TW201801873A - 機械臂機構及旋轉關節機構 - Google Patents

Abstract

本發明之目的係於機械臂機構及旋轉關節機構中，抑制纜線之破損，且實現順暢之旋轉運動。於機械臂機構之基座(1)，豎立設置有具備旋轉關節部(J1)之支柱部(2)。支柱部(2)具有支柱下部及支柱上部。於固定於支柱上部之圓筒狀之馬達收容部(211)內收容馬達單元(212)。包含供電線之纜線(230)之一端固定於支柱下部之下部夾具(204)，另一端固定於支柱上部之上部夾具(205)。於支柱上部位於可動範圍之中央之狀態下，上部夾具於平面上位於穿過下部夾具之半徑線上，纜線自下部夾具遍及上部夾具呈螺旋狀捲繞於馬達收容部之外側。

Description

機械臂機構及旋轉關節機構

本發明之實施形態係關於一種機械臂機構及旋轉關節機構。

機械臂機構被用於產業用機器人等各種領域。發明者等人開發了可適用於機械臂機構之直動伸縮機構(專利文獻1)。直動伸縮機構無需肘關節部而可構建不具有臨界點之機械臂機構。由於此機械臂機構之安全性提升，故而可於作業者旁邊與作業者協同作業。

裝備於機械臂機構之旋轉關節具有固定部及旋轉部。於固定部與旋轉部之間，掛設有用於供供電力及信號之纜線。旋轉部之旋轉會使纜線旋轉，且纜線呈銳角彎曲，使得纜線折回。此為纜線破損之原因。纜線之彎曲或折回會阻礙順暢之旋轉運動。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第5435679號公報

本發明之目的係於機械臂機構及旋轉關節機構中抑制纜線之破損且實現順暢之旋轉運動。

本實施形態之機械臂機構係將具備迴旋用之旋轉關節部之支柱部豎立設置於基座。於支柱部上搭載有具備臂部之起伏用之旋轉關節部之起伏部，且於臂部之前端裝備有具有姿勢變更用之複數個旋轉關節部之腕部。支柱部具有支柱下部及支柱上部，該支柱上部係於特定之可動範圍內旋轉自如地支持於支柱下部。產生使支柱上部旋轉之動力之馬達單元係固定於支柱上部所設之圓筒狀之馬達收容部內。馬達單元之輸出軸係固定於基座或支柱下部之底部。藉由輸出軸之旋轉，馬達單元伴隨馬達收容部及上述支柱上部而進行軸旋轉。包含用於馬達單元之供電線之具有可撓性之纜線之一端係固定於支柱下部之下部夾具，纜線之另一端係固定於支柱上部之上部夾具。於支柱上部位於可動範圍之中央之狀態下，上部夾具於平面上係位於穿過下部夾具之半徑線上，纜線係下部夾具遍及上部夾具而呈螺旋狀捲繞於馬達收容部之外側。

