JP6989540B2

JP6989540B2 - ロボット

Info

Publication number: JP6989540B2
Application number: JP2019013685A
Authority: JP
Inventors: 勇樹近藤; 正博内藤
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: US11260546B2; DE102020101241A1; JP2020121356A; CN111482952B; CN111482952A; US20200238545A1

Description

本発明は、ロボットに関するものである。

減速機の内部機構が剛性不足で撓み変形やがたつきが生じることがあるため、モータの回転軸の回転角度を検出する入力側エンコーダに加えて、減速機の出力軸の回転角度を検出する出力側エンコーダを備えるロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このロボットは、ベアリングによって回転可能に連結された２つのリンクを備え、モータが固定される減速機の入力部が一方のリンクに固定され、減速機の出力軸が他方のリンクに固定されている。出力側エンコーダは、光学式のエンコーダであり、２つのリンクの回転軸線方向に隣接する隣接面の一方に設けられたスケールと他方に設けられた検出ヘッドとを備えている。

特開２０１６−２７９５１号公報

出力側エンコーダを交換する場合に、ロボットの機構部を分解することなく交換することができる構造であることが望ましい。

本開示の一態様は、回転軸線回りに回転可能に連結された第１リンク部材および第２リンク部材と、前記第１リンク部材に固定された入力軸部と前記第２リンク部材に固定された出力軸部とを有する減速機と、該減速機に入力する回転駆動力を発生するモータと、該モータの回転軸の回転角度を検出する入力側エンコーダと、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との相対回転角度を検出する出力側エンコーダとを備える少なくとも１つの関節軸を備え、前記モータが前記回転軸線から離間した位置に配置されるとともに、前記モータと前記減速機との間に、前記回転軸の回転を前記減速機に伝達する動力伝達機構が設けられ、前記減速機が、前記回転軸線を含む位置に該回転軸線に沿う方向に貫通する中空部を備え、かつ、該中空部を貫通して、一端が前記入力軸部または前記出力軸部の一方に固定され、他端が前記入力軸部または前記出力軸部の他方の端面よりも突出して配置される筒状部材を備え、前記出力側エンコーダが、角度検出用のパターンを有するリング状のスケール部材と、該スケール部材の前記パターンを検出するセンサとを備え、前記スケール部材が、前記筒状部材の前記他端に着脱可能に固定され、前記センサが、前記入力軸部または前記出力軸部の前記他方に固定されているロボットである。

本開示の一実施形態に係るロボットを示す側面図である。図１のロボットを示す正面図である。図１のロボットの第１の関節軸を部分的に示す縦断面図である。図１のロボットの第２の関節軸を部分的に示す正面図である。図４の第２の関節軸を部分的に示す側面図である。図５の第１アームの側面へのスケール部材の着脱を説明する部分的な縦断面図である。図６の変形例を示す縦断面図である。

本開示の一実施形態に係るロボット１について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１および図２に示されるように、例えば、６軸多関節型ロボットである。

ロボット１は、６個の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を備えている。
第１の関節軸Ｊ１は、被設置面である床面に設置されるベース（第１リンク部材）２と旋回胴（第２リンク部材）３との間に設けられ、ベース２に対して旋回胴３を、鉛直な第１軸線（回転軸線）Ａ回りに回転させることができる。

第２の関節軸Ｊ２は、旋回胴（第１リンク部材）３と第１アーム（第２リンク部材）４との間に設けられ、旋回胴３に対して第１アーム４を水平な第２軸線（回転軸線）Ｂ回りに回転させることができる。
第３の関節軸Ｊ３は、第１アーム（第１リンク部材）４と第２アーム（第２リンク部材）５との間に設けられ、第１アーム４に対して第２アーム５を、第２軸線Ｂに平行な第３軸線（回転軸線）Ｃ回りに回転させることができる。

