JP5411062B2

JP5411062B2 - ロボットアーム

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Publication number: JP5411062B2
Application number: JP2010115714A
Authority: JP
Inventors: 勝年中村
Original assignee: KEC Corp
Current assignee: KEC Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: JP2011240450A

Description

本発明は、ＸθＺ駆動方式（Ｘ軸方向への直線移動、θ方向への旋回、及びその旋回軸と平行なＺ方向への直線移動からなる駆動方式）を採用するロボットアームに関し、特に衝突等に対するロボットアームの緩衝手段に関する。

ロボットアームは、サーボ制御で各関節の駆動制御を行い、所望の動作を発生させて製造・加工等に用いられるものである。
しかし、例えば、位置合わせ時や、非常の環境変化の際には、ロボットアームの稼動領域に障害物が存在する場合があり、障害物にロボットアームが衝突することによる破損事故や人身事故が生じる虞が生じる。

そこで、センサによって衝突を検出し、トルクの解除及び動作の反転を行う手法が種々紹介されていた（例えば下記特許文献参照）。

特開２００３−０３９３７６号公報特開平１１−２０７６８２号公報

しかし、上記従来の方法は、駆動制御のみで緩衝を行なう手法であることから、衝突の瞬間における緩衝が不十分である。そのため、その様な手法だけでは、事実上、衝突による被害の防止というよりも、衝突状態の解消に寄与すると言う作用に留まっていた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、比較的簡素な構造で緩衝作用が得られる構造を備えるロボットアームの提供を目的とする。

上記課題を解決する為になされた本発明によるロボットアームは、ＸθＺ駆動方式のロボットアームであって、モータ等のθ回転手段で旋回する第１アームと、当該第１アームの先端部に連結し上下左右に揺動可能な第２アームを備えてなり、当該第２アームの先端部に作業部、即ち、プーリとベルト等を介して前記縦シャフトと平行な軸を回転軸として回転することができるチャック等の作業ツール、又は当該作業ツールを脱着できる支持領域等を適宜備えたものである。

前記当該第１アームと第２アームの連結部としては、前記第１アームの先端部と第２アームの基端を上下に重ね（どちらが上でも良い）、例えば、前記第１アームの先端部に横揺動軸を支持し、当該横揺動軸に前記第２アームの基部が支持する縦揺動軸を支持する構成や、前記第２アームの基部に横揺動軸を支持し、当該横揺動軸に前記第１アームの先端部が支持する縦揺動軸を支持する構成や、ボール軸受けで当該第１アームに対して第２アームが上下左右に揺動可能となる様に連結する構成のいずれを採ることもできる。
更に、本発明によるロボットアームは、前記第１アームと第２アームとの間に緩衝手段を備えたものであって、当該緩衝手段は、第２アームを第１アームに対する定常姿勢へ誘導する姿勢維持手段と、第２アームを第１アームに対する定常姿勢から第２アームの先端部を左右及び上方へ誘導する退避手段を備えることを特徴とする。

前記緩衝手段は、相互に向かい合うスロープを含む谷状の誘導面と、当該誘導面に当接する突起部で構成することが可能である。ここで、スロープを含む谷状の誘導面の態様としては、すり鉢状、又は球面状であっても良い。
その際、前記緩衝手段は、前記誘導面は第１アームと第２アームのうちのいずれか一方における、横揺動軸及び縦揺動軸又はボール軸受け等からなる連結部の前方又は後方に備え、前記突起部は第１アームと第２アームのうちの他方に、誘導面に面して備える構成とする。

前記突起部の先端に磁性体からなる当接部を備え、前記誘導面の最深部に前記当接部を引寄せ、又は吸着する磁石を備える構成とすれば、磁力の調整により、定常姿勢の維持・誘導強度を調整することができる。尚、前記誘導面の最深部に当接部を引寄せる手法（復帰手段）としては、当該当接部が誘導面の最深部へ向かう様に、第１アームと第２アームの角度を復元すべく付勢するコイルスプリングや板バネを用いることもできる。

