JP6256470B2 - ロボット、ロボットのアーム構造および駆動装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、ロボット、ロボットのアーム構造および駆動装置に関する。

従来、関節を介して回転可能に連結された複数のアームからなるアーム部を有するロボットが知られている。かかるロボットには、たとえばアーム部内にケーブルなどを配設するために、アームを中空構造としたものがある。

かかる中空構造のアーム内には、アームや手首部の回転軸や回転伝達機構などが配設される。また、関節等には、各アームや手首部を回転させる駆動源となるモータを有する駆動装置が搭載される（たとえば、特許文献１参照）。

なお、特許文献１に開示の「産業用ロボット」に搭載される駆動装置は、アームの１軸を複数のモータを用いて駆動するものである。

特許第４２９１３４４号公報

しかしながら、上述した従来技術には、アーム内の中空領域を確保しつつ、ロボットのスリム化を図るうえで更なる改善の余地がある。

具体的には、多軸を有する多軸ロボットが普及してきた昨今、上述の中空構造のアーム内は、かかる多軸分の回転軸や回転伝達機構の配設スペースが嵩むことによって、ケーブルなどを配設するための中空領域を確保しにくくなっている。

また、多軸分の駆動源を要することから、駆動装置の配設スペースも嵩みがちであった。このため、アーム部、ひいては、ロボット全体の肥大化を招いていた。このようなロボットの肥大化は、ロボットの動作時における他機器等への干渉を招きやすくなるため、好ましくない。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、アーム内の中空領域を確保しつつ、スリム化を図ることができるロボット、ロボットのアーム構造および駆動装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るロボットは、被駆動体を駆動する駆動装置を備えた駆動体を有する。前記駆動装置は、第１の中空シャフトおよび第２の中空シャフトと、第１の駆動部および第２の駆動部とを備える。前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトは、同心配置される。前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置される。また、前記第１の中空シャフトは、外周に外歯が形成され、前記第２の中空シャフトは、前記第１の中空シャフトの外側に配置され、内周に内歯が形成され、前記第１の駆動部の出力軸は、前記外歯に噛み合うギヤを有し、前記第２の駆動部の出力軸は、前記内歯に噛み合うギヤを有する。

実施形態の一態様によれば、駆動体内の中空領域を確保しつつ、スリム化を図ることができる。

図１は、実施形態に係るロボットの構成を示す斜視模式図である。 図２Ａは、第２アームの平面透過図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す駆動装置周辺の拡大図である。 図３Ａは、図２Ｂに示すＡ−Ａ線略断面図である。 図３Ｂは、第２アームの側面透過図である。 図４Ａは、変形例に係る第１の駆動部の平面模式図である。 図４Ｂは、変形例に係る第１の駆動部の矢視Ｃ模式図である。 図５Ａは、変形例に係る駆動装置を備える第２アームの平面透過図である。 図５Ｂは、図５Ａに示すＡ’−Ａ’線略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボット、ロボットのアーム構造および駆動装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係るロボット１の構成を示す斜視模式図である。なお、図１には、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明で用いる他の図面においても示す場合がある。

また、以下では、説明の便宜上、ロボット１の旋回位置が図１に示す状態にあるものとして、ロボット１における各部位の位置関係を説明する。

図１に示すように、ロボット１は、単腕型の多軸ロボットであり、基台部１０と、基台部１０に旋回可能に連結される旋回部１１と、アーム部２０とを備える。アーム部２０は、関節を介して回転可能に連結される複数のアームや、手首部、あるいは先端可動部等を有している。

具体的には、アーム部２０は、第１関節部２１と、第１アーム２２と、第２関節部２３と、第２アーム２４、手首部２５と、先端可動部２６とを備える。第１関節部２１および第２関節部２３は関節の一例であり、その詳細については図２Ａ以降を用いて後述する。

