JP2019150936A - ロボットの関節軸構造およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】可搬重量の異なるロボットの外形を大きく変更することなく、かつ、ロボットを構成する部品の少なくとも素材を共通化する。【解決手段】第１関節部材５と、第１軸線回りに回転可能に支持された第２関節部材と、第２関節部材に第１軸線と同軸に配置されたリング状の出力ハイポイドギヤ１１と、第１関節部材５に取り付けられる歯車組立体１２と、モータ１３とを備え、歯車組立体１２が、第１関節部材５の第１接合面１４に固定される第２接合面１７を備えるハウジング部材１８と、ハウジング部材１８に第２軸線回りに回転可能に支持された入力ハイポイドギヤ１９と、モータ１３の回転を減速して入力ハイポイドギヤ１９に伝達する歯車２２，２３とを備え、第１接合面１４が第１軸線に平行であり、第２接合面１７が第２軸線Ｇに直交し、ボルトが、想定される複数種類の減速比の全ての歯車よりも径方向外側において締結されるロボットの関節軸構造１０である。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットの関節軸構造およびロボットに関するものである。

従来、ロボットの前腕の先端において手首ユニットを前腕の長手軸回りに回転させる関節軸構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この関節軸構造においては、手首ユニットに連結されるリング状の出力ハイポイドギヤが、前腕の長手軸と同軸に軸受によって回転可能に前腕の基端部に支持されている。そして、入力ハイポイドギヤをハウジング部材に回転可能に支持させるとともに、モータおよびモータの回転を減速して入力ハイポイドギヤに伝達する歯車をハウジング部材に支持させたユニットを、前腕を構成する部品の基端側の側面に取り付けることにより、入力ハイポイドギヤと出力ハイポイドギヤとを噛み合わせている。

特開２０１７−１８５５７４号公報

このような関節軸構造を有する既存のロボットにおいて、可搬重量のより大きいアプリケーションに対応するためには、モータを高トルクのモータに変更するか、あるいは、減速比を増大させる必要がある。
より高トルクのモータを採用すると、モータの全長が長くなってロボットの外形が変化する。ロボットの外形が変化すると、周辺機器との干渉が大きくなり、設置や動作可能範囲の制約が生じる場合が発生する。一方、減速比を変更する場合にはロボットの外形変化は少なくて済むが、歯車の大きさや数が変化するため、前腕を構成する部品の形状から変更する必要があり、多種の部品の設計および管理が必要となる。

本発明は、可搬重量の異なるロボットの外形を大きく変更することなく、かつ、ロボットを構成する部品の少なくとも素材を共通化することができるロボットの関節軸構造およびロボットを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、第１関節部材と、該第１関節部材に第１軸線回りに回転可能に支持された第２関節部材と、該第２関節部材に固定され前記第１軸線と同軸に配置されたリング状の出力ハイポイドギヤと、前記第１関節部材に取り付けられる歯車組立体と、該歯車組立体に取り付けられるモータとを備え、前記歯車組立体が、前記第１関節部材の第１接合面にボルトによって密着状態に固定される第２接合面を備えるハウジング部材と、該ハウジング部材に第２軸線回りに回転可能に支持された入力ハイポイドギヤと、前記モータの回転を減速して前記入力ハイポイドギヤに伝達する歯車とを備え、前記第１接合面が、前記第１軸線に平行であり、前記第２接合面が、前記第２軸線に直交し、前記入力ハイポイドギヤは、前記ハウジング部材が前記第１関節部材に固定されたときに、前記出力ハイポイドギヤに噛み合う位置に配置され、前記ボルトが、想定される複数種類の減速比の全ての前記歯車よりも径方向外側において締結されるロボットの関節軸構造である。

本態様によれば、第１関節部材の第１接合面に歯車組立体を構成するハウジング部材の第２接合面を密着させると、ハウジング部材に回転可能に支持された入力ハイポイドギヤが、第１関節部材に回転可能に支持された第２関節部材に固定された出力ハイポイドギヤと噛み合わせられる。この状態でボルトを締結して第１関節部材に歯車組立体を固定するとともに、モータをハウジング部材に固定することにより、関節軸構造が構成される。

モータの回転は歯車によって減速され、入力ハイポイドギヤに伝達される。入力ハイポイドギヤの回転は出力ハイポイドギヤとのギヤ比に応じて減速されて出力ハイポイドギヤに伝達され、第１関節部材に対して第２関節部材を第１軸線回りに回転させることができる。

