JP5287186B2 - ロボットアーム及びロボットアーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム及びロボットアーム装置に関する。

部品や製品の移動、組み立て、加工などの生産ラインにおいて、ロボットアームを備えた複数のロボットアーム装置が使用される。これらの複数のロボットアーム装置は、生産ラインのスペースを効率よく使用するため、隣接するロボットアーム装置のロボットアームの移動範囲が重なるように配置される場合がある。このような場合には、隣接するロボットアーム装置のロボットアームどうしが衝突する場合がある。あるいは、ロボットアームが生産ラインを搬送される部品や製品などに衝突する場合がある。
そこで、例えば特許文献１では、ロボットアームの端部に、球状のピボットと、ピボットを保持する一対のホルダ、スプリングなどを有する装置を備え、ロボットアームが衝撃を受けると、ピボットが転がりながらスプリングのバネ圧に抗して一対のホルダ間を後退することで、ロボットアームにかかる衝撃を吸収し、ロボットアームの損傷を軽減する方法が提案されている。

特開平７−２８５０９１号公報

しかしながら、特許文献１のような衝撃を吸収する装置は、球状のピボットや、一対のホルダなどにより構成されるため、それらの部品などを形成するための加工時間や、それらの部品を組み立てたり、調整したりする時間がかかるという課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸の方向に直列に並ぶ２つのアーム部分と、前記２つのアーム部分を連結する連結部と、前記軸の方向の力を検出するセンサと、前記センサの電気的変化を検出し、信号を出力する検出回路と、前記信号によって電源回路を遮断する遮断回路と、前記電源回路に接続され、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマーと、前記電歪ポリマーを包んだ状態で外形形状が変化する包装部と、を備え、前記包装部の前記軸の方向と直交する両側の面が、前記２つのアーム部分のうちの一方のアーム部分と、他方のアーム部分または前記連結部に当接して備えられたことを特徴とするロボットアーム。

この構成によれば、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマーと、電歪ポリマーを包んだ状態で外形形状が変化する包装部と、を備える。これにより、ロボットアームが隣接するロボットアーム装置のロボットアームや生産ラインを搬送される部品や製品に衝突したとき、２つのアーム部分は、包装部を押しつぶしながら、軸の方向において近づくように移動する。このため、衝撃力が緩和されるので、ロボットアームが損傷されることを軽減できる。

このロボットアームは、アーム部分を連結する連結部、センサ、検出回路、遮断回路から構成され、球状部材や球状部材を収容する収容部などのように、加工時間を要する部品から構成されない。従って、このロボットアームを構成する部品の加工時間及び部品の組み立て・調整時間に要する時間を低減させることができる。

［適用例２］前記センサは、圧電素子であることを特徴とする上記ロボットアーム。
この構成によれば、圧電素子によって、ロボットアームが衝突したことを検出できる。

［適用例３］前記センサは、前記電歪ポリマーであることを特徴とする上記ロボットアーム。
この構成によれば、電歪ポリマーによって、ロボットアームが衝突したことを検出できる。また、ロボットアームが大型化することを抑制したり、製造コストの上昇を抑制できる。

［適用例４］前記２つのアーム部分のいずれか一方のアーム部分に、前記軸の方向に伸びる突起部を備えたことを特徴とする上記ロボットアーム。

この構成によれば、一方のアーム部分が軸の方向と斜めの方向に傾くことができる。これにより、軸の方向と斜めの方向からの衝撃力によってロボットアームが損傷されてしまうことを軽減できる。

［適用例５］前記突起部の先端に、前記軸を中心として放射状に伸びる溝部と山部を形成し、前記２つのアーム部分のうちの前記突起部の前記先端が当接するアーム部分の位置に、前記山部が嵌合する溝部を形成したことを特徴とする上記ロボットアーム。

この構成によれば、２つのアーム部分のうちの一方のアーム部分から他方のアーム部分へ駆動力を伝達することができる。

［適用例６］上記記載のロボットアームを備えたロボットアーム装置。

以下、本発明を具体化した実施例について図面に従って説明する。
（第１実施例）
図１は、ロボットアーム装置１の外観斜視図である。ロボットアーム装置１における上側台座１３は、下側台座１５に備えられ、回転位置１４でモータ（不図示）の駆動によって回転される。ロボットアーム１０は、上側台座１３に備えられ、回転位置１１でモータ１２の駆動によって回転される。

