JP6730314B2 - ロボットアーム機構 - 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。

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と並んで作業を行なう状況が今後拡大していくものと考えられる。そのようなロボットの多くは多関節部アーム機構を備えている。多関節部アーム機構は位置に関して３自由度（ｘ，ｙ，ｚ）、姿勢に関して３自由度（φ，θ，ψ）が要求され、一般的には根元３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と手首３軸と呼ばれる回転関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６とからそれを実現している。基部（支柱）に配置した第１関節部Ｊ１で旋回を実現し、回転軸を水平に配置した回転関節部Ｊ２，Ｊ３の連動により手先の前後動、上下動を実現している。

近年では関節部Ｊ２，Ｊ３に代えて２機の平行リンク機構を縦列に連結させたものも登場している。基部側の平行リンク機構で上腕の動きを、手先側の平行リンク機構で前腕の動きを実現させている。上腕の平行リンク機構の駆動モータを基部に搭載させ、前腕の平行リンク機構の駆動モータを連結部に搭載させ、このようにこれら平行リンク機構の動きを相互に独立させることにより動作自由度を高めている。

今後、タスクタイムの短縮、そのための関節部の高速化に関する要求が益々高まっていくものと想定される。上記の２機の平行リンク機構を縦列に連結させたロボットアーム機構においてこの要求に追随していくにはより高トルクのモータが必要とされる。そしてこの高トルクのモータの重量の増加はリンク機構に、より高い剛性を要求し、それがリンク機構の重量を増大させる。そして重量増大はさらに高トルクのモータを要求する。このように高速化の要求に応じるにはロボットアーム機構全体の重量増加とモータの高トルク化とが不可避であった。

目的は、複数の平行リンク機構を縦列に連結させたロボットアーム機構において重量の増加を抑制しながら高速化を実現することにある。

本実施形態に係るロボットアーム機構は、後端が固定部に軸支され、先端が連結部に軸支される第１アームと、第１アームとともに第１平行リンク機構を構成する第１リンクと、連結部に後端が軸支され、先端が手先効果器を装着可能な可動部に軸支される第２アームと、第２アームとともに第２平行リンク機構を構成する第２リンクとを有する。第１アームを駆動するための第１駆動モータは、固定部又は固定部が配置される基部に設置される。第２アームを駆動するための第２駆動モータも固定部又は基部に設置され、第２駆動モータの回転は伝達機構を介して第２アームに伝達される。伝達機構は第１リンクの後端の支軸と同軸で軸支された第１プーリーと、第１リンクの前端の支軸と同軸で軸支された第２プーリーと、第１、第２のプーリーに架け渡された第１伝達ベルトとを有する。

図１は、本実施形態に係るロボットアーム機構の外観を示す斜視図である。 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２のロボットアーム機構の上腕起伏動作を示す図である。 図４は、図２のロボットアーム機構の前腕起伏動作を示す図である。 図５は、図１のロボットアーム機構の内部構造の変形例を示す図である。 図６は、図１のロボットアーム機構の内部構造の他の変形例を示す図である。 図７は、図１のロボットアーム機構の内部構造のさらに他の変形例を示す図である。 図８は、図１のロボットアーム機構の内部構造のさらに他の変形例を示す図である。

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。ロボットアーム機構としては、垂直多関節アーム機構を例に説明する。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。ロボットアーム機構は、基台１、基台１上に設置される円柱形の基部（支柱部）２、上腕部３、前腕部４及び手首部５を有する。上腕部３、前腕部４及び手首部５は、支柱部２から順番に配設される。上腕部３の後端部は、支柱部２の固定ベース７に連結される。上腕部３の先端部は連結ベース８に連結される。前腕部４の後端部は、連結ベース８に連結される。前腕部の先端部は手首部５の可動ベース９に連結される。手首部５には、取り付け部６が設けられる。この取り付け部６に手先効果器（図示しない）が装着される。

