JP2021053799A - 対象物を把持及び／又は保持するロボット - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つのロボットアーム３，４，５と、把持装置６と、少なくとも１つの電気モータ９と、駆動軸２４とから成る、対象物２を把持するロボット１において、アームの自由端に配置された把持装置が空間内で自由に移動でき、その長手軸周りの回転が所望に素早く頻繁に実行される。【解決手段】端部のアーム５の自由端１０と把持装置６の間にインターフェース３１が設けられ、インターフェースはアームに回転不能に固定された結合器２５とそこに適合したフランジ１１によって埋められ、フランジは、把持装置６及び駆動軸２４に回転不能に接続しており、第１トランシーバー１２が結合器内に設けられ、アーム５に供給される送電線１４を介して電源１５に接続し、第２トランシーバー１３がフランジ内に設けられ、複数の送電線１４を介して把持装置６に接続し、インターフェース３１の一部として、結合器２５とフランジ１１の間に空隙２１がある。【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求項１のプレアンブル部分に従う対象物を把持及び／又は保持するロボットに関する。

このようなロボット装置は、例えば製造業において数十年の間手作業をサポートするために使用されてきた。ロボットは空間において重い対象物を搬送し又は保持し、それらロボットは機械的又は手動処理に自由にアクセスできる。

ロボットは、互いに連結した複数の関節式ロボットアームから成る。ロボットアーム間のジョイント（関節）は、ヒンジや玉継手の形式のカルダン継手、スイベルジョイントとして設計されてもよい。したがって、ロボットアームの自由端は、複数の回転自由度又は並進自由度で移動可能である。

個々のロボットアームの移動に必要とされる駆動装置はしばしば電気モータから成り、そのそれぞれは、個々のロボットアームの回転移動を生じさせる必要なエネルギー又は電圧を得るために、電源に接続されねばならない。

対象物を拾い上げるために、ロボットアームの自由端は、別な電気モータが取り付けられている把持装置及び／又は保持装置を有する。少なくとも１つのスラスト部分がこの電気モータにより移動可能又は駆動可能である。それゆえ、それぞれの駆動されるスラスト部分は長手軸の方向に又は把持装置及び／又は保持装置と垂直に移動でき、スラスト部分は、把持装置及び／又は保持装置に固定された又は電気モータに駆動可能に結合した少なくとも１つの別なスラスト部分と協働する。結局、２つのスラスト部分は互いに向かって又は離れて移動できる。クランプされる（挟まれる）対象物はそれぞれのスラスト部分の間に配置され、それによりそれは電気モータによって印加される前進力（feed force）によりスラスト部分の間で保持される。

把持装置及び／又は保持装置は、その自身の長手軸周りに回転できるように、端部でロボットアームに支持される。それは、それが反時計回り又は時計回りに回転でき、例えばクランプされる対象物の自由なアクセス性を改良することを意味する。

把持装置及び／又は保持装置の回転の可能性が制限される不都合が見出されてきた、と言うのも電気モータの電源に必要なケーブルが回転の可能性を制限するからである。これは、３６０°の回転角度に達すると、電気ケーブルが、内側に敷設されているか外側に敷設されているかにかかわらず、ロボットアームと接続される把持装置及び／又は保持装置の間で互いにねじ曲がるからである。

したがって、従来技術のロボットは、３６０°の最大回転を実行できるだけである。最大回転角度に達するとすぐに、把持装置及び／又は保持装置をリセットすることが絶対必要である。したがって、従来技術のロボットは、それらの長手軸に関して±３６０°に制限された回転を実施できる。

把持装置及び／又は保持装置の回転角度がストッパなどによって制限されたとしても、電気ケーブルはかなりの摩損を受ける、と言うのも把持装置及び／又は保持装置の永続的な回転は電気ケーブルに重力を加え、それが或る操作期間後にケーブルを壊し、ゆえにそれらケーブルは交換されねばならないからである。

特許文献１は、例えば、ロボットアーム用の非接触容量エネルギー伝達を開示している。

容量エネルギー伝達は不都合には不適切である、と言うのも、ロボットアームの自由前端部で把持装置及び保持装置を操作する電気モータは通常、多大な量のエネルギーを必要とし、従って必要なエネルギーが容量伝達（コンデンサ）によって十分にもたらされない。

容量エネルギー伝達はその容量においてかなり制限され、つまり、複数の構成部品、すなわちグリッパフィンガー又はグリッパアームの回転を移動させるための十分な電気エネルギーを供給しない。

