JP5750029B2 - 関節機構および作業アタッチメント - Google Patents

Description

本発明は、産業用のロボットアームに用いられる、エンドエフェクタが取り付けられる関節機構およびエンドエフェクタを有する作業アタッチメントに関する。

一般に、産業用ロボットのアームの先端には、エンドエフェクタと呼ばれる作業用の機能部品が取り付けられる。エンドエフェクタは、物を把持するロボットハンドや、溶接アタッチメント、カメラなどいろいろな種類があり、ロボットアームの先端部は、作業の目的に応じてエンドエフェクタが交換できるように構成されていることがある（特許文献１）。

また、産業用ロボットアームの先端の可動範囲を広くするために、アームの機構に工夫をすることも知られている。（特許文献２）。

特開２０１０−９４７６８号公報 特開平０５−２５３８７２号公報

ところで、人間に代わってロボットにある種の作業をさせようとする場合、エンドエフェクタの姿勢をより自由に変更したい場合がある。多くの産業用ロボットは、上記の各特許文献のように固定して設置されているため、ロボットアームに工夫をしたり、エンドエフェクタを作業目的に応じた専用の物として製造すれば、この目的は達せられる。しかし、ロボットを固定して使用するのではなく、作業の依頼を受けた現場にロボットを持って行って作業をする場合などには、作業現場の状況が分からないことが多く、作業現場に行ってみたら作業箇所がいびつな狭い形状で、持参したエンドエフェクタでは作業ができないこともある。

このような場合に、エンドエフェクタをあまりたくさん用意して持って行くのは現実的ではない。また、ロボットアームにあまり多くの関節を設けると、コストが高くなるばかりでなく、装置自体やコントローラーも過剰に複雑になる。そして、ロボットアームの関節の数を多くしてもエンドエフェクタを所望の姿勢にできない場合もある。

そこで、本発明においては、簡易な構成でエンドエフェクタの姿勢の自由度を拡大することができる関節機構および作業アタッチメントを提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明は、エンドエフェクタを支持する支持部と、前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、前記第１軸線と前記第２軸線とは交差するように配置され、前記各取付部は、前記第１軸線と前記第２軸線の交点を中心とする球面に沿って配置されたことを特徴とする。
また、本発明は、エンドエフェクタを支持する支持部と、前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、前記第１軸線と前記第２軸線とは交差するように配置され、前記ロボットアームは、前記第２フレームを第３軸線回りに回動させる機構を有しており、前記各取付部は、前記ロボットアームが取り付けられたときの前記第３軸線が前記第１軸線と前記第２軸線の交点を通過するように配置されたことを特徴とすることができる。

このような構成によると、ロボットアームを、取付部の１つから他の１つに付け替えることで第１フレームおよび第２フレームの向きを変更し、エンドエフェクタの向きを変更することができる。このため、作業現場の状況が分からないような場合においても、作業現場でロボットアームと取付部の接続の仕方を（使用する取付部を）選択することによって、エンドエフェクタの姿勢を決定して、狭い空間などにおいても所望の作業をすることが可能となる。

また、支持部、第１フレームおよび第２フレームは、第１軸線と第２軸線が交差する、重心を中心に持ってきたジンバル機構を構成するので、エンドエフェクタの重みにより関節機構に掛かるモーメントを最小限にすることができる。そして、複数の取付部のうちのどの取付部にロボットアームを結合したとしても、第１軸線と第２軸線の交点を基準として支持部と第１フレームを回動させてエンドエフェクタをコントロールすればよく、エンドエフェクタのコントロールがしやすくなる。

本発明は、エンドエフェクタを支持する支持部と、前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、前記第２フレームは、前記第１フレームの外側で前記第１フレームを軸支する軸受部を、前記第１フレームを挟む２箇所に有し、前記第２フレームは、２つの前記軸受部をつなぐ帯状で、前記第１フレームを囲む球面に略沿って形成されたことを特徴とすることができる。

