JP6506227B2

JP6506227B2 - 関節構造およびロボット

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Publication number: JP6506227B2
Application number: JP2016170338A
Authority: JP
Inventors: 秀倫榑林
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN107791275B; DE102017214704A1; US10480695B2; DE102017214704B4; US20180058615A1; CN107791275A; JP2018034268A

Description

本発明は、関節構造およびロボットに関するものである。

従来、関節内部に備えられた減速機や軸受等の機構部品への塵埃や水滴の流入を防止し、機構部品からの潤滑剤の流出を防止するために、相対移動面同士の隙間をリップ接触により密封可能な２重のシール部材を備えた関節構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この関節構造によれば、例えば、切削済みの機械加工部品からなるワークを固定設置された洗浄液噴射ノズルにかざすことでワークを洗浄する等の用途において、洗浄液噴射ノズルから噴射された洗浄液の飛沫が勢いよく飛来する場合でも、内側のシール部材による密封状態が破壊されないように維持することができる。

特開２００９−１０７１１６号公報

一般的なロボットの関節部は、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示されるように、シール部材としてリップ３３を有するリップシールを用いることでシール部材内の密封状態が維持されている。しかしながら、図８（Ａ）に示される関節構造では、外部から飛来する洗浄液の勢いが強い場合には十分な防護能力を得ることができない。
そこで、特許文献１では、図８（Ａ）に示されるシール部材１９の外側に、もう一つのシール部材を別途配置した関節構造を開示している。このような構造とすることで、勢いの強い洗浄液が直接シール部材１９に衝突することを防ぐことは可能である。しかしながら、外部に別途設けたシール部材の防護能力は完全ではなく、勢いの強い洗浄液が飛来した場合には、外部に配置したシール部材の内側に洗浄液が侵入してしまう可能性がある。特許文献１の関節構造では、いったん外側のシール部材の内側に洗浄液が侵入すると、洗浄液を排出することができず、常にシール部材１９に洗浄液が接する状態となる。つまり、外側のシール部材を有さない構造と比較して、むしろ、シール部材１９が劣化、損傷しやすい過酷な外部環境に置かれることとなる。また、洗浄液の液性が酸性やアルカリ性に傾いた場合には、シール部材１９が劣化して液体に対する防護能力が失われてしまい、機構部品側の潤滑剤が外部に流出したりしてしまう不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、外部からの圧力に対してより高いシール性能を発揮でき、内側のシール部材による密封状態の破壊をより確実に防止して、内側の機構部品の健全性を維持することができる関節構造およびロボットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、２つの関節部材と、２つの該関節部材を所定の軸線回りに相対的に回転駆動する駆動機構と、該駆動機構における潤滑剤保有部の外側を２重に取り囲む位置において、２つの前記関節部材の間をそれぞれ密封する２つのシール部材と、２つの該シール部材の間に設けられた空間の気圧を外気より高くする加圧手段とを備え、外側の前記シール部材が、弾性材料からなり、周方向の少なくとも１箇所に切れ目を備え、該切れ目が径方向に対して傾斜しており、外側の前記シール部材が、その外周面を締め具により締め付けることにより前記駆動機構の固定部に取り付けられている関節構造を提供する。

本態様によれば、駆動機構の潤滑剤保有部の外側を取り囲む位置に配置された内側のシール部材によって、２つの関節部材の間が密封されることにより、潤滑剤保有部からの潤滑剤の外部への漏洩が防止される。また、内側のシール部材とその外側を取り囲む位置に配置された外側のシール部材によって、潤滑剤保有部内の潤滑剤が駆動機構から漏洩しないように２重に封入される。そして、２つのシール部材の間の空間の圧力が、加圧手段の作動によって外気より高められることにより、空間内の気体が外側のシール部材を経由して空間から外側に漏れる方向に作用するので、外側のシール部材を経由した外部からの液滴等の異物の侵入が気体によって遮られ、異物の侵入を効果的に防止することができる。

上記態様においては、２つの前記シール部材の少なくとも一方が、リップシールであることとしてもよい。
このように、シール部材としてリップシールを用いることで外部からの異物の侵入に対し、より優れたシール性能を発揮することができる。

上記態様においては、外側の前記シール部材の耐圧性能を、内側の前記シール部材の耐圧性能よりも低くしてもよい。
このようにすることで、加圧手段により空間内の圧力が高くなると、空間内の気体は、耐圧性能の高い内側のシール部材よりも耐圧性能が低い外側のシール部材から外部に漏れる。これにより、内側のシール部材を経由した潤滑剤保有部への気体の漏洩を効果的に防止することができる。

