JP5004020B2 - 多関節マニピュレータおよびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数のアーム体と各アーム体を回転自在に連結する関節部を有する多関節マニピュレータに関し、特にその関節部が、隣接する２つのアーム体を同軸回転自在に連結する同軸関節部と、一方のアーム体を他方のアーム体に対して回転自在に連結する直交関節部とによって構成される多関節マニピュレータに関する。

従来の直立可能なマニピュレータは、斜交関節を折りたたみ、狭隘な空間であってもマニピュレータを配置することができている。斜交関節を中空で実現するため、中空形状の波動歯車減速機構を備えている（特許文献１参照）。また斜交関節を駆動するために減速機構へのモータ回転軸は、関節回転軸と平行な場合は平歯車、傾斜の場合には傘歯車により伝達されている（特許文献２参照）。
図４は特許文献１のマニピュレータを示す図である。図４において、２０は多関節マニピュレータであり、Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ３は第３のアーム体であり、Ｃ４は第４のアーム体であり、Ｃ５は第５のアーム体であり、Ｃ６は第６のアーム体である。各アーム体は、各々４５度の角度を成して傾斜する回転軸線まわりに回転自在に連結されている。多関節マニピュレータ２０は、各アーム体Ｃ１〜Ｃ６を回転することによって、第６のアーム体Ｃ６に設けられる図示しない手先装置の位置および姿勢を変えることができる。第１のアーム体Ｃ１と第２のアーム体Ｃ２、第２のアーム体Ｃ２と第３のアーム体Ｃ３、第３のアーム体Ｃ３と第４のアーム体Ｃ４、第５のアーム体Ｃ５と第６のアーム体Ｃ６とをそれぞれ互いに９０度屈曲姿勢から、第２のアーム体Ｃ２に対して第３のアーム体Ｃ３を回転させるとともに、第３のアーム体Ｃ３に対して第４のアーム体Ｃ４を回転させることによって、第６のアーム体Ｃ６の位置を第１のアーム体Ｃ１から横方向Ｙに遠ざけるとともに、高さ方向Ｚに小さくすることができる。これによって第６のアーム体Ｃ６の姿勢を保ち、第６のアーム体Ｃ６と基台２１との縦方向Ｚの距離が短い状態で、第６のアーム体Ｃ６を横方向Ｙに移動させることができる。このように、従来のマニピュレータは、斜交関節を折りたたみ狭隘な空間であってもマニピュレータを配置することができている。
また、図５は特許文献２によるロボットの関節機構を示す図である。図５では、モータ１２の回転が傘歯車４０，４２を介し、斜交関節６を駆動している。 このように、従来のマニピュレータの斜交関節は、歯車装置を介してして関節を駆動している。
特開２００４−１４８４４９号公報 特開２００３−０２５２６９号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の直立可能なマニピュレータは、斜交関節となっていて、一般的な直交関節を有する産業用ロボットと軸動作が異なっており、従来の一般的な直交関節を有する産業用ロボットと同一の移動軸と移動量で軸操作を行った場合、意図しない方向へ動作し教示時間が伸びるという問題があった。
また、特許文献２のように、斜交関節を実現するために歯車が用いられたが、回転数を上げると動作音が上昇し、ロボット動作速度を上げることが出来ないという問題があった。さらに、モータと駆動部が歯車結合されているため、アームを短くして狭隘な空間への設置することが困難であった。また、特許文献２のような構成では、アーム外皮の円筒部材と関節部との間にモータを配設する必要がある（モータ１２の位置）ため、アーム外径を細くすることができなかった。また、関節部の中空部にアプリケーション上必要な線状体を多数敷設すると、さらにモータを設置する寸法が小さくなり、高出力のモータを採用できず、ロボットの動作速度や可搬質量が上がらないというような問題もあった。逆に、高出力のモータを設置すると、アーム外形が大きくなり、かつ、中空径が確保できずアプリケーションケーブルが敷設できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、教示方法を容易化するとともに、アームの動作速度を向上させ、重量物を狭隘な空間で搭載可能なマニピュレータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の一態様に係る多関節マニピュレータによれば、概ね直列に設けられる複数のアーム体と、前記複数のアーム体のうち隣接する２つのアーム体を回転自在に連結する関節部とを備える多関節マニピュレータにおいて、隣合う前記関節部の回転軸どうしが、互いに直角で交差するように設けたもので、すなわち、従来の一般的な６軸の多関節ロボットのように、６軸のうち一部の隣合う関節部の回転軸が、同じ方向を向くような構成としていない。この場合、ロボット教示方法を容易にすることができる。
本発明の他の態様に係る多関節マニピュレータによれば、概ね直列に設けられる複数のアーム体と、前記複数のアーム体のうち隣接する２つのアーム体を回転自在に連結する関節部とを備える多関節マニピュレータにおいて、隣合う前記関節部の回転軸どうしが、同一平面上において互いに直角で交差するように設けたもので、すなわち、複数のアーム体を回転させる関節部の回転軸が、全て同一平面上に整列することができるように構成している。この場合、アーム体が略直線状に並ぶように動かすことができ、狭い場所でも設置できるようになる。また、必要に応じてロボット高さ方向を低く抑えることができる。また、高速動作、高可搬質量とすることができる。