基台部１０は、床面などに固定される。第１アーム２２は、基端部が、旋回部１１と、第１関節部２１を介して連結される。これにより、第１アーム２２は、その基端部において、軸Ｓまわりに旋回可能に、かつ、軸Ｌまわりに回転可能に支持される（図中の矢印Ａ１および矢印Ａ２参照）。

第２アーム２４は、基端部が第１アーム２２の先端部と第２関節部２３を介して連結される。これにより、第２アーム２４は、その基端部において、軸Ｕまわりに回転可能に支持される（図中の矢印Ａ３参照）。また、第２アーム２４は、軸Ｒまわりに回転可能に設けられる（図中の矢印Ａ４参照）。

また、第２アーム２４は、その先端部において、手首部２５の基端部を軸Ｂまわりに回転可能に支持する（図中の矢印Ａ５参照）。

また、手首部２５は、その先端部において、先端可動部２６を軸Ｔまわりに回転可能に支持する（図中の矢印Ａ６参照）。なお、図１には図示していないが、先端可動部２６には、ロボットハンドや溶接トーチ、あるいはレーザカット装置など、用途に合わせたエンドエフェクタが取り付けられる。

次に、アーム部２０の内部構造について説明する。なお、ここでは、一例として主に第２アーム２４の構成について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、第２アーム２４の平面透過図である。また、図２Ｂは、図２Ａに示す駆動装置２８周辺の拡大図である。

図２Ａに示すように、第２アーム２４は、中空部２７を有する中空構造のアームとなっている。なお、中空部２７は、中空領域の一例である。中空部２７は、第２関節部２３と連通させて形成されており、第２関節部２３等からケーブル類を引き込んで配設することが可能である。

また、第２アーム２４は、手首部２５や先端可動部２６などを回転させる駆動装置２８を備える。駆動装置２８は、中空部２７の周囲に配設される。この場合、第２アーム２４が駆動体で、手首部２５あるいは先端可動部２６が被駆動体となる。

かかる駆動装置２８周辺について、さらに具体的に説明する。図２Ｂに示すように、駆動装置２８は、第１の駆動部２８１と、第２の駆動部２８２とを備える。第１の駆動部２８１および第２の駆動部２８２はそれぞれ、たとえばモータＭと、かかるモータＭに同軸配置されたブレーキＢｒおよびエンコーダＥｎとを備える。なお、モータＭは、電動モータだけでなく、例えば油圧モータなど他の種類のモータであってもよい。

また、第１の駆動部２８１は、出力軸Ｏ１を有する。また、第２の駆動部２８２は、出力軸Ｏ２を有する。

また、駆動装置２８は、第１の中空シャフト２８３と、第２の中空シャフト２８４とを備える。第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４は、同心配置される。なお、本実施形態では、第２の中空シャフト２８４が、第１の中空シャフト２８３の外側に配置されるものとする。

また、ここでは、第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４は、軸Ｒの軸心に同心配置されるものとするが、軸Ｒに限らなくともよい。また、ここに言う同心配置は、たとえば、幾何公差に許容される範囲で、わずかにずれている場合を含むものとする。

ここで、かかる第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４と、第１の駆動部２８１および第２の駆動部２８２とを連結する連結部の構成、および、かかる構成によって得られる効果について、図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。

図３Ａは、図２Ｂに示すＡ−Ａ線略断面図である。また、図３Ｂは、第２アーム２４の側面透過図である。

既に述べたように、また、図３Ａに示すように、第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４は、軸Ｒの軸心に同心配置される。また、第１の駆動部２８１および第２の駆動部２８２は、第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４の周方向に沿って配置される。これによりまず、中空部２７を確保することができる。

また、図３Ａに示すように、第１の中空シャフト２８３は、その外周に外歯２８３ａが形成される。また、第１の駆動部２８１の出力軸Ｏ１は、かかる外歯２８３ａに噛み合うギヤ２８５を有する。かかるギヤ２８５と外歯２８３ａを噛み合わせることにより、第１の駆動部２８１の出力軸Ｏ１は、第１の中空シャフト２８３に連結される。

