JP6863582B2 - ロボットアームカップリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームカップリング装置に関するものである。

ロボットアームの先端にロボットアームカップリング装置を介して種々の工具（ツール）を取付けて種々の作業を行うことが広く行われている。種々の工具としては、溶接トーチ、塗装用ガン、接着剤を塗布する接着剤用ガン、成形機からの成形品の取出し用チャック装置、種々の部品を掴むチャック装置等である。

前記ロボットアームカップリング装置は、ロボットアームの先端部に装備されるマスタープレートと、このマスタープレートに連結可能でツールが付設されるツールプレートと、マスタープレートにツールプレートを連結解除可能に連結するロック機構とを有する。 前記ロック機構は、複数の鋼球を組み込んだボール式ロック機構、複数のローラを組み込んだローラ式ロック機構、回動カムや回動爪等を組み込んだカム式ロック機構等が公知である。

前記ロック機構は、通常流体圧シリンダにより複数の係合具（鋼球やローラ）を径方向に移動させることで、ロック位置とアンロック位置に亙って切換える。その流体圧シリンダとして、環状の流体圧シリンダではない通常の構造の流体圧シリンダを採用する関係上、流体圧シリンダは、マスタープレートとツールプレートの中央側部分に配置されている。そのため、複数の係合具を径方向外方へ移動させることで、アンロック位置からロック位置に切換える構造が一般に採用されている。

特許文献１のロボットアームカップリング装置では、マスタープレート側からツールプレート側へ加圧エアを供給する為の配管部材が、マスタープレートとツールプレートの外径側へ突出状に設けられている。

特許文献２のロボットアームカップリング装置では、第１ユニット（マスタープレート）の下面に第２ユニット（ツールプレート）が連結され、第２ユニットの外周面の複数部位から外径側へ電気ケーブルや電源ケーブルが突出する状態に取付けられている。

特許文献３のロボットアームカップリング装置では、ボール式ロック機構が採用され、鋼球に接する部位の面圧を下げる為にボール収容溝に鋼球を収容する構成を採用している。

特開２００９−２３０５０号公報 特開２０１５−２１３９６４号公報 国際公開ＷＯ２００４／１１３０３１号公報

前記流体圧シリンダをマスタープレートとツールプレートの中央側部分に配置する関係上、マスタープレートとツールプレートの中央側部分に、流体圧供給管や電気ケーブルを配置するスペースを確保しにくくなり、それら流体圧給排配管や電気ケーブルをマスタープレートとツールプレートの外周寄り部位や外周外空間に配置する場合が多い。

特許文献1 ，２のロボットアームカップリング装置では、マスタープレートやツールプレートの外径側に配管や電気ケーブルが突出しているため、ロボットアームカップリング装置の外形寸法を正確に定めにくく、ティーチングの際に配管や電気ケーブルが邪魔になること、配管や電気ケーブルが損傷しやすくなること、等の問題がある。

特許文献３のロボットアームカップリング装置では、ボール式ロック機構の鋼球に接する部位の面圧を下げるために、鋼球を収容溝に収容する構成を採用しているため、収容溝の溝加工にコストがかかるという問題がある。

本発明の目的は、マスタープレートとツールプレートの中央側部分に流体圧供給配管や
電気ケーブル等を配置可能にしてマスタープレートとツールプレートの外周外へ突出しないようにしたロボットアームカップリング装置を提供することである。

請求項１のロボットアームカップリング装置は、ロボットアームの先端部に装備されるマスタープレートと、このマスタープレートに連結可能でツールが付設されるツールプレートと、マスタープレートにツールプレートを連結解除可能に連結するロック機構とを有するロボットアームカップリング装置において、
前記ロック機構は、前記マスタープレートの下端側部分に下端開放状に形成された係合凹部と、前記係合凹部に挿入可能に前記ツールプレートの上端側部分に形成された係合凸部と、前記係合凹部の外周壁部に装着され且つ前記係合凸部に形成された係合部に係合するロック位置と係合しないアンロック位置に切換え可能な複数の係合具と、前記マスタープレートに形成された流体圧シリンダであって複数の係合具をアンロック位置からロック位置に切換え可能な流体圧シリンダとを備え、
前記マスタープレートのうちの前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、前記流体圧シリンダに流体圧を給排する少なくとも１つの流体圧通路を配置したことを特徴としている。