このような構成によると、ロボットアームを、取付部の１つから他の１つに付け替えることで第１フレームおよび第２フレームの向きを変更し、エンドエフェクタの向きを変更することができる。このため、作業現場の状況が分からないような場合においても、作業現場でロボットアームと取付部の接続の仕方を（使用する取付部を）選択することによって、エンドエフェクタの姿勢を決定して、狭い空間などにおいても所望の作業をすることが可能となる。また、第２フレームを球面に沿った帯状とすることで、第２フレームをコンパクトにして狭い空間に関節機構を入れることが容易になるとともに、第１フレームの可動範囲を広くすることができる。

前記した関節機構においては、前記第１フレームと前記第２フレームの間の前記第２軸線回りの駆動力を発生する第２軸駆動機構が、２つの前記軸受部の一方の外側に隣接して設けられることが望ましい。

このように、第２軸駆動機構を１つの軸受部の外側、つまり、第２フレームの外側に配置することで、第２フレームを不要に大きくすることがなく、関節機構をコンパクトにすることができる。

本発明によれば、簡易な構成でエンドエフェクタの姿勢の自由度を拡大することができる。

本発明の実施形態に係る関節機構の斜視図である。 実施形態に係る関節機構の断面図である。 第１取付部を利用した関節機構の使用形態を説明する図である。 第２取付部を利用した関節機構の使用形態を説明する図である。 第３取付部を利用した関節機構の使用形態を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態の関節機構１は、ロボットアーム７０の先端に取り付けられて使用されるもので、第１フレーム１０、第２フレーム２０および支持部３０を有している。

支持部３０は、エンドエフェクタ６０を支持する部材である。支持部３０には、図示しないねじ穴が複数設けられており、エンドエフェクタ６０のフランジ６１を、ボルト６２を使って支持部３０に結合することで、支持部３０にエンドエフェクタ６０を着脱可能に固定することができるようになっている。なお、エンドエフェクタ６０を支持部３０に着脱させる機構は、このようなねじ止めに限らず公知のあらゆる構成を採用することができる。

第１フレーム１０は、リング状に形成された部材であり、対向する２箇所に軸受部１５（片方のみ図示）を有している。第１フレーム１０は、この軸受部１５において支持部３０を回動可能に軸支している。これにより、支持部３０は、２つの軸受部１５を結んだ第１軸線の一例としてのｘ軸周りに回動可能に支持されている。なお、支持部３０にはモータ３１が設けられており、このモータ３１の回転駆動力により、図示しない機構を通じて、第１フレーム１０に対して支持部３０を回動駆動することができるようになっている。

図２に示すように、第１フレーム１０は、ｘ軸上の点Ｏ１を通りｘ軸と直交するｙ軸方向の２箇所に軸１１，１２を備えている。軸１１，１２は、それぞれ第１フレーム１０の外側に延びるように設けられ、それぞれ、ボールベアリング１１ａ，１２ａの内輪に嵌合されている。また、軸１１の先端には、ベルトプーリ２５３が設けられている。

第２フレーム２０は、図１および図２に示すように、帯状に形成され、両端部に、ボールベアリング１１ａ，１２ａの外輪と嵌合する軸受部２１，２２を備えている。すなわち、第２フレーム２０は、２つの軸受部２１，２２をつなぐ帯状に形成されている。第２フレーム２０は、ボールベアリング１１ａ，１２ａを介し、第１フレーム１０を第２軸線の一例としてのｙ軸回りに回動可能に支持している。

帯状の第２フレーム２０は、第１フレーム１０を囲む、点Ｏ１を中心とする球面に略沿って形成されている。そして、第２フレーム２０は、第１フレーム１０の回転軌跡よりも一回り大きい大きさで形成されており、第１フレーム１０を図１および図２の姿勢からｙ軸周りに９０度回動させたときに第１フレーム１０と干渉しないようになっている。