一方、第２の中空シャフト２８４は、その内周に内歯２８４ａが形成される。また、第２の駆動部２８２の出力軸Ｏ２は、内歯２８４ａに噛み合うギヤ２８６を有する。かかるギヤ２８６と内歯２８４ａを噛み合わせることにより、第２の駆動部２８２の出力軸Ｏ２は、第２の中空シャフト２８４に連結される。

上述の連結部をこのような構成とすることにより、多軸分の駆動源や回転軸、回転伝達機構を、中空部２７の周囲でコンパクトに配設することができる。したがって、たとえば、図３Ｂに示すように、中空部２７を確保しつつ、第２アーム２４の筐体を絞り込んだ形状にすることができる（図中の矢印Ａ７参照）。すなわち、第２アーム２４内の中空領域を確保しつつ、スリム化を図ることができる。

図２Ｂの説明に戻る。図２Ｂに示すように、第１の中空シャフト２８３は、さらに歯面２８７を有する。アーム部２０は、かかる歯面２８７に噛み合うギヤ２８９を備える。そして、かかるギヤ２８９を歯面２８７に噛み合わせることによって、第１の駆動部２８１の動力は、最終出力軸ＬＯ１から出力されることとなる。

一方、第２の中空シャフト２８４は、さらに歯面２８８を有する。第２アーム２４は、かかる歯面２８８に噛み合うギヤ２９０を備える。そして、かかるギヤ２９０を歯面２８８に噛み合わせることによって、第２の駆動部２８２の動力は、最終出力軸ＬＯ２から出力されることとなる。

ところで、これまでは、第１の駆動部２８１および第２の駆動部２８２が、それぞれ単一のモータＭを備える場合を例に挙げたが、第１の駆動部２８１あるいは第２の駆動部２８２の出力を上げたい場合などに、複数個のモータＭを備えることとしてもよい。次に、かかる変形例について、図４Ａ〜図５Ｂを用いて説明する。

図４Ａは、変形例に係る第１の駆動部２８１’の平面模式図である。また、図４Ｂは、変形例に係る第１の駆動部２８１’の矢視Ｃ模式図である。なお、図４Ａおよび図４Ｂでは、主に第１の駆動部２８１’を例に挙げるが、かかる変形例では、第２の駆動部２８２’も同様の構成であるものとする。

図４Ａに示すように、変形例に係る第１の駆動部２８１’は、第１のモータＭ１と、第２のモータＭ２と、ブレーキＢｒと、エンコーダＥｎと、動力連結部Ｐｃとを備える。

第１のモータＭ１は、出力軸ＭＯ１を有する。第２のモータＭ２は、出力軸ＭＯ２を有する。ブレーキＢｒおよびエンコーダＥｎはそれぞれ、回転軸が第１の駆動部２８１’の出力軸Ｏ１に同軸配置され、連結される。なお、以下では、かかる連結されたブレーキＢｒおよびエンコーダＥｎをまとめて「ブレーキエンコーダ部」と記載する場合がある。

このように、分離して設けられた第１のモータＭ１、第２のモータＭ２およびブレーキエンコーダ部は、たとえば、図４Ａに示すように、並べて配置させることが可能である。すなわち、第１の駆動部２８１’は、たとえば、低背に、言い換えれば薄型に構成することが可能となる。

また、第１のモータＭ１、第２のモータＭ２およびブレーキエンコーダ部は分離しているので、横並びに限らず、配置スペースの形状等に応じて配置させることが可能である。たとえば、上述の第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４の周方向に沿わせて配置させてもよい。かかる一例については、図５Ａおよび図５Ｂを用いて後述する。