上記の構成によれば、前記流体圧シリンダに流体圧を給排する少なくとも１つの流体圧通路を前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に配設し、マスタープレートの外周外に突出しないように配設することができる。

請求項２のロボットアームカップリング装置は、請求項１の発明において、前記流体圧シリンダは、複数の係合具を径方向内方へ移動させることでアンロック位置からロック位置に切換える環状の流体圧シリンダからなることを特徴としている。

上記の構成によれば、前記流体圧シリンダを環状の流体圧シリンダで構成したため、複数の係合具を径方向内方へ移動させることでアンロック位置からロック位置に切換えることができる。しかも、環状の流体圧シリンダの中心側空間に流体圧通路や導電線を配置するスペースを確保することができる。

請求項３のロボットアームカップリング装置は、請求項１又は２の発明において、前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、ロボットアーム側からツール側へ流体圧を供給可能な１又は複数の流体圧給排路を配置したことを特徴としている。
上記の構成によれば、１又は複数の流体圧給排路を前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に配置することができ、マスタープレートやツールプレートの外周外に突出しないように配設することができる。

請求項４のロボットアームカップリング装置は、請求項１又は２の発明において、前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、ロボットアーム側とツール側との間で電力又は電気信号を授受する為の１又は複数の導電線を配置したことを特徴としている。
上記の構成によれば、１又は複数の導電線を前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に配置することができ、マスタープレートやツールプレートの外周外に突出しないように配設することができる。

請求項５のロボットアームカップリング装置は、請求項２の発明において、前記係合具は鋼球からなり、前記係合凹部の外周壁部には、複数の鋼球を周方向に密に並べて収容可能な環状隙間であって１対の環状テーパ面を対向させて形成された環状隙間が形成され、前記環状隙間は前記外周壁部本体と外周壁部の先端側部分を分割した先端側分割部材とで形成されたことを特徴としている。

上記の構成によれば、複数の鋼球を環状に配置し、複数の鋼球を周方向に密に並べるため、鋼球の数も多くなり、鋼球と接触する接触面の面圧も小さくなる関係上、１対の環状テーパ面を対向させて形成された環状隙間に、複数の鋼球を周方向に密に並べて収容することができる。鋼球との接触面の面圧を下げるために収容溝を形成する必要がないため、製作費を低減可能である。

請求項６のロボットアームカップリング装置は、請求項５の発明において、前記流体圧シリンダは前記マスタープレートの外周寄り部位に形成され、前記複数の鋼球は前記マスタープレートの外周寄り部位に配置されたことを特徴としている。
上記の構成によれば、前記流体圧シリンダが環状の流体圧シリンダであってマスタープレートの外周寄り部位に形成されているため、流体圧シリンダの受圧面積を大きくして流体圧シリンダの駆動力を強くすることができる。前記複数の鋼球を前記マスタープレートの外周寄り部位に配置するため、鋼球の数を多くし、鋼球を受ける部位の面圧を下げることができる。

請求項７のロボットアームカップリング装置は、請求項３の発明において、前記流体圧給排路は、マスタープレート内に形成された第１通路と、ツールプレート内に形成された第２通路と、前記第１，第２通路を接続可能なカップリング機構とを有することを特徴としている。
上記の構成によれば、ロボットアームカップリング装置を接続する際に、第１，第２通路をカップリング機構を介して接続することができる。

請求項８のロボットアームカップリング装置は、請求項４の発明において、前記導電線は、前記マスタープレートに前記ツールプレートを前記ロック機構により連結した際に電気的に接続されるコネクタを備えていることを特徴としている。
上記の構成によれば、ロボットアームカップリング装置を接続する際に、導電線をコネクタを介して接続することができる。

本願の発明によれば、上記のような種々の効果が得られる。

本発明の実施形態に係るロボットアームカップリング装置の縦断面図である。 ロボットアームカップリング装置の横断面図である。 ロボットアームカップリング装置（アンロック状態）の縦断面図である。 ロボットアームカップリング装置（ロック状態）の縦断面図である。 流体圧給排路の要部拡大断面図である。 実施形態２に係るロボットアームカップリング装置の縦断面図である。

