JP3988768B2

JP3988768B2 - リンク駆動機構およびこれを用いた産業用ロボット

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Publication number: JP3988768B2
Application number: JP2004363918A
Authority: JP
Inventors: 政俊大野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: DE602005007687D1; EP1671756B1; KR100710968B1; CN1788948A; JP2006167863A; TW200624232A; US20060201275A1; TWI294820B; KR20060069262A; CN100439053C; EP1671756A1

Description

本発明は、リンク駆動機構に関し、特に産業用ロボットに使用して好適なリンク駆動機構に関する。

近年、産業用ロボットは、高速・高精度・クリーン度が要求される生産現場とともに、特殊ガスや薬品等を使用する特殊環境下においても対応が望まれている。現在の、例えばスカラ型ロボットの上下軸機構はボールネジを使用し、直動軸を構成しているものが主である。この機構の場合、アーム内部からの発塵やグリースの飛散を防ぐため、ジャバラ等の保護部材が必要となる。しかし、ジャバラを使用した場合、ジャバラの収縮に伴いロボットの内部圧力の変動が生じるため、また、耐久性等の観点から、素材が限られるため、高いクリーンレベルが求められる場合および特殊環境下での作業が求められる場合には、対応が困難である。

一方、産業用ロボットの上下軸機構をリンク式に構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、一方の平行リンクを構成する左右一対の第１アームをベースとリンクベースに連結し、他方の平行リンクを構成する左右一対の第２アームをリンクベースとアームベースに連結し、上記リンクベースに駆動モータを搭載するとともに、左右両側の第１アームと第２アームの連結軸に回転力を与えるために、傘歯車を使用した伝動機構を採用し、この伝動機構を減速機とともにリンクベースの内部に内蔵する構成となっている。

特開２００２−３２６１８２号公報

しかし、上記特許文献１に示すような平行リンク式の上下軸機構では、ジャバラを使用しない、いわゆるジャバラレスで上下軸機構を構成することができるものの、第１、第２アームの連結軸を回転させるのに傘歯車を使用した伝動機構を採用しているため、傘歯車のバックラッシの影響により、位置精度が落ちるという問題がある。また、傘歯車機構では、左側の第１アームの連結軸は時計回りに、右側の第２アームの連結軸は反時計回りに、という具合に、左右の連結軸を互いに反対方向に回転させなければならないので、第１、第２アームの連結部の構造がきわめて複雑となり、この連結部の組立は困難を極めるものとなる。さらに、この連結部におけるシール構造も複雑となる。

また、ロボット作業を実行させるためにロボットアームの先端部にはハンド装置等のエンドエフェクタが取り付けられるが、そのエンドエフェクタやロボットアーム等の駆動装置の配線あるいは配管がロボットアームの周囲に露出するような構造では、外観上も見劣りがするうえに、ロボットアームの動きを制限しないように配線・配管の配置を考慮しなければならず、また外部物体等との干渉が生じないように配慮する必要がある。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたもので、高精度の位置精度を有し、またシール性のよいリンク駆動機構およびこれを用いた産業用ロボットを提供することを目的とする。
また、本発明は、エンドエフェクタやロボットアーム等の駆動装置の配線・配管を外部に露出させることのない産業用ロボットを提供することを目的とする。

本発明に係るリンク駆動機構は、一方の平行リンクを構成する第１アームと、他方の平行リンクを構成する第２アームと、前記第１アームと第２アームを連結する端部の間に介在し、両方の平行リンクの端部が連結される連結ベースと、一方のアームの連結端部に設けられた波動歯車減速機付き駆動モータとを備え、
前記波動歯車減速機は、同一方向に回転する２つの出力軸を有し、その第１出力軸は他方のアームの端部に連結され、第２出力軸は前記連結ベースに連結されていることを特徴とする。

本発明のリンク駆動機構は、上記のように第１アームと第２アームがそれぞれ連結ベースを介して平行リンクで構成されているので、すべて回転軸の回転運動のみで位置を制御することができる。また、同一方向に回転する２つの出力軸を有する波動歯車減速機を用いているので、バックラッシがなく、したがって高精度の位置精度を実現できる。また、回転軸のためシール構造も簡単で、かつシール性がよく、クリーン環境など様々な特殊環境下に容易に対応させることができる。

