JP5817142B2 - 水平多関節ロボット - Google Patents

Description

この発明は、角速度検出器を備えた水平多関節ロボットに関する。

従来から、特許文献１に記載のように、アームの角速度を検出する角速度検出器である角速度センサーを用いてアームに生じた振動を抑える水平多関節ロボットが知られている。特許文献１に記載の水平多関節ロボットでは、基台に対して回動可能な第１アームが、第１駆動源の駆動力を受けて回動するとともに、該第１駆動源の回転角が、第１角度センサーによって検出される。さらに、基台に対する第１アームの角速度が、該第１アームに搭載される角速度センサーによって検出される。そして、第１アームに生じた振動が抑えられるように、角速度センサーが検出した角速度に基づいて、第１駆動源の駆動量が制御されている。

特開２００５−２４２７９４号公報

ところで、第１アームに生じた振動は、通常、第１アームに連結された他のアームによって増幅されて、その後、水平多関節ロボットのエンドエフェクターに伝わる。それゆえに、こうしたエンドエフェクターの振動を抑えるためには、上述のような制動制御を第１駆動源に対して行うことが効果的である。

一方、上述の角速度センサーを駆動するためには、角速度センサーに電源を供給する配線や角速度センサーの検出信号を送信する配線など、角速度センサーとコントローラーとの間に各種の電気配線を接続することが必要になる。他方、このような電気配線とは、角速度センサーの他、駆動源にも必要とされるものであって、通常、中空の基台を通して外部のコントローラーに接続されている。そして、上述した角速度センサーが第１アームに設置される構成となれば、こうした角速度センサーに必要とされる電気配線も、基台を通して第１アームとコントローラーとの間に接続されることとなる。

この際、第１アームが基台に対して描く軌道には、通常、他のアームが基台に対して描く軌道と比較して、大きい曲率の軌道が多く含まれる。そのため、第１アームから引き出される電気配線に対しては、他のアームから引き出される電気配線と比較して、折り曲げられる機会が多くなり、また、折り曲げ箇所における曲率が大きくもなる。それゆえに、角速度センサーを用いて制振制御を行う水平多関節ロボットには、こうした角速度センサーに接続される電気配線の耐久性を高めることが望まれている。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、角速度検出器を用いて制振制御を行う水平多関節ロボットにおいて、該角速度検出器に接続される電気配線の耐久性を高めることの可能な水平多関節ロボットを提供することにある。

本発明の水平多関節ロボットは、基台に回動可能に連結された第１アームと、前記第１アームに回動可能に連結された第２アームと、前記基台に設けられ、前記第１アームを回動する第１駆動源と、前記第２アームに設けられ、前記第２アームを回動する第２駆動源と、前記第２アームの内部に設けられて前記基台に対する前記第２アームの角速度を検出する角速度検出器と、を備える。

この水平多関節ロボットによれば、角速度検出器を第２アームの内部に設置することにより、当該角速度検出器に接続される電気配線を第２アームから引き出すことが可能になる。第２アームが基台に対して描く軌道は、第１アームが基台に対して描く軌道に比べて、一般に曲率が小さい。そのため、角速度検出器に接続される電気配線の折り曲げられる機会を少なくすること、角速度検出器に接続される電気配線の折り曲げ箇所の曲率が大きくなることを抑えること、それらが可能となるため、該電気配線の耐久性を高めることが可能となる。

この水平多関節ロボットは、前記基台に一端が連結されて前記第２アームに他端が連結されるとともに、前記第１アームの外側、且つ前記第２アームの外側に設けられて、前記基台の内部と前記第２アームの内部とに通じる通路を有する配管部材を備え、前記配管部材には、前記第２駆動源に接続される電気配線と、前記角速度検出器に接続される電気配線とが挿通されている。

この水平多関節ロボットによれば、第２駆動源に接続される電気配線と角速度検出器に接続される電気配線とが、配管部材が有する通路を通じて第２アームの内部から基台の内部まで引き回されている。このような構成であれば、角速度検出器に接続される電気配線を折り曲げるためには、第２駆動源に接続される電気配線と配管部材とを同時に折り曲げる必要がある。そのため、角速度検出器に接続される電気配線の折り曲げられる機会を少なくすること、角速度検出器に接続される電気配線の折り曲げ箇所の曲率が大きくなることを抑えること、それらが可能となるため、該電気配線の耐久性をさらに高めることが可能となる。

この水平多関節ロボットにおいて、前記第２アームの内部には、前記第２アームに対して変位する変位部材に第３駆動源の駆動力を伝達するベルトが設けられており、前記角速度検出器が、重力方向において前記ベルトよりも上方に設けられている。