次に、本発明を実施するための実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１〜図５に示すように、ロボットアームカップリング装置１は、ロボットアーム２の先端部に装備されるマスタープレート３と、このマスタープレート３に連結可能でツールが付設されるツールプレート４と、マスタープレート３にツールプレート４を連結解除可能に連結するロック機構６とを有する。

マスタープレート３は、所定の厚さを有し且つ中心側部分に円筒状の貫通孔８が形成された環状部材１１と、この環状部材１１の外周側を囲むリング部材１２とを備えている。
リング部材１２は、外周面を有するリング壁１２ａと、このリング壁１２ａと一体の環状板１２ｂとを有する。環状板１２ｂはマスタープレート３の外周側部分の上端部に配設され、環状板１２ｂの外周端部とリング壁１２ａの上端部は一体形成されている。

環状部材１１の外径側部位と環状板１２ｂの内径側部位とに挿通された例えば６本のボルト１３により、環状部材１１とリング部材１２とがロボットアーム２の先端面（下端面）に固定されている。

環状部材１１の下端側部分には円形の係合凹部３ａが下端開放状に形成され、この係合凹部３ａの外周壁部１５のうちの外周壁部本体１５ａより下方の先端側部分が先端側分割部材１１ａとされ、この先端側分割部材１１ａは外周壁部下端部１５ｂと水平壁部と外径側縦壁部を有する。この外周壁部１５はマスタープレート３の外周寄り部位に位置している。外周壁部本体１５ａと外周壁部下端部１５ｂとの間に、複数の鋼球１６を収容し保持する環状隙間１７が形成され、先端側分割部材１１ａはリング壁１２ａに上方から挿通させた例えば６本のボルト１８によりリング壁１２ａに固定されている。

ツールプレート４は、所定の厚さの円板部材から形成されて中心側部分に円筒状の貫通孔９が形成され、ツールプレート４の上端側部分には係合凹部３ａに下方から挿入可能な係合凸部４ａが形成され、ツールプレート４の外径側部分には、先端側分割部材１１ａの下面に当接可能なフランジ部４ｂが形成され、このフランジ部４ｂが例えば６本のボルト１９により、ツールプレート４の下面に固定されたツール保持部材５の上面に固定されている。係合凸部４ａの上端部分には外径側へ張り出した環状係合部４ｃが形成されている。

ロック機構６は、係合凹部３ａと、係合凸部４ａと、係合凹部３ａの外周壁部１５に装着され且つ環状係合部４ｃに係合するロック位置と係合しないアンロック位置に切換え可能な複数の鋼球１６（係合具に相当する）と、マスタープレート３に形成された流体圧シリンダ２０であって複数の鋼球１６をアンロック位置とロック位置とに亙って切換え可能な流体圧シリンダ２０とを備えている。

この流体圧シリンダ２０は、複数の鋼球１６を径方向内方へ移動させることでアンロック位置からロック位置に切換える環状の流体圧シリンダからなる。
この流体圧シリンダ２０は、マスタープレート３の外周寄り部位に形成されている。この流体圧シリンダ２０は、環状のシリンダ孔２１と、環状のピストン部材２２と、ロック用流体室２１ａと、アンロック用流体室２１ｂと、後述する２本の流体圧通路２３，２４とを有する。

シリンダ孔２１は、マスタープレート３の環状部材１１とリング部材１２とで断面Ｌ形に形成されている。ピストン部材２２は、環状のピストン部２２ａと、このピストン部２２ａの外径側部分の下端から下方へ延びる環状のロッド部２２ｂとを有する。ピストン部材２２の内周部には２本のシール部材ａ，ｂが装着され、ピストン部材２２の外周部には１本のシール部材ｃが装着されている。

ロッド部２２ｂの下端部分の内周面には、下方へ移行する程径が大きくなる環状湾曲面２２ｃが形成され、ピストン部材２２を下方へ駆動すると、環状湾曲面２２ｃが複数の鋼球１６を外径側のアンロック位置から内径側のロック位置へ押動する。

