JP2019000912A - ロボットアームの手首及び双腕ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】アームの先端部が移動する所定平面と直交する方向の寸法を抑えつつ、アームに対するエンドエフェクタの所定平面と直交する方向の移動範囲を拡張する。【解決手段】ロボットアームの手首は、基端側接続体と、第１手首軸を中心として回転する第１手首リンクと、第２手首軸を中心として回転する第２手首リンクと、第３手首軸を中心として回転し且つエンドエフェクタと接続される先端側接続体と、駆動源と連動機構を有する手首駆動装置とを備える。連動機構は、第１手首軸と第３手首軸とが重なった状態から第１手首リンクが任意のα°回転したときに、第２手首リンクを−２α°回転させ且つ先端側接続体をα°回転させる。第１手首軸、第２手首軸、及び第３手首軸の各軸の延伸方向は所定平面と平行であり、第１手首軸から第２手首軸までの距離と第２手首軸から第３手首軸までの距離とが等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアームとエンドエフェクタとを接続する手首の構造、及び、この手首を備えた双腕ロボットの構造に関する。

従来、２本の水平多関節型ロボットアームを備えた双腕ロボットが知られている。特許文献１は、この種の双腕ロボットを開示している。

特許文献１の双腕ロボットは、上アームと下アームとの２本の水平多関節型ロボットアームを備え、上アームの基端部の回動軸と下アームの基端部の回動軸とが上下に並んで配置されている。この双腕ロボットでは、各アームの先端部に作用軸を備えており、この作用軸はボールねじ機構によってアームに対し上下方向に移動できるようになっている。

一般に、ロボットは、ロボットアームの先端部に手首を介してエンドエフェクタが装着され、このエンドエフェクタで作業を行う。エンドエフェクタを垂直方向に移動させるために、アームの基端部に昇降軸を設け、この昇降軸でアームとエンドエフェクタを一体的に昇降移動させるものや、アームの先端部に昇降軸を設け、この昇降軸でアームに対しエンドエフェクタを昇降移動させるものがある。特許文献１のように、２本のアームの基端部が上下方向に並んで配置されている場合には、アームの基端部を昇降移動させることは難しいので、後者が採用される。

アームの先端部に設けられる昇降軸としては、例えば、特許文献１に示されるボールねじ機構や、レール及びスライドからなる直動機構などが知られている。これに対し、特許文献２及び特許文献３では、アームの先端部に対しエンドエフェクタを昇降移動させる機能を備えた、リンク式の手首が提案されている。

特許文献２の手首（手首装置）は、アームの先端部に位置する第１回転軸を中心として回動する第１手首リンク（第１手首アーム）と、この第１手首リンクの先端部に位置する第２回転軸を中心として回転する第２手首リンク（第２手首アーム）とを備えており、第２手首リンクにエンドエフェクタ（ハンド）の保持部が設けられている。この手首装置では、エンドエフェクタは姿勢を変化させながらもその作用点が同一直線上を移動するように、第１手首リンクと第２手首リンクの関係が定められている。

特許文献３の移送ロボットは、アームと、アームの先端部に回転可能に支持された回転体、及び、第１〜３リンクからなる四節リンク機構と、第３リンクに回動可能に支持された回転部材と、回転部材に接続されたエンドエフェクタとを備えている。この移送ロボットでは、エンドエフェクタの作用点が同一直線上を姿勢を保持しながら移動するように四節リンク機構のリンク比などが調整されている。

特開平７−２７６２７１号公報 実公平６−５１０６号公報 特開平５−３０１１８１号公報

特許文献１のように、アームに対しエンドエフェクタを昇降させる昇降軸を備える場合、アームの先端部に設けられる昇降軸を含む昇降機構の上下方向寸法は、アームに対するエンドエフェクタの昇降幅よりも大きくなる。そのようなロボットは、例えば、エンドエフェクタ及び昇降機構を含むアーム先端部を上下幅の狭い空間に挿入して行う作業には適さない。

そこで、特許文献２及び特許文献３のように、連接された複数のリンクを含み、エンドエフェクタをアームの先端部に対して昇降させる機能を備えた手首を設けることが考えられる。しかし、特許文献２の技術では、エンドエフェクタをアームの先端部に対して昇降させるとエンドエフェクタの姿勢が変化してしまう。また、特許文献３の技術では、エンドエフェクタの姿勢を維持しながら当該エンドエフェクタをアームの先端部に対して昇降させることができるものの、四節リンクを形成するために、手首の上下方向寸法を抑えることが難しい。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、アームの先端部に昇降軸を備えた従来のロボットと比較して、アームの先端部が移動する所定平面と直交する方向の寸法を抑えつつ、アームに対するエンドエフェクタの前記所定平面と直交する方向の移動範囲を拡張することのできるロボットを提供することにある。

