Ｂとから構成される。ストッパブロック２０７，２０８は、回転台座２０１の上面に設けられた複数のブロック装着部２０９の何れかに着脱自在である。ストッパロッド２０６Ｂの先端は、下方に垂直に屈曲されている。ストッパロッド２０６Ｂは、回転体２０２の周回軌道上を通過する。一対のストッパブロック２０７，２０８は、ストッパロッド２０６Ｂの周回軌道上であって、安全上の可動範囲（左回転、右回転）の両限界位置にそれぞれ設置される。ストッパロッド２０６Ｂは、ストッパブロック２０７，２０８に当接する位置まで移動されると停止される。すなわち、回転体２０２は、ストッパロッド２０６Ｂがストッパブロック２０７，２０８に当接した位置で回転が停止（制限）される。

図７に示すように、固定部としての基台１に回転台座２０１が支柱下部フレーム１２を介して支持される。回転台座２０１に対して、回転部としての円環板２０２が回転自在に支持される。円環板２０２には円筒体２１１が下向き、つまりその底部が基台１に対峙する向きに配置される。

円筒体２１１の内部には、モータユニット２１２が収容される。モータユニット２１２は、モータとギアボックスとがモータハウジング内に一体的に接続されてなる。モータユニット２１２は、円筒体２１１に収容され、その前部において円筒体２１１の底部にネジ３０１により接続される。モータユニット２１２の後部は、円環板２０２に支持されている。円筒体２１１の上部には円環板２０２が接続される。円環板２０２には支柱部の上部フレーム２３が載置される。

モータユニット２１２の回転動力を出力する出力軸２１３は円筒体２１１の底部に設けられた開口を介して基台１にネジ３０３により接続される。モータの出力軸２１３が基台１に固定されているため、モータユニット２１２は円筒体２１１、回転体２０２及び上部フレーム２３とともに、基台１に対して軸回転する。

このように、モータユニット２１２の出力軸２１３を基台（回転関節機構の固定部）１に直結し、モータユニット２１２を回転体（回転関節機構の可動部）２０２の一部として兼用することは、モータユニット２１２が発生した回転動力を回転体２０２に伝達するための、ギア、ベルト等からなる伝達機構を不要とし、部品点数を少なくするとともに、回転関節機構内部の構造をシンプルにする。また、その構造は、モータユニット２１２の出力軸２１３と基台１との接続箇所と、モータユニット２１２と回転部、特に円筒体２１１との接続箇所とを同じ側に集中させることを実現しており、図７に示すように、モータユニット２１２の出力軸２１３を基台１に対して固定するためのネジを取り外すだけで、回転部内部、特にモータユニット２１２を露出させることができ、さらにモータユニット２１２と円筒体２１１の底部とのネジを取り外すことで、モータユニット２１２を円筒体２１１から基台１側から抜き取ることができ、それらによりモータユニット２１２の交換等のメンテナンスの工数を大幅に低減することができる。なお、円筒体２１１を排除して、モータユニット２１２の出力軸２１３を回転部（円環板２０２）に直接的に接続した構造を採用した場合、モータユニット２１２を取り外すためには基台１、上部カバー１３、上部フレーム２３、その他を分解することが必要とされる。上部フレーム２３は長筒体であり、これをモータユニット２１２から取り外すためには、多くの工程が必要である。したがって、モータユニット２１２の出力軸部２１３を基台１に対して直結することは、モータユニット２１２の出力軸部２１３を回転体２０２に直結する場合に比べて、モータユニット２１２のメンテナンス性を向上させる。

なお、本実施形態では、モータユニット２１２は、モータとギアボックスとが一体化されてなるとしたが、ギアボックスが装備されていなくてもよい。また、モータユニット２１２は、モータとギアボックスとその他の構成部品、例えば電磁ブレーキとエンコーダとの組み合わせで構成されてもよい。

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。

Ｊ１…第１回転関節部、２０１…回転台座、２０２…回転体、２１１…円筒体、２１２…モータユニット、２１３…出力軸。

Claims (5)

1. 固定部と、
   前記固定部に回転自在に支持される回転部と、
   前記回転部を回転する動力を発生するモータユニットと、
   前記モータユニットは前記回転部に固定され、前記モータユニットの出力軸が前記固定部に固定されることを特徴とする回転関節機構。
2. 前記回転部は筒体を有し、前記筒体はその底部が前記固定部に対峙する向きに配置され、
   前記モータユニットは前記筒体の内部に収納され、前記筒体の底部に接続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. 前記モータユニットはモータとギアボックスとからなり、
   前記ギアボックスは前記モータとともに前記回転部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。
4. 前記モータユニットはモータとギアボックスと電磁ブレーキからなり、
   前記ギアボックスと前記電磁ブレーキとは、前記モータとともに前記回転部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。
5. 前記モータユニットは、モータとギアボックスと電磁ブレーキとエンコードとからなり、
   前記ギアボックス、前記電磁ブレーキ及び前記エンコーダは、前記モータとともに前記回転部に取り付けらえ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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