JP7319105B2

JP7319105B2 - 回転軸構造およびロボット

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Publication number: JP7319105B2
Application number: JP2019119762A
Authority: JP
Inventors: 一隆中山
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: US11331815B2; US20200406479A1; JP2021003787A; CN112140140A; DE102020115936A1

Description

本開示は、回転軸構造およびロボットに関するものである。

２つのリンクを所定の回転軸線回りに回転可能に支持するとともに、リンク間に作用するトルクを検知するトルクセンサを備える駆動機構が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この駆動機構においては、一方のリンクに入力軸が固定された減速機の出力軸と、他方のリンクとの間に挟まれる位置に配置され、両者に固定された出力部材に配線部材を支持させている。

特開２０１７－１２４４６５号公報

配線部材が２つのリンクの回転軸線に直交する平面に沿って配置されているので、配線部材との干渉を回避するために、出力部材は周方向の１箇所のみにおいて減速機の出力軸と他方のリンクとを接続することとなり、十分な剛性を確保することができない。したがって、配線部材によって生じる反力の影響を低減し、リンクに生じた外力によるトルクを高感度かつ検知しつつ、十分な剛性を確保することができることが望ましい。

本開示の一態様は、第１部材と、該第１部材に対して、回転軸線回りに回転可能に支持された第２部材と、該第２部材に接続される出力軸部材を備え、前記第１部材に対して前記第２部材を前記回転軸線回りに回転駆動するアクチュエータと、前記出力軸部材と前記第２部材との間に作用する物理量を検出するセンサと、前記出力軸部材に固定された第１固定部材とを備え、前記第１部材側から前記第２部材側に線条体が敷設され、前記第１固定部材が、前記センサとの間に所定の隙間をあけて前記第２部材側に延び、前記第１部材側から敷設されてきた前記線条体が、前記第２部材側において、前記第１固定部材に固定されている回転軸構造である。

本開示の一実施形態に係る回転軸構造を備えるロボットを部分的に示す縦断面図である。図１の回転軸構造に備えられるアクチュエータおよびトルクセンサを示す斜視図である。図２のアクチュエータおよびトルクセンサを第２部材側から見た平面図である。図１の回転軸構造を備えるロボットの変形例を部分的に示す縦断面図である。図４のロボットにおける第１センサ構成部材および第２センサ構成部材によって検出されるねじれ量の位置を示す模式図である。

本開示の一実施形態に係る回転軸構造１およびロボットについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットは、例えば、６つの回転軸を有する６軸多関節型のロボットである。このロボットの少なくとも１つの回転軸は、図１に示されるように、本実施形態に係る回転軸構造１を有している。

すなわち、本実施形態に係る回転軸構造１は、第１部材２と、第２部材３と、第１部材２に対して第２部材３を回転軸線Ａ回りに回転駆動するアクチュエータ４と、トルクセンサ（センサ）５と、第１部材２側から第２部材３側に敷設される線条体６を固定する固定部材７とを備えている。
図１に示す例では、第１部材２は、例えば、床面に固定されるベースである。また、第２部材３は、例えば、鉛直な回転軸線Ａ回りにベースに対して回転駆動される旋回胴である。

アクチュエータ４は、モータ８と、モータ８の回転を減速する減速機９とを備えている。減速機９は、第１部材２に固定される入力軸部材１０と、入力軸部材１０に対して回転駆動される出力軸部材１１とを備えている。入力軸部材１０および出力軸部材１１には、回転軸線Ａ付近に回転軸線Ａに沿って貫通し、線条体６を貫通させることができる中央孔１２，１３が設けられている。

トルクセンサ５は、図３に示されるように、中央に中央孔１４を備えるリング状の入力部である第１センサ構成部材１５と、第１センサ構成部材１５の半径方向外方に間隔をあけて同心に配置されるリング状の出力部である第２センサ構成部材１６と、第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６とを連結する起歪体（連結部）１７とを備えている。起歪体１７は、周方向に間隔をあけて複数配置されている。また、起歪体１７には、１以上のひずみゲージ（図示略）が固定されている。

