JP2004122297A

JP2004122297A - 産業用ロボットの手首機構

Info

Publication number: JP2004122297A
Application number: JP2002290304A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 松本　大志; Minoru Nada; 名田　　稔; Kazutsugu Fukita; 吹田　和嗣; Morihiko Okura; 大倉　守彦
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP3953931B2

Abstract

【課題】重量物であるコンテナ、パレット等を下からすくい上げるための、手首部を水平に保つことができ、高所に設置する必要がなくツールが大きくなってもワークとアームが干渉することがない産業用ロボットの手首機構を提供提供。
【解決手段】基台１に垂直軸２６上に旋回可能に軸支された第１の腕２は、手首部５が水平を保つための第１のリンク機構３３、６、７、３と、これに連結される第２のリンク機構１１、１２、１３、４を有し、第３の腕４先端の第４の腕１４を基台とした手首部５駆動用モータ・減速機９の入力がないときは、基台１の垂直軸２６と手首部５の回転軸１９とは、平行にされ、手首部５のモータ・減速機１５には重量物の重力トルクが直接作用しない構成を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主としてコンテナやパレット等に乗った重量物であり、かつ容積の大きな物のハンドリングを行う産業用ロボットの手首機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、コンテナやパレット等に乗った容積の大きな重量物を下から上へ、上から下へ搬送・移載する場合、フォークリフト等にて下からすくい上げ、持ち上げる方法がとられる。また自動化のため５００Ｋｇ可搬といった重量物を持つことが可能な産業用ロボットに上記作業をやらせる場合は、ロボットにかかるトルク、特に手首部にかかるトルク軽減のため、例えば特許文献１に開示する、図８に示すようにワークを釣り上げる方式がとられる。ワークを釣り上げるに際し、カニバサミ状のツールにてコンテナの下部または、パレットの下部を挟み釣り上げることになる。これにより手首部にかかるトルクの軽減が可能となる。また下から持ち上げる場合は図９に示すように手首部にかかるトルク軽減のため、ロボット手首部およびアームをワークの下方に入れ、手首部をワークの中心部に当てて持ち上げることになる。
ロボット手首部を水平に保ち、前後動アーム、上下動アームの駆動とは独立に手首部を駆動するモータ・減速機を、前後動アームの基端に設けることは、特許文献２に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２７０７２　図３（ｂ）〔００４０〕
【特許文献２】特開平７−２６６２６５　図１、図２、第（３）頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】かかる図８に示す釣り上げ方式はワークを安定した状態で搬送・移載できるが、その反面ワークを挟むためのツールは大きく、またカニバサミの開閉機構が必要となり大掛かりなものとなる。また、釣り上げ方式では揚程が大きい場合ロボットをかなり高さのある台に設置する必要があり、ロボットの高所でのメンテナンス作業が強いられるし、大きなロボットが高所で作業する様子は周囲に威圧感を生み出すことが想像される。
