JP4326558B2

JP4326558B2 - 産業用ロボットアームの駆動機構

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Publication number: JP4326558B2
Application number: JP2006309396A
Authority: JP
Inventors: 俊彦井上; 一隆中山; 貴敏岩山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: CN101130247B; CN101130247A; DE602007005063D1; JP2008073833A; US20080056859A1; EP1892064A1; EP1892064B1

Description

本発明は、産業用ロボットアームの駆動機構に関する。

アーク溶接ロボットやハンドリングロボット等の産業用ロボットを用いて作業を行う場合には、手首先端に取付けられた溶接トーチやハンド等の作業ツールに動力や信号を伝えるための配線、配管等からなる線条体が必要となる。これらの線条体をロボットのアームや手首周辺に沿って引き回すときは、線条体がアームや他の周辺機器等と干渉して破損又は摩耗する場合がある。このような不具合を解消するために、これまでいくつかの提案がなされている。

例えば特許文献１には、ワイヤ送給装置を上部アームの後部に配置して、手首の姿勢が水平のときにワイヤ送給装置、上部アーム及び手首が略一直線になるように構成された産業用ロボットが開示されている。また特許文献２には、ケーブルを胴体から引き出すための通過口を胴体の第１軸の軸心と交わる位置に設け、該通過口から引き出したケーブルをエンドエフェクタまで延設する構成が開示されている。

さらに本願出願人は、例えば特許文献３において、ワイヤ送給装置を前腕上とは別の場所に搭載することにより前腕上部の構造を簡略化し、ロボット後部及びその上方に大きな干渉領域が生じることを回避する構成を提案している。また特許文献４において、前腕と第１手首要素との間に中空構造の減速機を配置することにより、手首軸が動作して作業ツールの姿勢が大きく変化しても線条体の挙動が大きく変化せず、従って線条体を構成する配線や配管にかかる負担を小さくすることができる構造を提案している。

特開２００４−３５８６４９号公報特開２００５−９６０７３号公報特開２００６−１５３６０号公報特開２００６−５１５８１号公報

従来の産業用ロボットにおいて、手首先端部に装着される溶接トーチ等の作業ツール用の機器（例えばワイヤ送給装置）を前腕に搭載する場合、ロボット前腕を揺動させるモータや前腕を回転させるモータ等が邪魔となり、結果として、作業ツール用機器の搭載空間が制限されていた。従って、種々の作業ツール用機器を搭載する場合、必ずしも最適な位置に搭載できないことがあり、線条体の導出部が前腕側方に張り出したり、作業ツール用機器が前腕後部から張り出したりして、ロボットの使い勝手が制限されてしまうことがあった。

例えば特許文献１に示す構成の場合、ワイヤ送給装置などの作業ツール用機器を前腕後部にその張り出しを小さくして収納することができるが、前腕回転駆動用モータが近くに位置しているため、作業ツール用機器をＵ軸と平行な方向に調整するには干渉の面からの制約があった。また、狭い空間に機器を密集配置するため、保守作業の難易度が増すという問題もある。特に、ワイヤ送給装置等のように、日常的な保守作業が必要な機器においては、その保守作業の難易度が増すのは大きな課題となっていた。上述の特許文献はいずれも、作業ツール用機器が配置される前腕周りの構成を、保守作業等まで考慮して最適化したものではない。

また、手首先端部に装着される作業ツールを制御するワイヤ送給装置等の機器を前腕後部に搭載する場合、作業ツールに接続されるトーチケーブル等の線条体を、周辺機器との干渉防止のために前腕中空部に通す例もある。しかし線条体には様々な種類があり、線条体が太い場合、捩れにくい場合、作業ツール制御機器からの取出し位置が大きく偏っているときは、線条体をロボットアーム内に内装できない場合もあり、それぞれの形態に応じた前腕を有するロボットを構成する必要があった。

そこで本発明は、上記の問題を解決するため、ロボットの基本的なアーム構成は従来と同じ形態でありながら、簡素な駆動系で、作業ツール用の線条体の導出部を最適に位置決めしつつ、作業ツール用機器を前腕に張り出しのないように配置したロボットアーム駆動機構を提供することを目的とする。

