JP6525541B2 - ロボッ卜アーム機構 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ロボットアーム機構に関する。

従来より多関節アーム機構が産業用ロボットなどさまざまな分野で用いられている。アーム機構に装備される関節としてはねじり関節、曲げ関節、さらに直動関節が組み合わされている。特に、直動関節を有する多関節アーム機構において、その伸縮軸方向に延びる伸縮軸ケース内には電気ケーブルが収容配置されている。電気ケーブルとして、一般には複数の電線を束ねたハーネスや、複数の配線の集合体である被覆付き配線が用いられる。この場合、電気ケーブルには、ロボットの伸縮動作を考慮して余長分があらかじめ付与される。

電気ケーブルに余長分を設けることは、そのたるみに起因して、周囲の部品等との干渉、干渉した部品の破損、電気ケーブルの破断等を生じさせるおそれがある。さらに、電気ケーブルの余長分を収容する収容スペースをアーム機構内部に必要とする。

目的は、電気ケーブルと周囲の部品等との干渉、干渉した部品の破損、電気ケーブルの破断等の軽減、さらに、電気ケーブルの収容スペースの縮小化を実現することにある。

一実施形態に係るロボットアーム機構は、基部と、前記基部に取り付けられる、直動関節を有するアームと、前記アームの先端部分へ電力と信号との少なくとも一方を供給するための伸縮性を有するケーブルと、前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部まで前記ケーブルをガイドするケーブルガイドとを有する。前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの前記ケーブルガイドによる配線経路の長さは前記直動関節の伸縮動作に伴って最短長と最大長との間で変化する。前記ケーブルが最も収縮したときの長さは、前記最短長より長く、且つ前記最大長より短い。前記ケーブルが最も収縮したときの長さと前記ケーブル固有の伸長率とで決まる前記ケーブルの伸長可能な長さは、前記配線経路の前記最大長以上である。前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの経路長を、前記ケーブルが最も収縮したときの長さと前記配線経路の前記最短長との差に略等価な長さだけ延長するために、前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの間に経路延長部が介在される。

図１は、本実施形態に係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図である。 図３は、図１のロボットアーム機構の内部構造を断面方向から見た図である。 図４は、本実施形態に係るロボットアーム機構の直動伸縮関節を構成する第１連結コマ列の構造を示す図である。 図５は、図３の経路延長部の構造の一例を示す図である。 図６は、本実施形態のロボットアーム機構で用いられる伸縮ケーブルの全長の決定方法を説明するための補足説明図である。 図７は、図３の経路延長部により延長される配線経路長を説明するための補足説明図である。 図８は、第１変形例に係る経路延長部の構造の一例を示す図である。 図９は、第２変形例に係る経路延長部の構造の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットアーム機構を説明する。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、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観斜視図である。図２、図３はロボットアーム機構の内部構造を示している。ロボットアーム機構は、基部１とロボットアーム部２とを有する。ロボットアーム部２の先端にはエンドエフェクタと呼ばれる手先効果器３が取り付けられる。図１では手先効果器３として対象物を把持可能なハンド部１６を図示している。手先効果器３としてはハンド部１６に限定されず、他のツール、センサ、カメラ又はディスプレイであってもよい。ロボットアーム部２の先端には任意の種類の手先効果器３に交換することができるアダプタが設けられていてもよい。

ロボットアーム部２は、複数の関節部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。複数の関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の少なくとも一は直動関節である。ここでは第３関節部Ｊ３が直動関節、特に直動伸縮関節として構成される。第１関節部Ｊ１は第１回転軸ＲＡ１を中心としたねじり回転関節である。第２関節部Ｊ２は第１回転軸ＲＡ１に対して直交する向きに配置される第２回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ回転関節である。第３関節部Ｊ３は、第２回転軸ＲＡ２に対して直交する向きに配置される第３移動軸ＲＡ３を中心として直線的に伸縮する直動伸縮関節である。第４関節部Ｊ４は、第３移動軸ＲＡ３に一致する第４移動軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して直交する向きに配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節である。第６関節部Ｊ６は第５回転軸ＲＡ５に対して直交する向きに配置される第６回転軸ＲＡ６を中心とした曲げ回転関節である。一般的に、第１、第２、第３軸ＲＡ１，ＲＡ２，ＲＡ３はハンド部１６の位置を変化させる根元３軸と呼ばれ、第４、第５、第６軸ＲＡ４，ＲＡ５，ＲＡ６はハンド部１６の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれる。第１関節部Ｊ１のねじり回転によりロボットアーム部２がハンド部１６とともに旋回する。第２関節部Ｊ２の曲げ回転によりロボットアーム部２がハンド部１６とともに第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２を中心に第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１の方向に例えば上下に回動する。

