JP6595539B2

JP6595539B2 - ロボットおよびパラレルリンクロボット

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Publication number: JP6595539B2
Application number: JP2017160339A
Authority: JP
Inventors: 真広山本
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: JP2019038051A; US10960534B2; DE102018119982A1; US20190061144A1; CN109421039A

Description

本発明は、ロボットおよびパラレルリンクロボットに関するものである。

ロボットの関節を結ぶリンクに、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を用いた技術が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、リンクが軽量な材質で形成されることが好ましく、材質の一例としてＣＦＲＰが記載されている。

特開２０１４−２３７１８７号公報

リンクには、ロボットの先端に電源やエアを供給するためのケーブルやチューブなどが、リンクを外周からネジで締め付ける金属製のクランプ部品によって固定される場合がある。特許文献１に記載されたＣＦＲＰ製のリンクに、クランプ部品を用いてケーブル等を固定してしまうと、ネジの締め付け力によってリンク表面のＣＦＲＰが傷ついてしまうおそれがある。これを回避するために、クランプ部品とＣＦＲＰ表面との間に、ゴムや樹脂材などを挟み込むことで、ＣＦＲＰ表面を保護するだけでなく、ＣＦＲＰがクランプ部品から受ける面圧を分散させたり、クランプ部品がずれないように摩擦力を上げたりする技術が知られている。

しかしながら、ＣＦＲＰ表面とクランプ部品との間にゴムなどを挟み込むと、部品点数が多くなってしまい、組み立て作業が複雑になって、ロボットの製造コストが上がってしまう。また、部品点数が多くなることで、何らかの原因によってクランプ部品が外れると、ロボットが取り扱う物品の中に外れたクランプ部品が混入してしまう可能性が高くなるという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットを構成する部品点数を減らした上で、他部品の装着による損傷を低減することができるロボットおよびパラレルリンク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、一以上の関節と、該関節により連結された２以上のリンクと、少なくとも１つの該リンクに取り付けられる固定部材とを備え、該固定部材が取り付けられる前記リンクのみが、一体的に積層された、炭素繊維強化プラスチックからなる内層と、該内層の長手方向の少なくとも一部の外周面を全周にわたって被覆する弾性材料からなる外層とを備えるロボットを提供する。

本態様によれば、リンクは、炭素繊維強化プラスチックからなる内層を備えるので、軽量であるとともに高い引っ張り強度を有する。一方で、内層の少なくとも一部が弾性材料からなる外層で覆われているため、この部分に金属製のクランプ部品などによってケーブル等の他部品が固定されても、外層によって内層が傷つかないように保護され、外層の弾性変形によってクランプ部品から内層が受ける面圧を分散できる。

したがって、軽量かつ引っ張り強度の高い炭素繊維強化プラスチックからなる内層を、クランプ部品等の他部品を装着する際の締め付け力などの長手方向に交差する方向からの加重から保護して損傷を低減するとともに、内層と外層とを一体的に積層することにより部品点数を少なくして、ロボットの組立容易性を向上し、ロボットの製造コストを削減することができる。
上記態様においては、前記外層が、前記内層の前記固定部材が取り付けられる範囲のみを被覆していてもよい。

また、本発明の他の態様は、基礎部と、可動部と、前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、前記基礎部に配置され各前記アームを駆動する複数のアクチュエータと、前記アームに取り付けられる固定部材とを備え、各前記アームが、前記アクチュエータによって駆動される駆動リンクと、関節により該駆動リンクに連結された受動リンクとを備え、各該受動リンクが互いに平行な２つのリンク部材を備え、前記固定部材が、少なくとも１つのリンク部材に取り付けられ、前記固定部材が取り付けられる前記リンク部材のみが、一体的に積層された、炭素繊維強化プラスチックからなる内層と、該内層の長手方向の少なくとも一部の外周面を全周にわたって被覆する弾性材料からなる外層とを備えるパラレルリンクロボットを提供する。

本態様では、受動リンクが２つのリンク部材で構成されるため、１つのリンク部材が細くなる場合があるが、内層と外層とが積層されたリンク部材では、内層が炭素繊維強化プラスチックからなるため、リンク部材が高い引っ張り強度を有する。また、リンク部材の外層が弾性材料によって形成されているため、リンク部材にクランプ部品などが装着されても、内層が傷つかず、内層が受ける面圧を分散できる。

