JP6605847B2 - ロボットアーム機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構に関する。

従来より、多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなどさまざまな分野で用いられている。このような多関節ロボットアーム機構は、例えば、直動伸縮関節が装備されている。直動伸縮関節を構成するアーム部は、例えば、同一形状を有する複数のコマを列状に連結した２種類の連結コマ列で構成される。２種類の連結コマ列を接合することで硬直状態が形成され、一定の剛性を有する柱状体としてのアーム部が構成される。直動伸縮関節が駆動されると、柱状体となったアーム部が射出部から送り出される。射出部はアーム部を強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持するために複数のローラを備えている。アーム部及び射出部にはアーム部及びアーム部に設けられたハンド等、さらにハンドで把持するワーク等全体から荷重がかかるため、最も破損が発生しやすい部品はローラや連結コマであると考えられる。

目的は、メンテナンスの工数及びその費用に応じて部品間の耐久性を設計することにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、硬直状態と屈曲状態との間で状態変化可能なアーム部と、前記硬直状態にある前記アーム部を支持する支持部と、前記屈曲状態にある前記アーム部を収納する収納部と、前記アーム部を前記支持部から前方に送り出し、前記アーム部を前記支持部に後方に引き戻すとともに前記アーム部を前記支持部と前記収納部との間で搬送する搬送部とを具備し、前記支持部は前記アーム部を強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持するために複数のローラを備え、前記複数のローラの表面硬度は前記アーム部の表面硬度よりも低いことを特徴とする。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を断面方向から見た図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の構成を図記号表現により示す図である。 図４は、図２の射出部の斜視図である。 図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。 図６は、図５のＡ−Ｄ矢視図である。 図７は、図６のローラの斜視図である。 図８は、図７のローラの縦断面図である。 図９は、図７のローラの他の構造を示す縦断面図である。 図１０は、図７のローラのさらに他の構造を示す縦断面図である。 図１１は、図６のローラの他の構造を示す斜視図である。 図１２は、図１１のローラの縦断面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。ロボットアーム機構は、略円筒形状の基部１０と基部１０に接続されるアーム部２とアーム部２の先端に取り付けられる手首部４とを有する。手首部４には図示しないアダプタが設けられている。例えば、アダプタは後述の第６回転軸ＲＡ６の回転部に設けられる。手首部４に設けられたアダプタには、用途に応じたロボットハンドが取り付けられる。

ロボットアーム機構は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１０から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６はロボットハンドの姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。手首部４は第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つは直動伸縮関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動伸縮関節部、特に伸縮距離の比較的長い関節部として構成される。アーム部２は直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）の伸縮部分を表している。

第１関節部Ｊ１は基台面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的にアーム部２が伸縮する関節である。

第４関節部Ｊ４は、第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節である。第４回転軸ＲＡ４は、後述の第７関節部Ｊ７が回転していないとき、つまりアーム部２の全体が直線形状にあるとき、第３移動軸ＲＡ３と略一致する。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

基部１０を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、アーム部２は第１支持体１１ａの軸回転とともに左右に旋回する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の外装からなる中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。ロボットアーム機構の直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）を構成するアーム部２の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して第２回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動するとき、アーム部２は第２回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。

第４関節部Ｊ４は、アーム部２の伸縮方向に沿ったアーム中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の第３移動軸ＲＡ３に典型的には接する第４回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、手首部４及び手首部４に取り付けられたロボットハンドは第４回転軸ＲＡ４を中心に回転する。第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部Ｊ５が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてロボットハンドとともに上下（第５回転軸ＲＡ５を中心に垂直方向）に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の第５回転軸ＲＡ５に垂直な第６回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転すると、ロボットハンドは左右に旋回する。

上記の通り手首部４のアダプタに取り付けられたロボットハンドは、第１、第２、第３関節部Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部２の伸縮距離の長さは、基部１０の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にロボットハンドを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが特徴的である。

図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す斜視図である。直動伸縮機構はアーム部２と射出部３０とを有する。アーム部２は第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２２とを有する。第１連結コマ列２１は複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ２３は略平板形に構成される。前後の第１連結コマ２３は、互いの端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第１連結コマ列２１は内側や外側に自在に屈曲できる。

