WO2014207846A1 - ストッパ機構、関節機構、およびロボット - Google Patents

Abstract

　回転体の可動範囲を任意の範囲に制限することができるストッパ機構、関節機構、およびロボットを提供する。ストッパ機構は、固定体と、ピン体と、ピン体ガイドと、ストッパ体とを備える。回転体は軸周りに回転し、固定体は回転体と同軸上に配設される。ピン体は、回転体または固定体のいずれか一方に移動自在に設けられる。ピン体ガイドは、回転体の回転に伴い、ピン体を径方向へ移動可能である。ストッパ体は、回転体または固定体のいずれか他方に設けられ、所定距離移動したピン体に当接して回転体の回転を規制する。

Description

ストッパ機構、関節機構、およびロボット

　開示の実施形態は、ストッパ機構、関節機構、およびロボットに関する。

　従来、多関節のロボットアームを備えたロボットが知られている。ロボットアームは、複数のリンク体が関節機構を介して接続される。リンク体は、関節機構を介して軸周りに回動するが、その回動範囲は、ソフトウェアによる動作制御、メカニカル的な動作制御、あるいは両方を組み合わせて動作制御される。

　メカニカル的な動作制御を行うストッパ機構としては、例えば、第１の当接部と第２の当接部とが枢軸を挟んで設けられた揺動体と、第１の当接部および第２の当接部に当接自在に設けられたストッパ体とを備えたものがある。そして、揺動体を回転体または固定体のいずれか一方に、ストッパ体を回転体または固定体のいずれか他方に設けて、回転体の回転に制限を与えている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平０７－６８４８５号公報

　しかしながら、特許文献１をはじめとする従来のメカニカル的なストッパ機構は、回転体が強制的に停止させられるまでの可動範囲が狭いものであった。

　かかるストッパ機構を、例えばロボットなどに適用し、リンク体を回転体と連動して回転させた場合、リンク体の回動範囲が十分でなく、ロボットに所定の作業を円滑に行わせることができないおそれがある。

　実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、回転体の可動範囲を任意の範囲に制限することのできるストッパ機構、関節機構、およびロボットを提供することを目的とする。

　実施形態の一態様に係るストッパ機構は、回転体と、固定体と、ピン体と、ピン体ガイドと、ストッパ体とを備える。回転体は軸周りに回転し、固定体は前記回転体と同軸上に配設される。ピン体は、前記回転体または前記固定体のいずれか一方に移動自在に設けられる。また、ピン体ガイドは、前記回転体の回転に伴い、前記ピン体を径方向へ移動可能である。そして、ストッパ体は、前記回転体または前記固定体のいずれか他方に設けられ、所定距離移動した前記ピン体に当接して前記回転体の回転を規制する。

　実施形態の一態様によれば、回転体の可動範囲を任意の範囲で制限することができるストッパ機構、関節機構、およびロボットを提供することができる。

図１は、実施形態に係るロボットを示す側面図である。 図２は、同上のロボットの一部を拡大して示す図である。 図３Ａは、実施形態に係るストッパ機構を斜め上方から見た斜視図である。 図３Ｂは、同上のストッパ機構を斜め下方から見た斜視図である。 図４は、同上のストッパ機構のピン体ガイドが設けられた板体の平面図である。 図５Ａは、同上のストッパ機構を断面で示す側面図である。 図５Ｂは、図５Ａの一部を拡大して示す図である。 図６は、同上のストッパ機構における移動するピン体とストッパ体との位置関係を示す図である。 図７Ａは、同上のストッパ機構の動作を示す図である。 図７Ｂは、同上のストッパ機構の動作を示す図である。 図７Ｃは、同上のストッパ機構の動作を示す図である。 図７Ｄは、同上のストッパ機構の動作を示す図である。 図７Ｅは、同上のストッパ機構の動作を示す図である。

　以下、添付図面を参照して、本願の開示する回転体のストッパ機構、関節機構、およびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

