JP5107005B2 - ロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造 - Google Patents

Description

本発明は、ケーブルの配線構造に係り、特に、ロボットハンドに用いて好適なロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造に関するものである。

ロボットハンドなどでは、ロボットハンドを駆動するためのケーブルが配線される。このようなケーブルの配線として、従来、特許文献１に開示された溶接ロボットにおけるケーブルの配線構造が知られている。このケーブルの配線構造では、給電ケーブルおよびガスホースを給電ケーブルの材質および形状によって予め定められた巻半径および巻回数で給電部材の外周に巻いて弛みを形成して連結している。このケーブルの配線構造では、ケーブルに弛みを持たせることにより、ロボットが駆動する際の配線による負荷を軽減させている。
特開２００６−１５０３７８号公報

ところで、ロボットハンドのような小型の関節などにおいても、このようなケーブルの配線を行うことが求められ、ロボットハンドにおいても配線による負荷の軽減が求められる。ここで、ロボットハンドに上記特許文献１に開示されたケーブルの配線構造を用いることにより、ロボットハンドが駆動する際におけるケーブルの負荷の軽減を図ることができる。しかし、ロボットハンドは、小型であることから、ケーブルに弛みを持たせるためのスペースを確保することが困難である。

上記特許文献１に開示されたケーブルの配線構造は、溶接ロボットに適用されていることから、弛みを持たせるための十分なスペースを確保できるが、ロボットハンドでは、そのスペースを確保することができない。したがって、上記特許文献１に開示されたケーブルの配線構造をロボットハンドの関節などの小型の関節部分には適用できないという問題があった。

そこで、本発明の課題は、ロボットハンドの関節のような小型の関節部分が駆動する際の負荷の軽減を図ることができるロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係るロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造は、ロッド部材がベース部材に対して関節部材を介して取り付けられ、ロッド部材がベース部材に対して関節部材における一軸周りに屈曲可能とされており、ロッド部材とベース部材との間に配線されているロボットの関節部分におけるケーブルの配線であって、ロッド部材におけるケーブルの取付位置を第１取付位置、ベース部材におけるケーブルの取付位置を第２取付位置と定義し、第１取付位置は、ロッド部材における関節部材の近傍位置に設定され、関節部材に取り付けられる基端部に対するロッド部材の先端部が、第２取付位置に対して相対的に近い位置となる状態を第１状態、ロッド部材の先端部が第２取付位置に対して相対的に遠い位置となる状態を第２状態とした際、第１取付位置は、ロッド部材が第１状態にあるときには、第２状態にあるときよりも第２取付位置に近くなる位置に設定されており、ロッド部材が第１状態にある際、ケーブルは、２箇所以上の屈曲点をもって弛んで配線され、ロッド部材が第２状態にある際、ケーブルは、２箇所以上の屈曲点が解消されて配線されていることを特徴とする。

また、本発明に係るケーブルの配線構造においては、関節部材における一軸周りにロッド部材を駆動させ、ロッド部材を第１状態から第２状態に移動させる際に、ケーブルが弛んだ状態から伸長する状態となる。このとき、ケーブルは上記の態様で第１取付位置および第２取付位置から取り出されていることから、関節部材の駆動方向に力が加わる向きにケーブルが配線されていることになる。このため、ロッド部材を駆動させる方向に抗する力をケーブルに付与することができる。その一方、ケーブルは、２箇所以上の屈曲部分をもって弛んで配線されていることから、ロッド部材が第２状態から第１状態に移動する際、ケーブルに対してロッド部材を駆動させる方向に対する負荷を軽減することができる。したがって、ケーブルのたわみを小さくした場合でも、ロッド部材が第１状態から第２状態に駆動する際、その駆動方向に力を発生させることができる。したがって、ケーブルを短くすることができることから、その分、省スペース化に寄与することができ、たとえばロボットハンドの関節のような小型の関節部分が駆動する際の負荷の軽減を図ることができる。

