JP5135464B1 - ロボットアーム、並びに、ロボットアーム用の外力検知伝達装置及び緩衝装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アーム部30に接続された外輪部材42と関節機構20側に接続された内輪部材43とが、固定軸46回りの相対回転方向と、固定軸46及びアーム長手方向の両方に直交する軸回りの相対回転方向のいずれについても、相対移動の状態で連結されている。当該2つの相対移動方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部へ加わった場合、その外力を利用して無給電状態で検知伝達部材が作動し、これに連動して、その外力の当該力成分に対応した相対移動方向への相対移動を禁止した動力伝達状態が無給電状態で解除される。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2には、サーボ装置に接続されたサーボホーンの接合面上に円周状に配置された複数の円頭状凸部と連結部材の接合面上に設けられた複数の凹部とを連結させてサーボ装置の回転力が連結部材へ伝達されるように構成し、連結部材に接続されたアーム部を駆動できるロボットアームが開示されている。このロボットアームでは、弾性体の性質を有するワッシャの締め付けによってサーボホーンの接合面と連結部材の接合面とが近づく方向に付勢されており、これによりサーボホーン上の凸部と連結部材上の凹部との連結が維持されている。このロボットアームを備えたロボットが転倒事故を起こしてアーム部の移動可能方向(自由度方向)に大きな力が加わると、ワッシャの弾性変形によってサーボホーンの凸部が連結部材の凹部から抜け出し、連結が解除される。これにより、アーム部は、サーボ装置側から解放され、自由度方向への移動が自在となって緩衝機能が発揮される。
また、このロボットアームは、被衝突板の板面に対する法線方向という一方向についてしか、その方向の力成分を一定以上有する外力を検知できない点も問題点であった。
また、本発明は、2以上の方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部へ加わったときに、その外力を検知できるロボットアーム用の外力検知伝達装置を提供することも目的とする。
このロボットアームにおいては、連結解除機構における連結部と被連結部とが相対移動可能な2以上の相対移動方向のいずれについても、その方向の力成分(以下「特定力成分」という。)を一定以上有する外力がアーム部へ加わった場合には、その外力を利用して検知伝達部材が無給電状態で移動し、その外力を受けたことを連結解除機構へ伝達することができる。そして、前記外力がアーム部に加わり、その外力によって検知伝達部材が移動すると、連結解除機構は、これに連動して、アーム部に加わった外力が有する特定力成分に対応した相対移動方向への相対移動を禁止した動力伝達状態を解除状態へ切り替える。これにより、当該相対移動方向についての連結部と被連結部との相対移動が自在な状態となり、アーム部に加わった外力の特定力成分を受け流すことができ、その外力によるダメージを軽減する緩衝機能が無給電状態で発揮できる。
このように、本ロボットアームによれば、2以上の方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部へ加わったときに、その外力を無給電状態で検知し、かつ、その外力によるダメージを軽減する緩衝機能を無給電状態で発揮することができる。
このロボットアームにおいては、アーム部に加わった外力の特定力成分に対応した相対移動方向のみ、被連結部及び連結部の相対移動の禁止が解除される。これにより、アーム部に加わった外力の緩衝に必要な方向への緩衝機能だけが発揮され、不要な方向への緩衝機能は発揮されない。
このロボットアームにおいては、複数の連結箇所で、被連結部と連結部とを前記2以上の相対移動方向へ相対移動自在とする場合と比較して、連結解除機構が小型化することが可能である。
このロボットアームにおいては、アーム部の長手方向に対して直交する方向からアーム部に加わる外力を検知して連結解除機構へスムーズに伝達できる構成を簡易に実現できる。