本発明の一態様に係るロボットアームの手首は、先端部が所定平面内で移動するロボットアームとエンドエフェクタとを接続する手首であって、
前記ロボットアームと接続される基端側接続体と、
前記基端側接続体に規定された第１手首軸を中心として回動可能に当該基端側接続体と連結された第１手首リンクと、
前記第１手首リンクに規定された第２手首軸を中心として回動可能に当該前記第１手首リンクと連結された第２手首リンクと、
前記第２手首リンクに規定された第３手首軸を中心として回動可能に当該第２手首リンクと連結され、前記エンドエフェクタと接続される先端側接続体と、
前記第１手首リンクに回転動力を付与する駆動源、及び、前記第１手首リンクの回転に前記第２手首リンクと前記先端側接続体を連動させる連動機構を有する手首駆動装置とを備え、
前記第１手首軸、前記第２手首軸、及び前記第３手首軸の各軸の延伸方向は前記所定平面と平行であり、
前記第１手首軸から前記第２手首軸までの距離と前記第２手首軸から前記第３手首軸までの距離とが等しく、
前記連動機構が、前記第１手首軸と前記第３手首軸とが重なった状態から前記第１手首リンクが前記第１手首軸を中心として任意のα°回転したときに、前記第２手首リンクを前記第２手首軸を中心として−２α°回転させ且つ前記先端側接続体を前記第３手首軸を中心としてα°回転させることを特徴としている。なお、上記において、エンドエフェクタは、先端側接続体に直接的に接続されてもよいし、先端側接続体に更なる軸やリンクを間に介して接続されてもよい。

また、本発明の一態様に係る双腕ロボットは、
先端部が所定平面内で移動する一対のロボットアームと、
前記ロボットアームの各々に対し設けられたエンドエフェクタと、
前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとを接続する前記手首と、
前記ロボットアーム、前記エンドエフェクタ、及び前記手首の動作を制御するコントローラとを備えることを特徴としている。

上記構成のロボットアームの手首及びこの手首を備えた双腕ロボットでは、第３手首軸のロボットアームの先端部が移動する所定平面と直交する方向（以下、「Ｚ方向」）の位置は、エンドエフェクタが接続される先端側接続体のＺ方向の位置と同様に移動する。第３手首軸は、第１手首軸を通り且つＺ方向に延伸する直線上を移動する。そして、第３手首軸のＺ方向の移動範囲は、最大で、第１手首軸から第２手首軸までの距離の４倍となる。また、第１手首リンク及び第２手首リンクのリンク幅（リンク長と直交する方向の寸法）は、従来のロボットのアームの先端部に設けられた昇降軸の軸心と平行な方向の寸法よりも、設計により容易に小さくすることができる。

よって、上記構成のロボットアームの手首及びこの手首を備えた双腕ロボットでは、ロボットアームの先端部に昇降軸を備えた従来のロボットと比較して、Ｚ方向の寸法を抑えつつ、アームに対するエンドエフェクタのＺ方向の移動範囲を拡張することを容易に実現することができる。

本発明によれば、アームの先端部に昇降軸を備えた従来のロボットと比較して、アームの先端部が移動する所定平面と直交する方向の寸法を抑えつつ、アームに対するエンドエフェクタの前記所定平面と直交する方向の移動範囲を拡張することのできるロボットを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る双腕ロボットの双腕ロボットの概略正面図である。 図２は、図１に示す双腕ロボットの概略平面図である。 図３は、手首の概略構成を示す正面図である。 図４は、図３におけるIV−IV断面の概略図である。 図５は、図３におけるＶ−Ｖ断面の概略図である。 図６は、フレキシブルホースの取付態様を示す図である。 図７は、手首の動作を説明する図である。 図８は、手首によるアームに対するエンドエフェクタのＺ方向の移動範囲を示す図である。 図９は、双腕ロボットにおける手首の変態例を示す図である。 図１０は、双腕ロボットにおける手首の変態例を示す図である。 図１１は、双腕ロボットにおける手首の変態例を示す図である。 図１２は、双腕ロボットの制御系統の構成を示す図である。 図１３は、レール式直動機構を含む手首に対する実施形態に係る手首の利点を説明する図である。 図１４は、レール式直動機構を含む手首に対する実施形態に係る手首の利点を説明する図である。 図１５は、変形例に係る手首の概略構成を示す正面図である。 図１６は、図１５におけるXVI−XVI断面の概略図である。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

〔双腕ロボットの概略構成〕
図１は双腕ロボット１の概略正面図、図２は双腕ロボット１の概略平面図である。図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る双腕ロボット１は、基台２と、基台２に支持された２本のロボットアーム（以下、単に「アーム３」と称する）と、各アーム３の先端部に接続されたエンドエフェクタ５と、アーム３とエンドエフェクタ５との間に設けられた手首４と、双腕ロボット１の動作を制御するコントローラ６とを備えている。

〔アーム３の構造〕
アーム３は、先端部が所定の平面内で移動するように構成された多関節型のロボットアームである。このようなロボットアームとして、例えば、水平多関節型ロボットアームがある。以下では、アーム３の先端部が移動する平面と直交する方向を「Ｚ方向」として説明する。２本のアーム３は、実質的に同一の構成を有しており、以下では、一方のアーム３の構成について説明し、他方のアーム３の構成についての説明を省略する。

