JP5151513B2 - 線条体案内機構を備えた産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は産業用ロボットの配線および配管等の線条体を扱う案内機構に関する。

自動車の生産ラインなどでは生産性を高めるために産業用ロボットの配置密集度を高める要求がある。又、生産ラインの稼働率を向上させるために、その阻害要因となるロボットの故障によるライン停止、あるいは保全の為のライン停止を極力無くす要求がある。
そのため、従来から産業用ロボットは配置密度を高めるためにエンドエフェクタ用の配線や配管等の線条体と周辺機器の干渉が少なくなるような構造をとっている。この構造にはロボットの基端側からアーム先端のエンドエフェクタまで配線や配管等の線条体をロボットアームに沿わせるように配設し、その線条体をロボットの手首軸の位置まで到達させているものが多い。特にスポット溶接用として使用される産業用ロボットはアーム先端にスポット溶接用のガンが装着され、これに接続される給電ケーブルに線径の大きなものが必要となる一方、ロボット動作時の線条体の動きを考慮しなければならないため、線条体の各所には弛みを持たせたり、場合により張らせたりする構造となっている（例えば特許文献１の図４参照）。
特許文献１に記載されている従来の産業用ロボットの構成と線条体の配設について説明する。図５は特許文献１の図４に記載されているスポット溶接ロボットの側面図と同等の図である。図において、５１は６軸の垂直多関節ロボットであり、５２は垂直多関節ロボット５１のアーム先端に取り付けられたスポット溶接ガンであり、５３はスポット溶接ガンに溶接電流を供給するケーブルである。垂直多関節ロボット５１は、固定部５４と、固定部５４に軸支されて垂直軸回りに旋回する旋回部５５と、旋回部５５に軸支されて前後方向に揺動する下部アーム５６と、下部アーム５６に軸支されて上下方向に揺動する上部アーム５７と、上部アーム５７の先端に取り付けられた手首部５８とからなる。手首部５８は直交する３軸回りの回転自由度を有し、その先端にスポット溶接ガン５２が固定される。ケーブル５３は、図示しない溶接タイマーから固定部５４まで配線され、固定部５４にクランプされ、固定部５４のレベルで、前記垂直軸回りに（上から見て反時計回りに）巻き回され、旋回部５５のレベルに立ち上がる。さらにケーブル５３は、旋回部５５のレベルで前記垂直軸回りに（上から見て時計回りに）巻き回されて旋回部５５にクランプされる。さらにケーブル５３は下部アーム５６に沿って上に立ち上がり、上部アーム５７上に固定されたケーブルスタンド５９に吊り下げられ、スポット溶接ガン５２まで延びている。ところが、図５の線条体（ケーブル５３）の配設では、ケーブル５３を上部アーム５７の上に大きく持ち上げて、弛みを持たせて配線しているので、ケーブル５３が周辺機器等に干渉するという問題があった。また、ケーブル５３が周辺機器等と擦れて、損耗するという問題があった。また、周辺機器等との干渉を避けるためにケーブルの弛みを少なくすると、手首部５８の動作が制限されるという問題もあった。また、上部アーム５７の上で弛みを持たせて配線されたケーブル５３は、ロボットの動作に従って揺れ動くが、この動きを正確に予測することは困難なので、例えばオフラインティーチングのようなシミュレーションで、ケーブルと周辺機器との干渉をチェックすることができないという問題もあった。

