本发明的实施方式有关扭转旋转关节机构、机械臂机构及悬臂旋转机构。
背景技术
以往，多关节机械臂机构已被用于产业用机器人等各种领域。发明者们实现了实用化的直动伸缩机构，是一种使包括该直动伸缩机构的垂直多关节型的机械臂机构无需肘关节，可实现将机器人设置在作业员的身边的有效的机构。
构成直动伸缩机构的臂部，例如，通过由平板形状的链节自由弯曲地连结而成的链节列和由槽状体的链节自由弯曲地连结而成的链节列相互地接合而构成。通过以臂部的后端被辊筒单元所牢固保持从而维持臂部的接合状态，此时臂部具有一定的刚性。
此臂部的前端安装有手腕部。此手腕部安装有末端执行器。手腕部上典型地装备有组合成正交三轴的三个旋转关节部，用于使末端执行器的姿势可自由地改变，期望实现手腕部的防止脱落的同时，实现结构的简易化并且轻量化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特许第5435679号公报
技术实现要素：
发明所要解决的课题
目的在于，提供实现结构的简易化、轻量化、防止脱落的扭转旋转关节机构、机械臂机构及悬臂旋转机构。
解决课题的手段
本实施方式的扭转旋转关节机构，包括筒形的固定部，收纳于固定部的内部的马达单元，固定在马达单元的输出轴的旋转部。固定部和旋转部中的一者突出有圆环形状的凸缘部以使其朝外侧突出。固定部和旋转部中的另一者的端面安装有一个或者两个以上的防止脱落部以将凸缘部夹持在固定部和旋转部中的另一者的端面之间。
附图说明
图1表示装备有本实施方式的扭转旋转关节机构的机械臂机构的外观。
图2是用图形记号表示图1的机械臂机构的构成的图。
图3是表示图1的机械臂机构的内部构造的侧视图。
图4是用图形记号表示图1的机械臂机构的构成的图。
图5是表示图3的手腕部和臂部的接合部分的结构的立体图。
图6是表示本实施方式的扭转旋转关节机构的结构的立体图。
图7是图6的扭转旋转关节机构的侧视图。
图8是图7的扭转旋转关节机构的a-a的剖视图。
图9是表示图6的扭转旋转关节机构的防止脱落板的平面图。
图10是表示图9的防止脱落板的其他的例子的图。
图11是表示本实施方式的扭转旋转关节机构的其他的结构的纵向剖视图。
具体实施方式
以下参照附图说明本实施方式的扭转旋转关节机构。另外，本实施方式的扭转旋转关节机构，可以作为单独的机构(关节)使用。在以下说明中，以将本实施方式的扭转旋转关节机构作为多个关节部的其中一个关节部而构成的机械臂机构为例进行说明。作为机械臂机构，在此虽然对具有直动伸缩机构的垂直多关节型机械臂机构进行了说明，但是，也可以是其他类型的机械臂机构。在以下说明中，对于具有大致同一功能及构成的构成要素，赋予同一符号，仅在有必要的场合进行重复说明。
图1表示装备有本实施方式的扭转旋转关节机构的机械臂机构的外观。图2是图1的机械臂机构的侧视图。图3是表示图1的机械臂机构的内部构造的侧视图。
机械臂机构包括基台1、回转部(支柱部)2、起伏部4、臂部5及手腕部6。回转部2、起伏部4、臂部5及手腕部6，从基台1开始依次设置。多个关节部j1、j2、j3、j4、j5、j6从基台1开始依次设置。本实施方式的旋转关节机构，通过第四关节部j4的扭转关节实现。基台1上，典型地竖直地设置有呈圆筒体的回转部2。回转部2收纳作为回转旋转关节部的第一关节部j1。第一关节部j1具有扭转旋转轴ra1。旋转轴ra1平行于竖直方向。回转部2具有下部架21和上部架22。下部架21的一端与第一关节部j1的固定部连接。下部架21的另一端与基台1连接。下部架21被圆筒形状的壳体31覆盖。上部架22与第一关节部j1的旋转部连接，以旋转轴ra1为中心而绕轴旋转。上部架22被圆筒形状的壳体32覆盖。上部架22随着第一关节部j1的旋转而相对于下部架21旋转，由此臂部5水平地回转。呈圆筒体的回转部2的内部空腔收纳作为后述的直动伸缩机构的第三关节部j3的第一、第二链节列51、52。
