WO2023166739A1

WO2023166739A1 - 手首装置及び関節装置

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Publication number: WO2023166739A1
Application number: PCT/JP2022/009556
Authority: WO
Inventors: 直幹藤岡
Original assignee: ファナック株式会社
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2023-09-07
Also published as: TW202335815A

Abstract

目的は、エア等流体のチューブの引き回しに関して閉塞による流体の流通機能の低下を防止し、外観を変化させることなく、また周辺部材などに接触するリスクを抑え、しかも接続や組み立て、さらにはメンテナンスの作業性を向上させることにある。本開示の一態様に係る手首装置２０は、ロボットアームの先端に装備される装置である。手首装置２０は、外部機器を取り付けるための取付板２１を有するフランジ２７と、フランジ２７を回転可能に支持するベース１６とを具備する。取付板２１には、手首装置２０の外側に配置される管継手５１と手首装置２０の内側に配置される管継手５２とを接続するための孔２４が穿設される。

Description

手首装置及び関節装置

本発明は、手首装置及び関節装置に関する。

　ロボットアームの先端には、用途に応じた様々な種類のエンドエフェクタが装着される。例えば、エンドエフェクタには、電力の供給を制御することによって動作するものや、圧縮空気の供給を制御することによって動作するものがある。このように、多くのエンドエフェクタには、電気ケーブルやエアチューブなどの線条部材が接続される。この線条部材の引き回しは、安全性の確保や美観など様々な観点で１つの重要な技術開発要素となっている。例えば、特許文献１には、周辺機器との干渉を低減することが可能な線条体（電気ケーブル）の引き回しに関する技術が開示されている。

特開２０１２－９６３３２号公報

　電気ケーブルは比較的曲げやすいため、引き回しの自由度が高く、ロボットアーム機構の内部にも容易に引き回すことができる。一方、エアチューブなどの線状部材は、曲げにくく、又は過度に曲げると閉塞が生じてエアの流通機能が低下してしまうため、引き回しの自由度が低く、ロボットアーム機構の基端部からロボットアーム機構の外周面に沿って緩やかに曲げられながらロボットアーム機構の先端に装備されたエンドエフェクタまで引き回されることが多いのが現状である。ロボットアーム機構の外周面に沿って線条部材を引き回すことは、外観を大きく変化させ、また線条部材が周辺部材などの接触するリスクを増加させる。そのため、エアチューブの引き回しに関して、閉塞によるエアなどの流体の流通機能の低下を防止し、外観を変化させることなく、また周辺部材などに接触するリスクを抑えられ、しかも接続や組み立て、さらにはメンテナンスの作業性を向上させる技術の開発が望まれている。

　本開示の一態様に係る手首装置は、ロボットアームの先端に装備される装置である。手首装置は、外部機器を取り付けるための取付板を有するフランジと、フランジを回転可能に支持するベースとを具備する。取付板には、手首装置の外側に配置される第１管継手と手首装置の内側に配置される第２管継手とを着脱自在に接続するための孔が穿設される。

　本態様によれば、閉塞によるエア等の流体の流通機能の低下を防止し、外観を変化させることなく、また周辺部材などに接触するリスクを抑え、しかも接続や組み立て、さらにはメンテナンスの作業性を向上させることができる。

図１は、本実施形態に係る手首装置を装備するロボットアーム機構の一例を示す斜視図である。図２は、図１の手首装置の拡大図である。図３は、図２の手首装置の正面図である。図４は、図３のＡ―Ａ´端面図である。図５は、接続孔に管継手を螺嵌した状態を示す端面図である。図６は、接続孔にプラグ部材を螺合した状態を示す端面図である。図７は、本実施形態の変形例に係る関節装置を示す端面図である。

　以下、図面を参照しながら本実施形態に係る手首装置を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

　図１に示すように、本実施形態に係る手首部２０（以下、手首装置と称する）は、ロボットアーム機構１０の先端に装備される装置である。手首装置２０は、エンドエフェクタなどの外部機器を接続するとともに１又は複数軸周りに回転させる機能と、手首装置２０の内部に配線されるエアチューブ８１に繋がる管継手５２（図５参照）と、手首装置２０の外部に配線されるエアチューブ８２（図５参照）に繋がる管継手５１（図５参照）とを接続する機能とを実現できるように構成される。

