JP6703091B2 - 直動伸縮機構及びそれを備えたロボットアーム機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は直動伸縮機構及びそれを備えたロボットアーム機構に関する。

従来から多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。発明者らは直動伸縮機構の実用化を達成した。この直動伸縮機構は、肘関節を不要とし、特異点解消を実現する今後非常に有益な構造である。

直動伸縮機構は、屈曲自在に連結された複数の平板形状のコマと、同様に屈曲自在に底部側で連結された複数のコ字溝形状のコマとを有してなり、これらが互いに接合することで直線状に硬直され一定の剛性を有する柱状のアーム部が構成される。直動伸縮機構のモータが順回転すると柱状体となったアーム部がアーム支持部から送り出され、逆回転するとアーム部は引き戻される。アーム支持部の後方ではコマの接合状態は解除され、硬直状態から屈曲状態に回復する。屈曲状態に回復した２種類のコマはその一方のコマの底部側に屈曲され、支柱部内部に収容される。アーム部の先端には手首部が取り付けられる。手首部にはエンドエフェクタの姿勢を任意に変更するために直交３軸の回転軸を備える３つの関節部が装備される。

この手首部に装備される３つの関節部にはそれらを動作させるために必要な電力や制御信号を供給するための電気ケーブルが接続される。これら電気ケーブルがロボットアーム機構の動作に干渉しないよう、また電気ケーブルの損傷を抑制するための工夫が必要とされている。

目的は、直動伸縮機構において手首部に装備される関節部に電力や制御信号を供給するための電気ケーブルによる直動伸縮機構の伸縮動作に対する干渉を軽減し、且つ電気ケーブルの損傷を抑制することにある。

本実施形態に係る直動伸縮機構は、平板形状の複数の第１コマと、断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマとを有する。第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される。第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される。複数の第１コマの先頭と複数の第２コマの先頭とは結合部で結合される。第１コマが第２コマの上部に接合されたとき直線状に硬直し、第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰する。支持部は、第１、第２コマを前後移動自在に支持するとともに、第１、第２コマが前方に移動するとき第１、第２コマを接合させ、第１、第２コマが後方に移動するとき第１、第２コマを分離させる。電気ケーブルが連結される第２コマの内部に挿通される。第２コマ各々の底板には内側に突出した突出部が幅方向に延在される。突出部の縁部の角は面取りされている。第２コマ各々の前後それぞれには軸受ブロックが設けられ、軸受ブロックの縁部の角は面取りされる。

図１は、本実施形態に係る直動伸縮機構を備えた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側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す図である。 図４は、図１のロボットアーム機構を図記号により示す図である。 図５は、図３の第１コマを示す図である。 図６は、図３の第２コマを示す図である。 図７は、図３の第２コマ列の内部を挿通する電気ケーブルを示す図である。 図８は、図３の第２コマ内部に装着される電気ケーブルガイド板を示す図である。

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が、ここでは、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部で構成された極座標型のロボットアーム機構を例に説明する。

図１、図２は本実施形態に係る直動伸縮機構を備えたロボットアーム機構の外観図である。図３は直動伸縮機構の内部構造を示している。図４はロボットアーム機構を図記号で表している。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は基台１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は主にエンドエフェクタ（手先効果器）の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。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機構である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動伸縮機構として構成される。

第１関節部Ｊ１は基台１の接地面に対して垂直な第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５が伸縮する直動伸縮機構である。第４関節部Ｊ４は第３移動軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節である。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を中心とした曲げ関節である。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を中心とした曲げ関節である。

ロボットアーム機構の基台１には円筒体をなす支柱部２が設置される。支柱部２は第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は例えば鉛直方向に平行である。第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５は水平に旋回する。支柱部２は支柱下部２−１と支柱上部２−２とからなる。支柱下部２−１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。支柱上部２−２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。円筒体をなす支柱部２の内部中空には後述する第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列５１，５２が収納される。支柱上部２−２には第２関節部Ｊ２を収容する起伏部４が設置される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は例えば水平である。第２関節部Ｊ２は支柱上部２−２に設置される。第２関節部Ｊ２の回転によりアーム部５は上下に起伏する。

第３関節部Ｊ３を成す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、従前の直動範囲が限定的であって、直動範囲と同長の引き込み範囲を備えたソリッドな直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３によりアーム部（柱状体）５がその中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿って直線的剛性を維持した状態で前後に伸縮する。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。図５に示すように、第１コマ５３は略平板形に構成される。第２コマ列５２は屈曲自在に連結された複数の第２コマ５４からなる。第２コマ５４は図６に示すように横断面コ字形状の溝状体をなす。第２コマ５４は底板どうし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１、第２コマ列５１，５２は四角筒体形状の支持部（ローラーユニット）５８の上下ローラ５９に押圧されて接合される。接合された第１、第２コマ列５１，５２は柱状のアーム部５を構成する。支持部５８の後方にはドライブギア（ピニオン）５６が設けられる。ドライブギア５６は減速器を介して図示しないモータに接続される。図５（ｂ）に示すように第１コマ５３の内壁の幅中央には連結方向に沿ってリニアギア２３９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２３９は直線状につながって、長いリニアギア（ラック）を構成する。ドライブギア（ピニオン）５６は、直線状のリニアギア２３９に噛合される。直線状につながったリニアギア２３９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。ドライブギア５６が順回転するときアーム部５が前方に伸長する。ドライブギア５６が逆回転するときアーム部５が起伏部４の内部に引き戻され収縮する。支持部５８の後方まで引き戻され、上下ローラ５９による押圧から開放された第１、第２コマ列５１，５２は互いに分離する。分離した第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、起伏部４内でともに同じ方向（第２コマ５４の底板側）に屈曲し、支柱部２の内部に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行な状態で収納される。

