JP5487840B2

JP5487840B2 - ロボットのストッパ装置

Info

Publication number: JP5487840B2
Application number: JP2009217256A
Authority: JP
Inventors: 卓郎坊野
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: JP2011062795A

Description

本発明は、アームの３６０度以上の回転を許容し許容範囲を超える回転に対しては強制的に停止させるロボットのストッパ装置に関する。

例えば、多関節型ロボットでは、複数のアームが回転関節によって連結されており、各アームは、関節を中心にして回転（旋回）するようになっている。各アームには予め可動範囲が設定されており、通常は、駆動源であるモータの回転数制御によって可動範囲内での回転動作に規制されるのであるが、何らかの原因でアームが可動範囲を超えて回転しようとした場合、その回転を機械的に阻止するために、ストッパ装置が設けられている（例えば特許文献１）。

上記特許文献１のストッパ装置は、一のアームと、このアームに回動可能に支持された他のアームのうち、一のアームにストッパ用ボルトを固定し、他のアームに衝当部材をボルトによって固定し、他のアームが可動範囲を超えて回転しようとしたとき、衝当部材がストッパ用ボルトに衝突することによって当該他のアームがそれ以上回動しないように規制するという構成のものである。

ところで、アームを３６０度以上回転させたい場合がある。この場合、３６０度以上の角度範囲でアームを機械的に停止させることが必要であるが、特許文献１の構成では、３６０度未満の角度範囲となってしまう。
３６０度以上の角度範囲で回転体の回転を規制できるストッパ装置もある。特許文献２に記載されたストッパ装置は、回転軸を支持する本体に、広幅の円弧状溝と、この広幅の円弧状溝の両端に連なる狭幅の円弧状溝とを設け、広幅の円弧状溝内に当該広幅の円弧状溝内でのみ往復移動可能なボールを設けると共に、回転軸側に、回転軸の回転に伴って広幅の円弧状溝と狭幅の円弧状溝の内側を移動可能なストッパピンを設けている。このものでは、回転軸の一方向の回転によりストッパピンが広幅の円弧状溝の一端部に係止されたボールに当たった位置から、回転軸が他方向に回転すると、ストッパピンが幅広の円弧状溝の一端部に位置するボールに当たるが、その後、ボールが広幅の円弧状溝の他端部に係止されるまで回転するので、結局、回転軸としては３６０度以上の回転が可能になるというものである。

また、特許文献３に記載されたストッパ装置は、回転部と固定部にそれぞれ円弧状の凹溝を形成し、回転部と固定部との間にピンを起立状態に位置させて当該ピンの一端部を回転部の凹溝に遊動可能に係合させると共に他端部を固定部の凹溝に遊動可能に嵌合させた構成のものである。このものでは、２つの凹溝の形成範囲が角度にして２７０度とした場合、回転部の凹溝の一端部がピンに当接しピンが固定部の一端部に当接した状態から、回転軸の凹部の他端部がピンに当接しピンが固定部の他端部に当接するまでの範囲で回転可能であるから、回転部は１回転以上、具体的には５４０度に近い角度での回転が可能となるものである。

特開２００７−５０４９９号公報実公平６−３０３８５号公報特開平８−２５２７３４号公報（段落「００２７」〜「００３１および図６〜図９参照）

しかしながら、特許文献２のものでは、ボールは広幅の円弧状溝内で自由に移動できる。このため、ボールは、常に広幅の円弧状溝の一端部または他端部に係止された位置でストッパピンが来るのを待っているわけではなく、広幅の円弧状溝の途中にある場合が通常と考えられるので、回転体の回転途中でストッパピンがボールに衝突することがある。すると、その衝突時に衝突音を発する
特許文献３のものも同様に、ピンは、固定部の凹溝の一端部または他端部に当接した位置にあって回転部の凹溝の一端部または他端部が来るのを待っているわけではないので、回転部の回転途中で当該回転部の凹溝の一端部または他端部がピンに衝突することがあり、衝突音を発することがある。

このように特許文献２，３の構成では、回転体或は回転部が可動範囲を超えなくても、その回転途中でボール或はピンに衝突することがあり、その衝突時には衝突音を発する。ロボットの場合、アームは比較的高速度で回転動作し、しかも、連続動作時間が長く、何回も往復動作が繰り返されるので、衝突音が頻繁に発生し、その衝突音に煩わされることになる。

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、アームの３６０度以上の回転範囲を確保することができると共に、アームが回転範囲内で回転する限りにおいては衝突音の発生の恐れがないロボットのストッパ装置を提供することにある。