係合凹部３ａの外周壁部１５に形成された環状隙間１７に複数の鋼球１６を周方向に密に並べて収容可能になっている。環状隙間１７は、外周壁部本体１５ａの下端の環状テーパ面１７ａと、外周壁部下端部１５ｂの上端の環状テーパ面１７ｂとを上下に対向させて形成されている。尚、前記テーパ面１７ａは内径側ほど低くなるように傾斜し、前記テーパ面１７ｂは内径側ほど高くなるように傾斜しており、鋼球１６が環状隙間１７から内径側へ脱落しないように形成されている。

図３に示すように、アンロック用流体室２１ｂに流体圧を充填してピストン部材２２を上昇させたアンロック状態のとき、流体圧シリンダ２０のピストン部材２２は上限位置にあり、複数の鋼球１６は最大限外径側に位置し、外周壁部１５の内周面から内径側へ突出することはない。図４に示すように、ロック用流体室２１ａに流体圧を充填してピストン部材２２を下降させたロック状態のとき、複数の鋼球１６は、ロッド部２２ｂの環状湾曲面２２ｃで最大限内径側に押動され、外周壁部１５の内周面よりも内径側へ部分的に突出し、環状係合部４ｃの下向き傾斜面に係合して、このロボットアームカップリング装置１を連結状態にする。

次に、前記流体圧シリンダ２０に流体圧を給排する２つの流体圧通路２３，２４について説明する。図３、図４に示すように、ロボットアーム２の内部の中心側部分には貫通孔８よりも大径の中空孔７が形成されている。
第１の流体圧通路２３は、中空孔７内に導設され且つ流体圧供給源に接続された管材２３ａと、この管材２３ａの下端に接続され且つ環状部材１１のネジ穴に螺合接続された管継手２３ｂと、ネジ穴をロック用流体室２１ａに接続するように環状部材１１に形成された小径通路２３ｃとを有する。

第２の流体圧通路２４は、中空孔７内に導設され且つ流体圧供給源に接続された管材２４ａと、この管材２４ａの下端に接続され且つ環状部材１１のネジ穴に螺合接続された管継手２４ｂと、ネジ穴をアンロック用流体室２１ｂに接続するように環状部材１１に形成された小径通路２４ｃとを有する。流体圧シリンダ２０が環状の流体圧シリンダであるため、第１，第２の流体圧通路２３，２４は、マスタープレート３のうちの複数の鋼球１６及び流体圧シリンダ２０よりも内径側に配置することができる。

次に、ロボットアーム側からツール側へ流体圧を供給可能な同構造の２つの流体圧給排路２５について図１に基づいて説明する。尚、２つの流体圧給排路２５に限定されず、１つの流体圧給排路２５を設けてもよく、３つ以上の流体圧給排路２５を設けてもよい。

流体圧給排通路２５は、ロボットアーム２内の中空孔７内に導設され且つ流体圧供給源に接続された管材２６と、この管材２６の下端に接続された管継手２７と、マスタープレート３内に形成され且つ管継手２７に接続された第１通路２８と、ツールプレート４内に形成された第２通路３０と、第１通路２８に介装されて第１，第２通路２８，３０を接続可能なカップリング機構２９と、ツール保持部材５内の中空孔１０内に導設された管材３２と、この管材３２の上端に接続され且つ第２通路３０に接続された管継手３１とを備えている。

前記カップリング機構２９は、バネ収容孔２９ａと、バネ収容孔２９ａに収容された圧縮バネ２９ｂと、バネ収容孔２９ａから下方へ延びた円筒孔２９ｃと、この円筒孔２９ｃに可動に装着された可動子２９ｄであって圧縮バネ２９ｂにより下方へ付勢され且つ中心部に小径通路２９ｅを有する可動子２９ｄとを備えている。

前記可動子２９ｄの上部の外周と下端部にはシール部材ｄ，ｅが装着されている。可動子２９ｄはその中段部の外周部に装着された止め輪２９ｆにより円筒孔２９ｃから脱落しないようになっている。ロボットアームカップリング装置１を接続したとき、可動子２９ｄがツールプレート４の上面に当接し、第１通路２８の下端が第２通路３０の上端に流体密状に接続される。

