JP4315720B2 - ロボット等の関節部のケーブルガイド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット等の関節部おいて動力源あるいは制御信号を伝達するケーブル状部材をガイドするためのケーブルガイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多関節アームを備えた工業用ロボット等においては、肩、肘、手首等に相当する関節部のそれぞれに設けられた電動モータや各種センサに対し、胴体に設けられた制御回路から電力および制御信号が供給されるようになっている。そして各電動モータに対する電力供給や各種センサに対する信号授受を行うためのケーブルは、アームに沿って配線されているが、各関節部には、その曲折運動に追従できるように、適宜な弛みが与えられることが一般的である。
【０００３】
このような関節部に対する通線の手法として、例えば関節の軸受け部分を迂回する配線通路を設けたもの（特開昭６３−２８８６９２号公報を参照されたい）や、関節部に設けられた軸を中空にし、その中空軸内に通線するもの（特開昭６１−１６８４７８号公報を参照されたい）等が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−２８８６９２号公報（第３図）
【特許文献２】
特開昭６１−１６８４７８号公報（第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、特許文献１に開示された技術は、ケーブルを保護する配線用ダクトを関節部の外面に設けるというものであり、ケーブルが全て隠蔽されるので損傷する心配は無くなるものの、関節の外部に配線される点は何等変わりがないので、関節部の外形寸法がより一層増大せざるを得ない。
【０００６】
また特許文献２に開示された技術は、関節を構成する軸の中心に設けた貫通孔内に通線するので、関節部分だけで軸長に等しいケーブル長を要し、腕の有効長に対する所要ケーブル長が比較的大きくなりがちである上、関節部の小型化には寄与しない。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、関節部の大型化を招かずにケーブルをより一層短寸化し得るように改良されたロボット等の関節部のケーブルガイドを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明によるロボット等の関節部のケーブルガイドは、第１のリンク（旋回アーム１）と第２のリンク（固定アーム２）とを一つの中心軸線周りに相対回動自在に連結したロボット等の関節部（ナックル継手３）において、その内部を通過する動力源あるいは制御信号を伝達するケーブル状部材（ケーブル２７）をガイドするためのケーブルガイド（１２)であって、前記ケーブル状部材がその内部を延在可能な太鼓状中空体からなり、その外周面の一方に実質的に丸孔からなるケーブル挿通孔（丸孔２８）を、他方に周方向長孔からなるケーブル通過孔（スリット１７）を設けられたセンタドラム（１３）と、前記関節部に前記第１のリンクあるいは前記第２のリンクのいずれか一方に一体的に結合され、前記センタドラムと相対回動自在に組み合わされて前記センタドラムを中心軸線周りに回転自在に支持するドラムホルダ（１４）と、前記センタドラムの内部に蝸牛形状に突出して設けられ、前記ケーブル挿通孔より前記センタドラム内に入り、当該センタドラム内を径方向に通過して前記ケーブル通過孔より前記センタドラム外に出る前記ケーブル状部材の屈曲の最小曲率半径を規定するガイド部材（蝸牛状部分２１）とを有する。
【０００９】
このようにすれば、関節部内を最短距離で通過することができるので、ケーブル状部材の長さをより一層短縮し得る。
【００１１】
また、本発明によるロボット等の関節部のケーブルガイドは、周方向長孔を開閉自在なシャッタ板（長シャッタ板２３Ｌ）をセンタドラムに設けるものとした。これにより、センタドラム内に塵埃などが浸入することを防止することができる上、ケーブル保持体の内部を見えなくなるようにすることができる。
【００１２】
