JP5523429B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボット等のロボット装置に関する。

従来、産業用ロボット等のロボット装置の関節部分に用いられるケーブル処理装置としては、ケーブルが貫通する中空部を持つドーナツ状の円環と円板とを側面から見てコの字状に接続する柱部を持つクランク軸を用いて筐体内部にケーブルを通す構造が知られている（特許文献１参照）。

また、ケーブルの動き代を確保するためにアーム内でケーブルをＵ字状に引き回す技術が知られている（特許文献２参照）。

特公平０３−１７６３５号公報 特開２００３−１５９６８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるようなケーブル処理装置では、関節を動かす際にクランク軸が回転すると、ケーブルとクランク軸の柱部とが干渉するため、動作角度を広くとることができないという問題がある。動作角度を広げるためにクランク軸の柱部を細くすると関節部分の強度や剛性が低くなってしまう。

クランク軸と干渉したケーブルの逃げ代を設けるために、特許文献２に開示される発明のようにクランク軸の内部でケーブルをＵ字状に引き回すと、ケーブルを小さい曲率で曲げる必要が生じ、断線が発生する原因となってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、旋回筐体の旋回動作の動作角度を広くとることのできるロボット装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、旋回用の駆動源及び駆動源に接続されるクランク軸が内蔵される支持筐体と、クランク軸に接続されることにより支持筐体に対し旋回可能に支持される旋回筐体と、支持筐体と旋回筐体との間に固定されるケーブルとを備えるロボット装置において、旋回筐体に固定されてケーブルを旋回筐体にクランプする第１のクランプと、支持筐体に固定されてケーブルを支持筐体にクランプする第２のクランプと、を備え、クランク軸は、ケーブルが挿通される中空部を有し旋回筐体に連結される円環部と、旋回用の駆動源に連結される円板部と、円環部の一部と円板部の一部とを側面視コの字状に接続する柱部とを有し、旋回筐体は、クランク軸の柱部が第２のクランプに概ね対向した状態において旋回の動作角度が０度であり、ケーブルは、動作角度が０度の時に捻りのない状態となるように、第１及び第２のクランプで旋回筐体及び支持筐体に固定され、第２のクランプは、動作角度が０度の時の柱部の中心軸とクランク軸の回転軸とを含む基準面から、基準面と交差する方向にオフセットした位置に配置され、かつ、クランク軸の回転軸に対してケーブルを傾けて支持し、第１のクランプは、ケーブルを基準面内の位置で支持することを特徴とする。

本発明によれば、配線スペースの省スペース化及び動作角度の拡大を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態１の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態１の構成を示す断面図である。 図３は、ロボット装置に用いられるクランク軸の構成を示す図であるである。 図４は、クランプをオフセットさせた方向と逆方向に柱部が寄って旋回筐体が旋回して動作端まで回った状態を示す斜視図である。 図５は、旋回筐体を正回転させて動作端まで回した状態を示す図である。 図６は、クランプをオフセットさせた方向に柱部が寄って旋回筐体が旋回して動作端まで回った状態を示す斜視図である。 図７は、旋回筐体を逆回転させて動作端まで回した状態を示す図である。 図８は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態２の構成を示す断面図である。

以下に、本発明にかかるロボット装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態１の構成を示す斜視図である。図２は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態１の構成を示す断面図であり、図２（ａ）は正面側縦断面図、図２（ｂ）は側面側縦断面図、図２（ｃ）は柱部１４の部分での横断面図である。なお、構成の理解を容易とするために、図２（ａ）、（ｂ）ではケーブル４を切断することなく図示している。また、図２（ｃ）では旋回筐体３の位置を破線で図示している。ロボット装置１０は、支持筐体２と旋回筐体３との関節部分において、ケーブル４が関節の動きを妨げないように処理する装置である。支持筐体２は、床面などに固定されていても良いし、レール等に沿って昇降できるように設置されていても良い。クランク軸１は減速機５を介してモータ６の軸に連結されている。