上記態様においては、外側の前記シール部材の外側に、外部からの異物の侵入を防止する防護壁を備えることとしてもよい。
このようにすることで、外部から関節部に向けて噴射される液滴や異物の圧力が高い場合であっても、噴射された液滴や異物は防護壁によって遮られ、外側のシール部材に直接衝突することを防ぐ。これにより、外側のシール部材の破損を防ぐことができる。

上記態様においては、外側の前記シール部材が弾性材料からなり、周方向の少なくとも１箇所に切れ目を備える。
このように、外側のシール部材が弾性材料により形成されるので、シール部材に備えられた切れ目を開大するだけで、シール部材に弾性変形を生じさせて容易に取り外すことができる。

上記態様においては、前記切れ目が、径方向に対して傾斜している。
このようにすることで、シール部材を取り付けたときに生じる切れ目の隙間を狭め、切れ目からの空気の漏洩を減らすことができる。

本発明の参考例としての発明の態様においては、外側の前記シール部材が、円環状の樹脂材料からなることとしてもよい。
例えば、シール部材として、耐油性、耐薬品性、耐候性等に優れた劣化しにくい樹脂材料を用いることで、シール部材の耐久性を高め、長期間安定してシール部材を使用することができる。
また、弾性を有する樹脂材料を用いることとすれば、シール部材の交換性が増すという利点がある。

上記態様においては、外側の前記シール部材が、周方向の少なくとも１箇所に切れ目を備えることとしてもよい。
このようにすることで、外側のシール部材に備えられた切れ目を開大するだけで、シール部材を容易に取り外すことができ、シール部材の交換を簡便に行うことができる。

上記態様においては、外側の前記シール部材が、周方向の２箇所以上の切れ目により分割された２つ以上の円弧状部材からなることとしてもよい。
このように、２つ以上に分割した複数の円弧状部材により外側のシール部材を構成することで、シール部材の着脱を容易に行うことができ、シール部材の交換性が増すという利点がある。

本発明の参考例としての発明の他の態様は、２つの関節部材と、２つの該関節部材を所定の軸線回りに相対的に回転駆動する駆動機構と、該駆動機構における潤滑剤保有部の外側を取り囲む位置において、２つの前記関節の間を密封するシール部材と、該シール部材の外側を取り囲む位置に配置され、２つの前記関節部材の隙間を狭めるスリット形成部材と、該スリット形成部材と前記シール部材との間に設けられた空間の気圧を外気より高くする加圧手段とを備える関節構造を提供する。

本態様によれば、駆動機構の潤滑剤保有部の外側を取り囲む位置に配置された内側のシール部材によって、２つの関節部材の間が密封されることにより、潤滑剤保有部からの潤滑剤の外部への漏洩が防止される。
また、内側のシール部材とその外側を取り囲む位置に配置されて２つの関節部材の隙間を狭めるスリット形成部材との間の空間の圧力が、加圧手段の作動によって外気より高められることにより、空間内の気体が外側のスリット形成部材を経由して空間から外側に漏れる方向に作用するので、スリット形成部材を経由した外部からの液滴等の異物の侵入が気体によって遮られ、異物の侵入を効果的に防止することができる。

本発明の他の態様は、上記いずれかの関節構造を備えるロボットを提供する。
本態様においては、加圧手段により空間内に供給される気体の流量を測定する流量測定手段を備えることとしてもよい。

シール部材が劣化したり破損したりした場合には、外部への気体の漏洩量が増加するが、上記態様においては、流量測定手段により空間内に供給される気体の流量を測定することで、シール部材の劣化や破損が生じていることを判定することができる。この結果、簡易な構成にてシール部材の交換時期を容易に判断することができる。

上記態様においては、前記流量測定手段により測定された気体の流量値に基づいて、前記シール部材の劣化または破損を判定する判定手段を備えることとしてもよい。
このように、測定された気体の流量値が所定の範囲内にあるか否かを判定することで、シール部材の劣化・破損状況をより詳細に判定することができる。