支柱部２はねじり関節部を収容する。ねじり関節部は鉛直方向に平行な回転軸ＲＡ１を備える。ロボット座標系Σbはねじり関節部の回転軸ＲＡ１上の任意位置を原点とした座標系である。ロボット座標系Σｂにおいて、直交３軸（Ｘｂ、Ｙｂ，Ｚｂ）が規定されている。Ｚｂ軸は回転軸ＲＡ１に平行な軸である。Ｘｂ軸とＹｂ軸とは互いに直交し、且つＺb軸に直交する軸である。支柱部２は下部２１と上部２２とからなる。下部２１のフレームは基台１に設置される。下部２１のフレームには、ねじり関節部の固定部が取り付けられる。上部２２はねじり関節部の回転部に接続される。ねじり関節部の回転により固定部に対して回転部が回転し、これにより上腕部３よりも前方が回転軸ＲＡ１を中心に旋回する。円筒体をなす支柱部２の内部中空には固定ベース７が固定される。固定ベース７には、上腕部３の一端が回転自在に連結される。上腕部３の他端は連結ベース８に回転自在に連結される。この連結ベース８には、前腕部４の一端が回転自在に連結される。前腕部４の他端は可動ベース９に回転自在に連結される。可動ベース９は手首部５に収容される。

上腕部３、前腕部４はそれぞれ平行リンク機構として提供される。これら２つの平行リンク機構は、連結ベース８を介して縦列接続される。なお、ここでは、平行リンク機構を構成する２又はそれ以上のロッドについて駆動側のロッドをアームと称し、それに従動するロッドをリンクと称して区別する。

上腕部３は、第１アーム３１を有する。第１アーム３１は、例えば前後端部分が二又に分かれた板状体である。第１アーム３１の後端部は、支柱部２の上部２２に固定される固定ベース７に軸支される。第１アーム３１の先端部は、連結ベース８に軸支される。第１アーム３１は、第１リンク３３とともに第１平行リンク機構を構成する。例えば第１リンク３３は、第１アーム３１と同一の板状体である。典型的には第１リンク３３は、第１アーム３１と同一の長さを有する。第１リンク３３の後端部は、固定ベース７に軸支される。第１リンク３３の後端部が軸支される位置は、回転軸ＲＡ１に直交する２軸に関して第１アーム３１が軸支される位置と同位置である。ここでは、第１リンク３３の後端部が軸支される位置は、第１アーム３１が軸支される位置に対して上方である。第１リンク３３の先端部は、連結ベース８に軸支される。第１リンク３３の先端部が軸支される位置は、第１アーム３１の先端部が軸支される位置から所定距離を離した位置である。典型的には第１リンク３３の先端部が軸支される位置から第１アーム３１の先端部が軸支される位置までの距離は、第１アーム３１の後端部が軸支される位置から第１リンク３３の後端部が軸支される位置までの距離と同一である。さらに典型的には第１リンク３３の前後支軸間距離は、第１アーム３１のそれと同一である。第１リンク３３は、第１アーム３１に対して平行に配置される。水平な基準姿勢では、第１リンク３３と第１アーム３１等からなる第１平行リンク機構は矩形を示す。

前腕部４は、第２アーム４１を有する。第２アーム４１は、例えば前後端部分が二又に分かれた板状体である。第２アーム４１の後端部は、連結ベース８に対して軸支される。第２アーム４１の先端部は、可動ベース９に対して軸支される。第２アーム４１は、第２リンク４３とともに第２平行リンク機構を構成する。例えば第２リンク４３は、第２アーム４１と同一の板状体である。典型的には第２リンク４３は、第２アーム４１と同一の長さを有する。第２リンク４３の後端部は、連結ベース８に対して軸支される。第２リンク４３の後端部が軸支される位置は、回転軸ＲＡ１に直交する２軸に関して第２アーム４１が軸支される位置と同位置である。ここでは、第２リンク４３の後端部が軸支される位置は、第２アーム４１が軸支される位置に対して下方である。第２リンク４３の先端部は、可動ベース９に対して軸支される。第２リンク４３の先端部が軸支される位置は、第２アーム４１の先端部が軸支される位置から所定距離を離した位置である。典型的には第２リンク４３の先端部が軸支される位置から第２アーム４１の先端部が軸支される位置までの距離は、第２アーム４１の後端部が軸支される位置から第２リンク４３の後端部が軸支される位置までの距離と同一である。さらに典型的には第２リンク４３の前後支軸間距離は、第２アーム４１のそれと同一である。これにより、第２リンク４３は、第２アーム４１に対して平行に配置される。水平な基準姿勢では、第２リンク４３と第２アーム４１等からなる第２平行リンク機構は矩形を示す。

