TW201741095A - 關節機構 - Google Patents

Abstract

本發明係於關節機構中不妨礙其旋轉動作地迴避作業者之指尖或手腕被夾住之危險性，實現安全性之提升。關節機構具備：固定部；可動部，其被固定部移動自如地支持；外罩(15)，其藉由覆蓋可動部之至少一部分之蛇腹構造而可伸縮地形成；及加強板(19)，其安裝於外罩之內側，用於允許可動部之移動方向上之外罩之變形，防止可動部之移動方向以外之方向上之外罩之變形。

Description

關節機構

本發明之實施形態係關於一種關節機構。

近年來，機器人與使用者位於同一空間之環境不斷變多。一直在研討看護用機器人及產業用機器人於作業者附近進行作業之狀況之可能性。若實現該狀況便可使藉由機器人之支援之障礙者亦與健康者同等地進行作業。發明者等人實現了實用化之具備直動伸縮機構之極座標型之機械臂機構因無肘關節且亦無臨界點，故而不會朝難以預料之方向突然高速移動，可預測臂、末端效應器之動作，其安全性非常高，無需安全柵欄，實現機器人與作業者之協働作業。假設於該機器人與作業者接近而協働作業之環境下，不僅有臂碰撞作業員之危險性，亦有作業者之指尖或手腕被旋轉關節之內部構造夾住之危險性。

本發明之目的在於針對關節機構不妨礙其動作地迴避作業者之指尖或手腕被夾住之危險性，實現安全性之提升。

本實施形態之關節機構具備：固定部；可動部，其被固定部移動自如地支持；外罩，其藉由覆蓋可動部之至少一部分之蛇腹構造而可伸縮地形成；及加強板，其安裝於外罩之內側，用於允許可動部之移動方向上之外罩之變形，防止可動部之移動方向以外之方向上之外罩之變形。

1‧‧‧基座

2‧‧‧支柱部

4‧‧‧起伏部

5‧‧‧臂部

6‧‧‧腕部

14‧‧‧外罩

15‧‧‧臂外罩

18(18-1、18-2)、19‧‧‧加強板

21、22‧‧‧硬質外罩

32‧‧‧側框

31‧‧‧圓筒體

圖1係應用本實施形態之關節機構之機械臂機構之外觀立體圖。

圖2係圖1之機械臂機構之側視圖。

圖3係自後方觀察圖1之機械臂機構之立體圖。

圖4係表示圖1之鞍形外罩之側視圖。

圖5係圖4之鞍形外罩之立體圖。

圖6係圖4之鞍形外罩之側視圖。

圖7係表示圖4之鞍形外罩之安裝形態之側視圖。

圖8係表示安裝於鞍形外罩之加強板之圖。

圖9係表示安裝於臂外罩之加強板之圖。

以下，一面參照圖式一面對本實施形態之關節機構進 行說明。本實施形態之關節機構係能應用於各種機械臂機構之直動伸縮機構(直動關節)或旋轉關節機構。本實施形態之關節機構以應用於具備直動伸縮機構之極座標型之機械臂機構為例進行說明。當然，本實施形態之關節機構亦可裝備於機械臂機構以外之機構。

圖1、圖2、圖3表示具備該直動伸縮機構之極座標型之機械臂機構之外觀。於機械臂機構之基座1設置有形成圓筒體之支柱部2。支柱部2收容第一關節部J1。第一關節部J1係以旋轉軸RA1為中心進行旋轉之旋轉關節(rotational joint)。旋轉軸RA1係與例如鉛垂方向平行。臂部5係藉由第一關節部J1之旋轉而迴旋。支柱部2包含下部2-1及上部2-2。下部2-1係連接於第一關節部J1之固定部。上部2-2係連接於第一關節部J1之旋轉部，以旋轉軸RA1為中心進行軸旋轉。於形成圓筒體之支柱部2之內部中空，收納有後述之第三關節部J3之第一、第二鏈節排。於支柱部2之上部2-2，設置有收容第二關節部J2之起伏部4。第二關節部J2係以旋轉軸RA2為中心進行旋轉之旋轉關節。第二關節部J2係作為本實施形態之關節機構而提供。旋轉軸RA2例如為水平。第二關節部J2係設置於支柱部2之上部2-2。臂部5係繞旋轉軸RA2而朝上方或下方旋轉。

