JP5184602B2 - 多関節ロボット - Google Patents

Description

本発明は産業用の多関節ロボットに関する。

今日、６軸の垂直多関節ロボットの先端にアーク溶接用トーチを取り付けたアーク溶接ロボットは多くの産業分野で多用されている。この６軸垂直多関節ロボットは、基台の上で垂直軸回りに旋回する旋回ベース（基本第１軸）と前記旋回ベースに取り付けられて前後方向に揺動する下部アーム（基本第２軸）と前記下部アームの先端に取り付けられて上下方向に揺動する上部アーム（基本第３軸）と、前記上部アームの先端に取り付けられた３自由度を有する手首部（手首第１軸〜手首第３軸）を備えている。前記手首部の先端にアーク溶接用トーチを取り付ければ、アーク溶接用トーチは任意の位置で任意の姿勢を取れるので、自在にアーク溶接ができるのである。

図８は、従来のアーク溶接ロボットの側面図である。図において、３は下部アームであり、図示しない旋回ベースに軸支されて前後方向に揺動する。４は上部アームであり、下部アーム３の先端のＵ軸（紙面に垂直な軸である）回りに回転自在に軸支されて上下方向に揺動する。５は上部アームの先端に取り付けられた手首部である。手首部５は、上部アーム３の長さ方向に伸びるＲ軸回りに回転する胴体６と、前記胴体６の先端に軸支されてＲ軸に直交するＢ軸（紙面に垂直な軸である）回りに揺動する揺動体７と、前記揺動体７の先端にあってＢ軸に直交するＴ軸回りに回転する回転体８から構成されている。９は溶接トーチであり、トーチクランプ１０を介して回転部８に固定されている。１１は上部アーム２の上に固定されたワイヤ送給装置であり、図示しないワイヤ貯蔵装置（例えば、ワイヤリール）から溶接ワイヤを引き出して、溶接トーチ９に向けて押し出す装置である。１２は溶接トーチ９とワイヤ送給装置１１を結ぶコンジットケーブルである。コンジットケーブル１２は、溶接トーチ９に溶接ワイヤを送給するための保護管を中心にして、溶接電流供給用ケーブルやシールドガス供給用のホースを束ねたものである。

ところが、従来のアーク溶接ロボットは、揺動体７をＢ軸回りに揺動させて、溶接トーチ９を上部アーム４に対して上下に揺動させると、コンジットケーブル１２が屈曲して、溶接ワイヤの送給が阻害されるという問題があった。またコンジットケーブル１２に圧縮力がかかり坐屈するという問題があった。また、回転体８をＴ軸回りに回転させると、コンジットケーブル１２が手首部５や上部アーム４に巻き付くという問題もあった。これらの問題を改善するために、図８に示すようにコンジットケーブル１２を上部アーム４の上で大きくアーチを描くように架け渡して、前記アーチの変形によって、溶接トーチ９の動きを吸収していたが、大きなアーチを描いたコンジットケーブル１２がワークや周辺装置との干渉が発生するので、前記アーチをむやみに大きくすることもできず、完全な解決はできなかった。そこで、本発明は、ケーブル等と周辺機器との干渉をより抑制できるようにした多関節ロボットを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の多関節ロボットは、基台と、基台に設けられたアームと、アームに対して第１軸回りに回転するようにアームに連結される胴体底部と、第１軸の延長線上に胴体底部に設けられ、ケーブルを挿通可能な通過口と、胴体底部から第１軸の延長線に沿って延設された第１延在部と、第１延在部と間隙を有して並行して配設される第２延在部と、第１延在部及び／又は第２延在部の先端側に取り付けられて第１軸に直交する第２軸回りに揺動する揺動体と、揺動体の一部をなし、第１部分と第２部分とにより二股状に形成された二股部と、第２軸に直交する第３軸周りに回転するように揺動体に支持されケーブルが接続されるエンドエフェクタを保持可能な回転体と、揺動体に設けられ、第１部分と、第２部分との間からケーブルがはみ出すのを抑制する板状のケーブルサポートと、を有し、ケーブルは、可撓性を有する非コイル状のケーブルであることを特徴としている。

本発明によれば、揺動体あるいは回転体を大きく動作させてもケーブルが外に大きくはみ出して、ワークや周辺装置と干渉することを抑制することができる。また、揺動体を真上に振り上げた時に、ケーブルが上にはみ出すように変形することをケーブルサポートが抑制するという効果もある。

