JP2020110854A - 連結モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】連結モジュールを提供する。【解決手段】連結モジュールは、シャフトを備える。シャフトは移動せず旋転したり昇降したりすることができ、二つの並列するワイヤで螺旋状に囲まれる。シャフトおよび二つのワイヤはそれぞれの末端部が電気ソケットに連結されるため、電気ソケットはシャフトに駆動されたうえでシャフトの軸方向に沿って二つのワイヤを伸縮運動させるか、シャフトの軸方向に向かって二つのワイヤを螺旋運動させることができる。上述した構造特徴により、本発明による連結モジュールはワイヤハーネスの配線方式を効果的に簡単化し、操作空間を縮減し、ワイヤ断裂のリスクを下げることができる【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットアームに関し、詳しくはロボットアームの末端部に位置する連結モジュールに関するものである。

ロボットアームは既に製造および加工工業に汎用されている。ロボットアームによれば、繰り返し作業の多い製造工程を人手で行えば製品の歩留まりが低下するという状況を抑制し、作業員の代わりに厳しい環境条件下で作業を行い、作業員の健康を危険から守ることができるだけでなく、良好な加工精度を維持することができる。
製造および加工工程において規格の異なる作業対象に加工作業を行うには、連結モジュールによって末端効果器（例えばグリッパ、吸盤またはドリル）をロボットアームの末端部に取り付けることが必要である。

従来の配線構成においては、ワイヤをまとめて縛って外部に露出させることが一般的である。
特許文献１は複数の係止部材によってワイヤをシャフトにらせん状に固定することを開示している。該案は外部にワイヤを配線する方式を採用するため、末端部の連結モジュールの周りに比較的大きい操作空間を確保する必要があり、その一方で末端部の連結モジュールが作動する際、ワイヤと周りの物体とが相互に衝突することが原因でワイヤが絡まって断裂してしまうという問題が発生する。

特開ＪＰ１９９８−２１７１７８号公報

本発明は、従来の複雑な配線方式を簡単化し、操作空間を縮減し、ワイヤ断裂のリスクを下げることができる連結モジュールを提供することを主な目的とする。

（関係式１）
１．３＜Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＜３．２

上述した課題を解決するための連結モジュールは、シャフト、電気ソケットおよびワイヤハーネスを備える。電気ソケットはシャフトの底部に連結されるため、シャフトとともに旋転および昇降できる。ワイヤハーネスは少なくとも二つの並列するワイヤから構成され、シャフトにらせん状に配置される。ワイヤハーネスは底部が電気ソケットに連結されるため、電気ソケットによって動かされてシャフトの軸方向に沿って伸縮運動するか、シャフトの軸方向に向かって螺旋運動することができる。第一方向に沿ってワイヤハーネスを螺旋運動させる際の直径が最大直径である。第一方向とほぼ反対の第二方向に沿ってワイヤハーネスを螺旋運動させる際の直径が最小直径である。最小直径はシャフトの外径より大きく、関係式１を満足させる。関係式１において、最大直径はＤｍａｘである。最小直径はＤｍｉｎである。

（関係式２）
Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＜１．３
（関係式３）
Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＞３．２

状況が関係式２で表示される際、ワイヤハーネスの作動する行程が長過ぎればシャフトとそれに関連する部材の長さを増大させる必要があるため、コストが高くつく。
状況が関係式３で表示される際、ワイヤハーネスは別の部材の作動を妨害するため、作業範囲は限定される。

上述した構造特徴により、本発明による連結モジュールはワイヤハーネスをシャフトにらせん状に配置する方式を採用するため、ワイヤハーネスは実際の状況に応じて伸びたり縮んだりするか旋転することができるだけでなく、操作空間の縮減を実現させ、ワイヤ断裂のリスクを下げることができる。

（式１）
Ｄｍａｘ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ−１）×π）＋φ
（式２）
Ｄｍｉｎ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ＋１）×π）−φ