本発明によれば、外部からの圧力に対してより高いシール性能を発揮でき、内側のシール部材による密封状態の破壊をより確実に防止して、内側の機構部品の健全性を維持することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るロボットを示す全体図である。図１のロボットの関節部材を示す部分的な縦断面図である。図１のロボットの関節部材において、隙間を密封するシール部材の一例を示す（Ａ）正面図および、（Ｂ）斜視図である。本発明の第１実施形態に係るロボットの関節部材を示す部分的な縦断面図であって、外側のシール部材の外側に防護壁を設けた変形例を示す図である。本発明の実施形態に係るロボットの関節部材を示す部分的な縦断面図であって、シール部材が止め環で保持された円環状部材によって形成されていることを示す図である。図５のロボットの関節部材において、隙間を密封するシール部材の（Ａ）切れ目が１つ設けられた例を示す斜視図および、（Ｂ）切れ目が２つ設けられた例を示す斜視図である。本発明の第２実施形態に係るロボットの関節部材を示す部分的な縦断面図である。従来技術に係るロボットの関節部材を示す（Ａ）部分的な縦断面図および、（Ｂ）内側のシール部材の拡大図である。

本発明の第１実施形態に係る関節構造１０およびロボット１について、図面を参照しながら以下に説明する。
図１には、本実施形態に係るロボット１を示す全体図が示され、図２には、図１のロボット１の関節部２ｂ（関節部材）の関節構造１０を示す部分的な縦断面図が示されている。また、図３（Ａ）には、図１のロボット１の関節部２ｂにおいて、シール部材２０の一例を示す正面図が示されており、図３（Ｂ）には斜視図が示されている。

本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、ベース３と、ベース３に対して鉛直な軸線Ｌ１回りに回転可能に支持される回転台６と、軸線Ｌ１と直交する軸線Ｌ２に対して揺動可能な第１アーム７と、軸線Ｌ２と間隔をあけて平行な軸線Ｌ３に対して揺動可能な第２アーム８とを備えている。第２アーム８はまた、軸線Ｌ３と直交する軸線Ｌ４回りに回転可能に設けられている。また、第２アーム８の先端には手首部５が連結されており、手首部５は、軸線Ｌ４に直交する軸線Ｌ５回りに回転可能に設けられている。さらに、手首部５には、軸線Ｌ５に直交する軸線Ｌ６周りに回転可能であり、エンドエフェクタを取り付けることができるフランジ９が備えられている。

ロボット１を構成するベース３、回転台６、第１アーム７、第２アーム８、手首部５等の部材はそれぞれ、関節部２を介して互いに連結されている。
すなわち、ベース３と回転台６は、第１関節部２ａ（関節部材）を介して回転可能に連結され、回転台６と第１アーム７は、第２関節部２ｂを介して揺動可能に連結されている。また、第１アーム７と第２アーム８は、第３関節部２ｃ（関節部材）および第４関節部２ｄ（関節部材）を介して連結されており、第２アーム８と、手首部５は、手首関節部２ｅ（関節部材）を介して連結されている。さらに、フランジ９は、最終関節部２ｆ（関節部材）を介して手首部５に連結されている。

また、このロボット１には、関節部内に供給される空気（気体）Ａの流量を測定する図示しない流量測定部３５（流量測定手段）と、該流量測定部３５により測定された空気Ａの流量値に基づいて、後述するシール部材の劣化または破損を判定する判定部３６（判定手段）とが設けられている。

以下、図面を参照し、本実施形態に係る関節構造について説明する。
なお、本実施形態では、代表例として、回転台６に対して第１アーム７を回転させる関節部２ｂの関節構造１０について説明するが、その他の各関節部についても、同様の関節構造とすることができる。

図２に示されるように、本実施形態に係る関節構造１０は、回転台６および第１アーム７と、回転台６に対して水平な軸線Ｌ２回りに第１アーム７を回転駆動させる駆動機構４と、回転台６と第１アーム７との間を密封する密封手段とを備えている。駆動機構４は、モータ４ａと、該モータ４ａの回転を減速して第１アーム７に伝達する減速機４ｂとを備えている。

減速機４ｂは、内部に潤滑剤を保有する潤滑剤保有部を備え、該潤滑剤保有部内に潤滑剤を供給する潤滑剤補給口１３と、劣化した潤滑剤を外部に排出する潤滑剤排出口１４とがそれぞれ設けられている。

密封手段は、回転台６に固定される減速機４ｂの固定部と、第１アーム７に固定される減速機４ｂの可動部との間に配置され、両者間の隙間を密封する内側のシール部材１９と、内側の該シール部材１９の外側を取り囲む位置において、減速機４ｂの固定部と第１アーム７との隙間を密封する外側のシール部材２０と、内側のシール部材１９と外側のシール部材２０との間に画定された空間１１を加圧する加圧部（加圧手段）１２とを備えている。
密封手段は、潤滑剤や部分摩耗による塵埃が外部に漏出することを防止するとともに、外部から関節部２ｂ内部に液滴や異物が侵入することを防ぐものである。

