JP2020179470A - 関節機構及びロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造でありながら、手首部の到達範囲を拡大することができる関節機構及びそれを備えたロボットアーム機構を提供することにある。【解決手段】本実施形態に係るロボットアーム機構１は特定の関節機構を備える。この関節機構は、回転関節部Ｊ３と、回転関節部Ｊ３を回転させる動力を発生するモータ８０と、回転関節部Ｊ３の回転軸に接続される伸縮自在のアーム６と、回転関節部Ｊ３の回転に連動してアーム６を伸縮させる連動機構とを具備する。【選択図】 図４

Description

本発明の実施形態は、関節機構及びロボットアーム機構に関する。

近年、ロボットは、小型化や安全性の向上に伴って、様々な場面で使用されるようになってきた。今後、ロボットの適用先をさらに拡大するために、安全性、配置自由度など様々な観点で工夫がなされている。ロボットの適用先を拡大するために、エンドエフェクタの到達範囲の拡大することは有効な１つの方法である。エンドエフェクタの到達範囲を拡大することで、例えば、製造ラインの横に立つ作業員に代わってロボットが実施できる作業の種類を増やすことができる。エンドエフェクタの到達範囲を拡大は、関節部同士を接続するリンクを長くすることにより実現できる。しかしながら、リンクを長くすることは、ロボットの基台から遠方の位置へのエンドエフェクタの配置を実現する一方で、製造ラインの横の限られたスペースの中におけるロボットの基台付近の位置への手首の配置を制限する。この課題は、関節部同士を接続するリンクを伸縮自在なアームに換装することで解決できる（例えば特許文献１参照）。

特開2018-206982号公報

しかしながら、単純なリンクに比べて伸縮自在なアームは構造的に複雑であり、また、アームを駆動するためのモータをアームに設置する必要があるため、コストの増加とアーム重量の増加とが不可避であった。アーム重量の増加はアーム自体の剛性を低下させるだけではなく、アームの支持部への負荷を増加させる。負荷の増大は、支持部を構成する部品を高い剛性を有する部品に変更する必要を生じさせ、コストの増加につながる。そのため、簡素な構造でコストの増加を抑えながらも、エンドエフェクタの到達範囲を拡大することができる関節機構及びそれを備えたロボットが望まれている。

本開示の一態様に係る関節機構は、回転関節部と、回転関節部を回転させるための動力を発生するモータと、回転関節部の回転軸に後端が接続される伸縮自在のアームと、回転関節部の回転に連動してアームを伸縮させる連動機構とを具備する。
本開示の一態様に係るロボットアーム機構は、基台と、基台上に設置される第１回転関節部と、第１回転関節部の回転部に立設される支柱部と、支柱部に移動自在に支持されるスライダ部と、スライダ部に取り付けられる第２回転関節部と、第２回転関節部の回転軸に後端が接続される伸縮自在のアームと、アームの先端に接続される手首部と、第２回転関節部の回転に連動してアームを伸縮させる連動機構とを具備する。第２回転関節部が順方向に回転するとき、アームの先端は基台から遠ざかり、第２回転関節部が逆方向に回転するとき、アームの先端は基台に接近する。連動機構は、第２回転関節部の順方向回転に連動してアームを伸長させ、第２回転関節部の逆方向回転に連動してアームを収縮させる。

本態様によれば、手首部の到達範囲の拡大を簡素な構造の関節機構で実現することができる。

本実施形態に係ロボットアーム機構の斜視図である。 図１のロボットアーム機構の側面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図１のロボットアーム機構の動作を説明するための補足図である。 図４の第１姿勢にあるときのロボットアーム機構を図記号で表した図である。 図４の第２姿勢にあるときのロボットアーム機構を図記号で表した図である。 図１のロボットアーム機構の第３回転関節部の駆動機構を示す図である。 図１のロボットアーム機構のギアボックスに収容される連動機構を示す平面図である。 図１のロボットアーム機構の第１アーム部分に収容される連動機構を示す斜視図である。 図１のロボットアーム機構の第１アーム部分に収容される連動機構を示す平面図である。