本発明によるロボットアームは、ＸθＺ駆動方式の採用により、各関節において回転量の制御が必要な多関節アーム（以下多関節アームと略記する）と比べれば、各関節におけるアームの軌道を一時的に外すことが容易でありながら、多関節アームに引けをとらない稼動範囲及び精度並びに制御の便宜を得ることができる。

上記の如く、各関節においてアームの軌道を一時的に外すことが許容される結果、第１アームの先端部に横揺動軸を支持し、当該横揺動軸に前記第２アームの基部が支持する縦揺動軸を支持し、第２アームを第１アームに対する定常姿勢へ誘導する姿勢維持手段と、第２アームを第１アームに対する定常姿勢から第２アームの先端部を左右及び上方へ誘導可能な退避手段を備える緩衝手段を有する構成とすることができる。

前記緩衝手段の存在によって、衝突の瞬間において十分な緩衝を行なうことができ、衝突による被害の防止軽減が可能となる。また、従来技術と併用すれば、第２アームについて一定量の退避が行なわれる間に、センサによる検出結果に基いて、衝突状態の解消動作を開始することができることから、衝突事故の復旧制御にも便宜となる。

本発明によるロボットアームの一例を示す分解図である。本発明によるロボットアームの動作の一例を示す要部拡大図である。本発明によるロボットアームの一例を示す定常姿勢における、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。本発明によるロボットアームの動作の一例を示す、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。本発明によるロボットアームの動作の一例を示す、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。本発明によるロボットアームの動作の一例を示す、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。本発明によるロボットアームを用い得るＸθＺ駆動方式のロボットの一例を示す正面側から見た要部斜視図である。本発明によるロボットアームを用い得るＸθＺ駆動方式のロボットにおけるＺ軸駆動手段の一例を示す裏側から見た斜視図である。本発明によるロボットアームを用い得るＸθＺ駆動方式のロボットにおけるＸ軸駆動手段の一例を示す裏側から見た斜視図である。

以下、本発明によるロボットアームの実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示す実施の形態は、ＸθＺ駆動方式のロボットに用いるロボットアームである。
本実施の形態におけるＸθＺ駆動方式は、θ回転手段７であるモータ及びモータで駆動する縦シャフトを、ワイヤ駆動のＺ軸駆動手段８に搭載し、当該Ｚ軸駆動手段８を、ワイヤ駆動のＸ軸駆動手段９に搭載したものである。
本実施の形態では、モータで駆動する縦シャフト７ａにロボットアームの基端部を固定することにより、縦シャフト７ａの上下左右への移動、及び縦シャフト７ａに固定したロボットアームの旋回を可能とする。

本実施の形態のロボットアームは、前記縦シャフト７ａに基端部が直接固定され縦シャフト７ａを軸として旋回制御を受ける第１アーム１と、当該第１アーム１の先端部にその基端部を連結し上下左右に可能な第２アーム２と、当該第２アーム２の先端部にあってプーリ２８とベルト（図示省略）を介して前記縦シャフトによって回転することができるチャック３とを備える。

本実施の形態のロボットアームは、第１アーム１の先端部の下に第２アーム２の基端部を重ねた構造を有し、第１アーム１と第２アーム２との間に相互を連結させる関節部を備える。
当該関節部は、縦横のヒンジ機構と緩衝手段６を備えるが、チャック３をその機能を果たすべき位置（作用点）へ移動させる構造として、第１アーム１に対する第２アーム２の連結角度等を制御上変化させることはなく、第１アーム１と第２アーム２との間で障害物との衝突等による衝撃を和らげる退避動作を行うに留まる。

