JP2016160964A - 直動伸縮機構及びロボットアーム機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 適用環境の制約を緩和できる直動伸縮機構及びロボットアーム機構を提供することにある。【解決手段】 本実施形態に係る直動伸縮機構は、屈曲可能に連結された短角筒形状の複数の連結コマ２１と、連結コマ２１の屈曲が拘束されて柱状体が構成される、連結コマ２１の屈曲の拘束が解除されて柱状体の状態から屈曲可能な状態に復帰する、柱状体を支持する射出部３０とを具備し、連結コマ２１の少なくとも一の連結コマ２１は曲げ関節を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は直動伸縮機構及びロボットアーム機構に関する。

ロボット装置は製造ライン、医療や介護などさまざまな現場での適用がなされており、今後更なる分野での適用が期待されている。実際の製造ラインではワークの種類も作業内容も多岐にわたっている。また介護の現場においてもその作業内容は様々である。さらに周辺環境の制約も様々である。例えば従来の多関節アーム機構では肘関節の動きが非常に大きく且つその動きは予測性が低いことから、比較的大きな空間を確保できる環境での使用に限定される。また従来の直動関節アーム機構では、直動アームが直線的に伸縮するだけであるから、障害物が散在しているような環境には適用できない場合があった。

目的は、適用環境の制約を緩和できる直動伸縮機構及びロボットアーム機構を提供することにある。

本実施形態に係る直動伸縮機構は、屈曲可能に連結された短角筒形状の複数の連結コマと、前記連結コマの屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記連結コマの屈曲の拘束が解除されて前記柱状体の状態から屈曲可能な状態に復帰する、前記柱状体を支持する支持部とを具備し、前記連結コマの少なくとも一は曲げ関節を備えることを特徴とする。

図１は、本実施形態に係る直動伸縮機構を備えるロボットアーム機構の外観斜視図である。 図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す断面図である。 図３は、図２のアーム部の構造を示す斜視図である。 図４は、図３の曲げ関節機構の内部構造を示す図である。 図５は、図３のアーム部の側面図である。 図６は、図２のアーム部の他の構造を示す斜視図である。 図７は、図６の曲げ関節機構の内部構造を示す図である。 図８は、図６のアーム部の上方視図である。 図９は、図２のアーム部の他の構造を示す斜視図である。 図１０は、図２のアーム部の他の構造を示す斜視図である。 図１１は、図２のアーム部の他の構造を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る直動伸縮機構を説明する。なお、本実施形態に係る直動伸縮機構は、単独の機構（関節）として使用することができる。しかしながら、以下の説明では、第１、第２実施形態に係る直動伸縮機構を組み込んだ多関節ロボットアーム機構を例に本実施形態に係る直動伸縮機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る直動伸縮機構を備えるロボットアーム機構の外観斜視図である。図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す断面図である。ロボットアーム機構は、略円筒形状の基部１と基部１に接続されるアーム部２とアーム部２の先端に取り付けられる手首部４とを有する。手首部４には図示しないアダプタが設けられている。第１実施形態において、アダプタは後述の第６回転軸ＲＡ６の回転部に設けられる。手首部４に設けられたアダプタには、用途に応じたロボットハンドが取り付けられる。

ロボットアーム機構は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は基部１から順番に配設される。一般的に、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６はロボットハンド３の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。手首部４は第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。根元３軸を構成する関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の少なくとも一つと直動伸縮関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動伸縮関節部、特に伸縮距離の比較的長い関節部として構成される。アーム部２は直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）の伸縮部分を表している。

第１関節部Ｊ１は基台面に対して例えば垂直に支持される第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して垂直に配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節である。第１回転軸ＲＡ１に平行にＺ軸を規定する。Ｚ軸を中心とした直交３軸のロボット座標系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）を規定する。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して垂直に配置される第３軸（移動軸）ＲＡ３を中心として直線的にアーム部２が伸縮する関節である。

