JP6765251B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は、基台と、該基台に回動自在に枢着されたリンク機構と、該リンク機構に回動自在に枢着されたアームと、を少なくとも備えた産業用ロボットに関する。

従来から、部材の溶接・搬送等に、多関節を有した産業用ロボットが利用されている。産業用ロボットは、基台に枢着されたリンク機構を備えており、そのリンク機構には、ロボットの腕部に相当するアームが、回動自在に枢着されている。

このような産業用ロボットとして、例えば特許文献１には、設置面に設置された基台と、基台にリンク機構を枢着された産業用ロボットが提案されている。このリンク機構は、基台に一端が回動自在に枢着され第１下腕および第２下腕と、第１下腕および第２下腕の他端に回動自在に枢着された上部基台とを備えている。この産業用ロボットは、リンク機構の上部基台に回動自在に枢着された上腕部をさらに備えている。

特開平３−２０２２８８号公報

しかしながら、特許文献１に係る産業用ロボットのリンク機構では、第１下腕の軸線上の両側に形成された一対の受け部（貫通孔）に、上部基台のシャフトが回動自在に挿通され、リンク機構の上部基台に、上腕部（アーム）が枢着されている。これにより、構造上、可動範囲の大きい上腕部（アーム）がリンク機構を構成する上部基台に近接するため、これらの接触を回避すべく、上腕部（アーム）の可動範囲が制限されることがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リンク機構に回動自在に枢着されたアームの可動範囲を広げることができる産業用ロボットを提案することにある。

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、基台に枢着されたリンク機構の支持アーム（後述する第１アーム）に対して、支持アームの先端側において、２つのアーム（後述する第３および第４アーム）が枢動する点に着眼した。そして、支持アーム（後述する第１アーム）を挟み込むようなに２つのアームを取り付ければ、リンク機構枢着されたアーム（後述する第４アーム）の可動範囲を広げることができるとの新たな知見を得た。

本発明は、発明者らの新たな知見によるものであり、本発明に係る産業用ロボットは、設置面に設置された基台と、前記基台に一端が回動自在に枢着された第１アームおよび第２アームと、前記第１アームおよび前記第２アームの他端に回動自在に枢着された第３アームと、を有するリンク機構と、前記第１アーム側において、前記リンク機構に対して回動自在に枢着された第４アームと、を備えており、前記第１アームの他端において、前記第１アームの一方側に前記第３アームが配置され、前記第１アームの他方側に前記第４アームが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１アームを挟んだ位置に、第３アームと第４アームが配置されることになるので、リンク機構の可動とともに第４アームがリンク機構に対して枢動しても、第３アームと第４アームとが機械的に干渉し難く、第４アームの可動範囲を広げることができる。これにより、リンク機構に対する第４アームの枢動が起因として、リンク機構の可動範囲が制限され難くなる。

ここで、第１アームの一方側に第３アームが配置され、第１アームの他方側に第４アームが配置されていれば、第１アームと第３アームとが回動する回転軸と、第３アームと第４アームとが回動する回転軸との位置関係は、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記第１アームと前記第３アームが回動する回転軸と、前記第３アームと前記第４アームとが回動する回転軸とは、同じ回転軸である。

この態様によれば、第１アームと第３アームとが相対的に回動する回転軸と、第３アームと第４アームとが相対的に回動する回転軸とを、一致させることにより、これらアーム同士の相対的な回動を安定させることができる。さらに、共通した１つの回転軸でこれらアームを回転させるので、これらアーム同士の機械的干渉を抑える構造を採用することができる。これにより、リンク機構に対する第４アームの枢動が起因して、リンク機構の可動範囲が制限され難くなる。

さらに好ましい態様としては、前記基台は、設置面に対して固定された固定台と、前記リンク機構を枢着するとともに、該固定台に対して旋回軸の周りに旋回する旋回台と、を備えており、前記第４アームは、アーム本体と、該アーム本体の軸心を回動軸として、該回動軸の周りに、前記アーム本体を回動自在に連接するとともに、前記第３アームに回動自在に枢着された連接部と、を備えており、前記旋回軸と、前記回動軸とは、同一平面上に配置されている。

