JP2004090135A - ロボットの関節部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で済ませながらも、第１のアームに対する第２のアームの回動範囲を十分に広げる。
【解決手段】第３アーム５のフレーム９の先端に、第２アーム６のフレーム１２を軸Ｊ４を中心に回転可能に連結し、サーボモータ１３、減速機１４、出力軸１５、連結板１１を介して回転駆動する。関節部を通されるエア配管を、フレキシブルチューブ１７から構成し、出力軸１５の先端側の内周側に、スパイラル状に緩やかに巻回して配置する。関節部を通される複数本の電線からなる配線を、フレキシブルなフラットケーブル１８から構成し、出力軸１５の先端側の外周側に、緩やかに巻回して配置する。フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａと、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａとの間を内外周に仕切るような円筒状の仕切板１９を設け、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの外周側に円筒状のカバー２０を設ける。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１のアームに対し第２のアームを出力軸によって回転されるように連結すると共に、エア配管及び配線をそれら第１及び第２のアーム内を通すようにしたロボットの関節部構造に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば複数のアームを順に回動可能に連結した多関節型ロボットにおいては、アーム内に、信号を送受したりあるいは駆動用電源を供給するための配線や、アーム先端のハンド等に駆動用のエアを供給するためのエアチューブを通すようにしている。このとき、第１のアームに対し第２のアームを回転可能に連結し、例えば第１のアーム側に設けられたモータ等の駆動源により第２のアームを回転させるようにした関節部において、前記配線やエアチューブを、回転軸の周囲部を通す構成の場合、挟み込みにより配線やチューブを傷付けたり断線（チューブの破断）したりすることを未然に防止するために、第１のアームに対する第２のアームの回動範囲が比較的狭い範囲に限定される事情がある。
【０００３】
そこで、従来では、第２のアームの第１のアームに対する回動範囲を広げる（例えば１回転（３６０度）以上の回転を可能とする）ために、関節部におけるアーム間の回転伝達にクランクシャフトを用いる構成が採用されていた。このクランクシャフトは、湾曲したシャフト部とその先端の回転軸を中心としたリング状の連結部とを有して構成され、配線及びエアチューブをその連結部の中空部を通すようにしていた。
【０００４】
これにより、配線及びエアチューブが、回転軸心部分を通されることになって、第２のアームの回動範囲を広げることができる。しかしながら、このようなクランクシャフトを用いた関節部構造でも、配線やエアチューブの捩りの問題から、第１のアームに対する第２のアームの回動範囲は、その構造上、１回転程度が限度であり、それ以上の広い回動範囲を得ることは不可能であった。
【０００５】
このような問題点を解決する手段として、例えば特開平９−１２３０８３号公報には、回転伝達を行う軸部の周囲に、円筒状のハウジングを回転自在に設け、そのハウジングにエアー通路を設けると共に、ハウジングの外周に、フラットケーブルからなる配線を緩やかに巻回するようにしたロボットの関節部構造が示されている。ところが、この構成では、エアー配管側の構成が複雑となると共に、ハウジングのエアー通路を高精度で加工する必要があるため、高価となる欠点があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、エア配管及び配線を第１及び第２のアーム内を通すようにしたものにあって、比較的簡単な構成で済ませながらも、第１のアームに対する第２のアームの回動範囲を十分に広げることができるロボットの関節部構造を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のロボットの関節部構造は、エア配管及び配線を第１及び第２のアーム内を通すようにしたものにあって、エア配管をフレキシブルなチューブから構成すると共に、配線の少なくとも一部をフレキシブルなフラットケーブルから構成し、出力軸の周囲のうち内周側及び外周側の一方に、前記エア配管をスパイラル状に緩やかに巻回して配置すると共に、内周側及び外周側の他方に、前記配線のフラットケーブル部分を緩やかに巻回して配置したところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００８】
