JP2865348B2

JP2865348B2 - 産業用ロボツト

Info

Publication number: JP2865348B2
Application number: JP2007777A
Authority: JP
Inventors: 康彦橋本
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1990-01-16
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JPH03213280A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、産業用ロボット、特に関節部を具備する
産業用ロボットに関する。

（従来技術）近年、産業界において、可動範囲が広く動作の自由度
が高いことにより、立体構造物の溶接，組立あるいは塗
装等の複雑な動作を必要とする分野を中心に、多関節型
ロボットが多用されている。

この多関節型ロボットは、大別すると、関節部の自由
度が主として水平方向に構成された水平多関節型のもの
と、関節部の自由度が主として垂直方向に構成された垂
直多関節型のものに大別される。

一般的に、垂直多関節型ロボットは、第８図に図示す
るように、ベース部１に対してロータトランク部２が回
動中心軸３を中心に矢印Ｒ′で示す方向に回動自在に配
設されている。このロータトランク部２には、同芯状の
二つの駆動軸4A,4Bをそれぞれ具備する駆動モータＭが
配設されている。上記一方の駆動軸4Aには、矢印Ｑ′で
示す方向に回動自在になるようリンク部材5Aの下端が固
着され、且つ他方の駆動軸4Bには、矢印Ｐ′で示す方向
に回動自在になるようリンク部材5B（破線参照）の左端
が固着され、さらに上記リンク部材5Bの右端には、リン
ク部材5Cが回動自在に枢支されている。そして、上記リ
ンク部材5Aとリンク部材5Cの各上端部は回動自在に上部
アーム部６の離間した位置に回動自在に枢支されてい
る。上記上部アーム部６の先端部位には基部6A側に対し
て矢印Ｗ′で示す方向に回動自在な先端部6Bが取着さ
れ、この上部アーム部６の先端部6Bの先端側には、手首
部７が矢印Ｖ′に示す方向に回動自在に取着されてい
る。

そして、上部アーム部６は、上記リンク部材5Bが固定
されたままでリンク部材5Aが回動することによって、あ
るいはリンク部材5Aが固定されたままでリンク部材5Bが
回動することによって動作し、例えば、リンク部材5Bと
リンク部材5Aが時計方向に限度まで回動すると、第８図
の右側部位に二点鎖線で示される位置まで後退すること
（図において右側方向への移動）ができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記構成の垂直多関節型ロボットの場
合には、上部アーム部６を支持するリンク部材5A,5B,5C
が相互に干渉してそれぞれ一定の角度以上回動すること
ができず、このため、上部アーム部６を大きく後退動作
させたりあるいは上方へ大きく回動させることができな
いという不都合があった。

また、上述の上部アーム部６を大きく後退動作させた
り上方へ大きく回動させることができる垂直多関節型ロ
ボットとして、第９図に図示するような構成のロボット
がある。この種の垂直多関節型ロボットは、各関節部
（上記ベース部１とロータトランク部２、下部アーム部
５と上部アーム部６等の支持部材と被支持部材の回動可
能な接続部をいう。）において、該関節部の基端側の部
材である支持部材と該関節部の先端側の部材である被支
持部材間が、回動に際して干渉することがないため、上
述の第８図に示すロボットのような動作範囲が限定され
るという問題点はない。

しかしながら、この第９図に図示する垂直多関節型ロ
ボットの場合には、下部アーム５を回転させるとき上部
アーム６も一体となって回転するため、この下部アーム
５を回転させる駆動モータＭの負荷トルク（回転モーメ
ント）が非常に大きくなる。特に、重負荷用ロボット
（重量物を扱うことができるロボットをいう）になる
と、上記下部アーム５が第10図に図示するような状態に
なったとき、該下部アーム部５を回動させる駆動モータ
Ｍの負荷トルクが非常に大きくなり、このため、重負荷
用ロボットにはこのような構造を採用することは実用的
ではない。

