JP2722345B2 - 2-DOF drive mechanism for industrial robot wrist - Google Patents

2-DOF drive mechanism for industrial robot wrist

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JP2722345B2
JP2722345B2 JP61308521A JP30852186A JP2722345B2 JP 2722345 B2 JP2722345 B2 JP 2722345B2 JP 61308521 A JP61308521 A JP 61308521A JP 30852186 A JP30852186 A JP 30852186A JP 2722345 B2 JP2722345 B2 JP 2722345B2
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JP
Japan
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operating shaft
nut
motor
ball screw
drive mechanism
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茂男 広瀬
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Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、2種類の運動を行わせることのできる2自
由度駆動機構に関するもので、特に、産業用ロボットの
手首機構に用いられる、直進運動と回転運動とを行わせ
ることのできる2自由度駆動機構に関するものである。 (従来の技術) 一般に、工作機械等の機械装置においては、送りと回
転との2種類の運動が求められることが多い。例えば水
平多関節ロボットの場合には、その先端の手首機構に、
Z軸方向の直進運動とZ軸まわりの回転運動とを行わせ
ることが必要となっている。 第2図は、このような直進運動と回転運動とを行わせ
ることのできる2自由度駆動機構として、従来一般に多
用されている典型的な例を示すものである。 この2自由度駆動機構は、固定フレーム31と、その固
定フレーム31にスプライン32を介して嵌合された可動フ
レーム33とを備えている。固定フレーム31には直進用モ
ータ34が取り付けられており、その直進用モータ34の出
力軸に直結されたボールねじ35を回転駆動することによ
って、可動フレーム33が直進運動を行うようになってい
る。また、可動フレーム33内には旋回用モータ36が取り
付けられており、その旋回用モータ36を作動させること
によって、その出力軸に直結された作動軸37が回転運動
を行うようになっている。 したがって、直進用モータ34及び旋回用モータ36を適
宜作動させることによって、作動軸37に直進運動と回転
運動とを行わせることができる。 また、このような2自由度駆動機構の変形例として、
固定フレームに可動フレームを回転自在に支持し、その
固定フレームに取り付けられた旋回用モータによって可
動フレームを回転させるとともに、可動フレームに取り
付けられた直進用モータによって作動軸を直進させるよ
うにしたものも知られている。 しかしながら、いずれにしても、このような2自由度
駆動機構では、固定フレームのほかに可動フレームを必
要とし、しかも、その可動フレームは、旋回用モータあ
るいは直進用モータのいずれかを支持した状態で直進運
動あるいは回転運動を行うようにしなければならないの
で、可動部の重量が大きく、高速応答性が得られな
い、全体の重量も大きく、マニピュレータの先端に取
り付けられる手首機構とするには不利となる、精度の
高い加工が困難で、信頼性を十分に高めることは難し
い、等の問題がある。 このようなことから、第3図に示されているような2
自由度駆動機構も提案されている。 この2自由度駆動機構においては、直進用モータ41及
び旋回用モータ42はともに固定フレーム43に支持されて
いる。固定フレーム43には、ボールねじ44と、ボールス
プライン45が形成された作動軸46とが並設されている。
このボールねじ44は、直進用モータ41によりタイミング
ベルト47を介して回転駆動されるようになっている。ま
た、作動軸46は、ボールスプライン45に嵌合されている
ナット48を旋回用モータ42によりタイミングベルト49を
介して回転駆動することによって、回転されるようにな
っている。そして、ボールねじ44には、連結部材50を介
してベアリング51が一体に取り付けられたナット52が螺
合されている。そのベアリング51は、作動軸46の上端を
回転自在に、かつ軸方向相対移動不能に支持するものと
されている。 したがって、直進用モータ41を作動させると、ボール
ねじ44が回転し、ナット52が上下方向に移動して、作動
軸46が直進運動する。また、旋回用モータ42を作動させ
ると、ナット48が回転して、作動軸46が回転する。 このような2自由度駆動機構によれば、可動部の重量
を軽減することができるので、応答性は改善される。し
かしながら、未だ部品点数が多く、しかも、ボールねじ
44と作動軸46とを並設しなければならないので、占有ス
ペースが大きくなり、マニピュレータの先端に取り付け
