JP3126440U - 多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮部の荷重が増大しても、良好な昇降機動作を発揮することで優れた信頼性を実現することが可能な多関節ロボットを提供する。
【解決手段】昇降部4における筒型ケーシング10の円周の複数箇所に対応して、回転基台10の円周に昇降スライダー36A、36Bを配設し、これを支柱221のガイドレール23A、23B側に嵌合させた構成とする。当該ガイドレール23A、23Bは、前記筒型ケーシング10の周面を囲繞するL字型断面形状を持つ支柱221の内壁（板体221A、221B）に設ける。
【選択図】図1

Description

本考案は多関節ロボットに関し、特に駆動時の昇降動作の安定対策についての改良技術に関する。

液晶基板や半導体基板の製造工程等においては、例えば特開2002-166376号公報、特開2003-188231号公報に開示されているように、連続的に生産される各基板（ワーク）を正確且つ効率よく搬送するために多関節ロボット（「スカラーロボット」とも称される）が使用されている。
図6は、従来の一般的な多関節ロボット（３軸円筒型ロボット）における装置本体2Xの構成図である。当図に示される装置本体2Xは、板状台座31の上に設けられた昇降機構3及び昇降部4とで構成される。

昇降機構3は、台座31の上面より垂直方向に延伸して配置されたコの字断面形状の支柱32と、当該支柱32の幅方向両端及び内部において、当該支柱の長手方向に沿って配された一対のガイドレール33A、33B、駆動軸（ボールネジ）34、ACサーボモータ263とで構成される。ボールネジ34の両端は支柱32の内壁に固定された軸受部261、262（不図示）で回転自在に軸支されており、ボールネジ34の上端に前記ACサーボモータ263が配設され、その回転駆動力が伝達されるようになっている。

昇降部4は、有底の筒型ケーシング41及びこれに連結された回転基台43の底部に板状の昇降ベース部35が配され、当該昇降ベース部35の一端がy方向に沿って昇降フレーム37及び昇降スライダー36A、36Bに順次固定されて構成される。筒型ケーシング41の上端にある旋回軸孔42にはアーム伸縮機構を備える伸縮部（図1で後述）が載置される。昇降スライダー36A、36Bは、前記一対のガイドレール33A、33Bと嵌合され、当該ガイドレール33A、33Bに沿って台座31に対して上下方向（z方向）にスライド自在に保持されている。昇降フレーム37は板状体であり、前記各ガイドレール33A、33Bの両方に亘り配設される。

また、昇降ベース部35には図示しないが、昇降フレーム37の下部からボールネジ34側に延出された延出部が配され、当該延出部にナットが配設されている。当該ナットは前記ボールネジ34に螺合され、当該ボールネジ34の回転駆動力がナットに伝達されることでボールネジ機構が形成される。そして当該ボールネジ機構の動作時には、筒型ケーシング41、昇降ベース部35、昇降スライダー36A、36B、昇降フレーム37からなる昇降部4が一体的にボールネジ34の長手方向（z方向）に沿って昇降自在に駆動される。

なお筒型ケーシング41の旋回軸孔42には、図1に示すように所定形式の多関節ロボットである伸縮部を支持するためのシャフトが別途挿入されることにより、第一リンク機構が形成され、当該旋回軸孔42を旋回軸として伸縮部が回転自在に回動できるように配設される。また前記ボールネジ機構に基づき、筒型ケーシング41の長手方向に沿って伸縮部を昇降させることもでき、広範囲な作業範囲を確保できるようになっている。

ところで、従来の多関節ロボットには以下の課題がある。
前記多関節ロボットは、前記筒型ケーシング41に対して所定の伸縮部を搭載することで、前記第一リンク部以降も一連のリンク機構を順次形成でき、これに比例してアーム機構の作業範囲を次々に拡大させることも理論的には可能である。
しかしながら実際にそのような構成を採用した場合、筒型ケーシング41及びこれを備える昇降部4には、伸縮部の増大した荷重が集中する。ここで前記昇降部4は、昇降ベース部35の一端に配された昇降フレーム37及び昇降スライダー36A、36Bにより、ガイドレール33A、33B側にいわゆる「片持ち」状態で配設されている。このため、筒型ケーシング41に搭載された伸縮部の荷重は、昇降フレーム37を介して昇降スライダー36A、36Bとガイドレール33A、33Bとの嵌合部にも及ぶので、当該嵌合部では前記荷重によりy方向へ回転トルクが掛かった状態となる。よって、伸縮部の荷重が過度になると、昇降スライダー36A、36Bとガイドレール33A、33Bとの間の抵抗摩擦が増大し、当該ガイドレール33A、33Bの長手方向に沿って昇降部の昇降動作が良好に行えない問題が生じうる。

