JP2020011374A

JP2020011374A - 水平多関節ロボット

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Publication number: JP2020011374A
Application number: JP2019110299A
Authority: JP
Inventors: 山城　光; Hikari Yamashiro; 光山城
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: US10933525B2; US20200009720A1; JP6845283B2

Abstract

【課題】ストッパの衝突による破損を防止し信頼性を向上する。【解決手段】水平多関節ロボット１は、ベース２と、ベース２に水平方向に旋回可能に支持された第１アーム３と、第１アーム３に水平方向に旋回可能に支持された第２アーム４と、第２アーム４に鉛直方向の長手軸に沿って直線移動可能に支持されたシャフト５と、シャフト５に取り付けられシャフト５の鉛直方向の移動を可動範囲Ｓ内に制限するストッパ６とを備え、ストッパ６が、シャフト５の外周面に固定されシャフト５の外周面から径方向に突出する固定部６１と、固定部６１および第２アーム４の一方に固定される緩衝部６２とを備え、緩衝部６２が、固定部６１と第２アーム４とに鉛直方向に挟まれる位置に配置され、シャフト５が可動範囲Ｓを超えて移動しようとするときに、変形によって固定部６１から第２アーム４への衝撃を緩衝する。【選択図】図１

Description

本発明は、水平多関節ロボットに関し、特に水平多関節ロボットのストッパの構造に関するものである。

従来、ベースと、ベースに水平方向に旋回可能に支持された第１アームと、第１アームに水平方向に旋回可能に支持された第２アームと、第２アームに鉛直方向に移動可能かつ鉛直軸回りに回転可能に支持されたシャフトとを備える水平多関節ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、長手方向に移動するシャフトを備えるロボットにおいて、シャフトの端部に固定されたストッパによって、シャフトの移動を所定の範囲内に制限する構造が知られている（例えば、特許文献２，３参照。）

特開昭６１−１０３７９２号公報特開平３−３５９９２号公報特開２０００−３２６２７８号公報

水平多関節ロボットにおいて、第２アームに対するシャフトの鉛直方向の移動範囲を機械的に制限するために、シャフトの端部にストッパが取り付けられた構造が知られている。ストッパと第２アームとの衝突によって、第２アームの部品またはストッパが破損することがある。例えば、第２アームの部品に衝撃による圧痕が形成されたり、シャフトへのストッパの取り付け位置がずれたりすることがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ストッパの衝突による破損を防止し信頼性を向上することができる水平多関節ロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、ベースと、該ベースに水平方向に旋回可能に支持された第１アームと、該第１アームに水平方向に旋回可能に支持された第２アームと、該第２アームに鉛直方向の長手軸に沿って直線移動可能に支持されたシャフトと、該シャフトに取り付けられ該シャフトの鉛直方向の移動を可動範囲内に制限するストッパとを備え、該ストッパが、前記シャフトの外周面に固定され該シャフトの外周面から径方向に突出する固定部と、該固定部および前記第２アームの一方に固定される緩衝部とを備え、該緩衝部が、前記固定部と前記第２アームとに鉛直方向に挟まれる位置に配置され、前記シャフトが前記可動範囲を超えて移動しようとするときに、変形によって前記固定部から前記第２アームへの衝撃を緩衝する水平多関節ロボットである。

本態様によれば、第１アームおよび第２アームの回転によって、シャフトの下端の手首部が水平方向に２次元的に移動する。シャフトの直線移動によって手首部が鉛直方向に移動する。
この場合に、シャフトが可動範囲を超えて鉛直方向に移動しようとしたときに、シャフトに固定されたストッパの固定部が緩衝部を介して第２アームに突き当たることによってシャフトのそれ以上の移動が制限される。このときに、固定部と第２アームとの間に挟まれる緩衝部が変形することによって、固定部および第２アームに加わる衝撃が緩衝される。緩衝部の変形とは、例えば、鉛直方向の弾性圧縮、または、塑性変形である。これにより、ストッパの衝突によるストッパおよび第２アームの破損を防止し、信頼性を向上することができる。

上記態様においては、前記緩衝部が、前記固定部と一体であってもよい。
この構成によれば、固定部のシャフトへの固定によって緩衝部もシャフトに取り付けられる。したがって、緩衝部をシャフトまたは第２アームに取り付けるための構造が不要であり、ストッパの部品点数および重量を抑制することができる。