るには必ずしも適したものとは言えない。 このような問題を根本的に解決するためには、作動軸
に直接直進運動と回転運動とを行わせるようにすればよ
い。そのようなものとして、第4図に示されているよう
な差動機構を用いることが考えられている。 この2自由度駆動機構においては、作動軸61の外周面
に、一対の互いに逆方向で同ピッチの螺旋状の溝62,63
が形成されている。そして、これらの溝62,63に、ボー
ルを介してカップリング64,65がそれぞれ噛み合わされ
ている。これらのカップリング64,65は、2台のモータ
(図示せず)により、タイミングベルト66,67を介して
それぞれ個別に回転駆動されるようになっている。 このような機構によれば、各カップリング64,65を同
速度で同方向に同期回転させると、作動軸61はカップリ
ング64,65と同方向に回転する。また、カップリング64,
65を互いに逆方向で同速度で同期回転させると、作動軸
61は上下方向に直進運動をする。 したがって、2台のモータの回転方向と回転速度とを
制御するだけで、作動軸61に任意の直進運動と回転運動
とを行わせることができる。近年、モータの制御技術は
相当進んでいるので、このようなモータの差動制御も極
めて容易かつ正確に行うことができる。 (発明が解決しようとする問題点) しかしながら、このような差動機構を用いた2自由度
駆動機構においても、未だ次のような問題点がある。 特殊なボールねじ機構を用いるものであるため、高
価となる。 一対の溝62,63が交差しているため、各カップリン
グ64,65のボールが対応する溝62,63から外れることがあ
る。 精密な直進運動を行わせるためには各溝62,63のピ
ッチを小さくすることが望まれるが、そのようにする
と、回転に対する負荷支持力が低下してしまう。また、
ピッチを大きくすると、直進に対する負荷支持力が低下
する。したがって、使用範囲が軽荷重用に限られること
になる。 本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであ
って、その目的は、重荷重にも対応することができると
ともに、構造が簡単でコンパクトな、産業用ロボットの
手首機構として優れた2自由度駆動機構を得ることであ
る。 (問題点を解決するための手段) この目的を達成するために、本発明では、作動軸にボ
ールねじとボールスプラインとを直列状に設け、それら
ボールねじ及びボールスプラインに第1及び第2ナット
をそれぞれ噛み合わせるようにしている。その第1及び
第2ナットは、フレームによって回転自在に、かつ軸方
向には移動不能に支持されている。そして、それら第1
及び第2ナットは、フレームに支持された直進用モータ
及び旋回用モータによって、それぞれ第1及び第2伝動
機構を介して回転駆動されるようになっている。作動軸
の先端には、工具を取り付けるための工具取付部が一体
的に設けられている。 (作用) このように構成することにより、第1ナットのみを回
転させると、その第1ナットに螺合しているボールねじ
に軸方向の力が作用し、作動軸が直進運動する。このと
き、作動軸はボールスプラインを介して第2ナットに係
合しているので、その作動軸が回転することはない。 また、第1ナットと第2ナットとを同速度で同方向に
同期回転させると、第2ナットの回転がボールスプライ
ンを介して作動軸に伝えられ、作動軸が回転運動をす
る。このとき、作動軸はボールねじを介して第1ナット
とも係合しているが、その第1ナットは作動軸と同速度
で同方向に回転しているので、作動軸に直進運動が生ず
ることはない。 そして、第1及び第2ナットに相対回転速度差を与え
ながらこれらをともに回転させると、作動軸は直進運動
を行うと同時に回転運動を行う。 このように、作動軸のみが直進運動と回転運動とを行
うので、その可動部は軽量でコンパクトなものとなる。
しかも、その作動軸には、普通に用いられているボール
ねじとボールスプラインとを形成し、それぞれにナット
を係合させるだけであるので、極めて安価なものとする
ことができる。 そして、直進荷重はボールねじと噛み合う第1ナット
によって支持され、回転荷重はボールスプラインと噛み
合う第2ナットによって支持されるので、大きな荷重に
も十分に対応し得るものとすることができる。 (実施例) 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。 図中、第1図は本発明による2自由度駆動機構の一実
施例を示す縦断側面図である。 この図から明らかなように、フレーム1の先端部に
は、上下方向に開口する筒状部2が設けられている。こ
の筒状部2の上下端には、それぞれベアリング3,3及び
4,4を介して、第1ナット5及び第2ナット6が回転自
在に、かつ軸方向には移動不能に取り付けられている。 これら第1及び第2ナット5,6には、作動軸7が嵌め
込まれている。この作動軸7の外周面には、上半部にボ
ールねじ8が形成され、下半部にボールスプライン9が
形成されている。すなわち、作動軸7には、ボールねじ
8とボールスプライン9とが直列状に設けられている。
これらボールねじ8及びボールスプライン9は、ナット
5,6間の距離にほぼ等しい長さとされている。そして、
そのボールねじ8に第1ナット5が螺合し、ボールスプ
ライン9に第2ナット6が嵌合するようにされている。
したがって、第2ナット6は、ボールスプライン9に対
して軸方向には摺動自在であるが、相対回転はしないよ
