JP2000225591A - 産業用ロボットの手首装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角度を有する手首軸の回転伝達として歯車を
使用せず、歯車間の隙間によるロボットの性能を損なう
ことがなく、かつ100Kgf以上の可搬ロボットにおいても
中空通路を有する手首構造を可能とし、経年の使用にお
いても性能の劣化しない産業用ロボットの手首装置を提
供。 【解決手段】ロボット上腕に同軸で管状の第１、第２、
第３の駆動軸 10、20、30を有し、第２の駆動軸20と駆動
軸線1 に対し角度を持った第１の従動軸線2 の回りに回
転可能に支持された第１の従動軸22との間、及び第２の
駆動軸20と第１の従動軸線2 に対し角度を持った第１の
従動軸線2 の回りに回転可能に支持された第１の従動軸
22との間、をそれぞれ円環25、32、35及び円環上に周方向
に90°ずつずらした４個の軸20a,25a,32a,33a,34a 、中
間軸33を介した自在継手で連結。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボットの手首装
置に関し、産業用ロボット先端に取付けられる作業工具
等に供給されるエアー、水、電気等の配管、配線を手首
装置内に配置することを可能にする産業用ロボットの手
首装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の産業用ロボットの先端に取付けら
れた作業工具等に供給されるエアー、水、電気等の供給
手段を手首内を通過させる手首装置としては、特公平4-
46720号、特開平8-229874号公報に記載されたものがあ
る。これらの装置は互いに角度を有する軸の回転を伝達
するため中心を中空とした歯車を利用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術において角度
を有する軸の回転伝達として歯車を利用しているが、歯
車には当然、歯車間の隙間が存在しロボットの性能を損
なう。またロボットの性能に関し当初は問題なくても、
経年の使用により歯車の歯面が摩耗し歯車の隙間が増大
しロボットの性能を損なう問題がおきてくる。このため
歯車の定期的な点検、交換が必要になる。また、従来技
術の手首装置は30Kgf 以下の可搬重量ロボットに適用さ
れ、可搬重量が100Kgf以上のロボットでは歯車の摩耗が
大きな問題となり、歯車を利用した中空を有する手首装
置は困難とされている。本発明の課題は、角度を有する
手首軸の回転伝達として歯車を使用せず、歯車間の隙間
によるロボットの性能を損なうことがなく、かつ100Kgf
以上の可搬ロボットにおいても中空通路を有する手首構
造を可能とし、経年の使用においても性能の劣化しない
産業用ロボットの手首装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、産業用ロボットの上腕内にほぼ同一の駆動軸線の回
りに配置してなり、それぞれ独立に回転可能に配置され
た管状の外から順に第１、第２、第３の駆動軸を有し、
前記第１の駆動軸に第１の手首部を固定し、前記第２の
駆動軸と、前記駆動軸線に対し任意の角度を持った第１
の従動軸線の回りに回転可能に前記第１の手首部に支持
された第１の従動軸とを、駆動軸線と第１の従動軸線と
の交点を軸心とする第１の円環と第１の円環上に周方向
に90°ずつずらした４個の軸とを介した自在継手で、連
結し、前記第１の従動軸の他端に第２の手首部を固定
し、前記第３の駆動軸と、前記第１の従動軸線に対し任
意の角度を持った第２の従動軸線の回りに回転可能に前
記第２の手首部に支持された第２の従動軸とを、前記第
１の円環と同軸の第２の円環と第２の円環上に周方向に
90°ずつずらした４個の軸とを配置し、第１の従動軸線
と第２の従動軸との交点を軸心とする第３の円環と第３
の円環上に周方向に90°ずつずらした４個の軸とを配置
し、各前記第２の円環上と第３の円環上の対応する各２
個の軸を中間軸を介して自在継手として連結し、かつ前
記第２の従動軸の他端に工具支持部を固定したことを特
徴とする産業用ロボットの手首装置としたものである。

