JP4119556B2 - 産業用ロボットの手首装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は産業用ロボットの手首装置に関し、産業用ロボット先端に取付けられる作業工具等に供給されるエアー、水、電気等の配管、配線を手首装置内に配置することを可能にする産業用ロボットの手首装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の産業用ロボットの先端に取付けられた作業工具等に供給されるエアー、水、電気等の供給手段を手首内を通過させる手首装置としては、特公平4-46720 号、特開平8-229874号公報に記載されたものがある。これらの装置は互いに角度を有する軸の回転を伝達するため中心を中空とした歯車を利用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において角度を有する軸の回転伝達として歯車を利用しているが、歯車には当然、歯車間の隙間が存在しロボットの性能を損なう。またロボットの性能に関し当初は問題なくても、経年の使用により歯車の歯面が摩耗し歯車の隙間が増大しロボットの性能を損なう問題がおきてくる。このため歯車の定期的な点検、交換が必要になる。また、従来技術の手首装置は30Kgf 以下の可搬重量ロボットに適用され、可搬重量が100Kgf以上のロボットでは歯車の摩耗が大きな問題となり、歯車を利用した中空を有する手首装置は困難とされている。
本発明の課題は、角度を有する手首軸の回転伝達として歯車を使用せず、歯車間の隙間によるロボットの性能を損なうことがなく、かつ100Kgf以上の可搬ロボットにおいても中空通路を有する手首構造を可能とし、経年の使用においても性能の劣化しない産業用ロボットの手首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】
上記問題を解決するため、産業用ロボットの上腕内に同一の駆動軸線の回りに配置してなり、それぞれ独立に回転可能に配置された中空管状の外から順に第１、第２、第３の駆動軸を有し、前記第１の駆動軸に第１の手首部を固定し、
前記第１の手首部は、前記駆動軸線に対し鈍角を持った第１の従動軸線の回りに中空の第１の従動軸を回転可能に支持し、中空管状の前記第２の駆動軸は径方向２箇所に軸を固定し、前記径方向２箇所の各軸は前記駆動軸線と前記第１の従動軸線との交点を軸心とする第１の円環を回転可能に支持し、前記第１の円環上に前記径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を固定し、前記ずらした２個の軸は前記第１の従動軸の延長部と連結され、前記第２の駆動軸と前記第１の従動軸とは、前記径方向２箇所の各軸と前記ずらした２個の軸とが前記延長部を介して自在継手として連結され、前記第１の従動軸の他端に第２の手首部を固定し、
前記第２の手首部は前記第１の従動軸線に対し鈍角を持った第２の従動軸線の回りに回転可能に第２の従動軸を支持し、中空管状の前記第３の駆動軸は径方向２箇所に軸を固定し、該径方向２箇所の各軸は前記駆動軸線と前記第１の従動軸線との交点を軸心とする前記第１の円環と同軸の第２の円環を回転可能に支持し、前記第２の円環上に該第３の駆動軸の径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を固定し、
前記第２の従動軸は径方向２箇所に軸を固定し、前記径方向２箇所の各軸は第１の従動軸線と第２の従動軸との交点を軸心とする第３の円環を回転可能に支持し、前記第３の円環上に前記径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を配置し、第３の駆動軸は前記第２の従動軸に対し各前記第２の円環上と第３の円環上の対応する各２個の軸を第１の中間軸を介して自在継手として連結し、かつ前記第２の従動軸の他端に工具支持部を固定したことを特徴とする産業用ロボットの手首装置としたものである。