うになっている。また、作動軸7の下端部には、工具を
取り付けるための工具取付部10が一体的に設けられ、そ
の工具が作動軸7と一体的な運動をするようにされてい
る。 第1及び第2ナット5,6の外周面には、それぞれ第1
プーリ11及び第2プーリ12が一体に設けられている。一
方、フレーム1には、直進用モータ13と旋回用モータ14
とが取り付けられている。そして、直進用モータ13の出
力軸15に設けられた駆動プーリ16と第1ナット5の第1
プーリ11との間に、第1タイミングベルト17が巻き掛け
られ、旋回用モータ14の出力軸18に設けられた駆動プー
リ19と第2ナット6の第2プーリ12との間に、第2タイ
ミングベルト20が巻き掛けられている。フレーム1の筒
状部2には、これらベルト17,20が挿通されるベルト挿
通孔21,22が形成されている。 こうして、直進用モータ13によって第1ナット5が回
転駆動され、旋回用モータ14によって第2ナット6が回
転駆動されるようになっている。すなわち、この実施例
では、駆動プーリ16、第1タイミングベルト17、及び第
1プーリ11によって、直進用モータ13の回転駆動力を第
1ナット5に伝達する第1伝動機構23が構成され、駆動
プーリ19、第2タイミングベルト20、及び第2プーリ12
によって、旋回用モータ14の回転駆動力を第2ナット6
に伝達する第2伝動機構24が構成されている。 次に、このように構成された2自由度駆動機構の作用
について説明する。 作動軸7に直進運動を行わせるときには、旋回用モー
タ14を停止させた状態で、直進用モータ13を作動させ
る。すると、直進用モータ13の回転駆動力が第1伝動機
構23によって第1ナット5に伝えられ、そのナット5が
モータ13と同方向に回転する。このとき、旋回用モータ
14が停止していることにより、第2ナット6は固定され
ているので、そのナット6にボールスプライン9を介し
て嵌合している作動軸7の回転は規制されている。した
がって、第1ナット5は作動軸7に対して相対回転する
ことになる。そして、そのナット5は軸方向には移動し
ないので、そのナット5に螺合しているボールねじ8に
軸方向の力が加えられる。 その結果、作動軸7は軸方向に直進運動をする。ボー
ルねじ8のピッチをpとすれば、作動軸7を速度vで直
進運動させるためには、第1ナット5を、 (60/2π)・(v/p) の角速度で回転させればよい。 第1ナット5を逆方向に回転させれば、作動軸7は逆
方向の直進運動を行う。 また、作動軸7に回転運動をさせるときには、直進用
モータ13及び旋回用モータ14をともに作動させて、第1
及び第2ナット5,6を同速度で同方向に回転させる。第
2ナット6を角速度ωで回転させると、そのナット6に
ボールスプライン9を介して嵌合している作動軸7も、
同じ角速度ωで同方向に回転する。このとき、ボールね
じ8も回転するが、そのボールねじ8に螺合されている
第1ナット5も同速度で同方向に同期回転されているの
で、第1ナット5とボールねじ8との間に相対移動が生
ずることはない。したがって、作動軸7は直進運動はせ
ず、回転運動のみを行うことになる。 作動軸7を逆方向に回転させるときには、第1及び第
2ナット5,6をともに逆方向に同速度で回転させればよ
い。 このようにして、一般に、第1ナット5を ω+(60/2π)・(v/p) の角速度で回転させ、第2ナット6を角速度ωで回転さ
せれば、作動軸7は、速度vの直進運動を行うととも
に、角速度ωの回転運動を行うことになる。したがっ
て、2台のモータ13,14の同期制御によって、任意の2
自由度運動を実現することができる。 このように、この2自由度駆動機構によれば、作動軸
7のみに直進運動及び回転運動を行わせることができ、
可動部を軽量化することができるので、高速応答性に優
れたものとすることができる。また、フレーム1の先端
部には、1本の作動軸7とそれに嵌合されるナット5,6
とのみを設ければよいので、コンパクトなものとするこ
とができ、ロボットの手首機構として最適のものとな
る。 しかも、作動軸7には、ごく普通に用いられているボ
ールねじ8とボールスプライン9とを形成すればよく、
それに噛み合う第1及び第2ナット5,6も通常のもので
よいので、極めて安価なものとなる。そして、直進荷重
は、ボールねじ8と第1ナット5との螺合によって支持
されるが、そのボールねじ8のピッチpを小さくするこ
とによって、その支持力は十分に大きくすることができ
る。また、回転荷重は、ボールスプライン9と第2ナッ
ト6との嵌合によって支持されるが、ボールスプライン
9の負荷支持特性が非常に良好であるので、重荷重にも
十分に対応し得るものとすることができる。 なお、上記実施例においては、ボールねじ8とボール
スプライン9とが作動軸7の上下に設けられるものとし
ているが、これらを逆に設けるようにすることもでき
る。また、作動軸7が上下方向に設置されるものに限ら
れることもない。 更に、直進用モータ13及び旋回用モータ14の回転駆動
力をナット5,6に伝達する伝動機構23,24として、タイミ
ングベルト17,20を用いるものとしているが、これを歯
車機構等によって構成することもできる。ただし、モー
タ13,14がフレーム1の基部側に設置され、しかも全体
が軽量のものとなるようにするためには、ベルト伝動機
構を用いることが望ましい。 (発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、作