この態様によれば、旋回台が旋回する旋回軸と、アーム本体の回動軸とを、同一平面上に配置することにより、旋回台の旋回動作に拘わらず、第４アームのアーム本体を回動軸の周りに安定して動作させることができる。

本発明によれば、リンク機構に回動自在に枢着されたアームの可動範囲を広げることができる。

本発明の実施形態に係る産業用ロボットを一方側から視た側面図である。 図１に示す産業用ロボットを他方側から視た側面図である。 図１に示す産業用ロボットの背面図である。 図１に示す産業用ロボットの正面図である。 図１に示す産業用ロボットを一方側から視た斜視図である。 図１に示す産業用ロボットを他方側から視た斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。 図１に示す産業用ロボットを前方側に可動させた状態の側面図である。 （ａ）は本実施形態に係る産業用ロボットのリンク機構の可動範囲を説明するための模式図であり、（ｂ）は従来に係る産業用ロボットのリンク機構の可動範囲を説明するための模式図である。

以下に、本発明の実施形態に係る産業用ロボット（以下、ロボットという）を図１〜図９を参照しながら詳述する。

１．ロボット１の全体構成
図１〜図６に示すように、ロボット１は、マニュピュレータであり、基台１０と、基台１０に取付けられたリンク機構２０と、リンク機構２０に取付けられた手首組立体３０と、を備えている。

１−１．基台１０
基台１０は、設置面Ｆに設置されており、設置面Ｆに固定された固定台１１と、設置面Ｆに対して直交する方向に沿った旋回軸Ｊａの周りに旋回する旋回台１２とを備えている。旋回台１２は、固定台１１に固定されたモータの出力軸（図示せず）が接続されている。これにより、旋回台１２を固定台１１に対して旋回軸Ｊａの周りに旋回する。

１−２．リンク機構２０
リンク機構２０は、第１〜第３アーム２１〜２３を備えている。第１アーム２１は、ロボット１の前方側、すなわち、手首組立体３０側において、基台１０の旋回台１２に回動自在に枢着されている。具体的には、第１アーム２１の一端（基端部）には、連接部２１ａが形成されており、連接部２１ａは基台１０の旋回台１２に接続されている。これにより、第１アーム２１は、旋回軸Ｊａと直交する第１回転軸Ｊ１の周りに、基台１０に対して枢動自在（回転自在）となる。

第１アーム２１は、リンク機構２０に枢着された第４アーム２４から先端側の部材を支持する支持アームであり、リンク機構２０の他のアームよりも剛性が高い。具体的には、第１アーム２１は、第２アーム２２および第３アーム２３に比べて、第１回転軸Ｊ１に沿った最大の厚みが大きい。

第２アーム２２は、ロボット１の後方側において、基台１０の旋回台１２に、回動自在に枢着されている。具体的には、第２アーム２２の一端（基端部）には、連接部２２ａが形成されており、連接部２２ａは基台１０の旋回台１２に接続されている。これにより、第２アーム２２は、第１回転軸Ｊ１と平行となる第２回転軸Ｊ２の周りに、基台１０に対して枢動自在（回転自在）となる。さらに、図３に示すように、第１アーム２１および第２アーム２２は、旋回軸Ｊａに対して一方側にオフセットした位置に配置されている。これにより、第４アーム２４と基台１０との間に空間が形成されるため、第４アーム２４の可動範囲を確保することができる。

第３アーム２３は、その両端部において、第１アーム２１の他端（先端部）および第２アームの他端（先端部）に、回動自在に枢着されている。具体的には、第３アーム２３の一端には、後述するように、第１アーム２１に連接される連接部に相当する関節シャフト２３ａが形成されている。関節シャフト２３ａは、第１アーム２１の他端に形成された連接部に相当する受け部２１ｂに収容されている。これにより、第３アーム２３は、第１回転軸Ｊ１と平行となる第３回転軸Ｊ３の周りに、第１アーム２１に対して枢動自在（回転自在）となり、第１アーム２１により軸支される。

