JP4992543B2 - ロボット - Google Patents

Description

本発明は、把持部を配設する昇降部材をアームに上下動可能に支持してなるロボットに関する。

例えば、水平多関節型ロボットでは、先端側のアームに可動シャフトを上下動可能に且つ回転可能に支持し、このアームの下端部にワークを把持する把持部を取り付ける構成となっている。このような水平多関節型ロボットでは、例えば、特許文献１のように、可動シャフトをボールねじスプラインシャフトから構成し、このボールねじスプラインシャフトを、アームに上下に離間して設けられたボールねじナットとボールスプラインナットとによって支持するようにしている。そして、ボールねじナットを昇降用モータにより回転させると、そのナットの回転が、ボールねじスプラインシャフトのねじ溝によって当該ボールねじスプラインシャフトの上下動に変換され、また、ボールスプラインナットを旋回用モータにより回転させると、そのナットの回転がスプライン溝によってボールねじスプラインシャフトに伝達されて当該ボールねじスプラインシャフトが旋回するように構成されている。
特開２００４−１５６７３５号公報

特許文献１に記載されたものでは、ボールねじナット自身およびボールスプラインナット自身を夫々アームに回転可能に支持させねばならないため、ボールねじナットおよびボールスプラインナットの夫々の長さが長くなり勝ちである。そして、これら長いボールねじナットとボールスプラインナットがアームの上下両側に配置され、ボールねじスプラインシャフトが、それらボールねじナットとボールスプラインナットとによって支持される。このような支持構造では、ボールねじスプラインシャフトの全長は、ボールねじナットとボールスプラインナットによる支持に必要な長さに、更に上下動にとって必要な長さを加えた長さが必要である。このため、ボールねじスプラインシャフトの全長が相当長くなり、把持部を上昇させた状態では、ボールねじスプラインシャフトの上端がアームから高く突出することとなる。このようなロボットでは、占有空間が高さ方向に大きくなり、天井の低い工場や、上方にクレーンなどが走行する場所ではロボットを設置できない場合が出てくる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、把持部を上下動させるための部材のアームからの突出長さを短縮することができるロボットを提供することにある。

請求項１のロボットでは、把持部を配設する昇降部材を、アームに固定された第１の単位支持部材に第１の単位可動部材を上下動可能に支持してなる第１の単位支持機構および前記第１の単位可動部材に固定された第２の単位支持部材に第２の単位可動部材を上下動可能に支持してなる第２の単位支持機構から構成されたテレスコープ状の直線移動支持機構により昇降させるので、支持部材による可動部材の支持長さは比較的短くて済む。しかも、モータの回転を第２の単位可動部材の直線移動に変換するラック・ピニオン機構におけるピニオンとラックとの噛合部分を、第２の単位可動部材の上下両側のうち把持部を配設する側に位置させるので、アームからの直線移動支持機構の突出長さを短くすることができる。

請求項２のロボットでは、昇降部材に旋回用モータが設けられているので、把持部を回転（旋回）させるための機構が簡単となる。

請求項３のロボットでは、第１の単位支持機構と第２の単位支持機構の単位可動部材が常に同じ距離だけ移動するので、短距離移動の際に一方の単位可動部材だけが移動する場合に比べて、第１の単位支持機構と第２の単位支持機構の稼働率を同等とすることができる。

以下、本発明を、水平多関節型ロボットに適用した実施形態によって説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図５は第１の実施形態を示す。図５には、４軸（関節）の水平多関節型ロボットが示されている。この図５のように、ロボット本体１は、ロボットの設置面に固定されるベース２と、このベース２上に垂直軸Ｊ１を中心に旋回可能に連結された第１のアーム３と、この第１のアーム３の先端部上に垂直軸Ｊ２を中心に旋回可能に連結された第２のアーム４と、先端側のアームである第２のアーム４の先端側に矢印Ｚで示す上下方向に移動可能に設けられた昇降部材５と、この昇降部材５に矢印Ｔで示す水平方向に回転可能に設けられたフランジ６とから構成されている。そして、昇降部材５には、ワークを把持する把持部（図示せず）が配設、具体的には、把持部は、フランジ６に取り付けられることで昇降部材５に配設される形態となっている。