基部１を成すアーム支持体（第１支持部）１１ａは、第１関節部Ｊ１の回転軸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、第１支持部１１ａはロボットアーム部２の旋回とともに軸回転する。なお、第１支持部１１ａは接地面に固定されていてもよい。その場合、第１支持部１１ａとは独立してロボットアーム部２が旋回する構造に設けられる。第１支持部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。ロボットアーム部２の直動関節を構成する第３関節部Ｊ３の後部はその収縮により第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂと第３支持部１１ｃの連続する中空構造の内部に収納される。

第１関節部Ｊ１は円環形状の固定部と回転部とからなり、固定部において台座に固定される。回転部には第１支持部１１ａと第２支持部１１ｂとが固定される。第１関節部Ｊ１が回転するとき、第１、第２、第３支持部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが第１回転軸ＲＡ１を中心としてロボットアーム部２とハンド部１６と共に旋回する。

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。それにより回転軸ＲＡ２を中心とした曲げ関節としての第２関節部Ｊ２が構成される。第２関節部Ｊ２が回動すると、第３支持部１１ｃがロボットアーム部２及びハンド部１６とともに第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２を中心に垂直方向に回動する。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、ねじり回転関節としての第１関節部Ｊ１の第１回転軸ＲＡ１に直交する向きに設けられる。

上記の通り直動伸縮関節としての第３関節部Ｊ３はロボットアーム部２の主要構成物を構成する。ロボットアーム部２の先端に上述のハンド部１６が設けられる。第１乃至第６関節部Ｊ１−Ｊ６の回転、曲げ、伸縮によりハンド部１６を任意の位置・姿勢に配置することが可能である。特に第３関節部Ｊ３の直動伸縮距離の長さは、基部１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にハンド部１６で作用することを可能にする。

本実施形態は第３関節部Ｊ３を構成する直動伸縮アーム機構により実現される直動伸縮距離の長さが特徴的である。直動伸縮距離の長さは、図２、図３に示す構造により達成される。直動伸縮アーム機構は第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とを有する。ロボットアーム部２が水平に配置される基準姿勢では、第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０の下部に位置し、第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１の上部に位置する。

図４に示すように第１連結コマ列２１は、同一の断面コ字形状を有し、背面方向ＢＤに屈曲可能であって表面方向ＦＤに屈曲不可な状態で列状にピンにより背面箇所において連結される複数の第１連結コマ２３からなる。第１連結コマ列２１は連続する溝形状を有する。溝形状に電気ケーブルを通すための有用なスペースとして用いることが可能であり、第１連結コマ２３の内面には複数のケーブルガイド５１が列状に設けられている。第２連結コマ列２０は、略平板形状を有し、背面方向に屈曲可能な状態で列状に連結される複数の第２連結コマ２２からなる。

第１連結コマ列２１は第２連結コマ列２０と先端部おいて接続コマ２６により接続される。接続コマ２６は、第１連結コマ２３と第２連結コマ２２とが一体的になった形状を有している。ロボットアーム部２が伸長されるときには、この接続コマ２６が始端となって、連結コマ２２と連結コマ２３が連結され、１つの剛体を形成することになる。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは接合されたとき、第１連結コマ列２１の屈曲は第２連結コマ列２０により制限され、離反により屈曲の制限を解除される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第３支持部１１ｃから接合され、送り出される。第１連結コマ列２１と第２連結コマ列２０とは第２支持部１１ｂ、第１支持部１１ａに収容されるとき、第３支持部１１ｃにおいて離反される。

図２に示すように各連結コマ２２の内側にはリニアギア２２ａが形成されている。リニアギア２２ａは連結されている上部連結コマ２２が直線状になったときに連続ギアを構成し、図３に示すように第３支持部１１ｃ内で位置固定されているドライブギア２４ａが噛み合う。モータＭ１によりドライブギア２４ａが順回転することにより第２連結コマ列２０は第１連結コマ列２１とともに第３支持部１１ｃから上下ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ４に挟まれ、相互に押し付けられ、接合された状態で第３軸ＲＡ３に沿って直線的に送り出される。モータＭ１によりドライブギア２４ａが逆回転することにより第２連結コマ列２０と第１連結コマ列２１とは上下ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ４による接合状態を解除され、離反され、屈曲可能な状態で第３支持部１１ｃから第２支持部１１ｂ、第１支持部１１ａ内部に収容される。

