(57)【要約】【課題】関節機構において、その回転動作を阻害しないで、作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性を回避して安全性の向上を図ることにある。【解決手段】本実施形態に係る関節機構は、固定部と、固定部に移動自在に支持される可動部と、可動部の少なくとも一部を覆う蛇腹構造により伸縮可能に形成されたカバー１５と、可動部の移動方向に関するカバーの変形を許容し、可動部の移動方向以外の方向に関するカバーの変形を防止するためにカバーの内側に装着される補強板１９とを具備する。【選択図】      図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
前記固定部に移動自在に支持される可動部と、
前記可動部の少なくとも一部を覆う蛇腹構造により伸縮可能に形成されたカバーと、
前記可動部の移動方向に関する前記カバーの変形を許容し、前記可動部の移動方向以外の方向に関する前記カバーの変形を防止するために前記カバーの内側に装着される少なくとも１つの補強板とを具備することを特徴とする関節機構。
【請求項２】
前記固定部に前記カバーが伸縮する方向に沿ってレールが設けられ、前記補強板は前記カバーの伸縮により前記レール上を摺動することを特徴とする請求項１記載の関節機構。
【請求項３】
前記複数の補強板は、前記カバーの最大伸張範囲内で均等に配置することを特徴とする請求項１または請求項１記載の関節機構。
【請求項４】
前記関節機構は直動関節であり、
前記カバーは筒状をなし、
前記補強板は前記カバーの内側形状に整合する外周形状を有する環状体であることを特徴とする請求項１記載の関節機構。
【請求項５】
前記関節機構は回転関節であり、
前記カバーは横断面がＵ字形又はＣ字形状をなす鞍形形状に構成され、
前記補強板は前記カバーの内側に整合するＵ字形板又はＣ字形板であることを特徴とする請求項１記載の関節機構。
【請求項６】
前記カバーは前記回転部の回転中心軸を中心とする扇形状又は円弧形状をなすように伸縮することを特徴とする請求項５記載の関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ロボットがユーザと同一空間にいる環境が多くなってきている。介護用ロボットはもちろん産業用ロボットでも作業者の近傍で作業を行なう状況の可能性が検討されている。この状況が実現すれば例えばロボットの支援のもとで健常者と同様に障害者が作業をすることも可能となり得る。発明者らが実用化を実現した直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構は肘関節がなく、特異点もないことから、不測の方向に突然高速で動くようなことはなく、アームやエンドエフェクタの動きを予測する事ができ、その安全性は非常に高く、安全柵を不要にしてロボットと作業者との協働作業を実現としている。このロボットと作業者とが接近して協働作業をこなす環境では、アームが作業員に衝突する危険性だけでなく、曲げ回転関節の内部構造に作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性も想定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
目的は、関節機構において、その動作を阻害しないで、作業者の手先や腕が挟みこまれる危険性を回避して安全性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本実施形態に係る関節機構は、固定部と、固定部に移動自在に支持される可動部と、可動部の少なくとも一部を覆う蛇腹構造により伸縮可能に形成されたカバーと、可動部の移動方向に関するカバーの変形を許容し、可動部の移動方向以外の方向に関するカバーの変形を防止するためにカバーの内側に装着される補強板とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本実施形態に係る関節機構を適用したロボットアーム機構の外観斜視図である。
【図２】図２は、図１のロボットアーム機構の側面図である。
【図３】図３は、図１のロボットアーム機構を後方から見た斜視図である。
【図４】図４は、図１の鞍形カバーを示す側面図である。
【図５】図５は、図４の鞍形カバーの斜視図である。
【図６】図６は、図４の鞍形カバーの側面図である。
【図７】図７は、図４の鞍形カバーの装着形態を示す側面図である。
【図８】図８は、鞍形カバーに装着される補強板を示す図である。