ここで、第３の駆動源によって駆動されるベルトの下方に角速度検出器が設置されている場合、該ベルトから発生した異物が落下して角速度検出器に付着してしまう虞がある。この点、上記構成によれば、ベルトから異物が発生したとしても、その異物が角速度検出器に付着してしまうことを抑えることができる。

この水平多関節ロボットでは、前記配管部材と前記第２アームとの連結部分は、重力方向において前記第１アームと前記第２アームとの連結部よりも上方に設けられている。
ここで、第２アームと配管部材との連結部分が第２アームにおける水平方向側の部位に設けられていると、該連結部分や配管部材における第２アーム側の端部周辺の部位が、第２アームの回動経路に重なってしまうため、第２アームが回動するときの障害となってしまう虞がある。この点、上記構成によれば、第２アームと配管部材との連結部分や配管部材における第２アーム側の端部周辺の部位は、第２アームの回動経路に重なることにない位置に配置されている。その結果、第２アームの円滑な回動を実現することができる。
この水平多関節ロボットにおいて、前記角速度検出器は、前記第１アームと前記第２アームとの連結部よりも前記第２アームの先端寄りの位置に設けられている。

本発明の一実施の形態にかかるロボットの正面構造を示す正面図。 第２水平アームの内部構造を示す斜視図であって、アームカバーを取り外した状態を示す斜視図。

以下、本発明にかかる水平多関節ロボットの一実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示されるように、水平多関節ロボットであるロボット１０では、床面等に設置される基台１１の上端部に、鉛直方向に沿う軸心Ｃ１を中心にして、基台１１に対して回動する第１アームとしての第１水平アーム１２の基端部が連結されている。基台１１内には、第１水平アーム１２を回動させる第１駆動源としての第１モーター１３と、該第１モーターの回転軸１３ａに連結され、その出力軸１４ａが第１水平アーム１２に連結固定された減速機１４とが設置されている。そして第１水平アーム１２は、第１モーター１３の駆動力が減速機１４を介して伝達されることによって、基台１１に対して水平方向に回動、すなわち水平旋回する。第１水平アーム１２は、鋳鉄などの金属材料で形成されており、その長さ方向及び旋回方向などに高い剛性を有している。

第１水平アーム１２の先端部には、鉛直方向に沿う軸心Ｃ２を中心にして第１水平アーム１２に対して回動する第２アームとしての第２水平アーム１５が有するアーム本体１５ａの基端部が連結されている。第２水平アーム１５内には、第２水平アーム１５を回動させる第２駆動源としての第２モーター１６と、該第２モーター１６の回転軸１６ａに連結され、その出力軸１７ａが第１水平アーム１２に連結固定された減速機１７とが設置されている。そして第２水平アーム１５は、第２モーター１６の駆動力が減速機１７を介して伝達されることによって、軸心Ｃ２を中心にして第１水平アーム１２に対して水平方向に回動、すなわち水平旋回する。第２水平アーム１５は、鋳鉄などの金属材料で形成されており、その長さ方向及び旋回方向などに高い剛性を有している。

第２水平アーム１５は、その基端部から先端部にかけてアーム本体１５ａの上側を第２モーター１６などを含めて覆うアームカバー１８を有している。アームカバー１８は、例えば樹脂材料で形成され、第２モーター１６などの装置を保護する一方、それらの装置から発生する粉塵が周辺に飛散することを抑制する。本実施形態の第２水平アーム１５は、アーム本体１５ａとアームカバー１８とによって構成されている。

第２水平アーム１５の先端部には、アーム本体１５ａとアームカバー１８とを貫通し、第２水平アーム１５に対して変位する変位部材としての上下回転軸１９が設けられている。上下回転軸１９は、円柱状の軸体であって、その周表面には図示しないボールねじ溝とスプライン溝とがそれぞれ形成されている。図２に示されるように、上下回転軸１９は、そのスプライン溝が第２水平アーム１５の先端部に配置されたスプラインナット１９Ｓの中心に嵌め合わされるように挿通され、そのボールねじ溝がこれも第２水平アーム１５の先端部に配置されたボールねじナット１９Ｂの中心に螺合されるように挿通されている。これにより上下回転軸１９は、第２水平アーム１５に対して回転可能に、かつ、上下方向に移動可能に支持されている。

図２に示されるように、第２水平アーム１５内には、第３駆動源としての回転モーター２０が設置されている。回転モーター２０は、その駆動力がベルト２１を介してスプラインナット１９Ｓに伝達される。すなわち上下回転軸１９は、上記回転モーター２０によってスプラインナット１９Ｓが正逆回転されることによって、鉛直方向に沿う自らの軸心Ｃ３を中心にして正逆回転される。