第２フレーム２０には、２つの軸受部２１，２２のうち、一方の軸受部２１の外側に隣接して第２軸駆動機構２５が設けられている。そして、ロボットアーム７０の先端の結合部７１と結合するため、第２フレーム２０には、３つの取付部２１０，２２０，２３０が設けられている。具体的に、第２フレーム２０には、軸受部２１と軸受部２２の中央（図２の右方向で、図２の姿勢においてはｚ１軸方向）に設けられた第１取付部２１０と、ｙ軸上で第２軸駆動機構２５と反対側に設けられた第２取付部２２０と、第１取付部２１０と第２取付部２２０の間（図２の姿勢においては、ｙ軸およびｚ１軸のそれぞれに対して４５度の方向であり、ｚ２軸方向とする。）に設けられた第３取付部２３０とが備えられている。第２フレーム２０は球面に沿って形成されているので、これらの取付部２１０，２２０，２３０は、点Ｏ１を中心とする球面に沿って設けられている。

第１取付部２１０は、ロボットアーム７０の結合部７１に設けられた円形の外周を有する位置決め部７３が嵌合する円形断面の結合穴２１１と、結合穴２１１の周囲に設けられた結合穴２１１の内周面に直交する取付面２１２と、取付面２１２に設けられた複数のねじ穴２１３とを備えてなる。結合穴２１１の中心軸（ｚ１軸に一致）は点Ｏ１、すなわち、ｘ軸とｙ軸の交点を通るように配置されている。

第２取付部２２０および第３取付部２３０は、第１取付部２１０と同様に構成されている。すなわち、第２取付部２２０は、結合穴２２１、取付面２２２、ねじ穴２２３を有し、第３取付部２３０は、結合穴２３１、取付面２３２、ねじ穴２３３を有している。結合穴２２１，２３１およびねじ穴２２３，２３３は、結合部７１と結合するために基本的な寸法（例えば、穴径やネジ径など）が結合穴２１１、ねじ穴２１３と同じである。そして、結合穴２２１および結合穴２３１の中心軸（それぞれｙ軸およびｚ２軸に一致）は、点Ｏ１を通るように配置されている。このように、第１取付部２１０、第２取付部２２０および第３取付部２３０は、互いに異なる向き（例えば、取付面２１２、取付面２２２および取付面２３２や、結合穴２１１、結合穴２２１および結合穴２３１が互いに異なる向き）に設けられている。

第２軸駆動機構２５は、モータ２５１の駆動力を利用して、第２フレーム２０に対して第１フレーム１０を回動駆動する機構である。第２軸駆動機構２５に動力を供給する駆動源としてのモータ２５１は、第２フレーム２０の内側に固定されており、その出力軸が第２フレーム２０を貫通して外側に突出し、その先端にベルトプーリ２５２が設けられている。ベルトプーリ２５２と、前記した第１フレーム１０の軸１１に設けられたベルトプーリ２５３との間には、歯付ベルト２５４が掛け渡されている。これにより、モータ２５１の回転駆動力が歯付ベルト２５４を介して第１フレーム１０に伝達されるようになっている。

このように、第２軸駆動機構２５が第２フレーム２０の軸受部２１の外側に設けられることで、第２フレーム２０を不要に大きくする必要が無く、コンパクトにすることができる。なお、モータ２５１は、そのほとんどが、点Ｏ１を中心とする所定の球面に沿う第２フレーム２０の内側に収まることができ、かつ、回動する第１フレーム１０と干渉しない範囲に収まっているので、モータ２５１を第２フレーム２０の内側に配置することで、前記球面から第２フレーム２０が外側に突出する部分を最小限にすることができている。

