JP4131086B2 - ロボットの関節部構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１のアームに対し第２のアームを軸部によって相対的に回転可能に連結したロボットの関節部構造に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば複数のアームを順に回動可能に連結した多関節型ロボットにおいては、アーム内部を通される配線の保護（あるいは安全性の確保）のために、第１のアームに対する第２のアームの回転範囲が所定の範囲となるようにソフトウエア的な規制がなされると共に、信頼性を高めるため、その関節部部分にメカストッパ機構が設けられて機械的に回転範囲が規制されるようになっている。
【０００３】
図４は、従来の関節部の構造の一例を示しており、第１アーム１の関節部を構成するハウジング２の端面はほぼ円板状に構成され、その中央部に第２アーム３のハウジング４の先端部が連結される軸部５が設けられている。この軸部５は、第１アーム１内に組込まれた図示しないモータ及び減速機によって回転されるようになっており、この場合、第２アーム３に対して第１アーム１が図で時計回り及び反時計回り方向に回転されるようになっている。
【０００４】
さらに、前記ハウジング２の軸部５の外周部分（第２アーム３のハウジング４からはずれた位置）には、配線（ワイヤハーネス）を通すための例えば円形の孔部６が設けられている。尚、この場合、孔部６は、配線の先端に設けられるコネクタが通るように、更には、第１アーム１の回転に伴って配線がずれ動きできるように、十分大きく形成されている。また、第２アーム３にはカバー１０が設けられ、そのカバー１０により前記ハウジング２の端面３が覆われ、また第２アーム３において、配線はカバー１０内を通されるようになっている。
【０００５】
そして、ハウジング２の孔部６の回転方向右側には第１ストッパ７が設けられ、孔部６の回転方向左側には第２ストッパ８が設けられている。一方、前記第２アーム３のハウジング４には、前記第１，第２ストッパ７，８の回転軌道上に位置して、ブロック状のストッパ９が設けられている。これにて、図に想像線で示すように、前記第１アーム１が一方向（図で時計回り）に回転したときに、ストッパ９の図で右端面に前記第１ストッパ７が当接して回転範囲が規制され、反対方向（図で反時計回り）に回転したときに、ストッパ９の図で左端面に前記第２ストッパ８が当接して回転範囲が規制されるのである。
【０００６】
しかしながら、上記従来構成では、配線通路となる孔部６の存在により、ストッパ７，８を孔部６の円周方向両側に設ける構成のため、第１アーム１の回転範囲が図４でＡに示す範囲に限定され、それ以上広げることができない事情があった。この場合、孔部６よりも外周側にストッパ７，８を設けるなど、孔部６とストッパ７，８とを直径方向の異なる位置に設けるようにすれば良いが、それではハウジング２の直径方向の大型化を招いてしまい、近年のロボットの小型化という要望とは相反するものとなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、軸部の外周に位置して配線通路となる孔部を形成するものにあって、関節部の直径方向の大型化を防止しつつ、アームの回転範囲を広げることができるロボットの関節部構造を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のロボットの関節部構造は、第１のアームに対し、第２のアームが一方向に相対回転した際に、第２のアーム側の第１ストッパが第１のアーム側の第１ストッパに当接して回転範囲が規制され、第２のアームが反対方向に相対回転した際に、第２のアーム側の第２ストッパが第２のアーム側の第２ストッパに当接して回転範囲が規制されるように構成しており、このとき、２組のストッパの位置を、直径方向にずらせていわば段違い状にし、第１ストッパの相対的な軌道と、第２ストッパの相対的な軌道とが直径方向にずれるようにしたものである（請求項１の発明）。
【０００９】
