JP2006007355A - ロボットの手首装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸および直交する２つの回転軸の計３軸を持つロボットの手首装置について、ケーブル配線も含めて、小型で、特に、手首軸径寸法が小さく、外観上もスマートな手首装置を提供する。
【解決手段】中空構造のアクチュエータ、駆動モータ、減速機、プーリ、ベルトなどの構成要素を最適に配置し、軸動作に伴うケーブル可動領域が小さい経路にケーブルを配線し、ケーブルのクランプおよびガイドの役割を果たす外形が円形あるいは球形のフレームやカバーを採用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、産業用ロボットおよびヒューマノイドロボット等のロボットに適用可能な手首装置に関する。

従来のロボットの手首装置は、駆動モータ、減速機、プーリ、歯車等を組み合わせて構成している。
１つの例として、図２に従来の手首装置の断面図を示す（特許文献１参照）。
特開２００３−１３６４６２号公報

図において、５１は上部アーム、５２は手首基台、５３は手首揺動体、５４は手首フランジ、５５はスポット溶接ガン、５６は中間部材、５７は溶接ケーブル、５８は第１の固定部部材、５９は第２の固定部材、６０、６１、６２、６３、６４はクランプ、６５は案内部材、６６は手首第１軸、６７は手首第２軸、６８は手首第３軸である。
この構成では、手首装置は、回転軸２つとベント軸の３軸構成である。
アームの先端に備えられた手首部の先端にエンドエフェクタを取り付け、前記エンドエフェクタに動力または信号または材料を供給するケーブル等を前記アームから前記エンドエフェクタまで配設した産業用ロボットにおいて、前記エンドエフェクタを中間部材を介して前記手首部に固定され、前記中間部材は、前記手首に直接取り付けられる第１のフランジと、前記第１のフランジに平行であって所定の間隔を空けて配置され前記エンドエフェクタに直接取り付けられる第２のフランジと、前記第１および第２のフランジの中心から離れた位置にあって前記第１および前記第２のフランジを連結する２つの部材を左右対称に配置したクランクシャフト状とするものである。
また、前記手首部に、前記アームの長さ方向の軸回りに回転する手首基台と前記手首台に取り付けられて前記手首台と一体に回転する固定部材を備え、前記ケーブル等を前記アームにクランプして、前記アームに前記アームの長さ方向の軸周りに巻きつけ、更に、Ｕ字形に曲げて向きを変え、前記アームに逆方向に巻きつけ前記固定部材にクランプし、更に前記エンドエフェクタまで延設するものである。
また、前記ケーブル等を２つの部分に分け、前記２つの部分は前記固定部材に取り付けられたコネクタで結合するものである。
また、前記ケーブル等の前記アームに巻き回された部分を円筒部材で覆うものである。
このように、エンドエフェクタ用ケーブル等が、上部アームおよび、手首に沿って配設されているので、ケーブル等と周辺機器等の干渉を防止することができ、また前記干渉によるケーブル等の損傷を防止することができる。
また、前記上部アームに対する前記ケーブル等の動きは、一定の空間に限定されるので、オフラインティーチング等のシミュレーションにおいて、前記ケーブル等と周辺機器との干渉をチェックすることが容易になる。

