关节机构及机器人臂机构

技术领域

本发明涉及一种关节机构及机器人臂机构。

背景技术

在多关节型的工业用机器人中已知具备平衡器机构的工业用机器人，该平衡器机构在与重力引起的负载方向相反的方向产生力来对驱动臂的机构的动力进行辅助(例如，专利文献1)。例如，平衡器机构由可倾动地与基座连结的壳体和滑动自如地设置在壳体内部的活塞杆构成。活塞杆的前端可旋转地与臂连接，并且被向壳体内部牵引。随着臂的旋转，活塞杆被从壳体拉出，由此臂被活塞杆向与重力引起的负载方向相反的方向拉拽，由此能够对驱动臂的机构的动力进行辅助。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特许第2543539号公报。

发明内容

发明要解决的问题

在以往的构造中，臂的支撑构件必须承受两种负载，即臂的重量引起的负载和由平衡器装置产生的牵引力引起的负载。因此，在具备平衡器机构的工业用机器人中，期望减轻作用于臂的支撑构件的负载。

用于解决问题的手段

本公开的一方式的关节机构具备基座、臂、将臂转动自如地支撑于基座的支撑构件、以及产生辅助转矩的平衡器机构，所述辅助转矩抵抗由于臂的重量而围绕臂的转动中心线施加的负载转矩。平衡器机构具有平衡器主体和传递构件，平衡器主体具有被基座支撑为转动自如的壳体、插入壳体的活塞杆、以及牵引活塞杆的牵引装置；传递构件将由牵引装置产生的牵引力转换为辅助转矩并传递至臂。传递构件与支撑构件分体，经由轴被基座轴支撑为转动自如。传递构件在从轴的中心线隔开第一距离的第一位置与活塞杆的前端卡合，并在从轴的中心线隔开第二距离的第二位置与臂卡合。

发明效果

根据一方式，在具备平衡器机构的工业用机器人中，能够减轻作用于臂支撑构件的负载。

附图说明

图1是一实施方式的关节机构的立体图。

图2是图1的关节机构的分解立体图。

图3是图1的关节机构的俯视图。

图4是示出图1的关节机构的臂的基准姿势的侧视图。

图5是示出图1的关节机构的臂的倾动姿势的侧视图。

图6是示出一实施方式的第一变形例的关节机构的臂的基准姿势的侧视图。

图7是示出一实施方式的第二变形例的关节机构的臂的基准姿势的侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本实施方式的关节机构进行说明。在以下的说明中，针对具有大概相同的功能及结构的构成要素标注相同的附图标记，并只在需要的情况下进行重复说明。

本实施方式的关节机构能够单独使用，也能够作为机器人臂机构等关节机构使用。

如图1～图4所示，关节机构1具有基座2、被基座2支撑为转动自如的棒状的臂3、驱动臂3的臂驱动机构4以及作为将支撑臂3的轴承等的负载减轻的平衡器发挥作用的平衡器机构5。

基座2具有矩形的底板21以及在底板21的两缘以相互平行的方式设置的一对侧板23、25。在以下的说明中，将与底板21的厚度方向平行的轴设为Z轴、将与侧板23、25的厚度方向(一对侧板23、25分离的方向)平行的轴设为X轴、将与X轴和Z轴正交的轴设为Y轴，适当使用。

臂驱动机构4被一对侧板23、25中的一方的侧板23支撑。臂驱动机构4具有产生使臂3转动的动力的马达41和使马达41的旋转减速的减速器43。臂驱动机构4构成为减速器43的输出轴45的中心线RA1(转动轴RA1)与X轴平行。臂3经由轴承47安装到减速器43的壳体上，利用螺栓等固定件紧固在减速器43的输出轴45上。由此，随着减速器43的输出轴45的转动，能够使臂3绕与X轴平行的转动轴RA1转动。

平衡器机构5具有平衡器主体50和传递构件55。

平衡器主体50具有壳体51、插入壳体51的活塞杆53和将活塞杆53牵引至壳体51的内部的牵引装置52。典型地，作为牵引装置52，压缩螺旋弹簧52以被压缩的状态容置在壳体51的内部。活塞杆53的一端与该压缩螺旋弹簧52连接。由此，能够利用压缩螺旋弹簧52将从壳体51的内部拉出的活塞杆53向壳体51的内部牵引。壳体51绕X轴转动自如地设置于基座2。典型地，在一对侧板23、25之间，以中心线RA3(转动轴RA3)与X轴平行的方式固定有轴54。壳体51经由轴承等安装到该轴54。由此，能够使壳体51绕与X轴平行的转动轴RA3转动。