これによれば、第１のアームに対して第２のアームが回動すると、配線のフレキシブルなフラットケーブルからなる巻回部分が、その回転方向に応じて巻きが締まったり、巻きがより緩んだりする方向に変位し、これと共に、フレキシブルなチューブからなるエア配管の巻回部分が、やはりその回転方向に応じて巻きが締まったり、巻きがより緩んだりする方向に変位することになる。これにて、それら配線及びエア配管が、捩じれたり、過大な力で引張られたり、アームのフレーム等に挟み込まれたりすることなく、第２のアームの相対回転に追従できるので、第１のアームに対する第２のアームの１回転を越える回動範囲を容易に得ることができ、多回転させることも可能となる。
【０００９】
このとき、それらエア配管（チューブ）及び配線（フラットケーブル）の巻回部分は、出力軸の内周側及び外周側に配置されるので、それらの配置スペースが軸方向に大形化することを防止することができる。また、エア配管として安価なフレキシブルチューブを採用でき、エアー通路を高精度で加工するといったことは不要なので、比較的簡単で安価に済ませることができる。
【００１０】
従って、請求項１のロボットの関節部構造によれば、比較的簡単な構成で済ませながらも、第１のアームに対する第２のアームの回動範囲を十分に広げることができるという優れた効果を奏する。尚、本発明にいう第１のアームとは、ある一つのアーム、第２のアームとは、そのアームに連結される別のアームといった意味であり、ロボット全体の中での特定の位置や順序のアームを示すものでないことは勿論である。
【００１１】
ここで、本発明においては、配線のうち巻回部分には、フレキシブルなフラットケーブルを採用することにより、要求される機能を確保することができるのであるが、フラットケーブルは比較的幅広なものとなるため、関節部以外の他の部分においては、フラットケーブルとすることにより、アーム内の所定のスペースに配線を通しにくくなる等のデメリットが生ずる場合がある。そこで、配線を、巻回部分のみをフレキシブルなフラットケーブルから構成し、その外側の各アーム内に配置される部分を一般ケーブルから構成すれば（請求項２の発明）、そのようなデメリットを未然に防止することができる。
【００１２】
また、上記したエア配管の巻回部分と、配線の巻回部分との間に、それらを仕切る円筒状の仕切板を設けることができる（請求項３の発明）。これによれば、仕切板により内外周が仕切られて、エア配管の巻回部分が配置される空間と、配線の巻回部分が配置される空間との間が仕切られた状態となるので、それらエア配管及び巻線を配置（巻回）する作業が容易となると共に、内周側のものの巻き緩む際の空間が確保され、互いに干渉することが防止される。このとき、仕切板に、エア配管又は配線の巻回部分の軸方向の変位を規制するずれ防止部を設けるようにすれば（請求項４の発明）、エア配管又は配線の巻回部分の軸方向のずれを防止することができ、より効果的となる。
【００１３】
外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の外周側に、円筒状のカバーを設けることもできる（請求項５の発明）。これによれば、外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の外周側への変位を規制できて、その配線又はエア配管がアームのフレーム等に接触して傷付くといったことを未然に防止することができる。
【００１４】
このとき、カバーに、配線又はエア配管の巻回部分の軸方向の変位を規制するずれ防止部を設けるようにすれば（請求項６の発明）、エア配管又は配線の巻回部分の軸方向のずれを防止することができ、より効果的となる。また、カバーに、外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の端部を保持する保持部を設けることもでき（請求項７の発明）、これにより、外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の外周側をカバーにより覆い、且つ、その巻回部分の端部を保持部に保持させた状態で配設することができる。さらに、カバーに、配線のうちフラットケーブルからなる巻回部分とその外側の一般ケーブル部分とを接続するためのコネクタ部を設けることもでき（請求項８の発明）、これにより、フラットケーブルの組付け及びその後の一般ケーブル部分との接続が容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を垂直多関節（６軸）型ロボットに適用した一実施例について、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施例におけるロボットの本体１の外観構成を示しており、まず、このロボット本体１の全体構成について簡単に述べる。