したがって、長手方向に交差する方向からの加重から内層を保護して損傷を低減するとともに、内層と外層とを一体的に積層することにより部品点数を少なくして、ロボットの組立容易性を向上させ、ロボットの製造コストを削減することができる。

上記態様においては、積層構造の前記リンク部材以外の前記リンク部材が、炭素繊維強化プラスチックからなっていてもよい。
このようにすることで、クランプ部品などが装着されないリンク部材は、弾性材料からなる外層を有する必要がないため、ロボットの製造コストを削減することができる。

本発明の参考例としての発明の参考態様としては、全ての前記リンク部材が、一体的に積層された前記内層と前記外層とを備えていてもよい。
このようにすることで、いずれのリンク部材にクランプ部品などを装着しても、内層のＣＦＲＰが傷つくことがない。これにより、クランプ部品により装着されるケーブル等の他部品の装着位置の自由度が向上する。全てのリンク部材として同じリンク部材を使用でき、設計の自由度を向上させた上で、ロボットの製造コストを削減することができる。

上記態様においては、前記外層が前記内層の外周面全面を被覆していてもよい。
このようにすることで、リンク部材の長手方向のいずれの位置にクランプ部品などを装着しても、内層のＣＦＲＰが傷つくことがない。これにより、クランプ部品により装着されるケーブル等の他部品の装着位置の自由度が向上する。
上記態様においては、前記外層が、前記内層の前記固定部材が取り付けられる範囲のみを被覆していしてもよい。

上記態様においては、前記可動部に取り付けられる手首軸と、該手首軸を駆動する手首用アクチュエータとを備え、該手首用アクチュエータが、前記固定部材に取り付けられていてもよい。

このようにすることで、手首軸を駆動する手首用アクチュエータを固定部材によってリンク部材に固定する場合においても、リンク部材の長手方向に直交する方向に固定部材から加わる加重から外層が内層を保護することができ、パラレルリンクロボットの部品点数を少なくして、パラレルリンクロボットの組立容易性を向上し、パラレルリンクロボットの製造コストを削減することができる。

本発明によれば、炭素繊維強化プラスチックからなる内層を、長手方向に交差する方向からの加重から保護して損傷を低減するとともに、内層と外層とを一体的に積層することにより部品点数を少なくして、ロボットの組立容易性を向上し、ロボットの製造コストを削減することができる。

本発明の参考例としての発明の一参考実施形態に係るパラレルリンクロボットを示す斜視図である。図１のパラレルリンクロボットにおけるＡ−Ａ断面を示す拡大図である。図１のパラレルリンクロボットに備えられたボールジョイントの周辺部分を示す拡大縦断面図である。図１のパラレルリンクロボットに備えられた固定部材の周辺部分を示す拡大斜視図である。変形例に係るパラレルリンクロボットに備えられたクランプ部品の周辺部分を示す拡大斜視図である。

本発明の参考例としての発明の一参考実施形態に係るパラレルリンクロボット（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は、本実施形態に係るパラレルリンクロボット１を示す斜視図である。図１に示すように、パラレルリンクロボット１は、ハウジング８に収納される基礎部２と、円板形状を有する可動プレート３（可動部）と、基礎部２と可動プレート３とを並列に連結する３つのアーム１０ａ〜１０ｃと、基礎部２に配置され各アーム１０ａ〜１０ｃを駆動する３つのアクチュエータ４ａ〜４ｃと、可動プレート３に取り付けられた取付部材（手首軸）９と、手首用アクチュエータ５と、手首用アクチュエータ５の駆動力を取付部材９へと伝達するドライブシャフト７と、手首用アクチュエータ５をアーム１０ａに固定する固定部材６と、ドライブシャフト７の途中に設けられたユニバーサルジョイントＵＪとを備えている。

基礎部２は、３つのアーム１０ａ〜１０ｃに接触しないように円板形状から３つの略長方形を切り抜いた形状を有する。３つのアーム１０ａ〜１０ｃは、基礎部２の円板における中心の鉛直軸線回りの周方向に等間隔をあけて配置されている。
アクチュエータ４ａ〜４ｃおよび手首用アクチュエータ５は、サーボモータおよび減速機を有している。各アクチュエータ４ａ〜４ｃは、連結された各アーム１０ａ〜１０ｃを、基礎部２の円板状の面方向に沿った水平な軸線回りにそれぞれ揺動させる。

