JP3952955B2 - 多関節ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に工業用として用いられる多関節ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業用ロボットとして極座標型多関節ロボットが多く用いられる。図８はその一例であり、基部３に第１アーム１が揺動自在に取り付けられ、該第１アーム１の先端に第２アーム２が揺動自在に取り付けられ、その先端に多方向型の手首機構４が備えられる。手首機構４の先端には必要なツールハンド、例えば溶接ガンや把持具などが取り付けられ、ロボットとしての作業を行う。
【０００３】
手首機構の一例として、特許文献１（特開昭６３−２８８６９０号公報）には、中央筒体とその両端の第１と第２の端筒体との３部材を、各筒体の軸線を互いに交叉する方向に向けてかつ互いに回動自在に連結し、各部材を相対回転させることにより、前記第２端筒体の先端の回転部材を３次元空間内の所期位置に導くようになした手首機構が記載されている。各筒体は伝動軸と歯車伝導機構を介して相対回転するようになっており、伝導軸の基端部は駆動源であるモータに連結している。他の手首機構として、特許文献２（特開平６−２１８８２号公報）には、２軸手首機構の駆動源としての２個のモータを動力ハウジングに収容した自蔵式のものが示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−２８８６９０号公報
【特許文献２】
特開平６−２１８８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示す従来のロボットは、第１アーム１と第２アームの長さでロボットの作動範囲を確保しようとするものであり、手首機構４までの関節数が少ないことから、ロボットに近い作動エリアでは、第１アーム１と第２アームの折れ曲がりによるデッドスペースが大きくなる傾向がある。そのために、近接して複数個のロボットを配置することが困難であり、ロボットが使用される環境も自ずと制限を受ける。
【０００６】
手首機構として上記公報に記載のようにコンパクトなものが知られているが、それ自体でロボットとして機能する訳ではなく、長さの長いアームを必要とするとともに、特に、特開昭６３−２８８６９０号公報に記載の３個の筒体を伝動軸と歯車伝導機構を介して相対回転するように構成したものは、駆動源である１つのモータからすべての駆動軸に動力伝達するようにしており、機構的に複雑となる。
【０００７】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、広い作動エリアを持ちながらデッドスペースを小さくすることができ、また、各関節を動かすのに必要な動力伝達系も簡素化することのできる、改良された多関節ロボットを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による多間接ロボットは、アームが複数の関節アームを連接することにより構成されており、そこにおいて、関節アーム同士が第１の旋回軸を介して接続している箇所と、該第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸を介して接続している箇所とをそれぞれ少なくとも１箇所以上有しており、各旋回軸を駆動するモータおよび減速機構は各旋回軸ごとに配置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の多間接ロボットは、各関節ごとに駆動源としてのモータと減速機構を備えるようにしており、ロボット全体の駆動機構と動力伝達機構はきわめて簡素化される。そして、例えば水平旋回軸である第１の旋回軸により接続された関節アームと、第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸（傾斜旋回軸）により接続された関節アームとが、好ましくは交互に複数個が連接してアーム全体を構成するようにしており、図８に示すような従来の第１のアームと第２のアームを備えた形態のロボットと比較して、デッドスペースを小さくすることができる。そのために、多数のロボットを近接して配置することが可能となり、ロボットの使用環境に対する自由度も大きくなる。
