JP5573987B1 - 関節機構およびロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】メンテナンス性を向上させることができる、ケーブル内蔵可能な関節機構およびロボットを提供する。
【解決手段】モータ部と減速機部とを有する第1ユニットと、ブレーキ部とエンコーダ部とを有する第2ユニットと、第1ユニットと第2ユニットとを接続する動力伝達部とを備える。第1ユニットは、モータ部と減速機部とが、第1の軸に同軸配置される。第2ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、第1の軸とは分離独立した第2の軸に同軸配置される。
【選択図】図3B
【解決手段】モータ部と減速機部とを有する第1ユニットと、ブレーキ部とエンコーダ部とを有する第2ユニットと、第1ユニットと第2ユニットとを接続する動力伝達部とを備える。第1ユニットは、モータ部と減速機部とが、第1の軸に同軸配置される。第2ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、第1の軸とは分離独立した第2の軸に同軸配置される。
【選択図】図3B
Description
開示の実施形態は、関節機構およびロボットに関する。
従来、たとえばロボットのリンク間に設けられる関節機構として、減速機、モータ、ブレーキおよびエンコーダを、共通の軸に直列的に同軸配置したものがある(たとえば、特許文献1を参照)。
しかしながら、上述した従来の構成では、減速機とモータのみでなく、前記ブレーキと前記エンコーダも中央部を中空にして、内部にケーブル等を通しているので、単体で交換ができず、交換をするときには、一度関節内のケーブルを取り外した後、関節機構をすべて取り外さなければならなかった。したがって、メンテナンス性の向上が望まれていた。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、ケーブル内蔵を可能としたうえで、メンテナンス性を向上させることができる関節機構およびロボットを提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る関節機構は、第1ユニットと、第2ユニットと、動力伝達部とを備える。第1ユニットは、モータ部と減速機部とが、第1の軸に同軸配置される。第2ユニットは、ブレーキ部とエンコーダ部とが、前記第1の軸とは分離独立した第2の軸に同軸配置され、前記第1ユニットに対して着脱自在である。動力伝達部は、前記第1ユニットと前記第2ユニットとを接続する。
実施形態の一態様によれば、アームなどの内部にケーブル類を通した状態であっても、ブレーキ部やエンコーダ部を単体で取り外すことができ、メンテナンス性を向上させることができる。また、第1ユニットと第2ユニットとの組合せによる関節機構の設計自由度が高まる。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する関節機構およびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
先ず、本実施形態に係るロボット1の概要について、図1を用いて説明する。図1は、実施形態に係るロボット1を示す図である。なお、以下の説明では、ロボット1の設置面(水平面)に互いに直交するX軸およびY軸を定義し、設置面の法線方向にZ軸を定義して説明する。
本実施形態に係るロボット1は、いわゆる多関節ロボットであり、図示するように、基台11上に設けられた胴部12と、この胴部12に連結されたアーム部13と、アーム部13の先端に設けられたリスト部14とを備える。
基台11は、設置面に座部11aを介して固定されている。かかる基台11上に、胴部12は垂直軸(不図示)の周りに水平方向へ回動自在に設けられる。なお、この胴部12は、モータ部20の駆動により水平回転する。
かかる胴部12に連結されたアーム部13は、複数のリンクとしての第1アーム131と第2アーム132とが、それぞれ、関節部を介して回動自在に連結されて構成される。
すなわち、第1アーム131は、胴部12上に、第1関節部2aを介して前後方向(Y方向)に揺動自在に連結される。また、第2アーム132は、第1アーム131の先端部に、第2関節部2bを介して上下方向(Z方向)に揺動自在に連結される。また、第1アーム131を揺動させる第1関節部2aは第1モータ部21を、第2アーム132を揺動させる第2関節部2bは第2モータ部22を備える。
リスト部14は、これも複数のリンクとしての第1リスト141と第2リスト142とが、それぞれ、後述する関節機構3を備えた関節部を介して回動自在に連結されて構成される。すなわち、本実施形態に係るロボット1は、関節機構3により連結された一対のリンクを備える構造を有する。