各アクチュエータ４ａ〜４ｃの駆動が制御されることで、可動プレート３の位置が制御される。各アクチュエータ４ａ〜４ｃにより、可動プレート３の姿勢を基礎部２と平行に保ったままで、可動プレート３を並進移動させることができる。手首用アクチュエータ５は、ドライブシャフト７を介して、可動プレートにおける円板の中心軸回りに取付部材９を回転駆動させる。手首用アクチュエータ５が制御されることで、可動プレート３に対する取付部材９の回転角度が制御され、取付部材９に取り付けられたエンドエフェクタ（不図示）の回転角度が制御される。

各アーム１０ａ〜１０ｃは同じ構成であるため、ここではアーム１０ａの説明をして、アーム１０ｂ，１０ｃの説明を省略する。アーム１０ａは、アクチュエータ４ａに一端が取り付けられた駆動リンク１１ａと、駆動リンク１１ａの他端に一端が揺動可能に接続された受動リンク（リンク）１５ａとを備えている。受動リンクのもう一方の他端は、可動プレート３に揺動可能に接続されている。

受動リンク１５ａは互いに平行な２本のリンク部材１２ａ，１３ａを備えている。各リンク部材１２ａ，１３ａの両端と駆動リンク１１ａおよび可動プレート３とは、それぞれボールジョイント（関節）ＢＪによって揺動自在に接続されている。すなわち、駆動リンク１１ａ、可動プレート３および各２本のリンク部材１２ａ，１３ａは、それぞれ平行４節リンクを構成し、駆動リンク１１ａに対する角度が変化しても、４つのボールジョイントＢＪを順番に直線で結んだ四角形は、常に平行四辺形となるように配置されている。

各リンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃは、同じ構造を有し、全長にわたって円筒形状を有する。図２に、リンク部材１２ａの横断面形状およびその一部の拡大断面形状を示す。図２に示すように、リンク部材１２ａは、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと言う。）からなる複数の層が積層された内層Ｌ_ＩＮと、全周にわたって内層Ｌ_ＩＮを覆うニトリルゴム（以下、ＮＢＲと言う。）からなる外層Ｌ_ＯＵとを備えている。

内層Ｌ_ＩＮは、シート状のＣＦＲＰを丸棒の外周面に巻き付けることで形成される。外層Ｌ_ＯＵは、内層Ｌ_ＩＮが形成された後に、内層Ｌ_ＩＮの表面にＮＢＲのシート材が覆うように巻かれることで内層Ｌ_ＩＮと一体的に形成される。外層Ｌ_ＯＵが形成された後に、丸棒が引き抜かれて、完成されたリンク部材１２ａでは、引き抜かれた丸棒の部分が中空になる。本実施形態のリンク部材１２ａでは、長手方向にわたるほぼ全域において、内層Ｌ_ＩＮが外層Ｌ_ＯＵに覆われている。

図３に、ボールジョイントＢＪの周辺部分における内層Ｌ_ＩＮと外層Ｌ_ＯＵとの関係を表す縦断面図を示す。図３に示すボールジョイントＢＪは、駆動リンク１１ａとリンク部材１２ａとを連結している。図３に示すように、ボールジョイントＢＪは、球状の球頭部２２と、駆動リンク１１ａに連結するとともに球頭部２２に接続して略円柱状のボールスタッド２１と、球頭部２２の球面と相補的な内球面からなる受け部２３ｂおよびリンク部材１２ａが嵌合される挿入孔２３ａを有する連結部２３とを備えている。

球頭部２２と受け部２３ｂとを相対的に摺動させることで、連結部２３に連結されたリンク部材１２ａの駆動リンク１１ａに対する姿勢を任意に変更することができるようになっている。

リンク部材１２ａの両端は、それぞれ外層Ｌ_ＯＵを部分的に剥離することにより露出した内層Ｌ_ＩＮの外周面を旋削等により精度よく加工して円柱状に形成されており、連結部２３の挿入孔２３ａに嵌合されている。すなわち、リンク部材１２ａおよびその他のリンク部材１２ｂ，１２ｃ，１３ａ〜１３ｃでは、長手方向の両端を除く領域において、内層Ｌ_ＩＮが外層Ｌ_ＯＵに覆われている。

図４は、固定部材６の周辺部分を示す拡大斜視図である。図４に示すように、固定部材６は、２組のボルトＢＴ１および間隔部材によって互いに間隔をあけて平行に固定された２枚の長板部材６１，６２と、長板部材６１，６２の間に配置されて各リンク部材１２ａ，１３ａに装着される２つのクランプ部品６５ａ，６５ｂとを備えている。