前記第１のアーム３は、ベース２内に設けられた第１軸用モータ（図示せず）によって旋回され、前記第２のアーム４は、当該第２のアーム４自身に設けられた第２軸用モータ（図示せず）によって旋回されるようになっている。また、把持部を取り付けるフランジ６は、昇降部材５に取り付けられた旋回用モータ７により減速機８を介して回転されるようになっている。

前記昇降部材５は、第２のアーム４に、直線移動支持機構９を介して上下動可能に支持されている。この直線移動支持機構９は、図１および図２に示すように、複数、例えば２組の単位支持機構、即ち第１の単位支持機構１０および第２の単位支持機構１１をテレスコープ状に連結して構成されている。

ここで、第１および第２の単位支持機構１０および１１の構成について説明し、次にこれら両単位支持機構１０および１１をテレスコープ状に連結する構成について説明する。第１および第２の単位支持機構１０および１１は、同一構成のもので、夫々、第２のアーム４側の面である後面（図１で右面）に２個の単位レール部材１２，１３を左右に平行に並べて配設固定した板状の単位可動部材（可動部材）１４，１５と、この単位可動部材１４，１５の各単位レール部材１２，１３に２個ずつ互いに直線移動可能に結合した単位支持部材（支持部材）１６，１７から構成されている。

この場合、単位レール部材１２，１３と単位支持部材１６，１７との結合は、図４のボール１８によって行われる。つまり、図４に示すように、単位支持部材１６，１７は、ほぼコ字型をなし、その内側に単位レール部材１２，１３が小間隙をもって嵌め込まれている。そして、単位レール部材１２，１３の外側面および単位支持部材１６，１７の内側面には、夫々Ｖ溝１２ａ，１３ａおよび１６ａ，１７ａが形成されており、これら両Ｖ溝１２ａ，１３ａおよび１６ａ，１７ａによって構成されるトンネル内には、両Ｖ溝１２ａ，１３ａおよび１６ａ，１７ａに跨るようにして多数のボール１８が収容されている。これにより、単位レール部材１２，１３と単位支持部材１６，１７とがボール１８を介して結合され、単位レール部材１２，１３と単位支持部材１６，１７とが互いに直線移動可能に結合された形態となる。なお、図示はしないが、単位支持部材１６，１７側には、直線移動に伴って転動するボール１８をＶ溝１２ａ，１３ａおよび１６ａ，１７ａから出し、再びＶ溝１２ａ，１３ａおよび１６ａ，１７ａに戻すための循環路が形成されている。

なお、以下では、単位レール部材１２，１３、単位移動部材１４，１５、単位支持部材１６，１７については、第１の単位支持機構１０を構成する部材に「第１」、第２の単位支持機構１１を構成する部材に「第２」の順序符号を付して区別することとする。

上述のような構成の第１および第２の単位支持機構１０および１１において、第２の単位支持部材１７は、第１の単位可動部材１４の前面（図１で左面）に固定され、第１の単位支持部材１６は、第２のアーム４の先端面（前端面）に固定されている。以上により、第１および第２の単位支持機構１０および１１が第２のアーム４に対してテレスコープ状に連結された形態となる。

このようなテレスコープ状の直線移動支持機構９に支持される昇降部材５は、第２の単位可動部材１５の上下両側のうち、下側、特には下端部に寄せて取り付けられている。この昇降部材５を昇降動作させるために、直線移動支持機構９の第１および第２の各単位可動部材１４，１５が上下動するが、この各単位可動部材１４，１５を上下動させるための駆動源としてモータ１９が用いられる。このモータ１９を以下では昇降用モータ１９と称することとする。そして、昇降用モータ１９の回転を第１および第２の単位可動部材１４，１５の上下方向の直線移動に変換するための回転‐直線運動変換機構として、例えばラック・ピニオン機構２０が採用されている。

