JP2010094749A - 多関節ロボット及びロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】より小型化できるようにした、多関節ロボット及びロボットシステムを提供する。
【解決手段】アーム構造体６にモータ１２,１３を内蔵した多関節ロボットであって、
モータにより駆動される被駆動体７と、モータ１２,１３と別体に形成され、ブレーキ軸を介してモータの回転を規制するブレーキ１４,１５と、モータ１２,１３の出力軸とブレーキ１４,１５のブレーキ軸１４Ａ,１５Ａとの間を動力伝達可能に連結する動力伝達部１９とを有しているを有して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節駆動用のモータを内蔵する多関節ロボット及びロボットシステムに関する。

一般に産業用ロボット等の多関節ロボットは、アームの先端にハンドや溶接トーチ等のエンドエフェクタが取付けられており、種々の作業を行なうことができる。

このようなロボットは、ロボットのアームを構成する複数のアーム構造体が関節部を介して連結され、各アーム構造体は関節部を形成するアクチュエータの駆動により揺動（傾動）あるいは回転（旋回）移動するようになっている。
前述したアクチュエータは、アーム構造体の内部に配設されており、モータ、減速機及びブレーキが一体に形成され、プーリ及びベルトを介してアーム構造体を揺動及び回転させるようになっている。

例えば特許文献１には、図６に示すように、モータ１０１，１０２がアーム構造体１００の内部に配設される技術が開示されている。
特開２００８−０２３６４２

ところで、多関節ロボットは、軽量化や狭い作業スペースにおいての作業性の改善等のため、出力を維持しながらも多関節ロボットのアーム部の寸法を小型化することが求められている。

しかしながら、多関節ロボットの出力は内蔵するモータの出力（即ち、モータの大きさ）に相関するが、特許文献１の技術では、アーム構造体１００はモータのサイズによって外形寸法が制限されるため、従来の産業用ロボットにおいてアーム構造体を小型化することが困難であった。

本発明は、このような課題に鑑み創出されたもので、より小型化できるようにした、多関節ロボット及びロボットシステムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、旋回（回転）及び傾動（揺動）自在の手首ユニットを配設したアーム構造体の内部に配設されたモータとブレーキとを分離したアーム構造体を有する多関節ロボット及びロボットシステムが提供される。

すなわち、本願発明（請求項１）は、アーム構造体にモータを内蔵した多関節ロボットであって、前記モータにより駆動される被駆動体と、前記モータと別体に形成され、ブレーキ軸を介して前記モータの回転を規制するブレーキと、前記モータの前記出力軸と前記ブレーキの前記ブレーキ軸との間を動力伝達可能に連結する動力伝達部とを有していることを特徴としている。
前記モータの前記出力軸と、前記ブレーキ軸とが平行に配置されていることが好ましい（請求項２）。
アーム構造体の内部に配設されたモータは、ブレーキ構造体と分離されることにより従来型のモータよりも長さが短縮されるため、その結果、従来技術の場合と比較するとモータを収納するのに必要なアーム構造体の幅（短手方向の寸法）を小さくすることが可能となる。

また、前記動力伝達部は、前記モータの前記出力軸と前記ブレーキの前記ブレーキ軸とに動力伝達可能に巻回された無端ベルトを有していることが好ましい（請求項３）。
なお、ここでいう無端ベルトとは帯状のものに限定されるものではなく、無端状に形成される部材であれば、チェーンやワイヤ等の部材も含むものである。
これによれば、モータの出力軸とブレーキのブレーキ軸とを無端ベルトによって動力伝達可能に接続することにより、ブレーキの制動力を確実にモータに伝達し、モータを制動することができる。また、無端ベルトおよびそれを巻回するプーリ−は軽量かつ簡便であるので、アーム構造体をさらに軽量化および小型化できる。