【０００５】請求項１項の機構ではこの種の機構にみら
れる駆動軸と従動軸の回転が等しくない問題がある。こ
の問題解決のため請求項２又は請求項３では、駆動軸と
第１の従動軸、第１の従動軸と第２の従動軸のなす角度
の１／２の角度を有する中間軸を設け駆動軸の回転を等
速に従動軸に伝えている。

【０００６】

【作用】 かかる構成により、従来技術での歯車による
伝達にみられる隙間がなく、ロボットの性能を損なうこ
とはなく、また隙間がないため摩耗の心配もなく、性能
の劣化も歯車による伝達に比べ非常に小さいものとな
る。また、100Kgf可搬以上といったロボットの手首装置
を、従来技術による歯車伝達で実施する場合、歯車のモ
ジュールを大きくする必要があり、歯車径がモジュール
に比例して大きくなり、結果として手首装置全体を大き
くする必要がある。本発明では歯車の歯部に比べ、円環
を軸支する軸の強度は充分大きく、また隙間による摩耗
もないため100Kgf以上の可搬重量に適したものでも手首
装置のコンパクト性を損なわずに適用が可能である。こ
の伝達機構により、駆動軸、従動軸、中間軸は中空とな
り、またこれらの軸を接続する円環も中空となり、駆動
軸線、中間軸線、従動軸線に沿った中空通路にエアー、
水、電気等の配管、配線の配置が可能となる。

【０００７】

【実施形態】本発明の実施形態を図１乃至図４に示す。
図１は請求項１項に示す本発明の実施形態の概略断面
図、図２は第２の駆動軸と第１の従動軸の間に第１の補
完軸を設けた請求項２項に示す本発明の実施形態の概略
断面図、図３は第３の駆動軸と第１の従動軸の間に第２
及び第３の補完軸を設けた請求項３項に示す本発明の実
施形態の概略断面図、図４は図３の第３の駆動軸、第３
の従動軸、第２の従動軸の中空部に保護カバーを設けた
実施形態の概略断面図である。

【０００８】図１において、図示しない産業用ロボット
の上腕内にほぼ同一の駆動軸線1 の回りに配置してな
り、それぞれ独立に回転可能に配置された管状の外から
順に第１、第２、第３の駆動軸 10、20、30 を有する。第
１の駆動軸10に第１の手首部11が固定され、第１の駆動
軸10が回転するときは第１の手首部11は駆動軸線1 の回
りを回転する。第２の駆動軸20は第１の駆動軸10に対し
軸受15を介して駆動軸線1 の回りに回転可能に支持され
ている。第１の手首部11に軸受16を介して第１の従動軸
22が駆動軸線1 に対し任意の角度を持った第１の従動軸
線2 の回りに回転可能に支持されている。第２の駆動軸
20は径方向２箇所に軸 20aを固定し、各軸20aは駆動軸
線1 と第１の従動軸線2 との交点を軸心とする第１の円
環25を軸受20bを介して回転可能に支持する。第１の円
環25上に各軸 20aに対し周方向に90°ずつずらした２個
の軸 25aは、点線で示す第１の従動軸22の延長部 22cに
固定され、第１の円環25上の軸受 25bを介して第１の円
環25に対し第１の従動軸22が回動可能に取付けられる。
第２の駆動軸20は第１の従動軸22に対し、軸 20a、第１
の円環25、軸 25aを介して自在継手で連結されることに
なる。第１の従動軸22の他端に第２の手首部21が固定さ
れ、第２の駆動軸20が回転すると、第１の従動軸22及び
第２の手首部21が従動回転する。