第２連結コマ列２２は複数の第２連結コマ２４からなる。第２連結コマ２４は横断面コ字形状の短溝状体に構成される。前後の第２連結コマ２４は、互いの底面端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第２連結コマ列２２は内側に屈曲できる。第２連結コマ２４の断面はコ字形状であるので、第２連結コマ列２２は、隣り合う第２連結コマ２４の側板同士が衝突して、外側には屈曲しない。なお、第１、第２連結コマ２３、２４の第２回転軸ＲＡ２に向いた面を内面、その反対側の面を外面というものとする。第１連結コマ列２１のうち先頭の第１連結コマ２３と、第２連結コマ列２２のうち先頭の第２連結コマ２４とは結合コマ２７により接続される。例えば、結合コマ２７は第２連結コマ２４と第１連結コマ２３とを合成した形状を有している。

射出部３０は、複数のローラを備え、射出部３０に誘導された第１、第２連結コマ列２１，２２を互いに接合し、接合による柱状体を上下左右から支持する。射出部３０の詳細説明は後述する。射出部３０の後方には、ガイドローラ４０とドライブギア５０とが第１連結コマ列２１を挟んで対向するように設けられる。ドライブギア５０は図示しない減速器を介してステッピングモータ５５に接続される。第１連結コマ２３の内面には連結方向に沿ってリニアギアが形成されている。複数の第１連結コマ２３が直線状に整列されたときに互いのリニアギアは直線状につながって、長いリニアギアを構成する。ドライブギア５０は、直線状のリニアギアにかみ合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギア５０とともにラックアンドピニオン機構を構成する。

アーム伸長時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が順方向に回転すると、第１連結コマ列２１はガイドローラ４０により、アーム中心軸と平行な姿勢となって、射出部３０に誘導される。第１連結コマ列２１の移動に伴い、第２連結コマ列２２は射出部３０の後方に配置された図示しないガイドレールにより射出部３０に誘導される。射出部３０は第１、第２連結コマ列２１，２２を互いに押圧することで接合し、接合による柱状体を上下左右に支持する。第１、第２連結コマ列２１，２２の接合状態は、射出部３０により柱状体が堅持されることで保持される。第１、第２連結コマ列２１、２２の接合状態が保持されているとき、第１、第２連結コマ列２１，２２の屈曲は互いに拘束される。それにより第１、第２連結コマ列２１、２２は、一定の剛性を備えた柱状体を構成する。柱状体とは、第２連結コマ列２２に第１連結コマ列２１が接合されてなる柱状の棒体を言う。この柱状体は第２連結コマ２４が第１連結コマ２３とともに全体として様々な断面形状の筒状体に構成される。筒状体とは上下左右が天板、底板及び両側板で囲まれ、前端部と後端部とが開放された形状として定義される。第１、第２連結コマ列２１、２２の接合による柱状体は、結合コマ２７が始端となって、第３移動軸ＲＡ３に沿って直線的に第３支持部１１ｃの開口から前方に向かって送り出される。

アーム収縮時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が逆方向に回転されると、ドライブギア５０と係合している第１連結コマ列２１が第１支持体１１ａ内に引き戻される。第１連結コマ列２１の移動に伴って、柱状体が第３支持体１１ｃ内に引き戻される。引き戻された柱状体は射出部３０の後方で分離される。例えば、柱状体を構成する第１連結コマ列２１はガイドローラ４０とドライブギア５０とに挟まれ、柱状体を構成する第２連結コマ列２２は重力により下方に引かれ、それにより第２連結コマ列２２と第１連結コマ列２１とは互いに離反される。離反された第１、第２連結コマ列２１，２２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。収納に際しては、射出部３０から、第１支持体１１ａ（基部１０）の内部の収納部に第２連結コマ列２２は内側に屈曲されて搬送され、第１連結コマ列２１も第２連結コマ列２２と同じ方向（内側）に屈曲されて搬送される。第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２２に略平行な状態で格納される。

図３は、図１のロボットアーム機構を図記号表現により示す図である。ロボットアーム機構において、根元３軸を構成する第１関節部Ｊ１と第２関節部Ｊ２と第３関節部Ｊ３とにより３つの位置自由度が実現される。また、手首３軸を構成する第４関節部Ｊ４と第５関節部Ｊ５と第６関節部Ｊ６とにより３つの姿勢自由度が実現される。

