特開 2024-115476 ロボットアーム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115476

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】ロボットアーム

(51)【国際特許分類】

   B25J 9/06 20060101AFI20240819BHJP

   B25J 19/00 20060101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

B25J9/06 B

B25J19/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021198

(22)【出願日】2023-02-14

(71)【出願人】

【識別番号】390000804

【氏名又は名称】白山工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100138519

【弁理士】

【氏名又は名称】奥谷 雅子

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 茂男

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707BS10

3C707BS22

3C707CV08

3C707CW08

3C707CY24

3C707HS27

3C707HT20

(57)【要約】

【課題】大きな駆動系を有することなく、重い荷重を搬送可能で、かつ、動きが遅くならず精密な動きができるロボットアームを提供すること。
【解決手段】荷重アーム１０と、荷重アームとピン結合される支持アーム２０と、支持アームに平行で荷重アームにピン結合される第１リンク３０と、荷重アームに平行で支持アームにピン結合されるとともに第１リンクに接合端５２でピン結合される第２リンク４０と、支持アームの基端２２または接合端を垂直方向変位を拘束しつつ水平方向に変位させる水平変位機構６０と、基端と接合端のうち、水平変位機構に変位されない端部または接合端を、水平方向変位を拘束しつつ垂直方向に変位させる垂直変位機構７０とを備え、荷重アームは先端１２で荷重Ｗを支持し、垂直変位機構は端部を上下方向に変位する上下変位機構９０と流体圧シリンダ８０を用いる、ロボットアーム１。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷重アームと、前記荷重アームとピン結合される支持アームと、前記支持アームに平行で前記荷重アームにピン結合される第１リンクと、前記荷重アームに平行で前記支持アームにピン結合されるとともに前記第１リンクに接合端でピン結合される第２リンクと、前記支持アームの基端または前記接合端を、垂直方向変位を拘束しつつ水平方向に変位させる水平変位機構と、前記基端と前記接合端のうち、前記水平変位機構に変位されない端部を、水平方向変位を拘束しつつ垂直方向に変位させる垂直変位機構とを備え、
前記荷重アームは先端で荷重を支持し、
前記垂直変位機構は前記端部を上下方向に変位する上下変位機構と流体圧シリンダの両方を並行して用いる、
ロボットアーム。

【請求項2】

前記水平変位機構と前記垂直変位機構とは、それぞれリニアガイドにより水平方向と垂直方向以外の力およびモーメントを支持した状態で、それぞれ水平方向と垂直方向に変位する、
請求項１に記載のロボットアーム。

【請求項3】

前記水平変位機構は、ボールねじとナット並びに前記ボールねじを回転させるモータ、そして水平方向以外の力とモーメントを支持するリニアガイドとを備え、該ナットの動きにより前記基端または前記接合端を変位させ、
前記上下変位機構は、ボールねじとナット並びに前記ボールねじを回転させるモータ、そして垂直方向以外の力とモーメントを支持するリニアガイドとを備え、該ナットの動きにより前記端部を変位させ、また、前記流体圧シリンダは水平方向に伸縮し、前記流体圧シリンダにより水平方向に移動する水平チェーンおよび水平スプロケット、並びに、垂直方向に移動する垂直チェーンおよび垂直スプロケットとを備え、前記垂直スプロケットの少なくとも１つは、前記水平スプロケットにより回転して垂直チェーンを動かし、前記垂直チェーンの動きにより前記端部を変位させる、
請求項２に記載のロボットアーム。

【請求項4】

前記流体圧シリンダは空圧シリンダであって、空圧シリンダがレギュレータを介して空圧源と繋がる、あるいは空圧シリンダがアキュムレータと電磁弁を介して空圧源に繋がる、
請求項１に記載のロボットアーム。

【請求項5】

前記水平変位機構または前記垂直変位機構を中心に、垂直軸回りに回転する；
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のロボットアーム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットアームに関する。特に重い荷重を搬送可能なロボットアームに関する。

