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