このロボットアームにおいては、外力を受けるアーム側面部材が柔軟性を有する流体封入部材によって構成されているので、剛性の高い材料でアーム側面部材が構成されている場合よりも、衝突時の瞬間的な衝撃の軽減に有効である。また、流体封入部材の変形による封入流体の移動に連動して検知伝達部材が移動するように構成されているため、どのような方向の外力が流体封入部材に加わっても、流体封入部材の変形による封入流体の安定した移動が実現でき、検知伝達部材を安定して移動させることができる。よって、幅広い加力方向に対応することが容易となる。
このロボットアーム用の外力検知伝達装置においては、2以上の方向(検知方向)のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部へ加わった場合には、その外力を利用して検知伝達部材が移動し、当該外力を無給電状態で検知して連結解除機構へ伝達することができる。なお、ロボットアームの連結解除機構における連結部と被連結部との相対移動方向を2以上とし、本外力検知伝達装置における検知方向をこれに対応させれば、当該2以上の方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力によるダメージを軽減できる緩衝機能を発揮させることができる。
このロボットアーム用の緩衝装置においては、連結部と被連結部とが相対移動可能な2以上の相対移動方向のいずれについても、その方向の力成分(特定力成分)を一定以上有する外力がアーム部へ加わった場合には、これを検知した検知伝達部材の移動に連動して、当該外力によるダメージを軽減できる相対移動方向への相対移動の禁止が無給電状態で解除され、緩衝機能が発揮される。
図1は、本実施形態におけるロボットアームの正面図である。
図2は、本実施形態におけるロボットアームの側面図である。
本実施形態のロボットアームは、主に、台座10と、関節機構20と、アーム部30とから構成されている。なお、本実施形態では、台座上にロボットアームを搭載した例について説明するが、本発明に係るロボットアームは、これに限らず、例えば、人間型ロボットの腕部、脚部、頭部(首関節を含む。)、胴体部(腰関節を含む。)などの関節を有する部位に広く使用することができる。
図3は、本実施形態のロボットアームにおける緩衝機能を実現するための主要部を示す斜視図である。
本実施形態のロボットアームは、アーム部30の長手方向に対して直交する方向のいずれの方向についても、その方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部30へ加わった場合に、その外力を無給電状態で検知して、その外力によるダメージを軽減する緩衝機能を無給電状態で発揮できる構成を採用している。この構成は、主に、このような外力を検知するアーム部30に設けられた外力検知伝達機構(ロボットアーム用の外力検知伝達装置)と、その検知結果に応じて緩衝機能を発揮する関節機構20に設けられた緩衝機構40とによって実現される。
アーム部30に搭載された外力検知伝達機構は、円筒状のアーム側面部材32の内壁に固定された4つの固定部材33A,33Bと、アーム部30の基部31に対してアーム長手方向に沿ってスライド移動可能に取り付けられた4つのスライド部材34A,34Bと、各固定部材33A,33Bと各スライド部材34A,34Bとの間をそれぞれ連結する連結ロッド35A,35Bと、スライド部材34A,34Bの動きに連動してスライド移動する検知伝達部材としてのスライドロッド36A,36Bとから構成されている。
図5(a)及び(b)は、本実施形態における緩衝機構40の構成及び動作を示す断面図である。
本実施形態の緩衝機構40は、外輪部材(連結部)42と、その内部で外輪部材42に対して相対回転可能な内輪部材(被連結部)43とを備えている。内輪部材43には、その回転中心軸を貫通するように固定軸46が固定されており、この固定軸46の両端は、図1に示すように、関節機構20における上関節部22の側板24に固定されている。外輪部材42の外壁には、図3及び図5に示すように、アーム部30の基部31を固定するための2本の固定部材41が形成されている。この2本の固定部材41を介してアーム部30が外輪部材42に固定される。
図6は、本実施形態における緩衝機構40の分解斜視図である。