ロボット座標系Σbは第1関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１上の任意位置を原点とした座標系である。ロボット座標系Σｂにおいて、直交３軸（Ｘｂ、Ｙｂ，Ｚｂ）が規定されている。Ｚｂ軸は第１回転軸ＲＡ１に平行な軸である。Ｘｂ軸とＹｂ軸とは互いに直交し、且つＺb軸に直交する軸である。手先座標系Σｈは、手首部４に取り付けられたロボットハンド５の任意位置（手先基準点）を原点とした座標系である。例えば、ロボットハンド５が２指ハンドのとき、手先基準点（以下、単に手先という。）の位置は２指先間中央位置に規定される。手先座標系Σｈにおいて、直交３軸（Ｘｈ、Ｙｈ，Ｚｈ）が規定されている。Ｚｈ軸は第６回転軸ＲＡ６に平行な軸である。Ｘｈ軸とＹｈ軸とは互いに直交し、且つＺｈ軸に直交する軸である。例えば、Ｘｈ軸は、ロボットハンド５の前後方向に平行な軸である。手先姿勢とは、手先座標系Σhのロボット座標系Σｂに対する直交３軸各々周りの回転角（Ｘｈ軸周りの回転角（ヨウ角）α、Ｙｈ軸周りの回転角（ピッチ角）β、Ｚｈ軸周りの回転角（ロール角）γとして与えられる。

第１関節部Ｊ１は、第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとの間に配設されており、回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節として構成されている。回転軸ＲＡ１は第１関節部Ｊ１の固定部が設置される基台の基準面ＢＰに垂直に配置される。

第２関節部Ｊ２は回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節として構成される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は空間座標系上のＸb軸に平行に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１に対して垂直な向きに設けられる。さらに第２関節部Ｊ２は、第１関節部Ｊ１に対して、第１回転軸ＲＡ１の方向（Ｚb軸方向）と第１回転軸ＲＡ１に垂直なＹb軸方向との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２が第１関節部Ｊ１に対して上記２方向にオフセットされるように、第２支持体１１ｂは第１支持体１１ａに取り付けられる。第１関節部Ｊ１に第２関節部Ｊ２を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が直角に曲がった２つの鈎形状体が組み合わされたクランク形状を有している。この仮想的なアームロッド部分は、中空構造を有する第１、第２支持体１１ａ、１１ｂにより構成される。

第３関節部Ｊ３は移動軸ＲＡ３を中心とした直動伸縮関節として構成される。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第２関節部Ｊ２の回転角がゼロ度、つまりアーム部２の起伏角がゼロ度であってアーム部２が水平な基準姿勢においては、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２とともに第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１にも垂直な方向に設けられる。空間座標系上では、第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３はＸb軸及びＺb軸に対して垂直なＹb軸に平行に設けられる。さらに、第３関節部Ｊ３は、第２関節部Ｊ２に対して、その回転軸ＲＡ２の方向（Ｙb軸方向）と、移動軸ＲＡ３に直交するＺb軸の方向との２方向に関してオフセットされる。第３関節部Ｊ３が第２関節部Ｊ２に対して上記２方向にオフセットされるように、第３支持体１１ｃは第２支持体１１ｂに取り付けられる。第２関節部Ｊ２に第３関節部Ｊ３を接続する仮想的なアームロッド部分（リンク部分）は、先端が垂直に曲がった鈎形状体を有している。この仮想的なアームロッド部分は、第２、第３支持体１１ｂ、１１ｃにより構成される。

第４関節部Ｊ４は回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節として構成される。第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に略一致するよう配置される。
第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節として構成される。第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５は第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３及び第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４に略直交するよう配置される。
第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ６を中心としたねじり関節として構成される。第６関節部Ｊ６の回転軸ＲＡ６は第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交するよう配置される。第６関節部Ｊ６は手先効果器としてのロボットハンド５を左右に旋回するために設けられている。なお、第６関節部Ｊ６は、その回転軸ＲＡ６が第４関節部Ｊ４の回転軸ＲＡ４及び第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５に略直交する曲げ関節として構成されてもよい。