第三關節部J3係藉由直動伸縮機構(linear motion extending and retracting mechanism)提供。直動伸縮機構具備發明者等人新開發之構造，可動範圍明確地較先前之 直動關節(prismatic joint)長。第三關節部J3之臂部5彎曲自如，但當沿著中心軸(伸縮中心軸RA3)自臂部5之根部之支持機構25朝前方送出時彎曲被限制，以確保直線剛性。當臂部5朝後方拉回時恢復彎曲。臂部5具有第一鏈節排51及第二鏈節排52。第一鏈節排51包含彎曲自如地連結之複數個第一鏈節53。各第一鏈節53構成為大致平板形。複數個第一鏈節53係藉由複數個鉸鏈部而彎曲自如地連接成一排。各鉸鏈部係使相鄰之成對之第一鏈節53於其等之端部彼此連接。第二鏈節排52包含複數個第二鏈節54。各第二鏈節54係具有圓形或多邊形之剖面形狀之管或其半管形狀。即，半管形狀係半圓管形狀與半角管形狀之任一者。典型而言，各第二鏈節54係由底板與兩個側板呈直角地組合而成之半角管形狀。複數個第二鏈節54係藉由複數個鉸鏈部而彎曲自如地連接成一排。各鉸鏈部係使相鄰之成對之第二鏈節54於其等之底板之端部彼此連接。第二鏈節排52之彎曲係於第二鏈節54之側板之端面彼此抵接之位置被卡止。於此位置，複數個第二鏈節排52為直線排列。第一鏈節排51之最前端之第一鏈節53、與第二鏈節排52之最前端之第二鏈節54係藉由結合鏈節55而連接。例如，結合鏈節55具有將第一鏈節53與第二鏈節54合成後之形狀。

第一鏈節排與第二鏈節排係於通過輥單元(未圖示)時被輥相互擠壓而接合。藉由接合，第一、第二鏈節排發揮直線剛性，構成柱狀之臂部5。臂部5之剖面例如為矩 形狀。於輥單元之後方設置有驅動齒輪。驅動齒輪經由減速器而連接於步進馬達。於第一鏈節之背面之寬度中央沿著連結方向形成有線性齒輪。當複數個第一鏈節呈直線狀整齊排列時相鄰之線性齒輪呈直線狀相連，構成較長之線性齒輪。驅動齒輪嚙合於直線狀之線性齒輪。直線狀相連之線性齒輪係與驅動齒輪一併構成齒輪齒條機構。當驅動齒輪正向旋轉時第一、第二鏈節排成為柱狀體而朝前方被送出。當驅動齒輪逆向旋轉時柱狀體被拉回，於輥單元與驅動齒輪之間分離成第一、第二鏈節排。例如，構成柱狀體之第一鏈節排藉由導輥與驅動齒輪維持水平姿勢，構成柱狀體之第二鏈節排因重力被拉向下方，藉此第二鏈節排與第一鏈節排相互分離。分離後之第一鏈節排及第二鏈節排分別恢復成可彎曲之狀態。恢復成可彎曲狀態之第一鏈節排及第二鏈節排均朝相同方向(內側)彎曲，同時以大致平行地對齊之狀態收納於支柱部2之內部。

於臂部5之前端安裝有腕部6。腕部6裝備第四~第六關節部J4~J6。第四~第六關節部J4~J6分別具備正交三軸之旋轉軸RA4~RA6。第四關節部J4係以與伸縮中心軸RA3大致一致之第四旋轉軸RA4為中心進行旋轉之旋轉關節，藉由該第四關節部J4之旋轉而末端效應器擺動。第五關節部J5係以與第四旋轉軸RA4垂直地配置之第五旋轉軸RA5為中心進行旋轉之旋轉關節，藉由該第五關節部J5之旋轉而末端效應器前後傾動。第六關節部J6係以與第四旋轉軸RA4及第五旋轉軸RA5垂直地配 置之第六旋轉軸RA6為中心進行旋轉之旋轉關節，藉由該第六關節部J6之旋轉而末端效應器軸旋轉。