そこで、本出願人は、特に上部アームの手首部において、エンドエフェクタ用のケーブル等と周辺機器との干渉が無い産業用ロボットを提供するものとして、同じく特許文献１のような線条体の配設構造を発明した。図４は特許文献１に記載されているスポット溶接ロボットの上部アームを示す図である。上部アーム１０８の先端には上部アーム１０８の長さ方向の手首第１軸１０９回りに回転する手首基部１１０と前記手首第１軸１０９に直交する手首第２軸１１１回りに揺動する手首揺動体１１２と、前記手首第２軸１１１に直交する手首第３軸１１３回りに回転する手首フランジ１０３とからなる手首部を備えている。１０２は、スポット溶接ガンであり、中間部材１０１を介して手首フランジ１０３に固定されたエンドエフェクタである。中間部材１０１は手首フランジ１０３に直接固定される第１のフランジ１０４と、第１のフランジ１０４に平行であって、所定の間隔を空けて配置されて、スポット溶接ガン１０２を直接固定する第２のフランジ１０５と、第１のフランジ１０４と第２のフランジ１０５を連結する接続部材１０６、１０７からなる。接続部材１０６、１０７は互いに平行にかつ、手首第３軸１１３に対して左右対称に配置され、また左右対称配置に対して垂直方向においては手首第３軸１１３に対して一方にオフセットされている。クランプ１１６で手首揺動体１１２に固定された線条体１１４は中間部材１０１の下から、手首第３軸１１３の中心を通り、さらに接続部材１０６、１０７の間を通って中間部材１０１の上に抜けて、クランプ１１７でスポット溶接ガン１０２に固定される。線条体１１４はこのように配設されているので、手首揺動体１１２が手首第２軸１１１回りに揺動するとき、線条体１１４はクランプ１１５とクランプ１１６の間の曲がりによって、手首揺動体１１２の動きに追随する。また、手首フランジ１０３が手首第３軸１１３回りに回転するとき、線条体１１４は中間部材１０１の内部で曲がることによって、手首フランジ１０３の手首第３軸１１３回りの回転に追随する。なお、接続部材１０６、１０７を手首第３軸１１３に対してオフセットして配置して中間部材１０１をクランクシャフト状にしたのは、接続部材１０６、１０７と線条体１１４の干渉を避けて、手首フランジ１０３の手首第３軸１１３回りの動作範囲を確保するためである。当該発明によれば、中間部材１０１の作用によって線条体１１４を上部アームおよび手首に沿って配設できるので、ケーブル等と周辺機器等の干渉を防止することができ、また干渉による線条体の損傷を防止する効果がある。また、上部アームに対する線条体の動きは、一定の空間に限定されるので、オフラインティーチング等のシミュレーションにおいて、線条体と周辺機器等との干渉をチェックすることが容易になるという効果もある。
特開２００３−１３６４６２公報（図１及び図４）