なお、前記関節部は、サーボモータの回転軸と減速機の回転軸とが同軸になって連結されたアクチュエータによって、前記アーム体を回転自在に駆動するもので、従来の関節部のように、減速機とサーボモータとの間に歯車などの伝達機構を備えないように構成してもよい。この場合、歯車部分の騒音が減り、この部分のスペースも不要となる。
また、前記サーボモータと前記減速機とが一体に形成されたアクチュエータで構成されているもので、サーボモータと減速機とが一体に形成されたアクチュエータを採用した構成としてもよい。この場合、アクチュエータが関節回転軸方向にコンパクトに扁平に構成されるので、アーム寸法を小さくすることができ、全体としてさらに狭隘な空間への設置が可能となる。
また、前記アクチュエータは、前記サーボモータの回転軸と前記減速機の回転軸とに中空穴が形成されているもので、サーボモータと減速機のそれぞれの回転軸に、軸方向に貫通している中空穴を形成し、アクチュエータの軸方向に一貫した貫通穴を有しているアクチュエータとしてもよい。さらに、前記中空穴に線状体が挿入されて、前記複数のアーム体及び前記関節部を順次通過するよう配設されているもので、ケーブルなどの線状体が、多関節マニピュレータの外部（外回り）に這いまわされるのではなく、アーム体の内部の中空穴に挿入されていくようにして配設されるように構成してもよい。この場合、ケーブル等の線状体が中空穴を通過できるように構成できるので、ケーブル等をマニピュレータアームの外部に這いまわす必要が無く、これにより周囲のものと線状体との干渉の危険が少なくなり、線状体の断線の恐れが少なくなる。
また、前記線状体は、前記サーボモータの動力線及び信号線であるもので、線状体が、関節部を構成するサーボモータに必要な動力線及び信号線が含まれるように構成してもよい。この場合、マニピュレータ自身に必要なモータの電力線などのケーブルも、アーム内部を這いまわることになり、さらにこれらケーブルは、回転軸の中心を通過することになるため、回転軸から離れた位置で這い回ることに対してケーブルのひねりが小さくなるので、断線の恐れが小さくなる。
また、前記線状体は、前記複数のアーム体の先端に連結されるエンドエフェクタの動力線、信号線及び流体用管であるもので、線状体が、アームの先端に連結されるエンドエフェクタ用の動力線、信号線、及び流体用の管が含まれるように構成してもよい。この場合、アーム体の先端に連結されるエンドエフェクタ用の動力線などもマニピュレータ内部に入れる構成としているので、マニピュレータの周囲のものとの干渉の危険性が少なくなる。
また、前記複数のアーム体の一端には、多関節マニピュレータが設置される設置面に固定されるベース体が設けられ、該ベース体には前記線状体が中継されるパネルが設置されているもので、線状体が、ベース体の中継パネルに接続され、マニピュレータのコントローラや、流体の流体源などに対して中継パネルを介して接続されるように構成してもよい。この場合、例えば塗装ロボットとして使用するとき、危険雰囲気の塗装エリアにマニピュレータが設置され、コントローラが危険雰囲気から隔絶されている非危険雰囲気に設置されても、容易に構成することができる。
また、前記線状体は、前記複数のアーム体の内部において、少なくとも１箇所で、コネクタによって接離可能に接続されているもので、線状体が、アーム体の内部の任意の位置でコネクタによって脱着可能に接続されるようにしてもよい。この場合、アーム体の内部の任意の位置で線状体を分離できるようにしているので、例えばメンテナンス時に必要な箇所で分離できるようにしておけば、作業性が容易になる。
また、前記線状体は、前記中空穴の前後で前記コネクタによって接離可能に接続されているもので、中空穴から出た線状体が、その中空穴の前後で、コネクタによって脱着可能となるように構成してもよい。この場合、中空穴の前後で線状体を分離できるようにしているので、コネクタが中空穴を通過できないような大きさであっても、線状体を分割することで、アクチュエータやアーム体を容易に分離できるようになる。また、中空部の大きさは線状体が占める断面径のみ考慮すればよく、コネクタサイズによらず最大限のケーブル本数を配設することが可能となる。
本発明の他の態様に係る多関節マニピュレータによれば、直列に設けられる複数のアーム体と、前記複数のアーム体のうち隣接する２つのアーム体を回転自在に連結する関節部とを備える多関節マニピュレータにおいて、前記直列に設けられる複数のアーム体の一端には、前記多関節マニピュレータが設置される設置面に固定されるベース体が連結されて、該ベース体によって前記複数のアーム体の一端が回転可能に支持され、前記複数のアーム体は、隣合う前記関節部の回転軸どうしが、同一平面上において互いに直角で交差するように設けられ、前記複数のアーム体が、前記設置面に対して全て直立した状態のとき、前記互いに直角で交差する回転軸の群のうち前記設置面に対して平行な軸を構成する各々のアクチュエータの位置が、前記設置面に対して平行な軸の直前の軸が該アクチュエータの長さの略中央付近を通過するような位置に設けられた多関節マニピュレータとするもので、設置面に固定されるベース体を設け、このベース体に複数のアーム体の一端を回転自在に連結し、また、複数のアーム体をそれぞれ回転自在に連結する関節部の回転軸が互いに直角で交差するように構成し、複数のアーム体を回転させる関節部の回転軸が、全て同一平面上に整列することができるように構成しているため、複数のアーム体が、設置面に対して全て直立した状態のとき、設置面に対して平行になる回転軸を駆動するアクチュエータの位置を、その回転軸に隣合う回転軸（直前の軸）が、仮想的にそのアクチュエータのほぼ中央を貫く位置に設置されるよう構成している。この場合、設置面に対して平行な回転軸のアクチュエータが、隣合う回転軸（すなわち設置面に対して垂直になり得る軸）に対してほぼ中央の位置にくるように設置されているので、設置面に対して平行な回転軸のアクチュエータの部分が、隣合う回転軸によって回転しても、回転時の旋回径が小さくなる。また、設置面に対してアーム体が略直線状に並ぶように動かすことができ、この状態でベース面に対してアーム体一式を回転したときの旋回径、すなわちマニピュレータの最小旋回径を小さく抑えることができる。