このような課題は、伸縮部自体の重量増加が有る場合に限らず、ワークの重量が増大する場合にも起こりうる。従って多関節ロボットの利用場面において、信頼性の高いロボット動作を確保する上で早急に解決すべき課題である。
本考案は以上の課題に鑑みてなされたものであって、たとえ伸縮部の荷重が増大しても、良好な昇降機動作を発揮することで優れた信頼性を実現することが可能な多関節ロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本考案は、支柱に対し、その長手方向の表面に沿って複数のガイドレールが併設され、各ガイドレールに亘りスライド自在に昇降部が配設されてなる多関節ロボットであって、前記昇降部は、アーム伸縮部を支持するための筒型ケーシングと、各ガイドレールにスライド自在に保持された昇降スライダーとを有し、前記昇降スライダーは前記筒型ケーシングの周方向に沿って、その周面の複数カ所に対応して配置され、前記複数のガイドレールの各々は、前記支柱からの突出端縁が筒型ケーシングの軸に配向するようにそれぞれ支柱表面に併設され、前記筒型ケーシングの軸が前記各ガイドレールの長手方向と一致するように調整されている構成とした。

ここで前記支柱は、前記筒型ケーシングをその周方向から囲繞する内壁形状を有し、前記昇降部には前記筒型ケーシングの周方向において、その軸中心に対して互いに略90°以上の角度をなす2箇所又は3箇所の円周位置に対応するように、前記昇降スライダーが設けられている構成とすることもできる。
また前記支柱はL字型断面形状を持つアングル材からなり、前記各ガイドレールは、前記アングル材において内角をなす2つの内壁表面の各々に取着されている構成とすることもできる。

さらに前記支柱は、複数の短冊状板体を前記筒型ケーシングの周方向に沿って組み合わせてなる構成とすることもできる。
また前記短冊状板体は、前記筒型ケーシングをその周方向から挟設する位置で対をなすように配設され、前記筒型ケーシングに臨む各短冊状板体の表面に前記ガイドレールが配設されている構成とすることもできる。

また前記支柱の長手方向に沿ってボールネジが配設されたボールネジ機構を備え、前記昇降部は、前記ボールネジ機構により前記ガイドレール上を昇降される構成とすることもできる。
なお、本考案の前記多関節ロボットはワーク搬送用とすることもできる。

上記構成を持つ本考案の多関節ロボットによれば、複数の昇降スライダーは昇降部において、前記筒型ケーシングの周方向における複数カ所に対応して設けられ、さらに前記筒型ケーシングの軸が前記各ガイドレールの長手方向と一致するように調整される。このとき、各ガイドレールの断面方向頂部（筒型ケーシングに対向する支柱内面からの突出端縁）は、前記軸を臨むように配向して設けられる。

このため本考案の多関節ロボットでは、従来の「片持ち」構造によりガイドレール側に支持される昇降部の構造に比べ、昇降部の重量及びこれに加えて伸縮部の重量が筒型ケーシングを取り囲む各昇降スライダーのそれぞれによって分散され、且つバランスよく支持される。これにより従来のように特定の昇降スライダーに荷重が集中するのが回避される。

よって当該多関節ロボットの駆動時には、昇降部に搭載される伸縮部の重量が大きい場合、若しくは搬送対象のワークの重量が大きい場合であっても、各ガイドレールに嵌合された各昇降スライダーが抵抗摩擦の発生を抑制してスムーズに駆動されるので、安定且つ信頼性の高い多関節ロボットの動作が継続的に実現されることとなる。

