JP6176610B2 - ロボットの関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの関節機構に関する。

従来、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクに対して第２のリンクを回転自在に接続するロボットの関節機構が知られている。
例えば、特許文献１に記載されたロボットは、モータの出力軸（第１のリンク）と、アーム（第２のリンク）と、モータに対してアームを回転自在に接続する関節機構とを備えている。
このロボットの関節機構は、モータの出力軸と、アームとの間に設けられたトルクカッタ（トルクリミッタ）を備えている。このトルクカッタは、モータの出力軸に過負荷が加わるとスリップするので、モータ等の破損を抑制することができる。

しかしながら、トルクカッタにスリップが生じた場合には、モータの出力軸の回転とは無関係にアームが回転してしまうことになるので、モータの出力軸の回転角度と、アームの回転角度との間にズレが生じ、モータに対するアームの回転角度を検出することができなくなってしまうという問題がある。
そこで、特許文献１に記載されたロボットは、トルクカッタの入力側と出力側との回転角度のズレを検出するポテンショメータを備え、ポテンショメータにて回転角度のズレを検出した場合には、所定の動作を実行することによって、この回転角度のズレを解消させている。

特開２００６−２５５８２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたロボットは、所定の動作を実行することによって、トルクカッタの入力側と出力側との回転角度のズレを解消することはできるものの、モータに対するアームの回転角度を検出することができなくなってしまうという問題は依然として存在している。
なお、ポテンショメータは、トルクカッタの入力側と出力側との回転角度のズレを検出しているため、この回転角度のズレと、モータに設けられたエンコーダにて検出されるモータの出力軸の回転角度とを合成することによって、モータに対するアームの回転角度を検出することは可能である。しかしながら、複数のセンサを併用しなければならないので、誤差を蓄積してしまい検出精度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角度を精度よく確実に検出することができるロボットの関節機構を提供することである。

本発明のロボットの関節機構は、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクに対して第２のリンクを回転自在に接続するロボットの関節機構であって、第１のリンクに設けられるとともに、第２のリンクに延出し、自己の中心軸回りに回転する内筒と、内筒と同心状となるように第２のリンクに設けられるとともに、内筒を内部に収容する外筒と、内筒および外筒の間に設けられることによって、内筒および外筒を接続するとともに、内筒の回転に伴って外筒を回転させるトルクリミッタと、内筒および外筒と同心状となるように外筒に設けられるとともに、内筒の内部を介して第１のリンクに延出し、外筒と一体的に回転する軸体と、第１のリンクに設けられるとともに、内筒と、軸体との間の回転角度を検出するセンサとを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、トルクリミッタは、第１のリンクに設けられた内筒および第２のリンクに設けられた外筒を接続するとともに、内筒の回転に伴って外筒を回転させるので、第１のリンクまたは第２のリンクに過負荷が加わるとスリップし、内筒を回転させるモータ等の破損を抑制することができる。そして、センサは、第１のリンクに設けられるとともに、内筒と、軸体との間の回転角度を検出するので、１つのセンサのみを用いて第１のリンクに対する第２のリンクの回転角度を検出することができる。したがって、ロボットの関節機構は、内筒および外筒を接続するトルクリミッタにスリップが生じた場合であっても、第１のリンクに対する第２のリンクの回転角度を精度よく確実に検出することができる。

本発明では、トルクリミッタは、摩擦板式のトルクリミッタであることが好ましい。

トルクリミッタは、前述した摩擦板式の他、バネ式などの様々な種類のトルクリミッタが存在しているが、摩擦板式のトルクリミッタは、他の方式のトルクリミッタとは異なり、スリップが生じた場合であっても過負荷が取り除かれることによって、すぐに摩擦板の任意の位置で係止することができる。
本発明によれば、トルクリミッタは、摩擦板式のトルクリミッタであるので、他の方式のトルクリミッタを採用する場合と比較して、高い応答性を必要とするロボットの関節機構に好適である。

本発明では、軸体は、筒状に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、軸体の内部に信号線などのケーブルを通すことができるので、関節機構の限られたスペースを有効に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図 アームの中心軸を平行にして走行車の上方側から見た図 アームの中心軸を通るようにアームおよび関節機構を切断した断面図 アームの回転軸を通るように関節機構をＸＺ平面で切断した断面図

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図である。
ロボット１は、図１に示すように、路上を走行する走行車Ｖに載置されるマニピュレータである。このロボット１は、走行車Ｖに取り付けるための取付部２と、取付部２に設けられた円柱状のアーム３と、アーム３の先端に接続された円柱状のアーム４と、アーム４の先端に接続されたハンド５とを備えている。

アーム３は、紙面上下方向の軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられるとともに、この軸と直交する軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられている。
アーム４は、アーム３の中心軸と直交する軸を回転軸としてアーム３に回転自在に取り付けられている。
ハンド５は、本体部５１と、本体部５１におけるアーム４側の端部に設けられた２つのグリッパ６と、本体部５１におけるグリッパ６とは反対側の端部に設けられたカメラ７とを備えている。