また、前記被駆動体は、前記アーム構造体に揺動可能に連結される第２アーム構造体であって、前記アーム構造体は、前記第２アーム構造体を揺動（傾動）させる揺動用モータと、前記第２アーム構造体を回転（旋回）させる回転用モータとを内蔵することが好ましい（請求項４）。
これによれば、第２アーム構造体を揺動及び回転させるためのモータをいずれもアーム構造体の内部に収納しながらも、多関節ロボットをできる限り小型化することができる。
また、前記揺動用モータの出力軸及び前記回転用モータの出力軸は、それぞれ、無端ベルトを介して前記第２アーム構造体側に動力伝達可能に連結されることが好ましい（請求項５）。
これによれば、少ないスペースに配置可能であり、アーム構造体に内蔵されたモータの出力を第２アーム構造体側に確実に伝達することができる。

また、前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、前記２つのモータは積層され、前記２つにブレーキは前記２つのモータよりも多関節ロボットの基端側に積層されていることが好ましい（請求項６）。
これによれば、アーム構造体内部の半径方向のスペースを有効に利用して２つのモータ及び２つのブレーキを積層配置することで、アーム構造体の寸法（半径寸法及び長さ寸法）を小型化することができる。

また、前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、
前記２つのモータ及び前記２つのブレーキが前記アーム構造体の長手方向にそれぞれタンデムに配置されていることも好ましい（請求項７）。
これによれば、２つのモータと２つのブレーキとがアーム構造体に直列（タンデム）に配置されるため、アーム構造体の半径寸法（太さ）を小型化（スリム化）することができる。

また、前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、前記２つのモータが前記アーム構造体の長手方向にタンデムに配置され、前記２つにブレーキは前記２つのモータの短手方向にタンデムに配置されることも好ましい（請求項８）。
これによれば、モータの寸法に比してブレーキの寸法が小さいことにより生じるスペースを有効に利用して２つのブレーキをモータの軸方向（短手方向）に直列（タンデム）配置することで、アーム構造体の寸法（半径寸法及び長さ寸法）を小型化することができる。

また、前記２つのモータは、出力軸がそれぞれ反対向きとなるように配設されていることが好ましい（請求項９）。
これによれば、各モータとブレーキ及び被駆動体とを連結する動力伝達部材同士が干渉することを防止することができる。

前記アーム構造体には、前記アーム構造体を回転させるアクチュエータが連結されていることが好ましい（請求項１０）。
アーム構造体の多関節ロボット基端側にアーム構造体自体を回転させるアクチュエータが配置された状態であってもスペースを有効に利用して多関節ロボットの寸法を小型化することができる。
また、本願発明（請求項１１）のロボットシステムは、請求項１〜９のいずれか１項に記載の多関節ロボットを備えていることを特徴としている。

モータとモータを制動するためのブレーキとが別体に構成されるので、同出力のモータを用いた場合のアーム構造体の内部においてのモータの配置にかかる設計自由度を向上させることができる。
即ち、一般的なモータは、モータとブレーキとが一体となって形成されているため、モータの出力軸方向の寸法が大きくなりアーム構造体の内部に配置したときに無駄なスペースが生じやすい。これに対して、本発明の多関節ロボットによればモータとブレーキとが分離しているため、アーム構造体の内部のスペースを有効に利用することができ、アーム構造体自体の寸法を小型化することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１〜図３はいずれも本発明の第１実施形態を説明するためのものであって、図１は多関節ロボットのアーム構造体を模式的に示す平面図、図２は多関節ロボットのアーム構造体を模式的に示す分解図、図３は多関節ロボットの全体図を示す模式的な斜視図である。