本発明によれば、支持部の第１の円弧状溝とアームの第２の円弧状溝とに跨って転動体が設けられているので、アームは、転動体が第１の円弧状溝の一端部と第２の円弧状溝の一端部とに挟まれた位置から第１の円弧状溝の他端部と第２の円弧状溝の他端部とに挟まれた位置となるまでの間で回転可能である。そして、第１の円弧状溝および第２の円弧状溝が共に１８０度を超える角度範囲にわたって形成されているので、アームは３６０度以上の範囲で回転可能となる。しかも、転動体は予圧手段により第１の円弧状溝および前記第２の円弧状溝の両底部に押し付けられているので、自由に転動することが防止される。このため、アームの第２の円弧状溝の端部がボールに当接する時期と、転動体が支持部の第１の円弧状溝の端部に当接する時期とが一致するので、アームが回転許容範囲内で回転しているとき、第１の円弧状凹溝の端部が転動体に衝突することがなく、衝突音を発することがない。

本発明の第１の実施形態を示す要部の縦断面図円弧状溝を示す斜視図要部の部分的な断面図作用説明用の図その１で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その２で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その３で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その４で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その５で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その６で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その７で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図作用説明用の図その８で、（ａ）は平面図、（ｂ）は展開した断面図ロボットの斜視図本発明の第２の実施形態を示す断面図本発明の第３の実施形態を示す断面図

以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図１２を参照しながら説明する。図１２には、産業用ロボット１が示されている。この産業用ロボット１は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットからなるもので、ベース２と、このベース２に水平方向に旋回可能に支持されたショルダ３と、このショルダ３に上下方向に旋回可能に支持された下アーム４と、この下アーム４に上下方向に旋回可能に支持された第１の上アーム５と、この第１の上アーム５の先端部に捻り回転可能に支持された第２の上アーム６と、この第２の上アーム６に上下方向に回転可能に支持された手首７と、この手首７に回転（捻り動作）可能に支持されたフランジ８とから構成されている。上記ベース２、ショルダ３、下アーム４、第１の上アーム５、第２の上アーム６、手首７、フランジ８は、ロボットにおけるアームとして機能し、ベース２を除く各アーム３〜８は、下段のアームに対し回転関節によって順次回転可能に連結されている。

図１には、ベース２上にショルダ３を軸受、例えばクロスローラベアリング９によって回転可能に支持するショルダ３の回転関節が示されている。このショルダ３の回転関節につき詳述するに、まず、上記クロスローラベアリング９は、外輪１０と内輪１１との間に複数個のローラ１２を互いに直交するように向きを交互に違えて配列してなる。なお、外輪１０は２個のリング状部材１０ａ，１０ｂをボルト１３により結合して構成されている。

このクロスローラベアリング９に対し、ベース２の上面部には支持部としての受け座１４が設けられており、この受け座１４の上面に位置決め用のリング状突部１４ａが形成されていると共に、リング状突部１４ａの内側に円筒状突部１４ｂがリング状突部１４ａと同心となるように突設されている。そして、クロスローラベアリング９は、外輪１０をリング状突部１４ａの内側に嵌合することによって受け座１４上に位置決め状態に配置され、この位置決め状態の下で外輪１０がボルト１５により受け座１４に固定されている。なお、外輪１０と受け座１４の上面および円筒状突部１４ｂの外周面との間には隙間が存在しており、この隙間により外輪１０が受け座１４に接触しないようになっている。

一方、ショルダ３の下面部には、回転基部１６が設けられており、この回転基部１６の下面部には、円筒状の位置決め突部１６ａが突設されている。そして、回転基部１６は、位置決め突部１６ａをクロスローラベアリング９の内輪１１の内周面に嵌合することによって内輪１１上に位置決め状態に配置され、この位置決め状態の下で回転基部１６がボルト１７によって内輪１１に固定されている。なお、回転基部１６とクロスローラベアリング９の外輪１０との間には隙間が存在しており、この隙間により回転基部１６が外輪１０に接触しないようになっている。

ショルダ３は以上のような回転関節によりベース２上に回転可能に支持されている。そして、図示はしないが、ベース２内には、モータ、このモータの回転を減速する減速装置が設けられ、そして、減速装置の出力部が受け座１４の円筒状突部１４ｂ内および回転基部１６の筒状の位置決め突部１６ａ内を通じてショルダ３内へ導入され、当該ショルダ３に連結される。これにより、モータの回転が減速装置により減速されて回転基部１６に伝達され、ショルダ３が回転（旋回）する。

ショルダ３（回転基部１６）は、３６０度（１回転）を越え、７２０度（２回転）未満の所定の角度範囲で回転可能となっている。そして、ショルダ３がこの回転可能範囲（回転許容範囲）を超えて回転しようとした場合には、その回転がストッパ装置１８により強制的に停止されるようになっている。