このように複数の関節部Ｊ１−Ｊ６の根元３軸のうちの一つの曲げ関節部を直動伸縮関節部に換装し、第１関節部Ｊ１に対して第２関節部Ｊ２を２方向にオフセットさせ、第２関節部Ｊ２に対して第３関節部Ｊ３を２方向にオフセットさせることにより、本実施形態に係るロボットアーム機構は、特異点姿勢を構造上解消している。

（射出部３０の構造）
射出部３０は、第１、第２連結コマ列２１，２２の接合による柱状体を支持するための構造を備える。以下、射出部３０の典型的な構造について図４、図５、図６を参照して説明する。図４は、図２の射出部３０を示す斜視図である。図４に示すように射出部３０は、略角筒形状のフレーム３５に構成される。射出部３０は、第３支持体１１ｃの先端の射出口３９の後方近傍に配置される。以下、略角筒形状の射出部３０の中心軸を射出中心軸と称す。射出中心軸はアーム中心軸（第３移動軸ＲＡ３）と一致する。アーム中心軸は射出部３０により支持されている柱状体の中心軸である。

図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図５に示すように、フレーム３５には、第１、第２連結コマ列２１，２２の接合による柱状体を上下左右の４方位から強固に且つ移動自在に支持するために複数のローラが設けられている。ローラが破損したときに破損ローラだけを交換できように、フレーム３５にはこれら複数のローラを個々に着脱できる構造、つまりローラのシャフトを個々にフレームに固定する構造が設けられている。以下、説明の便宜上、アーム部２を第１連結コマ２１の表面側から支持するローラを上部ローラ、アーム部２を第２連結コマ２１の底面側から支持するローラを下部ローラ、アーム部２を左側方から支持するローラを左側部ローラ，アーム部２を右側方から支持するローラを右側部ローラと称す。

図６（ａ）は図５の射出部３０のＡ矢視図（平面図）である。図６（ｂ）は図５の射出部３０のＢ矢視図（左側面図）である。図６（ｃ）は図５の射出部３０のＣ矢視図（底面図）である。図６（ｄ）は図５の射出部３０のＤ矢視図（右側面図）である。フレーム３５の上部には前方から順に上部ローラ３１−１、３１−２、３１−３，３１−４，３１−５が射出中心軸に沿って等間隔に配列されている。５つの上部ローラ３１−１〜３１−５は、それらの回転中心軸が互いに平行であって、射出中心軸に直角な方向に配設される。典型的には複数の上部ローラ３１−１〜３１−５が配列される回転中心線間距離（間隔）は、第１連結コマ２３の長さよりも短く設定される。

フレーム３５の下部には前方から順に、上部ローラ３１−１〜３１−５と同本数の下部ローラ３２−１、３２−２、３２−３，３２−４，３２−５が射出中心軸に沿って等間隔に配列されている。５つの下部ローラ３２−１〜３２−５は、それらの回転中心軸が互いに平行であって、射出中心軸に直角な方向に配設される。典型的には複数の下部ローラ３２−１〜３２−５が配列される回転中心線間距離（間隔）は、複数の上部ローラ３１−１〜３１−５が配列される回転中心線間距離（間隔）と等価であり、第２連結コマ２４の長さよりも短く設定される。最前の下部ローラ３２−１は最前の上部ローラ３１−１と射出中心軸に沿って同位置に配置される。複数の下部ローラ３２−１〜３２−５は柱状体を挟んで複数の上部ローラ３１−１〜３１−５にそれぞれ対向する。

フレーム３５の左側部には、前方から順に左側部ローラ３３−１，３３−２，３３−３が射出中心軸に沿って等間隔に配列されている。左側部ローラ３３−１，３３−２，３３−３の本数は、上部ローラ３１−１〜３１−５、下部ローラ３２−１〜３２−５それぞれの本数よりも少ない。３つの左側部ローラ３３−１〜３３−３は、それらの回転中心軸が互いに平行であって、射出中心軸に直角な方向に配設される。左側部ローラ３３−１，３３−２，３３−３は、最前の上部ローラ３１−１と最後尾の上部ローラ３１−５の範囲内に配置される。複数の左側部ローラ３３−１〜３３−３の配列間隔は、最前の上部ローラ３１−１と最後尾の上部ローラ３１−５の間隔の１／４に設定される。