図３は、ロボット装置１０に用いられるクランク軸１の構成を示す図である。クランク軸１はケーブル４が貫通する中空部１１を有するドーナツ状の円環部１２と、円板部１３と、これらを側面から見てコの字状に接続する柱部１４を備える。柱部１４の側面は所定半径の円弧状となるようにＲ加工が施されている。柱部１４の長さはケーブル４の直径よりも長くなっており、円板部１３と円環部１２との間でケーブル４が柱部１４に当接可能となっている。

クランク軸１は、減速機５を介してモータ６から受ける力を旋回筐体３に伝えるのに十分な剛性を確保できるのであればどのような材料で形成しても良く、一例として鉄、アルミニウム、樹脂材料を適用可能である。また、潤滑性を有する樹脂（ウレタンやナイロンなど）でクランク軸１の表面を覆うことにより、ケーブル４がクランク軸１と擦れて破損することを防止し、ケーブル４の高寿命化を図ることができる。クランク軸１の表面を樹脂材で覆う方法としては、クランク軸１に樹脂コーティングを施したり、樹脂成型品をクランク軸１に被せるなどの方法を適用可能である。

クランク軸１は、円環部１２及び円板部１３がベアリング７、８を介して支持筐体２によって支持される。クランク軸１の円環部１２は、旋回筐体３に連結される。

支持筐体２と旋回筐体３との関節部分では、ケーブル４は、円環部１２と円板部１３との間の空間を通り、中空部１１を貫通するように引き回される。

ケーブル４は、支持筐体２及び旋回筐体３にそれぞれ第２のクランプとしてのクランプ９ａ、第１のクランプとしてのクランプ９ｂによってクランプされており、クランプ箇所においてケーブル４の軸方向への移動及び捻りが規制されている。

円板部１３側のクランプ９ａは、動作角度が０度の時の柱部１４の中心軸とクランク軸１の回転軸とを含むＹＺ面（基準面）から、ＹＺ面と交差する＋Ｘ方向にオフセットされて設置されている。また、円板部１３側のクランプ９ａは、クランク軸１の軸方向（Ｚ方向）に対してＸＹ平面内で傾きを有するように設置されている。すなわち、円板部１３側のクランプ９ａにおけるケーブル４の軸方向とクランク軸１の軸方向とは「ねじれの位置」の関係にある。

モータ６は、旋回筐体３を所定の動作角度範囲（ここでは±１８０度とする）で旋回させるように制御される。

図４は、クランプ９ａをオフセットさせた方向と逆方向に柱部１４が寄って旋回筐体３が旋回（以下、正回転）して動作端まで回った状態を示す斜視図である。図５は、旋回筐体３を正回転させて動作端まで回した状態を示す図であり、図５（ａ）は正面側縦断面図、図５（ｂ）は柱部１４の部分での横断面図である。なお、構成の理解を容易とするために、図５（ａ）ではケーブル４を切断することなく図示している。また、図５（ｂ）では旋回筐体３の位置を破線で図示している。ケーブル４は円板部１３側のクランプ９ａをオフセットした方向（＋Ｘ方向）に柱部１４によって寄せられる。クランプ９ａとクランプ９ｂとの間のケーブル４は、柱部１４の脇を通って円環部１２と円板部１３との間に導かれて円環部１２を上下に貫通しており、ケーブル４は三次元空間で曲線を描くように湾曲する。旋回筐体３を正回転させた場合の動作端でのケーブル４の中心のＸ方向の位置は、円板部１３側のクランプ９ａと同じ位置となっている。円板部１３側のクランプ９ａは、ケーブル４が＋Ｘ方向に寄せる力を柱部１４から受ける部分とクランプ９ａとの間でのケーブル４の最小曲率半径が、許容曲率半径Ｒ以上となる高さに設置されている。

なお、ケーブル４は三次元空間で曲線を描くように湾曲するため、柱部１４の側面のＲ加工が施された部分の半径を許容曲率半径Ｒ以上とする（ＸＹ平面での最小曲率半径を許容曲率半径Ｒ以上とする）ことにより、三次元空間における最小曲率半径を確実に許容曲率半径Ｒ以上とすることができる。ただし、この場合にはクランプ間距離が長くなってロボット装置の小型化の妨げとなるため、装置の小型化を優先する場合には、三次元空間における最小曲率半径が許容曲率半径Ｒ以上となるように柱部１４の側面の半径を決定すればよい。すなわち、柱部１４の側面の半径が許容曲率半径Ｒ未満であっても、三次元空間におけるケーブル４の最小曲率半径が許容曲率半径Ｒ以上であればよい。

