(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-23
(45)【発行日】2024-10-31
(54)【発明の名称】多関節ロボット
(51)【国際特許分類】
B25J 9/06 20060101AFI20241024BHJP
B25J 19/06 20060101ALI20241024BHJP
【ＦＩ】
B25J9/06 D
B25J19/06
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2023077738
(22)【出願日】2023-05-10
(62)【分割の表示】P 2021552065の分割
【原出願日】2019-10-17
(65)【公開番号】P2023090918
(43)【公開日】2023-06-29
【審査請求日】2023-06-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000237271
【氏名又は名称】株式会社ＦＵＪＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】稲垣 重義
(72)【発明者】
【氏名】吉田 直史
(72)【発明者】
【氏名】山下 泰弘
【審査官】松浦 陽
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－１８２６５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０５３６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－２２６８８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０７７５６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５０１８６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／００２２０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６３－０４４２０６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベースと、前記ベースに第１関節軸を介して連結され、前記ベースに対して水平方向に旋回可能な第１アームと、
前記第１アームに第２関節軸を介して連結され、前記第１アームに対して上方にあり、かつ、前記第１アームに対して水平方向に旋回可能な第２アームと、
前記第１関節軸を回転駆動する第１回転駆動装置と、
前記第２関節軸を回転駆動する第２回転駆動装置と、
前記第１回転駆動装置と前記第２回転駆動装置とを制御する制御装置と、
前記第１関節軸および前記第２関節軸と平行な姿勢保持用軸を介して前記第２アームの先端部に取り付けられる回転３軸機構と、
ツール保持具と、
を備える多関節ロボットであって、
前記回転３軸機構は、第１回転軸、第２回転軸および第３回転軸を備え、
前記第１回転軸は、前記姿勢保持用軸に対して支持され、
前記第２回転軸は、前記第１回転軸に対して支持され、
前記第３回転軸は、前記第２回転軸に対して支持され、
前記ツール保持具は、前記第３回転軸から径方向に離間した位置に固定されるものであり、
前記第１関節軸と前記第２アーム先端とを含む平面に対して前記第１および第２アームの姿勢が互いに鏡像関係となる２つの動作モードを有し、
前記動作モードは、センサを用いて干渉物の有無を検出することにより決定される、多関節ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は、多関節ロボットについて開示する。
【背景技術】
【0002】
従来、基台と、基台に接続され鉛直方向に沿う第１回動軸周りに回動する第１アームと、第１アームに接続され鉛直方向に沿う第２回動軸周りに回動する第２アームと、第２アームに接続され鉛直方向に沿う第３回動軸回りに回動すると共に第３回動軸の軸方向（鉛直方向）に移動する第３アーム（昇降軸）とを備える水平多関節ロボットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－１３０６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１記載の水平多関節ロボットは、第２アームの先端に昇降軸となる第３アームが設けられているため、第２アームの先端部が上下に大型化してしまう。このため、このような水平多関節ロボットでは、狭い作業スペースで行なう作業には不向きである。
【0005】
本開示は、狭い作業スペースで作業を容易に行なうことができる多関節ロボットを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【0007】
本開示の多関節ロボットは、
ベースと、
前記ベースに第１関節軸を介して連結され、前記ベースに対して水平方向に旋回可能な第１アームと、
前記第１アームに第２関節軸を介して連結され、前記第１アームに対して水平方向に旋回可能な第２アームと、
前記第１関節軸を回転駆動する第１回転駆動装置と、
前記第２関節軸を回転駆動する第２回転駆動装置と、
前記ベースを前記第１関節軸の軸方向に移動させる移動装置と、
