JP6683577B2 - メカニカルストッパ装置及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルストッパ装置及びロボットに関し、より詳細には、多関節の産業用ロボットにおける回転体の回転角度を規制するメカニカルストッパ装置及び該メカニカルストッパ装置を備えるロボットに関する。

従来、回転駆動部を有する装置の回転体と固定体との間には、他設備の破損を防止する等の安全装置としてのメカニカルストッパ装置が設けられている。例えば、回転駆動部を有する多関節の産業用ロボットでは、回転軸線上に配線を必要とする場合が多く、回転体の無制限での回転を可能とすると配線が捻じれて、配線の破損が生じる。

このような無制限の回転による機械損傷の防止には、メカニカルストッパ装置による回転範囲の制御が有用であり、例えば特許文献１では産業用ロボット等の回転軸部に設けられる回転量設定用のストッパ装置において、回転設定限界を３６０°を越えて設定可能としている。また、特許文献２では、減速機等の機械部品へ過大な衝撃力が働くことによって生じる機械部品の損傷を防止するため、検出手段を用いて、旋回軸の駆動モータの回転をストロークエンドで禁止するストッパ装置を備える。また、特許文献３では、メカニカルストッパ装置に摺動部を有する特許文献１、２で解決がなされていない摩耗粉の発生を抑制するため、帯状の弾性体に一方の接片を当接させて、一方の部材の回転を停止するようにしたストッパ装置が開示されている。

特開平０７−１３６９７２号公報 特開平１０−２２５８９０号公報 特開２００５−２４６５１６号公報

暴走等のトラブルによる過度な回転を防止する場合、その回転速度は非常に高速であり、メカニカルストッパ装置自体への衝撃も過大になる。産業用ロボットの場合、衝撃時にかかる慣性力によって、メカニカルストッパ装置だけでなく、ロボット先端のエンドエフェクタにも過度な負荷がかかり、故障や原点ズレが発生する虞がある。特に、溶接に使用される産業用ロボットの場合、原点ズレが生じると溶接位置の狙いズレが発生し、原点修正が必要となる。しかしながら、特許文献１〜３には、エンドエフェクタの損傷については言及されておらず、この点を考慮した衝撃への対策が望まれている。

また、特許文献１、２では摺動部が存在するため、スライダーなどの摺動部が摩耗したり、またゴムやバネといった弾性体が、過大な衝撃力によって損傷する虞がある。また、特許文献３では、ストッパの弾性体として市販のタイミングベルトを用いているため、衝撃力によっては弾性体が破断する可能性がある。このため、メカニカルストッパ装置の寿命が低下し、数回の使用で交換が必要となる場合もある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、産業用ロボット（特に、エンドエフェクタ）およびメカニカルストッパ装置自体の損傷をより確実に防止するメカニカルストッパ装置およびそれを用いたロボットを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 固定体と、回転軸線を中心にして該固定体に対して回転する回転体との間に設けられるメカニカルストッパ装置であって、
前記固定体は、前記固定体に設けられた支点を中心として揺動可能なレバーと、前記レバーの揺動方向の両側で、前記固定体に取付けられ、前記レバーの揺動方向の両側面と当接可能な一対の弾性体と、を有する固定側ストッパを備え、
前記回転体は、前記レバーの両側面に当接可能な可動側ストッパを備え、
前記レバーの支点から前記レバーと前記可動側ストッパとの当接位置までの距離ａと、前記レバーの支点から前記レバーと前記弾性体との当接位置までの距離ｂとの比は、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０であり、
前記弾性体の厚さＤは、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍである、メカニカルストッパ装置。
（２） 前記レバーと前記弾性体との接触面積は、３００〜３０００ｍｍ^２である、（１）に記載のメカニカルストッパ装置。
（３） 前記弾性体と当接する前記レバーの接触部の硬さは、前記弾性体よりも硬い、（１）または（２）に記載のメカニカルストッパ装置。
（４） 前記レバーの可動範囲は、５０〜９０°であり、前記レバーの可動範囲内において、前記レバーが前記弾性体と当接する、（１）〜（３）のいずれかに記載のメカニカルストッパ装置。
（５） （１）〜（４）のいずれかに記載のメカニカルストッパ装置が、前記固定体であるロボットの基部と、前記回転体である旋回胴との間に配設される、ロボット。

