JP6687720B2 - 直動伸縮機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は直動伸縮機構及びロボットアーム機構に関する。

近年、介護用ロボットはもちろん産業用ロボットでも作業者の近傍で作業を行なう状況の可能性が検討されている。この状況が実現すれば例えばロボットの支援のもとで健常者と同様に障害者が作業をすることも可能となり得る。発明者らが実用化を実現した直動伸縮機構を備えた極座標型のロボットアーム機構は肘関節がなく、特異点もないことから、不測の方向に突然高速で動くようなことはなく、アームやエンドエフェクタの動きを予測する事ができ、その安全性は非常に高く、安全柵を不要にしてロボットと作業者との協働作業を実現している。現在、ロボットと作業者との協働作業が工場の製造ラインで実現できないか模索されている。工場の製造ラインは、できるだけ無駄なスペースができないようライン設計がなされている。このようなロボットを設置するスペースが限定されている環境において作業員の近傍にロボットを設置するために、また、ロボットを設置することによる製造ラインの大型化を抑制するためにロボットの小型化が望まれている。

目的は、ロボットアーム機構を小型化することにある。

本実施形態に係る直動伸縮機構は屈曲可能に連結された複数の第１コマと、屈曲可能に連結された複数の第２コマと、前記第１コマを前記第２コマに接合し柱状体のアーム部を構成するとともに前記アーム部を前後移動自在に支持する複数のローラとを有する。前記複数のローラの後方には、前記第１、第２コマを前記複数のローラから前方に送り出し、前記第１、第２コマを前記複数のローラに引き戻すためのドライブギアが配置される。前記ドライブギアは前記複数の第１コマの背面のリニアギアに係合される。前記ドライブギアは動力伝達機構を介してモータユニットに接続される。前記動力伝達機構は一対の傘歯車を有し、前記一対の傘歯車のうち一方は前記モータユニットの出力軸に取り付けられ、他方は前記ドライブギアの回転軸に取り付けられる。

図１は、本実施形態に係る直動伸縮機構を装備するロボットアーム機構の外観を示す斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。 図３は、図２の第１コマ５３を示す図である。 図４は、図２の第２コマ５４を示す図である。 図５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６は、図１の第３関節部Ｊ３のモータユニットを起伏部とともに示す側面図である。 図７は、図６のＡ矢視図である。 図８は、図６のＢ−Ｂ線の断面を上方から見た動力伝達機構の構造を示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る直動伸縮機構を説明する。なお、本実施形態に係る直動伸縮機構は、単独の機構（関節）として使用することができる。以下の説明では、複数の関節部のうち一の関節部が本実施形態に係る直動伸縮機構で構成されたロボットアーム機構を例に説明する。ロボットアーム機構として、ここでは直動伸縮機構を備えた極座標型のロボットアーム機構を説明するが、他のタイプのロボットアーム機構であってもよい。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直動伸縮機構を備えた極座標型のロボットアーム機構の外観を示している。図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す側面図である。ロボットアーム機構は、基台１、旋回部２、起伏部４、アーム部５及び手首部６を備える。旋回部２、起伏部４、アーム部５及び手首部６は、基台１から順番に配設される。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基台１から順番に配設される。基台１には円筒体をなす旋回部２が典型的には鉛直に設置される。旋回部２は旋回回転関節部としての第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は鉛直方向に平行である。旋回部２は下部フレーム２１と上部フレーム２２とを有する。下部フレーム２１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。下部フレーム２１は円筒形状のハウジング３１により覆われる。上部フレーム２２は第１関節部Ｊ１の回転部に接続され、回転軸ＲＡ１を中心に軸回転する。上部フレーム２２は円筒形状のハウジング３２により覆われる。第１関節部Ｊ１の回転に伴って下部フレーム２１に対して上部フレーム２２が回転し、それによりアーム部５は水平に旋回する。円筒体をなす旋回部２の内部中空には後述する直動伸縮機構としての第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列５１、５２５１，５２が収納される。旋回部２の上部には起伏部４が設置される。起伏部４は起伏回転関節部としての第２関節部Ｊ２を収容する。第２関節部Ｊ２は曲げ回転関節である。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は回転軸ＲＡ１に垂直である。