以下、本考案の各実施の形態を添付の図面を参照しながら説明する。
尚、当然ながら各実施の形態は本考案の一例に過ぎず、本考案はこれらの実施形式に限定されるものではないため、本考案の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。
＜実施の形態1＞
図1は本考案の実施の形態1に係る多関節ロボット1（３軸円筒型ロボット）の構成を示す組図である。図2は、実施の形態1に係る伸縮部6を除いた多関節ロボット1（装置本体2）の上面図である。図2 では図示の便宜上、筒型ケーシング10の内部を白抜きで示している。

本実施の形態1の多関節ロボット1の特徴は、支柱221の表面に配されたガイドレール23A、23B等とケーシング10の配置関係にあり、それ以外は従来構成（図6）とほぼ同様である。
当図に示される多関節ロボット1は、大別して装置本体2、昇降部4、伸縮部6等で構成される。

装置本体2は、板状の台座21の上表面（xy表面）に、昇降機構として、ACサーボモータ5、ボールネジ24、支柱221を垂直方向（z方向）にそれぞれ配設した構成を有する。
支柱221は短冊状板体221A、221BをL字型断面のアングル材となるように直角に組み合わせ、その長手方向を台座21の表面から垂直方向に合わせて配設されている。支柱221の内角側の短冊状板体221A、221Bの各内壁表面には、その長手方向に沿ってH型鋼からなるガイドレール23A、23Bが配設され、板体221Bにはさらに長手方向に沿ってボールネジ24が駆動軸として軸受部261、262及びその固定部2611、2621により回転自在に軸支されている。

なお、ボールネジ24にはACサーボモータ5からの回転駆動力が伝達されるように、ACサーボモータ5の駆動軸に対して公知のウォームギア機構又はベルトプーリー機構等（ACサーボモータ5とボールネジ24の配置関係上不図示）を介して連動するように接続されている。当該機構は台座21に設けられた開口部に合わせて配設されている。
昇降部4は、昇降ベース部25（図2に記載）の上に回転基台101と筒型ケーシング10を同順に積層した構成を持つ。

回転基台101はz方向高さの低い円筒形の筐体を有し、筒型ケーシング10に対して軸（P1に相当）を一致させて積層されるものであって、その周面の二カ所に軸方向（z方向）に沿ってガイドレール23A、23Bと嵌合される昇降スライダー36A、36Bが配設されている。回転基台101の底部には、当該回転基台101の主面と同様の輪郭を持つ板状の昇降ベース部25が配設される。当該昇降ベース部25の一端にはナット部が配設され、ボールネジ24に対して螺合される。回転基台101の内部には、筒型ケーシング10上部に搭載された伸縮部6を旋回させるためのACサーボモータ（不図示）が内蔵され、筒型ケーシング10内部において伸縮部6のシャフトである回転軸P1と接続されている。

伸縮部6はいわゆる多関節ロボット（３軸円筒型多関節ロボット）の主要部であって、多関節をなすように第一アーム部11、第二アーム部12、第三アーム部13の各端部を同順に回転軸P2、P3で接続して構成される。円筒ケーシング10から最も下流側に位置する第三アーム部13の先端には、複数のフォーク141を併設してなるハンド部14が配設される。フォーク141の数は図1では2本表しているが、例えば5本とすることができ、さらに図中一点鎖線で示した領域A全体でワークを載置して搬送することが可能である。フォーク141の上面には各種ワークを吸着保持するための吸着搬送用孔142が複数にわたり配設されている。各回転軸P2、P3に対応する各アーム筐体には各々に不図示のACサーボモータ及び減速機が内蔵され、所定の回転駆動力が伝達されることで、各回転軸P2、P3を旋回軸心として、第一アーム部11、第二アーム部12、第三アーム部13が独立して揺動されるようになっている。

伸縮部6及び回転基台101に組み込まれた各ACサーボモータの配線は、装置外部に延長され、不図示の制御装置に接続される。当該制御装置には所謂汎用型パーソナルコンピュータ（PC）が利用される。各ACサーボモータを用いた多関節ロボット1の駆動は、前記PCを利用したRC232C又はRS485によるコマンド制御により制御され、またフォトI/Oによるシーケンサ制御がなされるようになっている。