ハンド部１６は、図１に示すようにロボットアーム部２の先に配設されている。ハンド部１６は、第４関節部Ｊ４、第５関節部Ｊ５、第６関節部Ｊ６により任意姿勢に配置され得る。ハンド部１６は、開閉される２つの指部１６ａ、１６ｂを有している。第４関節部Ｊ４は、ロボットアーム部２の伸縮方向に沿ったロボットアーム部２の中心軸、つまり第３関節部Ｊ３の移動軸ＲＡ３に典型的には一致する回転軸ＲＡ４を有する回転関節である。第４関節部Ｊ４が回転すると、第４関節部Ｊ４から先端にかけてハンド部１６が回転軸ＲＡ４を中心にねじり回動をする。

第５関節部Ｊ５は、直動伸縮関節としての第３関節部Ｊ３の移動軸（アーム軸）ＲＡ３に対して直交する回転軸ＲＡ５を有する曲げ関節である。第５回転関節が回転すると、第５関節部Ｊ５から先端にかけてハンド部１６とともに上下に回動する。第６関節部Ｊ６は、直動伸縮関節としての第３関節部Ｊ３の移動軸（アーム軸）ＲＡ３と第５関節部Ｊ５の回転軸ＲＡ５とに対して直交する回転軸ＲＡ６を有する曲げ回転関節である。第６関節部Ｊ６が回転するとハンド部１６が左右に旋回する。

図３に示すように、伸縮ケーブル３０の配線機構は、伸縮ケーブル３０と、複数のケーブルガイド５１と、経路延長部４０と、ハンド部側ケーブル固定部３３ａと、基部側ケーブル固定部３３ｂとで構成される。

伸縮ケーブル３０は、伸縮性を有する複数種類の伝送線により構成される。例えば、伝送線には、電流を伝送する電力伝送線、電気信号を伝送する電気信号伝送線、光を伝送する光伝送線、および光信号を伝送する光信号伝送線等がある。伸縮ケーブル３０は、その用途等に応じて、これらの伝送線を組み合わせて構成される。本実施形態に係る伸縮ケーブル３０は、電流を伝送する電力伝送線と電気信号を伝送する電気信号伝送線により構成される。伸縮性を有する電力伝送線は、例えば、弾性体の周囲に銅線やアルミ線をらせん状に捲回させたものである。伸縮性を有する電気信号伝送線は、例えば、２本以上の導体線を弾性体の周囲に同一方向に捲回させたものである。なお、伸縮性を有する電気信号伝送線は、２本以上の導体線を弾性体の周囲に交差して捲回させたものであってもよい。

伸縮ケーブル３０の一端は、ハンド部１６を開閉するためのモータを制御するモータドライバ３１に接続される。他端は、電力を発生する外部電源のコネクタと制御信号を発生する外部制御装置のコネクタとに接続される。モータドライバ３１は、制御装置からの制御信号に従って、電源から伸縮ケーブル３０を介して入力された電力を用いてモータを駆動するための駆動パルスを発生する。モータは、モータドライバ３１から供給された駆動パルスに従って回転する。モータが回転するとき、モータのドライブシャフトに接続された図示しないギア等を介して、ハンド部１６が開閉される。

伸縮ケーブル３０の一端部分は、ハンド部１６内のモータドライバ３１の直前に設けられたケーブル固定部３３ａ（以下、ハンド部側ケーブル固定部３３ａと呼ぶ。）に固定される。伸縮ケーブル３０の他端部分は、基部１内の底の位置に設けられたケーブル固定部３３ｂ（以下、基部側ケーブル固定部３３ｂと呼ぶ。）に固定される。これにより、伸縮ケーブル３０に張力がかけられた状態であっても、伸縮ケーブル３０がコネクタから抜けてしまう等の断線のリスクを低減することができる。伸縮ケーブル３０のハンド部側ケーブル固定部３３ａと基部側ケーブル固定部３３ｂとの間の部分は、複数のケーブルガイド５１によりガイドされる。複数のケーブルガイド５１は、伸縮ケーブル３０の配線経路を形成する。ケーブルガイド５１は、例えば、断面が円弧状のリング構造を有する。伸縮ケーブル３０は当該リングを通されることにより伸縮自在に保持される。

経路延長部４０は、ハンド部側ケーブル固定部３３ａから基部側ケーブル固定部３３ｂまでの配線経路を延長するために、伸縮ケーブル３０の配線経路上に介在する。経路延長部４０の構造について図５を参照して説明する。