　ベース部１１は床面等の接地面に設置される。複数のリンク１２－１５が複数の関節部Ｊ１－Ｊ６に連結される。手首装置２０としては、例えば関節部Ｊ６を含む。手首装置２０は、関節部Ｊ４－Ｊ６を含むように構成してもよい。ここでは前者として説明する。手首装置２０には、エンドエフェクタなどの外部機器（図示しない）が接続される。

　図１に示すように、ベース部１１には、外部のエアコンプレッサから延びるエアチューブ８０と外部の制御装置から延びる電気ケーブル７０とを接続するコネクタ７９が設けられる。ロボットアーム機構１０のベース部１１から手首装置２０にかけて、エアチューブ８１と電気ケーブル７１とはクランプ部材９０などにより結束され、アーム内部を引き回される。ロボットアーム機構１０は、複数の関節部Ｊ１－Ｊ６をそれぞれ駆動する複数の駆動機構（図示しない）を備える。駆動機構は、サーボモータとサーボモータの回転を減速する減速機とを有する。

　以下、図２，図３，及び図４を参照して手首装置２０を説明する。手首装置２０は、回転部としてのフランジ２７と、フランジ２７を回転可能に支持する固定部としてのベース１６とを備える。フランジ２７は、短円筒体２８を有する。短円筒体２８の前端には、エンドエフェクタ等の外部機器を取り付けるための取付板２１が結合される。短円筒体２８の後端には、回転板２９が結合される。回転板２９は、ベース１６のフレーム３１に軸支される中空の円筒形状をなす回転軸３０に接続される。円筒形状の回転軸３０にはエアチューブや電気ケーブルが挿通される。

　取付板２１は円盤形状を有し、その中心が第６回転中心線ＲＡ６上に位置し、且つ第６回転中心線ＲＡ６に直交する向きに配置される。フランジ２７の短円筒体２８の外側面には手首装置２０の内部に配線された電気ケーブル７１と手首装置２０の外部に配線された電気ケーブル（図示せず）とを接続するためのコネクタ４０が外向配設される。回転軸３０は、ギア、ベルト等により構成される伝達機構を介して駆動機構（図示せず）に接続される。駆動機構が駆動することで、取付板２１は、回転軸３０の駆動回転に伴ってフランジ２７とともに第６回転中心線ＲＡ６周りに回転される。

　取付板２１には、外部機器の接合部（一部分）が嵌め込まれるインロー部２３が設けられる。典型的には、インロー部２３は、取付板２１の表面の中央部分に設けられた窪みとして提供される。インロー部２３の内側における取付板２１には複数のボルト孔２６が周設される。ボルト孔２６にボルトを螺合することにより外部機器を取付板２１に装着することができる。

　図５に示すように、取付板２１には、手首装置２０の外側に配置される管継手（第１管継手）５１と手首装置２０の内側に配置される管継手（第２管継手）５２とを接続するための孔（接続孔）２４があけられている。接続孔２４は、取付板２１それ自体に穿設された孔部分から構成される。接続孔２４の中心は、回転中心線ＲＡ６上に位置し、その中心線は回転中心線ＲＡ６と平行である。接続孔２４は、エアチューブ８２，８１にそれぞれ繋がる管継手５１，５２を内外両側からそれぞれ着脱自在に接続できるように構成される。例えば、接続孔２４は雌ネジに構成され、２つの管継手５１，５２は接続孔２４に内外両側からそれぞれ螺嵌され得る。なお、内側の管継手５２にはシールワッシャ又はシールリングが嵌め込まれ、もしくはシール材が装着され、手首装置２０内、アーム内、ロボット機内を外気に対して隔絶するためのシール対策が施されている。

　以下、図５，図６を参照して、本実施形態に係る手首装置２０による効果を説明する。　
　本実施形態に係る手首装置２０は、フランジ２７の取付板２１に手首装置の外側に配置される管継手５１を手首装置の内側に配置される管継手５２に接続するための接続孔２４が設けられる。ロボットアーム機構１０の内部を通って手首装置２０の内部に回転中心線ＲＡ６に沿って配線されたエアチューブ８１をそのまま向きを変えずに直線的に配設することができる。それによりエアチューブ８１が折曲等により閉塞する事態を回避することができる。さらに手首装置２０の側面に接続孔を設けた従来の構造であれば、ほぼ直角に湾曲させたエアチューブ８１を納置するための空間が必要とされ、さらにフランジ２７の回転に伴うエアチューブ８１の移動を干渉しないようにより大きな空間を確保する必要があったが、エアチューブ８１を直線的に配線することができるので、当該空間を狭小化することができる。これは手首装置の小型化に寄与する。

