JP7538245B2 - 多関節型ロボット - Google Patents

Description

本開示は、多関節型ロボットに関するものである。

従来、床面に設置されたベースの後方に中空の支柱を配置し、鉛直な軸線回りにベースに対して回転可能に支持されたアームに、支柱の内部を経由してケーブルを配線したスカラロボットが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
これらのスカラロボットにおいては、アームの旋回角度を制限するためのストッパが、アームの下面に締結されたボルト頭部と、ベースの側面に固定されたゴム製の弾性部とによって構成されている。

特開２０１８－１４０４５６号公報 特開２０１５－８５３９３号公報

可搬重量の大きいスカラロボットの場合には、ボルト頭部を利用したストッパでは、運動エネルギを十分に吸収することができない。また、大きな運動エネルギを吸収可能な大型のストッパを設置するスペースには限りがあり、アームの旋回角度範囲をより狭く制限してしまう場合がある。
したがって、アームの旋回角度範囲をより広く確保しながら、大きな運動エネルギを吸収可能なストッパを備える多関節型ロボットが望まれている。

本開示の一態様は、ベースと、該ベースに対して所定の軸線回りに±１８０°よりも小さい回転角度範囲にわたって回転可能に支持されたアームと、該アームの前記回転角度範囲外において、前記ベースから前記軸線に平行に立ち上がる中空の支柱とを備え、該支柱の内部を経由して前記ベースから前記アームに線条体が配線され、前記支柱の側面に埋め込まれ、前記回転角度範囲を超えて回転した前記アームの側面を突き当てるストッパを備え、該ストッパに前記アームが接触したときに前記ストッパを変形させ、または該ストッパに前記アームが接触したことに応じて該アームを駆動するモータにブレーキをかけることにより、前記アームの運動エネルギを低減する多関節型ロボットである。

本開示の一実施形態に係るロボットを示す側面図である。 図１のロボットの第１アームの回転角度範囲と線条体配線用の支柱との位置関係を示す平面図である。 図１のロボットの支柱内への線条体の取付を説明する部分的な縦断面図である。 図３の線条体を支柱内に固定した状態を示す部分的な縦断面図である。 図１のロボットの支柱と、支柱に組み込まれるストッパとを説明する部分的な斜視図である。 図１のロボットの支柱の凹部と、凹部に組み込まれるストッパおよびガスケットを示す縦断面図である。 図１のロボットのストッパとの関係を説明するストッパの側面図および第１アームの部分的な横断面図である。 図１のロボットのストッパの変形例を示す斜視図である。 図８のストッパと第１アームとの関係を説明するストッパの側面図および第１アームの部分的な横断面図である。

本開示の一実施形態に係るロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、例えば、スカラロボットである。なお、本開示の構成はスカラロボットに限定されるものではなく、他の任意の軸構成の多関節型ロボットに適用することができる。

本実施形態に係るロボット１は、床面に設置されるベース２と、鉛直な第１軸線Ａ回りにベース２に対して回転可能に支持された第１アーム（アーム）３と、第１軸線Ａに平行な第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持された第２アーム４とを備えている。第２アーム４の先端には、鉛直な第３軸線Ｃに沿う方向に上下動および第３軸線Ｃ回りに回転駆動させられる、例えば、ボールネジスプラインシャフト５が設けられている。

第１アーム３は、ベース２の上面に取り付けられている。第１アーム３は、図２に実線で示されるように、ベース２に対して前方に延びる原点位置から、第１軸線Ａ回りに±１８０°よりも小さい、例えば、±１４０°の回転角度範囲にわたって回転可能に支持されている。
ベース２には、第１アーム３の後方に離れた位置であって、図２に鎖線で示す第１アーム３の回転角度範囲外の位置に、第１軸線Ａに沿って鉛直方向にベース２の上面から立ち上がる支柱６が設けられている。

支柱６は、ベース２に一体的に設けられ、支柱６の上部には、支柱６と第１アーム３との間に掛け渡される接続部７が設けられている。
ベース２、支柱６、接続部７および第１アーム３は中空構造を有している。また、第１アーム３の上面には、第１軸線Ａ近傍に、接続部７の内部空間と第１アーム３の内部空間とを連絡する中空孔８が設けられている。

接続部７は、支柱６の上部と第１アーム３の上面とを連結する連結部材９と、連結部材９の上部にボルトによって着脱可能に取り付けられるカバー部材１０とを備えている。カバー部材１０を連結部材９から取り外すことにより、支柱６の内部空間および第１アーム３の中空孔８を上方に露出させ、後述する線条体２０の設置作業を容易にすることができる。

線条体２０は、ベース２の背面に設けられた配線板からベース２の内部、支柱６の内部および接続部７の内部を経由して中空孔８から第１アーム３内に導かれる。線条体２０は、第２アーム４およびボールネジスプラインシャフト５を駆動するためのケーブルおよびボールネジスプラインシャフト５に取り付けられるツールを駆動するためのケーブルあるいはエアチューブ等を含んでいる。