第４関節部Ｊ４は、第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり関節である。第４回転軸ＲＡ４は、後述の第７関節部Ｊ７が回転していないとき、つまりアーム部２の全体が直線形状にあるとき、第３移動軸ＲＡ３と略一致する。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ関節である。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４に対して直交し、第５回転軸ＲＡ５に対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ関節である。

基部１を成すアーム支持体（第１支持体）１１ａは、第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１を中心に形成される円筒形状の中空構造を有する。第１関節部Ｊ１は図示しない固定台に取り付けられる。第１関節部Ｊ１が回転するとき、アーム部２は第１支持体１１ａの軸回転とともに左右に旋回する。なお、第１支持体１１ａが接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持体１１ａとは独立してアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持体１１ａの上部には第２支持部１１ｂが接続される。

第２支持部１１ｂは第１支持部１１ａに連続する中空構造を有する。第２支持部１１ｂの一端は第１関節部Ｊ１の回転部に取り付けられる。第２支持部１１ｂの他端は開放され、第３支持部１１ｃが第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２において回動自在に嵌め込まれる。第３支持部１１ｃは第１支持部１１ａ及び第２支持部に連通する鱗状の外装からなる中空構造を有する。第３支持部１１ｃは、第２関節部Ｊ２の曲げ回転に伴ってその後部が第２支持部１１ｂに収容され、また送出される。ロボットアーム機構の直動伸縮関節部Ｊ３（第３関節部Ｊ３）を構成するアーム部２の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂの連続する中空構造の内部に収納される。

第３支持部１１ｃはその後端下部において第２支持部１１ｂの開放端下部に対して第２回転軸ＲＡ２を中心として回動自在に嵌め込まれる。それにより第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節部としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動するとき、アーム部２は第２回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動、つまり起伏動作をする。

第４関節部Ｊ４は、アーム部２の伸縮方向に沿ったアーム中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の第３移動軸ＲＡ３に典型的には接する第４回転軸ＲＡ４を有するねじり関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、手首部４及び手首部４に取り付けられたロボットハンドは第４回転軸ＲＡ４を中心に回転する。第５関節部Ｊ５は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に対して直交する第５回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節部である。第５関節部Ｊ５が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてロボットハンドとともに上下（第５回転軸ＲＡ５を中心に垂直方向）に回動する。第６関節部Ｊ６は、第４関節部Ｊ４の第４回転軸ＲＡ４に直交し、第５関節部Ｊ５の第５回転軸ＲＡ５に垂直な第６回転軸ＲＡ６を有する曲げ関節である。第６関節部Ｊ６が回転すると、ロボットハンドは左右に旋回する。

上記の通り手首部４のアダプタに取り付けられたロボットハンドは、第１、第２、第３関節部Ｊ１．Ｊ２．Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部２の伸縮距離の長さは、基部１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にロボットハンドを到達させることを可能にする。また、第３関節部Ｊ３のアーム部２の曲線的な伸縮動作は、適用環境の制約を緩和させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが特徴的である。

図２は、図１のロボットアーム機構の内部構造を示す断面図である。直動伸縮機構はアーム部２と射出部３０とを有する。アーム部２は列状に連結された複数の連結コマ２１からなる。複数の連結コマ２１は、同一の断面ロ字形状を有する短筒状体である。前後の連結コマ２１は、互いの端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。連結コマ２１は、連結コマ２１の幅方向に平行な屈曲回転軸を有する。列状に連結された複数の連結コマ２１は、内側に屈曲するこができるが、連結コマ２１の断面がロ字形状であるため、隣り合う連結コマ２１の側板同士が衝突して、外側には屈曲しない。複数の連結コマ２１は内側への屈曲が拘束されることにより一定の剛性を有する柱状体を構成する。また、柱状体は屈曲の拘束が解除されることにより複数の連結コマ２１に分離される。なお、連結コマ２１を構成する４つの板のうち、底板に垂直に設けられる２つの板各々を側板、底板に対して対向して設けられる板を天板と称す。それぞれの板の裏面により筒状部分が規定される。連結コマ２１の底板の表面には連結方向に沿って図示しないリニアギアが形成されている。複数の連結コマ２１が直線状に整列されたときに互いのリニアギアは直線状につながって、長いリニアギアを構成する。