【０００５】
請求項１項の機構ではこの種の機構にみられる駆動軸と従動軸の回転が等しくない問題がある。この問題解決のため請求項２又は請求項３では、駆動軸と第１の従動軸、第１の従動軸と第２の従動軸のなす角度の１／２の角度を有する中間軸を設け駆動軸の回転を等速に従動軸に伝えている。
【０００６】
【作用】
かかる構成により、従来技術での歯車による伝達にみられる隙間がなく、ロボットの性能を損なうことはなく、また隙間がないため摩耗の心配もなく、性能の劣化も歯車による伝達に比べ非常に小さいものとなる。
また、100Kgf可搬以上といったロボットの手首装置を、従来技術による歯車伝達で実施する場合、歯車のモジュールを大きくする必要があり、歯車径がモジュールに比例して大きくなり、結果として手首装置全体を大きくする必要がある。本発明では歯車の歯部に比べ、円環を軸支する軸の強度は充分大きく、また隙間による摩耗もないため100Kgf以上の可搬重量に適したものでも手首装置のコンパクト性を損なわずに適用が可能である。
この伝達機構により、駆動軸、従動軸、中間軸は中空となり、またこれらの軸を接続する円環も中空となり、駆動軸線、中間軸線、従動軸線に沿った中空通路にエアー、水、電気等の配管、配線の配置が可能となる。
【０００７】
【実施形態】
本発明の実施形態を図１乃至図４に示す。図１は請求項１項に示す本発明の第１の実施形態の概略断面図、図２は図１の第２の駆動軸と第１の従動軸の間に第１の補完軸を設けた請求項２項に示す本発明の第２の実施形態の概略断面図、図３は図２の実施形態にさらに、第３の駆動軸と第２の従動軸の間に第２の補完軸、第３の従動軸及び第３の補完軸を設けた請求項３項に示す本発明の第３の実施形態の概略断面図、図４は図３の第３の駆動軸、第３の従動軸、第２の従動軸の中空部に保護カバーを設けた本発明の第４の実施形態の概略断面図である。
【０００８】
図１において、図示しない産業用ロボットの上腕内に同一の駆動軸線1 の回りに配置してなり、それぞれ独立に回転可能に配置された中空管状の外から順に第１、第２、第３の駆動軸 10、20、30 を有する。第１の駆動軸10に第１の手首部11が固定され、第１の駆動軸10が回転するときは第１の手首部11は駆動軸線1 の回りを回転する。第２の駆動軸20は第１の駆動軸10に対し軸受15を介して駆動軸線1 の回りに回転可能に支持されている。第１の手首部11に軸受16を介して中空の第１の従動軸22が駆動軸線1 に対し鈍角を持った第１の従動軸線2 の回りに回転可能に支持されている。中空管状の第２の駆動軸20は径方向２箇所に軸 20aを固定し、各軸 20aは駆動軸線1 と第１の従動軸線2 との交点を軸心とする第１の円環25を軸受 20bを介して回転可能に支持する。第１の円環25上に各軸 20aに対し周方向に90°ずつずらした２個の軸 25aは、点線で示す第１の従動軸22の延長部 22cに固定され、第１の円環25上の軸受 25bを介して第１の円環25に対し第１の従動軸22が回動可能に取付けられる。第２の駆動軸20は第１の従動軸22に対し、軸 20a、第１の円環25、軸 25aを介して自在継手で連結されることになる。第１の従動軸22の他端に第２の手首部21が固定され、第２の駆動軸20が回転すると、第１の従動軸22及び第２の手首部21が第１の従動軸線2 の回りで従動回転する。
【０００９】
中空管状の第３の駆動軸30は第２の駆動軸20に対し軸受26を介して駆動軸線1 の回りに回転可能に支持されている。第１の従動軸線 2 に対し、鈍角（一般には駆動軸線 1 と第１ の従動軸線 2 とのなす角度に等しいことが望ましい）を持って第２の従動軸線 3 を設け、第２の従動軸 34 が第２の従動軸線 3 に対して回転可能に第２の手首部 21 に軸受 27 を介して軸支され、第２の従動軸 34 の他端に工具支持部 31 を固定している。第３の駆動軸30は径方向２箇所に軸 30aを固定し、各軸 30aは駆動軸線1 と第１の従動軸線2 との交点を軸心とする第１の円環 25 と同軸の第２の円環32を軸受 30bを介して回転可能に支持する。