【００１６】
即ち、設備の設置面に設置されるベース２上には、第１アーム３が、垂直方向に延びる軸Ｊ１を中心に回転（旋回）されるように連結されている。前記第１アーム３の先端には、第２アーム４が、水平方向に延びる軸Ｊ２を中心として回転（旋回）されるように連結されている。前記第２アーム４の先端には、第３アーム５が、水平方向に延びる軸Ｊ３を中心として回転（旋回）されるように連結されている。
【００１７】
前記第３アーム５の先端には、第４アーム６が、軸Ｊ４を中心に同軸回転されるように連結されている。前記第４アーム６の先端には、第５アーム７が、軸Ｊ５を中心に回転（旋回）されるように連結されている。前記第５アーム７の先端には、第６アーム８が、軸Ｊ６を中心に同軸回転されるように連結されている。図示はしないが、前記第６アーム８の先端のフランジ面には、エアーにより駆動されるハンド等のツールが取付られるようになっている。
【００１８】
また、前記各アーム３〜８は、夫々サーボモータ（後に一部のみ図示）により駆動されるようになっており、それら各サーボモータは、マイコン等から構成される図示しないロボットコントローラにより制御されるようになっている。さらに、このロボットコントローラは、前記ハンド等のツールを駆動するためのエアー配管に設けられたバルブ等も制御するようになっている。
【００１９】
次に、図１及び図２は、前記第３アーム５と第４アーム６とを連結する軸Ｊ４の関節部、特に第３アーム５部分の構成を示しており、この関節部は、本実施例に係る関節部構造を備えている。この場合、第３アーム５が、本発明にいう第１のアームとして機能し、第４アーム６が、本発明にいう第２のアームとして機能するようになっている。以下、この関節部構造について述べる。
【００２０】
図１は、この関節部の縦断面の概略構成を正面から示しており、図２は、第３アーム５の先端面の構成を概略的に示している。ここで、第３アーム５の外殻を構成する金属（鋳物）製のフレーム９は、その先端部（図１で右側）が角筒状に構成され、図２にも示すように、その端面部には、円形の開口部９ａが設けられている。そして、このフレーム９の端面の開口部９ａの内周部に、軸受１０が、その外輪が該フレーム９に固定された状態で設けられている。さらに、図２にも示すように、前記軸受１０の内輪には、円板状の連結板１１が固定されるようになっている。
【００２１】
一方、前記第４アーム６の外殻を構成するフレーム１２の基端側（図１で左側）は、円筒状に構成され、その基端面に位置する端板１２ａが前記連結板１１の複数箇所のボルト穴１１ａ（図２参照）にボルト締めされることにより、該連結板１１（ひいては軸受１０の内輪）に連結され、以て、第４アーム６が前記第３アーム５に対して軸Ｊ４を中心に回転可能に連結されている。
【００２２】
そして、図１に示すように、前記第３アーム５のフレーム９内には、前記第４アーム６を回転駆動するための４軸用のサーボモータ１３及び減速機１４が配設される。前記サーボモータ１３は、前記フレーム９に一体的に設けられたモータ取付部９ｂに図で右向きに取付けられており、その回転軸に前記減速機１４が連結されている。詳しく図示はしないが、この減速機１４は、例えば周知のハーモニックドライブ（登録商標）から構成され、その出力側に軸Ｊ４を回転軸心とした出力軸（シャフト）１５が連結されている。
【００２３】
前記出力軸１５は、前記モータ取付部９ｂに軸受１６を介して支持され、その先端が前記連結板１１に連結されている。これにより、サーボモータ１３の回転が減速機１４により減速されて出力軸１５に伝達され、連結板１１を介して第４アーム６が回転駆動されるようになっているのである。
【００２４】
さて、この第３アーム５と第４アーム６とを連結する関節部においては、先端のハンド等に駆動用のエアを供給するために設けられるエア配管１７、及び、第４アーム６以降に配設される図示しないサーボモータに駆動用電源を供給したり信号を送受したりするための複数本の電線からなる配線１８が、第３アーム５から第４アーム６に向けて通されるようになっている。本実施例では、それらエア配管１７及び配線１８は、この関節部において次のように配置されている。