ロボットアーム７は、ロボットアーム１０に接続され、回転位置８でモータ９の駆動によって回転される。ロボットアーム５は、ロボットアーム７に接続され、回転位置６でモータ（不図示）の駆動によって回転される。ロボットアーム３は、ロボットアーム５に接続され、回転位置４でモータ（不図示）の駆動によって回転される。

ロボットアーム３の先端には、マニュピュレータ２が装着される。生産ラインにおける部品や製品の移動、組み立て、加工に応じて、マニュピュレータを選択し、ロボットアーム３の先端に装着することができる。

制御ボックス１８は、ロボットアーム装置１の本体と電源ケーブル１６、制御ケーブル１７によって接続される。制御ボックス１８には、電源回路（不図示）、上記それぞれのモータを駆動制御するためのコントローラ（不図示）が内蔵されている。

図２（ａ）は、ロボットアーム３のカバー（不図示）取り除いた一部断面図である。アーム部分３１には、貫通孔３２，３３が形成される。アーム部分３０に固定された棒状部材４０，４１が、貫通孔３２，３３をそれぞれ貫通する。弾性を有するバネ部材４２，４３は、軸Ａの方向において、アーム部分３０，３１を互いに引き寄せる方向の力を生じさせる。

本実施例の連結部は、棒状部材４０，４１、貫通孔３２，３３、バネ部材４２，４３によって構成され、２つのアーム部分３０，３１は、連結部によって、軸Ａの方向に直列に並ぶように連結される。

棒状部材４０，４１は、貫通孔３２，３３を図面左右方向に移動することができるので、アーム部分３０とアーム部分３１における軸Ａの方向の距離は変更される。

アーム部分３０とアーム部分３１の間には、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマー６３を包んだ状態の包装部６４が備えられる。包装部６４は、伸縮性と絶縁性を有する、例えば樹脂などで構成され、電歪ポリマー６３を密閉することができる。

電歪ポリマー６３には、導電性と伸縮性を有する電極６０，６１が接続される。電極６０，６１は、電歪ポリマー６３とともに包装部６４によって包装される。電源が供給される導電線（不図示）が、包装部６４を貫通し、電極６０，６１に接続される。

センサとしての圧電素子６２が、包装部６４とのアーム部分３０とによって挟まれるようにして備えられる。圧電素子６２は、軸Ａの方向に加わる力を、電圧として出力する。

圧電素子６２は、アーム部分３０と、包装部６４の軸Ａの方向と直交する面Ｋ１に当接する。包装部６４の軸Ａの方向と直交する面Ｋ２は、アーム部分３１に当接する。

図３は、本実施例における、電歪ポリマー６３が接続された電源回路のブロック図である。電歪ポリマー６３が接続された電源回路は、制御ボックス１８内に電歪ポリマー６３の電源基板として設けてもよいし、ロボットアーム装置１の本体側の例えばロボットアーム５などの内部に電歪ポリマー６３の電源基板として設けてもよい。

制御ボックス１８内のコントローラに電源が入ると、遮断回路５１は、制御ボックス１８内に設けられた直流電源５２と電歪ポリマー６３と、を接続し、電歪ポリマー６３に電圧をかけた状態にする。

電歪ポリマー６３に電圧がかかっているとき、電歪ポリマー６３は、軸Ａの方向に伸縮できない状態、もしくは外力に効して伸長した状態にある。従って、電歪ポリマー６３が包装された状態の包装部６４は、バネ部材４２，４３による軸Ａの方向に圧縮しようとする力に対抗し、図２（ａ）に示す形状を維持することができる。これにより、アーム部分３０とアーム部分３１とは、軸Ａの方向における位置が固定される。

図２（ａ）において、ロボットアーム３が衝突し、図面左右方向の衝撃力がアーム部分３０，３１に加わると、包装部６４とアーム部分３０とによって挟まれた圧電素子６２に衝撃力が作用し、圧電素子６２は、衝撃力を電圧に変換する。