　フランジ２７の取付板２１の接続孔２４は、単にエアチューブ８１を通過させるための孔ではなく、内外の管継手５１、５２を接続する機能を備えている。エンドエフェクタを取付板２１に取り付けに際しては、エンドエフェクタからのエアチューブを内側のエアチューブ８１に連通させる必要があるが、その作業をエンドエフェクタからのエアチューブに繋がる管継手５１を接続孔２４に螺嵌するという簡易な作業だけで完了させることができる。

　すなわち、接続孔２４は雌ネジに構成されているので、エアチューブ８１を使用する場合には、図５に示すように、接続孔２４に外側の管継手５１を螺嵌させ、内側の管継手５２を螺嵌させるだけで、内外のエアチューブ８１，８２を連通する準備を整えることができる。準備が整えば、手首装置２０の内部に配線されたエアチューブ８１を管継手５２に接続し、手首装置２０の外部に配線されたエアチューブ８２を管継手５１に接続する。内外のエアチューブ８１，８２を連通させることができる。

　接続孔２４は雌ネジに構成されているので、接続孔２４に管継手５１、５２を着脱可能である。エアチューブを使用しない場合には、接続孔２４から管継手５１、５２を取り外し、図６に示すように、接続孔２４に内側から接続孔２４を塞ぐプラグ部材６０を螺嵌することができる。プラグ部材６０には内側の管継手５２と同様にシールワッシャ又はシールリングが嵌め込まれ、もしくはシール材が装着され、シール対策が施されている。それにより、エアチューブを使用しない用途であっても、接続孔２４を介して手首装置２０の内部に粉塵が侵入することを防止することができる。しかも、接続孔２４の内側からプラグ部材６０を締結することができるため、プラグ部材６０がインロー部２３に突出することがなく、インロー部２３に嵌め込まれる外部機器の接合部に干渉しない。このように、本実施形態に係る手首装置２０は、接続孔２４に螺嵌する部品を変えるだけで、エアチューブを使用する用途とエアチューブを使用しない用途とに兼用して使用することができる。

　また、外部機器が装着される手首装置２０の先端側に接続孔２４を設けることで、エアチューブ８１を手首装置２０の側面から引き出す構成や手首装置２０の側面にエアチューブの接続孔２４を設けた構成に比べて、エアチューブがロボットアーム機構１０の周辺部材に接触する可能性を低減することができる。

　本実施形態に係る手首装置２０が有する接続孔２４は、手首装置２０の内外に配線されたエアチューブ同士を接続するとともに、それ自体が圧縮空気などの流体を通す配管として機能するものである。したがって、手首装置２０の内部に配線されたエアチューブを手首装置２０の外部に通すためだけの通過孔とは、その機能上及び構造上本質的に区別されるべきものである。

　本実施形態では、ロボットアーム機構１０の先端に接続される手首装置２０を例に説明した。しかしながら、本実施形態に係る手首装置２０が備えるエアチューブの管継手どうしを接続する構造は、関節部（関節装置）Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３にも適用することができる。関節部（関節装置）Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は、複数のリンクとともにロボットアームを構成する。

　図７には当該接続構造を第３関節部Ｊ３に適用した例を示している。第３関節部Ｊ３は、関節部Ｊ２側のリンク８３に接続される固定部８６と、関節部Ｊ４側のリンク８４に接続される回転部８７とからなる。リンク８４を接続するための回転部８７の取付板２１には接続孔２４が穿設される。接続孔２４は取付板２１の回転中心線ＲＡ３と平行であって、回転中心線ＲＡ３を中心として配置される。

　接続孔２４には、リンク８３及び中空の円筒形状をなす回転軸３０に挿通されるエアチューブ８１に繋がる管継手５２が内側から螺嵌され、またリンク８４に内挿されるエアチューブ８２に繋がる管継手５１が外側から螺嵌される。それにより内外の管継手５１、５２が接続され、内外のエアチューブ８１，８２が連通される。

　本実施形態に係るエアチューブの管継手どうしを接続する構造は、関節装置にも適用することができ、上述したと同様の効果を奏する。

　本実施形態において、２つの管継手５１，５２を内外両側から螺嵌により締結できるように接続孔２４はタップに構成されたが、手首装置２０の内部のエアチューブ８１と、手首装置２０の外部のエアチューブとを接続できるのであれば、その接続方法は本実施形態に限定されることはない。少なくとも、接続孔２４として、取付板２１に取付板２１を貫通する孔が設けられていればよい。例えば、接続方法として、嵌合構造を利用したワンタッチコネクタを利用することができる。ワンタッチコネクタは、一の装着操作で部材同士を接続状態とし、一の分離操作で部材同士を分離状態とすることができる接続コネクタである。この場合、例えば、接続孔２４の両側にメス型のコネクタを設け、エアチューブにオス型のコネクタを設ければよい。エアチューブを利用しないときには、オス型のプラグ部材を接続孔２４の内側のメス型のコネクタに挿しこめばよい。