また本発明は、線条体が太い場合、捩れにくい場合、作業ツール制御機器からの取出し位置が大きく偏っている場合に、前腕中空部に線条体を通すこと、及び前腕の外側に沿わせることを択一的に適宜選択できるロボットアーム駆動機構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、請求項１に記載の発明は、上腕と、前記上腕の先端に、該上腕の長手方向に垂直な第１軸線回りに回転可能に設けられた前腕と、前記前腕の先端に、前記第１軸線に垂直な第２軸線回りに回転可能に設けられ、かつ前記第２軸線が貫通する中空部を有する第１手首要素と、前記第１手首要素の前方に配置される作業ツールと、前記作業ツールに動力、信号又は材料を供給する線条体が接続される作業ツール制御装置と、前記前腕に配置された、前記第１手首要素を回転駆動する第１手首要素用モータ及び第１手首要素用減速装置と、を有するロボットアーム駆動機構であって、前記第１手首要素用モータは、該第１手首要素用モータの回転中心軸が前記第２軸線に対し垂直の向きに、かつ、前記第１軸線よりも前記前腕の先端側の位置に配置され、前記前腕は、前記第１軸線の方向に見たときにＬ字形状の凹部を有し、該Ｌ字形状の凹部を形成する垂直部に前記第１手首要素用モータ及び前記第１手首要素用減速装置が配置され、該Ｌ字形状の凹部を形成する底部に前腕用駆動モータ及び前腕用減速装置が配置され、前記第１手首要素用減速装置は、出力ハイポイドギヤ及び入力ハイポイドギヤを含む少なくとも１組のハイポイドギヤを有し、前記出力ハイポイドギヤは前記第２軸線と同軸に配置されるとともに前記第１手首要素に結合され、前記入力ハイポイドギヤは前記前腕の前記底部の面に垂直な方向に延びる動力伝達軸を介して前記第１手首要素用モータに接続されることを特徴とする、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構において、前記第１手首要素用モータの、前記第１軸線方向に見たときに側方になる部分が前記前腕の一部で囲われる、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構において、前記第１手首要素に、前記第２軸線と垂直に交わる第３軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、前記第２手首要素に、前記第３軸線と垂直に交わる第４軸線回りに回転可能に設けられ、前記作業ツールが取付けられた第３手首要素と、をさらに有し、前記第１手首要素、前記第２手首要素及び前記第３手首要素は、前記第２軸線、前記第３軸線及び前記第４軸線が１点で交わるように配置されることを特徴とする、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構において、前記第１手首要素は、前記第２軸線を含むある平面について左右対称に構成される、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構において、前記作業ツール制御装置に接続され、該作業ツール制御装置を制御するケーブルと、該作業ツール制御装置にアシストガスを供給するガスチューブとからなる機構部内ケーブルをさらに有し、前記機構部内ケーブルは、前記上腕内を通って前記前腕後部に導かれ、前記上腕上部の側面から一度外部に引出され、前記前腕の側面に設けられた切欠きを通って再度機構部内に導かれる、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構において、前記第１手首要素の、前記中空部を画定する部分は、前記第２軸線に対し有角であって前記第１手首要素の先端側に向かって縮径する斜面を外面に有する、ロボットアーム駆動機構を提供する。

請求項１に係る発明によれば、ワイヤ送給装置等の作業ツール用機器を前腕にその張り出しが小さく搭載でき、かつ、その搭載位置を作業ツール用機器の線条体の導出部が前腕に対し最適な位置に調整可能である。同時に、作業ツール用機器の周囲の保守空間が開放されており、その保守作業を容易に行うことができる。作業ツール用機器には、作業ツール用の駆動源等を収納する機能も要求されるため、一般に直方体型のものが多い。請求項１に係る発明によれば、前腕をＬ字形状の凹部を形成するように構成し、ワイヤ送給装置等の作業ルーツ用機器を前腕の底部の上に搭載することで、底部の上方の空間を効率よく利用することが可能となる。作業ツール用機器を搭載する空間を大きくするには、第１手首要素用減速装置の第２軸線方向の厚みを薄くし、同時に、前腕の垂直部の長さを長くすることが必要となる。請求項１に係る発明によれば、１組のハイポイドギヤを第１手首要素用減速装置の最終出力部として使用することで、第１手首要素用減速装置の第２軸線方向の厚みを薄くすることができる。さらに入力ハイポイドギヤには動力伝達軸が連結されており、動力伝達軸の長さを調節するだけで前腕の垂直部の長さを最適化することが可能となる。

さらに、請求項２に係る発明により、該前腕の一部は、前腕の回転動作によって前腕に生じる曲げ応力を効率良く和らげることができる。さらには、その第１軸方向の両側を前腕の一部で囲えば、第１手首要素用モータが万一ロボットの周囲にある周辺装置と干渉した場合にもモータを保護することができる。