図５は、図３の経路延長部４０の構造の一例を示す図である。経路延長部４０は、同一の半径ｒを有する複数のプーリー、ここでは第１プーリー４１、第２プーリー４２および第３プーリー４３を有する。これらのプーリー４１，４２，４３各々は、第１支持部１１ａの軸線（Ｚ軸）と略平行な方向に関して分散配置される。例えばプーリー４１，４２はＺ軸に関して同位置に配置される。プーリー４３はプーリー４１，４２の下方に所定距離隔てた位置に配置される。プーリー４１はその回転軸Ｒｘ１が第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２（Ｘ軸）に平行になるよう配置される。プーリー４２、４３はそれぞれの回転軸Ｒｘ２、Ｒｘ３がプーリー４１の回転軸Ｒｘ１と平行になるよう配置される。プーリー４１はプーリー４２に対してＸ軸とＺ軸とに直交するＹ軸に沿って半径ｒ１よりも短い距離を隔てて配置される。プーリー４３は、Ｙ軸方向に関して、プーリー４１とプーリー４２との中央位置に配置される。伸縮ケーブル３０は、プーリー４１、プーリー４３、プーリー４２の順に掛け渡される。これにより複数のプーリー４１，４２，４３は、伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの軸方向に沿って往復配線経路を形成する。往復配線経路は、ハンド部側ケーブル固定部３３ａ、基部側ケーブル３３ｂの間に配列される複数のケーブルガイド５１のみによる配線経路を延長する。それにより伸縮ケーブル３０の全長は、複数のケーブルガイド５１のみにより誘導される伸縮ケーブル３０の全長よりも延長される。

経路延長部４０には、プーリー４４が設けられる。プーリー４４はその回転軸Ｒｙがプーリー４２の回転軸Ｒｘ２と第１支持部１１ａの中心軸とに直交するよう配置される。プーリー４４の配置は伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの中心軸付近からその半径方向に沿ってプーリー４２に引き出す。

具体的には、図５に示すようにプーリー４４の回転軸Ｒｙは、他のプーリー４１，４２，４３の回転軸Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３に直交する。プーリー４４は、他のプーリー４１，４２，４３が配置されたＹＺ平面に対して、Ｘ軸方向にオフセットして配置される。これによりプーリー４４は、他のプーリー４１，４２，４３が配置されたＹＺ平面からＸ軸方向にオフセットしてガイドされた伸縮ケーブル３０を、他のプーリー４１，４２，４３が配置されたＹＺ平面にガイドするための配線経路部分を確保することができる。

なお、経路延長部４０の構造は、図５に図示した機構に限定されない。プーリー数、各プーリー間の距離および各プーリーの向きは、伸縮ケーブル３０の全長、経路延長部４０として占有可能な体積、および基部側ケーブル固定部３３ｂとケーブルガイド５１との間の位置関係等に応じて適宜変更が可能である。例えば、プーリー４１，４２，４３各々は、伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの軸方向に直交する方向に沿って往復させるために必要な配線経路を形成するための位置関係に配置されてもよい。

また、プーリー４１，４２，４３は、それぞれの回転軸が、第１支持部１１ａの軸を中心とした半径方向に略平行となるように配置されてもよい。これにより、プーリー４１，４２，４３各々を第１支持部１１ａの軸を中心とした円周上に配置することができるため、円筒形を有する基部１の場合などにおいて、基部１内への経路延長部４０の配置自由度を向上させることができる。

次に、伸縮ケーブル３０の全長の決定方法について、図６を参照して説明する。
図６は、本実施形態のロボットアーム機構で用いられる伸縮ケーブル３０の全長の決定方法を説明するための補足説明図である。図６に示すように、アーム収縮時における、複数のケーブルガイド５１のみで形成した場合の、ハンド部側ケーブル固定部３３ａから基部側ケーブル固定部３３ｂまでの最短の配線経路長を最短経路長Ｌｃ１とする。アーム収縮時とは、直動関節Ｊ３の直動伸縮距離がゼロのとき、つまり、ロボットアーム部２が最も収縮した状態をいう。一方、アーム伸長時における、複数のケーブルガイド５１のみで形成した場合の、ハンド部側ケーブル固定部３３ａから基部側ケーブル固定部３３ｂまでの最短の配線経路長を最短経路長Ｌｃ２とする。アーム伸長時とは、直動関節Ｊ３が直動伸縮距離の最大まで伸ばされたときを指す。最長経路長Ｌｃ２と最短経路長Ｌｃ１との差を伸縮長Δｄｃ１とする。

