JP7492925B2 - アームロボット - Google Patents

Description

本発明は、主として、アーム部及び手首部を備えるアームロボットに関する。

特許文献１は、Ａアームと、Ｂアームと、Ｃアームと、を備えるロボットを開示する。Ｂアームは、Ａアームに片持ち支持されている。Ｃアームは、Ｂアームに接続されている。Ｃアームには、エンドエフェクタが取り付けられている。Ａアームと、Ｂアームと、Ｃアームは、それぞれ独立して駆動される。Ａアーム内には、Ｂアームを駆動するＢモータと、Ｃアームを駆動するＣモータと、が配置されている。Ｂモータの回転駆動力は、Ｂアーム内に配置されたＢ減速機で減速される。Ｃモータの回転駆動力は、Ｂアーム内に配置されたＣ減速機で減速される。Ｂ減速機の軸はＢアームの回転軸に一致している。Ｃ減速機の軸はＣアームの回転軸に一致している。

特開２０１９－８４６０８号公報

特許文献１の構成では、Ｂ減速機とＣ減速機が異なる向きで配置されているので、ＢアームとＣアームの少なくとも一方が大型化し易い。なお、Ａアーム、Ｂアーム、及びＣアームを合わせた部分を手首部と称する。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、片持ち手首部の先端部がコンパクトなアームロボットを提供することにある。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のアームロボットが提供される。即ち、アームロボットは、アーム部と、当該アーム部に接続される手首部と、を備える。前記手首部は、基端部と、連結部と、第１先端部と、第２先端部と、第１モータと、第１減速機と、第２モータと、伝達軸と、第２減速機と、を備える。前記基端部は、前記アーム部に接続される。前記連結部は、前記基端部から先端側に延びる。前記第１先端部は、前記基端部よりも先端側に配置され、前記連結部によって前記基端部に片持ち支持されており、当該基端部に回転可能に取り付けられている。前記第２先端部は、前記第１先端部に対して回転可能に接続されており、エンドエフェクタを取付可能である。前記第１モータは、前記基端部に配置され、前記第１先端部を回転させるための第１回転駆動力を発生する。前記第１減速機は、前記第１先端部に配置され、中空部分を有しており、前記第１回転駆動力の回転速度を減速する。前記第２モータは、前記基端部に配置され、前記第２先端部を回転させるための第２回転駆動力を発生する。前記伝達軸は、前記第１先端部に配置され、前記第１減速機の前記中空部分を貫通する。前記第２減速機は、前記第１先端部に配置され、前記第１減速機と同軸であって軸方向に沿って配置されており、前記伝達軸を介して第２回転駆動力が伝達されており、前記第２回転駆動力の回転速度を減速して前記第２先端部に伝達する。

これにより、第１減速機と第２減速機を軸方向に沿って配置することにより、片持ち支持される手首部において、その先端部（第１先端部及び第２先端部で構成される部分）をコンパクトにすることができる。

本発明によれば、片持ち手首部の先端部がコンパクトなアームロボットを提供できる。

本発明の一実施形態に係るアームロボットの斜視図。 手首部の側面図。 手首部の先端部における動力伝達を示す断面図。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図１を参照して、アームロボット１の概要について説明する。

アームロボット１は、産業用ロボットであり、工場等の作業場に設置される。アームロボット１の先端には、エンドエフェクタ５が取り付けられる。アームロボット１は、エンドエフェクタ５を用いて作業を行う。アームロボット１が行う作業は、例えば、組立て、溶接、塗装、洗浄等である。

アームロボット１は、ティーチングプレイバック型である。ティーチングアンドプレイバック型とは、作業者によってアームロボット１の動作及び作業が手動等で予め教示されており、教示された動作及び作業をアームロボット１が繰り返し行うように運用されるタイプである。なお、アームロボット１は、ティーチングプレイバック型以外であってもよい。

図１に示すように、アームロボット１は、基台２と、アーム部３と、手首部４と、を備える。基台２は、作業場の適宜の位置、例えば床面、天井面、又は支持台等に固定される。アーム部３の基端は基台２に接続されており、アーム部３の先端は手首部４に接続されている。手首部４の基端はアーム部３に接続されており、手首部４の先端にはエンドエフェクタ５が取付可能である。