第４の関節軸Ｊ４は、第２アーム（第１リンク部材）５と手首ユニット（第２リンク部材）６との間に設けられ、第２アーム５に対して手首ユニット６を、第３軸線Ｃとねじれの位置関係にある第４軸線（回転軸線）Ｄ回りに回転させることができる。第５および第６の関節軸Ｊ５，Ｊ６は、手首ユニット６の先端に配置されている。

まず、第１の関節軸Ｊ１の構成について説明する。
第１の関節軸Ｊ１は、図３に示されるように、第１軸線Ａ回りに相対回転可能に連結されたベース２および旋回胴３と、回転駆動力を発生するモータ７と、モータ７の回転軸７ａの回転を減速する減速機８とを備えている。
モータ７は、第１軸線Ａから離間した位置に配置されている。モータ７と減速機８との間には、モータ７の回転軸７ａの回転を減速機８に伝達する一対の歯車（動力伝達機構）９，１０が設けられている。

一方の歯車９はモータ７の回転軸７ａに固定され、他方の歯車１０は図示しないベアリングによって、第１軸線Ａ回りに回転可能に支持されている。他方の歯車１０はシャフト１０ｂの長手軸に沿って貫通する中央孔１０ａを有している。

減速機８は、旋回胴３に固定される入力軸部１２と、ベース２に固定される出力軸部１３とを備えている。減速機８は、一対の歯車９，１０を経由してモータ７の回転駆動力が入力されると、内部機構によって回転を減速することにより、入力軸部１２に対する出力軸部１３の回転として増幅されたトルクを出力することができる。

減速機８は第１軸線Ａを含む位置に第１軸線Ａに沿う方向に貫通する中空部８Ａを備えている。また、旋回胴３にも、減速機８の中空部８Ａに対応する位置に上下方向に貫通する貫通孔１４が設けられている。

そして、減速機８の中空部８Ａおよび旋回胴３の貫通孔１４には、これらの中空部８Ａおよび貫通孔１４を第１軸線Ａ方向全長にわたって貫通して、円柱状のガイド管（筒状部材）１５が配置されている。ガイド管１５は、下端（一端）が減速機８の出力軸部１３に固定され、上端（他端）が旋回胴３の上方に突出して延びている。図中符号１１は、旋回胴３の貫通孔１４とガイド管１５との隙間を第１軸線Ａ回りの回転を許容しつつ密封するシール部材である。

ガイド管１５の内径は、内部にロボット１の機構部のケーブルを含む線条体１６を貫通させるのに十分な大きさを有している。また、ガイド管１５は、内部に貫通させる線条体１６との間の摩擦を低減する材料により構成され、あるいは、少なくとも内面に摩擦を低減させる処理が施されている。

本実施形態においては、第１の関節軸Ｊ１には、モータ７の回転軸７ａの回転角度を検出する入力側エンコーダ１７Ａと、ベース２に対する旋回胴３の回転角度を検出する出力側エンコーダ１７Ｂとが設けられている。入力側エンコーダ１７Ａは、例えば、モータ７に備えられ、モータ７の回転軸７ａに固定された図示しないスケール部材と、スケール部材に設けられた角度検出用のパターンを光学式に読み取る図示しないセンサとを備えている。

出力側エンコーダ１７Ｂも入力側エンコーダ１７Ａと同様に、スケール部材１８とセンサ１９とを備えている。出力側エンコーダ１７Ｂのスケール部材１８は、中央孔２０を有するリング状に形成され、円筒面１８ａからなる外周面にパターンが設けられている。スケール部材１８は、中央孔２０にガイド管１５の上端を嵌合させることにより、ガイド管１５に固定されている。図中符号２１はスケール部材を覆うカバーである。

出力側エンコーダ１７Ｂのセンサ１９は、スケール部材１８の円筒面１８ａの径方向外方に隙間をあけて対向して配置されている。センサ１９は、図示しない発光部と受光部とを備え、発光部から発せられスケール部材１８の円筒面１８ａにおいて反射して戻る光が受光部によって受光されることにより、受光された光の強度変化によって、円筒面１８ａに付されているパターンを読み取ることができる。