また図９に示すようにロボット手首部およびアームをワークの下方に入れ、手首部をワークの中心部に当てて下から持ち上げるコンテナやパレットが地面におかれていると、ロボットの手首部、アームが入りこむ隙間がなく、コンテナやパレット等をロボットが入り込めるのに必要な隙間を設けてやるため予め他手段にて持ち上げる必要がある。また、下から持ち上げる際、ワークとアームが干渉するといった問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、従来の産業用ロボットでコンテナやパレット等に乗った重量物であり、かつ容積の大きな物のハンドリングを、特に低所から高所に、搬送・移載する場合、産業用ロボットを高所に設置する必要がなく、ツールが大きくなっても、ワークとアームが干渉することがなく、更には、ワークを安定に搬送・移載する際に手首部を水平に保つことができるような産業用ロボットの手首機構を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、基台１、基台１に垂直軸２６上に旋回可能にその基端が軸支された第１の腕２、第１の腕２の他端にその基端を揺動可能に軸支された第２の腕３、第２の腕３の他端にその基端を揺動可能に軸支された第３の腕４、第３の腕４の先端に水平第４軸１８の回りに揺動可能に軸支され第４の腕１４、及び第４の腕１４に取付けた先端にツールフランジ２９を有する手首部５を有し、前記第１の腕２と一体となったリンク３３、リンク３３の一端にその基端を揺動可能に軸支されたリンク６、リンク６の他端に軸支されたリンク７及び第２の腕３が平行四辺形を形成するようリンク３３、６、７及び第２の腕３を揺動自在に順次軸支した第１の平行リンク機構と、前記リンク７の基端部８に前記第３の腕４の支持軸に同軸に第４の腕１４駆動用のモータ・減速機９を固定し、モータ・減速機９の出力軸１０に連結されその基端が揺動自在に軸支された原動リンク１１、リンク１２、第４の腕１４と一体となったリンク１３及び第３の腕４とが平行四辺形を形成するよう原動リンク１１、リンク１２、１３及び第３の腕４を揺動自在に順次軸支した第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う第２の平行リンク機構とから構成され、
前記手首部５は前記第４の腕１４の第４軸１８に対し垂直かつ地面に垂直な第５軸１９の廻りに回転可能にされ、前記ツールフランジ２９は第５軸１９に垂直かつ地面に水平な軸の廻りに回転可能な第６軸２４の廻りに回転可能ようにされたことを特徴とする産業用ロボットの手首機構を提供するこことにより、上述した本発明の課題を解決した。
【０００７】
【発明の効果】かかる構成により、前記第１の平行リンク機構、第２の平行リンク機構により、第４の腕１４を基台とした手首部５駆動用モータ・減速機９の入力がないときは、手首部５が常に水平の位置を保つ。コンテナやパレット等に乗った容積の大きな重量物ワークを手首部５に取付けたフォークリフト爪状のツール２２ですくいあげる場合、手首部５に通常多大なトルクがかかるが、本発明では手首部５を水平に保った場合、基台１の垂直軸２６と手首部５の回転軸１９とは平行にされ、第４の腕１４を基台とした手首部５を回動するモータ・減速機１５には、すくいあげたワークの荷重による重力トルクである下向きのモーメント力が直接作用しない構造としたので、負荷能力が大となり高負荷のワークをフォークリフト方式の爪状のツールで下からすくいあげることが可能となり、高負荷のワークを保持可能で安定なワークの搬送・移載が可能な、かつコンパクトな手首が実現でき、ロボットの設置高さも低くできる。
【０００８】
好ましくは前記原動リンク１１及びリンク１３は、前記第３の腕４が下方に揺動されたとき、前記第３の腕４と干渉しないように、前記第３の腕４のほぼ中央に配置され、かつ、前記第３の腕４の長さは前記第３の腕４が下方にほぼ垂直位置まで揺動できる長さにされることにより、手首部５を十分低くできる。
【０００９】
前記第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う駆動リンク機構は、前記第３の腕４の支持軸と同軸に前記リンク７に固定した前記モータ・減速機９に代わり、前記第２の腕３の支持軸に同軸に、第４の腕１４を駆動する独立モータ・減速機２０を固定し、前記独立モータ・減速機２０の出力軸３２を前記第１の平行リンク機構の原動リンク３１に連結しても請求項１と同様の効果を奏することができ、さらに第４の腕１４を駆動する駆動トルクの増大を防止し第４の腕１４の姿勢の変更を含む精度がよい高速動作を可能にする。
【００１０】