動軸にボールねじとボールスプラインとを形成し、これ
らボールねじ及びボールスプラインに第1及び第2ナッ
トをそれぞれ噛み合わせて、その第1及び第2ナットの
回転を同期制御するようにしているので、作動軸に直接
直進運動と回転運動とを行わせることができ、可動部の
軽量化が可能となるとともに、部品点数が少なく、コン
パクトなものとすることができる。 そして、直進運動をボールねじによって行わせるとと
もに、回転運動をボールスプラインによって行わせるよ
うにしているので、重量物の取り扱いにも対応し得るも
のとすることができる。しかも、それらボールねじ及び
ボールスプラインはごく普通のものであるので、安価に
製造することができる。 こうして、産業用ロボットの手首機構として優れた2
自由度駆動機構を得ることができる。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a two-degree-of-freedom drive mechanism capable of performing two types of movements, and more particularly, to a straight-ahead drive mechanism used for a wrist mechanism of an industrial robot. The present invention relates to a two-degree-of-freedom drive mechanism capable of performing a motion and a rotational motion. (Prior Art) Generally, in a machine device such as a machine tool, two types of movements, feed and rotation, are often required. For example, in the case of a horizontal articulated robot, the wrist mechanism at the tip
It is necessary to perform a linear motion in the Z-axis direction and a rotational motion about the Z-axis. FIG. 2 shows a typical example of a two-degree-of-freedom drive mechanism which can perform such a linear motion and a rotational motion, which is conventionally and frequently used. The two-degree-of-freedom drive mechanism includes a fixed frame 31 and a movable frame 33 fitted to the fixed frame 31 via a spline 32. A linear motor 34 is attached to the fixed frame 31, and the movable frame 33 performs a linear motion by rotating a ball screw 35 directly connected to an output shaft of the linear motor 34. . Further, a turning motor 36 is mounted in the movable frame 33, and by operating the turning motor 36, an operating shaft 37 directly connected to the output shaft performs a rotational motion. Therefore, the operating shaft 37 can perform the linear motion and the rotational motion by appropriately operating the linear motor 34 and the turning motor 36. Further, as a modified example of such a two-degree-of-freedom driving mechanism,