昇降用モータ１９は、第２のアーム４内において、下端に寄せて横軸型にして配設されている。そして、昇降用モータ１９の回転軸１９ａは、第２のアーム４の前面から前方に突出し、第１の単位可動部材１４に形成された上下方向に延びる長孔２１から第２の単位支持機構１１側へと突出している。そして、その回転軸１９ａの先端部には、ラック・ピニオン機構２０のピニオン（回転部材）２２が固定されている。

一方、第２の単位可動部材１５の後面には、ラック・ピニオン機構２０のラック（直動部材）２３が固定されている。そして、このラック２３は、ピニオン２２に噛合している。このピニオン２２とラック２３の噛合部分、つまりピニオン２２の回転力をラック２３に伝える接触伝導部分は、昇降用モータ１９を第２のアーム４の下端寄りに配設したことにより、第２の単位可動部材１５の上下両端部のうち、昇降部材５を配設した下端側に位置されることとなる。

本実施形態では、第１の単位レール部材１２が第２のアーム４に固定された第１の単位支持部材１６から抜け出ることのないようにするため、第１の単位可動部材１４の後面の上下両端部に、第２のアーム４の前面上下両端部のストッパ部４ａ，４ｂに当接する後ストッパ部１４ａ，１４ｂが突設されている。また、第２の単位レール部材１３が第１の単位可動部材１４に固定された第２の単位支持部材１７から抜け出ることのないようにするため、第２の単位可動部材１５の後面の上下両端部に、第１の単位可動部材１４の前面の上下方向中間部および下端部の前ストッパ部１４ｃ，１４ｄに当接する後ストッパ部１５ａ，１５ｂが突設されている。

次に上記構成の作用を説明する。ロボットの停止時にあっては、直線移動支持機構９の第１および第２の単位支持機構１０，１１は、図１に示す最上昇位置（原位置）にあって、第１の単位可動部材１４の下端部の後ストッパ部１４ｂが第２のアーム４の下端部のストッパ部４ｂに下から軽く接し、第２の単位可動部材１５の下端部の後ストッパ部１５ｂが第１の単位可動部材１４の下端部の前ストッパ部１４ｄに下から軽く接した状態になっている。

この状態から、例えばフランジ６に取り付けられた図示しない把持部によってワークを把持するために、直線移動支持機構９を下降動作させるべく昇降用モータ１９が正方向に回転すると、ピニオン２２の回転がラック２３の下方への直線移動に変換され、第２の単位可動部材１５が下降する。このとき、第１の単位可動部材１４は、自重によって第２の単位可動部材１５と一体的に下降するようになる。従って、当初は、第１の単位レール部材１２が第１の単位支持部材１６に対して下方に移動することで、第１および第２の単位可動部材１４および１５が一体的に下方へと移動する。

第１の単位可動部材１４の上端部の後ストッパ部１４ａが第２のアーム４の上端部のストッパ部４ａに上から当接する位置まで下降すると、そこで第１の単位可動部材１４の下降が停止され、以後、図３に示すように、第２の単位レール部材１３が第２の単位支持部材１７に対して下方に移動することで、第２の単位可動部材１５が単独で下降するようになる。

第２の単位可動部材１５が予め定められた所定位置まで下降すると、昇降用モータ１９が停止し、ここで把持部がワークを把持する。なお、第２の単位可動部材１５は、上端部のストッパ部１５ａが第１の単位可動部材１４の中間部の前ストッパ部１４ｃに上から当接する位置（最下降位置）まで下降可能である。図３は、この最下降位置まで下降した状態を示す。

