JP3437536B2 - 産業用ロボットの手首駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業用ロボットの手
首装置に関し、特に手首装置の駆動機構に関し、手首内
に手首先端のツールフランジに取付けるツールへのエネ
ルギー等の供給のための配線・配管の通路を確保し、か
つ伝達系の遊隙、摩耗等によるロボットの位置決めが不
安定となりロボットの性能を損なうことを無くした技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開平6-312394号公報に示
すように、アームにそれぞれ独立に回転可能に軸支され
た外側から同軸の中空の第２及び第３の軸と、それぞれ
の軸に連結された第２及び第３の手首と、を有する産業
用ロボットの手首装置の駆動には、前記第２及び第３の
軸を駆動する減速機を手首装置内に配すことが行われて
いた。近年、手首先端に取付けたツールへのエネルギー
等の供給のための配線・配管を、手首及び腕内に収容す
る要求が増えており、この技術として例えば特開平10−
329079号公報にみられるように手首およびアーム機構の
駆動伝達を中空を有する歯車にて伝達することが開示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平10−329079
号公報においては、手首機構の駆動のため最終伝達系に
歯車を使用しているため、歯車同士の遊隙によりロボッ
トの位置決めが不安定となりロボットの性能を損なう課
題があった。また、100 Kg可搬といった重可搬ロボット
では歯車に大きな負荷が加わり歯車の摩耗もロボットの
位置決めが不安定としロボットの性能を損なう大きな問
題となる。更には手首装置において、第２の駆動軸の駆
動による第３の駆動軸のつれまわり、第１の駆動軸の駆
動による第２及び第３の駆動軸のつれまわり、に対して
より制御性を良くする必要があった。上記歯車の遊隙、
摩耗の問題に対し本出願人は手首機構に関し例えば図３
に示すような、未公開の特許出願・特願平11−31418 号
を提示している。この特願平11−31418 の手首機構を利
用しても、腕内の機構において、腕内での配線、配管を
通す空間の確保、腕内での伝達系の遊隙が、ロボットの
位置決め性能に大きな影響を与えることがある等の課題
があった。本発明の課題は、手首先端に取付けたツール
へのエネルギー等の供給のための配線・配管を、アーム
及び手首内に内蔵でき、かつ歯車同士の遊隙、摩耗によ
りロボットの位置決めが不安定となりロボットの性能を
損なうことをなくして、ロボット位置決めが安定してお
り、さらに第２の駆動軸の駆動による第３の駆動軸のつ
れまわり、第１の駆動軸の駆動による第２及び第３の駆
動軸のつれまわり、による制御性の困難さを克服した産
業用ロボットの手首駆動装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１発明による
と、アームに固定された第１の中空減速機と、前記第１
の中空減速機の出力軸に固定支持された第１の中空駆動
軸と、第１の中空駆動軸に固定支持された第１手首と、
第１手首に回転可能に支持された第２手首と、第２手首
に回転可能に支持された第１手首と、前記第１の中空減
速機の出力軸に固定支持された第２の中空減速機と、そ
れぞれ前記第２の中空減速機の出力軸に固定支持された
第２の中空駆動軸及び第３の中空減速機と、前記第３の
中空減速機の出力軸に固定支持された第３の中空駆動軸
と、を有し、各前記第１、第２及び第３の中空駆動軸は
それぞれ、独立して回転可能に第１、第２及び第３手首
を固定支持するようにされ、各前記第１、第２及び第３
の中空減速機、前記第３の中空駆動軸及び各前記第１、
第２及び第３手首は、前記第３手首に取り付けられるツ
ールへの配線・配管を通すに充分な円筒空間を有するこ
とを特徴とする産業用ロボットの手首駆動装置を提供す
ることにより上記課題を解決した。