A movable frame is rotatably supported by a fixed frame, and the movable frame is rotated by a turning motor mounted on the fixed frame, and the operating shaft is moved straight by a straight motor mounted on the movable frame. Are known. However, in any case, such a two-degree-of-freedom drive mechanism requires a movable frame in addition to the fixed frame, and the movable frame supports either the turning motor or the straight-moving motor. Since it is necessary to perform linear motion or rotational motion, the weight of the movable part is large, high-speed response is not obtained, the overall weight is large, and it is disadvantageous for a wrist mechanism attached to the tip of the manipulator It is difficult to perform high-precision processing, and it is difficult to sufficiently increase reliability. For this reason, as shown in FIG.
A degree of freedom drive mechanism has also been proposed. In this two-degree-of-freedom drive mechanism, the straight-moving motor 41 and the turning motor 42 are both supported by the fixed frame 43. On the fixed frame 43, a ball screw 44 and an operating shaft 46 on which a ball spline 45 is formed are juxtaposed.
The ball screw 44 is rotatably driven by a straight motor 41 via a timing belt 47. The operating shaft 46 is rotated by rotating a nut 48 fitted to the ball spline 45 by a turning motor 42 via a timing belt 49. Further, a nut 52 to which a bearing 51 is integrally attached via a connecting member 50 is screwed to the ball screw 44. The bearing 51 supports the upper end of the operating shaft 46 so as to be rotatable and immovable relative to the axial direction. Accordingly, when the linear motor 41 is operated, the ball screw 44 rotates, the nut 52 moves in the vertical direction, and the operating shaft 46 moves linearly. When the turning motor 42 is operated, the nut 48 rotates, and the operating shaft 46 rotates. According to such a two-degree-of-freedom drive mechanism, the responsiveness is improved because the weight of the movable part can be reduced. However, the number of parts is still large, and the ball screw
Since the 44 and the operating shaft 46 must be arranged side by side, the occupied space becomes large, and it cannot be said that it is necessarily suitable for mounting on the tip of the manipulator. In order to fundamentally solve such a problem, the operating shaft may be made to directly perform a linear motion and a rotary motion. As such, it has been considered to use a differential mechanism as shown in FIG. In the two-degree-of-freedom drive mechanism, a pair of spiral grooves 62 and 63 having the same pitch in opposite directions are formed on the outer peripheral surface of the operating shaft 61.