図６は、クランプ９ａをオフセットさせた方向に柱部１４が寄って旋回筐体３が旋回（以下、逆回転）して動作端まで回った状態を示す斜視図である。図７は、旋回筐体３を逆回転させて動作端まで回した状態を示す図であり、図７（ａ）は正面側縦断面図、図７（ｂ）は柱部１４の部分での横断面図である。ケーブル４は円板部１３側のクランプ９ａをオフセットした方向と逆方向（−Ｘ方向）に柱部１４によって寄せられる。クランプ９ａとクランプ９ｂとの間のケーブル４は、柱部１４の脇を通って円環部１２と円板部１３との間へ導かれ、円環部１２を上下に貫通しており、ケーブル４は三次元空間で曲線を描くように湾曲する。旋回筐体３を逆回転させた場合の動作端でのケーブル４の中心のＸＺ平面上での位置は、クランプ９ａによってクランプされたケーブル４の延長線上に位置している。

円環部１２側のクランプ９ｂは、旋回筐体３の軸から外れた部分でケーブル４をクランプしている。

許容曲率半径の算出方法について説明する。クランク軸１が回転することにより円板部１３側のクランプ９ａと円環部１２側のクランプ９ｂとの間のケーブル４には捻り方向の力が作用する。また、図４〜図７に示したように、クランク軸１が回転すると、ケーブル４は三次元空間で曲線を描くように湾曲するため、ケーブル４には曲げ方向の力が作用する。すなわち、クランク軸１が回転することによりケーブル４には曲げ力と捻り力との合力が作用する。したがって、ケーブル４に捻りが加わった状態でのケーブル４の最小曲率半径が許容曲率半径Ｒ以上とする必要がある。ケーブル４の捻り及び曲げを考慮した許容曲率半径Ｒ［ｍｍ］は、下記の数式によって求めることができる。

上記式において、Ｒａは、ケーブル４の耐久性と希望する寿命（曲げ回数）とによって決まる定数である。θａは、ケーブル４の耐久性と希望する寿命（捻り回数）とによって定まる定数である。θは、正回転側の動作端での動作角度と逆回転側の動作端での動作角度の絶対値との和であり、本実施の形態では３６０度となる。Ｃは、ケーブル４の種類によって０〜１の間の値をとる定数である。汎用のロボット用の屈曲ケーブルではＣの値は約０．５である。

三次元空間でのケーブル４の最小曲率半径を許容曲率半径Ｒ以上とすることにより、旋回筐体３の旋回に伴ってクランク軸１が回転した際にケーブル４が破断することを防止できる。

本実施の形態においては、クランク軸１の柱部１４に巻き付くようにケーブル４が動くため、配線スペースの省スペース化及び動作角度の拡大を実現できる。

なお、以上の説明においては、旋回筐体の軸から外れた部分に円環部側のクランプを設置する構成を例としたが、ケーブルの捻れ量を許容範囲以下に納めることができるのであれば、円環部側のクランプは旋回筐体の軸の部分に設置しても良い。ただし、本実施形態のロボット装置は、動作角度が広いためにケーブルの最大捻れ量のその分大きくなる。よって、円環部側のクランプは旋回筐体の軸から外れた部分に設けた方が、ケーブルの捻れ量を許容範囲以下に抑えるクランプ間距離を確保することが容易である。

また、上記の例では動作端での旋回筐体の動作角度は±１８０度であるが、動作端での旋回筐体の動作角度はこれ以上でも以下でも良い。なお、旋回筐体の動作角度を±１８０度よりも狭い範囲とする場合には、動作端において支持筐体に当接してそれ以上の回転を妨げるようにクランク軸に突起を設けることで、旋回筐体の動作角度を規定することも可能である。また、正回転側の動作端でのケーブルの位置と逆回転側の動作端でのケーブルの位置とが一致する（正逆回転時の動作端でのケーブルの中心がＹＺ平面上に位置する）場合、クランプ９ａのオフセット量及び取付角度は０となるが、旋回筐体の旋回範囲をこの場合よりも狭くする際には、正逆回転時の動作端でのケーブルの中心がＹＺ平面上に位置する場合と同様にオフセット量及び取付角度は０とすればよい。