上記ストッパ装置１８は、受け座１４および回転基部１６の互いに対向する部分に形成された第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０、転動体としてのボール２１を備えて構成されている。即ち、受け座１４の円筒状突部１４ｂの上端面と回転基部１６の位置決め突部１６ａの下端面とは、内輪１１内において、僅かな隙間を存して互いに対向している。そして、前記第１の円弧状溝１９は、受け座１４の円筒状突部１４ｂの上端面に、ショルダ３の回転基部１６の回転中心軸線Ｓと同心に、所定の角度範囲、例えば、約３１５度の角度範囲にわたって形成されている。また、前記第２の円弧状溝２０は、回転基部１６の位置決め突部１６ａの下端面に、当該回転基部１６の回転中心軸線Ｓと同心に、第１の円弧状溝１９と同径且つ同一深さで、同一の角度範囲（約３１５度の角度範囲）にわたって形成されている。このような第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０は、図２に示すように、共にＣ字状（有端の円弧状）をなし、同一の円弧長を有している。

前記ボール２１は、第１の円弧状溝１９と第２の円弧状溝２０とに跨って１個だけ配設され、ショルダ３（回転基部１６）の回転に伴って第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０内を転動する。このボール２１には、予圧が与えられている。この予圧は、円筒状突部１４ｂと位置決め突部１６ａとの間の隙間寸法Ｇ（図３に示す）と、第１の円弧状溝１９の深さ寸法Ｆと、第２の円弧状溝２０の深さ寸法Ｆとの合計を、ボール２１の直径Ｄよりも若干小さくすることによって付与しており、ボール２１の直径Ｄより小さくする程度によって予圧の大きさを変えることができる。

この予圧が与えられたボール２１は、第１の円弧状溝１９の底面および第２の円弧状溝２０の底部に押し付けられ、それらの底部との摩擦によって自由な転動が防止される。この自由に転動しないように拘束されたボール２１は、回転基部１６が回転したとき、回転基部１６の回転角度に応じた距離だけ移動する。つまり、回転基部１６がある角度回転し、これにより、第２の円弧状溝２０が静止している第１の円弧状溝１９に対して長さＬだけ移動したとすると、ボール２１は第１の円弧状溝１９に対して第２の円弧状溝２０の移動長さＬの半分の長さＬ／２だけ移動する。

ここで、図３に示すように、第１の円弧状溝１９の底面および第２の円弧状溝２０の溝幅をＷとしたとき、その溝幅Ｗは、Ｄ＞Ｗ＞２［（Ｄ／２）^２−（Ｄ／２−Ｆ）］^１／２に定める。特には、２［（Ｄ／２）^２−（Ｄ／２−Ｆ）］^１／２より若干大きく定めることにより、ボール２１が余り溝幅方向に動かないようにすることができる。

ショルダ３（回転基部１６）の回転角度は、前述のように３６０度を越え、７２０度未満の所定の角度範囲で回転可能、具体的には、６３０度の角度範囲で回転可能となっている。なお、ショルダ３の回転角度が６３０度であるのに対し、第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０が形成されている角度範囲を正確に３１５度と述べず、約３１５度としたが、これは、ボール２１収容分だけ余分に形成しないと、ショルダ３の回転角度範囲が６３０度とならないので、この「約」はボール２１が占める分を見込んだ角度範囲で形成されていることを意味しているものである。

従って、ショルダ３を３６０度以上回転させるには、ボール２１の大きさ（直径）を第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の角度に換算したとき、この換算した角度値を、第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の形成角度から減じた角度範囲が１８０度以上となるようにすれば良い。勿論、ショルダ３を３６０度を越えた角度回転させるには、ボール２１の大きさを上記のように角度換算した角度値を、第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の形成角度から減じた角度範囲が１８０度を越えるようにするものである。

ここで、ショルダ３の６３０度の回転に伴うストッパ装置１８の動作を説明する。なお、以下では、ショルダ３の回転を回転基部１６の回転として説明する。回転基部１６が回転角０度の位置にあるとき、図４に示すように、ボール２１が受け座１４の第１の円弧状溝１９の一端１９ａに当接しており、このボール２１に回転基部１６の第２の円弧状溝２０の一端２０ａが当接している。この回転角０度の位置から回転基部１６が図４に矢印Ａで示す時計回り方向に回転し始めたとする。すると、この回転基部１６の回転に伴ってボール２１も第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０内で自転しながら第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の円弧に沿って移動（公転）する。このときのボール２１の移動量は、常に、第２の円弧状溝２０の第１の円弧状溝１９に対する移動量の半分となる。以下では、第２の円弧状溝２０の移動量およびボール２１の移動量を角度で表すこととする。

