(57)【要約】  【課題】  関節構造の小型化及び長寿命化を図る。  【解決手段】  関節構造が、基台側アーム部材４ａに対して関節軸Ａ５と交差する第１回転軸線Ａ１周りに回転する第１回転体８と、第１回転体８と共に回転しながら第１回転体８に対し第１回転軸線Ａ１と交差して第１回転軸線Ａ２に傾斜した第２回転軸線Ａ２周りに回転する第２回転体９と、を備える。第２回転体９は、２回転軸線Ａ１，Ａ２の交点から第２回転軸線Ａ２に傾斜した延在軸Ａ３に沿って延びてツール側アーム部材４ｂと係合する出力部１０を含む。第２回転体９が基台側アーム部材４ａに対し第１回転軸線Ａ１周りに回転しながら第１回転体８に対し第２回転軸線Ａ２周りに回転することで、出力部１０及びこれを支持するツール側アーム部材４ｂが基台側アーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心とした回転移動を行う。【選択図】  図２
2015123509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツール側のアーム部材を基台側のアーム部材に関節軸周りに回転可能に連結するロボットの関節構造であって、
前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸と交差する第１回転軸線周りに回転する第１回転体と、
前記第１回転体と共に回転しながら前記第１回転体に対して前記第１回転軸線と交差して前記第１回転軸線に傾斜した第２回転軸線周りに回転する第２回転体と、を備え、
前記第２回転体は、前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との交点から前記第２回転軸線に傾斜した延在軸に沿って延び、前記ツール側のアーム部材と係合する出力部を含み、
前記第２回転体が前記基台側のアーム部材に対して前記第１回転軸線周りに回転しながら前記第１回転体に対して前記第２回転軸線周りに回転することで、前記出力部及びこれを支持する前記ツール側のアーム部材が前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸を中心とした回転移動を行う、ロボットの関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツール側のアーム部材を基台側のアーム部材に対して所定の関節軸の周りに回転可能に連結するロボットの関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの関節構造では、回転駆動源で発生された回転駆動力が減速機を介してツール側のアーム部材に伝達される。例えば特許文献１に示されるように、減速機は、基端側のアーム部材及び先端側のアーム部材の間に介在し、減速機の出力要素は、ツール側のアーム部材と同軸でツール側のアーム部材と同じ回転角だけ回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６６２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ツールの重量、アーム部材の重量及び長さが大きくなると、アーム部材の姿勢を保持するために必要なトルクやツール側のアーム部材を始動時等に加速させるために必要なトルクは当然大きくなり、これに対応しなければ減速機の寿命（例えば、減速機のベアリング寿命）は短くなる。前述した減速機の構成を維持するのであれば、減速機の短寿命化を避けるには減速機を大型化するよりほかなく、減速機のコスト上昇を招く。減速機の寿命とサイズやコストとの兼ね合いで、ロボットの性能が制約を受けることに繋がる。
【０００５】
そこで本発明は、小型化及び長寿命化を図った関節構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係るロボットの関節構造は、ツール側のアーム部材を基台側のアーム部材に関節軸周りに回転可能に連結するロボットの関節構造であって、前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸と交差する第１回転軸線周りに回転する第１回転体と、前記第１回転体と共に回転しながら前記第１回転体に対して前記第１回転軸線と交差して前記第１回転軸線に傾斜した第２回転軸線周りに回転する第２回転体と、を備える。前記第２回転体は、前記第１回転軸線と前記第２回転軸線との交点から前記第２回転軸線に傾斜した延在軸に沿って延び、前記ツール側のアーム部材と係合する出力部を含む。前記第２回転体が前記基台側のアーム部材に対して前記第１回転軸線周りに回転しながら前記第１回転体に対して前記第２回転軸線周りに回転することで、前記出力部及びこれと係合する前記ツール側のアーム部材が前記基台側のアーム部材に対して前記関節軸を中心とした回転移動を行う。
【０００７】