図３に示すように、本実施形態にかかるロボットシステム５０は、多関節ロボット１と多関節ロボット１の動作を制御する制御装置（コンピュータ）５１とから構成されており、多関節ロボット１は、制御装置５１に入力された所定プログラムに従って図示しないワークの搬送または位置決め、もしくは種々のロボット作業等を遂行する。
多関節ロボット１は、いわゆる垂直多関節ロボットであり、図示省略のフロアに固定される基台２には、旋回ヘッド３、アーム４、ケーシング５，アーム６，手首ユニット７が多関節ロボット１の基端から先端に順番に連結されている。これらの基台２，旋回ヘッド３，アーム４，６手首ユニット７はそれぞれ多関節ロボット１を支持する構造部材（構造体）である。
なお、本実施形態ではアーム６が本発明におけるアーム構造体に相当し、手首ユニット７が第２のアーム構造体（被駆動体）に相当する。
ケーシング５の内部には、アーム６を回転させる図示省略のアクチュエータが内蔵されており、このアクチュエータの一部を形成する減速機１０がアーム６の基端側に動力伝達可能に連結されている。
手首ユニット７はアーム６の先端側に揺動可能に連結されている。手首ユニット７には、ワークを把持するための手首フランジ８が備えられている。

次に、アーム６の構成についてより詳細に説明する。図１及び図２に示すように、アーム６は、上下の箱体１１Ａ，１１Ｂを接合して形成されており、アーム６の内部には、第一モータ（揺動用モータ）１２、第二モータ（回転用モータ）１３、第一ブレーキ（揺動用ブレーキ）１４、第二ブレーキ（回転用ブレーキ）１５、無端ベルト１６〜１９、プーリ（動力伝達部）２１〜２８が収納（内蔵）されている。

図１及び図２に示すように、第一モータ１２と第一ブレーキ１４とは別体に形成されておりそれぞれの軸（出力軸１２Ａ及びブレーキ軸１４Ａ）が平行となるように並列に配置されている。また、第二モータ１３と第二ブレーキ１５も別体に形成されておりそれぞれの軸（出力軸１３Ａ及びブレーキ軸１５Ａ）が平行となるように並列に配置されている。
第一モータ１２は第二モータ１３に積層され、第一ブレーキ１４は第二ブレーキ１５に上下に積層されている。第一ブレーキ１４及び第二ブレーキ１５は、第一モータ１２及び第二モータ１３よりも多関節ロボット１の基端側（即ち、多関節ロボット１の基台２側）に配設されている。
また、それぞれ２つのモータ１２，１３はいずれもサーボモータであり出力軸１２Ａ，１２Ｂがそれぞれ互いに反対向きになるように配設されている。

第一モータ１２の出力軸１２Ａには、第一モータ１２側から順にプーリ２３とプーリ２４とがいずれも出力軸１２Ａと一体回転可能に取り付けられている。
また、第二モータ１３の出力軸１３Ａには、第一モータ１３側から順にプーリ２５とプーリ２６とがいずれも出力軸１３Ａと一体回転可能に取り付けられている。
第一ブレーキ１４のブレーキ軸１４Ａには、プーリ２７とがブレーキ軸１４Ａと一体回転可能に取り付けられている。第二ブレーキ１５のブレーキ軸１５Ａには、プーリ２８とがブレーキ軸１５Ａと一体回転可能に取り付けられている。
第一モータ１２側のプーリ２３と第一ブレーキ１４のプーリ２７とには、無端状（ループ状）に形成された動力伝達部の一部をなす無端ベルト１８が、すべりが生じないように巻回されており、第一モータ１２の出力軸１２Ａとブレーキ１４のブレーキ軸１４Ａとに回転力を伝達可能となっている。これにより、ブレーキ１４が作動することで第一モータ１２の回転が規制され、ブレーキ１５が作動することで第二モータ１３の回転が規制されるようになっている。
なお、第一モータ１２側のプーリ２４及び第二モータ１３側のプーリ２５の半径は、第一ブレーキ１４側のプーリ２７及び第二ブレーキ１５側のプーリ２８の半径よりも大きくなるように設定されており、各ブレーキ１４，１５による制動力を増大させて第一モータ１２及び第二モータ１３側に伝達するようになっている。