これによれば、第１のアームのハウジングの軸部の外周に位置して配線通路となる孔部を形成し、その孔部の円周方向両側に位置して、第１アーム側の第１ストッパ及び第２ストッパを設ける事情があっても、第２アーム側の第１ストッパ及び第２ストッパを設ける位置を夫々必要に応じて自在に設定することにより、一方向及び反対方向の回転範囲を自在に設定することができる。この場合、第１ストッパの軌道と第２ストッパの軌道とが直径方向にずれることにより、例えば第２のアームが一方向回転した際に、第２アーム側第１ストッパが、第１アーム側第２ストッパを円周方向に通り過ぎた位置で、第１アーム側第１ストッパに当接させるように配置するといったことも可能となり、この結果、関節部の直径方向の大型化を防止しつつ、アームの回転範囲を広げることが可能となる。
【００１０】
このとき、配線通路を形成する孔部を、円周方向に沿って長い長孔状に設けることができる（請求項２の発明）。これによれば、配線の先端に設けられるコネクタが通り、更には配線のずれ動きを許容するといった孔部に要求される機能を確保した状態で、孔部の直径方向の長さを小さくすることが可能となり、ひいては関節部全体の一層の小型化が可能となる。
【００１１】
また、第２のアームのハウジングのうち、該第２のアームの相対回転によって孔部とラップする部分をくびれ状に構成することができる（請求項３の発明）。これによれば、孔部と第２のアームとがラップすることを極力防止することができ、第２アームの第１アームに対する相対的な回転範囲をより一層広げることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を垂直多関節型（６軸）ロボットに適用した一実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。図３は、本実施例におけるロボット本体１１の外観構成を、原点位置にある状態で示しており、まず、このロボット本体１１の全体構成について簡単に述べる。
【００１３】
即ち、設備の設置面に設置されるベース１２上には、第１アーム１３が、垂直方向に延びる軸Ｊ１を中心に回転（旋回）されるように連結されている。前記第１アーム１３の先端には、第２アーム１４が、水平方向に延びる軸Ｊ２を中心として回転（旋回）されるように連結されている。前記第２アーム１４の先端には、第３アーム１５が水平方向に延びる軸Ｊ３を中心として回転（旋回）されるように連結されている。
【００１４】
前記第３アーム１５の先端には、第４アーム１６が、軸Ｊ４を中心に同軸回転されるように連結されている。前記第４アーム１６の先端には、第５アーム１７が、軸Ｊ５を中心に回転（旋回）されるように連結されている。前記第５アーム１７の先端には、第６アーム１８が、軸Ｊ６を中心に同軸回転されるように連結されている。図示はしないが、前記第６アーム１８の先端のフランジ面には、ハンド等のツールが取付けられるようになっている。
【００１５】
また、前記各軸アーム１３〜１８は、夫々サーボモータ（後に一部のみ図示）により駆動されるようになっており、それら各サーボモータは、マイコン等からなる図示しないロボットコントローラにより制御されるようになっている。さらには、前記ロボットコントローラには、ティーチングペンダント等が接続されるようになっている。
【００１６】
次に、図１及び図２は、ロボット本体１１の原点位置における、前記第２アーム１４と第３アーム１５とを連結する軸Ｊ３の関節部、特に第３アーム１５部分の構成を示しており、この関節部は、本実施例に係る関節部構造を備えている。この場合、第３アーム１５が、本発明にいう第１のアームとして機能し、第２アーム１４が、本発明にいう第２のアームとして機能するようになっている。以下、この関節部構造について述べる。
【００１７】
図１は、前記第３アーム１５のうち、第２アーム１４が連結される部分の端面の構成を正面から示しており、図２は、第３アーム１５の図１のＩ−Ｉ線に沿う断面構造を概略的に示している。ここで、この第３アーム１５は、上部側の角筒状部分と下部側の円筒状部分とを軸方向を水平に９０度ずらせ且つ内部を連通状態として合体させた如き形状をなすハウジング１９を備えている。
【００１８】
そして、図２に示すように、第３アーム１５は、前記ハウジング１９内の上部に、前記第４アーム１４を回転駆動するための４軸用サーボモータ２０及び減速機（図示せず）を組込むと共に、ハウジング１９内の下部に、前記第２アーム１４に対して自身（第３アーム１５）を回転駆動するための３軸用サーボモータ２１及び減速機ユニット２２を組込んで構成されている。尚、図２に示すように、前記ハウジング１９の下部の後端面の開口部は、カバー１５ａにより塞がれ、また、図１に示すように、ハウジング１９の上部の後端面（図で右端面）の開口部は、カバー１５ｂにより塞がれるようになっている。
【００１９】