【００１０】
第１の旋回軸の軸心線に対する第２の旋回軸の傾斜角度に特に制限はないが、好ましくは４５度である。また、前記のように、第１の旋回軸と第２の旋回軸とが交互に位置するようにして多数の関節アームを配列することが、アーム先端に取り付けるツールハンドの３次元空間での位置制御を容易にする観点から好ましいが、ロボットの使用環境に応じて、例えば第２の旋回軸（傾斜旋回軸）による連接部を２カ所以上連続するようにしてもよい。その際に、第１の旋回軸に対する第２の旋回軸の傾斜角度を各第２の旋回軸ごとに異なるようにすることもできる。
【００１１】
本発明による多関節ロボットの１つの態様において、各第１の旋回軸および第２の旋回軸は中空部を有しており、多関節ロボットの操作に必要なケーブル類、例えば、アーム先端に取り付けるツールハンドを操作するためのケーブル、配管や配線類、あるいは、上位に位置するモータのための配線類、などが該中空部を通過して配置される。この態様では、アームの外側にはケーブルや配線類が存在しないので、アームがロボット周辺の機器と接触する危険性を排除することができ、ロボット同士を近接して配置すること、被加工物をより近くに配置することが可能となり、操作環境の安全性の確保と共に、省スペース化ももたらされる。
【００１２】
本発明による多関節ロボットの１つの態様において、各関節アームはそこに接続する第１の旋回軸または第２の旋回軸のいずれか一方を駆動する１個のモータを備えるようにされる。また、他の態様では、複数の関節アームのうちの、一端に第１の旋回軸を他端に第２の旋回軸を備えた複数個の関節アームにおいて、前記第１の旋回軸と第２の旋回軸とをそれぞれ駆動する２つのモータを備えた関節アームと、モータを備えない関節アームとが交互に接続するようにされる。後者の態様では、モータを備えない関節アームが存在することにより、同じ関節数のロボットであっても、前者の態様による場合よりもアームの全長を短くすることが可能となる。低い作業高さが求められる環境下では、この態様はきわめて有効となる。
【００１３】
一般に、この種のロボットなどで使用されるモータは、駆動部であるモータ本体部分に加えて、位置制御のためのエンコーダとブレーキを一体に備えるのが普通である。そのために全長が長くなり、関節アーム内に取り付けたときに、その先端が関節アームを構成するケーシングから飛び出すようになりがちとなる。前記のように、関節アームから外側に飛び出たものがある場合、周囲との干渉を排除するために、周囲のスペースを大きく取る必要がある。関節アーム径を大きくすることにより、飛び出しを防ぐことができるが、本来省スペース化を目的とする本発明の多関節ロボットの趣旨に反する。
【００１４】
本発明による多関節ロボットの１つの態様は、このような事情からなされたものであり、少なくとも１個の関節アームにおいて、該関節アームはモータとは独立したブレーキ装置を備えるようにし、該ブレーキ装置は減速機構を構成する歯車に対してモータと並置して配置するようにしたことを特徴とする。この態様では、モータの全長を短くすることができ、関節アームの径を太くすることなく、駆動系全体を当該関節アーム内に収容することが容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により本発明を説明する。図１、図２は本発明による多関節ロボット１０の一実施の形態を示しており、この例において、関節数は６であり、関節アームは７個で構成されている。第１の関節アームＡ１はベースＧに固定されて機台として機能するものであり、駆動源としてのモータＭ１とケーブル類の導入孔１１を備える。モータＭ１はエンコーダとブレーキ装置を内蔵した形式のものであり、回転駆動軸１２を水平方向に向け、その先端にベルギア１３を取り付けている。
【００１６】
