JP2020179443A - 水平多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトのストッパの緩衝を抑制する水平多関節ロボットを提供すること。【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内に制限するストッパ２１，２２と、第２アーム４に設けられた緩衝部材２３，２４と、を備え、緩衝部材２３，２４が、ストッパ２１，２２と、第２アーム４に設けられストッパ２１，２２と鉛直方向に対向する相手部材１３，１４との間に配置され、ストッパ２１，２２から相手部材１３，１４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および２参照。）。シャフトの端部には、シャフトの移動を所定の範囲内に制限するためのストッパが取り付けられている。
また、物体との接触時の衝撃を緩衝する緩衝機構を備えたロボットが知られている（例えば、特許文献３および４参照。）。

特開２０１５−０７７６４９号公報 特開２００９−０９５９３７号公報 特開２０１６−１７２２９６号公報 特開２０１８−０８６７０３号公報

水平多関節ロボットにおいて、シャフトのストッパが第２アームに設けられた部品に衝突したときに、ストッパまたは第２アームの部品が衝撃によって破損したり、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。

本開示の一態様は、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、前記第２アームに設けられた緩衝部材と、を備え、該緩衝部材が、前記ストッパと、前記第２アームに設けられ前記ストッパと鉛直方向に対向する相手部材との間に配置され、前記ストッパから前記相手部材への衝撃を緩衝する、水平多関節ロボットである。

一実施形態に係る水平多関節ロボットの構成図である。 上側の緩衝部材の固定位置の一例を示す部分拡大図である。 下側の緩衝部材の固定位置の一例を示す部分拡大図である。 ストッパの斜視図である。 緩衝部材の形状の一例を示す図である。 緩衝部材の形状の他の例を示す図である。 緩衝部材の形状の他の例を示す図である。 上側の緩衝部材の固定位置の他の例を示す部分拡大図である。 下側の緩衝部材の固定位置の他の例を示す部分拡大図である。 緩衝部材の変形例の斜視図である。 緩衝部材の他の変形例の斜視図である。

以下に、一実施形態に係る水平多関節ロボット１について図面を参照して説明する。
図１に示されるように、水平多関節ロボット１は、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、を備える。

ベース２は、ケーブル６によって制御装置（図示略）と接続され、ケーブル７によって第２アーム４と接続されている。制御装置は、制御信号および電力を、ケーブル６を経由してベース２内の第１サーボモータ８に供給する。また、制御装置は、制御信号および電力を、ケーブル６，７を経由して第２アーム４内の第２サーボモータ９、第３サーボモータ１０および第４サーボモータ（図示略）に供給する。符号１１，１２は、減速機を示している。

第１アーム３の一端部は、ベース２に水平方向に旋回可能に支持されている。第１アーム３は、第１サーボモータ８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の他端部に水平方向に旋回可能に支持されている。第２アーム４は、第２サーボモータ９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１から図３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１３およびボールスプラインナット１４が設けられている。ボールネジナット１３およびボールスプラインナット１４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。第３サーボモータ１０の回転が、ベルト１５およびプーリ１６によってボールネジナット１３に伝達され、ボールネジナット１３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。第４サーボモータの回転が、ベルト１７およびプーリ１８によってボールスプラインナット１４に伝達され、ボールスプラインナット１４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。

また、水平多関節ロボット１は、シャフト５に取り付けられた２つのストッパ２１，２２と、ストッパ２１，２２の相手部材にそれぞれ固定された２つの緩衝部材２３，２４と、を備える。
ストッパ２１の相手部材は、第２アーム４に設けられ、ストッパ２１と鉛直方向に対向する部材である。ストッパ２２の相手部材は、第２アーム４に設けられ、ストッパ２２と鉛直方向に対向する部材である。図１から図３の例において、第２アーム４のカバー４ａの上面および下面に、シャフト５が貫通する穴４ｂ，４ｃがそれぞれ開口している。ボールネジナット１３の上端面１３ａは、穴４ｂを介してカバー４ａの外側に露出し、ボールスプラインナット１４の下端面１４ａは、穴４ｃを介してカバー４ａの外側に露出している。一例において、上側のストッパ２１の相手部材は、ボールネジナット１３であり、下側のストッパ２２の相手部材は、ボールスプラインナット１４である。

各ストッパ２１，２２は、図４に示されるように、シャフト５の外周面に固定される円環状または円筒状の部材であり、金属等の高剛性材料から形成されている。一方のストッパ２１はシャフト５の上端部に固定され、他方のストッパ２２はシャフト５の下端部に固定されている。

例えば、ストッパ２１は、ストッパ２１を周方向に分断するスリット２１ａと、スリット２１ａと直交するボルト孔２１ｂとを有する。ストッパ２１をシャフト５の周囲に配置した状態でボルト孔２１ｂにボルトを締め込むことによって、ストッパ２１の内径を縮小させてストッパ２１の内周面とシャフト５の外周面との間の摩擦によりストッパ２１をシャフト５に固定することができる。ストッパ２２も、ストッパ２１と同様に、スリットおよびボルト孔を有し、摩擦によってシャフト５に固定される。
ストッパ２１，２２は、溶接等の他の手段によってシャフト５に固定されていてもよい。