J1‧‧‧第一旋轉關節部

1‧‧‧基座

2‧‧‧支柱部

2-1‧‧‧支柱下部

2-2‧‧‧支柱上部

22‧‧‧上部框

31‧‧‧下部罩

201‧‧‧旋轉基座

202‧‧‧旋轉體

203‧‧‧連接器

204‧‧‧下部夾具

205‧‧‧上部夾具

211‧‧‧圓筒體

212‧‧‧馬達單元

213‧‧‧輸出軸

220‧‧‧中繼纜線

230‧‧‧纜線

圖1係表示具備本實施形態之旋轉關節機構之機械臂機構之外觀之立體圖。

圖2係表示圖1之機械臂機構之內部構造之側視圖。

圖3係藉由圖符號表現來表示圖1之機械臂機構之構成之圖。

圖4係表示卸除上部罩之狀態之圖1之支柱部之立體圖。

圖5A係表示當支柱上部位於原點位置時之纜線之狀態之支柱下部之縱剖面圖。

圖5B係表示當支柱上部位於第一極限位置時之纜線之狀態之支柱下部之縱剖面圖。

圖5C係表示當支柱上部位於第二極限位置時之纜線之狀態之支柱下部之縱剖面圖。

圖6A係與圖5A對應之平面圖。

圖6B係與圖5B對應之平面圖。

圖6C係與圖5C對應之平面圖。

圖7A係與圖5A對應之概略立體圖。

圖7B係與圖5B對應之概略立體圖。

圖7C係與圖5C對應之概略立體圖。

以下，一邊參照圖式一邊對本實施形態之旋轉關節機構進行說明。本實施形態之旋轉關節機構可作為單獨之機 構(關節)使用。於以下之說明中，係以複數個關節部中之一個旋轉關節部由本實施形態之旋轉關節機構構成之機械臂機構為例進行說明。作為機械臂機構，此處係說明具備直動伸縮機構之垂直多關節型之機械臂機構，但亦可為其它類型之機械臂機構。於以下之說明中，對具備大致相同功能及構成之構成要素，附加相同符號，且僅於必要之情形時進行重複說明。

圖1係表示具備本實施形態之旋轉關節機構之機械臂機構之外觀之立體圖。圖2係表示圖1之機械臂機構之內部構造之側視圖。機械臂機構具備基座1、支柱部(迴旋部)2、起伏部4、臂部5及腕部6。支柱部2、起伏部4、臂部5及腕部6係自基座1依序配設。複數個關節部J1、J2、J3、J4、J5、J6係自基座1依序配設。於基座1形成圓筒體之支柱部2典型而言係鉛垂地設置。支柱部2收容作為迴旋用旋轉關節部之第一關節部J1。第一關節部J1具備旋轉軸RA1。旋轉軸RA1係與鉛垂方向平行。支柱部2具有支柱下部2-1及支柱上部2-2。支柱下部2-1具備圓筒形狀之下部框31。支柱上部2-2具備圓筒形狀之上部罩32。於上部罩32之內部設置有圓筒形狀之上部框22。支柱下部2-1之一端連接於基座1。支柱下部2-1之另一端連接於第一關節部J1之固定部。支柱上部2-2之一端連接於第一關節部J1之旋轉部。於支柱上部2-2之另一端載置有起伏部4。伴隨第一關節部J1之旋轉，支柱上部2-2相對於支柱下部2-1以旋轉軸RA1為中心進行軸 旋轉，藉此起伏部4與臂部5一併水平迴旋。於形成圓筒體之支柱部2之內部中空收納有後述作為直動伸縮機構之第三關節部J3之第一、第二鏈節排51、52。

於支柱部2之上部設置有起伏部4。起伏部4具有作為起伏用旋轉關節部之第二關節部J2。第二關節部J2之旋轉軸RA2係與旋轉軸RA1垂直。起伏部4具有作為第二關節部J2之固定部(支持部)之一對側框23。一對側框23係連結於支柱上部2-2。一對側框23係由鞍形形狀之外罩33覆蓋。於一對側框23支持有兼作馬達殼體之作為第二關節部J2之旋轉部之圓筒體24。於圓筒體24之周面安裝有送出機構25。送出機構25保持驅動齒輪56、導輥57及輥單元58。伴隨圓筒體24之軸旋轉，送出機構25轉動，支持於送出機構25之臂部5上下起伏。送出機構25係由圓筒形狀之外罩34覆蓋。鞍形外罩33與圓筒外罩34之間之間隙係由剖面U字形狀之U字蛇腹外罩14覆蓋。U字蛇腹外罩14係追隨第二關節部J2之起伏移動而伸縮。

第三關節部J3係藉由直動伸縮機構提供。直動伸縮機構具備發明者等人新開發之構造，自可動範圍之觀點而言明確區別於所謂之先前之直動關節。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之根部之送出機構25朝前方送出時彎曲被限制，以確保直線剛性。臂部5朝後方被拉回時恢復彎曲。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。第一鏈節53構成為大致平板形。第一鏈節53係藉由端部部位之鉸鏈部而彎曲自如地連結。第二鏈節排52包含複數個第二鏈節54。第二鏈節54構成為橫剖面“

