JP6054932B2 - 線条体の長さの余裕を最適化できる関節構造、及び該関節構造を備えた産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、線条体の長さの余裕を最適化できる関節構造、及び該関節構造を備えた産業用ロボットに関する。

上腕、上腕に回転可能に連結された前腕、及び前腕に回転可能な手首軸を有する産業用ロボットでは、上腕の回転中心と手首軸の回転中心とを結ぶ直線に対し、前腕の回転中心が上方に位置している場合と、下方に位置している場合との２通りの動作形態がある。近年のロボットでは多くの場合、該ロボットの後方にできるだけ広い動作範囲を確保するため、上腕に対する前腕の回転角度の範囲を大きくし、上記２通りの動作形態が取れるようになっている。

これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、長孔状の配線挿通孔１０ｂにプラスチック製の外側ケーブルガイド２０を設け、外側ケーブルガイド２０内に、ケーブル７を保持するプラスチック製の内側ケーブルホルダ２１を周方向にスライド移動可能に支持し、内側ケーブルホルダ２１を、外側ケーブルガイド２０から下方に突出させてフレーム８の連結部８ａに対応した高さ位置に配置した構成が記載されている。

また特許文献２には、第２アーム１４のハウジング３１に、第３アーム１５を時計回り方向に回転した際に、可動側第１ストッパ３５が当接する固定側第１ストッパ３７と、反時計回り方向に回転した際に、可動側第２ストッパ３６が当接する固定側第２ストッパ３８とを、直径方向にも円周方向にもずれた位置に設けた構成が記載されている。

さらに特許文献３には、ソフト制御上の可動制御範囲区域に対して物理ストッパの可動範囲区域を間違えて設定してしまうことを抑制し、さらに、複数の可動制御範囲区域をアームの所定可動範囲内に設定することを企図したロボット制御装置が記載されている。

特開２００３−２２５８８３号公報 特開２００２−２３９９６８号公報 特開２０１０−０８９１８６号公報

多くの産業用ロボットでは、該ロボットの各軸を制御するモータに、ロボット制御装置から延びる線条体が接続されているが、その場合、上腕と前腕との間の関節部周りの（可動の）線条体は、上腕が広い動作範囲で動作した場合でも線条体に発生する応力が許容範囲になるようにその長さや配線ルートが決定されるため、線条体の横への張り出しが大きくなるなどの弊害があった。

一方で、実際には、上腕の回転中心と手首軸の回転中心とを結ぶ線に対し、前腕の回転中心が下方に位置している状態でロボットが使用される場合は少なく、そのような場合には、前腕の動作領域を制限して、線条体の横への張り出しを小さくしたいという要望もあった。

そこで本発明は、線条体の長さの余裕（張り出し量）を前腕の動作範囲に応じて最適化できる関節構造、及び該関節構造を備えた産業用ロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、上腕と、前記上腕に対し回転可能に連結された前腕ベースを有する前腕と、前記上腕の側面から前記前腕ベースの側面に導かれる線条体とを備えた産業用ロボットの関節構造において、前記上腕に対する前記前腕の動作範囲は、変更可能になっており、前記線条体は、前記上腕の側面と前記前腕ベースの側面との間において、前記前腕の動作範囲に応じた長さの余裕を有しており、前記前腕の動作範囲の変更に応じて、前記長さの余裕を調整するための線条体の長さ部分が、前記上腕又は前記前腕ベースに収納又は保持されていることを特徴とする、関節構造を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記線条体を、前記上腕の上部側面に固定する第１の固定部材と、前記前腕ベースの側面に固定する第２の固定部材とを有する、関節構造を提供する。

第３の発明は、第２の発明において、前記第２の固定部材は、前記前腕ベースに対する前記第２の固定部材の位置及び姿勢の少なくとも一方が調整できるように構成されている、関節構造を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記上腕に対する前記前腕の動作範囲を制限するための物理ストッパをさらに有し、前記物理ストッパは、前記前腕の動作範囲を、第１の動作範囲と、前記第１の動作範囲より広い第２の動作範囲との間で変更できるように構成されている、関節構造を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明に係る関節構造を備えた産業用ロボットを提供する。

本発明によれば、産業用ロボットの上腕と前腕との間の関節構造において、前腕の動作範囲の変更に応じて、線条体の長さや配線ルートを簡単に変更することができるようになる。

本発明の好適な実施形態に係る産業用ロボットの要部を示す図である。 （ａ）図１のロボットの関節構造を示す正面図であり、（ｂ）側面図であり、（ｃ）上面図である。 図１よりもロボットの前腕の動作範囲を広くした例を示す図である。 （ａ）図３のロボットの関節構造を示す正面図であり、（ｂ）側面図であり、（ｃ）上面図である。 図１のロボットの関節構造を示す斜視図である。 図３のロボットの関節構造を示す斜視図である。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る産業用ロボット（以降、単にロボットと称する）１０の要部を示す概略図である。ロボット１０は、例えば６軸の多関節ロボットであり、床面等に設置された図示しない基台と、該基台に対し、略鉛直軸線回りに回転可能に連結された旋回胴１２と、旋回胴１２に対し、上腕回転軸１４回りに回転可能に連結された上腕１６と、上腕１６に対し、前腕回転軸１８回りに回転可能に連結された前腕ベース部２０を有する前腕２２とを備える。また前腕２２の先端には、手首回転中心２４において互いに直交する３軸回りに回転可能に構成された手首要素２６が取り付けられ、手首要素２６の先端には、ロボットハンドや溶接トーチ等の作業ツール（図示せず）を取り付けることができる。

