JP7284839B1

JP7284839B1 - ロボットアーム装置

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Publication number: JP7284839B1
Application number: JP2022008597A
Authority: JP
Inventors: アリヤ・マデ・ラマ・プラディプタ; 林健安
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-05-31
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: JP2023107408A

Abstract

【課題】ロボットアーム装置を提供する。【解決手段】ロボットアーム装置はロボットアーム、ケーブル結合体および巻き取りモジュールを備える。ロボットアームは台座、第一アームおよび第二アームを有する。ケーブル結合体はロボットアームの第一アームおよび第二アームに隣接するように配置される。巻き取りモジュールはロボットアームの第一アームに配置され、レール、ブロックおよび弾性復元ユニットを有する。ブロックはレールに上下に移動可能に配置され、かつケーブル結合体および弾性復元ユニットに連結される。上述した構造の特徴により、本発明によるロボットアーム装置は作動の利便性を向上させ、作動妨害を抑制し、配線配置に掛かる手間を減らすことができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットアームに関し、詳しくは作動の利便性を向上させるロボットアーム装置に関するものである。

多軸ロボットアームの開発および応用が進むのに伴い、人手を減らし、人の代わりに危険な作業現場で働いて、精密加工の品質を大いに向上させることができるようになる。多軸ロボットアームは速度が素早く、作動が高難度かつ複雑であるため、過大な作動が配線を損壊させることを防止するには、配線の長さを余分に確保することが必要である。言い換えれば、ロボットアームの作動に応じる空間範囲が過大であるとともに配線が長過ぎるため、配線と周囲の物件とが絡み合うことがよくある。

特許文献１により開示されたケーブリールシステムは、ガイドホイールおよび定力ばねを有する。ケーブルを引っ張る角度でロボットアームを作動させる際、ケーブルはガイドホイールを押してレールに沿って前進させる。ガイドホイールは前進すると同時に定力ばねの弾力に反発する。ケーブルを緩める角度でロボットアームを作動させる際、定力ばねは弾力によってガイドホイールを後退させる。ガイドホイールは後退すると同時に緩くなったケーブルを巻き取る。

特許文献２により開示されたガイドシステムは、台座、配線を配置するためのスタンドおよび回動装置を有する。スタンドは方向転換位置と回動位置との間を移動できる。回動装置はスタンドを回動位置に自動的に復元させる。スタンドを引っ張る角度でロボットアームを作動させる際、スタンドは方向変換ユニットを押してレールに沿って前進させる。スタンドは前進すると同時に回動装置の回動力に反発する。スタンドを緩める角度でロボットアームを作動させる際、回動装置は回動力によってスタンドを回動位置に帰す。

特許文献１および特許文献２は体積が大きく、コストが高いことが問題点である。体積が大きければロボットアームは運動範囲が限定され、慣性能率が低下するため、全体構造には改善の余地がある。

ＵＳ１０，９８９，２８２号公報ＵＳ９，３９９，２９９号公報

本発明は作動の利便性を向上させ、作動妨害を抑制し、作動空間を縮減することができるロボットアーム装置を提供することを主な目的とする。

上述した課題を解決するためのロボットアーム装置は、ロボットアーム、ケーブル結合体および巻き取りモジュールを備える。ロボットアームは台座、第一アームおよび第二アームを有する。ケーブル結合体はロボットアームの第一アームおよび第二アームに隣接するように配置され、一端がロボットアームの第二アームに固定される。巻き取りモジュールはロボットアームの第一アームに配置され、レール、ブロックおよび弾性復元ユニットを有する。ブロックはレールに上下に移動可能に配置され、かつケーブル結合体および弾性復元ユニットに連結される。