【０００９】第３の駆動軸30は第２の駆動軸20に対し軸
受26を介して駆動軸線1 の回りに回転可能に支持されて
いる。第３の駆動軸30は径方向２箇所に軸 30aを固定
し、各軸 30aは駆動軸線1 と第１の従動軸線2 との交点
を軸心とする第２の円環32を軸受 30bを介して回転可能
に支持する。第２の円環32上に各軸 30aに対し周方向に
90°ずつずらした２個の軸 32aは、第１の中間軸33の延
長部 33cに固定され、第２の円環32上の軸受 32bを介し
て第２の円環32に対し第１の中間軸33が回転可能に取付
けられる。第３の駆動軸30はは第１の中間軸33に対し、
軸 30a、第２の円環32、軸 32aを介して自在継手で連結
されることになる。第１の中間軸33は第１の従動軸22内
周と隙間をもって回転可能な大径円筒部 33eと、大径円
筒部 33eから径方向に２箇所から延びる延長部 33c、 3
3dを有し、延長部 33c、 33d端部に軸 33aが固定されて
いる。

【００１０】第１の従動軸線2 に対し、任意の角度（一
般には駆動軸線1 と第１の従動軸線2 とのなす角度に等
しいことが望ましい）で第２の従動軸線3 を設け、第２
の従動軸34が第２の従動軸線3 に対して回転可能に第２
の手首部21に軸受27を介して軸支されている。第２の従
動軸34は径方向２箇所に軸 34aを固定し、各軸 34aは第
１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 との交点を軸心とす
る第３の円環35を軸受34bを介して回転可能に支持す
る。第３の円環35上に各軸31に対し周方向に90°ずつず
らした２個の軸 33aは、第１の中間軸33の他の延長部 3
3c、33d に固定され、第３の円環35上の軸受 33bを介し
て第３の円環35に対し第１の中間軸33が回転可能に取付
けられる。第１の中間軸33は第２の従動軸34に対し、軸
33a、第３の円環35、軸 33a、を介して自在継手で連結
され、ひいては第３の駆動軸30と連結され、第３の駆動
軸30が回転すると、第２の従動軸34とそれに固定された
工具支持部31を従動回転させる。

【００１１】第２の従動軸34とそれに固定された工具支
持部31は作業工具等の取付けフランジを形成する。かか
る機構により、工具支持部12に取付けられる作業工具等
に供給されるエアー、水、電気等の配管、配線等を第３
の駆動軸30、第１の中間軸22、第２の従動軸34内を通
し、工具支持部31に連通させるため、第３の駆動軸30か
ら工具支持部31に至る内部を中空部とし、この中空部に
配管、配線等を保護する図４に示すようなフレキシブル
チューブを配置することができる。

【００１２】上記手首装置において、例として第３の駆
動軸30と第１の中間軸22、第１の中間軸22と第２の従動
軸34の回転の伝達において、駆動軸線1 と第１の従動軸
線2のなす角をα、第３の駆動軸30の回転角をθ１、第
１の中間軸22の回転角をθ２とすると以下の関係がある TANθ２＝TAN θ１・COS α――――（１） 同様に第１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 とのなす角
をβ、第１の中間軸22の回転角をθ２、第２の従動軸34
の回転角をθ３とすると TANθ３＝TAN θ２／COS β――――（２） ここでα＝βとすれば（１）、（２）式より TANθ１＝TAN θ３ ――――（３） （３）式より駆動軸線1 と第１の従動軸線2 のなす角と
第１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 とのなす角を等し
くすれば第３の駆動軸30と第２の従動軸34は等速回転す
ることが可能であり、第１の中間軸22における軸 33aと
軸 32aとの位相を等しくかつ、前記αとβを等しくする
ことが望ましい。