なお、本発明において、波動歯車減速機付き駆動モータを第１アームの連結端部に取り付ける場合には、波動歯車減速機の第１出力軸は第２アームの連結端部に連結され、第２出力軸は連結ベースに連結される。逆に、波動歯車減速機付き駆動モータを第２アームの連結端部に取り付ける場合には、波動歯車減速機の第１出力軸は第１アームの連結端部に連結され、第２出力軸は同じく連結ベースに連結される。

また、本発明では、前記波動歯車減速機の第１出力軸と第２出力軸の減速比を、１：２の割合とするものである。
これにより、他方の平行リンクを構成する第２アーム側に連結される可動ベースを直線的に移動させることができる。

また、本発明では、前記第１出力軸と第２出力軸を同心円上に設けるのがよい。これにより、波動歯車減速機を短くすることができ、駆動部をコンパクトに構成することができる。

また、本発明では、リンク駆動機構の内部が中空構造となっており、配線、配管のいずれか一方または両方が内部を通っていることを特徴とする。
これによって、配線・配管を第１、第２アーム内部に隠すことができ、第１、第２アームやロボットアームの動きに制限を加えることがなく、また外部物体等との干渉も生じない。さらに外観上もすっきりとした印象を与える。

また、本発明のリンク駆動機構を利用することにより、一般的な産業用ロボットを構成することができる。特に、スカラ型ロボットの上下軸機構として好適に利用することができる。

以下、本発明を適用した実施の形態の一例について図面を参照して説明する。ここでは、本発明のリンク駆動機構をスカラ型ロボットの上下軸機構として使用した例を示すが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は本発明の産業用ロボット（スカラ型ロボット）の側面図、図２はこのスカラ型ロボットの上面図である。

このスカラ型ロボットのリンク駆動機構（上下軸機構）１０は、床面などに取り付けられる固定ベース１と上部の可動ベース２の間に中間の連結ベース３を配し、連結ベース３を介して２組の平行リンク機構を略「く」の字状に屈曲した形態で連結する構成となっている。

一方の第１アーム１１は、第１リンク１３と平行リンクを構成し、第１アーム１１の一端部（下端部）は軸１５を介して固定ベース１に回転可能に連結され、他端部（上端部）には後述する波動歯車減速機付きの駆動モータが取り付けられており、その波動歯車減速機の第２出力軸（図３乃至図５参照）が連結ベース３に回転可能に連結されている。
第１リンク１３は、両端部が軸１７ａ、１７ｂを介して固定ベース１と連結ベース３に回転可能に連結されている。

他方の第２アーム１２は、第２リンク１４と平行リンクを構成し、第２アーム１２の一端部（下端部）は上記波動歯車減速機の第１出力軸を介して回転可能に連結され、他端部（上端部）は軸１６を介して上記可動ベース２に回転可能に連結されている。
また、第２リンク１４は、両端部が軸１８ａ、１８ｂを介して連結ベース３と可動ベース２に回転可能に連結されている。

さらに、上記波動歯車減速機には駆動モータが直接取り付けられている。連結ベース３は、第１アーム１１の上端部と第２アーム１２の下端部の間に設けられている。

上述のように、固定ベース１、連結ベース３、第１アーム１１、および第１リンク１３は、連結点を結ぶと平行四辺形となる平行リンク機構を構成し、また、可動ベース２、連結ベース３、第２アーム１２、および第２リンク１４は、同じく連結点を結ぶと平行四辺形となる平行リンク機構を構成している。そして、可動ベース２は、これら２組の平行リンク機構により第１アーム１１の回転角度には関係なく常に一定の姿勢（例えば水平）に維持される。

可動ベース２上には、上部機構２０としてロボットアーム機構が搭載されている。スカラ型ロボットの場合は、主に第１水平アーム２１と第２水平アーム２２からなるロボットアーム機構が可動ベース２上に装着されている。第１水平アーム２１は、第１水平アーム２１と可動ベース２を連結する第１関節軸（図示せず）を中心に回転可能になっており、第２水平アーム２２は、第１水平アーム２１と第２水平アーム２２を連結する第２関節軸（図示せず）を中心に回転可能になっている。さらに、第２水平アーム２２の先端部には作業軸２３（図２参照）が回転可能に設けられており、この作業軸にハンド装置等のエンドエフェクタ（図示せず）が取り付けられるようになっている。

さらに、上述のリンク駆動機構１０を図３乃至図５に基づいて詳細に説明する。図３はこのリンク駆動機構１０の概略構成を示す断面図であり、図４はその要部である駆動部の断面図である。なお、図４では波動歯車減速機３０の下側半分は省略してある。また、図５はこのリンク駆動機構１０の動作説明図である。

