KR20140101679A - 관절 기구 및 로봇 - Google Patents

관절 기구 및 로봇 Download PDF

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KR20140101679A
KR20140101679A KR1020140014289A KR20140014289A KR20140101679A KR 20140101679 A KR20140101679 A KR 20140101679A KR 1020140014289 A KR1020140014289 A KR 1020140014289A KR 20140014289 A KR20140014289 A KR 20140014289A KR 20140101679 A KR20140101679 A KR 20140101679A
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KR
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joint
robot
joint mechanism
axis
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KR1020140014289A
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Inventor
겐타로 다나카
아츠시 이치반가세
히로시 사이토
Original Assignee
가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

유지보수성을 향상시키면서 케이블 내장 가능한 관절 기구 및 로봇을 제공한다. 모터부와 감속기부를 갖는 제 1 유닛과, 브레이크부와 인코더부를 갖는 제 2 유닛과, 제 1 유닛과 제 2 유닛을 접속하는 동력 전달부를 구비한다. 제 1 유닛은, 모터부와 감속기부가 제 1 축에 동축 배치된다. 제 2 유닛은, 브레이크부와 인코더부가 제 1 축과는 분리 독립한 제 2 축에 동축 배치된다.

Description

관절 기구 및 로봇{JOINT MECHANISM AND ROBOT}
개시되는 실시형태는 관절 기구 및 로봇에 관한 것이다.
종래에, 예컨대, 로봇의 링크 사이에 마련되는 관절 기구로서, 감속기, 모터, 브레이크 및 인코더를, 공통의 축에 직렬적으로 동축 배치한 것이 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제 2011-24406 호 공보
그러나, 상술한 종래의 구성에서는, 감속기와 모터뿐만 아니라, 상기 브레이크와 상기 인코더도 중앙부를 중공으로 해서, 내부에 케이블 등을 통과시키고 있으므로, 단품으로 교환할 수 없고, 교환할 때에는, 일단 관절 내의 케이블을 분리한 후, 관절 기구를 전부 분리하지 않으면 안되었다. 따라서, 유지보수성의 향상이 요망되고 있었다.
여기 개시된 실시형태는 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 케이블 내장을 가능하게 하면서, 유지보수성을 향상시킬 수 있는 관절 기구 및 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시형태의 일 측면에 따른 관절 기구는 제 1 유닛과, 제 2 유닛과, 동력 전달부를 구비한다. 제 1 유닛은, 모터부와 감속기부가 제 1 축에 동축 배치된다. 제 2 유닛은, 브레이크부와 인코더부가 상기 제 1 축과는 분리 독립한 제 2 축에 동축 배치된다. 동력 전달부는 상기 제 1 유닛과 상기 제 2 유닛을 접속한다.
실시형태의 일 측면에 따르면，아암 등의 내부에 케이블류를 통과시킨 상태에서도, 브레이크부나 인코더부를 단품으로 분리할 수 있어서, 유지보수성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 1 유닛과 제 2 유닛의 조합에 의한 관절 기구의 설계 자유도가 높아진다.
도 1은 실시형태에 따른 로봇을 도시하는 도면,
도 2a는 도 1에 도시된 로봇의 리스트부가 구비하는 관절부의 관절 기구를 도시하는 도면,
도 2b는 도 2a의 IIB-IIB선을 따라 본 단면도,
도 3a는 관절 기구의 일 예를 도시하는 도면,
도 3b는 도 3a에 도시한 관절 기구의 제 1 유닛과 제 2 유닛을 분리한 상태를 도시하는 도면,
도 4는 도 3a의 화살표 A방향으로 본 도 3b에 도시한 제 1 유닛과 제 2 유닛의 위치 관계를 도시하는 도면,
도 5는 도 3a에 도시한 관절 기구의 동력 전달부를 도시하는 도 3a의 V-V 단면도,
도 6은 관절 기구의 변형예를 도시하는 도면,
도 7은 도 6의 변형예에 따른 관절 기구의 동력 전달부를 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본원에 개시되는 관절 기구 및 로봇의 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
우선, 본 실시형태에 따른 로봇(1)의 개요에 대해서, 도 1을 이용하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 로봇(1)의 설치면(예컨대, 수평면)에 서로 직교하는 X축 및 Y축을 정의하고, 설치면에 수직 방향인 법선 방향으로 Z축을 정의해서 설명한다.