【００１３】図１の実施形態によれば、第２の駆動軸20
と第１の従動軸22は、第２の駆動軸20が１回転するとき
第１の従動軸22も１回転するが、等速回転はしない問題
が発生する。図２はかかる問題を解決する本発明の第２
の実施形態である。図２において、第２の駆動軸20の駆
動軸線1 と第２の従動軸線2 のなす角度の１／２となる
よう、第２の駆動軸20の駆動軸線1 と第１の従動軸線2
との交点を第１の頂点4 とし、第１の頂点4 より第２の
駆動軸20の駆動軸線1 及び従動軸線2 上にそれぞれ等し
い距離となるような各軸線上の２点 5、6を結んだ第１の
補完軸線7 を設ける（駆動軸線1 と第１の従動軸線2 の
交点4 を頂点とし、駆動軸線1 、第１の従動軸線2 、第
１の補完軸線7 は２等辺三角形を形成する）。第２の駆
動軸20と第１の従動軸23間に第１の補完軸線7 の回りを
回転可能な第２の中間軸28を設け、第２の中間軸28は一
端が第２の従動軸20に連結された第４の円環29に軸受 2
5bで回転可能に支持された軸 25aに固定され、第２の中
間軸28の他端が第１の従動軸23に連結された第４の円環
29の軸 29aに固定される。このことにより、図１の実施
形態における第３の駆動軸30と第２の従動軸34の場合と
同様に、第２の駆動軸20と第１の従動軸23とは等速回転
する。

【００１４】図１、図２の実施形態では例えば第３の駆
動軸30と第１の中間軸33、第１の従動軸23が干渉するの
で、各円環25、32、29との接続点以外は大きく切り欠いて
いる。この場合伝達系で各円環25、32、29の捩り剛性が円
筒に対し大きく劣ることになる。かかる問題を解決する
ため図３の実施例では、第１の頂点4 より駆動軸線1及
び従動軸線2 上にそれぞれ等しい距離となるような各軸
線上の２点 5、6を結んだ第１の補完軸線7 の回りに回転
可能な円筒状の第１の補完軸40を、第３の駆動軸30と第
３の従動軸24との間に設ける。第１の補完軸40は両端に
径方向に各２箇所軸 40a、40aを介して第１の補完円環 4
1、41に回転可能に支持され、各軸 40aから周方向に90°
ずつずらした２個の軸 41a、41aが各第１の補完円環 41、
41に固定され、各軸 41a、41aは軸受 41b、41bを介して第
３の駆動軸30と第３の従動軸24にそれぞれ回転可能に支
持され、ひいては第３の駆動軸30と第３の従動軸24にそ
れぞれ第１の補完軸40及び各第１の補完円環 41、41が回
転可能に支持される。第３の従動軸24は軸受42を介して
第１の従動軸22に回転可能に支持される。

【００１５】さらに、第２の駆動軸20と第１の従動軸22
との間に、第１の頂点4 より駆動軸線1 及び従動軸線2
上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上の２点
8、9を結んだ第１の補完軸線17の回りに回転可能な円筒
状の第２の補完軸50を設ける。第２の補完軸50は両端に
径方向に各２箇所軸 50a、50aを介して第２の補完円環 5
1、51に回転可能に支持され、各軸 50a、50aから周方向に
90°ずつずらした２個の軸 25a、24aが各第２の補完円環
51、51に固定され、各軸 25a、24aは軸受 51b、51bを介し
て第２の駆動軸20と第１の従動軸22にそれぞれ回転可能
に支持され、ひいては第２の駆動軸20と第１の従動軸22
にそれぞれ第２の補完軸50及び各第２の補完円環 51、51
が回転可能に支持される。また、第３の従動軸24と第２
の従動軸25の間に、第１と第２の従動軸線 2、3の交点を
第２の頂点19とし、第２の頂点19より第１と第２の従動
軸線 2、3上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上
の２点 12、13を結んだ第３の補完軸線18の回りに回転可
能な円筒状の第３の補完軸60を設ける。第３の補完軸60
は両端に径方向に各２箇所軸 60a、60aを介して第３の補
完円環 61、61に回転可能に支持され、各軸 60a、60aから
周方向に90°ずつずらした２個の軸 24a、34aが各第３の
補完円環 61、61に固定され、各軸 24a、34aは軸受 61b、6
1bを介して第３の従動軸24と第２の従動軸25にそれぞれ
回転可能に支持され、ひいては第３の従動軸24と第２の
従動軸25にそれぞれ第３の補完軸60及び各第３の補完円
環 61、61が回転可能に支持される。