さらに、容量エネルギー伝達は、導体が互いから極めて短い距離に位置決めされねばならないという不都合を有する。一次側電源と二次側シンク又は負荷の間の容量エネルギー伝達装置のための出力率又は伝達率は、これら２つの側の間の距離のそれぞれ半分の二倍であり、その逆も等しい。数ワットの範囲のエネルギー伝達のために技術的に使用可能な容量は二桁のピコファラッドの範囲にある。しかしながら、これは、１ｍｍより大きい距離が低い伝達率で機能するので、例えば容量エネルギー伝達の送受信装置（トランシーバー）として掌サイズの表面が必要とされることを意味する。しかしながら、特にロボットでは、特にロボットアームの回転を保証するために、カプラとフランジの間の距離は非常に大きくなければならない。

加えて、容量エネルギー伝達の大面積送受信装置はかなりの量の空間を必要とする、と言うのも送受信装置のサイズは容量エネルギー伝達の出力率を決定するからである。

ＵＳ４８３０５６９Ａ

ゆえに、本発明の課題は、ロボットアームの自由端に配置された把持装置及び／又は保持装置が空間内で自由に移動できるように、すなわちその自身の長手軸周りの回転がロボットの移動に必要な機械的構成部品を制限せずに所望に素早く頻繁に実行され得るように、前述したタイプのロボットをさらに発展させることである。

この課題は、特許請求項１の特徴部分の特徴によって本発明に従い解決される。

本発明の更なる有利な実施形態は、従属請求項から明らかになる。

端部の前記ロボットアームの自由端と前記把持装置及び／又は保持装置の間にインターフェース（接合部分）が設けられ、当該インターフェースは、前記ロボットアームに回転不能に固定された結合器とそこに適合したフランジによって埋められ、当該フランジは、前記把持装置及び／又は保持装置及び前記駆動軸に回転不能に接続しており、誘導操作される第１トランシーバーが前記結合器内に設けられ、当該トランシーバーは、前記ロボットアームに供給される送電線を介して電源に接続しており、誘導操作される第２トランシーバーが前記フランジ内に設けられ、当該トランシーバーは複数の送電線を介して前記把持装置及び／又は保持装置に接続しており、前記インターフェースの一部として、前記結合器と前記フランジの間に空隙があることにより、空間内での把持装置及び／又は保持装置の自由な回転が保証される。と言うのも、把持装置及び／又は保持装置内にある電気モータへの電力供給が、２つの誘導操作されるトランシーバー装置を介してもたらされるからである。２つの誘導トランシーバー装置を介する電気モータの電力供給は、どんな回転角度でも把持装置及び／又は保持装置の自由で素早い回転を可能にする。従来のロボット用のエネルギー供給をもたらす電気ケーブルへの摩損は完全に排除される。

加えて、少なくとも１つの変調器と少なくとも１つの復調器がトランシーバー装置のそれぞれに設けられ、それにより電気エネルギー及び／又は電気信号が２つのトランシーバー装置の間で交互に伝達される場合に、２つのトランシーバー装置は電気信号を伝達し、それによりスラスト部分の移動が調節でき、永続的に監視され得る。

有利には、トランシーバー装置はそれぞれ、少なくとも１組の変調器と復調器から成り、それにより信号及び電気エネルギーの誘導伝達が互いに独立して実行できる。前記組の変調器と復調器は、信号又は電気エネルギーを伝達する。信号伝達又はエネルギー伝達は二方向性であってもよく、すなわち電気モータから評価装置へ又は電源から電気モータへ又はその逆の両方の方向に交互に行われてもよい。加えて、信号伝達又はエネルギー伝達は、適切な電気センサや他の電気機械的構成部品によって監視、評価されてもよく、それでロボットの操作状態が永続的に分かる。必要ならば、既存のエラーメッセージや格納されたプログラムシーケンスからのずれのために、ロボットの操作シーケンスにおける適切な介入が、適切な電気装置、例えばマイクロプロセッサによって外部から実行されてもよい。対応する手段は、一方でロボットの作業シーケンスを最適化するよう機能し、他方でデータベースに格納された特定の作業シーケンスをなるべく正確に実行するよう機能し又はロボットの移動によりそれをシミュレートするよう機能する。