図３の検出回路５０は、圧電素子６２からの電圧変化を検出する。検出回路５０は、圧電素子６２からの電圧変化を検出すると、遮断回路５１に信号として出力する。

遮断回路５１は、検出回路５０からの信号を受信すると、直流電源５２と電歪ポリマー６３と接続する電源回路を遮断し、電歪ポリマー６３に電圧がかからない状態にする。

図２（ｂ）は、ロボットアーム３が衝突したときのロボットアーム３の一部断面図である。図３の遮断回路５１によって、電歪ポリマー６３に直流電源５２からの電圧がかからない状態になると、電歪ポリマー６３は、軸Ａの方向に収縮する。

すると、軸Ａの方向における衝撃力によって、包装部６４は、アーム部分３０とアーム部分３１とによって押しつぶされて外形形状が変化し、アーム部分３０とアーム部分３１とは、軸Ａの方向に近づくように移動する。

以上、本実施例のロボットアーム装置１に備えられたロボットアーム３は、軸Ａの方向に直列に並ぶ２つのアーム部分３０，３１と、２つのアーム部分３０，３１を連結する連結部と、軸Ａの方向の力を検出するセンサとしての圧電素子６２と、圧電素子６２の電気的変化を検出し、信号を出力する検出回路５０と、信号によって電源回路を遮断する遮断回路５１と、電源回路に接続され、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマー６３と、電歪ポリマー６３を包んだ状態で外形形状が変化する包装部６４と、を備え、包装部６４の軸Ａの方向と直交する両側の面Ｋ１，Ｋ２が、２つのアーム部分３０，３１のうちの一方のアーム部分と、他方のアーム部分または連結部に当接して備えられる。

この構成によれば、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマー６３と、電歪ポリマー６３を包んだ状態で外形形状が変化する包装部６４と、を備える。これにより、ロボットアーム３が隣接するロボットアーム装置のロボットアームや生産ラインを搬送される部品や製品に衝突したとき、アーム部分３０，３１は、包装部６４を押しつぶしながら、軸Ａの方向に互いに近づくように移動する。このため、衝撃力が緩和されるので、ロボットアーム３が損傷されることを軽減できる。

本実施例におけるロボットアーム３は、球状部材や球状部材を収容する収容部などのように、加工時間を要する部品から構成されない。従って、このロボットアームを構成する部品の加工時間及び部品の組み立て・調整時間に要する時間を低減させることができる。

（第２実施例）
第１実施例では、センサとして圧電素子６２を用いたが、第２実施例では、センサとして電歪ポリマーを用いたロボットアームについて説明する。図４は、センサとして電歪ポリマー６３を用いたロボットアーム３ａの一部断面図である。図４は、図２（ａ）のロボットアーム３からセンサとしての圧電素子６２を取り除いたものである。

包装部６４の軸Ａの方向と直交する両側の面Ｋ１，Ｋ２は、アーム部分３０，３１にそれぞれ当接する。

図５は、本実施例における、電歪ポリマー６３が接続された電源回路における電気的なブロック図である。電歪ポリマー６３は、衝撃力が加わると、電圧を発生する。遮断回路５１によって、直流電源５２に接続されているときに、衝撃力が加わると、直流電源５２から供給される電圧に、電歪ポリマー６３が発生する電圧が更に加算される。

図５の検出回路５０ａは、電歪ポリマー６３の両極に接続され、電歪ポリマー６３が発生する電圧変化を検出する。検出回路５０ａは、電歪ポリマー６３の両極間の電圧差を検出する差動アンプ（不図示）、差動アンプによって検出された電圧を増幅するオペアンプ（不図示）などによって構成される。

検出回路５０ａは、電歪ポリマー６３が発生する電圧変化を検出すると、遮断回路５１に信号を出力する。遮断回路５１は、検出回路５０ａからの信号を得ると、電歪ポリマー６３と直流電源５２とを遮断し、電歪ポリマー６３に電圧がかからない状態にする。

電歪ポリマー６３に電圧がかかっているときは、図４の電歪ポリマー６３は軸Ａの方向に伸長する。これにより、包装部６４は、バネ部材４２，４３による軸Ａの方向における引張り力に対抗し、包装部６４の外形形状を維持することができる。そのため、アーム部分３０，３１における軸Ａの方向の位置が固定される。

電歪ポリマー６３に電圧がかかっていないときは、電歪ポリマー６３は軸Ａの方向に収縮し、衝撃力によって、包装部６４は押しつぶされて外形形状が変形する。これにより、アーム部分３０，３１は、軸Ａの方向において、互いに近づくように移動する。このため、衝撃力が緩和されるので、ロボットアーム３ａが損傷されることを軽減できる。