【００１６】これら第１の補完軸40、第２の補完軸50及
び第３の補完軸60の円筒径を違わせることにより、例え
ば第３の駆動軸30と第１の中間軸33、第１の従動軸23が
干渉はなくそれぞれの軸を円筒で結合可能となり捩り剛
性も大幅な向上となる。この径違いの結合において各円
環は慨円環となる。また図３の実施態様では、第２の補
完軸50及び第３の補完軸60により、例えば第２、第３の
駆動軸20、30 の回転により、第２の手首部21及び工具保
持部31の回転がつれまわり速度は等速となり、制御も簡
単となる。図４は図３の第３の駆動軸30から工具支持部
31に至る内部を中空部とし、この中空部に配管、配線等
を保護するフレキシブルチューブ65を配置した実施形態
の概略断面図である。保護カバー65は、第３の駆動軸30
と第３の従動軸24との間、第３の従動軸24と第２の従動
軸3 との間が、それぞれジャバラ 66、67を介して連結さ
れている。図２においても、図３に示すような保護カバ
ーを設けることができることはいうまでもない。

【００１７】

【発明の効果】従来技術の歯車伝達方式での歯車間の隙
間によるロボット性能の損失が本発明では隙間の無い機
構で回転の伝達が可能となり、歯車伝達でみられるロボ
ット性能の損失がない。また隙間がないため、歯車でみ
られる経年の使用による歯部の摩耗によるロボット性能
の劣化もなく経年に渡って良好な性能での使用が可能で
ある。さらに力の伝達は歯車の歯より充分大きな強度の
軸によって伝達するため従来技術の手首装置より、より
コンパクトで剛性が高くより大きな負荷を手首装置の先
端に持つことが可能となる。本発明では手首装置内のエ
アー、水、電気等の配管、配線を連通した通路に通すこ
とを目的として述べたが、本目的で使用しないロボット
の手首装置において、中空とした駆動軸、中間軸、従動
軸を中実としてよりコンパクトな手首装置に修正、変更
が可能であることは明らかであり、特許請求の範囲内で
本発明を特定的に説明した以外の形で本発明を実施する
ことができることを理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１項に示す本発明の実施形態の概略断
面図である。