アーム３は、基端部側から順に連接された、第１リンク３１及び第２リンク３２を備えている。

第１リンク３１の基端部は、基台２に立設された基軸２１に回転（旋回）可能に支持されている。基軸２１の軸心には、Ｚ方向に延伸する第１軸Ａ１が規定されている。第１リンク３１内には、基軸２１に対し第１リンク３１を回転させる第１回転駆動装置６１が設けられている。第１回転駆動装置６１は、例えば、モータ、及び、減速機を含むギア機構などにより構成されている（いずれも図示略）。

第１リンク３１の先端部には、Ｚ方向に延伸する第２軸Ａ２が規定されている。第１リンク３１の先端部には、第２軸Ａ２を中心として回動可能に、第２リンク３２の先端部が連結されている。２本のアーム３のうち一方のアーム３では、図１紙面において第１リンク３１の下に第２リンク３２が連結され、他方のアーム３では、図１紙面において第１リンク３１の上に第２リンク３２が連結されている。

第１リンク３１内には、第１リンク３１に対して第２リンク３２を回転させる第２回転駆動装置６２が設けられている。第２回転駆動装置６２は、例えば、モータ、及び、減速機を含むギア機構などにより構成されている（いずれも図示略）。第２リンク３２の先端部には、手首４が接続される手首接続部３３が設けられている。

２本のアーム３の第１リンク３１の基端部はＺ方向に並んで配置されており、２本のアーム３の第１リンク３１は第１軸Ａ１を中心として回転する。そして、２本のアーム３の第１リンク３１の基端部のＺ方向の位置の差を相殺するように、一方のアーム３では第２リンク３２が第１リンク３１のＺ方向の一方に配置され、他方のアーム３では第２リンク３２が第１リンク３１のＺ方向の他方に配置されている。このように、２本のアーム３の第２リンク３２の先端部に設けられた手首接続部３３のＺ方向の位置は実質的に同一となっており、２本のアーム３の先端部は実質的に同一の平面内を移動する。

〔手首４の構造〕
手首４は、アーム３とエンドエフェクタ５とを接続するとともに、アーム３に対してエンドエフェクタ５をＺ方向へ移動させる機能を備えている。

図３は、第１実施形態に係る手首４の概略構成を示す正面図であり、図４は、図３におけるIV−IV断面の概略図であり、図５は、図３におけるＶ−Ｖ断面の概略図である。図１〜３に示すように、手首４は、アーム３の先端部に接続される基端側接続体４０と、第１手首リンク４１と、第２手首リンク４２と、先端側接続体４３と、手首駆動装置４４とを備えている。本実施形態に係る手首４は、先端側接続体４３に保持されて、第４手首軸Ｌ４を構成するモータ４８を更に備えている。モータ４８の出力軸は、その軸心に第４手首軸Ｌ４が規定されている。モータ４８の出力軸からの出力は、減速機を含むギア機構（図示略）を介して、エンドエフェクタ５が接続されるインターフェース４８ａに伝達される。但し、エンドエフェクタ５は、先端側接続体４３に直接に接続されてもよい。

第１手首リンク４１は、基端側接続体４０に規定された第１手首軸Ｌ１を中心として回動可能に、基端側接続体４０と連結されている。第２手首リンク４２は、第１手首リンク４１に規定された第２手首軸Ｌ２を中心として回動可能に、第１手首リンク４１と連結されている。先端側接続体４３は、第２手首リンク４２に規定された第３手首軸Ｌ３を中心として回動可能に、第２手首リンク４２と連結されている。第１手首軸Ｌ１と第２手首軸Ｌ２との距離である第１リンク長と、第２手首軸Ｌ２と第３手首軸Ｌ３との距離である第２リンク長とは、実質的に等しい。先端側接続体４３にはブラケット４９が結合されており、このブラケット４９にはモータ４８を保持するモータ保持部４９ａと、後述するフレキシブルホース５０の端部が接続されるホース受け４９ｂとが設けられている。

第１手首軸Ｌ１、第２手首軸Ｌ２、及び第３手首軸Ｌ３の各軸の延伸方向は、アーム３の先端部が移動する平面と平行であり、換言すれば、Ｚ方向と直交している。第４手首軸Ｌ４の延伸方向はＺ方向と平行である。

手首駆動装置４４は、第１手首リンク４１の回転に、第２手首リンク４２及び先端側接続体４３を連動させる連動機構４６からなる。本実施形態では、連動機構４６は、各手首リンク４１，４２の外形を形成しているケーシング５８，７４や、その内部に形成されたギアトレイン等によって構成されている。以下、連動機構４６について詳細に説明する。

基端側接続体４０は、第２リンク３２の手首接続部３３に固定されるケーシング５１を備えている。図５に詳細に示されるように、ケーシング５１には、モータ４５が取り付けられている。また、ケーシング５１には、第１手首軸Ｌ１を軸心とする第１回転軸５２が固定されている。モータ４５は、第２リンク３２が第１リンク３１の下方に接続されている場合には第２リンク３２よりも下方に位置し、第２リンク３２が第１リンク３１の上方に接続されている場合には第２リンクよりも上方に位置する。これにより、第１回転軸５２とモータ４５の出力軸とを繋ぐ直線は、水平から上又は下に傾いている。