しかしながら、従来の手首装置においては、装置を構成する駆動モータ、減速機、フレーム等の形状および配置方法によっては、手首部の寸法、特に、手首軸径寸法が大きくなり、作業性が悪くなるとともに、外観上、違和感を与えるという問題があった。
また、手首装置の先端側に配置されるグリッパや各種センサ類および手首装置モータの配線に関して、手首２軸動作に対応するように手首装置の周辺部に配線を施すため、手首部の実質的な寸法が大きくなり、作業性および外観が悪くなるという問題があった。
また、人の手首に類似した軸構成にして作業性、制御性を良くするためには、回転軸および直交する２つの軸を持つ手首装置が好ましい。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転軸および直交する２つの回転軸の計３軸を持つロボットの手首装置を、ケーブル配線も含めて、小型で、特に、手首軸径寸法が小さく、外観上もスマートな手首装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ロボットの手首装置に係るもので、回転軸と、ベント第１軸およびベント第２軸の２つのベント軸と、によって構成したロボットの手首装置であって、前記回転軸には中空構造のアクチュエータを用い、前記ベント第１軸は第１駆動モータと第１減速機とプーリとベルトを用いて構成し、前記ベント第２軸は第２駆動モータと第２減速機を用いて構成することを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のロボットの手首装置に係るもので、前記手首装置において、前記回転軸部を通過するケーブルを回転軸駆動用の前記中空アクチュエータの中空部に配線することを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載のロボットの手首装置に係るもので、前記手首装置において、前記ベント第１軸の前記プーリおよび前記ベルトをフレームの外側に配置するとともに、前記プーリおよび前記ベルト部の外側に取付けるカバーの外形を曲線形状で形成することを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のロボットの手首装置に係るもので、前記手首装置において、前記ベント第１軸の前記第１駆動モータを手首装置の中心軸からオフセットした位置に配置することにより前記回転軸中空部へのケーブル配線を可能にし、かつ手首軸方向寸法が小さくなるように構成するとともに、前記第１駆動モータの位置オフセットによって生じる空間にケーブルの接続コネクタを配置することを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のロボットの手首装置に係るもので、前記手首装置において、前記ベント第１軸の可動子と該可動子の支持部の間に空間を設けて前記ベント第１軸の回転軸周りにケーブルを配線することによって前記ベント第１軸の動作時のケーブル可動領域を小さくし、前記ベント第１軸の可動子の一方のフレームがケーブル配線におけるガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成することを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載のロボットの手首装置に係るもので、前記手首装置において、前記ベント第２軸について前記第２駆動モータと前記第２減速機を直結することで構成し、その周囲に球形のカバーを取付けることを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載のロボットの手首装置に係るもので、前記ロボット関節装置において、前記ベント第２軸の出力軸を前記ベント第２軸の前記第２減速機の外周部に配置した軸受を用いて支持することによって、前記ベント第２軸の出力軸を省スペースでありながら必要な剛性を確保した片持ち構造にして、前記ベント第１軸の動作時に前記ベント第１軸駆動モータと前記ベント第２軸の出力軸フレームとの干渉を避けるように構成することを特徴としている。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載のロボットの手首装置に係るもので、前記ロボット関節装置において、前記ベント第２軸の出力軸に取付けられるグリッパやセンサ類のケーブルを前記ベント第２軸の回転軸周りに配線することによって、前記ベント第２軸の動作時のケーブル可動領域を小さくし、前記ベント第２軸の出力軸である片持ちフレームの外側に取付けるカバーがケーブル配線におけるクランプ又はガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、回転軸と２つのベント軸によって構成した手首装置であって、回転軸には中空構造のアクチュエータを用い、ベント第１軸は駆動モータ、減速機、プーリ、ベルトを用いて構成し、ベント第２軸は駆動モータ、減速機を用いて構成したので、回転軸および直交する２つの回転軸の計３軸を持つ人の手首に類似した手首装置が実現でき、作業性、制御性が良いという効果がある。
請求項２に記載の発明によると、回転軸部を通過するケーブルを回転軸駆動用の中空アクチュエータの中空部に配線するので、手首外径寸法が小さく外観がスマートに見えるという効果がある。
請求項３に記載の発明によると、ベント第１軸のプーリとベルトをフレームの外側に配置することによりメンテナンス性が良いという効果があるとともに、プーリ、ベルト部の外側に取付けるカバー形状を曲線で形成するので、手首外径寸法が小さく外観がスマートに見えるという効果がある。
請求項４に記載の発明によると、ベント第１軸の駆動モータを手首装置中心軸からオフセットした位置に配置することにより回転軸中空部へのケーブル配線を可能にし、かつ手首軸方向寸法が小さくなるように構成するとともに、駆動モータの位置オフセットによって生じる空間にケーブルの接続コネクタを配置するので、ケーブル交換のメンテナンス性が良いという効果がある。