第２の円環32上に各軸 30aに対し周方向に90°ずつずらした２個の軸 32aは、中空の第１の中間軸33の延長部 33cに固定され、第２の円環32上の軸受 32bを介して第２の円環32に対し第１の中間軸33が回転可能に取付けられる。第３の駆動軸30 は第１の中間軸33に対し、軸 30a、第２の円環32、軸 32aを介して自在継手で連結されることになる。第１の中間軸33は第１の従動軸22内周と隙間をもって回転可能な大径円筒部 33eと、大径円筒部 33eから径方向に２箇所から延びる延長部 33c、 33dを有し、延長部 33d端部に第３の円環 35 が回転可能に支持される。
【００１０】
中空管状の第２の従動軸34は径方向２箇所に軸 34aを固定し、各軸 34aは第１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 との交点を軸心とする第３の円環35を軸受 34bを介して回転可能に支持する。第３の円環35上に各軸 34aに対し周方向に90°ずつずらした２個の軸 33aは、第１の中間軸33の他の延長部 33dに固定され、第３の円環35上の軸受 33bを介して第３の円環35に対し第１の中間軸33が回転可能に取付けられる。第１の中間軸33は第２の従動軸34に対し、各第２の円環 32 上と第３の円環 35 上の対応する各２個の軸 32a,32a,33a,33a を中空の第１の中間軸 33 を介して自在継手として連結され、ひいては第３の駆動軸30と連結され、第３の駆動軸30が回転すると、第２の従動軸34とそれに固定された工具支持部31を第２の従動軸線3 の回りで従動回転させる。
【００１１】
第２の従動軸34とそれに固定された工具支持部31は作業工具等の取付けフランジを形成する。かかる機構により、図４に示すように、工具支持部12に取付けられる作業工具等に供給されるエアー、水、電気等の配管、配線等を第３の駆動軸30、第１の従動軸 22 、第２の従動軸34内を通し、工具支持部31に連通させるため、第３の駆動軸30から工具支持部31に至る内部を中空部とし、この中空部に配管、配線等を保護するフレキシブルチューブを配置することができる。
【００１２】
上記手首装置において、例として第３の駆動軸30と第１の中間軸 33、第１の中間軸 33と第２の従動軸34の回転の伝達において、駆動軸線1 と第１の従動軸線2 のなす角をα、第３の駆動軸30の回転角をθ１、第１の中間軸 33の回転角をθ２とすると以下の関係がある。
TANθ２＝TAN θ１・COS α――――（１）
同様に第１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 とのなす角をβ、第１の中間軸 33の回転角をθ２、第２の従動軸34の回転角をθ３とすると
TANθ３＝TAN θ２／COS β――――（２）
ここでα＝βとすれば（１）、（２）式より
TANθ１＝TAN θ３ ――――（３）
（３）式より駆動軸線1 と第１の従動軸線2 のなす角と第１の従動軸線2 と第２の従動軸線3 とのなす角を等しくすれば第３の駆動軸30と第２の従動軸34は等速回転することが可能であり、第１の中間軸 33における軸 33aと軸 32aとの位相を等しくかつ、前記αとβを等しくすることが望ましい。
【００１３】
図１の実施形態によれば、第２の駆動軸20と第１の従動軸22は、第２の駆動軸20が１回転するとき第１の従動軸22も１回転するが、等速回転はしない問題が発生する。