上記態様においては、前記ストッパが、前記シャフトの外周面を覆う筒状の単一の部材であり、前記固定部が、鉛直方向における前記部材の一端部であり、前記緩衝部が鉛直方向における前記部材の他端部であってもよい。
この構成によれば、単一の部材の加工によってストッパを製造することができる。

上記態様においては、前記緩衝部に、周方向に延びる周方向スリットが形成されていてもよい。
この構成によれば、弾性圧縮可能な緩衝部を簡易な加工によって製造することができ、特にストッパが高剛性の材料からなる場合に有利である。

上記態様においては、前記固定部に、鉛直方向に延びる軸方向スリットが形成されていてもよい。
この構成によれば、軸方向スリットの幅の縮小によって、緩衝部の内径を維持しながら固定部の内径が縮小する。したがって、固定部の内径の縮小によって、固定部を摩擦によりシャフトに固定することができる。また、固定部および緩衝部のうち、固定部のみを選択的にシャフトに固定することができる。

本発明によれば、ストッパの衝突による破損を防止し信頼性を向上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水平多関節ロボットの全体構成図である。第２アームの内部のシャフトの支持構造を示す概略構成図である。図１の水平多関節ロボットのストッパの斜視図である。図３のストッパの側面図である。上側のストッパが第２アームに突き当たった状態を示す図である。ストッパの緩衝部の配置の変形例を示す図である。ストッパの変形例の斜視図である。図７のストッパの緩衝部の斜視図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る水平多関節ロボットについて図面を参照して説明する。
本実施形態に係る水平多関節ロボット１は、図１に示されるように、被設置面に設置されるベース２と、ベース２に支持された第１アーム３と、第１アーム３に支持された第２アーム４と、第２アーム４に支持されたシャフト５と、シャフト５に設けられた２つのストッパ６とを備えている。

符号７は、ベース２と制御装置（図示略）とを接続するケーブルであり、符号８は、ベース２と第２アーム４とを接続するケーブルである。制御信号および動力は、制御装置からケーブル７を経由してベース２内のサーボモータに供給される。また、制御信号および動力は、ケーブル７，８を経由して第２アーム４内のサーボモータに供給される。

第１アーム３の一端部はベース２に支持され、第１アーム３は、第１サーボモータ（図示略）によってベース２に対して鉛直方向の第１軸線Ａ回りに旋回する。
第２アーム４の一端部は第１アーム３の他端部に支持され、第２アーム４は、第２サーボモータ（図示略）によって第１アーム３に対して第２軸線Ｂ回りに旋回する。第２軸線Ｂは、第１軸線Ａと平行である。

シャフト５は、第２アーム４の他端部を鉛直方向に貫通し、第３軸線Ｃに沿って直線移動可能に、かつ、第３軸線Ｃ回りに回転可能に第２アーム４に支持されている。第３軸線Ｃは、第１軸線Ａおよび第２軸線Ｂと平行であり、シャフト５の長手軸と一致している。

第２アーム４の内部には、図２に示されるように、シャフト５をそれぞれ支持するボールネジナット９およびボールスプラインナット１０が設けられている。ボールネジナット９およびボールスプラインナット１０は、図示しないベアリングによって、第２アーム４に対して第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持されている。直線移動用のサーボモータ（図示略）の回転が、ベルト１１およびプーリ１２によってボールネジナット９に伝達され、ボールネジナット９が第３軸線Ｃ回りに回転させられることによって、シャフト５が第３軸線Ｃに沿って鉛直方向に移動する。回転用のサーボモータ（図示略）の回転が、ベルト１３およびプーリ１４によってボールスプラインナット１０に伝達され、ボールスプラインナット１０が第３軸線Ｃ回りに回転させられることによって、シャフト５が第３軸線Ｃ回りに回転する。

ストッパ６は、図３および図４に示されるように、円筒状の単一の部材であり、シャフト５の外径よりも大きな内径を有する。ストッパ６は、シャフト５の外周面に取り付けられ、シャフト５の外周面から径方向外方に突出している。ストッパ６は、例えば、高い剛性を有する円筒状の金属部材を切削加工することによって製造される。ストッパ６は、シャフト５に固定される固定部６１と、中心軸に沿う方向に弾性圧縮可能である緩衝部６２とを有している。