なお、上述では第１平行リンク機構の第１アーム３１が上側で第１リンク３３が下側に配置したが、それに限定されることは無く、第１アーム３１が下側で第１リンク３３が上側に配置してもよい。同様に、第２平行リンク機構の第２アーム４１が上側で第２リンク４３が下側に配置したが、それに限定されることは無く、第１平行リンク機構の配置に応じて第２アーム４１が下側で第２リンク４３が上側に配置してもよい。

図２に示すように、第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端支軸、第１リンク３３の前端支軸、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端支軸及び第２リンク４３の後端支軸は、矩形の４角の位置関係になるように連結ベース８に配設される。

固定ベース７又は固定ベース７が配置される基部としての支柱部２の上部２２には、第１平行リンク機構の特に第１アーム３１を駆動するための第１駆動モータ３０と、第２平行リンク機構の特に第２アーム４１を駆動するための第２駆動モータ４０とが配置される。第１駆動モータ３０の駆動軸は第１アーム３１の後端の回転軸に直接又は減速機構を介して接続される。第２平行リンク機構の第２アーム４１を駆動するための第２駆動モータ４０を連結ベース８ではなく、固定ベース７又は固定ベース７が配置される基部としての支柱部２の上部２２に配置し、第２駆動モータ４０の回転を第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端回転軸に伝達することにより、複数の平行リンク機構を縦列に連結させたロボットアーム機構において重量の増加を抑制しながら高速化を実現する。

第１アーム３１の後端の回転軸には駆動歯車３４が固着され、又は第１アーム３１の後端に駆動歯車３４が固着される。駆動歯車３４の回転軸は第１アーム３１の後端部の回転軸と同軸である。駆動歯車３４は、減速機構を介して第１駆動モータ３０の出力軸に接続される。図３に示すように第１駆動モータ３０が駆動し、駆動歯車３４が順方向又は逆方向に回転することで、上腕部３が起伏動作する。これにより手首部５が並進する。

前腕部４を構成する第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部の回転軸に第３従動プーリー４９が固着され、又は第２アーム４１の後端に第３従動プーリー４９が固着される。第３従動プーリー４９の回転軸は第２アーム４１の後端部の回転軸と同軸である。第３従動プーリー４９は、伝達機構を介して第２駆動モータ４０の出力軸に接続される。

伝達機構は、駆動プーリー４４（第１プーリー４４）を有する。駆動プーリー４４は減速機構を介して第２駆動モータ４０の出力軸に接続される。駆動プーリー４４は、第１リンク３３の後端部の回転軸と同軸で且つ第１リンク３３の後端部の回転軸に対して自由回転自在に設けられる。第２従動プーリー４７が第１リンク３３の先端部の回転軸と同軸で且つ第１リンク３３の前端部の回転軸に対して自由回転自在に設けられる。駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６（第２プーリー４６）との間には、一定の張力をもって無端状の平ベルト４５が架け渡される。典型的には駆動プーリー４４の径に対して第１従動プーリー４６の径は同一である。駆動プーリー４４の径に対して第１従動プーリー４６の径を小さくして減速比を与えてもよい。また平ベルト４５を歯付ベルト、プーリー４４、４６を歯付プーリーを採用しても良い。

この駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６との間の伝達機構としてはここでは振動や騒音低減の観点からベルト機構を好適に採用している。しかし、このベルト機構に限定されることはなく、ワイヤロープ、チェーン等の他の引張力に抵抗する可撓性円環体を備えた回転伝達機構としての巻掛伝動機構が採用されてもよい。駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６も他の種類の可撓性円環体に応じて代替される。例えばベルトに代えてチェーンを採用するのであれば、プーリーはスプロケットに代替される。