본 실시형태에 따른 로봇(1)은, 예컨대, 다관절 로봇이며, 도 1에 도시하는 바와 같이, 기대(11) 위에 마련된 동체부(12)와, 이 동체부(12)에 연결된 아암부(13)와, 아암부(13)의 선단에 마련된 리스트부(14)를 구비한다.
기대(11)는 설치면에 자리부(11a)를 통해 고정되어 있다. 이러한 기대(11)위에, 동체부(12)는 수직축(도 1에서 Z축)을 중심으로 수평 방향으로 회동 가능하게 마련된다. 또한, 동체부(12)는 모터부(20)의 구동에 의해 수평 회전한다.
동체부(12)에 연결된 아암부(13)는 복수의 링크로서의 제 1 아암(131)과 제 2 아암(132)이, 서로 관절부에 의해 회동 가능하게 연결되어 구성된다.
즉, 제 1 아암(131)은, 동체부(12) 위에, 제 1 관절부(2a)를 거쳐서 전후 방향(Y 방향)으로 요동 가능하게 연결된다. 또한, 제 2 아암(132)은 제 1 아암(131)의 선단부에, 제 2 관절부(2b)를 거쳐서 상하 방향(Z 방향)으로 요동 가능하게 연결된다. 또한, 제 1 아암(131)을 요동시키는 제 1 관절부(2a)는 제 1 모터부(21)를, 제 2 아암(132)를 요동시키는 제 2 관절부(2b)은 제 2 모터부(22)을 구비한다.
리스트부(14)는 또한, 복수의 링크로서의 제 1 리스트(141)와 제 2 리스(142)가 후술하는 관절 기구(3)를 구비한 관절부에 의해 회동 가능하게 서로 연결되어 구성된다. 즉, 본 실시형태에 따른 로봇(1)은 관절 기구(3)에 의해 연결된 한 쌍의 링크를 구비하는 구조를 갖는다.
여기서, 도 2a 내지 도 6을 참조하여, 리스트부(14)가 구비하는 관절부의 관절 기구(3)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, 리스트부(14)는, 제 1 리스트(141)와 제 2 리스트(142)가 서로 관절부에 의해 회동 가능하게 연결된다. 즉, 제 1 리스트(141)는 2분기 형상으로 형성되고, 그 기단부가 제 2 아암(132)의 선단부에, 관절 기구(3)를 구비한 제 3 관절부(2c)에 의해 회전축 주위로 회동 가능하게 연결된다.
또한, 제 2 리스트(142)는 제 1 리스트(141)의 선단부에, 제 4 관절부(2d)에의해 요동축을 중심으로(예컨대, 도 1에 있어서의 Ｚ 방향)으로 요동 가능하게 연결된다. 또한, 이 제 2 리스트(142)는 제 5 관절부(2e)를 거쳐서 회전축 주위로 회동 가능하게 연결된다. 또한, 제 3 관절부(2c), 제 4 관절부(2d) 및 제 5 관절부(2e)는 각각 중공 구조로 되어 있고, 제 3 관절부(2c) 및 제 5 관절부(2e)의 중공부에는 호스를 포함하는 케이블류(82)가 통과하고, 제 4 관절부(2d)의 중공부에는 후술하는 브레이크부(51)과 인코더부(52)가 배치되어 있다.
우선, 제 3 관절부(2c) 및 제 5 관절부(2e)가 구비하는 관절 기구(3)에 대해서 설명한다. 즉, 피구동 부재가 되는 링크(제 1 리스트(141), 제 2 리스트(142)) 자체에 마련되고, 해당 링크를 회전축 주위로 회동시키는 관절부에 마련된 관절 기구(3)에 대해서 설명한다.