また、前記関節部は、サーボモータの回転軸と減速機の回転軸とが同軸になって連結されたアクチュエータによって、前記アーム体を回転自在に駆動するもので、従来の関節部のように、減速機とサーボモータとの間に歯車などの伝達機構を備えないように構成してもよい。この場合、従来の関節部のように減速機とサーボモータとの間に歯車などの伝達機構を備えないので、歯車部分の騒音が減り、この部分のスペースも不要となる。
また、前記サーボモータと前記減速機とが一体に形成されたアクチュエータで構成されているもので、サーボモータと減速機とが一体に形成されたアクチュエータを採用した構成としてもよい。この場合、アクチュエータが関節回転軸方向にコンパクトに扁平に構成されるので、アーム寸法を小さくすることができ、全体としてさらに狭隘な空間への設置が可能となる。
また、前記アクチュエータは、前記サーボモータの回転軸と前記減速機の回転軸とに中空穴が形成されているもので、サーボモータと減速機のそれぞれの回転軸に、軸方向に貫通している中空穴を形成し、アクチュエータの軸方向に一貫した貫通穴を有しているアクチュエータとしてもよい。この場合、ケーブル等の線状体が中空穴を通過できるように構成できるので、ケーブル等をマニピュレータアームの外部に這いまわす必要が無く、これにより周囲のものと線状体との干渉の危険が少なくなり、線状体の断線の恐れが少なくなる。
また、前記中空穴に線状体が挿入されて、前記複数のアーム体及び前記関節部を順次通過するよう配設されているもので、ケーブルなどの線状体が、多関節マニピュレータの外部（外回り）に這いまわされるのではなく、アーム体の内部の中空穴に挿入されていくようにして配設されるように構成してもよい。この場合、ケーブル等の線状体が中空穴を通過できるように構成できるので、ケーブル等をマニピュレータアームの外部に這いまわす必要が無く、これにより周囲のものと線状体との干渉の危険が少なくなり、線状体の断線の恐れが少なくなる。
また、前記線状体は、前記サーボモータの動力線及び信号線であるもので、線状体が、関節部を構成するサーボモータに必要な動力線及び信号線が含まれるように構成してもよい。この場合、マニピュレータ自身に必要なモータの電力線などのケーブルも、アーム内部を這いまわることになり、さらにこれらケーブルは、回転軸の中心を通過することになるため、回転軸から離れた位置で這い回ることに対してケーブルのひねりが小さくなるので、断線の恐れが小さくなる。
また、前記線状体は、前記複数のアーム体の先端に連結されるエンドエフェクタの動力線、信号線及び流体用管であるもので、線状体が、アームの先端に連結されるエンドエフェクタ用の動力線、信号線、及び流体用の管が含まれるように構成してもよい。この場合、アーム体の先端に連結されるエンドエフェクタ用の動力線などもマニピュレータ内部に入れる構成としているので、マニピュレータの周囲のものとの干渉の危険性が少なくなる。
また、前記ベース体には前記線状体が中継されるパネルが設置されているもので、線状体が、ベース体の中継パネルに接続され、マニピュレータのコントローラや、流体の流体源などに対して中継パネルを介して接続されるように構成してもよい。この場合、例えば塗装ロボットとして使用するとき、危険雰囲気の塗装エリアにマニピュレータが設置され、コントローラが危険雰囲気から隔絶されている非危険雰囲気に設置されても、容易に構成することができる。
また、前記線状体は、前記複数のアーム体の内部において、少なくとも１箇所で、コネクタによって接離可能に接続されているもので、線状体が、アーム体の内部の任意の位置でコネクタによって脱着可能に接続されるようにしてもよい。この場合、例えばメンテナンス時に必要な箇所で分離できるようにしておけば、作業性が容易になる。
また、前記線状体は、前記中空穴の前後で前記コネクタによって接離可能に接続されているもので、中空穴から出た線状体が、その中空穴の前後で、コネクタによって脱着可能となるように構成してもよい。この場合、コネクタが中空穴を通過できないような大きさであっても、線状体を分割することで、アクチュエータやアーム体を容易に分離できるようになる。また、中空部の大きさは線状体が占める断面径のみ考慮すればよく、コネクタサイズによらず最大限のケーブル本数を配設することが可能となる。
また、前記設置面に対して平行な一群の回転軸を各々構成するアクチュエータの中空穴において、前記線状体は、挿入された前記中空穴の前後でクランプ部材によって湾曲されるように固定されるとともに、前記設置面に対して平行な軸の直前の軸からの前記湾曲した部分の突出する距離が、前記中空穴の前後で略同等になるよう前記クランプ部材によって固定されるもので、線状体が、設置面に対して平行な回転軸のアクチュエータの中空穴の前後で、その回転軸に隣合う回転軸のアクチュエータに向かうように湾曲してクランプされていて、その中空穴の前後から突出したその湾曲部分の隣合う回転軸からの距離が、隣合う回転軸から同等になるように構成されてもよい。この場合、設置面に対して平行な回転軸の中空穴を通過した線状体の湾曲した部分も、その回転軸と隣合う回転軸からの距離が中空穴の前後でほぼ均等になるように構成できるので、さらに必要な旋回径を小さくできる。