収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、伸縮長Δｄｃ１以上の伸縮長を確保するために必要とされる長さを有する。具体的には、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、以下のように決定されればよい。伸縮ケーブル３０の伸縮率を伸縮率αとすると、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１と伸縮率αと伸縮長Δｄｃ１との間には、以下の式（１）が成立する。つまり、伸縮長Δｄｃ１は、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１に伸縮率αを乗算した長さ以下でなくてはならない。
Δｄｃ１≦Ｌｗ１×α…（１）
したがって、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、以下の式（２）を満たす必要がある。
Ｌｗ１≧Δｄｃ１／α…（２）
また、本実施形態に係るロボットアーム機構の経路延長部４０は往復配線経路を形成するため、ｄ１＞０である。経路延長部４０により延長される配線経路の延長部分の長さ（延長ケーブル長）ｄ１は、最短経路長Ｌｃ１と、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１との差に略等価である。すなわち、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、以下の式（３）を満たす必要がある。式（３）により、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、最短経路長Ｌｃ１よりも長くなければならないことがわかる。
Ｌｗ１＞Ｌｃ１…（３）
また、伸縮ケーブル３０は、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１が、最長経路長Ｌｃ２よりも短いのが好適である。したがって、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、以下の式（５）を満たす必要がある。

Ｌｗ１＜Ｌｃ２…（４）
式（２）と式（３）と式（４）とから、収縮時の伸縮ケーブル３０は、式（５）を満たす伸縮率αを有するとき、収縮時の伸縮ケーブル３０全長Ｌｗ１を、最長経路長Ｌｃ２よりも短くすることができる。

Δｄｃ１／Ｌｃ２＜α＜Δｄｃ１／Ｌｃ１…（５）
したがって、本実施形態に係る伸縮ケーブル３０は、伸縮率αが式（５）を満たし、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１が式（３）と式（４）とを満たすように決定すればよい。これにより、伸長時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１´と収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１との差分が伸縮長Δｄｃ１以上となるため、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、伸縮長Δｄｃ１以上の伸縮長を確保することができる。また、従来、伸縮性を有さないケーブルを使用した場合において、ケーブルの全長は最長経路長Ｌｃ２以上である必要があった。一方、本実施形態では、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１を最長経路長Ｌｃ２よりも短くすることができる。その結果、経路延長部４０での伸縮ケーブル３０の収容スペースを縮小化することができる。

なお、本実施形態は式（５）の範囲の下限伸縮率（Δｄｃ１／Ｌｃ２）以下の伸縮率αを有する伸縮ケーブル３０の使用を否定するものではない。この場合、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、最長経路長Ｌｃ２より長くなることは避けられないかもしれない。しかし、伸縮ケーブル３０の選択肢を拡大できる。例えば、より多くの電線が編みこまれた種類の伸縮ケーブル、または、防水機能を有する伸縮ケーブル等を選択することができるかもしれない。

また、上述の説明では伸縮ケーブル３０の収縮時の長さＬｗ１は、最長経路長Ｌｃ２を越えないことが好適であると説明した。しかし本実施形態は伸縮ケーブル３０の収縮時の長さＬｗ１が、最長経路長Ｌｃ２を越えるほど長いことを否定するものではない。伸縮ケーブル３０の保有する伸縮率（固有伸縮率）とその全長Ｌｗ１とにより決まる最大の伸縮長の一部を使って、構造上要求される伸縮長Δｄｃ１を確保することができる。この場合の使用上の収縮率（実用伸縮率）は固有伸縮率よりも低く抑えることができる。このように実装上、伸縮ケーブル３０を固有収縮率より低い実用伸縮率で伸縮させることは伸縮ケーブル３０の耐久性を向上させる効果を奏する可能性を示唆している。さらに、実装上、伸縮ケーブル３０を固有収縮率より低い実用伸縮率で伸縮させて、構造上要求される伸縮長Δｄｃ１を確保するときに伸縮ケーブル３０にかかる張力を、伸縮ケーブル３０の固有収縮率を最大限使って、構造上要求される伸縮長Δｄｃ１を確保するときに伸縮ケーブル３０にかかる張力より低く抑えることを可能とし、それによりロボットアーム機構の伸縮に際してかかる構造上及び駆動上の負荷を低減させる効果を奏する可能性を示唆している。

次に、経路延長部４０により延長される配線経路の全長について、図７を参照して説明する。

図７は、図３の経路延長部４０により延長される配線経路長を説明するための補足説明図である。アーム収縮時における、経路延長部４０により延長される配線経路の全長は、図６で説明したように、Δｄｃ１以上の伸縮長を確保するために必要とされる収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１に略等価である。実際には、経路延長部４０により延長される配線経路の全長が、Δｄｃ１以上の伸縮長を確保するために必要とされる収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１よりもわずかに短いのが好適である。これにより、アーム収縮時においても、経路延長部４０を構成する複数のプーリー４１−４４に掛け渡された伸縮ケーブル３０にわずかなテンションがかかるため、伸縮ケーブル３０のたるみを防止することができる。本実施形態で用いられる伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、最短経路長Ｌｃ１よりも長さｄ１分長い。したがって、配線経路上に介在される経路延長部４０は、伸縮ケーブル３０の余長ｄ１分の配線経路を確保するために、例えば、図５で説明した往復配線経路を構成する。これにより、経路延長部４０は、配線経路の全長を最短経路長Ｌｃ１からＬｗ１（Ｌｃ１＋ｄ１）に延長する。経路延長部４０により延長された配線経路に沿って、式（４）を満たす伸縮ケーブル３０を配線することにより、伸長時の伸縮ケーブル３０の全長がＬｗ１´以上となり、伸縮長Δｄｃ１を確保できる。