【０００５】

【作用】本発明により手首先端に取付けたツールへのエ
ネルギー等の供給のための配線・配管を、アーム及び手
首内に内蔵でき、かつ第１、第２及び第３の中空減速機
を使用し、各減速機の出力軸が直接第１、第２及び第３
手首を駆動するようにしたので、従来技術での歯車によ
る伝達にみられる隙間、摩耗がなく、歯車同士の遊隙、
摩耗に起因してロボットの位置決めが不安定となりロボ
ットの性能を損なうことをなくして、ロボット位置決め
が安定した。さらに第２の駆動軸の駆動による第３の駆
動軸のつれまわり、第１の駆動軸の駆動による第２及び
第３の駆動軸のつれまわり、の各つれまわり量は、各減
速機の減速比分になるので極めて小さくなり、各つれま
わりによる制御性の困難さを克服した産業用ロボットの
手首駆動装置を提供するものとなった。

【０００６】好ましくは、同軸に第１軸上で相互に独立
して回転可能にロボットアームに支持された第１、第２
及び第３の中空駆動軸と、前記第２及び第３の中空駆動
軸にそれぞれ連結された第２及び第３の中空連結部材
と、前記第１の中空駆動軸に固定され前記第１軸のまわ
りに回転可能に支持された第１中空手首と、前記第１手
首に前記第１軸に対し傾斜した第２軸のまわりに回転可
能に支持された第２の中空手首支持部材に固定された第
２中空手首と、前記第２の中空連結部材と前記第２の中
空手首支持部材と、各前記部材の軸線の交点から等距離
にある各軸線上の一対の点をそれぞれ通る直径線と交差
する前記各部材の位置に回転可能に取付けた各一対の半
径方向軸と、前記半径方向軸に固定された一対の円環
と、前記円環上に各前記半径方向軸から周方向にそれぞ
れ90°ずらされた位置に固定した各一対の軸方向軸受
と、前記各一対の軸方向軸受にその両端を支持されて前
記一対の円環を連結する一対の連結棒と、で構成された
自在継手で連結され、前記第２手首に前記第２軸に対し
傾斜した第３軸のまわりに回転可能に支持された第３の
中空手首支持部材に固定された第３中空手首と、前記第
３の中空駆動軸は前記第３の中空手首支持部材に対し、
前記第２の中空手首支持部材に対し回転可能に支持され
た第４の中空連結部材の両端でそれぞれ前記自在継手を
介して連結した。

【０００７】かかる構成により、手首側において、従来
技術での歯車による伝達にみられる隙間、摩耗がなく、
歯車同士の遊隙、摩耗に起因してロボットの位置決めが
不安定となりロボットの性能を損なうことをなくして、
ロボット位置決めが安定し、かつ第２の駆動軸の駆動に
よる第３の駆動軸のつれまわり、第１の駆動軸の駆動に
よる第２及び第３の駆動軸のつれまわり、による制御性
の困難さを克服し、さらに力の伝達は歯車の歯より充分
大きな強度の軸によって伝達するため従来技術の手首装
置より、よりコンパクトで剛性が高くより大きな負荷を
手首装置の先端に持つことが可能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】 本発明の実施の形態を図１に示
す。図１において1 はアーム、2 は手首装置を示す。手
首装置2 は本出願人は手首機構に関し未公開の特許出願
・特願平11−31418 号に示す、図３に示すような、産業
用ロボットの手首装置であるが、別の手首装置であって
もよい。図３に示すように、第１の中空駆動軸11は第１
手首28を、第２の中空駆動軸18は第２の中空連結部材29
及び第２の中空手首支持部材81を介して第２手首32を、
そして第３の中空駆動軸26は第３及び第４の中空連結部
材 30、83及び第３の中空手首支持部材91を介して第３手
首31を、それぞれ支持し独立して回動させる。

【０００９】図１においてアーム1 に固定された第１モ
ータ3 は手首装置2 の第１手首28を駆動する駆動モータ
で、第１モータ3 の先端に取付けられた第１の歯車9 に
第１の歯車10が噛み合い、第１の歯車10はアーム1 基部
に固定された第１の中空減速機6 の入力軸に固定され、
第１の中空減速機6 を駆動する。第１の中空減速機6の
出力軸には、それぞれ第１の中空駆動軸11及び第２の中
空減速機7 が固定支持される。図１では第２の中空減速
機7 は第１の中空駆動軸11を介して固定支持されている
が、第１の中空減速機6 の出力軸に固定された第２の中
空減速機7 に第１の中空駆動軸11を固定支持してもよ
い。第１の中空駆動軸11の他端は第１手首28を支持し駆
動する。