第１従動プーリー４６にはそれと同軸で第２従動プーリー４７が固着される。第１従動プーリー４６が回転するとそれに追従して同角度だけ第２従動プーリー４７が回転する。第２従動プーリー４７と、上記第２アーム４１の後端部の第３従動プーリー４９との間には、一定の張力をもって無端状の平ベルト４８が架け渡される。典型的にはプーリー４７の径に対してプーリー４９の径は同一である。プーリー４７の径に対してプーリー４９の径を小さくして減速比を与えてもよい。また平ベルト４８を歯付ベルト、プーリー４７、４９を歯付プーリーを採用しても良い。駆動プーリー４４、平ベルト４５、第１従動プーリー４６、第２従動プーリー４７、平ベルト４８及び第３従動プーリー４９は、第２駆動モータ４０の回転を第２アーム４１に伝達するための伝達機構を構成する。図４に示すように第２駆動モータ４０が駆動し、その回転が伝達機構を介して第２アーム４１に伝達することで、前腕部４が起伏動作する。これにより、手首部５が並進する。なお、第２従動プーリー４７と第３従動プーリー４９との間は比較的距離が近く、位置関係も変化しないことからこれらの間の伝達はベルト機構に限定されることは無く、歯車機構に代替することができる。

本実施形態によれば、上記伝達機構は、第１平行リンク機構に縦列接続される第２平行リンク機構を動かすためのモータ４０を、第１、第２平行リンク機構を連結する連結ベース８ではなく、第１平行リンク機構を動かすためのモータ３０とともに支柱部２に配置することを実現する。それにより連結ベース８及び第１平行リンク機構を軽量化でき、モータ３０の高トルク化によらず第１平行リンク機構の動作高速化を達成できる。さらに重量物たるモータ４０を支柱部２に配置できるので、モーメントの低減により支柱部２の上部２２の軸回転（ＲＡ１）の高速化も達成できる。

さらに本実施形態によれば、第２駆動モータ４０の回転を第２平行リンク機構の第２アーム４１へ伝達する伝達機構が備えるプーリー４４，４６を、第１平行リンク機構の第１アーム３１の前後回転軸と同軸であって自由回転自在に軸支させることで、第１平行リンク機構の第１アーム３１の起伏動に影響を与えることなく固定ベース７に設置されたモータ４０の回転を第２アーム４１へ伝達することができ、また第２平行リンク機構が第１平行リンク機構の第１アーム３１の起伏動の影響を受けることもない。

（変形例１）
上述の説明では、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部は第１平行リンク機構の第１リンク３３の前端部とは異なる位置に軸支されていた。同様に、第２平行リンク機構の第２リンク４３の後端部は第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端部とは異なる位置に軸支されていた。しかし第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部を第１平行リンク機構の第１リンク３３の前端部とは同じ位置に軸支し、第２平行リンク機構の第２リンク４３の後端部を第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端部と同じ位置に軸支するようにしてもよい。換言すると、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部が第１平行リンク機構の第１リンク３３の前端部と回転軸を共用し、第２平行リンク機構の第２リンク４３の後端部が第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端部と回転軸を共用するようにしてもよい。この場合、平ベルト４８及び第３従動プーリー４９は不要とされる。第２アーム４１の後端部は第２従動プーリー４７に固着される。又は第２従動プーリー４７も不要とされ、第２アーム４１の後端部は第１従動プーリー４６に固着される。

（変形例２）
上述の説明では、第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端支軸、第１リンク３３の前端支軸、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端支軸及び第２リンク４３の後端支軸は、矩形の４角の位置関係になるように連結ベース８に配設されていたが、それには限定されない。図６に示すように、第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端支軸、第１リンク３３の前端支軸、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端支軸及び第２リンク４３の後端支軸は、台形の４角の位置関係になるように連結ベース８に配設してもよい。当該台形としては典型的には等脚台形であるが、不等脚台形又は直角台形であっても良い。また好ましくは第１アーム３１の前端支軸と第２リンク４３の後端支軸とを結ぶ下辺が、第１リンク３３の前端支軸と第２アーム４１の後端支軸とを結ぶ上辺よりも長くなるよう配置されるが、それに限定されることは無く、下辺が上辺よりも短くなるよう配置してもよい。