第二モータ１３側のプーリ２５と第二ブレーキ１５のプーリ２８とには、無端状（ループ状）に形成された動力伝達部の一部をなす無端ベルト１９が、すべりが生じないように巻回されており、第二モータ１３の出力軸１３Ａとブレーキ１５の軸１５Ａとに回転力を伝達可能となっている。
なお、第二モータ１３側のプーリ２５の半径は、第二ブレーキ１５のプーリ２８半径よりも大きくなるように設定されており、ブレーキ１５による制動力を増大させて第二モータ１３側に伝達するようになっている。

アーム６には、対をなして突出した突出部６Ａが形成されており、突出部６Ａには、手首ユニット７を枢支するための軸受け部６Ｂが形成されている。手首ユニット７の軸２０には両端部にプーリ２１，２２が取り付けられている。
プーリ２１と第一モータ１２側のプーリ２４とには無端状（ループ状）に形成された無端ベルト１６が、すべりが生じないように巻回されており、プーリ２１とプーリ２５とが回転力を伝達可能に連結されている。また、プーリ２２と第二モータ１３側のプーリ２６とには無端状（ループ状）に形成された無端ベルト１７が、すべりが生じないように巻回されており、プーリ２２とプーリ２６とが回転力を伝達可能に連結されている
なお、無端ベルト１６及び無端ベルト１７はそれぞれ突出部６Ａの内部に位置するように配置されている。

プーリ２１は手首ユニット７の軸（軸Ｂ）２０と図示しない減速機を介して一体回転可能に連結されており、プーリ２１の回転により手首ユニット７を揺動するようになっている。
手首ユニット７は、図示しないベベルギアを内蔵しており、プーリ２２の回転をベベルギア（回転の軸方向を変更する機構）を介して９０度変換して手首フランジ８の図示しない減速機を介して手首フランジ８を軸Ｂに直交する軸Ｔを中心に回転させるようになっている。

本発明の第１実施形態にかかる多関節ロボット及びロボットシステムは上述のように構成されているので、図１からも分かるように、モータ１１Ａ，１１Ｂとブレーキ８Ａ，８Ｂを分離した構造によって、図６に示したようなモータとブレーキとが一体に形成された一般的なモータよりもモータの軸方向の長さが短縮される。これにより、アーム構造体１３Ａ，１３Ｂの幅を短縮することが可能となり、図１における本発明のアーム構造体と図６における従来技術の多関節ロボットと比較してアーム６の寸法を小さくすることができる。
つまり、アーム６の内部に配設された２つのモータ１２，１３が、ブレーキと別体であるため、箱体１１Ａ，１１Ｂの短手方向（幅方向）のみならず長手方向の空間までも利用して２つのモータ１２，１３及びブレーキ１４，１５を収納することができ、アーム６の内部空間を有効に利用してアーム６内部の充填率を向上させることができる。これにより、同じ出力（モータの駆動部のサイズが同じ）の２つのモータ１２，１３を収納するのに必要なアーム構造体の幅を小さくすることが可能となる。

また、各モータ１２，１３からの出力伝達機構が軽量かつ簡便な各無端ベルト１６〜１９およびそれを巻回する各プーリ−２１〜２８により構成されているのでアーム６さらには多関節ロボット１を軽量化および小型化できる。
さらに、無端ベルト１６，１７をアーム６に設けた突出部６Ａの内部に配置させて手首ユニット７側に動力を伝達するように構成されているので、さらに省スペース化をはかることができる。
また、各モータ１２，１３の出力軸１２Ａ，１２Ｂが互いに反対向きとなるように配置されているので、手首ユニット７の揺動のための動力伝達系と手首フランジ８を回転させるための動力伝達系とが接触するなどの干渉をより確実に防止することができる。

さらに本実施形態にかかる本発明によれば、モータ１２，１３とブレーキ１４，１５とを分離しているため、モータ１２，１３あるいはブレーキ１４，１５に不具合が発生した場合であっても交換が必要となった場合、モータかブレーキのいずれかを交換すれば良いため、部品交換にかかるコストを低減することができるというメリットもある。