Are formed. The couplings 64 and 65 are engaged with the grooves 62 and 63 via balls, respectively. These couplings 64, 65 are individually driven to rotate by two motors (not shown) via timing belts 66, 67, respectively. According to such a mechanism, when the couplings 64 and 65 are synchronously rotated in the same direction at the same speed, the operating shaft 61 rotates in the same direction as the couplings 64 and 65. Also, coupling 64,
When the 65 are rotated synchronously in the opposite direction and at the same speed, the operating shaft
61 moves straight up and down. Therefore, it is possible to cause the operating shaft 61 to perform arbitrary linear motion and rotational motion only by controlling the rotational direction and the rotational speed of the two motors. In recent years, since motor control technology has advanced considerably, such differential control of the motor can be performed very easily and accurately. (Problems to be Solved by the Invention) However, such a two-degree-of-freedom drive mechanism using a differential mechanism still has the following problems. It is expensive because a special ball screw mechanism is used. Since the pair of grooves 62, 63 intersect, the ball of each coupling 64, 65 may come off from the corresponding groove 62, 63. It is desirable to reduce the pitch of each groove 62, 63 in order to perform a precise linear motion, but in such a case, the load supporting force against rotation decreases. Also,
When the pitch is increased, the load supporting force for straight traveling decreases. Therefore, the range of use is limited to light loads. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a wrist mechanism for an industrial robot which can cope with a heavy load and has a simple and compact structure. The goal is to obtain a degree of freedom drive mechanism. (Means for Solving the Problems) In order to achieve this object, in the present invention, a ball screw and a ball spline are provided in series on an operating shaft, and a first and a second nut are provided on the ball screw and the ball spline. Are engaged with each other. The first and second nuts are supported by a frame so as to be rotatable and immovable in the axial direction. And those first
The second nut and the second nut are rotatably driven by a straight-moving motor and a turning motor supported by the frame via first and second transmission mechanisms, respectively. A tool mounting portion for mounting a tool is integrally provided at the tip of the operating shaft. (Operation) With this configuration, when only the first nut is rotated, an axial force acts on the ball screw screwed to the first nut, and the operating shaft moves linearly. At this time, since the operation shaft is engaged with the second nut via the ball spline, the operation shaft does not rotate. When the first nut and the second nut are synchronously rotated in the same direction at the same speed, the rotation of the second nut is transmitted to the operation shaft via the ball spline, and the operation shaft rotates. At this time, the operating shaft is also engaged with the first nut via the ball screw, but since the first nut is rotating at the same speed and in the same direction as the operating shaft, linear motion may occur on the operating shaft. There is no. When the first and second nuts are rotated together while giving a relative rotational speed difference, the operating shaft performs a linear motion and a rotary motion at the same time. As described above, since only the operating shaft performs the rectilinear motion and the rotational motion, the movable portion is lightweight and compact.
In addition, a ball screw and a ball spline, which are commonly used, are formed on the operating shaft, and only nuts are engaged with each other, so that the cost can be extremely low. Since the linear load is supported by the first nut that meshes with the ball screw, and the rotational load is supported by the second nut that meshes with the ball spline, it is possible to sufficiently cope with a large load. (Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional side view showing an embodiment of a two-degree-of-freedom drive mechanism according to the present invention. As is clear from this figure, a cylindrical portion 2 that opens in the vertical direction is provided at the tip of the frame 1. Bearings 3, 3 and 3 are provided at the upper and lower ends of the cylindrical portion 2, respectively.
The first nut 5 and the second nut 6 are rotatably mounted via the fourth and fourth members so as not to move in the axial direction. An operating shaft 7 is fitted into the first and second nuts 5 and 6. A ball screw 8 is formed on an upper half of the outer peripheral surface of the operating shaft 7, and a ball spline 9 is formed on a lower half thereof. That is, the operation shaft 7 is provided with the ball screw 8 and the ball spline 9 in series.
These ball screw 8 and ball spline 9 are nuts
The length is almost equal to the distance between 5,6. And
The first nut 5 is screwed into the ball screw 8, and the second nut 6 is fitted into the ball spline 9.
Accordingly, the second nut 6 is slidable in the axial direction with respect to the ball spline 9, but does not rotate relative to the ball spline 9. In addition, a tool mounting portion 10 for mounting a tool is integrally provided at a lower end portion of the operation shaft 7, and the tool moves integrally with the operation shaft 7. The first and second nuts 5 and 6 have first
The pulley 11 and the second pulley 12 are provided integrally. On the other hand, the frame 1 includes a straight-moving motor 13 and a turning motor 14.
