JP7499616B2 - ロボットアーム及び関節構造 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム及び関節構造に関する。

ロボットアーム等の関節構造として、アームの自重を補償する機構を備えるものが知られている。
特許文献１には、ばね等の弾性体によりアームの変位に応じた力を発生させて自重を補償するアーム装置が記載されている。
特許文献２には、関節部の回転軸方向に対向させた磁石と平板コイルを用い、磁力を利用するロボットの自重補償装置が記載されている。
また、他の技術として、アームの基端側に自重を相殺するカウンターウェイトを設ける機構が知られている。

国際公開第２０１８／０５１６６５号 特開昭６０－０７６９８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ばね等の弾性体を伸縮させる必要があるため、機構が大型化・複雑化しやすい。また、関節部の動作範囲が制限される、弾性体による補償力の設計が難しい等の問題もある。
特許文献２に記載の技術では、平板コイルへの電力供給が必要なため、装置全体として構成が複雑化する。
また、カウンターウェイトを設ける場合には、カウンターウェイトにより機構が大型化・重量化してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡便な構成で好適にアームの自重を補償することを目的とする。

本発明は、アームと、前記アームを回動可能に支持する関節部と、を備えるロボットアームであって、
前記関節部には磁石が設けられ、
前記磁石は、前記アームが所定の基準状態から回動するに伴って、当該アームを前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アームに作用させるように配置され、
前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アームを水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アームに連結された第２永久磁石とを含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アームの前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の少なくとも一方は、前記中心軸に沿った軸方向に移動可能に構成されている。
また、本発明は、アームと、前記アームを回動可能に支持する関節部と、を備えるロボットアームであって、
前記関節部には磁石が設けられ、
前記磁石は、前記アームが所定の基準状態から回動するに伴って、当該アームを前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アームに作用させるように配置され、
前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アームを水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アームに連結された第２永久磁石とを含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アームの前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の前記径方向の位置に、導電体が配置されている。

また、本発明は、アーム部材と、前記アーム部材を回動可能に支持する関節部と、を備える関節構造であって、
前記関節部には磁石が設けられ、
前記磁石は、前記アーム部材が所定の基準状態から回動するに伴って、当該アーム部材を前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アーム部材に作用させるように配置され、
前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アーム部材を水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アーム部材に連結された第２永久磁石とを含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アーム部材の前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の少なくとも一方は、前記中心軸に沿った軸方向に移動可能に構成されている。

本発明によれば、簡便な構成で好適にアームの自重を補償することができる。

実施形態に係るロボットアームを示す側面図である。 実施形態に係る第１関節部の構造を示す図であって、（ａ）が軸方向から見た図であり、（ｂ）が（ａ）のII－II線での断面図である。 実施形態に係る第１関節部の動作を説明するための図であって、（ａ）は第１アームの起立状態を示す図であり、（ｂ）は第１アームが起立状態から回転した状態を示す図である。 実施形態の第１の変形例に係る関節部を示す図であり、（ａ）が軸方向に沿った断面図、（ｂ）が部分的な断面斜視図である。 実施形態の第２の変形例に係る関節部を示す図であり、（ａ）が軸方向から見た図であり、（ｂ）が（ａ）のV－V線での断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［ロボットアームの全体構成］
図１は、本実施形態に係るロボットアーム１を示す側面図である。
この図に示すように、ロボットアーム１は、例えば垂直多関節ロボットであり、ベース部２１と、複数のアーム２２（本実施形態では、ベース部２１側から順に第１アーム２２ａ～第３アーム２２ｃ）と、エンドエフェクタ２３と、複数の関節部２４（本実施形態では、ベース部２１側から順に第１関節部２４ａ～第３関節部２４ｃ）とを有している。

複数の関節部２４は、ベース部２１と、複数のアーム２２とを直列に連結している。具体的には、第１関節部２４ａがベース部２１と第１アーム２２ａを、第２関節部２４ｂが第１アーム２２ａと第２アーム２２ｂを、第３関節部２４ｃが第２アーム２２ｂと第３アーム２２ｃを、それぞれ水平軸回りに相対回転可能に連結している。各関節部２４には、アーム２２を駆動するモータやエンコーダが設けられている（図示省略）。