本発明は、上記現況に鑑みおこなわれたもので、上述
のような問題のない産業用ロボット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）本発明にかかる産業用ロボットは、各部材間に回動自
在な関節部を具備するとともにベース部がほぼ水平な設
置面に設置され、第１の関節部の回動軸が垂直軸で構成
されるとともに、第２の関節部の回動軸が垂直若しくは
水平でない傾斜した軸によって構成され、且つ第２の関
節部の先端側の部材の先端が該第２の関節部の回動軸上
に存在しないよう構成され、且つ、上記第２の関節部の
先端側の部材上にこの部材とさらに先端の部材と連結す
る第３の関節部を有し、この第３の関節部の回動軸が、
上記第２の関節部の先端側の部材に対して平行若しくは
直角でない傾斜した軸によって構成されている産業用ロ
ボットにおいて、上記第２の関節部と第３の関節部間の部材上に第４の
関節部を設け、この第４の関節部の回動軸が、この第２
の関節部と第３の関節部間を結ぶ線上あるいはこれに平
行な線上に構成されるとともに、上記各部材の基端部に歯車を設け、この歯車を駆動モ
ータの駆動軸に配設した歯車によって回動させるよう構
成されていることを特徴とする。

（作用）しかして、上述のように構成された産業用ロボット
は、第１及び第２の関節部が回動する際、第１の関節部
の回動中心軸が垂直軸で構成され、且つ第２の関節部の
回動中心軸が垂直若しくは水平でない傾斜した軸によっ
て構成され、各関節部はこれらの回動中心軸を中心に回
動するため、回動に際し各関節部の両端側の部材、即
ち、関節部の先端側の部材（被支持部材）と関節部の基
端側の部材（支持部材）が、干渉することがないことよ
り広い動作範囲を得ることができる。即ち、大きく後退
動作させたりあるいは上方へ大きく回動させることがで
きる。

また、回動中心軸まわりの回転モーメントの大きさは
「（負荷位置から回動中心軸までの距離）×（負荷の回
動中心軸方向の分力）」によって決まるが、ほぼ水平な
設置面に配設されたベース部上の第１の関節部の回動中
心軸が垂直軸で構成され、且つ第２の関節部の回動中心
軸が垂直若しくは水平でない傾斜した軸によって構成さ
れていることに起因して、上記「負荷の回動中心軸方向
の分力」が非常に小さくなるため、第９図に図示するロ
ボットの関節部の場合に比して、比支持部材を回動させ
るに大きな負荷トルクを必要としない。具体的には、従
来の第９図に図示するロボットの場合には、第７図
（ｂ）に図示するように、第２の関節部Ａに作用する回
転軸まわりの回転モーメントT₂′は、負荷重量をＷ、第
２の関節部から負荷までの長をｌ、垂直軸（この場合Ｚ
軸）からの傾きをθ_２とすると、 T₂′＝Ｗ・ｌ・sinθ_２となる。

これに対して、本発明にかかるロボットの場合には、
第７図（ａ）に図示するように、第２の関節部Ａに作用
する回転軸まわりの回転モーメントT₂は、負荷重量を
Ｗ、第２の関節部から負荷までの長をｌ、垂直軸（この
場合Ｚ軸）からの傾きをθ_２、第２の関節部の回転中心
軸O_aの水平軸（この場合Ｘ軸）からの傾きをθ_ａとする
と、負荷重量の回転方向の分力は「Ｗ・ｌ・cosθ_ａ・s
inθ_２」となるため、 T₂＝Ｗ・ｌ・cos²θ_ａ・sinθ_２となる。

従って、両者の第２の関節部の回転軸まわりの回転モ
ーメントの最大値（T₂′）_max,（T₂）_maxは、それぞれ
以下のようになり、本発明にかかるロボットの場合には
従来のものと比べてθ_ａを大きくとればとる程小さい回
転モーメントでよいことが判る。