第２水平アーム１５内には、第３駆動源としての昇降モーター２３が設置されている。昇降モーター２３は、その駆動力がベルト２４を介してボールねじナット１９Ｂに伝達される。すなわち上下回転軸１９は、上記昇降モーター２３によってボールねじナット１９Ｂが正逆回転されることによって、鉛直方向に昇降移動する。そして、その昇降移動によってその下端部である作業部２５を上下方向に昇降させる。

上下回転軸１９の作業部２５には、ツール、例えば被搬送物を把持するものや被加工物を加工するもの等の取り付けが可能になっている。そして、ロボットは、作業部２５に取り付けられた各ツールによって、部品を搬送したり、部品を加工したりするようになっている。

また、図２に示されるように、第２水平アーム１５内には、第２水平アーム１５の角速度を情報として測定する角速度検出器である角速度センサー３０が設置されている。角速度センサー３０は、本実施形態では、水晶型振動子を用いた振動型のジャイロスコープである。角速度センサー３０は、第２水平アーム１５内に立設されている複数の支持脚３１によって、その姿勢が調整可能に支持されている。

ここで、上記回転モーター２０及び昇降モーター２３の少なくとも一方が駆動されることによってベルト２１，２４から異物が発生するとその異物がベルト２１，２４の下方へと落下する。そのため、該ベルト２１，２４の下方に角速度センサー３０が配設されているとなれば、その発生した異物が角速度センサー３０に付着しやすくなる。これに対して、本実施形態では、上記支持脚３１に支持されている角速度センサー３０は、第１水平アーム１２及び第２水平アーム１５の回動角度に関わらず、常にベルト２１，２４の上方に配置されている。そのため、回転モーター２０及び昇降モーター２３の少なくとも一方が駆動されたとしても、ベルト２１，２４から落下した異物が角速度センサー３０に付着することを抑えることができる。

また、図２に示されるように、第２水平アーム１５における上側には、他端が基台１１に連結された配管部材として可撓性を有する配線ダクト３３の一端が連結されている。この配線ダクト３３は、筒状をなしており、上記一端が第２水平アーム１５に対して回転自在に連結されているとともに上記他端が基台１１に対して回転自在に連結されている。配線ダクト３３には、第２水平アーム１５内と基台１１内とに通じる通路３４が形成されている。そして、第２水平アーム１５内に設置された第２モーター１６に接続される電気配線３５及び角速度センサー３０に接続される電気配線３６は、上記通路３４を通じて第２水平アーム１５内から基台１１内まで引き回されている。

なお、図１及び図２では省略したが、回転モーター２０に接続される電気配線及び昇降モーター２３に接続される電気配線も、上記通路３４を通じて基台１１内まで引き回されている。また、この通路３４内においては、電気配線３６に対して他の電気配線が電気的な影響を与えることがないように、電気配線の構成部品の材質や各電気配線の配置等が考慮されていることが好ましい。

ところで、配線ダクト３３と第２水平アーム１５との連結部分は、該第２水平アーム１５の水平方向側、言い換えれば図１における紙面の手前側あるいは奥側に設けることも可能である。しかしながら、こうした構成は、該連結部分や配線ダクト３３における第２水平アーム１５側の端部周辺の部位が、第２水平アーム１５の回動経路と重なってしまうため、第２水平アーム１５が回動する際に障害となってしまう虞がある。この点、本実施形態では、第２水平アーム１５と配線ダクト３３との連結部分が、該第２水平アーム１５における上側に設けられている。そのため、配線ダクト３３における第２水平アーム１５側の端部周辺の部位が第２水平アーム１５の回動経路に重なることがないように、連結部分が設けられている。これにより、第２水平アーム１５の円滑な回動が実現される。

また、角速度センサー３０は、第２水平アーム１５の角速度を検出するセンサーであることから、第２水平アーム１５に設置されていればよい。とはいえ、第２水平アーム１５内ではなく、第２水平アーム１５の外側に設置するとなれば、配線ダクト３３の通路３４を通じて電気配線を引き回すためには、角速度センサー３０に接続された電気配線を第２
水平アーム１５内に引き回すための構成が別途必要となる。本実施形態のように、角速度センサー３０を第２水平アーム１５内に設置することによって、電気配線３６を第２水平アーム１５内に引き回すための構成が必要なくなることから、第２水平アーム１５の構成、ひいてはロボット１０の構成の簡素化を図ることができる。