減速機４ｂにおける潤滑剤保有空間の外側を２重に取り囲む位置には、２つの関節部の間をそれぞれ密封する２つのシール部材が設けられている。
内側のシール部材１９は、円環状の部材であり、図８（Ｂ）に示されるように、略Ｕ字状の縦断面形状を有するとともに、径方向内方に配置されるメインリップと、該メインリップの外壁面の一部から突出する先細りのリップ３３（ダストリップ）とを備えている。

外側のシール部材２０は、締め具２１により減速機４ｂの固定部に取り付けられた円環状の部材であり、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）に示されるように、径方向内方に向かって斜めに突出するフランジ状のリップを備えている。

また、シール部材２０には、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）に示されるように、シール部材２０の周方向の１箇所に切れ目２６が形成されている。すなわち、シール部材２０は、この切れ目２６の部分を周方向に開大することで、容易に着脱できるようになっている。

本実施形態においては、シール部材２０に設けられた切れ目２６は、径方向に対して所定の角度で傾斜して、軸方向に平行に形成されている。
なお、シール部材２０は、図６（Ｂ）に示されるように、切れ目２６を２つ以上形成して独立した２つ以上の円弧状部材２８、２９に分割してもよい。

シール部材１９，２０は、弾性を有するゴム製の材料や樹脂材料から形成される。ゴム製の材料としては、フッ素ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、シリコーンゴム等を用いることができ、樹脂材料としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂等を用いることができる。
シール部材２０の材料は、使用環境等に応じて適宜選択され、上記以外の材料を用いることも可能である。
また、内側のシール部材１９の耐圧性能は、外側のシール部材２０の耐圧性能よりも高く設定されている。

内側のシール部材１９と外側のシール部材２０との間には、空間１１が画定されている。
図２に示されるように、加圧部１２は空間１１に接続する配管と、図示しない空気圧源とを備えている。
加圧部１２によって空間１１内に空気Ａを供給し、空間１１内の圧力を外気より高めることで、空間１１内の空気Ａが外側のシール部材２０を経由して空間１１から外側に漏れる方向に作用するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る関節構造１０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る関節構造１０によれば、空間１１の圧力が加圧部１２の作動によって外気より高められることで、空間１１内の空気Ａが外側のシール部材２０を経由して空間１１から外側に漏れる方向に作用する。この結果、外側のシール部材２０を経由した外部からの液滴等の異物の侵入が空気Ａによって遮られ、異物の侵入を効果的に防止することができる。

外側のシール部材２０の耐圧性能は、内側のシール部材１９の耐圧性能よりも低いため、加圧部１２により空間１１内の気圧が高められると、空間１１内の空気Ａは、耐圧性能の高い内側のシール部材１９よりも耐圧性能が低い外側のシール部材２０から外部に漏れるため、内側のシール部材１９を経由した潤滑剤保有部への塵埃等の侵入を効果的に防止することができる。特に、外側のシール部材２０の劣化により耐圧性能が低下しても、外側のシール部材２０のリップを経由して外側に漏れる空気Ａによって、外部からの塵埃の侵入防止効果を維持することができる。

本実施形態においては、シール部材２０が、リップシールであるので、外部からの液滴等の異物の侵入に対し、より優れたシール性能を発揮することができる。

図３に示されるように、シール部材２０は、周方向の１箇所に切れ目２６を備えた弾性材料により形成されているので、シール部材２０に弾性変形を生じさせて切れ目２６を周方向に開大するだけで、シール部材２０を容易に交換することができる。
また、切れ目２６を径方向に対して傾斜する方向に設けることにより、シール部材２０を取り付けたときに生じる切れ目２６の隙間を狭め、切れ目２６からの空気Ａの漏洩を減らすことができる。

シール部材２０として、耐油性、耐薬品性、耐候性等に優れた樹脂材料を用いることで、シール部材２０の耐久性を高め、長期間安定してシール部材を使用することができる。また、弾性を有する樹脂材料を用いることとすれば、シール部材の交換性も増す。

本実施形態においては、図４に示されるように、外側のシール部材２０の外側に、外部からの異物の侵入を防止する防護壁２７を設けることにより、外部から関節部２ｂに向けて噴射される液滴や異物の圧力が高い場合であっても、噴射された液滴や異物は防護壁２７によって遮られ、外側のシール部材２０に直接衝突することを防ぐ。これにより、外側のシール部材２０の破損を防ぐことができる。