また、本発明によるロボット等の関節部のケーブルガイドは、センタドラムの回転中心の近傍にケーブル状部材を通すためのガイド手段と、周方向長孔を開閉自在なシャッタ板とをケーブル保持体に設けると共に、シャッタ板の収容部（ガイド溝２２）をガイド手段に設けるものとした。これにより、スリットを閉じるだけの周方向長さを有するシャッタ板がケーブル状部材と干渉せずに開くようにすることができ、リンクの可動角度をより一層増加することができる。
【００１３】
また、本発明によるロボット等の関節部のケーブルガイドは、第１のリンクと第２のリンクとの少なくともいずれか一方に少なくとも１箇所でケーブル状部材が実質的に固定されており、第１のリンクと第２のリンクとが相対回動する際の関節部におけるケーブル状部材の移動でケーブル保持体が回転させられることを特徴とするものとした。これにより、ケーブル保持体を回転駆動するアクチュエータが不要となるので、構造の複雑化を招かずに済む。
【００１４】
また、本発明によるロボット等の関節部のケーブルガイドは、一方のリンクから回動軸線上で互いに離間して延出された一対の継手部（延出部４ａ・４ｂ）と、他方のリンクから回動軸線上で互いに離間し且つ一方の一対の継手部間に延出された一対の継手部（延出部５ａ・５ｂ）とが共通の回動軸線上で連結され、他方のリンクの一対の継手部の軸線方向間隙にセンタドラムが配設されている。これにより、センタドラムが関節部内に収容された形になるので、関節部自体がコンパクトに構成され、ケーブル保持体も保護される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１６】
図１及び図２は、工業用ロボットのアームの肘関節、あるいは２足歩行ロボットの膝関節などに適用し得る本発明による関節部のケーブルガイドの概略構造を示している。以下、便宜的に、定位置に固定された固定アーム（第２のリンク）に対して垂直軸、あるいは水平軸回りで回動自在なように連結された旋回アーム（第１のリンク）の関節部に適用した場合を想定して説明する。
【００１７】
旋回アーム１は、固定アーム２に対してナックル継手３を介して屈伸自在に連結されている。関節部を構成するナックル継手３は、両アーム１・２共に、旋回中心の軸線方向について離間した一対の延出部４ａ・４ｂ・５ａ・５ｂからなり、固定アーム２の延出部５ａ・５ｂには球軸受け６が装着されている。この固定アーム２の一対の延出部５ａ・５ｂ同士の間に旋回アーム１の一対の延出部４ａ・４ｂを挟み込み、固定アーム２の一対の延出部５ａ・５ｂのそれぞれに装着された球軸受け６の各インナレースに軸部材７を嵌着し、両軸部材７を旋回アーム１の一対の延出部４ａ・４ｂにボルトＢをもってそれぞれ固着することにより、固定アーム２に対して旋回アーム１が回動自在に支持されている。
【００１８】
固定アーム２は、例えば中空の角筒状をなし、その内側における継手近傍には、減速機付きの電動モータ８が組み込まれている。電動モータ８の出力軸は固定アーム２の外方へ突出しており、その軸端には駆動コグドプーリ９が固着されている。また旋回アーム１の一対の延出部４ａ・４ｂに固着された軸部材７の中心部には被動コグドプーリ１０が固着されている。そして両コグドプーリ９・１０には、無端コグドベルト１１が掛け渡されている。これにより、固定アーム２と一体をなす電動モータ８を回転駆動すると、固定アーム２側延出部５ａ・５ｂの球軸受け６に支持された軸部材７が回転し、これと延出部４ａ・４ｂで一体結合された旋回アーム１が水平面上で回動することとなる。なお、減速機は、設計の都合に応じてナックル継手３側に設けても良い。
【００１９】
旋回アーム１の一対の延出部４ａ・４ｂ同士の間には、ケーブルガイド１２が装着されている。このケーブルガイド１２は、相対回動自在に組み合わされたセンタドラム１３とドラムホルダ１４とからなっている。
【００２０】
センタドラム１３は、軸線方向の両端面と外周面とが塞がれた軸線方向寸法の比較的短い太鼓状をなし、接線と平行な向きにその軸線を延在させた煙突状の管状突部１５が外周壁１６の一側に形成され、その反対側に、旋回アーム１と固定アーム２間の可動角度に応じた角度範囲（本実施例では略半周弱）に渡る長孔としてのスリット１７が形成されている。