当該多関節ロボット1の仕様例としては、アームストローク1182mm、旋回角度340deg、昇降ストローク500mmとすることができる。
ここにおいて本実施の形態1の多関節ロボット1は、筒型ケーシング10の周方向からの断面形状において、その円周の複数箇所に対応する回転基台101の円周位置に昇降スライダー36A、36Bを配設し、これを支柱221のガイドレール23A、23B側に嵌合させた構成に特徴を有する。ガイドレール23A、23Bは、その断面方向における各々の頂部（支柱221をなす板体221A、221Bからの突出端縁）が筒型ケーシング10の軸（中心X）に配向するようにそれぞれ支柱表面に併設され、これにより昇降部4は図2に示すように、支柱221の内壁（板体221A、221B）に設けられた二つのガイドレール23A、23Bに対し、筒型ケーシング10の円形断面形状における中心Xに対して直交する位置に設けられた二つの昇降スライダー36A、36Bで支持され、その重量の分散が図られている。

なお、中心Xに対するガイドレール23A、23B（昇降スライダー36A、36B）の間の角度は、ここでは直角としているが、これは一例であって、略90°以上とすればよい。
従来の一般的な多関節ロボットにおいては、ケーシング外部にガイドレールを配設する場合、例えば図6に示すように筒型ケーシング41を昇降ベース部35の上に設け、当該昇降ベース部35をその一端側から昇降スライダー36A、36Bを介してガイドレール33A、33Bで昇降自在に保持する構成とされるが、この場合、筒型ケーシング41及び伸縮部は昇降ベース部35によって、ガイドレール33A、33Bに対していわゆる「片持ち」された状態となる。このため、ガイドレール33A、33Bに嵌合された昇降スライダー36A、36Bには、当該嵌合位置を中心に、常に筒型ケーシング41及び伸縮部が離間する方向（y方向）に応力が作用し、ガイドレール33A、33Bに対する抵抗摩擦が増大し、良好な昇降動作が望めないという課題がある。

これに対し本実施の形態1では、L字断面形状を持つ支柱221をなす短冊状板体221A、221B各内壁に二つのガイドレール23A、23Bを設け、当該ガイドレール23A、23Bの頂部（突出端縁）を筒型ケーシング10の中心に配向させつつ、筒型ケーシング10をその周面の複数箇所（二カ所）において昇降スライダー36A、36Bの両方に亘り保持させる構成としている。このため、昇降部4の重量は昇降スライダー36A、36Bを介し、各ガイドレール23A、23Bの方向に分散され、従来構成に比べて「片持ち」構造が改善されている。従って、当該ロボット駆動時には、昇降部4は各ガイドレール23A、23Bに嵌合された各昇降スライダー36A、36Bに過度の荷重を及ぼすことがないため、抵抗摩擦の発生を抑制してスムーズに駆動される効果が奏される。

この本考案の効果を「てこの原理」に基づき具体的に説明する。筒型ケーシング10の半径をr、ケーシングの円形断面中心Xを重心X、駆動時に昇降スライダー36A、36Bに係る昇降部4全体の負荷力をFとする。従来構成（図6）では、昇降部4は並列に配設された2つのガイドレール23A、23Bに嵌合された昇降スライダー36A、36Bにより支持されているので、昇降フレーム37と昇降スライダー36A、36Bの接合部分の位置Bを支点と仮定すると、重心Xと支点までの距離は、ケーシング半径rとxからの昇降ベース部35のxy平面に沿った距離及び昇降フレーム37の厚みを含む距離（r+a）で表される。従って、当該支点に及ぶモーメントMはF×（r+a）で表される。

一方、本実施の形態1では、筒型ケーシング10は当該ケーシング周囲に隣接し、ケーシングの円形断面形状における中心Xから互いに直角に配された二つの昇降スライダー36A、36Bによって支持されている。よって、実際の支点は図2に示すように、筒型ケーシング10の円周に対応して隣接する二つの昇降スライダー36A、36Bと中心Xを結ぶ線をそれぞれ斜辺とする直角三角形の頂点（重心X）から底辺に伸ばした垂線の交点位置Cとなる。よって、当該支点（C）に及ぶモーメントM1は、F×（r/√2）で表される。