フレーム３５の右側部には前方から順に右側部ローラ３４−１，３４−２，３４−３が射出中心軸に沿って等間隔に配列されている。右側部ローラ３４−１，３４−２，３４−３の本数は、左側部ローラ３３−１，３３−２，３３−３の本数と同じである。３つの右側部ローラ３４−１〜３４−３は、それらの回転中心軸が互いに平行であって、射出中心軸に直角な方向に配設される。右側部ローラ３４−１，３４−２，３４−３は、最前の上部ローラ３１−１と最後尾の上部ローラ３１−５の範囲内に配置される。複数の右側部ローラ３４−１〜３４−３は、複数の左側部ローラ３３−１〜３３−３の配列間隔と等価な配列間隔で設けられている。最前の右側部ローラ３４−１は、最前の左側部ローラ３３−１と射出中心軸に沿って同じ位置に配置される。複数の右側部ローラ３４−１〜３４−３は柱状体を挟んで複数の左側部ローラ３３−１〜３３−３とそれぞれ対向する。

上部ローラ３１−１〜３１−５と下部ローラ３２−１〜３２−５との間の距離は、柱状体の厚みよりもわずかに薄くなるように設計されている。具体的には、フレーム３５において、複数の上部ローラ３１−１〜３１−５の取り付け位置と複数の下部ローラ３２−１〜３２−５の取り付け位置とが、射出部３０の厚みが柱状体の厚みよりもわずかに薄くなるように調整される。それにより複数の上部ローラ３１−１〜３１−５と複数の下部ローラ３２−１〜３２−５とは、柱状体との間に予圧をかけられた状態で柱状体を強固に支持する。

左側部ローラ３３−１〜３３−３と右側部ローラ３４−１〜３４−３との距離は、柱状体の幅よりもわずかに狭くなるように設計されている。具体的には、フレーム３５において、複数の左側部ローラ３３−１〜３３−３の取り付け位置と複数の右側部ローラ３４−１〜３４−３の取り付け位置とが、射出部３０の幅が柱状体の幅よりもわずかに狭くなるように調整される。それにより複数の左側部ローラ３３−１〜３３−３と複数の右側部ローラ３４−１〜３４−３とは、柱状体との間に予圧をかけられた状態で柱状体を強固に支持する。射出部３０と柱状体との間に適切な予圧がかかるように複数のローラの位置を調整することで、アーム伸縮時のローラと柱状体との間のガタツキが減り、これにより射出部３０の剛性を高めることができる。

（ローラの構造）
ローラの構造について図７、図８を参照して説明する。ここでは、最前の上部ローラ３１−１を例に説明する。他の上部ローラ３１−２〜３１−５、下部ローラ３２−１〜３２−５は、最前の上部ローラ３１−１と同じ材料、同じ形状、同じサイズで構成される。左側部ローラ３３−１〜３３−３及び右側部ローラ３４−１〜３４−３は最前の上部ローラ３１−１と材料及び形状は同じであるが、最前の上部ローラ３１−１よりも大きな径で構成される。右側部ローラ３４−１〜３４−３及び左側部ローラ３３−１〜３３−３は同じ材料、同じ形状、同じサイズで構成される。

図７は、図６のローラの斜視図である。図８は、図７のローラの縦断面図である。図７に示すように、上部ローラ３１−１は、ローラシャフト３１５とローラ本体３１６とからなる。ローラシャフト３１５は、金属により円柱状に構成され、フレーム３５に例えばねじにより着脱自在に取り付けられる。ローラシャフト３１５は、ローラ本体３１６のシャフト孔３１７に挿入され、ローラ本体３１６を直接軸支する。これにより、ローラ本体３１６は、ローラシャフト３１５を回転軸として回転することができる。図８に示すように、ローラ本体３１６には、ローラシャフト３１５の径より若干短い径で円筒状のシャフト孔３１７が形成されている。そのため、ローラシャフト３１５にはシャフト孔３１７の内壁との接触による摩擦力が発生する。この摩擦力が大きいと、ローラ本体３１６がローラシャフト３１５を中心にスムーズに回転できない場合がある。そのため、シャフト孔３１７の内壁には、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の摩擦力を低減するための加工が施されていてもよい。