［関節部の構造］
図２は、第１関節部２４ａの構造を示す図であって、（ａ）が軸方向から見た図であり、（ｂ）が（ａ）のII－II線での断面図である。図３は、第１関節部２４ａの動作を説明するための図であって、（ａ）は第１アーム２２ａの起立状態を示す図であり、（ｂ）は第１アーム２２ａが起立状態から回転した状態を示す図である。
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１関節部２４ａは、第１アーム２２ａに連結された円筒状の内輪３１と、ベース部２１に連結された円筒状の外輪３２と、複数の転動体３３とを備える。これらは玉軸受を構成しており、ベース部２１と第１アーム２２ａとを略水平な中心軸Ａｘ回りに互いに回動可能に連結している。
以下では、中心軸Ａｘに沿った方向を「軸方向」、中心軸Ａｘに垂直な方向を「径方向」、中心軸Ａｘを中心とする回動方向を「周方向」という。

内輪３１及び外輪３２は、転動体３３が配置された軸方向の一方側（図２（ｂ）の左側）とは反対の他方側（図２（ｂ）の右側）に延出している。
内輪３１の外周面のうち、軸方向の他方側には、円筒状の内側磁石部材３４が取り付けられている。内側磁石部材３４は、永久磁石である２つの内側磁石３４１（３４１ａ、３４１ｂ）と、非磁性体である２つの樹脂モールド部３４２とを有する。内側磁石３４１と樹脂モールド部３４２とは、それぞれ中心角９０度の円弧（部分円筒）状に形成され、周方向に交互に配置されている。各内側磁石３４１は、後述するように、内径側と外径側とで異なる極性を有している。

外輪３２の内周面のうち、軸方向の他方側には、円筒状の外側磁石部材３５が取り付けられている。外側磁石部材３５は、内側磁石部材３４と対応する軸方向位置に配置されており、所定の隙間を介在させて内側磁石部材３４と径方向に対向している。外側磁石部材３５は、永久磁石である２つの外側磁石３５１（３５１ａ、３５１ｂ）と、非磁性体である２つの樹脂モールド部３５２とを有する。外側磁石３５１と樹脂モールド部３５２とは、それぞれ中心角９０度の円弧（部分円筒）状に形成され、周方向に交互に配置されている。各外側磁石３５１は、後述するように、内径側と外径側とで異なる極性を有している。

内側磁石部材３４の内側磁石３４１と、外側磁石部材３５の外側磁石３５１とは、第１アーム２２ａの回動に伴って周方向に接離し、第１アーム２２ａ（内輪３１）とベース部２１（外輪３２）との相対的な周方向位置に応じた磁力を相互に作用させる。
具体的には、図３（ａ）に示すように、固定された（回動しない）ベース部２１に対して第１アーム２２ａが直立した起立状態において、内側磁石３４１と外側磁石３５１とが相互に最大の吸引力（磁力）を作用させる。第１アーム２２ａの「起立状態」とは、すなわち、第１アーム２２ａの重心Ｇが中心軸Ａｘを含む略鉛直面内に位置し、第１アーム２２ａの自重トルク（自重による回動トルク）がほぼ生じない状態である。

本実施形態では、ベース部２１（外輪３２）と一体的な２つの外側磁石３５１が、鉛直方向の上側と下側の対向する２箇所に配置されている。２つの外側磁石３５１は、径方向の極性の位置が互いに反対に配置されている。具体的には、上側の外側磁石３５１ａでは、外径側がＮ極、内径側がＳ極となっており、下側の外側磁石３５１ｂでは、外径側がＳ極、内径側がＮ極となっている。

一方、第１アーム２２ａ（内輪３１）と一体的な２つの内側磁石３４１は、第１アーム２２ａが起立状態のときに、外側磁石３５１と対応する上側と下側に位置するように配置されている。２つの内側磁石３４１は、径方向の極性の位置が、互いに反対に配置され、かつ、第１アーム２２ａが起立状態のときにギャップを介して対向する各外側磁石３５１と同様に（すなわち、当該外側磁石３５１と異極性が対向するように）配置されている。具体的には、第１アーム２２ａが起立状態のときに上側に位置する内側磁石３４１ａでは、外径側がＮ極、内径側がＳ極となっており、第１アーム２２ａが起立状態のときに下側に位置する内側磁石３４１ｂでは、外径側がＳ極、内径側がＮ極となっている。