モータ４５の出力軸からの出力は、減速機を含むギア機構（図示略）を介して、ケーシング５１内に設けられた駆動ギア５５に伝達される。駆動ギア５５の回転動力は、駆動ギア５５及び入力ギア９０と噛合している中間ギア８９を介して、入力ギア９０へ伝達される。

図４に示すように、入力ギア９０のボスはケーシング５１に回動可能に支持されている。入力ギア９０のボスには、第１手首リンク４１のケーシング５８が固定されている。ケーシング５８には、第２手首軸Ｌ２を軸心とする第２回転軸５９が固定されている。

ケーシング５８内において、第１回転軸５２には、第１ギア９１が固定されている。また、ケーシング５８内において、第２回転軸５９には第２ギア９２が固定されている。そして、ケーシング５８内には、第１ギア９１及び第２ギア９２と噛合して、これらの間で回転動力を伝達する中間ギア９５が設けられている。

第２ギア９２のボスは第２回転軸５９に回動可能に支持されており、この第２ギア９２のボスには第２手首リンク４２のケーシング７４が固定されている。第２手首リンク４２のケーシング７４の先端部には、先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心として回動可能に支持されている。

ケーシング７４内において、第２回転軸５９には、第３ギア９３が固定されている。また、ケーシング７４内において、先端側接続体４３には第４ギア９４が固定されている。そして、ケーシング７４内には、第３ギア９３から第４ギア９４へ回転動力を伝達する３つの中間ギア９６ａ，９６ｂ，９６ｃが設けられている。このように、手首４には、駆動ギア５５から第４ギア９４まで連なるギアトレインが構成されている。

アーム３からモータ４８やエンドエフェクタ５へ延びる配線や配管は、基端部がアーム３の先端部に結合され、先端部がブラケット４９のホース受け４９ｂに結合された、フレキシブルホース５０を通される。フレキシブルホース５０は、例えば図６（ａ）に示すように、双腕ロボット１の正面から見て側方へ撓む半ループ状となるように取り付けられる。このフレキシブルホース５０の取付態様は、高さ方向の寸法が抑えられる点で有利である。また、フレキシブルホース５０は、例えば図６（ｂ）に示すように、上方へ撓む半ループ状となるように取り付けられる。このフレキシブルホース５０の取付態様は、フレキシブルホース５０の捻れが抑えられる点で有利である。

なお、アーム３からモータ４８やエンドエフェクタ５へ延びる配線や配管は、手首４の内部に通されてもよい。図４には、手首４のケーシング５１，５８，７４内を通る配管及び配線のルートＲが二点鎖線で記載されている。

以上の構成の手首４では、モータ４５の出力によって駆動ギア５５が回転駆動されると、その回転動力が入力ギア９０へ伝達され、入力ギア９０及びケーシング５８を含む第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心として回転する。そして、第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心として回転すると、第２回転軸５９が第１手首軸Ｌ１の周りを公転する。第２回転軸５９の公転に伴って、中間ギア９５及び第２ギア９２が回転し、第２ギア９２及びケーシング７４を含む第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として回転する。更に、第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として回転すると、先端側接続体４３が第２手首軸Ｌ２の周りを公転する。先端側接続体４３の公転に伴って、中間ギア９６ａ，９６ｂ及び第４ギア９４が回転し、第４ギア９４を含む先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心として回転する。

そして、図７を参照して、第３手首軸Ｌ３が第１手首軸Ｌ１を通るＺ方向の直線上を移動するように、換言すれば、折り畳まれた状態から第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心としてα°回転したときに、第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として−２α°回転し且つ先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心としてα°回転するように、各ギアのギア比が決定されている。

図７は折り畳まれた状態から第１手首リンク４１を第１手首軸Ｌ１を中心としてα°回転させた手首４の動作を説明する図である。なお、折り畳まれた状態の手首４では、第１手首リンク４１及び第２手首リンク４２は、その長手方向が水平となっており、第１手首軸Ｌ１と第３手首軸Ｌ３とが重複している。図７に示すように、折り畳まれた状態の手首４から、第１手首リンク４１を第１手首軸Ｌ１を中心としてα°回転させると、第２手首リンク４２は折り畳まれた状態から第２手首軸Ｌ２を中心として−２α°回転し、先端側接続体４３は折り畳まれた状態から第３手首軸Ｌ３を中心としてα°回転する。なお、αは任意の数字である。

このように動作する手首４によれば、第３手首軸Ｌ３は、第１手首軸Ｌ１を通るＺ方向と平行な直線上を移動し、先端側接続体４３に第４手首軸Ｌ４を介して又は直接に接続されたエンドエフェクタ５の姿勢は第３手首軸Ｌ３のＺ方向位置にかかわらず一定に保持される。

