JP7497099B2 - ロボットアーム及び多関節ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム及び多関節ロボットアームに関する。

近年、インフラ設備の点検又はメンテナンスを行うためのロボットが求められている。
インフラ設備の点検又はメンテナンスにロボットを用いると、人間による作業が困難な部分（高所又は狭所等）の点検又はメンテナンスの作業をスムーズに行うことができる。
高所又は狭所等の作業を行うための装置として、多関節ロボットアームを例示することができる。
一般に、多関節ロボットアームには、到達距離の長さ及び軽量化が求められる。

従来技術の一例である特許文献１には、ワイヤを用いてアームを支える多関節アーム機構が開示されている。
特許文献１に開示された多関節アーム機構では、多関節アーム機構の複数の関節にトルクを与えるワイヤが、アームの外部の動力源である張力生成機構によって引っ張られることでアームが駆動する構成であり、軽量で消費電力が少なく、迅速な動作で制御性の高い多関節アーム機構を実現している。

また、アームの内部に動力源を備える場合には、動力源の軽量化も求められる。
軽量な動力源としては、空気圧シリンダを例示することができる。
従来技術の一例である特許文献２には、流体圧によってピストンを移動し、ピストンに取り付けられたシリンダロッドを移動させる構成を有する多関節アーム装置が開示されている。
また、従来技術の一例である特許文献３には、流体としてエアが用いられ、圧縮したエアの流体圧によって作動するアーム型助力装置が開示されている。
特許文献２，３は、空気圧シリンダを用いた例を開示する文献である。

特開２００３－８９０９０号公報 特開２０１０－７６０８９号公報 特開２０１９－１８１６６１号公報

しかしながら、従来技術である特許文献１では、ワイヤがアームの関節を通過するため、アームの分解及び交換作業が煩雑である。
そのため、メンテナンス性が低い、という問題があった。
また、従来技術である特許文献２，３では、空気圧シリンダの軽量化に改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、軽量化とメンテナンス性とを両立し、到達距離の長いロボットアームを実現することを目的とする。

上述の課題を解決して目的を達成する本発明の一態様は、ワイヤを引き込む空気圧シリンダと、前記空気圧シリンダによって生じる力を増幅し、前記ワイヤを介して伝達する動滑車と、を備え、前記動滑車によって増幅された力によって駆動される関節部に接続されることを特徴とするロボットアームである。

上記構成のロボットアームにおいて、ワイヤを引き込む空気圧シリンダと、前記空気圧シリンダによって生じる力を増幅し、前記ワイヤを介して伝達する直列接続された複数の動滑車と、を備え、複数の前記動滑車によって増幅された力によって駆動される関節部に接続されることが好ましい。

又は、本発明の一態様は、直列に接続された上記いずれかの構成のロボットアームを複数備え、複数の前記ロボットアームの間に前記関節部が配置される多関節ロボットアームである。

上記構成の多関節ロボットアームにおいて、前記ワイヤが前記空気圧シリンダ内に引き込まれると、前記関節部を回転軸として前記ロボットアームが前記ロボットアームの長軸方向の直交方向に運動することが好ましい。

上記構成の多関節ロボットアームにおいて、前記ワイヤは、前記空気圧シリンダ内のピストンから定滑車に延伸し、該定滑車から前記動滑車に案内され、該動滑車から案内されたワイヤの一端が固定されることが好ましい。

本発明によれば、軽量化とメンテナンス性とを両立した、到達距離の長いロボットアームを実現することができる。

図１は、実施形態に係る多関節ロボットアームを示す概略図である。 図２は、実施形態に係るロボットアームを示す側断面図である。 図３は、実施形態に係るロボットアームであって、直列に連結された２個の動滑車を用いたものを示す側断面図である。 図４（Ａ）は、実施形態におけるシリンダの構成を示す側断面図であり、図４（Ｂ）は、比較例であるシリンダの構成を示す側断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る多関節ロボットアーム１０を示す概略図である。
図１に示す多関節ロボットアーム１０は、３つのロボットアーム１００を備え、３つのロボットアーム１００は、ロボットアーム１００の間に配置された関節部１０３を介して直列に連結されている。
なお、本発明において、多関節ロボットアーム１０が備えるロボットアーム１００の数は３つに限定されるものではなく、複数であればよい。

図２は、本実施形態に係るロボットアーム１００を示す側断面図である。
図２には、アーム１０１と、シリンダ１０２と、関節部１０３と、ワイヤ１０４と、第１滑車１０５と、第２滑車１０６と、支持部１０７と、固定面１０８と、ワイヤ固定部１０９と、が示されている。

