JP3830481B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は産業用ロボットに関し、更に詳しく言えば、配線、チューブ等の線条体を配設する機構を改良した産業用ロボットに関する。

周知のように、産業用ロボット（以下、単に「ロボット」）においては、各軸のモータの駆動制御、ツールの駆動制御、ツールでの使用等のためにエネルギ、信号、情報、物質（電流、空気、不活性ガス、水、塗料等）を各軸モータやアーム先端のツールまで供給する必要がある。また、各種センサの制御信号や検出信号など情報の授受のためにも線条体（信号線乃至それを含むケーブル）が用いられる。従ってロボット側にはそれらの線条体を配設するための機構が用意されることが通例である。この機構に求められる基本的な役割は、ロボットの動作時に、配設した線条体がロボットにからまったり、緊張したりしないようにすることである。

そのために、線条体の配設に際しては、線条体に必要な弛みを与え、線条体を中途の適所でクランプする手法が広く用いられている。その例を図１〜図８を参照して説明する。先ず図１は、線条体が配設される典型的なロボットの外観を表わしており、後述するように実施形態で本発明が適用されるロボットでもある。同図に示したように、このロボットは多関節６軸ロボットで、符号１で示したベース側から順に、Ｊ１軸、Ｊ２軸・・・・・Ｊ６軸で駆動される。各軸の動作の仕方は、それぞれ両矢印で示したように、Ｊ１軸については直線運動であり、残るＪ２軸〜Ｊ６軸については回転運動である。

このようなロボットに上述した線条体を配設する場合に先ず問題となるのは、Ｊ１軸で駆動される直線運動部分から、Ｊ２軸で駆動される旋回運動部分（符号２で示した旋回胴に対応）にかけての配設をどうするかである。そこで、図２〜図８を参照し、Ｊ１軸とＪ２軸に関連する周辺部分に例にとって線条体の配設に関連する事項を説明する。

図１に示したロボットについて、Ｊ１軸及びＪ２軸の周辺部分の構造が、図２には斜視図で、また、図３（ａ）、（ｂ）では、それぞれ上面及び側面から見た簡略外観図で示されている。更に、図４では、Ｊ１軸及びＪ２軸の駆動機構を説明するために、図３（ａ）中のラインＡ−Ａに沿った断面を示した図であり、図５は、Ｊ２軸の周辺について、回転動作部分を除いて示した斜視図である。そして、図６は、スライダの形状を、同スライダを描くための妨げになる部分を除いて示した斜視図であり、図７は、線条体（エネルギや物質を輸送するためのケーブル；以下、同じ）の配設に、可動線条体クランプを用いた従来例について説明するための断面図である。

先ず、Ｊ１軸、Ｊ２軸の動作に関連する事項について述べると、図２〜図４を中心とした描示から理解されるように、ベース１には１対の直線レールで構成されたリニアガイド３が設置され、同リニアガイド３上にスライダ４が直線移動可能に搭載されている。スライダ４の位置は、周知の態様でモータ（サーボモータ）で駆動されるＪ１軸によって制御される。なお、このモータを含め、Ｊ１軸の駆動系自体は図示を省略してある。スライダ４には、Ｊ２軸を駆動するモータ２１が搭載され、また、主軸受５を介して回転ベース２０が取り付けられている。符号２２はモータ２１の回転軸に結合された減速機で、その出力で回転ベース２０が回転する（Ｊ２軸の回転動作）。

このような運動態様を持つＪ１軸、Ｊ２軸に対して、線条体（例えば何本かの電線と流体輸送チューブを束ねて外皮で囲ったケーブル；以下、同様）１０を配置する場合、一般に、回転部分の周辺で線条体１０を保護するために線条体保護パイプ（ケーブル保護パイプ）１４が用いられている。この線条体保護パイプ１４は、Ｊ２軸で駆動される回転ベース２０に取り付けられており、その上端は、Ｊ２軸で駆動される部分の適所で線条体１０をクランプする線条体クランプ（上側ケーブルクランプ）１３の近傍で開口している。但し、図５に示したように、Ｊ２軸の中心付近には、モータ２１、減速機２２が存在するために、線条体保護パイプ１４が取付られる位置は、Ｊ２軸の中心からオフセットすることになる（例えば図２、図３（ａ）を参照）。