図９は、図７のローラの他の構造を示す縦断面図である。図９に示すように、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７との間の摩擦力低減のために、ローラ本体３１６のシャフト孔３１７の内壁にはその中央付近に溝３２０を形成して、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７との接触面積を減少させてもよい。ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の要求される摩擦力に応じて、溝３２０の幅は調整される。溝の幅を広くすることで、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７との接触面積をより減少させて、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の摩擦力をより低減させることができる。図９に示すように、溝３２０はシャフト孔３１７の中央部に形成される。しかしながら、溝３２０は、シャフト孔３１７の中心部からシャフト孔３１７の軸方向にオフセットした位置に施されていてもよいし、シャフト孔３１７の軸方向に沿って複数の位置に溝３２０を形成していてもよい。

図１０は、図７のローラのさらに他の構造を示す縦断面図である。ローラ本体３１６のシャフト孔３１７の内壁にはねじ溝３２１，３２２が施されていてもよい。ねじ溝３２１はシャフト孔３１７にその前方から切られ、ねじ溝３２２はシャフト孔３１７にその後方から切られる。ねじ溝３２２はねじ溝３２１と逆ねじに切られる。ねじ溝３２２はねじ溝３２１とねじピッチ、溝数ともに同じに形成される。ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の要求される摩擦力に応じて、ねじ溝３２１，３２２の間隔は調整される。ねじ溝３２１，３２２の間隔を広くすることで、ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の接触面積を減少させて、当該ローラシャフト３１５とシャフト孔３１７の内壁との間の摩擦力を低減させることができる。ねじ溝３２２はねじ溝３２１と逆ねじに切られ、ねじピッチ、溝数ともに同じに形成されているので、ローラ本体３１６はその回転に伴ってローラシャフト３１５の一端側に移動することなく、同じ位置に留まることができる。

図７〜図１０で説明したローラは、ローラシャフト３１５によりローラ本体３１６が直接軸支される。しかしながら、ローラの構造はこれに限定されない、ローラの他の構造について、図１１、図１２を参照して説明する。ここでも、最前の上部ローラ３１−１を例に説明する。他の上部ローラ３１−２〜３１−５、下部ローラ３２−１〜３２−５は、最前の上部ローラ３１−１と同じ材料、同じ形状、同じサイズで構成される。左側部ローラ３３−１〜３３−３及び右側部ローラ３４−１〜３４−３は上部ローラ３１−１〜３１−５及び下部ローラ３２−１〜３２−５と材料及び形状は同じであるが、上部ローラ３１−１よりも大きな径で構成される。右側部ローラ３４−１〜３４−３と左側部ローラ３３−１〜３３−３とは同じ材料、同じ形状、同じサイズで構成される。

図１１は、図６のローラの他の構造を示す斜視図である。図１２は、図１１のローラの縦断面図である。図１１に示すように、上部ローラ３１−１は、ローラシャフト３１５とローラ本体３１６とベアリング３１８とからなる。ローラシャフト３１５は、ローラ本体３１６のシャフト孔３１７に挿入され、ベアリング３１８を介してローラ本体３１６と接続されている。これによりローラ本体３１６はローラシャフト３１５を回転軸として回転することができる。

以下、ローラを形成する材料（ローラ材）とアーム部２を構成する第１、第２連結コマ２３，２４の材料（コマ材）との組み合わせについて説明する。ローラは、アーム部２を構成する第１、第２連結コマ２３，２４に対して表面硬度と強度との少なくとも一方が同じ又は低い。この条件を満たす限りにおいて、第１、第２連結コマ２３，２４よりローラが早期に表面削れや割れ、亀裂等の破損が発生する。その理由は、アーム部２の前後移動に伴って第１、複数の第２連結コマ２３，２４は順番にローラを通過するが、ローラはアーム部２の前後移動に関わらずアーム部２を押圧した状態が継続することにある。

