WO2017150318A1

WO2017150318A1 - ロボットアーム機構及び直動伸縮機構

Info

Publication number: WO2017150318A1
Application number: PCT/JP2017/006721
Authority: WO
Inventors: 尹　祐根
Original assignee: ライフロボティクス株式会社
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2017-09-08
Also published as: JP6725640B2; JPWO2017150318A1; CN108698236A; DE112017001033T5; US20180372194A1

Abstract

ロボットアーム機構の直動伸縮機構を構成するローラを交換する作業性を向上することを目的とする。ロボットアーム機構に装備される直動伸縮機構はそれぞれ屈曲可能に連結される第１、第２コマ（５１，５２）を有する。送り出し機構（５６）は、第１、第２コマ（５１，５２）を強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持する複数のローラ（５９，６２）と、ローラ（５９，６２）の後方で第１コマ（５１）のリニアギアに噛合され、第１コマ（５１）を前方に送り出し、後方に引き戻すドライブギア（６４）とを有する。送り出し機構はローラ（５９，６２）を装備するローラユニット（５８）と、ドライブギア（６４）を装備するドライブユニット（６３）とに別体で構成される。ドライブユニット（６３）は起伏部（４）のドラム体（６０）に固定される。ローラユニット（５８）はドライブユニット（６３）に対して着脱可能に構成される。

Description

ロボットアーム機構及び直動伸縮機構

　本発明の実施形態はロボットアーム機構及び直動伸縮機構に関する。

　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。直動伸縮機構のモータが順回転すると柱状体となったアーム部が送り出し機構から送り出され、逆回転するとアーム部は引き戻される。送り出し機構の後方ではコマの接合状態は解除され、硬直状態から屈曲状態に回復する。屈曲状態に回復した２種類のコマは同方向に屈曲され、支柱部内部に揃って収容される。

　直動伸縮機構において２種類のコマとともに重要な構造体としては２種類のコマを強固に挟み込む複数のローラである。これらローラは例えば自己潤滑性樹脂製であり、これらローラにアーム部及びアーム部に設けられたハンド、さらにハンドで把持するワークから荷重がかかり、最も破損が発生しやすく、比較的交換頻度が高いといえる。

　目的は、直動伸縮機構を構成するローラを交換する作業性を向上することにある。

　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る。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る。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。直動伸縮機構は、平板形状の複数の第１コマと、断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマとを有する。第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される。複数の第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される。複数の第１コマの先頭と複数の第２コマの先頭とは結合部に結合される。第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直してアーム部を構成し、第１、第２コマは互いに分離されたとき屈曲状態に復帰する。送り出し機構は、第１、第２コマの接合状態を確保するために第１、第２コマを強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持する複数のローラと、ローラの後方で分離された第１コマのリニアギアに噛合され、第１コマを前方に送り出し、後方に引き戻すドライブギアとを有する。送り出し機構は、ローラを装備するローラユニットと、ドライブギアを装備するドライブユニットとに別体で構成される。ドライブユニットは起伏部の回転部に固定される。ローラユニットはドライブユニットに対して着脱可能に構成される。

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３のアーム送り出し機構の斜視図である。

　以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。本実施形態に係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極座標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極座標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構成を図記号表現により示している。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、柱状のアーム部５を構成する。ローラ５９の後方にはドライブギア５６が設けられる。ドライブギア５６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５６は、ガイドローラ５７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５６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５６が順回転するとき第１、第２コマ列５１，５２はローラ５９から前方に送り出される。ドライブギア５６が逆回転するとき第１、第２コマ列５１，５２はローラ５９の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５６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５０が載置される。一対のサイドフレーム５０にモータハウジングを兼用する回転部としてのドラム体６０が支持される。ドラム体６０の一端は一方のサイドフレーム５０に回転自在に軸支されている。ドラム体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５０に固定されている。出力軸の回転に伴ってドラム体６０が回転軸ＲＡ２を中心として回転する。

　ドラム体６０の周面には、送り出し機構５６が取り付けられる。ドラム体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。図５に示すように送り出し機構５６は複数の上下ローラ５９、複数の左右ローラ６２、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８個であり、そのうち４個が上側に、残りの４個が下側に配設される。上側、下側それぞれの４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４個のローラ５９と、下側の４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６２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６２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６２と、右側の３個のローラ６２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。