請求項５に記載の発明によると、ベント第１軸の可動子と可動子支持部の間に空間を設けてベント第１軸回転軸周りにケーブルを配線することによってベント第１軸動作時のケーブル可動領域を小さくし、ベント第１軸可動子の一方のフレームがケーブル配線におけるガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成するので、手首外径寸法が小さく外観がスマートに見えるという効果がある。
請求項６に記載の発明によると、ベント第２軸について駆動モータと減速機を直結することで構成し、その周囲に球形のカバーを取付けるので、手首装置のベント軸２軸が任意に動作した際に、ベント軸直交部が外観として球形である印象を与えるという効果がある。
また、モータと減速機が直結のため、球形カバーの径を小さくすることができ、ベント軸直交部を小型にできるという効果がある。
請求項７に記載の発明によると、ベント第２軸の出力軸をベント第２軸減速機の外周部に配置した軸受を用いて支持することによって、ベント第２軸の出力軸を省スペースでありながら必要な剛性を確保した片持ち構造にして、ベント第１軸動作時にベント第１軸駆動モータとベント第２軸の出力軸フレームとの干渉を避けるように構成したので、ベント第１軸に必要な動作範囲を確保できるという効果がある。
請求項８に記載の発明によると、ベント第２軸出力軸に取付けられるグリッパやセンサ類のケーブルをベント第２軸回転軸周りに配線することによってベント第２軸動作時のケーブル可動領域を小さくし、ベント第２軸の出力軸である片持ちフレームの外側に取付けるカバーがケーブル配線におけるクランプ、ガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成するので、手首外径寸法が小さく外観がスマートに見えるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１および図２は、本発明に係るロボット手首装置の断面を示す図で、図１はその縦断面図、図２はその横断面図である。
両図から判るように、本発明に係る手首装置は、回転軸、およびこれと直交するベント第１軸、ベント第２軸の３軸構成とから成っている。
図において、１は回転軸、２は回転軸用アクチュエータ、３はケーブル、４は回転軸用アクチュエータ中空部、５はベント第１軸可動子、６はベント第１軸固定側フレーム、７はベント第１軸支持側フレーム、８はベント第１軸用駆動モータ、９はベント第１軸駆動用減速機、１０はプーリ、１１はベルト、１２はプーリ部カバー、１３はケーブル接続コネクタ、１４はベント第２軸回転軸、１５はベント第１軸回転軸、１６はベント第２軸ベース、１７はベント第２軸駆動用モータ、１８はベント第２軸駆動用減速機、１９はベント第１軸可動子カバー、２０はベント第２軸出力軸フレーム、２１は軸受、２２はベント第２軸フレームカバー、２３はグリッパ、２４はセンサである。

回転軸１の駆動には、中空タイプの回転軸用アクチュエータ２を用いる。回転部を通過するケーブル３は、回転軸用アクチュエータ中空部４の中に配線することにより、回転軸動作時の配線スペースを小さくすることができるとともに外観をスマートにすることができる。

ベント第１軸については、ベント第１軸可動子５を両側に配置したベント第１軸固定側フレーム６、ベント第１軸支持側フレーム７で支持する構造とし、ベント第１軸固定側フレーム６上に、ベント第１軸用駆動モータ８を手首装置中心軸からオフセットした位置に取付ける。
ベント第１軸用駆動モータ８の出力軸とベント第１軸駆動用減速機９に取付けたプーリ１０とそれに掛けるベルト１１は、ベント第１軸固定側フレーム６の外側に配置することによりメンテナンス性を良くする。
ベント第１軸固定側フレーム６とプーリ１０の寸法関係から、その外側に取付けるプーリ部カバー１２の形状は、手首軸直交断面において手首軸を中心とする円形に形成することができるため手首径寸法が小さく外観がスマートに見える。
また、ベント第１軸用駆動モータ８を手首装置の軸中心からオフセットしたことによってできた空間に、ケーブル接続コネクタ１３を配置することによって、ケーブル交換を容易にし、メンテナンス性が向上するとともに、回転軸用アクチュエータ中空部４への配線が可能となる。
また、ベント第１軸用駆動モータ８とベント第１軸可動子５が干渉しない範囲で、手首装置軸方向寸法を小さく配置することが可能となる。