トルクセンサ５は、全体として円板状に形成されている。周方向に隣接する起歪体１７と起歪体１７との間には、板厚方向に貫通する貫通孔２２が設けられている。
第１センサ構成部材１５は、周方向に間隔をあけて配置された複数のボルト等（図示略）によって減速機９の出力軸部材１１に固定されている。これにより、出力軸部材１１は、トルクセンサ５を介して第２部材３に間接的に接続されている。また、第２センサ構成部材１６は、周方向に間隔をあけて配置された複数のボルト等（図示略）によって第２部材３に固定されている。第１センサ構成部材１５に設けられた中央孔１４は、図１に示されるように、出力軸部材１１に固定されたときに、減速機９の中央孔１２，１３と略一致する位置および大きさに設定されている。

固定部材７は、減速機９の出力軸部材１１に直接固定される第１固定部材１９と、第２部材３に固定される第２固定部材２０と、減速機９の入力軸部材１０に固定される第３固定部材２１とを備えている。
第１固定部材１９は、図２に示されるように、トルクセンサ５の第２センサ構成部材１６に設けられた貫通孔２２を回転軸線Ａに平行に貫通して、トルクセンサ５を挟んで減速機９とは反対側の第２部材３側まで延びる２本のシャフト部材２３を備えている。また、第１固定部材１９は、２本のシャフト部材２３の先端どうしを連結する平板状の連結部材２４を備えている。

シャフト部材２３は、図３に示されるように、トルクセンサ５の第２センサ構成部材１６に設けられた貫通孔２２の大きさよりも十分に小さい外径寸法を有し、貫通孔２２の内面との間に所定の隙間をあけて配置されている。
連結部材２４、第２固定部材２０および第３固定部材２１には、タイラップ等の固定具によって線条体６を固定することができる。

線条体６は、アクチュエータ４およびトルクセンサ５の第１センサ構成部材１５に設けられた中央孔１２，１３，１４を第１部材２側から第２部材３側に貫通する。線条体６は、中央孔１２，１３，１４よりも第１部材２側において、第３固定部材２１によって減速機９の入力軸部材１０に固定され、中央孔１２，１３，１４よりも第２部材３側において、第１固定部材１９の連結部材２４および第２固定部材２０に固定される。

線条体６は、ロボットの各回転軸のモータ８を駆動するための機構部ケーブルの他、センサ用のケーブル、アームあるいは手首に取り付けたツールを駆動するためのケーブル、あるいは流体を供給するチューブ等を含んでいてもよい。

このように構成された本実施形態に係る回転軸構造１およびロボットの作用について以下に説明する。
本実施形態に係る回転軸構造１によれば、モータ８を駆動すると、減速機９によってモータ８の回転が減速されて入力軸部材１０に対して出力軸部材１１が回転軸線Ａ回りに回転駆動される。

出力軸部材１１はトルクセンサ５を介在させて間接的に第２部材３に固定されているので、出力軸部材１１が回転駆動されると、出力軸部材１１のトルクがトルクセンサ５を経由して第２部材３に伝達され、第２部材３が第１部材２に対して回転駆動される。この場合において、出力軸部材１１に回転軸線Ａ回りのトルクが作用すると、起歪体１７が弾性変形して歪ゲージが歪むことにより、歪量に応じたトルク（物理量）が検出される。

通常の動作時にトルクセンサ５によって検出されるトルクを記憶しておき、実際に検出されたトルクから記憶されているトルクを減算することにより、例えば、外部構造物あるいは作業者との接触等により第２部材３に作用するトルクを検出することができる。

本実施形態によれば、回転軸を通過する線条体６は、減速機９およびトルクセンサ５に設けられた中央孔１２，１３，１４を貫通している。そして、線条体６は、中央孔１２，１３，１４よりも第１部材２側に配置された第３固定部材２１と、中央孔１２，１３，１４よりも第２部材３側に配置された第１固定部材１９とに、長いスパンをあけて固定されている。これにより、第１部材２に対して第２部材３が回転駆動されても、線条体６は長いスパンで捻じられることになるため、線条体６の繰り返しねじれ運動に対する寿命を大幅に向上させることができる。