本実施形態に係るロボットアーム機構は特定の関節機構を備える。この関節機構は、回転関節部と、回転関節部の回転軸に接続される伸縮自在のアームと、回転関節部の回転に対してアームの伸縮を連動させるための物理的な連動機構とを有している。

図１、図２に示すように、本実施形態に係るロボットアーム機構１は、基台２を有する。基台２には、第１回転関節部Ｊ１を介して支柱部４が立設される。第１回転関節部Ｊ１は、基台２に設置される固定部と、固定部に対して回転する回転部としてのテーブル３とを有する。支柱部４には、スライダ部５が昇降自在に支持される。スライダ部５の端部には回転関節部Ｊ３の固定部が取り付けられる。回転関節部Ｊ３の回転部には、伸縮性を備えたアーム６が接続される。典型的には、回転関節部Ｊ３の固定部には、アーム６の後端が接続される。アーム６の先端には複数、ここでは直交２軸の回転関節部を装備した手首部７が取り付けられている。手首部７のアダプタには、用途に応じたエンドエフェクタ（手先効果器）、例えば２指のハンド部が取り付けられる。

アーム６は、後端側を構成する第１アーム部分６１と、第１アーム部分６１に対して入れ子をなす先端側を構成する第２アーム部分６２とを有する。第１アーム部分６１は例えば角筒形状又は溝枠形状に構成される。ここでは後者として説明する。図３に示すように第１アーム部分６１の上部板６１３には下部板６１４が二重側板６１１，６１２により平行に結合される。例えば二重側板６１１，６１２の間隙に、第１アーム部分６１に対して第２アーム部分６２を前後に移動させるための構造が収納される。詳細は後述する。

第１アーム部分６１には、その内寸よりも外寸が小さい四角筒形状の第２アーム部分６２が挿入される。第２アーム部分６２は第１アーム部分６１に対して、その中心線（移動軸ＲＡ４）に沿って直線的に移動自在に支持される。具体的には、第１アーム部分６１の上部板６１３の下面には直線状の第１レール６１５が移動軸ＲＡ４に沿って設置される。第１アーム部分６１の下部板６１４の上面であって第１レール６１５に対峙する位置に直線状の第２レール６１６が設置される。第２アーム部分６２の上面、下面それぞれの幅中央には、第１、第２スライダレール６２５、６２６が設置される。第１、第２スライダレール６２５、６２６は第１、第２レール６１５、６１６にそれぞれ移動自在にはめ込まれている。それにより第２アーム部分６２は第１アーム部分６１に対して前後に移動することができる。

なお、伸縮自在のアーム６は直動関節部Ｊ４とも言える。第１アーム部分６１は直動関節部Ｊ４の固定部、第２アーム部分６２は直動関節部Ｊ４の可動部に相当する。上記のロボットアーム機構１を図記号で以下のように表すことができる。図５乃至図６に示すように、ロボットアーム機構１は、基台２に垂直な回転軸ＲＡ１を備える旋回用の第１回転関節部Ｊ１と、基台２に垂直な移動軸ＲＡ２を備える昇降用の第２直動関節部Ｊ２と、水平な回転軸ＲＡ３を備える第３回転関節部Ｊ３と、回転軸ＲＡ３に直交する移動軸ＲＡ４を備える第４直動関節部Ｊ４と、水平な回転軸ＲＡ５を備える第５回転関節部Ｊ５と、回転軸ＲＡ５に直交する回転軸ＲＡ６を備える第６回転関節部Ｊ６とを装備する。

上記ロボットアーム機構１の特定の関節機構は、第３回転関節部Ｊ３と第４直動関節部Ｊ４との組み合わせに相当する。この関節機構は、第３回転関節部Ｊ３の回転動作に対して、第４直動関節部Ｊ４をなすアーム６の伸縮動作が機械的機構（連動機構）を介して連動する。典型的には、図４に示すように、アーム６が基台２の接地面に対して平行な第１姿勢（水平姿勢）にあるときアーム６は最長になり、アーム６が第１姿勢から下方に所定角度回転した第２姿勢（待避位置）にあるときアーム６は最短になるように連動機構が組まれている。第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の中で、第１姿勢ではアーム６の先端は基台２から最も遠く、第２姿勢ではアーム６の先端は基台２に最も近い。なお説明の便宜上、第２姿勢から第１姿勢に変位するための第３回転関節部Ｊ３の回転方向を順方向といい、第１姿勢から第２姿勢に変位するための第３回転関節部Ｊ３の回転方向を逆方向という。