ベント第１軸可動子５とベント第１軸支持側フレーム７の間には空間を確保するとともに、第１軸支持側フレーム７の外形は、曲線で形成することによって手首外径寸法が小さく外観がスマートに見え、さらに、ケーブル配線におけるクランプやガイドの役割を果たすことができるようになる。
ケーブル３は、ベント第２軸回転軸１４の周りに配線することによって、ベント第１軸動作時のケーブル可動領域を小さくすることができ、第１軸支持側フレーム７によってガイドされるので外観上は、ケーブル３が見えない。
ベント第１軸の動作は、ベント第１軸固定側フレーム６に取付けたベント第１軸用駆動モータ８の出力をプーリ１０およびベルト１１を介してベント第１軸駆動用減速機９に入力することにより、第１軸用駆動モータ８の回転に伴い、ベント第１軸可動子５およびベント第２軸部がベント第１軸回転軸１５回りに回転動作する。

ベント第２軸については、ベント第１軸駆動用減速機９の出力軸に固定したベント第２軸ベース１６上に、ベント第２軸駆動用モータ１７とベント第２軸駆動用減速機１８を直結したものを配置し、その周囲には、球形であるベント第１軸可動子カバー１９を取付けるが、モータと減速機が直結のため、ベント第１軸可動子カバー１９の外径を小さくすることができる。このことにより、手首装置の３つの軸（回転軸、ベント第１軸、ベント第２軸）が任意に動作した際に、２軸直交部は、外観として球形であるイメージを与えることができる。
ベント第２軸出力軸フレーム２０は、ベント第２軸駆動用減速機１８の外周部に配置した軸受２１を用いて固定することによって、片持ち構造のフレームにする。よって、省スペースでありながら必要な剛性を確保できる。
なお、ベント第２軸出力軸フレーム２０はベント第１軸用駆動モータ８と反対側に配置するのでベント第１軸動作時のベント第１軸用駆動モータ８とベント第２軸出力軸フレーム２０の干渉は避けられる。ベント第２軸出力軸フレーム２０の外側に取付けるベント第２軸フレームカバー２２の外形は、曲線で形成することによって手首外径寸法が小さく外観がスマートに見える。
また、このカバーによって、ベント第２軸出力軸に取付けられるグリッパ２３やセンサ２４等のケーブルをクランプする。ケーブルは、ベント第２軸回転軸１４の周りに配線することによって、ベント第２軸動作時のケーブル可動領域を小さくすることができる。
ベント第２軸の動作は、ベント第２軸駆動用減速機１８に直結したベント第２軸駆動用モータ１７の回転に伴い、ベント第２軸駆動用減速機１８の出力軸に固定したベント第２軸出力軸フレーム２０がベント第２軸回転軸１４回りに回転動作する。

中空構造のアクチュエータ、駆動モータ、減速機、プーリ、ベルトなどの構成要素を最適に配置し、軸動作に伴うケーブル可動領域が小さい経路にケーブルを配線し、ケーブルのクランプおよびガイドの役割を果たす外形が円形あるいは球形のフレームやカバーを採用することによって、回転軸および直交する２つの回転軸の計３軸を持つロボットの手首装置について、ケーブル配線も含めて、小型で、特に、手首軸径寸法が小さく、外観上もスマートな手首装置を実現できるので、人間の手首関節に近い３軸構成で軸径寸法が小さく操作性および作業性に優れたロボットの手首装置に適用できる。

