JP5682642B2 - パラレルリンクロボット - Google Patents

Description

本発明はパラレルリンクロボットに関する。

パラレルリンクロボットはパラレルリンク機構、すなわち並列に接続された複数のアームによって１つの先端部を支持する機構を備える。パラレルリンクロボットは、複数のアームの合力によって先端部を動作させるため、一般的な産業用ロボットであるシリアルリンクロボットと比較して高速且つ高精度な動作が可能という特長がある。

パラレルリンクロボットは、ワークを吸着したり掴んだりするため、エンドエフェクタと称されるパーツを先端部に装着できるようになっている。例えば特許文献１は、エンドエフェクタとしての把持エレメントを備えるパラレルリンクロボットを開示する。

特表２０１１−５１８０５２号公報

吸着機能を有するエンドエフェクタをパラレルリンクロボットの先端部に装着する場合、エンドエフェクタと真空源を真空ホースで接続する。上記特許文献１の図３は、把持エレメント５０からアームに沿って配線された真空ホース５４を開示する。ワークを掴む機能を有するエンドエフェクタを使用する場合、真空ホースの代わりに給電ケーブルなどが接続される。

上述のとおり、パラレルリンクロボットは高速に動作する。このため、真空ホースやケーブルなどの配線が動作の妨げとならないように特に注意を払わなければならない。配線の弛みが不十分であるとエンドエフェクタが移動又は回転したときに配線が突っ張ってしまうし、配線の弛みが過剰であると配線が周辺物に触れるおそれがあり、エンドエフェクタの動作が不安定になるおそれもある。

本発明は、エンドエフェクタを装着する際の配線が容易なパラレルリンクロボットを提供することを目的とする。

本発明に係るパラレルリンクロボットは、複数のアクチュエータと、一つの手首部と、手首部と複数のアクチュエータとをそれぞれ連結する複数のアームと、を備え、手首部は、複数のアームとそれぞれ連結される複数の連結部を含む基部と、複数の連結部によって囲まれる領域の外側に位置する回転軸まわりに回転する回転部材と、を有し、回転部材には、回転軸に沿う貫通孔が形成されている。

本発明によれば、エンドエフェクタを装着する際の配線が容易なパラレルリンクロボットを提供できる。

本実施形態に係るパラレルリンクロボットを備えるピッキング装置の一例を示す概略構成図である。 図１中のパラレルリンクロボットを拡大して示す側面図である。 図２中のロボット本体の底面図である。 図２中の手首部の平面図である。 図４中のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 貫通孔を有しない手首部及びこれに接続された真空ホースを示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。ここでは、パラレルリンロボットを具備するピッキング装置を例に挙げる。

図１に示すピッキング装置１００は、コンベア２により搬送されるワークＷをパラレルリンクロボット５０で取り上げて別の場所に配置するピックアンドプレース作業を行うための装置である。ピッキング装置１００は、コンベア２の上方に配置された天板３と、天板３の上に固定された２台のコントローラ５と、天板３の下に固定された２台のパラレルリンクロボット５０と、パラレルリンクロボット５０の可動領域を囲む透明な側壁６とを備える。なお、パラレルリンクロボット５０の数は２台に限定されるものではなく、１台でもよいし３台以上でもよい。

パラレルリンクロボット５０は、天板３に吊り下げられている。各パラレルリンクロボット５０の動作は、ケーブル５ａを介して接続されたコントローラ５によって制御される。天板３は、複数の支柱（不図示）によって水平に支持されていてもよいし、工場の天井から水平に吊り下げられていてもよい。また、工場の天井自体を天板３としてもよい。

図２〜図４を参照しながら、本実施形態に係るパラレルリンクロボット５０について説明する。図２及び図３に示すとおり、パラレルリンクロボット５０は、３個のアクチュエータ１２が内蔵されたロボット本体１０と、３本のアーム２０と、一つの手首部３０と、手首部３０と３個のアクチュエータ１２とをそれぞれ連結する３本のアーム２０と、手首部３０に装着されたエンドエフェクタ４０とを備える。以下、各構成について説明する。