固定部６１は、ストッパ６の一端部であり、スリット（軸方向スリット）６１ａが形成されている。スリット６１ａは、ストッパ６の一方の端面から中心軸に沿う方向に形成され、固定部６１の外周面から内周面まで径方向に貫通している。また、固定部６１には、スリット６１ａと直交するボルト孔６１ｂが形成されている。固定部６１をシャフト５の周囲に配置した状態でボルト孔６１ｂにボルトを締め込むことによって、固定部６１の内径を縮小させて固定部６１の内周面とシャフト５の外周面との間の摩擦により固定部６１をシャフト５に固定することができる。

緩衝部６２は、ストッパ６の他端部であり、スリット（周方向スリット）６２ａが形成されている。スリット６２ａは、緩衝部６２の周方向に延びており、緩衝部６２の外周面から内周面まで径方向に貫通している。スリット６２ａは、例えば螺旋状である。緩衝部６２は、スリット６２ａの幅の縮小によって、ストッパ６の中心軸に沿う方向に弾性圧縮可能である。ボルトによって固定部６１をシャフト５に固定する際に、固定部６１の内径は上述したように縮小するが、緩衝部６２の内径は縮小することなく維持される。したがって、固定部６１がシャフト５に固定された状態において、緩衝部６２は第３軸線Ｃに沿う方向に伸縮可能である。

本実施形態において、軸方向スリット６１ａが周方向スリット６２ａと接続されている。これにより、固定部６１および緩衝部６２のうち、固定部６１の内径のみを選択的に径方向に縮小させるという上記作用を確実に奏することができる。

一方のストッパ６は、固定部６１が上側に配置され緩衝部６２が下側に配置される向きで、シャフト５の上端部に固定されている。他方のストッパ６は、固定部６１が下側に配置され緩衝部６２が上側に配置される向きで、シャフト５の下端部に固定されている。したがって、各緩衝部６２は、固定部６１と第２アーム４とに鉛直方向に挟まれる位置に配置されている。符号５ａは、ハンド等のエンドエフェクタが接続される手首部である。

このように第２アーム４の上側および下側に設けられた２つのストッパ６によって、第２アーム４に対するシャフト５の鉛直方向の可動範囲が機械的に制限される。具体的には、上側のストッパ６が第２アーム４の上面に突き当たることによってシャフト５のそれ以上の下降が制限される。下側のストッパ６が第２アーム４の下面に突き当たることによって、シャフト５のそれ以上の上昇が制限される。

制御装置は、動作プログラムに従って各サーボモータに制御信号および動力を供給し、第１アーム３、第２アーム４およびシャフト５の動きを制御する。動作プログラムには、図１に示されるように、シャフト５の鉛直方向のストローク範囲Ｓが設定されている。制御装置は、ストローク範囲Ｓ内でシャフト５の鉛直方向の移動を制御する。

各ストッパ６は、シャフト５がストローク範囲Ｓの限界Ｓ１，Ｓ２を超えたときに第２アーム４と接触する位置において、シャフト５に固定されている。したがって、シャフト５がストローク範囲Ｓ内で移動している限りは、ストッパ６は、第２アーム４のカバーから鉛直方向に離間した位置に配置されている。

次に、このように構成された水平多関節ロボット１の作用について説明する。
本実施形態に係る水平多関節ロボット１によれば、第１軸線Ａ回りの第１アーム３の旋回および第２軸線Ｂ回りの第２アーム４の旋回によって、シャフト５の手首部５ａの位置が水平方向に２次元的に変化する。また、第３軸線Ｃに沿うシャフト５の直線移動によって、手首部５ａの位置が鉛直上下方向に変化し、第３軸線Ｃ回りのシャフト５の回転によって、手首部５ａの姿勢が第３軸線Ｃ回りに変化する。

ここで、シャフト５の鉛直方向の移動は、動作プログラムに設定されたストローク範囲Ｓ内に制御装置によって制御される。シャフト５がストローク範囲Ｓ内で移動している限り、ストッパ６は、第２アーム４に干渉することはない。
ただし、動作プログラムのストローク範囲Ｓの誤設定等が原因で制御装置によるシャフト５の移動範囲の制限が正常に機能しなかった場合に、シャフト５が通常のストローク範囲Ｓを超えて移動することがある。このときに、ストッパ６によってシャフト５の移動が機械的に制限される。