도 3a에 도시하는 바와 같이, 관절 기구(3)는, 로봇(1)의 아암 프레임(44)에 의해 형성되는 중공부(43)에 대해, 제 1 축이 되는 중공 회전축(46)을 사이에 두고, 모터부(41)와 감속기부(42)가 동축 배치된 제 1 유닛(4)을 구비한다.
또한, 관절 기구(3)는, 브레이크부(51)와 인코더부(52)가 중공 회전축(46)(제 1 축)과 분리 독립한 제 2 축인 회전축(53)에 동축 배치된 제 2 유닛(5)을 구비한다. 또한, 관절 기구(3)는 중공 회전축(46)(제 1 축)과 회전축(53)(제 2 축)의 사이에 배치된 동력 전달부로서의 제 1 기어 기구(6)를 구비한다.
제 1 유닛(4)은 로봇(1)의 아암 프레임(44)에 설치되어 구성된다. 제 1 유닛(4)의 모터부(41)는 로봇(1)의 아암 프레임(44)에 설치된 고정자(411)와, 이 고정자(411)와 소정의 갭을 두고 회전 가능하게 마련된 회전자(412)를 구비한다. 본 실시형태에 따른 중공 회전축(46)은 모터부(41)의 회전자(412)와 일체 형성되고, 감속기부(42)와 접속된다. 따라서, 회전자(412)의 회전이 중공 회전축(46)을 거쳐서 감속기부(42)에 전달된다. 또한, 중공 회전축(46)은 반드시 회전자(412)와 일체 형성할 필요는 없고, 별체로서 일체적으로 구성되어 있으면 된다. 또한, 도 3a에서, 도면부호 413은 고정자 철심, 도면부호 414는 고정자 코일, 도면부호 415는 회전자 자석을 나타낸다.
한편, 감속기부(42)는 또한 아암 프레임(44)에 설치되어 있고, 제 2 유닛(5)과 반대쪽에 위치하도록 모터부(41)에 인접해서 배치된다. 감속기부(42)는 소정의 기어 세트(도시하지 않음)를 내장하고 있고, 모터부(41)로부터의 동력을 소정의 감속비로 감속한다. 이러한 구성에 의해, 아암 프레임(44)을 사이에 두고 마련되는 피구동부가 되는 링크(예컨대, 제 1 리스트(141)나 제 2 리스트(142))를 소망하는 속도로 회전시킬 수 있다.
이와 같이, 제 1 유닛(4)의 모터부(41)와 감속기부(42)는 아암 프레임(44)의 중공부(43)에 중공 회전축(46)을 거쳐서 지지되는 중공 구조를 갖는다. 따라서, 중공부(43)의 내부에는, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 바와 같이, 소정의 케이블류(82)를 회전축 방향을 따라 배설할 수 있다.
다른 한편, 제 2 유닛(5)은 대략 원통 형상의 유닛 프레임(54)의 길이 방향으로 가설한 제 2 축인 회전축(53) 상에, 브레이크부(51)와 인코더부(52)를 동축 배치해서 구성된다. 그리고, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 제 2 유닛(5)은 연결 부재인 볼트(도시하지 않음) 등에 의해, 아암 프레임(44)의 제 1 유닛(4)이 설치된 곳과 반대측의 한쪽 단면(441)의 외부에 부착된다. 또한, 도 3b에서, 도면부호 442는 제 2 유닛(5)에 대응한 부착 구멍을 나타낸다. 또한, 제 2 유닛(5)의 브레이크부(51) 및 인코더부(52)는 기존의 주지 구조로 이루어지는 장치를 이용할 수 있다.