本発明の第１の実施例を示す産業用ロボットの側面図である。 図１に示した産業用ロボットの立体図である。 図１に示した産業用ロボットの上部アームの平断面図である。 中間軸の立体図である。 本発明の第２の実施例を示す産業用ロボットの手首部の側面図である。 図５に示した手首部の内部機構を示す平断面図である。 本発明の第３の実施例を示す産業用ロボットの手首部の三面図である。 従来技術を示す産業用ロボットの側面図である。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１は本発明の第１の実施例を示す産業用ロボットの側面図である。図において１は産業用ロボットの基台である。基台１の上には垂直軸（Ｓ軸）回りに旋回自在に旋回ベース２が取り付けられ、旋回ベース２には下部アーム３が水平軸（Ｌ軸）回りに軸支され、前後方向に揺動する。下部アーム３の上端には上部アーム４が水平軸（Ｕ軸）回りに軸支され、上下方向に揺動する。５は上部アーム４の先端に取り付けられた手首部である。手首部５は、上部アーム４の長さ方向の中心軸（Ｒ軸：手首第１軸）回りに回転自在に取り付けられた胴体６と、胴体６の先端でＲ軸に直交する軸（Ｂ軸：手首第２軸）回りに軸支されて揺動する揺動体７と、揺動体７の先端で回転軸（Ｔ軸：手首第３軸）回りに回転する回転体８からなる。

９は、回転体８に取り付けられた溶接トーチであり、１１は上部アーム４の後端に固定されたワイヤ送給装置である。ワイヤ送給装置１１には図示しないワイヤリールから溶接ワイヤが供給され、コンジットケーブル１２を通して溶接ワイヤを溶接トーチ９まで送給する。コンジットケーブル１２は上部アーム４の側面を、Ｒ軸に平行に伸びて、上部アーム４の側面に開口した進入口２１から上部アーム４の内部に引き込まれる。なお、上部アーム４の内部から溶接トーチ９に至るコンジットケーブル１２の経路は後述する。また、コンジットケーブル１２は、コイルバネを樹脂で被覆した保護チューブの中に通されて保護されている。

図２は図１に示した産業用ロボットの立体図である。手首部５の胴体６は、平面形において略Ｕ字形の二股状をなし、Ｒ軸に平行に伸びる２つの部材２２、２３を備えている。揺動体７は部材２２、２３に挟まれて、両持ちで支持されている。進入口２１から上部アーム４の中に入ったコンジットケーブル１２は、胴体６のＵ字形の底部２４に開口した通過口２５から再び外部にでて、部材２２と２３の間の空間を通って、揺動体７に伸びている。通過口２５はＲ軸を中心とする開口であり、コンジットケーブル１２は通過口２５から揺動体７に向けて、Ｒ軸に沿って（コンジットケーブル１２の中心とＲ軸が一致するように）配設される。

図３は図１に示した産業用ロボットの上部アーム４を図１のＡＡ'線で切断した平断面図である。図において、３１は上部アーム４の内部にその回転軸の中心をＲ軸に一致させて、つまりＲ軸と同心に取り付けられたモータであり、モータ３１は減速機３２、中間軸３３を介して手首部５の胴体６をＲ軸回りに回転駆動する。中間軸３３はベアリング３４とベアリング３５で上部アーム４に回転自在に支持されている。また中間軸３３は、ベアリング３４に支持されて減速機３２に連結される円輪部３６と、ベアリング３５に支持されて胴体６に連結される中空円筒部３７と、回転中心（Ｒ軸）からオフセットした位置で円輪部３６と中空円筒部３７を接続する接続部３８からなり、全体としてクランクシャフト状をなしている（図４参照）。

３９は機内配線である。機内配線３９は胴体６内に装備されて揺動体７および回転体８を駆動するモータ（後述）を駆動するための動力線であり、下部アーム３から上部アーム４の内部に引き込まれて、点３９ａで上部アーム４にクランプされる。機内配線３９は点３９ａから、Ｒ軸回りに円弧を描いて円環状部を形成して点３９ｂまで伸び、さらに点３９ｂから点３９ｃまでの間はＵ字状の折り曲げ部を形成し、点３９ｃから再びＲ軸回りに円環状部を形成して点３９ｄで中間軸３３の円輪部３６にクランプされる。なお、３９ａから３９ｄに至る機内配線３９の保持構造は、登録実用新案第２１１７５７６号（実公平７−３９５７５）として本願出願人が権利を保有している。