クランプ部品６５ａは、リンク部材１２ａを嵌合させる凹みを有する金属製の凹部材６６ａと、凹みに嵌合したリンク部材１２ａを挟んで凹部材６６ａの反対側に配置される金属製の平板部材６７ａと、平板部材６７ａと凹部材６６ａとを締め付けてリンク部材１２ａに固定するボルトＢＴ２とを備えている。

平板部材６７ａには、ボルトＢＴ２を貫通させる貫通孔が設けられている。凹部材６６ａには、平板部材６７ａの貫通孔を貫通したボルトＢＴ２を締結させるネジ孔が設けられている。なお、クランプ部品６５ｂは、クランプ部品６５ａと同じ構成を有するため、クランプ部品６５ｂの説明を省略する。

固定部材６の２枚の長板部材６１，６２の間には、長板部材６１，６２の長手方向の中央に、手首用アクチュエータ５の先端に設けられたブラケットＢＣが配置されている。クランプ部品６５ａ，６５ｂの凹部材６６ａ，６６ｂおよびブラケットＢＣには、長板部材６１，６２に対向する２つの側面から間隔方向に沿って延びるシャフト（凹部材６６ａ，６６ｂのシャフトは不図示）ＳＨが設けられている。また、長板部材６１，６２には、シャフトＳＨを内輪に嵌合させて、凹部材６６ａ，６６ｂおよびブラケットＢＣを回転可能に支持するベアリングＢＲが設けられている（ブラケットＢＣのベアリングＢＲは不図示）。ベアリングＢＲとしては、ボールベアリングまたは滑り軸受を採用することができる。

このように構成された本実施形態に係るパラレルリンクロボット１によれば、リンク部材１２ａがクランプ部品６５ａによって径方向外側から内側に向かう締め付け力で締め付けられても、ＮＢＲからなる外層Ｌ_ＯＵが弾性変形することによって、締め付け力が分散され、内層Ｌ_ＩＮのＣＦＲＰを保護することができる。これにより、金属製のクランプ部品６５ａをＣＦＲＰにより軽量化されたリンク部材１２ａに直接取り付けることができ、リンク部材１２ａと、凹部材６６ａおよび平板部材６７ａとの対向面との間に、弾性材料からなる別体の保護部品を介在させる必要がないため、部品点数を削減することができるという利点がある。したがって、ロボットの製造コストを抑制でき、また、クランプ部品が外れたとしても、ロボットが取り扱う物品の中に外れたクランプ部品６５ａ、特に、検知が困難なＮＢＲ製の部品が混入してしまう可能性を低減できる。

なお、上記実施形態では、ＣＦＲＰからなる内層Ｌ_ＩＮに有するとともに弾性材料からなる外層Ｌ_ＯＵを有するリンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃを一例に挙げて説明したが、リンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃの態様については、種々変形可能である。

例えば、上記実施形態では、リンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃのすべてがＣＦＲＰからなる内層Ｌ_ＩＮとＮＢＲからなる外層Ｌ_ＯＵとを有したが、本発明の一実施形態に係るパラレルリンクロボット（ロボット）は、クランプ部品６５ａ，６５ｂが取り付けられるリンク部材１２ａ，１３ａがＮＢＲからなる外層Ｌ_ＯＵを有し、その他のリンク部材１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃは、ＮＢＲからなる層を有さない。また、リンク部材１２ａ，１３ａにおける外層Ｌ_ＯＵは、クランプ部品６５ａ，６５ｂが取り付けられる範囲に形成されればよい。上記実施形態におけるボールジョイントＢＪへの連結部分だけでなく、例えば、固定部材６とボールジョイントＢＪとの間などにも、弾性材料からなる外層Ｌ_ＯＵが形成されなくてもよい。

外層Ｌ_ＯＵを形成する弾性材料は、ＮＢＲ以外のゴム材であってもよいし、樹脂などの弾性材料であってもよい。外層Ｌ_ＯＵを形成するゴム材としては、例えば、水素ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどが挙げられる。また、外層Ｌ_ＯＵを形成する樹脂材としては、例えば、ポリアセタール（ＰＯＭ）や超高分子ポリエチレン（ＵＨＭＷ―ＰＥ）などが挙げられる。上記実施形態では、リンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃは、ＣＦＲＰからなる内層Ｌ_ＩＮとＮＢＲからなる外層Ｌ_ＯＵとで形成されたが、内層Ｌ_ＩＮの内側に別材料からなる層が形成されてもよいし、内層Ｌ_ＩＮと外層Ｌ_ＯＵとの間に、別材料の層が形成されてもよい。