また、ブレーキ１４，１５とモータ１２，１３とが分離しているので、それぞれの外表面積が増えモータ１２，１３及びブレーキ１４，１５からの放熱性が良くなり、モータの信頼性が高くなるという利点もある。

また、アーム６の内部の設計自由度が向上するため、ロボットの設計においてユーザーの要求に合わせて最適な形状にアーム構造体の長さや幅を設定することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態はアーム６の内部の収納構成が第１実施形態と異なっており、第１実施形態のものと同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図４に示すように、本実施形態では、第一モータ１２，第一ブレーキ１４，第二モータ１３及び第二ブレーキ１５がアーム６の長手方向に一列に（タンデムに）配置されている。

本発明の第２実施形態にかかる多関節ロボット及びロボットシステムは上述のように構成されているので、第１実施形態の作用効果に加えてアーム６の長手方向の寸法が比較的長い場合に特に有効であり、アーム６をスリムに構成することができる。これにより、多関節ロボット１がより狭い隙間に対しても手首ユニット７あるいはアーム６を進入させることができ、多関節ロボット１の作業性を向上させることができる。

また、内部に収納される機器を含むアーム６の重心の位置が手首ユニット７と反対側へ移動するため、アーム６を動作させる各駆動部（アーム６よりも基台２側に配置されているアクチュエータ）にかかる負荷が小さくなり位置決め精度等の信頼性が向上する。または、重量の大きいワークに対しても精度よく搬送作業を行なうことが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態はアーム６の内部の収納構成が第１実施形態と異なっており、第１実施形態のものと同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図５に示すように、本実施形態では、第一モータ１２及び第二モータ１３がアーム６の長手方向に一列（タンデム）に配置され、第一ブレーキ１４及び第二ブレーキ１５は、第一モータ１２よりも基端側にアーム６の短手方向に一列に配置されている。
これらの２つのブレーキ１４，１５の軸１４Ａ，１５Ａは同一の軸線上で反対向きになるように配置されている。

本発明の第３実施形態にかかる多関節ロボット及びロボットシステムは上述のように構成されているので、第１実施形態の作用効果に加えて２つのモータ１２，１３の軸方向寸法に比してブレーキ１４，１５の寸法が小さいことによりアーム６の内部に生じるスペースを有効に利用することができ、アーム６の短手方向の寸法及び長手方向の寸法を小型化することができる。
即ち、図５の構造では、図６に示す従来技術と比較してアームの長さを短縮することができる。これにより、アーム６を動作させる各駆動部（アーム６よりも基台２側に配置されているアクチュエータ）にかかる負荷がより小さくなるため、位置決め精度等の信頼性が向上する。また、アーム６の内部にブレーキを固定するための固定用の部材を２つのブレーキ１４，１５に対して共通のものを使用することができるため、前述の実施形態のものよりも部品点数が少ないというメリットがある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
実施形態にかかるロボットシステムは、フロアに固定された多関節ロボット（多関節ロボット）と制御装置によって構成したが、本発明のロボットシステムは実施形態のものに限らず適宜適用可能である。例えば、移動ユニット上に多関節ロボットを設置するなどして多関節ロボットと移動ユニットとを組み合わせたロボットシステムに本発明を適用してもよい。

また、上述の実施形態においては、アーム６を本発明におけるアーム構造体として構成したが、本発明は多関節ロボットの構造体をなすどの部材に適用してもよい。多関節ロボットの構造体のそれぞれについて場所や形状に応じて適宜変形して適用してもよい。
さらに、実施形態においては、アーム構造体としてモータ及びブレーキを完全に収納する箱状のものを例に説明したが、アーム構造体はモータ及びブレーキを内部に支持するものであればアーム構造体の形状は箱状に限らず適用することができる。
また、アーム構造体内のモータによって駆動される被駆動体についてもアーム構造体に限定されるものではなく、アーム構造体内のモータによって駆動されるものであれば適宜設定可能である。
また、動力伝達部についてもプーリ及び無端ベルトに限定されるものではなく、モータの回転を伝達しうる機構であれば適宜適用可能である。