【図２】 第２の駆動軸と第１の従動軸の間に第１の補
完軸を設けた請求項２項に示す本発明の実施形態の概略
断面図である。

【図３】 第３の駆動軸と第１の従動軸の間に第２及び
第３の補完軸を設けた請求項３項に示す本発明の実施形
態の概略断面図である。

【図４】 図３の第３の駆動軸、第３の従動軸、第２の
従動軸の中空部に保護カバーを設けた実施形態の概略断
面図である。

【符号の説明】

1 駆動軸線 2 第１の従動軸線 3 第２の従動
軸線 4 第１の頂点 7 第１の補完軸線 10 第１の従動軸 11 第１の手首部 15,16,20b,24b,25b,30b,32b,34b,40b,41b,50b,51b,60b,
61b 軸受 20a,24a,25a,30a,32a,34a,40a,41a,50a,51a,60a,61a
軸 17 第２の補完軸線 18 第２の補完軸線 19 第２の
頂点 20 第２の従動軸 21 第２の手首部 22,23 第１の従動軸 24 第３の従動軸 25 第１の円環 28 第２の中間軸 29 第４の円環 30 第３の従動軸 31 工具支持部 32 第２の円環 33 第１の中間軸 34 第２の従動軸 40 第１の補完軸 41 第１の補完円環 50 第２の補完軸 51 第２の補完円環 60 第３の補完軸 61 第３の補完円環 65 保護カバー 66、67 ジャバラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 産業用ロボットの上腕内にほぼ同一の駆
   動軸線の回りに配置してなり、それぞれ独立に回転可能
   に配置された管状の外から順に第１、第２、第３の駆動
   軸を有し、前記第１の駆動軸に第１の手首部を固定し、 前記第２の駆動軸と、前記駆動軸線に対し任意の角度を
   持った第１の従動軸線の回りに回転可能に前記第１の手
   首部に支持された第１の従動軸とを、駆動軸線と第１の
   従動軸線との交点を軸心とする第１の円環と第１の円環
   上に周方向に90°ずつずらした４個の軸とを介した自在
   継手で、連結し、前記第１の従動軸の他端に第２の手首
   部を固定し、 前記第３の駆動軸と、前記第１の従動軸線に対し任意の
   角度を持った第２の従動軸線の回りに回転可能に前記第
   ２の手首部に支持された第２の従動軸とを、前記第１の
   円環と同軸の第２の円環と第２の円環上に周方向に90°
   ずつずらした４個の軸とを配置し、第１の従動軸線と第
   ２の従動軸との交点を軸心とする第３の円環と第３の円
   環上に周方向に90°ずつずらした４個の軸とを配置し、
   各前記第２の円環上と第３の円環上の対応する各２個の
   軸を中間軸を介して自在継手として連結し、かつ前記第
   ２の従動軸の他端に工具支持部を固定したことを特徴と
   する産業用ロボットの手首装置。
2. 【請求項２】 前記第２の駆動軸の駆動軸線と第１の従
   動軸線との交点を第１の頂点とし、前記第１の頂点より
   第２の駆動軸の駆動軸線及び第１の従動軸線にそれぞれ
   等しい距離となるような前記各軸線上の２点を結んだ第
   １の補完軸線を設け、前記第２の駆動軸と第１の従動軸
   の間に前記第１の中間軸線の回りを回転可能な第１の補
   完軸を設け、第１の補完軸は両端に一対の第１の補完円
   環を配置し、前記第１の補完円環及び第１の補完円環従
   動軸上に周方向に90°ずつずらした４個の軸とを介し、
   第２の駆動軸及び第１の従動軸とを自在継手として連結
   したことを特徴とする請求項１項記載の産業用ロボット
   の手首装置。
3. 【請求項３】 前記第３の駆動軸の駆動軸線と第１の従
   動軸線との交点を第２の頂点とし、前記第２の頂点より
   第２の駆動軸の駆動軸線及び第１の従動軸線にそれぞれ
   等しい距離となるような前記各軸線上の２点を結んだ第
   ２の補完軸線を設け、前記第３の駆動軸と前記第１の従
   動軸に軸受を介して回転可能に支持された第３の従動軸
   の間に、前記第２の補完軸線の回りを回転可能な第２の
   補完軸を設け、第２の補完軸は両端に一対の第２の補完
   円環を配置し、前記第２の補完円環及び第２の補完円環
   従動軸上に周方向に90°ずつずらした４個の軸とを介
   し、前記第３の駆動軸と第２の補完軸とを自在継手とし
   て連結し、 かつ前記第１の従動軸線と第２の従動軸線との交点を第
   ２の頂点とし、前記第２の頂点より第１の従動軸線と第
   ２の従動軸線にそれぞれ等しい距離となるような前記各
   軸線上の２点を結んだ第３の補完軸線を設け、前記第２
   の補完軸と前記第２の従動軸との間に、前記第３の補完
   軸線の回りを回転可能な第３の補完軸を設け、第３の補
   完軸は両端に一対の第３の補完円環を配置し、前記第３
   の補完円環及び第３の補完円環従動軸上に周方向に90°
   ずつずらした４個の軸とを介し、前記第２の補完軸と前
   記第２の従動軸とを自在継手として連結したことを特徴
   とする請求項２項記載の産業用ロボットの手首装置。
4. 【請求項４】 前記工具支持部に取付けられる作業工具
   等に供給されるエアー、水、電気等を含む配管、配線類
   を前記第３の駆動軸内から工具支持部内に連通させるた
   め、前記第３の駆動軸から工具支持部内に至内部を中空
   部とし、前記中空部に前記配管、配線類を保護するフレ
   キシブルチューブを配置したことを特徴とする請求項
   １、請求項２又は請求項３記載の産業用ロボットの手首
   装置。