さて、ボール２１の移動量は第２の円弧状溝２０の移動量の半分となるから、回転基部１６が回転角０度の位置から時計回り方向に９０度回転すると、ボール２１は図５に示すように４５度だけ時計回り方向に移動する。以下、同様に、回転基部１６が回転角０度の位置から時計回り方向に１８０度、２７０度、３６０度、４５０度、５４０度、６３０度と回転すると、ボール２１は図６〜図１１に示すようにそれぞれ９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度だけ時計回り方向に移動する。そして、回転基部１６が６３０度だけ時計回り方向に回転したところで、図１１に示すように、ボール２１が第１の円弧状溝１９の他端１９ｂに当接すると同時に第２の円弧状溝２０の他端２０ｂがボール２１に当接する。

回転基部１６が３１５度の回転位置から反時計回り方向に回転すると、ボール２１は、上述したとは逆に、第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の底面に対して滑ることなく回転して第１の円弧状溝１９内を反時計回り方向に移動する。そして、回転基部１６が回転位置０度に戻ると、図４に示すように、ボール２１が第１の円弧状溝１９の一端１９ａに当接すると同時に第２の円弧状溝２０の一端２０ａがボール２１に当接する。

このように、回転基部１６が０度の回転位置と６３０度の回転位置との間で回転する場合には、ボール２１は０度の回転位置と３１５度の回転位置との間で移動する。この移動時、ボール２１は第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の底部に対して滑ることがないので、第２の円弧状溝２０の一端および他端は、回転基部１６が０度の回転位置および６３０度の回転位置に回転したときにだけボール２１に当たることになる。しかしながら、通常は、回転基部１６の回転角度範囲は、０度よりも大きく６３０度よりも小さい角度範囲に定められるので、その角度範囲内で回転基部１６（ショルダ３）が回転する限り第２の円弧状溝２０の一端および他端がボール２１に衝突することはない。従って、産業用ロボット１の運転時にボール２１への衝突音を発生することがなく、低騒音運転が可能となる。

ところで、何等かの原因で、回転基部１６が回転許容範囲である０度或は６３０度の回転位置を越えて更に回転しようとすることがある。すると、回転基部１６が０度或は６３０度の回転位置に至ると、同時に、第２の円弧状溝２０の一端２０ａ或は他端２０ｂが第１の円弧状溝１９の一端１９ａ或は他端１９ｂに当たって移動を止められたボール２１に当たる。このため、回転基部１６が０度或は６３０度の回転位置を越えて回転することはなく、０度或は６３０度の位置で止められるようになる。

このように本実施形態によれば、回転基部１６が回転許容範囲として定められた０度および６３０度の回転位置を越えて回転しようとした場合には、ボール２１に衝突することによって回転基部１６のそれ以上の回転を止めることができる。しかも、回転基部１６が回転許容範囲内において設定された回転角度範囲で回転している限り、ボール２１への衝突音を発生する恐れがなく、低騒音で産業用ロボット１を動かすことができる。

図１３は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の底部にゴム板などの弾性板２２を接着などによって固定し、この弾性板２２の弾性によりボール２１に予圧を付与、つまりボール２１が第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の底部に押し付けられるようにしたものである。

図１４は本発明の第３の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、ボール２１に替えてローラ２３を用いたところにある。この場合、ローラ２３は第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の内周側から外周側に向かって次第に径大となるテーパ状をなすもので、これにより、転動時の内周側と外周側との間で生ずる移動距離の差を吸収するようにしている。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
第１の円弧状溝１９および第２の円弧状溝２０の断面形状はコ字形に限られず、ボール２１よりも径大な円形のものであっても良い。
ショルダ３のストッパ装置１８に限られず、３６０度以上の回転角度を必要とする他のアームのストッパ装置に適用しても良い。

図面中、２はベース、３はショルダ（アーム）、９はクロスローラベアリング、１０は外輪、１１は内輪、１４は受け座（支持部）、１６は回転基部、１８はストッパ装置、１９は第１の円弧状溝、２０は第２の円弧状溝、２１はボール（転動体）、２２は弾性板、２３はローラを示す。

Claims

支持部に回転可能に支持されたアームの回転を一定の範囲に制限するロボットのストッパ装置において、
前記支持部の前記アームと対向する部分に、前記アームの回転中心軸線と同心に、１８０度を超える角度範囲にわたって形成されたＣ字状の第１の円弧状溝と、
前記アームの前記支持部と対向する部分に、前記アームの回転中心軸線と同心に、前記第１の円弧状溝と同径で且つ同一の角度範囲にわたって形成された第２の円弧状溝と、
前記第１の円弧状溝内と前記第２の円弧状溝内とに跨って設けられ前記アームの回転に伴って転動する１個の転動体と、
前記転動体を前記第１の円弧状溝および前記第２の円弧状溝の両底部に押し付ける予圧手段と、
を備えてなるロボットのストッパ装置。