起伏部４はサイドフレーム２３と起伏フレーム２５とを有する。サイドフレーム２３は第２関節部Ｊ２の固定部に接続される。サイドフレーム２３は鞍形状のハウジング３３により覆われる。起伏フレーム２５は第２関節部Ｊ２の回転部に接続される。起伏フレーム２５は円筒形状のハウジング３４により覆われる。第２関節部Ｊ２の回転に伴ってサイドフレーム２３に対して起伏フレーム２５が回転し、それによりアーム部５は上下に起伏する。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により提供される。直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、いわゆる直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３は可動部としてアーム部５を備える。アーム部５は第１コマ列５１と第２コマ列５２とを有する。第１コマ列５１は屈曲自在に連結された複数の第１コマ５３からなる。第２コマ列５２は複数の第２コマ５４からなる。図３は、図２の第１コマ５３の構造を示す図である。図４は、図２の第２コマ５４の構造を示す図である。第１コマ５３は略平板形に構成される。第１コマ５３の背面の幅中央には連結方向に沿ってリニアギア５３１が形成されている。複数の第１コマ５３が直線状に整列されたときに隣合うリニアギア５３１は直線状につながって、長いリニアギアを構成する。このリニアギア５３１に後述のドライブギア５６が噛合する。第２コマ５４は横断面Ｕ字形状又はコ字形状の溝状体をなす。第２コマ５４は底板の連結軸で屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の屈曲は、第２コマ５４の側板の端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列５２は直線的に配列する。第１コマ列５１のうち先頭の第１コマ５３と、第２コマ列５２のうち先頭の第２コマ５４とは結合コマ５５により接続される。例えば、結合コマ５５は第２コマ５４と第１コマ５３とを合成した形状を有している。

第３関節部Ｊ３は固定部としてローラユニット５８を備える。ローラユニット５８は起伏部４の前方部分に設けられる。ローラユニット５８は第１、第２コマ列５１、５２を接合して柱状のアーム部５を構成するとともに、そのアーム部５を上下左右に支持する。具体的には、ローラユニット５８はアーム部５を上下左右の四方位から強固に且つ移動自在に支持するための複数のローラ５９を備える。第１、第２コマ列５１、５２はローラユニット５８を通過する際に互いに押圧されて接合し柱状のアーム部５を構成する。アーム部５の接合状態はアーム部５がローラユニット５８により堅持されることで維持される。接合状態が維持されたアーム部５は直線的剛性を備える。ローラユニット５８の後方にはドライブギア５６が配置される。ドライブギア５６の上方には、ガイドローラ５７がドライブギア５６から第１コマ５３の厚みに等価な距離を隔てて配置される。ドライブギア５６とガイドローラ５７との間に第１コマ５３が挟まれる。この状態で、ドライブギア５６は、第１コマ５３の背面のリニアギア５３１に噛合される。直線状につながったリニアギアはドライブギア５６とともにラックアンドピニオン機構を構成する。詳細は後述するが、ドライブギア５６は動力伝達機構を介してモータユニットに接続される。ドライブギア５６が順回転するとき、アーム部５は第１コマ列５１とともに伸縮軸ＲＡ３に沿ってローラユニット３５から前方に送り出される。ドライブギア５６が逆回転するとき、アーム部５は第１コマ列５１とともにローラユニット５８の後方に引き戻される。引き戻された第１、第２コマ列５１、５２はローラユニット５８の後方で分離される。分離された第１、第２コマ列５１、５２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１、第２コマ列５１、５２は、ともに同じ方向（内側）に屈曲し、旋回部２の内部に鉛直に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行にほぼ揃った状態で収納される。

アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

エンドエフェクタ（手先効果器）は、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部に設けられたアダプタ７に取り付けられる。エンドエフェクタはロボットが作業対象（ワーク）に直接働きかける機能を持つ部分であり、例えば把持部、真空吸着部、ナット締め具、溶接ガン、スプレーガンなどのタスクに応じて様々なツールが存在する。このエンドエフェクタにはそのツールの種類に応じて電力ケーブル、制御コード、エアチューブ、水冷ケーブルなど各種ラインが接続されている。エンドエフェクタは、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５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタ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従前の直動関節と異なる特徴的な点である。