具体的には、シャフト５がストローク範囲Ｓの下端Ｓ２を超えて下降しようとしたときに、図５に示されるように、上側のストッパ６が第２アーム４の上面に突き当たることによってシャフト５のそれ以上の下降が阻止される。シャフト５がストローク範囲Ｓの上端Ｓ１を超えて上昇しようとしたときに、下側のストッパ６が第２アーム４の下面に突き当たることによってシャフト５のそれ以上の上昇が阻止される。

ストッパ６は、固定部６１とシャフト５との間の摩擦によってシャフト５に固定されているため、強い衝撃がストッパ６に加わったときにストッパ６の位置がずれたりストッパ６がシャフト５から外れたりすることがある。また、第２アーム４に強い衝撃が加わったときに、第２アーム４の部品が破損することがある。例えば、ストッパ６がナット９，１０に直接突き当たる場合には、ナット９，１０またはシャフト５のボールの転動面に圧痕が形成されてナット９，１０が正常に動作しなくなる。

本実施形態によれば、ストッパ６が第２アーム４に突き当たったときに、固定部６１と第２アーム４との間に挟まれた緩衝部６２が鉛直方向に弾性圧縮することによって衝撃が緩衝部６２によって吸収され、固定部６１および第２アーム４に加わる衝撃が緩衝される。これにより、ストッパ６がシャフト５から外れたり第２アーム４の部品が破損したりすることを防止することができ、水平多関節ロボット１の信頼性を向上することができる。

また、緩衝部６２は固定部６１と一体であるので、緩衝部６２をシャフト５に取り付けるための専用の構造が不要であり、ストッパ６に緩衝部６２を設けることによるストッパ６の取り付けスペースおよび重量の増加を最小限に抑えることができる。ストッパ６の取り付けスペースおよび重量はシャフト５の動作性能に影響する。本実施形態によれば、シャフト５の動作性能への影響を最小限に抑えることができる。
緩衝部６２が固定部６１とは別体である場合には、緩衝部６２をシャフト５に支持させるための複雑な構造が必要となる。したがって、ストッパ６の部品点数および重量が増加し、シャフト５の動作性能が低下し得る。

また、緩衝部６２は、高剛性の材料からなり、スリット６２ａの形成によって弾性が付与されている。このような緩衝部６２は、鉛直方向の大きな力が加わったときにのみ変形する。すなわち、シャフト５の移動中に、特に水平方向の移動中に、緩衝部６２が無用に変形することがない。

本実施形態においては、固定部６１がボルトの締結によってシャフト５に固定されることとしたが、固定部６１が他の手段によってシャフト５に固定されていてもよい。例えば、固定部６１が溶接によってシャフト５に固定されていてもよい。ボルト締め以外の手段によって固定部６１をシャフト５に固定する場合には、固定部６１は、筒状以外の形状の部材であってもよい。
本実施形態においては、第２アーム４の上側および下側の両方にストッパ６が設けられていることとしたが、第２アーム４の上側および下側の一方のみにストッパ６が設けられていてもよい。

本実施形態においては、固定部６１および緩衝部６２が単一の部材から形成されていることとしたが、これに代えて、別々の部材から形成された固定部６１および緩衝部６２が相互に固定されていてもよい。
この構成によれば、固定部６１および緩衝部６２に異なる材料を選択することができる。

本実施形態においては、緩衝部６２が固定部６１と一体であることとしたが、これに代えて、緩衝部６２が固定部６１とは別体であってもよい。この場合、図６に示されるように、上側のストッパ６の緩衝部６２が第２アーム４の上面に固定され、下側のストッパ６の緩衝部６２が第２アーム４の下面に固定されていてもよい。

本実施形態においては、緩衝部６２が、一続きの螺旋状のスリット６２ａが形成された円筒状の部材であることとしたが、これに代えて、第３軸線Ｃに沿う方向に弾性圧縮可能な他の部材であってもよい。
例えば、緩衝部６２は、周方向に延びる複数の周方向スリットが形成されていてもよい。あるいは、緩衝部６２は、渦巻きばね、または、ゴム等の弾性部材であってもよい。

本実施形態においては、上側のストッパ６と下側のストッパ６が同一のものであることとしたが、これに代えて、上側のストッパ６と下側のストッパ６が異なるものであってもよい。
上側のストッパ６の第２アーム４との衝突時にはシャフト５の重力もストッパ６に加わるため、上側のストッパ６に加わる衝撃は、下側のストッパ６に加わる衝撃よりも大きくなる。したがって、例えば、下側のストッパ６に比べて上側のストッパ６がより高い緩衝性を有するように、上側のストッパ６の緩衝部６２が下側のストッパ６の緩衝部６２よりも大きくてもよい。