또한, 제 2 유닛(5)은 도 3a 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 회전축(53)이 제 1 유닛(4)의 중공 회전축(46)에 대하여 축심이 반경 방향으로 오프셋한 상태로 설치된다. 즉, 본 실시형태에 따른 관절 기구(3)는, 제 2 유닛(5)이 제 1 유닛(4)에 비해 소형화되어 있고(중공 회전축(46)의 축 방향으로부터 보아서 직경이 대략 1/4), 이 제 2 유닛(5)의 근방에는 소정의 공간(100)이 형성되게 된다(도 3a).
따라서, 이러한 공간(100)을 유효하게 이용하여, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 제 2 리스트(142)를 상하 요동 가능하게 하는 제 4 관절부(2d)를 배치할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 리스트부(14)의 길이 방향에 있어서의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 제 5 관절부(2e)의 제 2 유닛(5)은, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 아암 프레임(44)의 중공부(43)보다 우측에 배설되어 있기 때문에, 공간(100)(도 3a 참조)의 일부를 이용하여 케이블(81)을 삽입 통과시킬 수 있다. 도시된 예에서는, 제 2 유닛(5)이 제 1 유닛의 중공부(43)보다 우측으로 치우쳐 배치된 것을 도시하였지만, 좌측으로 치우쳐 배치함으로써 나머지 공간을 케이블을 통과시키는데 이용할 수 있다.
또한, 상술한 제 1 유닛(4)과 제 2 유닛(5)은 동력 전달부인 제 1 기어 기구(6)에 의해 접속된다. 즉, 모터부(41)의 동력은 제 1 기어 기구(6)(동력 전달부)를 통해 전달된다.
제 1 기어 기구(6)는 소정의 기어비(gear ratio)로 되도록 짝 지어진 복수의 기어에 의해 구성된다. 본 실시형태에 따른 제 1 기어 기구(6)는, 도 3a 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 제 1 유닛(4)의 모터부(41)에 마련된 대형 기어(61)와, 제 2 유닛(5)의 회전축(53)의 선단에 마련된 소형 기어(62)로 구성된다. 대형 기어(61)는 중공 회전축(46)의 단면에, 예컨대, 볼트(도시하지 않음) 등의 체결 수단으로 연결된다.
그리고, 도 3a 및 도 3b에 도시하는 바와 같이, 제 2 유닛(5)은 소형 기어(62)가 대형 기어(61)와 맞물리도록 제 1 유닛(4)에 부착된다. 또한, 대형 기어(61)와 소형 기어(62)는 평기어끼리의 맞물림이기 때문에, 축 방향으로 간단히 이동할 수 있고, 제 2 유닛(5)의 제 1 유닛(4)에 대한 장착 및 분리도 간단히 실행할 수 있다(도 3b 참조).
이와 같이, 본 실시형태에 따른 관절 기구(3)는 모터부(41)와 감속기부(42)를 구비하는 제 1 유닛(4)과, 브레이크부(51)와 인코더부(52)를 구비하는 제 2 유닛(5)으로 분리된다. 그리고, 양자를 장착 및 분리 가능하게 구성하고, 제 1 유닛(4)에 있어서의 모터부(41)의 회전축인 중공 회전축(46)과 제 2 유닛(5)의 회전축(53)을 제 1 기어 기구(6)에 의해 연결하여 연동시켰다.
이러한 구성에 의해, 본 실시형태에 따른 관절 기구(3)는 제 2 유닛(5)만을 간단히 장착 및 분리할 수 있다. 따라서, 모터부(41)나 감속기부(42)보다 빈번하게 교환이 요구되는 브레이크부(51)나 인코더부(52) 등의 유지보수성이 기존의 관절 기구 등과 비교해서 향상한다.
또한, 상술한 바와 같이, 제 1 유닛(4)의 모터부(41)에 대형 기어(61)를, 제 2 유닛(5)의 회전축(53)에 소형 기어(62)를 각각 마련했기 때문에, 모터부(41)에 의한 회전을 제 2 유닛(5)의 회전축(53)에 증속시켜 전달할 수 있다.