回转部2的上部设置有起伏部4，起伏部4收纳作为起伏旋转关节部的第二关节部j2。第二关节部j2是弯曲旋转关节。第二关节部j2的旋转轴ra2垂直于旋转轴ra1。起伏部4具有作为第二关节部j2的固定部(支撑部)的一对侧架23。一对侧架23与上部架22连结。一对侧架23被鞍形形状的罩子33覆盖。一对侧架23上支撑作为第二关节部j2的旋转部的圆筒体24，圆筒体24同时作为马达壳体使用。圆筒体24的周面上，安装有送出机构25。送出机构25被圆筒形状的罩子34覆盖。鞍形罩子33和圆筒罩子34之间的间隙被u字形状截面的u字波纹管罩子14覆盖。u字波纹管罩子14跟随第二关节部j2的起伏动作而伸缩。
送出机构25保持着驱动齿轮56、导向辊筒57及辊筒单元58。送出机构25随着圆筒体24的绕轴旋转而转动，支撑在送出机构25的臂部5上下地起伏。
第三关节部j3通过直动伸缩机构提供。直动伸缩机构包括有发明者们新开发的结构，在可动范围这一点上明确区别于通常以往的直动关节。第三关节部j3的臂部5虽然能自由弯曲，但其沿中心轴(伸缩中心轴ra3)从臂部5的根部的送出机构25朝前方送出时，弯曲被限制，从而确保直线的刚性。臂部5朝后方被拉回时恢复弯曲。臂部5具有第一链节列51和第二链节列52。第一链节列51包括自由弯曲地连结的多个第一链节53。第一链节53构成为大致平板形状。第一链节53通过端部位置的第一铰链部300自由弯曲地连结。第二链节列52包括多个第二链节54。第二链节54构成为横截面コ字形的槽状体或者ロ字形的筒状体。第二链节54通过底板端部位置的第二铰链部400自由弯曲地连结。第二链节列52的弯曲，在第二链节54的侧板的端面彼此抵接的位置被限制。在该位置第二链节列52直线地排列。第一、第二铰链部300、400后面详细描述。第一链节列51的头部的第一链节53和第二链节列52的头部的第二链节54通过结合链节55连接。例如，结合链节55具有合成第一链节53和第二链节54后的形状。
第一、第二链节列51、52通过送出机构25的辊筒单元58时，相互地被辊筒59按压而接合。通过接合，第一、第二链节列51、52发挥直线的刚性，构成柱状的臂部5。驱动齿轮56和导向辊筒57一起设置在辊筒单元58的后方。驱动齿轮56与未图示的马达单元连接。马达单元产生用于使驱动齿轮56旋转的动力。第一链节53的内侧的面，即与第二链节54接合的一侧的面的宽度中间，沿连结方向形成有线性齿轮。多个第一链节53直线状地对齐排列时相邻的线性齿轮连接成直线状，从而构成长的线性齿轮。驱动齿轮56与被导向辊筒57按压的第一链节53的线性齿轮啮合。直线状连接的线性齿轮和驱动齿轮56一同构成齿轮齿条机构。驱动齿轮56顺时针旋转时，第一、第二链节列51、52从辊筒单元58朝前方被送出。驱动齿轮56逆时针旋转时，第一、第二链节列51、52朝辊筒单元58的后方被拉回。被拉回的第一、第二链节列51、52在辊筒单元58和驱动齿轮56之间被相互分离。分离的第一、第二链节51、52分别恢复到可弯曲的状态。恢复到可弯曲的状态的第一、第二链节列51、52同时同方向(内侧)地弯曲，被竖直地收纳到回转部2的内部。此时，第一链节列51以大致平行于第二链节列52且几乎对齐的状态被收纳。
