JP2774681B2 - クリーンルーム用多関節形ロボット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、クリーンルーム用多関節ロボットに係わ
り、特に、クリーンルーム内への塵埃の飛散を防止し
て、クリーンルーム内の汚染を防止するとともに、各関
節の動作領域の制限を解消するのに好適なクリーンルー
ム用多関節形ロボットに関する。

［従来の技術］ 半導体をはじめとして各製造工程で微細な塵埃（例え
ば、0.1〜0.5μｍ）等による汚染を防止しなければなら
ないワークは、クリーンルーム内において各工程におけ
る作業を、塵埃発生のおもな汚染源となる人間に代えて
多関節形のロボットにより行わせるようになってきてお
り、他方、ロボットの機能を向上させるために、ロボッ
トのアーム機構の先端部（ワークを把持するハンド部
等）にTVカメラ等の視覚センサを装備することが要求さ
れてきている。

しかし、前記汚染度が低いとされるロボットによる作
業においても、ロボット内部のギア，ベアリング，モー
タ等における摩耗粉や潤滑剤の各関節部等からの飛散、
ハンド部等に対するエアー配管や配線と該ハンド部外周
との繰り返し接触による摩耗粉の発生等があり、必ずし
もクリーンルーム内において所定のクリーン度が維持さ
れているとはいえないのが実状で、クリーン度の高いロ
ボットの出現が待望されていた。

ロボットの各関節等からの塵埃の発生を防止してクリ
ーン度を向上させるものとして、アーム部内を通して気
体を導くための穴がアーム部間のジョイントに設けら
れ、この穴を通じて前記アーム部内の微粒子を前記気体
の流れとともに外部へ排出する排出手段を有しているロ
ボット（例えば、特開平１−240291号公報）が提案され
ており、また、第１の構成部と第２の構成部とを連結す
る連結部分を、該各構成部に対向して設けた第１および
第２の筒状カバーで覆い、第１および第２の筒状カバー
内の塵埃等を、これら筒状カバー内の開口端の近傍に設
けたリング状の吸気管により吸引除去するようにした、
小形でシール部材を使用しない構成のロボットの放塵防
止装置（例えば、特開昭62−228394号公報）、さらに
は、アームと、該アームに対して移動可能に取り付けら
れるワーク把持等のツール装着用の手首と、アームおよ
び手首を駆動するための駆動装置とをカバーにより外部
に対して密封状態に覆い、該カバー内部に吸塵用バキュ
ーム配管の入口を接続する構成にするほか、手首の外面
に、摩擦係数が低く耐摩耗性のある表面処理を施し、カ
バー内部で発生した塵埃が外部（クリーンルーム内）へ
流出するのを防止するとともに、前記ツールに接続され
ているエアーホース等と手首との接触による摩耗粉の発
生を防止するようにしたロボット（例えば、特開昭61−
136790号公報）が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来のロボットのうち、気体を導くための穴をア
ーム部間のジョイントに設ける構成にしたロボットにお
いては、アーム部内の塵埃は上記アーム部間のジョイン
トに設けた穴を通してエア流により外部（クリーンルー
ム外）へ排出され、同時に、アーム部間のジョイントに
わたるケーブルは前記穴に通して固定金具により固定さ
れ、ケーブル同志の摺れ合いによる塵埃の発生およびア
ーム外部での引き回しを防止されるが、ワークを把持す
るハンド部等に接続するケーブルは、前記穴を通さずア
ームの外部を配線する構成になっている。この外部配線
は、アームの動きに伴って動かされ、アームの外周等と
摺動して塵埃を発生させ、発生した塵埃をアームの外部
（クリーンルーム内）に散乱させることになる。そし
て、ケーブルの長さが配線された長さで一定しているた
め、アームはその長さの範囲内でしか回動することがで
きず可動領域を制限されるほか、該外部配線のケーブル
とロボット周辺にある装置とが干渉する等の問題点を有
していた。

また、前記従来の、第１の構成部と第２の構成部との
連結部分を、筒状カバーで覆う放塵防止装置を備えた構
成のロボットにおいても、さらに、アームや手首等を外
部に対して密封状態に覆うカバーを設けた構成のロボッ
トにおいても、実際にワークを把持する。例えばエアー
チャック等が取り付けられる手首またはハンド部には、
前記気体を導くための穴をアーム部間のジョイントに設
ける構成にしたロボットと同様に、上記放塵防止装置や
アーム等を覆うカバー等の内部を通さないエアーホース
やケーブルが接続されており、これらのエアーホースや
ケーブルがアームの外周等と摺動することによる塵埃の
発生や、アームの稼働領域の制限、該エアーホースやケ
ーブルとロボット周辺にある装置との干渉等、前記と同
様の問題点を有していた。

