JP6163999B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は一端部がロボット本体に対して回動自在に取り付けられ、他端部に回動自在なリストが取り付けられたアーム内にケーブルを設けた産業用ロボットに関する。

一般的な産業用ロボット（以下、単に「ロボット」と記載する。）は、ロボット本体と、ロボット本体に対して回動自在に取り付けられるアームと、アームに対して回動自在に取り付けられるとともに、エンドエフェクタが取り付けられるリストとを備える。アームやリストを回動させるための駆動手段（例えば、サーボモータ）に電源を供給する電源線や、エンドエフェクタに取り付けられたエアシリンダにエアを供給するためのエアチューブ等は1本の束にまとめられて（以下、この状態のものを「ケーブル」と記載する。）、ロボット本体の内部に収容されたり、外面部に固定されたりして引き回される。

ロボットのアームやリストは、所定の角度だけ回動自在に設けられている。アームやリストが回動したときにケーブルが極度に引っ張られると、断線等の損傷が引き起こされるおそれがある。このため、ケーブルは、アームやリストが最大に回動したときであっても損傷しないように、たるみ（余裕長さ）をもって引き回されている。しかし、このたるみが大きいと、アームやリストが回動するときの抵抗となったり、周辺の部材と緩衝としたりするおそれがある。そこで、ケーブル又はケーブルを可撓性導管で保護し、要所に支持部材を設けて、ケーブル等を固定している。しかし、アームやリストが高速で動作したときにケーブルが「あばれる」という現象が生じてしまう。さらに、ロボットの回りのケーブル引き回し空間が大きくなる。また、外観も悪い。

そこで、ケーブルをアーム内に納め、より好ましくはさらに可撓性導管内に納めた多数の出願がなされている。このものは、ケーブル等をアーム内に配置することにより、ケーブルの長さを短くし、アーム軸、リスト軸回転はねじれにより吸収し、リスト回転による変形量を少なくしている。また、アーム内に納めることでケーブルの軸直角方向の変形を阻止し、また、可撓性導管に通すことで、さらに変形を阻止している。さらに、特許文献１では、アーム内に設ける可撓性導管のリスト側をリストに固定し、本体アーム側をアーム軸方向に摺動（移動）可能に設け、ケーブルの引っ張り方向の力を逃がして、リスト（手首要素）が動作した場合に可撓性導管及びケーブルに無理な力が係らないようにしている。

特開２００９−２８８７５号公報

しかし、かかるアーム内蔵形のものは、アームやリストが高速で作動すると、ケーブルがあばれる。また、合わせて可撓性導管もあばれてしまうという問題があった。また、アームは操作性、メンテナンス、軽量化、駆動モータの取り付け等のため一部が切り欠けられ開口しており、ケーブルは必ずしもアーム内に閉じ込められてはいない。また、特許文献１のものでは、可撓性導管が片持ち状態で保持され、軸方向に自由端があるので、遠心力により、可撓性導管は引っ張られるため長さが長くなる。このため、ますますあばれてしまうという問題があった。また、外装形の場合の様に可撓性導管を固定するとその利点がそがれてしまうという問題があった。

本発明の課題は、かかる問題点に鑑み、ロボットが高速で動作したときであってもケーブルが損傷しないようにするとともに、外観を悪化させることなくケーブルの引き回し作業が容易になるロボットを提供することである。