【背景技術】

【0002】

産業用ロボットは、労働力不足への対応、生産設備の自動化、無人化に加え、原子力発電所の廃炉内などの、人間の立ち入りが困難な環境下での作業に用いられるなど、その用途はますます広がっている。産業用ロボットでは、作業精度を高めるためにパンタグラフ機構を利用したものも提案されている（特許文献１）。パンタグラフ機構では、直交２軸方向の動きを拡大・縮小し、それに比例して作用する力を縮小・拡大することができる。

【0003】

特許文献１に開示された発明では、パンタグラフ機構を利用して産業用ロボットのハンドを精度よく制御し、リンクの端部の支持部材にばね抵抗を作用させて、作用する荷重の重量バランスをとることを提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０６－１７９１８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし産業用ロボットでハンドリングする物品の荷重が増えると、それに伴い、駆動系が大きくなるのが一般的である。しかし、廃炉内などの狭い場所で使用される場合には、大きな駆動系は産業用ロボットその物の動きを制限してしまうので好ましくない。そこで、駆動系を大きくしない場合には、ハンドル部分の動きを遅くせざるを得ない。

【0006】

そこで本発明は、大きな駆動系を有することなく、重い荷重を搬送可能で、かつ、動きが遅くならず精密な動きができるロボットアームを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るロボットアーム１は、例えば図１に示すように、荷重アーム１０と、荷重アーム１０とピン結合される支持アーム２０と、支持アーム２０に平行で荷重アーム１０にピン結合される第１リンク３０と、荷重アーム１０に平行で支持アーム２０にピン結合されるとともに第１リンク３０に接合端５２でピン結合される第２リンク４０と、支持アーム２０の基端２２または接合端５２を垂直方向変位を拘束しつつ水平方向に変位させる水平変位機構６０と、基端２２と接合端５２のうち、水平変位機構６０に変位されない端部２２または５２を、水平方向変位を拘束しつつ垂直方向に変位させる垂直変位機構７０とを備え、荷重アーム１０は先端１２で荷重Ｗを支持し、垂直変位機構７０は端部２２または５２を上下方向に変位する上下変位機構９０と流体圧シリンダ８０の両方を並行して用いる。

【0008】

このように構成すると、荷重アーム、支持アーム、第１リンク、および第２リンクでパンタグラフ機構を構成し、垂直方向の移動は、支持アームの基端または第１リンクと第２リンクがピン結合される端部を垂直変位機構と支持力を生成する流体圧シリンダを用いて垂直に動かすので、荷重アーム先端に作用する大きな荷重を主として流体圧シリンダで支持しながら、垂直方向および水平方向の動きはそれぞれ、垂直変位機構と水平変位機構で駆動できる。よって、重い荷重を搬送可能で、水平方向だけでなく垂直方向の動きも精密で速い動きとすることができる。

【0009】

本発明の第２の態様に係るロボットアーム１では、例えば図１に示すように、水平変位機構６０と垂直変位機構７０とは、それぞれリニアガイド６２、７２により水平方向と垂直方向以外の力およびモーメントを支持した状態で、それぞれ水平方向と垂直方向に変位する。このように構成すると、水平変位機構と垂直変位機構がリニアガイドにより変位するので、変位すべき方向の変位はスムースに駆動でき、その方向に直交する方向の変位は拘束される。

【0010】

本発明の第３の態様に係るロボットアーム１では、例えば図１および図２に示すように、水平変位機構６０は、ボールねじ６４とナット６６並びにボールねじ６４を回転させるモータ６８、そして水平方向以外の力とモーメントを支持するリニアガイド６２とを備え、ナット６６の動きにより基端２２または接合端５２を変位させ、上下変位機構９０は、ボールねじ９４とナット９６並びにボールねじ９４を回転させるモータ９８、そして垂直方向以外の力とモーメントを支持するリニアガイド７２とを備え、ナット９６の動きにより端部２２または５２を変位させ、また流体圧シリンダ８０は水平方向に伸縮し、流体圧シリンダ８０により水平方向に移動する水平チェーン８４および水平スプロケット８６、並びに、垂直方向に移動する垂直チェーン７４および垂直スプロケット７６とを備え、垂直スプロケット７６の少なくとも１つは、水平スプロケット８６により回転して垂直チェーン７４を動かし、垂直チェーン７４の動きにより端部２２または５２を変位させる。このように構成すると、水平変位機構はモータにより回転するボールねじでナットを動かすので、精密で速い動きが可能である。そして、垂直変位機構は、アームが支えるべき荷重が２組のチェーン・スプロケットで水平方向に伸縮する流体圧シリンダに伝えられてその伸縮力で支えられ、それと同時にモータにより回転するボールねじでナットを動かす上下変位機構で駆動されるので、大きな可搬重量性能を発揮しながら、速くて精密な動きが可能である。