前記第１駆動装置と前記第２駆動装置と前記移動装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。
ベースと、
前記ベースに第１関節軸を介して連結され、前記ベースに対して水平方向に旋回可能な第１アームと、
前記第１アームに第２関節軸を介して連結され、前記第１アームに対して水平方向に旋回可能な第２アームと、
前記第１関節軸を回転駆動する第１回転駆動装置と、
前記第２関節軸を回転駆動する第２回転駆動装置と、
前記ベースを前記第１関節軸の軸方向に移動させる移動装置と、
前記第１駆動装置と前記第２駆動装置と前記移動装置とを制御する制御装置と、
を備えることを要旨とする。
【0008】
この本開示の多関節ロボットは、ベースと、ベースに対して水平旋回が可能な第１関節軸を有する第１アームと、第１アームに対して水平旋回が可能な第２関節軸を有する第２アームとを備える。また、多関節ロボットは、第１関節軸を回転駆動する第１駆動装置と、第２関節軸を回転駆動する第２駆動装置と、ベースを第１関節軸の軸方向に移動させる移動装置と備える。これにより、アームの先端に昇降軸を備えるものに比して、アームの先端部をよりコンパクトにすることができる。この結果、狭い作業スペースで作業を容易に行なうことができる多関節ロボットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本実施形態のロボットシステム１０の外観斜視図である。
【図2】ロボットシステム１０の側面図である。
【図3】ロボット２０と制御装置７０との電気的な接続関係を示すブロック図である。
【図5】第１アーム２１と第２アーム２２の２つの動作モードを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
次に、本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のロボットシステム１０の外観斜視図である。図２は、ロボットシステム１０の側面図である。図３は、ロボット２０と制御装置７０との電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、図１中、左右方向がＸ軸であり、前後方向がＹ軸方向であり、上下方向がＺ軸方向である。
【0011】
実施形態のロボットシステム１０は、ツールＴを用いて所定の作業を行なうものである。なお、所定の作業としては、例えば、アームに超音波プローブを保持し、超音波診断の際に超音波プローブが被験者の皮膚に押し当てられるようにアームを駆動するものを挙げることができる。ロボットシステム１０は、図１，図２に示すように、ロボット２０と、ロボット２０を制御する制御装置７０（図３参照）とを備える。
【0012】
ロボット２０は、第１アーム２１と、第２アーム２２と、ベース２５と、基台２６と、第１アーム駆動装置３５と、第２アーム駆動装置３６と、姿勢保持装置３７と、昇降装置４０と、回転３軸機構５０と、ツール保持具６０とを備える。
【0013】
第１アーム２１の基端部は、上下方向（Ｚ軸方向）に延在する第１関節軸３１を介してベース２５に連結されている。第１アーム駆動装置３５は、モータ３５ａと、エンコーダ３５ｂとを備える。モータ３５ａの回転軸は、図示しない減速機を介して第１関節軸３１に接続されている。第１アーム駆動装置３５は、モータ３５ａにより第１関節軸３１を回転駆動することにより、第１関節軸３１を支点に第１アーム２１を水平面（ＸＹ平面）に沿って回動（旋回）させる。エンコーダ３５ｂは、モータ３５ａの回転軸に取り付けられ、モータ３５ａの回転変位量を検出するロータリエンコーダとして構成される。
【0014】
第２アーム２２の基端部は、上下方向に延在する第２関節軸３２を介して第１アーム２１の先端部に連結されている。第２アーム駆動装置３６は、モータ３６ａと、エンコーダ３６ｂとを備える。モータ３６ａの回転軸は、図示しない減速機を介して第２関節軸３２に接続されている。第２アーム駆動装置３６は、モータ３６ａにより第２関節軸３２を回転駆動することにより、第２関節軸３２を支点に第２アーム２２を水平面に沿って回動（旋回）させる。エンコーダ３６ｂは、モータ３６ａの回転軸に取り付けられ、モータ３６ａの回転変位量を検出するロータリエンコーダとして構成される。
【0015】
ベース２５は、基台２６上に設置された昇降装置４０により、基台２６に対して昇降可能に設けられている。昇降装置４０は、図１，図２に示すように、ベース２５に固定されたスライダ４１と、基台２６に固定されると共に上下方向に延出してスライダ４１の移動をガイドするガイド部材４２と、上下方向に延出すると共にスライダ４１に固定されたボールねじナット（図示せず）に螺合されるボールねじ軸４３（昇降軸）と、ボールねじ軸４３を回転駆動するモータ４４と、エンコーダ４５（図３参照）とを備える。昇降装置４０は、モータ４４によりボールねじ軸４３を回転駆動することにより、スライダ４１に固定されたベース２５をガイド部材４２に沿って上下に移動させる。エンコーダ４５は、スライダ４１（ベース２５）の上下方向における位置（昇降位置）を検出するリニアエンコーダとして構成される。
【0016】