（T₂′）_max＝Ｗ・ｌ（T₂）_max ＝Ｗ・ｌ・cos²θ_ａさらに、第１及び第２の関節部の回転中心軸が、該関
節部の両側の部材（支持部材と被支持部材）の軸線が垂
直あるいは傾斜角を有し、従来のように極端に屈曲しな
いため、この関節部に中空部を形成した場合には、関節
部の両側の部材が連続した緩やかに曲がった空間とな
り、配管，配線等のケーブルホース（本明細書におい
て、配管，配線等をケーブルホースという）を上記部材
に対して回転自在に固定しても、回動中心軸の回転によ
る上記ケーブルホースのねじれの発生が小さく、これら
内部の配管，配線の信頼性が大幅に向上する。

従って、従来、関節部において外部に露出させていた
配管および配線を内部に収納することができ、この結
果、被作業物との接触によるこれら配管等の損傷が防止
でき、又ハンド部近傍での作業の火花あるいは有機溶剤
により配線等が損傷を受けることはない。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照しながら具体的に
説明する。

第１図は本発明を説明するのに参考となる産業用ロボ
ットの構成を示すスケルトン図である。

第１図において、１はベース部、２はロータトランク
部、５は下部アーム部、６は上部アーム部、７は手首部
である。上記ロータトランク部２と下部アーム５の間に
関節部（第２の関節部を構成する関節部）Ａが形成され
ており、この関節部Ａの回動中心軸O_aは垂直若しくは水
平でない傾斜した軸、即ち、該回動中心軸O_aが水平面に
対して傾斜角θ_ａを有するよう構成されている。この結
果、下部アーム５の先端は、上記回動中心軸O_a上に存在
しないような構成となっている。この場合、上記構成
は、上記ロータトランク部２と下部アーム部５の仮想接
触面10が、該ロータトランク部２と下部アーム部５のそ
れぞれの軸線O₂,O₅に対してなす傾斜角θ_Ａを、上記傾
斜角θ_ａに等しく形成するとともに、これらのロータト
ランク部２と下部アーム部５の間を回動自在に連結する
ことによりなされる。そして、このロボットでは、これ
らの間の回動が円滑におこなわれるよう、ロータトラン
ク部２と下部アーム部５の間にクロスローラベアリング
11が配設されている。

また、上記下部アーム部５と上部アーム部６との間の
関節部（第３の関節部を構成する関節部）Ｂも、上記関
節部Ａと同様に構成されている。

そして、上記第３の関節部の回動中心軸O_b（水平面に
対する回動軸O_bの傾斜角をθ_ｂとする）が、先端側の部
材である下部アーム５に対して平行若しくは直角でない
傾斜した軸によって構成され、また、この場合では、上
記関節部Ａの回動中心軸O_aと、上述の関節部Ｂの回動中
心軸O_bとが同一平面（第１図の紙面となる面）上に位置
するよう構成されており、ある姿勢（第１図の状態）に
おいて、後述する軸線O₁及び上記軸線O₅,O₆が平行にな
ることができるようになっている。

また、ベース部１とロータトランク部２の接続部で形
成される関節部（第１の関節部を構成する関節部）Ｄで
は、それらの軸線O₁,O₂と回動中心軸O_dが共に垂直軸状
に配設され、水平面内で回動するよう構成されている。

そして、上記ベース部１には駆動モータ（サボモー
タ）M₁が配設され、この駆動軸14Aに取着された歯車14a
がロータトランク部２の基部に形成された歯車14bに噛
合し、上記駆動モータM₁の回転により固定側のベース部
１に対してロータトランク部２が回動中心軸O_dを中心に
矢印Ｒで示す方向に回動するよう構成されている。

また、上記ロータトランク部２にも駆動モータ（サー
ボモータ）M₂が配設され、この駆動軸14Bに取着された
歯車14cが下部アーム５の基部に形成された歯車14dに噛
合し、上記駆動モータM₂の回転によりロータトランク部
２に対して下部アーム５が回動中心軸O_aを中心に矢印Ｐ
で示す方向に回動する。従って、回動の際、上述のよう
に下部アーム５の先端は、回動中心軸O_a上に存在しない
こととなる。即ち、関節部Ａを形成するロータトランク
部２と下部アーム５との間において、被支持部となる下
部アーム５と支持部となるロータトランク部２の二つの
軸線O₅,O₂の交角が、該関節部Ａの回転により変化する
こととなる。