比較的好ましい場合、最大直径Ｄｍａｘは式１に基づいて計算される。最小直径Ｄｍｉｎは式２に基づいて計算される。式１および式２において、Ｎはシャフトを囲んだワイヤハーネスの有効周回数である。Ｌはシャフトの一周を囲んだワイヤハーネスの螺旋の長さである。φはワイヤハーネス中の最大のワイヤの直径である。πは円周率である。作動中のワイヤハーネスの最大直径および最小直径は式１および式２によって算出されるため、ワイヤハーネスが伸びたり縮んだりする際に別の部品の作動を妨害しないことを確保することができる。

比較的好ましい場合、本発明による連結モジュールはさらに伸縮性保護スリーブを備える。伸縮性保護スリーブはワイヤハーネスに被るようにシャフトに配置され、底部が電気ソケットに接続されるため、ワイヤハーネスは伸縮性保護スリーブ内に隠れてワイヤ断裂のリスクを減少させる。

本発明による連結モジュールの詳細な構造、特徴、組み立てまたは使用方法について、以下の実施形態の詳細な説明を通して明確にする。
なお、以下の詳細な説明および本発明により提示された実施形態は本発明を説明するための一例に過ぎず、本発明の請求範囲を限定できないことは、本発明にかかわる領域において常識がある人ならば理解できるはずである。

本発明の一実施形態による連結モジュールを採用したロボットアームの一部分を示す断面図である。 本発明の一実施形態による連結モジュールを示す斜面図である。 本発明の一実施形態による連結モジュールを示す分解斜面図である。 本発明の一実施形態による連結モジュール中の伸縮性保護スリーブが取り外された状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態による連結モジュールを示す断面図である。

以下、本発明による連結モジュールを図面に基づいて説明する。なお、明細書において、方向性用語は図面に示した方向に基づいて表現される。図中の同じ符号は同じ部品または類似した部品の構造特徴を示す。

（一実施形態）
図１は本発明の一実施形態による連結モジュール１０を採用した水平多関節ロボット（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ，ＳＣＡＲＡ）の一部分を示す断面図である。図２および図３に示すように、本発明の一実施形態による連結モジュール１０はシャフト２０、電気ソケット３０、伸縮性保護スリーブ４０およびワイヤハーネス５０を備える。

シャフト２０は、カバー１２に差し込まれてカバー１２内の二つのスプラインナット１６と結合する。カバー１２内の駆動源、例えばモーター（図中未表示）は二つのベルトリング１４によって二つのスプラインナット１６を駆動するため、シャフト２０は二つのスプラインナット１６に伴って旋転および昇降できる。本実施形態において、シャフト２０はスプラインボルトであるが、これに限らず、棒状モーターのシャフトなどの別の形態でもよい。

電気ソケット３０は、シャフト接続器３２によってシャフト２０の底部に連結されるため、シャフト２０とともに作動できる。電気ソケット３０はフランジ３４、電力出力部材３６および二つの気圧出力部材３８を有する。フランジ３４は電気ソケット３０の底面に配置され、実際の状況に応じて異なる末端効果器、例えばグリッパ、吸盤またはドリル（図中未表示）と結合して使用される。
電力出力部材３６および二つの気圧出力部材３８は電気ソケット３０の外周面に配置される。電力出力部材３６は末端効果器に電力を出力する。一つの気圧出力部材３８は末端効果器に気体を送り込む。一つの気圧出力部材３８は末端効果器から気体を排出する。

伸縮性保護スリーブ４０は、先端部が電気ソケット３０の上方に位置するベース４２に連結され、末端部がボールベアリング４４に連結される。ボールベアリング４４はＣ字型嵌合部材４６によって電気ソケット３０に装着されるため、電気ソケット３０が旋転する際、伸縮性保護スリーブ４０は電気ソケット３０とともに旋転することがない。電気ソケット３０が昇降する際、伸縮性保護スリーブ４０は電気ソケット３０の作動に伴って伸びたり縮んだりする。