図５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。図５に示すように、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１は鉛直方向に設けられる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は水平方向に設けられる。第２関節部Ｊ２は第１関節部Ｊ１に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、第１関節部Ｊ１の回転軸ＲＡ１には交差しない。第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３は回転軸ＲＡ２に対して垂直な向きに設けられる。第３関節部Ｊ２は第２関節部Ｊ２に対して回転軸ＲＡ１と回転軸ＲＡ１に直交する軸との２方向に関してオフセットされる。第３関節部Ｊ３の回転軸ＲＡ３は、第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２には交差しない。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装置の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。

図６は、図１のロボットアーム機構のモータユニット４１をローラユニット５８とともに示す側面図である。図７は、図６のＡ矢視図である。図８は、図６のＢ−Ｂ断面を上方から見た伝達機構の構造を示す平面図である。旋回部２の上部フレーム２上には、一対のサイドフレーム２３が載設される。この一対のサイドフレーム２３には円筒形状のドラム体２４がその両端において軸支される。ドラム体２４の内部には第２関節部Ｊ２を駆動する動力を発生するモータがギアボックスとともに収納される。ギアボックスの出力軸が一方のサイドフレーム２３に固定される。この出力軸の回転に伴ってドラム体２４が一対のサイドフレーム２３に対して回動する。ドラム体２４の周面には起伏フレーム２５が固定される。

起伏フレーム２５は、ドラム体２４の周波数面に固定される一対の平行な板状のフレーム（フレーム板という）からなる。一対の平行なフレーム板はローラユニット５８とドライブギア５６とガイドローラ５７とを両側から支持する。ローラユニット５８はアーム部５を第１コマ５３の表面側から支持する複数の上部ローラ５９−１、アーム部５を第２コマ５４の底面側から支持する複数の下部ローラ５９−２、アーム部５を左側方から支持する複数の左側部ローラ５９−３，及びアーム部５を右側方から支持する複数の右側部ローラ５９−４からなる。上部ローラ５９−１は下部ローラ５９−２に対して、第１、第２コマ５３，５４が接合したときの合計厚と等価又は若干短い距離を隔てて配置される。左側部ローラ５９−３は、右側部ローラ５９−４に対して第１コマ５３の幅と等価又は若干短い距離を隔てて配置される。これにより、複数のローラ５９は、アーム部５を上下左右の四方位から強固に且つ移動自在に支持することができる。複数のローラ５９の後方には、ドライブギア５６がガイドローラ５７とともに配置される。一対のフレーム板は、ドライブギア５６とガイドローラ５７とを両側から回転自在に支持する。ドライブギア５６の回転軸４５の向きは、回転軸ＲＡ２に対して平行である。ドライブギア５６は動力伝達機構を介してモータユニット４１に接続される。

モータユニット４１は、モータとギアボックスとからなり、第３関節部Ｊ３を駆動するための動力を発生する。モータの回転軸にギアボックスの入力軸が連結される。ギアボックスの出力軸は入力軸に対して減速ギアセットを介して接続される。モータの回転軸とギアボックスの入力軸と出力軸とは、互いに平行な関係にある。モータの前方にギアボックスが取り付けられる。モータユニット４１は、モータの回転軸に平行な方向に長く、垂直な方向に短い角柱形状を有する。モータユニット４１の中心線ＲＢ１は、その長手方向に平行な角柱中心線をいう。モータユニット４１は、その中心線ＲＢ１と平行に出力軸４２を備える。モータユニット４１は、一対のフレーム板のうち一方のフレーム板に取り付けられる。具体的には、モータユニット４１は、その中心線ＲＢ１が起伏フレーム２５のフレーム板の板面に平行、好適には、中心線ＲＢ１がローラユニット５８に支持されたアーム部５の中心軸に平行となるように、起伏フレーム２５のフレーム板の表面にＬ字金具４６により固定される。このように配置されたモータユニット４１の出力軸４２は、ドライブギア５６の回転軸４５に対して直交する。