前記構成によれば、第１回転体と第２回転体とが上記のとおり動作することで、従来の関節構造と同じように、ツール側のアーム部材の基台側のアーム部材に対する関節軸周りの回転を実現することができる。これら第１回転体と第２回転体は機構的な減速装置を構成している。つまり、第２回転体は延在軸に沿って延びる出力部を含み、この出力部はツール側のアーム部材と係合して当該アーム部材と共に関節軸を中心に回転移動する。第２回転軸線は第１回転軸線、延在軸及び関節軸に対して傾斜しており、その傾斜に応じて第２回転体から見たツール側のアーム部材の見かけ上の長さ（回転半径）が短くなる。このため、ツールの重量、ツール側アーム部材の実長、重量及び慣性能率を従来の関節構造と同一の条件とする場合でも、その従来の関節構造に比べ、ツール側アーム部材の姿勢を保持するためのトルク、ツール側アーム部材を加速させるために必要な第２回転体の第２回転軸線周りのトルクが軽くなる。したがって、第１及び第２回転体並びにその周辺に設けられる部品（例えば、ベアリング）を、従来の関節構造における減速機よりも小型化したり長寿命化したりすることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型に保ちながら長寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る関節構造を適用したロボットの概念図である。
【図２】（ａ）は、実施形態に係る関節構造を適用したロボットアームを示す図である。（ｂ）は、比較例に係る関節構造を適用したロボットアームを示す図である。
【図３】実施形態に係る関節構造の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る関節構造を適用したロボット１の概念図である。ロボット１は、基台２と可動のロボットアーム３とを有する。ロボットアーム３は、基台２から順次に連結される複数のアーム部材４を有する（なお、図示しているアーム部材４の個数は単なる一例である）。基台２から最も離れたアーム部材４ｃの先端（すなわち、ロボットアーム３の先端）には、ロボット１に求める作業に応じたツール５０が取外し可能に装着される。基台２とこれに連結される下アーム部材４ａとの間及び隣接する２つのアーム部材４，４の間にそれぞれ、関節５が設けられる。関節５は、ツール側の部材を基台側の部材に対し、回転可能に連結する。
【００１１】
本実施形態に係る関節構造は、例えば、上アーム部材４ｂを下アーム部材４ａに連結する関節５ｂに採用される。ただし、関節構造は、他の関節５ａ，５ｃにも採用でき、図１に示すものとは異なるロボットアームの関節にも採用できる。
【００１２】
図２（ａ）は実施形態に係る関節構造を示す図であり、図２（ｂ）は比較例に係る関節構造を示す図である。どちらにおいても、ツール側のアーム部材（アーム部材４ｂ又は９４ｂ）が、基台側のアーム部材（アーム部材４ａ又は９４ａ）に対して関節軸Ａ５又は９Ａ５の周りに揺動できる。どちらの関節軸Ａ５及びＡ９５も、どちらも鉛直方向と交差する方向、例えば水平方向に延びている。以下の説明では、特段断らない限り、ツール及びアーム部材の重量及び慣性能率が、実施形態と比較例とで同じとする。
【００１３】
比較例では、基台側のアーム部材９４ａの先端部が、ツール側のアーム部材９４ｂの基端部と、関節軸方向に重なっている。モータ９６の回転駆動力は、減速機９７の入力要素及び出力要素を介してアーム部材９４ｂに伝達される。減速機９７の出力要素は、アーム部材９４ｂと同軸で（すなわち、関節軸Ａ９５の周りを）アーム部材９４ｂと同じ回転角だけ回転する。
【００１４】
実施形態に係る関節構造は、回転機構７と、回転機構７を駆動する回転駆動源６とを備えている。回転駆動源６は回転機構７を駆動することができるのであれば、どのように構成されていてもよく、一例として電気モータで構成される。
【００１５】
回転機構７は、基台側のアーム部材４ａに対して関節軸Ａ５と交差する第１回転軸線Ａ１の周りに回転する第１回転体８と、第１回転体８と共に回転しながら第１回転体８に対して第１回転軸線Ａ１と交差して第１回転軸線Ａ１に傾斜した第２回転軸線Ａ２の周りに回転する第２回転体９と、を備える。第１回転体８は、基台側のアーム部材４ａによって第１回転軸線Ａ１の周りに回転可能に支持された回転軸部１０を含む。第２回転体９は、先端側のアーム部材４ｂに係合する出力部１１を含む。出力部１１は、第１回転軸線Ａ１と第２回転軸線Ａ２との交点から第２回転軸線Ａ２に傾斜した延在軸Ａ３に沿って延びる。出力部１１は、先端側のアーム部材４ｂによって延在軸Ａ３の周りに回転可能に支持される。
【００１６】
第１回転体８が基台側のアーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１の周りに回転すると、これに伴って第２回転体９が、基台側のアーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１の周りに第１回転体８と同じ回転角だけ回転する。同時に、第２回転体９は、第１回転体８に対して第２回転軸線Ａ２の周りに相対的に回転するように構成されている。これにより、出力部１１及びこれと係合するツール側のアーム部材４ｂは、基台側のアーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心とした回転運動を行うことができる。