このリンク駆動機構１０の駆動部４は、波動歯車減速機３０を備えた駆動モータ５０により構成されており、第１アーム１１の上端部すなわち第２アーム１２と連結する連結端部に取り付けられている。

波動歯車減速機３０は、入力軸３１と、ウェーブジェネレータ３２と、フレクスプライン３３、３４と、サーキュラスプライン３５、３６と、第１出力軸３７、第２出力軸３８とから主として構成されている。

入力軸３１には、駆動モータ５０のモータ軸５１が、例えばフランジ継手（フランジ継手部は図示省略）等により、回転方向にガタが生じないよう固く結合される。ウェーブジェネレータ３２はこの入力軸３１にねじ止めまたは接着等により固定されており、サーキュラスプライン３５、３６の内周にそれぞれ嵌合して波動を発生する２つのベアリング３２ａ、３２ｂを有する。

一方のフレクスプライン３３は、サーキュラスプライン３５と一部の歯が噛み合っており、かつ、第１出力軸３７に図示しない取付ネジ等により固定されている。
他方のフレクスプライン３４は、サーキュラスプライン３６と一部の歯が噛み合っており、かつ、第２出力軸３８にサーキュラスプライン３５とともに図示しない取付ネジ等により固定されている。他方のサーキュラスプライン３６は減速機ケース４０に固定されている。
そして、第１出力軸３７は、第２アーム１２の端部に固定されており、第２出力軸３８は、連結ベース３に固定されている。

第１出力軸３７と第２出力軸３８は同心円上に配置される。これによって、波動歯車減速機３０を短くすることができるので、駆動部４をコンパクトに構成することができる。

第１出力軸３７はアーム連結部材３９を介して第２アーム１２の下端部に取付ネジ４１ａ、４１ｂにより取り付けられている。また、第２出力軸３８は取付ネジ４１ｃにより連結ベース３に取り付けられている。
波動歯車減速機３０は取付ネジ４１ｄにより第１アーム１１の上端部に取り付けられている。
駆動モータ５０はモータフランジ５２を介して波動歯車減速機３０に取付ネジ４１ｅにより取り付けられている。

上述のように、波動歯車減速機３０は、１つの入力軸３１と、２つの出力軸３７、３８を有する１入力２出力を有する減速機として構成されており、かつ、第１出力軸３７と第２出力軸３８は同一方向に回転するようになっている。さらに、第１出力軸３７と第２出力軸３８の減速比は１：２の割合となっている。フレクスプライン３３と３４の歯数、またはサーキュラスプライン３５と３６の歯数を変更することにより、上記の減速比の割合とすることができる。
したがって、バックラッシがないため、高精度に第１アーム１１、第２アーム１２を回転させることができ、可動ベース２の位置精度を高精度に制御できる。

また、このリンク駆動機構１０は、図３、図４に示すように、中空構造となっている。すなわち、上述した可動ベース２、軸１６、波動歯車減速機３０付き駆動モータ５０、第１アーム１１、軸１５はすべて中空構造に構成されている。また、駆動モータ５０は中空モータとなっており、スリーブ５３が波動歯車減速機３０付き駆動モータ５０の全体を貫通して中心に設けられている。なお、５４はスリーブ取付部材、５５はスリーブ５３とアーム取付部材３９の間に介在された滑り軸受である。また、図３において、１１ａは第１アームカバー、１２ａは第２アームカバー、１５ａは中空軸１５のベアリング、１６ａは中空軸１６のベアリングである。

このようにリンク駆動機構１０を中空構造とすることによって、上部機構２０の配線・配管６０および駆動モータ５０の配線（図示せず）等をリンク駆動機構１０の内部を通して引き回すことができる。配線・配管６０等は固定ベース１上に設けられた収納ボックス６１内の配線基板やバルブ等に接続される。

したがって、このリンク駆動機構１０の構成によれば、配線・配管６０等がリンク駆動機構１０の内部に収められ、一切外部に露出することはないので、外観上すっきりした印象を与えるとともに、リンク駆動機構１０やロボットアーム等の動きが制限されることもなく、かつ、外部物体等との干渉のおそれも全くないものとなる。