さらに、上記下部アーム５にも駆動モータ（サーボモ
ータ）M₃が配設され、この駆動軸14Cに取着された歯車1
4eが上部アーム６の基部に形成された歯車14fに噛合
し、上記駆動モータM₃の回転により下部アーム５に対し
て上部アーム６が回動中心軸O_bを中心に矢印Ｑで示す方
向に回動する。従って、回動の際、上部アーム６の先端
は回動中心軸O_b上に存在しないこととなる。即ち、関節
部Ｂを形成する下部アーム５と上部アーム６との間にお
いて、被支持部となる上部アーム６と支持部となる下部
アーム５の二つの軸線O₆,O₅の交角が、該関節部Ｂの回
転により変化することとなる。

しかして、上述のように構成された本産業用ロボット
は、以下のように作用する。

即ち、第１図に示す状態から、上記駆動モータM₂,M₃
を駆動させて、ロータトランク部２に対して下部アーム
５を関節部Ａで回転させ、下部アーム５に対して上部ア
ーム６を関節部Ｂで回転させるとともに、上記関節部A,
Bの回動により生じた上記各アームの矢印Ｒ方向の回転
を補正（是正）するため駆動モータM₁を駆動させてベー
ス部１に対してロータトランク部２を関節部Ｄで回転さ
せると、前方・後方に自由に大きく動作させることがで
きる。

より具体的には、このロボットの種々の動作をシュミ
レーションさせた、第３図（ａ）〜（ｄ）に図示するよ
うな従来の垂直多関節型ロボットのような動作から、第
４図（ａ）〜（ｄ）に図示するような従来の水平多関節
型ロボットのような動作まで、あるいはこれらの複合的
な動作を、このロボットはおこなうことができる。即
ち、本ロボットが、上記構成に起因して、一つの手首部
先端の位置を決定する場合にも、上部アーム，下部アー
ム，ロータトランク部等の各動作の組合せにおいて、幾
通りかの組合せの、何れによってもおこなうことが可能
となっている。

従って、従来垂直多関節型ロボットと複数のタイプの
水平多関節型ロボットを配置して作業させていた製造ラ
インあるいは組立ラインにおいて、このタイプの産業用
ロボット一つでもって上記従来と同じかあるいはそれ以
上の複雑な作業をおこなわせることができる。また、こ
の産業用ロボットの場合には、第９図に示す従来の垂直
多関節型ロボットにおいては、支持部に対して被支持部
の回動角が90゜のとき（第10図参照）、即ち、支持部に
対して被支持部が水平になったときに、この関節部に最
大のモーメントが発生することになる。このモーメント
を式で表すと、この最大となるモーメントＴ′_maxは、
それより先端側の重量をＷとし、その重心までの距離を
ｌとすると、Ｔ′_max＝Ｗ・ｌ・sin90゜＝Ｗ・ｌとなる。

これに対して、支持部に対して被支持部の回動角が90
゜のとき、このロボットの場合には、例えば上記関節部
の傾斜角θ_a,θ_ｂ等を仮に45゜とすると、 T_max＝Ｗ・ｌ・cos²45゜・sin90゜＝0.5・Ｗ・ｌとなり、それぞれの関節部に作用する最大の回転モーメ
ントT_maxが半減し、従って駆動モータの負荷トルクが半
減するため、重負荷用ロボットとしても充分適応でき
る。