本実施形態において、内輪部材43と外輪部材42とが相対移動できる方向は、第1検知伝達機構の検知方向の力成分を受け流すことができる固定軸46回りの相対回転方向と、第2検知伝達機構の検知方向の力成分を受け流すことができる固定軸46と直交する軸(アーム長手方向とも直交する軸。以下「第2相対回転軸C」という。)を中心とした相対回転方向の2つである。
インナースライダー44A,44Bは、図示しない圧縮バネを介して内輪主軸部材43aに取り付けられている。本実施形態では、内輪部材43が外輪部材42に対して滑らかに相対回転できるように、内輪部材43の周面部材43bの外表面に、複数のボールベアー43cが組み込まれている。
図8(a)に示す通常状態において、第1検知伝達機構の検知方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部30に加わった場合、図8(b)に示すように、例えば外輪部材42が内輪部材43に対して固定軸46回りに図中矢印の向きへ相対回転する。外輪部材42の両端部板42cの内壁面には、突起部42eが設けられている。外輪部材42が内輪部材43に対して固定軸46回りに相対回転すると、その相対回転方向の先頭側に面する突起部42eの傾斜面が内輪部材43のダンパー軸部43eに当接する。内輪部材43に対する外輪部材42の相対回転が進むにつれて、外輪部材42の突起部42eの傾斜面に沿って内輪部材43のダンパー軸部43eが押し込まれていく。その結果、そのダンパー軸部43eのダンパーばね32dの粘弾性体の作用で、衝撃が吸収される。
図9(a)に示す通常状態において、第2検知伝達機構の検知方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部30に加わった場合、図9(b)に示すように、例えば外輪部材42が内輪部材43に対して第2相対回転軸C回りに図中矢印の向きへ相対回転する。外輪部材42が内輪部材43に対して第2相対回転軸C回りに相対回転すると、その相対回転方向の先頭側に面する突起部42eの傾斜面が内輪部材43のダンパー軸部43eに当接する。内輪部材43に対する外輪部材42の相対回転が進むにつれて、外輪部材42の突起部42eの傾斜面に沿って内輪部材43のダンパー軸部43eが押し込まれていく。その結果、そのダンパー軸部43eのダンパーばね32dの粘弾性体の作用で、衝撃が吸収される。
次に、前記実施形態におけるロボットアームの一変形例について説明する。
本変形例におけるロボットアームは、外力検知伝達機構として、外力を受けることで変形可能な柔軟性を有する流体封入部材を利用したものを採用している。また、本変形例では、緩衝機構の構成も前記実施形態のものとは異なっている。詳しくは、前記実施形態では、外輪部材42と内輪部材43とが、固定軸46回りの相対回転と、第2相対回転軸C回りの相対回転という2方向についての相対移動によって、アーム部30に対する第1検知伝達機構の検知方向と第2検知伝達機構の検知方向という2つの緩衝方向について一定以上の力成分をもつ外力を緩衝できるものであった。これに対し、本変形例における緩衝方向は1つだけである。以下の説明では、前記実施形態と同様の構成及び動作については説明を省略する。
このロボットアームのアーム部130は、アーム長手方向に延びる基部131と、この基部131の周面を覆うように設けられた空気袋(流体封入部材)132によって構成されたアーム側面部材とから構成されている。基部131におけるアーム先端側の端部には、前記実施形態の場合と同様、などの物体取扱部等が、本ロボットアームの用途に応じて適宜取り付けられる。一方、基部131におけるアーム先端側端部とは反対側の端部(関節機構側端部)は、関節機構120のアーム支持部材124に固定されている。
アーム部130に搭載された外力検知伝達機構は、外力を受けることで変形可能な柔軟性を有する空気袋(流体封入部材)132が基部131の周面を覆うように設けられている。基部131のアーム先端側端部には、空気袋132が基部131に沿ってアーム先端側へ移動しないように固定プレート133が設けられている。また、基部131における関節機構側端部には、基部131に対して相対的にスライド移動可能な可動プレート134が設けられている。この可動プレート134の外面側には、可動プレート134の動きに連動してスライド移動する検知伝達部材としてのスライドラック136が当接している。