動力伝達機構は、モータユニット４１の出力軸４２の回転を、出力軸４２に直交する回転軸４５の回転に変換するための機構として、一対の傘歯車４３，４４を備える。一対の傘歯車４３，４４は箱形のケース４７に収容される。一対の傘歯車は、二軸が平行な平歯車等を組み合わせたギア機構に比べて高いトルクを発生する。そのため、動力伝達機構に一対の傘歯車４３，４４を採用することは、故障等の理由によりモータユニット４１が静止トルクを発生しなくなったときに、アーム部５が簡単に動いてしまうリスクを低減する。一対の傘歯車４３，４４は、好適には、ハイポイドピニオン４３とハイポイドギア４４とからなるハイポイドギアセットである。しかしながら、他の傘歯車、例えばすぐ歯傘歯車、曲がり傘歯車等であってもよい。曲がり歯傘歯車は、すぐ歯傘歯車に比べて静音で振動の発生を抑制する。ハイポイドギアセットは、曲がり歯傘歯車に比べてより静音で高負荷に耐える。一対の傘歯車４３，４４のうち、一方の傘歯車４３（駆動傘歯車４３）はモータユニット４１の出力軸４２に取り付けられる。他方の傘歯車４４（従動傘歯車４４）は、ドライブギア５６の回転軸４５の一端に取り付けられ、駆動傘歯車４３に噛合される。ドライブギア５６の回転軸４５の他端は、起伏フレーム２５のフレーム板に軸支される。これにより、モータユニット４１が駆動し、出力軸４２の回転と共に駆動傘歯車４３が回転する。駆動傘歯車４３の回転により、それに噛合されている従動傘歯車４４が回転し、それにより回転軸４５に連結されているドライブギア５６が回転する。したがって、一対の傘歯車４３，４４によりモータユニット４１で発生した動力をその出力軸４２に対して直交する回転軸４５を有するドライブギア５６に伝達される。

上記説明したように、動力伝達機構に一対の傘歯車４３，４４を採用することは、モータユニット４１の出力軸４２をドライブギア５６の回転軸４５に対して直交する向きに配置することを可能にする。これは、モータユニット４１を、その中心線ＲＢ１が起伏フレーム２５のフレーム板の板面に平行となるように起伏フレーム２５のフレーム板の表面に固定することを実現する。つまり、モータユニット４１の配置レイアウトの自由度が向上する。

動力伝達機構にドライブギア５６の回転軸４５に平行な回転軸を有するギアセットを採用した場合、起伏フレーム２５の内部、起伏フレーム２５のフレーム板の表面、および起伏フレーム２５の天板の表面のいずれの位置にモータユニット４１を配置しても、ロボットアーム機構の大型化は免れない。例えば、起伏フレーム２５の天板にモータユニット４１を配置すると、ロボットアーム機構の高さが高くなる。また、起伏フレーム２５のフレーム板にモータユニット４１を配置すると、モータユニット４１の中心線ＲＢ１が回転軸ＲＡ２に平行であるため、ロボットアーム機構の幅が広くなる。起伏フレーム２５の内部、例えば第１、第２コマ列５１，５２の間にモータユニット４１を配置すると、ドライブギア５６をローラユニット５８から所定距離、例えばモータユニット４１の幅以上の距離を隔てて配置しなければならなくなり、これによりロボットアーム機構の長さが長くなる。

本実施形態のように、動力伝達機構に一対の傘歯車４３，４４を採用し、モータユニット４１を、その中心線ＲＢ１が起伏フレーム２５のフレーム板の板面に平行となるように起伏フレーム２５のフレーム板の表面に固定することは、ロボットアーム機構の小型化に寄与する。これは、起伏フレーム２５がドライブギア５６、ガイドローラ５７及びローラ５９を支持するために比較的大きく、この大きな起伏フレーム２５のフレーム板に沿ってモータユニット４１を配置することで、モータユニット４１が起伏フレーム２５のフレーム板の表面に対して直交３軸の各軸方向に大きく突出しないことによる。また、起伏フレーム２５には、伸縮軸ＲＡ３に沿ってドライブギア５６とローラ５９とが配設されるため、そのフレーム板は伸縮軸ＲＡ３に沿った方向に長い。そのため、モータユニット４１を、その中心線ＲＢ１がローラユニット５８に支持されたアーム部５の中心軸、つまり伸縮軸ＲＡ３に平行となるように起伏フレーム２５のフレーム板の表面に固定することは、さらなるロボットアーム機構の小型化に効果的である。