臂部5的前端安装有手腕部6。手腕部6装备有第四-第六关节部j4-j6。第四-第六关节部j4-j6分别具有正交三轴的旋转轴ra4-ra6。第四关节部j4是以与伸缩中心轴ra3大致一致的第四旋转轴ra4为中心的扭转旋转关节，通过此第四关节部j4的旋转而使末端执行器摆动旋转。第五关节部j5是以垂直于第四旋转轴ra4设置的第五旋转轴ra5为中心的弯曲旋转关节，通过此第五关节部j5的旋转，使末端执行器前后地倾动旋转。第六关节部j6是以垂直于第四旋转轴ra4和第五旋转轴ra5设置的第六旋转轴ra6为中心的扭转旋转关节，通过此第六关节部j6的旋转，使末端执行器绕轴旋转。
末端执行器(手指效果器)安装在适配器7上，适配器7设置在手腕部6的第六关节部j6的旋转部下部。末端执行器是机器人具有对作业对象(工件)直接作用的功能的部分，例如，存在有对应把持部、真空吸附部、螺母锁紧工具、焊枪、喷枪等的任务的各种工具。末端执行器，通过第一、第二、第三关节部j1、j2、j3移动到任意位置，通过第四、第五、第六关节部j4、j5、j6配置为任意姿势。特别地，第三关节部j3的臂部5的伸缩距离的长度，可使末端执行器到达从基台1的接近位置至远离位置的大范围内的对象。第三关节部j3的特征是通过构成它的直动伸缩机构所实现的直线的伸缩动作及其伸缩距离的长度与以前的直动关节不同。
图4是表示用图形记号表示机械臂机构的构成。在机械臂机构中，通过构成根部三轴的第一关节部j1和第二关节部j2和第三关节部j3而实现三个位置自由度。并且，通过构成手腕三轴的第四关节部j4和第五关节部j5和第六关节部j6而实现三个姿势自由度。如图4所示，第一关节部j1的旋转轴ra1设置在竖直方向上。第二关节部j2的旋转轴ra2设置在水平方向上。第二关节部j2相对于第一关节部j1，在旋转轴ra1和与旋转轴ra1正交的轴的两个方向有偏移。第二关节部j2的旋转轴ra2与第一关节部j1的旋转轴ra1未相交。第三关节部j3的移动轴ra3设置在垂直于旋转轴ra2的方向上。第三关节部j2相对于第二关节部j2，在旋转轴ra1和与旋转轴ra1正交的轴的两个方向有偏移。第三关节部j3的旋转轴ra3与第二关节部j2的旋转轴ra2未相交。通过将多个关节部j1-j6的根部三轴的其中一个弯曲关节部改装为直动伸缩关节部j3，使第二关节部j2相对于第一关节部j1朝两个方向偏移，使第三关节部j3相对于第二关节部j2朝两个方向偏移，从而使本实施方式的机器人装置的机械臂机构，从结构上消除了奇点姿势。
图5是表示图3的手腕部6和臂部5的接合部分的结构的立体图。作为扭转旋转关节部的第四关节部j4的固定部61连接到臂部5的头部块55。固定部61虽然典型地是圆筒形，但是也可以是四角筒形、五边以上的多角筒形,也可以是长圆筒形、椭圆筒形。在此，以固定部61为圆筒形进行说明，以下，称之为圆筒架。
头部块55典型地为四角筒状体，与接合第一、第二链节53、54后的外形状近似。头部块55的前端朝向外侧突出有圆环状的法兰56。第四关节部j4的固定部，为圆筒状的圆筒架61。圆筒架61的前后端，分别朝向外侧突出有圆环状的法兰(凸缘部)62、63。圆筒架61的后端的法兰62与头部块55的法兰56通过螺栓和螺母结合，由此圆筒架61(第四关节部j4的固定部)固定到臂部5的前端。固定到臂部5的前端的圆筒架61的内部空腔与头部块55的内部空腔连通。此连通的空腔部分收纳着由马达和齿轮箱组成的马达单元64，马达单元64产生用于驱动第四关节部j4的动力。马达单元64嵌入到圆筒架61的内部并固定。