このロボット１は、走行車Ｖを走行させることによって作業領域を移動することができ、アーム３，４を駆動することによって、作業対象にグリッパ６を近接させることができる。そして、ロボット１は、グリッパ６にて作業対象を掴んだり回したりして所定の作業を行うことができる。この際、ロボット１は、カメラ７にて撮像される画像を参照して作業を行うことができる。

図２は、アーム３，４の中心軸を平行にして走行車Ｖの上方側から見た図である。なお、図２では、紙面手前方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸のうち、アーム４の回転軸と平行な軸をＸ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸をＹ軸として説明する。以下の図面においても同様である。
アーム３およびアーム４は、図２に示すように、アーム３に設けられた第１の関節部８と、アーム４に設けられた第２の関節部９とを備えて構成される関節機構１０を介して互いに接続されている。
具体的には、前述したように、アーム４は、アーム３の中心軸と直交する軸（Ｘ軸）を回転軸としてアーム３に回転自在に取り付けられている。換言すれば、関節機構１０は、第１のリンクとしてのアーム３に対して第２のリンクとしてのアーム４を回転自在に接続している。

図３は、アーム３，４の中心軸を通るようにアーム３，４および関節機構１０を切断した断面図である。
アーム３は、図３に示すように、内部に設けられたモータ３１と、モータ３１の出力軸に取り付けられるとともに、モータ３１の出力軸の回転に伴って回転する傘歯車３２とを備えている。この傘歯車３２は、第１の関節部８の内部に突出している。

図４は、アーム４の回転軸を通るように関節機構１０をＸＺ平面で切断した断面図である。
第１の関節部８は、図３および図４に示すように、傘歯車３２と嵌合する傘歯車８１と、傘歯車８１の内部に挿入されるとともに、傘歯車８１と同心状になるように設けられる略円筒状の筒状部材８２と、筒状部材８２におけるアーム４側の端部に取り付けられる波動歯車装置８３と、波動歯車装置８３におけるアーム４側の端部に固定される略円筒状の内筒８４とを備えている。

傘歯車８１は、内周面に形成されたキー溝８１Ａ（図４参照）を有し、Ｘ軸回りに回転自在に設けられている。
筒状部材８２は、外周面に形成されたキー溝８２Ａを有し、Ｘ軸回りに回転自在に設けられている。この筒状部材８２は、傘歯車８１のキー溝８１Ａと、キー溝８２Ａとの間に挿入されたキー８５を介して傘歯車８１と一体的に回転する。

波動歯車装置８３は、筒状部材８２に形成されたフランジ８２Ｂにネジを介して固定されるウェーブジェネレータ８３Ａと、内筒８４にネジを介して固定されるフレクスプライン８３Ｂと、第１の関節部８のフレーム８Ａにネジを介して固定されるサーキュラスプライン８３Ｃとを備えている。この波動歯車装置８３は、ウェーブジェネレータ８３Ａに入力される回転を減速してフレクスプライン８３Ｂに伝達する。

したがって、内筒８４は、アーム３に設けられるとともに、アーム４に延出している。また、モータ３１の出力軸の回転に伴って傘歯車３２が回転すると、この回転に伴って傘歯車８１および筒状部材８２が回転する。そして、筒状部材８２が回転すると、この回転に伴って内筒８４が自己の中心軸回りに回転する。なお、内筒８４の回転速度は、波動歯車装置８３にて減速されるので、筒状部材８２の回転速度よりも遅くなる。

第２の関節部９は、内筒８４と同心状となるようにアーム４に設けられるとともに、内筒８４を収容する略円筒状に形成される外筒としてのフレーム９Ａと、フレーム９Ａの内周面から内筒８４の外周面に向かって延出する円環状のプレート９Ｂと、フレーム９Ａにおける＋Ｘ軸方向側の開口を閉塞するためのフレームカバー９Ｃとを備えている。

関節機構１０は、内筒８４およびフレーム９Ａの間に設けられることによって、内筒８４およびフレーム９Ａを接続するとともに、内筒８４の回転に伴ってフレーム９Ａを回転させるトルクリミッタ１０１と、内筒８４およびフレーム９Ａと同心状となるようにフレームカバー９Ｃに設けられるとともに、内筒８４の内部を介してアーム３に延出する軸体１０２とを備えている。この軸体１０２は、円筒状に形成されるととともに、フレームカバー９Ｃにネジ１０３（図４参照）を介して固定されることによって、フレームカバー９Ｃと一体的に回転する。なお、この軸体１０２の内部には、信号線などのケーブルＣを通している。