よって、本実施の形態1のモーメントは、図6の従来例より約1/1.4分だけ小さく抑えられていると解される。
以上の構成によれば、中心Xに対して直角の位置に昇降スライダー36A、36Bが配設されているため、たとえ36A、36Bのうち一方の昇降スライダーに対して中心X方向へ倒れるようにモーメントが掛かっても、他方の昇降スライダーがガイドレール23A、23Bに嵌合されており、当該モーメントに係る動きを阻止するように作用する。従って、たとえ伸縮部6の軸数が増加したり、ワークの重量が増大したとしても、安定した昇降スライダー36A、36Bの動作が確保され、従来構成に比べて良好なロボット動作が実現されることとなる。
＜実施の形態2＞
次に、本考案の実施の形態2に係る多関節ロボットについて、実施の形態1との差異を中心に説明する。

図3は、実施の形態2における装置本体2aの台座に配された支柱と筒型ケーシング10の配置関係を示す構成図である。当図に示されるように、本実施の形態2の装置本体2aは、筒型ケーシング10の円形断面形状において、その中心Xを挟んで直径線上に対称的に昇降スライダー36A、36B及びガイドレール23A、23Bが配設された構成を特徴とする。支柱を構成する短冊状の板体222A、222Bは、筒型ケーシング10を臨む左右両側（x方向）で昇降スライダー36A、36B及びガイドレール23A、23Bを支持し、筒型ケーシング10を挟設するように配設されている。

このような構成によれば、筒型ケーシング10の重量は当該筒型ケーシング10の周囲に対称的に設けられた昇降スライダー36A、36B及びガイドレール23A、23Bによってバランスよく分散支持されている。よって実施の形態1の効果に加え、さらに優れた安定性で筒型ケーシング10を支えることができるため、一層スムーズな多関節ロボットの昇降動作の実現が期待できるものである。
＜実施の形態3＞
次に、本考案の実施の形態3に係る多関節ロボットについて、実施の形態2との差異を中心に説明する。

図4は、装置本体2bの台座に配された支柱と筒型ケーシング10の配置関係を示す構成図である。実施の形態3の装置本体2bの特徴は、実施の形態2の構成において、ボールネジ24及び昇降ベース25部の螺合位置を筒型ケーシング10の中心Xから対称的な位置に調整した点にある。支柱は、コの字型に組み合わされた短冊状板体223A〜223Cで構成される。
このような構成によれば、実施の形態2の効果に加え、昇降ベース部25及びボールネジ24の螺合部分においても昇降スライダー36A、36B及びガイドレール23A、23Bの嵌合部とともに筒型ケーシング10の昇降部の荷重を分散支持することができるため、より一層安定した多関節ロボットの昇降動作の実現が期待できる。
＜実施の形態4＞
次に、本考案の実施の形態4に係る多関節ロボットについて、実施の形態2との差異を中心に説明する。

図5は、装置本体2cの台座に配された支柱と筒型ケーシング10の配置関係を示す構成図である。当図に示される実施の形態4の装置本体2cの特徴として、筒型ケーシング10の円周において、当該筒型ケーシング10の中心Xから周方向に略90°の角度をおいて3つの短冊状板体224A〜224Cが配され、当該短冊状板体224A〜224Cの各々に昇降スライダー36A〜36Cが略等間隔で配設され、当該昇降スライダー36A〜36Cにおいて昇降部4がガイドレール23A〜23C側にそれぞれ支持される構成となっている。