さらに好ましくは、ワークを置き、コンテナやパレット等よりフォークリフト方式の爪状ツールをまっすぐ抜く場合手首部５の旋回が必要となるが、前記第４の腕１４の第４軸１８の軸心と前記手首部５の前記第５軸１９の軸心と間の長さが、前記手首部５が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転可能となるように十分な長さを持ち、かつ前記手首部５の前記第５軸１９の軸芯から前記ツールフランジ２９面までの長さが、地面に対し水平にツールフランジ２９面に取付けたツール２２が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転してもツール２２が第３の腕４又は前記第２のリンク機構に干渉しないよう十分な長さを有することにより、ツールフランジ２９に取付けたフォーク爪状ツールと第３の腕４等との干渉を避けることが可能となり、幅のあるツールを保持しても第５軸を１２０　度以上回転可能としたため爪の長い（２０００ｍｍ以上）ツールをツールフランジに取付けても真っ直ぐ爪を抜くことが可能となりサイクルタイムを短縮できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態の産業用ロボットの手首機構の概略側面図を示し、図２は図１の産業用ロボットの手首機構の概略上面図、図３は図１を反対側より見た概略側面図、図４は図１の産業用ロボットの手首機構がツールフランジ２９に取付けたフォークリフト方式の爪状ツールでワークをすくい上げる状況を示す概略側面図を示す。図１、図２、図３において、実施形態の産業用ロボットの手首機構は、基台１と、基台１に垂直軸２６上に旋回可能にその基端が軸支された第１の腕２、第１の腕２の他端に前後に揺動可能にその基端を軸支された第２の腕３、第２の腕３の他端に上下に揺動可能にその基端を軸支された第３の腕４、第３の腕４の先端に水平第４軸１８の回りに揺動可能に軸支され第４の腕１４を基台とし先端にツールフランジ２９を有する手首部５を有する。
【００１２】
前記第１の腕２と一体となったリンク３３、第１の腕２の一端にその基端を揺動可能に軸支されたリンク６、リンク６の他端に軸支されたリンク７及び第２の腕３が、平行四辺形を形成するよう、リンク３３、６、７及び第２の腕３を揺動自在に順次軸支した第１の平行リンク機構３３，６、７、３と、前記リンク７の基端部８に前記第３の腕４の支持軸に同軸に第４の腕１４駆動用のモータ・減速機９を固定し、モータ・減速機９の出力軸１０に連結されその基端が揺動自在に軸支された原動リンク１１、リンク１２、第４の腕１４と一体となったリンク１３及び第３の腕４が、平行四辺形を形成するよう、原動リンク１１、リンク１２、１３及び第３の腕４を揺動自在に順次軸支した、第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う第２の平行リンク機構１１、１２、１３、４と、から構成される。本実施の形態では、２３は第２の腕３を前後方向に駆動するモータ・減速機２３、３０（図３）は第３の腕４を上下方向に駆動するモータ・減速機である。
【００１３】
かかる構成により、モータ・減速機９の出力が前記第２のリンク機構を介して前記第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う。第２の平行リンク機構はモータ・減速機９を介して第１の平行リンク機構に連結され、モータ・減速機９および第２の平行リンク機構は第１の平行リンク機構により姿勢が保持され、第２の腕３、第３の腕４が動いてもモータ・減速機９により第２のリンク機構が動かされないかぎり、手首部５は地面に対して同一姿勢を保つ。
【００１４】
好ましくは前記原動リンク１１及びリンク１３は、前記第３の腕４が下方に揺動されたとき、前記第３の腕４と干渉しないように、前記第３の腕４のほぼ中央に配置され、かつ、前記第３の腕４の長さは前記第３の腕４が下方にほぼ垂直位置まで揺動できる長さにされることにより、手首部５を十分低くできる。
【００１５】