ロボット本体１０は、３個のアクチュエータ１２と、これらを収容するハウジング１５とを有する。アクチュエータ１２は、アーム２０の駆動源であり、例えばモータ、減速機及びセンサからなる。ハウジング１５は、天板３の下面に取り付けられる略円形の取付部１５ａと、取付部１５ａから下側に膨らんでアクチュエータ１２をそれぞれ収容する３つの膨出部１５ｂとを有する。なお、３つの膨出部１５ｂは、取付部１５ａの中心軸ＣＬ１を囲むように設けられている。

各アーム２０は、上腕に相当する基部リンク２２と、前腕に相当する連結リンク２６とを有する。基部リンク２２は、隣り合う２つの膨出部１５ｂの間から外側に延びている。連結リンク２６は、基部リンク２２の先端部２２ａと手首部３０とを連結しており、２本の棒状部材２７によって構成されている。基部リンク２２及び連結リンク２６は軽量な材質からなることが好ましく、好適な材質としては、例えば炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が挙げられる。

基部リンク２２の基端部２２ｂはアクチュエータ１２に接続されている。基部リンク２２は、アクチュエータ１２の動作によって先端部２２ａが上下動するように回動する。以下の説明において、「基部リンク２２が上側に回動する」とは、先端部２２ａが上昇するように回動することを意味し、「基部リンク２２が下側に回動する」とは、先端部２２ａが下降するように回動することを意味する。なお、先端部２２ａは、連結リンク２６とのボールジョイントを構成する一対の球状凸部２３を有する。一対の球状凸部２３は、基部リンク２２の回動軸線に平行なライン上に並んで配置されており、外側に向けて突出している。

連結リンク２６をなす２本の棒状部材２７は、並行して延びており、上記の球状凸部２３とのボールジョイントを構成するカップ２７ａをそれぞれ有する。２本の棒状部材２７は、それぞれのカップ２７ａが外側から球状凸部２３を覆うように配置され、上端部２７ｂ同士がコイルばね等の弾性部材２８を介して連結されている。

棒状部材２７は他方の端部にカップ２７ｃを有し、カップ２７ｃは手首部３０の連結部３２とのボールジョイントを構成する。連結部３２は一対の球状凸部３２ａを有する。２本の棒状部材２７がそれぞれ有するカップ２７ｃが球状凸部３２ａを外側から覆うとともに、２本の棒状部材２７の下端部２７ｄ同士がコイルばね等の弾性部材２９を介して連結されている。ボールジョイントによって、連結リンク２６は基部リンク２２に対して、また手首部３０は連結リンク２６に対して三次元的に回動自在となっている。

手首部３０は、基端部２２ｂにおいてアクチュエータ１２にそれぞれ連結された３本のアーム２０によって支持されている。コントローラ５からの指令に応じてアクチュエータ１２が基部リンク２２を上側又は下側に回動させ、これにより手首部３０が移動する。具体的には、３本の基部リンク２２が同時に上側に回動すると手首部３０は上昇し、３本の基部リンク２２が同時に下側に回動すると手首部３０は下降する。一部の基部リンク２２が上側に回動し、他の基部リンク２２が下側に回動すると、手首部３０は上側に回動した基部リンク２２側に移動する。

図４，５を参照しながら、手首部３０の構成について詳細に説明する。手首部３０は、全体がハウジング３１で覆われている。手首部３０は、アーム２０とそれぞれ連結される複数の連結部３２を含む基部３３と、基部３３の下方において基部３３の位置から側方にずれた位置に設けられた張出部３５とを有する。張出部３５に対してエンドエフェクタ４０が回転自在に装着される。

基部３３は、円形の天板３３ａと、円筒状の側壁３３ｂと、天板３３ａに平行な仕切り板３３ｃと、内部に収容されたアクチュエータ３４とを有する。基部３３はアーム２０との連結部３２によって囲まれている。すなわち、アーム２０との連結部３２が側壁３３ｂの外周に設けられ、計３つの連結部３２が基部３３を囲むように配置されている。なお、連結部３２は上述の一対の球状凸部３２ａを先端部に有し、これらの凸部３２ａは側壁３３ｂの周方向の両側に突出している。