末端效應器係安裝於腕部6之第六關節部J6之旋轉部所設之轉接器。該末端效應器係藉由第一、第二、第三關節部J1、J2、J3而移動至任意位置，且藉由第四、第五、第六關節部J4、J5、J6而配置為任意姿勢。特別是第三關節部J3之臂部5之伸縮距離之長度可使末端效應器到達自基座1之近接位置至遠隔位置之廣範圍之對象。第三關節部J3之特徵為藉由構成其之直動伸縮機構而實現之直線伸縮動作及其伸縮距離之長度。

藉由第一、第二鏈節排之接合構成為柱狀體之臂部5其橫剖面形成為矩形或大致圓形。接合後之第一、第二鏈節排係藉由例如具有柔軟之樹脂製之蛇腹構造之臂外罩15覆蓋。臂外罩15之一個端部連接於腕部6之與臂部5之接合部分，另一個端部連接於後述之硬質外罩22。臂外罩15設為蛇腹構造因而具有伸縮性。臂外罩15隨著臂部5之伸縮而直線狀地伸縮，覆蓋臂部5之全體。又，於臂部5安裝有用於加強臂外罩15之加強板(圖9所示之加強板19，詳情於後文敘述)。

如上述般，機械臂機構之第二關節部J2係作為本實施形態之關節機構提供。如圖4(a)、圖4(b)所示，第二關節部J2具備一對側框32作為固定部(支持部)。側框32係載置於作為支柱部2之軀體之支柱框(鏈路)之上部。於該一對側框32，作為兼用馬達殼體之旋轉部 之圓筒體31係於其兩端被軸支。一對側框32係由鞍形之硬質外罩21覆蓋。側框32係載設於相當於第一、第二關節部J1、J2間之鏈路之支柱部2之框之上部。馬達係與齒輪箱一併固定於圓筒體31之內部。齒輪箱之輸出軸(驅動軸)係固定於一側框32。伴隨輸出軸之旋轉而圓筒體31旋轉。於圓筒體31以自其周面沿著半徑方向朝前方突出之態樣固定有突出體33。圓筒體31係與突出體33一併構成旋轉部。於突出體33設置有支持上述第一、第二鏈節排之射出部35。若圓筒體31旋轉，則射出部35亦與其一併旋轉，藉此被射出部35支持之臂部5起伏。通過射出部35被送出且被拉回之第一鏈節排及第二鏈節排一面於圓筒體31之周面上部滑動一面進行方向轉換。突出體33係與射出部35一併由筒狀之硬質外罩22覆蓋。

於硬質外罩21、22之間架設有鞍形(槽形)之鞍形外罩14。硬質外罩21、22係伴隨籍由圓筒體31之旋轉引起之臂部5之起伏移動而接近或遠離。為了追隨伴隨硬質外罩21、22之接近/遠離之間隙之變化，鞍形外罩14係如圖5、圖6所示般具有形成為具有例如U字形(蹄鐵形)之橫剖面之鞍形形狀之柔軟的樹脂製之蛇腹構造。另，蛇腹構造之橫剖面亦可為C字形狀或“”字形狀。於蛇腹構造之兩端面安裝有相同之U字形之凸緣16、17。鞍形外罩14藉由設為蛇腹構造，伴隨硬質外罩21、22之接近/遠離而伸縮。硬質外罩21、22係越為自旋轉部之 旋轉中心軸遠離之部分，則伴隨旋轉部之旋轉而接近/遠離之距離越大。因此，鞍形外罩14自旋轉軸RA2之方向觀察時，係以形成以旋轉部之旋轉中心軸為中心之扇形狀或圓弧形狀之方式伸縮(變形)。

進而，於鞍形外罩14之內側(與旋轉部相對之側)，如圖6、圖7所示，例如兩塊加強板(中間板)18-1、18-2以與旋轉關節機構之旋轉部(可動部)之旋轉方向正交之朝向安裝。加強板18-1、18-2係安裝於鞍形外罩14之內側之鞍形外罩14之加強構件，用於使鞍形外罩14遠離旋轉關節機構之旋轉部(可動部)等之內部構造，且加強鞍形外罩14、即允許旋轉部(可動部)之移動方向、此處為旋轉方向上之鞍形外罩14之變形，防止可動部之移動方向以外之方向、即與旋轉方向交叉之典型而言半徑方向上之鞍形外罩14之變形(崩塌)。加強板18-1、18-2係安裝於鞍形外罩14之蛇腹構造之凸折部分之內側。又，加強板18-1、18-2係對鞍形外罩14之最大拉伸範圍設置例如均等之間隔而安裝。藉此，安裝於鞍形外罩14之加強板18-1、18-2藉由對應鞍形外罩14之伸縮進行移動，而大致均等地配置。因此，能平均地加強鞍形外罩14之全體，故而蛇腹構造不會倒塌。

圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)係表示加強板18-1、18-2之構成之圖。加強板18-1、18-2係如圖8(b)所示般典型而言為樹脂製之薄板狀之構件。加強板18-1、18-2之外緣形狀係如圖8(a)所示般，形成為與鞍形外 罩14之內面形狀匹配之U字(或C字形狀或“”字形狀)。

於硬質外罩21、22之間安裝之鞍形外罩14之下端附近，沿著鞍形外罩14之下端，設有與籍由鞍形外罩14形成之扇形狀或圓弧形狀之曲線部分(圓弧)之形狀平行地(沿著鞍形外罩14之伸縮方向)排列之軌道40。於本實施形態中，設置有例如兩條軌道40a、40b。於加強板18-1、18-2之兩個端部(下端)，如圖8(a)及圖8(c)所示，分別形成有與軌道40a、40b卡合且能以卡合狀態滑動之卡合部18a、18b。加強板18-1、18-2係設置於鞍形外罩14之內側與軌道40a、40b之間。藉此，加強板18自內側支持鞍形外罩14，確保鞍形外罩14之剛性。加強板18-1、18-2係外周部安裝於鞍形外罩14之內側，相對於軌道40a、40b可滑動地被卡合，故而對應鞍形外罩14(蛇腹構造)伴隨旋轉部之旋轉而伸縮(變形)之狀況進行移動。因此，加強板18-1、18-2相對於鞍形外罩14之伸縮方向(長度方向)始終均等地配置，自內側支持鞍形外罩14。另，為了使加強板18-1、18-2可於軌道40a、40b之上面順暢地滑動，亦可於軌道40a、40b之上表面(與加強板18-1、18-2之接觸面)塗佈潤滑性覆膜。又，亦可利用有潤滑性之構件構成軌道40a、40b。又，亦可於加強板18-1、18-2之卡合部18a、18b塗佈潤滑性覆膜、或安裝有潤滑性之構件。

另，當第二關節部J2轉動直至臂部5抬起至最高位 之姿勢時，硬質外罩21、22完全閉合，其等之間之間隙消失，自安全方面而言較佳。此時蛇腹鞍形外罩14變成最收縮之狀態。為了能將最收縮之蛇腹鞍形外罩14之全體適當地收容至硬質外罩21、22之內部，安裝構件23係設於自硬質外罩21之上緣僅隔開特定距離朝下方深入之位置，同樣地安裝構件24係設於自外罩22之後緣僅隔開特定距離朝前方深入之位置。

如此，藉由蛇腹構造之鞍形外罩14覆蓋追隨使臂部5起伏移動之動作而開閉之硬質外罩21、22之間隙，藉此，萬一作業者之指尖置於鞍形外罩14，亦由於鞍形外罩14被加強板18-1、18-2加強，蛇腹構造不會倒塌。因此，可抑制作業者之指尖向關節部J2之更內側之進入，從而可迴避被關節之內部構造體夾住之危險。

其次，對用於加強臂外罩15之加強板19進行說明。圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)係表示加強板19之構成之圖。加強板19係於外罩15之內側以與移動方向正交之朝向安裝之外罩15之加強構件，用於使外罩15遠離直動關節機構之臂部5(可動部)等之內部構造(鏈節排)，且加強外罩15、即允許臂部5之移動方向、此處為移動軸RA3之方向上之外罩15之變形，防止其移動方向以外之方向、即與移動方向交叉之典型而言為與移動方向正交之方向上的外罩15之變形(崩塌)。