【0011】

本発明の第４の態様に係るロボットアーム１では、例えば図２に示すように、流体圧シリンダ８０は空圧シリンダであって、空圧シリンダがレギュレータ１１２を介して空圧源１１０と繋がる、あるいは空圧シリンダがアキュムレータと電磁弁を介して空圧源に繋がる。このように構成すると、容易に流体圧シリンダで支持する荷重を調整し、維持することができる。

【0012】

本発明の第４の態様に係るロボットアーム１では、例えば図３に示すように、水平変位機構６０または垂直変位機構７０を中心に、垂直軸回りに回転する。このように構成すると、ロボットアームが回転するので、使用範囲が広がり、使い勝手が良くなる。

【発明の効果】

【0013】

本発明のロボットアームによれば、荷重アームと、荷重アームとピン結合される支持アームと、支持アームに平行で荷重アームにピン結合される第１リンクと、荷重アームに平行で支持アームにピン結合されるとともに第１リンクに接合端でピン結合される第２リンクと、支持アームの基端または接合端を垂直方向変位を拘束しつつ水平方向に変位させる水平変位機構と、基端と接合端のうち、水平変位機構に変位されない端部を、水平方向変位を拘束しつつ垂直方向に変位させる垂直変位機構とを備え、荷重アームは先端で荷重を支持し、垂直変位機構は端部を上下方向に変位する上下変位機構と流体圧シリンダの両方を並行して用いるので、大きな駆動系を有することなく、重い荷重を搬送可能で、かつ、動きが遅くならず精密な動きができるロボットアームとなる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態としてのロボットアームの全体構成を示す側面断面図である。

【図2】本発明の実施形態としてのロボットアームの水平変位機構と垂直変位機構の例を説明するための側面図である。

【図3】ロボットアームを回転させる例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、「水平」、「鉛直」等の表現は、図面に対応し説明のために用いるもので、実際のロボットアーム１の使用においては異なっていてもよい。図１は、本発明の一実施形態としてのロボットアーム１の側面断面図である。

【0016】

ロボットアーム１は、先端１２で荷重Ｗを支持する荷重アーム１０と、荷重アーム１０と連結点５０でピン結合され、基端２２で支持される支持アーム２０と、支持アーム２０に平行で荷重アーム１０に連結点３２でピン結合される第１リンク３０と、荷重アーム１０に平行で支持アーム２０に連結点４２でピン結合されるとともに第１リンク３０に接合端５２でピン結合される第２リンク４０とを備える。このように構成されることにより、荷重アーム１０と支持アーム２０と第１リンク３０と第２リンク４０とは、パンタグラフ機構を構成する。

【0017】

図２で詳細に示すように、基端２２には、水平変位機構６０が接続される。水平変位機構６０は、水平方向に配置されたリニアガイド６２を有し、レール６２Ｒ上を走行するキャリッジ６２Ｃに基端２２が連結され、一緒に直線的に動く。水平変位機構６０は、モータ６８と、モータ６８により回転するボールねじ６４と、ボールねじ６４の回転により軸方向に移動するナット６６をさらに有する。ナット６６は、リニアガイド６２の周囲に張られたチェーン６１を動かす。チェーン６１はレール６２Ｒの両端あるいはその外側に配置された一対のスプロケット６１Ｓに掛け回される。チェーン６１は、キャリッジ６２Ｃと連結されて、チェーン６１の動きにより、キャリッジ６２Ｃが水平方向に動く。