アーム１０１は、根元である一端が関節部１０３に接続され、先端である他端に配置された第１滑車１０５と、内部に配置されたシリンダ１０２と、を備える。
図２に示す点線の矩形は、アーム１０１の輪郭を示すものである。
シリンダ１０２は、内部のピストン１０２０が長軸方向に往復運動する、軽量且つ小径の空気圧シリンダであり、ワイヤ１０４を引き込む。
なお、アーム１０１の長軸方向とシリンダ１０２の長軸方向とは、概略一致している。
関節部１０３は、アーム１０１と支持部１０７との間に配置されており、アーム１０１の先端が昇降可能に構成されている。
ワイヤ１０４は、シリンダ１０２のピストン１０２０が受ける圧縮空気の圧力により生じる力が伝達される部材であり、シリンダ１０２内のピストン１０２０から第１滑車１０５に延伸し、第１滑車１０５から第２滑車１０６に案内され、第２滑車１０６からワイヤ固定部１０９に案内される。
第１滑車１０５は、アーム１０１の先端近傍に配置され、シリンダ１０２から延伸するワイヤ１０４を第２滑車１０６に案内する定滑車である。
第２滑車１０６は、関節部１０３から一定の距離を持って支持部１０７に配置され、第１滑車１０５から案内されたワイヤ１０４をワイヤ固定部１０９に案内し、シリンダ１０２によって生じる力を増幅するように構成された動滑車である。
なお、関節部１０３は、この増幅された力によって駆動される。
支持部１０７は、固定面１０８に固定され、突出部を有し、該突出部に関節部１０３が設けられている。
ワイヤ固定部１０９は、アーム１０１の先端近傍に配置され、ワイヤ１０４の端部を固定する。

図２に示すロボットアーム１００においては、第２滑車１０６は、ワイヤ１０４及び第１滑車１０５を介して、アーム１０１の内部に配置されたシリンダ１０２で生じる力の２倍の強さで引っ張られ、この力が関節部１０３を駆動する。
このような構成とすることにより、軽量且つ小径のシリンダ１０２でも、関節部１０３を駆動するために要する力の発生が可能である。
シリンダ１０２は、小径であるため、アーム１０１の長軸方向とシリンダ１０２の長軸方向とを一致させることで、アーム１０１内に搭載することが可能である。

図２においては、ワイヤシリンダ１０２で生じる力の２倍の力で関節部１０３を駆動する形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
定滑車及び直列接続された動滑車の増設により、関節部１０３を駆動する力を更に増幅させることが可能である。

図３は、本実施形態に係るロボットアーム１００ａであって、直列に連結された２個の動滑車を用いたものを示す側断面図である。
図３には、アーム１０１と、シリンダ１０２と、関節部１０３と、ワイヤ１０４ａと、第１滑車１０５，１０５ａと、第２滑車１０６，１０６ａと、支持部１０７と、固定面１０８と、ワイヤ固定部１０９と、が示されている。
ワイヤ１０４ａは、シリンダ１０２のピストン１０２０の往復運動が伝達される部材であり、シリンダ１０２内のピストン１０２０から第１滑車１０５に延伸し、第１滑車１０５から第２滑車１０６に案内され、第２滑車１０６から第１滑車１０５ａに案内され、第１滑車１０５ａから第２滑車１０６ａに案内され、第２滑車１０６ａからワイヤ固定部１０９に案内される。
第１滑車１０５ａは、第１滑車１０５の近傍に配置され、第２滑車１０６に案内されたワイヤ１０４を第２滑車１０６ａに案内する定滑車である。
なお、第１滑車１０５ａは、第１滑車１０５と回転軸が一致するように配置されていてもよい。
第２滑車１０６ａは、第２滑車１０６の近傍に配置され、第１滑車１０５ａから案内されたワイヤ１０４ａをワイヤ固定部１０９に案内する動滑車である。
なお、第２滑車１０６ａは、第２滑車１０６と回転軸が一致するように配置されていてもよい。
ワイヤ固定部１０９は、第１滑車１０５ａの近傍に配置され、ワイヤ１０４ａの端部を固定する。
図３に示すロボットアーム１００ａでは、関節部１０３を駆動する力は、ワイヤシリンダ１０２で生じる力の４倍に増幅される。

なお、図２，３に示す構成では、シリンダ１０２によるアームの駆動方向は、矢印で示す一方向である。
このため、逆方向への駆動力の発生源を考慮することを要する。
逆方向への駆動力の発生源としては、重力を例示することができる。
逆方向への駆動力の発生源が重力である場合には、シリンダ１０２によるアーム１０１の駆動方向を、常に重力に抗するようにアーム１０１を持ち上げる方向とすることで実現することができる。
なお、逆方向への駆動力は、重力に限定されるものではなく、逆方向への駆動力の他の発生源として、ばね及びモータを例示することができる。

