JPWO2017170303A1 - ロボットアーム機構及び回転関節装置 - Google Patents

Abstract

ロボットアーム機構の特に起伏部のメンテナンス工数を削減させること。
ロボットアーム機構の起伏部（４）は旋回回転関節部（Ｊ１）の回転部（２４）に載置された一対のサイドフレーム（５７）と、サイドフレーム（５７）に軸回転自在に支持された円筒体（６０）と、円筒体（６０）を回転駆動するためのモータとギアボックスを含むモータユニット（７７）と、アーム部（５）を移動自在に支持するアーム支持部と接続するための接続部（７１，７２）と、第１コマ（５１）から分離された第２コマ（５２）を支柱部（２）内に誘導するガイド構造とを有する。モータユニット、接続部（７１，７２）及びガイド構造は円筒体（６０）に一体化されている。モータユニット（７７）は円筒体（６０）の内部に収納され、モータユニット（７７）の出力軸はサイドフレーム（５７）の一方に接続される。接続部（７１，７２）は円筒体（６０）の外周面に固定される。ガイド構造は円筒体（６０）の外周面に設けられる円環体（７３）である。

Description

本発明の実施形態はロボットアーム機構及び回転関節装置に関する。

従来から多関節ロボットアーム機構が産業用ロボットなど様々な分野で用いられている。発明者らは直動伸縮機構の実用化を達成した。この直動伸縮機構は、肘関節を不要とし、特異点解消を実現する今後非常に有益な構造である。

直動伸縮機構は、屈曲自在に連結された複数の平板形状のコマ（第１コマ）と、同様に屈曲自在に底部側で連結された複数のコ字溝形状のコマ（第２コマ）とを有してなり、これらが互いに接合することで直線状に硬直され一定の剛性を有する柱状のアーム部が構成される。アーム部は支持部（ローラユニット）の上下左右に配設された複数のローラに強固に且つ前後移動自在に挟み込まれた状態で支持される。ローラの後方にはドライブギアが配置され、第1コマの内側面に設けられたリニアギアに噛合される。モータに連結されるドライブギアが順回転すると柱状体となったアーム部が支持部から前方に送り出され、逆回転するとアーム部は後方に引き戻される。ローラとドライブギアとの間で第１、第２コマは分離され、硬直状態から屈曲状態に回復する。支持部は起伏部の回転部に固定されている。

この起伏部にはアーム部、手首部、エンドエフェクタ及びワーク等の重量がかかるため、定期的なメンテナンスはもちろん、不定期のメンテナンスも適宜必要とされる。起伏部は固定部、固定部に回転自在に支持される回転部、回転部を回転駆動するモータ及びギアボックス、ローラユニットを固定部に固定する構造、さらにローラユニットと支柱部との間で第２コマを誘導する構造など多くの構成要素からなる。従ってメンテナンスには多くの工数が必要とされている。

特許第5435679号公報

目的は、ロボットアーム機構において、起伏部のメンテナンス工数を削減させることにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、基台に旋回回転関節部を備えた支柱部が支持され、支柱部上には起伏回転関節部を備えた起伏部が載置され、起伏部には直動伸縮性のアーム部を備えた直動伸縮機構が設けられ、アーム部の先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部が装備され、手首部にはエンドエフェクタの姿勢を変更するための少なくとも一の回転関節部が装備されてなる。アーム部は、屈曲可能に連結された板形状の複数の第１コマと、底面側において屈曲可能に連結された横断面コ字又はロ字形状の複数の第２コマとからなる。第２コマは底面側と反対の表面側に第１コマが接合されたとき第１、第２コマはその屈曲が拘束され硬直された柱状体に構成され、第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰される。起伏部は、旋回回転関節部の回転部に載置された一対のサイドフレームと、サイドフレームに軸回転自在に支持された円筒体と、円筒体を回転駆動するためのモータとギアボックスを含むモータユニットと、アーム部を移動自在に支持する直動伸縮機構のアーム支持部と接続するための接続部と、第１コマから分離された第２コマを支柱部内に誘導するガイド構造とを有する。モータユニット、接続部及びガイド構造は円筒体に一体化されている。モータユニットは円筒体の内部に収納され、モータユニットの出力軸はサイドフレームの一方に接続される。接続部は円筒体の外周面に固定される。ガイド構造は円筒体の外周面に設けられる円環体である。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の側面図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の内部構造を断面方向から見た図である。 図４は、図１のロボットアーム機構の構成を図記号表現により示す図である。 図５は、図１の起伏部の構造を示す斜視図である。 図６は、図５の円筒形の回転部の構造を示す斜視図である。 図７は、図５の円筒形の回転部の構造を示す側面図、横断面図、縦断面図である。 図８は、図５の円筒形の回転部が第２コマを誘導する様子を示す側面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る回転関節装置を説明する。ここでは、本実施形態に係る回転関節装置を装備するロボットアーム機構を例に説明する。ロボットアーム機構としてここでは直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構を説明するが、他のタイプのロボットアーム機構であってもよい。