以上述べた、本実施形態に係るロボットアーム機構によれば、以下の効果を得られる。
本実施形態に係る伸縮ケーブル３０は、ケーブル収縮時において、伸縮長Δｄｃ１を確保するために必要な全長を有する。このように確保された収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１は、最短経路長Ｌｃ１よりも長い。そのため、本実施形態に係る経路延長部４０は、配線経路を延長する機能と伸縮ケーブル３０を収容する機能とを有する。経路延長部４０は、アーム収縮時の配線経路の全長が、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１に略等価になるように構成される。これにより、経路延長部４０により延長された配線経路の全長は、複数のケーブルガイド５１のみで形成した配線経路に比べて、長さｄ１分延長される。これにより、アーム収縮時においても、伸縮ケーブル３０がたるむことなく経路延長部４０に収容されるため、ロボットアーム部２の伸縮動作等で、伸縮ケーブル３０が周囲の部品等と干渉しない。その結果、部品の破損や伸縮ケーブル３０の破断等を解消することができる。なお、経路延長部４０により延長される、アーム収縮時の配線経路の全長は、収縮時の伸縮ケーブル３０の全長Ｌｗ１よりもわずかに短いのが好適である。これにより、アーム収縮時においても、経路延長部４０を構成する複数のプーリーに引き渡された伸縮ケーブル３０にわずかなテンションがかかるため、伸縮ケーブル３０が経路延長部４０でたるむのを防止することができる。

経路延長部４０は、伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの軸方向に沿って往復配線経路を形成するように複数のプーリー４１，４２、４３を配置した機構を有する。しかしながら、プーリー数、各プーリー間の距離および各プーリーの向きは、伸縮ケーブル３０の全長、経路延長部４０として占有可能な体積、および基部側ケーブル固定部３３ｂとケーブルガイド５１との間の位置関係等に応じて構成されればよい。したがって、本実施形態に係る経路延長部４０は、伸縮ケーブル３０の収容スペースを縮小化することができる。また、経路延長部４０に、回転自在なプーリーを使用することで、プーリーが伸縮ケーブル３０の伸長分の送り出し、また、収縮分の巻き取りとして機能するため、伸縮ケーブル３０の伸縮時における経路延長部４０と伸縮ケーブル３０との間に発生する摩擦を低減することができる。

（変形例１）
本実施形態の第１変形例に係るロボットアーム機構は、本実施形態に係るロボットアーム機構とは異なる経路延長部４０を有する。以下、本実施形態の第１変形例に係るロボットアーム機構の経路延長部４０について図８を参照して説明する。
図８は、第１変形例に係る経路延長部４０の構造の一例を示す図である。図８（ａ）は、第１変形例に係る経路延長部４０の構造の一例を示す正面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の側面図であり、アーム収縮時に対応する。図８（ｂ）は、図８（ａ）の側面図であり、アーム伸長時に対応する。

図８（ａ）に示すように、第１変形例に係る経路延長部４０は、伸縮ケーブル３０を巻き付けるためのスプール５５を有する。当該スプール５５に対して伸縮ケーブル３０が巻き付けられることにより、第１変形例に係る経路延長部４０は、配線経路を延長することができる。図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、当該スプール５５に巻き付けられている伸縮ケーブル３０の巻き数は、アーム収縮時とアーム伸長時とで同一である。図８（ｂ）に示すように、スプール５５は、当該スプール５５に巻きつけられた伸縮ケーブル３０同士が接触しないための機構を有する。例えば、当該スプール５５には、伸縮ケーブル３０同士を接触させないためのガイド溝５７がらせん状に形成されている。ガイド溝５７に沿って伸縮ケーブル３０が巻き付けられることにより、隣り合う伸縮ケーブル部分同士が接触しないため、伸縮により逆方向に伸び縮みする伸縮ケーブル部分同士の摩擦を抑えることができる。スプール５５は、基部１に対して軸回転可能に支持される。これにより、伸縮ケーブル３０の伸縮に併せて当該スプール５５が自由回転するため、当該スプール５５と伸縮ケーブル３０との間の摩擦を小さくすることができる。これらにより、伸縮ケーブル３０の断線のリスクは低減される。これらの効果により、伸縮ケーブル３０の破断のリスクを小さくできる。