この場合において、第１部材２に対して第２部材３が回転駆動されると、線条体６が捻じられることにより弾性変形させられるので、その反力が、連結部材２４と第１固定部材１９とによって受けられる。第１固定部材１９は、第２部材３ではなく、減速機９の出力軸部材１１に直接固定されるとともに、第２センサ構成部材１６の貫通孔２２を貫通させられることによってトルクセンサ５に接触しない位置に配置されている。

これにより、減速機９のみに外部から回そうとする外力が作用することになり、トルクセンサ５には、第２部材３に作用する外力のみが作用することになる。この結果、第１固定部材１９に作用する線条体６の反力で元の状態に戻ろうとする回転方向のトルクがトルクセンサ５に直接印加されることが防止され、トルクを精度よく検出することができるという利点がある。
また、減速機９として、外部から回すのに大きな力を必要とする逆効率の低い減速機を採用した場合には、駆動モータへの線条体９の反力の影響を低減することができる。

すなわち、本実施形態に係る回転軸構造１およびロボットによれば、例えば、協働ロボット等に適用して、作業者等が第２部材３に接触することによる接触力のみを精度よく検出することができる。また、作業者がロボットに直接外力を加えて、外力の方向にロボットを動作させて教示を行う、いわゆるリードスルーティーチにおいて、加えられた外力を精度よく検出することができ、操作性を向上することができる。

さらに、本実施形態に係る回転軸構造１によれば、第１部材２から第２部材３に跨る線条体６を回転軸線Ａに直交する平面に沿って延ばすのではなく、回転軸線Ａに沿う方向に貫通する中央孔１２，１３，１４を貫通する方向に延ばしている。その結果、トルクセンサ５の第１センサ構成部材１５と減速機９の出力軸部材１１とを全周にわたって複数個所においてボルト等により確実に固定することができる。
したがって、線条体６を処理するために、周方向の１箇所のみにおいて出力軸部材１１とトルクセンサ５の第１センサ構成部材１５とを固定していた先行文献の回転軸構造と比較して、剛性を大幅に向上することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、トルクセンサ５が、板厚方向に貫通する複数の貫通孔２２を備え、第１固定部材１９が、貫通孔２２を貫通した複数のシャフト部材２３の端部を連結部材２４によって連結した構成を有している。これにより、第２部材３側において線条体６を高剛性の第１固定部材１９によって支持することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、第２部材３の内部空間内において、線条体６が第１固定部材１９および第２固定部材２０により支持されている。そして、第１固定部材１９と第２固定部材２０との間に位置する部分の線条体６が弛ませられることにより、張力緩和部が構成されている。
すなわち、第２部材３は減速機９の出力軸部材１１の回転に伴って回転するので、第１固定部材１９と第２固定部材２０との間の線条体６は、回転軸構造１の作動によって大きな変形を伴わない。しかしながら、トルクセンサ５にトルクが作用することにより、起歪体１７が弾性変形すると、第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６との間に微小の相対回転が発生する。

このため、トルクが作用していない状態で第１固定部材１９と第２固定部材２０との間の線条体６を緩みなく固定してしまうと、トルクが作用したときのトルクセンサ５の第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６との間の相対回転によって、線条体６に作用する張力が発生する可能性がある。本実施形態においては、線条体６を弛ませることによる張力緩和部を設けることにより、線条体６の張力がトルクセンサ５に作用することによって生ずるトルクセンサ５の検出精度の低下を防ぐことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、第１部材２としてベース、第２部材３として旋回胴を例示した。これに代えて、旋回胴と第１アームとの間、第１アームと第２アームとの間、あるいは、手首ユニットを構成する回転軸の少なくとも１つに、上記回転軸構造を採用してもよい。
また、本実施形態においては、第３固定部材２１は、減速機９の入力軸部材１０に代えて、第１部材２に固定されていてもよい。

また、本実施形態においては、６軸多関節型のロボットを例示したが、これに限定されるものではなく、他の任意の形式のロボットに適用してもよい。
また、本実施形態においては、センサとして、トルクを検出するトルクセンサ５を例示したが、これに代えて、力（物理量）を検出する力センサを採用してもよい。