【００２５】
即ち、図１に示すように、前記エア配管１７は、フレキシブルチューブ（以下、フレキシブルチューブ１７と称する）から構成されている。また、本実施例では、前記配線１８は、その全体が、複数本の電線を横方向に並べてつなげたフレキシブルなフラットケーブル（以下、フラットケーブル１８と称する）から構成されている。
【００２６】
そして、前記フレキシブルチューブ１７は、関節部において、前記出力軸１５の先端側の周囲のうち内周側に位置して、例えば右回り（時計回り方向）にスパイラル（螺旋）状に緩やかに（出力軸１５の外周面との間に隙間をもって）巻回して配置されている（このスパイラル状部分を巻回部分１７ａと称する）。このとき、図２にも示すように、前記連結板１１及び第４アーム５のフレーム１２の端板１２ａの図で上部には、内周寄り部分に位置して、前記フレキシブルチューブ１７が通される湾曲状のチューブ挿通孔１１ｂ及び１２ｂが夫々互いにラップするように形成されている。尚、前記チューブ挿通孔１１ｂ及び１２ｂは、フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａの先端側の端部を、例えば摩擦力により保持する機能も有している。
【００２７】
一方、前記フラットケーブル１８は、関節部において、前記出力軸１５の先端側の周囲のうち外周側に位置して、緩やかに（巻回層間に隙間をもって）巻回して配置されている（この巻回された部分を巻回部分１８ａと称する）。このとき、図２にも示すように、前記連結板１１及び第４アーム５のフレーム１２の端板１２ａの図で下部には、外周寄り部分に位置して、前記フラットケーブル１８が通される湾曲状のケーブル挿通孔１１ｃ及び１２ｃが夫々互いにラップするように形成されている。尚、前記ケーブル挿通孔１１ｃ及び１２ｃは、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの内周側の端部を保持する機能も有している。
【００２８】
また、本実施例では、前記フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａと、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａとの間を内外周に仕切るような仕切板１９が設けられる。この仕切板１９は、プラスチックから先端側（図１で右側）にフランジ部（鍔部）１９ａを有した円筒状に形成され、そのフランジ部１９ａが前記連結板１１に固定されて設けられている。
【００２９】
従って、前記フラットケーブル１８の巻回部分１８ａは、仕切板１９の外周側に隙間をもって配置されていることになる。尚、この仕切板１９のフランジ部１９ａには、前記フラットケーブル１８が挿通される挿通孔１９ｂが、前記ケーブル挿通孔１１ｃ及び１２ｃにラップするように形成されている。
【００３０】
さらに、本実施例では、前記フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの外周側には、カバー２０が設けられる。このカバー２０は、円筒状に形成されると共に、基端側（図１で左側）に、前記仕切板１９よりもやや大きい径の円形開口部を有したリング状の底板２０ａを一体に有している。このカバー２０は、その先端部が前記第３アーム５のフレーム９に固定されている。
【００３１】
このとき、前記底板２０ａが、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの軸方向（図１で左方向）の変位を規制するずれ防止部として機能するようになっている。また、前記底板２０ａの下部には、前記フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの基端側（外周側）端部が通される挿通孔２０ｂが形成され、この挿通孔２０ｂは、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの外周側の端部を、例えば摩擦力により保持する保持部としても機能するようになっている。
【００３２】