このような構成を持つ本実施の形態4の多関節ロボットによれば、筒型ケーシング10は3つの方向から支持されることとなり、安定した昇降部の昇降動作が実現される。
なお、図5では昇降スライダー36Aに近接する位置に昇降ベース部25及びボールネジ24を配設しているが、例えばこれらを昇降スライダー36Bと対向する筒型ケーシング10の周面位置に配置することによって、当該スライダー36Bの周囲を各昇降スライダー36A〜36C及び昇降ベース部で略90°間隔毎に支持するように配設すれば、一層安定した昇降部4の昇降動作が期待できると考えられる。
＜その他の事項＞
上記各実施の形態では、多関節ロボット（３軸円筒型多関節ロボット）の構成を例示したが、筒型ケーシング10の軸に載置される伸縮部6はこの構成に限定するものではなく、3軸以外の軸数及び関節数を持つロボット、或いは別形式のロボット（シングルアーム方式或いはダブルアーム方式のいずれでも可能）を搭載する構成であってもよい。

また、本考案におけるケーシングは各実施の形態のように、円筒形及び真円断面形状を有する構成に限らず、楕円断面形状等、これ以外の形状であってもよい。

本考案に係る多関節ロボットは、例えばクリーンルームを利用したLCD等のフラットディスプレイの製造場面におけるワーク（ディスプレイ基板）の搬送用ロボットとして利用することができる。

実施の形態1の多関節ロボットの構成を示す組図である。 実施の形態1の多関節ロボットの装置本体の一部構成を示す上面図である。 実施の形態2の多関節ロボットの装置本体の一部構成を示す上面図である。 実施の形態3の多関節ロボットの装置本体の一部構成を示す上面図である。 実施の形態4の多関節ロボットの装置本体の一部構成を示す上面図である。 従来の多関節ロボットにおける装置本体の構成を示す組図である。

符号の説明

P1、P2、P3 回転軸
1 多関節ロボット
2、2a、2b、2c、2X 装置本体
3 昇降機構
4 昇降部
5 ACサーボモータ
6 伸縮部
10、41 ケーシング
11 第一アーム
12 第二アーム
13 第三アーム
14 ハンド部
21 台座
23A、23B、23C ガイドレール
24、34 ボールネジ（駆動軸）
25、35 昇降ベース部
31 台座
32、 221 支柱
33A、33B、33C ガイドレール
36A、36B、36C 昇降スライダー
37 昇降フレーム
42 旋回軸孔
43、101 回転基台
221A、221B、222A、222B、223A、223B、223C、224A、224B、224C 短冊状板体

Claims (6)

1. 支柱に対し、その長手方向の表面に沿って複数のガイドレールが併設され、各ガイドレールに亘りスライド自在に昇降部が配設されてなる多関節ロボットであって、
   前記昇降部は、アーム伸縮部を支持するための筒型ケーシングと、各ガイドレールにスライド自在に保持された昇降スライダーとを有し、
   前記昇降スライダーは前記筒型ケーシングの周方向に沿って、その周面の複数カ所に対応して配置され、
   前記複数のガイドレールの各々は、前記支柱からの突出端縁が筒型ケーシングの軸に配向するようにそれぞれ支柱表面に併設され、
   前記筒型ケーシングの軸が前記各ガイドレールの長手方向と一致するように調整されている
   ことを特徴とする多関節ロボット。
2. 前記支柱は、前記筒型ケーシングをその周方向から囲繞する内壁形状を有し、
   前記昇降部には前記筒型ケーシングの周方向において、その軸中心に対して互いに略90°以上の角度をなす2箇所又は3箇所の円周位置に対応するように、前記昇降スライダーが設けられている
   ことを特徴とする請求項1に記載の多関節ロボット。
3. 前記支柱はL字型断面形状を持つアングル材からなり、
   前記各ガイドレールは、前記アングル材において内角をなす2つの内壁表面の各々に取着されている
   ことを特徴とする請求項2に記載の多関節ロボット。
4. 前記支柱は、複数の短冊状板体を前記筒型ケーシングの周方向に沿って組み合わせてなる
   ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の多関節ロボット。
5. 前記短冊状板体は、前記筒型ケーシングをその周方向から挟設する位置で対をなすように配設され、
   前記筒型ケーシングに臨む各短冊状板体の表面に前記ガイドレールが配設されている
   ことを特徴とする請求項4に記載の多関節ロボット。
6. 前記支柱の長手方向に沿ってボールネジが配設されたボールネジ機構を備え、
   前記昇降部は、前記ボールネジ機構により前記ガイドレール上を昇降される
   ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の多関節ロボット。

Images