上記条件を満たすために、アーム部２を構成する第１、第２連結コマ２３，２４は金属製であり、一方、複数のローラは第１、第２連結コマ２３，２４と同じ金属製、樹脂製又は硬質ゴム製である。金属としては、典型的にはアルミニウムである。第１、第２連結コマ２３，２４が金属製である場合、好ましくは表面処理により表面硬度を高めることが好ましい。例えば第１、第２連結コマ２３，２４がアルミニウム製である場合、表面処理としてハードアルマイト処理が施される。樹脂としては、自己潤滑性樹脂が好ましい。自己潤滑性樹脂としては、ポリアセタール(POM)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE;ふっ素樹脂)、又はその他の樹脂が採用される。その中で自己潤滑性、機械的性質、成形性の観点から、ポリアセタール(POM)が最良といえる。硬質ゴムとしては例えばクロロプレンゴム、ニトリルゴム又はエボナイトが採用される。

また上記条件を満たすために、アーム部２を構成する第１、第２連結コマ２３，２４は樹脂製であってもよい。この場合、複数のローラは第１、第２連結コマ２３，２４と樹脂製又は硬質ゴム製である。

複数のローラが自己潤滑性樹脂製であることが好ましく、この場合、アーム部は金属製又は樹脂製である。アーム部が樹脂製である場合、好ましくは自己潤滑性樹脂製である。

このようにローラの表面硬度と強度との少なくとも一方が第１、第２連結コマ２３，２４（アーム部２）の表面硬度よりも低くなるよう設計されていることにより第１、第２連結コマ２３，２４よりもローラの破損は早期に発生する。第１、第２連結コマ２３，２４の単価よりもローラの単価は安価である。第１、第２連結コマ２３，２４の交換作業工数よりもローラの交換作業工数は少ない。従ってメンテナンス性を向上させることができる。

典型的には、第１、第２連結コマ２３，２４（アーム部２）は全て同じ材料で構成され、複数のローラは全て同一の材料で構成される。最も好ましくは、複数のローラは摺動特性の高い自己潤滑性を有する樹脂で形成され、第１、第２連結コマ２３，２４は金属、典型的には硬度と成形性とが両立しているアルミニウムで形成される。

他の組み合わせも様々に考えられる。ローラと第１、第２連結コマ２３，２４はアルミニウムで形成され、第１、第２連結コマ２３，２４にだけ表面硬度を高めるための表面処理、例えばハードアルマイト処理がなされていてもよい。またローラと第１、第２連結コマ２３，２４ともに樹脂製であり、第１、第２連結コマ２３，２４はローラよりも硬度の高い樹脂で形成してもよい。

ここでは、複数のローラは全て同一のローラ材で形成されているとしたが、ローラの表面硬度と強度との少なくとも一方が第１、第２連結コマ２３，２４のそれよりも低くなるのであれば、複数のローラには、表面硬度と強度との少なくとも一方が異なる複数種類のローラが混在していてもよい。例えば、第１、第２連結コマ２３，２４はハードアルマイト処理がなされたアルミニウムで形成され、複数のローラにはアルミニウム製ローラと樹脂製ローラとが混在していてもよい。例えば、複数のローラのうち、柱状体の上方最後尾に配置された上部ローラ３１−５と柱状体の下方最前に配置された下部ローラ３２−１とは、他のローラよりも表面硬度が高いローラ材で形成されている。上部ローラ３１−５と下部ローラ３２−１とには、アーム部２の自重による負荷トルクが他のローラよりも大きくかかる。そのため、上部ローラ３１−５と下部ローラ３２−１とを、他のローラよりも表面硬度が高いローラ材で形成することにより、射出部３０の剛性を高めることができる。

以上説明したロボットアーム機構によれば、射出部３０を構成する複数のローラは、第１、第２連結コマ２３，２４の表面硬度と強度との少なくとも一方が低い。これにより、経年劣化、アーム部２の自重による負荷、第３関節部（直動伸縮関節部）Ｊ３のアーム部２の伸縮動作の不具合等により、複数のローラにアーム部２全体から想定していない大きな荷重がかかった場合でも、アーム部２よりも早期にローラが破損する。第１、第２連結コマ２３，２４が破損した場合、射出部３０からアーム部２が落下する可能性がある。一方、ローラが破損した場合、破損していない他のローラでアーム部２を支持することができるため、第１、第２連結コマ２３，２４が破損した場合に比べて、アーム部２が射出部３０から落下するリスクを低減することができる。また、複数のローラのうち、柱状体の上方最後尾に配置された上部ローラ３１−５と柱状体の下方最前に配置された下部ローラ３２−１とにはアーム部２の自重による荷重が他のローラよりも大きくかかる。そのため、これらローラ３１−５，３２−１は他のローラよりも破損する可能性が高い。そこで、これらローラ３１−５，３２−１に他のローラよりも表面硬度と強度との少なくとも一方が高いローラを適用することで、ローラの破損する可能性を低減することができる。