尚、組付けにあたっては、フレキシブルチューブ１７を出力軸１５の周囲に緩やかに巻回した後、予め外周にフラットケーブル１８を緩やかに巻回しておいた仕切板１９を連結板１１に取付け、その後、カバー２０をフレーム９に取付けるといった手順をとることができる。また、前記仕切板１９の基端部の内周面側、あるいは出力軸１５の途中部に、フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａの基端側端部を保持する保持部を設けたり、巻回部分１７ａの軸方向（図１で左右方向）の変位を規制するずれ防止部を設けることもできる。
【００３３】
次に、上記構成の作用について述べる。上記した第３アーム５と第４アーム６とを連結する関節部構造においては、フレキシブルチューブ１７及びフラットケーブル１８が通された状態で、第３アーム５に対し第４アーム６が回転されるのであるが、今、第４アーム６が第３アーム５に対し一方向に回転（例えば右回転）すると、フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａが、例えば巻きが締まる方向に変位し、これと共に、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａについても、例えば巻きが締まる方向に変位する。
【００３４】
これに対し、第４アーム６が第３アーム５に対し反対方向に回転（例えば左回転）すると、今度は、フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａが、例えば巻きがより緩む方向に変位し、これと共に、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａについても、例えば巻きがより緩む方向に変位する。
【００３５】
これにて、それらフレキシブルチューブ１７及びフラットケーブル１８が、捩じれたり、過大な力で引張られたり、フレーム９，１２等に挟み込まれたりすることなく、第４アーム６の回転に追従することができるのである。この場合、巻回部分１７ａ及び１８ａを十分に緩やかに巻回して構成することによって、第４アーム６の第３アーム５に対する回動範囲を広くとることができ、第３アーム５対する第４アーム６の１回転を越える回動範囲を容易に得ることができ、多回転させることも可能となるのである。
【００３６】
このとき、それらフレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａ及びフラットケーブル１８の巻回部分１８ａは、出力軸１５の内周側及び外周側に夫々配置されるので、それらの配置スペースが軸方向に大形化することを防止することができる。また、エア配管として安価なフレキシブルチューブ１７を採用でき、エアー通路を高精度で加工するといったことは不要なので、比較的簡単な構成で安価に済ませることができる。
【００３７】
そして、フレキシブルチューブ１７の巻回部分１７ａとフラットケーブル１８の巻回部分１８ａとの間に設けられた仕切板１９により内外周が仕切られるようにしたので、巻回部分１７ａの巻きが緩む際の空間が確保されると共に、巻き緩んだ際に必要以上に外周側に変位することを防止できる。また、外周側に位置するフラットケーブル１８の巻回部分１８ａを配置（巻回）する作業が容易となり、その巻回部分１８ａの巻きが締まる際に必要以上に内周側に変位することを防止できる。巻回部分１７ａと巻回部分１８ａとが互いに干渉して絡み合ったりすることが防止されることは勿論である。
【００３８】
さらに、フラットケーブル１８の巻回部分１８ａの外周側に、円筒状のカバー２０を設けるようにしたので、巻回部分１８ａの外周側への変位を規制できて、その巻回部分１８ａが金属製のフレーム９等に接触して傷付くといったことを未然に防止することができる。しかも、カバー２０の底板２０ａにより、巻回部分１８ａの軸方向のずれを防止することができ、巻回部分１８ａの端部を保持させた状態で配設することができる。
【００３９】
このように本実施例によれば、第３アーム５に対して第４アーム６を回転可能に連結すると共に、エア配管１７及び配線１８をそれらアーム５，６内を通すようにした関節部構造にあって、アームの回動範囲が比較的狭い範囲に限定されてしまう従来のものと異なり、比較的簡単な安価な構成で済ませながらも、第３アーム５に対する第４アーム６の回動範囲を十分に広げることができ、多回転をも可能とすることができる等の優れた効果を得ることができるものである。
【００４０】