また、上記実施形態では、クランプ部品６５ａ，６５ｂを備える固定部材６によって、手首用アクチュエータ５がリンク部材１２ａなどに固定されたが、図５に示されるように、例えば、その他の部品としてのチューブＴＢがクランプ部品６５ａａによってリンク部材１２ａなどに固定されてもよい。図５に示す態様では、リンク部材１２ａにチューブＴＢが固定され、図示していないリンク部材１３ａにはクランプ部品６５ｂが装着されていない。
また、上記実施形態および図５に示す態様では、リンク部材１２ａ，１３ａに外周から長手方向に直交する方向に締め付け力を加える部品として、クランプ部品６５ａ，６５ｂ，６５ａａを一例に挙げたが、その他の部品（例えば、クリップ等）であってもよい。

リンク部材１２ａに他部品が固定される場合に、リンク部材１２ａの全長にわたって外層Ｌ_ＯＵが設けられていることにより、ユーザが金属製のクランプ部品６５ａａによって任意の位置にチューブＴＢ等を固定することができる。これに代えて、リンク部材１２ａの長手方向の予め定められた位置のみに部分的に外層Ｌ_ＯＵを設け、その位置でクランプ部品６５ａａによってチューブＴＢ等を固定するように指定してもよい。

上記実施形態では、ＣＦＲＰからなる内層Ｌ_ＩＮと、弾性材料からなる外層Ｌ_ＯＵとが形成されたリンク部材１２ａ〜１２ｃ，１３ａ〜１３ｃを備えるロボットとして、３つのアーム１０ａ〜１０ｃを備えるいわゆるデルタ型のパラレルリンクロボットを例に挙げたが、それ以外のロボットであってもよい。例えば、４本以上または２本のアームを備えるパラレルリンクロボットであってもよいし、並列のアームを備えないシリアルリンクロボットであってもよい。

１パラレルリンクロボット（ロボット）
２基礎部
３可動プレート（可動部）
４ａ，４ｂ，４ｃアクチュエータ
５手首用アクチュエータ
６固定部材
９取付部材（手首軸）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃアーム
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ駆動リンク
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ受動リンク
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ、１３ｂ，１３ｃリンク部材（リンク）
６５ａ，６５ａａ，６５ｂクランプ部品
ＢＪボールジョイント（関節）
Ｌ_ＩＮ内層
Ｌ_ＯＵ外層

Claims

一以上の関節と、
該関節により連結された２以上のリンクと、
少なくとも１つの該リンクに取り付けられる固定部材とを備え、
該固定部材が取り付けられる前記リンクのみが、一体的に積層された、炭素繊維強化プラスチックからなる内層と、該内層の長手方向の少なくとも一部の外周面を全周にわたって被覆する弾性材料からなる外層とを備えるロボット。
前記外層が、前記内層の前記固定部材が取り付けられる範囲のみを被覆している請求項１に記載のロボット。
基礎部と、
可動部と、
前記基礎部と前記可動部とを並列に連結する複数のアームと、
前記基礎部に配置され各前記アームを駆動する複数のアクチュエータと、
前記アームに取り付けられる固定部材とを備え、
各前記アームが、前記アクチュエータによって駆動される駆動リンクと、関節により該駆動リンクに連結された受動リンクとを備え、
各該受動リンクが互いに平行な２つのリンク部材を備え、
前記固定部材が、少なくとも１つのリンク部材に取り付けられ、
前記固定部材が取り付けられる前記リンク部材のみが、一体的に積層された、炭素繊維強化プラスチックからなる内層と、該内層の長手方向の少なくとも一部の外周面を全周にわたって被覆する弾性材料からなる外層とを備えるパラレルリンクロボット。
積層構造の前記リンク部材以外の前記リンク部材が、炭素繊維強化プラスチックからなる請求項３に記載のパラレルリンクロボット。
前記外層が前記内層の外周面全面を被覆している請求項３または請求項４に記載のパラレルリンクロボット。
前記外層が、前記内層の前記固定部材が取り付けられる範囲のみを被覆している請求項３または請求項４に記載のパラレルリンクロボット。
前記可動部に取り付けられる手首軸と、
該手首軸を駆動する手首用アクチュエータとを備え、
該手首用アクチュエータが、前記固定部材に取り付けられている請求項３から請求項６のいずれかに記載のパラレルリンクロボット。