　図１は、実施形態に係るロボット１を示す側面図であり、図２は、ロボット１の一部を拡大して示す図である。図示するように、本実施形態に係るロボット１は、基台１１上に設けられた胴部１２と、この胴部１２に連結されたアーム部１３と、アーム部１３の先端に設けられたリスト部１４とを備える。

　すなわち、本実施形態に係るロボット１は、基台１１、胴部１２、アーム部１３およびリスト部１４などをリンク体として、これらが関節機構を介して連結される。このように、いわゆる多関節ロボットであるロボット１は、関節機構により連結された一対のリンク体を備える構造を有する。

　基台１１は、設置面１００に固定される。かかる基台１１上に、関節機構により構成される旋回部２を介して胴部１２が水平方向へ回動自在に設けられる。すなわち、図２に示すように、胴部１２は、旋回部２の駆動源であるモータ２０の駆動軸２１に連動しており、垂直軸２ａを中心に回動する。

　また、図１に示すように、胴部１２に連結されたアーム部１３は、リンク体である第１アーム１３１と第２アーム１３２とが、それぞれ、関節機構により構成される関節部を介して回動自在に連結されて構成される。

　すなわち、第１アーム１３１は、第１関節部３ａを介して胴部１２上に前後方向（図１において左右方向）に揺動自在に連結される。また、第２アーム１３２は、第２関節部３ｂを介して第１アーム１３１の先端部に上下方向に揺動自在に連結される。このように、第１アーム１３１を揺動させる第１関節部３ａ、第２アーム１３２を揺動させる第２関節部３ｂは、それぞれ、駆動源に連結した駆動軸を備える関節機構により構成される。

　リスト部１４は、やはり関節機構により構成される第３関節部３ｃを介して回動自在に連結される。

　本実施形態に係るストッパ機構４は、図２に示すように、関節機構により構成された旋回部２に設けられている。すなわち、基台１１と胴部１２とを連結する旋回部２は、モータ２０から延在する駆動軸２１と、図示しない減速機と、さらに、胴部１２の旋回動作をメカニカル的に規制するストッパ機構４とを備える。

　本実施形態に係るロボット１は、胴部１２が動作プログラム上、正逆３６０度以上の旋回動作が行えるものとしている。ストッパ機構４は、かかる広範囲に可動する胴部１２に対応しており、胴部１２が所定の範囲を超えて旋回しようとしても、メカニカル的に強制停止させることができる。

　したがって、本実施形態に係るストッパ機構４を採用することにより、ロボット１は、例えば、胴部１２の一方向への周回動作を複数回行えるようにするなど、旋回範囲を３６０度以上の広範囲に設定しても、安全性を担保することが可能となる。

　また、ロボット１のリンク体（ここでは胴部１２としている）の動作速度は、動作開始から所定時間経った場合がより安定する傾向がある。したがって、ロボット１に、塗装作業や溶接作業などの何らかの作業を行わせる場合、リンク体の可動範囲を広げることによって、作業スピードを安定させ、ひいては作業ムラを可及的に減少させることができる。

　ここで、図２～図５Ｂを参照して、関節機構が備えるストッパ機構４について具体的に説明する。図３Ａは、実施形態に係るストッパ機構４を斜め上方から見た斜視図であり、図３Ｂは、ストッパ機構４を斜め下方から見た斜視図である。また、図４は、ストッパ機構４のピン体ガイド４４が設けられた板体４５の平面図である。さらに、図５Ａは、ストッパ機構４を断面で示す側面図、図５Ｂは、図５Ａの一部を拡大して示す図である。

　図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ストッパ機構４は、回転体４１と、固定体４２と、ピン体４３と、ピン体ガイド４４と、ストッパ体４６とを備える。

　回転体４１は、所定の厚みを有する円盤状に形成され、回転軸４００の周りに回転可能である（図５Ａを参照）。そして、図３Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、半径方向に、直線状の溝部４１０が形成されており、かかる溝部４１０に、ピン体４３の一端４３ａがスライド自在に挿入される。すなわち、ピン体４３は、回転体４１および固定体４２の半径方向に移動自在に設けられている。