図面は、本発明に従って構成されたロボットの例示の実施形態を示し、その詳細を以下に説明する。

３本のロボットアーム及び端部でロボットアームに取り付けられたフランジを有し、それにより把持装置及び／又は保持装置は回転可能に駆動され、また把持装置及び／又は保持装置に割り当てられ、それに半径方向に移動可能に支持された対象物を保持する２つのスラスト部分を有するロボットを示す斜視図である。 外側に延びるケーブルを有する、図１に示す端部におけるロボットアームの自由端の拡大図を示す図である。 内側に延びるケーブルを有する、図１に示すロボットアームの自由端を示す図である。 把持装置及び／又は保持装置内の電気モータの移動及び制御に関するエネルギー伝達及び／又は信号伝達のための電気接続部を有する、図２ａに示すロボットアームを示す図である。 把持装置及び／又は保持装置内の電気モータの移動及び制御に関するエネルギー伝達及び／又は信号伝達のための電気接続部を有する、図２ｂに示すロボットアームを示す図である。 エネルギー伝達及び信号伝達のための変調器及び復調器の対をなす装置を示す、図２ａに示すロボットアームを通る断面を示す図である。 エネルギー伝達及び信号伝達のための変調器及び復調器の対をなす装置を示す、図２ｂに示すロボットアームを通る断面を示す図である。 図３ａに従うロボットアームを通る断面図である。 図３ｂに従うロボットアームを通る断面図である。

図１は、対象物２を空間に把持及び保持するロボット１を示す。
対象物２は場合によっては、機械加工すべき工作物であってもよく、それに加工ステップが実行される。対象物２が工具である場合、それはそれ自体の長手軸の周りに回転できるように設置され、駆動される。対象物２はまた、工作物又は工具をロックする他の支持部品であってもよい。

ロボット１は３本のロボットアーム３，４及び５を有し、それぞれがジョイント２０によって互いに接続している。既存のジョイント２０のために、ロボットアーム３，４及び５は互いに対して移動できる。ゆえに、端部のロボットアーム５の自由端は６つの自由度で、つまり３つの並進自由度及び３つの回転自由度で移動できる。

加えて、第１ロボットアーム３は支持フレーム１９に取り付けられている。支持フレーム１９は、工具テーブル、機械フレームなどであってもよい。把持装置及び／又は保持装置６が、その端部１０にてロボットアーム５に取り付けられており、その長手軸６’の周りに回転できる。２つのスラスト部分７及び８が把持装置及び／又は保持装置６に割り当てられており、半径方向に移動可能であるように、すなわち図示の例示の実施形態では長手軸６’の方向に又は反対方向に把持装置及び／又は保持装置６上を半径方向に変位可能であるように、そこに設置されている。電気モータ９が、スラスト部分７，８を駆動させるために把持装置及び／又は保持装置６に設置されなければならない。

把持装置及び／又は保持装置６をその長手軸６’の周りに回転させるために、連結器２５がその自由端１０の端部にてロボットアーム５に具備され、把持装置及び／又は保持装置６から空間的に離れている。

図３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは特に、フランジ１１が連結器２５と把持装置及び／又は保持装置６の間に設置されていることを示し、それにより把持装置及び／又は保持装置６はロボットアーム５に取り付けられている。しばしば、ロボットアーム５の自由端１０は、顧客固有の把持装置及び／又は保持装置６がロボットアーム５に直接取り付けられないように設計される。端部のロボットアーム５と把持装置及び／又は保持装置６の間のこの移行領域は、定義によりインターフェース３１として指定又は表示される。加えて、把持装置及び／又は保持装置６内の電気モータは、把持装置及び／又は保持装置６の操作のための電気エネルギー又は電圧と制御信号の両方を供給されなければならない。ゆえに、電気ケーブルの無いロボットアーム５と把持装置及び／又は保持装置６の間のエネルギー及び信号の伝達を保証するために、空隙２１が結合器２５とフランジ１１の間に最初に設けられる。加えて、把持装置及び／又は保持装置６はそれ自体の長手軸６’の周りに回転する。この目的のために、二部品で設計された駆動軸２４が結合器２５の内側に設けられ、結合器２５に回転可能に設置される。駆動軸２４はフランジ１１と駆動アクティブ接続をしており、それで駆動軸２４の回転移動及び回転速度がフランジ１１に直接伝達される。フランジ１１は把持装置及び／又は保持装置６と結合しており、それでフランジ１１の回転移動は同期して把持装置及び／又は保持装置６に伝達される。それゆえに、６本の送電線１４がフランジ１１と把持装置及び／又は保持装置の間に延びてもよい。ゆえに、駆動軸２４はインターフェース３１とそれに割り当てられた空隙２１を通る。