アーム部３は、第１可動部１１と、第２可動部１２と、第３可動部１３と、を備える。第１可動部１１は、基台２に回転可能に接続される。第１可動部１１は、第１回転軸線１０１を回転中心として、基台２に対して相対的に回転可能である。第２可動部１２は、第１可動部１１に回転可能に接続される。第２可動部１２は、第２回転軸線１０２を回転中心として、第１回転軸線１０１に対して相対的に回転可能である。なお、第１回転軸線１０１と第２回転軸線１０２は直交する。第３可動部１３は、第２可動部１２に回転可能に接続される。第３可動部１３は、第３回転軸線１０３を回転中心として、第２可動部１２に対して相対的に回転可能である。第３回転軸線１０３は、第１回転軸線１０１と直交し、第２回転軸線１０２に平行である。

アームロボット１には、第１可動部１１、第２可動部１２、及び第３可動部１３を駆動するためのモータがそれぞれ設けられている。また、アーム部３には、第１可動部１１、第２可動部１２、第３可動部１３の回転量を検出するためのエンコーダがそれぞれ配置されている。

手首部４は、基端部２１と、連結部２２と、先端部２３と、を備える。基端部２１は、アーム部３（第３可動部１３）に回転可能に接続される。基端部２１は、図略のモータが発生させた回転駆動力により、第４回転軸線１０４を回転中心として、アーム部３（第３可動部１３）に対して相対的に回転可能である。また、基端部２１の内部には、第１モータ３１及び第２モータ４１が配置されている。

連結部２２は、基端部２１と先端部２３を連結する。先端部２３は、連結部２２を介して、基端部２１に片持ち支持されている。詳細には、基端部２１の所定方向（本実施形態では第４回転軸線１０４に直交する方向、具体的には第５回転軸線１０５に平行な方向）の一端のみに連結部２２が接続されており、同様に、先端部２３の所定方向の一端のみに連結部２２が接続されている。なお、両持ちとは、基端部２１と先端部２３の両端同士がそれぞれ連結部により接続される構成である。先端部２３が片持ちであることにより、手首部４をコンパクトにすることができる。

先端部２３は、第１モータ３１が発生した第１回転駆動力により、第５回転軸線１０５を回転中心として、基端部２１及び連結部２２に対して相対的に回転する。なお、第１回転駆動力の伝達については後述する。

先端部２３は、第１先端部２３ａと第２先端部２３ｂとを備える。第１先端部２３ａは、第２先端部２３ｂよりも基端側に位置する。従って、第１先端部２３ａは、連結部２２に回転可能に接続される。第２先端部２３ｂは、第１先端部２３ａに回転可能に接続されている。第２先端部２３ｂは、第２モータ４１が発生した第２回転駆動力により、第６回転軸線１０６を回転中心として、第１先端部２３ａに対して相対的に回転する。なお、第２回転駆動力の伝達については後述する。

第４回転軸線１０４と第６回転軸線１０６は平行であり、かつ、本実施形態では一致している。また、第５回転軸線１０５は、第４回転軸線１０４（第６回転軸線１０６）と直交する。また、手首部４の各部の回転についても、それぞれ図略のエンコーダにより回転量が検出される。

このように、本実施形態のアームロボット１は、６軸の垂直多関節型である。ただし、関節の数又は回転軸線の方向が本実施形態とは異なっていてもよい。

次に、図２を参照して、手首部４の構成、特に第１回転駆動力及び第２回転駆動力の伝達の概要について説明する。

上述したように、基端部２１には、第１モータ３１が配置されている。第１モータ３１の出力軸には第１基端プーリ３２が取り付けられている。第１基端プーリ３２には、第１ベルト３３が巻き掛けられている。第１ベルト３３は、連結部２２の内部を通り、先端部２３まで第１回転駆動力を伝達する。