この後、直線移動支持機構９を原位置に戻すべく、昇降用モータ１９が逆方向に回転する。すると、ピニオン２２の回転がラック２３の上方への直線移動に変換され、第２の単位可動部材１５が上昇する。第２の単位可動部材１５の下端部の後ストッパ部１５ｂが第１の単位可動部材１４の下端部の前ストッパ部１４ｄに下方から当接する位置まで第２の単位可動部材１５が上昇すると、以後、第２の単位可動部材１５が第２１の単位可動部材１４を押し上げるようになり、両単位可動部材１４，１５が一体的に上昇する。そして、第１の単位可動部材１４の下端部の後ストッパ部１４ｂが第２のアーム４の下端部のストッパ部４ｂに軽く接する位置まで第１および第２の単位可動部材１４および１５が上昇すると、昇降用モータ１９が停止し、直線移動支持機構９は、図１に示す原位置に戻る。

このように本実施形態によれば、昇降部材５を上下動可能に支持する機構を、直線移動支持機構９としたので、第１の単位可動部材１４を上下動可能に支持するための第１の単位支持部材１６の支持スパン（図３にＬ１で示す。）は、第１の単位可動部材１４、第２の単位支持機構１０、昇降部材５、旋回用モータ７、減速機８、把持部、ワークなどの重量を支え得る程度の長さで済む。同様に、第２の単位可動部材１５を上下動可能に支持するための第２の単位支持部材１７の支持スパン（図３にＬ２で示す。）も、第２の単位可動部材１５、昇降部材５、旋回用モータ７、減速機８、把持部、ワークなどの重量を支え得る程度の長さで済むので、同様に短くて済む。

このため、支持スパンＬ１，Ｌ２を短くでき、その支持スパンＬ１，Ｌ２を保つように、第１の単位支持部材１４を第２のアーム４の前面の下端側に寄せて配設すると共に、第２の単位支持部材１５を第１の単位可動部材１４の下端側に寄せて配設することで、昇降部材５に必要とされる上下動ストロークを確保するための第１および第２の単位可動部材１４および１５の上下方向長さを短くすることができる。

また、ピニオン２２とラック２３との接触伝導部分を第２のアーム４の下端側に位置させたので、第２の単位可動部材１５を、昇降部材５に要求される上下動距離だけ移動させるに必要なラック２３の上下方向の長さ（図１でピニオン２２とラック２３との接触伝道部分から上端までの長さ）を短くすることができる。
しかも、直線移動支持機構９は、テレスコープ状であるから、原位置に戻した縮小状態での全長を短縮することができる。

以上のことから、直線移動支持機構９を原位置に戻したとき、第２のアーム４から上方に突出する第１および第２の単位可動部材１４および１５の上下方向長さを短くすることができる。このため、ロボットの専有空間を上下方向に縮小できると共に、上方にクレーンなどが走行する場合であっても、ロボットを設置できなくなるといった不具合の発生を極力なくすことができる。

（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、直線移動支持機構９が原位置から下降する場合、当初から第１および第２の単位可動部材１４および１５が同距離だけ移動するように構成したものである。

即ち、第１の単位可動部材１４と第２のアーム４との間には、付勢手段としての圧縮コイルばね２４が設けられている。この圧縮コイルばね２４は、第１の単位可動部材１４を原位置に戻す方向に付勢する。
また、第１の単位可動部材１４には、プーリー２５が回転自在に設けられている。そして、両端部を第２のアーム４と第２の単位可動部材１５とに連結した条部材としてのベルト２６の途中部分がプーリー２５に上方から掛け渡されて、ベルト２６が圧縮コイルばね２４により引っ張られるようになっている。

このように構成した場合には、プーリー２５とベルト２６とにより動滑車機構が構成されるので、第２の単位可動部材１５の移動時には、第１の単位可動部材１４は、常に第２の単位可動部材１５の移動距離（Ｌ）の半分の距離（Ｌ／２）だけ移動するようになる。
このため、昇降部材５を短距離だけ下降させる場合でも、当初から第１の単位可動部材１４が第２のアーム４に対して下方に移動し、第２の単位可動部材１５も第１の単位可動部材１４に対して下方に移動するようになるため、単位支持部材１６，１７と単位レール部材１２，１３との支持機構の稼動率を同等とすることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
把持部によって把持するワークが第２のアーム４よりも上方に位置する場合には、第１および第２の実施形態において、昇降部材５を第２の単位可動部材１５の上端部寄りに配設し、直線移動支持機構９を原位置から上方にテレスコープ状に伸ばす構成としても良い。