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２１，２２によって、第２アーム４に対するシャフト５の鉛直方向の移動が所定の可動範囲内に機械的に制限される。具体的には、上側のストッパ２１が第２アーム４の相手部材１３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２２が、第２アーム４の相手部材１４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。

各緩衝部材２３，２４は、ゴム、スポンジまたは発泡体等の弾性材料から形成されている。上側の緩衝部材２３は、上側のストッパ２１の相手部材であるボールネジナット１３の上端面１３ａに固定され、ストッパ２１とボールネジナット１３との間に配置されている。下側の緩衝部材２４は、下側のストッパ２２の相手部材であるボールスプラインナット１４の下端面１４ａに固定され、ストッパ２２とボールスプラインナット１４との間に配置されている。

図５から図７は、緩衝部材２３，２４の形状および配置の例を示している。緩衝部材２３，２４は、シャフト５を囲む円周上に略均等に配置されている。例えば、図５に示されるように、緩衝部材２３，２４は、シャフト５の周囲に全周にわたって配置される単一の円環状の部材であってもよい。あるいは、図６および図７に示されるように、緩衝部材２３，２４は、シャフト５の周囲に略均等に配列する複数の部材から構成されていてもよい。

制御装置は、動作プログラムに従って第１、第２、第３および第４サーボモータ８，９，１０に制御信号および電力を供給し、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。ストッパ２１，２２は、シャフト５がストローク範囲Ｓの限界Ｓ１，Ｓ２を超えたときに相手部材１３，１４と接触する位置において、シャフト５にそれぞれ固定されている。

次に、水平多関節ロボット１の作用について説明する。
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の先端の手首部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。

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２１，２２は、相手部材１３，１４および緩衝部材２３，２４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２１，２２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、上側のストッパ２１が緩衝部材２３を介してボールネジナット１３の上端面１３ａ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２２が緩衝部材２４を介してボールスプラインナット１４の下端面１４ａ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。

仮に、重いシャフト５が高速で直線移動しているときにストッパ２１，２２が相手部材１３，１４に直接衝突した場合、ストッパ２１，２２および相手部材１３，１４が受ける衝撃は強く、ストッパ２１，２２および相手部材１３，１４が破損する可能性がある。例えば、ストッパ２１，２２が摩擦によってシャフト５に固定されている場合、強い衝撃によって、ストッパ２１，２２の位置がずれたりストッパ２１，２２がシャフト５から外れたりし得る。また、衝撃によってナット１３，１４またはシャフト５のボールの転動面に圧痕が形成され、ナット１３，１４が正常に動作しなくなり得る。

本実施形態によれば、ストッパ２１と相手部材１３との間の緩衝部材２３の弾性圧縮によって衝撃が吸収され、ストッパ２１および相手部材１３に加わる衝撃が緩衝される。また、ストッパ２２と相手部材１４との間の緩衝部材２４の弾性圧縮によって衝撃が吸収され、ストッパ２２および相手部材１４に加わる衝撃が緩衝される。これにより、ストッパ２１，２２および相手部材１３，１４の破損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、緩衝部材２３，２４が、シャフト５を囲む円周上に全周にわたって略均等に配置されているので、ストッパ２１，２２および相手部材１３，１４に加わる衝撃が空間的に均一に分散される。これにより、ストッパ２１，２２および相手部材１３，１４の破損をより確実に防止することができる。特に、ボールの転動面の圧痕の形成を防止することができる。
また、ストッパ２１，２２の大型化および重量化は、水平多関節ロボット１の動作に影響し得るため、ストッパ２１，２２は小型かつ軽量であることが好ましい。本実施形態によれば、緩衝部材２３，２４は、ストッパ２１，２２とは別体であり、第２アーム４に設けられた相手部材１３，１４に固定されている。したがって、シャフト５の動作に影響を与えることなく、緩衝部材２３，２４を水平多関節ロボット１に追加することができる。

本実施形態において、緩衝部材２３，２４が、相手部材１３，１４の端面１３ａ，１４ａ上に配置されることとしたが、これに代えて、緩衝部材が、端面１３ａ，１４ａから鉛直方向に間隔をあけて配置されてもよい。
この場合、緩衝部材は、相手部材１３，１４のストッパ２１，２２と対向する端面１３ａ，１４ａ以外の他の面において相手部材１３，１４に固定されるか、または、第２アーム４に設けられ相手部材１３，１４とは異なる固定部材に固定される。

固定部材は、カバー４ａ、または、第２アーム４内に配置されカバー４ａに対して固定された部材である。一例において、固定部材は、図８および図９に示されるように、カバー４ａに固定され、ナット１３，１４をそれぞれ回転可能に支持する支持部材１９，２０である。