ここで、ロッド部材におけるケーブルの取付位置である第１取付位置と、ベース部材におけるケーブルの取付位置である第２取付位置とを通り、一軸と交差する平面を仮想平面と定義し、ケーブルは仮想平面に沿って配線され、第１取付位置において、第１状態にあるロッド部材の先端部側よりも第１状態にあるロッド部材の基端部側であり、第２状態にあるロッド部材の先端部側よりも第２状態にあるロッド部材の基端部側に向けて取り出されている態様とすることができる。

かかる態様によれば、ロッド部材が第１状態にある際、ケーブルが取り出される方向が関節部材に近づく方向となる。このため、ロッド部材を第１状態から第２状態に移行させる際、ケーブルがロッド部材を押し出す方向に力をかけやすくなる。したがって、ロッド部材を移動させる際の立ち上がりで大きなアシスト力を付与することができるので、ロッド部材を繰り返し屈曲させる際に、ロッド部材の動作を良好に行わせることができる。

一方、ロッド部材におけるケーブルの取付位置である第１取付位置と、ベース部材におけるケーブルの取付位置である第２取付位置とを通り、一軸と交差する平面を仮想平面と定義し、ケーブルは仮想平面に沿って配線され、第１取付位置において、第１状態にあるロッド部材の基端部側よりも第１状態にあるロッド部材の先端部側であり、第２状態にあるロッド部材の基端部側よりも第２状態にあるロッド部材の先端部側に向けて取り出されている態様とすることもできる。

かかる態様によれば、ロッド部材が第１状態にある際、ケーブルが取り出される方向が関節部材に対して遠ざかる方向となる。このため、ロッド部材が第２状態に移行した場合に、第２状態を保持する力を働かせることができるとともに容易にもとの位置に戻すことができる。したがって、ロッド部材を継続的に第２状態とする継続性が要求される際に、高い継続性を発揮させることができる。

また、ベース部材における関節部材から見て第２取付位置を超えた位置に、弛んだケーブルを折り返す折り返し板が立設されている態様とすることができる。このような折り返し板が立設されていることにより、ケーブルが後方に逃げることを抑制することができる。その結果、ケーブルをさらに確実に弛ませることができる。

さらに、ケーブルとして、高弾性部材が用いられている態様とすることができる。また、ケーブルとして、低粘性部材が用いられている態様とすることができる。このように、ケーブルとして高弾性部材や低粘性部材を用いることにより、ベース部材を第１状態から第２状態に移動させる際に、大きな力を付与することができる。

また、ベース部材が、ロボットハンドにおける掌部材であり、ロッド部材が、ロボットハンドにおける指部材であり、関節部材が、ロボットハンドにおける屈曲関節である態様とすることができる。

このように、本発明に係るケーブルの配線構造は、ロボットハンドとして好適に用いることができる。

本発明に係るロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造によれば、ロボットハンドの関節のような小型の関節部分が駆動する際の負荷の軽減を図ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。

図１は、本発明の実施形態に係るケーブルの配線構造を備えるロボットハンドの側面図である。図１に示すように、本実施形態に係るロボットハンド１は、ベース部材となる掌部材２を備えている。掌部材２には、関節部材となる屈曲関節３が取り付けられている。さらに、掌部材２には、屈曲関節３を介して、ロッド部材である指部材４が取り付けられている。

指部材４は、屈曲関節３を回動させることにより、屈曲関節３の回転軸周りに回動可能とされている。この回転軸は本発明の一軸となる。指部材４は、屈曲関節３を回動させることにより、図１の上方に向けて伸展する伸展状態と、屈曲関節３を回動させて屈曲させ、図１の左方に向けて伸展する屈曲状態との間で移行可能とされている。この伸展状態が本発明の第１状態となり、屈曲状態が本発明の第２状態となる。