【００１０】アーム1 に固定された第２モータ4 は手首
装置2 の第２手首32を駆動する駆動モータで、第２モー
タ4 の先端に取付けられた第２の歯車12には、中空軸42
に回転可能に支持された中空軸41に固定された第２の歯
車13が噛み合い、中空軸41他端に固定された第２の歯車
14は、第１の中空駆動軸11に自転・公転可能に支持され
た遊星歯車軸16に回転可能に支持された第２の遊星歯車
15と噛み合い、第２の遊星歯車15は第２の中空減速機7
の入力軸に固定された第２の歯車17と噛み合い、第２の
中空減速機7 を駆動する。第２の中空減速機7 の出力軸
には、それぞれ第２の中空駆動軸18及び第３の中空減速
機8 が固定支持される。第２の中空駆動軸18の他端は第
２の中空連結部材29及び第２の中空手首支持部材81を介
して第２手首32を駆動する。

【００１１】アーム1 に固定された第３モータ5 は手首
装置2 の図示しないツールを取付ける第３手首31を駆動
する駆動モータで、第３モータ5 の先端に取付けられた
第３の歯車20には、中空軸42に固定された第３の歯車21
が噛み合い、中空軸42他端に固定された第３の歯車22
は、第２の中空減速機7 の出力軸に自転・公転可能に固
定された遊星歯車軸24に回転可能に支持された第３の遊
星歯車23と噛み合い、第３の遊星歯車23は第３の中空減
速機8 の入力軸に固定された第３の歯車25と噛み合い、
第３の中空減速機8 を駆動する。第３の中空減速機8 の
出力軸には第３の中空駆動軸26が固定支持される。第３
の中空駆動軸26は第３及び第４の中空連結部材 30、83及
び第３の中空手首支持部材91を介して第３手首31を駆動
する。

【００１２】上記構成において、中空軸41他端に固定さ
れた第２の歯車14が不動にされた状態のときは、第１の
中空駆動軸11が駆動・回転すると、第１の中空駆動軸11
に固定された遊星歯車軸16に回転可能に支持された第２
の遊星歯車15は、第２の歯車14の廻りを公転しながら自
転することにより、第１の中空駆動軸11が回転すること
によるつれ廻りを吸収し、つれ廻りのため、モータを同
回転分だけ回転させる必要がなく制御が簡単になる。こ
こで、制御として第２の遊星歯車15と第２の歯車14の関
係で補正が必要となるが、これら第２の遊星歯車15と第
２の歯車 14、17に代えて、直接第２の中空減速機7 の入
力軸に直結して回転駆動するように回転軸中心を中空軸
としたビルドインモータを使用し、第１の中空減速機6
の出力軸にビルドインモータを固定支持させるようにす
れば、つれ廻りの補正をする必要はなくなる。ビルドイ
ンモータの使用は第１及び第３の中空減速機 6、8の入力
軸についても適用できる。

【００１３】手首装置2 とアーム1 との連結は、図１に
示す第１の中空駆動軸11と第１手首28との連結をボルト
27で連結してもよいが、第２の中空駆動軸18と第２の中
空連結部材29との間、及び第３の中空駆動軸26と第３の
中空連結部材30との間、のそれぞれの連結は、腕内部、
手首内部にあり、ボルトでの連結は不可能であり、従来
よりインボリュートスプライン等による連結が実施され
ており、インボリュートスプラインの遊隙による位置決
めの不具合があった。

【００１４】このため本発明では図２に示すように、第
２の中空駆動軸18及び第３の中空駆動軸26とそれぞれ連
結されたオステーパ面を有する第２及び第３の中空駆動
連結軸の延長部 36、38と、第２及び第３手首 32、31と連
結されたメステーパ面を有する第２及び第３の中空連結
部材 29、30とはそれぞれのオステーパ面とメステーパ面
とがテーパ係合面 43、44を形成するようにされ、第１の
中空駆動軸11と第１手首28とを固定するボルト27を締め
ることにより、第１手首28に固定された第２軸受40及び
前記第２手首に固定された第３軸受47を軸方向に移動す
ることにより、テーパ係合面 43、44を固定するようにし
た。これにより、インボリュートスプラインの遊隙によ
る位置決めの不具合を解消した。なお、本図２の実施形
態では安全のため、テーパ係合面 43、44にスプライン 4
5、46も併用している。