複数の連結コマ２１は、第３支持体１１ｃ内の開口付近に取り付けられた射出部３０で屈曲が拘束される。例えば、複数の連結コマ２１は、連結コマ２１の天板表面に設けられた拘束板が、射出部３０で前後の連結コマ２１の天板表面に跨ることで、屈曲が拘束される。射出部３０は、複数の上部ローラ３１と複数の下部ローラ３２とが角筒形状のフレーム３５に支持されてなる。例えば、複数の上部ローラ３１と複数の下部ローラ３２とは連結コマ２１の長さと略等価な間隔を隔ててアーム中心軸に沿って配列される。射出部３０に誘導された連結コマ２１は、上部ローラ３１と下部ローラ３２とにより、直線上に整列されるとともに、複数の上部ローラ３１と複数の下部ローラ３２とにより支持される。射出部３０の底板後方の一部分は切り欠かれ、その切り欠かれた部分にドライブギア５０が設けられる。ドライブギア５０が設けられる位置は、連結コマ２１の底板表面に設けられたリニアギアの位置に対応する。ドライブギア５０は図示しない減速器を介してモータ５５に接続される。ドライブギア５０は、直線状のリニアギアにかみ合わされる。直線状につながったリニアギアはドライブギア５０とともにラックアンドピニオン機構を構成する。

アーム伸長時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が順回転することにより複数の連結コマ２１は射出部３０から前方に向かって送り出される。このとき、複数の連結コマ２１は、射出部３０で内側への屈曲が拘束され柱状体を構成する。アーム収縮時、モータ５５が駆動し、ドライブギア５０が逆回転することにより、柱状体は射出部３０に引き戻される。このとき、柱状体は、射出部３０で屈曲の拘束が解除され、連結コマ２１に分離される。分離された連結コマ２１は、第１回転軸ＲＡ１に沿う方向に屈曲され、第１支持体１１ａの内部に格納される。

本実施形態に係る直動伸縮機構は第７関節部Ｊ７を有する。アーム部２を構成する複数の連結コマ２１のうち１つの連結コマ２１は、第７関節部Ｊ７を構成する曲げ関節機構を有する。第７関節部Ｊ７は連結コマ２１の屈曲回転軸に対して平行な第７回転軸ＲＡ７を中心とした曲げ関節である。以下、連結コマ２１の屈曲回転軸に対して平行な第７回転軸ＲＡ７を有する曲げ関節機構を備える連結コマ２１を関節コマ２５という。図２に示すロボットアーム機構においては、第７回転軸ＲＡ７は、第２回転軸ＲＡ２に平行な回転軸である。第７関節部Ｊ７が回転すると、関節コマ２５から先端にかけて、第７回転軸ＲＡ７を中心に垂直方向に回転、つまり起伏動作をする。

以下、曲げ関節機構を有する関節コマ２５の構造について図３，４、５を参照して説明する。図３は、図２のアーム部２の構造を示す斜視図である。図４は、図３のアーム部２の内部構造を示す図である。図５は、図３のアーム部２の側面図である。
関節コマ２５は、第１コマ部材２５１と第２コマ部材２５２とを有する。第１コマ部材２５１は縦断面が凹形状（Ｃ形状）を有する。第２コマ部材２５２は、縦断面が凸形状（逆Ｔ形状）を有する。第１コマ部材２５１に第２コマ部材２５２が回転自在に嵌め込まれる。第１コマ部材２５１の後方の両縁部分には回転シャフトが固定されている。回転シャフトは連結コマ２１の屈曲回転軸に平行に固定される。回転シャフトは、屈曲回転軸に平行な第７回転軸ＲＡ７を有する。回転シャフトにはベアリングを介して第２コマ部材２５２が回転自在に設けられている。第２コマ部材２５２には、アクチュエータとして、例えば、ステッピングモータが内蔵されている。ステッピングモータのドライブシャフトには、ギア等を介して回転シャフトが接続されている。上記の関節コマ２５の曲げ関節機構によれば、ステッピングモータが回転することで、第２コマ部材２５２に対して第１コマ部材２５１を第７回転軸ＲＡ７を中心に回転させることができる。つまり、アーム部２の関節コマ２５から先端にかけての部分を第７回転軸ＲＡ７を中心に上下に起伏させることができる。第２コマ部材２５２の裾部の両縁部分は横断面が山形状となるようテーパー状に切り欠かれている。これにより、図５に示すように、第７関節部Ｊ７の上下に起伏する角度θ１の可動範囲を上下それぞれに９０度を超える角度まで拡大することができる。