本実施の形態のヒンジ機構は、縦横のヒンジ機構が一体となったものである。即ち、第２アーム２の基端部に二股形状の軸受け２ａを備え、当該軸受け２ａの股間部２ｂに横揺動軸４を遊嵌し、前記軸受け２ａの軸孔２ｃ及び横揺動軸４の軸孔４ａに縦揺動軸５を連通し、第１アーム１の先端部の軸孔１ａに前記横揺動軸４の上端部を回転可能に、且つ離脱しないように軸支したものである（図１参照）。
以上の構造により、第２アーム２の基端部において横揺動軸４が上下に揺動し、且つ左右に揺動することとなる（図４参照）。

本実施の形態の緩衝手段６は、第２アーム２を第１アーム１の延長線上に配置する定常姿勢へ誘導するための姿勢維持手段と、第２アーム２を第１アーム１に対する前記定常姿勢（図３参照）から第２アーム２の先端部を左右及び上方へ誘導可能な退避手段を一体化したものである。

本実施の形態の緩衝手段６は、相互に向かい合うスロープ６ａを含む谷状の誘導面２９と、当該誘導面２９に当接する突起部６ｂからなり、前記誘導面２９は、第１アーム１と第２アーム２のうちのいずれか一方における横揺動軸４及び縦揺動軸５の後方に備え、前記突起部６ｂは第１アーム１と第２アーム２のうちの他方に備える。

尚、図１及び図２に示す例では、突起部６ｂを第１アーム１の裏面に備えるべく、第１アーム１の孔１ｂに、球面を先端とするピンを装着すると共に、第２アーム２の基端部を上面側から横断面形状が谷状となる様に切欠することによって、第２アーム２の上面に前記突起部６ｂと接する一対の平面状スロープ６ａ，６ａを、前記突起部６ｂの曲率で湾曲した曲面を以って連結し、一連の誘導面２９を形成したものである。

本実施の形態の姿勢維持手段は、前記突起部６ｂとなるピンとして磁性体のピンを採用し、前記一対のスロープ６ａ，６ａの谷部（一対のスロープ６ａ，６ａに挟まれた領域の最深部）に当該ピンを引寄せる磁石６ａｂを固定したものである。誘導面２９の谷部は、前記一対のスロープ６ａ，６ａの間隔及び傾斜を、谷部とピンの先端部（当接部６ａａ）の球面をガタつき無く支持できる様に構成することによって、磁石６ａｂの磁力調整と相俟って、正常稼動時における振動や衝撃に対抗して第２アーム２の位置ズレや揺動を防止できる（図６参照）。

本発明によるロボットアームは、以上の如く構成され、磁石６ａｂによる定着力を凌駕する側方からの衝撃によって、第２アーム２の先端部は、第１アーム１に対して左右上方へ向く形で退避し（図２及び図４参照）、磁石６ａｂによる定着力を凌駕する下方からの衝撃によって、第２アーム２の先端部は、第１アーム１に対して上方へ向く形で退避する（図５参照）。
障害物からの圧力が解除されれば、第２アーム２は、その自重により前記突起部６ｂがスロープ６ａ，６ａをトレースしつつ（図２参照）、定常姿勢に復帰する（図３参照）。上記構成において、突起部６ｂにマグネットセンサを付ければ、ロボットアームが定常姿勢から外れた状態を電気的に検知することができる。

以下、本実施の形態のＸθＺ駆動方式を説明する。
ロボットアームを固定した縦シャフト７ａは、θ回転手段７から鉛直方向上向きに備える。
本実施の形態のθ回転手段７は、アームベース１０にステー１１を介して固定されたモータ及びその回転軸に連結する減速器からなり、減速器で回転速度の制御（減速）を受けた回転軸を縦シャフト７ａとする（図７参照）。

アームベース１０は、制御手段による制御の下、ベースフレーム（図示省略）に渡し掛けた走行ガイド（Ｘ軸方向へのガイド）１２ａ，１２ｂに対して摺動可能に装着したものである（図７参照）。
本実施の形態のベースフレームは、左右側板と、それを垂直に起立する様に支える底板を備える。
左右側板は、その前方下部及び後方上部に一対の上下走行ガイド１２ａ，１２ｂを相互に平行となる様に架設する。