センサとして電歪ポリマー６３を用いることにより、ロボットアーム３ａを構成する部品を減らすことができるので、大型化することを抑制したり、製造コストの上昇を抑制したりすることができる。

（第３実施例）
第３実施例では、アーム部分３０に突起部を備えたロボットアーム３ｂについて説明する。図６は、アーム部分３０に突起部７０を備えたロボットアーム３ｂの一部断面図である。

図７は、本実施例の連結部に含まれる棒状部材４０ｂ，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂと押さえ部４６の外観斜視図である。棒状部材４０ｂ，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂは、押さえ部４６に固定される。図６のアーム部分３１ｂには、貫通孔３２ｂ，３３ｂが形成される。棒状部材４０ｂ，４１ｂは、図面下側から上側に向かって貫通孔３２ｂ，３３ｂを貫通し、棒状部材４３ｂ，４４ｂは、アーム部分３１ｂに形成された貫通孔（不図示）を図面下側から上側に向かって貫通する。

第１実施例、第２実施例では、棒状部材４０，４１は、アーム部分３０に固定されていたが、第３実施例の棒状部材４０ｂ，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂは、アーム部分３０に固定されずに、アーム部分３０に当接する。

アーム部分３１ｂには、空洞３５が形成される。押さえ部４６は、空洞３５内に備えられる。空洞３５には、樹脂などで形成される包装部６４が備えられる。包装部６４は、電歪ポリマー６３を包装した状態で備えられる。電歪ポリマー６３には、電極６０，６１が接続され、包装部６４によって覆われる。電極６０，６１には、包装部６４を貫通する導電線（不図示）が接続される。

包装部６４の軸Ａの方向と直交する両側の面Ｋ１，Ｋ２が、押さえ部４６とアーム部分３１ｂの空洞３５を形成する面Ｋ３とによって挟まれるように当接する。バネ部材４２，４３は、第１実施例、第２実施例と同様に、軸Ａの方向において、アーム部分３０とアーム部分３１ｂとを互いに近づける方向に引張り力を生じる。

アーム部分３０のアーム部分３１ｂ側の面における軸Ａの位置には、突起部７０が備えられる。図８（ａ）は、突起部７０の先端部分の外観斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の突起部７０の先端部分を方向Ｄ２から見た図である。

突起部７０の先端部分には、軸Ａの位置を中心として放射状に、凹状の溝部３６と凸状の山部３７が形成される。本実施例では、突起部７０の先端には、十字状に４つの山部３７が形成され、４つの溝部３６が形成される。

図８（ｃ）は、アーム部分３１ｂのアーム部分３０側の面に形成された溝部３４を示す図である。本実施例では、十字状の溝部３４を形成する。突起部７０の先端に形成された山部３７は、図８（ｃ）の溝部３４と嵌合することができる。

図９は、軸Ａの方向と斜めの方向から衝撃力が加わったときに、アーム部分３０が軸Ａに対して傾斜している様子を示す、ロボットアーム３ｂの一部断面図である。図６のアーム部分３０とアーム部分３１ｂとが軸Ａの方向に直列に並んでいるとき、軸Ａの方向に対して斜めの方向Ｄ１から衝撃力が加わると、棒状部材４０ｂは、図面下方向に押されるとともに、棒状部材４０ｂを固定する押さえ部４６によって、包装部６４は図面下方向に押される。

すると、包装部６４内の電歪ポリマー６３には、軸Ａの方向の衝撃力がかかるので、電歪ポリマー６３は、電圧を発生する。第２実施例で図５の電気的なブロック図を用いて説明したように、図５の検出回路５０ａは、電歪ポリマー６３による電圧変化を検出して信号を出力する。遮断回路５１は、出力された信号によって電源回路を遮断する。

電源回路の遮断により、電歪ポリマー６３に、電圧がかからないと、電歪ポリマー６３は、軸Ａの方向に収縮する。これにより、包装部６４は、押さえ部４６とアーム部分３１ｂとによって押しつぶされ、押さえ部４６に固定された棒状部材４０ｂ，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂは、図面下方に移動する。そして、アーム部分３０は、図９に示すように、傾く。