また、図４Ｂに示すように、動力連結部Ｐｃは、第１のプーリ２８１ａと、第２のプーリ２８１ｂと、第３のプーリ２８１ｃと、ベルト２８１ｄとを備える。

第１のプーリ２８１ａは、第１のモータＭ１の出力軸ＭＯ１に連結される。第２のプーリ２８１ｂは、第２のモータＭ２の出力軸ＭＯ２に連結される。第３のプーリ２８１ｃは、第１の駆動部２８１’の出力軸Ｏ１に連結される。

そして、これら第１のプーリ２８１ａ、第２のプーリ２８１ｂ、第３のプーリ２８１ｃは、たとえば、図４Ｂに示すような形態で、ベルト２８１ｄによって連結される。これにより、第１のモータＭ１および第２のモータＭ２の動力を、第１の駆動部２８１’の出力軸Ｏ１へ伝達し、かかる出力軸Ｏ１から出力させることができる。

たとえば、第１のモータＭ１および第２のモータＭ２が同一定格で、それぞれ５０Ｗ（ワット）である場合、第１の駆動部２８１’の出力軸Ｏ１からは１００Ｗの出力を得ることができる。すなわち、薄型で、かつ、配置スペースの形状等に応じた配置が可能でありつつ、高い出力も得ることができる。

また、図４Ｂに示すように、第１のプーリ２８１ａおよび第２のプーリ２８１ｂに対して、第３のプーリ２８１ｃのプーリ比を小さくすることによって、第１のモータＭ１および第２のモータＭ２の回転をブレーキエンコーダ部の回転軸に増速させて伝達することができる。

したがって、ブレーキＢｒのブレーキ容量を小さく、すなわち、ブレーキＢｒをコンパクトに構成することができる。また、エンコーダＥｎについては、第１のモータＭ１および第２のモータＭ２の回転を高分解能に得ることが可能となる。

なお、以下では、図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明した第１の駆動部２８１’（および第２の駆動部２８２’）を搭載した駆動装置については、「２８’」の符号を付すこととする。

つづいて、第１の駆動部２８１’および第２の駆動部２８２’を搭載する場合の一例を示す。図５Ａは、変形例に係る駆動装置２８’を備える第２アーム２４の平面透過図である。また、図５Ｂは、図５Ａに示すＡ’−Ａ’線略断面図である。

なお、図５Ａは図２Ａに、図５Ｂは図３Ａに、それぞれ対応しているため、重複する構成要素については、その説明を省略するか簡略化する場合がある。

図５Ａに示すように、第２アーム２４は、中空部２７を確保しつつ、駆動装置２８’を搭載することができる。

具体的には、図５Ｂに示すように、第１の駆動部２８１’および第２の駆動部２８２’は、軸Ｒの軸心に同心配置された第１の中空シャフト２８３および第２の中空シャフト２８４の周方向に沿って配置される。

たとえば、第１の駆動部２８１’は、中空部２７を挟んで紙面右側に配置され、出力軸Ｏ１に連結されたブレーキエンコーダ部（符号Ｂｒ，Ｅｎ参照）を中央に、第１のモータＭ１をその下側に、第２のモータＭ２を上側に、それぞれ配置する。

なお、図示は略しているが、第１のプーリ２８１ａ、第２のプーリ２８１ｂおよび第３のプーリ２８１ｃは、ベルト２８１ｄによって連結される（図４Ｂ参照）。

一方、図５Ｂに示すように、第２の駆動部２８２’は、中空部２７を挟んで紙面左側に配置され、出力軸Ｏ２に連結されたブレーキエンコーダ部を中央に、第１のモータＭ１をその上側に、第２のモータＭ２を下側に、それぞれ配置する。

なお、図示は略しているが、第１の駆動部２８１’の場合と同様に、第２の駆動部２８２’もまた、第１のプーリ２８１ａ、第２のプーリ２８１ｂおよび第３のプーリ２８１ｃは、ベルト２８１ｄによって連結される（図４Ｂ参照）。