アクチュエータ３４は仕切り板３３ｃ上に固定され、ケーブル３４ａを介してコントローラ５に接続されている。アクチュエータ３４は例えばモータ、減速機及びセンサからなり、出力軸３４ｂを有する。出力軸３４ｂは、側壁３３ｂの中心軸ＣＬ２に沿って下方に向けられ、仕切り板３３ｃに挿通されている。出力軸３４ｂの先端部は張出部３５内に位置し、当該箇所にピニオンプーリ３４ｃが設けられている。なお、ケーブル３４ａは、アーム２０に沿って配線されている（図２参照）。

張出部３５は平面視で円形を呈し、その中心軸ＣＬ３は基部３３の側壁３３ｂの中心軸ＣＬ２と平行である。すなわち、中心軸ＣＬ３は、基部３３における３つの連結部３２によって囲まれた領域Ａ１の外側に位置し且つ領域Ａ１を含む平面と直交している。また、中心軸ＣＬ３は、側壁３３ｂの外側に位置するとともに、隣り合う２つの連結部３２の間に位置している。中心軸ＣＬ３と中心軸ＣＬ２との距離は、領域Ａ１の形状や真空ホース４８の大きさを考量して決定される。

張出部３５は回転部材３６を有する。図５に示すとおり、回転部材３６の下にエンドエフェクタ４０が固定される。回転部材３６はアクチュエータ３４を駆動源とし且つ中心軸ＣＬ３を中心として回転する。すなわち、回転部材３６は、複数の連結部３２によって囲まれる領域Ａ１の外側に位置する回転軸まわりに回転する。張出部３５は回転部材３６を収容する箇所に上側開口３５ａ及び下側開口３５ｂを有する。

回転部材３６は、円筒状を呈し、一方の端部にフランジ状のプーリ３６ａを有する。回転部材３６の中心には軸方向に延びる貫通孔３６ｃが形成されている。この貫通孔３６ｃと、張出部３５の上側開口３５ａ及び下側開口３５ｂとによって貫通孔３７が形成される。貫通孔３７は、中心軸ＣＬ３に沿っており、回転部材３６を含む張出部３５を上下方向に貫通している。貫通孔３７はエンドエフェクタ駆動用の真空ホース４８を通すためのものである（図５参照）。回転部材３６にエンドエフェクタ４０が固定されると中心軸ＣＬ３を回転軸としてエンドエフェクタ４０が回動自在となる。

回転部材３６は、軸受３５ｃを有する張出部３５内にプーリ３６ａが上側に位置するように収容され、回転部材３６の下端部３６ｂは下側開口３５ｂに挿通されている。プーリ３６ａとピニオンプーリ３４ｃとにタイミングベルト３４ｄが掛け渡され、これにより、アクチュエータ３４の出力軸３４ｂから回転部材３６に動力が伝えられる。アクチュエータ３４は、コントローラ５からの指令に応じて回転部材３６を回転させる。アクチュエータ３４及び回転部材３６の両方が手首部３０に配置されているため、アクチュエータ３４から回転部材３６に動力を伝達する機構が単純化されている。なお、アクチュエータ３４から回転部材３６に動力を伝達する機構として、タイミングベルト３４ｄ等の代わりにギアを用いた機構を採用してもよい。

エンドエフェクタ４０は回転部材３６を介して手首部３０に固定されている。エンドエフェクタ４０は手首部３０と共に移動し且つ回転部材３６と共に回動する。エンドエフェクタ４０は、吸着機能を有するタイプであり、回転部材３６に固定される柱状部４１と、２個の吸着部４２と、これらの吸着部４２が固定されるフランジ部４５とを有する。柱状部４１は、回転部材３６の下端面３６ｄにボルト等（不図示）によって取り付けられる。フランジ部４５は柱状部４１の外周に設けられ、２個の吸着部４２は柱状部４１を挟むように配置されている。なお、吸着部４２の数は１個であってもよいし、３個以上であってもよい。