図２はかかる問題を解決する本発明の第２の実施形態で、図１の第２の駆動軸 20 と第１の従動軸 22 の間に第１の補完軸 28 を設けたものである。図２において、第２の駆動軸20の駆動軸線1 と第２の従動軸線2 のなす角度の１／２となるよう、第２の駆動軸20の駆動軸線1 と第１の従動軸線2 との交点を第１の頂点4 とし、第１の頂点4 より第２の駆動軸20の駆動軸線1 及び従動軸線2 上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上の２点 5、6を結んだ第１の補完軸線7 を設ける（駆動軸線1 と第１の従動軸線2 の交点4 を頂点とし、駆動軸線1 、第１の従動軸線2 、第１の補完軸線7 は２等辺三角形を形成する）。第２の駆動軸20と第１の従動軸 22間に第１の補完軸線7 の回りを回転可能な第１の補完軸 28を設け、第１の補完軸 28は一端が第２の駆動軸20に連結された第１の円環 25に軸受 25bで回転可能に支持された軸 25aに固定される。第１の従動軸 22 は径方向２箇所に軸 23a を固定し、各軸 23a は第１の従動軸線 2 と第１の補完軸線 7 との交点を軸心とする第４の円環 29 を軸受を介して回転可能に支持し、軸 23a に対し第４の円環 29 上に周方向に 90 °ずつずらした２個の軸 29a は、第１の補完軸 28 の他端に連結される。このことにより、図１の実施形態における第３の駆動軸30と第２の従動軸34の場合と同様に、第２の駆動軸20と第１の従動軸 22とは等速回転する。
【００１４】
図１、図２の実施形態では例えば第３の駆動軸30と第１の中間軸33、第１の従動軸 22が干渉するので、各円環25、32、29との接続点以外は大きく切り欠いている。この場合伝達系で各円環25、32、29の捩り剛性が円筒に対し大きく劣ることになる。かかる問題を解決するため図３の本発明の第３の実施形態では、図２の本発明の第２の実施形態に加え、第１の頂点4 より駆動軸線1 及び従動軸線2 上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上の２点 8 、 9 を結んだ第２の補完軸線 17の回りに回転可能な円筒状の第２の補完軸 40を、第３の駆動軸30と第３の従動軸24との間に設ける。第２の補完軸 40は両端に径方向に各２箇所軸 40a、40aを介して一対の第１の補完円環 41、41を回転可能に支持し、各軸 40aから周方向に90°ずつずらした２個の軸 41a、41aが各第１の補完円環 41、41に固定され、各軸 41a、41aは軸受 41b、41bを介して第３の駆動軸30と第３の従動軸24にそれぞれ回転可能に支持され、ひいては第３の駆動軸30と第３の従動軸24にそれぞれ第２の補完軸 40及び各第１の補完円環 41、41が回転可能に支持される。第３の従動軸24は軸受42を介して第１の従動軸22に回転可能に支持される。
【００１５】
さらに、第２の駆動軸20と第１の従動軸22との間に、第１の頂点4 より駆動軸線1 及び従動軸線2 上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上の２点 5 、 6を結んだ第１の補完軸線 7の回りに回転可能な円筒状の第１の補完軸 28を設ける。第１の補完軸 28 は両端に径方向に各２箇所軸 50a、50aを介して２点 5 、 6 を中心とする一対の第２の補完円環 51、51を回転可能に支持し、各軸 50a、50aから周方向に90°ずつずらした２個の軸 25a、24aが各第２の補完円環 51、51に固定され、各軸 25a、24aは軸受 51b、51bを介して第２の駆動軸20と第１の従動軸22にそれぞれ回転可能に支持され、ひいては第２の駆動軸20と第１の従動軸22にそれぞれ第１の補完軸 28及び各第２の補完円環 51、51が回転可能に支持される。
また、第３の従動軸24と第２の従動軸34の間に、第１と第２の従動軸線 2、3の交点を第３の頂点19とし、第３の頂点19より第１と第２の従動軸線 2、3上にそれぞれ等しい距離となるような各軸線上の２点 12、13を結んだ第３の補完軸線18の回りに回転可能な円筒状の第３の補完軸60を設ける。第３の補完軸60は両端に径方向に各２箇所軸受 61a、61aを介して２点 12 、 13 を中心とする一対の第３の補完円環 61、61を回転可能に支持し、各軸受 61a、61aから周方向に90°ずつずらした２個の軸 24a、34aが各第３の補完円環 61、61に固定され、各軸 24a、34aは軸受 61b、61bを介して第３の従動軸24と第２の従動軸34にそれぞれ回転可能に支持され、ひいては第３の従動軸24と第２の従動軸34にそれぞれ第３の補完軸60及び各第３の補完円環 61、61が回転可能に支持される。