そして、従来のロボットは、アーム機構の先端部（ワ
ークを把持するハンド部等）にTVカメラ等の視覚センサ
を装備する場合、視覚センサに接続するケーブルをアー
ム機構の外周に沿わせて配線しており、この場合にもケ
ーブルとアーム機構の外周等との摺動による塵埃の発生
や、アームの可動領域の制限、該ケーブルとロボット周
辺にある装置との干渉等、前記と同様の問題点を有して
いた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、アーム機構
の先端部に至るまで各関節等からの塵埃の発生を防止し
てクリーン度を向上させるとともに、各関節の動作領域
の制限やケーブルとロボット周辺に設置されている装置
との干渉等を解消することができる多関節形ロボットと
アーム機構を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明においては、アー
ム、手首およびワークを把持するハンド部等のフレーム
で覆われた各構成部材を、相対的に回動可能に連結して
なるクリーンルーム用多関節形ロボットにおいて、中空
軸と該中空軸周りを回動する回動部で形成し、該回動部
をシールして外気から密封した各関節部と、ロボット駆
動用の配線材を挿通し、かつロボット内部を真空吸引す
る吸引路を形成する管状の線材ガイドと、前記ハンド部
に内蔵され密封されたTVカメラとを備えた。

［作用］ ハンド部および該ハンド部に内蔵したTVカメラに対す
るケーブルは、全てハンド部のフレーム内に配線され、
外気から密封状態にされた各関節部の中空軸内に挿通さ
れるため、ロボットの外部で発生していたTVカメラ用の
ケーブルとフレーム外周との接触を無くし、ロボットの
外部での塵埃の発生を防止することができるので、クリ
ーンルーム内への塵埃の飛散を防止することができる。
また、TVカメラおよびケーブルを外部に配設することに
より制限されていた手首部の動作範囲を大きくすること
ができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図ないし第４図を参照
して説明する。第１図は６自由度の多関節形ロボットを
示す全体斜視図、第２図は第１図の前腕および手首の側
断面図、第３図は第１図のハンド部の断面図、第４図は
第１図に示す手首のφ軸駆動用モータの原点検出系を示
す図である。

第１図において、１はロボットのベース、２はベース
１上に垂直に取り付けられて図に示すα軸の回りに回動
可能な旋回ポスト、３は旋回ポスト２の上部に連結され
て図に示すβ軸の回りに回動可能な上腕、４は上腕３の
上部に連結されて図に示すγ軸の回りに回動可能な前
腕、５は前腕４の前端部に連結され前腕４に対して図に
示すθ軸の回りに前腕４と同軸に回動可能で、かつφ軸
の回りにも回動可能な二つの構成部材からなる手首、６
は手首５の前端部に連結されたワーク把持機能を有する
ハンド部で、手首５に対して図に示すψ軸の回りに回動
可能に構成されている。上記符号１〜６により６自由度
の多関節形ロボットを構成している。７は多関節形ロボ
ットを制御するための各種コントローラやロボット内部
の空気を吸引するための真空ポンプが収納され、また、
前記アーム機構のすべての配線材が導入されるボックス
である。

つぎに第２図において、８は前腕４の外周を覆うフレ
ーム、10は手首５およびハンド部６を図に示すθ軸の回
りに回動させる駆動用のモータ、11はハンド部６を図に
示すφ軸の回りに回動させる駆動用のモータ、12はハン
ド部６を図に示すψ軸の回りに回動させる駆動用のモー
タで、これら各モータはフレーム８内の後部に並設され
ている。13はモータ10により駆動されるギア、14はギア
13と一体に回動する中空軸、15は中空軸14の回転速度を
減速させる減速機、16は減速機15の中空形状の出力軸
で、出力軸16の前端部が手首５のフレーム18に接合され
て手首５をθ軸の回りに回動させるようになっている。
17はフレーム８の内部を密封状態に外気と遮断する出力
軸16の外周に固着されているシールである。

19はモータ11の出力軸に固着されているピニオン、20
はピニオン19と噛合するギア、21はギア20と一体に回動
する中空軸で、中空軸21の前端にはベベルギアが形成さ
れており、該ベベルギアはフレーム18内にφ′軸回りに
回動するように設けたベベルギア22と噛合するようにな
っている。23はベベルギア22の端部に取り付けたタイミ
ングプーリー、24はフレーム18内にφ′軸と平行のφ軸
回りに回動するように設けた減速機で、その入力軸には
タイミングベルト26を介してタイミングプーリー23に接
続されるタイミングプーリー25が取り付けられている。
減速機24の出力軸は手首５のフレーム28に接合されてお
り、モータ11を駆動することにより符号19〜26を介して
フレーム28をφ軸の回りに回動させるようになってい
る。27はフレーム18とフレーム28との摺動部を密封状態
に外気と遮断するように減速機24の出力軸の外周に固着
されているシールである。