【図９】図９は、アームカバーに装着される補強板を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る関節機構を説明する。本実施形態に係る関節機構は、各種ロボットアーム機構に適用され得る直動伸縮機構（直動関節）、回転関節機構を含む。ここでは直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構への適用例を説明する。
【０００７】
図１、図２、図３はこの直動伸縮機構を備えた垂直多関節型のロボットアーム機構の外観を示している。ロボットアーム機構の基台１には、円筒体をなす支柱部２が設置される。支柱部２は、第１関節部Ｊ１を収容する。第１関節部Ｊ１はねじり回転軸ＲＡ１を備える。回転軸ＲＡ１は、例えば鉛直方向に平行である。アーム部５は、第１関節部Ｊ１の回転により水平に旋回する。支柱部２は、下部２−１と上部２−２とからなる。下部２−１は、第１関節部Ｊ１の固定部に接続される。上部２−２は、第１関節部Ｊ１の回転部に接続され、回転軸ＲＡ１を中心に軸回転する。円筒体をなす支柱部２の内部中空には、後述する第３関節部Ｊ３の第１、第２コマ列が収納される。支柱部２の上部２−２には、第２関節部Ｊ２を収容する起伏部４が設置される。第２関節部Ｊ２は、曲げ回転関節である。第２関節部Ｊ２が本実施形態に係る関節機構として提供される。第２関節部Ｊ２の回転軸ＲＡ２は、例えば水平である。第２関節部Ｊ２は、支柱部２の上部２−２に設置される。アーム部５は、第２関節部Ｊ２の回転により上下に起伏する。
【０００８】
第３関節部Ｊ３は、直動伸縮機構により提供される。直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、いわゆる直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３によりアーム部５がその中心軸（移動軸ＲＡ３）に沿って直線的剛性を維持した状態で前後に伸縮する。アーム部５は第１コマ列と第２コマ列とを有する。第１コマ列は屈曲自在に連結された複数の第１コマからなる。第１コマは略平板形に構成される。第２コマ列は、屈曲自在に連結された複数の第２コマからなる。第２コマは、横断面Ｕ字形状の溝状体又は断面ロ字形状の筒状体をなす。第２コマは、底板どうしで屈曲自在に連結される。第２コマ列の屈曲は、前後の第２コマの端面どうしが当接する位置で制限される。その位置では第２コマ列は直線的に配列する。第１コマ列のうち先頭の第１コマと、第２コマ列のうち先頭の第２コマとは結合コマにより接続される。例えば、結合コマは第２コマと第１コマとを合成した形状を有している。
【０００９】
第１コマ列と第２コマ列は、四角筒体形状の射出部の内部を通過する際に押圧され、接合する。接合した第１コマ列及び第２コマ列は、柱状のアーム部５を構成する。アーム部５の断面は、例えば矩形状となる。射出部の後方にはドライブギアが設けられる。ドライブギアは減速器を介してステッピングモータに接続される。第１コマの背面の幅中央には連結方向に沿ってリニアギアが形成される。複数の第１コマが直線状に整列されたときに隣合う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。ドライブギアは、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とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ドライブギアが順回転するときアーム部５が伸長する。ドライブギアが逆回転するときアーム部５が起伏部４の内部に引き戻される。引き戻された第１コマ列及び第２コマ列は、射出部後方で分離される。例えば、柱状体を構成する第１コマ列はガイドローラとドライブギアとにより水平姿勢を維持し、柱状体を構成する第２コマ列は重力により下方に引かれ、それにより第２コマ列と第１コマ列とは互いに分離される。分離された第１コマ列及び第２コマ列は、それぞれ屈曲可能な状態に復帰する。屈曲可能な状態に復帰した第１コマ列及び第２コマ列は、ともに同じ方向（内側）に屈曲しながら、支柱部２の内部に収納される。このとき、第１コマ列は第２コマ列に略平行な状態で収納される。
【００１０】