先端部２３（第１先端部２３ａ）には、第１先端プーリ３４及び第１減速機３５が配置されている。第１先端プーリ３４と第１減速機３５は同軸である。同軸とは、それぞれの部材の軸の位置（円形の部材の中心を通る直線の位置）が同じことである。第１先端プーリ３４には、第１ベルト３３が巻き掛けられている。第１先端プーリ３４は、第１回転駆動力を伝達可能なように第１減速機３５に連結されている。第１減速機３５の軸の位置の周囲には、中空部分が形成されている。第１減速機３５は、伝達された第１回転駆動力の回転速度を減速する。

この構成により、先端部２３に伝達された第１回転駆動力は第１先端プーリ３４を介して第１減速機３５に伝達される。また、第１減速機３５は、第１回転駆動力を伝達可能なように先端部２３を回転させるためのベース部分（後述の回転ベース６４）に連結されている。これにより、第１減速機３５によって減速された速度で、先端部２３を回転させることができる。

上述したように、基端部２１には、第２モータ４１が配置されている。第２モータ４１の出力軸には第２基端プーリ４２が取り付けられている。第２基端プーリ４２には、第２ベルト４３が巻き掛けられている。第２ベルト４３は、連結部２２の内部を通り、先端部２３まで第２回転駆動力を伝達する。

第１モータ３１と第２モータ４１は、手首部４の長手方向（手首長手方向）に並べて配置される。手首長手方向は、基端部２１と先端部２３を接続する方向であり、例えば第４回転軸線１０４又は第６回転軸線１０６に平行な方向である。この構成により、連結部２２の長さを抑えることができるので、剛性を高くすることができる。本実施形態では、第１モータ３１が第２モータ４１よりも先端側に配置される。ただし、第１モータ３１が第２モータ４１よりも基端側に配置されてもよい。

手首長手方向と直交する方向であって、第５回転軸線１０５に平行な方向を手首軸方向と称する。第１モータ３１と第２モータ４１は、手首軸方向における位置が僅かに異なる。これにより、第１ベルト３３と第２ベルト４３の手首軸方向の位置が異なるので、第１ベルト３３と第２ベルト４３の干渉を防止できる。なお、第１モータ３１と第２モータ４１の手首長手方向の位置が同じであってもよい。この場合は、例えば動力伝達部材を用いて、第１ベルト３３又は第２ベルト４３の位置をオフセットさせればよい。

先端部２３（第１先端部２３ａ）には、第２先端プーリ４４、伝達軸４５、及び第２減速機４６が配置されている。第２先端プーリ４４、伝達軸４５、及び第２減速機４６は、同軸である。また、これらの部材は、第１先端プーリ３４及び第１減速機３５に対しても同軸である。第２先端プーリ４４には、第２ベルト４３が巻き掛けられている。第２先端プーリ４４は、第２回転駆動力を伝達可能なように伝達軸４５の一端に連結されている。伝達軸４５は、第１減速機３５の中空部分を貫通するように配置されている。伝達軸４５の他端は、第２回転駆動力を伝達可能なように第２減速機４６に連結されている。第２減速機４６は、第２回転駆動力の回転速度を減速する。

この構成により、先端部２３に伝達された第２回転駆動力は第２先端プーリ４４及び伝達軸４５を介して第２減速機４６に伝達される。また、第２減速機４６は、第２回転駆動力を伝達可能なように第１ギア部材５２に連結されている。第１ギア部材５２及びそれと噛み合う第２ギア部材５３はベベルギアとして構成されており、第２回転駆動力を向きを９０度変化させて伝達する。第２ギア部材５３は、第２回転駆動力を伝達可能なように第２先端部２３ｂの一部（エンドエフェクタ５と一体的に回転する部分であるエンドエフェクタ取付部６５）に連結されている。これにより、第２減速機４６によって減速された速度で、第２先端部２３ｂを回転させることができる。

本実施形態では、第１減速機３５と第２減速機４６は、手首軸方向に並べて配置されている。そのため、空間を有効に活用できるので、先端部２３が手首軸方向においてコンパクトである。その結果、第４回転軸線１０４を回転中心として手首部４を回転させる際の回転半径を小さくすることができる。