【００１７】
第１回転軸線Ａ１、第２回転軸線Ａ２、延在軸Ａ３及び関節軸Ａ５は一点で交わり、この交点が回転機構７の中心を形成する。第１及び第２回転体８，９の回転角に関わらず、回転機構７の中心位置はアーム部材４ａ，４ｂに対して変化しない。本実施形態では、第１回転軸線Ａ１が関節軸Ａ５と直交している。第２回転軸線Ａ２は、第１回転軸線Ａ１に対して１３５度傾斜している。延在軸Ａ３は、第２回転軸線Ａ２に対して４５度傾斜している。
【００１８】
図３は、実施形態に係る関節構造の動作説明図である。以降の説明では、アーム部材４ａに原点をおいたＸＹＺ座標系を想定する。第１及び第２回転体８，９の動作をわかりやすく図示する便宜上、第１及び第２回転体８，９の側面にノッチ８ｎ，９ｎを設けてある。
【００１９】
図３（ａ）では、関節軸Ａ５がＹ方向に向けられ、第１回転軸線Ａ１がＹ方向と直交するＺ方向に向けられている。関節軸Ａ５及び第１回転軸線Ａ１の向きは、第１及び第２回転体８，９の回転角に関わらず変化しない。第２回転軸線Ａ２は、交点からＺ方向上側且つＸ方向一側に延びるように傾斜し、Ｙ方向に向けられていない。延在軸Ａ３は、交点からＹ方向にもＺ方向にも直交するＸ方向一側に延びている。
【００２０】
ツール側のアーム部材４ｂを基台側のアーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心として回転移動させるため、第１回転体８は、例えば図３（ａ）に示す状態から第１回転軸線Ａ１を時計回りに回転する。
【００２１】
図３（ｂ）には、第１及び第２回転体８，９が図３（ａ）に示す状態から第１回転軸線Ａ１を時計回りに９０度回転した後の状態を示している。この回転により、第２回転軸線Ａ２は、第１回転軸線Ａ１を時計回りに９０度回転し、交点からＺ方向上側且つＹ方向一側に延びる状態となる。仮に第２回転体９が第１回転体８に対して回転不能であるとすれば、延在軸Ａ３は、図３（ａ）に示す状態から第１回転軸線Ａ１の周りに９０度水平旋回することとなる。第２回転体９のノッチ９ｎは、第１回転体８のノッチ８ｎと同様に右上側（Ｙ方向他側且つＺ方向上側）に位置することになり、出力部１１は、回転機構７の中心からＹ方向一側に延びることになる。
【００２２】
しかし実際には、出力部１１は、図３（ｂ）に示す状態において回転機構７の中心からＺ方向上側に延びており、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態となるまでに基台側のアーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心として９０度反時計回りに回転移動している。出力部１１と係合するツール側のアーム部材４ｂも同様の回転移動を行う。この出力部１１及びアーム部材４ｂの回転移動を実現するため、第２回転体９は、図３（ａ）に示す状態から、アーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１の周りに９０度回りながら、第１回転体８に対して第２回転軸線Ａ２の周りに１８０度回転する（第２回転体９のノッチ９ｎが左下側（Ｙ方向一側且つＺ方向下側）に位置している点参照）。
【００２３】
図３（ｃ）は、第１及び第２回転体８，９が図３（ｂ）に示す状態から第１回転軸線Ａ１を時計回りに９０度回転した後の状態を示している。この回転により、第２回転軸線Ａ２は、第１回転軸線Ａ１を時計回りに９０度回転し、交点からＺ方向上側且つＸ方向他側に延びる状態となる。図３（ｂ）に示す状態において延在軸Ａ３は第１回転軸線Ａ１と同軸であるので、仮に第２回転体９が第１回転体８に対して回転不能であれば、出力部１１はＺ方向上側に延びる状態に維持され、第２回転体９のノッチ９ｎは、左下側（Ｘ方向他側且つＺ方向下側）に位置することとなる。
【００２４】
しかし実際には、出力部１１は、図３（ｃ）に示す状態において回転機構７の中心からＸ方向他側に延びており、図３（ｂ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態となるまでに基台側のアーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心として９０度反時計回りに回転移動している。出力部１１と係合するツール側のアーム部材４ｂも同様の回転移動を行う。この出力部１１及びアーム部材４ｂの回転移動を実現するため、第２回転体９は、図３（ｂ）に示す状態から、アーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１の周りに９０度回りながら、第１回転体８に対して第２回転軸線Ａ２の周りに１８０度回転する（第２回転体９のノッチ９ｎが右上側（Ｘ方向一側且つＺ方向上側）に位置している点を参照）。
【００２５】