本変形例の関節機構120は、一自由度を有する1つの関節部によって一自由度を実現している。この関節機構120は、台車に取り付けられたり、他の関節機構に取り付けられたりするなど、本ロボットアームの用途に応じた構造物に適宜取り付けられる固定フレーム121を備えている。この固定フレーム121は、アーム支持部材124の回動軸123を回動自在に支持している。この回動軸123上には、駆動入力プーリ125が固定されており、この駆動入力プーリ125には、図示しない駆動モータのモータ軸に設けられたプーリに掛け回された図示しないタイミングベルトが巻き付けられる。また、アーム支持部材124の回動軸123は、ハーモニックドライブ(登録商標)等の減速機構126の入力軸に取り付けられており、この減速機構126の出力軸には被連結部としての駆動ギヤ127が取り付けられている。よって、駆動モータが駆動すると、タイミングベルトを介して駆動入力プーリ125に入力される回転駆動力により、アーム支持部材124の回動軸123が回転し、減速機構126を介しては駆動ギヤ127が回転する。
図13(a)に示す通常状態において、アーム側面方向であって関節機構120の自由度方向の力成分を一定以上有する外力がアーム部130の空気袋132に加わると、通常位置に位置していたスライドラック136が可動プレート134の動きに連動して検知伝達位置へスライド移動する。スライドラック136は、アーム支持部材124に対し、アーム長手方向に沿ってスライド移動自在に取り付けられており、スライドラック136がスライド移動すると、そのラック部136aもアーム長手方向に沿ってアーム先端側とは反対側へ移動する。これにより、図13(b)に示すように、ラック部136aと駆動ギヤ127とが噛み合った噛み合い状態(動力伝達状態)が解除されて動力伝達解除状態となる。よって、ラック部136aは、駆動ギヤ127に対して回動軸123回りの相対回転が自在になる。
また、封入流体は空気でなくてもよく、他の気体あるいは液体などでもよい。
20 関節機構
21 下関節部
22 上関節部
23 旋回用駆動モータ
24 側板
25 上下回動用駆動モータ
30 アーム部
31 基部
32 アーム側面部材
33A,33B 固定部材
34A,34B スライド部材
35A,35B 連結ロッド
36A,36B スライドロッド
40 緩衝機構
41 固定部材
42 外輪部材
43 内輪部材
44A,44B インナースライダー
45A,45B 圧縮バネ
46 固定軸
50 ハンド
120 関節機構
121 固定フレーム
123 回動軸
124 アーム支持部材
127 駆動ギヤ
130 アーム部
131 基部
132 空気袋
133 固定プレート
134 可動プレート
136 スライドラック
136a ラック部
Claims (7)
- 駆動源と、
アーム部と、
前記アーム部の長手方向一端部に接続される物体取扱部と、
前記駆動源からの駆動力によって前記アーム部を所定の自由度方向へ移動させる関節機構と、
前記アーム部に接続された連結部と該連結部に連結する被連結部とが相対移動自在な状態で連結され、かつ、該連結部と該被連結部との間の相対移動を禁止した動力伝達状態から該相対移動の禁止を解除する動力伝達解除状態へ無給電状態で切り替え可能な連結解除機構とを有し、
前記動力伝達状態において前記駆動源からの駆動力により前記アーム部を前記所定の自由度方向へ移動させるロボットアームであって、
前記連結解除機構は、前記連結部と前記被連結部とを2以上の相対移動方向へ相対移動自在に連結しており、
前記2以上の相対移動方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力が前記アーム部へ加わったときに該外力を利用して無給電状態で作動し、前記物体取扱部に外力が加わっても作動しない検知伝達部材を備えた外力検知伝達機構を有し、
前記連結解除機構は、前記検知伝達部材の作動に連動して、前記アーム部に加わった外力が有する前記力成分に対応した相対移動方向への相対移動を禁止した動力伝達状態をその動力伝達解除状態へ切り替えることを特徴とするロボットアーム。 - 請求項1のロボットアームにおいて、