”字形之槽狀體或“口”字形之筒狀體。第二鏈節54係藉由底板端部部位之鉸鏈部彎曲自如地連結。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限制。於此位置，第二鏈節排52係直線排列。第一鏈節排51之最前端之第一鏈節53、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、第二鏈節排51、52係於通過送出機構25之輥單元58時藉由輥59而相互按壓並接合。藉由接合而第一、第二鏈節排51、52發揮直線剛性，構成柱狀之臂部5。於輥單元58之後方，驅動齒輪56係與導輥57一併配置。驅動齒輪56連接於未圖示之馬達單元。於第一鏈節53之內側之面、即與第二鏈節54接合之側之面之寬度中央，沿著連結方向形成有線性齒輪。於複數個第一鏈節53呈直線狀整齊排列時鄰接之線性齒輪呈直線狀相連，而構成較長之線性齒輪。驅動齒輪56嚙合於被導輥57按壓之第一鏈節53之線性齒輪。直線狀相連之線性齒輪係與驅動齒輪56一併構成齒輪齒條機構。當驅動齒輪56正向旋轉時，第一、第二鏈節排51、52自輥單元58朝前方被送出。當驅動齒輪56逆向旋轉時，第一、第二鏈節排 51、52朝輥單元58之後方被拉回。被拉回之第一、第二鏈節排51、52係於輥單元58與驅動齒輪56之間相互分離。分離後之第一、第二鏈節排51、52分別恢復成可彎曲之狀態。恢復成可彎曲之狀態之第一、第二鏈節排51、52均朝相同方向(內側)彎曲，鉛垂地被收納於支柱部2之內部。此時，第一鏈節排51係與第二鏈節排52大致平行地以大致對齊之狀態被收納。

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垂直配置之第五旋轉軸RA5為中心之旋轉關節，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垂直配置之第六旋轉軸RA6為中心之旋轉關節，藉由該第六關節部J6之旋轉而末端效應器進行軸旋轉。

末端效應器(末端效應器)係安裝於腕部6之第六關節部J6之旋轉部下部所設之轉接器7。末端效應器係具有讓機器人直接作用於作業對象(工件)之功能之部分，例如有固持部、真空吸附部、螺母緊固件、焊槍、噴槍等根據任務而存在各種工具。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不同於先前之直動關節。

圖3係藉由圖符號表現來表示旋轉關節機構之構成。於旋轉關節機構中，藉由構成根部三軸之第一關節部J1、第二關節部J2及第三關節部J3而實現三個位置自由度。又，藉由構成腕部三軸之第四關節部J4、第五關節部J5及第六關節部J6而實現三個姿勢自由度。如圖3所示，第一關節部J1之旋轉軸RA1係於鉛垂方向設置。第二關節部J2之旋轉軸RA2係於水平方向設置。第二關節部J2係相對於第一關節部J1而於旋轉軸RA1及與旋轉軸RA1正交之軸之兩個方向偏移。第二關節部J2之旋轉軸RA2不與第一關節部J1之旋轉軸RA1交叉。第三關節部J3之移動軸RA3係設為與旋轉軸RA2垂直之朝向。第三關節部J3係相對於第二關節部J2而於旋轉軸RA1及與旋轉軸RA1正交之軸之兩個方向偏移。第三關節部J3之旋轉軸RA3不與第二關節部J2之旋轉軸RA2交叉。將複數個關節部J1-J6之根部三軸中之一個旋轉關節部換裝為直動伸縮關節部J3，使第二關節部J2相對於第一關節部J1朝兩個方向偏移，並使第三關節部I3相對於第二關節部I2朝兩個方向偏移，藉此機械臂機構自構造上消除臨界點姿 勢。

圖4係表示卸除上部罩32後之支柱部2之立體圖。圖5A係支柱下部之縱剖面圖。於基座1上豎立設置圓筒狀之下部框31。於下部框31之上部固定有圓環狀之旋轉基座201。旋轉基座201形成第一關節部J1之固定部。於旋轉基座201，圓環狀之旋轉盤202係經由軸承等而旋轉自如地被支持。於旋轉盤202之上表面，固定有支柱上部2-2之圓筒狀之上部框22。於旋轉盤202之下表面，有底之圓筒狀之馬達機殼211朝向下方地固定。纜線230係於下部框31與馬達機殼211之間之間隙迴繞。