また、前記複数のアーム体の各々は、その下部で前記隣合う関節部の直前の回転軸を駆動するアクチュエータに接続され、その内部空間が前記直前の回転軸から一旦離れるように蛇行して前記線状体の湾曲した部分を内包し、その上部で前記隣合う関節部の直後の回転軸を駆動するアクチュエータを保持するよう構成されたもので、アーム体の形状を蛇行した形状にすることにより、よりマニピュレータの幅を小さくするよう構成してもよい。
また、前記複数のアーム体の各々は、前記関節部を内包する剛体部分と、前記線状体の湾曲した部分を内包するカバー部分と、に分離できる構成とされ、前記カバー部分が、前記剛体部分の素材よりも軽量な樹脂性材料で形成されたもので、各アーム体の強度に影響しない部分、すなわち線状体の湾曲した部分を覆う部分をカバー部として、関節部などを内包する強度が必要な剛体部分と分離し、カバー部分を剛体部分よりも軽量な樹脂性の材料で形成してもよい。この場合、各アーム体の強度に大きく影響しない部分を別部品として、更に樹脂性材料を用いることで軽量化できるので、アクチュエータへの負荷が軽減され、アクチュエータが小型の容量のものが使用でき、これによりマニピュレータ全体を小さく設計することができる。
また、前記複数のアーム体は、第１乃至第６からなる６体のアーム体で構成され、前記関節部は、サーボモータの回転軸と減速機の回転軸とが同軸になって連結されたアクチュエータで構成され、前記第１のアーム体の一端が、前記多関節マニピュレータが設置される設置面に固定されるベース体に連結されるとともに、前記ベース体に設けられた第１のアクチュエータによって前記第１のアーム体が回転し、前記第２のアーム体の一端が、前記第１のアーム体の他端に連結されるとともに、前記第１のアーム体に設けられた第２のアクチュエータによって回転し、前記第３のアーム体の一端が、前記第２のアーム体の他端に連結されるとともに、前記第２のアーム体に設けられた第３のアクチュエータによって回転し、前記第４のアーム体の一端が、前記第３のアーム体の他端に連結されるとともに、前記第３のアーム体に設けられた第４のアクチュエータによって回転し、前記第５のアーム体の一端が、前記第４のアーム体の他端に連結されるとともに、前記第４のアーム体に設けられた第５のアクチュエータによって回転し、前記第６のアーム体の一端が、前記第５のアーム体の他端に連結されるとともに、前記第５のアーム体に設けられた第６のアクチュエータによって回転し、前記第６のアーム体の他端に、第７のアクチュエータが設けられ、該第７のアクチュエータの減速機の出力軸に、エンドエフェクタを取り付ける機構が設けられたもので、本多関節マニピュレータを、所謂７軸のマニピュレータとして構成し、これら７軸が互いに直交するよう構成するとともに、エンドエフェクタが取り付けられるようにしてもよい。この場合、マニピュレータの軸数を７軸とすることで、３次元空間において必要十分な６軸のマニピュレータに冗長軸を加えた軸数となっているので、狭い空間でもワークが行えるマニピュレータとすることができる。
また、前記第１乃至第７のアクチュエータにおいて、前記第１のアクチュエータから順にアクチュエータの形状及び容量が小さくなるよう構成したもので、設置面に対して先端に向かうアクチュエータほど、より小さなアクチュエータとしてもよい。この場合、先端に向かうアクチュエータを次第に容量及び形状が小さいものとすることで、先端側のアーム体を小さく設計でき、これによりマニピュレータの先端側がより狭い空間に侵入できるようになる。
また、前記第１乃至第７のアクチュエータにおいて、前記第１と前記２、前記第３と前記４、前記第５と前記第６と前記第７、のそれぞれのアクチュエータを同一形状、同一容量のものとしたもので、できるだけこれらアクチュエータの共通化が図れるよう構成してもよい。この場合、できるかぎりアクチュエータの共通化を図っているので、アクチュエータのコストが削減でき、製作時にも簡単化できる。
また、前記第２と前記第４のアクチュエータの回転軸の間隔よりも、前記第４と前記第６のアクチュエータの回転軸の間隔を小さくしたもので、先端に近いアーム体がより短い間隔で構成されるようにしている。この場合、さらに先端側のアーム体を小さく設計でき、これによりマニピュレータの先端側がより狭い空間に侵入できるようになる。
また、多関節マニピュレータを制御するコントローラを備えたロボットシステムとするもので、マニピュレータとコントローラとが１対１のセットで構成されるようにしてもよい。
また、前記複数のアーム体の先端に、溶接用のトーチ及びガン、塗装用の塗装ガン、ハンドリング用のハンド、シーリング用のガンのいずれか１つを搭載した多関節マニピュレータとするもので、本マニピュレータの動作が適用できるワークのエンドエフェクタをアーム体の先端に備えるよう構成してもよい。
また、多関節マニピュレータが、共通の筐体に２体設置された双腕の多関節マニピュレータとするものであり、すなわち所謂人間型のマニピュレータを構成してもよい。この場合、人間に近い作業状態を実現できる。
また、前記筐体に、前記２体の多関節マニピュレータを制御するコントローラが内蔵された双腕の多関節マニピュレータとするもので、筐体に備えた１台の共通したコントローラによって２体の本多関節マニピュレータが制御されるよう構成してもよい。この場合、２体のマニピュレータを協調動作させることができる。