ワイヤハーネス５０は、少なくとも二つの並列するワイヤから構成される。本実施形態において、ワイヤハーネス５０は第一ワイヤ５２および二つの第二ワイヤ５４を有する。第一ワイヤ５２および二つの第二ワイヤ５４は直径が異なるが、これに限らず、実際の状況に応じて直径が同じであるように設計されてもよい。
第一ワイヤ５２の直径は第二ワイヤ５４の直径より大きい。第一ワイヤ５２および二つの第二ワイヤ５４はシャフト２０に沿って螺旋状に配置され、伸縮性保護スリーブ４０で覆われる。第一ワイヤ５２および二つの第二ワイヤ５４は先端部が係止部材５６によってベース４２に固定され、末端部がプラグ５８によって電気ソケット３０に固定されるため、第一ワイヤ５２と電力出力部材３６は相互に連結されて電力出力回線を構成する。二つの第二ワイヤ５４と二つの気圧出力部材３８は相互に連結されて給気配線および排気配線を構成する。
上述した構造特徴により、ワイヤハーネス５０は電気ソケット３０とともに作動できる。つまり、電気ソケット３０が旋転する際、ワイヤハーネス５０はシャフト２０の軸方向に向かって螺旋運動する。電気ソケット３０が昇降する際、ワイヤハーネス５０はシャフト２０の軸方向に沿って伸縮運動する。

（式１）
Ｄｍａｘ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ−１）×π）＋φ
（式２）
Ｄｍｉｎ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ＋１）×π）−φ

ワイヤハーネス５０において、第一ワイヤ５２および二つの第二ワイヤ５４には弾力性があり、かつシャフト２０に沿って螺旋状に配置され、電気ソケット３０に連結されるため、シャフト２０の駆動力によって旋転する電気ソケット３０に伴って旋転し、径方向に伸びたり縮んだりすることができる。
またワイヤハーネス５０が伸びたり縮んだりする際に別の部品の作動を妨害しないことを確保するには、ワイヤハーネス５０のサイズを一定に限定する必要がある。詳しく言えば、ワイヤハーネス５０が第一方向Ｄ１（図４中の矢印）に沿って螺旋運動して径方向に伸びる際の直径が最大直径Ｄｍａｘである。最大直径Ｄｍａｘは式１に基づいて計算される。
ワイヤハーネス５０が第一方向Ｄ１とほぼ反対の第二方向Ｄ２（図４中の矢印）に沿って螺旋運動して径方向に縮む際の直径が最小直径Ｄｍｉｎである。最小直径Ｄｍｉｎは式２を満足させる。
式１および式２において、Ｎはシャフト２０を囲んだワイヤハーネス５０の有効周回数である。Ｌはシャフト２０の一周を囲んだワイヤハーネス５０の螺旋の長さである。φはワイヤハーネス５０中の最大のワイヤ、即ち第一ワイヤ５２の直径である。πは円周率である。

（関係式１）
１．３＜Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＜３．２
（関係式２）
Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＜１．３
（関係式３）
Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＞３．２

図５に示すように、径方向に伸びるワイヤハーネス５０と伸縮性保護スリーブ４０が相互に干渉することを避けるためにはワイヤハーネス５０の最大直径Ｄｍａｘは伸縮性保護スリーブ４０の内径Ｄｓより小さくする。径方向に縮むワイヤハーネス５０とシャフト２０が相互に干渉することを避けるためにはワイヤハーネス５０の最小直径Ｄｍｉｎはシャフト２０の外径Ｄｂより大きくする。上述した構造特徴により、ワイヤハーネス５０はロボットアームの作動に対応して電力を正常に維持して出力することができる。
最大直径Ｄｍａｘおよび最小直径Ｄｍｉｎの関係は関係式１を満足させる。しかしながら、最大直径Ｄｍａｘおよび最小直径Ｄｍｉｎの関係が関係式２で表示される際、ワイヤハーネス５０の作動する行程が長過ぎればシャフト２０とそれに関連する部材の長さを増大させる必要があるため、コストが高くつく。
最大直径Ｄｍａｘおよび最小直径Ｄｍｉｎの関係が関係式３で表示される際、ワイヤハーネス５０は別の部材（例えば端末効果器または別のアーム）の作動を妨害するため、作業範囲は限定される。