尚、上記実施例では、配線全体をフラットケーブル１８から構成するようにしたが、少なくとも巻回部分１８ａのみをフラットケーブルから構成すれば、要求される機能を確保することができる。この場合、フラットケーブルは比較的幅広なものとなるため、アーム内の所定のスペースに配線を通しにくくなる等のデメリットが生ずるケースがあるので、そのようなケースでは、配線を、巻回部分のみをフレキシブルなフラットケーブルから構成し、その外側の各アーム内に配置される部分を一般ケーブルから構成すれば良い。さらにこのとき、前記カバー２０に、配線のうちフラットケーブルからなる巻回部分とその外側の一般ケーブル部分とを接続するためのコネクタ部を設けるようにすれば、フラットケーブルの組付け及びその後の一般ケーブル部分との接続が容易となる。
【００４１】
また、上記実施例では、フレキシブルチューブ１７を内周側に配置し、フラットケーブル１８を外周側に配置するようにしたが、その配置は逆であっても良い。さらには、上記実施例では、フレキシブルチューブ１７を１本のみ通す構成としたが、２本以上のエア配管を通す場合でも、同様にそれらエア配管をフレキシブルチューブから構成し、それらをまとめてスパイラル状に緩やかに巻回して配置すれば良い。
【００４２】
その他、上記実施例では、第３アーム５と第４アーム６とを連結する関節部に本発明を適用するようにしたが、他の関節部についても同様の構成を採用することが可能である。また、仕切板１９やカバー２０についても、必要に応じて設ければ良い。さらには、ロボット本体のアームの全体的な構成や、各アームの形状、サーボモータや減速機、軸受の配置や構成などの細部についても、様々な変形が可能であるなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、第３アームと第４アームとを連結する関節部の構成を示す縦断正面図
【図２】第３アームの先端面を示す側面図
【図３】ロボット本体の外観構成を示す正面図
【符号の説明】
図面中、１はロボット本体、５は第３アーム（第１のアーム）、６は第４アーム（第２のアーム）、１５は出力軸、１７はフレキシブルチューブ（エア配管）、１７ａは巻回部分、１８はフラットケーブル（配線）、１８ａは巻回部分、１９は仕切板、２０はカバー、２０ａは底板（ずれ防止部）を示す。

Claims (8)

1. 第１のアームに対して、該第１のアームに設けられた出力軸により回転されるように第２のアームを回転可能に連結すると共に、エア配管及び配線をそれら第１及び第２のアーム内を通すようにしたロボットの関節部構造であって、
   前記エア配管をフレキシブルなチューブから構成すると共に、前記配線の少なくとも一部をフレキシブルなフラットケーブルから構成し、
   前記出力軸の周囲のうち内周側及び外周側の一方に、前記エア配管をスパイラル状に緩やかに巻回して配置すると共に、内周側及び外周側の他方に、前記配線のフラットケーブル部分を緩やかに巻回して配置したことを特徴とするロボットの関節部構造。
2. 前記配線は、前記巻回部分のみがフレキシブルなフラットケーブルから構成され、その外側の各アーム内に配置される部分は一般ケーブルから構成されることを特徴とする請求項１記載のロボットの関節部構造。
3. 前記エア配管の巻回部分と前記配線の巻回部分との間には、それらを仕切る円筒状の仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの関節部構造。
4. 前記仕切板には、前記エア配管又は配線の巻回部分の軸方向の変位を規制するずれ防止部が設けられていることを特徴とする請求項３記載のロボットの関節部構造。
5. 前記外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の外周側には、円筒状のカバーが設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のロボットの関節部構造。
6. 前記カバーには、前記配線又はエア配管の巻回部分の軸方向の変位を規制するずれ防止部が設けられていることを特徴とする請求項５記載のロボットの関節部構造。
7. 前記カバーには、前記外周側に位置する配線又はエア配管の巻回部分の端部を保持する保持部が設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載のロボットの関節部構造。
8. 前記カバーには、前記配線のうちフラットケーブルからなる巻回部分とその外側の一般ケーブル部分とを接続するためのコネクタ部が設けられていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のロボットの関節部構造。

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