以上説明したロボットアームカップリング装置１の作用、効果について説明する。
流体圧シリンダ２０に流体圧を給排する２つの流体圧通路２３，２４を複数の鋼球１６及び流体圧シリンダ２０よりも内径側に配設したため、流体圧通路２３，２４がマスタープレート３の外周外に突出しないように配設することができる。

流体圧シリンダ２０を環状の流体圧シリンダで構成したため、複数の鋼球１６を径方向内方へ移動させることでアンロック位置からロック位置に切換えることができる。しかも、環状の流体圧シリンダ２０の中心側空間に流体圧供給通路や導電線を配置するスペースを確保することができる。

２つの流体圧給排路２５を複数の鋼球１６及び流体圧シリンダ２０よりも内径側に配置したため、２つの流体圧給排路２５がマスタープレート３やツールプレート４の外周外に突出しないように配設することができる。

複数の鋼球１６を環状隙間１７に環状に配置し、複数の鋼球１６を周方向に密に並べるため、鋼球１６の数も多くなり、鋼球１６と接触する接触面の面圧も小さくなる関係上、１対の環状テーパ面１７ａ，１７ｂを対向させて形成された環状隙間１７に、複数の鋼球１６を周方向に密に並べて収容することができる。鋼球１６との接触面の面圧を下げるために収容溝を形成する必要がないため、製作費を低減可能である。

流体圧シリンダ２０が環状の流体圧シリンダであるため、流体圧シリンダ２０をマスタープレート３の外周寄り部位に配置し、複数の鋼球１６をマスタープレート３の外周寄り部位に配置することができる。

前記流体圧給排路２５は、マスタープレート３内に形成された第１通路２８と、ツールプレート４内に形成された第２通路３０と、第１，第２通路２８，３０を接続可能なカップリング機構２９とを有し、ロボットアームカップリング装置１を接続する際に、第１，第２通路２８，３０をカップリング機構２９を介して接続することができる。

次に、変更形態に係るロボットアームカップリング装置１Ａについて説明する。
但し、前記実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略し、異なる構成要素についてのみ説明する。
図６に示すように、複数の鋼球１６及び流体圧シリンダ２０よりも内径側に、ロボットアーム側とツール側との間で電力又は電気信号を授受する為の複数の導電線を束にした導電線束４０が配置されている。

前記導電線束４０は、中空孔７とマスタープレート３内の貫通孔８内に配設された第１導電線束４１と、ツールプレート４内の貫通孔９とツール保持部材５内の中空孔１０内に配設された第２電線束４２と、マスタープレート３にツールプレート４をロック機構６により連結した際に第１，第２導電線束４１，４２を接続するコネクタ４３とを有する。

前記コネクタ４３は、環状部材１１の貫通孔８に張り出したフランジ部１１ａで位置規制された雄側コネクタ４３ａと、ツールプレート４の貫通孔９に張り出したフランジ部４ｆで位置規制された雌側コネクタ４３ｂとを有する。ロボットアームカップリング装置１Ａを接続する際に、第１，第２導電線束４１，４２をコネクタ４３を介して接続することができる。

更に、このロボットアームカップリング装置１Ａでは前記流体圧シリンダ２０が変更されている。この流体圧シリンダ２０Ａでは、ロック用流体室が省略されて大気開放室２１ｃとされている。ピストン部２２ａに上端が大気開放室２１ｃに開放された環状溝４５が形成され、この環状溝４５に圧縮スプリング４６が装着され、この圧縮スプリング４６の弾性力でロック機構６Ａをロック状態に保持可能になっている。なお、アンロック用流体室２１ｂに供給する流体圧によりアンロック状態に切換えるように構成されている。

上記の圧縮スプリング４６は１つのコイルスプリングで構成してもよく、また、複数のコイルスプリングで構成してもよい。
圧縮スプリング４６の弾性力でロック状態に保持するため、流体圧のリークが発生しても、ロボットアームカップリング装置１Ａの連結状態が保持される。