吸着部４２は下方に開口する吸着口４２ａを有する。吸着部４２はロボット本体１０側に配置された真空ポンプ（不図示）に真空ホース４８を介して接続されている。真空ホース４８の途中にはバルブ（不図示）が設けられており、バルブの開閉はコントローラ５によって制御される。バルブはコントローラ５からの指令に応じ、吸着部４２が真空ポンプに連通するオン状態と、連通しないオフ状態とを切り替える。オン状態では真空ポンプからの吸引力によって吸着口４２ａがワークＷを吸着する。オフ状態となると吸着口４２ａは吸引力を喪失し、ワークＷを解放する。ピッキング装置１００は、バルブをオン状態にしてワークＷをエンドエフェクタ４０に吸着させ、この状態でエンドエフェクタ４０を目標位置まで移送した後、バルブをオフ状態にしてワークＷを解放する動作を繰り返し実施する。これにより、ワークＷの整列及び箱詰め等の作業が行われる。

真空ホース４８は、貫通孔３７に近接する連結部３２Ａに連結されたアーム２０Ａに沿って配線され、貫通孔３７を通って吸着部４２に接続されている。本実施形態においては、各吸着部４２に１本の真空ホース４８が接続されており、計２本の真空ホース４８が使用されている。２本の真空ホース４８は、１本のアーム２０Ａに沿うようにまとめて配線することも可能であるが、互いに異なるアーム２０Ａに分散させて配線してもよい。この場合、３本のアーム２０のうち貫通孔３７に近接する２つの連結部３２にそれぞれ連結された２本のアーム２０Ａに、１本ずつの真空ホース４８を沿わせればよい。

真空ホース４８としては、外径５〜５０ｍｍ程度のものを使用すればよい。なお、貫通孔３７の開孔径は、複数の真空ホース４８を配線しても十分に隙間ができるように設定される。

本実施形態において、真空ホース４８は、アーム２０Ａに沿って貫通孔３７に至る経路Ｒ１と、貫通孔３７内を通過してエンドエフェクタ４０に至る経路Ｒ２とを通る。貫通孔３７がアーム２０Ａとの連結部３２の近傍に位置しているため、エンドエフェクタ４０が移動及び回転しても経路Ｒ１の長さはさほど変化しない。経路Ｒ２の長さはエンドエフェクタ４０が移動しても変化せず、エンドエフェクタ４０が回転してもさほど変化しない。すなわち、エンドエフェクタ４０が回転しても回転軸ＣＬ３から吸着部４２までの距離は変わらないので、エンドエフェクタ４０の回転に伴う経路Ｒ２の長さの変動は小さい。

このように、真空ホース４８が通る経路Ｒ１，Ｒ２の長さはエンドエフェクタ４０が移動及び回転しても変動が小さい。これに対し、貫通孔３７を具備しない手首部を使用した場合、経路Ｒ１，Ｒ２のように長さの変動が小さい経路に真空ホース４８を沿わせることができない。

図６は、回転軸ＣＬ３が中心軸ＣＬ２に一致しており且つ貫通孔３７を有しない手首部３０Ｂ及びこれに接続された２本の真空ホース４８を示す図である。図６に示すとおり、真空ホース４８は、アーム２０の先端部２２ａから吸着部４２までの間が大きく弛んでいる。これはアーム２０の先端部２２ａから吸着部４２に至る経路Ｒ３の長さがエンドエフェクタ４０の移動及び回転に伴って大きく変化するからである。真空ホース４８の弛みが不十分であると、エンドエフェクタ４０が移動及び回転したときに真空ホース４８が突っ張ってしまう。他方、真空ホース４８の弛みが過剰であると真空ホース４８が周辺物に触れるおそれがあり、エンドエフェクタ４０の動作が不安定になるおそれもある。したがって、このような不具合が生じないように、エンドエフェクタ４０を装着する際には慎重に真空ホース４８の配線を行う必要がある。