図８は、上記構成の手首４による、アーム３に対するエンドエフェクタ５のＺ方向の移動範囲を示している。手首４の第１リンク長及び第２リンク長をＬとしたときに、エンドエフェクタ５が接続される先端側接続体４３と同レベルにある第３手首軸Ｌ３の到達範囲は、アーム３の第２リンク３２と同レベルにある第１手首軸Ｌ１からＺ方向のうち一方へ２Ｌと、第１手首軸Ｌ１からＺ方向のうち他方へ２Ｌとを合わせた４Ｌとなる。なお、第１リンク長とは、第１手首軸Ｌ１と第２手首軸Ｌ２の距離であり、第２リンク長とは、第２手首軸Ｌ２と第３手首軸Ｌ３の距離である。

また、折り畳まれた手首４のＺ方向の寸法は、第１手首リンク４１又は第２手首リンク４２のリンク幅方向の寸法となる。なお、リンク幅方向とは、リンク長と直交する方向である。第１手首リンク４１又は第２手首リンク４２のリンク幅方向の寸法は、本実施形態の連動機構４６では第１ギア９１や第４ギア９４の径を抑えることで、小さく設計することが容易である。アーム３に対するエンドエフェクタ５のＺ方向の移動範囲を大きくし、第１手首リンク４１又は第２手首リンク４２のリンク幅方向の寸法を抑えるためには、第１手首リンク４１又は第２手首リンク４２はリンク長方向に細長い形状となる。

上記構成の手首４の第１手首リンク４１は、第１手首軸Ｌ１を中心として、正転方向及び逆転方向に３６０°回転することが可能である。図９〜１１は、上記構成の手首４の変態例を示している。

例えば、図９に示すように、双腕ロボット１を正面から見て、一対の手首４は、両手首４の第２手首軸Ｌ２の間に、両手首４の第１手首軸Ｌ１が位置する態様となることができる。このような態様は、小さい部材を双腕で動かすシーンや、小さい部材に対して双腕で作業を行うシーンで、両エンドエフェクタ５を近づけても自己干渉を容易に回避できるので有利である。

また、例えば、図１０に示すように、双腕ロボット１を正面から見て、一対の手首４は、両手首４の第１手首軸Ｌ１の間に、両手首４の第２手首軸Ｌ２が位置する態様となることができる。このような態様は、幅広の部材を双腕で動かすシーンで、手首４の側方への突出量を抑えることができるので有利である。

また、例えば、図１１に示すように、双腕ロボット１を正面から見て、一対の手首４は、両手首４の第１手首軸Ｌ１と第２手首軸Ｌ２とを結ぶ直線が平行となる態様となることができる。このような態様は、双腕ロボット１の一方に干渉物があるシーンで、その干渉物との衝突を回避しながら作業ができるので有利である。

双腕ロボット１の両アーム３の手首４が、例示した態様のうちどれを採用するかは、双腕ロボット１が行う作業の内容に応じて決定されて予め双腕ロボット１に教示されており、コントローラ６は教示された通りに手首４を動作させる。

〔双腕ロボット１の制御系統の構成〕
図１２は、双腕ロボット１の制御系統の構成を示す図である。図１２に示すように、各アーム３の第１回転駆動装置６１、第２回転駆動装置６２、及び、手首駆動装置４４の動作、並びに、エンドエフェクタ５の動作は、コントローラ６によって制御される。

コントローラ６は、いわゆるコンピュータであって、例えば、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＰＬＣ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の演算処理装置（プロセッサ）と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置とを有する（いずれも図示せず）。記憶装置には、演算処理装置が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。また、記憶装置には、アーム３及び手首４の動作を制御するためのデータ、エンドエフェクタ５の形状・寸法・動作に関するデータなどが格納されている。

コントローラ６では、記憶装置に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理装置が読み出して実行することにより、アーム３、手首４、及びエンドエフェクタ５の動作を制御するための処理が行われる。なお、コントローラ６は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。

コントローラ６は、所定の手首制御点が任意の目標位置へ移動するようにアーム３及び手首４を動作させる。手首制御点は、例えば、先端側接続体４３又はインターフェース４８ａに規定される。第１回転駆動装置６１及び第２回転駆動装置６２には、具備するモータの出力軸の回転位置を検出する回転位置検出器が設けられており、コントローラ６は、これらの回転位置検出器で検出された出力軸の回転位置に基づいて、双腕ロボット１の所定の基準点に対する所定のアーム制御点の位置を求めることができる。アーム制御点は、例えば、インターフェース４８ａと、エンドエフェクタ５の接合面と、第４手首軸Ｌ４の交点とされる。