如此地，将第四关节部j4的马达单元64收纳到从臂部5到圆筒架61(第四关节部j4的固定部)的内部空腔的结构，与将马达单元64固定到圆筒架61的外周面的结构、将马达单元64固定到旋转部侧的结构相比，有助于第四关节部j4的小型化及轻量化。这降低了由施加到支撑臂部5的辊筒单元58的力矩所产生的负荷。马达单元64的输出轴65与作为第四关节部j4的旋转部、例如长条形状的架66直接连结。将马达单元64的输出轴65与旋转板(旋转部)66直接连结，无需在圆筒架(固定部)61和旋转板(旋转部)66之间的旋转关节结构，可以使第四关节部j4的结构简易化。
(防止脱落机构)
手腕部6通过与第四关节部j4的旋转部直接连结的马达单元64的输出轴65，相对于臂部5被保持。这一方面如上所述地使第四关节部j4的结构简易化，另一方面，一旦当输出轴65由于长年劣化等的原因而折断时，会产生手腕部6从臂部5脱落的风险。作为本实施方式的旋转关节机构的第四关节部j4，包括防止回转部相对于固定部脱落的防止脱落机构。
图6是表示本实施方式的扭转旋转关节机构j4的结构的立体图。图7是图6的扭转旋转关节机构j4的侧视图。图8是图7的扭转旋转关节机构j4的a-a剖视图。图9是表示图6的扭转旋转关节机构j4的防止脱落板68-1、68-2的平面图。
防止脱落机构包括一对防止脱落部67-1、67-2。一对防止脱落部67-1、67-2安装在旋转板66的后端面(第四关节部j4的旋转部侧)。防止脱落部67-1、67-2包括防止脱落板68-1、68-2，和固定在旋转板66上的l字形的支撑板69-1、69-2。实际上，防止脱落部67-1、67-2通过金属板在两个位置处沿反方向弯曲成直角而形成。防止脱落板68-1、68-2的前端的边缘部形成有圆弧状的凹形，该凹形形成与圆筒架61的外周面同心的同心圆的一部分。其圆弧的中心角，典型地为从60度至120度的范围选择的角度。防止脱落板68-1、68-2具有与其前端的边缘部的圆弧中心角对应的宽度。防止脱落板68-1、68-2的后端与支撑板69-1、69-2的前端连结。支撑板69-1、69-2的宽度与防止脱落板68-1、68-2的后端部分的宽度大致相等。支撑板69-1、69-2的高度，高于从旋转板66的后端面到圆筒架61的法兰63的后端面的距离。支撑板69-1、69-2的后端部分通过螺丝等的紧固件与旋转板66紧固，由此一对防止脱落部67-1、67-2安装到旋转板66。
一对防止脱落部67-1、67-2安装到旋转板66的后端面，以使其防止脱落板68-1、68-2与旋转板66夹持圆筒架61的前端的法兰63。防止脱落板68-1、68-2的位置关系设置为与圆筒架61的横截面平行，并且夹持圆筒架61，且相对于其中心轴对称。防止脱落板68-1、68-2的圆弧状的边缘部与圆筒架61的外周面相对。防止脱落板68-1、68-2的前端边缘部与圆筒架61的外周面之间，开设有稍微一点间隙。
通过上述所说明的防止脱落机构，就算在输出轴65由于某些原因而折断，与圆筒架61的轴向关联的旋转板66的移动也会通过安装在旋转板66的防止脱落板68-1、68-2与圆筒架61的前端的法兰63抵接而被限制。通过使安装在旋转板66的防止脱落板68-1、68-2的圆弧状的前端边缘部，以120度至240度的范围的任意一个的角度范围、优选地超过180度的角度范围，覆盖圆筒架61的外周，从而使与圆筒架61的半径方向关联的旋转板66的移动也被限制。因此，通过防止脱落部67-1、67-2，避免了旋转板(旋转部)66从圆筒架(固定部)61脱落。避免了手腕部6从臂部5脱落。