このようなオフセットがあるということは、Ｊ２軸が回転すると線条体保護パイプ１４はＪ２軸の中心周りでオフセットに見合った公転半径をもって、スライダ４上で公転運動（一般には、その一部）をするということである。この運動を許容するために、図６に示したように、Ｊ２軸の回転角度範囲に対応した弧状の開口ガイド６がスライダ４に設けられている。従って、Ｊ２軸が回転すると、線条体保護パイプ１４はこの開口ガイド６内で動くことになる。一方、開口ガイド６は、スライダ４に形成されており、結局、Ｊ１軸、Ｊ２軸が動作した時、線条体保護パイプ１４は、スライダ４の直線運動に上記公転運動を重畳した運動をすることになる。

さて、線条体１０は、ベース１側からこの線条体保護パイプ１４の中空部を通して上方に導かれ、線条体クランプ（上側ケーブルクランプ）１３でクランプされ、更に先（Ｊ３軸以降の部分）へ向かうように配設される訳であり、その線条体保護パイプ１４には上記運動（直線運動と公転運動の重畳）が想定される訳であるから、ベース１側での線条体１０の配設には、その運動によって線条体１０が緊張し切ってしまうことがないような工夫が必要になる。

この工夫の内、最も簡単な手法ものは、図８に示したように、クランプ支持部材７をスライダ４に固定設置し、クランプ支持部材７に固定線条体クランプ（即ち、可動でない線条体クランプ）１９を設ける。そして、線条体１０の中途をこの固定線条体クランプ１９でクランプし、そこから線条体保護パイプ１４の下端開口に至る部分に大きな弛み（符号Ｓ参照）をもたせるやり方である。しかし、この手法を採用すると、十分な弛みＳを確保するために大きなスペースが必要になり、ロボットのコンパクト化の妨げとなる。また、線条体保護パイプ１４とクランプ１９との間の距離が接近した時、線条体１０が強く屈曲し、線条体１０の寿命を縮める原因になる。

そこで、最近では図７に示したように、可動線条体クランプを用いた手法が広く採用されている。なお、図３、図４においても、この図７に示した手法を採用した前提で描示が行なわれている。特に図７を参照すると判り易いように、可動線条体クランプ１２は、スライダ４に設置されたクランプスライドレール１１に係合し、このクランプスライドレール１１上で自由に移動（両矢印Ｔ参照）できるように設けられる。このような可動線条体クランプ１２を設けた場合、図８に示した手法と比べて、線条体１０の弛みを小さくすることができる。その理由は、線条体保護パイプ１４とクランプ１９との間の距離の増大時に、可動線条体クランプ１２が線条体保護パイプ１４に接近するように移動して、線条体１０が弛みの足りない分を補えるからである。

しかし、この手法にも無視できない欠点がある。それは、線条体保護パイプ１４とクランプ１９との間の距離が上記のように増大する際に、線条体１０が強く引っ張られて緊張し、大きな張力がかかることである。特に、線条体保護パイプ１４とクランプ１９との間の距離の増大が急激である場合には、非常に大きな張力が線条体１０にかかることにある。このような張力も線条体１０を傷つけ、寿命を縮める要因となる。

更に、線条体保護パイプ１４とクランプ１２との間の距離が増大する際には、符号Ｑで示した部分（線条体保護パイプ１４の手前の部分）が強く引っ張られ、そのために、符号Ｒで示した部分（線条体保護パイプ１４の下側開口付近）で線条体保護パイプ１４と線条体１０の擦れ合いが起こり、それが原因となって線条体１０が傷付く可能性も低くない。このように、可動線条体クランプを用いても解決できない問題に対する有効な手段を開示した先行文献は見当らない。

そこで、本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消し、ロボットの関節の前後にまたがって線条体が配設される場合に、線条体がロボットの動作に伴って損傷を受ける可能性が低く、線条体の長寿命化を図ることができるようにすることである。

本発明は、可動線条体クランプと柔軟な連結部材を組み合わせて使用することにより、ロボットに配設された線条体に作用する引っ張り力を低減することで、上記課題を解決したものである。即ち、本発明は、少なくとも曲げを許容する柔軟な連結部材を線条体に沿って布設することで、線条体に作用する引っ張り力を緩和し、線条体の耐久性を高めた産業用ロボットの構造を提供するものである。