また、手首駆動装置４４には、具備するモータ４５，４８の出力軸の回転位置を検出する回転位置検出器（図示略）が設けられており、コントローラ６はこの回転位置検出器で検出された出力軸の回転位置に基づいて、所定の手首基準点に対する手首制御点の位置及び姿勢を求めることができる。そして、コントローラ６は、求めたアーム制御点の位置と、手首制御点の位置及び姿勢とから、双腕ロボット１の所定の基準点に対する手首制御点の位置を求めることができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る手首４は、先端部が所定平面内で移動するロボットアーム３とエンドエフェクタ５とを接続する手首４であって、ロボットアーム３と接続される基端側接続体４０と、基端側接続体４０に規定された第１手首軸Ｌ１を中心として回動可能に当該基端側接続体４０と連結された第１手首リンク４１と、第１手首リンク４１に規定された第２手首軸Ｌ２を中心として回動可能に当該第１手首リンク４１と連結された第２手首リンク４２と、第２手首リンク４２に規定された第３手首軸Ｌ３を中心として回動可能に当該第２手首リンク４２と連結され、エンドエフェクタ５と接続される先端側接続体４３と、第１手首リンク４１に回転動力を付与する駆動源（モータ４５）、及び、第１手首リンク４１の回転に第２手首リンク４２と先端側接続体４３を連動させる連動機構４６を有する手首駆動装置４４とを備えている。なお、エンドエフェクタ５は、先端側接続体４３に直接的に接続されてもよいし、先端側接続体４３に更なる軸やリンクを介して接続されてもよい。本実施形態ではエンドエフェクタ５は、水平方向の回転軸（旋回軸）である第４手首軸Ｌ４を介して先端側接続体４３に接続されている。

そして、第１手首軸Ｌ１、第２手首軸Ｌ２、及び第３手首軸Ｌ３の各軸の延伸方向は所定平面と平行であり、第１手首軸Ｌ１から第２手首軸Ｌ２までの距離と第２手首軸Ｌ２から第３手首軸Ｌ３までの距離とが等しく、更に、連動機構４６が、第１手首軸Ｌ１と第３手首軸Ｌ３とが重なった状態から第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心として任意のα°回転したときに、第２手首リンク４２を第２手首軸Ｌ２を中心として−２α°回転させ且つ先端側接続体４３を第３手首軸Ｌ３を中心としてα°回転させるように構成されている。

また、上記実施形態に係る双腕ロボット１は、先端部が所定平面内で移動する一対のロボットアーム３と、ロボットアーム３の各々に対し設けられたエンドエフェクタ５と、ロボットアーム３とエンドエフェクタ５とを接続する手首４と、ロボットアーム３、エンドエフェクタ５、及び手首４の動作を制御するコントローラ６とを備えている。

上記のロボットアーム３は、第１リンク３１と、第１リンク３１の先端部において当該第１リンク３１の上下の一方に基端部が接続された第２リンク３２とを有している。そして、手首４では、駆動源であるモータ４５が第２リンク３２よりも上下の前記一方に位置するように、基端側接続体４０にモータ４５が取り付けられることによって、手首４の駆動源と第１リンク３１との干渉を回避している。

上記の双腕ロボット１において、コントローラ６は、例えば図１０に示すように、両方の手首４の第１手首軸Ｌ１の間に、両方の手首４の第２手首軸Ｌ２が位置するように、手首４を動作させてよい。また、コントローラ６は、例えば図９に示すように、両方の手首４の第２手首軸Ｌ２の間に、両方の手首４の第１手首軸Ｌ１が位置するように、手首４を動作させてよい。また、コントローラ６は、例えば図１１に示すように、両方の手首４の第１手首軸Ｌ１と第２手首軸Ｌ２とを結ぶ直線が平行となるように、手首４を動作させてよい。

上記構成の手首４及び双腕ロボット１では、第３手首軸Ｌ３のロボットアーム３の先端部が移動する所定平面と直交する方向（即ち、Ｚ方向）の位置は、エンドエフェクタ５が接続される先端側接続体４３のＺ方向の位置と同様に移動する。第３手首軸Ｌ３は、第１手首軸Ｌ１を通り且つＺ方向に延伸する直線上を移動する。そして、第３手首軸Ｌ３のＺ方向の移動範囲は、最大で、第１手首軸Ｌ１から第２手首軸Ｌ２までの距離（即ち、第１リンク長Ｌ）の４倍となる。また、第１手首リンク４１及び第２手首リンク４２のリンク幅（リンク長と直交する方向の寸法）は、従来のロボットのアームの先端部に設けられた昇降軸の軸心と平行な方向の寸法よりも、設計により容易に小さくすることができる。

よって、上記構成のロボットアーム３の手首４及びこの手首４を備えた双腕ロボット１では、ロボットアームの先端部に昇降軸を備えた従来のロボットと比較して、Ｚ方向の寸法を抑えつつ、アーム３に対するエンドエフェクタ５のＺ方向の移動範囲を拡張することを容易に実現することができる。

図１３及び図１４は、レール式直動機構を含む手首１０４に対する実施形態に係る手首４の利点を説明する図である。これらの図では、レール式直動機構を含む手首１０４を備えた先行技術に係る双腕ロボット１０１と、本実施形態に係る手首４を備えた双腕ロボット１とで同じ作業を行っている様子が示されている。