次に、第２の関節軸Ｊ２の構成について説明する。
第２の関節軸Ｊ２は、図４および図５に示されるように、第２軸線（回転軸線）Ｂ回りに相対回転可能に連結された旋回胴（第１リンク部材）３および第１アーム（第２リンク部材）４と、回転駆動力を発生するモータ２２と、モータ２２の回転軸２２ａの回転を減速する減速機２３とを備えている。

減速機２３は、旋回胴３に固定される入力軸部２４と、第１アーム４に固定される出力軸部２５とを備えている。減速機２３は、モータ２２の回転駆動力が入力されると、内部機構によって回転を減速することにより、入力軸部２４に対する出力軸部２５の回転として増幅されたトルクを出力することができる。

本実施形態においては、第２の関節軸Ｊ２には、モータ２２の回転軸２２ａの回転角度を検出する入力側エンコーダ２６Ａと、旋回胴３に対する第１アーム４の回転角度を検出する出力側エンコーダ２６Ｂとが設けられている。入力側エンコーダ２６Ａは、例えば、モータ２２に備えられ、モータ２２の回転軸２２ａに固定された図示しないスケール部材と、スケール部材に設けられた角度検出用のパターンを光学式に読み取る図示しないセンサとを備えている。

出力側エンコーダ２６Ｂも入力側エンコーダ２６Ａと同様に、スケール部材２７とセンサ２８とを備えている。出力側エンコーダ２６Ｂのスケール部材２７は、図４および図５に示されるように、中央孔２９を有するリング状に形成され、円筒面２７ａからなる外周面にパターンが設けられている。スケール部材２７は、第１アーム４の減速機２３が固定されている面とは反対側の側面に設けられた取付面４ａに着脱可能に固定される。

取付面４ａは、図６に示されるように、第２軸線Ｂに直交する方向に延び、第２軸線Ｂを中心軸とする円柱状の突起３０を備えている。スケール部材２７の中央孔２９に突起３０を嵌合させることにより、スケール部材２７を第１アーム４に対して第２軸線Ｂに直交する方向に精度よく位置決めすることができる。

また、スケール部材２７を取付面４ａに突き当てることにより、スケール部材２７を第１アーム４に対して第２軸線Ｂ方向に精度よく位置決めすることができる。スケール部材２７は、例えば、取付面４ａに設けられた図示しないネジ孔に図示しないボルトを締結することにより、第１アーム４に着脱可能に取り付けられる。

第２の関節軸Ｊ２の出力側エンコーダ２６Ｂのセンサ２８は、図４に示されるように、旋回胴３に固定された固定部材３１に固定されている。センサ２８は固定部材３１に対して、第２軸線Ｂに直交する方向に位置調整可能に取り付けられている。センサ２８の構造は第１の関節軸Ｊ１のセンサ１９と同様である。

第３の関節軸Ｊ３は、第２の関節軸Ｊ２の旋回胴３を第２アーム５に置き換えただけの、第２の関節軸Ｊ２と同等の構造を有しているので、説明を省略する。
第４の関節軸Ｊ４は、第１の関節軸Ｊ１のベース２を手首ユニット６、旋回胴３を第２アーム５に置き換えただけの、第１の関節軸Ｊ１と同等の構造を有しているので説明を省略する。
図１および図２には、第１の関節軸Ｊ１と第４の関節軸Ｊ４の構成には同一の符号を付し、第２の関節軸Ｊ２と第３の関節軸Ｊ３の構成にも同一の符号を付している。

このように構成された本実施形態に係るロボット１の作用について説明する。
本実施形態に係るロボット１によれば、モータ７，２２により発生した回転駆動力が減速機に入力されると、モータ７，２２の回転軸７ａ，２２ａの回転が減速機８，２３によって減速させられて、減速機８，２３の入力軸部１２，２４と出力軸部１３，２５とが相対回転させられる。