【００２１】
センタドラム１３の軸線方向両端壁１８の内面には、外周壁１６と協働して円周溝１９を形成するためのリブ２０が形成されている。この円周溝１９及びリブ２０は、管状突部１５の付け根に隣接する部分だけを避けて実質的に円周の大部分に形成されており、これら円周溝１９及びリブ２０の一方の端部は、センタドラム１３の外周壁１６内面から中心に向けて巻き込んだ態様の突条として形成された蝸牛状部分２１及び蝸牛状部分に凹設されたガイド溝２２に連続している。
【００２２】
円周溝１９には、スリット１７の中間部から互いに反対方向へ延出された長短２種類のシャッタ板２３Ｌ・２３Ｓが摺合している。これら２つのシャッタ板２３Ｌ・２３Ｓは、円周溝１９に沿って湾曲して形成されており、特に長シャッタ板２３Ｌは、円周溝１９よりも曲率半径の小さいガイド溝２２にまで自由に入り込めるように、撓曲可能な薄い合成樹脂板で形成されている。
【００２３】
センタドラム１３の軸線方向両端壁１８の外周部には、外周壁１６から縮径されて段部２４が形成されている。この段部２４は、ドラムホルダ１４の中心部に半円周以上の角度範囲に渡って係合しており、ドラムホルダ１４に保持された状態で、ある一点を中心に回転するようにされている。
【００２４】
ドラムホルダ１４は、旋回アーム１のナックル継手側端部に形成された係合片２５ａ・２５ｂに係合し、実質的に旋回アーム１に一体的に結合されている。またドラムホルダ１４には、センタドラム１３の筒状突部１５と干渉しないように、略半円周に渡る逃げ溝２６が軸方向中間部に形成されている。
【００２５】
固定アーム２側からセンタドラム１３内にケーブル２７が引き込まれている。このケーブル２７は、固定アーム２側へその開口を向けている筒状突部１５の丸孔２８内に挿通され、センタドラム１３内の蝸牛状部分２１の外周面の近傍を経由し、スリット１７の中間部で対向させた両シャッタ板２３Ｌ・２３Ｓの端部３０・３１同士の間から、固定アーム２と同様に角筒状をなす旋回アーム１側へと導出されている。
【００２６】
電動モータ８を駆動してナックル継手３を図２中の矢印Ａ方向に曲げると、蝸牛状部分２１の外周面に案内されてケーブル２７が曲げられる。ここでケーブル２７の筒状突部１５の丸孔２８内に突入した部分は、固定アーム２と共に実質的に不動なので、ケーブル２７の固定アーム２側部分に対して筒状突部１５の丸孔２８で係止したセンタドラム１３は、固定アーム２と実質的に一体の関係にあり、常時静止している。他方、旋回アーム１に係合したドラムホルダ１４は、旋回アーム１と共に回動する。
【００２７】
ケーブル２７の旋回アーム１側部分は、旋回アーム１と一定の関係を保つように、旋回アーム１に例えばサドルなどを用いてその適所が止め付けられており、旋回アーム１の回動と共に図２の紙面上を矢印Ａ方向に移動する。これにより、長シャッタ板２３Ｌの端部３１が押される。すると長シャッタ板２３Ｌは、蝸牛状部分２１に円周溝１９と連続的に形成されたガイド溝２２内に入り込みつつ、スリット１７の旋回アーム１の端部との対向面を開いてゆく。この時、反対側の短シャッタ板２３Ｓは、ある角度までは円周溝１９と一定の関係を保ったままである。
【００２８】
このようにして、ケーブル２７はセンタドラム１３の外周壁１６に形成されたスリット１７の範囲内でその曲げ角度を変える。そしてドラムホルダ１４の軸線方向中間部の逃げ溝２６との関係で、筒状突部１５はドラムホルダ１４の回動と干渉しない。
【００２９】
旋回アーム１を略９０度曲げると、ドラムホルダ１４の逃げ溝２６の大部分は固定アーム２側の一対の延出部５ａ・５ｂ同士間に入り込み、ナックル継手３の外側（図３の矢印Ｃ方向）からは、センタドラム１３の外周壁１６が覗けるだけとなる。またケーブル２７のセンタドラム１３内に延在した部分は蝸牛状部分２１の外周面に沿って屈曲し、その最小曲率半径が蝸牛状部分２１の曲率で規定され、急峻な角度で折り曲げられずに済む。しかも長シャッタ板２３Ｌは蝸牛状部分２１のガイド溝２２内に入り込んでいるので、筒状突部１５を経てセンタドラム１３内に引き込まれているケーブル２７と干渉することがない。
【００３０】