加強板19係如圖9(a)、圖9(b)及圖9(c)所示般，對應臂部5之橫剖面之矩形狀而中心被切除為矩形狀 之典型而言係樹脂製之薄板狀之環狀構件。加強板19之外周形狀具有與臂外罩15之橫剖面之形狀相應之外形。此處臂外罩15之橫剖面之形狀係形成為接近矩形之筒形，故而加強板19之外周形狀亦與其匹配地形成為矩形狀。加強板19係與安裝於鞍形外罩14之加強板18-1、18-2同樣地，安裝於臂外罩15之蛇腹構造之凸折部分之內側。因此，於臂外罩15與臂部5之間確保與自加強板19之外周至開口部為止之寬度相應之空間。又，加強板19相對於臂外罩15之伸縮方向(長度方向)而安裝於其最大拉伸範圍之中央附近。

如圖9(c)所示，臂部5係插入至加強板19之開口部。加強板19並未固定於臂部5，故而其開口部之內緣係藉由臂外罩15對應臂部5之伸縮動作進行伸縮而於臂部5之表面滑動。當加強板19移動時，加強板19之開口部與臂部5摩擦。因此，為了使加強板19能順暢地移動，於加強板19於其開口部之緣之上下設置有較板厚略長之滑動部(口邊緣部)19-1、19-2。亦可於與臂部5接觸之滑動部19-1、19-2之內面塗佈潤滑性覆膜，加強板19全體或至少滑動部19-1、19-2由自潤滑性樹脂構成。

加強板19係相對於臂外罩15之伸縮方向(長度方向)安裝於中央附近，故而無論臂部5之長度為何種狀態，均位於臂外罩15之長度方向之大致中央附近。因此，加強板18無論臂部5為何種長度均自臂外罩15之內側進行支持，從而可確保臂外罩15之剛性。

如此，藉由長度對應直動而變化之蛇腹構造之臂外罩15覆蓋臂部5，萬一作業者之指尖置於臂外罩15，亦由於臂外罩15被加強板19加強，而蛇腹構造不會倒塌。因此，可抑制作業者之指尖接觸直動之臂部5，從而可迴避危險。

另，於上述說明中，係於鞍形外罩14安裝兩塊加強板18-1、18-2，於臂外罩15安裝一塊加強板19，但只要分別安裝至少一塊以上之加強板即可。即，亦可於鞍形外罩14安裝一塊或三塊以上之加強板。又，亦可於臂外罩15安裝兩塊以上之加強板。於安裝複數塊加強板之情形時，相對於鞍形外罩14或臂外罩15之各者係如上述般以相對於長度方向大致均等地方式配置。另，關於鞍形外罩14及臂外罩15，於有特別是要加強之範圍之情形時，亦可於此範圍追加加強板、或縮窄配置加強板之間隔。

雖對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提示者，並不意圖限定發明之範圍。該等實施形態能以其它各種形態實施，且於不脫離發明之主旨之範圍內，可進行各種省略、置換、變更。該等實施形態及其變形包含於發明之範圍及主旨，且同樣地包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等範圍內。

5‧‧‧臂部

15‧‧‧臂外罩

19‧‧‧加強板

19-1、19-2‧‧‧滑動部

Claims (6)

1. 一種關節機構，其特徵在於具備：固定部；可動部，其被上述固定部移動自如地支持；外罩，其藉由覆蓋上述可動部之至少一部分之蛇腹構造而可伸縮地形成；及至少一個加強板，其安裝於上述外罩之內側，用於允許上述可動部之移動方向上之上述外罩之變形，防止上述可動部之移動方向以外之方向上之上述外罩之變形。
2. 如申請專利範圍1之關節機構，其中於上述固定部沿著上述外罩之伸縮方向而設置有軌道，上述加強板藉由上述外罩之伸縮而於上述軌道上滑動。
3. 如申請專利範圍1之關節機構，其中上述複數個加強板係於上述外罩之最大拉伸範圍內均等地配置。
4. 如申請專利範圍1之關節機構，其中上述關節機構係直動關節，上述外罩形成為筒狀，上述加強板係具有與上述外罩之內側形狀匹配之外周形狀之環狀體。
5. 如申請專利範圍1之關節機構，其中上述關節機構係旋轉關節，上述外罩構成為橫剖面形成U字形或C字形狀之鞍形形狀，上述加強板係與上述外罩之內側匹配之U字形板或C字形板。
6. 如申請專利範圍5之關節機構，其中上述外罩係以形成以上述旋轉部之旋轉中心軸為中心之扇形狀或圓弧形狀之方式伸縮。