本発明においては、一端部がロボット本体側に対して軸回り又は上下方向に回動自在に取り付けられ、他端部にリスト軸回り及び前記軸直角方向に回動自在なリストが取り付けられるアームを備え、前記アーム内に、前記ロボット本体側と前記リスト間を接続する第１ケーブルと、前記第１ケーブルが貫通する可撓性導管と、前記第１ケーブルに沿って、前記アームと前記リストを前記軸直角方向に回動する揺動駆動モータ間を接続する第２ケーブルと、前記第１ケーブルに沿って、前記アームと前記リストを前記軸回りに回動する回転駆動モータ間を接続する第３ケーブルと、を有する産業用ロボットであって、前記アームは前記一端部側から中空部、前記両駆動モータが配置される空間を有する切り欠き部、前記リストが取り付けられるリスト配置部が順に設けられ、前記揺動駆動モータは前記アームの前記切り欠き部に固定され、前記回動駆動モータは前記アームの前記切り欠き部に位置するとともに前記リスト側に固定されており、前記可撓性導管は、一端が前記リストに接続され、他方側が前記中空部に設けられた固定部材に固定され、さらに、一端と他方側との中間部が前記切り欠き部に設けられた支持部材により、前記軸方向移動可能に、かつ軸直角方向への移動が制限するように支持されている産業用ロボットを提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、切り欠き部はリストに近いのでねじり、曲げの影響が大きい。そこで、少なくとも切り欠き部に可撓性導管を設け、第１ケーブルを保護する。さらに、切り欠き部に可撓性導管をある程度移動可能に支持する支持部材を設ける。一方、中空部では、ケーブル及び可撓性導管の全部又は一部は回りを囲まれ、リストより距離があるので、固定部材又は支持部材の必要性は少ない。しかし、切り欠き部での可撓性導管の安定性を確保するため、中空部に固定部材を設け、可撓性導管を固定する。固定部材は中空部の端部に設け、支持部材は切り欠き部の中間部に設けるのが好ましい。支持部材は可撓性導管がねじり、伸縮、前後移動が可能な程度の隙間をもたせればよい。

なお、第１ケーブル及び可撓性導管の中心はアーム軸心と同芯又は軸芯に沿ってほぼ一直線上に配置される。また、可撓性導管は、両端を軸方向回転方向に自在に接続、或いは一端を固定、または、両側をアーム側及びリストに対しそれぞれ固定されていてもよい。また、可撓性導管は固定部材を端部としてもよいが、さらに延出して中空部内、さらにはアーム端に達してもよい。

リストから遠い中空部では、第１ケーブルや可撓性導管の移動制限は、主としてねじり可能であれば十分である。切り欠き部では、リストの軸回転、揺動の影響が大きい。そこで、請求項２記載の発明においては、前記支持部材は、前記アーム内側に固定され前記軸直角断面で四角形状であり、前記軸に対する上下辺は辺を軸とするローラ形状である産業用ロボットとした。

切り欠き部の可撓性導管を支持する支持部材は、四角形状とし、軸直角方向では可撓性導管がねじり、伸縮、前後移動が可能な程度の隙間とする。さらに、上下方向辺をローラとし、リストの揺動方向の影響を吸収する。これにより可撓性導管の曲げ、伸縮、ねじりを許容する。なお、ローラは非回転でもよいが回転できるようにするのが好ましい。

一方、第３ケーブルはリスト側の駆動モータに接続され、第１ケーブルよりも短い。そこで、請求項３に記載の発明においては、前記第２ケーブルは、前記中空部で先記固定部材に固定され、前記切り欠き部で、支持部材により、前記軸方向移動可能に、かつ軸直角方向への移動が制限するように支持されている産業用ロボットとした。さらには、第３ケーブルは第１ケーブル及び可撓性導管とは別に可撓性導管に沿って配置する。なお、固定部材及び支持部材は、可撓性導管用支持部材と同様、固定部材を中空部の端部とし、支持部材を切り欠き部の中間部に設けるのが好ましい。

また、請求項４記載の発明においては、前記第３ケーブルの軸直角方向への移動の制限は、前記軸に対する左右方向の移動より上下方向の移動が大にされている産業用ロボットとした。また、支持部材を共通とすることもできる。そこで、請求項５記載の発明においては、前記可撓性導管の支持部材と前記第３ケーブルの前記切り欠き部の支持部材は、一体又は共通の開口を用いている産業用ロボットとした。