これにより、第１の関節軸Ｊ１においては、ベース２に対して旋回胴３、第２の関節軸Ｊ２においては、旋回胴３に対して第１アーム４、第３の関節軸Ｊ３においては、第１アーム４に対して第２アーム５、そして、第４の関節軸Ｊ４においては、第２アーム５に対して手首ユニット６が、それぞれの減速機８，２３によって増幅された高いトルクにより回転駆動される。また、第５、第６の関節軸Ｊ５，Ｊ６も同様である。

この場合において、本実施形態に係るロボット１によれば、手首先端の３次元空間上の位置に影響する第１から第３の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３および第４の関節軸Ｊ４には、モータ７，２２の回転軸７ａ，２２ａの回転角度を検出する入力側エンコーダ１７Ａ，２６Ａに加えて、出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂが設けられている。これにより、減速機８，２３の内部機構の剛性不足に基づく撓み変形やがたつきが発生したとしても、入力側エンコーダ１７Ａ，２６Ａにより検出された回転角度および出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂにより検出された回転角度の両方を利用することによって、各関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の回転角度の精度が向上し、手首先端の位置決め精度および軌跡精度を向上することができるという利点がある。

また、第１の関節軸Ｊ１および第４の関節軸Ｊ４においては、減速機８を中空構造として、中空部８Ａを貫通するガイド管１５を設置し、動力伝達機構である一対の歯車９，１０によってモータ７を回転軸線Ａ，Ｄから離れた位置に配置している。これにより、中空部８Ａの延長上のスペースを確保し、ガイド管１５の内部に線条体１６を通過させ、線条体１６を回転軸線Ａ，Ｄの近傍に、回転軸線Ａ，Ｄに沿ってほぼ真っ直ぐに配置することができる。このようにすることで、ベース２に対して旋回胴３、第２アーム５に対して手首ユニット６をそれぞれ第１軸線Ａまたは第４軸線Ｄ回りに大きな動作角度範囲にわたって回転させても、線条体１６に大きな曲げが作用せず、線条体１６の健全性を維持することができる。

線条体１６を貫通させているガイド管１５の一端を減速機８の出力軸部１３に固定しているので、モータ７を駆動すると、入力軸部１２に対して出力軸部１３が相対回転し、出力軸部１３に固定されているガイド管１５も入力軸部１２に対して相対回転させられる。
そして、スケール部材１８がガイド管１５に固定され、センサ１９が旋回胴３あるいは第２アーム５を挟んで間接的に入力軸部１２に固定されているので、センサ１９とスケール部材１８との間に、入力軸部１２と出力軸部１３との相対回転に等しい相対回転が発生する。これにより、出力側エンコーダ１７Ｂによって、入力軸部１２と出力軸部１３との相対回転角度を精度よく検出することができる。

また、第２の関節軸Ｊ２および第３の関節軸Ｊ３においては、減速機２３の出力軸部２５が固定されたリンク部材４，５の出力軸部２５とは反対側の側面に設けた取付面４ａに、スケール部材２７を直接取り付けている。そして、センサ２８が旋回胴３あるいは第１アーム４に固定された固定部材３１によって、入力軸部２４に間接的に固定されている。これにより、第２の関節軸Ｊ２および第３の関節軸Ｊ３においても、出力側エンコーダ２６Ｂによって、入力軸部２４と出力軸部２５との相対回転角度を精度よく検出することができる。

この場合において、本実施形態によれば、第１および第４の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４においては、線条体１６を貫通状態にガイドするための減速機８，２３の中空部８Ａを貫通しているガイド管１５を利用して、出力軸部１３の回転を、入力軸部１２を挟んで出力軸部１３とは反対側において取り出している。
また、第２および第３の関節軸Ｊ２，Ｊ３においては、出力軸部２５が固定されたリンク部材４，５の出力軸部２５とは反対側の側面に設けた取付面４ａに、スケール部材２７を直接取り付けている。

これにより、第１から第４の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４においては、いずれも、出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂを、２つのリンク部材２，３，４，５，６の間ではなく、２つのリンク部材２，３，４，５，６の外側に配置できている。
その結果、出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂへの外部からのアクセスを容易にし、ロボット１を分解しなくても、スケール部材１８，２７およびセンサ１９，２８の交換および調整を行うことができるという利点がある。