ところが特許文献１では、線条体はアームからエンドエフェクタの間で幾つかのクランプで支持されており、これらクランプを支点にして手首軸の動作による線条体の屈曲動作がおこる。このとき線条体の屈曲半径が極小になる場合があり、そのため線条体の断線が起こる問題があった。また、手首軸の回転動作によって線条体がロボット本体に接触したり、引っかかるなどして線条体に負担をかけ、ロボット本体が損耗したり線条体が断線するというような問題もあった。
このことを図２にて説明する。図２は特許文献１のスポット溶接ロボットの手首軸の動作を示した側面図である。クランプ１１５は手首基部１１０に対して固定され、線条体１１４をクランプしている。クランプ１１６は手首揺動体に回転自在に固定され、線条体１１４を中間部材１０１側へと案内しつつクランプしている。図２において（Ａ）は手首第２軸１１１が原点位置にある状態を示す。また、手首第３軸１１３について中間部材１０１も原点位置にある。このとき線条体１１４は中間部材１０１において紙面の奥側へと挿通されている。そして、（Ｂ）は手首第２軸１１１が図において時計回りに９０度回転し、さらに、中間部材１０１が（Ａ）の状態から１８０度回転した状態を示す。（Ｃ）は手首第２軸１１１が反時計回りに９０度回転し、さらに、中間部材１０１が（Ａ）の状態から１８０度回転した状態を示す。ここで（Ａ）の状態では、線条体１１４は手首第２軸１１１近辺でロボットの上部アーム側から若干の余裕をもって中間部材１０１へ直線的に案内されている。しかし、（Ｂ）（Ｃ）の状態では、クランプ１１６は線条体１１４が中間部材１０１側へ向かうのに伴って回転するが、（Ｂ）（Ｃ）のように手首第２軸１１１の回転角度が大きく、かつ中間部材１０１が（Ａ）の状態から反転するなどした場合、線条体１１４はクランプ１１６における手首先端側の部分を支点として極小な屈曲半径で曲がる。ここで、この屈曲半径を大きくする為に線条体１１４に余裕を持たせると、余って垂れ下がった線条体にロボットの周辺機器が干渉してしまう。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、手首軸において線条体の屈曲半径が極端に小さくなることを防ぎ、また、線条体の配設に余裕を持たせることも無くし、線条体のロボット本体への接触や引っかかりを軽減することにより、エンドエフェクタ用の線条体の寿命を延ばすことができる産業用ロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、アームの先端に支持され、前記アームの延在方向に沿った手首第１軸で回転可能な手首基部と、前記手首基部に支持され、前記手首第１軸に直交する手首第２軸で回転可能な手首揺動体と、前記手首揺動体に支持され、前記手首第２軸に直交する手首第３軸で回転可能な手首フランジと、から構成される手首部と、前記手首フランジの先端側に固定されるエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに動力または信号または材料を供給する線条体と、を備え、前記線条体が前記手首基部から前記エンドエフェクタまで配設される産業用ロボットにおいて、前記手首基部に配置された固定部材に支持され、前記線条体を前記手首第１軸に沿って保持するクランプと、前記クランプよりも前記手首基部の先端側に位置し、前記手首第２軸と平行な第１の回転中心で回転可能な状態で前記固定部材に配置されることによって手首基部に支持された回転体と、前記第１の回転中心と平行な第２の回転中心で回転可能な状態で前記回転体に支持され、前記線条体を前記手首第１軸に沿って保持する線条体保持器と、を備え、前記線条体が、前記クランプで保持され、前記線条体保持器で保持され、前記エンドエフェクタへ配設され、前記回転体は、前記線条体保持器によって保持された前記線条体から前記手首第１軸までの距離が前記クランプによって保持された前記線条体から前記手首第１軸までの距離と同一となる状態で前記線条体保持器を支持することを特徴とする産業用ロボットとするものである。
請求項２に記載の発明は、前記第１の回転中心において前記回転体が前記手首基部に対して所定の位置に戻るよう付勢する付勢手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の産業用ロボットとするものである。
請求項３に記載の発明は、前記線条体保持器は、前記線条体が前記線条体の軸心方向に摺動可能となるよう保持することを特徴とする請求項１または２記載の産業用ロボットとするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の産業用ロボットにおいて、前記手首フランジと前記エンドエフェクタとの間に中間部材をさらに備え、前記中間部材が、前記手首フランジに固定される第１のフランジと、前記第１のフランジに平行であって所定の間隔を空けて配置され、前記エンドエフェクタを固定する第２のフランジと、前記第１のフランジと前記第２のフランジとを連結するように配置され、前記手首第３軸に対して左右に配置される第１および第２の接続部材と、からなり、前記線条体が、前記第１の接続部材と前記第２の接続部材と前記第１のフランジと前記第２のフランジとに囲まれた空間を通過して前記エンドエフェクタに接続されることを特徴とする産業用ロボットとするものである。
請求項５に記載の発明は、前記第１の接続部材と前記第２の接続部材は、前記手首第３軸に対して一方に偏って配置されたことを特徴とする請求項４記載の産業用ロボットとするものである。
請求項６に記載の発明は、前記第２のフランジに、前記線条体を保持する固定部材を設けたことを特徴とする請求項４または５記載の産業用ロボットとするものである。
請求項７に記載の発明は、前記アームを上下に揺動可能に支持する下部アームと、前記下部アームを前後に揺動可能に支持するとともに固定部に対して垂直軸回りに回転可能な旋回部と、から構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の産業用ロボットとするものである。
請求項８に記載の発明は、前記下部アームが、上側下部アームと下側下部アームとからなり、前記上側下部アームと前記下側下部アームとが互いに回転可能に支持されたことを特徴とする請求項７記載の産業用ロボットとするものである。