本発明に係るメカニカルストッパ装置によれば、固定体は、固定体に設けられた支点を中心として揺動可能なレバーと、レバーの揺動方向の両側で固定体に取付けられ、レバーの揺動方向の両側面と当接可能な一対の弾性体と、を有する固定側ストッパを備え、回転体は、レバーの両側面に当接可能な可動側ストッパを備える。レバーの支点からレバーと可動側ストッパとの当接位置までの距離ａと、レバーの支点からレバーと弾性体との当接位置までの距離ｂとの比は、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０であり、弾性体の厚さＤは、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍであるので、ａ／ｂの比率を適正に設定することによって、回転体の楕走距離を確保しつつ、適正な厚みを持った弾性体で衝撃力を吸収して、産業用ロボットの損傷をより確実に防止することができ、且つメカニカルストッパ装置自体の寿命を向上することができる。

また、ロボットの基部と旋回胴との間には、上記のメカニカルストッパ装置が配設されるので、ロボット先端に装着される溶接トーチなどのエンドエフェクタにかかる過度な負荷を軽減して、エンドエフェクタの故障や原点ズレを確実に防止することができる。

本発明に係るメカニカルストッパ装置を備える一実施形態の産業用ロボットの斜視図である。 メカニカルストッパ装置の断面図である 。 図２のＩＩＩ方向から見た側面図である。 レバーの斜視図である。

以下、本発明に係るメカニカルストッパ装置及び該メカニカルストッパ装置を備える産業用ロボットの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以降の説明では、産業用ロボットの一例として溶接用ロボットについて説明するが、溶接用ロボットに限定されるものではなく、各種ロボットにも適用することができる。

図１に示すように、本実施形態に係る多関節の溶接用ロボット１０（以後、単にロボットとも言う）は、第１軸Ｊ１〜第６軸Ｊ６の６軸の関節部を有している。Ｊ１〜Ｊ６の各軸は、それぞれ軸を駆動するための駆動モータ１１を備える。駆動モータ１１は、例えば、サーボモータであり、不図示の通信線を介して接続されている制御装置からの指令により制御される。これにより、各軸Ｊ１〜Ｊ６の回転角度が制御されて、溶接用ロボット１０のエンドエフェクタである溶接トーチ１３が予めプログラムされた軌跡に沿って移動して所要部分の溶接を行う。

また、溶接用ロボット１０には、溶接トーチ１３に消耗式電極（以後、溶接ワイヤと言う）を送給する不図示のワイヤ送給装置が搭載されており、通信線によって制御装置と接続されている。ワイヤ送給装置は、制御装置の指令信号に従って、溶接ワイヤの送給速度を制御する。さらに、溶接トーチ１３には、不図示の供給装置からシールドガスが供給されて、溶接時の大気の巻き込みを保護している。

以下に、第１軸Ｊ１に配設されたメカニカルストッパ装置を例にとり、詳細に説明する。図２は、第１軸Ｊ１に配設されたメカニカルストッパ装置の断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ方向から見た側面図である。第１軸Ｊ１は、設置面Ｇに固定された固定体である軸状の基部２１と、軸状の基部２１に回動可能に支持され、基部２１の外周面より大きな外径のフランジ部２２ａを有する、回転体である旋回胴２２と、を備え、基部２１と旋回胴２２との間には、メカニカルストッパ装置３０が配設されている。メカニカルストッパ装置３０は、基部２１に対する旋回胴２２の回動範囲を制限する。