請求項３に係る発明により、線条体を第１手首要素について反対側に配置すべく第１手首要素を１８０度回転した場合であっても、他の構成要素の姿勢は実質変えないようにすることができる。

さらに請求項４に係る発明により、第１手首要素を回転した場合の線条体の対称性をより高めることができる。

請求項５に係る発明により、単純なケーブル処理であっても、前腕の可動範囲を確保しつつ、線条体と機構部内ケーブルとが干渉しない構成を実現することができる。

請求項６に係る発明により、線条体を第１手首要素の中空部を通さずにその側面を沿わせた場合に、線条体は第２軸線に漸近していくことができるので、第１手首要素が回転しても線条体に大きな外力を与えずに第１手首要素に巻付けることができる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係るロボットアーム駆動機構を備えたロボットシステムの第１の実施形態として、作業用ツールとして溶接トーチを使ったアーク溶接ロボットシステムの構成を示す正面図及び側面図である。

ロボット１０は６軸の自由度を持つアーク溶接ロボットであり、ベース１２、ベース１２上に設けられた上腕１４、上腕１４の先端に上腕１４の長手方向に略垂直な第１軸線１６回りに回転可能に連結された前腕１８を有する。前腕１８はその先端に、前腕１８の長手方向に略一致する第２軸線２０回りに回転可能に連結された第１手首要素２２と、第１手首要素２２の先端に第２軸線２０に略垂直な第３軸線２４回りに回転可能に連結された第２手首要素２６と、第２手首要素２６の先端に第２手首要素２６の長手方向に略一致する第４軸線２８回りに回転可能に連結された第３手首要素３０とを含む。また第３手首要素２８の先端には、溶接トーチ３２が取付けられる。さらに前腕１８には、後述する溶接ワイヤを溶接トーチ３２に供給するワイヤ送給装置３４が配置される。ワイヤ送給装置３４は駆動ローラ３６及び従動ローラ３８を有し、これら１組以上のローラセットが溶接ワイヤを挟みこんだ状態で駆動ローラ３６がワイヤ送給装置用モータ（図示せず）により駆動され、ワイヤを送り出す構造となっている。

ロボット制御装置４０は、ロボット制御ケーブル４２を介してアーク溶接ロボット１０に指令を送り、ロボット１０の６軸の駆動部に各々装着されたサーボモータ（図示せず）を制御して、所定の部品を溶接できるように溶接トーチ３２の位置及び姿勢を変更する。溶接トーチ３２に供給すべき溶接電流は、溶接電源４４によって給電ケーブル４６を介して供給される。ロボット制御装置４０はロボット１０のサーボモータへの動作指令と同時に溶接電源４４も制御し、それにより溶接トーチ３２はロボット１０の動作と同期して、規定の溶接条件に従って溶接を行うことができる。またロボット制御装置３６は、溶接電源４４とワイヤ送給装置３４とを接続するワイヤ送給装置制御ケーブル４８を介して、ワイヤ送給装置３４を制御するための信号及び電力をワイヤ送給装置３４に送る。信号の一部はフィードバック可能である。

また図１（ｂ）に示すように、第１手首要素２２、第２手首要素２６及び第３手首要素３０は、第２軸線２０、第３軸線２４及び第４軸線２８が１点で交わるように配置されることが好ましい。これにより、線条体５４を第１手首要素２２について図１（ｂ）の位置と反対側に配置すべく第１手首要素２２を１８０度回転した場合であっても、他の構成要素、特に溶接トーチ３２の姿勢は実質変えないようにすることができる。

溶接トーチ３２には、図示しない溶接ワイヤドラム又は溶接ワイヤリール等から供給される溶接ワイヤを含むワイヤコンジット５０がワイヤ送給装置３４を介して接続され、また図示しないガスボンベ等からアシストガスを供給するガスチューブ５２がロボット機構部内を通ってワイヤ送給装置３４を介して接続されている。但し、ガスチューブ５２及びワイヤ送給装置制御ケーブル４８はワイヤコンジット５０及び給電ケーブル４６同様、外部から直接ワイヤ送給装置３４に接続されてもよい。逆に、ワイヤコンジット５０及び給電ケーブル４６の一方又は双方をロボット機構部内に通すことも可能である。また、溶接トーチ３２には冷却用の水冷チューブ（図示せず）等が接続されてもよい。以降、溶接トーチ３２とワイヤ送給装置３４との間を接続する上記の配線・配管などの線条体をまとめてトーチケーブル５４と称する。図２は、トーチケーブル５４の好適な断面構造を示す図である。図示するように、溶接ワイヤ５６を含むライナ５８からなるワイヤコンジット５０の外側かつ同心にアシストガスチューブ５２が配置され、ガスチューブ５２は溶接電流用導電体である多芯ケーブル６０とともに可撓性の導管６２内に収容され、全体としてトーチケーブル５４が形成される。