传递构件55构成为具有L形的板。传递构件55的一端绕与X轴平行的轴RA4转动自如地与活塞杆53的另一端连接。传递构件55的另一端经由固定构件56固定在臂3的前端侧的位置。传递构件55绕X轴转动自如地设置于基座2。典型地，在一对侧板23、25中的另一方的侧板25，以中心线RA2与臂3的转动轴RA1一致的方式固定有轴57。传递构件55经由轴承等安装到该轴57上。由此，能够使传递构件55绕与臂3的转动轴一致的中心线RA2(转动轴RA2)转动。支撑传递构件55的轴57与支撑臂3的轴57及轴承47分体，与轴57及轴承47分离。这样，臂3与传递构件55在彼此的端部处被固定，但传递构件55相对于基座2的支撑构造与臂3相对于基座2的支撑构造为分体构成，这是一个特征。

如图4所示，将臂3的中心线与Z轴(铅垂轴)平行时的臂3的转动角度设为0度。将该姿势作为臂3的基准姿势。当臂3为基准姿势时，在支撑臂3的轴承47不产生由臂3的重量引起的围绕转动轴RA1的负载转矩F1。另一方面，如图5所示，当臂3从基准姿势倾动(转动)时，在支撑臂3的轴承47产生由臂3的重量引起的围绕转动轴RA1的负载转矩F1。此时，平衡器机构5发挥如下的作用。即，追随臂3的转动，传递构件55绕转动轴RA2转动。随着传递构件55的转动，传递构件55与活塞杆53的连接处的转动轴RA4与壳体51的转动轴RA3的距离、绕X轴的角度发生变化。壳体51绕转动轴RA3转动，使得活塞杆53沿着通过转动轴RA3和转动轴RA4的直线配置。活塞杆53抵抗压缩螺旋弹簧52的牵引力而被从壳体51拉出。从壳体51拉出的活塞杆53的长度与如下的距离的差对应，即，臂3为倾动姿势时从转动轴RA3到转动轴RA4的距离与臂3为基准姿势时从转动轴RA3到转动轴RA4的距离的差。从壳体51拉出的活塞杆53被压缩螺旋弹簧52向壳体51的内部牵引。由压缩螺旋弹簧52产生的牵引力F2借助传递构件55转换为围绕转动轴RA2(转动轴RA1)的辅助转矩F2′，并被传递到臂3。辅助转矩F2′向与由臂3的重量引起的围绕转动轴RA1的负载转矩F1相反的方向作用。因此，对支撑臂3的轴承47施加与负载转矩F1和辅助转矩F2′的合成转矩(F1-F2′)对应的力矩。另一方面，在不具有平衡器机构5的关节机构中，不产生上述的辅助转矩F2′。因此，对支撑臂3的轴承47施加与负载转矩F1对应的力矩。也就是，根据本实施方式的关节机构1，能够将施加于支撑臂3的轴承47的负载减轻与辅助转矩F2′对应的力矩。

通过构成为经由传递构件55与臂3的前端侧连接，而不是将平衡器机构5直接与臂3连接的结构，会起到如下效果。即，在平衡器机构5的活塞杆53直接与臂3连接的结构中，由压缩螺旋弹簧52产生的牵引力也作为负载作用于支撑臂3的轴承47。因此，支撑臂3的轴承47必须承受两个负载，即，由压缩螺旋弹簧52产生的牵引力引起的负载和由臂3的重量引起的负载。根据本实施方式的关节机构1，由压缩螺旋弹簧52产生的牵引力经由传递构件55传递到臂3的前端侧。并且，支撑传递构件55的轴57与支撑臂3的轴承47分体。由此，由压缩螺旋弹簧52产生的牵引力作为负载直接作用于支撑传递构件55的轴57，但不会作为负载直接作用于支撑臂3的轴承47。

根据以上说明的本实施方式的关节机构1，由平衡器机构5对支撑臂3的轴承47仅作用上述说明的合成转矩(F1－F2′)引起的力矩，从而能够减轻对支撑臂3的轴承47的负载。由此，可以降低支撑臂3的轴承47及驱动臂3的减速器43(马达41)的故障风险，实现长寿命化。另外，由于施加于支撑臂3的轴承47的负载小，所以能够使轴承47的尺寸减小。这有助于抑制部件成本。进一步地，通过增大辅助转矩，能够减小马达41产生的静止转矩。这有助于降低关节机构1及包括关节机构1的机器人的功耗。

在本实施方式的关节机构1中，传递构件55在外观上也与臂3分离。但是，由于传递构件55的转动轴RA2与臂3的转动轴RA1一致，所以能够将传递构件55容易地容置在臂3的内部。通过将传递构件55容置在臂3的内部，不仅实现关节机构1的小型化，还起到使外观简单、提高美观性的效果，以及避免配线在关节机构1的外部的电缆等线体复杂地进入到臂3与传递构件55之间从而断线的情况的效果。

在本实施方式的关节机构1中，构成为具有采用压缩螺旋弹簧52作为牵引装置52的螺旋弹簧方式的平衡器主体50。只要能够产生将活塞杆53拉回壳体51的内部的牵引力，平衡器主体50的结构就不限于此。例如，平衡器主体50能够采用当活塞杆53被从壳体51拉出时封入壳体51的压缩性气体被压缩，利用其反作用力将活塞杆53拉回壳体51的内部的气弹簧方式、利用气缸的方式、利用油压的方式等已知的方式。