另外，防止脱落机构并不限于此。图10是表示图9的防止脱落板68-1、68-2的其他例子的图。在此，虽然防止脱落板68-1、68-2的前端的边缘部的圆弧的中心角，典型地为从60度至120度的范围内所选择的角度，但是并非否定圆弧的中心角超过120度的情况。如果圆弧的中心角为120度至不到180度的范围的话，例如图10(a)所示，防止脱落板68-1、68-2的前端的边缘部的圆弧的中心角也可以是不足180度。
并且，防止脱落机构虽然包括一对防止脱落部67-1、67-2，但是防止脱落部也可以是单个或者三个以上。如图10(b)所示，防止脱落机构也可以包括单个的防止脱落部67-3。防止脱落板68-3的前端的边缘部的圆弧的中心角，为超过180度且不到360度的范围内选择的角度，优选地，为使得从圆弧的一端到另一端的直线距离l小于圆筒架61的直径r的必要的角度。如图10(c)所示，防止脱落机构也可以包括三个防止脱落部67-4、67-5、67-6。防止脱落部67-4、67-5、67-6在圆筒架61的同心圆上等间隔地分开设置。防止脱落板68-4、68-5、68-6，其前端的边缘部也可以不是圆弧形状，并且其宽度也可以较窄。
进一步地在上述中，虽然说明了一对防止脱落部67-1、67-2安装在旋转部(旋转板)66上，圆环体(法兰)63安装在固定部(圆筒架)61上，但是，如图11所示，也可以将一对防止脱落部70-1、70-2安装在固定部(圆筒架)61上，将圆环体(法兰)74安装在旋转部(旋转板)66上。通过圆筒形的台座73将圆环体74从旋转板66的后端面稍微设置间隔地固定。将防止脱落板71-1、71-2从圆筒架66的前端通过支撑板72-1、72-2而固定，以使得其从圆筒架66的前端朝前方突出。防止脱落板71-1、71-2的前端的边缘部形成有圆弧状的凹形，该凹形形成与圆筒形台座73的外周面同心的同心圆的一部分。其圆弧的中心角，典型地为从60度至120度的范围中选择的角度。防止脱落板71-1、71-2具有与其前端的边缘部的圆弧中心角对应的宽度。
一对防止脱落部70-1、70-2安装到圆筒架61的前端，以使得其防止脱落板71-1、71-2被夹持在旋转板66和圆环体74之间。
这样的结构，即使输出轴65由于某些原因而折断，通过防止脱落部70-1、70-2也能避免旋转板(旋转部)66从圆筒架(固定部)61脱落，由此避免手腕部6从臂部5脱落。
进一步地，此防止脱落机构并非限定只适用于扭转旋转关节机构，也适用于通过悬臂支撑旋转部并使其相对于固定部自由旋转的通常所说的悬臂旋转机构。即，在固定部和旋转部中的一者设置圆环体，在固定部和旋转部中的另一者的端面安装一个或者两个以上的防止脱落部，以将其圆环体夹持在固定部和旋转部中的另一者的端面之间。
虽然说明了本发明的若干个实施方式，这些实施方式作为示例而提示，并不意图限定发明的保护范围。这些实施方式，可以以其他各种方式实施，在不脱离发明的要旨的范围下，可做各种省略、置换、变更。这些实施方式或者其变形，包含在发明的保护范围和要旨的同时，和记载在权利要求的保护范围的发明，包含有均等的保护范围。
符号的说明
5、臂部；53、第一链节；54、第二链节；55、头部块；6、手腕部；61、圆筒架(第四关节部j4的固定部)；56、62、63、法兰(凸缘部)；64、马达单元；65、输出轴；66、旋转板(第四关节部j4的旋转部)；67-1、67-2、防止脱落部；68-1、68-2、防止脱落板；69-1、69-2、支撑架。