第１の関節アームＡ１には中空の固定軸１４が垂直方向に立設しており、該軸１４に外嵌合するように水平旋回軸（本発明でいう「第１の旋回軸」に相当する）１５が装着されている。水平旋回軸１５の下端にはベベルギア１６が取り付けてあり、モータの回転駆動軸１２に取り付けたベベルギア１３と噛み合っている。なお、ベベルギア１３とベベルギア１６との噛み合いは１つの減速機構を形成している。図２の拡大図によく示すように、第１の関節アームＡ１の上端面には、中空の固定軸１４の軸心線Ｌ１（同時に水平旋回軸１５の軸心線でもある）と同心円上に、ベアリングＢのアウターレースＢ１が固定されている。一方、水平旋回軸１５側にはベアリングＢのインナーレースＢ２が適宜の手段を介して固定されると共に、その上端には、スラストベアリング１７などを介して円筒形状である第２の関節アームＡ２の下端面２１が固定されている。従って、モータＭ１が回転駆動すると、その回転はベベルギア１３およびベベルギア１６を介して水平旋回軸１５に伝えられ、第２の関節アームＡ２は３６０度の範囲で回転する。この水平旋回軸１５の部分は第１関節を構成する。
【００１７】
第２の関節アームＡ２は円筒形であり、上端面はその軸心線（軸心線Ｌ１と一致している）に対して４５度で傾斜した傾斜面２２とそれに続く水平面２３とで形成され、内部に空間２４を有している。なお、水平面２３は第２の関節アームＡ２の高さを低く抑えるためのものであり、高さ制限がない場合には、上端面すべてが傾斜面２２とされていてもよい。
【００１８】
第２の関節アームＡ２の上には、下端面がその軸心線に対して４５度で傾斜した傾斜面３１とされた円筒形の第３の関節アームＡ３が位置している。第２の関節アームＡ２と第３の関節アームＡ３とは、その傾斜面２２と傾斜面３１とが、軸心線Ｌ１に対して４５度で傾斜しかつ軸心線Ｌ１と交差する軸心線Ｌ２を持つ傾斜旋回軸（本発明でいう「第２の旋回軸」に相当する）３２により相対回転可能に連接されている。
【００１９】
すなわち、第２の関節アームＡ２の傾斜面２２には軸心線Ｌ２を中心線とする開口２５が形成され、また、軸心線Ｌ２の同心円上には、上記したベアリングＢと同様のベアリングＢのインナーレースＢ２が固定されている。一方、第３の関節アームＡ３の傾斜面３１には、前記軸心線Ｌ２を中心線とする中空の固定軸３３が傾斜面３１に対して垂直方向に取り付けてあり、該固定軸３３は第２の関節アームＡ２の前記空間２４に達している。固定軸３３に外嵌合するようにして傾斜旋回軸３２が装着されており、その上端（第３の関節アームＡ３側）には歯車３４が取り付けられる。傾斜旋回軸３２の外周部は、第３の関節アームＡ３の傾斜面３１に固定された前記ベアリングＢのアウターレースＢ１と適宜の手段を介して一体化している。
【００２０】
第３の関節アームＡ３内にはモータＭ２が備えられており、モータＭ２の回転駆動軸に取り付けた歯車３５と歯車３４は噛み合っている。従って、モータＭ２が回転駆動すると、その回転は歯車３５および歯車３４を介して傾斜旋回軸３２に伝えられ、それにより、第３の関節アームＡ３は第２の関節アームＡ２に対して相対的に３６０度の範囲で回転することができる。この傾斜旋回軸３２の部分は第２関節を構成する。
【００２１】
第３の関節アームＡ３の上端面は水平面３６となっており、そこには、前記第１の関節アームＡ１の上端面におけると実質的に同じようにして水平旋回軸１５Ａが装着される。すなわち、水平面３６の中心には開口３７が形成されており、その中心線は図示のようにロボット全体が垂直姿勢となったときに、前記軸心線Ｌ１と一致するようにされる。前記開口３７の軸心線を中心線とする中空の固定軸１４Ａが垂直方向に固定され、該固定軸１４Ａに外嵌合するように水平旋回軸１５Ａが装着される。
【００２２】
水平旋回軸１５Ａの下端には歯車１６Ａが取り付けてあり、第３の関節アームＡ３内に装着されたモータＭ３の回転駆動軸に取り付けた歯車（図１、図２には示されない）と噛み合っている。第３の関節アームＡ３の上端水平面３６には、固定軸１４Ａの軸心線と同心円上にベアリングＢのアウターレースＢ１が固定され、水平旋回軸１５Ａの外周部にはベアリングＢのインナーレースＢ２が適宜の手段を介して固定される。そして、水平旋回軸１５Ａのの上端には、スラストベアリング１７Ａなどを介して、前記第２の関節アームＡ２と同じ構成の第４の関節アームＡ４が同様にして固定される。従って、モータＭ３が回転駆動すると、その回転はその歯車と歯車１６Ａを介して水平旋回軸１５Ａに伝えられ、第４の関節アームＡ４を第３の旋回アームＡ３に対して相対的に３６０度の範囲で回転させる。この水平旋回軸１５Ａの部分は第３関節を構成する。
【００２３】