回転３軸機構５０は、上下方向に延在する姿勢保持用軸３３を介して第２アーム２２の先端部に連結されている。回転３軸機構５０は、互いに直交する第１回転軸５１，第２回転軸５２および第３回転軸５３を備える。第１回転軸５１は、姿勢保持用軸３３に対して直交姿勢で支持されている。第２回転軸５２は、第１回転軸５１に対して直交姿勢で支持されている。第３回転軸５３は、第２回転軸５２に対して直交姿勢で支持される。また、第３回転軸５３には、ツール保持具６０が取り付けられている。本実施形態では、ツール保持具６０は、第３回転軸５３から径方向に離間した位置に固定されている。ツール保持具６０に保持されたツールＴは、第３回転軸５３の回転により、第３回転軸５３を中心とした円弧状の軌跡をもって移動する。なお、ツール保持具６０は、ツールＴが第３回転軸５３と同軸上に位置するように取り付けられてもよい。
【0017】
姿勢保持装置３７は、第１アーム２１および第２アーム２２の姿勢によらず回転３軸機構５０の姿勢（第１回転軸５１の向き）を一定の向きに保持するものである。姿勢保持装置３７は、モータ３７ａと、エンコーダ３７ｂとを備える。モータ３７ａの回転軸は、図示しない減速機を介して姿勢保持用軸３３に接続されている。
【0018】
制御装置７０は、ＣＰＵ７１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７１の他に、ＲＯＭ７２やＲＡＭ７３、入出力ポート（図示せず）を備える。制御装置７０には、各エンコーダ３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ，４５，５５ｂ，５６ｂ，５７ｂからの検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置７０からは、各モータ３５ａ，３６ａ，３７ａ，４４，５５ａ，５６ａ，５７ａへの駆動信号が出力ポートを介して出力されている。
【0019】
こうして構成された本実施形態のロボットシステム１０では、第１アーム駆動装置３５と第２アーム駆動装置３６と昇降装置４０とによるＸ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３方向の並進運動と、回転３軸機構５０によるＸ軸回り（ピッチング），Ｙ軸回り（ローリング）およびＺ軸回り（ヨーイング）の３方向の回転運動との組み合わせにより、ツールＴを任意の姿勢で任意の位置へ移動させることができる。これにより、ロボットシステム１０は、ツールＴを用いて必要な作業を行なうことができる。具体的には、制御装置７０（ＣＰＵ７１）は、ツールＴを保持するアームの目標位置および目標姿勢を決定する。続いて、制御装置７０は、ツールＴを目標姿勢で目標位置へ移動させるための第１関節軸３１の目標回転角度と第２関節軸３２の目標回転角度と姿勢保持用軸３３の目標回転角度とベース２５の目標昇降位置と第１回転軸５１の目標回転角度と第２回転軸５２の目標回転角度と第３回転軸５３の目標回転角度とをそれぞれ設定する。そして、制御装置７０は、エンコーダ３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ，４５，５５ｂ，５６ｂ，５７ｂにより検出される回転角度あるいは昇降位置が対応する目標回転角度あるいは目標昇降位置と一致するように対応するモータを制御する。
【0020】
ここで、制御装置７０は、図４に示すように、第１アーム２１および第２アーム２２の姿勢によらず第１回転軸５１の軸方向が常時、左右方向（Ｘ軸方向）となるように第１回転軸５１を支持する姿勢保持用軸３３の目標回転角度を設定し、エンコーダ４５により検出される回転角度が設定した目標回転角度と一致するようにモータ４４を制御する。なお、姿勢保持用軸３３の目標回転角度は、エンコーダ３５ｂ，３６ｂにより検出される第１関節軸３１の回転角度および第２関節軸３２の回転角度に基づいて設定することができる。これにより、ＣＰＵ７１は、上述した３方向の並進運動の制御と３方向の回転運動の制御とをそれぞれ独立して行なうことが可能となり、制御が容易となる。
【0021】
また、本実施形態のロボットシステム１０では、第１関節軸３１，第２関節軸３２は、上下方向に延出し、第１アーム２１，第２アーム２２を水平面内で回動可能に支持する。また、姿勢保持用軸３３は、上下方向に延出し、回転３軸機構５０を水平面内で回動可能に支持する。このため、図５に示すように、第１アーム２１および第２アーム２２は、ツールＴを位置決めするに際して、第１関節軸３１と姿勢保持用軸３３とを含む平面Ｓに対して鏡像関係にある２通りの姿勢（２つの動作モード）を選択することができる。したがって、本実施形態では、制御装置７０は、図６Ａに示すように、干渉物Ｍがロボットシステム１０の右側に位置するときには、第１関節軸３１と姿勢保持用軸３３とを含む平面Ｓに対して第２関節軸３２が左側に位置するように第１アーム２１および第２アーム２２を旋回させる第１の動作モードを選択することにより、干渉物Ｍを避けて作業を行なうことができる。また、制御装置７０は、図６Ｂに示すように、干渉物Ｍがロボットシステム１０の左側に位置するときには、第１関節軸３１と姿勢保持用軸３３とを含む平面Ｓに対して第２関節軸３２が右側に位置するように第１アーム２１および第２アーム２２を旋回させる第２の動作モードを選択することにより、干渉物Ｍを避けて作業を行なうことができる。なお、動作モードは、オペレータの選択により予め決定されてもよいし、ロボットシステム１０がセンサを用いて干渉物Ｍの有無を検出することよりロボットシステム１０により決定されてもよい。
【0022】