따라서, 모터부(41)의 토크를 작게 해서 브레이크부(51)에 전달할 수 있다. 그 때문에, 소형의 저렴한 브레이크 구조를 채용할 수 있어서, 로봇(1)의 소형화 및 저비용화에 기여할 수 있다.
또한, 모터부(41)의 회전을 제 2 유닛(5)의 회전축(53)에 증속해서 전달함으로써 분해능을 증가시킬 수 있으므로, 인코더부(52)로서 분해능이 낮은 것을 이용할 수 있게 된다. 따라서, 브레이크부(51)와 마찬가지로, 인코더부(52)의 비용을 삭감하고, 나아가서는 로봇(1)의 저비용화에 기여 할 수 있다.
다음으로, 제 2 리스트(142)(링크)를 제 1 리스트(141)에 요동 가능하게 연결하는 제 4 관절부(2d)(도 2a 참조)가 구비하는, 변형예에 따른 관절 기구(3d)에 대해 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다.
변형예에 따른 관절 기구(3d)도, 기본적으로는, 제 3 관절부(2c) 및 제 5 관절부(2e)가 구비하는 관절 기구(3)와 같은 구성이다. 도 2a 내지 도 3b에 도시하는 바와 같이, 관절 기구(3d)는 모터부(41)와 감속기부(42)를 구비하는 제 1 유닛(4)과, 브레이크부(51)와 인코더부(52)를 구비하는 제 2 유닛(5)으로 분리된다.
그러나, 본 변형예에 따른 관절 기구(3d)에서는, 제 2 유닛(5)은 제 1 유닛(4)의 외부에 부착되지 않고, 제 1 유닛(4)의 중공부(43) 내에 수납되는 구성으로 했다. 즉, 제 4 관절부(2d)에서는 중공부(43)의 내부에는 케이블류를 통과시킬 필요가 없다. 그리고, 이러한 중공부(43) 내에 제 2 유닛(5)을 수납하는 것으로 했다. 또한, 제 1 유닛(4)의 중공부(43)의 축심과 제 2 유닛(5)의 회전축(53)의 축심을 일치시킨다.
이와 같이, 제 1 유닛(4)의 중공부(43) 내에 제 2 유닛(5)을 수납하는 구성으로 했기 때문에, 동력 전달부는 제 1 기어 기구(6)를 대신해서 도 7에 나타내는 제 2 기어 기구(7)가 채용되게 된다.
제 2 기어 기구(7)도, 제 1 기어 기구(6)와 마찬가지로, 소정의 기어비로 되도록 짝지어진 복수의 기어에 의해 구성된다. 즉, 제 2 기어 기구(7)는 도 7에 도시하는 바와 같이 링 기어(71)와 입력 기어(72)와 아이들 기어(73)를 구비해서 구성된다.
링 기어(71)는 제 1 유닛(4)의 중공 회전축(46)의 선단측 내주면에 고정 설치된다. 입력 기어(72)는 제 2 유닛(5)의 회전축(53)의 선단에 마련된다. 그리고, 아이들 기어(73)는 링 기어(71)와 입력 기어(72)의 사이에 배설된다.
이러한 구성에 의해, 모터부(41)로부터의 회전이 링 기어(71) → 아이들 기어(73) → 입력 기어(72)로 전달되게 된다. 그리고, 이 경우에서도, 제 1 유닛(4)에 있어서의 모터부(41)의 회전은 제 2 유닛(5)의 회전축(53)에 증속하여 전달된다. 따라서, 제 4 관절부(2d)의 관절 기구(3d)에 있어서도, 상술한 바와 같이, 브레이크부(51)의 소형화나 인코더부(52)의 소분해능화가 가능해지고, 나아가서는 로봇(1)의 비용 삭감에 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시형태에 따른 관절 기구(3)는, 리스트부(14)의 제 3 관절부(2c) 및 제 5 관절부(2e)에 적용하는 경우는, 제 1 유닛(4)에 있어서의 중공부(43)의 내부를 케이블류가 삽입 통과하는 스페이스로서 이용 할 수 있다. 또한, 제 4 관절부(2d)의 관절 기구(3d)에서는, 이러한 중공부(43)의 내부를 제 2 유닛(5)의 수납부로서 이용할 수 있다.