さらに、第１アーム１１、第２アーム１２はそれぞれ第１アームカバー１１ａ、第２アーム１２ａで密閉されており、また、第２アーム１２と第１出力軸３７を連結するアーム連結部材３９、第２出力軸３８の連結ベース３と減速機ケース４０、中空軸１５、１６の取付部等は図示しないＯリング等によりシールされるので、シール性がよく、アーム内部からの発塵やグリース等の飛散が生じないので、クリーン環境など様々な特殊環境下においても容易に適応することができる。

次に、図５の模式図に基づいて、この波動歯車減速機３０の動作を説明する。
図５において、可動ベース２を実線で示す位置Ａから点線で示す位置Ｂへ移動（上昇）させる場合には、波動歯車減速機３０の第１出力軸３７および第２出力軸３８をともに同一の反時計方向に回転させる。連結ベース３は、上下２組の平行リンク機構によって水平に保たれており、また第１出力軸３７と第２出力軸３８の減速比は１：２の割合となっているため、第２アーム１２は、第１アーム１１となす角度θが第１アーム１１の水平角度αの２倍の角度で回転する。すなわち、第１アーム１１と第２アーム１２の回転角度（水平角度）は同一であるので、可動ベース２は直線的に移動する。
また、可動ベース２をＢからＡの位置へ下降させる場合は、第１出力軸３７、第２出力軸３８をともに反対の時計方向に回転させればよい。

上述の実施の形態において、波動歯車減速機３０付き駆動モータ５０を第１アーム１１の上端部に取り付けた場合について説明したが、取付方を逆にして第２アーム１２の下端部に波動歯車減速機３０付き駆動モータ５０を取り付けてもよいものである。この場合は、第１出力軸３７は第１アーム１１に連結され、第２出力軸３８は連結ベース３に連結される。

また、本発明のリンク駆動機構は、前述の特許文献１のように第１アーム１１、第２アーム１２を左右一対のものにする必要はないので、リンク駆動機構をコンパクトに構成することができる。

また、本発明のリンク駆動機構は、例えば水平に設置すれば左右方向の伸縮機構として利用することができるものである。可動ベース２は摺動体としてガイドすることも可能である。したがって、本発明のリンク駆動機構の応用範囲は広いものである。

本発明のリンク駆動機構を備えたスカラ型ロボットの側面図。このスカラ型ロボットの上面図。リンク駆動機構の概略構成を示す断面図。駆動部の断面図。リンク駆動機構の動作説明図。

符号の説明

１固定ベース、２可動ベース、３連結ベース、４駆動部、１０リンク駆動機構、１１第１アーム、１１ａ第１アームカバー、１２第２アーム、１２ａ第２アームカバー、１３第１リンク、１４第２リンク、１５軸、１５ａベアリング、１６軸、１６ａベアリング、１７ａ、１７ｂ軸、１８ａ、１８ｂ軸、２１第１水平アーム、２２第２水平アーム、２３作業軸、３０波動歯車減速機、３１入力軸、３２ウェーブジェネレータ、３２ａ、３２ｂベアリング、３３、３４フレクスプライン、３５、３６サーキュラスプライン、３７第１出力軸、３８第２出力軸、３９アーム連結部材、４０減速機ケース、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ取付ネジ、５０駆動モータ、５１モータ軸、５２モータフランジ、５３スリーブ、５４スリーブ取付部材、５５滑り軸受、６０配線・配管、６１収納ボックス。

Claims

一方の平行リンクを構成する第１アームと、
他方の平行リンクを構成する第２アームと、
前記第１アームと第２アームを連結する端部の間に介在し、両方の平行リンクの端部が連結される連結ベースと、
一方のアームの連結端部に設けられた波動歯車減速機付き駆動モータとを備え、
前記波動歯車減速機は、同一方向に回転する２つの出力軸を有し、その第１出力軸は他方のアームの端部に連結され、第２出力軸は前記連結ベースに連結されていることを特徴とするリンク駆動機構。
前記波動歯車減速機の第１出力軸と第２出力軸の減速比は、１：２の割合とすることを特徴とする請求項１記載のリンク駆動機構。
前記第１出力軸と第２出力軸は、同心円上に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のリンク駆動機構。
内部が中空構造となっており、配線、配管のいずれか一方または両方が内部を通っていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリンク駆動機構。
請求項１乃至４のいずれかに記載のリンク駆動機構を備えたことを特徴とする産業用ロボット。
請求項１乃至４のいずれかに記載のリンク駆動機構を上下軸機構とすることを特徴とするスカラ型の産業用ロボット。