連動機構は、第３回転関節部Ｊ３の順方向回転に連動してアーム６を伸長させ、第３回転関節部Ｊ３の逆方向回転（待機位置への回転）に連動してアーム６を収縮させる。図４に示すように第３回転関節部Ｊ３の回転に伴ってアーム６は第１姿勢と第２姿勢との間で変化する。第３回転関節部Ｊ３の回転に従動して、アーム６は伸縮する。

第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の上限（θmax）では、図５に示すように、アーム６は第１姿勢を示し、そのときのアーム６の最短長と最大長との差（伸縮長）が最大値Ｌｍａｘを示す。長さＬｍａｘを最大伸縮長という。第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の下限（θｍｉｎ）では、図６に示すように、アーム６は第２姿勢を示し、アーム６は最も短い長さを示し、そのときの伸縮長は当然にして０（ゼロ）である。第３回転関節部Ｊ３が上限（θmax）から下限（θｍｉｎ）又はその逆に変化するとき、その変化に対してアーム６の伸縮長は最大伸縮長Ｌｍａｘからゼロ又はその逆に線形に変化する。連動機構はそのような関係を実現するように以下のように組まれている。

図７に示すように単一のモータ８０がスライダ部５のモータマウント（図示しない）に設置される。モータ８０が回転すると、その回転はモータシャフト８１からドライブギア８３及びドリブンギア８５を介してドライブシャフト８４に伝達される。ドライブシャフト８４は第３回転関節部Ｊ３の回転軸をなす。ドライブシャフト８４の先端には第１アーム部分６１の後端が接続されている。モータ８０の回転に伴ってアーム６は回転軸ＲＡ３周りに上下回転をする。

第３回転関節部Ｊ３の回転に対してアーム６の伸縮を連動させるための連動機構は、ドライブシャフト８４の回転速度を変換してプーリ９９の回転軸に伝達する変速機構、特にここでは比較的長いアーム６の伸縮長を確保するので、好ましくはドライブシャフト８４の回転を増速して駆動プーリ９９の回転軸に伝達する増速機構を有する。それによりアーム６の回転軸の回転に対して駆動プーリ９９の回転軸は差動回転をする。具体的には、アーム６の回転軸はスライダ部５に対して所定速度で回転するとき、駆動プーリ９９の回転軸はスライダ部５に対してアーム６の回転軸の速度よりも速い速度で回転する。駆動プーリ９９はアーム６に対して相対的に同方向に回転する。増速された回転運動は、アーム６の基端側の第１アーム部分６１の内部で直線運動に変換される。それによりアーム６は伸縮、つまり第１アーム部分６１に対して第２アーム部分６２が相対的に前後に移動される。なお、アーム６の伸縮長が比較的短いときには、変速機構として減速機構であることを否定するものではない。

図８に示すギアボックス９０はスライダ部５に取り付けられている。ギアボックス９０はスライダ部５に対して固定される。ギアボックス９０には、ドライブシャフト８４にはめ込まれる入力ギア９１，入力ギア９１にかみ合わされるギア９３、ギア９３とシャフト９５を共通するギア９６、ギア９６にかみ合わされる出力ギア９７とを有する。これらギア９１，９３，９６，９７のギア比は、ドライブシャフト８４の回転速度を数倍、例えば５倍に増加させるように決定されている。適宜、ギアボックス９０を増速機と称する。

出力ギア９７は円筒シャフト９８に環装される。出力ギア９７が回転すると、それに伴って円筒シャフト９８も回転する。円筒シャフト９８はドライブシャフト８４に対して独立して回転可能にベアリングを挟んで外挿される。円筒シャフト９８はドライブシャフト８４に対して同心に配置されている。