更に、本実施形態では、第１減速機３５と第２減速機４６を、軸方向に垂直な方向で見たときに（即ち、図２において）、第１減速機３５と第２減速機４６が重なる。言い換えれば、第２減速機４６の中空部分には、伝達軸４５だけでなく、第１減速機３５が位置している。この構成により、先端部２３が手首軸方向において更にコンパクトである。なお、第１減速機３５と第２減速機４６が重なることは必須の特徴ではなく、第１減速機３５と第２減速機４６を軸方向に垂直な方向で見たときに、第１減速機３５と第２減速機４６が離間していてもよい。

また、本実施形態では、第１モータ３１及び第２モータ４１は、高さ方向（第１回転軸線１０１に沿う方向）における位置は略一致する。言い換えれば、第４回転軸線１０４に沿う方向で見たときにおいて、第１モータ３１と第２モータ４１が重なる。仮に、第１モータ３１と第２モータ４１の高さ方向における位置が異なる場合、基端部２１の高さ方向のサイズが大きくなる。更に、第１基端プーリ３２と第２基端プーリ４２の高さ方向における位置も異なるため、第１ベルト３３と第２ベルト４３の経路がＶ字状になり、連結部２２の高さ方向のサイズも大きくなる可能性がある。これに対し、本実施形態では、第１モータ３１及び第２モータ４１の高さ方向の位置が略一致するので、基端部２１及び連結部２２の高さ方向のサイズをコンパクトにすることができる。

次に、図３を参照して、第１回転駆動力及び第２回転駆動力を伝達する構成について更に詳細に説明する。

初めに、第１回転駆動力を伝達する構成を説明する。上述したように、第１モータ３１が発生した第１回転駆動力は、第１ベルト３３及び第１先端プーリ３４を介して、第１減速機３５に伝達される。第１減速機３５は、波動歯車装置であり、入力部材（ウェーブ・ジェネレータ）３５ａ、出力部材（フレクスプライン）３５ｂ、及び固定部材（サーキュラ・スプライン）３５ｃから構成されている。

入力部材３５ａは、楕円状カムの外周にベアリングを組み合わせた部品である。楕円状カムの中心（第５回転軸線１０５が通る部分及びその近傍）には貫通孔が形成されており、中空部分が形成されている。ベアリングの内輪は楕円状カムに固定されているが、外輪はボールを介して弾性変形する。入力部材３５ａは第１先端プーリ３４にボルト等の適宜の手段で固定されており、入力部材３５ａと第１先端プーリ３４は一体的に回転する。

出力部材３５ｂは、略円筒形の部品である。出力部材３５ｂは中心及びその近傍が開口しているため、中空部分が形成されている。出力部材３５ｂは、薄肉（例えば入力部材３５ａ及び固定部材３５ｃよりも板厚が薄い）であり、容易に弾性変形する。軸方向の一端（図３の上端）において、出力部材３５ｂは入力部材３５ａのベアリングの外輪に接触している。従って、出力部材３５ｂは入力部材３５ａから力を受けることにより楕円形に変形する。また、出力部材３５ｂは、軸方向の一端（図３の上端、第２先端部２３ｂに近い側の端部）において、固定部材３５ｃにも接触している。具体的には、出力部材３５ｂの外周には歯が形成されており、固定部材３５ｃの内周の歯と噛み合っている。出力部材３５ｂの軸方向の他端（図３の下端）は、フランジ状に（径方向に広がるように）構成されている。

固定部材３５ｃは、リング状の部材であり、内周に歯が形成されている。なお、固定部材３５ｃの内周の歯の数は、出力部材３５ｂの外周の歯の数よりも、所定数（例えば２枚）多い。出力部材３５ｂは、先端部２３のケーシング部材６１に相対回転不能に固定されている。

このように、入力部材３５ａ、出力部材３５ｂ、及び固定部材３５ｃは、何れも、中心及びその近傍が開口しているため、第１減速機３５には中空部分が形成されていることとなる。