さらに、このロボットの場合、上記回転角度が180゜
のとき（第１図の状態から被支持部が支持部に対して18
0゜回転した状態のとき）、即ち、従来の構成のロボッ
トにおいて回転モーメントＴが「Ｔ＝Ｗ・ｌ」と最も大
きくなる被支持部が水平姿勢をとるとき、上述の各関節
部の回転モーメントＴをゼロにすることができ、従っ
て、関節部がこの状態にあるときには、関節部が機械的
に負荷を受け持つことより、その関節部を駆動させる駆
動モータの負荷はゼロとなり、消費電力を節約すること
ができるとともに、駆動モータに無用な負荷をかけない
で済むことになる。

また、本産業用ロボットは、第２図に図示するよう
に、手首部７（第１図参照）に取着される作業用ハンド
部等への空圧配管、あるいは駆動モータのための配線等
を簡単に関節部A,Bを通すことができ、しかも、関節部
A,Bが回動する際にも、上述のように関節部の回転中心
軸O_a,O_bが傾斜角θ_a,θ_ｂを有し、関節部Ｄの回転中心
軸θ_ｄが垂直軸で構成されているため、これらの配管お
よび配線が極端に屈曲したりあるいは大きく捩じれるこ
とがない。特に、このロボットでは、第２図に図示する
ように、各関節部に筒状体のケーブルガイド８を該関節
部に対して回転自在に配設し、捩りが殆ど生じないよう
配慮されている。この構成の場合には、配管及び配線等
は支持部と被支持部間の回動に伴う曲げをうけるだけと
なり、しかもその曲げも第２図に図示するように緩やか
な曲率の曲げとなるため、繰り返しの曲げに対しても非
常に大きな耐久力を有するとともに、また、外部からの
損傷に対する保護作用も有する。

ところで、上記ロボットでは、各関節部の回動中心軸
が同一平面上、即ち、各関節部における被支持部材と支
持部の間の傾斜角が180゜異なる傾斜方向に形成されて
いるが、第５図に図示するように、各関節部毎にこの傾
斜方向を適当に45゜、あるいは図示しないが30゜,90゜
等のように各関節部毎に変化させる等することにより、
上述した第３図（ａ）〜（ｄ）あるいは第４図（ａ）〜
（ｄ）に図示する動作よりさらに複雑な動作をさせ得る
こともできる。

ところで、第６図に図示する本発明の実施例にかかる
産業用ロボットのように、第２の関節部Ａと第３の関節
部Ｂ間の下部アーム５上に回動自在な第４関節部Ｅを第
１図〜第５図に図示するロボットの構成に加えてさらに
設ければ、全体としてさらにフレキシブルな動作が可能
となり、特に、この第４の関節部Ｅの回動中心軸O_eを、
この下部アーム５の軸線O₅上あるいはこれに平行な軸線
で構成すればさらにフレキシブルな動作が可能となる。
即ち、例えば、上記回動中心軸O_eを下部アーム５の軸線
O₅上に設けると、上記関節部Ｅのみを回動させることに
より、ロボットのハンド部の先端位置と姿勢が決められ
た場合でも、下部アーム５と上部アーム６との間接部Ｂ
の屈曲状態を定めた状態で、該下部アーム５の下端のポ
イント（ロータトランク部との間接部の回動中心軸）と
上部アーム６の上端のポイント（ハンド部との間接部の
回動中心軸）を結ぶ線を軸として、該下部アーム５と上
部アーム６を一体として自在に回転させた各姿勢をとる
ことができ、この結果、より自在な動作が可能となる。

（発明の効果）本発明にかかる産業用ロボットは、上述のように構成
され且つ作用を有するため、以下のような効果を得るこ
とができる。

（ａ）．本産業用ロボットは、上述のように大きく後退
動作させたりあるいは上方へ大きく回動させることがで
きるため、従来ある一連の作業をさせるために各作業に
合致した複数のタイプ（水平多関節型，タイプの異なる
垂直多関節型等）のロボットを配置しなければならなか
ったのが、本発明にかかる一つのタイプのロボットで置
き換えることができるとともに、従来ロボットではでき
なかったところへのロボットの適用が可能となる。この
結果、設備費及び維持費が大幅に削減できるとともに維
持管理が容易になり、且つロボットの需要が増大する。