【００１６】
これら第２の補完軸 40 、第１の補完軸 28及び第３の補完軸60の円筒径を違わせることにより、例えば第３の駆動軸30と第１の中間軸33、第１の従動軸23が干渉はなくそれぞれの軸を円筒で結合可能となり捩り剛性も大幅な向上となる。この径違いの結合において各円環は慨円環となる。また図３の実施態様では、第１の補完軸 28及び第３の補完軸60により、例えば第２、第３の駆動軸20、30 の回転により、第２の手首部21及び工具保持部31の回転がつれまわり速度は等速となり、制御も簡単となる。
図４は図３の第３の駆動軸30から工具支持部31に至る内部を中空部とし、この中空部に配管、配線等を保護するフレキシブルチューブ65を配置した実施形態の概略断面図である。保護カバー65は、第３の駆動軸30と第３の従動軸24との間、第３の従動軸24と第２の従動軸 34との間が、それぞれジャバラ 66、67を介して連結されている。図２においても、図４に示すような保護カバーを設けることができることはいうまでもない。
【００１７】
【発明の効果】
従来技術の歯車伝達方式での歯車間の隙間によるロボット性能の損失が本発明では隙間の無い機構で回転の伝達が可能となり、歯車伝達でみられるロボット性能の損失がない。また隙間がないため、歯車でみられる経年の使用による歯部の摩耗によるロボット性能の劣化もなく経年に渡って良好な性能での使用が可能である。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１項に示す本発明の第１の実施形態の概略断面図。
【図２】 図１の第２の駆動軸と第１の従動軸の間に第１の補完軸を設けた請求項２項に示す本発明の第２の実施形態の概略断面図。
【図３】 図２の実施形態にさらに、第３の駆動軸と第２の従動軸の間に第１の補完軸、第３の従動軸及び第３の補完軸を設けた請求項３項に示す本発明の第３の実施形態の概略断面図。
【図４】 図３の第３の駆動軸、第３の従動軸、第２の従動軸の中空部に保護カバーを設けた本発明の第４の実施形態の概略断面図。
【符号の説明】
1 駆動軸線 2 第１の従動軸線 3 第２の従動軸線
4 第１の頂点 7 第１の補完軸線 8 第２の頂点
10 第１の駆動軸 11 第１の手首部
15,16,20b,24b,25b,30b,32b,34b,40b,41b,50b,51b,60b,61b 軸受
20a,24a,25a,30a,32a,34a,40a,41a,50a,51a,60a,61a 軸
17 第１の補完軸線 18 第３の補完軸線 19 第３の頂点
20 第２の駆動軸 21 第２の手首部 22 第１の従動軸
24 第３の従動軸 25 第１の円環 28 第１の補完軸
29 第４の円環 30 第３の駆動軸 31 工具支持部
32 第２の円環 33 第１の中間軸 34 第２の従動軸
35 第３の円環 40 第２の補完軸 41 第１の補完円環
51 第２の補完円環 60 第３の補完軸 61 第３の補完円環
65 保護カバー 66、67 ジャバラ

Claims (4)

1. 産業用ロボットの上腕内に同一の駆動軸線の回りに配置してなり、それぞれ独立に回転可能に配置された中空管状の外から順に第１、第２、第３の駆動軸を有し、前記第１の駆動軸に第１の手首部を固定し、
   前記第１の手首部は、前記駆動軸線に対し鈍角を持った第１の従動軸線の回りに中空の第１の従動軸を回転可能に支持し、中空管状の前記第２の駆動軸は径方向２箇所に軸を固定し、前記径方向２箇所の各軸は前記駆動軸線と前記第１の従動軸線との交点を軸心とする第１の円環を回転可能に支持し、前記第１の円環上に前記径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を固定し、前記ずらした２個の軸は前記第１の従動軸の延長部と連結され、前記第２の駆動軸と前記第１の従動軸とは、前記径方向２箇所の各軸と前記ずらした２個の軸とが前記延長部を介して自在継手として連結され、前記第１の従動軸の他端に第２の手首部を固定し、