ここで、図２に示すように、前記ハウジング１９の下部の前壁部には、円形の開口部１９ａが設けられ、この開口部１９ａ内に、前記減速機ユニット２２が取付けられると共に、ハウジング１９の前壁部には、図１にも示すように、前記開口部１９ａ（減速機ユニット２２）を囲むようなリング状の端板２３が取付けられている。前記減速機ユニット２２は、例えば周知のハーモニックドライブからなり、楕円状のカムの外周にボールベアリングを有するウェーブジェネレータ２４、その外周に配置されたカップ状のフレクスプライン（弾性歯車）２５、その外周に噛合うサーキュラスプライン（内歯車）２６を備えて構成される。
【００２０】
このとき、前記ウェーブジェネレータ２４には、前記ハウジング１９内に取付けられた３軸用サーボモータ２１の回転軸２１ａが連結されており、前記サーキュラスプライン（内歯車）２６は前記ハウジング１９に固定されており、前記フレクスプライン２５の先端部に取付部材２７を介して軸部たる回転体２８が連結されている。またこの場合、前記回転体２８が、軸受（クロスローラベアリング）２９の内輪を兼用しており、該軸受２９の２個の外輪が前記ハウジング１９にいわゆる共締め状態で固定されている。軸受２９の先端の内外輪間には、オイルシール３０が設けられている。
【００２１】
そして、図１に示すように、前記回転体２８の先端面部には、前記第２アーム１４のハウジング３１（外形を想像線で示す）の先端部がボルト締めによって固定されるようになっている。これにて、前記３軸用サーボモータ２１が回転駆動されると、その回転が減速機ユニット２２により減速されて回転体２８に伝達され、もって、第２アーム１４に対して第３アーム１５が軸Ｊ３を中心に回転されるようになるのである。尚、前記第２アーム１４のハウジング３１は、カバー３２（外形を想像線で示す）により覆われるようになっており、このカバー３２の先端部分は、前記端板２３を覆うような大きさの円形状に構成されている。
【００２２】
さて、図１に示すように、前記端板２３には、前記回転体２８（軸受２９）の外周の、図１で左やや上寄り部分に位置して、配線通路を形成する孔部３３が形成されている。本実施例では、この孔部３３は、円周方向に沿って長い長孔状に設けられており、その孔部３３内を配線（ワイヤハーネス）３４（想像線で示す）が、第２アーム１４（カバー３２）内から第３アーム１５（ハウジング１９）内へ通されるようになっている。この場合、前記孔部３３は、配線３４の先端に設けられる図示しないコネクタが通ると共に、また第３アーム１５の回転に伴って配線３４が円周方向に相対的にずれ動きできるような大きさ（幅）及び長さに形成されている。尚、前記ハウジング１９の前端面にも、前記孔部３３にラップする開口部が形成されていることは勿論である。
【００２３】
そして、図１に示すように、前記端板２３の前面部には、第１アーム側第１ストッパたる可動側第１ストッパ３５と、第１アーム側第２ストッパたる可動側第２ストッパ３６とが設けられる。そのうち可動側第１ストッパ３５は、前記孔部３３の円周方向右側で且つ外周側に位置して設けられ、可動側第２ストッパ３６は、前記孔部３３の円周方向左側で且つ内周側に位置して設けられ、つまり２個のストッパ３５，３６が、孔部３３の円周方向両側の直径方向にずれた位置に設けられているのである。
【００２４】
これに対し、前記第２アーム１４のハウジング３１の内面側には、第２アーム側第１ストッパたる固定側第１ストッパ３７と、第２アーム側第２ストッパたる固定側第２ストッパ３８とが設けられる。そのうち固定側第１ストッパ３７は、前記第３アーム１５が第２アーム１４に対して一方向（図１で時計回り方向）に回転したときの、前記可動側第１ストッパ３５の回転軌道上に位置し、その可動側第１ストッパ３５が当接することにより、第３アーム１５の一方向側の回転範囲をメカ的に規制するようになっている。図１には、第３アーム１５の原点位置から、固定側第１ストッパ３７に当接するまでの可動側第１ストッパ３５の回転軌道をａで示している。
【００２５】
また、前記固定側第２ストッパ３８は、前記第３アーム１５が第２アーム１４に対して反対方向（図１で反時計回り方向）に回転したときの、前記可動側第２ストッパ３６の回転軌道上に位置し、その可動側第２ストッパ３６が当接することにより、第３アーム１５の反対方向側の回転範囲をメカ的に規制するようになっている。図１には、第３アーム１５の原点位置から、固定側第２ストッパ３８に当接するまでの可動側第２ストッパ３６の回転軌道をｂで示している。従って、これら固定側第１ストッパ３７及び固定側第２ストッパ３８も、直径方向にずれた位置に設けられている。