本発明においては、中空部に可撓性導管を固定する固定部材、切り欠き部に可撓性導管を支持する支持部材を設け、可撓性導管の軸方向移動可能に、軸直角方向への移動を制限し、可撓性導管のねじり、伸縮、前後移動を可能とし、第１ケーブルを保護するので、第１ケーブルのあばれを中空部及び可撓性導管で吸収し、可撓性導管のあばれを支持部材で吸収することができる。また、第１ケーブルは振動やあばれがないので、損傷することも少ない。また、支持部材もロボットアーム内の切り欠き部、切り欠き部近傍に取り付けられるので、ロボットの外観もすっきりし、メンテナンスも容易である。

また、請求項２記載の発明においては、支持部材の上下方向辺をローラとし、リストの揺動方向の影響を吸収し、可撓性導管の曲げ、伸縮、ねじりを許容したので、動作範囲を狭くすることなく、高速運転でもケーブル等があばれることがない。

また、請求項３に記載の発明においては、第２ケーブルも、中空部の固定部材と切り欠き部の支持部材により、軸直角方向への移動を制限したので、あばれたり、振動したりすることが少ない。また、請求項４記載の発明においては、第２ケーブルの上下方向の移動を大としたので、リストの揺動を吸収する。さらに、請求項５記載の発明においては、可撓性導管の支持部材と第２ケーブルの切り欠き部の支持部材を一体又は共通の開口を用いたので、小型、安価にできる。

本発明の実施の形態を示す産業用ロボットの斜視図である。 図１の一部を破断した産業用ロボットの要部の拡大斜視図である。 本発明の実施の形態を示す切り欠き部の支持部材の部分拡大斜視図である。 第１ケーブルの拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の実施の形態を示す産業用ロボット１００（溶接ロボット）の全体構成について説明する。図１に示すように、例えば床面等の設置面に設置されるベース１にフレーム２が載置されている。このフレーム２は、ベース１の上面に配置される基板部３と、基板部３から起立する起立板部４とを備える。また、基板部３の上面には、フレーム２の全体を水平面内（床面と平行な面内）で回動させるためのモータ（図示せず）が取り付けられている。モータのモータ軸を所定方向に回転させることにより、フレーム２は床面に垂直に設けられた第１回動軸線５を中心に回動する。

フレーム２の起立板部４に、本体側アーム（下アーム）６の下端部が片持ち状態で取り付けられている。下アーム６は、ベース２から引き回されるケーブル７（図２参照）を通過させることができるように、中空形状となっている。下アーム６は、フレーム２の起立板部４に支持されて、第２回動軸線８を中心に回動自在である。

下アーム６の上端部に、アーム（上アーム）９が片持ち状態で取り付けられている。上アーム９は、下アーム６と連結される第１上アーム部１１と、第１上アーム部１１の一端部から延設される第２上アーム部１２とを備える。上アーム９は、下アーム６に連結された状態で、第３回動軸線１３を中心に回動する。そして、第２上アーム部１２は、第１上アーム部１１に対して、第４回動軸線１４を中心に回動自在である。

図１及び図２に示されるように、第２上アーム部１２の右半部（第１上アーム部１１と連結される側の端部）には、筒状の貫通穴２６が開けられた中空部（円筒部）１５が形成されている。第２上アーム部１２における中空部１５の左側の部分は、下辺部と手前側（正面側）の側壁部が削られていて、切り欠き部１６を形成している。切り欠き部１６の奥側の側壁部（奥壁部）に揺動駆動モータ２７が取付けられる。そして、第２上アーム部１２の左半部（第１上アーム部１１と連結される側と反対側の端部）は、切り欠き部１６の奥壁部が延設されて、リスト配置部１７が形成されている。

リスト配置部１７に、片持ち状態でリスト１８が取り付けられている。リスト１８は、減速機（図示せず）を介して第２上アーム部１２のリスト配置部１７と連結され、リスト配置部１７に対して第５回動軸線１９を中心に揺動（回動）自在とされる本体部２１と、減速機２２を介して本体部２１と連結され、本体部２１に対して第６回動軸線２３を中心に回動自在とされる円板状のフランジ部２４とから成る。フランジ部２４にエンドエフェクタ（図示せず）が取り付けられる。フランジ部２４の軸心部には貫通孔２５が設けられていて、上アーム９から引き回されるケーブル７が通される。