また、実施形態においては、六軸垂直多関節ロボットに含まれるアーム構造体について説明したが、本発明のアーム構造体を他の多関節ロボットにも採用できるのは当業者であれば明らかであろう。

本発明の第１実施形態にかかるアーム構造体を模式的に示す平面図である。 本発明の第１実施形態にかかるアーム構造体を模式的に示す分解図である。 本発明の第１実施形態にかかるロボットシステムの全体図を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかるアーム構造体を模式的に示す分解図である。 本発明の第３実施形態にかかるアーム構造体を模式的に示す分解図である。 従来技術にかかる多関節ロボットの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 多関節ロボット
２ 基台
３ 旋回ヘッド
４ アーム
５ ケーシング
６ アーム（アーム構造体）
７ 手首フランジ
８ 手首ユニット
１０ 減速機
１１Ａ，１１Ｂ 箱体
１２ 第一モータ（揺動用モータ）
１２Ａ 出力軸
１３ 第二モータ（回転用モータ）
１３Ａ 出力軸
１４ 第一ブレーキ（揺動用ブレーキ）
１４Ａ 軸（ブレーキ軸）
１５ 第二ブレーキ（回転用ブレーキ）
１５Ａ 軸（ブレーキ軸）
１６〜１９ 無端ベルト
２０ 軸
２１，２２，２４，２６ プーリ
２３，２５，２７，２８ プーリ（動力伝達部）
５０ ロボットシステム
５１ 制御装置

Claims (11)

1. アーム構造体にモータを内蔵した多関節ロボットであって、
   前記モータにより駆動される被駆動体と、
   前記モータと別体に形成され、ブレーキ軸を介して前記モータの回転を規制するブレーキと、
   前記モータの前記出力軸と前記ブレーキの前記ブレーキ軸との間を動力伝達可能に連結する動力伝達部とを有している
   ことを特徴とする、多関節ロボット。
2. 前記モータの前記出力軸と、前記ブレーキ軸とが平行に配置されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の多関節ロボット。
3. 前記動力伝達部は、
   前記モータの前記出力軸と前記ブレーキの前記ブレーキ軸とに動力伝達可能に巻回された無端ベルトを有している
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の多関節ロボット。
4. 前記被駆動体は、前記アーム構造体に揺動可能に連結される第２アーム構造体であって、
   前記アーム構造体は、
   前記第２アーム構造体を揺動させる揺動用モータと、
   前記第２アーム構造体を回転させる回転用モータとを内蔵する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
5. 前記揺動用モータの出力軸及び前記回転用モータの出力軸は、それぞれ、無端ベルトを介して前記第２アーム構造体側に動力伝達可能に連結される
   ことを特徴とする、請求項４記載の多関節ロボット。
6. 前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、
   前記２つのモータは積層され、
   前記２つにブレーキは前記２つのモータよりも多関節ロボットの基端側に積層されている
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
7. 前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、
   前記２つのモータ及び前記２つのブレーキが前記アーム構造体の長手方向にそれぞれタンデムに配置されている
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
8. 前記アーム構造体には、２つのモータと２つのブレーキとが収められ、
   前記２つのモータが前記アーム構造体の長手方向にタンデムに配置され、
   前記２つのブレーキは前記アーム構造体の短手方向にタンデムに配置される
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
9. 前記２つのモータは、出力軸がそれぞれ反対向きとなるように配設されている
   ことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
10. 前記アーム構造体には、前記アーム構造体を回転させるアクチュエータが連結されている
    ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の多関節ロボットを備えている
    ことを特徴とする、ロボットシステム。

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