アーム部５の先端には手首部６が取り付けられる。手首部６は第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６を装備する。第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮中心軸ＲＡ３と略一致する第４回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりエンドエフェクタは揺動回転される。第５関節部Ｊ５は第４回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される第５回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりエンドエフェクタは前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は第４回転軸ＲＡ４と第５回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される第６回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりエンドエフェクタは軸回転される。
【００１１】
エンドエフェクタは、手首部６の第６関節部Ｊ６の回転部に設けられたアダプタに取り付けられる。このエンドエフェクタは、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５の伸縮距離の長さは、基台１の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にエンドエフェクタを到達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。
【００１２】
第１、第２コマ列の接合により柱状体に構成されるアーム部５は、横断面が矩形あるいは円形に近い筒形に形成された、例えば柔軟な樹脂製の蛇腹構造を有するアームカバー１５により覆われている。アームカバー１５は、一方の端部が手首部６のアーム部５との接合部分に接続され、他方の端部が後述する硬質カバー２２と接続される。アームカバー１５は、蛇腹構造とすることで伸縮性を有し、アーム部５の直動に合わせて直線状に伸縮し、常時、アーム部５の全体を覆う。また、アーム部５には、アームカバー１５を補強するための補強板（図９に示す補強板１９。詳細については後述する）が装着される。
【００１３】
上述したように、ロボットアーム機構の第２関節部Ｊ２が本実施形態に係る関節機構として提供される。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第２関節部Ｊ２は固定部（支持部）として一対のサイドフレーム３２を備える。サイドフレーム３２は支柱部２の躯体としての支柱フレーム（リンク）の上部に載置される。この一対のサイドフレーム３２に、モータハウジングを兼用する回転部としての円筒体３１がその両端において軸支されている。一対のサイドフレーム３２は鞍形の硬質カバー２１に覆われている。サイドフレーム３２は第１、第２関節部Ｊ１，Ｊ２間のリンクに相当する支柱部２のフレームの上部に載設される。円筒体３１の内部にはモータがギアボックスとともに固定される。ギアボックスの出力軸（駆動軸）が一方のサイドフレーム３２に固定されている。出力軸の回転に伴って円筒体３１が回転する。円筒体３１にはその周面から半径方向に沿って前方に突き出た態様でラグ体３３が固定される。円筒体３１はラグ体３３ともに回転部を構成する。ラグ体３３には上述した第１、第２コマ列を支持する射出部３５が設置されている。円筒体３１が回転すると、それとともに射出部３５も回転し、それにより射出部３５に支持されているアーム部５が起伏する。射出部３５を通過して送り出され、また引き戻される第１コマ列及び第２コマ列は、円筒体３１の周面上部を摺動しながら方向転換される。ラグ体３３は、射出部３５とともに筒状の硬質カバー２２に覆われている。
【００１４】
硬質カバー２１，２２の間には鞍形（溝形）の鞍形カバー１４が掛け渡される。硬質カバー２１，２２は、円筒体３１の回転によるアーム部５の起伏動に伴って接近、あるいは離間する。硬質カバー２１，２２の接近／離間に伴う間隙の変化に追従するために、鞍形カバー１４は、図５、図６に示すように、例えばＵ字形（蹄鉄形）の横断面を有する鞍形形状をなす柔軟な樹脂製の蛇腹構造を有する。なお、蛇腹構造の横断面は、Ｃ字形状又はコ字形状であってもよい。蛇腹構造の両端面には同じＵ字形のフランジ１６，１７が装着される。鞍形カバー１４は、蛇腹構造とすることで、硬質カバー２１，２２の接近／離間に伴って伸縮する。硬質カバー２１，２２は、回転部の回転中心軸から離れた部分ほど、回転部の回転に伴って接近／離間する距離が大きくなる。従って、鞍形カバー１４は、回転軸ＲＡ２の方向から見た時に、回転部の回転中心軸を中心とする扇形状又は円弧形状をなすように伸縮（変形）する。