一方、第３アーム２３の他端には、第２アーム２２の他端（先端部）に形成された連接部２２ｂに接続される連接部２３ｂが形成されている。これにより、第３アーム２３は、第３回転軸Ｊ３と平行となる第４回転軸Ｊ４の周りに、第２アーム２２に対して枢動自在（回転自在）となる。なお、第２アーム２２および第３アーム２３は、第１アーム２１の枢動を安定させるための補助アームである。

本実施形態では、リンク機構２０を水平方向から見て（ロボット１の側面視において）、第１回転軸Ｊ１から第３回転軸Ｊ３までの距離と、第２回転軸Ｊ２から第４回転軸Ｊ４までの距離は、等しくなっている。さらに、第１回転軸Ｊ１から第２回転軸Ｊ２までの距離は、第３回転軸Ｊ３から第４回転軸Ｊ４までの距離と、等しくなっている。これにより、リンク機構２０は、平行リンク機構となり、動作時に、第１アーム２１と第２アーム２２とが平行な位置関係となるように保持され、リンク機構２０の可動範囲を広げることができる。

さらに、図２および図６に示すように、第１アーム２１の一端（基端部）には、第１回転軸Ｊ１の周りに回転する第１モータ３１が接続されており、第１モータ３１の出力により、第１アーム２１が基台１０に対して相対的に枢動（回動）する。この第１アーム２１の枢動に伴い、第１アーム２１に枢着された第３アーム２３および第３アーム２３に枢着された第２アーム２２がそれぞれ、各回転軸の周りに相対的に枢動し、ロボット１の前後方向に、リンク機構２０を動作させることができる。

１−３．手首組立体３０
さらに、リンク機構２０には、手首組立体３０が枢動自在に取り付けられている。具体的には、手首組立体３０は、第４アーム（アッパーアーム）２４を備えており、第４アーム２４は、リンク機構２０に対して、回動自在に枢着されている。第４アーム２４は、ロボット１の腕部に相当するアーム本体２４ａと、ロボット１の肘部に相当し、リンク機構２０に連接された連接部２４ｂとを備えている。

図５に示すように、第４アーム２４の連接部２４ｂは、第１アーム２１の他端において、第１アーム２１に対して第３アーム２３が配置される側を一方側としたときに、第１アーム２１の他方側に配置されるように、リンク機構２０に対して回動自在に枢着されている。

具体的には、第４アーム２４の連接部２４ｂは、第３アーム２３の関節シャフト２３ａに対して、第３回転軸Ｊ３の周りに回動自在に枢着されている。本実施形態では、図４および図５に示すように、第３アーム２３に対する第１アーム２１および第４アーム２４の回転軸は、第３回転軸Ｊ３で同じ回転軸である。

ここで、第３アーム２３に対する第４アーム２４の枢動は、第２モータ３２により行われる。第２モータ３２は、第４アーム２４の連接部２４ｂに固定されており、第２モータ３２の出力軸３２ｂは、第４回転軸Ｊ４の周りに枢動するように第３アーム２３に接続される（たとえば図７参照）。これにより、第３アーム２３に対して、第４アーム２４を第２モータ３２の本体と共に回動させることができる。

第４アーム２４のアーム本体２４ａは、連接部２４ｂに対して、軸心に沿った回動軸Ｊｂの周りに回動自在に接続（連接）されている。図３に示すように、連接部２４ｂには、第３モータ３３が固定されており、第３モータ３３の出力軸（図示せず）は、回動軸Ｊｂにアーム本体２４ａが回動するようにアーム本体２４ａに接続されている。この第３モータ３３の駆動により、アーム本体２４ａを、連接部２４ｂに対して、回動軸Ｊｂの周りに回動させることができる。