　これらローラ５９、６２は例えばアルミニウム製の第１、第２コマ５３，５４を損傷しないよう、アルミニウムより硬度が低く、耐久性の低い例えばポリアセタール(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円柱体、又は外周を自己潤滑性樹脂で被覆されたアルミニウム製の円柱体である。従ってローラ５９、６２の耐用期間は第１、第２コマ５３，５４のそれより短く、比較的交換頻度が高い。

　ローラ５９、６２の後方には、ドライブギア６４がガイドローラ６９とともに配置される。ガイドローラ６９はドライブギア６４に対して第１コマ５３の厚さに等価な距離を隔てられる。第１コマ５３はガイドローラ６９によりドライブギア６４に押圧される。ドライブギア６４は第１コマ５３の内側面に形成されたリニアギアに噛合される。ドライブギア６４の回転軸は図示しないモータのドライブシャフトに接続されており、ドライブギア６４はモータが順回転するとき、第１コマ５３を前方に送り出し、モータが逆回転するとき、後方に引き戻す。

　上述のようにローラ５９、６２は第１、第２コマ５３，５４より比較的交換頻度が高い。このローラ５９、６２に対して、一直線状に並ぶ第１コマ５３を挟み込むドライブギア６４とガイドローラ６９の相対位置には精度が求められ、従って従前においてはローラ５９、６２、ドライブギア６４及びガイドローラ６９を装備する送り出し機構５６は、単一のフレームに一体として構成されていた。送り出し機構５６は起伏部４のドラム体６０の周面に固定されており、起伏部４のドラム体６０はサイドフレーム５７等の内部構造に入り組んだ箇所に配置される。さらにドライブギア６４とガイドローラ６９は第１コマ５３を挟み込んでいる。従って、ローラ５９，６２を交換するには、送り出し機構５６の全体を起伏部４のドラム体６０から取り外し、且つ第１、第２コマ列５１，５２を分解して送り出し機構５６から引き抜く作業工程が必要とされ、非常に作業性が低いものであった。

　本実施形態では、この作業性を向上させるために、送り出し機構５６をローラ５９，６２を装備するローラユニット５８と、ドライブギア６４及びガイドローラ６９を装備するドライブユニット６３とを構造上別体に構成している。ドライブユニット６３は起伏部４のドラム体６０に固定される。このドライブユニット６３に対してローラ５９，６２を装備するローラユニット５８は着脱自在に構成される。ローラ５９，６２の交換等のメンテナンスが必要となったとき、ドライブユニット６３を起伏部４のドラム体６０に固定させた状態のまま、ローラユニット５８をドライブユニット６３から取り外す。ドライブユニット６３のドライブギア６４とガイドローラ６９とが第１コマ５３を挟み込んでいる状態のままでローラユニット５８を取り外すことができるので、第１、第２コマ列５１，５２を分解する必要がない。アーム部５の先端から手首部６を取り外すことにより、アーム部５をローラユニット５８のローラ５９，６２を挿通させて、ローラユニット５８をアーム部５から分離させて、ローラユニット５８だけを単独で取り出して、損傷したローラ５９，６２を容易に交換することができる。

　ローラユニット５８の構造としては、対向する一対の側板６１にローラ５９のシャフトを両側からネジ留めにより保持させている。各側板６１には矩形に切り欠きが形成されており、その切り欠きに左右のローラ６２がはめ込まれそのシャフトがネジ留めにより固定される。ドライブユニット６３も一対の側板６６で、ガイドローラ６９のシャフトを両側からネジ留めにより保持し、ガイドローラ６９の下方に第１コマ５３の厚さに等価な距離を隔ててドライブギア６４を軸支する。側板６６は側板６１と同じ厚さで構成される。ローラユニット５８とドライブユニット６３とはそれらの側板６１の後縁と側板６６の前縁において互い違いに段差６７が噛み合う段継ぎ状に接合され、この接合部分６８においてローラユニット５８の側板６１がドライブユニット６３の側板６６に対して複数個所、ここでは４箇所においてネジ６５により締結される。ローラユニット５８の側板６１の後端の段差６７は側板６１の厚さの１／２に形成され、ドライブユニット６３の側板６６の前端の段差も側板６６の厚さの１／２に形成され、それにより接合部分６８の厚さをローラユニット５８の側板６１及びドライブユニット６３の側板６６の厚さと等価に構成する。