アームベース１０は、走行ベース１０ａに昇降ベース１０ｂを備えたものである。
走行ベース１０ａは、基板１０ａａの後方に背板１０ａｂを垂直に立設したものである（図７参照）。

背板１０ａｂは、その上部に、上走行ガイド１２ａを挿通する上支持部１０ｃを備え、その中間部の略同じ高さに、Ｚ軸駆動手段８を構成する左右一対の伝動プーリ１３ａ，１３ｂを背板１０ａｂの表面に対して垂直な回転軸で支持する（図７参照）。
更に、背板１０ａｂは、走行ワイヤ１４の両端を支持する二つのワイヤ固定機構１５，１５を備える（図７及び図９参照）。当該ワイヤ固定機構１５，１５は、そこへ固定された走行ワイヤ１４を介してＸ軸駆動手段９による走行力を受けることとなる。
基板１０ａａは、その前部に、下走行ガイド１２ｂを挿通する下支持部１０ｄを備え、その奥行きの中間部に、底板の表面から垂直に起立する左右一対の昇降ガイド（Ｚ軸方向へのガイド）１６，１６を備える（図７及び図８参照）。
昇降ガイド１６，１６は、その上部を、背板１０ａｂの上部に前方へ迫出す形で固定した天板１０ｅで固定する。

昇降ベース１０ｂは、昇降ベース本体１０ｂａと、前記Ｚ軸駆動手段８から昇降力を受ける受動体１０ｂｂとからなる。
昇降ベース本体１０ｂａは、昇降ガイド１６，１６が挿通する支持部１０ｆ，１０ｆを備え、その前面に前記ステー１１を固定する（図７参照）。
受動体１０ｂｂは、Ｚ軸駆動手段８を構成する上下一対の受動プーリ１７ａ，１７ｂを受動体１０ｂｂの表面に対して垂直な回転軸で支持する。
前記昇降ベース本体１０ｂａの支持部１０ｆ，１０ｆが備える各ガイド孔の間に、当該受動体１０ｂｂを固定することを以って昇降ベース１０ｂは一体となる。

上記走行ベース１０aの昇降ガイド１６，１６に、昇降ベース１０ｂを装着することで、当該昇降ベース１０ｂは、昇降ガイド１６，１６に規制された軌道で昇降し、その際、受動体１０ｂｂは、一対の伝動プーリ１３ａ，１３ｂの回転軸に挟まれた領域で昇降しつつ、昇降ワイヤ１８を介してＺ軸駆動手段８による昇降力を受けることとなる。

本実施の形態のＸ軸駆動手段９は、その走行駆動源たるモータ１９を前記ベースフレームにおける底板の右端に固定して備え、以下の構成を有する（図９参照）。
即ち、当該走行駆動源のシャフトに固定した原動プーリ２０に螺旋状に巻き付けた走行ワイヤ１４の一端を引き出し、右側の側板に支持した同軸同径の一対の右中継プーリ２１，２１の一方、続いて左側の側板に支持した左中継プーリ２２に掛けた後に、前記背板１０ａｂが備えるワイヤ固定機構１５，１５の一方に走行ワイヤ１４の一端を締結する。
更に、前記原動プーリ２０に螺旋状に巻き付けた走行ワイヤ１４の他端を引き出し、右側の側板に支持した同軸同径の一対の中継プーリ２１，２１の他方、続いて前記背板１０ａｂが備えるワイヤ固定機構１５，１５の他方に締結する。