本発明によると、線条体が産業用ロボットのアームに擦れることなく、かつロボット本体に引っかかることなく手首部の先端付近まで線条体を案内することができる。
また、中間部材を設けることで中間部材の一部を支点として屈曲半径が極小になることをより防止することができ、結果として中間部材や線条体の損耗や線条体の断線を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の産業用ロボットの手首部付近の平面図である。以下説明する手首部付近の線条体案内機構以外の構成は特許文献１に記載した本願出願人の発明と同等なので説明を省略する。なお、従来の産業用ロボットでは図５のように垂直多関節６軸のロボットを説明したが、７軸のロボットであっても本発明が適用できる。すなわち、上述した下部アームを上側下部アームと下側下部アームとから構成し、これら上側下部アームと下側下部アームとを互いに回転可能に接続することにより７軸のロボットとして構成できる。
図１において、図示しない上部アームに対して手首第１軸２８にて回転する手首基部２７に対し、垂直かつ手首第２軸１７に平行に固定部材２０を配置している。固定部材２０の先端には線条体１５を固定するクランプ１４を配置する。クランプ１４は、線条体軸心３０が手首第１軸２８に平行かつ手首第２軸１７の延長線上と交わるように配置される。固定部材２０は、クランプ１４と手首第２軸１７との間に、手首第２軸１７に平行でかつ延長すると手首第１軸２８と交わる位置に回転中心１１を持つ回転体１０を備える。回転中心１１は線条体軸心３０と交わり、かつ手首第２軸１７と平行である。回転体１０の回転中心１１の反対側に、手首第２軸１７に平行かつ手首軸２８に垂直な回転中心１３を持つ線条体保持器１２を備えている。線条体保持器１２は、回転中心１３で回転体１０に対して自在に回転できるし、回転中心１３と垂直かつ交わる方向に線条体１５の軸心が通るように線条体１５を保持しつつ、上記回転中心１１によって固定部材２０に対しても自在に回転できる。また、線条体保持器１２は、線条体１５を保持しつつも線条体１５をその軸心方向に自由に滑らせることができる。
手首基部２７の先端には手首第１軸２８に直交する手首第２軸１７回りに揺動する手首揺動体２６と、前記手首第２軸１７に直交する手首第３軸２５回りに回転する手首フランジ１６が備えられている。回転体１０および線条体保持器１２は、手首第２軸１７まわりに回転する手首揺動体２６に対して干渉しない程度の適切な離間距離を持つ。３１は、スポット溶接ガンであり、中間部材３２を介して手首フランジ１６に固定されたエンドエフェクタである。中間部材３２は手首フランジ１６に直接固定される第１のフランジ２２と、第１のフランジ２２に平行であって、所定の間隔を空けて配置されて、スポット溶接ガン３１を直接固定する第２のフランジ２１と、第１のフランジ２２と第２のフランジ２１を連結する接続部材２３ａ、２３ｂからなる。接続部材２３ａ、２３ｂは互いに平行にかつ、図３において、手首第２軸１７に対して左右対称に配置され、また、図１においては手首第３軸２５に対して一方に偏って（オフセット）配置されている。このように構成されているので、中間部材３２は図１においてコの字形状を成している。また、第２のフランジ２１には手首第３軸２５に対して垂直かつ第２のフランジ２１に平行な固定部材３３が固定されている。よって固定部材３３は、中間部材３２、手首フランジ１６と共に回転する。固定部材３３にはクランプ２４が固定される。クランプ２４は第２のフランジ２１から見て連結部材２３ａ、２３ｂの側に固定され、連結部材２３ａ、２３ｂに対して平行に線条体１５をクランプするように配置される。
以上の構成により、線条体１５はロボットの手首基部２７からクランプ１４を介して線条体保持器１２に案内され、次に中間部材３２において第１のフランジ２２と第２のフランジ２１と連結部材２３ａ、２３ｂの間を通り、クランプ２４にて固定される。さらにクランプ２４からエンドエフェクタであるスポット溶接ガン３１に導かれる。