波動歯車装置は公知であるため、減速の原理については簡単に説明する。即ち、出力部材３５ｂは入力部材３５ａによって楕円に弾性変形する。このとき、出力部材３５ｂの楕円の長軸部分の端部では、出力部材３５ｂと固定部材３５ｃの歯が噛み合い、出力部材３５ｂの楕円の短軸部分の端部では、出力部材３５ｂと固定部材３５ｃの歯が離間する。従って、入力部材３５ａを回転させることにより、歯の噛み合い位置が徐々に変化する。そして、入力部材３５ａが第１方向に１回転すると、出力部材３５ｂと固定部材３５ｃの歯の数の違いに一致する分だけ、出力部材３５ｂが第２方向（第１方向の反対方向）に回転する。従って、入力部材３５ａに入力された回転速度を減速して、出力部材３５ｂから出力できる。

先端部２３には、回転ベース６４及びクロスローラベアリング６３が配置されている。

回転ベース６４は、先端部２３のうち、ケーシング部材６１等に対して相対回転する部品（例えば、第２先端部２３ｂ、及び、第２回転駆動力を第２先端部２３ｂに伝達する部品等）を支持する部材である。

クロスローラベアリング６３は、ケーシング部材６１等に固定されている部材と、ケーシング部材６１等に対して相対回転する部材と、を連結する。具体的には、クロスローラベアリング６３は、内輪６３ａと外輪６３ｂを備える。内輪６３ａは、固定部材３５ｃを介してケーシング部材６１に相対回転不能に固定されている。外輪６３ｂは、出力部材３５ｂのフランジ部分とともに、回転ベース６４に相対回転不能に固定されている。言い換えれば、外輪６３ｂ、出力部材３５ｂ、及び回転ベース６４は、一体的に回転可能である。以上の構成により、第１回転駆動力を減速して、先端部２３を第５回転軸線１０５を回転中心として回転させることができる。

次に、第２回転駆動力を伝達する構成を説明する。上述したように、第２モータ４１が発生した第２回転駆動力は、第２ベルト４３及び第２先端プーリ４４を介して、伝達軸４５に伝達される。伝達軸４５は、上述した第１減速機３５の中空部分を貫通するように配置されている。具体的には、入力部材３５ａ、出力部材３５ｂ、及び固定部材３５ｃが重なる部分を伝達軸４５が貫通しており、伝達軸４５の先端（第２先端部２３ｂに近い側の端部）は、出力部材３５ｂのフランジ状の部分の手前に位置している。つまり、第２減速機４６の一部は、第１減速機３５の出力部材３５ｂの中空部分に入り込むように位置している。従って、軸方向に垂直な方向で見た図（図３）において、第１減速機３５と第２減速機４６が重なっている。

第２減速機４６は、波動歯車装置であり、入力部材（ウェーブ・ジェネレータ）４６ａ、出力部材（フレクスプライン）４６ｂ、及び固定部材（サーキュラ・スプライン）４６ｃから構成されている。第２減速機４６が第２回転速度を減速するための構成及びその原理は、第１減速機３５と同じであるため、それらに関する説明は省略する。

入力部材４６ａには、伝達軸４５がボルト等により相対回転不能に固定される。出力部材４６ｂは円筒形ではなく、底部を有するカップ状である。出力部材４６ｂの底部には、接続部材５１を介して、第１ギア部材５２が相対回転不能に固定されている。固定部材４６ｃは、ボルト等により回転ベース６４に相対回転不能に固定されている。

これにより、第２減速機４６により減速された回転速度で、第１ギア部材５２を回転させることができる。上述のように、第１ギア部材５２は第２ギア部材５３と噛み合っており、接続部材５１及び第１ギア部材５２はベベルギアとして構成されている。また、第２ギア部材５３には、エンドエフェクタ取付部６５がボルト等により相対回転不能に固定されている。