このような構成により、図３（ｂ）に示すように、第１アーム２２ａが起立状態から回動すると、第１アーム２２ａとともに内輪３１が回動する。すると、内輪３１の内側磁石３４１には、外側磁石３５１との間で最大の吸引力を作用させる状態、すなわち第１アーム２２ａの自重トルクが生じない起立状態に復帰するように、起立状態からの回動角度に応じた復元力Ｆが作用する。これにより、第１アーム２２ａの自重トルクを補償できる。

またこのとき、２つの外側磁石３５１は、径方向の極性の位置が互いに反対に配置され、２つの内側磁石３４１は、径方向の極性の位置が、互いに反対に配置され、かつ、第１アーム２２ａが起立状態のときに対応する各外側磁石３５１と同様に配置されている。
そのため、第１アーム２２ａの自重トルクが生じない起立状態では、内側磁石３４１と外側磁石３５１とで異極性が対向して最大の吸引力が作用する。また、第１アーム２２ａの自重トルクが最大となる回動角度９０°の状態では、内側磁石３４１と外側磁石３５１とで位相角が９０°となる。そして、第１アーム２２ａの自重トルクが生じない回動角度１８０°の状態では、内側磁石３４１と外側磁石３５１とで同極性が対向して最大の斥力が作用する。
これにより、第１アーム２２ａの回動角度３６０°の範囲で、第１アーム２２ａの自重トルクを補償できる。

なお、内側磁石３４１と外側磁石３５１の各々は、鉛直方向の上側と下側に配置されていなくともよく、第１アーム２２ａが起立状態のときに２つの内側磁石３４１と２つの外側磁石３５１とが対応する周方向位置に位置するように、中心軸Ａｘを挟んだ反対側の２箇所に配置されていればよい。さらに言えば、内側磁石３４１と外側磁石３５１は、第１アーム２２ａが所定の基準状態から回動するに伴って、当該第１アーム２２ａを基準状態に復帰させる方向の磁力を当該第１アーム２２ａに作用させるように設けられていればよく、数量や位置等は特に限定されない。永久磁石でなくともよい。

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、内側磁石３４１と外側磁石３５１が、第１アーム２２ａの所定の基準状態（起立状態）からの回動に伴って、当該第１アーム２２ａを起立状態に復帰させる方向の磁力（復元力Ｆ）を当該第１アーム２２ａに作用させる。
これにより、永久磁石を設けるだけの簡便な構成で、好適に第１アーム２２ａの自重トルクを補償することができる。ひいては、関節部２４（第１関節部２４ａ）のペイロードを増大できるとともに、関節動作の応答性を向上できる。

また、本実施形態によれば、内側磁石３４１及び外側磁石３５１として永久磁石を用いるので、コイル（電磁石）等の電力供給を必要とする機構を用いる場合に比べ、省エネ化を図れるとともに、停電時のアームの落下を防止できる。

また、本実施形態によれば、２つの外側磁石３５１は、径方向の極性の位置が互いに反対に配置され、２つの内側磁石３４１は、径方向の極性の位置が、互いに反対に配置され、かつ、第１アーム２２ａが起立状態のときに対応する各外側磁石３５１と同様に配置されている。
そのため、内側磁石３４１と外側磁石３５１とは、第１アーム２２ａの自重トルクが生じない起立状態では異極性が対向して最大の吸引力を作用させ、第１アーム２２ａの自重トルクが最大となる回動角度９０°の状態では位相角が９０°となり、第１アーム２２ａの自重トルクが生じない回動角度１８０°の状態では同極性が対向して最大の斥力を作用させる。
これにより、第１アーム２２ａの回動角度３６０°の範囲で、第１アーム２２ａの自重トルクを補償できる。

［変形例１］
図４は、上記実施形態の関節部２４（第１関節部２４ａ）の第１の変形例を示す図であり、（ａ）が軸方向に沿った断面図、（ｂ）が部分的な断面斜視図である。
本変形例の関節部２４Ａは、内側磁石３４１と外側磁石３５１の軸方向の距離を変更できるように構成されている。本例では、関節部２４Ａが、特に限定はされないが、上記実施形態における第１関節部２４ａに代えて、ベース部２１と第１アーム２２ａとを中心軸Ａｘ回りに回動可能に連結するものとする。