　固定体４２は、所定間隔をあけて回転体４１と同軸的に配設されており、回転体４１と略同径の円盤状に形成される。そして、かかる固定体４２上にストッパ体４６が設けられている。したがって、回転体４１の溝部４１０を半径方向に所定距離移動したピン体４３がストッパ体４６に当接すると、回転体４１の回転を規制することができる。

　なお、本実施形態に係る固定体４２は、その厚みを回転体４１よりも大としているが、同厚みでも薄くても構わない。また、図５Ａに示すように、回転体４１および固定体４２のいずれも中実構造としているが、中空構造であってもよい。

　ピン体ガイド４４は、図４に示すように、板体４５に形成された渦巻き状のスリットにより形成されており、回転体４１の回転に伴い、ピン体４３を半径方向へ移動させることができる。

　具体的には、ピン体ガイド４４は、板体４５の半径方向に複数条のスリットが形成された渦巻き状スリットである。また、ここでは、スリットの始端４４ａと終端４４ｂとは、板体４５の中心に対して略同一角度の位置に設けられている。

　かかるピン体ガイド４４が形成された板体４５は、図５Ａに示すように、固定体４２および回転体４１と略同径の円板からなり、固定体４２と回転体４１との間に介設される。すなわち、板体４５は、固定体４２の主面に、周方向に間隔をあけて立設された複数の連結柱４７の先端に支持されており、固定体４２に同軸的に連結されている。

　そして、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ピン体ガイド４４を構成する渦巻き状のスリットに、ピン体４３の他端４３ｂ側が挿通される。

　かかる構成により、回転体４１が回転すると、渦巻き状のスリットであるピン体ガイド４４に案内されたピン体４３は、固定体４２に対しては公転するように動き、回転体４１に対しては溝部４１０を直線的に移動する。

　すなわち、ピン体４３は、回転体４１の溝部４１０によって周方向への移動が規制されるため、回転体４１が一周する毎に、回転体４１に対し、半径方向に移動する。このように、ピン体ガイド４４は、回転体４１の回転に伴い、ピン体４３を半径方向へ移動させることができる。

　ところで、ピン体４３は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、溝部４１０に挿通される一端４３ａと、ピン体ガイド４４に挿通される他端４３ｂ側とが細く形成され、中途部には拡幅部４３ｃが形成されている。例えば、ストッパ機構４が、図５Ａに示すような姿勢で設けられる場合、拡幅部４３ｃが板体４５上に載置されるように配設すれば、ピン体４３の移動が円滑に行われる。

　なお、同じ構造の板体４５を２つ用意し、拡幅部４３ｃが２つの板体４５，４５の間に位置するようにピン体４３を設けると、例えば、ストッパ機構４の姿勢が天地逆さまになるように変化しても、ピン体４３の移動を円滑に行うことができる。

　ところで、本実施形態では、ピン体４３を回転体４１側に、ストッパ体４６を固定体４２側に設けたが、両者を互いに反対側に設けてもよい。

　次に、図５Ｂ～図７Ｅを参照しながら、本実施形態に係るストッパ体４６の構成およびその動作について説明する。図６は、ストッパ機構４における移動するピン体４３とストッパ体４６との位置関係を示す図である。また、図７Ａ～図７Ｅは、ストッパ機構４の動作を示す図である。

　ストッパ体４６は、図５Ｂ～図７Ｅに示すように、枢軸４６ｃを中心に揺動自在に設けられた略直角二等辺三角形の第１、第２の振り子体４６ａ，４６ｂを備える。すなわち、枢軸４６ｃ上に、複数の振り子体（第１の振り子体４６ａと第２の振り子体４６ｂ）が並設された構成としている。