上述した構造の特徴により、ケーブル結合体はロボットアームの作動角度によって引っ張られるか解放されることができる。詳しく言えば、ロボットアームがケーブル結合体を引っ張る際、ケーブル結合体はブロックによってレースに沿って上昇すると同時に弾性復元ユニットの弾性復元力を貯存する。ロボットアームがケーブル結合体を緩める際、弾性復元ユニットは弾性復元力でブロックを降下させるとともにケーブル結合体を元の位置に復元させる。ケーブル結合体は引っ張られたり解放されたりしても、巻き取りモジュールの巻き取り機能によってロボットアームに隣接するように維持されるため、ケーブル結合体が周りの部材を妨害することを抑制し、ロボットアームを作動させる空間を縮減し、作動の利便性を向上させることができる。

比較的好ましい場合、ケーブル結合体はケーブルおよびケーブルを覆う電線管を有する。電線管は一端がロボットアームの台座に固定され、他端がロボットアームの第二アームの前端部に固定される。

比較的好ましい場合、ロボットアームはさらに第一関節部および第二関節部を有する。第一関節部は台座の頂部に回転可能に装着される。第一アームは底部が第一関節部に回転可能に連結される。第二関節部は第一アームの頂部に回転可能に連結される。第二アームは後端部が第二関節部に回転可能に連結される。

比較的好ましい場合、巻き取りモジュールはさらに保護カバーおよび電線管固定ユニットを有する。保護カバーはロボットアームの第一アームに配置される。レールは保護カバー内に配置される。電線管固定ユニットはブロックおよび電線管を連結する。弾性復元ユニットは先端部が電線管固定ユニットに固定され、末端部が保護カバーに固定される。

比較的好ましい場合、電線管固定ユニットは板状位置決めユニットおよび係止リングを有する。板状位置決めユニットはブロックおよび弾性復元ユニットの先端部を連結する。係止リングは電線管を固定するために板状位置決めユニットに配置される。上述した構造の特徴により、電線管固定ユニットは係止リングを介して電線管を上下に移動させる。

比較的好ましい場合、板状位置決めユニットは第一位置決め部、第二位置決め部および第三位置決め部を有する。第二位置決め部および第三位置決め部は第一位置決め部の相対する両側に別々に垂直に連結される。第一位置決め部はブロックに連結される。第二位置決め部は係止リングに連結される。第三位置決め部は弾性復元ユニットの先端部に連結され、長さがブロックの長さより大きいため、弾性復元ユニットの無効な行程を短縮することができる。

比較的好ましい場合、第一アームは底部が第一旋転中心を円心にし、第一関節部に向かって旋転する。第二関節部は第二旋転中心を円心にし、第一アームに向かって旋転する。第一旋転中心と第二旋転中心との間の最短距離からなる連結線はブロックの運動軌跡に平行である。上述した技術的特徴により、作動中のブロックの安定性を向上させることができる。

比較的好ましい場合、電線管は一端が電線管固定ユニットに固定される。電線管固定ユニットはホルダーに回転可能に装着される。ホルダーは末端連結台座に連結される。末端連結台座は第三関節部に回転可能に連結される。第三関節部は第二アームの前端部に回転可能に連結される。上述した技術的特徴により、電線管固定ユニットはホルダーに回転可能に装着されるため、第二アームが作動したうえで電線管が捩れて損壊することを抑制することができる。

比較的好ましい場合、レールはレール固定台座に固定される。レール固定台座は保護カバーに配置される。上述した構造の特徴により、巻き取りモジュール全体をロボットアームから取り外し、モジュール化の効果を実現させることができる。

比較的好ましい場合、レールはレール固定台座に固定される。レール固定台座はロボットアームの第一アームに固定されて第一アームと一体になり、構造強度を向上させる。

比較的好ましい場合、巻き取りモジュールはさらに二つの片状ストッパーおよび二つのガイドホイールを有する。一つの片状ストッパーは保護カバーの頂部に固定される。二つのガイドホイールは二つの片状ストッパーの間に着脱可能に配置される。電線管は二つのガイドホイールの間を通る。上述した構造の特徴により、電線管にガイド効果およびロック効果を発揮することができる。一つのガイドホイールを取り外せば電線管の着脱および交換を簡単に行うことができる。