トルクリミッタ１０１は、内筒８４に形成されたフランジ８４Ａと当接して設けられる円環状の摩擦板１０１Ａと、摩擦板１０１Ａと同一の形状を有し、摩擦板１０１Ａよりもアーム４側に設けられる摩擦板１０１Ｂと、摩擦板１０１Ｂを摩擦板１０１Ａ側に付勢することによって、摩擦板１０１Ａおよび摩擦板１０１Ｂにてプレート９Ｂを挟持する力を調整するためのナット１０１Ｃとを備えている。
このトルクリミッタ１０１は、摩擦板１０１Ａ，１０１Ｂと、プレート９Ｂとの間の摩擦力を用いることによって、アーム３に設けられた内筒８４およびアーム４に設けられたフレーム９Ａを接続するとともに、内筒８４の回転に伴ってフレーム９Ａを回転させる。また、トルクリミッタ１０１は、アーム３またはアーム４に過負荷が加わるとスリップし、モータ３１等の破損を抑制することができる摩擦式のトルクリミッタである。

また、関節機構１０は、軸体１０２におけるアーム３側の端部に設けられるとともに、軸体１０２の回転に伴って回転する平歯車１０４を備えている。
この平歯車１０４は、平歯車１０５Ａと嵌合し、この平歯車１０５Ａは、ポテンショメータ１０５の入力軸に取り付けられている。したがって、本実施形態では、ポテンショメータ１０５は、アーム３に設けられるとともに、内筒８４と、軸体１０２との間の回転角度を検出するセンサとして機能する。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）ポテンショメータ１０５は、アーム３に設けられるとともに、内筒８４と、軸体１０２との間の回転角度を検出するので、１つのセンサのみを用いてアーム３に対するアーム４の回転角度を検出することができる。したがって、ロボット１の関節機構１０は、内筒８４およびフレーム９Ａを接続するトルクリミッタ１０１にスリップが生じた場合であっても、アーム３に対するアーム４の回転角度を精度よく確実に検出することができる。

（２）トルクリミッタ１０１は、摩擦板式のトルクリミッタであるので、他の方式のトルクリミッタを採用する場合と比較して、高い応答性を必要とするロボット１の関節機構１０に好適である。
（３）軸体１０２は、円筒状に形成されているので、軸体１０２の内部に信号線などのケーブルＣを通すことができ、関節機構１０の限られたスペースを有効に利用することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、第１のリンクをアーム３とし、第２のリンクをアーム４とし、本発明のロボットの関節機構をアーム３およびアーム４の関節部に採用していたが、これ以外の部位に採用してもよい。要するに、ロボットの関節機構は、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクに対して第２のリンクを回転自在に接続していればよい。

前記実施形態では、センサとしてポテンショメータ１０５を採用していたが、これ以外のセンサを採用してもよい。要するに、センサは、第１のリンクに設けられるとともに、内筒と、外筒と一体的に回転する軸体との間の回転角度を検出することができればよい。
前記実施形態では、トルクリミッタ１０１は、摩擦板式のトルクリミッタであったが、バネ式などの他の種類のトルクリミッタであってもよい。要するに、トルクリミッタは、内筒および外筒の間に設けられることによって、内筒および外筒を接続するとともに、内筒の回転に伴って外筒を回転させることができればよい。
前記実施形態では、軸体１０２は、円筒状に形成されていたが、角筒状などの他の筒状に形成されていてもよい。なお、軸体の内部に信号線などのケーブルを通さない場合には、軸体は、筒状に形成されていなくてもよい。

以上のように、本発明は、ロボットの関節機構に好適に利用できる。

１ ロボット
２ 取付部
３ アーム（第１のリンク）
４ アーム（第２のリンク）
５ ハンド
６ グリッパ
７ カメラ
８ 第１の関節部
９ 第２の関節部
８Ａ フレーム
９Ａ フレーム（外筒）
９Ｂ プレート
９Ｃ フレームカバー
１０ 関節機構
３１ モータ
３２ 傘歯車
５１ 本体部
８１ 傘歯車
８２ 筒状部材
８３ 波動歯車装置
８４ 内筒
８５ キー
１０１ トルクリミッタ
１０２ 軸体
１０５ ポテンショメータ（センサ）
Ｖ 走行車

Claims (3)

1. 第１のリンクと、第２のリンクと、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクを回転自在に接続するロボットの関節機構であって、
   前記第１のリンクに設けられるとともに、前記第２のリンクに延出し、自己の中心軸回りに回転する内筒と、
   前記内筒と同心状となるように前記第２のリンクに設けられるとともに、前記内筒を内部に収容する外筒と、
   前記内筒および前記外筒の間に設けられることによって、前記内筒および前記外筒を接続するとともに、前記内筒の回転に伴って前記外筒を回転させるトルクリミッタと、
   前記内筒および前記外筒と同心状となるように前記外筒に設けられるとともに、前記内筒の内部を介して前記第１のリンクに延出し、前記外筒と一体的に回転する軸体と、
   前記第１のリンクに設けられるとともに、前記内筒と、前記軸体との間の回転角度を検出するセンサとを備えることを特徴とするロボットの関節機構。
2. 請求項１に記載されたロボットの関節機構において、
   前記トルクリミッタは、摩擦板式のトルクリミッタであることを特徴とするロボットの関節機構。
3. 請求項１または請求項２に記載されたロボットの関節機構において、
   前記軸体は、筒状に形成されていることを特徴とするロボットの関節機構。

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