　第１の振り子体４６ａおよび第２の振り子体４６ｂは、いずれも、ピン体４３が当接可能な第１の当接部４６１と第２の当接部４６２とが、枢軸４６ｃを挟んで設けられ、それぞれ独立して枢軸４６ｃの周りを揺動する。本実施形態では、第１の振り子体４６ａと第２の振り子体４６ｂとを、ピン体４３の直径よりも大きな距離だけの幅を有する空間４６ｄをあけて配置している。また、第１の振り子体４６ａおよび第２の振り子体４６ｂの枢軸４６ｃを中心とした揺動範囲を９０度としている。

　そして、ピン体４３が、第１の当接部４６１または第２の当接部４６２のいずれかに一方向から当接した場合は回転体４１の動きを規制する。一方、ピン体４３が、第１の当接部４６１または第２の当接部４６２のいずれかに他方向から当接した場合は振り子体４６ａ，４６ｂを揺動させる。

　すなわち、本実施形態に係るストッパ機構４では、図７Ａ～図７Ｅに示すように、ピン体４３がストッパ体４６に対して、相対的に矢印５００で示す方向に進むとした場合、第２の当接部４６２に当接した場合は、回転体４１の動きを規制する。ピン体４３は、振り子体４６ａ，４６ｂに当接したまま移動が規制され（図７Ｅ）、結果的に、ピン体４３が溝部４１０を介して取付けられた回転体４１の回転を停止させる。

　反対に、ピン体４３が第１の当接部４６１に当接した場合、ピン体４３は、振り子体４６ａ，４６ｂを押し倒して揺動させる。すなわち、図７Ｂや図７Ｄに示すように、ピン体４３は枢軸４６ｃ周りに回転するだけで、回転体４１の回転動作は維持されることになる。

　ストッパ機構４を上述してきた構成としたため、胴部１２の可動範囲（旋回量）についても任意に設定することが可能となる。例えば、ストッパ体４６の構成として振り子体４６ａ（４６ｂ）の数、あるいは、振り子体４６ａ（４６ｂ）の当接部４６１（４６２）の幅やピン体ガイド４４を構成する渦巻き状スリットのスリット間ピッチの幅などを適宜設定すればよい。そうすることにより、胴部１２の可動範囲（旋回量）を容易に設定することができる。

　ここで、図１および図２に示したロボット１の胴部１２が基台１１上で実際に回転した際に、旋回量が設定以上になった場合のストッパ機構４の動作について、図６～図７Ｅを用いて説明する。なお、図６に示したピン体４３の位置を示す第１ポジションＰ１～第５ポジションＰ５と、ここで、図７Ａ～図７Ｅに示すピン体４３の位置とは、それぞれ１対１で対応している。

　図１および図２に示す旋回部２が備えるストッパ機構４では、回転体４１がロボット１の胴部１２側に連結され、ストッパ機構４の固定体４２はロボット１の基台１１側に連結されている。

　そして、胴部１２が、基台１１に対していずれの方向にも旋回していない中立の位置である初期位置にある場合、ピン体４３は、図７Ａに示すように、第１の振り子体４６ａの第１の当接部４６１の前方に位置している。このとき、図６においては、ピン体４３は第１ポジションＰ１にある。

　そして、胴部１２が設定範囲内で旋回する場合、ピン体４３は、図６におけるポジションＰ１からポジションＰ２～ポジションＰ４を経て、ポジションＰ５の手前までの間を移動する。

　図６に示すポジションＰ２では、ピン体４３は、図７Ｂに示すように、第１の振り子体４６ａの第１の当接部４６１に当接してこれを押し倒して通過する。すなわち、第１の振り子体４６ａの第１の当接部４６１は、図７Ａに示した状態から、図７Ｂに示すように、矢印６００の方向に枢軸４６ｃを中心に回動し、図面上、第１の当接部４６１が下方に位置し、第２の当接部４６２が上方に位置することになる。

　次に、図６に示すポジションＰ３では、ピン体４３は、第１の振り子体４６ａと第２の振り子体４６ｂとの間に形成された空間４６ｄ（図５Ｂを参照）を通過する。したがって、図７Ｃに示す第１の振り子体４６ａと第２の振り子体４６ｂとの姿勢は、図７Ｂに示す状態と変らない。