図１は本実施形態に係る回転関節装置を装備する垂直多関節型のロボットアーム機構の斜視図、図２はその側面図、図３は側面カバーを取り外したロボットアーム機構の側面図をそれぞれ示している。図４はロボットアーム機構の関節構成を図記号表現により示している。本実施形態に係る回転関節装置は、第２関節部Ｊ２の起伏回転関節部に適用される。当該ロボットアーム機構の基台１には円筒体をなす支柱部２が典型的には鉛直に設置される。支柱部２は旋回回転関節部としての第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は鉛直方向に平行である。第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５は水平に旋回する。支柱部２は下部２−１と上部２−２とからなる。下部２−１は第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。上部２−２は第１関節部Ｊ１の回転部に接続され、回転軸ＲＡ１を中心に軸回転する。円筒体をなす支柱部２の内部中空には後述する直動伸縮機構としての第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列が収納される。支柱部２の上部２−２には起伏回転関節部としての第２関節部Ｊ２を収容する起伏部４が設置される。第２関節部Ｊ２は曲げ回転関節である。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は回転軸ＲＡ１に垂直である。第２関節部Ｊ２は支柱部２の上部２−２に載置される。第２関節部Ｊ２の回転によりアーム部５は上下に起伏する。

第３関節部Ｊ３は直動伸縮機構により提供される。詳細は後述するが、直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、可動範囲の観点でいわゆる従前の直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３のアーム部５は屈曲自在であるが、中心軸（伸縮中心軸ＲＡ３）に沿ってアーム部５の根元の送り出し機構５６から前方に送り出されるときには屈曲が制限され、直線的剛性が確保される。アーム部５は後方に引き戻されるときには屈曲が回復される。アーム部５は第１コマ列５１と第２コマ列５２とを有する。第１コマ列５１は屈曲自在に連結された複数の第１コマ５３からなる。第１コマ５３は略平板形に構成される。第２コマ列５２は複数の第２コマ５４からなる。第２コマ５４は横断面コ字形状の溝状体をなす。第２コマ５４は底板の連結軸で屈曲自在に連結される。第２コマ列５２の屈曲は、第２コマ５４の側板の端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列５２は直線的に配列する。第１コマ列５１のうち先頭の第１コマ５３と、第２コマ列５２のうち先頭の第２コマ５４とは結合コマ５５により接続される。例えば、結合コマ５５は第１コマ５３と第２コマ５４とを合成した形状を有している。

第１、第２コマ列５１，５２は送り出し機構５６に上下に配列された複数のローラ５９の間を通過する際に互いに押圧されて接合する。接合により第１、第２コマ列５１，５２は直線的剛性を発揮し、角柱状のアーム部５を構成する。送り出し機構５６のローラ５９の後方にはドライブギア６４が設けられる。ドライブギア６４は図示しない減速器を介してステッピングモータに接続される。第１コマ５３の内側の面の幅中央には連結方向に沿ってリニアギアが形成されている。複数の第１コマ５３が直線状に整列されたときに隣合うリニアギアは直線状につながって、長いリニアギアを構成する。ドライブギア６４は、ガイドローラ６９で押圧された第１コマ５３のリニアギアに噛み合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギア６４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギア６４が順回転するとき第１、第２コマ列５１，５２はローラユニット５６から前方に送り出される。ドライブギア６４が逆回転するとき第１、第２コマ列５１，５２は後方に引き戻される。引き戻された第１、第２コマ列５１，５２はローラ５９とドライブギア６４との間で分離される。分離された第１、第２コマ列５１，５２はそれぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１、第２コマ列５１，５２は、ともに同じ方向（内側）に屈曲し、支柱部２の内部に鉛直に収納される。このとき、第１コマ列５１は第２コマ列５２に略平行にほぼ揃った状態で収納される。

アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。

エンドエフェクタ（手先効果器）は、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部下部に設けられたアダプタ７に取り付けられる。エンドエフェクタはロボットが作業対象（ワーク）に直接働きかける機能を持つ部分であり、例えば把持部、真空吸着部、ナット締め具、溶接ガン、スプレーガンなどのタスクに応じて様々なツールが存在する。エンドエフェクタは、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが従前の直動関節と異なる特徴的な点である。

第１関節部Ｊ１は円筒形状又は円環形状の回転台座２３を有する。回転台座２３は、支柱部２の基台１に接続される。回転台座２３上に回転自在に支持される回転フレーム２４は円筒形状又は円環形状をなす。回転フレーム２４の内部中空には、引き戻された第１、第２コマ列５１，５２が収納される。回転フレーム２４には、図示しないモータの回転軸が直接又は動力伝達機構を介して関節的に接続される。

回転フレーム２４上には、第２関節部Ｊ２の固定部（支持部）としての一対のサイドフレーム５７が載置される。一対のサイドフレーム５７に回転部としての円筒体６０が回転自在に支持される。円筒体６０の内部にはモータとギアボックスとを備えたモータユニットが固定される。モータユニットの出力軸（駆動軸）が他方のサイドフレーム５７に固定されている。出力軸の回転に伴って円筒体６０が回転軸ＲＡ２を中心として回転する。

図５に示すように円筒体６０の周面には、送り出し機構５６が取り付けられる。円筒体６０の軸回転に伴って送り出し機構５６は回動し、送り出し機構５６に支持されたアーム部５が起伏する。送り出し機構５６は複数の上下ローラ５９、図示しない複数の左右ローラ、ドライブギア６４、ガイドローラ６９を装備する、第１、第２コマ列５１，５２とともに直動伸縮機構（第３関節部Ｊ３）の主要な構造体である。上下ローラ５９は例えば４個であり、そのうち２個が上側に、残りの２個が下側に配設される。上側、下側それぞれの２個のローラ５９は回転軸が互いに平行になるよう一列に配列される。上側の２個のローラ５９と、下側の２個のローラ５９は、接合された第１、第２コマ５３，５４の合計厚に等価な距離を隔てられる。それにより第１、第２コマ５３，５４を接合し、上下から強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持することができる。左右ローラは例えば６個であり、そのうち３個が左側に、残りの３個が右側に配設される。左側、右側それぞれの３個のローラは互いに平行に、回転軸に垂直な方向に直線的に配列される。左側の３個のローラと、右側の３個のローラは、第１、第２コマ５３，５４の幅に等価な距離を隔てられる。それにより第１、第２コマ５３，５４を左右から強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持する。

本実施形態では、回転部（円筒体）６０に、起伏部４のモータユニット、送り出し機構５６との接続構造、第２コマ５４の誘導構造を一体的に構成することにより、サイドフレーム５７から円筒体６０を取り外すだけで、これら円筒体６０、起伏部４のモータユニット、送り出し機構５６との接続構造、第２コマの誘導構造に対してメンテナンスを施すことができ、メンテナンス性の向上を実現している。つまり、円筒体６０、起伏部４のモータユニット、送り出し機構５６との接続構造及び第２コマ５４の誘導構造がサイドフレーム５７に個々に取り付けられている場合、それらのいずれか例えばモータユニットのメンテナンスが必要になったとき、モータユニットを取り外すためには円筒体６０、起伏部４のモータユニットは勿論のこと、さらに接続構造及び誘導構造もサイドフレーム５７から取り外す必要が生じることがあり、メンテナンス性は非常に悪いものであった。

図６は円筒体６０の構造を示す斜視図である。図７（ａ）は円筒体６０の側面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ横断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図である。図６、図７に示すように、円筒体６０の外周には、送り出し機構５６との接続構造として半円弧形状の一対の接続部７１，７２が送り出し機構５６の幅に応じた距離を離間して強固に取り付けられている。