【００１５】
さらに、鞍形カバー１４の内側（回転部と相対する側）には、図６、図７に示すように、例えば２枚の補強板（中間板）１８−１，１８−２が回転関節機構の回転部（可動部）の回転方向に直交する向きに装着される。補強板１８−１，１８−２は、回転関節機構の回転部（可動部）等の内部構造から鞍形カバー１４を離間させると共に、鞍形カバー１４を補強、つまり回転部（可動部）の移動方向、ここでは回転方向に関する鞍形カバー１４の変形を許容し、可動部の移動方向以外の方向、つまり回転方向に交差する典型的には半径方向に関する鞍形カバー１４の変形（潰崩）を防止するために鞍形カバー１４の内側に装着される鞍形カバー１４の補強部材である。補強板１８−１，１８−２は、鞍形カバー１４の蛇腹構造の山折り部分の内側に装着される。また、補強板１８−１，１８−２は、鞍形カバー１４の最大伸張範囲に対して例えば均等の間隔を設けて装着される。それにより鞍形カバー１４に装着される補強板１８−１，１８−２は、鞍形カバー１４の伸縮に合わせて移動することでほぼ均等に配置される。従って、鞍形カバー１４の全体を平均的に補強できるため蛇腹構造が潰れてしまうおそれがない。
【００１６】
図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）は、補強板１８−１，１８−２の構成を示す図である。補強板１８−１，１８−２は、図８（ｂ）に示すように典型的には樹脂製の薄い板状の部材である。補強板１８−１，１８−２の外縁形状は、図８（ａ）に示すように、鞍形カバー１４の内面形状に整合するＵ字（あるいはＣ字形状又はコ字形状）に形成される。
【００１７】
硬質カバー２１，２２の間に取り付けられた鞍形カバー１４の下端近傍には、鞍形カバー１４の下端に沿って、鞍形カバー１４により形成される扇形状又は円弧形状の曲線部分（円弧）の形状と平行に（鞍形カバー１４が伸縮する方向に沿って）配列されたレール４０が設けられる。本実施形態では、例えば２本のレール４０ａ，４０ｂが設けられる。補強板１８−１，１８−２の２つの端部（下端）には、図８（ａ）及び図８（ｃ）に示すように、レール４０ａ，４０ｂと係合し、係合した状態で摺動可能にする係合部１８ａ，１８ｂがそれぞれ形成されている。補強板１８−１，１８−２は、鞍形カバー１４の内側とレール４０ａ，４０ｂとの間に設けられる。これにより補強板１８は、鞍形カバー１４を内側より支持して、鞍形カバー１４の剛性を確保する。補強板１８−１，１８−２は、外周部が鞍形カバー１４の内側に装着され、レール４０ａ，４０ｂに対して摺動可能に係合されているため、回転部の回転に伴って鞍形カバー１４（蛇腹構造）が伸縮（変形）するのに合わせて移動する。従って、補強板１８−１，１８−２は、鞍形カバー１４の伸縮方向（長さ方向）に対して常に均等な配置において、鞍形カバー１４を内側より支持する。なお、補強板１８−１，１８−２がレール４０ａ，４０ｂの上を滑らかに摺動可能となるように、レール４０ａ，４０ｂの上面（補強板１８−１，１８−２との接触面）に、潤滑性皮膜を塗布しても良い。また、レール４０ａ，４０ｂを潤滑性のある部材によって構成しても良い。また、補強板１８−１，１８−２の係合部１８ａ，１８ｂに潤滑性皮膜を塗布し、又は潤滑性のある部材を装着しても良い。
【００１８】
なお、アーム部５が最高位に起き上がった姿勢まで第２関節部Ｊ２が回動したとき、硬質カバー２１，２２は完全に閉じて、それらの間に隙間は無くなることが安全上好ましい。このとき蛇腹鞍形カバー１４は最も収縮した状態になる。最も収縮した蛇腹鞍形カバー１４の全体を硬質カバー２１、２２の内部に好適に収容できるように、取り付け部材２３は硬質カバー２１の上縁から所定距離だけ下方に奥まった位置に設けられ、同様に取り付け部材２４はカバー２２の後縁から所定距離だけ前方に奥まった位置に設けられている。
【００１９】
このように、アーム部５を起伏動させる動作に追従して開閉する硬質カバー２１，２２の間隙を蛇腹構造の鞍形カバー１４で覆うことにより、万が一、作業者の手先が鞍形カバー１４に置かれたとしても、鞍形カバー１４は補強板１８−１，１８−２により補強されているので、蛇腹構造が潰れることがない。このため、作業者の手先の関節部Ｊ２のより内側への侵入を抑止することができ、関節の内部構造体に挟まれる危険を回避する事ができる。
【００２０】