　ローラユニット５８とドライブユニット６３とを段継ぎ状に接合し、この接合部分６８をネジ６５で締結することで、ローラユニット５８をドライブユニット６３に対してガタツキ無く、強固に接合させることができ、また両側で８箇所のネジ６５を外すことによりローラユニット５８をドライブユニット６３から簡単に取り外すことができる。

　ローラユニット５８の側板６１は、後方に向かって幅が徐々に狭くなるテーパー形状に構成される。ローラユニット５８の側板６１の後縁は、ドライブユニット６３の側板６６の前縁に対して、鈍角として例えば１３５度で交わる二辺７１，７３で接合される。一方の接合辺７１は、上側のローラ５９の列と下側のローラ６２の列とに規定されるアーム部５が挿通する領域の中心線１００に対して直交する。他方の接合辺７３は中心線１００に対して鋭角、例えば４５度傾斜する。

　ローラユニット５８がローラユニット５８に対して鈍角の二辺７１，７３において接合されることにより、ローラユニット５８に対してローラユニット５８を装着する特に位置合わせの作業性が向上し、その装着位置の精度、つまりドライブギア６４とガイドローラ６９に対してローラ５９、６２を規定の相対位置に正確に配置させることができる。

　以上のように本実施形態によれば、ロボットアーム機構の直動伸縮機構を構成するローラを交換する作業性が向上する。

　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…アーム部、３…手先効果器、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、５８…ローラユニット、５９、６２…ローラ、６１、６６…側板、６３…ドライブユニット、６４…ドライブギア、６７…段差、６８…接合部分、６９…ガイドローラ。

Claims

　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、
　前記直動伸縮機構は、
　平板形状の複数の第１コマと、前記第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される、
　断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、前記第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、
　前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する結合部と、前記第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直して前記アーム部を構成し、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する、
　前記第１、第２コマの接合状態を確保するために前記第１、第２コマを強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持する複数のローラと、前記ローラの後方で前記分離された第１コマのリニアギアに噛合され、前記第１コマを前方に送り出し、後方に引き戻すドライブギアとを有する送り出し機構とを具備し、
　前記送り出し機構は、前記ローラを装備するローラユニットと、前記ドライブギアを装備するドライブユニットとに別体で構成され、前記ドライブユニットは前記起伏部の回転部に固定され、前記ローラユニットは前記ドライブユニットに対して着脱可能に構成されることを特徴とするロボットアーム機構。
　前記ローラユニットを構成する側板と前記ドライブユニットを構成する側板とは互い違いに段差が噛み合う段継ぎ状に接合され、この接合部分において前記ローラユニットの側板と前記ドライブユニットの側板とがネジで締結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。
　前記接合部分の厚さは前記ローラユニットの側板及び前記ドライブユニットの側板の他の部分の厚さと等価であることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
　前記ローラユニットの側板はテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
　前記ローラユニットは前記ドライブユニットに対して鈍角で交わる二辺で接合されることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
　平板形状の複数の第１コマと、前記第１コマは互いに前後端において屈曲可能に連結される、
　断面コ字形の溝形状を有する複数の第２コマと、前記第２コマは互いに底板前後端において屈曲可能に連結される、
　前記複数の第１コマの先頭と前記複数の第２コマの先頭とを結合する結合部と、前記第１、第２コマが接合されたとき直線状に硬直し、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する、
　前記第１、第２コマの接合状態を確保するために前記第１、第２コマを強固に挟み込み且つ前後移動自在に支持する複数のローラと、前記ローラの後方で前記分離された第１コマのリニアギアに噛合され、前記第１コマを前方に送り出し、後方に引き戻すドライブギアとを有する送り出し機構とを具備し、
　前記送り出し機構は、前記ローラを装備するローラユニットと、前記ドライブギアを装備するドライブユニットとに別体で構成され、前記ローラユニットは前記ドライブユニットに対して着脱可能に構成されることを特徴とする直動伸縮機構。