図１０は、支持部材１９，２０に固定される緩衝部材２５の一例を示している。緩衝部材２５は、シャフト５と略同軸に配置される円筒状の部材である。緩衝部材２５の一端には、径方向外方に広がるフランジ２５ａが設けられている。フランジ２５ａは、支持部材１９，２０に固定される部分であり、ボルト２８が挿入される複数の孔２５ｂが設けられている。緩衝部材２５の他端には、ストッパ２１または２２と対向する円環状の端壁２５ｃが設けられている。端壁２５ｃは、相手部材１３，１４から鉛直方向に間隔をあけて配置される。緩衝部材２５は、例えば鋳物または板金からなり、ストッパ２１，２２との衝突によって塑性変形することにより、衝撃を吸収する。衝撃吸収性を高めるために、端壁２５ｃに、弾性材料からなる緩衝部材２３または２４がさらに設けられてもよい。

緩衝部材２５を相手部材１３，１４の端面１３ａ，１４ａから鉛直方向に間隔をあけて配置することによって、緩衝部材２５と端面１３ａ，１４ａとの間に空間が形成される。この空間によって、ストッパ２１，２２から相手部材１３，１４への衝撃をより低減することができる。
さらに、緩衝部材２５が相手部材１３，１４とは別の固定部材１９，２０に固定されていることによって、ストッパ２１，２２から相手部材１３，１４への衝撃をより効果的に低減することができる。緩衝部材２５が、端面１３，１４以外の面において相手部材１３，１４に固定されている場合にも、同様の効果が得られる。

また、緩衝部材２５は、ボルト２８によって固定部材１９，２０に機械的に固定されるので、固定部材１９，２０への着脱が可能である。したがって、ストッパ２１，２２との衝突によって緩衝部材２５が破損した後、破損した緩衝部材２５を新しい緩衝部材２５に容易に交換することができる。

緩衝部材２５は、ストッパ２１，２２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、緩衝部材２５は、図１０に示されるように、鉛直方向に延びる複数のスリット２５ｄを側壁に有し、鉛直方向に変形し易くなっていてもよい。または、緩衝部材２５は、側壁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。

図１１に示されるように、緩衝部材２６が、鉛直方向に相対位置を変更可能な２つの部材２６ａ，２６ｂから構成されていてもよい。一方の部材２６ａは、固定部材１９，２０に固定される固定部であり、例えば、フランジ２５ａと同様のフランジ２６ｃを有する筒状の部材である。他方の部材２６ｂは、固定部２６ａに対して位置を鉛直方向に変更可能である可動部であり、例えば、端壁２５ｃと同様の端壁２６ｄを有する筒状の部材である。固定部２６ａおよび可動部２６ｂは相互に入れ子状に配置されており、これにより、緩衝部材２６は、テレスコープ式に鉛直方向に伸縮することができる。可動部２６ｂは、例えばねじ２６ｅによって、固定部２６ａに固定される。

このような緩衝部材２６によれば、固定部２６ａに対する可動部２６ｂの位置を変更することによって、可動部２６ｂの位置を鉛直方向に調整することができる。これにより、ストッパ２１，２２と緩衝部材２６との間の距離を変更し、ストッパ２１，２２と緩衝部材２６との衝突位置を容易に調整することができる。

上記実施形態において、２組のストッパ２１，２２および緩衝部材２３，２４が、第２アーム４の上側および下側の両方に設けられていることとしたが、これに代えて、１組のストッパおよび緩衝部材が、第２アーム４の上側および下側の一方のみに設けられていてもよい。

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
１３ ボールネジナット（相手部材）
１４ ボールスプラインナット（相手部材）
１３ａ，１４ａ 端面
１９，２０ 支持部材、固定部材
２１，２２ ストッパ
２３，２４，２５，２６ 緩衝部材
２６ａ 固定部
２６ｂ 可動部

Claims (8)

1. 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、
   前記第２アームに設けられた緩衝部材と、を備え、
   該緩衝部材が、前記ストッパと、前記第２アームに設けられ前記ストッパと鉛直方向に対向する相手部材との間に配置され、前記ストッパから前記相手部材への衝撃を緩衝する、水平多関節ロボット。
2. 前記緩衝部材が、前記相手部材の前記ストッパと対向する端面上に配置される、請求項１に記載の水平多関節ロボット。
3. 前記緩衝部材が、前記相手部材の前記ストッパと対向する端面から鉛直方向に間隔をあけて配置される、請求項１に記載の水平多関節ロボット。
4. 前記緩衝部材が、前記相手部材に固定される、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。
5. 前記緩衝部材が、前記第２アームに設けられ前記相手部材とは異なる固定部材に固定される、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。
6. 前記緩衝部材が、前記ストッパとの衝突によって塑性変形する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の水平多関節ロボット。
7. 前記緩衝部材が、前記第２アームに設けられた部材に着脱可能である、請求項１から請求項６のいずれかに記載の水平多関節ロボット。
8. 前記緩衝部材が、
   前記固定部材に固定される固定部と、
   前記相手部材と前記ストッパとの間に配置され、前記固定部に対する位置を鉛直方向に変更可能である可動部と、を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の水平多関節ロボット。

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