ここで、図2A〜図6を参照しながら、リスト部14が備える関節部の関節機構3について、具体的に説明する。図2Aは、リスト部14が備える関節部の関節機構3を示す図、図2Bは、図2AのII−II線における断面視による説明図である。図3Aは、関節機構3の1例を示す図、図3Bは、同関節機構3の第1ユニット4と第2ユニット5とを分離した状態を示す図である。また、図4は、第1ユニット4と第2ユニット5の位置関係を示す図、図5は、関節機構3の動力伝達部を示す図3AのV−V断面図である。また、図6は、関節機構3の変形例を示す図、図7は、同変形例に係る関節機構3の動力伝達部を示す図である。
図2Aに示すように、リスト部14は、第1リスト141と第2リスト142とが、それぞれ関節部を介して回動自在に連結される。すなわち、第1リスト141は、二又状に形成され、その基端部が第2アーム132の先端部に、関節機構3を備えた第3関節部2cを介して軸周りに回動自在に連結される。
また、第2リスト142は、第1リスト141の先端部に、第4関節部2dを介して上下方向(図1におけるZ方向)に揺動自在に連結される。さらに、この第2リスト142は、第5関節部2eを介して軸周りに回動自在に連結される。なお、第3関節部2c、第4関節部2d、および第5関節部2eは、それぞれ中空構造になっており、第3関節部2cおよび第5関節部2eは、中空部に、ホースを含むケーブル類82を通し、第4関節部2dは、中空部に、後述するブレーキ部51とエンコーダ部52とを配置している。
先ず、第3関節部2cおよび第5関節部2eが備える関節機構3について説明する。すなわち、被駆動部材となるリンク(第1リスト141、第2リスト142)自体に設けられ、当該リンクを軸周りに回動させる関節部に設けられた関節機構3について説明する。
図3Aに示すように、関節機構3は、ロボット1のアームフレーム44により形成される中空部43に、第1の軸となる中空回転軸46を介してモータ部41と減速機部42とが同軸配置された第1ユニット4を備える。
また、関節機構3は、ブレーキ部51とエンコーダ部52とが、中空回転軸46(第1の軸)とは分離独立した第2の軸である回転軸53に同軸配置された第2ユニット5を備える。さらに、関節機構3は、中空回転軸46(第1の軸)と回転軸53(第2の軸)との間に配設された動力伝達部としての第1歯車機構6を備える。
第1ユニット4は、ロボット1のアームフレーム44に取付けられて構成される。第1ユニット4のモータ部41は、ロボット1のアームフレーム44に取付けられた固定子411と、この固定子411と所定のギャップを介して回転自在に設けられた回転子412とを備える。本実施形態に係る中空回転軸46は、モータ部41の回転子412と一体形成され、減速機部42と接続される。したがって、回転子412の回転が中空回転軸46を介して減速機部42に伝達される。なお、中空回転軸46は、必ずしも回転子412と一体形成する必要はなく、別体として一体的に構成されていればよい。また、図3Aにおいて、符号413は固定子鉄心、符号414は固定子巻線、符号415は回転子磁石を示す。
一方、減速機部42は、これもアームフレーム44に取り付けられており、第2ユニット5と反対側に位置するようにモータ部41に隣接して配設される。減速機部42は、所定のギヤ組(不図示)を内蔵しており、モータ部41からの動力を所定の減速比で減速する。かかる構成により、アームフレーム44を介して被駆動部となるリンク(たとえば、第1リスト141や第2リスト142)を所望する速度で回転させることができる。
このように、第1ユニット4のモータ部41と減速機部42とは、アームフレーム44の中空部43に中空回転軸46を介して支持される中空構造を有する。したがって、中空部43の内部には、図2Aおよび図2Bに示すように、所定のケーブル類82を軸方向に沿って配設することができる。
他方、第2ユニット5は、略円筒状のユニットフレーム54の長手方向に架設した第2の軸である回転軸53上に、ブレーキ部51とエンコーダ部52とを同軸配置して構成される。そして、図3Bに示すように、第2ユニット5は、連結部材であるボルト(不図示)などにより、第1ユニット4のアームフレーム44の一側端面441に外付けされる。なお、図3Bにおいて、符号442は、第2ユニット5に対応した取付孔を示す。また、第2ユニット5のブレーキ部51およびエンコーダ部52は、既存の周知構造からなる装置を用いることができる。