図４ａ〜５ｂに示される２つのトランシーバー装置１２及び１３は、把持装置及び／又は保持装置６内の電気モータ９のための電源供給及び／又は信号伝達のために設置されている。第１トランシーバー１２は結合器２５に取り付けられ、第２トランシーバー１３は把持装置及び／又は保持装置６のフランジ１１に取り付けられている。２つのトランシーバー１２，１３は誘導的に操作され、それで電気エネルギー及び／又は電気信号はこれらトランシーバー１２及び１３の間で交互に伝達され得る。

それぞれのトランシーバー１２又は１３は、変調器２６又は２６．１と復調器２７又は２７．１の組から成る。それぞれの変調器２６，２６．１及び復調器２７，２７．１は、誘導的に操作されるコイル２８及び２９の間に配置され、よって組になって一緒に作動する。変調器２６及び復調器２７及びコイル２８又は２９のそれぞれの組は、交互に信号を交換又は伝達する。変調器２６．１及び復調器２７．１及びコイル２９の他の組は、電気モータ９の制御及び操作のためのエネルギーを交互に伝達する。

それぞれの変調器２６又は２６．１又は復調器２７又は２７．１は、こうしてインターフェース３１を形成し、それにより結合器２５とフランジ１１の間の空隙２１が埋められる（橋渡しされる）。よって、信号及びエネルギーは、変調器２６又は２６．１及び復調器２７又は２７．１のそれぞれの組によって互いに独立して誘導的に伝達され得る。このタイプの信号伝達及び／又はエネルギー伝達はまた、複数のセンサ及び複数の他の電気構成部品を使用してロボット１の操作状態の永続的監視を行う可能性を提供する。監視は、マイクロプロセッサなどの外部電気装置によって評価でき、必要ならばロボット１の操作シーケンスにおいて外側から介入される。

ゆえに、一方で、電気モータ９のエネルギー供給はトランシーバー装置１２及び１３を介して行われるのに対し、他方で図２ａ〜３ｂに示す電気信号は、制御装置２３から電気接続部２２を介して把持装置及び／又は保持装置６に交互に伝えられる。制御装置２３は、パラメータ及び送り運動信号を電気モータ９に供給し、スラスト部分７，８は次のように制御される、つまり加えられる保持力が不図示のセンサによって決定され、制御装置２３に転送され、そのクランプ力又はトルクが増大され又はときどき減少されるように電気モータ９を制御する。

第１トランシーバー１２と第２トランシーバー１３の間のエネルギー伝達と信号伝達の両方は純粋に誘導的であり、それでフランジ１１の回転移動は送電線によって妨げられず行われる。

ゆえに、図２ａ〜３ｂに示されるように、送電線１４は電源１５に又は電気接続部２２に接続している。電気接続部２２は、制御装置２３のためのインターフェースとして設計されている。

図２ａ〜３ｂは特に、結合器２５がトルク支持部１６を介してロボットアーム５に回転しないように取り付けられていることを示す。結合器２５と把持装置及び／又は保持装置６のフランジ１１の間の回転は、それゆえ、結合器２５とフランジ１１の内側に延びる駆動軸２４を介して実行される。トルク支持部１６は、２つの締結ねじ１７を介してロボットアーム５及び駆動フランジ１１に固定されている。

図５ａ及び５ｂは特に、駆動フランジ１１とそれに接続した把持装置及び／又は保持装置６の間に空隙２１があることを示す。２つのトランシーバー１２，１３は誘導エネルギー伝達及び／又は信号伝達をもたらすので、空隙２１を埋めるために送電線は必要でない。これにより、把持装置及び／又は保持装置６はそれ自身の長手軸６’の周りに自由に回転できる。ゆえに、電気ケーブルを導入するための開始位置に戻る必要が無い。

１ ロボット
２ 対象物
３，４，５ ロボットアーム
６ 把持装置及び／又は保持装置
６’ 長手軸
１０ 自由端
９ 電気モータ
１１ フランジ
１２ 第１トランシーバー
１３ 第２トランシーバー
１４ 送電線
１５ 電源
１９ 支持フレーム
２４ 駆動軸
２５ 結合器
３１ インターフェース

Claims (14)