この場合において、モータの大きさを変更することなく、可搬重量のより大きいアプリケーションに対応するために、歯車の大きさや数を変更すると、ハウジング部材の第２接合面に設けられている開口部の形状が変化する。本態様によれば、開口部の形状が異なるいずれの歯車組立体を第１関節部材に取り付ける場合においても、開口部よりも外側においてボルトを締結することができ、これによって、開口部を密閉することができる。

上記態様においては、前記歯車の少なくとも一部が前記第２接合面から突出し、前記第１関節部材が、減速比の異なる複数種類の前記歯車を収容する第１凹部を形成可能な形状を有し、前記第１接合面に、少なくとも１種類の前記歯車を収容可能な第２凹部を備えていてもよい。
この構成により、一の減速比の歯車を有する歯車組立体を第１関節部材に取り付けると、歯車の第２接合面から突出する部分が第１接合面に設けられた第２凹部に収容されて、第１接合面と第２接合面とを密着させることができる。これにより、ハウジング部材の第２軸線方向の厚さを抑えることができる。

この場合において、想定される全ての種類の歯車を収容可能な第２凹部が第１接合面に備えられている場合には、一の歯車組立体を取り外して他の歯車組立体を第１関節部材に取り付けることができる。これにより、可搬重量のより大きいアプリケーションに容易に対応することができる。

一方、いずれかの歯車を収容可能な第２凹部のみが第１接合面に備えられている場合には、他の減速比の歯車をも収容可能に凹部を加工することにより他の減速比の歯車を有する歯車組立体を第１関節部材に取り付けることができる。すなわち、減速比の異なる複数種類の歯車を収容する第１凹部を形成可能な形状を有する第１関節部材を用いることにより、第１関節部材の少なくとも加工前の素材については共通化することができる。

また、上記態様においては、第２凹部が、前記第１凹部に等しい大きさを有していてもよい。
この構成により、一の歯車組立体を取り外して他の歯車組立体を第１関節部材に取り付けることができる。これにより、可搬重量のより大きいアプリケーションに対応可能なロボットに容易に改造することができる。改造に際して第１関節部材の追加の加工が不要であり、現場において歯車組立体を交換して、可搬重量の増大を容易に図ることができる。
また、本発明の他の態様は、上記いずれかの関節軸構造を有する少なくとも１つの関節を備えるロボットである。

本発明によれば、可搬重量の異なるロボットの外形を大きく変更することなく、かつ、ロボットを構成する部品の少なくとも素材を共通化することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットの一例を示す側面図である。 図１のロボットに備えられる本発明の一実施形態に係る関節軸構造の一例を示す部分的な縦断面図である。 図２の関節軸構造に備えられる歯車組立体を第２接合面側から見た斜視図である。 図２の関節軸構造に適用される大可搬重量の歯車組立体を第２接合面側から見た斜視図である。 図３の歯車組立体の第２接合面を入力ハイポイドギヤの軸線に沿う方向から見た正面図である。 図４の歯車組立体の第２接合面を入力ハイポイドギヤの軸線に沿う方向から見た正面図である。 図２の関節軸構造の変形例を示す部分的な縦断面図である。

本発明の一実施形態に係るロボット１の関節軸構造１０およびロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、直立多関節型ロボットである。このロボット１は、被設置面、例えば、床面に設置されるベース２と、鉛直な第１の軸線Ａ回りにベース２に対して回転可能な旋回胴３と、水平な第２の軸線Ｂ回りに旋回胴３に対して揺動可能な第１アーム４と、第１アーム４の先端に、水平な第３の軸線Ｃ回りに第１アーム４に対して揺動可能な前腕（第１関節部材）５と、前腕５の先端に第３の軸線Ｃに直交する平面に沿って延びる第４の軸線（第１軸線）Ｄ回りに回転可能に設けられた円筒状の第２アーム（第２関節部材）６と、第２アーム６の先端に、第４の軸線Ｄに直交する第５の軸線Ｅ回りに揺動可能に設けられた第２手首要素７と、第５の軸線Ｅに直交する第６の軸線回りに回転可能に設けられた第３手首要素８とを備えている。

本実施形態に係る関節軸構造１０は、例えば、前腕５に対して第２アーム６を回転駆動する構造である。すなわち、本実施形態に係る関節軸構造１０は、図２および図３に示されるように、前腕５と、第２アーム６と、第２アーム６の基端に第４の軸線Ｄと同軸に固定されたリング状の出力ハイポイドギヤ１１と、前腕５に取り付けられる歯車組立体１２と、歯車組立体１２に取り付けられるモータ１３とを備えている。