具体的に言えば、本発明によれば、内部に空間を有する第１のベースと、
該第１のベース上に、直動ロボット軸によって直線移動可能に搭載されたスライダと、
該スライダ上に、前記直動ロボット軸の次段のロボット軸である回転ロボット軸により１つの回転軸周りで回転可能に搭載された第２のベースと、
前記回転軸に対してオフセットした位置に、前記第２のベースと同時に前記回転軸回りで回転可能に設けられるとともに、該第２のベースの内部を下方から上方に延在する線条体保護パイプと、
前記空間内でのＵ字状屈曲を経て、前記線条体保護パイプの下端付近に到達し、さらに前記線条体保護パイプの内を通るようにケーブルやチューブ等の線条体が配設される産業用ロボットにおいて、
前記スライダに対して相対移動可能に設けられるとともに、前記線条体の、前記Ｕ字状屈曲が生じている位置と前記線条体保護パイプの下端との間の途中部位をクランプする線条体取付部材と、
該線条体取付部材に一端が接続されるとともに、前記線条体保護パイプの下端または上端付近に設けられ、前記回転ロボット軸の動作時に前記線条体保護パイプとともに前記回転回りで公転する接続部材に他端が接続される連結部材とを備え、
前記連結部材の一端と前記他端の間の距離が所定長さに達した状態で、さらに前記一端と前記他端の間の距離を増大させようとする方向に前記線条体保護パイプが前記回転軸回りで回転するとき、前記連結部材により力が伝達され、前記線条体取付部材が前記スライダに対して相対移動し、前記線条体に発生する張力が低減されることを特徴とする前記産業用ロボットが提案される。

ここで、前記連結部材は柔軟なものとすることができる。また、前記線条体取付部材は、前記スライダに対して相対直線移動可能とすることができる。あるいは、前記スライダに、前記回転軸と平行な第１の軸線回りで旋回可能にアーム部材を設け、該アーム部材によって前記線条体取付部材を支持しても良い。その場合、前記線条体取付部材を、前記アーム部材上に、前記第１の軸線と平行で、該第１の軸線と所定距離隔たった第２の軸線回りで回転可能に設けることもできる。前記接続部材としては、前記線条体保護パイプの下端付近において、前記線条体保護パイプの軸回りで回転可能に設けられたリングを用いることができる。
また、前記接続部材を、前記線条体保護パイプの上端付近に設け、前記連結部材を、前記線条体保護パイプの内部を通り抜けた後、前記他端が前記接続部材に接続されるようにしても良い。

本発明によれば、ロボットの関節の前後にまたがって線条体が配設される場合に、線条体がロボットの動作に伴って損傷を受ける可能性を低減し、線条体の長寿命化を図ることができるようになる。

以下、本発明の第１及び第２の実施形態について説明する。両実施形態ともに、本発明を適用する対象ロボットは、図１に示したロボットとする。また、本発明に従って線条体の配設構造が改良される箇所は、上述の背景技術の説明で参照したケースと同じく、Ｊ１軸で駆動される部分からＪ２軸で駆動される部分にかけての配設部分とする。従って、図２〜図６中で示した諸構造は、後述する連結線条体の配設に関係する部分を除けば、第１及び第２の実施形態に係るロボットと共通している。但し、図２中等で示した線条体１０の可動線条体クランプ１２については、第１の実施形態では後述する連結線条体を取り付けた構造で置き換えられ、第２の実施形態では、後述する連結線条体を取り付けるとともに、後述するクランプ支持アームに取り付られた構造に置き換えられている。

以上の事柄を前提に、先ず図９〜図１１を参照図に追加して第１の実施形態について説明する。図９は、第１の実施形態について、図３（ｂ）中のラインＣ−Ｃに沿った断面に対応する断面を表わし、図１０は、第１の実施形態について、可動線条体クランプの周辺部分を適宜除いて斜め下方から見た様子を表わしている。また、図１１は、第１の実施形態について、図３（ａ）中のラインＢ−Ｂに沿った断面に対応する断面を表わした断面図である。