本実施形態において、緩衝部６２が、鉛直方向の弾性圧縮によって固定部６１から第２アーム４への衝撃を緩衝することとしたが、これに代えて、塑性変形によって衝撃を緩衝してもよい。
図７および図８は、塑性変形する緩衝部６３の一例を示している。緩衝部６３は、固定部６１と一体であり、第２アーム４との衝突によって塑性変形する。

図７および図８の緩衝部６３は、固定部６１と対向する円環板状の端壁６３ａと、端壁６３ａと固定部６１とを接続する複数の帯板状の側壁６３ｂとを備える。端壁６３ａは、固定部６１から間隔を空けた位置において、固定部６１の中心軸に直交する方向に配置されている。側壁６３ｂは、固定部６１と端壁６３ａとの間において固定部６１の中心軸と平行に延びている。端壁６３ａおよび側壁６３ｂはそれぞれ薄い金属板から構成され、緩衝部６３は、例えば、板金加工、プレス加工または溶接等によって製造される。図７および図８において、側壁６３ｂの数は２つであるが、３つ以上であってもよい。

ストッパ６は、端壁６３ａにおいて第２アーム４と突き当たり、側壁６３ｂの塑性変形によって衝撃を吸収する。衝撃吸収性を高めるために、端壁６３ａの固定部６１とは反対側の面に、または、固定部６１と緩衝部６３との間に、弾性圧縮する緩衝部６２が設けられていてもよい。
緩衝部６３は、第２アーム４との衝突による塑性変形を促すための構造を有していてもよい。例えば、緩衝部６３は、固定部６１と端壁６３ａとの間の中間位置に、他の部分よりも剛性が低い低剛性部を有し、低剛性部において座屈するように構成されていてもよい。

緩衝部６３は、ボルト１５によって固定部６１に機械的に固定されてもよい。側壁６３ｂの固定部６１側の端部には、ボルト１５が挿入されるボルト孔６３ｃが形成される。この場合、緩衝部６３の固定部６１への着脱が可能であるので、第２アーム４との衝突によって緩衝部６３が破損した後、破損した緩衝部６３を新しい緩衝部６３に容易に交換することができる。

１水平多関節ロボット
２ベース
３第１アーム
４第２アーム
５シャフト
６ストッパ
６１固定部
６１ａスリット（軸方向スリット）
６１ｂボルト孔
６２，６３緩衝部
６２ａスリット（周方向スリット）
９ボールネジナット
１０ボールスプラインナット
１１，１３ベルト
１２，１４プーリ
Ａ，Ｂ，Ｃ軸線

Claims

ベースと、
該ベースに水平方向に旋回可能に支持された第１アームと、
該第１アームに水平方向に旋回可能に支持された第２アームと、
該第２アームに鉛直方向の長手軸に沿って直線移動可能に支持されたシャフトと、
該シャフトに取り付けられ該シャフトの鉛直方向の移動を可動範囲内に制限するストッパとを備え、
該ストッパが、
前記シャフトの外周面に固定され該シャフトの外周面から径方向に突出する固定部と、
該固定部および前記第２アームの一方に固定される緩衝部とを備え、
該緩衝部が、前記固定部と前記第２アームとに鉛直方向に挟まれる位置に配置され、前記シャフトが前記可動範囲を超えて移動しようとするときに、変形によって前記固定部から前記第２アームへの衝撃を緩衝する水平多関節ロボット。
前記緩衝部が、前記固定部と一体である請求項１に記載の水平多関節ロボット。
前記ストッパが、前記シャフトの外周面を覆う筒状の単一の部材であり、
前記固定部が、鉛直方向における前記部材の一端部であり、前記緩衝部が鉛直方向における前記部材の他端部である請求項２に記載の水平多関節ロボット。
前記緩衝部の前記変形が、前記鉛直方向の弾性圧縮である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の水平多関節ロボット。
前記緩衝部の前記変形が、塑性変形である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の水平多関節ロボット。
前記緩衝部に、周方向に延びる周方向スリットが形成されている請求項４に記載の水平多関節ロボット。
前記固定部に、鉛直方向に延びる軸方向スリットが形成されている請求項３から請求項６のいずれかに記載の水平多関節ロボット。