次に、アームカバー１５を補強するための補強板１９について説明する。図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、補強板１９の構成を示す図である。補強板１９は、直動関節機構のアーム部５（可動部）等の内部構造（コマ列）からカバー１５を離間させると共に、カバー１５を補強、つまりアーム部５の移動方向、ここでは移動軸ＲＡ３の方向に関するカバー１５の変形を許容し、その移動方向以外の方向、つまり移動方向に交差する典型的には移動方向に直交する方向に関するカバー１５の変形（潰崩）を防止するためにカバー１５の内側に、移動方向に直交する向きに装着されるカバー１５の補強部材である。
【００２１】
補強板１９は、図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、アーム部５の横断面の矩形状に合わせて中心が矩形状に切り欠かれた典型的には樹脂製の薄い板状の環状部材である。補強板１９の外周形状は、アームカバー１５の横断面の形状に応じた外形を有している。ここではアームカバー１５の横断面の形状が矩形に近い筒形に形成されているため、補強板１９の外周形状もそれに整合するよう矩形状に形成される。補強板１９は、鞍形カバー１４に装着された補強板１８−１，１８−２と同様にして、アームカバー１５の蛇腹構造の山折り部分の内側に装着される。従って、補強板１９の外周から開口部までの幅に応じた空間がアームカバー１５とアーム部５との間に確保される。また、補強板１９は、アームカバー１５の伸縮方向（長さ方向）に対して、その最大伸張範囲の中央付近に装着される。
【００２２】
図９（ｃ）に示すように、アーム部５は補強板１９の開口部に挿入される。補強板１９はアーム部５に固定されていないため、その開口部の内縁が、アーム部５の伸縮動作に合わせてアームカバー１５が伸縮することによりアーム部５の表面を摺動する。補強板１９が移動する際、補強板１９の開口部とアーム部５とが擦れる。このため、補強板１９が滑らかに移動可能となるように、補強板１９にはその開口部の縁の上下に板厚より少し長い摺動部（口縁部）１９−１，１９−２が設けられている。アーム部５と接触する摺動部１９−１，１９−２の内面に潤滑性皮膜を塗布し、補強板１９全体又は少なくとも摺動部１９−１，１９−２を自己潤滑性樹脂で構成しても良い。
【００２３】
補強板１９は、アームカバー１５の伸縮方向（長さ方向）に対して中央付近に装着されているため、アーム部５の長さが何れの状態であってもアームカバー１５の長さ方向のほぼ中央付近に位置する。従って、補強板１８は、アーム部５が何れの長さにあっても、アームカバー１５の内側より支持して、アームカバー１５の剛性を確保することができる。
【００２４】
このように、アーム部５を直動に合わせて長さが変化する蛇腹構造のアームカバー１５で覆うことにより、万が一、作業者の手先がアームカバー１５に置かれたとしても、アームカバー１５が補強板１９により補強されているので、蛇腹構造が潰れることがない。このため、作業者の手先が直動するアーム部５と接触することを抑止でき、危険を回避する事ができる。
【００２５】
なお、前述した説明では、鞍形カバー１４には２枚の補強板１８−１，１８−２が装着され、アームカバー１５には、１枚の補強板１９を装着するものとしているが、それぞれ少なくとも１枚以上の補強板を装着すれば良い。すなわち、鞍形カバー１４には、１枚あるいは３枚以上の補強板を装着しても良い。また、アームカバー１５には、２枚以上の補強板を装着しても良い。複数枚の補強板を装着する場合には、鞍形カバー１４あるいはアームカバー１５のそれぞれに対して、前述したように、長さ方向に対してほぼ均等となるように配置する。なお、鞍形カバー１４とアームカバー１５について、特に補強が必要な範囲がある場合には、その範囲に補強板を追加したり、補強板を配置する間隔を狭くしたりしても良い。
【００２６】
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。
【符号の説明】
【００２７】
１…基台、２…支柱部、４…起伏部、５…アーム部、６…手首部、１４…カバー、１５…アームカバー、１８（１８−１，１８−２），１９…補強板、２１，２２…硬質カバー、３２…サイドフレーム、３１…円筒体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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