ロボットアーム７０は、その先端に結合部７１を有している。結合部７１には、フランジ７２と、フランジ７２より突出する位置決め部７３と、フランジ７２に設けられた複数の取付孔７４とが設けられている。位置決め部７３は、その外周面の直径が結合穴２１１，２２１，２３１と嵌合可能な大きさとされている。取付孔７４は、ねじ穴２１３，２２３，２３３に対応して設けられている。これにより、ロボットアーム７０は、その位置決め部７３を結合穴２１１，２２１，２３１に挿入し、フランジ７２を取付面２１２，２２２，２３２に密着させた上で、取付孔７４にボルト７５を通してボルト７５をねじ穴２１３，２２３，２３３に螺合することで各取付部２１０，２２０，２３０に結合することが可能となっている。図３に示すように、ロボットアーム７０は、モータ７６により、第２フレーム２０に結合される部分の長手方向中心軸（第３軸線）回り、すなわち、各取付部２１０，２２０，２３０に結合後のｚ１軸、ｙ軸またはｚ２軸回りに回動動作させる公知の機構を有している。

詳細な説明は省略するが、関節機構１およびロボットアーム７０の各可動箇所は、公知のコントローラーにより駆動されることで部材同士の相対角度が制御され、これにより、エンドエフェクタ６０の姿勢が決定されるようになっている。

以上のように構成された関節機構１を使用する場合、作業現場の状況に応じて、各取付部２１０，２２０，２３０のうち、どの取付部を使用するかを選択する。そして、その選択した取付部にロボットアーム７０の先端の結合部７１を結合する。例えば、図３に示すように、第１取付部２１０を使用する場合には、第１取付部２１０の結合穴２１１に位置決め部７３を挿入し、取付面２１２にフランジ７２を密着させて、ボルト７５をねじ穴２１３に螺合してフランジ７２を取付面２１２に固定する。これにより、ロボットアーム７０は、その長手方向軸、すなわちモータ７６による回動軸がｚ１軸と一致する。なお、ロボットアーム７０は、現場に設置した土台や、移動ロボットなどに設けられた固定箇所である設置台８０に固定されている。

この状態で、例えば狭く凹んだ作業箇所Ｗに関節機構１を入れ、コントローラーによりエンドエフェクタ６０の姿勢を変えながら、所望の作業を行う。例えば、エンドエフェクタ６０がカメラであれば、作業箇所Ｗの撮影を行い、エンドエフェクタ６０が掘削機であれば、作業箇所Ｗの掘削を行う。

この作業の最中において、本実施形態の関節機構１は、ｘ軸とｙ軸が互いに交差するように配置された、重心を中心に持ってきたジンバル機構であるので、エンドエフェクタ６０の重みにより関節機構１に掛かるモーメントを最小限にすることができ、コントロールが容易である。

そして、第２フレーム２０は、第１フレーム１０を囲む、点Ｏ１を中心とする球面に略沿って形成されているし、第２フレーム２０およびモータ２５１は、第１フレーム１０の回動を阻害しないので、エンドエフェクタ６０が第２フレーム２０に干渉しない範囲では、エンドエフェクタ６０をｙ軸回りに自由に回動させることができる。また、第２軸駆動機構２５は、第２フレーム２０の一方の軸受部２１の外側に隣接して設けられているので、第２フレーム２０が、前記した球面から外側に出っ張る部分は最小限となっており、狭い作業箇所Ｗ内において、エンドエフェクタ６０の姿勢を高い自由度で変えることができる。さらに、ロボットアーム７０の回動中心軸は、ｚ１軸と一致しており、点Ｏ１を通るので、エンドエフェクタ６０の姿勢のコントロールは、点Ｏ１を基準にして演算すればよく、コントロールが容易である。