And are attached. The drive pulley 16 provided on the output shaft 15 of the linear motor 13 and the first nut 5
A first timing belt 17 is wound around the pulley 11, and a second timing belt is provided between a drive pulley 19 provided on an output shaft 18 of the turning motor 14 and a second pulley 12 of the second nut 6. The belt 20 is wound around. Belt insertion holes 21 and 22 through which these belts 17 and 20 are inserted are formed in the cylindrical portion 2 of the frame 1. Thus, the first nut 5 is rotationally driven by the straight motor 13 and the second nut 6 is rotationally driven by the turning motor 14. In other words, in this embodiment, the driving pulley 16, the first timing belt 17, and the first pulley 11 constitute a first transmission mechanism 23 that transmits the rotational driving force of the linear motor 13 to the first nut 5. Pulley 19, second timing belt 20, and second pulley 12
As a result, the rotational driving force of the turning motor 14 is
A second transmission mechanism 24 for transmitting the power to the motor is constituted. Next, the operation of the thus configured two-degree-of-freedom drive mechanism will be described. When the operating shaft 7 is caused to perform the linear motion, the linear motor 13 is operated with the turning motor 14 stopped. Then, the rotation driving force of the linear motor 13 is transmitted to the first nut 5 by the first transmission mechanism 23, and the nut 5 rotates in the same direction as the motor 13. At this time, the turning motor
Since the second nut 6 is fixed by the stop of 14, the rotation of the operating shaft 7 fitted to the nut 6 via the ball spline 9 is restricted. Therefore, the first nut 5 rotates relative to the operating shaft 7. Since the nut 5 does not move in the axial direction, an axial force is applied to the ball screw 8 screwed to the nut 5. As a result, the operating shaft 7 moves linearly in the axial direction. Assuming that the pitch of the ball screw 8 is p, the first nut 5 may be rotated at an angular velocity of (60 / 2π) · (v / p) in order to cause the operating shaft 7 to move linearly at the speed v. . When the first nut 5 is rotated in the reverse direction, the operating shaft 7 performs a rectilinear motion in the reverse direction. When the operating shaft 7 is caused to rotate, the linear motor 13 and the turning motor 14 are both operated, and the first
And the second nuts 5, 6 are rotated in the same direction at the same speed. When the second nut 6 is rotated at an angular velocity ω, the operating shaft 7 fitted to the nut 6 via the ball spline 9 also
They rotate in the same direction at the same angular velocity ω. At this time, the ball screw 8 also rotates, but the first nut 5 screwed to the ball screw 8 is also synchronously rotated in the same direction at the same speed. No relative movement occurs. Therefore, the operating shaft 7 does not perform a linear motion, but performs only a rotational motion. When the operating shaft 7 is rotated in the opposite direction, the first and second nuts 5 and 6 may be rotated in the opposite direction at the same speed. In this way, in general, if the first nut 5 is rotated at an angular velocity of ω + (60 / 2π) · (v / p) and the second nut 6 is rotated at an angular velocity of ω, the operating shaft 7 will rotate at a speed v And a rotational motion at an angular velocity ω is performed. Therefore, by controlling the two motors 13 and 14 synchronously, any two
The freedom of movement can be realized. As described above, according to the two-degree-of-freedom drive mechanism, it is possible to cause only the operating shaft 7 to perform linear motion and rotational motion,
Since the weight of the movable portion can be reduced, excellent high-speed response can be achieved. In addition, one operating shaft 7 and nuts 5 and 6 fitted to the operating shaft 7 are provided at the tip of the frame 1.
Since it is only necessary to provide the following, the device can be made compact, which is optimal as a wrist mechanism of the robot. In addition, the operating shaft 7 may be formed with a ball screw 8 and a ball spline 9 which are used in a very ordinary manner.