　本実施形態において、接続孔２４は、第６回転中心線ＲＡ６を中心（取付板２１の中央）に第６回転中心線ＲＡ６と平行に配置される。それにより、第６回転中心線ＲＡ６周りに手首装置２０及び手首装置２０に装着された外部機器が回転することによって、エアチューブ８１が動いてしまう事態を回避することができる。しかしながら、接続孔２４は、それ自体が配管としても機能するため、その位置、形状を自由に設計することができる。例えば、取付板２１を貫通する接続孔の手首装置２０の内側に位置する端部を第６回転中心線ＲＡ６上に配置し、取付板２１を貫通する接続孔の手首装置２０の外側に位置する端部を、第６回転中心線ＲＡ６に対して上下左右にオフセットした位置に配置してもよい。このように、取付板２１を貫通する接続孔の形状、位置を変えるだけで、手首装置２０の内外に配線されるエアチューブを接続する位置の自由度を向上させることができる。これは、接続孔２４が配管としても機能するために実現できる効果であり、手首装置２０の内部に配線されたエアチューブを手首装置２０に設けられた孔を通して手首装置２０の外部に引き出す構成では、エアチューブ自体を曲げなければならないため、本実施形態と同様のスペースでエアチューブの位置、向きを変えることは困難である。

　本実施形態において、インロー部２３は取付板２１の表面の中央部分に窪みとして設けられたが、外部機器の位置合わせができるのであれば、インロー部２３の構成はこれに限定されることはない。インロー部２３は、手首装置２０に装着する外部機器の位置合わせ部分の形状に応じて適宜設計することができる。もちろん、取付板２１はインロー部２３を有さなくてもよい。

　本実施形態において、外部機器を取付板２１に着脱自在に固定する方法としてボルトを採用し、取付板２１にはボルトを挿入するためのボルト孔２６を設けた。しかしながら、外部機器を取付板２１に対して固定できるのであれば、その固定方法は本実施形態に限定されることはなく、取付板２１は、固定方法に応じた構造を有するように構成されればよい。もちろん、手首装置２０の回転部に対して外部機器を固定できればよいため、外部機器を固定する構造は、手首装置２０の回転部を構成する他の構造物、例えば、フランジ２７が有してもよい。

　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。

　１６…ベース、２０…手首装置、２１…取付板、２３…インロー部、２４…接続孔、２６…ボルト孔、２７…フランジ、４０…コネクタ、Ｊ１、Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…関節部。

Claims

　ロボットアームの先端に装備される手首装置において、
　外部機器を取り付けるための取付板を有するフランジと、
　前記フランジを回転可能に支持するベースとを具備し、
　前記取付板には、前記フランジの外側に配置される第１管継手と前記フランジの内側に配置される第２管継手とを着脱自在に接続するための孔が穿設される、手首装置。
　前記孔は、前記第１、第２管継手を着脱するために、雌ネジに構成されている、請求項１記載の手首装置。
　前記孔を塞ぐために、前記孔に内側から螺嵌されるプラグ部材をさらに備える請求項２記載の手首装置。
　前記孔は、前記フランジの回転中心線と平行であって、前記回転中心線を中心として配置される請求項１乃至３のいずれか一項記載の手首装置。
　前記取付板には、前記外部機器の一部分が外側から嵌め込まれるインロー部が設けられる請求項１乃至４のいずれか一項記載の手首装置。
　前記フランジは中空の回転軸に接続され、前記回転軸には前記第２管継手に接続されるエアチューブが挿通される請求項１乃至５のいずれか一項記載の手首装置。
　請求項１乃至６のいずれか一項記載の手首装置を先端に装備するロボットアーム機構。
　ロボットアームをリンクとともに構成する関節装置において、
　回転部と、
　前記回転部を回転可能に支持する固定部とを具備し、
　前記回転部は、前記リンクを接続するための接続板を有し、
　前記接続板には、内外の管継手を着脱自在に接続するための孔が穿設される、関節装置。