またロボット１０では、ロボット１０の各軸（上腕１６、前腕２２及び手首部２６等）を駆動するサーボモータ等のモータ（図示せず）に電力供給するためのケーブル等から構成された可撓性の線条体２８が、ロボット１０を制御するロボット制御装置（図示せず）から配設され、各モータに接続される。線条体２８は、旋回胴１２から、概ね上腕１６の長手方向に延びて上腕１６の側面に導かれ、上腕１６と前腕ベース２０との連結部（関節構造）３０の側方を通り、前腕ベース２０の側面に導かれる。また線条体２８は、関節構造３０の近傍（上腕１６の側面と前腕ベース２０の側面との間）において、前腕２２の動作範囲に応じた適切な長さの余裕を有するように（例えば、前腕２２がその動作範囲内で可動したときに線条体２８に過度な応力が生じないように、かつ線条体２８が関節構造から大きく張り出さないように）配設されている。

図２は、図１のロボット１０の関節構造（上腕１６と前腕２２（前腕ベース２０）との連結部）３０を示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び上面図（ｃ）である。関節構造３０には、上腕１６に対する前腕２２の動作範囲（回転角度範囲）を制限する物理ストッパ（機械式ストッパ）が設けられており、具体的には、図２（ａ）に示すように、上腕１６近傍の前腕ベース２０の部分に第１の突起３２が設けられ、一方、前腕ベース２０近傍の上腕１６の部分に第２の突起３４が設けられる。両突起の位置及び形状は、前腕２２の回転角度が所定の動作範囲内の上限又は下限（例えば、回転角度範囲が±１８０°であれば、＋１８０°又は−１８０°）に達したときに両突起が互いに当接して前腕がそれ以上回転しないように設定されており、図２の例では、前腕２２の動作範囲が第１の動作範囲に設定されており、この第１の動作範囲は、後述する図３−図４の例で設定されている第２の動作範囲よりも狭い。

上述のように、図２の例では前腕２２の可動範囲が比較的狭い第１の動作範囲に設定されているので、関節構造３０周りに配設された線条体２８が有するべき、前腕２２の動作に必要な長さの余裕も、比較的短くてよい。しかし、後述する図３の例のように、同じロボットにおいて前腕２２の可動範囲が第１の動作範囲より広い第２の動作範囲に設定された場合は、線条体２８が有するべき長さの余裕も、第２の動作範囲に応じて長くする必要がある。ここで、前腕２２の動作範囲が拡大された場合に備えて、図１−図２のような場合においても比較的長い余裕を線条体２８に持たせておくと、線条体２８が関節構造３０から不都合に張り出したり、関節構造３０に巻き込まれて損傷したりする虞がある。

また図１に示すロボット１０では、上腕１６の回転中心１４と手首軸２６の回転中心２４とを結ぶ直線３５に対し、前腕２２の回転中心１８が上方に位置している。ロボット１０は、直線３５に対して前腕２２の回転中心１８が下方に位置している状態でも使用可能であるが、一般にそのような状態でロボット１０が使用される場合は少なく、またそのような場合には、前腕２２の動作範囲を狭くして線条体２８の張り出しを抑制することが望ましいことが多い。

そこで本発明では、図２（ａ）に示すように、上腕１６及び前腕２２（前腕ベース２０）の少なくとも一方に、前腕２２の動作範囲の変更に応じて線条体２８の長さの余裕を調整するための、線条体の長さ部分を収納する収納部が設けられる。例えば、上腕１６の上部（前腕側）において、上腕１６を構成するフレームに、線条体２８を挿通可能な開口部３６を形成し、開口部３６から線条体２８を上腕１６内の空間（収納部３８）に引き込むことにより、後述する図３−図４の場合に必要となる線条体２８の長さの余裕の一部を収納しておくことができる。前腕ベース２０にも同様に、線条体２８を挿通可能な開口部４０を形成し、開口部４０から線条体２８を収納可能な空間（収納部４２）を設けることができる。このような収納部により、前腕２２の動作範囲が変更された場合でも、作業者が前腕２２の動作に必要な線条体の長さの余裕を調整（最適化）することができる。

なお図２（ａ）の例では、線条体２８の余裕を調整するための手段を収納部として説明したが、本願発明はこれに限られない。例えば、調整に必要な余裕を上腕１６又は前腕２２（前腕ベース２０）の外表面（側面）に、クランプやインシュロック等の適当な保持手段によって保持することも可能である。但しここでの「保持」は、保持されている線条体の部分が上腕１６又は前腕２２に対して動かないようにすることを意味する。