第４の旋回アームＡ４の上には、前記第３の旋回アームＡ３と同じ構成の第５の旋回アームＡ５が同様にして配置され、両者を連接する傾斜旋回軸３２Ａの部分は第４関節を構成する。さらに、第５の旋回アームＡ５の上には、再び、前記第２の関節アームＡ２と同じ構成の第６の関節アームＡ６が同様にして配置され、両者を連接する水平旋回軸１５Ｂの部分は第５関節を構成する。そして、第６の関節アームＡ６の上に、前記第３あるいは第５の旋回アームＡ３、Ａ５から、その上端の水平旋回軸１５Ａ，１５Ｂを取り除き平坦面５０とした構成の第７の旋回アームＡ７が同様にして配置され、両者を連接する傾斜旋回軸３２Ｂの部分は第６関節を構成する。第７の旋回アームＡ７の平坦面５０はツールハンド取り付け面とされ、そこに溶接ガン、塗装ガンや把持具などのツールハンドが取り付けられて、６関節からなる多関節ロボット１０とされる。
【００２４】
なお、図１、図２において、Ｃは多関節ロボット１０の操作に必要なケーブや配管、配線類であり、各関節アーム内の空間および各旋回軸に形成した中空部を通して、必要とされる箇所まで案内される。このように構成することにより、関節アームの外側にケーブルや配線類が位置しないこととなり、ケーブル類がロボット周辺の機器と接触する危険性を回避することができる。もちろん、上記した中空部を利用することなくケーブル類を配設することもできる。その場合には、各旋回軸に形成した中空部が不要となる。
【００２５】
上記の形態では、第３と第５の関節アームＡ３，Ａ５内に、その上下端に配置した水平旋回軸および傾斜旋回軸のための２個の駆動モータ（例えば、Ｍ２とＭ３）を収容し、第２，第４，第６の関節アームＡ２，Ａ４，Ａ６内には駆動モータを収容しないようにした。そのために、第２，第４，第６の関節アームＡ２，Ａ４，Ａ６の全長を、そこに１個のモータを収容する場合よりも短いものとすることができ、同じ関節数でありながら、個々の関節アームに駆動モータを配置する場合よりも、ロボットの全長を短縮することができる。
【００２６】
図３は、図１、図２に示した多関節ロボット１０の垂直面での動作範囲を説明している。モータＭ２を駆動して第２関節（傾斜旋回軸３２）を１８０度回転させると、垂直姿勢であったロボットはＰ１あるいはＰ２で示す水平姿勢となる。その姿勢でモータＭ１を駆動すると第１関節（水平旋回軸１５）が回転し、ロボットは水平姿勢を保ったままで３６０度の範囲を回転する。Ｐ１またはＰ２の姿勢で第４関節（傾斜旋回軸３２Ａ）を１８０度回転させると、水平姿勢であった第４関節よりも先の部分はＰ３で示す垂直姿勢となる。その状態で第３関節（水平旋回軸１５Ａ）を回転させると、第４関節よりも先の部分はその垂直面内で３６０度の範囲で移動する。さらに、Ｐ３に示す姿勢で第６関節（傾斜旋回軸３２Ｂ）を１８０度回転させると、垂直姿勢であった第６関節よりも先の部分はＰ４で示す水平姿勢となる。その状態で第５関節部分（水平旋回軸１５Ｂ）を回転させると、第６関節よりも先の部分はその水平面内で３６０度の範囲で移動する。図３でのロボットの先端を結ぶ曲線はその最外縁の移動軌跡を描くものであり、図１に示す形態のロボットの最大作動範囲を示している。
【００２７】
図４はロボットの先端部分が垂直姿勢を取るときの作動範囲を示す図であり、各関節の具体的な移動態様の説明は省略するが、図３の場合と同様、ロボットの先端を結ぶ曲線により、図１，図２に示す形態のロボットでの、上記姿勢での最大作動範囲を把握することができる。
【００２８】
図５は上記の多関節ロボット１０の使用態様の一例を示している。上記したように本発明による多関節ロボットは、簡単な構成でもって、基部から溶接ガンや把持具などのツールハンドの取り付け端までの間に多くの関節を持たせることができ、そのために、従来型のロボットと比較して、その作動範囲でのデッドスペースをきわめて小さくすることができる。そのために、図示のように、複数個の多関節ロボット１０をより狭いエリアに互いに接近して配置することが可能となり、従来のように溶接ガンを備えた溶接ロボットとしての使用に加えて、溶接されるワークＷを保持するための保持ロボットとしての使用も可能となる。ワークＷの種類、形状、大きさが異なっても、同じロボット群で容易に保持することが可能であり、この使用態様は実用上の大きな利点となる。
【００２９】