　次に、図６に示すポジションＰ４では、ピン体４３は、図７Ｄに示すように、第２の振り子体４６ｂの第１の当接部４６１に当接してこれを押し倒して通過する。すなわち、第２の振り子体４６ｂの第１の当接部４６１は、図７Ｃに示した状態から、図７Ｄに示すように、矢印７００の方向に枢軸４６ｃを中心に回動し、図面上、第１の当接部４６１が下方に位置し、第２の当接部４６２が上方に位置することになる。

　ピン体４３が、図６におけるポジションＰ１からポジションＰ５の手前までの間を移動している間は、胴部１２は設定された可動範囲内で基台１１上において旋回する。何らかの原因により、胴部１２が設定された可動範囲を超えて回動した場合、ピン体４３は、図６のポジションＰ４からポジションＰ５へと移動する。

　図６に示すポジションＰ５では、ピン体４３は、図７Ｅに示すように、第２の振り子体４６ｂの第１の当接部４６２に当接することになる。この状態では、第２の振り子体４６ｂは揺動せず、ストッパとしての機能を果たす。したがって、ピン体４３の移動が停止され、結果的に、回転体４１も強制的に停止する。すなわち、回転体４１と連動する胴部１２が強制的に停止することになる。

　上述してきたように、本実施形態によれば、以下に示す構成のストッパ機構４を実現することができる。

　すなわち、構成として、軸周りに回転する回転体４１と、この回転体４１と同軸上に配設された固定体４２と、ピン体４３と、ピン体ガイド４４と、ストッパ体４６とを備えるストッパ機構４である。ピン体４３は、回転体４１または固定体４２のいずれか一方に移動自在に設けられる。ピン体ガイド４４は、回転体４１の回転に伴い、ピン体４３を径方向へ移動可能である。ストッパ体４６は、回転体４１または固定体４２のいずれか他方に設けられ、所定距離移動したピン体４３に当接して回転体４１の回転を規制する。

　また、ピン体ガイド４４は、ピン体４３を挿通するスリットであり、固定体４２と回転体４１との間に介設された板体４５に渦巻き状に形成され、回転体４１が一周する毎にピン体４３を径方向に移動させる構成のストッパ機構４が実現される。

　また、ピン体４３は回転体４１に、ストッパ体４６は固定体４２に設けられ、前記スリットが形成された板体４５は、固定体４２と同軸的に連結される構成のストッパ機構４が実現される。

　また、回転体４１は、前記スリットに挿通されたピン体４３の一端４３ａがスライド自在に挿入される直線状の溝部４１０を有する構成のストッパ機構４が実現される。

　また、ストッパ体４６は、枢軸４６ｃを中心に揺動自在に設けられ、第１の当接部４６１と第２の当接部４６２とが枢軸４６ｃを挟んで設けられた振り子体であるストッパ機構４が実現される。この場合、ピン体４３が、第１の当接部４６１または第２の当接部４６２のいずれかに、一方向から当接した場合は回転体４１の動きを規制する一方、他方向から当接した場合は振り子体を揺動させる。

　さらに、振り子体が、枢軸４６ｃ上に複数個並設されているストッパ機構４が実現される。例えば、同一構造でそれぞれ独立して枢軸４６ｃの周りを揺動する第１の振り子体４６ａと第２の振り子体４６ｂとが並設されたストッパ機構４である。

　また、本実施形態によれば、上述した各ストッパ機構４と、基台１１、胴部１２、アーム部１３およびリスト部１４などのリンク体を回動させる駆動軸２１とを備える関節機構を実現することができる。関節機構としては、具体的には、上述した旋回部２や、第１関節部３ａ、第２関節部３ｂ、あるいは第３関節部３ｃである。

　また、本実施形態によれば、上述の関節機構と、当該関節機構の駆動軸２１に動力を伝達するモータ２０（駆動源）と、前記関節機構を介して連結された少なくとも１組のリンク体とを備えるロボット１を実現することができる。ここで、リンク体とは、上述したロボット１の基台１１、胴部１２、アーム部１３およびリスト部１４などである。