以上の構成により、第２回転駆動力を減速して、第２先端部２３ｂを第６回転軸線１０６を回転中心として回転させることができる。

以上に説明したように、本実施形態のアームロボット１は、アーム部３と、アーム部３に接続される手首部４と、を備える。手首部４は、基端部２１と、連結部２２と、第１先端部２３ａと、第２先端部２３ｂと、第１モータ３１と、第１減速機３５と、第２モータ４１と、伝達軸４５と、第２減速機４６と、を備える。基端部２１は、アーム部３に接続される。連結部２２は、基端部２１から先端側に延びる。第１先端部２３ａは、基端部２１よりも先端側に配置され、連結部２２によって基端部２１に片持ち支持されており、基端部２１に回転可能に取り付けられている。第２先端部２３ｂは、第１先端部２３ａに対して回転可能に接続されており、エンドエフェクタ５を取付可能である。第１モータ３１は、基端部２１に配置され、第１先端部２３ａを回転させるための第１回転駆動力を発生する。第１減速機３５は、第１先端部２３ａに配置され、中空部分を有しており、第１回転駆動力の回転速度を減速する。第２モータ４１は、基端部２１に配置され、第２先端部２３ｂを回転させるための第２回転駆動力を発生する。伝達軸４５は、第１先端部２３ａに配置され、第１減速機３５の中空部分を貫通する。第２減速機４６は、第１先端部２３ａに配置され、第１減速機３５と同軸であって軸方向に沿って配置されており、伝達軸４５を介して第２回転駆動力が伝達されており、第２回転駆動力の回転速度を減速して第２先端部２３ｂに伝達する。

これにより、第１減速機３５と第２減速機４６を軸方向に沿って並べて配置することにより、片持ち支持される手首部４において、先端部２３をコンパクトにすることができる。

本実施形態のアームロボット１は、第１減速機３５の中空部分に第２減速機４６の少なくとも一部が配置されており、第１減速機３５と第２減速機４６を軸方向に垂直な方向で見たときに、第１減速機３５と第２減速機４６が重なる。

これにより、第１減速機３５と第２減速機４６を更に集約して配置できるので、手首部４の先端部２３を一層コンパクトにすることができる。

本実施形態のアームロボット１では、第１モータ３１と第２モータ４１は、手首長手方向に並べて配置されている。

これにより、第１モータ３１と第２モータ４１を高さ方向に並べる構成と比較して、基端部２１の高さ方向のサイズをコンパクトにすることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態では、第１減速機３５及び第２減速機４６は、ともに波動歯車装置であるが、異なる構成の減速機であってもよい。

上記実施形態では、第１モータ３１及び第２モータ４１の高さ方向における位置は略一致するが、第１モータ３１と第２モータ４１の高さ方向における位置が大きく異なっていてもよい。

１ アームロボット
２ 基台
３ アーム部
４ 手首部
５ エンドエフェクタ
２１ 基端部
２２ 連結部
２３ 先端部
３１ 第１モータ
３５ 第１減速機
４１ 第２モータ
４６ 第２減速機

Claims (3)

1. アーム部と、当該アーム部に接続される手首部と、を備えるアームロボットにおいて、
   前記手首部は、
   前記アーム部に接続される基端部と、
   前記基端部から先端側に延びる連結部と、
   前記基端部よりも先端側に配置され、前記連結部によって前記基端部に片持ち支持されており、当該基端部に回転可能に取り付けられている第１先端部と、
   前記第１先端部に対して回転可能に接続されており、エンドエフェクタを取付可能な第２先端部と、
   前記基端部に配置され、前記第１先端部を回転させるための第１回転駆動力を発生する第１モータと、
   前記第１先端部に配置され、中空部分を有しており、前記第１回転駆動力の回転速度を減速する第１減速機と、
   前記基端部に配置され、前記第２先端部を回転させるための第２回転駆動力を発生する第２モータと、
   前記第１先端部に配置され、前記第１減速機の前記中空部分を貫通する伝達軸と、
   前記第１先端部に配置され、前記第１減速機と同軸であって軸方向に沿って配置されており、前記伝達軸を介して第２回転駆動力が伝達されており、前記第２回転駆動力の回転速度を減速して前記第２先端部に伝達する第２減速機と、
   を備えることを特徴とするアームロボット。
2. 請求項１に記載のアームロボットであって、
   前記第１減速機の前記中空部分に前記第２減速機の少なくとも一部が配置されており、前記第１減速機と前記第２減速機を前記軸方向に垂直な方向で見たときに、前記第１減速機と前記第２減速機が重なることを特徴とするアームロボット。
3. 請求項１又は２に記載のアームロボットであって、
   前記連結部の長手方向を手首長手方向と称したときに、前記第１モータと前記第２モータは、前記手首長手方向に並べて配置されていることを特徴とするアームロボット。

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