本発明の実施例を示すロボットの手首装置の縦断面図である。 本発明の実施例を示すロボットの手首装置の横断面図である。 従来例を示すロボットの手首装置の断面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 回転軸用アクチュエータ
３ ケーブル
４ 回転軸用アクチュエータ中空部
５ ベント第１軸可動子
６ ベント第１軸固定側フレーム
７ ベント第１軸支持側フレーム
８ ベント第１軸用駆動モータ
９ ベント第１軸駆動用減速機
１０ プーリ
１１ ベルト
１２ プーリ部カバー
１３ ケーブル接続コネクタ
１４ ベント第２軸回転軸
１５ ベント第１軸回転軸
１６ ベント第２軸ベース
１７ ベント第２軸駆動用モータ
１８ ベント第２軸駆動用減速機
１９ ベント第１軸可動子カバー
２０ ベント第２軸出力軸フレーム
２１ 軸受
２２ ベント第２軸フレームカバー
２３ グリッパ
２４ センサ
５１ 上部アーム
５２ 手首基台
５３ 手首揺動体
５４ 手首フランジ
５５ スポット溶接ガン
５６ 中間部材
５７ 溶接ケーブル
５８ 第１の固定部部材
５９ 第２の固定部材
６０、６１、６２、６３、６４ クランプ
６５ 案内部材
６６ 手首第１軸
６７ 手首第２軸
６８ 手首第３軸

Claims (8)

1. 回転軸と、ベント第１軸およびベント第２軸の２つのベント軸と、によって構成したロボットの手首装置であって、
   前記回転軸には中空構造のアクチュエータを用い、
   前記ベント第１軸は第１駆動モータと第１減速機とプーリとベルトを用いて構成し、
   前記ベント第２軸は第２駆動モータと第２減速機を用いて構成することを特徴とするロボットの手首装置。
2. 前記ロボットの手首装置において、
   前記回転軸部を通過するケーブルを回転軸駆動用の前記中空アクチュエータの中空部に配線することを特徴とする請求項１記載のロボットの手首装置。
3. 前記手首装置において、
   前記ベント第１軸の前記プーリおよび前記ベルトをフレームの外側に配置するとともに、前記プーリおよび前記ベルト部の外側に取付けるカバーの外形を曲線形状で形成することを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの手首装置。
4. 前記手首装置において、
   前記ベント第１軸の前記第１駆動モータを手首装置の中心軸からオフセットした位置に配置することにより前記回転軸中空部へのケーブル配線を可能にし、かつ手首軸方向寸法が小さくなるように構成するとともに、前記第１駆動モータの位置オフセットによって生じる空間にケーブルの接続コネクタを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のロボットの手首装置。
5. 前記手首装置において、
   前記ベント第１軸の可動子と該可動子の支持部の間に空間を設けて前記ベント第１軸の回転軸周りにケーブルを配線することによって前記ベント第１軸の動作時のケーブル可動領域を小さくし、前記ベント第１軸の可動子の一方のフレームがケーブル配線におけるガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のロボットの手首装置。
6. 前記手首装置において、
   前記ベント第２軸について前記第２駆動モータと前記第２減速機を直結することで構成し、その周囲に球形のカバーを取付けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のロボットの手首装置。
7. 前記ロボット関節装置において、
   前記ベント第２軸の出力軸を前記ベント第２軸の前記第２減速機の外周部に配置した軸受を用いて支持することによって、前記ベント第２軸の出力軸を省スペースでありながら必要な剛性を確保した片持ち構造にして、前記ベント第１軸の動作時に前記ベント第１軸駆動モータと前記ベント第２軸の出力軸フレームとの干渉を避けるように構成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のロボットの手首装置。
8. 前記ロボット関節装置において、
   前記ベント第２軸の出力軸に取付けられるグリッパやセンサ類のケーブルを前記ベント第２軸の回転軸周りに配線することによって、前記ベント第２軸の動作時のケーブル可動領域を小さくし、前記ベント第２軸の出力軸である片持ちフレームの外側に取付けるカバーがケーブル配線におけるクランプ又はガイドの役割を果たすように、かつ外形を曲線形状で形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のロボットの手首装置。

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