図５〜図７は、上記特許文献２：特開平７−２６６２６５に記載する構成を使用した本発明の第２の実施形態の産業用ロボットの手首機構を示し、図５はその概略側面図、図６は図５のものの概略上面図、図７は図５を反対側より見た概略側面図をそれぞれ示す。この第２の実施の形態では、第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う駆動リンク機構は、第３の腕４の支持軸と同軸に前記リンク７に固定したモータ・減速機９に代わり、第２の腕３の支持軸に同軸に、第４の腕１４を駆動する独立モータ・減速機２０を固定し、独立モータ・減速機２０の出力軸３２を第１の平行リンク機構の原動リンク３１に連結したものであるり、図１〜図３に示す実施形態の産業用ロボットの手首機構と同様の効果を奏することができ、さらに第４の腕１４を駆動する駆動トルクの増大を防止し、第４の腕１４の姿勢の変更を含む精度がよい高速動作を可能にする。
【００１６】
なお、第４軸１８は手首部５が水平を保てない場合（例えばロボットを傾けて取り付けた場合）、ツールフランジ２９に取付けたツールが水平の時、降ろしたワークと干渉する場合の回避動作に使用する。
【００１７】
第４の腕１４に取付けられたモータ・減速機１５の出力軸１６に回転可能に連結された手首部５は、第４の腕１４の第４軸１８に対し垂直かつ地面に垂直な第５軸１９の廻りに回転可能に軸持され、手首部５にはモータ・減速機１５に直角にモータ・減速機１７が取り付けられ、モータ・減速機１７の出力軸２５はツールフランジ２９を第５軸１９に対し垂直かつ地面に対し水平な第６軸２４の廻りに回転可能に軸持する。手首部５が常に水平であれば、例えば本特許の実施例である図４のごとくツールフランジ２９に取付けたフォークリフト爪状のツールにてワークを下から持ち上げる場合、手首部５に通常多大なトルクがかかるが、第４の腕１４の先端に設けたモータ・減速機１５と第５の腕の先端に設けたモータ・減速機１７とには、手首部５を水平に保った場合、すくいあげたワークの荷重による下向きのモーメント力のみかかるよう減速機を配置したので、負荷能力が大となり高負荷のワークをフォークリフト方式の爪状のツールですくいあげることが可能となり、安定なワークの搬送・移載が可能となり、かつコンパクトな手首が実現できた。また、また手首を高負荷のワークを保持可能としたためワークを下からすくい上げることが可能となり、ロボットの設置高さを低くできる。
【００１８】
図４の実施例で、例えばコンテナ等を降ろし、ツールをコンテナから抜く場合２０００ｍｍ程度を真っ直ぐコンテナにほぼ直角に抜く必要がある。ツールをコンテナから抜くときロボット中心から放射状の２０００ｍｍ以上の動作がロボットにとって可能であれば問題ないがアームの長いかなり大きなロボットを提供する必要がある。通常は第１の腕の回転中心第１軸２６を旋回しながら、手首部５の回転中心第５軸でツールフランジ２９に取付けたツール２２の方向を補正して抜く方法がとられる。また、幅のあるフォーク状のツールを取り付けた場合、第５軸の回転特に９０度以上回転した場合ツールがロボット自体の腕に干渉する可能性がある。本特許では第４の腕１４の第４軸１８の軸心と手首部５の第５軸１９の軸心と間の長さが、手首部５が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転可能となるように十分な長さを持ち、かつ手首部５の第５軸１９の軸芯からフランジ２９の第６軸２４のツールフランジ２９面までの長さが、ツールフランジ２９面に対し水平に取付けたツール２２が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転してもツール２２が第３の腕４又は前記第２のリンク機構に干渉しないよう十分な長さを有するようにしたので、第５軸１９が１２０　度以上回転可能となっている。また１２０　度回転してもツール２２が腕に干渉しないよう、第４の腕１４と手首部５の長さを十分長くとっている。幅のあるツールを保持しても第５軸１９を１２０　度以上回転可能としたため爪の長い（２０００ｍｍ以上）ツールをツールフランジ２９に取付けても真っ直ぐ爪を抜くことが可能となりサイクルタイムを短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の産業用ロボットの手首機構の概略側面図。
【図２】図１の産業用ロボットの手首機構の概略上面図。
【図３】図１の産業用ロボットの手首機構の図１とは反対面の概略側面図。
【図４】図１の産業用ロボットの手首機構がツールフランジに取付けたフォークリフト方式の爪状ツールでワークをすくい上げる状況を示す概略側面図。
【図５】本発明の第２の実施形態の産業用ロボットの手首機構の概略側面図。