以上説明した本実施形態に係る直動伸縮機構によれば、直線的に伸縮するアーム部２に、上下に曲がる曲げ関節を組み込むことができる。これにより、手首部４のアダプタに取り付けられたロボットハンドを直線以外の経路で目標位置に到達させることができる。例えば、第３支持体１１ｃの開口と目標位置とを結ぶ直線上に障害物がある場合であっても、障害物を上方から又は下方から避けてロボットハンドを目標位置に到達させることができる。したがって、本実施形態に係る直動伸縮機構によれば、適用環境の制約を緩和できる。

（変形例）
第７関節部Ｊ７はＹ軸に平行な連結コマ２１の屈曲回転軸に対して直交するＺ軸に平行な第７回転軸ＲＡ７を中心とした曲げ関節であってもよい。複数の連結コマ２１のうち１つは、第７関節部Ｊ７を構成する曲げ関節機構を有する。変形例において、第７関節部Ｊ７は、連結コマ２１の屈曲回転軸に対して直交する第７回転軸ＲＡ７を有する。以下、連結コマ２１の屈曲回転軸に対して直交する第７回転軸ＲＡ７を有する曲げ関節機構を備える連結コマ２１を関節コマ２７という。この場合、第７関節部Ｊ７が回転すると、関節コマ２７から先端にかけて、第７回転軸ＲＡ７を中心に左右に旋回する。図６は、図２のアーム部２の他の構造を示す斜視図である。図７は、図６のアーム部２の内部構造を示す図である。図８は、図６のアーム部２の上方視図である。ここでは、第７回転軸ＲＡ７は、連結コマ２１の屈曲回転軸と第３移動軸ＲＡ３とに直交するものとする。言い換えると、第７回転軸ＲＡ７は、連結コマ２１の厚み方向に平行な回転軸である。

関節コマ２７は、第３コマ部材２７１と第４コマ部材２７２とを有する。第３コマ部材２７１は横断面が凹形状（Ｃ形状）を有する。第４コマ部材２７２は縦断面が凸形状（逆Ｔ形状）を有する。第３コマ部材２７１に第４コマ部材２７２が回転自在に嵌め込まれる。第３コマ部材２７１の裾部の両縁部分には回転シャフトが固定されている。回転シャフトは連結コマ２１の屈曲回転軸と第３移動軸ＲＡ３とに直交するよう固定される。回転シャフトは、屈曲回転軸と第３移動軸ＲＡ３とに直交する第７回転軸ＲＡ７を有する。回転シャフトにはベアリングを介して第４コマ部材２７２が回転自在に設けられている。第４コマ部材２７２には、アクチュエータとして、例えば、ステッピングモータが内蔵されている。ステッピングモータのドライブシャフトには、ギア等を介して回転シャフトが接続されている。上記の関節コマ２７の曲げ関節機構によれば、ステッピングモータが回転することで、第４コマ部材２７２に対して第３コマ部材２７１を第７回転軸ＲＡ７を中心に回転させることができる。つまり、アーム部２の関節コマ２７から先端にかけての部分を第７回転軸ＲＡ７を中心に左右に旋回させることができる。第４コマ部材２７２の両縁部分はその縦断面が山形状となるよう切り欠かれている。これにより、図８に示すように、第７関節部Ｊ７の左右に旋回する角度θ２の可動範囲を左右それぞれに９０度を超える角度まで拡大することができる。