図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、前腕１８の詳細を示す上面図、側面図及び正面図である。前腕１８は、第１軸線１６の方向に見たとき（図３（ｂ））に長手方向が互いに直交する第１部分すなわち垂直部６４及び第２部分すなわち底部６６を有し、全体として略Ｌ字形状の凹部を形成する。垂直部６４に第１手首要素２２が接続され、底部６６にワイヤ送給装置３４が搭載される。図２に示したように、トーチケーブル５４の径方向断面において、溶接ワイヤ５６がトーチケーブル５４の略中心に配置される。ワイヤ５６はトーチケーブル内の他の線条体に比べ曲率半径を最も大きくする必要があるため、多くのトーチケーブルはこのような構成を有しており、故に給電ケーブル、アシストガス配管等はワイヤの周りに配置される。従って、トーチケーブル５４はワイヤ送給装置３４から溶接ワイヤ５６が送り出される位置を中心としてワイヤ送給装置３４に接続される。さらにトーチケーブル５４は、ワイヤ送給装置３４のワイヤ導出部６８から手首先端に向けて引き出される。手首先端側に引き出されたトーチケーブル５４は、前腕１８に沿って第２軸線２０の近傍を通過し、第３手首要素３０に接続される。

ワイヤ送給装置３４の構造は、該装置を製造するメーカ毎に異なる場合が多い。アーク溶接ロボットにおける溶接ワイヤの送り出し位置は、ワイヤ送給装置３４の構造及び前腕１８の底部６６への搭載位置によって決まるため、種々のワイヤ送給装置に対応できるよう、前腕１８の底部６６のワイヤ送給装置搭載用空間は可能な限り大きい方が好ましい。図３の例においては、前腕１８が略Ｌ字形状の凹部を形成するように構成されているため、ワイヤ送給装置３４は、上面図（図３（ａ））における上下方向（すなわち水平方向）に搭載位置を調整することができ、かつ、側面図（図３（ｂ））の上下方向（すなわち鉛直方向）にも寸法的な余裕が確保されている。従ってワイヤ送給装置３４の搭載位置の自由度が高い。これにより、異なるワイヤ送給装置であってもワイヤの送り出し位置を前腕１８に対して同じ位置に位置決めすることが可能となる。

また図３（ｂ）に示すように、前腕１８の垂直部６４には第１手首要素用モータ７０及び後述する第１手首要素用減速機すなわちハイポイドギヤを含む第１手首駆動装置７２が配置され、一方前腕１８の底部６６には前腕用モータ７４及び図示しない前腕用減速機を含む前腕駆動装置７６が配置される。第１手首要素用モータ７０は、その第１軸線１６方向についての側方を前腕１８の一部であるリブ７８によって囲われる。これにより、前腕１８の一部は、前腕１８の回転動作によって前腕１８に生じる曲げ応力を効率よく緩和することができる。さらには、その第１軸線１６方向の両側を前腕１８の一部で囲えば、第１手首要素用モータ７０がロボットの周囲にある周辺装置と干渉した場合にもモータを保護することができる。

図１（ｂ）に示したワイヤ送給装置３４を制御するケーブル４８及びガスチューブ５２は、溶接電流用導電体６０に比べて屈曲性・捻回性がよく、機構部内ケーブルとしてロボット１０の機構部に内蔵することが比較的容易である。詳細には、溶接電源４４から延びるケーブル４８はベース１２及び上腕１４内を通って前腕１８後部に導かれる。ここで図３（ｃ）に示すように、ケーブル４８及びガスチューブ５２は、上腕１４上部の側面から一度外部に引出され、前腕１８の側面であって前腕１８の垂直部６４及び底部６６の接続部近傍から再度機構部内に導かれる。またこのときに、機構部内ケーブルは前腕１８に設けられた切欠き部２１を通ることが好ましい。このようにケーブルを切欠き２１に通すことで、ケーブルが前腕１８から外部に露出することなく、ワイヤ送給装置３４に接続することが可能になる。つまり、図３（ｂ）に示すように、ケーブル４８は、ワイヤ送給装置３４の前腕１８への搭載の障害とならないよう、さらにトーチケーブル５４が前腕１８の上腕１４側の側方に配置される場合にトーチケーブルの邪魔にならないよう、前腕１８の垂直部６４に設けられたコネクタ８０に接続される。さらに、コネクタ８０は中継ケーブル８２によってワイヤ送給装置３４と接続される。但し、中継ケーブルを用いずにロボットのアームに内蔵したケーブルをワイヤ送給装置３４に直接接続することもできる。