以上の構成により、走行駆動源が正転逆転を行うことによって、その回転量に応じたＸ軸方向への走行が可能となる。

本実施の形態のＺ軸駆動手段８は、その昇降駆動源たるモータ２３を前記ベースフレームにおける底板の左端に固定して備え、以下の構成を有する。
即ち、当該昇降駆動源のシャフトに固定した原動プーリ２４に螺旋状に巻き付けた昇降ワイヤ１８の一端を引き出し、左側の側板の下位に支持した揺動中継プーリ２５に掛け、続いて背板１０ａｂの左側に支持した左伝動プーリ１３ａに下から掛けた後に、前記受動体１０ｂｂが備える上受動プーリ１７ａに掛け、更に背板１０ａｂの右側に支持した右伝動プーリ１３ｂに下から掛け、右側の側板が備えるワイヤ固定機構２７に締結する。

加えて、前記昇降駆動源のシャフトに固定した原動プーリ２４に螺旋状に巻き付けた昇降ワイヤ１８の他端を引き出し、左側の側板の上位に支持した固定中継プーリ２６に掛け、続いて背板の左側に支持した左伝動プーリ１３ａに上から掛けた後に、前記受動体１０ｂｂが備える下受動プーリ１７ｂに掛け、更に背板１０ａｂの右側に支持した右伝動プーリ１３ｂに上から掛け、右側の側板が備えるワイヤ固定機構２７に締結する。

以上の構成により、昇降駆動源が正転逆転を行うことによって、その回転量に応じたＺ軸方向への昇降が可能となる。

上記構造を基礎として、加工対象を支持するプラットフォーム等が適宜付設し、使用目的に応じたロボットとする。

１第１アーム，１ａ軸孔，１ｂ孔，
２第２アーム，２ａ軸受け，２ｂ股間部，２ｃ軸孔，
３チャック，
４横揺動軸，４ａ軸孔，
５縦揺動軸，
６緩衝手段，６ａスロープ，６ａａ当接部，６ａｂ磁石，６ｂ突起部，
７ θ軸回転手段，７ａ縦シャフト，
８Ｚ軸駆動手段，９Ｘ軸駆動手段，
１０アームベース，
１０ａ走行ベース，１０ａａ基板，１０ａｂ背板，
１０ｂ昇降ベース，１０ｂａ昇降ベース本体，１０ｂｂ受動体，
１０ｃ上支持部，１０ｄ下支持部，
１０ｅ天板，１０ｆ支持部，
１１ステー，
１２ａ上走行ガイド，１２ｂ下走行ガイド，
１３ａ左伝動プーリ，１３ｂ右伝動プーリ，
１４走行ワイヤ，１５ワイヤ固定機構，
１６昇降ガイド，
１７ａ上受動プーリ，１７ｂ下受動プーリ，
１８昇降ワイヤ，
１９モータ（Ｘ軸）
２０原動プーリ（Ｘ軸），２１右中継プーリ，２２左中継プーリ，
２３モータ（Ｚ軸）
２４原動プーリ（Ｚ軸），２５揺動中継プーリ，２６固定中継プーリ，
２７ワイヤ固定機構，
２８プーリ，２９誘導面，

Claims

ＸθＺ駆動方式ロボットのロボットアームにおいて、
θ軸回転手段で旋回する第１アームと、
当該第１アームの先端部に連結し上下左右に揺動可能な第２アームと、
第１アーム１と第２アーム２との間に相互を連結させる関節部を備えてなり、
当該関節部は、縦横のヒンジ機構と緩衝手段を備え、
前記ヒンジ機構は、
前記第１アームの先端部に横揺動軸を支持し、当該横揺動軸に前記第２アームの基部を支持する縦揺動軸を支持してなり、
当該緩衝手段は、
第２アームを第１アームに対する定常姿勢へ誘導する姿勢維持手段と、
第２アームを第１アームに対する定常姿勢から第２アームの先端部を左右及び上方へ誘導可能な退避手段を一体化して備え、
前記緩衝手段は、相互に向かい合うスロープを含む谷状の誘導面と、当該誘導面に当接する突起部からなり、
前記誘導面は第１アームと第２アームのうちのいずれか一方に備え、
前記突起部は第１アームと第２アームのうちの他方に備えることを特徴とするロボットアーム。