1. 対象物（２）、特に工作物、工具又は担持部品を把持及び／又は保持するロボット（１）であって、
   −支持フレーム（１９）に支持され、少なくとも１つの並進自由度及び／又は回転自由度で空間内を移動可能な少なくとも１つのロボットアーム（３，４，５）と、
   −それぞれの前記対象物（２）を位置指向して支持し及び／又は回転可能に保持する、把持装置及び／又は保持装置（６）と、
   −前記対象物（２）に作用するトルク及び／又はクランプ力を生成する、前記把持装置及び／又は保持装置（６）内に設置された少なくとも１つの電気モータ（９）と、
   −好ましくは前記把持装置及び／又は保持装置（６）がそれ自身の長手軸（６’）の周りに回転するように前記把持装置及び／又は保持装置（６）に駆動式に結合した、前記ロボットアーム（５）内に設置された駆動軸（２４）と、から成るロボットにおいて、
   −端部の前記ロボットアーム（５）の自由端（１０）と前記把持装置及び／又は保持装置（６）の間にインターフェース（３１）が設けられ、当該インターフェース（３１）は、前記ロボットアーム（５）に回転不能に固定された結合器（２５）とそこに適合したフランジ（１１）によって埋められ、当該フランジ（１１）は、前記把持装置及び／又は保持装置（６）及び前記駆動軸（２４）に回転不能に接続しており、
   −誘導操作される第１トランシーバー（１２）が前記結合器（２５）内に設けられ、当該トランシーバー（１２）は、前記ロボットアーム（５）に供給される送電線（１４）を介して電源（１５）に接続しており、
   −誘導操作される第２トランシーバー（１３）が前記フランジ（１１）内に設けられ、当該トランシーバー（１３）は複数の送電線（１４）を介して前記把持装置及び／又は保持装置（６）に接続しており、
   −前記インターフェース（３１）の一部として、前記結合器（２５）と前記フランジ（１１）の間に空隙（２１）がある、ことを特徴とするロボット。
2. 少なくとも１つの変調器（２６，２６．１）と少なくとも１つの復調器（２７，２７．１）がトランシーバー装置（１２，１３）のそれぞれに設けられ、それにより電気エネルギー及び／又は電気信号が２つのトランシーバー装置（１２，１３）の間で交互に伝達される、ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 一組のコイル（２８，２９）が変調器（２６）又は（２６．１）と復調器（２７）又は（２７．１）のそれぞれの組に割り当てられる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
4. 連続の受信信号伝達インターフェースの装置が前記結合器（２５）に割り当てられ、それを介して信号伝達又はエネルギー伝達が二方向に行われる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボット。
5. 第１及び第２誘導トランシーバー装置（１２，１３）は電圧及び／又は電気信号を交互に伝達し、それにより前記把持装置及び／又は保持装置（６）内の前記電気モータ（９）が制御、監視される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボット。
6. トルク支持部（１６）が、端部の前記ロボットアーム（５）の前記自由端（１０）と前記結合器（２５）の間に固定され、当該トルク支持部（１６）により前記結合器（２５）が前記ロボットアーム（４）に回転しないようにロックされる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット。
7. 前記トルク支持部（１６）はロッド又はストリップとして設計され、前記トルク支持部（１６）の２つの自由端は、締結ねじ（１６，１７）によって前記ロボットアーム（５）又は前記結合器（２５）に固定される、ことを特徴とする請求項６に記載のロボット。
8. 前記把持装置及び／又は保持装置（６）は時計回り及び反時計回りに回転でき、前記把持装置及び／又は保持装置（６）は１つの回転方向に無限に又は制限無く回転できる、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボット。
9. 前記空隙（２１）を通り、前記フランジ（１１）に駆動式に結合した前記駆動軸（２４）は、前記ロボットアーム（５）の端部、前記結合器（２５）及び前記フランジ（１１）に設置され、案内される、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のロボット。
10. １又は複数のスラスト部分（７，８）が前記把持装置及び／又は保持装置（６）の自由端に取り付けられ、それによりそれぞれの前記対象物（２）が前記把持装置及び／又は保持装置（６）にロックされる、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のロボット。
11. 複数の送電線（１４）が、前記フランジ（１１）と前記把持装置及び／又は保持装置（６）の間に設けられ、当該送電線（１４）は、前記把持装置及び／又は保持装置（６）又は前記フランジ（１１）の内側又は外側に延びる、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のロボット。
12. 前記スラスト部分（７，８）が、半径方向に変位可能であるように又は工具として構成された前記対象物（２）をロックして当該工具が工作物を加工するように、前記把持装置及び／又は保持装置（６）に設置される、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のロボット。
13. 前記把持装置及び／又は保持装置（６）の回転速度が前記駆動軸（２４）によって生成される、ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のロボット。
14. 前記把持装置及び／又は保持装置（６）が複数のセンサ（１８）に割り当てられ、それらにより前記把持装置及び／又は保持装置（６）からの信号がインターフェース又はバスインターフェースを介して前記結合器（２５）に伝達される、ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のロボット。
    

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