メカニカルストッパ装置３０は、基部２１に配設された固定側ストッパ３１と、旋回胴２２に配設された可動側ストッパとしてのストッパピン３３とを備える。固定側ストッパ３１は、レバー２４と、一対の弾性体２５と、を備える。基部２１は、その一部が外周側に向かって略扇状に切り欠かれた空間であるレバー室２６を有し、レバー２４がレバー室２６内で揺動可能に配設されている。

レバー２４は、図４に示すように、一方の面側に設けられた段部２４ａと、該段部２４ａに形成された支持孔２４ｂと、を有する。レバー２４は、支持孔２４ｂに挿通される鍔付きの支持軸２３が基部２１に固定されることで、支持軸２３を中心として揺動可能に支持される。

図２に戻り、レバー２４の長さは、その先端が基部２１の外周面より外径側に突出する長さとなっている。また、レバー室２６の両側壁２６ａには、レバー２４が揺動したとき、該レバー２４と当接可能な一対の弾性体２５が固定されている。各弾性体２５は、衝突面の形状を円形とする円柱状であり、両側壁２６ａに形成された凹溝２６ｂから突出すると共に、一端面が凹溝２６ｂ内にねじ止めにより固定されている。
なお、レバー２４と弾性体２５とは、平面部同士で当接するように配置されることが好ましい。
このように構成された固定側ストッパ３１では、レバー室２６内でのレバー２４の可動範囲（揺動範囲）βは、５０ °〜９０°に制限される。

レバー２４の素材は、樹脂、金属等特に問わない。また、弾性体２５と接触するレバー２４側の接触面は、レバー２４の素材とは異なるものを貼り付けてもよい。例えば、弾性体２５との接触面にのみゴムを貼り付けることで、レバー２４自体の耐久力を向上させることができる。

さらに、レバー２４の接触面の硬さと、弾性体２５の硬さは、レバー２４側の接触面の方が硬い程好ましい。これにより、レバー２４が弾性体２５に当接したとき、弾性体２５が弾性変形しながら停止することで急制動が抑制されて、旋回胴２２の惰走距離を確保することができる。

弾性体２５の材質は特に問わないが、ゴムやバネなどが使用可能であり、耐久性の観点からゴムを使用するのがより好ましい。ゴムとしては、例えば、天然ゴム、アクリルゴム、ウレタンが使用可能であり、反発弾性、耐摩耗性等の機械的特性の観点から、ウレタンゴムがより好ましい。また、ゴムの硬さは、Ａ１０〜Ａ１００（ＪＩＳ Ｋ ６２５３ デュロメータＡ）の範囲にあることが好ましい。また、ゴムは、一種類だけでなく、複数のゴムを重ね合せても良く、その場合、硬さが柔らかいゴムを、レバー２４との接触面側に配置することが好ましい。

ストッパピン３３は、断面円形形状を有し、レバー２４と当接可能な旋回胴２２上の位置（具体的には、フランジ部２２ａの位置）に固定される。旋回胴２２には、複数のピン孔２７が円周方向に沿って設けられ、ストッパピン３３を複数のピン孔２７のいずれかのピン孔２７に挿脱することで、旋回胴２２に対する取り付け位置が変更可能である。

このように、旋回胴２２に対するストッパピン３３の取り付け位置を変更することにより、旋回胴２２の回動範囲を容易に変更することができる。ストッパピン３３の素材はとくに問わないが、衝撃時における変形量が少ない金属製であることが好ましい。

メカニカルストッパ装置３０では、図２に示すように、例えば、旋回胴２２が反時計方向に回転すると、やがてストッパピン３３がレバー２４の左側面に当接し、レバー２４が支持軸２３を中心として反時計方向に揺動回転する。そして、旋回胴２２が予め定めた回転量の制限を超えると、レバー２４が一方（図中右側）の弾性体２５に衝突する。弾性体２５は、弾性変形することで旋回胴２２の運動エネルギを吸収して旋回胴２２の回転を停止させる。