図４に示すように、作業箇所Ｗが、その入口から斜め奥に延びているなど、図３とは異なる形状の場合、ロボットアーム７０を接続する取付部として、第３取付部２３０を選択する。また、図５に示すように、作業箇所Ｗが、その入口に対面する部分は浅く、上下に深い場合などは、ロボットアーム７０を接続する取付部として、第２取付部２２０を選択するとよい。このようにして、作業箇所Ｗの形状に応じて、使用する取付部を選択し、ロボットアーム７０をその選択した取付部に結合することで、一つの関節機構１で、様々な状況の作業現場で作業をすることが可能である。しかも、このような機能を発揮するための構成は、第２フレーム２０に複数の取付部を、互いに異なる向きで設けるだけであるので、関節などの可動部分を増やすのに比較すると、非常に簡易な構成とすることができ、増やした可動部分をコントロールするための構成も不要である。

このようにして、本実施形態の関節機構１によれば、簡易な構成でエンドエフェクタ６０の姿勢の自由度を大幅に拡大することができる。

以上に本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく適宜変形して実施することができる。
例えば、本発明は、エンドエフェクタ６０が着脱可能に取り付けられる関節機構１としてではなく、前記実施形態でいえば支持部３０とエンドエフェクタ６０が完全に一体化したような作業アタッチメントとして構成することも可能である。
また、第１軸線と第２軸線は、必ずしも交差する必要はなく、多少ずれた位置関係にあっても構わない。
そして、ロボットアーム７０の構成は、図示したものに限らず、公知の任意の構成を採用することができる。

また、第２軸駆動機構２５は、具体的な一例として、ベルト伝達機構を示したが、ギア駆動や、摩擦伝達機構を利用することもできる。
また、前記実施形態では、第２フレーム２０を球面に沿った帯状としたが、例えば、半球に対応する球殻状にしてもよいし、球面に沿うことなく、ボックス状に形成しても構わない。そして、取付部は、前記実施形態のように３つである場合に限らず、２つや、４つ以上設けることもできる。さらに、これらの取付部に結合されるロボットアーム７０の回動軸は、点Ｏ１を通らなくてもよい。

１ 関節機構
１０ 第１フレーム
１５ 軸受部
２０ 第２フレーム
２１ 軸受部
２２ 軸受部
２５ 第２軸駆動機構
３０ 支持部
６０ エンドエフェクタ
７０ ロボットアーム
２１０ 第１取付部
２２０ 第２取付部
２３０ 第３取付部
２５１ モータ
２５２ ベルトプーリ
２５３ ベルトプーリ
２５４ 歯付ベルト

Claims (4)

1. エンドエフェクタを支持する支持部と、
   前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、
   前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、
   前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、
   前記第１軸線と前記第２軸線とは交差するように配置され、
   前記各取付部は、前記第１軸線と前記第２軸線の交点を中心とする球面に沿って配置されたことを特徴とする関節機構。
2. エンドエフェクタを支持する支持部と、
   前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、
   前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、
   前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、
   前記第１軸線と前記第２軸線とは交差するように配置され、
   前記ロボットアームは、前記第２フレームを第３軸線回りに回動させる機構を有しており、
   前記各取付部は、前記ロボットアームが取り付けられたときの前記第３軸線が前記第１軸線と前記第２軸線の交点を通過するように配置されたことを特徴とする関節機構。
3. エンドエフェクタを支持する支持部と、
   前記支持部を第１軸線回りに回動可能に支持する第１フレームと、
   前記第１フレームを前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回動可能に支持する第２フレームとを備えた関節機構であって、
   前記第２フレームは、ロボットアームと着脱可能に結合する取付部が、互いに異なる向きで複数設けられ、
   前記第２フレームは、前記第１フレームの外側で前記第１フレームを軸支する軸受部を、前記第１フレームを挟む２箇所に有し、
   前記第２フレームは、２つの前記軸受部をつなぐ帯状で、前記第１フレームを囲む球面に略沿って形成されたことを特徴とする関節機構。
4. 前記第１フレームと前記第２フレームの間の前記第２軸線回りの駆動力を発生する第２軸駆動機構が、２つの前記軸受部の一方の外側に隣接して設けられたことを特徴とする請求項３に記載の関節機構。

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