本実施形態では、回動軸Ｊｂと、旋回軸Ｊａとは、ロボット１の動作に拘わらず、同一平面上に配置されている。これにより、旋回台１２が旋回する中心軸である旋回軸Ｊａに、回動軸Ｊｂが交差するので、旋回台１２の旋回動作に拘わらず、第４アーム２４を回動軸Ｊｂの周りに安定して動作させることができる。

さらに、アーム本体２４ａの先端には、ロボット１の手首部に相当する一対の把持部２４ｃ，２４ｃが形成されており、これらの間に、溶接トーチなどのエンドエフェクタ（図示せず）を支持する支持アーム２５が取付けられている。支持アーム２５は、アーム本体２４ａに内蔵されたモータおよび動力伝達ベルト等により、第４アーム２４に対して、揺動軸Ｊｃの周りを揺動（回動）するとともに、エンドエフェクタが取付けられる支持アーム２５の先端部が回動軸Ｊｄの周りに回動するように構成されている。

なお、ロボット１の手首組立体３０には、電源ケーブル４１を介して、電力が供給される（図７参照）。これにより、各モータに電力が供給され、回動軸Ｊｂ，Ｊｄ，および揺動軸Ｊｃの周りの回動および揺動の動作を実現することができる。

２．第４アーム２４の取付け構造およびリンク機構２０との位置関係
上述したように、本実施形態では、第１アーム２１は、第１アーム２１の一方側から、第３アーム２３の関節シャフト２３ａを受ける受け部２１ｂにより、軸受６を介して第３アーム２３を軸支している（図３および図７等参照）。このようにして、第１アーム２１の一方側において、第３アーム２３は第１アーム２１に対して、第３回転軸Ｊ３の周りに回動自在に、枢着されている。

受け部２１ｂは、第３アーム２３の関節シャフト２３ａを収容する空洞部分を有した略円筒状の部分である。関節シャフト２３ａは、第１アーム２１の受け部２１ｂの内部に収容された状態で、第３アーム２３が第１アーム２１に対して回動自在であれば、円柱状または円筒状のいずれの形状であってもよい。また、関節シャフト２３ａは、第３アーム２３に対して着脱自在な構造であってもよい。

さらに、図７に示すように、第４アーム２４の連接部２４ｂは、上述した如く、第１アーム２１の他方側において、第３アーム２３の関節シャフト２３ａに対して、第３回転軸Ｊ３の周りに回動自在に枢着されている。具体的には、上述した如く、第１アーム２１の受け部２１ｂに収容された、第３アーム２３の関節シャフト２３ａに、第２モータ３２を介して第４アーム２４の連接部２４ｂが回動自在に枢着されている。

このような構造を採用することにより、ロボット１は、第１アーム２１の他端（先端部）において、第１アーム２１の一方側に第３アーム２３を配置し、第１アーム２１の他方側に前記第４アーム２４を配置することができる。さらに、第４アーム２４を、第３アーム２３に回動自在に枢着させることができる。

したがって、第１アーム２１を挟んで、第３アーム２３と第４アーム２４とが配置されているので、第３アーム２３と第４アーム２４との機械的な干渉を回避することができる。特に、第１アーム２１は、第４アーム２４から先端側を支持する支持アームであるため、上述した如く、第３アーム２３よりもその最大の厚みが厚い。このため、第３アーム２３と第４アーム２４とは、第１アーム２１の厚み分、離間して配置されるため、第３アーム２３に、第１アーム２１と第４アーム２４とを挟み込むように配置した場合に比べて、第３アーム２３と第４アーム２４の機械的な干渉を回避することができる。

また、第１アーム２１と第４アーム２４とは、直接的に枢動することはない。すなわち、第１モータ３１の動力が、第１アーム２１を介して、第４アーム２４に直接的に伝達されることがないので、第２モータ３２の動力を、効率的に第３アーム２３に枢着された第４アーム２４に伝達することができる。