前腕５の側面には、第４の軸線Ｄと平行に延び、歯車組立体１２を取り付ける第１接合面１４が設けられている。第１接合面１４には、後述する入力ハイポイドギヤ１９を貫通させる貫通孔１５と、後述する歯車群２１を収容可能な凹部（第１凹部、第２凹部）１６とが設けられている。

歯車組立体１２は、前腕５の第１接合面１４に密着状態に取り付けられる第２接合面１７を有するハウジング部材１８と、ハウジング部材１８の第２接合面１７に直交する方向に延びる軸線（第２軸線）Ｇ回りに回転可能に支持された入力ハイポイドギヤ１９と、モータ１３を取り付けるモータ取付部２０と、モータ１３の回転を減速して入力ハイポイドギヤ１９に伝達する歯車群（歯車）２１とを備えている。

歯車群２１は、標準の可搬重量の場合には、例えば、モータ１３のシャフトに取り付けられる平歯車からなる小歯車（歯車）２２と、入力ハイポイドギヤ１９に同軸に固定される平歯車からなる大歯車（歯車）２３とを備えている。入力ハイポイドギヤ１９は、ベアリング２４によってハウジング部材１８に軸線Ｇ回りに回転可能に支持されている。

モータ取付部２０は、第２接合面１７と平行な取付面２５を備え、取付面２５にはモータ１３を固定するためのボルト（図示略）を締結するネジ孔（図示略）が設けられている。また、モータ取付部２０には、モータ１３のインロー部を嵌合させる嵌合孔２６と、シャフトおよび小歯車２２を貫通させる貫通孔２７が設けられている。シャフトおよび小歯車２２を貫通孔２７に貫通させ、モータ１３のインロー部を嵌合孔２６に嵌合させ、かつ、モータ１３のフランジを取付面２５に密着させることにより、小歯車２２を大歯車２３に噛み合わせることができる。そして、この状態で、ボルトをネジ孔に締結することによりモータ１３をハウジング部材１８に固定することができる。

ハウジング部材１８の第２接合面１７には、図３に示されるように、相互に噛み合う小歯車２２および大歯車２３を露出させる開口部２８が設けられている。開口部２８は、小歯車２２および大歯車２３の径方向外方に所定の隙間をあけて取り囲む形状を有している。
大歯車２３を備える入力ハイポイドギヤ１９および小歯車２２を備えるモータ１３がハウジング部材１８に取り付けられた状態では、入力ハイポイドギヤ１９、大歯車２３および小歯車２２の少なくとも一部が第２接合面１７に直交する方向に突出して配置される。

ところで、本実施形態に係るロボット１およびロボット１の関節軸構造１０において、モータ１３を変更することなく、可搬重量を増大するアプリケーション（大可搬重量）に対応するために、歯車群２１による減速比を変更する必要がある。例えば、図４に示されるように、モータ１３に取り付けた小歯車２２と入力ハイポイドギヤ１９に取り付けた大歯車２３との間に、２段歯車２９を配置する。

この場合、２段歯車２９は、小歯車２２に噛み合う第２の大歯車３０と、大歯車２３に噛み合う第２の小歯車３１とを一体的に備えている。２段歯車２９は、図示しないベアリングによって、ハウジング部材１８とは異なるハウジング部材３３に、入力ハイポイドギヤ１９の軸線Ｇと平行な軸線回りに回転可能に支持される。
そして、この場合に、ハウジング部材３３の第２接合面１７には、図４に示されるように、小歯車２２、大歯車２３および２段歯車２９を露出させる形状の開口部３２が設けられる。

前腕５の側面の第１接合面１４に設けられた凹部１６は、図３に示される標準の可搬重量の場合の第２接合面１７の開口部２８と、図４に示される大可搬重量の場合の第２接合面１７の開口部３２の両方を含む範囲に形成されている。また、第１接合面１４に設けられた凹部１６の第１接合面１４からの深さは、ハウジング部材３３の第２接合面１７から突出している歯車群２１の突出量よりも大きく設定されている。

そして、第１接合面１４と第２接合面１７とを密着させた状態で、前腕５に歯車組立体１２を固定するボルトは、第１接合面１４の凹部１６よりも外側に配置されたネジ孔に締結される。ネジ孔は凹部１６よりも外側に間隔を空けて配置されており、その間隔位置に、図示しないシール部材が挟まれることにより、第１接合面１４と第２接合面１７とが液密状態に密封される。