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、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特徴的である。

図５（ａ）は第１コマ列５１を構成する第１コマ５３の側面図、図５（ｂ）は第１コマ５３の斜視図である。第１コマ５３の本体部５３０は矩形平板形状をなし、その前端には一対の軸受ブロック５３１が両側に分離して設けられ、本体部５３０の後端中央には軸受ブロック５３２が設けられる。第１コマ５３の前端の一対の軸受ブロック５３１の間に、他の第１コマ５３の後端の軸受ブロック５３２が嵌め込まれる。前端の軸受ブロック５３１には、第１コマ５３の幅方向と平行に軸孔５３３が貫通されている。後端の軸受ブロック５３２にも、第１コマ５３の幅方向と平行に軸孔５３４が貫通されている。前後の第１コマ５３において、後方の第１コマ５３の軸受ブロック５３１の間に、前方の第１コマ５３の軸受ブロック５３２が差し込まれ、軸孔５３３と軸孔５３４とは連通し、シャフトが挿入される。

図６（ａ）は第２コマ５４の斜視図、図６（ｂ）は第２コマ５４の側面図、図６（ｃ）は第２コマ５４の前面図、図６（ｃ）は第２コマ５４の背面図、図６（ｄ）は第２コマ５４の前面図、図６（ｅ）は第２コマ５４の平面図、図６（ｆ）は第２コマ５４のＡ−Ａ断面図である。第２コマ５４は底板５４１と一対の側板５４０からなる全体として断面コ字形の溝形状（鞍形状）を有する。底板５４１の後端の幅中央には軸受（ベアリング）５４５を支持する軸受ブロック５４３が設けられる。底板５４１の前端には軸受５４４を支持する一対の軸受ブロック５４２が両側に分離して設けられる。前後の第２コマ５４において、前方の第２コマ５４の一対の軸受ブロック５４２の間に、後方の第２コマ５４の軸受ブロック５４３が嵌め込まれる。前方の第２コマ５４の軸受ブロック５４２の軸受５４４は、後方の第２コマ５４の軸受ブロック５４３の軸受５４５と連通する。連通する軸受５４４，５４５に図示しないシャフトが挿入される。前後の第２コマ５４はシャフトを中心に互いに回転自在に連結される。第２コマ列５２は内側（底板５４１の表面側）には屈曲可能であり、その反対側には前後の第２コマ２４はそれら側板５４０の端面同士が当接する直線的に配列する位置で係止する。

第２コマ５４の底板５４１の前縁には突出部５４６が内側に突出した状態で幅方向と平行に全幅にわたって延在される。突出部５４６は後述する第２コマ５４の後端の軸受ブロック５４３とともにケーブル１００を支持する。なお、突出部５４６は第２コマ５４を補強する機能も備えて、その意味で補強リブともいう。突出部５４６の高さは第２コマ５４の後端の軸受ブロック５４３の高さと等価に構成される。底板５４１の突出部５４６から連続して突出部５４６が両側板５４０の前縁に内側に突出した状態で高さ方向に沿って延在される。底板５４１の突出部５４６から側板５４０の突出部５４７にかけて屈曲する屈曲部分５５５の内縁は円弧状をなす。底板５４１の突出部５４６の上縁の縁部の角５４８は面取り、好ましくは丸め面取りされている。同様に側板５４０の突出部５４７の縁部の角５５３，５５６も同様に面取り、好ましくは丸め面取りされている。

第２コマ５４の後端の幅中央には軸受ブロック５４３が設けられる。軸受ブロック５４３の後縁は円弧状に、内側縁５５０は矩形に形成されている。軸受ブロック５４３の内側縁５５０から連続して突出部５５１が両側板５４０に内側に突出した状態で高さ方向に沿って延在される。軸受ブロック５４３の内縁５５０から側板５４０の突出部５５１にかけて屈曲する屈曲部分５５８の内縁部は円弧状をなす。軸受ブロック５４３の内側縁５５０の縁部の角５４９は面取り、好ましくは丸め面取りされている。

手首部６に装備される３つの関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６への電力／制御電気ケーブルは、支柱部２の内部から、起伏部４内を通り、アーム部５の内部を挿通され、そして関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６に至る経路で配置される。このケーブルにはアーム部５の伸縮に対応するよう、弛んだケーブルが第２コマ５４の内部で湾曲して絡むことがないように伸縮性のある伸縮ケーブルが採用されており、アーム部５が最も収縮した状態でもある程度の張力を発生するようケーブル長が設計されている。