図９、図１０の描示から判るように、第１の実施形態は、可動線条体クランプ１２を使用した点及び線条体１０の配設の態様については、図２に示したケースとほぼ同様である。即ち、ベース１に設けられたリニアガイド３上にスライダ４が直線移動可能に搭載され、同スライダ４にクランプスライドレール１１が設置される。そして、このクランプスライドレール１１に対して可動線条体クランプ１２が係合し、可動線条体クランプ１２はクランプスライドレール１１上で移動可能とされる。線条体１０の一端は、図１１において左端付近（符号Ｆ参照）分岐し、コネクタに接続されている。なお、線条体１０の分岐は、太線化で簡略描示されており、コネクタの図示は省略されている。

そして、線条体１０はベース１内を通り、図１１において右端近くで折り曲げられてＵターンし、線条体保護パイプ１４へ向かう途中で可動線条体クランプ１２によってクランプされている。可動線条体クランプ１２から線条体保護パイプ１４の下端開口に届いた線条体１０は、そこから上向きに方向を変え、線条体保護パイプ１４内を通って線条体保護パイプ１４の上端開口付近に設けられたクランプ１３（図３（ａ）参照）に固定されている。

本実施形態の新規な点は、図１１に示したように、可動線条体クランプ１２に、線条体１０とともに柔軟な連結部材１５の一端が取り付けられており、この連結部材１５の他端が、線条体保護パイプ１４の下端近くに、線条体保護パイプ１４の軸線周りで回転可能に取り付けられたリング１６に固定されていることである。このように、可動線条体クランプ１２とリング１６を繋ぐ連結部材１５には、少なくとも曲げに関して十分柔らかいものが採用される。また、必要に応じてねじりの柔らかさを備えていることが好ましい。そして、その長さは、同じ区間の線条体１０の長さよりもやや短いものとされる。連結部材１５は、ここでは線状体として描かれているが、柔軟性や強度に問題がない限り、特に形状に制限はなく、例えば、平板状、鎖状等であっても良く、あるいは複数のリンクを連結した構成としても良い。但し、張力がかかった時に簡単に延びてしまうような性質は好ましくない（例えば柔らかいコイル状のバネは不適である）。また、鎖状やリンク構成の場合、個々の鎖要素やリンク要素自体の柔軟性は問題でなく、全体として、柔軟性を備えていれば良い。

このような条件を満たす連結部材１５は、前述した従来技術（図７参照）の欠点を解消する上で非常に有効である。即ち、Ｊ２軸の回転運動によって線条体保護パイプ１４と可動線条体クランプ１２の間の距離が増大する時、線条体１０が緊張することを未然に防ぐ形で柔軟な連結部材１５が引っ張られて緊張し、可動線条体クランプ１２を線条体保護パイプ１４に近付けるように移動させる。そのため、線条体１０には実質的に張力が作用しない。つまり、前述した従来技術（図７参照）では線条体１０にかかっていた張力が、柔軟な連結部材１５によって肩代りされ、それによって線条体１０に張力がかかることが未然に回避されることになる。また、線条体１０に張力がかからないため、線条体保護パイプ１４と線条体１０が強く擦れ合うこともない。

次に、図１２〜図１４を参照して第２の実施形態について説明する。図１２は、第２の実施形態について、図３（ｂ）中のラインＣ−Ｃに沿った断面に対応する断面を表わし、図１３は、第２の実施形態について、可動線条体クランプの周辺部分を適宜除いて斜め下方から見た様子を表わしている。また、図１４は、第２の実施形態について、図３（ａ）中のラインＢ−Ｂに沿った断面に対応する断面を表わした断面図である。

第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なる態様で設けられた可動線条体クランプ１８を使用する。即ち、図１２、図１３に示したように、スライダ４に対して軸Ｋ１周りで回転自在にクランプ支持アーム１７が設けられ、その先端に、軸Ｋ２周りで回転自在に可動線条体クランプ１８が取り付けられる。軸Ｋ１、軸Ｋ２のいずれもＪ２軸（回転軸）と平行であるが、その回転中心とは適距離隔たっている。スライダ４が、ベース１に設けられたリニアガイド３上で直線移動可能に搭載されていることは第１の実施形態と同様である。線条体１０の一端は、図１４において左端付近（符号Ｆ参照）分岐し、コネクタに接続されている。なお、図１１の場合と同じく、線条体１０の分岐は、太線化で簡略描示されており、コネクタの図示は省略されている。