図３に示した状態から、旋回アーム１をさらに曲げると、逃げ溝２６の一方の周方向端壁２９が短シャッタ板２３Ｓの端部３０に当接してスリット１７を閉じるので、図３の矢印Ｃ方向から逃げ溝２６間にセンタドラム１３内が見えることが防止される。
【００３１】
旋回アーム１を伸ばすと、ドラムホルダ１４に係合した旋回アーム１の一方の係合片２５ａに長シャッタ板２３Ｌの端部３１が押されてスリット１７を閉じて行く。ナックル継手３が真っ直ぐに伸びると、スリット１７は長シャッタ板２３Ｌで完全に閉じられるので、センタドラム１３内に塵埃などが浸入することが防止されると同時に、図２の矢印Ｂ方向から逃げ溝２６間にセンタドラム１３内が見えることが防止される。
【００３２】
以上説明した本発明によるケーブルガイドは、肩あるいは手首など、他の関節部分にも等しく適用可能である。また上記の旋回アーム１と固定アーム２との関係も、あくまでも相対的なものであり、上記とは逆の関係であっても同様に実施できる。また各アーム１・２とケーブル２７との関係は、少なくともいずれか一方のアームとケーブル２７とが実質的に一体に移動すれば、センタドラム１３とドラムホルダ１４との相対回動を支障なく行うことができる。さらに、上記のような電線に限らず、油圧や空圧を供給するフレキシブルチューブ等のガイドにも適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、ケーブルの関節部を通過する部分の寸法を最短化することができるので、軽量化を推進し且つ動力伝達損の低減に寄与するところ大である。しかもケーブルが露出しないので、見栄えが損なわれずに済むことはもとより、ケーブルが保護されると共に、関節部の回動に伴うケーブルの屈曲部の曲率が規定されるので、繰り返し曲げでケーブルに及ぼすダメージが軽減され、信頼性を向上する上にも効果的である。これらに加えて、センタドラムとドラムホルダとの相対回動はケーブルの動きに連れて行われるので、動力を必要とせず、構造も簡略で済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたロボットアームの図２中のＩ−Ｉ線に沿う要部側断面図
【図２】関節を伸ばした状態の平断面図
【図３】関節を曲げた状態の平断面図
【符号の説明】
１ 旋回アーム
２ 固定アーム
３ ナックル継手
４ａ・４ｂ 旋回アームの延出部
５ａ・５ｂ 固定アームの延出部
１２ ケーブルガイド
１３ センタドラム
１４ ドラムホルダ
１７ スリット
２１ 蝸牛状部分
２２ ガイド溝
２３Ｌ 長シャッタ板
２３Ｓ 短シャッタ板
２７ ケーブル
２８ 丸孔

Claims (2)

1. 第１のリンクと第２のリンクとを一つの中心軸線周りに相対回動自在に同一平面上で連結したロボット等の関節部において、その内部を通過する動力源あるいは制御信号を伝達するケーブル状部材をガイドするためのケーブルガイドであって、
   前記ケーブル状部材がその内部を径方向に延在可能な太鼓状中空体からなり、その外周面の一方に実質的に丸孔からなるケーブル挿通孔を、他方に周方向長孔からなるケーブル通過孔を設けられたセンタドラムと、
   前記関節部に前記第１のリンクあるいは前記第２のリンクのいずれか一方に一体的に結合され、前記センタドラムと相対回動自在に組み合わされて前記センタドラムを中心軸線周りに回転自在に支持するドラムホルダと、
   前記センタドラムの内部に蝸牛形状に突出して設けられ、前記ケーブル挿通孔より前記センタドラム内に入り、当該センタドラムを径方向に通過して前記ケーブル通過孔より前記センタドラム外に出る前記ケーブル状部材の屈曲の最小曲率半径を規定するガイド部材と、
   を有することを特徴とするロボット等の関節部のケーブルガイド。
2. 前記ケーブル状部材は、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの少なくともいずれか一方に少なくとも１箇所で固定されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット等の関節部のケーブルガイド。

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