本発明の一に係る多関節マニピュレータによれば、ロボット教示方法を容易にすることができるとともに、アーム体が略直線状に並ぶように動かすことができ、狭い場所でも設置できるようになる。

本発明の第１実施例を示すマニピュレータ装置の側断面図 本発明のマニピュレータの動作を示す斜視図 本発明のマニピュレータの動作を示す斜視図 従来のマニピュレータ装置の外観図 従来のマニピュレータ装置の関節部の側断面図 図１におけるＪ１、Ｊ２軸の部分を拡大した詳細図

符号の説明

Ｃ０ ベース体
Ｃ１ 第１のアーム体
Ｃ２ 第２のアーム体
Ｃ３ 第３のアーム体
Ｃ４ 第４のアーム体
Ｃ５ 第５のアーム体
Ｃ６ 第６のアーム体
Ｃ７ 第７のアーム体
１０ Ｊ２軸線状体
１４ Ｊ２軸アクチュエータ
１５ Ｊ２軸中空穴
１３ Ｊ２軸モータ部
１２ Ｊ２軸減速機部
１１ａ コネクタ
１１ｂ コネクタ
Ｊ１ 関節軸
Ｊ２ 関節軸
Ｊ３ 関節軸
Ｊ４ 関節軸
Ｊ５ 関節軸
Ｊ６ 関節軸
Ｊ７ 関節軸
１０１ Ｊ１軸サーボモータ
３０１ Ｊ３軸サーボモータ
４０１ Ｊ４軸サーボモータ
５０１ Ｊ５軸サーボモータ
６０１ Ｊ６軸サーボモータ
７０１ Ｊ７軸サーボモータ
１０２ Ｊ１軸減速機
２０２ Ｊ２軸減速機
３０２ Ｊ３軸減速機
４０２ Ｊ４軸減速機
５０２ Ｊ５軸減速機
６０２ Ｊ６軸減速機
７０２ Ｊ７軸減速機
１０３ Ｊ１軸中空穴
３０３ Ｊ３軸中空穴
４０３ Ｊ４軸中空穴
５０３ Ｊ５軸中空穴
６０３ Ｊ６軸中空穴
７０３ Ｊ７軸中空穴
１０４ Ｊ１軸線状体
２０４ Ｊ３軸線状体
３０４ Ｊ４軸線状体
４０４ Ｊ５軸線状体
５０４ Ｊ６軸線状体
６０４ Ｊ７軸線状体
８０２ａ クランプ
８０２ｂ クランプ
９０１ カバー
９０２ カバー

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すマニピュレータ装置の側断面図である。図１において、Ｃ１は第１のアーム体であり、Ｃ２は第２のアーム体であり、Ｃ３は第３のアーム体であり、Ｃ４は第４のアーム体であり、Ｃ５は第５のアーム体であり、Ｃ６は第６のアーム体である。Ｃ７は第７のアーム体である。Ｃ０は第１のアーム体Ｃ１を支持するベース体であり、図示しない設置面に対して、マニピュレータ装置を固定する部分である。各アーム体は、後述するように、関節部によって相対的に回転する。図１では、ベース体Ｃ０が床面に設置されていて、上記各アーム体の長手方向が、それぞれ天地の方向を向いた直立状態を示している。また、ベース体Ｃ０には、後述するサーボモータやエンドエフェクタからの線状体が中継される、図示しないパネルが設置されている。さらに図示しないケーブルによって、パネルを介して、同じく図示しないマニピュレータ装置のコントローラとこれら線状体とが接続されて、マニピュレータ装置内のサーボモータやエンドエフェクタが制御動作される。このように接続されたマニピュレータ装置とコントローラとはロボットシステムとして構成されている。

第１のアームＣ１は関節軸Ｊ１を中心に回転し、第２のアームＣ２は関節軸Ｊ２を中心に回転し、第３のアームＣ３は関節軸Ｊ３を中心に回転し、第４のアームＣ４は関節軸Ｊ４を中心に回転し、第５のアームＣ５は関節軸Ｊ５を中心に回転し、第６のアームＣ６は関節軸Ｊ６を中心に回転し、第７のアームＣ７は関節軸Ｊ７を中心に回転する。なお、第７のアームＣ７は、後述するエンドエフェクタを接続する部材でもある。
そして、関節軸Ｊ１に対し、関節軸Ｊ２が直交し、関節軸Ｊ２に対し関節軸Ｊ３が直交し、関節軸Ｊ３に対し関節軸Ｊ４が直交し、関節軸Ｊ４に対し関節軸Ｊ５が直交し、関節軸Ｊ５に対し関節軸Ｊ６が直交し、関節軸Ｊ６に対し関節軸Ｊ７が直交するように構成されている。本軸構成によれば、動作軸を支持する軸に対し直交動作となるので、従来の一般的な６軸の産業用ロボットと同一教示操作方法に近く、効率良くティーチングが可能となる。
また、本実施例では、関節軸Ｊ１、関節軸Ｊ３、関節軸Ｊ５、関節軸Ｊ７の夫々の回転中心が直立時に同一線上になるように構成されている。本軸構成によれば狭隘な空間に設置するために最小な寸法となる。すなわちマニプレータ上面図からの投影面積が最小になる。但し、関節軸Ｊ１、関節軸Ｊ３、関節軸Ｊ５、関節軸Ｊ７の夫々の回転中心にオフセット寸法を付与することも可能である。