具体的に、関節部２４Ａは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外筒部材４１と、シャフト４２とを備える。これらは中心軸Ａｘ回りに同心状に配置されている。
外筒部材４１は、略円筒状に形成され、内周面に外側磁石部材３５が取り付けられている。また、外筒部材４１は、ベース部２１に連結されている。外側磁石部材３５は、上記実施形態と同様に構成され、外側磁石３５１を有する。
シャフト４２は、外筒部材４１の内側に配置されている。シャフト４２は、ベース軸部材４２１と、付勢ばね４２２と、キャップ部材４２３とを備える。

ベース軸部材４２１は、基端側（図４（ａ）の下側）で回動軸４３に固定されている。回動軸４３は、支持部材４４との間に配置された軸受４５により、中心軸Ａｘ回りに回動可能に支持されている。回動軸４３は第１アーム２２ａに連結され、支持部材４４はベース部２１に連結されている。
ベース軸部材４２１の基端部には、鍔部４２１ａが設けられている。
ベース軸部材４２１の先端部には、雄ネジが形成されている。
また、ベース軸部材４２１は、内側磁石部材３４に挿通されている。内側磁石部材３４は、上記実施形態と同様に構成され、内側磁石３４１を有する。ただし、内側磁石部材３４は、内筒部材３４３の外周面に固定されている。内筒部材３４３は、ベース軸部材４２１（の外周面）に対し、図示しない回り止めにより、相対回転することなく軸方向に移動可能なように嵌合されている。

付勢ばね４２２は、ベース軸部材４２１が先端側から挿通され、ベース軸部材４２１の鍔部４２１ａと内側磁石部材３４との間に配置されている。付勢ばね４２２は、内側磁石部材３４を軸方向の先端側に付勢している。

キャップ部材４２３は、基端側に雌ネジが形成されており、付勢ばね４２２と内側磁石部材３４をベース軸部材４２１との間で軸方向に挟持した状態で、ベース軸部材４２１の先端の雄ネジに締結されている。より詳しくは、キャップ部材４２３の基端面とベース軸部材４２１の鍔部４２１ａとの間に、付勢ばね４２２と内側磁石部材３４とが基端側からこの順に挟持されている。これにより、内側磁石部材３４がキャップ部材４２３と付勢ばね４２２によって軸方向に保持されている。

キャップ部材４２３の先端部４２３ａは、六角頭状に形成されるとともに外筒部材４１から露出している。この先端部４２３ａに六角レンチ等の治工具を嵌め、ベース軸部材４２１に対してキャップ部材４２３を回転させて軸方向に移動させることにより、内側磁石部材３４が軸方向に移動する。なお、先端部４２３ａの形状は、キャップ部材４２３に回転トルクを加える治工具を係止できる形状であれば、六角頭状でなくともよく、例えば対向する二面を有する形状や六角穴等であってもよい。

このような構成により、本変形例の関節部２４Ａでは、内側磁石部材３４を軸方向に移動させて、内側磁石３４１と外側磁石３５１との軸方向の距離（位置）を調整できる。これにより、内側磁石３４１と外側磁石３５１との間で作用する磁力の強さを調整し、ひいては、第１アーム２２ａの自重トルクの補償力を調整することができる。
なお、内側磁石部材３４（内側磁石３４１）を軸方向に移動させる構成に限定されず、内側磁石３４１と外側磁石３５１の少なくとも一方が軸方向に移動可能に構成されていればよい。

［変形例２］
図５は、上記実施形態の関節部２４（第１関節部２４ａ）の第２の変形例を示す図であり、（ａ）が軸方向から見た図であり、（ｂ）が（ａ）のV－V線での断面図である。
本変形例の関節部２４Ｂでは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、外側磁石部材３５の内周面に円筒状の導電体５１が取り付けられている。ただし、導電体５１は、内側磁石３４１と外側磁石３５１との間の径方向位置に配置されていればよく、内側磁石部材３４の外周面に取り付けられていてもよいし、軸方向に配置した別の部材に支持されていてもよい。