ロボット１に線条体２０を設置するには、まず、連結部材９からカバー部材１０が取り外された状態として、支柱６の内部空間および第１アーム３の中空孔８を露出させる。この状態で、支柱６の内部空間を経由してベース２側から線条体２０を引き出し、図３に示されるように、Ｌ字状の取付金具１１に、ナイロンバンド等の結束具１２により線条体２０を結束する。そして、結束された状態の線条体２０を、取付金具１１とともに支柱６の内部空間内に戻し、図４に示されるように、取付金具１１を連結部材９に固定する。

これにより、線条体２０をロボット１に容易に固定することができる。なお、線条体２０の先端側部分については、露出している第１アーム３の中空孔８から第１アーム３内に挿入し、より先端側に配置されている第２アーム４用のモータ１３等に接続することにより、容易に設置することができる。
ベース２に対して第１アーム３を駆動するモータ１４および減速機１５は、ベース２内に配置され、第１軸線Ａ上において、第１アーム３の下方から第１アーム３およびベース２に固定されている。

本実施形態に係るロボット１は、図５に示されるように、支柱６の側面に、ストッパ１６を備えている。支柱６は、円筒状に形成され、第１軸線Ａ回りの周方向の両側に、外周面の一部を切り欠いた形態の凹部６ａをそれぞれ備えている。各凹部６ａの底面は、それぞれ第１軸線Ａに略平行な平面により構成されている。各凹部６ａの底面には、支柱６の内部空間に連絡する開口部１７と、開口部１７の周囲に形成された複数のネジ孔１８とが設けられている。

各ストッパ１６は、各凹部６ａと相補的な形状を有し、各凹部６ａに嵌め込まれた状態で各凹部６ａを埋めて、支柱６の外周面である円筒面の一部となる円弧面からなる外面を有し、支柱６よりも肉厚の薄い金属材料により構成されている。各ストッパ１６は、支柱６の各凹部６ａに嵌め込まれることにより、各凹部６ａの開口部１７を閉塞し、ネジ孔１８に締結される複数のボルト１９によって、支柱６に着脱可能に取り付けられる。

各ストッパ１６と各凹部６ａの底面との間には、図５および図６に示されるように、ガスケット（シール部材）２１が挟まれている。ガスケット２１を挟んだ状態で、各ストッパ１６を各凹部６ａに固定することにより、各凹部６ａの開口部１７が密封され、外部からの液体あるいは塵埃の支柱６内への侵入を防止することができる。

各ストッパ１６は、第１軸線Ａに沿う方向の中央位置が、第１アーム３の側面の第１軸線Ａに沿う方向の中央に一致する位置において支柱６の各凹部６ａに埋め込まれている。
第１アーム３の両側面は、図７の横断面に示されるように、第１アーム３の長さ方向の全長にわたって、第１軸線Ａに沿う方向の中央に、最も外側に突出する稜線２２を備えた凸形状を有している。凸形状は、例えば、１７４°～１７６°の角度で交差する２つの平面により構成されている。
第１アーム３の両側面の凸形状は、第１アーム３を鋳物で構成する場合の抜き勾配により構成されている。

このように構成された本実施形態に係るロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１によれば、図２に示されるように、通常の動作状態においては、第１アーム３は±１４０°の回転角度範囲内において動作し、第１アーム３の側面が支柱６のストッパ１６に触れることはない。

しかしながら、何らかの原因によってキャリブレーションが失われた場合等には、第１アーム３は通常の回転角度範囲を超えて動作することがあり、その結果、第１アーム３のいずれかの側面が、支柱６に埋め込まれたストッパ１６に接触することが考えられる。
この場合には、第１アーム３の凸形状の側面は、最も突出した稜線２２位置においてストッパ１６に接触してこれを変形させる。そして、第１アーム３が停止するまでの間、第１アーム３の側面がストッパ１６の外面に徐々にめり込んでいく。

すなわち、第１アーム３の運動エネルギは、ストッパ１６を変形させることによって吸収される。この場合において、本実施形態に係るロボット１によれば、第１アーム３が停止するまでには、第１アーム３の側面とストッパ１６の外面とが広い範囲において接触する。したがって、ロボット１の可搬重量が大きく、あるいは動作速度が高い場合であっても、第１アーム３の運動エネルギを十分に吸収して、より確実に停止させることができるという利点がある。

また、本実施形態に係るロボット１によれば、線条体２０を配線するための支柱６にストッパ１６を組み込んでいるので、支柱６の外側にストッパ１６の設置のための空間を設ける必要がなく、第１アーム３の回転角度範囲が制限されることを最小限に抑えることができる。
また、ストッパ１６を支柱６の凹部６ａに、ボルト１９によって着脱可能に取り付けているので、変形したストッパ１６を容易に交換することができる。

また、支柱６の凹部６ａからストッパ１６を取り外すことにより、凹部６ａの底面に設けた開口部１７を開放することができる。これにより、ベース２から支柱６の内部空間を経由して支柱６の上方に線条体２０を取り出す作業および線条体２０の配線作業を、開放された開口部１７を利用して容易に行うことができるという利点がある。