그리고, 관절 기구(3)의 기본 구조는, 앞서 설명한 실시형태와 변형예에서 동일하고, 동력 전달부만을 바꾸는 것만이어도 좋다. 따라서, 관절 기구가 케이블류(82)를 삽입 통과시킬 수 있는 중공 구조이어도 좋고, 변형예와 같이, 제 2 유닛(5)이 수납된 중실의 구조이어도, 관절 기구(3d)로서 부품의 공통화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 2 유닛(5)을 외부에 부착할 경우, 아암 프레임(44)의 일측 단면(441)에 설치하는 구성으로 했다. 그러나, 제 2 유닛(5)을 제 1 유닛(4)의 외부에 부착하는 구성은, 예컨대, 아암 프레임(44)의 일측 단면(441)에 형성하는 부착 구멍(442)에 제 2 유닛(5)을 끼워 넣고, 제 1 유닛(4) 내의 모터부(41)의 프레임에 설치할 수도 있다.
또한, 상술한 실시형태 및 변형예에서는, 동력 전달부로서 기어 기구를 채용했지만, 예컨대, 풀리와 벨트를 이용한 구성으로 할 수도 있다.
또한, 본 실시형태 및 변형예에서는, 관절 기구를 로봇(1)의 리스트부(14)의 관절부에 채용한 예를 나타냈다. 그러나, 관절 기구는, 예컨대, 한 쌍의 링크를 회동 가능하게 연결하는 관절부이면 적용 가능하다.
다른 효과나 변형예는, 당업자에 의해 용이하게 도출될 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 보다 광범한 형태는, 이상과 같이 나타내고 기술한 특정한 상세 및 대표적인 실시형태에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 총괄적인 발명의 개념의 정신 또는 범위로부터 일탈하지 않고, 여러 가지 변경이 가능하다.
1 : 로봇 2a : 제 1 관절부
2b : 제 2 관절부 2c : 제 3 관절부
2d : 제 4 관절부 2e : 제 5 관절부
3, 3d: 관절 기구 4 : 제 1 유닛
5 : 제 2 유닛 6 : 제 1 기어 기구(동력 전달부)
7 : 제 2 기어 기구(동력 전달부) 13 : 아암부
14 : 리스트부 41 : 모터부
42 : 감속기부 51 : 브레이크부
52 : 인코더부 141 : 제 1 리스트(링크)
142 : 제 2 리스트(링크)

Claims (10)

  1. 모터부와 감속기부가 중공 구조의 제 1 축에 동축 배치된 제 1 유닛과,
    브레이크부와 인코더부가 상기 제 1 축과는 분리 독립한 제 2 축에 동축 배치된 제 2 유닛과,
    상기 제 1 유닛과 상기 제 2 유닛을 접속하는 동력 전달부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    관절 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동력 전달부는, 상기 제 1 축의 회전을 상기 제 2 축에 증속해서 전달하는 것을 특징으로 하는
    관절 기구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 축에 대하여 상기 제 2 축은 오프셋되어 있고, 상기 제 2 유닛은 상기 제 1 유닛의 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는
    관절 기구.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 유닛은 상기 제 1 유닛의 상기 제 1 축 내에 수납되는 것을 특징으로 하는
    관절 기구.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 관절 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
  6. 제 3 항에 기재된 관절 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
  7. 제 4 항에 기재된 관절 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 관절 기구에 의해 연결된 한 쌍 이상의 링크를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 관절 기구에 의해 연결된 한 쌍 이상의 링크를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 관절 기구에 의해 연결된 한 쌍 이상의 링크를 구비하는 것을 특징으로 하는
    로봇.
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