同様に、旋回胴２２が時計方向に回転すると、ストッパピン３３がレバー２４の右側面に当接して、レバー２４を支持軸２３を中心として時計方向に揺動回転させる。そして、旋回胴２２が予め定めた回転量の制限を超えると、レバー２４が他方（図中左側）の弾性体２５に衝突し、弾性体２５が弾性変形することで旋回胴２２の運動エネルギを吸収して旋回胴２２の回転を停止させる。

メカニカルストッパ装置３０は、５０〜９０°の可動範囲を持って揺動可能なレバー２４を介して旋回胴２２の回転を停止させることにより、相対的な総回転量が３６０°を越える回転を可能としている。

一方、旋回胴２２が急停止すると、慣性力によって溶接用ロボット１０全体に負荷がかかる。特に、アーム先端に配置されるエンドエフェクタである溶接トーチ１３への負荷が顕著となるため、レバー２４と弾性体２５との衝突（接触）後に、旋回胴２２が静止するまでのある程度の惰走距離を設け、溶接トーチ１３にかかる負荷を抑制する必要がある。

ここで、本実施形態のメカニカルストッパ装置３０では、レバー２４の支点（支持軸２３の中心）からレバー２４とストッパピン３３との当接位置（ストッパピン３３の中心）までの距離ａと、レバー２４の支点からレバー２４と弾性体２５（弾性体２５の中心）との当接位置までの距離ｂとの比を、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０の範囲に設定すると共に、弾性体２５の厚さＤを、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍに設定することで、適正な惰走距離を確保して溶接トーチ１３にかかる負荷を抑制しつつ、弾性体２５の耐久性を確保している。

即ち、ａ／ｂを１．０５以上に設定することで、レバー２４と弾性体２５との衝突後の弾性体２５の弾性変形による適正な惰走距離を確保している。しかし、ａ／ｂが２．３０を超えると、惰走距離は大きくなるものの、弾性体２５にかかる衝撃力が過度に大きくなるため、弾性体２５が剥離するなどの破損が発生する可能性がある。このため、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０に設定した。

また、弾性体２５の厚さＤが、２０ｍｍ未満になると、弾性体２５の弾性変形量が小さくなり、惰走距離を十分に確保することができない。また、４０ｍｍを超えると、惰走距離は大きくなるが、衝撃力によって弾性体２５の剥離などの損傷が発生する可能性が高くなる。従って、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍに設定することで、弾性体２５の耐久性を確保しつつ、惰走距離を稼いでいる。

また、レバー２４と弾性体２５との接触面積は、３００〜３０００ｍｍ^２とするのが好ましい。接触面積が３００ｍｍ^２以上であれば、弾性体２５とレバー２４との衝突時における単位面積当たりの負荷を軽減して衝撃を緩和することができる。また、３０００ｍｍ^２以下であれば、メカニカルストッパ装置３０を小型化することができ、設置スペースの観点から好ましい。さらに、弾性体２５の厚さＤと接触面積Ｓの比Ｄ／Ｓ は、０．００６〜０．１３であることがより好ましい。

また、弾性体２５と当接するレバー２４の接触部の硬さは、弾性体２５よりも硬いことが好ましい。レバー２４が弾性体２５に当接したとき、弾性体２５が弾性変形することで、衝撃力を吸収しつつ、惰走距離を確保することができる。

以上説明したように、実施形態のメカニカルストッパ装置３０によれば、固定体である基部２１は、基部２１に設けられた支持軸２３を中心として揺動可能なレバー２４と、レバー２４の揺動方向の両側で基部２１に取付けられ、レバー２４の揺動方向の両側面と当接可能な一対の弾性体２５と、を有する固定側ストッパ３１を備え、回転体である旋回胴２２は、レバー２４の両側面に当接可能なストッパピン３３を備える。レバー２４の支点からレバー２４とストッパピン３３との当接位置までの距離ａと、レバー２４の支点からレバー２４と弾性体２５との当接位置までの距離ｂとの比は、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０であり、弾性体２５の厚さＤは、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍであるので、ａ／ｂの比率を適正に設定することによって、旋回胴２２の楕走距離を確保しつつ、適正な厚みを持った弾性体２５で衝撃力を吸収して、産業用ロボット１０の損傷をより確実に防止することができ、メカニカルストッパ装置３０自体の寿命を向上することができる。