传递构件55的形状不限于本实施方式。只要传递构件55能够在臂3的前端侧的位置固定、能够与臂3的转动轴RA1同轴地转动自如地支撑、能够与活塞杆53转动自如地连接即可，例如也可以是具有く形或者拱形的板。

另外，在将从轴54的中心线到传递构件55与活塞杆53连接的位置的距离设为第一距离L1、将从轴54的中心线到传递构件55固定在臂3的位置的距离设为第二距离L2的情况下，典型地，传递构件55构成为第二距离L2比第一距离L1更长。但是，并不否定第二距离L2为第一距离L1以下，能够从牵引力的大小、所需辅助转矩的大小、平衡器机构5的设置空间等观点出发，决定传递构件55的这些参数L1、L2。

臂3相对于基座2的支撑构造不限于本实施方式。例如，可以构成为臂3经由轴承47与基座2连接，也可以构成为臂3与减速器43的输出轴45直接连接。该情况下，平衡器机构5起到减轻施加于支撑臂3的减速器43的输出轴45的负载的作用。

传递构件55相对于基座2的支撑构造不限于本实施方式。传递构件55的支撑构造只要与臂3的支撑构造分体即可。例如，可以将固定有传递构件55的轴57转动自如地安装在基座2。另外，传递构件55也可以绕X轴转动自如地支撑在位置相对于基座2固定的其他构件。与传递构件55相对于基座2的支撑构造同样地，壳体51相对于基座2的支撑构造不限于本实施方式。

在本实施方式的关节机构1中，传递构件55的一端转动自如地与平衡器机构5的活塞杆53连接，另一端固定在臂3的前端侧的位置。由此，通过使臂3从基准姿势倾斜即使小角度，也能够使平衡器机构5发挥作用。但是，在使臂3从基准姿势稍微倾斜等的情况下，由臂3的重量引起的围绕转动轴RA1的负载转矩小时，有时不一定需要使平衡器机构5发挥作用。在这种情况下，平衡器机构5可以构成为当臂3从基准姿势转动规定的角度以上时发挥作用。以下，针对限制平衡器机构5发挥作用的角度范围的结构，用第一变形例、第二变形例来进行说明。第一变形例示出变更传递构件55的另一端与臂3的卡合构造的结构，第二变形例示出变更活塞杆53与传递构件55的一端的卡合构造的结构。

(第一变形例)

如图6所示，在第一变形例的关节机构7中，将传递构件55的另一端设为自由端。在臂3设置有在臂3从基准姿势倾斜到规定的角度时与传递构件55卡合的凸起31、33。由于传递构件55的另一端在臂3的前端侧的位置没有固定，所以传递构件55的转动轴RA2不需要与臂3的转动轴RA1一致。根据第一变形例的关节机构7，在传递构件55的端部与设置在臂3的凸起31、33接触的状态即臂3从基准姿势倾斜规定的角度以上时，能够使平衡器机构5发挥作用。另一方面，在传递构件55的端部与设置于臂3的凸起31、33接触之前即臂3从基准姿势倾斜到规定的角度的期间，平衡器机构5不发挥作用。由于能够缩窄平衡器机构5发挥作用的转动角度的范围，所以能够缩短活塞杆53所需的行程长度，从而可以实现平衡器机构5的小型化。

(第二变形例)

如图7所示，在第二变形例的关节机构8中，在传递构件55的一端形成有以转动轴RA2为中心的圆弧状的狭缝59，活塞杆53的前端滑动自如地与狭缝59卡合。狭缝59的圆弧长度与使平衡器机构5不发挥作用的臂3的倾动角度对应。根据第二变形例的关节机构8，在活塞杆53与狭缝59的端部抵接的状态下即臂3从基准姿势倾斜规定的角度以上时，能够使平衡器机构5发挥作用。另一方面，在活塞杆53沿着传递构件55的狭缝59滑动即臂3从基准姿势倾斜到规定的角度的期间，平衡器机构5不发挥作用。由于能够缩窄平衡器机构5发挥作用的转动角度的范围，所以能够缩短活塞杆53所需的行程长度，从而可以实现平衡器机构5的小型化。

虽然对几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例提出的，并无意限制发明范围。这些实施方式可以以各种其它方式实施，能够在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换和变更。这些实施方式和其变形与包含在发明范围或主旨内同样地，包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

附图标记说明

1：关节机构、2：基座、21：底板、23、25：侧板、3：臂、4：臂驱动机构、41：马达、43：减速器、45：输出轴、47：轴承、5：平衡器机构、50：平衡器主体、51：壳体、52：牵引装置(压缩螺旋弹簧)、53：活塞杆、54、57：轴、55：传递构件、56：固定构件、RA1：臂的转动轴、RA2：传递构件的转动轴。