指部材４は、指先部４１、指中部４２、および指基部４３を備えており、指先部４１と指中部４２との間には、第１関節部材４４が設けられ、指中部４２と指基部４３との間には、第２関節部材４５が設けられている。さらに、指基部４３には、屈曲関節３が取り付けられている。指基部４３は、屈曲関節３によって屈曲可能とされている。また、指中部４２は第２関節部材４５によって屈曲可能とされ、指先部４１は第１関節部材４４によって屈曲可能とされている。第１関節部材４４および第２関節部材４５が駆動していない状態のときには、指部材４は屈曲関節３によって屈曲可能とされている。本実施形態では、第１関節部材４４および第２関節部材４５は、常に屈曲しておらず、指部材４における指先部４１、指中部４２、および指基部４３が直線状に配列された状態で説明を行う。

また、掌部材２と指部材４との間には、ケーブル５が配線されている。掌部材２におけるケーブル５は、第２取付位置Ｐ２で掌部材２に取り付けられている。この第２取付位置Ｐ２は、指部材４の背面側（手の甲側）と位置されている。

さらに、ケーブル５は、第１取付位置Ｐ１で指部材４に取り付けられている。第１取付位置Ｐ１は、屈曲関節３の近傍に位置する指部材４の指基部４３における背面側に位置されている。このため、第１取付位置Ｐ１は、指部材４が伸展状態にあるときには、屈曲状態にあるときよりも第２取付位置Ｐ２に近くなる位置に設定されていることとなる。

また、ケーブル５は、屈曲関節３における回転軸に直交し、第１取付位置Ｐ１と第２取付位置Ｐ２とを通る仮想平面を定義した際、この仮想平面に沿って配線される。また、第１取付位置Ｐ１と第２取付位置Ｐ２とを結んだ直線は、伸展状態にある指部材４と重なる位置は、屈曲関節３よりも指部材４における先端側となるようにケーブル５が配線されている。

さらに、ケーブル５は、第２取付位置Ｐ２において、伸展状態にある指部材４の指付根側よりも指先側であり、屈曲状態にある指部材４の指付根側よりも指先側である方向に向けて取り出されて配線されている。具体的に、図１に示す状態では、左斜め上方向に向けて取り出されている。その一方で、ケーブル５は、第１取付位置Ｐ１において、伸展状態にある指部材４の指先側よりも指付根側であり、屈曲状態にある指部材４の指先側よりも指付根側である方向に向けて取り出されて配線されている。具体的に、図１に示す状態では、右斜め下方向に向けて取り出されている。

また、ケーブル５は、指部材４が伸展状態にあるときには、２箇所の屈曲点をもって弛んで配線されている。さらに、指部材４が屈曲状態となったときには、この屈曲点が解消され、屈曲関節３を跨いでなだらかな曲線状となるように配線されている。他方、ケーブル５としては、高弾性である材料が用いられている。さらに、ケーブル５としては、低粘性であり、内部ヒステリシスが大きい材料が用いられている。

次に、本実施形態に係るロボットの関節部分におけるケーブル配線構造の作用について説明する。

本実施形態に係るケーブルの配線構造では、屈曲関節３を駆動させて指部材４を伸展状態と屈曲状態との間で移行させる際、屈曲関節３や指部材４にかかる負荷を軽減することができる。以下にその作用について説明する。図２は、ロボットハンド１を模式的に示す側面図である。

図２に実線で示すように、ロボットハンド１における指部材４が伸展状態にある際には、ケーブル５は、実線で示すように、略Ｎ字形状となって弛んだ状態となっている。この状態から、図２に仮想線で示すように、屈曲関節３を駆動させて指部材４を屈曲状態に移行させると、ケーブル５は、ゆるやかな曲線状に移行する。ここで、指部材４が伸展状態にある際には、ケーブル５が２箇所の屈曲部分をもっている。この屈曲部分をもつことにより、ケーブル５による負荷を小さくすることができるばかりか、むしろケーブル５のばね要素によってケーブル５がまっすぐに伸びようとする。