ここで、実施形態の主要な要素と請求の範囲に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、本実施形態のベース２５が本開示のベースに相当し、第１アーム２１が第１アームに相当し、第１関節軸３１が第１関節軸に相当し、第２アーム２２が第２アームに相当し、第２関節軸３２が第２関節軸に相当し、第１アーム駆動装置３５が第１回転駆動装置に相当し、第２アーム駆動装置３６が第２回転駆動装置に相当し、昇降装置４０が移動装置に相当し、制御装置７０が制御装置に相当する。また、回転３軸機構５０が回転３軸機構に相当する。また、姿勢保持用軸３３が第３関節軸に相当し、姿勢保持装置３７が第３回転駆動装置に相当する。
【0023】
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0024】
例えば、上述した実施形態では、回転３軸機構５０は、姿勢保持用の姿勢保持用軸３３を介して第２アーム２２の先端部に取り付けられるものとしたが、第２アーム２２の先端部に直接に取り付けられてもよい。
【0025】
上述した実施形態では、ツール保持具６０（ツールＴ）は、回転３軸機構５０，姿勢保持用軸３３を介して第２アーム２２の先端部に取り付けられるものとしたが、姿勢保持用軸３３に取り付けられてもよいし、第２アーム２２の先端部に取り付けられてもよい。
【0026】
上述した実施形態では、ベース２５は、ボールねじ機構により構成される昇降装置４０で昇降させられるものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、リニアモータにより昇降させられてもよい。
【0027】
以上説明したように、本開示の多関節ロボットは、ベースと、前記ベースに第１関節軸を介して連結され、前記ベースに対して水平方向に旋回可能な第１アームと、前記第１アームに第２関節軸を介して連結され、前記第１アームに対して水平方向に旋回可能な第２アームと、前記第１関節軸を回転駆動する第１回転駆動装置と、前記第２関節軸を回転駆動する第２回転駆動装置と、前記ベースを前記第１関節軸の軸方向に移動させる移動装置と、前記第１駆動装置と前記第２駆動装置と前記移動装置とを制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。
【0028】
この本開示の多関節ロボットは、ベースと、ベースに対して水平旋回が可能な第１関節軸を有する第１アームと、第１アームに対して水平旋回が可能な第２関節軸を有する第２アームとを備える。また、多関節ロボットは、第１関節軸を回転駆動する第１駆動装置と、第２関節軸を回転駆動する第２駆動装置と、ベースを第１関節軸の軸方向に移動させる移動装置と備える。これにより、アームの先端に昇降軸を備えるものに比して、アームの先端部をよりコンパクトにすることができる。この結果、狭い作業スペースで作業を容易に行なうことができる多関節ロボットとすることができる。
【0029】
こうした本開示の多関節ロボットにおいて、前記第２アームの先端に配置された回転３軸機構を備えるものとしてもよい。この場合、前記回転３軸機構は、前記第１および第２関節軸と平行な第３関節軸を介して前記第２アームの先端に取り付けられ、前記第３関節軸を回転駆動する第３回転駆動装置を備え、前記制御装置は、前記第１および第２関節軸の回転位置に拘わらず前記回転３軸機構が一定の姿勢に保持されるように前記第３回転駆動装置を制御するものとしてもよい。こうすれば、第１回転駆動装置，第２回転駆動装置および移動装置による並進運動の制御と、回転３軸機構による回転運動の制御とをそれぞれ独立して行なうことが可能となり、制御が容易となる。
【0030】
また、本開示の多関節ロボットにおいて、前記第１関節軸と前記第２アーム先端とを含む平面に対して前記第１および第２アームの姿勢が互いに鏡像関係となる２つの動作モードを有するものとしてもよい。この場合、前記制御装置は、前記２つの動作モードのうち干渉物と干渉しない方の動作モードを選択して実行するものとしてもよい。こうすれば、多関節ロボットに干渉物が隣接していても作業を行なうことが可能となる。
【0031】
さらに、本開示の多関節ロボットにおいて、前記移動装置は、前記ベースを上下方向に昇降させる昇降装置であるものとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本開示は、多関節ロボットの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【0033】
１０ ロボットシステム、２０ ロボット、２１ 第１アーム、２２ 第２アーム、２５ ベース、２６ 基台、３１ 第１関節軸、３２ 第２関節軸、３３ 第３関節軸、３５ 第１アーム駆動装置、３５ａ モータ、３５ｂ エンコーダ、３６ 第２アーム駆動装置、３６ａ モータ、３６ｂ エンコーダ、３７ 姿勢保持装置、３７ａ モータ、３７ｂ エンコーダ、４０ 昇降装置、４１ スライダ、４２ ガイド部材、４３ ボールねじ軸、４４ モータ、４５ エンコーダ、５０ 回転３軸機構、５１ 第１回転軸、５２ 第２回転軸、５３ 第３回転軸、５５ 第１回転装置、５５ａ モータ、５５ｂ エンコーダ、５６ 第２回転装置、５６ａ モータ、５６ｂ エンコーダ、５７ 第３回転装置、５７ａ モータ、５７ｂ エンコーダ、６０ ツール保持具、７０ 制御装置、７１ ＣＰＵ、７２ ＲＯＭ、７３ ＲＡＭ、Ｔ ツール、Ｍ 障害物。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】