以上のようにアーム６を上下回転するためのドライブシャフト８４の回転はギアボックス９０を介して増速され、ドライブシャフト８４より速い角速度で円筒シャフト９８を回転する。円筒シャフト９８の先端には駆動プーリ９９が接続される。駆動プーリ９９は第１アーム部分６１にその後方において軸支される。第１アーム部分には、その中央付近に中継プーリ１００が軸支され、その前方に従動プーリ１０１が軸支されている。駆動プーリ９９と中継プーリ１００との間にはベルト１０２が掛け渡され、中継プーリ１００と従動プーリ１０１との間にはベルト１０３が掛け渡されている。

ベルト１０３の特に下側の特定位置には接続片１０４の一端が結着され、この接続片１０４の他端には第２アーム部分６２がその後端又はその付近において接続されている。ベルト１０２、１０３は移動軸ＲＡ４に平行である。駆動プーリ９９の回転に伴ってベルト１０２が循環回転し、それにともなってベルト１０３も循環回転する。ベルト１０３も循環回転にともなって第２アーム部分６２が移動軸ＲＡ４に沿って前後に移動する。

なお、上記の駆動プーリ９９の回転動力を第２アーム部分６２の直線移動動力に変換する機構は、中継プーリ１００を挟んで従動プーリ１０１を配置する構成であったが、中継プーリ１００を排除して、従動プーリ１０1だけ配備する構造であってもよい。このとき、従動プーリ１０１と駆動プーリ９９との間に掛け渡されたベルト１０２の特定位置に接続片１０４の一端が結着され、接続片１０４の他端が第２アーム部分６２に接続されるようにしてもよい。

例えば、モータシャフト８１が図７中の矢印Ｂの方向に回転されたとき、ドライブシャフト８４は図７中の矢印Ｂの方向に回転し、第３回転関節部Ｊ３は順方向に回転される。このとき、円筒シャフト９８も図８中の矢印Ｂの方向に回転する。円筒シャフト９８はドライブシャフト８４よりも回転速度が速いため、駆動プーリ９９は第１アーム部分６１に対して図９中の矢印Ｂの方向に相対的に回転される。図９に示すように、駆動プーリ９９の矢印Ｂの方向への回転動力は、中継プーリ１００と、従動プーリ１０１と、ベルト１０２，１０３と、接続片１０４とにより第２アーム部分６２の前方Ｃへの移動動力に変換される。その結果、図１０に示すように、第２アーム部分６２は前方に移動される。

以上説明したように、第３回転関節部Ｊ３の回転に対してアーム６の伸縮を連動させることができる。具体的にはアーム先端が基台２に最接近する姿勢にあるときアーム長は最短を示し、手首部７が基台２から遠ざかるにつれてアーム６が段々と伸び、アーム６が水平姿勢にあるときアーム長は最大を示すように、連動機構は構成される。これにより、基台２に近接した位置から基台２から遠い位置までの広範囲にわたってロボットアーム機構１の手首部７及び手首部７に装着されたエンドエフェクタを到達させることができる。

しかも、アーム６の伸縮は第３回転関節部Ｊ３の回転に連動しているため、アーム６を伸縮させるための専用のモータを、第３回転関節部Ｊ３の動力を発生するモータと別体で設ける必要がない。当然、アーム６に対してモータを設置する必要がないため、アーム重量の増加が抑制される。アーム重量の増加の抑制は、アーム自体の大型化、剛性の向上を不要とするだけではなく、アーム６を支持するスライダ部５の耐久性、剛性の大幅な向上を不要とする。アーム専用のモータが不要であり、また、アーム重量の増加を抑制できることから、コスト増加を抑えられる。つまり、連動機構によれば、簡素な構造によりコスト増加を抑えながらも、手首部７及び手首部７に接続されたエンドエフェクタの到達範囲、可動範囲を拡大することができる。