図６は他の形態の多関節ロボット１０Ａを示している。ここでは、各関節アームに１個ずつ駆動モータを備えるようにしている。すなわち、関節アームＡ２にモータＭ１を取り付けて第１の関節（水平旋回軸１５）を操作し、関節アームＡ３にモータＭ２を取り付けて第２の関節（傾斜旋回軸３２）を操作し、以下、同様にに関節アームＡ７まで、それを繰り返している。この態様では、すべての関節アームに駆動モータを保持させたので、個々の関節アームの長さは長くなるが、アーム自体の径を細くできる利点がある。この形態のロボットの操作および作動範囲は前記した形態のものと同様であり、説明は省略する。
【００３０】
図７はさらに他の形態のロボットにおける、図２での矢視Ｘ方向からみた場合の状態を示している。図１、図２に示した多関節ロボットでは、モータはすべてエンコーダとブレーキ装置を内蔵した形式のものとして説明したが、ここでは、モータＭと独立したブレーキ装置ＭＢを備えるようにし、該ブレーキ装置ＭＢを減速機構を構成する歯車に対してモータＭと並置して配置するようにしている。この態様では、モータの全長を短くすることができ、駆動系全体を当該関節アーム内に収容することが容易となる。
【００３１】
上記の説明は、本発明による多関節ロボットのいくつかの好ましい形態の説明であって、他に多くの形態を取ることができる。例えば、関節数が６のものとして説明したが、それ以上であってもよく、それ以下であってもよい。水平旋回軸と傾斜旋回軸が共に１個以上存在すれば、本発明による多関節ロボットは成立する。ロボットの使用環境に応じて、適宜数の関節数を設定すればよい。また、水平旋回軸と傾斜旋回軸とを交互に配置したものを示したが、傾斜旋回軸を２個以上連続して配置することもできる。その場合には、傾斜旋回軸の傾斜角度は基準となる垂直軸に対して４５度よりも小さい角度であることが望ましい。図１、図２に示した形態のロボットにおいても、傾斜旋回軸の傾斜角度を基準となる垂直軸に対して４５度以外の角度としてもよい。減速機構も歯車減速機構に限らず、他の減速機構を用いることもできる。歯車減速機構と併用することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、広い作動エリアを持ちながらデッドスペースを小さくすることができ、また、各関節を動かすのに必要な動力伝達系もきわめて簡素化することのできる、改良された多関節ロボットが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多関節ロボットの一実施の形態を示す全体図。
【図２】図１に示すロボットの一部を拡大して示す断面図。
【図３】図１に示す多関節ロボットの作動範囲を説明する図。
【図４】図１に示す多関節ロボットの作動範囲を説明する他の図。
【図５】本発明による多関節ロボットの使用態様の一例を説明する図。
【図６】本発明による多関節ロボットの他の実施の形態を示す全体図。
【図７】更に他の実施の形態を説明するための部分図。
【図８】従来の工業用ロボットを説明する図。
【符号の説明】
１０…多関節ロボット、Ａ１〜Ａ７…関節アーム、Ｍ…駆動モータ、Ｃ…ケーブル類、１５、１５Ａ、１５Ｂ…水平旋回軸（第１の旋回軸）、３２、３２Ａ、３２Ｂ…傾斜旋回軸（第２の旋回軸）

Claims (2)

1. 複数の関節アームを有しており、関節アーム同士が第１の旋回軸を介して接続している箇所と、該第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸を介して接続している箇所とをそれぞれ少なくとも１箇所以上有しており、各旋回軸を駆動するモータおよび減速機構は各旋回軸ごとに配置されている多関節ロボットであって、
   複数の関節アームのうちの一端に第１の旋回軸を他端に第２の旋回軸を備えた関節アームにおいて、第１の旋回軸と第２の旋回軸とをそれぞれ駆動する２つのモータを備えた関節アームと、モータを備えない関節アームとが交互に接続していることを特徴とする多関節ロボット。
2. 各第１の旋回軸および第２の旋回軸は中空部を有しており、多関節ロボットの操作に必要なケーブル類が該中空部を通過して配置されていることを特徴とする請求項１記載の多関節ロボット。

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