これに対し、本実施形態によれば、上述のとおり、エンドエフェクタ４０が移動及び回転しても経路Ｒ１，Ｒ２の変動が十分に小さい。したがって、真空ホース４８を大きく弛ませる必要もなく、上記のような不具合が生じにくいため、エンドエフェクタ４０を装着する際の真空ホース４８の配線が容易である。また、２本の真空ホース４８を互いに異なるアーム２０Ａに分散させて配線することで、真空ホース４８の変形によって生じる反発力を２本のアーム２０Ａに分散させることができるため、真空ホース４８がエンドエフェクタ４０の移動及び回転に与える影響をより確実に低減できる。

なお、本実施形態に係るパラレルリンクロボット５０は、図６に示すような既存の手首部、すなわち、回転軸ＣＬ３と中心軸ＣＬ２が一致した手首部を備えるパラレルリンクロボットの制御用プログラムの設定を微調整して制御できる。すなわち、回転軸ＣＬ３と中心軸ＣＬ２との距離（オフセット）を予め入力しておけばよい。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、回転軸ＣＬ３は必ずしも２つの連結部３２の間に位置していなくてもよい。

パラレルリンクロボット５０は、４個以上のアクチュエータ１２を有し、４本以上のアーム２０を備えたものであってもよい。エンドエフェクタ４０は、ワークＷを把持するロボットハンドであってもよい。ロボットハンドとしては、空気圧により駆動されるもの、電動アクチュエータにより駆動されるもの等が挙げられる。エンドエフェクタ駆動源として空気圧が必要な場合は送気用ホースを、電力が必要な場合は給電ケーブルを、真空ホース４８の代わりに配線すればよい。また、エンドエフェクタ駆動用のホース又はケーブルと共に、制御信号の送受信用のケーブルを貫通孔３７に通して配線してもよい。

パラレルリンクロボット５０の適用対象はピッキング装置に限られず、例えば、電子部品等の工業製品の組み立て装置にも適用可能である。

１２…アクチュエータ、２０，２０Ａ…アーム、３０…手首部、３２，３２Ａ…連結部、３３…基部、３４…アクチュエータ、３６…エンドエフェクタ装着用部、３６ｃ，３７…貫通孔、４０…エンドエフェクタ、４８…真空ホース、５０…パラレルリンクロボット、ＣＬ３…回転軸、Ａ１…領域。

Claims (6)

1. 複数のアクチュエータと、
   一つの手首部と、
   前記手首部と前記複数のアクチュエータとをそれぞれ連結する複数のアームと、を備え、
   前記手首部は、
   前記複数のアームとそれぞれ連結される複数の連結部を含む基部と、
   前記複数の連結部によって囲まれる領域の外側に位置する回転軸まわりに回転する回転部材と、を有し、
   前記回転部材には、前記回転軸に沿う貫通孔が、当該回転部材に固定されるエンドエフェクタの駆動用のホース又はケーブルを当該貫通孔に通して配線し得るように形成されているパラレルリンクロボット。
2. 前記回転軸は隣り合う２つの前記連結部の間に位置する、請求項１記載のパラレルリンクロボット。
3. 前記基部は前記回転部材を回転させるアクチュエータを含む、請求項１又は２記載のパラレルリンクロボット。
4. 前記回転部材に固定されたエンドエフェクタと、
   エンドエフェクタ駆動用のホース又はケーブルと、を更に備え、
   前記ホース又はケーブルは前記貫通孔を通じて配線されている、請求項１〜３のいずれか一項記載のパラレルリンクロボット。
5. 前記ホース又はケーブルは、前記貫通孔に近接する前記連結部に連結された前記アームに沿って配線されている、請求項４記載のパラレルリンクロボット。
6. 複数の前記ホース又はケーブルを備えるとともに前記回転軸は隣り合う２つの前記連結部の間に位置し、
   前記複数のホース又はケーブルは当該隣り合う２つの連結部にそれぞれ連結された２本の前記アームに分散して設けられている、請求項５記載のパラレルリンクロボット。

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