比較的好ましい場合、弾性復元ユニットは張力が０．８ｋｇから１．３ｋｇの間である。張力が０．８ｋｇ以下である場合、ロボットアームの迅速な作動に応じて電線管を迅速に巻き取ることはできない。また、張力が１．３ｋｇ以上である場合、モーターの負荷が増大したことが原因で電線管および内部のケーブルを損壊させることが起こりやすい。

比較的好ましい場合、ブロックの行程が３２０ｍｍから４００ｍｍの間であれば、多軸旋転角度で作動するロボットアームに対応することができる。

本発明によるロボットアーム装置の詳細な構造、特徴、組み立てまたは使用方法について、以下の実施形態の詳細な説明を通して明確にする。なお、以下の詳細な説明および本発明により開示された実施形態は本発明を説明するための一例に過ぎず、本発明の請求範囲を限定できないことは、本発明にかかわる領域において常識がある者ならば理解できるはずである。

本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置を示す斜視図である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置を別の角度から見た斜視図である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置の一部分を示す分解斜視図である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置の巻き取りモジュールを示す斜視図である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置の巻き取りモジュールを示す分解斜視図である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置を背面から見た断面図の一部分である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置においてブロックがレールに沿って上昇する状態を背面から見た断面図の一部分である。本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置を側面から見た断面図の一部分である。本発明の第２実施形態によるロボットアーム装置を示す斜視図である。本発明の第２実施形態によるロボットアーム装置の一部分を示す分解斜視図である。本発明の第３実施形態によるロボットアーム装置を示す斜視図である。本発明の第３実施形態によるロボットアーム装置の一部分を示す分解斜視図である。

以下、本発明によるロボットアーム装置を図面に基づいて説明する。なお、明細書および図面において、方向性用語は図面中の方向に基づいて表現される。同じ符号は同じ部品または類似した部品の構造の特徴を示す。

（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるロボットアーム装置１０はロボットアーム２０、ケーブル結合体および巻き取りモジュール４０を備える。

ロボットアームは６軸ロボットアームであるが、これに限定されない。ロボットアーム２０は台座２１、第一関節部２２、第一アーム２３、第二関節部２４、第二アーム２５、第三関節部２６および末端連結台座２７を有する。
第一関節部２２は台座２１の頂部に回転可能に装着される。第一アーム２３は底部が第一関節部２２に上下に回転可能に連結される。第二関節部２４は第一アーム２３の頂部に上下に回転可能に連結される。第二アーム２５は後端部が第二関節部２４に回転可能に連結される。第三関節部２６は第二アーム２５の前端部に上下に回転可能に連結される。末端連結台座２７は第三関節部２６に回転可能に連結される。

ケーブル結合体はケーブル（図中未表示）およびケーブルを覆う電線管３０を有する。ケーブルは送電線、信号伝送ワイヤまたは送電線および信号伝送ワイヤの結合体であるが、これに限定されない。電線管３０はプラスチック波付き管などの伸縮可能な弾性チューブから製作されるが、これに限定されず、ケーブルを固定できる結束用ベルトを使用してもよい。
電線管３０は一端がロボットアーム２０の台座２１に固定され、続いて折り返し、１８０度回転してロボットアーム２０の第一関節部２２に固定され、続いてロボットアーム２０の第一アーム２３の後側面に沿って上に伸び、続いてロボットアーム２０の第二アーム２５の右側面に沿って前に伸び、続いて他端が電線管固定ユニット３２に差し込まれる。電線管固定ユニット３２は移動せず回転できる部品であり、ホルダー３４に固定される。ホルダー３４は一端が末端連結台座２７に連結される。

図４および図５に示すように、巻き取りモジュール４０は保護カバー４１、レール固定台座５０、レール５１、ブロック５２、電線管固定ユニット６０および弾性復元ユニット７０を有する。