実施の形態２．
図８は、本発明にかかるロボット装置の実施の形態２の構成を示す断面図である。二つのケーブル処理装置１０_１、１０_２をクランク軸１_１、１_２の円環部１２_１、１２_２側で向かい合わせることにより、支持筐体２_２に連結されたアーム２０を二つの回転軸を用いて動かすことができる構造となっている。ケーブル処理装置１０_１、１０_２の各々の単独での構成は、実施の形態１のロボット装置１０とほぼ同様であるが、円環部１２_１、１２_２側のクランプ９ｃがケーブル処理装置１０_１、１０_２で共有される点が異なっている。支持筐体２_１は、床面などに固定されていても良いし、レール等に沿って昇降できるように設置されていても良い。

二つのケーブル処理装置でクランプを共有する構造のロボット装置とすることにより、部品点数を削減できるとともに、ケーブルを引き回す際のクランプ作業の工数を減らすことができる。

以上のように、本発明にかかるロボット装置は、旋回筐体の動作角度を広く取れる点で有用であり、特に、産業用ロボットの関節部分へ組み込むのに適している。

１、１_１、１_２ クランク軸
２、２_１、２_２ 支持筐体
３ 旋回筐体
４ ケーブル
５ 減速機
６ モータ
７、８ ベアリング
９ａ、９ｂ、９ｃ クランプ
１０ ロボット装置
１０_１、１０_２ ケーブル処理装置
１１ 中空部
１２、１２_１、１２_２ 円環部
１３ 円板部
１４ 柱部
２０ アーム

Claims (5)

1. 旋回用の駆動源及び該駆動源に接続されるクランク軸が内蔵される支持筐体と、前記クランク軸に接続されることにより前記支持筐体に対し旋回可能に支持される旋回筐体と、前記支持筐体と前記旋回筐体との間に固定されるケーブルとを備えるロボット装置において、
   前記旋回筐体に固定されて前記ケーブルを前記旋回筐体にクランプする第１のクランプと、
   前記支持筐体に固定されて前記ケーブルを前記支持筐体にクランプする第２のクランプと、
   を備え、
   前記クランク軸は、前記ケーブルが挿通される中空部を有し前記旋回筐体に連結される円環部と、前記旋回用の駆動源に連結される円板部と、前記円環部の一部と前記円板部の一部とを側面視コの字状に接続する柱部とを有し、
   前記旋回筐体は、前記クランク軸の柱部が前記第２のクランプに概ね対向した状態において旋回の動作角度が０度であり、
   前記ケーブルは、前記動作角度が０度の時に捻りのない状態となるように、前記第１及び第２のクランプで前記旋回筐体及び前記支持筐体に固定され、
   前記第２のクランプは、前記動作角度が０度の時の前記柱部の中心軸と前記クランク軸の回転軸とを含む基準面から、該基準面と交差する方向にオフセットした位置に配置され、かつ、前記クランク軸の回転軸に対して前記ケーブルを傾けて支持し、
   前記第１のクランプは、前記ケーブルを前記基準面内の位置で支持することを特徴とするロボット装置。
2. 前記第２のクランプのオフセット量は、前記第２のクランプをオフセットした方向と逆方向に前記柱部が寄って前記旋回筐体が旋回する正回転時の動作端において前記柱部の側面と接する前記ケーブルの中心と前記基準面との距離と同じであり、
   前記第２のクランプによってクランプされた前記ケーブルが前記クランク軸の回転軸に対してなす角度は、前記第２のクランプをオフセットした方向に前記柱部が寄って前記旋回筐体が旋回する逆回転時の動作端において前記柱部の側面と接する前記ケーブルの中心が、前記第２のクランプにクランプされた前記ケーブルの延長線上に位置する角度であることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記クランク軸の側面にＲ加工が施されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット装置。
4. 前記逆回転時の動作端において、前記ケーブルの最小曲率半径が許容曲げ半径以上となる高さで前記第２のクランプが前記支持筐体に設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロボット装置。
5. 前記クランク軸の表面が潤滑性を有する樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロボット装置。

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