従って、ロボットアーム３ｂが、隣接するロボットアーム装置のロボットアームや、生産ラインを搬送される部品や製品と衝突したとき、軸Ａの方向と斜めの方向から衝撃力が加わった場合に、ロボットアーム３ｂが損傷することを軽減することができる。

以上、本実施例のロボットアーム３ｂには、突起部７０の先端に、軸Ａを中心として放射状に伸びる溝部３６と山部３７が形成され、２つのアーム部分３０，３１ｂのうちの突起部７０の先端が当接するアーム部分３１ｂの位置に山部３７が嵌合する溝部３４が形成される。

この構成によれば、アーム部分３０とアーム部分３１ｂが軸Ａの方向に並んでいるとき、アーム部分３０とアーム部分３１ｂのうちの一方から他方へ駆動力を伝達することができる。また、ロボットアーム３ｂに、軸Ａの方向と斜めの方向から衝撃力が加わったときに、アーム部分３０を軸Ａの方向に対して傾けることができる。

本実施例の連結部は、棒状部材４０ｂ，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂ、押さえ部４６、バネ部材４２，４３、突起部７０、溝部３４から構成される。

本実施例では、突起部７０をアーム部分３０に備えたが、反対に突起部７０の先端が嵌合するための溝部３４をアーム部分３０に形成し、突起部７０をアーム部分３１ｂに備えてもよい。

ロボットアーム装置の外観斜視図。 （ａ）は、ロボットアームの一部断面図、（ｂ）は、ロボットアームが衝突したときのロボットアームの一部断面図。 第１実施例における、電歪ポリマーが接続された電源回路における電気的なブロック図。 センサとして電歪ポリマーを用いたロボットアームの一部断面図。 第２実施例における、電歪ポリマーが接続された電源回路における電気的なブロック図。 アーム部分に突起部を備えたロボットアームの一部断面図。 第３実施例の連結部に含まれる棒状部材と押さえ部の外観斜視図。 （ａ）は、突起部の先端部分の外観斜視図、（ｂ）は、突起部の先端部分の図、（ｃ）は、アーム部分の面に形成された溝部を示す図。 軸の方向と斜めの方向から衝撃力が加わったときに、アーム部分が軸に対して傾斜している様子を示す、ロボットアームの一部断面図。

符号の説明

１…ロボットアーム装置、３，３ａ，３ｂ…ロボットアーム、３０，３１，３１ｂ…アーム部分、３２，３２ｂ，３３，３３ｂ…貫通孔、３４，３６…溝部、３７…山部、４０，４０ｂ，４１，４１ｂ，４３ｂ，４４ｂ…棒状部材、４２，４３…バネ部材、４６…押さえ部、５０…検出回路、５１…遮断回路、６２…圧電素子、６３…電歪ポリマー、６４…包装部、７０…突起部、Ａ…軸、Ｋ１，Ｋ２…面。

Claims (5)

1. 軸の方向に直列に並ぶ第１のアームと第２のアームと、
   前記第１のアームと前記第２のアームを連結する連結部と、
   前記軸の方向の力を検出するセンサと、
   前記センサの電気的変化を検出し、信号を出力する検出回路と、
   前記信号によって電源回路を遮断する遮断回路と、
   前記電源回路に接続され、電圧の変化によって伸縮する電歪ポリマーと、
   前記電歪ポリマーを包んだ状態で外形形状が変化する包装部と、を備え、
   前記包装部は前記第１のアームと前記第２のアームの間に設置されて前記第１のアームの前記軸の方向の面と前記センサとに当接し、前記センサは前記第２のアームと前記包装部の間に設置されて前記包装部の前記軸の方向の面と当接することを特徴とするロボットアーム。
2. 請求項１に記載のロボットアームにおいて、
   前記センサは、圧電素子であることを特徴とするロボットアーム。
3. 請求項１または請求項２に記載のロボットアームにおいて、
   前記第１のアームと前記第２のアームのいずれかに、前記軸の方向に伸びる突起部を備えたことを特徴とするロボットアーム。
4. 請求項３に記載のロボットアームにおいて、
   前記突起部の先端に、前記軸を中心として放射状に伸びる溝部と山部を形成し、前記第１のアームと前記第２のアームのいずれかにおける前記突起部の前記先端が当接する位置に、前記山部が嵌合する溝部を形成したことを特徴とするロボットアーム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のロボットアームを備えたロボットアーム装置。

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