図３は、図１に示したロボット１０において、上腕１６に対する前腕２２の動作範囲（回転角度範囲）を第２の動作範囲に拡大した例を示す図である。前腕２２の動作範囲を変更する具体的手段としては、図２を用いて説明した物理ストッパ３２及び３４の少なくとも一方の位置が変更可能であるか、少なくとも一方の物理ストッパが異なる形状のものに交換可能となっており、図３の例では、上腕１６に対する前腕２２の後方（左側）への回転範囲が拡大されている。

図４は、図３のロボット１０の関節構造３０を示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び上面図（ｃ）である。上述したように、上腕１６及び前腕２２の少なくとも一方には、図３のように前腕２２の動作範囲が拡大されたときに線条体２８の長さの余裕を調整（延長）するために必要な長さ部分を収納する収納部３８及び４２が設けられているので、作業者は該収納部から線条体２８を引き出すことにより、図３の場合に必要な線条体２８の長さの余裕を、ロボット１０の動作前に予め調整しておくことができる。

図２（ｂ）又は図４（ｂ）に示すように、上腕１６の上部（前腕側）側面には、線条体２８を固定するクランプ等の第１の固定部材４４が設けられることが好ましい。また、図２（ｃ）又は図４（ｃ）に示すように、前腕ベース２０の側面には、線条体２８を固定するクランプ等の第２の固定部材４６が設けられることが好ましい。これらの固定部材により、前腕２２が回転動作したときの線条体２８の安定した挙動が確保できるようになる。

さらに、図２（ｃ）と図４（ｃ）との比較からわかるように、前腕ベース２０の側面に設けられた第２の固定部材４６は、前腕ベース２０に対する位置及び姿勢（取り付け方向）の少なくとも一方が変更（調整）可能となっていることが好ましい。第２の固定部材４６の位置及び姿勢の少なくとも一方を調整可能とすることにより、線条体２８の長さの余裕に加え、関節構造３０周りの線条体２８の配線ルートも最適化できるようになる。

例えば、図２（ｃ）に示すように、前腕２２の動作範囲が比較的狭い場合は、第１の固定部材４４と第２の固定部材４６との間の線条体２８の長さが比較的短くなるように第２の固定部材４６の向きを変更することができるが、この状態で前腕２２の動作範囲を拡大する（すなわち線条体２８の長さの余裕も大きくなる）と、図５に例示するように、前腕２２の角度位置によっては、線条体２８が関節構造３０に巻き込まれる虞がある。

そこで、図４（ｃ）に示すように、前腕２２の動作範囲が比較的広い場合は、線条体２８が第２の固定部材４６から前腕２２の長手方向（図４（ｃ）では左右方向）に略垂直に延びるように第２の固定部材４６の向きを変更することにより、図６に例示するように、線条体２８が関節構造３０に巻き込まれることを防止することができる。

上述したように、本発明に係る関節構造では、物理ストッパの交換や位置変更によって前腕の動作範囲が拡大された場合、収納部内に収納された又は前腕ベース若しくは上腕の側面に保持された線条体を用いて、拡大後の動作範囲に必要な線条体の長さの余裕を簡単に調整することができる。

逆に、前腕の動作範囲が縮小された場合は、縮小後の動作範囲に必要な線条体の長さの余裕を超える線条体の長さ部分を、収納部内に収納するか、又は前腕ベース若しくは上腕の側面に保持することにより、線条体の長さの余裕を縮小後の動作範囲に適したものに簡単に調整することができる。

１０ 産業用ロボット
１２ 旋回胴
１６ 上腕
２０ 前腕ベース
２２ 前腕
２６ 手首要素
２８ 線条体
３２、３４ 物理ストッパ
３８、４２ 収納部
４４、４６ 固定部材

Claims (4)

1. 上腕と、前記上腕に対し回転可能に連結された前腕ベースを有する前腕と、前記上腕の側面から前記前腕ベースの側面に導かれる線条体と、前記線条体を前記上腕の上部側面に固定する第１の固定部材と、前記線条体を前記前腕ベースの側面に固定する第２の固定部材と、を備えた産業用ロボットの関節構造において、
   前記上腕に対する前記前腕の動作範囲は、変更可能になっており、
   前記線条体は、前記上腕の側面と前記前腕ベースの側面との間において、前記前腕の動作範囲に応じた長さの余裕を有しており、
   前記前腕の動作範囲の変更に応じて、前記長さの余裕を調整するための、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材との間以外の線条体の長さ部分が、前記上腕又は前記前腕ベースに収納又は保持されていることを特徴とする、関節構造。
2. 前記第２の固定部材は、前記前腕ベースに対する前記第２の固定部材の位置及び姿勢の少なくとも一方が調整できるように構成されている、請求項１に記載の関節構造。
3. 前記上腕に対する前記前腕の動作範囲を制限するための物理ストッパをさらに有し、前記物理ストッパは、前記前腕の動作範囲を、第１の動作範囲と、前記第１の動作範囲より広い第２の動作範囲との間で変更できるように構成されている、請求項１又は２に記載の関節構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の関節構造を備えた産業用ロボット。

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