上述をまとめると、本発明による連結モジュール１０において、ワイヤハーネス５０はシャフト２０に沿って螺旋状に配置され、サイズが特別に設計されるため、実際の状況に応じて伸びたり縮んだりするか旋転することができる。従って本発明による連結モジュール１０は操作空間を縮減し、ワイヤ断裂のリスクを下げることができる。

１０ 連結モジュール
１２ カバー
１４ ベルトリング
１６ スプラインナット
２０ シャフト
３０ 電気ソケット
３２ シャフト接続器
３４ フランジ
３６ 電力出力部材
３８ 気圧出力部材
４０ 伸縮性保護スリーブ
４２ ベース
４４ ボールベアリング
４６ Ｃ字型嵌合部材
５０ ワイヤハーネス
５２ 第一ワイヤ
５４ 第二ワイヤ
５６ 係止部材
５８ プラグ
Ｄｓ 伸縮性保護スリーブの内径
Ｄｂ シャフトの外径
Ｄ１ 第一方向
Ｄ２ 第二方向

Claims (4)

1. （関係式１）
   １．３＜Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ＜３．２
   シャフト、電気ソケットおよびワイヤハーネスを備え、
   前記電気ソケットは、前記シャフトの底部に連結されて前記シャフトとともに旋転および昇降することができ、
   前記ワイヤハーネスは少なくとも二つの並列するワイヤを有し、
   前記ワイヤハーネスは前記シャフトにらせん状に配置され、前記電気ソケットに連結されるため、前記電気ソケットによって動かされて前記シャフトの軸方向に沿って伸縮運動するか、前記シャフトの軸方向に向かって螺旋運動することができ、
   前記ワイヤハーネスは、第一方向に沿って螺旋運動する際の直径が最大直径Ｄｍａｘであり、前記第一方向とほぼ反対の第二方向に沿って螺旋運動する際の直径が最小直径Ｄｍｉｎであり、
   前記最小直径は前記シャフトの外径より大きく、前記関係式１を満足させることを特徴とする、
   連結モジュール。
2. （式１）
   Ｄｍａｘ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ−１）×π）＋φ
   （式２）
   Ｄｍｉｎ＝（Ｎ×Ｌ）／（（Ｎ＋１）×π）−φ
   前記最大直径Ｄｍａｘは前記式１に基づいて計算され、前記最小直径Ｄｍｉｎは前記式２に基づいて計算され、前記式１および前記式２において、Ｎは前記シャフトを囲んだ前記ワイヤハーネスの有効周回数であり、Ｌは前記シャフトの一周を囲んだ前記ワイヤハーネスの螺旋の長さであり、φは前記ワイヤハーネス中の最大のワイヤの直径であり、πは円周率であることを特徴とする請求項１に記載の連結モジュール。
3. 前記ワイヤハーネスは、直径の異なる第一ワイヤおよび二つの第二ワイヤを有し、前記第一ワイヤは直径が前記第二ワイヤより大きく、前記φは前記第一ワイヤの直径であることを特徴とする請求項２に記載の連結モジュール。
4. さらに伸縮性保護スリーブを備え、前記伸縮性保護スリーブは前記ワイヤハーネスに被るように前記シャフトに配置され、底部が前記電気ソケットに接続され、前記ワイヤハーネスが前記第一方向に沿って螺旋運動する際、前記最大直径Ｄｍａｘは前記伸縮性保護スリーブの内径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の連結モジュール。

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