このケーブル５が伸びようとする力が屈曲関節３に働き、指部材４を屈曲状態に移動させる方向に力を付与することができる。このため、ケーブル５のたわみを小さくした場合でも、指部材４が伸展状態から屈曲状態に駆動する際、指部材４の駆動方向に力を発生させることができる。したがって、ケーブル５を短くすることができることになるので、その分、省スペース化に寄与することができるとともに、ロボットハンド１が駆動する際の負荷の軽減を図ることができる。

しかも、ケーブル５は、高弾性かつ低粘性を有している。このような高弾性を有することにより、指部材４が伸展状態から屈曲状態に移行する際、指部材４を押し出す力となり、指部材４を屈曲状態に移行させやすくすることができる。また、低粘性を有することにより、ケーブル５がまっすぐに伸びようとする力を働き難くしないようにすることができる。したがって、その分指部材４を屈曲状態に移行させやすくすることができる。

他方で、指部材４が屈曲状態から伸展状態に移行する場合、ケーブル５を弛ませるための力が必要となるが、把持や操りのための屈曲力を提供する必要がある屈曲動作と比較して、伸展動作では伸展側に作業のための力を発揮することは特に不要とする。このため、屈曲力の最大値以下であれば、ケーブル５を弛ませるための力を伸展側に発揮することは可能である。

また、本実施形態に係るロボットハンド１では、第１取付位置Ｐ１が指基部４３とされており、屈曲関節３の近傍位置とされている。ここで、指部材４を伸展状態から屈曲状態に移行させるにあたり、ケーブル５によって指部材４の移行を補助するための力を大きくするためには、ケーブル５の曲率Ｒをより小さくした方が好ましい。

このとき、図３（ａ）に模式的に示すように、第１取付位置Ｐ１が屈曲関節３より遠い位置、たとえば図１に示す指先部４１に設けられていた場合を想定する。この場合、ケーブル５は、第１取付位置Ｐ１と第２取付位置Ｐ２との間で自由な力が働き、図３（ｂ）に示すように、曲率Ｒが一様になろうとし、その結果、曲率Ｒが大きくなってしまう。したがって、指部材４を移行させるための力を大きくできないこととなる。一方で、ケーブル５の剛性を高くすることができれば、第１取付位置Ｐ１が屈曲関節３より遠い位置に設けられていても、必ずしも曲率Ｒが大きくならずに、指部材４を移行させるための大きな力を確保することが可能となる。

しかも、図３（ａ）に示すように、第１取付位置Ｐ１が屈曲関節３より遠い位置に設けられていた場合、指部材４を伸展状態から屈曲状態に移動させる際に、第１取付位置Ｐ１の移動距離が長くなる。その結果、ケーブル５の長さも長くしなければならず、その分スペースを要することとなる。

この点、本実施形態に係るロボットハンド１では、図４（ａ）に模式的に示すように、第１取付位置Ｐ１は屈曲関節３の近傍位置に設定されている。このため、図４（ｂ）に示すように、ケーブル５の曲率Ｒを小さくすることができる。したがって、指部材４を移行させるための力を大きくすることができる。

さらには、第１取付位置Ｐ１は屈曲関節３の近傍位置に設定されていることにより、指部材４を伸展状態から屈曲状態に移動させる際に、第１取付位置Ｐ１の移動距離が短くなり、ケーブル５の長さを長くする必要がなくなる。したがって、ケーブル５を収容するためのスペースをその分小さくすることができる。