【００１５】図３に示す、図１の第１、第２及び第３手
首28、 32、31 を含む手首装置2 の要部を拡大した断面図
でより詳細に説明する。第１手首28に軸受80を介して第
２の軸線72の回りに回転可能に支持された第２中空手首
支持部材81は、先端に第２手首32を固定支持する。第２
の中空連結部材29と第２の中空手首支持部材81との間は
自在継手で連結されている。この自在継手は、軸線 71、
72の交点74から等距離にある各軸線 71、72上の一対の点
87、88をそれぞれ通る直径線と交差する第２の中空連結
部材29と第２の中空手首支持部材81の各位置に、回転可
能に各一対の半径方向軸 56、57が取付けられ、一対の半
径方向軸 56、57に一対の円環 51、51が軸方向に相互に離
隔して固定され、円環 51、51上に各半径方向軸 56、57か
ら周方向にそれぞれ90°ずらされた位置に各一対の軸方
向軸受 54、54が固定され、一対の連結棒 50、50が各一対
の軸方向軸受 54、54にその両端を支持されて一対の円環
51、51を連結することで構成された自在継手で連結され
ている。一対の連結棒 50、50は各軸線上の２点 87、88を
結んだ補完線89の回りに回転可能にされている。各一対
の半径方向軸 56、57は軸受 58、59を介して第２の中空連
結部材29と第２の中空手首支持部材81にそれぞれ回転可
能に支持され、ひいては第２の中空連結部材29と第２の
中空手首支持部材81にそれぞれ一対の連結棒 50、50及び
各円環 51、51が回転可能に支持される。

【００１６】第３の中空駆動軸26はそれに連結された第
３の中空連結部材30が、第３手首31を固定支持する第３
の中空手首支持部材91に対し、第２の中空手首支持部材
81に対し軸受86を介して回転可能に支持された第４の中
空連結部材83の両端でそれぞれ上記と同様な自在継手で
連結されている。即ち、第３の中空連結部材30と第４の
中空連結部材83とは、軸線 71、72の交点74から等距離に
ある各軸線 71、72上の一対の点 76、77をそれぞれ通る直
径線と交差する第３の中空連結部材30と第４の中空連結
部材83の各位置に、回転可能に各一対の半径方向軸 85、
85が取付けられ、一対の半径方向軸 85、85に一対の円環
82、82が相互に軸方向に離隔して固定され、円環 82、82
上に各前記半径方向軸から周方向にそれぞれ90°ずらさ
れた位置に各一対の軸方向軸受 84、84が固定され、各一
対の軸方向軸受 84、84にその両端を支持されて一対の円
環 82、82を連結する一対の連結棒 79、79と、で構成され
た自在継手で連結されている。

【００１７】そして、第２手首32に軸受90を介して第２
の軸線72に対して傾斜した第３の軸線73の回りに回転可
能に支持された第３の中空手首支持部材91は、先端に第
３手首31を固定支持する。第３の中空手首支持部材91と
第４の中空連結部材83との間は上記と同様な自在継手で
連結されている。即ち、第２と第３の軸線 72、73の交点
92から等距離にある各軸線 72、73上の一対の点 93、94を
それぞれ通る直径線と交差する第３の中空手首支持部材
91と第４の中空連結部材83の各位置に、回転可能に各一
対の半径方向軸 63、64が取付けられ、一対の半径方向軸
63、64に一対の円環 61、61が相互に軸方向に離隔して固
定され、円環 61、61上に各半径方向軸 63、64から周方向
にそれぞれ90°ずらされた位置に各一対の軸方向軸受 6
2、62が固定され、各一対の軸方向軸受 62、62にその両端
を支持されて一対の円環 61、61を連結する一対の連結棒
60、60と、で構成された自在継手で連結されている。