関節軸Ｊ１はサーボモータ１０１の回転を減速する減速機１０２により駆動されており、サーボモータ１０１と減速機１０２の回転中心は関節軸Ｊ１の回転軸と一致している。また、サーボモータ１０１と減速機１０２の回転中心には中空穴１０３が開口されており、線状体１０４が中空穴１０３を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ２はサーボモータ１４の回転を減速する減速機１２により駆動されており、サーボモータ１４と減速機１２の回転中心は関節軸Ｊ２の回転軸と一致している。また、サーボモータ１４と減速機１２の回転中心には中空穴１５が開口されており、線状体１０が中空穴１５を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ３はサーボモータ３０１の回転を減速する減速機３０２により駆動されており、サーボモータ３０１と減速機３０２の回転中心は関節軸Ｊ３の回転軸と一致している。また、サーボモータ３０１と減速機３０２の回転中心には中空穴３０３が開口されており、線状体３０４が中空穴３０３を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ４はサーボモータ４０１の回転を減速する減速機４０２により駆動されており、サーボモータ４０１と減速機４０２の回転中心は関節軸Ｊ４の回転軸と一致している。また、サーボモータ４０１と減速機４０２の回転中心には中空穴４０３が開口されており、線状体４０４が中空穴４０３を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ５はサーボモータ５０１の回転を減速する減速機５０２により駆動されており、サーボモータ５０１と減速機５０２の回転中心は関節軸Ｊ５の回転軸と一致している。また、サーボモータ５０１と減速機５０２の回転中心には中空穴５０３が開口されており、線状体５０４が中空穴５０３を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ６はサーボモータ６０１の回転を減速する減速機６０２により駆動されており、サーボモータ６０１と減速機６０２の回転中心は関節軸Ｊ６の回転軸と一致している。また、サーボモータ６０１と減速機６０２の回転中心には中空穴６０３が開口されており、線状体６０４が中空穴６０３を貫通するように配設されている。
関節軸Ｊ７はサーボモータ７０１の回転を減速する減速機７０２により駆動されており、サーボモータ７０１と減速機７０２の回転中心は関節軸Ｊ７の回転軸と一致している。また、サーボモータ７０１と減速機７０２の回転中心には中空穴７０３が開口されており、線状体７０４が中空穴７０３を貫通するように配設されている。
上記の各線状体は、各サーボモータの電源線とエンコーダなどの信号線とを含んでいる。また、特に線状体７０４はエンドエフェクタ用の動力線、信号線、エアなど流体を主とする管から構成される線状体である。

以上のように、本マニピュレータ装置は、ベース体Ｃ０にＪ１軸を駆動するサーボモータ１０１と減速機１０２とが設置され、減速機１０２の出力軸に第１のアーム体Ｃ１の一端が接続されて回転する。そして、第１のアーム体の他端にサーボモータ１４と減速機１２とが設置され、減速機１２の出力軸に第２のアーム体Ｃ２の一端が接続されて回転する。そして、第２のアーム体Ｃ２の他端にサーボモータ３０１と減速機３０２とが設置され、減速機３０２の出力軸に第３のアーム体Ｃ３の一端が接続されて回転する。そして、第３のアーム体Ｃ３の他端にサーボモータ４０１と減速機４０２とが設置され、減速機４０２の出力軸に第４のアーム体Ｃ４の一端が接続されて回転する。そして、第４のアーム体Ｃ４の他端にサーボモータ５０１と減速機５０２とが設置され、減速機５０２の出力軸に第５のアーム体Ｃ５の一端が接続されて回転する。 そして、第５のアーム体Ｃ５の他端にサーボモータ６０１と減速機６０２とが設置され、減速機６０２の出力軸に第６のアーム体Ｃ６の一端が接続されて回転する。そして、第６のアーム体Ｃ６の他端にサーボモータ７０１と減速機７０２とが設置され、減速機７０２の出力軸には、図示しないエンドエフェクタが接続されるための第７のアーム体Ｃ７が設けられている。エンドエフェクタは、本マニピュレータ装置がワークを行うための、例えばハンドリング用のハンド、Ｔｉｇ溶接やアーク溶接用の溶接トーチ、スポット溶接用のガン、そして流体塗料を噴射する塗装ガンなどである。
関節軸を駆動する各サーボモータと減速機とは、その回転軸が同一となるように、かつ一体的に形成され、扁平形のアクチュエータを構成している。勿論、これらが一体的に形成されることが必要ではないが、一体的に形成され、軸方向に扁平化されたものは、本多関節マニピュレータの小型化に寄与する。本アクチュエータでは、減速機に波動歯車を用いている。減速機とサーボモータの概ねの構造は既知のものであり、説明は省略する。減速機とサーボモータが一体化されたものも既知であり、同じく説明を省略する。そして、Ｊ１軸からＪ７軸を駆動するこれらアクチュエータは、モータ容量の違いはあるが、ほぼ同一構成である。