図１３に示すロボット１，１０１は、プレス装置１６１に板状のワークＷを供給する作業を行っている。各ロボット１，１０１には、板状のワークＷを吸着保持する吸着ハンドがエンドエフェクタ５，１０５として装着されている。先行技術に係るロボット１０１では、手首１０４の垂直方向に延びるレール式直動機構をプレス装置１６１内へ挿入することができないので、プレス装置１６１内でワークＷを所定のプレス位置まで搬入するために必要な移動距離をエンドエフェクタ１０５の寸法で賄っている。一方、本実施形態に係るロボット１では、エンドエフェクタ５のみならずアーム３及び手首４をプレス装置１６１内へ挿入することができるので、ロボット１０１と比較してエンドエフェクタ５の寸法を抑えることができる。

また、図１４に示すロボット１，１０１は、半導体露光機１６２に半導体基板を供給する作業を行っている。半導体露光機１６２は、ステージの上に開閉式の扉が設けられている。先行技術に係るロボット１０１では、手首１０４の直動機構を扉とステージの間へ挿入することができないので、扉の下で半導体基板をステージ上の所定位置まで搬入するために必要な移動距離をエンドエフェクタ１０５の寸法で賄っている。一方、本実施形態に係るロボット１では、エンドエフェクタ５のみならずアーム３及び手首４を扉とステージの間へ挿入することができるので、ロボット１０１と比較してエンドエフェクタ５の寸法を抑えることができる。

図１３，１４に示す作業の例では、本実施形態に係るロボット１では、先行技術に係るロボット１０１と比較してエンドエフェクタ５の寸法を抑えることができるので、エンドエフェクタ５の撓みや変形が抑えられ、また、安定した動作を行うことができる。

〔変形例〕
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の手首４の構成は、例えば、以下のように変更することができる。

例えば、上記実施形態において、手首駆動装置４４の連動機構４６がギアトレインを利用しているが、手首駆動装置４４の連動機構４６がプーリ及び伝動ベルトを含むベルト伝動機構を利用したものであってもよい。

図１５は、変形例１に係る手首４Ａの概略構成を示す正面図である。図１６は、図１５におけるXVI−XVI断面の概略図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１５及び図１６に示すように、変形例に係る手首４Ａは、第２リンク３２の先端部に接続される基端側接続体４０と、基端側接続体４０に第１手首軸Ｌ１を中心として回動可能に連結された第１手首リンク４１と、第１手首リンク４１の先端部に第２手首軸Ｌ２を中心として回動可能に連結された第２手首リンク４２と、第２手首リンク４２の先端部に第３手首軸Ｌ３を中心として回動可能に連結された先端側接続体４３とを備えている。先端側接続体４３には、エンドエフェクタ５が接続される。

基端側接続体４０は、第２リンク３２の手首接続部３３に固定されるケーシング５１を備えている。ケーシング５１には、モータ４５が取り付けられている。モータ４５の出力軸からの出力は、減速機を含むギア機構（図示略）を介して、ケーシング５１内に設けられた駆動プーリ５５Ａに伝達される。

ケーシング５１には、第１手首軸Ｌ１を軸心とする第１回転軸５２が固定されている。ケーシング５１内において、第１回転軸５２には入力プーリ５６が遊嵌されており、入力プーリ５６のボスはケーシング５１に回動可能に支持されている。駆動プーリ５５Ａと入力プーリ５６には無端状の伝動ベルト５７が巻回されている。ケーシング５１内には、伝動ベルト５７のテンションを調整するためのテンションローラ８１が設けられている。

入力プーリ５６のボスには、第１手首リンク４１のケーシング５８が固定されている。ケーシング５８には、第２手首軸Ｌ２を軸心とする第２回転軸５９が固定されている。

ケーシング５８内において、第１回転軸５２には、第１プーリ５３が固定されている。また、ケーシング５８内において、第２回転軸５９には第２プーリ７２が遊嵌されている。そして、第１プーリ５３と第２プーリ７２には無端状の伝動ベルト７３が巻回されている。ケーシング５８内には、伝動ベルト７３のテンションを調整するためのテンションローラ８２が設けられている。

第２プーリ７２のボスは第２回転軸５９に回動可能に支持されており、この第２プーリ７２のボスには第２手首リンク４２のケーシング７４が固定されている。第２手首リンク４２のケーシング７４の先端部には、先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心として回動可能に支持されている。

ケーシング７４内において、第２回転軸５９には、第３プーリ７１が固定されている。また、ケーシング７４内において、先端側接続体４３には、第４プーリ７５が固定されている。そして、第３プーリ７１と第４プーリ７５には無端状の伝動ベルト７６が巻回されている。ケーシング７４内には、伝動ベルト７６のテンションを調整するためのテンションローラ８３が設けられている。

以上の構成の手首４Ａでは、モータ４５の出力によって駆動プーリ５５Ａが回転駆動されると、その回転動力が入力プーリ５６に伝達され、入力プーリ５６及びケーシング５８を含む第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心として回転する。そして、第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心として回転すると、第２回転軸５９が第１手首軸Ｌ１の周りを公転する。第２回転軸５９の公転により、伝動ベルト７３が周回し、第２プーリ７２及びケーシング７４を含む第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として回転する。更に、第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として回転すると、先端側接続体４３が第２手首軸Ｌ２の周りを公転する。先端側接続体４３の公転により、伝動ベルト７６が周回し、第４プーリ７５を含む先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心として回転する。