29はモータ12により駆動されるギア、30はギア29と一
体に回動する中空軸で、中空軸30の前端にはベベルギア
31が取り付けられており、ベベルギア31はフレーム18内
にφ′軸回りに回動するように設けたベベルギア32と噛
合するようになっている。33はベベルギア32の端部に取
り付けられたタイミングプーリー、34はフレーム18内に
φ′軸と平行のφ軸回りに回動するように設けたベベル
ギアで、その端部にはタイミングベルト36を介してタイ
ミングプーリー33に接続されるタイミングプーリー35が
取り付けられている。ベベルギア34はψ軸の回りに回動
するベベルギア37と噛合し、ベベルギア37の中空状の端
部はフレーム28内に設けられた減速機38の入力軸に取り
付けられている。減速機38の出力軸にはハンド部６と接
合する手首フランジ39が取り付けられており、手首フラ
ンジ39の軸心部には後述する配線材の挿通する穴が穿設
されている。40はフレーム28がφ軸回りに回動した際、
該回動部を介してフレーム18内と外気とが連通するのを
防止するシール、41は手首フランジ39がφ軸回りに回動
したとき該回動部を介してフレーム28内と外気とが連通
するのを防止するシールである。

第３図において、42はハンド部６の内部が外気と密封
状態になるように外周を覆うハウジング、43はハウジン
グ42の先端部に取り付けられたワークを把持するための
グリッパ、44はハウジング42内の後方に設置されたTVカ
メラ、45はTVカメラアンプ、46はレンズ、47はミラー、
48は平行平面基板で、上記符号42〜48によりハンド部６
を構成し、手首５のフレーム28に対してψ軸回りに回動
可能になっている。

つぎに前記θ軸駆動用のモータ10,φ軸駆動用のモー
タ11およびψ軸駆動用のモータ12の原点と、これら各軸
駆動系の最終段軸の原点とを合わせるための原点検出機
構の構成について説明する。θ軸については第２図に示
すように、θ軸の最終段の回動軸となる減速機15の出力
軸16に原点検出用の被検出体50を設け、フレーム８側の
被検出体50に相対する位置に原点検出用のセンサ51を設
置する構成になっている。φ軸については第４図に示す
ように、φ軸駆動用のモータ11の回転をモータ11の出力
軸に取り付けたタイミングプーリー52、フレーム８にフ
レーム53を介して取り付けられている減速機54の入力軸
に固着されたタイミングプーリー55、タイミングプーリ
ー52と55間を接続するタイミングベルト56、減速機54の
出力軸に設けられた原点検出用の被検出体57および被検
出体57と相対する位置のフレーム53に設置された原点検
出用のセンサ58とにより構成されている。この場合、減
速機54は、φ軸の最終段の回動軸である減速機24の出力
軸の回転数と同一回転数になるように、減速比を減速機
24と同一にしている。なお、ψ軸については図示してい
ないが、上記φ軸における構成と同様に構成されてい
る。

つぎに前腕４、手首５およびハンド部６における各種
配線とその経路について説明する。第３図において、60
はグリッパ43に接続される動力および信号用の線材の
束、61はTVカメラ44とTVカメラアンプ45とを接続する各
種線材の束、62はTVカメラアンプ45と前記ボックス７内
のコントローラとを接続するTVカメラ44用の電源線や信
号線等の線材の束、63は線材の束60と62とをまとめた線
材の束で、手首５および前腕４を経て前記ボックス７内
に導入される。ここで、これら線材の束を構成する各種
配線材は、いずれも同一の形状および寸法（例えば、線
径１〜2mm）に統一して形成されている。64は線材の束6
3が挿通されるψ軸の軸心部に設けられた管状の線材ガ
イドで、その一端が手首フランジ39の内周部に固着され
ている。また、第２図において、65はフレーム28内に固
着されている線材ガイドで、フレーム28内に挿通される
線材の束63の方向をψ軸からφ軸に沿って90゜変換させ
るようになっている。66は一端部がフレーム28に固着さ
れている管状の線材ガイドで、線材の束63をフレーム18
の中心部から内周までφ線に沿って導く。67はフレーム
18の内周に沿う線材の束63をθ軸に導くように、フレー
ム18内の中心部に固着されている線材ガイド、68は一端
部をフレーム８内のモータ10等の取り付け部に固着して
中空軸21の内周に沿わせた管状の線材ガイドで、線材の
束63をθ軸に沿ってフレーム８の後部に導く。69は線材
の束63をモータ10,11,12やセンサ51,58等の各種配線材
とともに束ねた線材の束70を、γ軸に沿って上腕３に導
く管状の線材ガイドで、一端部がフレーム８の外周部に
固着されている。なお、上腕３および旋回ポスト２にお
けるβ軸，α軸については図示していないが、上記と同
様に、線材の束が外気と密封状態を保ち、管状の線材ガ
イドを介して方向変換しながらボックス７内に導かれる
ようになっている。