特にＪ２、Ｊ４、Ｊ６軸を構成するアクチュエータの配置について説明する。これらのアクチュエータは、図１のように、各アクチュエータの回転軸方向の長さにおいて、その略中央付近にＪ１、Ｊ３、Ｊ５の各軸が通るように設置されている。このことを図６を用いて説明する。図６は、図１におけるＪ１、Ｊ２軸の部分を拡大した詳細図である。すなわち、例えば、Ｊ２軸において、サーボモータ１４と減速機１２とで構成されたアクチュエータの長さのほぼ半分の位置を、Ｊ１軸が通るようにアクチュエータが設置されている。これにより、中空穴１５の両端が、Ｊ１軸に関してほぼ均等の位置に設置されることになる。そして、Ｊ２軸では、クランプ８０２ａ、８０２ｂによって、線状体１０は中空穴１５の両端で円弧を描くように湾曲させられている。また、この構成とするため、アーム体Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５は、概ね中空形状をしており、図１のようにそれら直下（直前）の軸（Ｊ１、Ｊ３、Ｊ５）の減速機の出力軸に対して下端面で接続され、アーム体の内部空間が直下の軸から一度離れるように蛇行して上記線状体の湾曲部を収納し、アーム体の上部にて、直下の軸に対して直角になるように、かつ直下の軸に対するＪ２、Ｊ４、Ｊ６軸のアクチュエータおよび線状体の突出する距離がほぼ同等となるようにこれらアクチュエータを保持している。一方、アーム体Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６も、これらＣ１、Ｃ３、Ｃ５とほぼ同一形状をしているが、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６とは反転した状態で接続されている。例えばＣ２は、Ｃ１に対し上下反転した形態でＪ２軸によって接続されている。
従って、Ｊ２、Ｊ４、Ｊ６軸の各アクチュエータの中空穴を貫通している各線状体１０、４０４、６０４は、それぞれの中空穴１５、４０３、６０３の両端から排出されて湾曲させられたとき、各中空穴の両端においてＪ１、Ｊ３、Ｊ５軸に対してほぼ同一の距離で湾曲突出する。そうすれば、これら線状体を覆うように形成されているアームの、Ｊ２、Ｊ４、Ｊ６軸での外形寸法を示す、図１のＡ寸法、Ｂ寸法、Ｃ寸法が、それぞれＪ１、Ｊ３、Ｊ５軸を中心としてほぼ均等の寸法を保つことになり、Ｊ１、Ｊ３、Ｊ５軸をそれぞれ回転させたときにＡ寸法、Ｂ寸法、Ｃ寸法で決定される、回転時の旋回半径を小さくすることができる。また、例えば、図１のようなアームのポーズ（直立時）の際、Ｊ１軸を回転させたときＡ寸法によって決定される最小旋回径を小さくすることができる。また、このときの設置面に対する面積も小さくなる。これにより、多関節マニピュレータの周囲に設置されている機器との干渉の危険性を減らせるのは言うまでもない。

また、本発明においては、全ての関節はサーボモータと減速機の間に特許文献２のような歯車機構を有しないので、モータが高速に回転しても静粛な運転が可能となっている。また、全軸ともに、扁平アクチュエータを採用しているために、図１に示すＸ方向のアーム幅寸法Ａ，Ｂ，Ｃが短くできるので、狭隘な空間に設置可能となっている。また、各関節のモータは減速機外径に近い外形寸法にすることができたので、モータマグネットとコアの径を大幅に上げることが可能となったので、大出力のモータとなり、アクチュエータの駆動負荷、速度、加速度を上げることが可能となった。

また、各関節の中空穴部に配設された線状体は、その隣り合う軸の中空穴に配設される前に、各コネクタで接続されている。例えば、Ｊ２軸の場合、線状体１０の両端はコネクタ１１ａ、１１ｂによって、Ｊ１軸を通過した線状体１０４とＪ３軸を通過する線状体３０４とに夫々コネクタ接合されている。このため、大型のコネクタを通すために、中空部に配設できるケーブル本数に制約がでることを防いでいる。もちろん、アプリケーションケーブルが少ない場合はコネクタで中継する必要はないし、任意の関節部で中継を行っても良い。これは、Ｊ１軸はＪ２からＪ７軸のケーブルが通過するため、アクチュエータ駆動用のケーブルが多いが、先端軸ほどアプリケーションケーブルが占める割合が多くなるためである。

このように、アクチュエータ中空部には必要なケーブルが配設されるため、減速機やモータの容量よりも、必要中空径で決定される場合がある。このような場合以外は、アームに軽量素材を採用するか、動作角度制限を設けることにより、少なくともＪ１軸からＪ３軸までを同一容量の波動歯車装置で構成することが可能なため、アーム外形が小さく、さらに狭隘な空間に搭載可能なマニピュレータとすることができる。
図６において、９０１及び９０２は、第１のアーム体Ｃ１及び第２のアーム体Ｃ２に接続されるカバーを示している。これらカバーは、第３のアーム体Ｃ３から第６のアーム体Ｃ６までほぼ同様な構造で、上述の線状体の湾曲部分を覆うように、各アーム体に取り付けられている部分である。各アーム体は、上述のように、一端（下端）がその直下の軸のアクチュエータの減速機に接続され、他端（上部）に直上の軸を回転させるアクチュエータが設置されているため、各アーム体は概ね剛体である。よって各アーム体は、ステンレス、アルミニウム合金、鋳鉄などによって製作されるが、線状体を覆うアーム体の側面部分はアーム体の強度に大きく寄与しない。従って、線状体の湾曲部を覆う部分をアーム体と別部材のカバー形状で構成し、さらにカバーを樹脂性の軽量素材とすることにより、アーム体を軽量化し、アクチュエータへの負荷を軽減している。また、カバー構成とすれば、メンテナンスの容易性も向上する。

また、上述のように、例えばＪ１からＪ３軸のアクチュエータ図１において、Ｊ１軸に近い軸ほど、軸を駆動するアクチュエータのパワーが必要なことは無論だが、各軸において、できるだけアクチュエータを同一のものを使用することがよいのは、アクチュエータ製作時の管理や、メンテナンス時の観点から言うまでもない。そのため、本発明では、例えばＪ１軸とＪ２軸、Ｊ３軸とＪ４軸、Ｊ５軸とＪ６軸とＪ７軸のそれぞれのアクチュエータをほぼ同一形状、同一容量のものとしている。これに伴い、Ｊ２軸とＪ４軸の間隔より、Ｊ４軸とＪ６軸の間隔が狭くなるようにしている。また、このように構成することで、多関節マニピュレータの先端部（エンドエフェクタ側）に近いアーム体ほどアーム体の長さを短くでき、先端部が狭隘な空間へ侵入できる。