そして、基台１１内まで引き回された各電気配線は、基台１１内でまとめられることによって、上記第１モーター１３に接続される電気配線３７とともに、基台１１の外部に設置されロボット１０を統括制御するコントローラー４０まで引き回すことが可能である。

コントローラー４０は、角速度センサー３０から入力される信号に基づいて、第２水平アーム１５の振動が抑制されるように第１モーター１３の駆動量を制御する。例えば、コントローラー４０は、第１モーター１３の回転角度を第１モーター１３に搭載されたエンコーダーから取得し、さらに、第２モーター１６の回転角度を第２モーター１６に搭載されたエンコーダーから取得する。そして、コントローラー４０は、第２水平アーム１５の角速度、第１モーター１３の回転角度、第２モーター１６の回転角度等に基づいて第１水平アーム１２の角速度を推定し、第１水平アーム１２の振動が抑制されるように第１モーター１３の駆動量を制御する。

以上説明したように、本実施の形態に係るロボット１０によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）上記実施形態のロボット１０によれば、第１モーター１３の駆動量を制御するための角速度センサー３０が第２水平アーム１５に設けられていることから、該角速度センサー３０に接続される電気配線３６が第２水平アーム１５から引き出されている。ここで、第２水平アーム１５が基台１１に対して描く軌跡は、第１水平アーム１２が基台１１に対して描く軌跡に比べて、基台１１に対する曲率が小さい。そのため、角速度センサー３０に接続される電気配線３６の折り曲げられる機会を少なくすること、角速度センサー３０に接続される電気配線の折り曲げ箇所の曲率が大きくなることを抑えること、それらが可能となるため、該電気配線３６の耐久性を高めることが可能となる。

（２）上記実施形態のロボット１０によれば、第２モーター１６に接続される電気配線３５と角速度センサー３０に接続される電気配線３６とが、配線ダクト３３が有する通路３４を通じて第２水平アーム１５内から基台１１内まで引き回されている。こうした構成のように、第２水平アーム１５と基台１１とに連結された配線ダクト３３を用いて、角速度センサー３０に接続される電気配線３６を第２水平アーム１５から基台１１まで引き回すことができる。こうした電気配線３６を折り曲げるためには、当該電気配線３６に加えて、配線ダクト３３も折り曲げる必要があるため、電気配線３６が折り曲げられる機会を少なくすること、折り曲げ箇所の曲率が大きくなることを抑えることが可能である。その結果、電気配線の耐久性をさらに高めることが可能となる。

また、第２モーター１６及び角速度センサー３０に接続される電気配線３５．３６の各々が基台１１内に引き回されることで、基台１１内には第１モーター１３に接続される電気配線３７だけでなく、第２モーター１６、角速度センサー３０に接続される電気配線３５，３６が引き回されている。そのため、これらの電気配線３５〜３７をまとめて基台１１の外部へ引き回すことも可能である。

（３）上記実施形態では、角速度センサー３０が第２水平アーム１５内に配置されている。これにより、例えば、角速度センサー３０をアーム本体１５ａの下面に設置した場合のように、該角速度センサー３０に接続される電気配線３６を第２水平アーム１５に引き回すための構成が必要ない。その結果、第２水平アーム１５の構成、ひいてはロボット１０の構成の簡素化を図ることができる。

（４）上記実施形態のロボット１０によれば、ベルト２１，２４の上方に角速度センサー３０が配置されていることから、ベルト２１，２４から落下した異物が角速度センサー３０に付着してしまうことを抑えることができる。

（５）上記実施形態のロボット１０によれば、第２水平アーム１５と配線ダクト３３との連結部分が、第２水平アーム１５における上側に設けられていることから、配線ダクト３３における第２水平アーム１５側の端部周辺の部位が、第２水平アーム１５の回動経路とは重なることがない位置に配置されている。その結果、第２水平アーム１５の円滑な回動を実現することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することも可能である。
・上記実施形態では、第２水平アーム１５と配線ダクト３３との連結部分が、第２水平アーム１５における上側、すなわち第２水平アーム１５の回動経路と重ならない位置に設けられている。これを変更して、第２モーター１６及び角速度センサー３０に接続される電気配線３５，３６が通路３４を通じて基台１１内に引き回すうえでは、第２水平アーム１５の回動経路と重なるように連結部分を設けられていてもよい。こうした構成であっても上記（１）〜（４）に記載した効果に準ずる効果を得ることができる。

・上記実施形態では、角速度センサー３０は、回転モーター２０及び昇降モーター２３の駆動力を伝達するベルト２１，２４の上方に配置した。これを変更して、角速度センサー３０を上記ベルト２１，２４の下方に配置してもよい。こうした構成であっても、上記（１）〜（３）に記載した効果に準ずる効果を得ることができる。