【００２６】
更にこのとき、これら固定側第１ストッパ３７及び固定側第２ストッパ３８は、円周方向にもずれた位置（固定側第１ストッパ３７の方が図で左側）に来るように設けられている。このため、第３アーム１５が一方向回転した際に、可動側第１ストッパ３５が、固定側第２ストッパ３８を円周方向に通り過ぎた位置で、固定側第１ストッパ３７に当接するようになっているのである。これにて、これら固定側ストッパ３５，３６及び可動側ストッパ３７，３８により、第２アーム１４に対する第３アーム１５の回転可能な範囲が、図１にＢで示す範囲に機械的に規制されるようになっているのである。
【００２７】
さらに、本実施例では、第２アーム１４のハウジング３１のうち、前記第３アーム１５の回転によって孔部３３とラップする部分には、左右から曲線状にくびれたくびれ部３１ａが形成されている。尚、前記ロボットコントローラにおいては、前記第３アーム１５の第２アーム１４に対する回転範囲をソフトウエア的に規制するいわゆるソフトリミットが設けられるのであるが、前記ストッパ３５〜３８により規制される回転範囲Ｂは、ソフトリミットによる回転範囲よりもやや大きい（例えば両方向に各２°ずつ大きい）ものとなっている。
【００２８】
次に、上記構成の作用について述べる。上記した第２アーム１４と第３アーム１５とを連結する関節部構造においては、第３アーム１５のハウジング１９（端板２３）に形成された孔部３３内を配線３４を通しているので、配線３４の保護のために、第２アーム１４に対する第３アーム１５の回転によって、孔部３３の縁部と第２アーム１４のハウジング３１との間でその配線３４を挟み込んでしまうことを未然に防止する必要がある。
【００２９】
そこで、ロボットコントローラにおけるソフト的な回転範囲の規制に加えて、メカ的なストッパ機構を設けることにより、第３アーム１５の第２アーム１４に対する回転範囲Ｂの規制が行われるのであるが、本実施例では、第３アーム１５が一方向（図１で時計回り方向）に回転した際に、可動側第１ストッパ３５が固定側第１ストッパ３７に当接することにより回転範囲が規制され、第３アーム１５が反対方向（図１で反時計回り方向）に回転した際には、可動側第２ストッパ３６が固定側第２ストッパ３８に当接して回転範囲が規制される。
【００３０】
このとき、２組のストッパ３５〜３８の位置を、直径方向にずらせていわば段違い状にし、可動側第１ストッパ３５の軌道ａと、可動側第２ストッパ３６の軌道ｂとを直径方向にずれるようにすると共に、固定側第１ストッパ３７及び固定側第２ストッパ３８を円周方向にもずれた位置に設けたので、第３アーム１５が一方向回転した際に、可動側第１ストッパ３５が、固定側第２ストッパ３８を円周方向に通り過ぎた位置で、固定側第１ストッパ３７に当接するようになる。この結果、上記した従来のものにおける回転範囲Ａに比べて、回転範囲Ｂを大きくすることができたのである。
【００３１】
ところで、孔部３３の大きさを円周方向に小さくすれば、両側の可動側ストッパ３５，３６をもっと接近して設けることができ、上記のような構成を採用せずとも、従来と同様の構成で、本実施例と同等の回転範囲を確保できると考えられる。ところが、上述のように、孔部３３は、配線３４の先端のコネクタを通過させる、あるいは配線３４のずれ動きを許容するといった機能が必要となるので、単純に小さくすることはできず、仮に、直径方向に長い長孔状に形成すれば、上記の機能を果たすことはできるものの、それでは、関節部全体が直径方向に大型化してしまい、ロボットの小型化の要求に応えられなくなってしまう。
【００３２】
これに対し、本実施例では、孔部３３を円周方向に沿って長い長孔状に設けたので、孔部３３に要求される機能を確保した状態で、孔部３３の直径方向の長さ寸法、ひいては端板２３（ハウジング１９の端面）の直径寸法を小さくすることが可能となり、関節部の大型化を防止できることは勿論、むしろ関節部全体の一層の小型化を図ることができるのである。
【００３３】
また、第２アーム１４に対して第３アーム１５が、一方向あるい反対方向にほぼ一杯まで回転されると、孔部３３と第２アーム１４のフレーム３１とがラップするようになるが、本実施例では、フレーム３１に孔部３３とラップすることを逃げるようにくびれ部３１ａが設けられているので、その部分がくびれ状でなくストレート状であった場合に比べて、より一層回転範囲を大きく広げることができたのである。