図３（ａ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態に至るまでに、第１回転体８は、アーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１を時計回りに１８０度回転する。第２回転体９は、第１回転体８と共にアーム部材４ａに対して第１回転軸線Ａ１の周りに１８０度回りながら、第１回転体８に対して第２回転軸線Ａ２の周りに３６０度回転する。これにより、出力部１１及びこれと係合するアーム部材４ｂが、アーム部材４ａに対して関節軸Ａ５を中心として１８０度回転移動することができる。図３（ｃ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態を経て図３（ａ）に示す状態になるときについては、上記と逆に回転する。
【００２６】
実施形態に係る関節構造では、比較例と同じように、ツール側のアーム部材４ｂの基台側のアーム部材４ａに対する関節軸Ａ５の周りの回転が実現される。これら第１回転体８と第２回転体９は機構的な減速装置を構成している。つまり、第２回転体８は延在軸Ａ３に沿って延びる出力部１１を含み、この出力部１１はツール側のアーム部材４ｂと係合して当該アーム部材４ｂと共に関節軸Ａ５を中心に回転移動する。第２回転軸線Ａ２は第１回転軸線Ａ１、延在軸Ａ３及び関節軸Ａ５に対して傾斜し、その傾斜に応じて第２回転体９から見たツール側のアーム部材４ｂの見かけ上の長さ（回転半径）が短くなる。このため、ツールの重量、ツール側のアーム部材４ｂの実長、重量及び慣性能率を従来の関節構造と同一の条件とする場合でも、その従来の関節構造に比べ、ツール側のアーム部材４ｂの姿勢を保持するためのトルク、ツール側のアーム部材４ｂを加速させるために必要な第２回転体９の第２回転軸線Ａ２の周りのトルクが軽くなる。したがって、第１及び第２回転体８，９並びにその周辺に設けられる部品（例えば、ベアリング）を、従来の関節構造における減速機よりも小型化したり長寿命化したりすることができる。
【００２７】
出力部１１の関節軸Ａ５の周りの回転速度が第２回転体９の第２回転軸線Ａ２の周りの回転速度よりも小さくなる。回転駆動源６の回転数を上げて第２回転体９の回転速度を高くすると、アーム部材４ｂは従前同等の速度で関節軸Ａ５の周りに回転する。回転速度はトルクよりも回転機構７の寿命に及ぼす影響力が小さい。このため、第２回転体９の回転速度を比較例の減速機９７の出力要素よりも高くし、それによりアーム部材４ｂを比較例と同等の速度で回転させても、トルク軽減によるメリットが大きく、回転機構７の小型化及び長寿命化を図ることができる。
【００２８】
本実施形態では、第２回転軸線Ａ２の第１回転軸線Ａ１に対する傾斜角が１３５度である。傾斜角を大きくすればするほど、回転機構７におけるトルクアップ効果（姿勢保持及び加速に必要なトルクの軽減効果）が大きくなるが、その分アーム部材４ｂの回転速度の落ち込みも大きくなるしアーム部材４ｂの可動範囲が狭くなる。傾斜角が小さければ、アーム部材４ｂの可動範囲を広くとることができるが、トルクアップの効果が小さくなる。本実施形態では、傾斜度合いをその中間としているので、可動範囲の確保とトルクアップ効果を得ることとが両立する。
【００２９】
なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、傾斜角が１３５度であれば、アーム部材４ｂの可動範囲を１８０度にすることができる。ロボットアームの関節のなかには１８０度を充分な可動範囲とする関節も多くあり、本実施形態に係る関節構造をそのような関節に適用するのは有益である。傾斜角を１３５度とするのは好適な一例に過ぎず、傾斜角は、適用対象となる関節に求められる可動範囲や、回転機構及び回転駆動源の設計仕様に応じて適宜変更することができる。
【００３０】
実施形態は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、図２（ａ）及び図３（ａ）〜（ｃ）では第１及び第２回転体８，９が円盤状に図示されているが、これは単なる一例であり、軸線Ａ１〜Ａ３が上記のように配置されており、出力部１１及びアーム部材４ｂを関節軸Ａ５の周りに回転移動させるために必要な回転速度で第１及び第２回転体８，９が回転するのであれば、第１及び第２回転体８，９の形状はどのようなものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、ロボットアームの関節に適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ１  第１回転軸線
Ａ２  第２回転軸線
Ａ３  延在軸
Ａ５  関節軸
１  ロボット
２  基台
３  ロボットアーム
４（４ａ〜４ｃ）  アーム部材
５（５ａ〜５ｃ）  関節
６  回転駆動源
７  回転機構
８  第１回転体
９  第２回転体
１１  出力部
５０  ツール
【図１】
2015123509.tif 000003
【図２】
2015123509.tif 000004
【図３】
2015123509.tif 000005