・上記実施形態のロボット１０には、電気配線３６が引き回される通路３４が形成された配線ダクト３３が設けられている。これに限らず、ロボット１０は、配線ダクト３３が割愛されて、角速度センサー３０から基台１１に延びる電気配線が露出している構成であってもよい。こうした構成であっても、アームから延びる各種電気配線が一般には基台を介して外部に引き出されて、第１アームを制振するための角速度センサーが第２アームに設置される以上、上記（１）に記載した効果に準ずる効果を得ることができる。

・上記実施形態のロボット１０は、第１水平アーム１２と第２水平アーム１５との間にさらにアームが介在する構成であってもよい。
・上記実施形態の角速度センサー３０は、第２水平アーム１５内に配置されている。しかし、角速度センサー３０は、第２水平アーム１５に設置されていればよいため、その設置位置は第２水平アーム１５内に限られるものではない。こうした構成であっても上記（１）（２）に記載した効果を得ることができる。

・上記実施形態のロボット１０は、配管部材として、通路３４が形成された筒状の配線ダクト３３を有している。これに限らず、配管部材は、電気配線が収容されてロボット１０の動作中も電気配線が絡まないものであればよく、その形状が筒状に限られるものではない。また、可撓性を有するものであればよく、その材質も特に限定されるものではない。

・上記実施形態の角速度検出器は、水晶型振動子を用いた振動型のジャイロスコープとした。これに限らず、角速度検出器は、基台１１に対する第２水平アーム１５の角速度が測定可能であればよく、回転型のジャイロスコープ、ガス型のジャイロスコープ、リングレーザジャイロスコープ等であってもよい。

・第１水平アーム１２の制振は、角速度センサー３０の検出結果を用いて第１モーター
１３の駆動量を制御する態様であればよく、例えば、角速度センサー３０の検出結果と第２モーター１６の回転角度とから第２水平アーム１５の振動を検出し、該振動を第１水平アーム１２の振動として推定して制振する態様であってもよい。また、例えば、第１水平アーム１２と第２水平アーム１５とが同一軸線上に固定されて、第１水平アーム１２のみが回動する場合には、角速度センサー３０の検出結果と第１モーター１３の回転角度とから第１水平アーム１２の振動を推定し、これを制振する態様であってもよい。

１０…ロボット、１１…基台、１２…第１水平アーム、１３…第１モーター、１３ａ…回転軸、１４…減速機、１４ａ…出力軸、１５…第２水平アーム、１５ａ…アーム本体、１６…第２モーター、１６ａ…回転軸、１７…減速機、１７ａ…出力軸、１８…アームカバー、１９…上下回転軸、１９Ｂ…ボールねじナット、１９Ｓ…スプラインナット、２０…回転モーター、２１…ベルト、２３…昇降モーター、２４…ベルト、２５…作業部、３０…角速度センサー、３１…支持脚、３３…配線ダクト、３４…通路、３５，３６，３７…電気配線、４０…コントローラー。

Claims (5)

1. 基台に回動可能に連結された第１アームと、
   前記第１アームに回動可能に連結された第２アームと、
   前記基台に設けられ、前記第１アームを回動する第１駆動源と、
   前記第２アームに設けられ、前記第２アームを回動する第２駆動源と、
   前記第２アームの内部に設けられて前記基台に対する前記第２アームの角速度を検出する角速度検出器と、を備える水平多関節ロボット。
2. 前記基台に一端が連結されて前記第２アームに他端が連結されるとともに、前記第１アームの外側、且つ前記第２アームの外側に設けられて、前記基台の内部と前記第２アームの内部とに通じる通路を有する配管部材を備え、
   前記配管部材には、前記第２駆動源に接続される電気配線と、前記角速度検出器に接続される電気配線とが挿通されている
   請求項１に記載の水平多関節ロボット。
3. 前記第２アームの内部には、前記第２アームに対して変位する変位部材に第３駆動源の駆動力を伝達するベルトが設けられており、
   前記角速度検出器が、重力方向において前記ベルトよりも上方に設けられている
   請求項２に記載の水平多関節ロボット。
4. 前記配管部材と前記第２アームとの連結部分は、重力方向において前記第１アームと前記第２アームとの連結部よりも上方に設けられている
   請求項２または３のいずれか一項に記載の水平多関節ロボット。
5. 前記角速度検出器は、前記第１アームと前記第２アームとの連結部よりも前記第２アームの先端寄りの位置に設けられている
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の水平多関節ロボット。

Images