   前記第２の手首部は前記第１の従動軸線に対し鈍角を持った第２の従動軸線の回りに回転可能に第２の従動軸を支持し、中空管状の前記第３の駆動軸は径方向２箇所に軸を固定し、該径方向２箇所の各軸は前記駆動軸線と前記第１の従動軸線との交点を軸心とする前記第１の円環と同軸の第２の円環を回転可能に支持し、前記第２の円環上に該第３の駆動軸の径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を固定し、
   前記第２の従動軸は径方向２箇所に軸を固定し、前記径方向２箇所の各軸は第１の従動軸線と第２の従動軸との交点を軸心とする第３の円環を回転可能に支持し、前記第３の円環上に前記径方向２箇所の各軸から周方向に90°ずつずらした２個の軸を配置し、前記第３の駆動軸は前記第２の従動軸に対し各前記第２の円環上と第３の円環上の対応する各２個の軸を第１の中間軸を介して自在継手として連結し、かつ前記第２の従動軸の他端に工具支持部を固定したことを特徴とする産業用ロボットの手首装置。
2. 前記第２の駆動軸の駆動軸線と第１の従動軸線との交点を第１の頂点とし、前記第１の頂点より第２の駆動軸の駆動軸線及び第１の従動軸線にそれぞれ等しい距離となるような前記各軸線上の２点を結んだ第１の補完軸線を設け、前記第２の駆動軸と第１の従動軸の間に前記第１の補完軸線の回りを回転可能な第１の補完軸を設け、前記第１の補完軸の一方の延長部が前記第１の円環に支持された軸に回転可能に支持され、前記第１の従動軸は径方向２箇所に軸を固定し、前記径方向２箇所の各軸は前記第１の従動軸線と前記第１の補完軸線との交点を軸心とする第４の円環を回転可能に支持し、前記径方向２箇所の各軸に対し前記第４の円環上に周方向に 90 °ずつずらした２個の軸は前記第１の補完軸の他端に連結されたことを特徴とする請求項１項記載の産業用ロボットの手首装置。
3. 前記第３の駆動軸の駆動軸線と第１の従動軸線との交点を前記第１の頂点とし、前記第１の頂点より第２の駆動軸の駆動軸線及び第１の従動軸線にそれぞれ等しい距離となるような前記各軸線上の２点を結んだ第２の補完軸線を設け、前記第３の駆動軸と前記第１の従動軸に軸受を介して回転可能に支持された第３の従動軸の間に、前記第２の補完軸線の回りを回転可能な第２の補完軸を設け、前記第２の補完軸は両端に一対の第２の補完円環を回転可能に支持し、前記第３の駆動軸と前記第３の従動軸は、前記第２の補完円環及び前記第２の補完円環上に周方向に90°ずつずらした各２個の軸とを自在継手として連結され、
   かつ前記第１の従動軸線と第２の従動軸線との交点を第３の頂点とし、前記第３の頂点より第１の従動軸線と第２の従動軸線にそれぞれ等しい距離となるような前記各軸線上の２点を結んだ第３の補完軸線を設け、前記第２の従動軸と前記第３の従動軸との間に、前記第３の補完軸線の回りを回転可能な第３の補完軸を設け、前記第３の補完軸は、両端に一対の第３の補完円環を回転可能に支持し、前記第２の従動軸と前記第３の従動軸は、前記第３の補完円環及び前記第３の補完円環上に周方向に90°ずつずらした各２個の軸とを自在継手として連結されたことを特徴とする請求項２項記載の産業用ロボットの手首装置。
4. 前記工具支持部に取付けられる作業工具に供給されるエアー、水、電気を含む配管、配線類を前記第３の駆動軸内から工具支持部内に連通させるため、前記第３の駆動軸、前記第１の従動軸又は第３の従動軸、及び前記第２の従動軸の中空部に前記配管、配線類を保護するフレキシブルチューブを配置したことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の産業用ロボットの手首装置。

Images