以上のように構成した本発明の多関節マニピュレータは、産業用ロボットに用いられる。たとえば多関節マニピュレータの遊端部に各種手先装置、いわゆるエンドエフェクタを連結し、手先装置を目標位置に配置して手先装置を動作させることによって、狭隘な作業空間におけるハンドリング、シーリング、塗装またはアーク溶接などを行うことができる。

また、本発明の多関節マニピュレータを２体用意し、これらのベース体Ｃ０を共通のものにして設置することで、所謂双腕マニピュレータを構成することができる。この場合、１台のコントローラによって、これら２体のマニピュレータが互いに干渉しないように制御すればよい。また、共通のベース体Ｃ０に対して２体のマニピュレータを人間の腕に類似した設置とし、さらに共通のベース体Ｃ０にこれらを制御するコントローラを収納して一体化し、人間の両腕及び胴体のように双腕マニピュレータを構成することも考えられる。このようにすれば、上記のハンドリング、シーリング、塗装またはアーク溶接などの作業において、人間の腕のように左右の腕を使った協調作業が行える。

また、本発明の他関節マニピュレータは、図３に示すように、第１のアーム体Ｃ１と第２のアーム体Ｃ２、第２のアーム体Ｃ２と第３のアーム体Ｃ３、第３のアーム体Ｃ３と第４のアーム体Ｃ４、第５のアーム体Ｃ５と第６のアーム体Ｃ６とをそれぞれ互いに９０度屈曲させ、その姿勢から第３のアーム体Ｃ３を第２のアーム体Ｃ２に対して鈍角方向に動作させると、第６のアーム体Ｃ６の位置を第１のアーム体Ｃ１から横方向Ｙに遠ざけるとともに、高さ方向Ｚに小さくすることができる。これによって第６のアーム体Ｃ６の姿勢を保ち、第６のアーム体Ｃ６と基台２１との縦方向Ｚの距離が短い状態で、第６のアーム体Ｃ６を横方向Ｙに移動させることができる。

また、本発明の他関節マニピュレータは、加工機間のワークハンドリングに使用する場合、図２に示すように、マニピュレータは加工機１と加工機２の間のデッドスペースに配置することができる。マニピュレータが可動していない場合、加工機の前面は作業者等が通行するスペース３として確保されるので、マニピュレータを設置するにあたり新たなスペースを必要としない。この姿勢は図３で示す姿勢において第５のアーム体Ｃ５の回転軸Ｊ５と第３のアーム体Ｃ３の回転軸Ｊ３とで成す角の間に障害物が存在する場合と等価な設置状態である。

Claims (6)

1. 多関節マニピュレータであって、
   直列に設けられる複数のアーム体と、隣接する２つのアーム体を回転自在に連結する関節部と、を含むアーム群と、
   前記アーム群の一端を回転自在に連結する関節部が設けられ、当該関節部の回転軸に対し垂直な面である前記多関節マニピュレータの設置面に設けられたベース体と、を備え、
   隣り合う前記関節部の回転軸は、互いに直交しており、
   前記関節部の各々には、各々の回転軸を構成するとともに、線状体が貫挿された中空穴が形成されたアクチュエータが設けられており、
   前記複数のアーム体が前記設置面に対し直立した状態において、前記設置面に対し垂直となる前記関節部の垂直回転軸は、同一直線上に並ぶとともに、前記設置面に対し平行となる平行回転軸を構成するアクチュエータの略中心付近を通過しており、
   前記平行回転軸を構成するアクチュエータにおいて、前記線状体は、当該アクチュエータの前記中空穴の前後でクランプ部材によって蛇行かつ湾曲されるように固定されており、
   前記複数のアーム体の各々は、
   前記垂直回転軸を内包し、前記垂直回転軸を構成するアクチュエータを一端で保持する第１アーム部分と、
   一端が前記第１アーム部分の他端に設けられ、他端で前記平行回転軸を構成するアクチュエータを保持する第２アーム部分と、を有し、
   前記第２アーム部分は、その一端から他端にかけてその内部空間が前記垂直回転軸から一旦離れるように蛇行しながら前記線状体の湾曲部分を内包するように、形成されており、
   前記第２アーム部分のうちの前記線状体の湾曲部分を内包する部分の外端から、前記垂直回転軸までの距離は、前記複数のアーム体の間で略同等になることを特徴とする多関節マニピュレータ。
2. 前記垂直回転軸から前記線状体の湾曲部分までの距離が、前記中空穴の前後で略同等になることを特徴とする請求項１記載の多関節マニピュレータ。
3. 前記第２アーム部分には、カバーが設けられており、
   前記線状体は、前記中空穴の前後の前記カバー近傍に設けられたコネクタによって接離可能に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の多関節マニピュレータ。
4. 前記アクチュエータは、サーボモータおよび減速機を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多関節マニピュレータ。
5. 前記複数のアーム体は、６つのアーム体で構成され、
   前記アーム群の他端には、エンドエフェクタを取り付ける機構を回転自在に連結するための関節部が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多関節マニピュレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節マニピュレータと、
   前記多関節マニピュレータを制御するコントローラと、を備えたロボットシステム。

Images