前記外力検知伝達機構は、前記2以上の相対移動方向ごとに異なる2以上の検知伝達部材を備えていて、前記アーム部に加わった外力の前記力成分に対応した相対移動方向についての検知伝達部材のみを作動させるように構成されており、
前記連結解除機構は、各検知伝達部材の作動に連動して、作動した検知伝達部材に対応する相対移動方向のみの相対移動を禁止した動力伝達状態をその動力伝達解除状態へ切り替えることを特徴とするロボットアーム。 - 請求項1又は2のロボットアームにおいて、
前記連結解除機構は、単一の連結部で、前記連結部及び前記被連結部を前記2以上の相対移動方向へ相対移動自在に連結することを特徴とするロボットアーム。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のロボットアームにおいて、
前記外力検知伝達機構の検知伝達部材は、前記アーム部の長手方向に沿って移動可能に構成されており、
前記アーム部は、該アーム部の長手方向に対して直交する方向の力成分を一定以上有する外力を受けることで、該力成分を受け流す向きへ変位可能なアーム側面部材を備えており、
前記外力検知伝達機構は、前記アーム側面部材の変位に連動して前記検知伝達部材を前記アーム部の長手方向に沿って移動させるリンク機構を備えていることを特徴とするロボットアーム。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のロボットアームにおいて、
前記アーム部は、該アーム部の長手方向に対して直交する方向の力成分を一定以上有する外力を受けることで変形可能な柔軟性を有する流体封入部材によって構成されたアーム側面部材を備えており、
前記外力検知伝達機構の検知伝達部材は、前記流体封入部材の変形による封入流体の移動に連動して作動するように構成されていることを特徴とするロボットアーム。 - 駆動源と、アーム部と、前記アーム部の長手方向一端部に接続される物体取扱部と、前記駆動源からの駆動力によって前記アーム部を所定の自由度方向へ移動させる関節機構と、前記アーム部に接続された連結部と該連結部に連結する被連結部とが相対移動自在な状態で連結され、かつ、該連結部と該被連結部との間の相対移動を禁止した動力伝達状態から該相対移動の禁止を解除する動力伝達解除状態へ無給電状態で切り替え可能な連結解除機構とを有し、前記動力伝達状態において前記駆動源からの駆動力により前記アーム部を前記所定の自由度方向へ移動させるロボットアームにおける、前記アーム部に加わった外力を検知して前記連結解除機構へ伝達するロボットアーム用の外力検知伝達装置であって、
2以上の方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力が前記アーム部へ加わったときに該外力を利用して無給電状態で作動し、前記物体取扱部に外力が加わっても作動しない検知伝達部材を有することを特徴とするロボットアーム用の外力検知伝達装置。 - 駆動源と、アーム部と、前記アーム部の長手方向一端部に接続される物体取扱部と、前記駆動源からの駆動力によって前記アーム部を所定の自由度方向へ移動させる関節機構と、2以上の方向のいずれについても、その方向の力成分を一定以上有する外力が前記アーム部へ加わったときに該外力を利用して無給電状態で作動し、前記物体取扱部に外力が加わっても作動しない検知伝達部材を備えた外力検知伝達機構とを有するロボットアームに利用されるロボットアーム用の緩衝装置において、
前記アーム部に接続された連結部と該連結部に連結する被連結部とが前記2以上の方向の力成分それぞれを受け流す2以上の相対移動方向へ相対移動自在な状態で連結され、かつ、該連結部と該被連結部との間の相対移動を禁止した動力伝達状態から該相対移動の禁止を解除する動力伝達解除状態へ無給電状態で切り替え可能な連結解除機構を有し、
前記検知伝達部材の作動に連動して、前記アーム部に加わった外力が有する前記力成分に対応した相対移動方向への相対移動を禁止した動力伝達状態からその動力伝達解除状態へ切り替えることを特徴とするロボットアーム用の緩衝装置。
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