また、第2ユニット5は、図3Aおよび図4に示すように、回転軸53が第1ユニット4の中空回転軸46に対して軸心が半径方向にオフセットした状態で取付けられる。すなわち、本実施形態に係る関節機構3は、第2ユニット5が第1ユニット4に対して小型化されており(軸方向から見て直径が略1/4)、この第2ユニット5の周りには、所定の空間100が形成されることになる(図3A)。
したがって、かかる空間100を有効利用して、図2Aに示すように、第2リスト142を上下揺動自在とする第4関節部2dを配設することができる。かかる構成により、リスト部14の軸方向におけるコンパクト化を図ることができる。また、第5関節部2eの第2ユニット5は、図2Bに示すように、第1ユニット4の軸心よりも右側に配設されているため、空間100の一部を利用してケーブル81を挿通することができる。
ところで、上述してきた第1ユニット4と第2ユニット5とは、動力伝達部である第1歯車機構6により接続される。すなわち、モータ部41の動力は、第1歯車機構6(動力伝達部)を介して伝達される。
第1歯車機構6は、所定のギヤ比となるように組み合わされた複数のギヤにより構成される。本実施形態に係る第1歯車機構6は、図3Aおよび図5に示すように、第1ユニット4のモータ部41に設けられた大型ギヤ61と、第2ユニット5の回転軸53の先端に設けられた小型ギヤ62とから構成される。大型ギヤ61は、中空回転軸46の端面に、例えば、ボルト(不図示)などの締結手段を介して連結される。
そして、図3Aおよび図3Bに示すように、第2ユニット5は、小型ギヤ62が大型ギヤ61と噛み合うように、第1ユニット4に取り付けられる。なお、大型ギヤ61と小型ギヤ62は、平歯車同士の噛み合いであるため、軸方向に簡単に移動することができ、第2ユニット5の第1ユニット4への着脱も簡単に行うことができる(図3Bを参照)。
このように、本実施形態に係る関節機構3は、モータ部41と減速機部42とを備える第1ユニット4と、ブレーキ部51とエンコーダ部52とを備える第2ユニット5とに分離される。そして、両者を着脱自在に構成し、第1ユニット4におけるモータ部41の回転軸である中空回転軸46と第2ユニット5の回転軸53とを、第1歯車機構6により連動連結するようにした。
かかる構成により、本実施形態に係る関節機構3は、第2ユニット5のみの着脱を簡単に行うことができる。したがって、モータ部41や減速機部42に比べて単体交換が要求されるブレーキ部51やエンコーダ部52などのメンテナンス性が、既存の関節機構などと比較して向上する。
また、前述したように、第1ユニット4のモータ部41に大型ギヤ61を、第2ユニット5の回転軸53に小型ギヤ62をそれぞれ設けたため、モータ部41による回転を、第2ユニット5の回転軸53に増速して伝達することができる。
したがって、モータ部41のトルクを小さくしてブレーキ部51に伝達することができる。そのため、小型の安価なブレーキ構造を採用することができ、ロボット1の小型化および低コスト化に寄与することができる。
また、モータ部41の回転を、第2ユニット5の回転軸53に増速して伝達するということは、エンコーダ部52の分解能についても低下させることが可能となる。したがって、ブレーキ部51同様に、エンコーダ部52のコストを削減し、ひいてはロボット1の低コスト化に寄与することができる。
次に、第2リスト142(リンク)を、第1リスト141に揺動自在に連結する第4関節部2d(図2Aを参照)が備える変形例に係る関節機構3について、図6および図7を参照しながら説明する。図6は、関節機構3の変形例を示す図、図7は、変形例に係る関節機構3の動力伝達部を示す図である。
変形例に係る関節機構3も、基本的には、第3関節部2cおよび第5関節部2eが備える関節機構3と同様の構成である。図2〜図3Bに示すように、関節機構3は、モータ部41と減速機部42とを備える第1ユニット4と、ブレーキ部51とエンコーダ部52とを備える第2ユニット5とに分離される。
しかし、この変形例に係る関節機構3では、第2ユニット5は、第1ユニット4に外付けするのではなく、第1ユニット4の中空部43内に収納される構成とした。すなわち、第4関節部2dにおいては、中空部43の内部にはケーブル類を通す必要がない。そこで、かかる中空部43内に第2ユニット5を収納することとした。なお、第1ユニット4の中空部43の軸心と第2ユニット5の回転軸53の軸心とは一致させる。
このように、第1ユニット4の中空部43内に第2ユニット5を収納する構成としたため、動力伝達部は、第1歯車機構6に代わって図7に示す第2歯車機構7が採用されることになる。
第2歯車機構7は、これも第1歯車機構6と同じように、所定のギヤ比となるように組み合わされた複数のギヤにより構成される。すなわち、第2歯車機構7は、図7に示すように、リングギヤ71と、入力ギヤ72と、アイドラギヤ73とを備えて構成される。