なお、図３および図７に示すように、本実施形態では、第１アーム２１の受け部２１ｂと第４アームの連接部２４ｂとにより、電源ケーブル４１を収容する空間Ｓが形成されている。第４アーム２４の連接部２４ｂにカバー６１を取り付けることにより、空間Ｓを覆っている。このような構造を採用することにより、第１アーム２１の他方側において、第１アーム２１と第３アーム２３との相対的な枢動に影響を受けず、電源ケーブル４１を空間Ｓに収容することができる。

さらに、本実施形態では、図７に示すように、第３アーム２３の関節シャフト２３ａを、第１アーム２１の受け部２１ｂが収容し、第３アーム２３の関節シャフト２３ａに、第２モータ３２の出力軸３２ｂを介して、第３アーム２３が連結されている。これにより、第１アーム２１と第３アーム２３が回動する回転軸と、第３アーム２３と第４アーム２４とが回動する回転軸とは、同じ第３回転軸Ｊ３となる。

このように、第１アーム２１と第３アーム２３とが相対的に回動する回転軸と、第３アーム２３と第４アーム２４とが相対的に回動する回転軸とを一致させることにより、ロボット１を稼働した際に、これらアームの相対的な回動を安定させることができる。さらに、共通した第３回転軸Ｊ３でこれらアームを回転させるので、これらアーム同士の機械的干渉を抑える構造を採用することができる。これにより、リンク機構２０に対する第４アーム２４の枢動が起因して、リンク機構２０の可動範囲に制限を設けなくてもよく、第４アーム２４の可動範囲を広げることができる。

さらに、本実施形態では、上述したように、基台１０の旋回軸Ｊａと、第４アーム２４の回動軸Ｊｂとは、同一平面上に配置されている（図１および図４等参照）。これに加えて、第１アーム２１の他方側に第４アーム２４が配置されているので、基台１０と第４アーム２４との間には、空間が形成される（図４および図６参照）。このような結果、第４アーム２４を含む手首組立体３０の可動範囲をより広げることができるとともに、旋回台１２の旋回動作に拘わらず、第４アーム２４を回動軸Ｊｂの周りに安定して動作させることができる。

３．第１〜第４回転軸Ｊ１〜Ｊ４の位置関係
上述したように、第１〜第４回転軸Ｊ１〜Ｊ４は、図３および図４に示すように、水平方向に沿って同じ方向に延在している。本実施形態では、図１および図２に示すように、リンク機構２０の側面視において、第１アーム２１と基台１０が相対的に回動する第１回転軸Ｊ１よりも、第２アーム２２と基台１０が相対的に回動する第２回転軸Ｊ２の方が、設置面Ｆから高い位置にある。具体的には、第２回転軸Ｊ２は、第１回転軸Ｊ１よりも、長さｄ１だけ、高い位置にある。

これにより、図８に示すように、リンク機構２０を可動させた際に、第１アーム２１側（ロボット１の前方側）へのリンク機構２０の可動範囲を広げることができる。これまでは、図９（ｂ）に示すように、設置面Ｆに対して同じ高さの第１回転軸Ｊ１および第２回転軸Ｊ２のリンク機構２０’を採用していた。この場合、第１アーム２１が設置面Ｆに対して起立した状態から、リンク機構２０’を第１アーム２１側（ロボット１の前方側）へ枢動させると、第１アーム２１の枢動する角度は、角度θ２となる。

しかしながら、図９（ａ）に示すように、本実施形態では、リンク機構２０は、第１回転軸Ｊ１よりも、第２回転軸Ｊ２の方が、設置面Ｆから高い位置にある。したがって、第１アーム２１が設置面Ｆに対して起立した状態から、リンク機構２０を第１アーム２１側（ロボット１の前方側）へ枢動させると、第１アーム２１の枢動する角度は、上述したθ２よりも大きい角度θ１となる。このような結果、図９（ｂ）に示す場合に比べて、第１アーム２１側（ロボット１の前方側）へのリンク機構２０の可動範囲が広くなる。