次に、上記で説明した手首部の動作に伴う線条体１５の動きについて説明する。図３は本発明の産業用ロボットの動作を示した側面図である。なお、本発明では手首第１〜第３軸について、図１の状態を原点位置と定めている。すなわち、手首第１軸２８は手首第２軸１７が水平になるような位置にあるとき、手首第２軸１７は手首第３軸２５が手首第１軸２８と同軸となるような位置にあるとき、手首第３軸２５は中間部材３２の接続部材２３ａ、２３ｂが水平となるような位置にあるとき、をそれぞれ原点位置としている。
図３において（Ａ）は図１の正面図に相当する図であって、すなわち手首３軸が原点位置である状態を示す。（Ｂ）は（Ａ）の状態から手首第２軸１７が時計回りに９０度回転し、かつ手首第３軸２５が（Ａ）の状態から１８０度回転した位置を示す。（Ｃ）は（Ａ）の状態から手首第２軸１７が反時計回りに９０度回転し、かつ手首第３軸２５が（Ａ）の状態から１８０度回転した位置を示す。
原点位置（Ａ）においては、線条体１５は手首基部２７からクランプ１４及び線条体保持器１２を経て、若干の余裕（弛み）をもって中間部材３２にほぼ直線的に案内される。（Ｂ）または（Ｃ）においては、中間部材３２の位置に伴って線条体１５がクランプ１４に対して屈曲しようとするが、線条体保持器１２は固定部材１０の回転中心１１によって（Ａ）の状態から回転するため、線条体１５を中間部材３２に案内保持しつつも、線条体１５を極小に屈曲させることがない。またこのとき、線条体保持器１２は線条体１５の軸心しなり２９に倣って回転するので、線条体１５を極小に屈曲させることがより少ない。

さらに本発明では、回転体１０が回転中心１１において所定の位置にもどるような付勢手段を設ける場合がある。すなわち、手首部が図１や図３（Ａ）のように原点位置にある時、重力によって回転体１０が地面方向に垂れることによって、線条体１５に無理な張力が与えられることがあるため、この張力を緩和するために、回転体１０にバネあるいは弾性体を利用した付勢手段を設け、図３（Ａ）のように手首第１軸２８の回転位置によっては回転体１０が回転中心１１によって落下する方向に回転してしまうことを防止する付勢手段を設ける。この付勢手段は当然ながら、図３（Ｂ）のように、線条体１５が中間部材３２によって屈曲させられたり、引っ張られたりする状態の時に回転体１０を引っ張る力よりも弱い付勢力に設定する。このように構成すれば、線条体１５によって回転体１０にかかる力が弱い場合は、図３（Ａ）に示される原点位置に回転体１０が戻るように構成できる。

なお、以上の実施例では回転体１０および線条体保持器１２の回転は線条体１５の張力や上記付勢手段のバネなどの外力によって動く構成を説明したが、手首軸先端の位置にあわせて回転動作するように、回転中心１１、１３にサーボモータなどの回転型アクチュエータを取り付けることもできる。

このように本発明では、手首部において線条体１５が極小の曲げを受けない構成をしているので、線条体１５の断線につながるような小さな半径での曲げを抑制し、線条体１５の寿命を延ばすことができる。

本発明の実施例を示す産業用ロボットの手首部の平面図 従来の産業用ロボットの手首部の動作を示した側面図 本発明の実施例を示す産業用ロボットの手首部の動作を示した側面図 従来の産業用ロボットの上部アームの側面図 従来の産業用ロボットの全体側面図