リングギヤ71は、第1ユニット4の中空回転軸46の先端側内周面に固設される。入力ギヤ72は、第2ユニット5の回転軸53の先端に設けられる。そして、アイドラギヤ73は、リングギヤ71と入力ギヤ72との間に配設される。
かかる構成により、モータ部41からの回転が、リングギヤ71→アイドラギヤ73→入力ギヤ72と伝達されることになる。そして、この場合でも、第1ユニット4におけるモータ部41の回転は、第2ユニット5の回転軸53に増速して伝達される。したがって、第4関節部2dの関節機構3においても、前述したように、ブレーキ部51の小型化やエンコーダ部52の小分解能化が可能となり、ひいてはロボット1のコスト削減に寄与することができる。
上述してきたように、実施形態に係る関節機構3は、リスト部14の第3関節部2cおよび第5関節部2eに適用する場合は、第1ユニット4における中空部43の内部をケーブル類が挿通するスペースとして利用することができる。また、第4関節部2dに適用する場合は、かかる中空部43の内部を、第2ユニット5の収納部として利用することができる。
そして、関節機構3の基本構造は、先に説明した例でも変形例でも同じであり、伝達機構のみを変えるだけでよい。したがって、関節機構が、ケーブル類82を挿通可能な中空構造であっても、変形例のように、第2ユニット5が収納された中実構造であっても、関節機構3として部品の共通化を図ることができる。
なお、本実施形態では、第2ユニット5を外付けする場合、第1ユニット4のアームフレーム44の一側端面441に取付ける構成とした。しかし、第2ユニット5を第1ユニット4に外付けする構成は、たとえば、アームフレーム44の一側端面441に形成する取付孔442に第2ユニット5を嵌め込み、第1ユニット4内のモータ部41のフレームに取付けることもできる。
また、上述してきた実施形態では、動力伝達部として歯車機構を採用したが、たとえば、プーリとベルトとを用いた構成とすることもできる。
また、本実施形態では、関節機構3を、ロボット1のリスト部14の関節部に採用した例を示した。しかし、関節機構3は、たとえば一対のリンクを回動自在に連結する関節部であれば適用可能である。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 ロボット
2a 第1関節部
2b 第2関節部
2c 第3関節部
2d 第4関節部
2e 第5関節部
3 関節機構
4 第1ユニット
5 第2ユニット
6 第1歯車機構(動力伝達部)
7 第2歯車機構(動力伝達部)
13 アーム部
14 リスト部
41 モータ部
42 減速機部
51 ブレーキ部
52 エンコーダ部
141 第1リスト(リンク)
142 第2リスト(リンク)
2a 第1関節部
2b 第2関節部
2c 第3関節部
2d 第4関節部
2e 第5関節部
3 関節機構
4 第1ユニット
5 第2ユニット
6 第1歯車機構(動力伝達部)
7 第2歯車機構(動力伝達部)
13 アーム部
14 リスト部
41 モータ部
42 減速機部
51 ブレーキ部
52 エンコーダ部
141 第1リスト(リンク)
142 第2リスト(リンク)
Claims (5)
- モータ部と減速機部とが、中空構造の第1の軸に同軸配置された第1ユニットと、
ブレーキ部とエンコーダ部とが、前記第1の軸とは分離独立した第2の軸に同軸配置され、前記第1ユニットに対して着脱自在な第2ユニットと、
前記第1ユニットと前記第2ユニットとを接続する動力伝達部と
を備えることを特徴とする関節機構。 - 前記第2ユニットは、
前記第1ユニットの前記第1の軸に対して前記第2の軸がオフセットするように前記第1ユニットへ外付けされる第1の配置および前記第1ユニットの前記第1の軸内に収納される第2の配置のうちいずれかの配置で前記第1ユニットへ取り付けられ、
前記動力伝達部は、
前記第2ユニットが前記第1の配置で取り付けられる場合には前記第1の配置に対応する第1の動力伝達部が、前記第2ユニットが前記第2の配置で取り付けられる場合には前記第2の配置に対応する第2の動力伝達部が、それぞれ用いられること
を特徴とする請求項1に記載の関節機構。 - 前記動力伝達部は、
前記モータ部の出力軸の回転を、前記第2の軸に増速して伝達すること
を特徴とする請求項1または2に記載の関節機構。 - 前記動力伝達部は、
複数のギヤの組み合わせにより構成されること
を特徴とする請求項1、2または3に記載の関節機構。 - 請求項1〜4のいずれか1つの関節機構と、
前記関節機構により連結された一対のリンクと
を備えることを特徴とするロボット。
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