このような結果、装置を大型化することなく、図８に示すように、第１アーム２１側において、リンク機構２０に対して回動自在に枢着された第４アーム２４の先端および支持アーム２５を、より大きく移動させることができる。

さらに、図１および図２では、ロボット１は、第１アーム２１および第２アーム２２が設置面Ｆに対して直交する方向に沿って起立した姿勢にある。この姿勢において、第１アーム２１と第３アーム２３が回動する第３回転軸Ｊ３よりも、第２アーム２２と第３アーム２３が回動する第４回転軸Ｊ４の方が、設置面Ｆから高い位置にある。第４回転軸Ｊ４は、第３回転軸Ｊ３よりも、長さｄ２だけ、高い位置にある。

このように、第３回転軸Ｊ３と第４回転軸Ｊ４の位置関係を満たしつつ、第３アーム２３を、第１アーム２１および第２アーム２２に回動自在に枢着させているので、第１アーム２１を、ロボット１の前方側に、より大きく枢動させることができる。

このような結果、第１アーム２１側において、リンク機構２０に対して第４アーム２４を、その先端側により大きく移動させることができる。特に、本実施形態では、長さｄ１と長さｄ２を等しくすることにより、第１回転軸Ｊ１から第３回転軸Ｊ３までの距離と、第２回転軸Ｊ２から第４回転軸Ｊ４までの距離が等しくなる。これにより、第１アーム２１を、ロボット１の前方側に、さらに大きく枢動させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：ロボット（産業用ロボット）、１０：基台、１１：固定台、１２：旋回台、２０：リンク機構、２１：第１アーム、２１ｂ：受け部、２２：第２アーム、２３：第３アーム、２３ａ：関節シャフト、２４：第４アーム、２５：支持アーム、３０：手首組立体、４１：電源ケーブル、設置面Ｆ、Ｊ１〜Ｊ４：第１〜第４回転軸、Ｊａ：旋回軸、Ｊｂ：第５回動軸

Claims (3)

1. 設置面に設置された基台と、
   前記基台に一端が回動自在に枢着された第１アームおよび第２アームと、前記第１アームおよび前記第２アームの他端に回動自在に枢着された第３アームと、を有するリンク機構と、
   前記第１アーム側において、前記リンク機構に対して回動自在に枢着された第４アームと、を備えており、
   前記第１アームの他端において、前記第１アームの一方側に前記第３アームが配置され、前記第１アームの他方側に前記第４アームが配置されており、
   前記第１アームと前記第３アームとが回動する回転軸と、前記第３アームと前記第４アームとが回動する回転軸とは、同じ回転軸であり、
   前記基台は、設置面に対して固定された固定台と、前記リンク機構を枢着するとともに、該固定台に対して旋回軸の周りに旋回する旋回台と、を備えており、
   前記第４アームは、アーム本体と、該アーム本体の軸心を回動軸として、該回動軸の周りに、前記アーム本体を回動自在に連接するとともに、前記第３アームに回動自在に枢着された連接部と、を備えており、
   前記旋回軸と、前記回動軸とは、同一平面上に配置されていることを特徴とする産業用ロボット。
2. 前記第１アームと前記基台が相対的に回動する第１回転軸よりも、前記第２アームと前記基台が相対的に回動する第２回転軸の方が、前記設置面から高い位置にあり、
   前記第１アームおよび前記第２アームが前記設置面に対して直交する方向に沿って起立した姿勢において、前記第１アームと前記第３アームが回動する第３回転軸よりも、前記第２アームと前記第３アームが回動する第４回転軸の方が、前記設置面から高い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボット。
3. 前記第４アームの先端には、エンドエフェクタを支持する支持アームが取り付けられており、前記支持アームは、前記第４アームに対して揺動するとともに、前記支持アームの先端部が前記支持アームの軸心に対して回動することを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボット。

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