機内配線３９は点３９ｄから中間軸３３の接続部３８に沿って伸び（図示を省略したが、機内配線３９は接続部３８に適宜、固縛される）、中間軸３３の中空円筒部３７の中心（Ｒ軸）を避けて、前記中空部の外周に設けた溝を通って胴体６の中に入る。コンジットケーブル１２は、上部アーム４の側面に開口した進入口２１から上部アーム４の中に入り、中間軸３３の中空円筒部３７の中心の中空部と、胴体６の通過口２５を通って外部に出る。前期中空部と通過口はＲ軸を中心とする円筒であり、コンジットケーブル１２はＲ軸に沿って真っ直ぐ外部に引き出される。コンジットケーブル１２はＲ軸の中心にあって、機内配線３９はＲ軸の中心から離れた位置にあるので、胴体６がＲ軸まわりに回転するとき、機内配線３９はコンジットケーブル１２の回りを、衛星のように周回する。このため、機内配線３９とコンジットケーブル１２の干渉は生じない。ここで、中間軸３３をＲ軸回りに回転させた時の、コンジットケーブル１２と中間軸３３の接続部３８の干渉が問題になるが、コンジットケーブル１２が接続部３８に接触したときの多少の曲げは許容されるから、図示した位置から中間軸３３をＲ軸回りに±１８０°回転可能である。したがって、この干渉は実用上の問題にはならない。

図５は本発明の第２の実施例を示す産業用ロボットの手首部の側面図であり、説明の便宜のため、手首部５の胴体６の右側面のカバーを取り除いて、内部機構が見えるように描いている。図において、５１は揺動体７を駆動するモータであり、胴体６の内部に横向き、つまりＲ軸に対して直角、Ｂ軸に対して平行に取り付けられている。モータ５１の出力軸にはプーリ５２が取り付けられている。５３は揺動体７に連結される減速機であり、胴体６の先端に取り付けられている。減速機５３の入力軸にはプーリ５４が取り付けられ、プーリ５４とプーリ５２の間にはタイミングベルト５５が巻き掛けられている。つまりモータ５１の動力はベルトプーリ機構を介して減速機５３に伝えられて、揺動体７をＢ軸回りに回転駆動する。５６は回転体８を駆動するモータであり、モータ５１と同様に胴体６の内部に横向きに取り付けられている。モータ５６の動力は胴体６の左側（紙面の裏側）に配置される別のベルトプーリ機構（図示せず）を介して回転体８を駆動する。また、モータ５１とモータ５６はＲ軸の中心から下にオフセットした位置に取り付けられている。これはＲ軸に沿って延びるコンジットケーブル１２との干渉を避けるためである。

図６は、図５に示した産業用ロボットの手首部の先端の内部機構を示す平断面図であり、図６においては、揺動体７をＢ軸まわりに９０°回転させて、揺動体７を水平つまり、Ｒ軸とＴ軸が重なるような姿勢を取っている。なお、図５と共通する構成要素は同一の符号を付したので、説明を省略する。６１はベルトであり回転体駆動用モータ（図５のモータ５６に相当するが、図示していない）の動力をプーリ６２に伝える。プーリ６２には傘歯車６３が取り付けられている。６４は揺動体７にＴ軸に平行に軸支された伝動軸であり、伝動軸６４の両端には傘歯車６５、６６が取り付けられ、傘歯車６５は傘歯車６３と噛み合っている。６７は回転体８に取り付けられた傘歯車である。傘歯車６７は傘歯車６６と噛み合っている。このようにして前記回転体駆動用モータの動力は回転体８に伝えられる。回転体８には、Ｔ軸を中心とする円筒状の中空部があり、溶接トーチ９は前記中空部を貫通している。回転体８を貫通した溶接トーチ９の端部にはコンジットケーブル１２が接続されている。コンジットケーブル１２は二股状になった胴体６の部材２２、２３の間の空間に、Ｒ軸と同心に配設されている。また揺動体駆動用のベルトプーリ機構は部材２２の内部に、回転体駆動用のベルトプーリ機構は部材２３の内部にそれぞれ配置されている。

図７は本発明の本発明の第３の実施例を示す産業用ロボットの三面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は右側面図である。基本的な構成は図１から図６に示した第１および第２の実施例と同一なので、共通する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。揺動体７は、回転体８を支持する本体７ａと、本体７ａの左右（右側面で見て）にあって、第３軸（Ｔ軸）つまり回転体８の回転中心に平行に伸びる２つの部分７ｂ、７ｃを備えて二股状を成している。部分７ｂ、７ｃの先端は胴体６の左右の部材２２、２３にそれぞれ回転自在に支持され、揺動体７を両持ちで支持している。コンジットケーブル１２は、部材２２と部材２３の間の空間と部分７ａと７ｂの間の空間を通って回転体８に（さらにはその先に取り付けられる溶接トーチに）に延びている。１３は部分７ｂに固定されたケーブルサポートである。ケーブルサポート１３は部分７ｂと７ｃの間を塞ぐ板状の部材で、コンジットケーブル１２が部分７ｂと７ｃの間からはみ出すのを抑制する拘束片として機能する。また胴体６の部材２２と部材２３の間には、２つの間を連結する連結片１４があり、コンジットケーブル１２が胴体６の下に垂れ下がるのを抑制している。このように、コンジットケーブル１２の変形はケーブルサポート１３と連結片１４によって抑制されるので、揺動体７あるいは回転体８を大きく動作させてもコンジットケーブル１２が手首５の外に大きくはみ出して、ワークや周辺装置と干渉することがない。また、揺動体７を真上に振り上げた（図７に示す状態から１８０°揺動させた状態）時に、コンジットケーブル１２が胴体６の上にはみ出すように変形するが、ケーブルサポート１３はこの変形を押える効果もある。