線条体１０はベース１内を通り、図１４において右端近くで折り曲げられてＵターンし、線条体保護パイプ１４へ向かう途中で可動線条体クランプ１８によってクランプされている。可動線条体クランプ１８から線条体保護パイプ１４の下端開口に届いた線条体１０は、そこから上向きに方向を変え、線条体保護パイプ１４内を通って線条体保護パイプ１４の上端開口付近に設けられたクランプ（上側クランプ）３３に固定されている。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、可動線条体クランプ１８に、線条体１０とともに柔軟な連結部材３５の一端が取り付けられている。但し、第１の実施形態とは異なり、連結部材３５は線条体１０とともに線条体保護パイプ１４内を通り、クランプ３３で固定されている。このように、可動線条体クランプ１８と上側クランプ３３を繋ぐ連結部材３５は、第１の実施形態で使用したものと同じく少なくとも曲げに関して十分柔らかいものが採用される。但し、この第２の実施形態では、連結部材３５にねじれの力が作用するので、ねじれについても柔らかさを備えているものを使用する。

また、その長さは、当然、第１の実施形態で使用したものよりも長くなるが、同じ区間（可動線条体クランプ１８から上側クランプ３３までの区間）よりはやや短いものが使用される。このような連結部材３５を使用することで、第１の実施形態の場合と同様に、前述した従来技術（図７参照）の欠点を解消する上で非常に有効である。即ち、Ｊ２軸の回転運動によって線条体保護パイプ１４と可動線条体クランプ１８の間の距離が増大する時、線条体１０が緊張することを未然に防ぐ形で柔軟な連結部材３５が引っ張られて緊張し、可動線条体クランプ１８を線条体保護パイプ１４に近付けるように回転移動させる。

そのため、線条体１０には実質的に張力が作用しない。つまり、本実施形態においても、前述した従来技術（図７参照）では線条体１０にかかっていた張力が、柔軟な連結部材３５によって肩代りされ、それによって線条体１０に張力がかかることが未然に回避されることになる。また、線条体１０に張力がかからないため、線条体保護パイプ１４と線条体１０が強く擦れ合うこともない。

なお、第１、第２の実施形態のいずれにおいても、線条体保護パイプ１４が可動線条体クランプ１２または１８に接近しようとする動きに入った時に、連結部材１５、３５または線条体１０の剛性に応じて、可動線条体クランプ１２または１８が線条体保護パイプ１４から離隔しようとする向きに円滑に動くことが好ましい。連結部材１５、３５や線条体１０、特に後者にはなるべく弛みの大小変化が生じないことが好ましいからである。従って、可動線条体クランプ１２、１８は、できるだけ高い可動性（低摩擦）を持ち、小さな力で円滑に動くように設計されることが好ましい。

エネルギ、物質、情報等を輸送するための線条体が配設される典型的なロボットの外観と各軸の動作の仕方を表わした図である。 図１に示したロボットについて、Ｊ１軸及びＪ２軸の周辺部分の構造を説明するための斜視図である。 図１に示したロボットについて、Ｊ１軸及びＪ２軸の周辺部分の構造を説明するために、上面から見た外観（ａ）及び側面から見た外観（ｂ）を簡略化して示した図である。 Ｊ１軸及びＪ２軸の起動機構を説明するために、図３（ａ）中のラインＡ−Ａに沿った断面を示した図である。 Ｊ２軸の周辺について、回転動作部分を除いて示した斜視図である。 スライダの形状を、同スライダを描くための妨げになる部分を除いて示した斜視図である。 線条体の配設に、可動線条体クランプを用いた従来例について説明するための断面図である。 線条体の配設に、固定線条体クランプを用いた別の従来例について説明するための断面図である。 図１に示したロボットについて本発明を適用した第１の実施形態について説明するための断面図で、図３（ｂ）中のラインＣ−Ｃに沿った断面に対応する断面を表わしている。 第１の実施形態について説明するための図で、可動線条体クランプの周辺部分を適宜除いて斜め下方から見た様子を表わしている。 第１の実施形態について説明するための断面図で、図３（ａ）中のラインＢ−Ｂに沿った断面に対応する断面を表わしている。 図１に示したロボットについて本発明を適用した第２の実施形態について説明するための断面図で、図３（ｂ）中のラインＣ−Ｃに沿った断面に対応する断面を表わしている。 第２の実施形態について説明するための図で、可動線条体クランプの周辺部分を適宜除いて斜め下方から見た様子を表わしている。 第２の実施形態について説明するための断面図で、図３（ａ）中のラインＢ−Ｂに沿った断面を表わしている。