もちろん、上記のロボットアーム機構１において、第３回転関節部Ｊ３だけを単独で動作させることやアーム６だけを単独で動作させることはできない。しかしながら、例えば、上記のロボットアーム機構１は、基台２に近接した位置に設定されたピックアップ位置で把持対象物を把持し、基台２から遠い位置に設定されたリリース位置で把持対象物をリリースするような予め決められた作業だけを行うピッキングロボットとして有効に活用することができる。

なお、本実施形態において、第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の上限（θmax）と下限（θｍｉｎ）とは任意に変更することが可能である。例えば、ベルト１０３における接続片１０４の取付け位置を変更することで、第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の下限（θmin）を変更することができる。また、ベルト１０３の上側に接続片１０４の取付けることにより、第３回転関節部Ｊ３の順方向回転に連動してアーム６を収縮させ、第３回転関節部Ｊ３の逆方向回転に連動してアーム６を伸長させることができる。また、ギアボックス９０内の各ギアのギア比を変更することにより、第３回転関節部Ｊ３の可動範囲の上限（θmax）と、単位回転角度あたりのアームの伸縮長を変化させることができる。

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。

２…基台、３…テーブル、４…支柱部、５…スライダ部、６…アーム、７…手首部。

Claims (10)

1. 回転関節部と、
   前記回転関節部を回転させるための動力を発生するモータと、
   前記回転関節部の回転軸に接続される伸縮自在のアームと、
   前記回転関節部の回転に連動して前記アームを伸縮させる連動機構とを具備する関節機構。
2. 前記アームは、前記回転軸に接続される第１アーム部分と、前記第１アーム部分に対して移動自在に支持される第２アーム部分とを有し、
   前記連動機構は、
   前記第１アーム部分において軸支される駆動プーリと、
   前記第１アーム部分において軸支される従動プーリと、
   前記駆動プーリと前記従動プーリとの間に掛け渡されるベルトと、
   前記ベルトの特定位置に前記第２アーム部分を接続する接続片と、を有する請求項１に記載の関節機構。
3. 前記連動機構は、前記回転関節部の回転軸と前記駆動プーリの回転軸との間に介在される変速機構をさらに有する請求項２に記載の関節機構。
4. 前記駆動プーリの回転軸は前記回転関節部の回転軸に対して同心に配置される、請求項２または３に記載の関節機構。
5. 前記駆動プーリの回転軸は円筒体であり、前記回転関節部の回転軸は前記円筒体内に収容される、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の関節機構。
6. 前記第１アーム部分と前記第２アーム部分とは入れ子構造をなす、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の関節機構。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の関節機構を備えたロボットアーム機構。
8. 前記回転関節部が順方向に回転するとき、前記アームの先端は前記ロボットアーム機構の基台から遠ざかるようにアームが回転し、前記回転関節部が逆方向に回転するとき、前記アームの先端は前記ロボットアーム機構の基台に接近するようにアームが回転し、
   前記連動機構は、前記回転関節部の順方向回転に連動して前記アームを伸長させ、前記回転関節部の逆方向回転に連動して前記アームを収縮させる、請求項７記載のロボットアーム機構。
9. 前記アームが水平姿勢にあるとき前記アームは最長になり、前記アームが水平姿勢から下方に所定角度回転した姿勢にあるとき前記アームは最短になる、請求項８に記載のロボットアーム機構。
10. 基台と、
    前記基台上に設置される第１回転関節部と、
    前記第１回転関節部の回転部に立設される支柱部と、
    前記支柱部に移動自在に支持されるスライダ部と、
    前記スライダ部に取り付けられる第２回転関節部と、
    前記第２回転関節部の回転軸に接続される伸縮自在のアームと、
    前記アームの先端に接続される手首部と、
    前記第２回転関節部の回転に連動して前記アームを伸縮させる連動機構とを具備し、
    前記第２回転関節部が順方向に回転するとき、前記アームの先端は前記基台から遠ざかり、前記第２回転関節部が逆方向に回転するとき、前記アームの先端は前記基台に接近し、
    前記連動機構は、前記第２回転関節部の順方向回転に連動して前記アームを伸長させ、前記第２回転関節部の逆方向回転に連動して前記アームを収縮させる、ロボットアーム機構。