また、トルクセンサ５においても、第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６とを連結した一体型のものに限られるものではない。トルクセンサ５として、図４および図５に示されるように、第２部材３において第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６とが連結され、出力軸部材１１に第２部材３が直接接続され、第２部材３上に設置された、第１センサ構成部材１５と第２センサ構成部材１６との相対回転位相差からトルクを算出するエンコーダ方式のものを採用してもよい。図５における領域Ｚは、第１センサ構成部材１５および第２センサ構成部材１６によって検出される回転位相差（ねじれ量）の位置を示している。

また、本実施形態においては、減速機９の出力軸部材１１に直接固定されている第１固定部材１９が、トルクセンサ５の起歪体１７の間の貫通孔２２を貫通して配置されることとした。これに代えて、第１固定部材１９がトルクセンサ５の中央孔１４を貫通して第２部材３側に配置されることにしてもよい。この場合においても、第１固定部材１９はトルクセンサ５の第１センサ構成部材１５との間に隙間をあけて配置すればよい。すなわち、第１固定部材１９がトルクセンサ５に直接接触しない方式を採用すればよい。

また、本実施形態においては、第１固定部材１９と第２固定部材２０との間の線条体６を弛ませることにより張力緩和部を構成したが、他の構成の張力緩和部を採用してもよい。例えば、第２固定部材２０を第２部材３にスライド可能に取り付けることにより、第２固定部材２０のスライドによって線条体６に作用する張力を緩和することにしてもよい。

１回転軸構造
２第１部材
３第２部材
４アクチュエータ
５トルクセンサ（センサ）
６線条体
１１出力軸部材
１２，１３，１４中央孔
１８貫通孔
１９第１固定部材
２０第２固定部材
２１第３固定部材
２３シャフト部材
２４連結部材
Ａ回転軸線

Claims

第１部材と、
該第１部材に対して、回転軸線回りに回転可能に支持された第２部材と、
該第２部材に接続される出力軸部材を備え、前記第１部材に対して前記第２部材を前記回転軸線回りに回転駆動するアクチュエータと、
前記出力軸部材と前記第２部材との間に作用する物理量を検出するセンサと、
前記出力軸部材に固定された第１固定部材とを備え、
前記第１部材側から前記第２部材側に線条体が敷設され、
前記第１固定部材が、前記センサとの間に所定の隙間をあけて前記第２部材側に延び、
前記第１部材側から敷設されてきた前記線条体が、前記第２部材側において、前記第１固定部材に固定されている回転軸構造。
前記アクチュエータが、前記回転軸線の周囲に、該回転軸線に沿って貫通し、前記線条体を貫通させる中央孔を備える請求項１に記載の回転軸構造。
前記センサが、前記回転軸線の周囲に、該回転軸線に沿って貫通し、前記線条体を貫通させる中央孔を備え、
前記第１固定部材が、前記センサの前記中央孔内部を貫通している請求項２に記載の回転軸構造。
前記センサは、前記回転軸線に平行に貫通する貫通孔を備え、
前記第１固定部材が、前記貫通孔を貫通している請求項１または請求項２に記載の回転軸構造。
前記第２部材に固定された第２固定部材を備え、
前記線条体が、前記第２部材側において、前記第１固定部材および前記第２固定部材に固定されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転軸構造。
前記第１固定部材と前記第２固定部材との間に配置される前記線条体に所定以上の張力が作用することを防止するために、前記第１固定部材と前記第２固定部材との間の前記線条体に弛みを持たせて前記第１固定部材および前記第２固定部材に固定する請求項５に記載の回転軸構造。
前記第１固定部材と前記第２固定部材との間に配置される前記線条体に所定以上の張力が作用することを防止するために、前記第２固定部材を前記第２部材にスライド可能に固定する請求項５に記載の回転軸構造。
前記第１固定部材が、前記貫通孔を貫通する複数のシャフト部材と、該シャフト部材の先端どうしを連結する連結部材とを備える請求項４に記載の回転軸構造。
前記第１部材側に前記線条体を固定する第３固定部材を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の回転軸構造。
請求項１から請求項９のいずれかに記載の回転軸構造を少なくとも１つ備えるロボット。