第２コマ５４の内側に突出する部分の縁部の角５４８、５４９、５５２、５５３は全て面取りされており、また屈曲部分５５５、５５８も円弧状になされ、さらに突出部５４６の高さを軸受ブロック５４３の高さと等価に構成していることから、図７に示すようにケーブル１００が直線的に配線され、その外被が第２コマ５４の内部構造の特にこれら縁部の角に引っ掛かることなく滑らかに摺動し、したがって第２コマ５４の内部でケーブル１００が損傷を受けたり、それによりアーム部５の伸縮動作が阻害される事態も軽減され得る。これら作用効果は特に起伏部４において第２コマ列５２が支柱部２に向かって大きく屈曲する箇所においてケーブル１００がその張力により底板５４１の前後の縁部の角５４８、５４９に押し付けられる状況では顕著である。

なお、上述の説明では突出部５４６、５４７、５５０、５５１が第２コマ５４の前後縁に設けられると説明したが、その位置に限定されることは無く、例えば第２コマ５４の中央又はその付近に突出部が設けられるものであってもよい。また突出部５４６、５４７、５５０、５５１の縁部の角が面取りされていると説明したが、それに加えてポリアセタール（ＰＯＭ）やポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの自己潤滑性樹脂でこれら突出部の縁部の角を被覆するようにしてもよく、さらには第２コマ５４の内面全体を被覆するようにしてもよい。また突出部の縁部の角を面取りしないで、当該縁部の角に自己潤滑性樹脂製のキャップを被せるようにしてもよい。

また図８に示すように、突出部５４６、５４７、５５０、５５１の縁部の角の面取りに加えて、又は当該縁部の角の面取りに代えて、ケーブルを挿通させるケーブルガイド孔５６１を略中央に備えた自己潤滑性樹脂製のケーブルガイド板５６０を第２コマ５４の中央又はその付近に幅方向と平行に設置するものであってもよい。

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。

５４…第２コマ、５４０…側板、５４１…底板、５４６，５４７，５５０，５５１…突出部、５４８，５４９，５５２，５５３…面取りされた縁部の角。

Claims (5)

1. 互いに前後端において屈曲可能に連結される、平板形状の複数の第１コマと、
   互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、
   前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する結合部と、
   前記第１、第２コマを前後移動自在に支持するとともに、前記第１、第２コマが前方に移動するとき前記第１、第２コマを接合させ、前記第１、第２コマが後方に移動するとき前記第１、第２コマを分離させる支持部と、
   前記連結される第２コマの内部に挿通される、電気ケーブルとを具備し、
   前記第１、第２コマが接合されたとき前記第１、第２コマは直線状に硬直し、前記第１、第２コマが互いに分離されたとき前記第１、第２コマ各々は屈曲可能な状態に復帰し、
   前記第２コマ各々の底板には内側に突出した突出部が幅方向に延在され、前記突出部の縁部の角は面取りされ、
   前記第２コマ各々の一端の幅中央には軸受ブロックが設けられ、前記軸受ブロックの縁部の角は面取りされていることを特徴とする直動伸縮機構。
2. 前記突出部の高さは前記軸受ブロックの高さに等価であることを特徴とする請求項１記載の直動伸縮機構。
3. 前記突出部は前記底板から側板にかけて屈曲して設けられ、前記突出部の側板部分の縁部の角は面取りされていることを特徴とする請求項１記載の直動伸縮機構。
4. 前記突出部の前記底板から前記側板にかけて屈曲する部分の内縁部は円弧状をなすことを特徴とする請求項１記載の直動伸縮機構。
5. 基台に旋回回転関節部を備えた支柱部が支持され、前記支柱部上には起伏回転関節部を備えた起伏部が載置され、前記起伏部には直動伸縮性のアーム部を備えた直動伸縮機構が設けられ、前記アームの先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部が装備され、前記手首部には前記エンドエフェクタの姿勢を変更するための少なくとも一の回転関節部が装備されてなるロボットアーム機構において、
   前記直動伸縮機構は、
   互いに前後端において屈曲可能に連結される、平板形状の複数の第１コマと、
   互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、
   前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する結合部と、
   前記第１、第２コマを前後移動自在に支持するとともに、前記第１、第２コマが前方に移動するとき前記第１、第２コマを接合させ、前記第１、第２コマが後方に移動するとき前記第１、第２コマを分離させる支持部と、
   前記連結される第２コマの内部に挿通され、前記手首部の回転関節部への電力／制御電気ケーブルとを有し、
   前記第１、第２コマが接合されたとき前記第１、第２コマは直線状に硬直し、前記第１、第２コマが互いに分離されたとき前記第１、第２コマ各々は屈曲可能な状態に復帰し、
   前記第２コマ各々の底板には内側に突出した突出部が幅方向に延在され、前記突出部の縁部の角は面取りされ、
   前記第２コマ各々の一端の幅中央には軸受ブロックが設けられ、前記軸受ブロックの縁部の角は面取りされていることを特徴とするロボットアーム機構。

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