これにより、高出力の駆動源や回転軸、回転伝達機構を、中空部２７の周囲でコンパクトに配設することができる。したがって、たとえば、既に図３Ｂに示したように、中空部２７を確保しつつ、第２アーム２４のフレームを絞り込んだ形状にすることができる。すなわち、第２アーム２４内の中空領域を確保しつつ、スリム化を図ることができる。

なお、図４Ａ〜図５Ｂを用いた説明では、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２との間にブレーキエンコーダ部を配置する例を示したが、これに限られるものではなく、たとえば、ブレーキエンコーダ部を端に配置してもよい。

また、動力連結部Ｐｃにおけるベルト２８１ｄの架け渡し方も、図４Ｂに示した例に限られるものではなく、第１のモータＭ１、第２のモータＭ２およびブレーキエンコーダ部の相対的な配置位置に応じたものであればよい。

すなわち、第１の駆動部２８１’の出力軸Ｏ１および第２の駆動部２８２’の出力軸Ｏ２は、上記第１のモータＭ１、第２のモータＭ２およびブレーキエンコーダ部の相対的な配置位置やベルト２８１ｄの架け渡し方によって、出力位置を自由度高く設けることができる。

上述してきたように、実施形態に係るロボットは、被駆動体を駆動する駆動装置を備えた駆動体を有する。前記駆動装置は、複数個の中空シャフトと、駆動部とを備える。前記複数個の中空シャフトは、同心配置される。前記駆動部は、前記中空シャフトの周方向に沿って複数個配置される。また、前記駆動部の出力軸は、前記中空シャフトのいずれかにギヤを介して連結される。

したがって、実施形態に係るロボットによれば、第２アーム内の中空領域を確保しつつ、スリム化を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、第１の駆動部および第２の駆動部の２つの駆動部が、同心配置された２つの中空シャフトのいずれかにギヤを介して連結される場合を、すなわち、２軸分の最終出力軸を得る場合を例示したが、最終出力軸の軸数を限定するものではない。

たとえば、最終出力軸を３軸分得るのであれば、同心配置された３つの中空シャフトの周方向に沿って３つの駆動部を配置し、かかる３つの駆動部それぞれが、３つの中空シャフトのいずれかにギヤを介して連結される構成とすればよい。

また、上述した実施形態では、第１の駆動部が中空領域を挟んで紙面右側に、第２の駆動部が中空領域を挟んで紙面左側に、それぞれ配置される場合を例示した（図３Ａあるいは図５Ｂ参照）。しかし、これは各駆動部の配置位置を限定するものではない。

たとえば、第１の駆動部を、中空領域を挟んで紙面上側に、第２の駆動部を、中空領域を挟んで紙面下側に、それぞれ配置することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、駆動装置におけるギヤの噛み合わせの一例を図３Ａあるいは図５Ｂに示したが、両図とも、実際のギヤの歯数を限定するものではない。また、ギヤの歯筋の形状などを限定するものでもなく、平歯車やはすば歯車など、求められる仕様に応じて適したものを選択すればよい。

また、上述した実施形態では、ブレーキおよびエンコーダを同軸配置する例を示したが、必ずしも同軸配置としなくてもよい。

また、上述した実施形態では、主に第２アームを例に挙げて説明を行ったが、アーム部を構成するアームを限定するものではない。したがって、上述の実施形態が、たとえば第１アームに適用されてもよい。この場合は、第１アームが駆動体であり、第２アームが被駆動体になる。また、旋回部に適用されてもよい。この場合は、旋回部が駆動体であり、第１アームが被駆動体になる。