このような構成により、内側磁石３４１と外側磁石３５１の相対回転に伴って、これらの間で磁場が変化し、この磁場中に配置された導電体５１に渦電流が発生する。これにより、減衰効果を生じさせることができる。減衰効果の程度は、導電体５１の形状や材料を変えることで調整できる。また、この構成は上記第１の変形例における関節部２４Ａにも適用できる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、回動しないベース部２１と第１アーム２２ａとを連結する第１関節部２４ａの構造を例に挙げて説明した。しかし、当該第１関節部２４ａの構造は、鉛直方向に対してそれぞれ回動する２つのアーム２２を連結する他の関節部２４（２４ｂ、２４ｃ）にも適用できる。この場合、アーム２２の基準状態（上記実施形態における起立状態）は、特に限定はされないが、例えば、アーム２２の重心方向（中心軸Ａｘと重心Ｇを結ぶ方向）が鉛直方向に対して所定の向きにある状態である。

また、上記実施形態では、中心軸Ａｘが略水平であることとしたが、中心軸Ａｘは鉛直方向と交差する方向であればよい。

また、上記実施形態では、本発明をロボットアーム（の関節部）に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、ロボットアームに限定されず、アーム部材を支持する関節部を備える関節構造に広く適用可能である。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ ロボットアーム
２１ ベース部
２２ アーム
２２ａ 第１アーム
２４、２４Ａ、２４Ｂ 関節部
２４ａ 第１関節部
３１ 内輪
３２ 外輪
３４ 内側磁石部材
３５ 外側磁石部材
５１ 導電体
３４１ 内側磁石（第２永久磁石）
３５１ 外側磁石（第１永久磁石）
Ａｘ 中心軸
Ｆ 復元力
Ｇ 第１アームの重心

Claims (6)

1. アームと、前記アームを回動可能に支持する関節部と、を備えるロボットアームであって、
   前記関節部には磁石が設けられ、
   前記磁石は、前記アームが所定の基準状態から回動するに伴って、当該アームを前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アームに作用させるように配置され、
   前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アームを水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
   前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アームに連結された第２永久磁石とを含み、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アームの前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の少なくとも一方は、前記中心軸に沿った軸方向に移動可能に構成されている、
   ロボットアーム。
2. 前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の前記径方向の位置に、導電体が配置されている、
   請求項１に記載のロボットアーム。
3. アームと、前記アームを回動可能に支持する関節部と、を備えるロボットアームであって、
   前記関節部には磁石が設けられ、
   前記磁石は、前記アームが所定の基準状態から回動するに伴って、当該アームを前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アームに作用させるように配置され、
   前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アームを水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
   前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アームに連結された第２永久磁石とを含み、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アームの前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の前記径方向の位置に、導電体が配置されている、
   ロボットアーム。
4. 前記基準状態は、前記アームの重心が前記中心軸を含む鉛直面内に位置する状態である、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロボットアーム。
5. 前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の各々は、前記中心軸回りの周上のうち前記中心軸を挟んだ反対側の２箇所に配置され、前記中心軸に垂直な径方向の内側と外側とで異なる極性を有し、
   ２つの前記第１永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向の極性の位置が互いに反対に配置され、
   ２つの前記第２永久磁石は、
   前記アームが前記基準状態のときに、２つの前記第１永久磁石と対応する周方向位置に位置し、
   前記径方向の極性の位置が、互いに反対に配置され、かつ、前記アームが前記基準状態のときに対応する前記第１永久磁石と同様に配置されている、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のロボットアーム。
6. アーム部材と、前記アーム部材を回動可能に支持する関節部と、を備える関節構造であって、
   前記関節部には磁石が設けられ、
   前記磁石は、前記アーム部材が所定の基準状態から回動するに伴って、当該アーム部材を前記基準状態に復帰させる方向の磁力を当該アーム部材に作用させるように配置され、
   前記関節部は、回動しないベース部に対し、前記アーム部材を水平な中心軸回りに回動可能に連結し、
   前記磁石は、前記ベース部に連結された第１永久磁石と、前記アーム部材に連結された第２永久磁石とを含み、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は、前記中心軸に垂直な径方向に異なる位置に配置され、前記アーム部材の前記中心軸回りの回動に伴って前記中心軸回りの周方向に接離し、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の少なくとも一方は、前記中心軸に沿った軸方向に移動可能に構成されている、
   関節構造。

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