於馬達機殼211之內部，收容有馬達單元212。馬達單元212例如包含電動馬達及齒輪箱。以馬達機殼211之中心軸與驅動軸213一致之方式將馬達單元212對準馬達機殼211，並於此位置藉由螺釘等將馬達單元212固定於馬達機殼211。馬達機殼211之底部中央形成開口，驅動軸213自該開口突出。驅動軸213之前端係藉由螺釘而固定於基座1。藉由該構造，若馬達單元212之驅動軸213旋轉，則馬達單元212亦與馬達機殼211及旋轉盤202一併旋轉。與旋轉盤202之旋轉一併地，固定於旋轉盤202之支柱上部2-2旋轉。

於支柱下部2-1之背面下部裝備有連接器203。於連接器203經由中継纜線220連接有將用於複數個關節部J1-J6各者之馬達單元之供電線及信號線捆束而成之纜線230。

纜線230之上端係藉由上部夾具205而固定於旋轉盤202之上表面。另，將於上部夾具205固定之纜線230之上端之位置稱為上部安裝位置。纜線230之下端係藉由下部夾具204而固定於基板1之上表面。將於下部夾具204固定之纜線230之下端之位置稱為下部安裝位置。纜線230係一邊朝一個方向呈螺旋狀捲於馬達機殼211之外周，一邊自下部夾具204捲繞至其上方之上部夾具205為止。關於本實施形態之纜線230之捲繞，即便纜線230於中途逆向折回，亦不會發生以上部夾具205或下部夾具204為中心朝相反側折返之事態。藉此，纜線230之扭轉被抑制在最小限度，且纜線230亦不會中途或呈銳角地彎曲。因此，抑制纜線230之損傷，且實現順暢之旋轉運動。以下，詳細說明本實施形態之纜線230之捲繞。

圖5A、圖6A、圖7A表示當支柱上部2-2位於可動範圍之中央時之纜線之狀態。支柱上部2-2之相對於支柱下部2-1之可動範圍係藉由止動機構或軟體等限制為“±180度(360度)”。當支柱上部2-2位於其可動範圍之中央、即零度時，以臂部5面向正面之方式組裝機械臂機構。另，將可動範圍之中央位置稱為原點位置。將可動範圍之一方之極限位置稱為第一極限位置，將可動範圍之相反側之極限位置稱為第二極限位置。

如圖5A、圖6A、圖7A所示，於原點位置，上部夾具205係再次接近下部夾具204之旋轉盤201上之位置。若俯視觀察此狀況，則上部夾具205係位於自旋轉中心C 穿過下部夾具204之半徑線上。纜線230需要具有如下長度，即：一邊於馬達機殼211之外周以於360度與可動範圍之1/2之角度、此處為180度之合計角度(540度、1.5周)加上若干餘量、例如30度後之角度環繞，一邊繪出自下部夾具204上升至上部夾具205為止之螺旋軌道。另，纜線230較繪出360度與可動範圍之合計角度、此處為720度大小之螺旋軌道所需之長度短。纜線230自下部夾具204例如正向(圖6A中為右轉)捲繞至上部夾具205為止。另，纜線230亦可逆向(圖6A中為左轉)捲繞。

於圖5B、圖6B、圖7B中，表示當支柱上部2-2旋轉至第一極限位置為止時之纜線230之狀態。纜線230係自下部夾具204遍及上部夾具205而於馬達機殼211之外側以1.5周大小之範圍呈螺旋狀地以相對緊固之狀態捲繞。於支柱上部2-2自原點位置正向旋轉至第一極限位置為止之過程中，纜線230係一邊使其螺旋半徑逐漸慢慢變窄一邊逐漸慢慢捲繞於馬達機殼211。於此期間，纜線230之捲繞方向係維持為正向。因此，纜線230不會於其中途朝相反側折回，且亦不會因上部夾具205或下部夾具204而朝相反側折回，纜線230基本上不會扭轉，且亦不會銳角地彎曲。