符号の説明

１０ 回転体
１１ 回転中心
１２ 線条体保持器
１３ 回転中心
１４ クランプ
１５ 線条体
１６ 手首フランジ
１７ 手首第２軸
２０ 固定部材
２１ 第２のフランジ
２２ 第１のフランジ
２３ 接続部材
２４ クランプ
２５ 手首第３軸
２６ 手首揺動体
２７ 手首基部
２８ 手首第１軸
２９ しなり
３０ 線条体軸心
３１ スポット溶接ガン（エンドエフェクタ）
３２ 中間部材
３３ 固定部材

Claims (8)

1. アームの先端に支持され、前記アームの延在方向に沿った手首第１軸で回転可能な手首基部と、前記手首基部に支持され、前記手首第１軸に直交する手首第２軸で回転可能な手首揺動体と、前記手首揺動体に支持され、前記手首第２軸に直交する手首第３軸で回転可能な手首フランジと、から構成される手首部と、
   前記手首フランジの先端側に固定されるエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタに動力または信号または材料を供給する線条体と、を備え、
   前記線条体が前記手首基部から前記エンドエフェクタまで配設される産業用ロボットにおいて、
   前記手首基部に配置された固定部材に支持され、前記線条体を前記手首第１軸に沿って保持するクランプと、
   前記クランプよりも前記手首基部の先端側に位置し、前記手首第２軸と平行な第１の回転中心で回転可能な状態で前記固定部材に配置されることによって手首基部に支持された回転体と、
   前記第１の回転中心と平行な第２の回転中心で回転可能な状態で前記回転体に支持され、前記線条体を前記手首第１軸に沿って保持する線条体保持器と、を備え、
   前記線条体が、前記クランプで保持され、前記線条体保持器で保持され、前記エンドエフェクタへ配設され、
   前記回転体は、前記線条体保持器によって保持された前記線条体から前記手首第１軸までの距離が前記クランプによって保持された前記線条体から前記手首第１軸までの距離と同一となる状態で前記線条体保持器を支持すること
   を特徴とする産業用ロボット。
2. 前記第１の回転中心において前記回転体が前記手首基部に対して所定の位置に戻るよう付勢する付勢手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の産業用ロボット。
3. 前記線条体保持器は、前記線条体が前記線条体の軸心方向に摺動可能となるよう保持することを特徴とする請求項１または２記載の産業用ロボット。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の産業用ロボットにおいて、
   前記手首フランジと前記エンドエフェクタとの間に中間部材をさらに備え、
   前記中間部材が、前記手首フランジに固定される第１のフランジと、前記第１のフランジに平行であって所定の間隔を空けて配置され、前記エンドエフェクタを固定する第２のフランジと、前記第１のフランジと前記第２のフランジとを連結するように配置され、前記手首第３軸に対して左右に配置される第１および第２の接続部材と、からなり、
   前記線条体が、前記第１の接続部材と前記第２の接続部材と前記第１のフランジと前記第２のフランジとに囲まれた空間を通過して前記エンドエフェクタに接続されることを特徴とする産業用ロボット。
5. 前記第１の接続部材と前記第２の接続部材は、前記手首第３軸に対して一方に偏って配置されたことを特徴とする請求項４記載の産業用ロボット。
6. 前記第２のフランジに、前記線条体を保持する固定部材を設けたことを特徴とする請求項４または５記載の産業用ロボット。
7. 前記アームを上下に揺動可能に支持する下部アームと、前記下部アームを前後に揺動可能に支持するとともに固定部に対して垂直軸回りに回転可能な旋回部と、から構成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の産業用ロボット。
8. 前記下部アームが、上側下部アームと下側下部アームとからなり、前記上側下部アームと前記下側下部アームとが互いに回転可能に支持されたことを特徴とする請求項７記載の産業用ロボット。

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