本発明の第１の実施形態を示すもので、直線移動支持機構を縮めた状態での要部の縦断側面図 要部の横断平面図 直線移動支持機構を伸ばした状態での要部の縦断側面図 単位レール部材と単位支持部材との結合構成を示す拡大断面図 水平多関節型ロボットの側面図 本発明の第２の実施形態を示し、（ａ）は原位置での要部の概略構成図、（ｂ）は下降した状態での要部の概略構成図

符号の説明

図面中、４は第２のアーム、５は昇降部材、６はフランジ（旋回体）、７は旋回用モータ、９は直線移動支持機構、１０，１１は第１，第２の単位支持機構、１２，１３は第１，第２の単位レール部材、１４，１５は第１，第２の単位可動部材、１６，１７は第１，第２の単位支持部材、１９は昇降用モータ、２０はラック・ピニオン機構（回転‐直線運動変換器項）、２２はピニオン（回転部材）、２３はラック（直動部材）、２４は圧縮コイルばね（付勢手段）、２５はプーリー、２６はベルト（条部材）を示す。

Claims (3)

1. アームと、
   前記アームに設けられ、当該アームに固定された第１の単位支持部材に第１の単位可動部材を上下動可能に支持してなる第１の単位支持機構および前記第１の単位可動部材に固定された第２の単位支持部材に第２の単位可動部材を上下動可能に支持してなる第２の単位支持機構から構成されたテレスコープ状の直線移動支持機構と、
   前記アームに設けられた昇降用モータと、
   前記昇降用モータにより回転されるピニオンおよび前記第２の単位可動部材に固定され前記ピニオンに噛合して当該ピニオンの回転により上下方向に直線移動されるラックを備え、前記ラックの直線移動によって前記第２の単位可動部材を上下動させるラック・ピニオン機構と、
   前記第２の単位可動部材に配設され、ワークを把持する把持部を配設するための昇降部材とを具備し、
   前記アームに前記第１の単位可動部材の下降を停止させるためのストッパ部を設け、前記第１の単位可動部材を、前記第２の単位可動部材の下降時には前記第１の単位可動部材が前記ストッパ部によって下降を停止される位置まで自重で下降し、且つ、前記第２の単位可動部材の上昇時には前記第１の単位可動部材が前記ストッパ部によって下降を停止された位置から前記第２の単位可動部材により押し上げられて上昇するように構成し、
   前記昇降部材を、前記第２の単位可動部材の上下両側のうちの一方側に配設し、
   前記ラック・ピニオン機構における前記ピニオンと前記ラックとの噛合部分を、前記アームの上下両側のうち、前記第２の単位可動部材に前記昇降部材を配設する側に位置させたことを特徴とするロボット。
2. 請求項１記載のロボットにおいて、
   前記昇降部材には、旋回用モータが取り付けられ、前記把持部は、前記旋回用モータによって回転される旋回体に取り付けられることを特徴とするロボット。
3. 請求項１または記載のロボットにおいて、
   前記第１の単位支持機構の前記第１の単位可動部材をテレスコープ状に縮める方向に付勢する付勢手段と、
   前記第１の単位支持機構の前記第１の単位可動部材に設けられたプーリーと、
   両端部を夫々前記アームと前記第２の単位支持機構の前記第２の単位可動部材とに連結し途中部分を前記プーリーに掛け渡した条部材と
   を設け、前記第１の単位可動部材の移動距離が前記第２の単位可動部材の移動距離の半分となるように構成されていることを特徴とするロボット。

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