保護カバー４１はフロントシェル４２、バックシェル４３、上部サイドキャップ４４、下部サイドキャップ４５、上部スタンド４６および下部スタンド４７を有する。フロントシェル４２は相対する第一側板４２２および第二側板４２４と、第一側板４２２および第二側板４２４を連結する第一連結板４２６と、第一連結板４２６の頂部に形成された上部嵌合溝４２７と、第一連結板４２６の底部に形成された下部嵌合溝４２８とを有する。
バックシェル４３は第三側板４３２と、第四側板４３４と、第三側板４３２および第四側板４３４を連結する第二連結板４３６とを有する。バックシェル４３は第三側板４３２がフロントシェル４２の第一側板４２２とともにレール固定台座５０に重なって固定され、第四側板４３４とフロントシェル４２の第二側板４２４との間が隙間４８になる。上部サイドキャップ４４はフロントシェル４２およびバックシェル４３の先端部に装着される。下部サイドキャップ４５はフロントシェル４２およびバックシェル４３の末端部に装着される。
上部スタンド４６はフロントシェル４２の上部嵌合溝４２７に嵌まり込み、レール固定台座５０の頂部に固定される。下部スタンド４７はフロントシェル４２の下部嵌合溝４２８に嵌まり込み、レール固定台座５０の底部に固定される。図３に示すように、保護カバー４１は上部スタンド４６および下部スタンド４７が締結部材によってロボットアーム２０の第一アーム２３に締結される。

レール５１は保護カバー４１内に配置され、レール固定台座５０に固定される。ブロック５２はレール５１に上下に移動可能に配置される。

電線管固定ユニット６０は板状位置決めユニット６１および係止リング６５を有する。板状位置決めユニット６１は第一位置決め部６２、第二位置決め部６３および第三位置決め部６４を有する。第二位置決め部６３および第三位置決め部６４は第一位置決め部６２の相対する両側に別々に垂直に連結されて第一位置決め部６２と一体になる。
図５に示すように、板状位置決めユニット６１の第一位置決め部６２はブロック５２に連結され、板状位置決めユニット６１をブロック５２とともに同調作動させることができる。板状位置決めユニット６１の第二位置決め部６３は隙間４８から保護カバー４１に突出する。係止リング６５は保護カバー４１に露出した板状位置決めユニット６１の第二位置決め部６３に連結されると同時に電線管３０を固定するため、板状位置決めユニット６１と電線管３０とともに同調作動することができる。

引張りスプリングなどの弾性復元ユニット７０は先端部が第一ボルト７１に連結され、末端部が第二ボルト７２に連結される。第一ボルト７１は板状位置決めユニット６１の第三位置決め部６４の先端部に締め付けられる。第二ボルト７２は片状ストッパー７３に締め付けられる。片状ストッパー７３はレール固定台座５０の底部に固定される。
上述した構造の特徴により、板状位置決めユニット６１がブロック５２とともにレール５１に沿って上昇する際、弾性復元ユニット７０は板状位置決めユニット６１によって引っ張られて弾性復元力を貯存する。図５に示すように、板状位置決めユニット６１の第三位置決め部６４は長さがブロック５２の長さより大きいため、弾性復元ユニット７０の無効な行程を短縮することができる。

上述をまとめると、ロボットアーム２０が作動すると、電線管３０はロボットアーム２０の作動角度によって引っ張られるか解放される。図６および図７に示すように、ロボットアーム２０が電線管３０を引っ張る際、電線管３０は係止リング６５とともにブロック５２をレール５１に沿って上昇させ、同時に板状位置決めユニット６１とともに弾性復元ユニット７０を引っ張って弾性復元ユニット７０の弾性復元力を貯存する。ロボットアーム２０が電線管３０を解放する際、弾性復元ユニット７０は弾性復元力によってブロック５２を板状位置決めユニット６１とともに降下させ、同時に電線管３０を係止リング６５とともに元の位置に復元させる。ロボットアーム２０は作動を停止するまで電線管３０を引っ張りたり緩めたりすることを繰り返す。
電線管３０は引っ張られたり解放されたりしても、ロボットアーム２０の第一アーム２３および第二アーム２５に隣接するように維持されるため、電線管３０が周りの部材を妨害することを抑制し、ロボットアーム２０を作動させる空間を縮減することができる。