上記態様においては、外側のシール部材を止め環２１’によって保持された円環状のシール部材２０’としてもよい。リップシールであるシール部材２０の代わりに、図５に示されるようなシール部材２０’を用いた場合には、シール部材２０を用いる場合に比べて密封性には劣るが、空間１１内の空気Ａがシール部材２０’のわずかな隙間から外部へ噴き出すことで、関節部内側への液滴や異物の侵入を防止することができる。
また、リップシールであるシール部材２０に比べ、シール部材が劣化したり破損したりした場合の密封性の低下を少なくすることができる。
また、相手側接触面の表面粗さの粗滑にかかわらず、同一のシール部材を用いることができ、リップシールであるシール部材２０に比べて加工が容易となり、製造コストや工数を低減させることができる。

なお、シール部材２０は、図６（Ａ）に示されるように、周方向の１箇所に切れ目２６を設けた構成としたり、図６（Ｂ）に示されるように、周方向の２箇所以上に切れ目２６を設けて２つ以上の円弧状部材２８、２９に分割可能とすれば、シール部材２０の着脱がさらに容易になり、シール部材２０の交換性が増すという利点がある。

また、本実施形態のロボット１に図示しない流量測定部３５を設けて、空間１１内部に供給される空気Ａの流量を測定することとすれば、シール部材１９，２０の劣化や破損の状態を簡便に判定することができ、シール部材１９，２０の交換時期を判断することができる。
さらに、流量測定部３５で測定された空気Ａの流量値が所定の範囲内にあるか否かを判定部３６により判定することで、詳細にシール部材１９，２０の劣化状況を判定することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る関節構造１０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係るロボット１と構成を共通とする箇所には同一符号を伏して説明を省略する。
本実施形態に係る関節構造１０は、図７に示されるように、外側のシール部材２０の代わりに、スリット形成部材３１が設けられている点において、第１の実施形態に係る関節構造１０と相違している。

本実施形態に係る関節構造１０によれば、内側のシール部材１９とスリット形成部材３１との間の空間１１の圧力が、加圧部１２の作動によって外気より高められることにより、空間１１内の空気Ａがスリット形成部材３１を経由して空間１１から外側に漏れる方向に作用するので、スリット形成部材３１を経由した外部からの液滴等の異物の侵入が空気Ａによって遮られ、異物の侵入を効果的に防止することができる。
また、第１の実施形態のような、２つ以上のシール部材を使用する場合に比べ、使用するシール部材の数を減少させながらも十分にシール性能を確保することができ、シール部材の製造コストや工数を減らすことができる。

以上、説明した実施形態においては、一例として関節部２ｂの関節構造１０について説明したが、その他の各関節部についても、同様の関節構造を有することとしてもよい。

上記実施形態では、シール部材を２つ設けた場合について説明したが、シール部材は２つ以上設けることとしてもよい。
さらに、シール部材として円環状のものを例示したが、これに代えて、他の任意の形状に形成してもよい。
また、空間１１内に供給する気体としては空気Ａに限定されるものではなく、他の任意の気体を採用してもよい。

以上、上記実施形態を用いて本発明について説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１ロボット
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ関節部材
４、４ａ、４ｂ駆動機構
５手首部
１０関節構造
１１空間
１２加圧手段
１９、２０、２０’ シール部材
２７防護壁
３１スリット形成部材
Ａ空気（気体）

Claims

２つの関節部材と、
２つの該関節部材を所定の軸線回りに相対的に回転駆動する駆動機構と、
該駆動機構における潤滑剤保有部の外側を２重に取り囲む位置において、２つの前記関節部材の間をそれぞれ密封する２つのシール部材と、
２つの該シール部材の間に設けられた空間の気圧を外気より高くする加圧手段とを備え、
外側の前記シール部材が、弾性材料からなり、周方向の少なくとも１箇所に切れ目を備え、
該切れ目が径方向に対して傾斜しており、
外側の前記シール部材が、その外周面を締め具により締め付けることにより前記駆動機構の固定部に取り付けられている関節構造。
２つの前記シール部材の少なくとも一方が、リップシールである請求項１に記載の関節構造。
外側の前記シール部材の耐圧性能が、内側の前記シール部材の耐圧性能よりも低い請求項１または請求項２に記載の関節構造。
外側の前記シール部材の外側に、外部からの異物の侵入を防止する防護壁を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の関節構造。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の関節構造を備えるロボット。
前記加圧手段により前記空間内に供給される気体の流量を測定する流量測定手段を備える請求項５に記載のロボット。
前記流量測定手段により測定された気体の流量値に基づいて、前記シール部材の劣化または破損を判定する判定手段を備える請求項６に記載のロボット。