以上説明した変形例１に係る経路延長部４０は、本実施形態に係る経路延長部４０の複数のプーリーの代替として、スプール５５を用いることにより、本実施形態に係る経路延長部４０と同様の効果を得られる。

（変形例２）
本実施形態の第２変形例に係るロボットアーム機構の経路延長部４０は、本実施形態に係るロボットアーム機構の経路延長部４０と同じように複数のプーリーにより構成される。本実施形態との差異は、第２変形例に係る経路延長部４０が、実質的な伸縮ケーブル３０の伸縮長を確保する機能を有する点にある。以下、本実施形態の第２変形例に係るロボットアーム機構の経路延長部４０について図９を参照して説明する。
図９は、第２変形例に係る経路延長部４０の構造の一例を示す図である。図９（ａ）は、第２変形例に係る経路延長部４０の構造の一例を示す正面図であり、アーム収縮時に対応する。図９（ｂ）は、第２変形例に係る経路延長部４０の構造の一例を示す正面図であり、アーム伸長時に対応する。

経路延長部４０は、同一の半径を有する複数のプーリー、ここでは第１プーリー５９と第２プーリー６１とを有する。これらのプーリー５９、６１は、それぞれ付勢機構６３、６５により、第１支持部１１ａの軸線（Ｚ軸）と略平行な方向に付勢される。図９に示すように、例えば、付勢機構には付勢バネが使用される。なお、付勢機構は、付勢可能であれば他の機構であってもよい。例えば、付勢機構は、入れ子型、蛇腹型およびゴム型等であってもよい。これらのプーリー５９，６１各々は、第１支持部１１ａの軸線（Ｚ軸）と略平行な方向に関して分散配置される。プーリー５９はプーリー６１の下方に所定距離隔てた位置に配置される。プーリー５９、６１はそれぞれの回転軸が第２関節部Ｊ２の第２回転軸ＲＡ２（Ｘ軸）に平行になるよう配置される。これにより複数のプーリー５９、６１は、伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの軸方向に沿って往復配線経路を形成する。往復配線経路は、ハンド部側ケーブル固定部３３ａ、基部側ケーブル３３ｂの間に配列される複数のケーブルガイド５１のみによる配線経路を延長する。それにより伸縮ケーブル３０の全長は、複数のケーブルガイド５１のみにより誘導される伸縮ケーブル３０の全長よりも延長される。

変形例２に係る経路延長部４０は、実質的なケーブルの伸縮長を確保する機能を有する。具体的には、経路延長部４０により延長される延長部分の長さが、伸縮ケーブル３０の伸長前後で異なる。図９（ａ）に示すように、アーム収縮時において、付勢バネは収縮した状態である。一方、図９（ｂ）に示すように、アーム伸長時において、伸縮ケーブル３０には、第１支持部１１ａの軸方向への張力が発生し、付勢バネは第１支持部１１ａの軸方向に伸長される。このときの、付勢バネの伸びをΔｄ１１とする。すると、アーム伸長時の、経路延長部４０で延長される延長部分の長さは、アーム収縮時に比べて２×Δｄ１１分短くなる。アーム伸長時における経路延長部４０の付勢バネの伸長分（２×Δｄ１１）は、伸縮長Δｄｃ１に充当される。つまり、本実施形態では、伸縮ケーブル３０の伸縮だけで、伸縮長Δｄｃ１を確保する必要があったが、変形例２では、伸縮ケーブル３０の伸縮と経路延長部４０の配線経路の延長部分の伸縮とで、伸縮長Δｄｃ１を確保することができる。これにより、変形例２に係るロボットアーム機構は、本実施形態の効果に加えて、本実施形態のロボットアーム機構に比べて、使用する伸縮ケーブル３０の全長を、付勢バネの伸長分短くすることができる。また、変形例２に係るロボットアーム機構は、伸縮ケーブル３０に第１支持部１１ａの軸方向への張力が発生したときに、付勢バネでその張力を吸収することができる。したがって、変形例２に係るロボットアーム機構は、本実施形態のロボットアーム機構に比べて、伸縮ケーブル３０にかかる負担を小さくすることができる。
なお、図９で示した経路延長部４０の構造は、ハンド部側ケーブル固定部３３ａと、基部側ケーブル固定部３３ｂとの間を、伸縮性のないケーブルで配線した場合においても適用できる。例えば、２つの付勢バネの伸びの合計が、伸縮長Δｄｃ１以上であればよい。これにより、伸縮ケーブル３０を用いなくても、伸縮長Δｄｃ１を付勢バネの伸びだけで確保することができる。