前記の実施形態を部分的に変更する例について説明する。
１）流体圧シリンダとして、加圧エアで駆動する形式のエアシリンダが望ましいが、油圧（圧縮油）で駆動する形式の油圧シリンダも採用可能である。

２）前記外周壁部１５の先端側分割部材１５ｂに代えて、外周壁部１５を一体的に形成し、その外周壁部１５に適当間隔おきに水平方向向きのテーパ孔からなる複数の鋼球保持孔を形成し、それら鋼球保持孔に鋼球１６を可動に装着してもよい。

３）前記鋼球１６の代わりに、ローラやコロを採用してもよく、また、回動カムや回動爪を採用してもよい。

４）その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそれらをも包含するものである。

１，１Ａ ロボットアームカップリング装置
２ ロボットアーム
３ マスタープレート
３ａ 係合凹部
４ ツールプレート
４ａ 係合凸部
４ｃ 環状係合部
６，６Ａ ロック機構
１１ａ 先端側分割部材
１５ 外周壁部
１５ａ 外周壁部本体
１５ｂ 外周壁部下端部
１６ 鋼球（係合具）
１７ 環状隙間
１７ａ，１７ｂ 環状テーパ面
２０，２０Ａ 流体圧シリンダ
２３，２４ 流体圧通路
２５ 流体圧給排路
２８ 第１通路
２９ カップリング機構
３０ 第２通路
４０，４２ 第１，第２導電線束
４３ コネクタ

Claims (8)

1. ロボットアームの先端部に装備されるマスタープレートと、このマスタープレートに連結可能でツールが付設されるツールプレートと、マスタープレートにツールプレートを連結解除可能に連結するロック機構とを有するロボットアームカップリング装置において、
   前記ロック機構は、
   前記マスタープレートの下端側部分に下端開放状に形成された係合凹部と、
   前記係合凹部に挿入可能に前記ツールプレートの上端側部分に形成された係合凸部と、 前記係合凹部の外周壁部に装着され且つ前記係合凸部に形成された係合部に係合するロック位置と係合しないアンロック位置に切換え可能な複数の係合具と、
   前記マスタープレートに形成された流体圧シリンダであって複数の係合具をアンロック位置からロック位置に切換え可能な流体圧シリンダとを備え、
   前記マスタープレートのうちの前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、
   前記流体圧シリンダに流体圧を給排する少なくとも１つの流体圧通路を配置したことを特徴とするロボットアームカップリング装置。
2. 前記流体圧シリンダは、複数の係合具を径方向内方へ移動させることでアンロック位置からロック位置に切換える環状の流体圧シリンダからなることを特徴とする請求項１に記載のロボットアームカップリング装置。
3. 前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、ロボットアーム側からツール側へ流体圧を供給可能な１又は複数の流体圧給排路を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットアームカップリング装置。
4. 前記複数の係合具及び流体圧シリンダよりも内径側に、ロボットアーム側とツール側との間で電力又は電気信号を授受する為の１又は複数の導電線を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットアームカップリング装置。
5. 前記係合具は鋼球からなり、
   前記係合凹部の外周壁部には、複数の鋼球を周方向に密に並べて収容可能な環状隙間であって１対の環状テーパ面を対向させて形成された環状隙間が形成され、
   前記環状隙間は前記外周壁部本体と外周壁部の先端側部分を分割した先端側分割部材とで形成されたことを特徴とする請求項２に記載のロボットアームカップリング装置。
6. 前記流体圧シリンダは前記マスタープレートの外周寄り部位に形成され、
   前記複数の鋼球は前記マスタープレートの外周寄り部位に配置されたことを特徴とする請求項５に記載のロボットアームカップリング装置。
7. 前記流体圧給排路は、マスタープレート内に形成された第１通路と、ツールプレート内に形成された第２通路と、前記第１，第２通路を接続可能なカップリング機構とを有することを特徴とする請求項３に記載のロボットアームカップリング装置。
8. 前記導電線は、前記マスタープレートに前記ツールプレートを前記ロック機構により連結した際に電気的に接続されるコネクタを備えていることを特徴とする請求項４に記載のロボットアームカップリング装置。

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