モータユニット４１とドライブギア５６とを単一の起伏フレーム２５に支持させることは、モータユニット４１をドライブギア５６に近接して配置することを実現する。これは、モータユニット４１とドライブギア５６との間の動力伝達機構を単純化し、それによりロボットアーム機構の組み立てを容易にするとともに、モータユニット４１とドライブギア５６との間のギアの噛み合わせ不良等のリスクを低減する。動力伝達機構に、位置精度が要求されるハイポイドギアセットを採用し得る。

また、モータユニット４１を起伏フレーム２５のフレーム板の表面に固定することは、起伏フレーム２５の内部、例えば第１、第２コマ列５１，５２の間へのモータユニット４１の配置を回避し、これによりドライブギア５６をローラユニット５８の後方近傍に配置することを実現する。伸縮軸ＲＡ３に沿った方向に関して、起伏フレーム２５の長さは、ローラユニット５８からドライブギア５６までの距離に依存する。そのため、ドライブギア５６をローラユニット５８の後方近傍に配置することは、起伏フレーム２５の長さを短くし、それによりロボットアーム機構の小型化に寄与する。

なお、モータユニット４１はモータとギアボックスとから構成されるとしたが、ギアボックスが装備されていなくてもよい。このとき、モータの出力軸に対して駆動傘歯車が取り付けられる。また、動力伝達機構は一対の傘歯車４３，４４を有するとしたが、モータユニット４１の回転をドライブギア５６の回転に直交変換できれば、他の構成であってもよい。例えば、動力伝達機構として、ウォームギアセット、クラウンギアセット等を採用してもよい。

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。

２２…上部フレーム、２３…サイドフレーム、２４…ドラム体、２５…起伏フレーム、４１…モータユニット、４２…出力軸、４３…駆動傘歯車、４４…従動傘歯車、４５…回転軸、５６…ドライブギア。

Claims (3)

1. 屈曲可能に連結された板形状の複数の第１コマと、
   底面側において屈曲可能に連結された横断面コ字形状の複数の第２コマと、
   前記第１コマを前記第２コマに接合し柱状体を構成するとともに前記柱状体を上下から前後移動自在に支持する複数のローラと、
   前記複数のローラの後方に配置され、前記第１、第２コマを前記複数のローラから前方に送り出し、前記第１、第２コマを後方に引き戻すために、前記複数の第１コマの背面のリニアギアに噛み合わされるドライブギアと、
   前記ドライブギアを回転させるための動力を発生するモータユニットと、
   前記モータユニットにより発生された動力を前記ドライブギアに伝達する動力伝達機構とを具備し、
   前記第１、第２コマは互いに接合されたとき、その屈曲が拘束され硬直された前記柱状体を構成し、前記第１、第２コマはその分離により屈曲状態に復帰され、
   前記モータユニットは、前記ドライブギアよりも前方であって、前記柱状体の側方に、その中心線が前記柱状体の中心軸に対して平行になるように配置され、
   前記動力伝達機構は一対の傘歯車を有し、前記一対の傘歯車のうち一方は前記モータユニットの出力軸に接続され、他方は前記ドライブギアの回転軸に接続される、直動伸縮機構。
2. 前記一対の傘歯車の一方はハイポイドピニオンであり、前記一対の傘歯車の他方はハイポイドギアである、請求項１記載の直動伸縮機構。
3. 前記複数のローラと前記ドライブギアとを両側から支持する一対のフレーム板をさらに具備し、
   前記モータユニットは前記フレーム板に固定される、請求項１記載の直動伸縮機構。

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