前述したように、本実施例のロボット１００は、第１ないし第６の回動軸線５，８，１３，１４，１９，２３が設けられた６軸の多関節ロボットである。ロボット１００のケーブル７は、ロボット１００の外部からベース１内に引き込まれ、フレーム２、下アーム６、上アーム９及びリスト１８を通って、エンドエフェクタに引き回される。ただし、本明細書では上アーム９からリスト１８までの間のケーブル７の引回しについてのみ説明し、それ以外の部分におけるケーブル７の引回しの説明及び図示を省略する。

次に、第２上アーム部１２の切り欠き部１６について説明する。図２に示されるように、第２上アーム部１２の中空部１５には、上アーム９の第４中心軸線１４と同軸に筒状の貫通孔２６が形成されている。そして、第２上アーム部１２の切り欠き部１６の奥壁部には、リスト１８を回動させるための揺動駆動モータ２７が取り付けられている。揺動駆動モータ２７は、モータ軸（図示せず）を第４回動軸線１４と直交する形で取り付けられている。また、リスト１８の本体部２１には、モータ軸の中心線を第６回動軸線２３と平行に配置する形で、フランジ部２４を回動させるための回転駆動モータ２８が取り付けられている。

上アーム９の切り欠き部１６における貫通孔２６の出口部分には、固定部材（ブラケット）２９が取り付けられている。このブラケット２９に可撓性導管（コイルばね）３１の本体側端部が固着されている。なお、可撓性導管は本体側にさらに延出するようにしてもよい。可撓性導管３１の内径は、ケーブル７の外径よりも大きい。可撓性導管３１は第４回動軸線１４及び第６回動軸線２３と略同軸に配置されていて、その他端部は、リスト１８のフランジ部２４の貫通孔２５に接続される状態で固定されている。第２上アーム部１２の中空部１５の貫通孔２６を通されたケーブル７ａは、可撓性導管３１に通され、そのままリスト１８のフランジ部２４の貫通孔２５に通されて引き出される。

図２に示されるように、第２上アーム部１２の切り欠き部１６の奥壁部には、支持部材（ガイド部）３２が取り付けられている。支持部材３２は、図３に示されるように、可撓性導管３１の上下に、可撓性導管３１と軸直角に配置される２本の第１ガイドローラ３３，３４と、上下の第１ガイドローラ３３，３４の手前側に各第１ガイドローラ３３，３４と直角に配置される２本の第２ガイドローラ３５，３６とを備える。これらのガイドローラ３３，３４，３５，３６は、それぞれ独立して回転自在である。上下の第１ガイドローラ３３，３４は、それらの間隔が可撓性導管３１の外径よりも少し大きくなるように配置されている。また、第２上アーム部１２の切り欠き部１６の奥壁部から奥側の第２ガイドローラ３５までの間隔は、可撓性導管３１の外径よりも少し大きい。このため、可撓性導管３１を、切り欠き部１６の奥壁部、上下の第１ガイドローラ３３，３４及び奥側の第２ガイドローラ３５とで囲まれる空間（略正方形の空間）に配置することができる。そして、２本の第２ガイドローラ３５，３６は、所定の間隔をもって配置されている。