また、レバー２４と弾性体２５との接触面積は、３００〜３０００ｍｍ^２であるので、弾性体２５の必要設置面積を削減して弾性体設置の容易化を図ると共に、単位面積当たりの衝撃力を低減して弾性体２５の損傷を抑制することができる。

また、弾性体２５と当接するレバー２４の接触部の硬さは、弾性体２５よりも硬いので、衝突時に弾性体２５が弾性変形することで旋回胴２２の惰走距離を確保することができる。

また、レバー２４の可動範囲βは、５０〜９０°であり、レバー２４の可動範囲内において、レバー２４が弾性体２５に当接するので、旋回胴２２の回転角度を３６０°を超える角度に設定することができる。

また、産業用ロボット１０の基部２１と旋回胴２２との間には、上記のメカニカルストッパ装置３０が配設されるので、産業用ロボット１０の先端に装着される溶接トーチなどのエンドエフェクタ１３にかかる過度な負荷を軽減して、エンドエフェクタ１３の故障や原点ズレを確実に防止することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明のメカニカルストッパ装置は、本実施形態の第１軸Ｊ１に配設されたものに限定されず、第２軸Ｊ２〜第６軸Ｊ６の各軸に配設されてもよい。その場合、第２軸Ｊ２〜第６軸Ｊ６の各軸においては、固定体及び回転体が共に移動する構成となっているが、それぞれ設置面Ｇに近い側の部材が固定体となり、設置面Ｇから遠い側で、駆動モータ１１で駆動される部材が回転体となる。

ここで、本発明の有効性を立証するため、レバーの支点からレバーと可動側ストッパとの当接位置までの距離ａ、レバーの支点からレバーと弾性体との当接位置までの距離ｂ、レバーの可動範囲、弾性体の厚さＤ、弾性体とレバーとの接触面積（弾性体接触面積）、レバー及び弾性体の材料（硬さ）、弾性体の衝突面形状、を変更した各種条件において、停止試験を行った。

停止試験は、レバーを高速で弾性体に１０回衝突させた後、トーチの原点ズレの有無、及び弾性体の状態を目視により確認し、以下の評価基準に従って評価した。
トーチの原点ズレ：原点ズレなし「〇」。原点ズレ発生「×」。
弾性体の状態：変化なし「〇」。摩耗しているが使用可「△」。剥離などにより使用不可「×」。

試験結果を、試験条件と共に表１に示す。

表１に示すように、レバーの支点からレバーと可動側ストッパとの当接位置までの距離ａと、レバーの支点からレバーと弾性体との当接位置までの距離ｂとの比、ａ／ｂが上限値（２．３０）を超える比較例１及び比較例５では、弾性体の状態がいずれも「×」であった。また、ａ／ｂが本発明の下限値（１．０５）を下回る比較例２では、トーチの原点ズレが認められ（「×」）、且つ弾性体の状態も「△」であった。

また、弾性体の厚さＤが、本発明の上限値（４０ｍｍ）を超える比較例４では弾性体の状態が「×」であり、また旋回胴２２の可動範囲も狭くなった。また、弾性体の厚さＤが、本発明の下限値（２０ｍｍ）を下回る比較例３では、トーチの原点ズレが認められ「×」、且つ弾性体の状態が「△」であった。

一方、ａ／ｂの値、及び、弾性体の厚さが本発明の範囲内である実施例１〜１９では、トーチの原点ズレがなく「〇」、また、弾性体の状態も「〇」、又は「△」であり、本発明の有効性が確認された。