符号の説明

１ ベース
２ 旋回胴
３ リニアガイド
４ スライダ
５ 主軸受
６ 孤状の開口ガイド
７ クランプ支持部材
１０ 線条体
１１ クランプスライドレール
１２、１８ 可動線条体クランプ（可動な下側ケーブルクランプ）
１３、３３ 線条体クランプ（上側ケーブルクランプ）
１４ 線条体保護パイプ（ケーブル保護パイプ）
１５、３５ 連結部材
１６ リング
１７ クランプ支持アーム
１９ 固定線条体クランプ（可動でない下側ケーブルクランプ）
２０ 回転ベース
２１ モータ
２２ 減速機

Claims (7)

1. 内部に空間を有する第１のベースと、
   該第１のベース上に、直動ロボット軸によって直線移動可能に搭載されたスライダと、
   該スライダ上に、前記直動ロボット軸の次段のロボット軸である回転ロボット軸により１つの回転軸周りで回転可能に搭載された第２のベースと、
   前記回転軸に対してオフセットした位置に、前記第２のベースと同時に前記回転軸回りで回転可能に設けられるとともに、該第２のベースの内部を下方から上方に延在する線条体保護パイプと、
   前記空間内でのＵ字状屈曲を経て、前記線条体保護パイプの下端付近に到達し、さらに前記線条体保護パイプの内を通るようにケーブルやチューブ等の線条体が配設される産業用ロボットにおいて、
   前記スライダに対して相対移動可能に設けられるとともに、前記線条体の、前記Ｕ字状屈曲が生じている位置と前記線条体保護パイプの下端との間の途中部位をクランプする線条体取付部材と、
   該線条体取付部材に一端が接続されるとともに、前記線条体保護パイプの下端または上端付近に設けられ、前記回転ロボット軸の動作時に前記線条体保護パイプとともに前記回転回りで公転する接続部材に他端が接続される連結部材とを備え、
   前記連結部材の一端と前記他端の間の距離が所定長さに達した状態で、さらに前記一端と前記他端の間の距離を増大させようとする方向に前記線条体保護パイプが前記回転軸回りで回転するとき、前記連結部材により力が伝達され、前記線条体取付部材が前記スライダに対して相対移動し、前記線条体に発生する張力が低減されることを特徴とする前記産業用ロボット。
2. 前記連結部材が柔軟性を有することを特徴とする、請求項１に記載の産業用ロボット。
3. 前記線条体取付部材は、前記スライダに対して相対直線移動可能である、請求項１又は請求項２に記載の産業用ロボット。
4. 前記スライダには、前記回転軸と平行な第１の軸線回りで旋回可能にアーム部材が設けられており、
   該アーム部材によって前記線条体取付部材が支持されている、請求項１又は請求項２に記載の産業用ロボット。
5. 前記線条体取付部材は、前記アーム部材上に、前記第１の軸線と平行で、該第１の軸線と所定距離隔たった第２の軸線回りで回転可能に設けられている、
   請求項４に記載の産業用ロボット。
6. 前記接続部材は、前記線条体保護パイプの下端付近において、前記線条体保護パイプの軸回りで回転可能に設けられたリングである、請求項１乃至請求項５の内のいずれか１項に記載の業用ロボット。
7. 前記接続部材は、前記線条体保護パイプの上端付近に設けられており、
   前記連結部材は、前記線条体保護パイプの内部を通り抜けた後、前記他端が前記接続部材に接続されている、請求項１乃至請求項５の内のいずれか１項に記載の業用ロボット。

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