図８に示すように、第一アーム２３は底部が第一旋転中心Ｐ１を円心にし、第一関節部２２に向かって旋転する。第二関節部２４は第二旋転中心Ｐ２を円心にし、第一アーム２３に向かって旋転する。第一旋転中心Ｐ１と第二旋転中心Ｐ２との間の最短距離からなる連結線Ｌはブロック５２の運動軌跡に平行である。上述した技術的特徴により、作動中のブロック５２を安定させて線形運動を維持することができる。電線管３０がロボットアーム２０の作動角度によって引っ張られる際、ブロック５２はレール５１に沿って上昇する。言い換えれば、ブロック５２の行程は電線管３０の引っ張られて伸びた長さによって決められる。
本実施形態において、電線管３０を最大限に引っ張るために、ブロック５２の行程は３２０ｍｍから４００ｍｍの間である。詳しく言えば、第二アーム２５を９０度回転させ、第三関節部２６を１２０度回転させ、末端連結台座２７を３６０度回転させれば、電線管３０を最大限に引っ張って伸ばすことができる。本実施形態において、弾性復元ユニット７０は張力が０．８ｋｇから１．３ｋｇの間である。張力が０．８ｋｇ以下である場合、ロボットアーム２０の迅速な作動に応じて電線管３０を迅速に巻き取ることはできないため、後続作業に支障をきたす。張力が１．３ｋｇ以上である場合、モーターの負荷が増大したことが原因で電線管３０および内部のケーブルを損壊させることが起こりやすい。

（第２実施形態）
図９および図１０に示すように、第２実施形態と第一実施形態との違いは二つの片状ストッパー８０および二つのガイドホイール８１、８２にある。第２実施形態において、一つの片状ストッパー８０は保護カバー４１の頂部に固定される。二つのガイドホイール８１、８２はそれぞれのシャフト８３が二つの片状ストッパー８０の間に回転可能に配置される。一つのシャフト８３は一端がナット８４に締め付けられ、他端がＣ字型金具８５によって固定される。別の一つのシャフト８３は一端がナット８６に締め付けられ、他端がねじ８７によって固定される。
上述した構造の特徴により、二つのガイドホイール８１、８２の間を電線管３０が通れば、電線管３０にガイド効果およびロック効果を発揮することができる。ガイドホイール８２を取り外せば電線管３０および内部のケーブルのメンテナンスおよび交換を簡単に行うことができる。

（第３実施形態）
図１１および図１２に示すように、第３実施形態と第１実施形態との違いは下記の通りである。第１実施形態において、巻き取りモジュール４０は第一アーム２３の外側に位置するようにモジュール化される。第３実施形態において、レール固定台座９１は第一アーム２３と一体成型される。保護カバー９２は締結部材によって第一アーム２３に締め付けられてレール固定台座９１に被さる。
上述した構造の特徴により、第３実施形態は構造強度を向上させることができる。巻き取りモジュール９０のほかの付属品（例えばレール５１、ブロック５２、電線管固定ユニット６０および弾性復元ユニット７０）は第１実施形態と同じであるため、詳細な構造および作動原理を省略する。

上述をまとめると、引っ張られたり解放されたりするケーブル結合体（電線管３０）は巻き取りモジュール４０、９０の巻き取り機能によってロボットアーム２０の表面に付着するように維持されるため、ロボットアーム装置１０は構造全体の外観が簡潔になるだけでなく、ケーブル結合体（電線管３０）が周りの部材を妨害することを抑制し、ロボットアーム２０を作動させる空間を縮減し、作動の利便性を向上させることができる。