第２コマ５４の誘導構造としては、図８に示すように、円筒体６０の外周面が兼用されており、ここでは特に円環体（ガイドホイール）７３が円筒体６０の外周に分散配置された複数の、ここでは３個のローラ７６を介して自由回転可能に設けられている。ローラ７６及びガイドホイール７３は一対の接続部７１，７２の間に配置される。第２コマ５４の破損等を抑制するためにガイドホイール７３は第２コマ５４よりも低硬度、例えば樹脂であることが好ましい。第２コマ５４の誘導構造としてはガイドホイール７３に代えて円筒体６０の外周に固定されたポリアセタール(POM)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE;ふっ素樹脂)などの自己潤滑性樹脂製の滑動ベルトであってもよく、その場合第２コマ５４は滑動ベルト上を滑動して、支柱部に２の内部に誘導される。

円筒体６０の内部には、モータ７４とギアボックス７５からなるモータユニット７７が収納される。モータユニット７７は円筒体６０に対してその内部において固定される。モータユニット７７の出力軸７８はサイドフレーム５７の一方に対して接続される。モータユニット７７は円筒体６０に固定され、出力軸７８がサイドフレーム５７に接続されているので、モータユニット７７の出力軸７８が回転すると、モータユニット７７が回転しそれに伴って円筒体６０が回転する。

このように円筒体６０の外周面に送り出し機構５６と接続される接続部７１，７２を取り付け、モータユニット７７を回転体６０の内部に収納させ、第２コマ５４の誘導構造として回転体６０の外周面を活用してその外周にガイドホイール７３を自由回転自在に設けることにより、それらの一体化を実現している。この一体化は上述したとおりメンテナンス性の向上を実現する。さらに起伏部４の小型化も実現する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…支柱部、４…起伏部、５…アーム部、６…手首部、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…回転関節部、Ｊ３…直動伸縮関節部（直動伸縮機構）、５３…第１コマ、５４…第２コマ、５６…送り出し機構、５７…サイドフレーム、５９，６２…ローラ、６０…円筒体、６４…ドライブギア、６９…ガイドローラ、７１，７２…接続部、７３…ガイドホイール、７５…ギアボックス、７６…ローラ、７７…モータユニット、７８…出力軸。

Claims (4)

1. 基台に旋回回転関節部を備えた支柱部が支持され、前記支柱部上には起伏回転関節部を備えた起伏部が載置され、前記起伏部には直動伸縮性のアーム部を備えた直動伸縮機構が設けられ、前記アーム部の先端にはエンドエフェクタを装着可能な手首部が装備され、前記手首部には前記エンドエフェクタの姿勢を変更するための少なくとも一の回転関節部が装備されてなるロボットアーム機構において、
   前記アーム部は、
   屈曲可能に連結された板形状の複数の第１コマと、
   底面側において屈曲可能に連結された横断面コ字又はロ字形状の複数の第２コマと、前記第２コマは前記底面側と反対の表面側に前記第１コマが接合されたとき前記第１、第２コマはその屈曲が拘束され硬直された柱状体に構成される、前記第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰される、とからなり、
   前記起伏部は、
   前記旋回回転関節部の回転部に載置された一対のサイドフレームと、
   前記サイドフレームに軸回転自在に支持された円筒体と、
   前記円筒体を回転駆動するためのモータとギアボックスを含むモータユニットと、
   前記アーム部を移動自在に支持する前記直動伸縮機構のアーム支持部と接続するための接続部と、
   前記第１コマから分離された前記第２コマを前記支柱部内に誘導するガイド構造とを有し、
   前記モータユニット、前記接続部及び前記ガイド構造は前記円筒体に一体化されていて、
   前記モータユニットは前記円筒体の内部に収納され、前記モータユニットの出力軸は前記サイドフレームの一方に接続され、
   前記接続部は前記円筒体の外周面に固定され、
   前記ガイド構造は前記円筒体の外周面に設けられる円環体であることを特徴とするロボットアーム機構。
2. 前記円環体は前記円筒体に自由回転自在に支持されることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記円環体は前記第２コマを滑動させる前記円筒体の外周面に装着された滑動ベルトであることを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
4. 固定部と、
   前記固定部に軸回転自在に支持された円筒体と、
   前記円筒体を回転駆動するためのモータとギアボックスを含むモータユニットと、
   リンクと接続するための接続部とを有し、
   前記モータユニット及び前記接続部は前記円筒体に一体化されていて、
   前記モータユニットは前記円筒体の内部に収納され、前記モータユニットの出力軸は前記固定部に接続され、
   前記接続部は前記円筒体の外周面に固定されることを特徴とする回転関節装置。

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