以上説明した本実施形態の変形例に係る直動伸縮機構によれば、直線的に伸縮するアーム部２に、左右に曲がる曲げ関節を組み込むことができる。これにより、手首部４のアダプタに取り付けられたロボットハンドを直線以外の経路で目標位置に到達させることができる。例えば、第３支持体１１ｃの開口と目標位置とを結ぶ直線上に障害物がある場合であっても、障害物を左方から又は右方から避けてロボットハンドを目標位置に到達させることができる。したがって、本実施形態の変形例に係る直動伸縮機構によれば、適用環境の制約を緩和できる。

なお、本実施形態に係る直動伸縮機構を構成するアーム部２は、回転軸の方向が同一の複数の曲げ関節を備えてもよい。例えば、図９に示すように、アーム部２は、複数、ここでは、２つの曲げ関節を備えてもよい。複数の連結コマ２１のうち２つの関節コマ２５が、連結コマ２１の屈曲回転軸と平行な第７、８関節部Ｊ７，８を有する曲げ関節機構を備える。また、例えば、図１０に示すように、複数の連結コマ２１のうち、２つの関節コマ２７が、連結コマ２１の屈曲回転軸と第３移動軸ＲＡ３とに直交する第７、８関節部Ｊ７，８を構成する曲げ関節機構を備えてもよい。

さらに、本実施形態に係る直動伸縮機構を構成するアーム部２は、回転軸の方向が異なる複数種類の曲げ関節を備えてもよい。例えば、図１１に示すように、複数の連結コマ２１のうち、関節コマ２５が連結コマ２１の屈曲回転軸と平行な第７関節部Ｊ７を構成する曲げ関節機構を備え、関節コマ２７が連結コマ２１の屈曲回転軸とアーム中心軸とに直交する第８関節部Ｊ８を構成する曲げ関節機構を備えてもよい。

以上のように、直線的に伸縮するアーム部２に複数の曲げ関節を組み込むことで、１つの曲げ関節を備えるアーム部２よりも、さらに複雑な経路でロボットハンドを目標位置に到達させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基部、２…アーム部、４…手首部、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６、Ｊ７…回転関節部、Ｊ３…直動関節部、１１ａ…第１支持体、１１ｂ…第２支持体、１１ｃ…第３支持体、２１…連結コマ、２５、２７…関節コマ、３０…射出部、３１…上部ローラ、３２…下部ローラ、５０…ドライブギア、５５…モータ

Claims (7)

1. 屈曲可能に連結された短角筒形状の複数の連結コマと、前記連結コマの屈曲が拘束されて柱状体が構成される、前記連結コマの屈曲の拘束が解除されて前記柱状体の状態から屈曲可能な状態に復帰する、
   前記柱状体を支持する支持部とを具備し、
   前記連結コマの少なくとも一は曲げ関節を備えることを特徴とする直動伸縮機構。
2. 前記曲げ関節の回転軸は、前記連結コマの屈曲回転軸に対して平行であることを特徴とする請求項１記載の直動伸縮機構。
3. 前記複数の連結コマのうち２以上の連結コマが前記曲げ関節を有することを特徴とする請求項２記載の直動伸縮機構。
4. 前記曲げ関節の回転軸は、前記連結コマの屈曲回転軸に対して直交することを特徴とする請求項１記載の直動伸縮機構。
5. 前記曲げ関節の回転軸は、前記柱状体の中心軸に対して直交することを特徴とする請求項４記載の直動伸縮機構。
6. 前記複数の連結コマのうち２以上の連結コマが前記曲げ関節を有することを特徴とする請求項５記載の直動伸縮機構。
7. 前記複数の連結コマの少なくとも一は、前記連結コマの屈曲回転軸に対して平行な回転軸を有する曲げ関節を有することを特徴とする請求項５記載の直動伸縮機構。