また、図７に示すように、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部と第１平行リンク機構の第１リンク３３の前端部とを連結ベース８上で異なる位置に軸支し、一方、第２平行リンク機構の第２リンク４３の後端部については第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端部と回転軸を共用するようにしてもよい。なお、第１平行リンク機構の第１アーム３１の前端部と第２平行リンク機構の第２リンク４３の後端部とを連結ベース８上で異なる位置に軸支し、第２平行リンク機構の第２アーム４１の後端部については第１平行リンク機構の第１リンク３３の前端部と回転軸を共用させようにしてもよい。

（変形例３）
上述の説明では、伝達機構を構成する駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６とはそれぞれ第１平行リンク機構の第１リンク３３の後端部の回転軸と前端部の回転軸とに対して同軸に設けていた。しかし、図8に示すように、伝達機構を構成する駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６とをそれぞれ第１平行リンク機構の第１リンク３３の後端部の回転軸と前端部の回転軸とに対して同軸ではなく異なる位置に設けてもよい。この場合、駆動プーリー４４の回転軸と第１従動プーリー４６の回転軸とを結ぶ線が、アーム３１及びリンク３３の中心線と平行であって、駆動プーリー４４の回転軸と第１従動プーリー４６の回転軸との距離が、アーム３１及びリンク３３の回転軸間距離に等価に位置に駆動プーリー４４と第１従動プーリー４６とを軸支する。

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…基台、２…支柱部、２１…下部、２２…上部、３…上腕部、３０…第１駆動モータ、３１…第１アーム、３３…第１リンク、３４…駆動歯車、４…前腕部、４０…第２駆動モータ、４１…第２アーム、４３…第２リンク、４４…駆動プーリー、４５…平ベルト、４６…第１従動プーリー、４７…第２従動プーリー、４８…平ベルト、４９…第３従動プーリー、５…手首部、６…取り付け部、７…固定ベース、８…連結ベース、９…可動ベース。

Claims (5)

1. 後端が固定部に軸支され、先端が連結部に軸支される第１アームと、
   前記第１アームとともに第１平行リンク機構を構成する第１リンクと、
   前記連結部に後端が軸支され、先端が手先効果器を装着可能な可動部に軸支される第２アームと、
   前記第２アームとともに第２平行リンク機構を構成する第２リンクと、
   前記第１アームを駆動するための第１駆動モータと、
   前記第２アームを駆動するための第２駆動モータとを具備し、
   前記第１駆動モータは前記固定部又は前記固定部が配置される基部に設置され、
   前記第２駆動モータは前記固定部又は前記基部に設置され、
   前記第２駆動モータの回転は伝達機構を介して前記第２アームに伝達され、
   前記伝達機構は前記第１リンクの後端の支軸と同軸で軸支された第１プーリーと、前記第１リンクの前端の支軸と同軸で軸支された第２プーリーと、前記第１、第２プーリーに架け渡された第１伝達ベルトとを有する、ロボットアーム機構。
2. 前記連結部において前記第１アームの前端の支軸に対して前記第２アームの後端の支軸は対角に位置し、前記第１リンクの前端の支軸に対して前記第２リンクの後端の支軸は対角に位置し、
   前記伝達機構は前記連結部において前記第２プーリーと同軸で軸支され、前記第２プーリーに従動する第３のプーリーと、前記連結部において前記第２アームの後端に接続された第４のプーリーと、前記第３、第４のプーリーに架け渡された第２伝達ベルトとをさらに有する、請求項１記載のロボットアーム機構。
3. 前記連結部において前記第１アームの前端の支軸、前記第２リンクの後端の支軸、前記第１リンクの前端の支軸、前記第２アームの後端の支軸は台形の４つの頂点の位置関係にある、請求項１記載のロボットアーム機構。
4. 前記連結部において前記第１リンクの前端と前記第２アームの後端とは同軸で軸支される、請求項１記載のロボットアーム機構。
5. 前記連結部において前記第１アームの前端の支軸に同軸で前記第２リンクの後端は軸支され、前記第１リンクの前端の支軸に同軸で前記第２アームの後端は軸支される、請求項１記載のロボットアーム機構。

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