図２及び図３に示されるように、本実施例のロボット１００の第２上アーム部１２に引き回されるケーブル７は、第２上アーム部１２の中空部１５の貫通孔２６を通って可撓性導管３１に通され、さらにリスト１８のフランジ部２４の貫通孔２５に通される主ケーブル７ａと、中空部１５の貫通孔２６を通って、可撓性導管３１に通されずに可撓性導管３１の側方を通り、揺動駆動モータ２７に接続される第２ケーブル７ｂと、同じく可撓性導管３１に通されずに可撓性導管３１の側方を通り、ガイド部３２の２本のガイドローラ３５，３６との間を通って回転駆動モータ２８に接続される第３ケーブル７ｃと、を備える。ここで、図４に示されるように、第１（主）ケーブル７ａは、複数本の第１ケーブル３７（本実施例の場合、３本）、同じく信号線ケーブル３８（本実施例の場合、４本）、同じく給排水及びエア供給のためのチューブ３９（本実施例の場合、計７本）が１つに束ねられた形態である。第１ケーブル７ａの外径がもっとも大きく、第２ケーブル（揺動駆動モータケーブル）７ｂ、第３ケーブル（回転駆動モータケーブル）７ｃの外径は小さい。

本実施例のロボット１００の場合、揺動駆動モータ２７は、ガイド部３２よりも第２上アーム部１２の中空部１５に近い側に取り付けられている。このため、第２ケーブル７ｂは、ガイド部３２を通ることなく直接に揺動駆動モータ２７に接続されている。揺動駆動モータ２７は第２上アーム部１２に固定状態で取り付けられているため、第１ケーブル７ｂは第２上アーム部１２と一体に動作する。これに対して回転駆動モータ２８は、ガイド部３２よりも遠い側（リスト１８に近い側）に取り付けられている。このため、回転駆動モータケーブル７ｃは、ガイド部３２における２本の第２ガイドローラ３５，３６の間を通って回転駆動モータ２８に接続されている。リスト１８は第５回動軸線１９を中心に回動するため、回転駆動モータケーブル７ｃは所定のたるみ（余裕）をもって回転駆動モータ２８に接続されている。

リスト１８が第５回動軸線１９を中心に回動すると、第１ケーブル７ａが引っ張られる。従来のロボットのように、ケーブルが上アーム９の周囲に引き回されている場合、リストの回動に伴いケーブルに不自然な力が作用してしまうため、ケーブルを損傷しやすい。これに対して、本実施例のロボット１００の第１ケーブル７ａは、第１上アーム部１１からほぼ一直線の状態で配置されるため、リスト１８の回動に伴って第１ケーブル７ａに作用する引張り力は常に一定であり、第１ケーブル７ａを損傷しにくい。しかも、第１ケーブル７ａの周囲は中空部１５、可撓性導管３１によって覆われているため、第１ケーブル７ａと周辺部材が接触することはなく、第１ケーブル７ａの被覆が損傷することもない。また、第１ケーブル７ａは第６回動軸線２３と略同軸に配置されているため、リストのフランジ部２４が第６回動軸線２３を中心に回動したときの第１ケーブル７ａのねじれは最小で済む。さらに、本実施例のロボット１００は、リスト１８に引き回される第１ケーブル７ａ（外径が大きなケーブル）のみを一直線状態で引き回し、揺動、回転駆動モータ２７，２８へ接続される外径の小さい第２ケーブル７ｂ、回転駆動モータケーブル７ｃは、第１ケーブル７ａと別に引き回している。これにより、第１ケーブル７ａの外径が細くなり、その引回しが容易になるとともに、第１ケーブル７ａが損傷しにくくなる。

そして、本実施例のロボット１００では、リスト１８の回動に伴って力がかかる第１ケーブル７ａと回転駆動モータ２８の第３ケーブル７ｃはいずれも支持部材３２によってガイドされ、かつ一定範囲内に規制されている。これにより、第１ケーブル７ａと回転駆動モータ２８の第３ケーブル７ｃが動作中のロボット１００の振動等によりあばれることが防止される。

ケーブル７を引き回すとき、最も外径が大きくなる第１ケーブル７ａは一直線状に配置される。このため、第１ケーブル７ａを曲げる手間が不要となり、第１ケーブル７ａの引回し作業が容易である。また、第２、第３ケーブル７ｂ，７ｃは細いため、曲げて引回す作業は容易である。

また、第１ケーブル７ａは、第２上アーム部１２の貫通穴２６と可撓性導管３１に収容された状態となり、外部から視認されなくなる。このため、ロボット１００の外観が良好である。