なお、レバーの可動範囲βが、９０°である実施例１６と、９０°を超える実施例１７と、を比較すると、実施例１６では弾性体の状態が「〇」であるのに対して、実施例１７では弾性体の状態が「△」であった。また、レバーの可動範囲βが、５０°である実施例１５と、５０°を下回る実施例１８では、いずれの条件でも良好な結果であったが、実施例１８では、旋回胴２２の可動範囲が狭くなり、好ましくない。
したがって、レバー２４の可動範囲は、５０〜９０°が好ましいことがわかる。

また、弾性体接触面積が、３０００ｍｍ^２に近い実施例１１と、３０００ｍｍ^２を超える実施例１２では、いずれの条件でも、トーチの原点ズレ及び弾性体の状態は共に良好であるが、実施例１２では、弾性体の設置に広い面積を要し、設置スペース上の制約が大きい。一方、弾性体接触面積が、３００ｍｍ^２に近い実施例１０と、３００ｍｍ^２を下回る実施例１３と、を比較すると、実施例１０では弾性体の状態が「〇」であるのに対して、実施例１３では弾性体の状態が「△」であった。
したがって、レバー２４と弾性体２５との接触面積は、３００〜３０００ｍｍ^２が好ましいことがわかる。

また、レバー２４の衝突部分を天然ゴムとすることで、弾性体硬度＞レバー硬度とした実施例１４では、トーチの原点ズレ及び弾性体の状態は共に良好であったが、旋回胴２２の可動範囲が狭くなっている。
したがって、レバー２４の接触部の硬さは、弾性体よりも硬いほうが好ましいことがわかる。

１０ 溶接用ロボット（産業用ロボット）
１３ 溶接トーチ（エンドエフェクタ）
２１ 基部（固定体）
２２ 旋回胴（回転体）
２３ 支持軸（レバーの支点）
２４ レバー
２５ 弾性体
２７ ピン孔
３０ メカニカルストッパ装置
３１ 固定側ストッパ
３３ ストッパピン（可動側ストッパ）
ａ レバーの支点からレバーと可動側ストッパとの当接位置までの距離
ｂ レバーの支点からレバーと弾性体との当接位置までの距離
Ｄ 弾性体の厚さ
Ｓ レバーと弾性体との接触面積

Claims (5)

1. 固定体と、前記固定体に回転可能に支持され、回転軸線を中心にして該固定体に対して回転する回転体との間に設けられるメカニカルストッパ装置であって、
   前記固定体は、その一部が外周側に向かって切欠かれた空間であるレバー室を有し、前記固定体に設けられた支点を中心として、前記レバー室内で揺動可能なレバーと、前記レバーの揺動方向の両側で、前記レバー室の両側壁に取付けられ、前記レバーの揺動方向の両側面と当接可能な一対の弾性体と、を有する固定側ストッパを備え、
   前記回転体は、前記固定体の外周面の外径よりも大きな外径を有し、且つ、前記レバーの両側面に当接可能な可動側ストッパを備え、
   前記レバーの支点から前記レバーと前記可動側ストッパとの当接位置までの距離ａと、前記レバーの支点から前記レバーと前記弾性体との当接位置までの距離ｂとの比は、１．０５≦ａ／ｂ≦２．３０であり、
   前記弾性体の厚さＤは、２０ｍｍ≦Ｄ≦４０ｍｍである、メカニカルストッパ装置。
2. 前記レバーと前記弾性体との接触面積は、３００〜３０００ｍｍ^２である、請求項１に記載のメカニカルストッパ装置。
3. 前記弾性体と当接する前記レバーの接触部の硬さは、前記弾性体よりも硬い、請求項１または２に記載のメカニカルストッパ装置。
4. 前記レバーの可動範囲は、５０〜９０°であり、前記レバーの可動範囲内において、前記レバーが前記弾性体と当接する、請求項１〜３に記載のいずれか１項に記載のメカニカルストッパ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のメカニカルストッパ装置が、前記固定体であるロボットの基部と、前記回転体である旋回胴との間に配設される、ロボット。

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