また、ケーブル５は、第２取付位置Ｐ２において、伸展状態にある指部材４の指付根側よりも指先側であり、屈曲状態にある指部材４の指付根側よりも指先側である方向に向けて取り出されて配線され、第１取付位置Ｐ１において、伸展状態にある指部材４の指先側よりも指付根側であり、屈曲状態にある指部材４の指先側よりも指付根側である方向に向けて取り出されて配線されている。このため、ケーブル５が取り出される方向が屈曲関節３に近づく方向となる。このため、指部材４を伸展状態から屈曲状態に移行させる際、ケーブル５が指部材４を押し出す方向に力をかけやすくなる。したがって、指部材４を移動させる際の立ち上がりで大きなアシスト力を付与することができるので、指部材４を繰り返し屈曲させる際に、指部材４の動作を良好に行わせることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、図５（ａ）に模式的に示すように、掌部材２における屈曲関節３から見て第２取付位置Ｐ２を超えた位置に、弛んだケーブル５を折り返す折り返し板１０が立設されている態様とすることもできる。この折り返し板１０を設けることにより、図５（ｂ）に示すように、指部材４を伸展状態から屈曲状態に移行させるにあたり、弛んだケーブル５を確実に指部材４が屈曲状態となる方向に押し出すことができる。

また、上記実施形態では、ケーブル５が１本である態様について説明しているが、ケーブル５を複数本設ける態様とすることもできる。ケーブル５を複数本設ける場合、図６に示すように、ケーブル５Ａ，５Ｂ同士が重なり合ってしまうことが考えられる。このように、ケーブル５Ａ，５Ｂ同士が重なり合うと、指部材４が屈曲状態となったときに、ケーブル５の長さが足りなくなってしまうことが考えられる。

そこで、複数本のケーブル５を設ける際には、屈曲関節３の軸方向に沿って並列させた状態で配線し、柔軟性の高いテープで貼り付けたり、糸で編み込んだりすることができる。このようにケーブルを並列させて配線することにより、上記の実施形態で説明した作用効果を奏するとともに、ケーブル５が重なり合わないようにすることができる。

また、上記実施形態では、ケーブル５を配線する際の屈曲部分を２箇所に設けているが、屈曲部分は２箇所以上であればさらに多くの部分を設ける態様とすることもできる。さらに、上記実施形態ではロボットハンドを対象とした配線構造としているが、その他ロボットアームの肘部分などの関節部分を対象とすることもできる。

また、上記実施形態において、ケーブル５は、第２取付位置Ｐ２において、伸展状態にある指部材４の指付根側よりも指先側であり、屈曲状態にある指部材４の指付根側よりも指先側である方向に向けて取り出されて配線され、第１取付位置Ｐ１において、伸展状態にある指部材４の指先側よりも指付根側であり、屈曲状態にある指部材４の指先側よりも指付根側である方向に向けて取り出されて配線されている。これに対して、第２取付位置Ｐ２において、伸展状態にある指部材４の指先側よりも指付根側であり、屈曲状態にある指部材４の指先側よりも指付根側である方向に向けて取り出されて配線され、第１取付位置Ｐ１において、伸展状態にある指部材４の指付根側よりも指先側であり、屈曲状態にある指部材４の指付根側よりも指先側である方向に向けて取り出されて配線されている。かかる態様によれば、指部材４が伸展状態にある際、ケーブル５が取り出される方向が屈曲関節３に対して遠ざかる方向となる。このため、指部材４が屈曲状態に移行した場合に、屈曲状態を保持する力を働かせることができるとともに容易にもとの位置に戻すことができる。したがって、指部材４を継続的に屈曲状態とする継続性が要求される際に、高い継続性を発揮させることができる。

さらに、上記実施形態では、第１関節部材４４および第２関節部材４５は、常に屈曲しておらず、指部材４における指先部４１、指中部４２、および指基部４３が直線状に配列された状態で説明を行っているが、この態様に限定されるものではない。たとえば、指先部４１と指中部４２との間の第１関節部材４４が屈曲していたり、指中部４２と指基部４３との間の第２関節部材４５が屈曲していたり、あるいは両者が屈曲していたりする態様とすることもできる。