さらに、第２、第３の関節軸Ｊ２，Ｊ３においては、スケール部材２７をリング板状に構成し、第１アーム４または第２アーム５の側面に設けられ、回転軸線Ｂ，Ｃに直交する方向に延びる取付面４ａに取り付けているので、取り付けられたスケール部材２７が第１アーム４または第２アーム５の外表面から大きく突出することが防止され、ロボット１が動作する際の出力側エンコーダ２６Ｂと周辺物体との干渉を回避することができる。すなわち、スケール部材２７をロボット１の外側からアクセスし易い位置に配置しつつ、ロボット１稼働時の干渉の発生を極力抑えることができるという利点がある。

また、角度検出用のパターンをスケール部材２７の円筒面２７ａに形成し、センサ２８を円筒面２７ａの径方向外方に隙間をあけて対向して配置することにより、平板状のスケール部材２７の厚さ方向にセンサ２８が配置されることを防止している。これにより、出力側エンコーダ２６Ｂの回転軸線Ｂ，Ｃに沿う方向の厚さ寸法の増加を抑えて、ロボット１稼働時の干渉の発生をさらに抑制することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、第１アーム４の側面または第２アーム５の側面に円柱状の突起３０を設け、突起３０をリング状のスケール部材２７の中央孔２９に嵌合させることとしたが、これに代えて、図７に示されるように、スケール部材２７を平板状に構成して厚さ方向に突出する円柱状の突起３２を設け、第１アーム４または第２アーム５の取付面４ａに突起３２を嵌合させる凹部３３を設けることにしてもよい。

また、スケール部材２７をリング状に構成したが、第２の関節軸Ｊ２および第３の関節軸Ｊ３は３６０°よりも小さい角度範囲に動作角度範囲が制限されているので、パターンが形成された円筒面２７ａが周方向に部分的に設けられていてもよい。円筒面２７ａ以外の部分は任意の形状でよい。

また、入力側エンコーダ１７Ａ，２６Ａおよび出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂとして光学式のものを例示したが、これに限定されるものではなく、光学式あるいは磁気式等の任意の非接触式のエンコーダあるいは接触式のエンコーダを採用してもよい。

また、本実施形態においては、例えば、第１の関節軸Ｊ１において、床面に設置されるベース２にモータ７および減速機８の出力軸部１３が固定され、ベース２に対して回転駆動される旋回胴３に入力軸部１２が固定され、固定された出力軸部１３に対して入力軸部１２が回転する場合を例示したが、逆でもよい。すなわち、ベース２にモータ７および入力軸部１２が固定され、旋回胴３に出力軸部１３が固定され、固定された入力軸部１２に対して出力軸部１３が回転することにしてもよい。
この場合には、ガイド管１５が入力軸部１２に固定されればよい。

また、例えば、第２の関節軸Ｊ２において、旋回胴３にモータ２２および減速機２３の入力軸部２４が固定され、第１アーム４に出力軸部２５が固定され、入力軸部２４に対して出力軸部２５が回転する場合を例示したが、逆でもよい。すなわち、旋回胴３に出力軸部２５を固定し、第１アーム４にモータ２２および入力軸部２４を固定して、固定された出力軸部２５に対して入力軸部２４が回転することにしてもよい。この場合には、スケール部材２７の取付面４ａは旋回胴３に設けられていればよい。

また、図３において、ガイド管１５が出力軸部１３に直接固定されている場合を例示したが、これに代えて、ベース２に固定されることにより、間接的に出力軸部１３に固定されていてもよい。

また、本実施形態において第１の関節軸Ｊ１および第４の関節軸Ｊ４に用いている構造は、他の関節軸Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５，Ｊ６のいずれにおいても採用することが可能であるため、その形態を採用してもよい。