　なお、本実施形態に係るロボット１では、ストッパ機構４を旋回部２に設けたものとして説明したが、旋回部２に限らず、他の関節部に設けることもできる。その場合、第１アーム１３１、第２アーム１３２、リスト部１４などの軸周りの回転範囲を、所望の範囲でメカニカル的に規制することができる。

　以上、説明してきたように、本実施形態に係るストッパ機構４によれば、回転体４１の可動範囲を、３６０度を超える任意の範囲で制限することができる。したがって、回転体４１に求められる回動範囲を自由に定めることが可能となり、さまざまな回転機構に好適に用いることができ、用途の自由度が高まる。

　そして、ロボット１においては、例えば胴部１２などのリンク体に設定された可動範囲に応じ、かかる可動範囲を超えた所定の位置でのリンク体の回動を強制的に停止することが可能となる。

　また、回転体４１の可動範囲を、３６０度を超える任意の範囲とすることで、ロボット１のリンク体の動作速度が安定した状態で作業させることができるため、作業ムラなどを可及的に減少させることができる。

　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

　１　　ロボット
　２　　旋回部（関節機構）
　３ａ　　第１関節部
　３ｂ　　第２関節部
　３ｃ　　第３関節部
　４　　ストッパ機構
　１２　　胴部（リンク体）
　２０　　モータ（駆動源）
　２１　　駆動軸
　４１　　回転体
　４２　　固定体
　４３　　ピン体
　４４　　ピン体ガイド
　４５　　板体
　４６　　ストッパ体
　４６ａ　　第１の振り子体
　４６ｂ　　第２の振り子体
　４６ｃ　　枢軸
　４１０　　溝部
　４６１　　第１の当接部
　４６２　　第２の当接部

Claims (8)

1. 　軸周りに回転する回転体と、
   　当該回転体と同軸上に配設された固定体と、
   　前記回転体または前記固定体のいずれか一方に移動自在に設けられたピン体と、
   　前記回転体の回転に伴い、前記ピン体を径方向へ移動可能としたピン体ガイドと、
   　前記回転体または前記固定体のいずれか他方に設けられ、所定距離移動した前記ピン体に当接して前記回転体の回転を規制するストッパ体と、
   　を備えることを特徴とするストッパ機構。
2. 　前記ピン体ガイドは、
   　前記ピン体を挿通するスリットであり、前記固定体と前記回転体との間に介設された板体に渦巻き状に形成され、前記回転体が一周する毎に前記ピン体を径方向に移動させる
   　ことを特徴とする請求項１に記載のストッパ機構。
3. 　前記ピン体は前記回転体に、前記ストッパ体は前記固定体に設けられ、前記スリットが形成された板体は、前記固定体と同軸的に連結される
   　ことを特徴とする請求項２に記載のストッパ機構。
4. 　前記回転体は、
   　前記スリットに挿通された前記ピン体の一端がスライド自在に挿入される直線状の溝部を有する
   　ことを特徴とする請求項３に記載のストッパ機構。
5. 　前記ストッパ体は、
   　枢軸を中心に揺動自在に設けられ、第１の当接部と第２の当接部とが前記枢軸を挟んで設けられた振り子体であり、前記ピン体が、前記第１の当接部または前記第２の当接部のいずれかに、一方向から当接した場合は前記回転体の動きを規制する一方、他方向から当接した場合は前記振り子体を揺動させる
   　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載のストッパ機構。
6. 　前記振り子体が、前記枢軸上に複数個並設されている
   　ことを特徴とする請求項５に記載のストッパ機構。
7. 　請求項１に記載のストッパ機構と、
   　リンク体を回動させる駆動軸と、
   　を備えることを特徴とする関節機構。
8. 　請求項７に記載の関節機構と、
   　当該関節機構の前記駆動軸に動力を伝達する駆動源と、
   　前記関節機構を介して連結された少なくとも１組の前記リンク体と、
   　を備えることを特徴とするロボット。

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