ロボットハンドの側面図である。 ロボットハンドの動きを説明する模式的側面図である。 （ａ）は指先部にケーブルを取り付けた場合の、ロボットハンドの模式的側面図、（ｂ）は（ａ）の場合におけるケーブルの曲率を説明するための説明図である。 （ａ）は本実施形態に係るロボットハンドの模式的側面図、（ｂ）は（ａ）の場合におけるケーブルの曲率を説明するための説明図である。 （ａ）はロボットハンドの他の例に係る模式的側面図、（ｂ）は（ａ）の場合におけるケーブルの曲率を説明するための説明図である。 複数本のケーブルを設けた際にケーブルが重なり合う状態を示す模式的側面図である。

符号の説明

１…ロボットハンド、２…掌部材、３…屈曲関節、４…指部材、５（５Ａ，５Ｂ）…ケーブル、１０…折り返し板、４１…指先部、４２…指中部、４３…指基部、４４…第１関節部材、４５…第２関節部材、Ｐ１…第１取付位置、Ｐ２…第２取付位置、Ｒ…曲率。

Claims (6)

1. ロッド部材がベース部材に対して関節部材を介して取り付けられ、前記ロッド部材が前記ベース部材に対して前記関節部材における一軸周りに屈曲可能とされており、前記ロッド部材と前記ベース部材との間に配線されているロボットの関節部分におけるケーブルの配線であって、
   前記ロッド部材における前記ケーブルの取付位置を第１取付位置、前記ベース部材における前記ケーブルの取付位置を第２取付位置と定義し、
   前記第１取付位置は、前記ロッド部材における前記関節部材の近傍位置に設定され、
   前記関節部材に取り付けられる基端部に対する前記ロッド部材の先端部が、前記第２取付位置に対して相対的に近い位置となる状態を第１状態、前記ロッド部材の先端部が前記第２取付位置に対して相対的に遠い位置となる状態を第２状態とした際、
   前記第１取付位置は、前記ロッド部材が前記第１状態にあるときには、前記第２状態にあるときよりも前記第２取付位置に近くなる位置に設定されており、
   前記ロッド部材が前記第１状態にある際、前記ケーブルは、２箇所以上の屈曲点をもって弛んで配線され、
   前記ロッド部材が前記第２状態にある際、前記ケーブルは、前記２箇所以上の屈曲点が解消されて配線されていることを特徴とするロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造。
2. 前記ロッド部材における前記ケーブルの取付位置である第１取付位置と、前記ベース部材における前記ケーブルの取付位置である第２取付位置とを通り、前記一軸と交差する平面を仮想平面と定義し、
   前記ケーブルは前記仮想平面に沿って配線され、前記第１取付位置において、前記第１状態にあるロッド部材の先端部側よりも前記第１状態にあるロッド部材の基端部側であり、前記第２状態にある前記ロッド部材の先端部側よりも前記第２状態にあるロッド部材の基端部側に向けて取り出されている請求項１に記載のケーブルの配線構造。
3. 前記ロッド部材における前記ケーブルの取付位置である第１取付位置と、前記ベース部材における前記ケーブルの取付位置である第２取付位置とを通り、前記一軸と交差する平面を仮想平面と定義し、
   前記ケーブルは前記仮想平面に沿って配線され、前記第１取付位置において、前記第１状態にあるロッド部材の基端部側よりも前記第１状態にあるロッド部材の先端部側であり、前記第２状態にある前記ロッド部材の基端部側よりも前記第２状態にあるロッド部材の先端部側に向けて取り出されている請求項１に記載のケーブルの配線構造。
4. 前記ベース部材における前記関節部材から見て前記第２取付位置を超えた位置に、弛んだ前記ケーブルを折り返す折り返し板が立設されている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造。
5. 前記ケーブルとして、高弾性部材が用いられている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載のロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造。
6. 前記ベース部材が、ロボットハンドにおける掌部材であり、
   前記ロッド部材が、前記ロボットハンドにおける指部材であり、
   前記関節部材が、前記ロボットハンドにおける屈曲関節である請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のロボットの関節部分におけるケーブルの配線構造。

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