また、図９に図示した機構に限定されない。プーリー数、各プーリー間の距離および各プーリーの向きは、伸縮ケーブル３０の全長、経路延長部４０として占有可能な体積、および基部側ケーブル固定部３３ｂとケーブルガイド５１との間の位置関係等に応じて適宜変更が可能である。例えば、複数のプーリーは、伸縮ケーブル３０を第１支持部１１ａの軸方向に直交する方向に沿って往復させるために必要な配線経路を形成するための位置関係に配置されてもよい。

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、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や趣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ある。

１…基部、２…ロボットアーム部、３…手先効果器、１１ａ…第１支持部、１１ｂ…第２支持部、１１ｃ…第３支持部、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６…関節部、１６…ハンド部、２０…第２連結コマ列、２１…第１連結コマ列、２２…第２連結コマ、２２ａ…リニアギア、２３…第１連結コマ、２４ａ…ドライブギア、２６…接続コマ、３０…伸縮ケーブル、３１…モータドライバ、３３ａ…ハンド部側ケーブル固定部、３３ｂ…基部側ケーブル固定部、４０…経路延長部、４１、４２、４３、４４…プーリー、５１…ケーブルガイド、Ｍ１…モータ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４…上下ローラ、ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＡ４、ＲＡ５、ＲＡ６…回転軸、ＲＡ３…移動軸

Claims (7)

1. 基部と、
   前記基部に取り付けられる、直動関節を有するアームと、
   前記アームの先端部分へ電力と信号との少なくとも一方を供給するための伸縮性を有するケーブルと、
   前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部まで前記ケーブルをガイドするケーブルガイドとを有し、
   前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの前記ケーブルガイドによる配線経路の長さは前記直動関節の伸縮動作に伴って最短長と最大長との間で変化し、
   前記ケーブルが最も収縮したときの長さは、前記最短長より長く、且つ前記最大長より短く、
   前記ケーブルが最も収縮したときの長さと前記ケーブル固有の伸長率とで決まる前記ケーブルの伸長可能な長さは、前記配線経路の前記最大長以上であり、
   前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの経路長を、前記ケーブルが最も収縮したときの長さと前記配線経路の前記最短長との差に略等価な長さだけ延長するために、前記先端部分のケーブル固定部から前記基部のケーブル固定部までの間に経路延長部が介在される、多関節ロボットアーム機構。
2. 前記ケーブルは、前記直動関節の伸縮距離以上に前記ケーブルの伸縮長を確保するために必要とされる収縮時のケーブル長を有することを特徴とする請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記収縮時のケーブル長は、前記直動関節の収縮時における前記経路延長部により延長される配線経路の全長に略等価であることを特徴とする請求項２記載のロボットアーム機構。
4. 基部と、
   前記基部に取り付けられる、直動関節を有するアームと、
   前記アームの先端部分へ電力と信号との少なくとも一方を供給するための伸縮性を有するケーブルと、
   前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部まで前記ケーブルをガイドするケーブルガイドと、
   前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部までの前記ケーブルガイドによる配線経路を延長するために、前記配線経路上に介在される経路延長部とを具備し、
   前記経路延長部は、前記ケーブルが掛け渡される複数のプーリーを有し、前記複数のプーリーは、前記ケーブルを前記基部の軸方向に沿って往復させるために必要な配線経路を形成するための位置関係に配置され、
   前記経路延長部は、前記ケーブルを前記基部の軸方向に略直交する方向への配線経路部分を確保するための他のプーリーを有することを特徴とするロボットアーム機構。
5. 基部と、
   前記基部に取り付けられる、直動関節を有するアームと、
   前記アームの先端部分へ電力と信号との少なくとも一方を供給するための伸縮性を有するケーブルと、
   前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部まで前記ケーブルをガイドするケーブルガイドと、
   前記先端部分側のケーブル固定部から前記基部側ケーブル固定部までの前記ケーブルガイドによる配線経路を延長するために、前記配線経路上に介在される経路延長部とを具備し、
   前記経路延長部は、前記ケーブルが掛け渡される複数のプーリーを有し、前記複数のプーリーは、前記ケーブルを前記基部の軸方向に沿って往復させるために必要な配線経路を形成するための位置関係に配置され、
   前記複数のプーリーは同一半径を有し、前記複数のプーリーの幾つかは、前記軸方向に関して同一の位置に配置され、前記同一の位置に配置された幾つかのプーリーは互いに半径よりも短い距離を隔てて配置されることを特徴とするロボットアーム機構。
6. 前記複数のプーリーは、前記基部の軸を中心とした半径方向に略平行な回転軸を有することを特徴とする請求項５記載のロボットアーム機構。
7. 前記経路延長部は、前記複数のプーリーを前記基部の軸方向に沿って付勢する付勢機構をさらに有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項記載のロボットアーム機構。