１０ロボットアーム装置
２０ロボットアーム
２１台座
２２第一関節部
２３第一アーム
２４第二関節部
２５第二アーム
２６第三関節部
２７末端連結台座
３０電線管
３２電線管固定部
３４ホルダー
４０巻き取りモジュール
４１保護カバー
４２フロントシェル
４２２第一側板
４２４第二側板
４２６第一連結板
４２７上部嵌合溝
４２８下部嵌合溝
４３バックシェル
４３２第三側板
４３４第四側板
４３６第二連結板
４４上部サイドキャップ
４５下部サイドキャップ
４６上部スタンド
４７下部スタンド
４８隙間
５０レール固定台座
５１レール
５２ブロック
６０電線管固定ユニット
６１板状位置決めユニット
６２第一位置決め部
６３第二位置決め部
６４第三位置決め部
６５係止リング
７０弾性復元ユニット
７１第一ボルト
７２第二ボルト
７３、８０片状ストッパー
８１、８２ガイドホイール
８３シャフト
８４、８６ナット
８５Ｃ字型金具
８７ねじ
９０巻き取りモジュール
９１レール固定台座
９２保護カバー
Ｌ連結線
Ｐ１第一旋転中心
Ｐ２第二旋転中心

Claims

ロボットアーム、ケーブル結合体および巻き取りモジュールを備え、
前記ロボットアームは台座、第一アームおよび第二アームを有し、
前記ケーブル結合体は前記ロボットアームの前記第一アームおよび前記第二アームに隣接するように配置され、一端が前記ロボットアームの前記第二アームに固定され、
前記巻き取りモジュールは前記ロボットアームの前記第一アームに配置され、レール、ブロックおよび弾性復元ユニットを有し、
前記ブロックは前記レールに上下に移動可能に配置され、かつ前記ケーブル結合体および前記弾性復元ユニットに連結され、
前記ケーブル結合体はケーブルおよび前記ケーブルを覆う電線管を有し、前記電線管は一端が前記ロボットアームの前記台座に固定され、他端が前記ロボットアームの前記第二アームの前端部に固定され、前記巻き取りモジュールはさらに保護カバーおよび電線管固定ユニットを有し、前記保護カバーは前記ロボットアームの前記第一アームに配置され、前記レールは前記保護カバー内に配置され、前記電線管固定ユニットは前記ブロックおよび前記電線管を連結し、前記弾性復元ユニットは先端部が前記電線管固定ユニットに固定され、末端部が前記保護カバーに固定され、
前記電線管固定ユニットは板状位置決めユニットおよび係止リングを有し、前記板状位置決めユニットは前記ブロックおよび前記弾性復元ユニットの先端部を連結し、前記係止リングは前記電線管を固定するために前記板状位置決めユニットに配置され、前記板状位置決めユニットは第一位置決め部、第二位置決め部および第三位置決め部を有し、
前記第一位置決め部は前記ブロックに連結され、前記第二位置決め部は前記係止リングに連結され、前記第三位置決め部は前記弾性復元ユニットの先端部に連結され、長さが前記ブロックの長さより大きいことを特徴とする、
ロボットアーム装置。
前記ロボットアームはさらに第一関節部および第二関節部を有し、前記ロボットアームにおいて、前記第一関節部は前記台座の頂部に回転可能に装着され、前記第一アームは底部が前記第一関節部に回転可能に連結され、前記第二関節部は前記第一アームの頂部に回転可能に連結され、前記第二アームは後端部が前記第二関節部に回転可能に連結され、前記ロボットアームにおいて、前記第一アームは前記底部が第一旋転中心を円心にし、前記第一関節部に向かって旋転し、前記第二関節部は第二旋転中心を円心にし、前記第一アームに向かって旋転し、前記第一旋転中心と前記第二旋転中心との間の最短距離からなる連結線は前記ブロックの運動軌跡に平行であることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム装置。
前記第二位置決め部および前記第三位置決め部は前記第一位置決め部の相対する両側に別々に垂直に連結されることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム装置。
前記巻き取りモジュールはさらに二つの片状ストッパーおよび二つのガイドホイールを有し、一つの前記片状ストッパーは前記保護カバーの頂部に固定され、二つの前記ガイドホイールは二つの前記片状ストッパーの間に着脱可能に配置され、前記電線管は二つの前記ガイドホイールの間を通ることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム装置。