また、本実施形態に係るロボット１によれば、ストッパ１６を支柱６の凹部６ａに埋め込むことにより、支柱６の外周面とストッパ１６の外面が滑らかに接続する単一の円筒面を構成するので、ストッパ１６の上部に、液体や塵埃が溜まる段部が形成されないという利点がある。これにより、段部に溜まった液体や塵埃が取り扱うワークに付着するなどの問題の発生を低減することができる。特に、ワークが食品である場合に有効である。

また、本実施形態においては、第１アーム３の後方において立ち上がる支柱６を経由して、第１アーム３の上面側から第１アーム３内に線条体２０を配線しているので、第１アーム３下方の減速機１５等を中空構造とする必要がない。これにより、ベース２の大型化およびコストアップを防止することができる。

なお、本実施形態においては、第１アーム３を鋳物により構成する場合の抜き勾配による側面の凸形状を利用して、ストッパ１６の外周面を平坦な形状とした。これに代えて、図８および図９に示されるように、第１アーム３の側面を平坦な形状として、ストッパ１６の外面を中央において最も外側に突出する凸形状としてもよい。

この場合においても、図８に示されるように、凹部６ａに埋め込まれた状態のストッパ１６の上縁を支柱６の外周面に一致させる形状とすることにより、上端に段差が生じないようにして、塵埃や液体が溜まることを防止することが好ましい。

また、本実施形態においては、ストッパ１６を金属材料により形成したが、金属材料は任意の種類のものを用いてもよい。また、金属材料に代えて、プラスチックあるいはゴム等の樹脂材料を使用してもよい。

また、第１アーム３を接触させることによるストッパ１６の変形により第１アーム３の運動エネルギを吸収することとしたが、これに加えて、第１アーム３がストッパ１６に接触した衝撃を検出してモータにブレーキをかけることにより、運動エネルギを低減してもよい。

また、本実施形態においては、支柱６を円筒状に形成したが、これに代えて、他の任意の筒状に形成してもよい。
また、凹部６ａの底面に開口部１７を設けたが、開口部１７はなくてもよい。開口部１７をなくすことにより、凹部６ａの底面全体によってストッパ１６を支持でき、より剛性の低い弾性材料等からなるストッパ１６を用いた場合に好適である。

また、本実施形態においては、ベース２に対して第１軸線Ａ回りに回転する第１アーム３を停止させるストッパ１６を例示したが、第１アーム３に対して第２アーム４を停止させるストッパ２４についても同様の構造を採用してもよい。
すなわち、図１に示されるように、第２アーム４の下面から下向きに、第２軸線Ｂに平行に中空の支柱２３を立て、支柱２３の端面と第１アーム３の下面とを中空の接続部２５によって接続する。支柱２３の両側面には、第１アーム３に対して第２アーム４が回転角度範囲を超えて回転したときに、第１アーム３の側面を突き当てるストッパ２４がそれぞれ組み込まれていればよい。

第１アーム３内を通過してきた線条体２０は、図１に破線で示されるように、接続部２５および支柱２３の内部空間を経由して第２アーム４内に配置されている第２アーム４用のモータ１３あるいはボールネジスプラインシャフト用のモータに接続される。図中、符号２６は減速機である。

１ ロボット（多関節型ロボット）
２ ベース
３ 第１アーム（アーム）
６ 支柱
１６ ストッパ
１７ 開口部
２０ 線条体
２１ ガスケット（シール部材）
Ａ 第１軸線（軸線）

Claims (5)

1. ベースと、
   該ベースに対して所定の軸線回りに±１８０°よりも小さい回転角度範囲にわたって回転可能に支持されたアームと、
   該アームの前記回転角度範囲外において、前記ベースから前記軸線に平行に立ち上がる中空の支柱とを備え、
   該支柱の内部を経由して前記ベースから前記アームに線条体が配線され、
   前記支柱の側面に埋め込まれ、前記回転角度範囲を超えて回転した前記アームの側面を突き当てるストッパを備え、
   該ストッパに前記アームが接触したときに前記ストッパを変形させ、または該ストッパに前記アームが接触したことに応じて該アームを駆動するモータにブレーキをかけることにより、前記アームの運動エネルギを低減する多関節型ロボット。
2. 前記ストッパが、前記支柱の前記側面に着脱可能に取り付けられている請求項１に記載の多関節型ロボット。
3. 前記支柱の前記側面に、該支柱の内部空間に貫通する開口部が設けられ、
   前記ストッパが、前記開口部を閉塞する位置に取り付けられている請求項２に記載の多関節型ロボット。
4. 前記ストッパと前記支柱との間に挟まれて前記開口部を全周にわたって密封するシール部材を備える請求項３に記載の多関節型ロボット。
5. 前記アームの側面または前記ストッパの表面の一方が、前記軸線に沿う方向の途中位置において外側に突出する凸形状を有し、他方が、前記軸線に沿う方向に凹凸のない平坦な形状を有する請求項１から請求項４のいずれかに記載の多関節型ロボット。

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