【図６】図５の産業用ロボットの手首機構の概略上面図。
【図７】図５の産業用ロボットの手首機構の図５とは反対面の概略側面図。
【図８】従来の第１のロボットの側面図。
【図９】従来の第２のロボットの側面図。
【符号の説明】
１　　基台　　　　　　　　２　　第１の腕　　　　　　３　　第２の腕　　　　４　　第３の腕
５　　手首部　　　　　　６、７、１１、１２、１３、３１，３３　　リンク
８　　リンク７基端部　　　　　　９，２０　　第４軸駆動用モータ・減速機
１０、３２　　第４軸駆動用モータ・減速機出力軸　　　　　　１４　　第４の腕
１５　　第５軸駆動用モータ・減速機　　１６　　第５軸駆動用モータ・減速機出力軸
１７　　第６軸駆動用モータ・減速機　　２５　　第６軸駆動用モータ・減速機出力軸
１８　　第４の腕支持軸　　　　　　１９　　第５軸軸心　　　　　　　２４　　第６軸軸心
２２　　ツール　　　　　　　　　　２３　　第３の腕駆動用モータ・減速機
２６　　第１の腕軸心　　　　　　２８　　ワーク　　　　　　　２９　　ツールフランジ
３０　　第２の腕駆動用モータ・減速機

Claims

基台１、基台１に垂直軸２６上に旋回可能にその基端が軸支された第１の腕２、第１の腕２の他端にその基端を揺動可能に軸支された第２の腕３、第２の腕３の他端にその基端を揺動可能に軸支された第３の腕４、第３の腕４の先端に水平第４軸１８の回りに揺動可能に軸支され第４の腕１４、及び第４の腕１４に取付けた先端にツールフランジ２９を有する手首部５を有し、
前記第１の腕２と一体となったリンク３３、リンク３３の一端にその基端を揺動可能に軸支されたリンク６、リンク６の他端に軸支されたリンク７及び第２の腕３が平行四辺形を形成するようリンク３３、６、７及び第２の腕３を揺動自在に順次軸支した第１の平行リンク機構と、前記リンク７の基端部８に前記第３の腕４の支持軸に同軸に第４の腕１４駆動用のモータ・減速機９を固定し、モータ・減速機９の出力軸１０に連結されその基端が揺動自在に軸支された原動リンク１１、リンク１２、第４の腕１４と一体となったリンク１３及び第３の腕４とが平行四辺形を形成するよう原動リンク１１、リンク１２、１３及び第３の腕４を揺動自在に順次軸支した第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う第２の平行リンク機構とから構成され、
前記手首部５は前記第４の腕１４の第４軸１８に対し垂直かつ地面に垂直な第５軸１９の廻りに回転可能にされ、前記ツールフランジ２９は第５軸１９に垂直かつ地面に水平な軸の廻りに回転可能な第６軸２４の廻りに回転可能ようにされたことを特徴とする産業用ロボットの手首機構。
前記原動リンク１１及びリンク１３は、前記第３の腕４が下方に揺動されたとき、前記第３の腕４と干渉しないように、前記第３の腕４のほぼ中央に配置され、かつ、前記第３の腕４の長さは前記第３の腕４が下方にほぼ垂直位置まで揺動される長さにされたことを特徴とする請求項１記載の産業用ロボットの手首機構。
前記第４の腕１４を駆動しかつ姿勢保持を行う駆動リンク機構は、前記第３の腕４の支持軸と同軸に前記リンク７に固定した前記モータ・減速機９に代わり、前記第２の腕３の支持軸に同軸に、第４の腕１４を駆動する独立モータ・減速機２０を固定し、前記独立モータ・減速機２０の出力軸３２を前記第１の平行リンク機構の原動リンク３１に連結したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の産業用ロボットの手首機構。
前記第４の腕１４の第４軸１８の軸心と前記手首部５の前記第５軸１９の軸心と間の長さが、前記手首部５が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転可能となるように十分な長さを持ち、かつ前記手首部５の前記第５軸１９の軸芯から前記ツールフランジ２９面までの長さが、地面に対し水平にツールフランジ２９面に取付けたツール２２が第５軸１９の回りを９０度ないし１２０度回転してもツール２２が第３の腕４又は前記第２のリンク機構に干渉しないよう十分な長さを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の産業用ロボットの手首機構。