図４（Ａ）は、本実施形態におけるシリンダ１０２の構成を示す側断面図であり、図４（Ｂ）は、比較例であるシリンダ１０２ａの構成を示す側断面図である。

図４（Ａ）に示すシリンダ１０２はワイヤシリンダであり、アーム１０１内部のアーム内スペース１０１０に配置され、ワイヤ１０４が接続されたピストン１０２０を備える。
ピストン１０２０は、シリンダ１０２内の空間を、ワイヤ１０４が接続されたピストン１０２０の面とシリンダ１０２の内壁面とに囲まれた第１空間１０２１と、ワイヤ１０４が接続された面とは反対側のピストン１０２０の面とシリンダ１０２の内壁面とに囲まれた第２空間１０２２と、に区分けする。
第１空間１０２１及び第２空間１０２２の各々には、図示しない空気導入孔が設けられており、第１空間１０２１にはこの空気導入孔から圧縮された空気が導入可能に構成され、第２空間１０２２にはこの空気導入孔から常圧の空気を吸排気可能に構成されている。
第１空間１０２１に空気導入孔から圧縮された空気が導入されると、ワイヤ１０４はシリンダ１０２内に引き込まれる。

図４（Ｂ）に示すシリンダ１０２ａはロッドシリンダであり、ピストン１０２０ａ及びロッド１０２３を備え、ロッド１０２３は、ワイヤ１０４とピストン１０２０ａとの間に配置されている。
ピストン１０２０ａは、シリンダ１０２ａ内の空間を、ロッド１０２３が接続されたピストン１０２０ａの面とシリンダ１０２ａの内壁面とに囲まれた第１空間１０２１ａと、ワイヤ１０４が接続された面とは反対側のピストン１０２０ａの面とシリンダ１０２ａの内壁面とに囲まれた第２空間１０２２ａと、に区分けする。
第１空間１０２１ａ及び第２空間１０２２ａの各々には、図示しない空気導入孔が設けられており、この空気導入孔からは圧縮された空気が導入可能に構成されている。
第１空間１０２１ａに空気導入孔から圧縮された空気が導入されると、ロッド１０２３はシリンダ１０２ａ内に引き込まれる。
第２空間１０２２ａに空気導入孔から圧縮された空気が導入されると、ロッド１０２３はシリンダ１０２ａ内から押し出される。

図４（Ａ）に示すシリンダ１０２では、図４（Ｂ）に示すシリンダ１０２ａにおけるロッド１０２３の長さに相当する部分をストローク可能となる。
図４（Ａ）に示すように、ワイヤシリンダとすることで、ストローク長を拡大することができ、シリンダ１０２により１回のストロークで生じる力学エネルギーを増大させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、軽量で強力なロボットアームを実現することができる。
そして、このロボットアームを直列に連結することで、軽量化とメンテナンス性とを両立し、到達距離の長い多関節ロボットアームを実現することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、上述の構成に対して、構成要素の付加、削除又は転換を行った様々な変形例も含むものとする。

１０ 多関節ロボットアーム
１００，１００ａ ロボットアーム
１０１ アーム
１０１０ アーム内スペース
１０２，１０２ａ シリンダ
１０２０，１０２０ａ ピストン
１０２１，１０２１ａ 第１空間
１０２２，１０２２ａ 第２空間
１０２３ ロッド
１０３ 関節部
１０４，１０４ａ ワイヤ
１０５，１０５ａ 第１滑車
１０６，１０６ａ 第２滑車
１０７ 支持部
１０８ 固定面
１０９ ワイヤ固定部

Claims (3)

1. ワイヤを引き込む空気圧シリンダと、
   前記空気圧シリンダによって生じる力を増幅し、前記ワイヤを介して伝達する１又は複数の動滑車と、を備え、
   前記１又は複数の動滑車によって増幅された力によって駆動される関節部に接続されるロボットアームが直列に複数接続された多関節ロボットアームであって、複数の前記ロボットアームの間に前記関節部が配置されることを特徴とする多関節ロボットアーム。
2. 前記ワイヤが前記空気圧シリンダ内に引き込まれると、前記関節部を回転軸として前記ロボットアームが前記ロボットアームの長軸方向の直交方向に運動することを特徴とする請求項１に記載の多関節ロボットアーム。
3. 前記ワイヤは、前記空気圧シリンダ内のピストンから定滑車に延伸し、該定滑車から前記動滑車に案内され、該動滑車から案内されたワイヤの一端が固定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多関節ロボットアーム。

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