そして、上記構成の手首４Ａでは、手首４の第１手首軸Ｌ１と第２手首軸Ｌ２との距離である第１リンク長と、第２手首軸Ｌ２と第３手首軸Ｌ３との距離である第２リンク長とは、実質的に等しい。更に、第１プーリ５３の直径と第２プーリ７２の直径との比率であるプーリ比は２：１であり、且つ、第３プーリ７１の直径と第４プーリ７５の直径との比率であるプーリ比は１：２である。これにより、第３手首軸Ｌ３が第１手首軸Ｌ１を通るＺ方向の直線上を移動するように、換言すれば、折り畳まれた状態から第１手首リンク４１が第１手首軸Ｌ１を中心としてα°回転したときに、第２手首リンク４２が第２手首軸Ｌ２を中心として−２α°回転し且つ先端側接続体４３が第３手首軸Ｌ３を中心としてα°回転する。

１ ：双腕ロボット
２ ：基台
３ ：ロボットアーム
４，４Ａ ：手首
５ ：エンドエフェクタ
６ ：コントローラ
２１ ：基軸
３１ ：第１リンク
３２ ：第２リンク
３３ ：手首接続部
４０ ：基端側接続体
４１ ：第１手首リンク
４２ ：第２手首リンク
４３ ：先端側接続体
４４ ：手首駆動装置
４５ ：モータ
４６ ：連動機構
４８ ：モータ
４９ ：ブラケット
５０ ：フレキシブルホース
５１，５８，７４ ：ケーシング
５２，５９ ：回転軸
５３，５５Ａ，７１，７２，７５ ：プーリ
５７，７３，７６ ：伝動ベルト
６１，６２ ：回転駆動装置
８１〜８３ ：テンションローラ
５５，８９〜９６ ：ギア
Ａ１ ：第１軸
Ａ２ ：第２軸
Ｌ１ ：第１手首軸
Ｌ２ ：第２手首軸
Ｌ３ ：第３手首軸
Ｌ４ ：第４手首軸

Claims (6)

1. 先端部が所定平面内で移動するロボットアームとエンドエフェクタとを接続する手首であって、
   前記ロボットアームと接続される基端側接続体と、
   前記基端側接続体に規定された第１手首軸を中心として回動可能に当該基端側接続体と連結された第１手首リンクと、
   前記第１手首リンクに規定された第２手首軸を中心として回動可能に当該前記第１手首リンクと連結された第２手首リンクと、
   前記第２手首リンクに規定された第３手首軸を中心として回動可能に当該第２手首リンクと連結され、前記エンドエフェクタと接続される先端側接続体と、
   前記第１手首リンクに回転動力を付与する駆動源、及び、前記第１手首リンクの回転に前記第２手首リンクと前記先端側接続体を連動させる連動機構を有する手首駆動装置とを備え、
   前記第１手首軸、前記第２手首軸、及び前記第３手首軸の各軸の延伸方向は前記所定平面と平行であり、
   前記第１手首軸から前記第２手首軸までの距離と前記第２手首軸から前記第３手首軸までの距離とが等しく、
   前記連動機構が、前記第１手首軸と前記第３手首軸とが重なった状態から前記第１手首リンクが前記第１手首軸を中心として任意のα°回転したときに、前記第２手首リンクを前記第２手首軸を中心として−２α°回転させ且つ前記先端側接続体を前記第３手首軸を中心としてα°回転させる、
   ロボットアームの手首。
2. 先端部が所定平面内で移動する一対のロボットアームと、
   前記ロボットアームの各々に対し設けられたエンドエフェクタと、
   前記ロボットアームと前記エンドエフェクタとを接続する、請求項１に記載の手首と、
   前記ロボットアーム、前記エンドエフェクタ、及び前記手首の動作を制御するコントローラとを備える、
   双腕ロボット。
3. 前記コントローラは、
   両方の前記手首の前記第２手首軸の間に、両方の前記手首の前記第１手首軸が位置するように、前記手首を動作させる、
   請求項２に記載の双腕ロボット。
4. 前記コントローラは、
   両方の前記手首の前記第１手首軸の間に、両方の前記手首の前記第２手首軸が位置するように、前記手首を動作させる、
   請求項２に記載の双腕ロボット。
5. 前記コントローラは、
   両方の前記手首の前記第１手首軸と前記第２手首軸とを結ぶ直線が平行となるように、前記手首を動作させる、
   請求項２に記載の双腕ロボット。
6. 前記ロボットアームは、第１リンクと、前記第１リンクの先端部において当該第１リンクの上下の一方に基端部が接続された第２リンクとを有し、
   前記駆動源が前記第２リンクよりも上下の前記一方に位置するように、前記手首の前記基端側接続体に前記駆動源が取り付けられている、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の双腕ロボット。

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