The first and second nuts 5 and 6 meshing with the first and second nuts 5 and 6 may be ordinary ones, so that they are extremely inexpensive. The linear load is supported by the screwing of the ball screw 8 and the first nut 5, but by reducing the pitch p of the ball screw 8, the supporting force can be sufficiently increased. The rotating load is supported by the fitting of the ball spline 9 and the second nut 6, but since the load supporting characteristic of the ball spline 9 is very good, it can sufficiently cope with heavy load. can do. In the above embodiment, the ball screw 8 and the ball spline 9 are provided above and below the operating shaft 7, but they may be provided in reverse. Further, the operating shaft 7 is not limited to the one that is installed in the vertical direction. Further, the timing belts 17, 20 are used as the transmission mechanisms 23, 24 for transmitting the rotational driving force of the straight-moving motor 13 and the turning motor 14 to the nuts 5, 6, but this is constituted by a gear mechanism or the like. You can also. However, in order for the motors 13 and 14 to be installed on the base side of the frame 1 and to make the whole lighter, it is desirable to use a belt transmission mechanism. (Effects of the Invention) As is apparent from the above description, according to the present invention, a ball screw and a ball spline are formed on an operating shaft, and the first and second nuts are engaged with the ball screw and the ball spline, respectively. Since the rotations of the first and second nuts are controlled synchronously, the linear motion and the rotary motion can be directly performed on the operating shaft, and the weight of the movable portion can be reduced. The number of points is small, and compactness can be achieved. Since the linear motion is performed by the ball screw and the rotational motion is performed by the ball spline, it is possible to handle heavy objects. In addition, since these ball screws and ball splines are ordinary, they can be manufactured at low cost. In this way, the excellent wrist mechanism of the industrial robot 2
A degree of freedom driving mechanism can be obtained.

【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明による2自由度駆動機構の一実施例を
示す縦断側面図、 第2図は、従来の2自由度駆動機構の典型的な例を示す
縦断側面図、 第3図は、従来の2自由度駆動機構の他の例を示す縦断
側面図、 第4図は、従来の2自由度駆動機構の更に異なる例を示
す要部の側面図である。 1……フレーム、5……第1ナット 6……第2ナット、7……作動軸 8……ボールねじ 9……ボールスプライン 13……直進用モータ、14……旋回用モータ 23……第1伝動機構、24……第2伝動機構
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a longitudinal sectional side view showing an embodiment of a two-degree-of-freedom drive mechanism according to the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal section showing a typical example of a conventional two-degree-of-freedom drive mechanism. FIG. 3 is a longitudinal sectional side view showing another example of the conventional two-degree-of-freedom drive mechanism, and FIG. 4 is a side view of a main part showing still another example of the conventional two-degree-of-freedom drive mechanism. . 1 Frame 5 First nut 6 Second nut 7 Operating shaft 8 Ball screw 9 Ball spline 13 Linear motor 14 Rotating motor 23 1 transmission mechanism, 24 second transmission mechanism

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.外周面にボールねじとボールスプラインとが直列状
に形成され、先端に工具を取り付けるための工具取付部
が一体的に設けられている作動軸と、 その作動軸の前記ボールねじ部分に螺合される第1ナッ
トと、 前記作動軸の前記ボールスプライン部分に嵌合される第
2ナットと、 これら第1及び第2ナットを回転自在に、かつ軸方向に
は移動不能に支持するフレームと、 そのフレームにそれぞれ支持された直進用モータ及び旋
回用モータと、 それら直進用モータ及び旋回用モータの回転駆動力を前
記第1及び第2ナットにそれぞれ伝達する第1伝動機構
及び第2伝動機構と、を備え、 前記直進用モータ及び旋回用モータの回転数をそれぞれ
制御することにより、前記工具に直進運動と回転運動と
を行わせるようにしたことを特徴とする、 産業用ロボットの手首用2自由度駆動機構。
(57) [Claims] A ball screw and a ball spline are formed in series on the outer peripheral surface, and an operating shaft provided integrally with a tool mounting portion for mounting a tool at a tip, and a ball screw portion of the operating shaft is screwed into the operating shaft. A first nut, a second nut fitted to the ball spline portion of the operating shaft, and a frame supporting the first and second nuts rotatably and axially immovable; A straight-line motor and a turning motor respectively supported by the frame, a first transmission mechanism and a second transmission mechanism for transmitting the rotational driving force of the straight-line motor and the rotation motor to the first and second nuts, respectively; And controlling the rotation speeds of the linear motor and the turning motor, respectively, so as to cause the tool to perform a linear motion and a rotational motion. 2-DOF drive mechanism for industrial robot wrists.
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