【0018】

また、接合端５２には、垂直変位機構７０が接続される。垂直変位機構７０は、垂直方向に配置されたリニアガイド７２と、レール７２Ｒ上を走行するキャリッジ７２Ｃを有する上下変位機構９０を備え、接合端５２はキャリッジ７２Ｃに連結され、一緒に直線的に動く。上下変位機構９０は、モータ９８と、モータ９８により回転するボールねじ９４と、ボールねじ９４の回転により軸方向に移動するナット９６を有する。ナット９６は、リニアガイド７２の周囲に張られた垂直チェーン７４を動かす。垂直チェーン７４は、レール７２Ｒの両端あるいはその外側に配置された一対の垂直スプロケット７６（Ｕ）、（Ｄ）に掛け回される。垂直チェーン７４は、キャリッジ７２Ｃと連結されて、垂直チェーン７４の動きにより、キャリッジ７２Ｃが上下方向に動く。

【0019】

垂直変位機構７０はさらに、流体圧シリンダ８０と水平チェーン８４と一対の水平スプロケット８６（Ｌ）、（Ｒ）を備える。流体圧シリンダ８０は、油圧であっても空圧であっても他の流体圧であってもよい。流体圧シリンダ８０のピストン８２の先端８２Ｔは、水平チェーン８４と連結され、流体圧シリンダ８０により水平チェーン８４を動かすように構成される。水平チェーン８４は、一対の水平スプロケット８６に掛け回される。一対の水平スプロケット８６の内、上下変位機構９０側（図２における右側）の水平スプロケット８６（Ｒ）は、上下変位機構９０の一対の垂直スプロケット７６の下側の垂直スプロケット７６（Ｄ）と固定され、同じ回転をする。すなわち、流体圧シリンダ８０により水平チェーン８４を介して水平スプロケット８６（Ｒ）が回転し、同じ回転を垂直スプロケット７６（Ｄ）がすることにより、垂直変位機構７０の垂直チェーン７４が動かされる。垂直チェーン７４が動かされることにより、キャリッジ７２Ｃが動き、接合端５２が上下方向に動く。

【0020】

このように構成したロボットアーム１では、荷重アーム１０と支持アーム２０と第１リンク３０と第２リンク４０とで構成したパンタグラフ機構を利用して、荷重アーム１０の先端１２で荷重Ｗを支持し動かすことができる。基端２２を水平変位機構６０で動かすことにより、先端１２は水平に移動する。基端２２と先端１２との動きの大きさは、接合端５２を固定した場合、基端２２と連結点４２の長さと、接合端５２と連結点３２の長さ、すなわち、連結点４２と連結点５０の長さの比だけ増大される。この比は、用途により適宜選定可能である。

【0021】

同様に、接合端５２を垂直変位機構７０で動かすことにより、先端１２は上下に移動する。接合端５２と先端１２との動きの大きさは、基端２２を固定した場合、基端２２と連結点４２の長さと、基端２２と連結点５０の長さの比だけ増大される。この比は、用途により適宜選定可能である。

【0022】

基端２２が水平変位機構６０で動かされる距離、あるいは、接合端５２が垂直変位機構７０で動かされる距離より、先端１２が動く距離が増大されるということは、それだけ力が縮小されることになり、すなわち先端１２が受ける荷重Ｗに対して大きな力が水平変位機構６０や垂直変位機構７０に作用することになる。特に、先端１２で支持する荷重Ｗが大きいと、垂直方向の荷重は大きくなる。

【0023】

そこで、ロボットアーム１では、垂直変位機構７０に流体圧シリンダ８０を備え、大きな垂直力を流体圧シリンダ８０で支える。その上で、上下変位機構９０のモータ９８とボールねじ９４およびナット９６の動きにより、詳細な動きを調整できる。具体的には、例えば荷重アーム１０の先端１２にロードセル（不図示）を設置し、荷重Ｗによる重量を計測し、その重量を補償するような力を生ずるように、流体圧シリンダ８０への流体の圧力をレギュレータ（不図示）で調整し、荷重Ｗを流体圧シリンダ８０で支持するようにする。その状態で上下変位機構９０を楽に駆動する。