万が一、ローラが破損した場合でも、複数のローラは個々に交換可能であり、破損したローラだけを交換すればいいため、第１、第２連結コマ２３，２４が破損した場合に比べて部品交換のコストを低減することができる。したがって、本実施形態に係るロボットアーム機構は、アーム部２全体から荷重がかかる射出部３０の破損に対するメンテナンス性を向上することにある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…アーム部、３…手先効果器、４…手首部、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２０…第２連結コマ列、２１…第１連結コマ列、２２…第２連結コマ、２３…第１連結コマ、２７…結合コマ、３０…射出部、３１−１〜３１−５…上部ローラ、３２−１〜３２−５…下部ローラ、３３−１〜３３−３…左側部ローラ、３４−１〜３４−３…右側部ローラ、３５…フレーム、

Claims (17)

1. 硬直状態と屈曲状態との間で状態変化可能なアーム部と、
   前記硬直状態にある前記アーム部を支持する支持部と、
   前記屈曲状態にある前記アーム部を収納する収納部と、
   前記アーム部を前記支持部から前方に送り出し、前記アーム部を前記支持部に後方に引き戻すとともに前記アーム部を前記支持部と前記収納部との間で搬送する搬送部とを具備し、
   前記支持部は前記アーム部を強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持するために複数のローラを備え、
   前記複数のローラの表面硬度は前記アーム部の表面硬度よりも低いことを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記アーム部は金属製であり、前記複数のローラは金属製、樹脂製又は硬質ゴム製であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記アーム部は表面処理された金属製であることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 前記アーム部は樹脂製であり、前記複数のローラは樹脂製又は硬質ゴム製であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
5. 前記複数のローラは自己潤滑性樹脂製であり、前記アーム部は金属製又は樹脂製であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
6. 前記アーム部は自己潤滑性樹脂製であることを特徴とする請求項５記載のロボットアーム機構。
7. 前記複数のローラは、表面硬度と強度との少なくとも一方が同一であることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
8. 前記複数のローラには、表面硬度と強度との少なくとも一方が異なる複数種類のローラが混在していることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
9. 前記複数のローラには、金属製ローラと樹脂性ローラとが混在していることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
10. 前記複数のローラは前後に且つ前記アーム部を挟んで上下に分散配置され、
    前記複数のローラのうち上方最後尾に配置されたローラと下方最前に配置されたローラは他のローラよりも表面硬度と強度との少なくとも一方が高いことを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
11. 前記複数のローラは、ベアリングを介してローラシャフトに回転自在に接続されていることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
12. 前記複数のローラは潤滑性樹脂製の円筒であり、ローラシャフトにより直接軸支されていることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
13. 前記ローラのシャフト孔の内壁は溝加工されていることを特徴とする請求項１２記載のロボットアーム機構。
14. 前記ローラのシャフト孔の内壁はねじ溝が形成されていることを特徴とする請求項１２記載のロボットアーム機構。
15. 前記ローラのシャフト孔の内壁はその両端から互いに逆向きにねじ溝が形成されていることを特徴とする請求項１４記載のロボットアーム機構。
16. 前記アーム部は、屈曲可能に連結された板形状の複数の第１連結コマと、屈曲可能に連結された横断面コ字形状又はロ字形状の複数の第２連結コマと、前記第１、第２連結コマが接合されることにより屈曲が拘束され硬直された柱状体が構成される、前記第１、第２連結コマの分離により前記柱状体が解除され、屈曲状態に復帰されることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
17. 前記アーム部は、背面側において屈曲自在に連結される複数の連結コマを有し、前記連結コマの屈曲が拘束されることにより硬直状態にある柱状体が構成されることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。

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