【００１８】これら連結棒 50、50; 79、79; 60、60の回転
径を違わせることにより、例えば第３の中空連結部材30
と第４の中空手首支持部材83、第３の中空手首支持部材
91が干渉はなくそれぞれの部材を各円環で結合可能とな
り捩り剛性も大幅に向上した。この径違いの結合におい
て各円環はほぼ円環となり、不等速に回転することがな
くなる。また図３の実施態様では、連結棒 79、79;60、60
により、例えば第２、第３の駆動軸 18、26の回転によ
り、第２手首32及び第３手首31の回転速度は等速とな
り、制御も簡単となる。

【００１９】

【発明の効果】本発明の第１発明により、手首先端に取
付けたツールへのエネルギー等の供給のための配線・配
管を、アーム及び手首内に内蔵でき、かつ従来技術での
歯車による伝達にみられる隙間、摩耗がない機構での回
転の伝達が可能となり、歯車同士の遊隙、摩耗に起因し
てロボットの位置決めが不安定となりロボットの性能を
損なうことをなくして、ロボット位置決めが安定した、
かつ、第２の駆動軸の駆動による第３の駆動軸のつれま
わり、第１の駆動軸の駆動による第２及び第３の駆動軸
のつれまわり、の各つれまわり量は、各減速機の減速比
分になるので極めて小さくなり、各つれまわりによる制
御性の困難さを克服した産業用ロボットの手首駆動装置
を提供するものとなった。

【００２０】さらに請求項４の構成により、手首側にお
いて、従来技術での歯車による伝達にみられる隙間、摩
耗がなく、歯車同士の遊隙、摩耗に起因してロボットの
位置決めが不安定となりロボットの性能を損なうことを
なくして、ロボット位置決めが安定し、かつ第２の駆動
軸の駆動による第３の駆動軸のつれまわり、第１の駆動
軸の駆動による第２及び第３の駆動軸のつれまわり、に
よる制御性の困難さを克服し、さらに力の伝達は歯車の
歯より充分大きな強度の軸によって伝達するため従来技
術の手首装置より、よりコンパクトで剛性が高くより大
きな負荷を手首装置の先端に持つことが可能となる。

【００２１】好ましくは、第２及び第３の中空減速機の
入力軸は、それぞれ第１及び第２の中空減速機の出力軸
に公転・自転可能に支持された遊星歯車軸に回転可能に
支持された第２及び第３の遊星歯車と噛み合う第２及び
第３の歯車にそれぞれ固定され、第３の遊星歯車が公転
・自転することで、つれまわりを吸収できる。さらに好
ましくは、第２及び第３の中空駆動軸とそれぞれ連結さ
れた第２及び第３手首との間にテーパ係合面を形成する
ようにし、第１の中空駆動軸と第１手首とを固定するボ
ルトを締めて、テーパ係合面で両者を結合することによ
り、従来のインボリュートスプライン遊隙による位置決
めの不具合を解消した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる要部断面図であ
る。