【0024】

水平変位機構６０および上下変位機構９０では、モータ６８、９８によりボールねじ６４、９４を回転してナット６６、９６を動かすことにより基端２２および接合端５２を水平方向、鉛直方向に移動するので、基端２２および接合端５２を速く精密に動かすことができる。

【0025】

また、流体圧シリンダ８０をロボットアーム１の低い部分で、水平方向に向けて配置することで、重心を低くし、重い荷重Ｗを支えても、ロボットアーム１の動作が安定するとともに、流体圧シリンダ８０を鉛直方向に配置する場合に比べ、装置をコンパクトに構成できる。

【0026】

そして、水平変位機構６０および垂直変位機構７０では、リニアガイド６２、７２を用いて基端２２および接合端５２を水平方向、鉛直方向に移動するので、他の方向の力とモーメントを支持した状態で、すなわち変位を拘束しつつ、スムースに水平方向、鉛直方向に移動することができる。

【0027】

このような構成のロボットアーム１によれば、大きな駆動系を有することなく、重い荷重を搬送可能で、かつ、動きが遅くならず精密な動きができるロボットアームとなる。

【0028】

また図２に示すように、流体圧シリンダ８０を空圧シリンダとして、レギュレー１１２タを介して空圧源１１０と繋げ、あるいはアキュムレータ（不図示）と電磁弁（不図示）を介して空圧源１１０に繋げる構成とすることも有効である。このように空圧シリンダ８０がレギュレータ１１２を介して空圧源１１０と繋がっている構成の場合、レギュレータ１１２の設定圧をアーム１０が把持すべき物体の荷重Ｗに対応した圧力に設定しておくと、物体の荷重Ｗは、アーム１０の姿勢に関わらず常にこの空圧シリンダで支持可能である。代替として、空圧シリンダ８０がアキュムレータと電磁弁を介して空圧源に繋がっている構成としてもよく、適当な圧力を空圧シリンダ８０に掛けた状態で電磁弁を閉じると、空圧シリンダ８０は空圧スプリングとして機能し、アーム１０が把持すべき物体の荷重Ｗに概略対応した支持力を空圧シリンダ８０が生成するため、物体の荷重Ｗは、アーム１０の姿勢に関わらず常にこの空圧シリンダで支持可能である。そのため、このように体圧シリンダを上述したような空圧シリンダ８０とすれば、重量物をハンドリングする場合も、モータ９８で大きな電力を消費しないで重量物を支持出来て、しかもモータ９８を用いた駆動系で精密な位置精度が発揮できるロボットアームを生成できる。

【0029】

図３に示すように、ロボットアーム１が、例えば垂直変位機構７０の中心軸回りに回転するように、回転台１００を有すると、その使用範囲が広がり、使い勝手の良いロボットアームとなる。なお、回転台１００は、固定基礎の上に載置されても、あるいは、搬送可能な車両に載置されてもよい。

【0030】

これまでの説明では、ロボットアーム１では、基端２２を水平変位機構６０で、接合端５２を垂直変位機構７０で動かすものとして説明したが、基端２２を垂直変位機構７０で、接合端５２を水平変位機構６０で動かすように構成してもよい。

【符号の説明】

【0031】

１ ロボットアーム
１０ 荷重アーム
１２ 先端
２０ 支持アーム
２２ 基端
３０ 第１リンク
３２ 連結点
４０ 第２リンク
４２ 連結点
５０ 連結点
５２ 接合端
６０ 水平変位機構
６１ チェーン
６２、７２ リニアガイド
６４ ボールねじ
６６ ナット
６８ モータ
７０ 垂直変位機構
７４ 垂直チェーン
７６ 垂直スプロケット
８０ 流体圧シリンダ
８２ ピストン
８２Ｔ （ピストン）先端
８４ 水平チェーン
８６ 水平スプロケット
９０ 上下変位機構
９４ ボールねじ
９６ ナット
９８ モータ
１００ 回転台
１１０ 空圧源
１１２ レギュレータ
Ｗ 荷重

【図1】

【図2】

【図3】