於圖5C、圖6C、圖7C中，表示當支柱上部2-2自原點位置逆向旋轉至第二極限位置為止時之纜線230之狀態。纜線230具有超過1.5周之長度，故而以緩緩彎曲之 狀態自下部夾具204遍及上部夾具205而於馬達機殼211之外側以0.5周之範圍捲繞。由於下部夾具204與上部夾具205之間有高度差，下部框31與馬達機殼211之間隙充分廣，故而纜線230不會於其中途部分銳角折曲，纜線230亦不會於其中途朝相反側折返，且亦不會因上部夾具205或下部夾具204而朝相反側折回，以緩緩彎曲之狀態被限制於下部框31與馬達機殼211之間隙。

根據本實施形態之旋轉關節機構之纜線230之捲繞，無論第一關節部J1順向或逆向旋轉，纜線230之捲繞方向均保持固定，纜線230不會於其中途朝相反側折返，亦不會因上部夾具205或下部夾具204而朝相反側折回。因此，抑制纜線之破損，亦不會阻礙順暢之旋轉運動。

另，本實施形態之纜線之捲繞，於捲繞與安裝於轉接器7之末端效應器連接之可撓性之管之情形時亦能直接應用。典型之管為於安裝於轉接器7之末端效應器之吸附部連結外部之真空裝置之空氣管。

又，纜線230之長度需要具有如下長度，即：於馬達機殼211之周圍以於360度與可動範圍之1/2之角度加上若干餘量後之角度以上且未達720度之範圍環繞。於纜線230之柔軟性非常高之情形時，允許纜線230之長度具有以超過720度之範圍環繞所需之長度。

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。

1‧‧‧基座

31‧‧‧下部罩

201‧‧‧旋轉基座

202‧‧‧旋轉體

203‧‧‧連接器

204‧‧‧下部夾具

205‧‧‧上部夾具

211‧‧‧圓筒體

212‧‧‧馬達單元

213‧‧‧輸出軸

220‧‧‧中繼纜線

230‧‧‧纜線

Claims (4)

1. 一種機械臂機構，其係將具備迴旋用之旋轉關節部之支柱部豎立設置於基座，於上述支柱部上搭載具備臂部之起伏用之旋轉關節部之起伏部，且於上述臂部之前端裝備具有姿勢變更用之複數個旋轉關節部之腕部者，上述支柱部具有支柱下部、及於特定之可動範圍內旋轉自如地被上述支柱下部支持之支柱上部，產生使上述支柱上部旋轉之動力之馬達單元係固定於上述支柱上部所設之圓筒狀之馬達收容部內，上述馬達單元之輸出軸係固定於上述基座或上述支柱下部之底部，藉由上述輸出軸之旋轉，上述馬達單元伴隨上述馬達收容部及上述支柱上部而進行軸旋轉，包含用於上述馬達單元之供電線之具有可撓性之纜線之一端係固定於上述支柱下部之下部夾具，上述纜線之另一端係固定於上述支柱上部之上部夾具，於上述支柱上部位於上述可動範圍之中央之狀態下，上述上部夾具於平面上位於穿過上述下部夾具之半徑線上，上述纜線係自上述下部夾具遍及上述上部夾具而呈螺旋狀捲繞於上述馬達收容部之外側。
2. 如申請專利範圍1之機械臂機構，其中上述纜線具有如下長度，即：自上述第一夾具遍及上述第二夾具，以超過於360度加上上述可動範圍之1/2之角度後之角度的範 圍於上述馬達收容部之外側環繞。
3. 如申請專利範圍2之機械臂機構，其中上述纜線具有如下長度，即：自上述第一夾具遍及上述第二夾具，以未達720度之範圍於上述馬達收容部之外側環繞。
4. 一種旋轉關節機構，其係具有固定部、及以特定之可動範圍內旋轉自如地被上述固定部支持之旋轉部者，於上述固定部上之第一夾具固定包含供電線之具有可撓性之纜線之一端，且上述纜線之另一端固定於上述旋轉部上之第二夾具，於上述旋轉部位於上述可動範圍之中央之狀態下，上述第二夾具於平面上位於穿過上述第一夾具之半徑線上，上述纜線自上述第一夾具遍及上述第二夾具，以超過於360度加上上述可動範圍之1/2之角度後之角度且未達720度之範圍呈螺旋狀捲繞。