上記各線材ガイドにより形成される配線経路は、各線
材ガイドの配線材を挿通した残りの面積がそのままロボ
ット内各部の空気を真空吸引する排気用の経路になる。
すなわち、ハンド部6,手首5,前腕4,上腕3,旋回ポスト２
は、ベース１を介して外気と密封状態でボックス７に接
続されており、ボックス７内の図示しない真空ポンプに
より前記各線材ガイドを介して内部の空気が吸引され、
さらにフィルタを通して管路によりクリーンルーム外へ
廃棄されるようになっている。

つぎに、上記構成における作用について説明する。TV
カメラ44ほかの視覚センサをハンド部６に内設したこと
により、これら視覚センサやグリッパ43等に対するケー
ブルはすべてハウジング42内に配線され、一方、各関節
の原点検出方法を、減速機の出力軸を利用する構成にし
てロボット先端部に対する配線を減少させたことによ
り、外気と密封状態にされた各関節部の中空軸21や中空
形状のベベルギア37内等に配設されている線材ガイド64
〜69内を挿通させることが可能になる。各線材ガイド64
〜69内を挿通している配線材は、各線材ガイドがそれぞ
れフレーム8,18,28等に固着されているため、各線材ガ
イドとの摺動や、ロボットの内部機構との干渉がなくな
るほか、従来発生していた配線材と手首５やハンド部６
外周との接触および配線材間の摺れ合い等が一切なくな
り、このため配線材の寿命が延びるうえ、配線材に起因
して発生する塵埃をなくすことが可能になった。そし
て、同時に、従来のように外部配線のケーブル長さによ
り制限されていた各関節部における可動領域は、その制
限が撤廃され、ケーブルとロボット周辺に設置されてい
る装置との干渉も解消される。

また、線材ガイド64〜69等の内部は、配線材を挿通し
た残りの面積がロボット内各部の空気の排気用の経路に
兼用されることから、ロボット各部のギア，ベアリング
等に起因して各関節部から飛散する摩耗粉や潤滑剤を吸
引することは勿論、ハンド部６内に発生した塵埃も同様
に吸引し、ロボット内において発生した塵埃をロボット
外部（クリーンルーム内）に散乱させることなくクリー
ンルーム外へ排出して、クリーン度を向上させることが
可能になる。

そして、ロボットのすべての各種配線材の形状および
寸法を同一にし、しかもそれら配線材を束ねて線材ガイ
ドの内部に挿通したので、各関節の回動時に発生する引
張り，曲げ，ねじり等の応力が特定の配線材に集中する
ことなくすべての配線材に均等に分散され、配線材の損
傷を防止して寿命を延ばすことが可能になった。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のクリーンルーム用多関
節形ロボットは、アーム部およびアーム部に内蔵された
TVカメラを含むロボット全体の全ての配線材を外気と密
封状態にロボット内の管状の線材ガイドに収納するとと
もに、線材ガイドを通してロボット内各部を真空吸引す
ることにより、各関節部などで発生した塵埃がクリーン
ルーム内に飛散するのを防止することができ、ロボット
がクリーンルームを汚染するのを防止することができ
る。また、手首部の動作領域の制限を解消することがで
きる顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である多関節形ロボットを示
す全体斜視図、第２図は第１図の前腕および手首の側断
面図、第３図は第１図のハンド部の断面図、第４図は第
１図に示す手首のφ軸駆動用モータの原点検出系を示す
図である。 ４……前腕、５……手首、６……ハンド部、8,18,28…
…フレーム、14,21,30……中空軸、17,27,40,41……シ
ール、42……ハウジング、43……グリッパ、44……TVカ
メラ、51,58……センサ、60,61,62,63,70……線材の
束、64,65,66,67,68,69……線材ガイド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 稔 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 足立 和美 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株式会社日立製作所武蔵工場内 (56)参考文献 特開 昭62−48485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−121888（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−58188（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B25J 19/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーム、手首およびワークを把持するハン
   ド部等のフレームで覆われた各構成部材を、相対的に回
   動可能に連結してなるクリーンルーム用多関節形ロボッ
   トにおいて、中空軸と該中空軸周りを回動する回動部で
   形成し、該回動部をシールして外気から密封した各関節
   部と、ロボット駆動用の配線材を挿通し、かつロボット
   内部を真空吸引する吸引路を形成する管状の線材ガイド
   と、前記ハンド部に内蔵され密封されたTVカメラとを備
   えたことを特徴とするクリーンルーム用多関節形ロボッ
   ト。