【００３４】
このように本実施例によれば、ハウジング１９の端板２３に回転体２８（軸部）の外周に位置して配線通路となる孔部３３を形成するものにあって、２組のストッパ３５〜３８の位置を、直径方向にずらせていわば段違い状にし、第１ストッパ３５の軌道ａと、第２ストッパ３７の軌道ｂとが直径方向にずれるようにしたので、孔部６が制限となってアーム３の回転範囲Ａが小さくなっていた従来のものと異なり、関節部の直径方向の大型化を防止しつつ、第３アーム１５の回転範囲Ｂを広げることができるという優れた効果を奏する。
【００３５】
また、特に本実施例では、孔部３３を円周方向に沿って長い長孔状に設けたので、孔部３３に要求される機能を確保した状態で、孔部３３の直径方向の長さを小さくすることが可能となり、ひいては関節部全体の一層の小型化を可能とすることができる。さらに、本実施例では、第２アーム１４のハウジング３１のうち孔部３３とラップする部分にくびれ部３１ａを設けたので、孔部３３と第２アーム１４のハウジング３１とがラップすることを極力防止することができ、第３アーム１５の第２アーム１４に対する回転範囲Ｂをより一層広げることが可能となるものである。
【００３６】
尚、固定側第１ストッパ３７及び固定側第２ストッパ３８を設ける位置については、上記実施例のような関係に限らず、必要に応じて設定すれば良く、これにより、第３アーム１５の一方向及び反対方向の回転範囲Ｂを自在に設定することができる。そして、上記実施例では、孔部３３を長孔状としたが、要求される機能を果たすものであれば、円形等であっても良く、さらには、くびれ部３１ａについても必要に応じて設けるようにすれば良い。
【００３７】
その他、上記実施例では、第２アーム１４と第３アーム１５とを連結する関節部に本発明を適用するようにしたが、他の関節部についても同様の構成を採用することが可能であり、また、ロボット本体のアームの全体的な構成や、各アームの形状、サーボモータの配置、減速機の構成などの細部の構成についても、様々な変形が可能である等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、第３アームの関節部部分の構成を示す正面図
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿う縦断側面図
【図３】ロボット本体の外観を示す正面図
【図４】従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
図面中、１１はロボット本体、１４は第２アーム（第２のアーム）、１５は第３アーム（第１のアーム）、１９はハウジング、２１は３軸用サーボモータ、２２は減速機ユニット、２３は端板、２８は回転体（軸部）、３１はハウジング、３１ａはくびれ部、３３は孔部、３４は配線、３５は可動側第１ストッパ（第１アーム側第１ストッパ）、３６は可動側第２ストッパ（第１アーム側第２ストッパ）、３７は固定側第１ストッパ（第２アーム側第１ストッパ）、３８は固定側第２ストッパ（第２アーム側第２ストッパ）、Ｂは回転範囲を示す。

Claims (3)

1. 第１のアームに対し第２のアームを軸部によって相対的に回転可能に連結したロボットの関節部構造において、
   前記第１のアームのハウジングの前記軸部の外周に位置する部分に、配線通路を形成する孔部を設けると共に、その孔部の円周方向両側の直径方向にずれた位置に、第１アーム側第１ストッパ及び第２ストッパを設け、
   前記第２のアームに、該第２のアームが一方向に回転したときに前記第１アーム側第１ストッパに当接して回転範囲を規制する第２アーム側第１ストッパと、該第２のアームが反対方向に回転したときに前記第１アーム側第２ストッパに当接して回転範囲を規制する第２アーム側第２ストッパとを、直径方向にずれた位置に設けたことを特徴とするロボットの関節部構造。
2. 前記配線通路を形成する孔部は、円周方向に沿って長い長孔状に設けられていることを特徴とする請求項１記載のロボットの関節部構造。
3. 前記第２のアームのハウジングは、該第２のアームの相対回転によって前記孔部とラップする部分がくびれ状に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの関節部構造。

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