（ｂ）．また、シンプルな構造で、構造的に部材に開き
部分（端部がどこにも連結されていない自由端の部分）
がないため、高い剛性を実現できる。

（ｃ）．また、重負荷用のロボットとして使用する場合
にも、先端側の手首部，上部アーム等の第２の関節部に
作用する自重負荷を小さくできるため、駆動モータや減
速機にかかるトルク容量が小さくなり、大きな動作範囲
の必要なロボットをコンパクトに設計することが可能と
なる。

（ｄ）．また、上述のように関節部の回転角が180゜及
び０゜のときには、関節部が機構的に負荷を受け持って
駆動モータにはなんら負荷が作用していないため、ロボ
ットの作動に際しこの状態をできるだけ形成するように
すれば、ロボットの消費電力をかなり削減することが可
能となり、また駆動モータの寿命も延ばすことができ
る。

（ｅ）．従来関節部において露出していた配管あるいは
配線を内包することができるため、機械の内部の溶接あ
るいは組立等でその機械にロボットが近接する場合等に
おいても、これら配管あるいは配線が損傷する可能性を
可及的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を説明するのに参考となる産業
用ロボットの構成を示すスケルトン図、第２図は関節部
に配管および配線を通した状態を示す産業用ロボットの
部分側断面図、第３図（ａ）〜（ｄ），第４図（ａ）〜
（ｄ）は第１図に示す産業用ロボットの各種の動作を作
業対象物である自動車とともに示したシュミレーション
図、第５図は関節部の傾斜面の方向を示す関節部をモデ
ル化して示した斜視図、第６図は本発明の実施例にかか
る産業用ロボットの構成を示すスケルトン図、第７図
（ａ）は第１図に示すロボットにおいて負荷が第２の関
節部の回動中心軸に作用する回転モーメントを図示する
作用図、第７図（ｂ）は第９図に示す従来のロボットに
おいて負荷が第２の関節部の回動中心軸に作用する回転
モーメントを図示する作用図、第８図は従来の平行リン
ク型垂直多関節ロボットを示す側面図、第９図は従来の
直動型垂直多関節ロボットを示す正面図、第10図は第９
図の垂直多関節型ロボットの一つの状態を示す側面図で
ある。Ａ……関節部（第２の関節部）、Ｂ……関節部（第３の
関節部）、Ｄ……関節部（第１の関節部）、Ｅ……関節
部（第４の関節部）、１……ベース部、５……下部アー
ム（第２の関節部の先端側の部材）、O₁……回動中心軸
（第１の関節部の回動中心軸）、O_a……回動中心軸（第
２の関節部の回動中心軸）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】各部材間に回動自在な関節部を具備すると
ともにベース部がほぼ水平な設置面に設置され、第１の
関節部の回動軸が垂直軸で構成されるとともに、第２の
関節部の回動軸が垂直若しくは水平でない傾斜した軸に
よって構成され、且つ第２の関節部の先端側の部材の先
端が該第２の関節部の回動軸上に存在しないよう構成さ
れ、且つ、上記第２の関節部の先端側の部材上にこの部
材とさらに先端の部材と連結する第３の関節部を有し、
この第３の関節部の回動軸が、上記第２の関節部の先端
側の部材に対して平行若しくは直角でない傾斜した軸に
よって構成されている産業用ロボットにおいて、上記第２の関節部と第３の関節部間の部材上に第４の関
節部を設け、この第４の関節部の回動軸が、この第２の
関節部と第３の関節部間を結ぶ線上あるいはこれに平行
な線上に構成されるとともに、上記各部材の基端部に歯車を設け、この歯車を駆動モー
タの駆動軸に配設した歯車によって回動させるよう構成
されていることを特徴とする産業用ロボット。
【請求項２】前記関節部に中空部を形成し、この中空部
にケーブルホースを配したことを特徴とする請求項１に
記載の産業用ロボット。