本実施の形態のロボット１００では、支持部材３２を構成する第１ガイドローラ３３，３４と第２ガイドローラ３５，３６が一体に設けられている。これにより、省スペース化が図られる。しかし、第１ガイドローラ３３，３４と第２ガイドローラ３５，３６は別々に設けられていてもよい。

支持部材３２を構成する一対の第１ガイドローラ３３，３４は、可撓性導管３１をガイドするためのものである。そして、支持部材３２を構成する一対の第２ガイドローラ３５，３６は、回転駆動モータ２８の第３ケーブル７ｃをガイドするものである。しかし、第３ケーブル７ｃを一対の第２ガイドローラ３５，３６の間を通さずに、支持部材３２を構成する一対の第１ガイドローラ３３，３４の間に通す構成（即ち、ガイド部３２をケーブルガイド部とする構成）としてもよい。

６ 本体側アーム（下アーム）
７ ケーブル
７ａ 第１ケーブル（主ケーブル）
７ｂ 第２ケーブル（揺動駆動モータケーブル）
７ｃ 第３ケーブル（回動駆動モータケーブル）
９ アーム（上アーム）
１５ 中空部
１６ 切り欠き部
１７ リスト配置部
１８ リスト
１９ 軸直角方向揺動軸
２６ リスト回動軸
２７ 揺動駆動モータ
２８ 回転駆動モータ
２９ 固定部材（ブラケット）
３１ 可撓性導管（コイルばね）
３２ 支持部材（ガイド部）
３３、３４ ローラ（第１ガイドローラ）
３５，３６ 第２ガイドローラ
１００ 産業用ロボット

Claims (5)

1. 一端部がロボット本体側に対して軸回り又は上下方向に回動自在に取り付けられ、他端部にリスト軸回り及び前記軸直角方向に回動自在なリストが取り付けられるアームを備え、前記アーム内に、前記ロボット本体側と前記リスト間を接続する第１ケーブルと、前記第１ケーブルが貫通する可撓性導管と、前記第１ケーブルに沿って、前記アームと前記リストを前記軸直角方向に回動する揺動駆動モータ間を接続する第２ケーブルと、前記第１ケーブルに沿って、前記アームと前記リストを前記軸回りに回動する回転駆動モータ間を接続する第３ケーブルと、を有する産業用ロボットであって、前記アームは前記一端部側から中空部、前記両駆動モータが配置される空間を有する切り欠き部、前記リストが取り付けられるリスト配置部が順に設けられ、前記揺動駆動モータは前記アームの前記切り欠き部に固定され、前記回動駆動モータは前記アームの前記切り欠き部に位置するとともに前記リスト側に固定されており、
   前記可撓性導管は、一端が前記リストに接続され、他方側が前記中空部に設けられた固定部材に固定され、さらに、一端と他方側との中間部が前記切り欠き部に設けられた支持部材により、前記軸方向移動可能に、かつ軸直角方向への移動が制限するように支持されていることを特徴とする産業用ロボット。
2. 前記支持部材は、前記アーム内側に固定され前記軸直角断面で四角形状であり、前記軸に対する上下辺は辺を軸とするローラ形状であることを特徴とする請求項１記載の産業用ロボット。
3. 前記第３ケーブルは、前記中空部で先記固定部材に固定され、前記切り欠き部で、支持部材により、前記軸方向移動可能に、かつ軸直角方向への移動が制限するように支持されていることを特徴とする請求項１又は２記載の産業用ロボット。
4. 前記第３ケーブルの軸直角方向への移動の制限は、前記軸に対する左右方向の移動より上下方向の移動が大にされていることを特徴とする請求項３記載の産業用ロボット。
5. 前記可撓性導管の支持部材と前記第３ケーブルの前記切り欠き部中間部の支持部材は、一体又は共通の開口を用いていることを特徴とする請求項４記載の産業用ロボット。

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