このように構成された本実施形態に係るロボット１の関節軸構造１０およびロボット１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１において、前腕５に対して第２アーム６を第４の軸線Ｄ回りに回転させるときには、モータ１３を作動させる。

モータ１３の回転はモータ１３のシャフトに固定されている小歯車２２から大歯車２３に伝達される際に小歯車２２と大歯車２３との歯数比に等しい減速比で減速される。これにより、大歯車２３に固定されている入力ハイポイドギヤ１９が回転させられ、入力ハイポイドギヤ１９に噛み合っている出力ハイポイドギヤ１１が第４の軸線Ｄ回りに回転させられる。そして、これにより、出力ハイポイドギヤ１１が固定されている第２アーム６を、前腕５に対して第４の軸線Ｄ回りに回転させることができる。

この場合において、本実施形態に係るロボット１の関節軸構造１０およびロボット１によれば、可搬重量のより大きなアプリケーションに対応するために、第２アーム６のトルクを増大させる必要が生じた場合に、歯車組立体１２を交換する。
歯車組立体１２を交換するには、第２アーム６をトルクが最小となる角度まで回転させた状態で、モータ１３をハウジング部材１８から取り外し、ハウジング部材１８を前腕５に固定しているボルトを取り外して、歯車組立体１２を前腕５から取り外す。

次いで、減速比の異なる歯車群２１を有する他の歯車組立体１２を前腕５に取り付ける。歯車組立体１２のハウジング部材１８の第２接合面１７からは、入力ハイポイドギヤ１９および歯車群２１の少なくとも一部が突出しているが、前腕５の第１接合面１４には、新たな歯車群２１をも収容可能な寸法の凹部１６が設けられているので、入力ハイポイドギヤ１９を前腕５に設けられた貫通孔１５に位置合わせして第１接合面１４に第２接合面１７を近接させて行くことにより、歯車群２１が第１接合面１４の凹部１６内に収容される。そして、第１接合面１４と第２接合面１７とが密着する位置で、入力ハイポイドギヤ１９が出力ハイポイドギヤ１１と噛み合うので、ボルトを締結することにより、歯車組立体１２を前腕５に固定することができる。

その後、取り外しておいたモータ１３をモータ取付部２０の取付面２５に固定することにより、モータ１３のシャフトに固定されている小歯車２２を、ハウジング部材３３に取り付けられている第２の大歯車３０に噛み合わせることができる。これにより、モータ１３の回転はさらに大きく減速されて入力ハイポイドギヤ１９に伝達されるようになり、可搬重量のより大きなアプリケーションに対応できる。

すなわち、本実施形態に係るロボット１の関節軸構造１０およびロボット１によれば、歯車組立体１２を交換するだけで、可搬重量の異なるアプリケーションに対応可能に改造することができる。この場合において、出力ハイポイドギヤ１１に噛み合う入力ハイポイドギヤ１９は、２つの歯車組立体１２において同一であり、入力ハイポイドギヤ１９に固定された大歯車２３、および、これらを回転可能にハウジング部材１８，３３に取り付ける軸受等の部品は共通化することができる。

また、２つの歯車組立体１２においては、図５および図６に示されるように、減速比を異ならせるための２段歯車２９の有無により、第２接合面１７から突出する歯車２２，２３，３０，３１の位置および大きさが異なる。これに対応して、第１接合面１４の凹部１６がいずれの歯車２２，２３，３０，３１をも収容可能な大きさに形成されている。また、歯車組立体１２を前腕５に固定するためのボルトが、両歯車２２，２３，３０，３１を収容する開口部２８，３２よりも外側において締結される位置に配置されている。これにより、いずれの歯車組立体１２についても第１接合面１４と第２接合面１７とを密封した状態に密着させることができる。

その結果、本実施形態に係るロボット１の関節軸構造１０およびロボット１によれば、ロボット１が設置されている現場において歯車組立体１２のみを交換することにより、可搬重量の異なるアプリケーションに対応可能に改造することができるという利点がある。すなわち、可搬重量の異なる２種類のロボット１において前腕５の部品を共通化することができる。また、モータ１３を共通化できるので、外形を大きく変化させずに済むという利点がある。