また、上述した実施形態では、１つのアーム部につき、第１アームおよび第２アームの２つのアームを備える場合を例示したが、アーム数を限定するものではない。

また、上述した実施形態では、１つのアーム部につき６軸を有する多軸ロボットを例示したが、軸数を限定するものではない。例えば、７軸の多軸ロボットでもよい。

また、上述した実施形態では、単腕ロボットを例示したが、これに限られるものではなく、たとえば、双腕ロボットであってもよいし、３つ以上の腕を備える多腕ロボットであってもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボット
１０ 基台部
１１ 旋回部
２０ アーム部
２１ 第１関節部
２２ 第１アーム
２３ 第２関節部
２４ 第２アーム
２５ 手首部
２６ 先端可動部
２７ 中空部
２８ 駆動装置
２８１ 第１の駆動部
２８１ａ 第１のプーリ
２８１ｂ 第２のプーリ
２８１ｃ 第３のプーリ
２８１ｄ ベルト
２８２ 第２の駆動部
２８３ 第１の中空シャフト
２８３ａ 外歯
２８４ 第２の中空シャフト
２８４ａ 内歯
２８５ ギヤ
２８６ ギヤ
２８７ 歯面
２８８ 歯面
２８９ ギヤ
２９０ ギヤ
Ａ１〜Ａ７ 矢印
Ｂ 軸
Ｂｒ ブレーキ
Ｅｎ エンコーダ
Ｌ 軸
ＬＯ１，ＬＯ２ 最終出力軸
Ｍ モータ
Ｍ１ 第１のモータ
Ｍ２ 第２のモータ
ＭＯ１，ＭＯ２ 出力軸
Ｏ１，Ｏ２ 出力軸
Ｐｃ 動力連結部
Ｒ 軸
Ｓ 軸
Ｔ 軸
Ｕ 軸

Claims (6)

1. 被駆動体を駆動する駆動装置を備えた駆動体を有し、
   前記駆動装置は、
   同心配置される第１の中空シャフトおよび第２の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置される第１の駆動部および第２の駆動部と
   を備え、
   前記第１の中空シャフトは、外周に外歯が形成され、
   前記第２の中空シャフトは、前記第１の中空シャフトの外側に配置され、内周に内歯が形成され、
   前記第１の駆動部の出力軸は、前記外歯に噛み合うギヤを有し、
   前記第２の駆動部の出力軸は、前記内歯に噛み合うギヤを有すること
   を特徴とするロボット。
2. 前記第１の駆動部および前記第２の駆動部のそれぞれは、
   複数のモータと、
   前記複数のモータの動力を連結して前記出力軸から出力させる動力連結部と
   を備え、
   前記複数のモータそれぞれは、
   前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置されること
   を特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記動力連結部は、
   プーリおよびベルトの組み合わせにより構成されること
   を特徴とする請求項２に記載のロボット。
4. 駆動装置を有するロボットのアーム構造において、
   前記駆動装置は、
   同心配置される第１の中空シャフトおよび第２の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置される第１の駆動部および第２の駆動部と
   を備え、
   前記第１の中空シャフトは、外周に外歯が形成され、
   前記第２の中空シャフトは、前記第１の中空シャフトの外側に配置され、内周に内歯が形成され、
   前記第１の駆動部の出力軸は、前記外歯に噛み合うギヤを有し、
   前記第２の駆動部の出力軸は、前記内歯に噛み合うギヤを有すること
   を特徴とするロボットのアーム構造。
5. 同心配置される第１の中空シャフトおよび第２の中空シャフトと、
   前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置される第１の駆動部および第２の駆動部と
   を備え、
   前記第１の中空シャフトは、外周に外歯が形成され、
   前記第２の中空シャフトは、前記第１の中空シャフトの外側に配置され、内周に内歯が形成され、
   前記第１の駆動部の出力軸は、前記外歯に噛み合うギヤを有し、
   前記第２の駆動部の出力軸は、前記内歯に噛み合うギヤを有すること
   を特徴とする駆動装置。
6. 前記第１の駆動部および前記第２の駆動部のそれぞれは、
   複数のモータと、
   前記複数のモータの動力を連結して前記出力軸から出力させる動力連結部と
   を備え、
   前記複数のモータそれぞれは、
   前記第１の中空シャフトおよび前記第２の中空シャフトの周方向に沿って配置されること
   を特徴とする請求項５に記載の駆動装置。

Images