【図２】図１の第２の中空駆動軸19及び第３の中空駆動
軸26と第２及び第３手首 32、31との連結部分の要部を拡
大した断面図である。

【図３】図１の第１、第２及び第３手首28、 32、31 を含
む手首装置2 の要部を拡大した断面図である。

【符号の説明】

1・・・アーム 2・・・ 手首装置 6・・・第１の中空減速機 7・・・ 第２の中空減
速機 8・・・第３の中空減速機 9、10・・・第１の歯車 11・・・ 第１の中空駆動軸 12、13、14、17・・・ 第
２の歯車 15・・・ 第２の遊星歯車 16・・・第２の遊星歯
車軸 18・・・ 第２の中空駆動軸 20、21、22、25・・・ 第
３の歯車 23・・・ 第３の遊星歯車 24・・・第３の遊星歯
車軸 26・・・ 第３の中空駆動軸 27・・・ボルト 28・・・ 第１手首 29・・・第２の中空連
結部材 30・・・ 第３の中空連結部材 31・・・第３手首 32・・・ 第２手首 40・・・第１軸受け 43、44・・・テーパ係合面 47・・・ 第２軸受け 81・・・第２手首支持
部材 83・・・ 第４の中空連結部材 91・・・第３手首支持
部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 17/02 B25J 19/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アームに固定された第１の中空減速機と、
   前記第１の中空減速機の出力軸に固定支持された第１の
   中空駆動軸と、第１の中空駆動軸に固定支持された第１
   手首と、第１手首に回転可能に支持された第２手首と、
   第２手首に回転可能に支持された第１手首と、前記第１
   の中空減速機の出力軸に固定支持された第２の中空減速
   機と、それぞれ前記第２の中空減速機の出力軸に固定支
   持された第２の中空駆動軸及び第３の中空減速機と、前
   記第３の中空減速機の出力軸に固定支持された第３の中
   空駆動軸と、を有し、各前記第１、第２及び第３の中空
   駆動軸はそれぞれ、独立して回転可能に第１、第２及び
   第３手首を固定支持するようにされ、各前記第１、第２
   及び第３の中空減速機、前記第３の中空駆動軸及び各前
   記第１、第２及び第３手首は、前記第３手首に取り付け
   られるツールへの配線・配管を通すに充分な円筒空間を
   有することを特徴とする産業用ロボットの手首駆動装
   置。
2. 【請求項２】前記第２及び第３の中空減速機の入力軸
   は、それぞれ前記第１及び第２の中空減速機の出力軸に
   公転・自転可能に支持された遊星歯車軸に回転可能に支
   持された第２及び第３の遊星歯車と噛み合う第２及び第
   ３の歯車にそれぞれ固定されたことを特徴とする請求項
   １記載の産業用ロボットの手首駆動装置。
3. 【請求項３】前記第２及び第３の中空駆動軸とそれぞれ
   連結されたオステーパ面を有する第２及び第３の中空駆
   動軸延長部と、それぞれ前記第２及び第３手首と連結さ
   れるようにされかつメステーパ面を有する第２及び第３
   の中空連結部材と、はそれぞれのオステーパ面とメステ
   ーパ面とがテーパ係合面を形成するようにされ、前記第
   １の中空駆動軸と前記第１手首とを固定するボルトを締
   めることにより、それぞれ前記第１手首に固定された第
   １軸受け及び前記第２の中空連結部材に固定された第２
   軸受けを軸方向に移動することにより、それぞれの前記
   テーパ係合面を締まりばめにより固定するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２記載の産業用ロボ
   ットの手首駆動装置。
4. 【請求項４】同軸に第１軸上で相互に独立して回転可能
   にロボットアームに支持された第１、第２及び第３の中
   空駆動軸と、前記第２及び第３の中空駆動軸にそれぞれ
   連結された第２及び第３の中空連結部材と、 前記第１の中空駆動軸に固定され前記第１軸のまわりに
   回転可能に支持された第１中空手首と、 前記第１手首に前記第１軸に対し傾斜した第２軸のまわ
   りに回転可能に支持された第２の中空手首支持部材に固
   定された第２中空手首と、 前記第２の中空連結部材と前記第２の中空手首支持部材
   とは 各前記部材の軸線の交点から等距離にある各軸線上の一
   対の点をそれぞれ通る直径線と交差する前記各部材の位
   置に回転可能に取付けた各一対の半径方向軸と、前記半
   径方向軸に固定された一対の円環と、前記円環上に各前
   記半径方向軸から周方向にそれぞれ90°ずらされた位置
   に固定した各一対の軸方向軸受と、前記各一対の軸方向
   軸受にその両端を支持されて前記一対の円環を連結する
   一対の連結棒と、で構成された自在継手で連結され、 前記第２手首に前記第２軸に対し傾斜した第３軸のまわ
   りに回転可能に支持された第３の中空手首支持部材に固
   定された第３中空手首と、 前記第３の中空駆動軸は前記第３の中空手首支持部材に
   対し、前記第２の中空手首支持部材に対し回転可能に支
   持された第４の中空連結部材の両端でそれぞれ前記自在
   継手を介して連結されたことを特徴とする請求項１記載
   の産業用ロボットの手首駆動装置。