また、本実施形態においては、第２接合面１７から歯車２２，２３の少なくとも一部を突出させ、突出した歯車２２，２３を収容する凹部１６を第１接合面１４に設けたので、ハウジング部材１８側に歯車２２，２３全体を収容する必要がなく、交換されるハウジング部材１８を薄型にすることができる。これにより歯車組立体１２を軽量化して交換容易性を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、減速比の異なる歯車群２１を有する２つの歯車組立体１２を交換する場合について例示したが、これに代えて、３以上の歯車組立体１２を交換する場合に適用してもよい。この場合においても、全ての歯車組立体１２の歯車２２，２３を収容可能な凹部１６を前腕５の第１接合面１４に設け、歯車２２，２３を収容するために第２接合面１７に設けた全ての開口部２８よりも外側においてボルトが締結されることにすればよい。

また、上述したように、歯車２２，２３の少なくとも一部を第２接合面１７から突出させることに代えて、図７に示されるように、入力ハイポイドギヤ１９のみを第２接合面１７から突出させ、他の歯車２２，２３を第２接合面１７から突出させないように開口部２８内に収容してもよい。これにより、第１接合面１４に歯車２２，２３を収容するための凹部１６を設ける必要がなく、前腕５を簡易に構成することができる。

また、本実施形態においては、前腕５の第１接合面１４に、想定される複数の歯車組立体１２の歯車群２１を収容可能な形状の凹部１６を設けることとしたが、これに代えて、第１接合面１４には、いずれか１つの歯車組立体１２の歯車群２１を収容可能な形状の凹部（第２凹部）１６を設けることとし、前腕５として、想定される他の歯車組立体１２の歯車群２１を収容可能な凹部（第１凹部）１６を形成可能な形状を有していればよい。すなわち、この構成により、可搬重量の異なるロボット１の前腕５の少なくとも素材を共通化することができ、部品を容易に管理することができる。

この場合、可搬重量の異なるロボット１への現場での改造は困難であるが、前腕５の第１接合面１４に凹部１６を追加工し、歯車組立体１２を変更するだけで、可搬重量の異なるロボット１に改造することができる。
また、歯車群２１を構成する歯車２２，２３として平歯車を例示したが、他の任意の歯車を採用してもよい。

１ ロボット
５ 前腕（第１関節部材）
６ 第２アーム（第２関節部材）
１０ 関節軸構造
１１ 出力ハイポイドギヤ
１２ 歯車組立体
１３ モータ
１４ 第１接合面
１６ 凹部（第１凹部、第２凹部）
１７ 第２接合面
１８，３３ ハウジング部材
１９ 入力ハイポイドギヤ
２１ 歯車群（歯車）
２２ 小歯車（歯車）
２３ 大歯車（歯車）
Ｄ 第４の軸線（第１軸線）
Ｇ 軸線（第２軸線）

Claims (4)

1. 第１関節部材と、
   該第１関節部材に第１軸線回りに回転可能に支持された第２関節部材と、
   該第２関節部材に固定され前記第１軸線と同軸に配置されたリング状の出力ハイポイドギヤと、
   前記第１関節部材に取り付けられる歯車組立体と、
   該歯車組立体に取り付けられるモータとを備え、
   前記歯車組立体が、前記第１関節部材の第１接合面にボルトによって密着状態に固定される第２接合面を備えるハウジング部材と、該ハウジング部材に第２軸線回りに回転可能に支持された入力ハイポイドギヤと、前記モータの回転を減速して前記入力ハイポイドギヤに伝達する歯車とを備え、
   前記第１接合面が、前記第１軸線に平行であり、
   前記第２接合面が、前記第２軸線に直交し、
   前記入力ハイポイドギヤは、前記ハウジング部材が前記第１関節部材に固定されたときに、前記出力ハイポイドギヤに噛み合う位置に配置され、
   前記ボルトが、想定される複数種類の減速比の全ての前記歯車よりも径方向外側において締結されるロボットの関節軸構造。
2. 前記歯車の少なくとも一部が前記第２接合面から突出し、
   前記第１関節部材が、減速比の異なる複数種類の前記歯車を収容する第１凹部を形成可能な形状を有し、
   前記第１接合面に、少なくとも１種類の前記歯車を収容可能な第２凹部を備える請求項１に記載のロボットの関節軸構造。
3. 第２凹部が、前記第１凹部に等しい大きさを有する請求項２に記載のロボットの関節軸構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の関節軸構造を有する少なくとも１つの関節を備えるロボット。
   
   

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