以上説明した実施例は手首部５の揺動体７を胴体６の先端に両持ちで軸支したが片持ちで取り付けてもよい。つまり、図２に示した胴体６の２つの部材２２、２３のうちの一方の部材２３を取り除いて、揺動体６を部材２２に片持ちで支持する構造を選んでもよい。

また、実施例では、コンジットケーブル１２を上部アーム４の側面から上部アーム４の内部に引き入れたが、次の変形例１、変形例２のように構成すれば、コンジットケーブル１２を上部アームの後端から溶接トーチまで、Ｒ軸に沿って真っ直ぐ延ばすことができる。

（変形例１）モータ３１と減速機３２を反負荷側から負荷側まで貫通する中空部を備えたいわゆる中空軸モータおよび中空軸減速機にして、コンジットケーブル１２を上部アーム４の後端からモータ３１の中空軸と減速機３２の中空軸を通して、中間軸３３の中に、真っ直ぐ（Ｒ軸に沿って）延ばす。この時、ワイヤ送給装置１１は溶接ワイヤの送給方向がＲ軸に一致するように取り付けるとよい。この構造は上部アーム４の側面からコンジットケーブル１２を引き込むのに比べて、コンジットケーブル１２の曲がりが少ないので、溶接ワイヤの送給抵抗が小さくなるという効果が期待できる。

（変形例２）変形例１で用いた中空軸モータは高価なので、減速機３２だけを中空軸減速機にして、モータ３１をＲ軸に平行にオフセットして、ベルトプーリ機構で減速機３２と結合してもよい。この場合、コンジットケーブル１２は上部アーム４の後端からＲ軸に沿って上部アーム４の中に入って、モータ３１の横を通って、減速機３２の中空軸に入る。

また、実施例の説明においてアーク溶接用ロボットを取り上げたが、本発明はアーク溶接用ロボットに限られるものではなく。塗装、シーリング、研磨、ハンドリングなど、すべての用途に可能である。つまり、エンドエフェクタは塗装用スプレーガン、シーリング用ノズル、研磨工具あるいはメカニカルハンドなどであってもよいし、ケーブル等とは、塗料用ホース、シール材供給ホース、空気工具駆動用のエアホース、電動工具駆動用の動力線等であってもよい。なお、コンジットケーブル１２の配設状態を説明するのに、Ｒ軸と同心あるいはＲ軸と平行などの表現を用いたが、これらの表現は幾何学的な厳密さまで要求したものではない。本発明の目的効果を達成できる範囲で多少の幅（誤差）が許容されるのは言うまでもない。

１：基台、２：旋回ベース、３：下部アーム、４：上部アーム、５：手首部、６：胴体、７：揺動体、８：回転体、９：溶接トーチ、１０：トーチクランプ、１１：ワイヤ送給装置、１２：コンジットケーブル、１３：ケーブルサポート、１４：連結片２１：進入口、２２，２３：部材、２４：底部、２５：通過口、３１：モータ、３２：減速機、３３：中間軸、３４，３５：ベアリング３６：円輪部、３７：中空円筒部、３８：接続部、３９：機内配線、５１：モータ、５２：プーリ、５３：減速機、５４：プーリ、５５：ベルト、５６：モータ６１：ベルト、６２：プーリ、６３、６５、６６、６７：傘歯車、６４：伝動軸

Claims (1)

1. 基台と、
   前記基台に設けられたアームと、
   前記アームに対して第１軸回りに回転するように前記アームに連結される胴体底部と、
   前記第１軸の延長線上に前記胴体底部に設けられ、ケーブルを挿通可能な通過口と、
   前記胴体底部から前記第１軸の延長線に沿って延設された第１延在部と、
   前記第１延在部と間隙を有して並行して配設される第２延在部と、
   前記第１延在部及び／又は前記第２延在部の先端側に取り付けられて前記第１軸に直交する第２軸回りに揺動する揺動体と、
   前記揺動体の一部をなし、第１部分と第２部分とにより二股状に形成された二股部と、
   前記第２軸に直交する第３軸周りに回転するように前記揺動体に支持されケーブルが接続されるエンドエフェクタを保持可能な回転体と、
   前記揺動体に設けられ、前記第１部分と、前記第２部分との間から前記ケーブルがはみ出すのを抑制する板状のケーブルサポートと、
   を有し、
   前記ケーブルは、
   可撓性を有する非コイル状のケーブルであること
   を特徴とする、多関節ロボット。

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