また、本実施形態において第１、第２、第３および第４の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４として、出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂを備える構造のものを用いて説明したが、第１、第２、第３および第４の関節軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４のうち、少なくとも１つが出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂを備え、その他の関節軸が出力側エンコーダ１７Ｂ，２６Ｂを備えていない構造のものを採用してもよい。

１ロボット
２ベース（第１リンク部材）
３旋回胴（第１リンク部材、第２リンク部材）
４第１アーム（第１リンク部材、第２リンク部材）
５第２アーム（第１リンク部材、第２リンク部材）
６手首ユニット（第２リンク部材）
７，２２モータ
７ａ，２２ａ回転軸
８，２３減速機
８Ａ中空部
９，１０歯車（動力伝達機構）
１２，２４入力軸部
１３，２５出力軸部
１５ガイド管（筒状部材）
１７Ａ，２６Ａ入力側エンコーダ
１７Ｂ，２６Ｂ出力側エンコーダ
１８，２７スケール部材
１８ａ，２７ａ円筒面
１９，２８センサ
２０，２９中央孔
Ａ第１軸線（回転軸線）
Ｂ第２軸線（回転軸線）
Ｃ第３軸線（回転軸線）
Ｄ第４軸線（回転軸線）
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６関節軸

Claims

回転軸線回りに回転可能に連結された第１リンク部材および第２リンク部材と、前記第１リンク部材に固定された入力軸部と前記第２リンク部材に固定された出力軸部とを有する減速機と、該減速機に入力する回転駆動力を発生するモータと、該モータの回転軸の回転角度を検出する入力側エンコーダと、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との相対回転角度を検出する出力側エンコーダとを備える少なくとも１つの関節軸を備え、
前記モータが前記回転軸線から離間した位置に配置されるとともに、前記モータと前記減速機との間に、前記回転軸の回転を前記減速機に伝達する動力伝達機構が設けられ、
前記減速機が、前記回転軸線を含む位置に該回転軸線に沿う方向に貫通する中空部を備え、かつ、該中空部を貫通して、一端が前記入力軸部または前記出力軸部の一方に固定され、他端が前記入力軸部または前記出力軸部の他方の端面よりも突出して配置される筒状部材を備え、
前記出力側エンコーダが、角度検出用のパターンを有するリング状のスケール部材と、該スケール部材の前記パターンを検出するセンサとを備え、
前記スケール部材が、前記筒状部材の前記他端に着脱可能に固定され、
前記センサが、前記入力軸部または前記出力軸部の前記他方に固定されているロボット。
前記スケール部材が、円筒面を有し、
該円筒面に、前記パターンが設けられ、
前記センサが、前記円筒面に対して径方向に間隔をあけて配置されている請求項１に記載のロボット。
前記スケール部材が中央孔を有し、
該中央孔に前記筒状部材の外周面が嵌合している請求項１または請求項２に記載のロボット。
前記スケール部材が、カバーによって覆われている請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボット。
前記筒状部材が、線条体との間の摩擦を低減する材料により構成される請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボット。
前記筒状部材が、少なくとも内面に線条体との間の摩擦を低減させる処理が施されている請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット。
第１リンク部材と、
第２リンク部材と、
前記第１リンク部材と前記第２リンク部材を相対的に動作させるモータと、
該モータからの入力を減速させる中空の減速機と、
該減速機の出力を検出するエンコーダとを備え、
前記減速機が、前記第１リンク部材に固定された入力軸部と、前記第２リンク部材に固定された出力軸部と、前記入力軸部および前記出力軸部に略同軸に配置された筒状部材と、を備え、
前記エンコーダが、角度検出用のパターンを有するリング状のスケール部材と、該スケール部材の前記パターンを検出するセンサと、を備え、
前記筒状部材が、一部が前記入力軸部または前記出力軸部に接続され、少なくとも一端が前記第１リンク部材または前記第２リンク部材の表面よりも突出して配置され、
前記スケール部材が、前記筒状部材の前記一端に着脱可能に固定され、
前記センサが、前記スケール部材と対向するように配置されているロボット。