また上記機構部内ケーブルの構成により、単純なケーブル処理であっても、前腕１８の可動範囲を確保しつつ、線条体５４と機構部内ケーブル４８、８２とが干渉しない構成を実現することができる。すなわち、機構部内ケーブルは前腕１８の第１軸線１６を含む部材の側面で固定されているため、前腕後部にワイヤ送給装置３４を搭載して前腕１８の側方に線条体５４を沿わせる場合であっても、ワイヤ送給装置３４から延びる線条体と機構部内ケーブルとの干渉を回避することができる。ここで前腕１８が上腕１４に対し回転したとしても、線条体と機構部内ケーブルとの間に所定距離を確保できるため、やはり干渉は生じない。故にワイヤ送給装置３４等の作業ツール制御装置は前腕後部にかなり自由に配置することができる。

また図３（ｃ）に示すように、前腕１８の垂直部６４の内側面６４ａ、６４ｂ及び上内面６４ｃの各々と第２軸線２０との距離はいずれも等しいことが好ましい。これにより、作業ツール用の線条体５４を上記３つの内壁面のいずれに沿わせる場合にも、実質同様（具体的には第２軸線について回転対称）の線条体処理が可能となる。さらに、第２軸線方向にみた前腕１８の垂直部６４の上方角部を面取りすることにより、形成された内壁面６４ｄ及び６４ｅも含めた５つの内壁面の各々と第２軸線との距離を全て等しくすることもできる。

上述のように本発明では、第１手首要素２２の回転用モータ７０は前腕１８と上腕１４との間の領域内に、第１手首要素用モータ７０の回転中心軸が第２軸線２０に垂直になるように配置される。さらに、モータ７０は第１軸線１６より前腕１８の長手方向に沿って前腕先端側すなわち手首側にシフトした位置に配置されるので、前腕１８の底部６６に配置された前腕駆動装置７６の上方に大きな空間を確保することができる。従って、ワイヤ送給装置３４は、その導出部６８から引き出されるトーチケーブル５４が前腕１８の側方に張り出さず、かつワイヤ送給装置３４自身も前腕１８の後方から張り出さないよう、前腕１８に搭載可能となる。

次に、上記構成のロボットアーム駆動機構の挙動について説明する。前腕１８を模式的に示す図４（ａ）のように、手首先端側に引き出されたトーチケーブル５４のような線条体は、前腕１８に沿って手首先端側に導かれ、第２軸線２０の近傍を通過し、第３手首要素３０に接続される。ここで図４（ｂ）又は（ｃ）に示すように第１手首要素２２が９０度又は１８０度回転しても、トーチケーブル５４は第１手首要素２２に沿い又は巻き付くような挙動を呈するので、トーチケーブル５４と周辺機器等との干渉は生じない。

一方、第２手首要素２６が回転する場合も、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、トーチケーブル５４は第２軸線２０近傍を通過した後第２手首要素２６の手前で屈曲するので、やはり前腕から大きく張り出すことはない。さらに第３手首要素３０が回転する場合、第３手首要素３０は概ね溶接トーチ３２の長手軸について回転するため、トーチケーブル５４には実質捩りが作用するのみである。

図３（ｃ）は、溶接ワイヤの送り出し位置がワイヤ送給装置３４に関して正面視で右側にある例を示しているが、ワイヤの送り出し位置が左側になる場合もある。この場合、ワイヤ送給装置３４の搭載位置を図３（ａ）における上下方向に調整することで対応可能であるが、上腕１４に対するワイヤ送給装置３４の側方への張り出しは大きくなってしまう。このような場合には、上面図６に示すように、第１手首要素２２を反転（１８０度回転）させた状態でトーチケーブル５４を取回すことが可能である。すなわち前腕１８の配置を図３（ａ）の配置と上下対称にし、トーチケーブル５４のワイヤ送給装置３４への接続位置が第２軸線２０に対し対称な位置になるように配置すれば、第１手首要素２２が１８０度回転した場合に、トーチケーブル５４の挙動を図３（ａ）の配置と同様の挙動にすることができる。この場合、前腕上部にトーチケーブルを通すときは第１手首要素２２を９０度回転させればよい。

なお前腕の内部には、第２及び第３手首要素駆動用モータ用の制御ケーブル（図示せず）が内蔵されているが、制御ケーブルが捩りに対して十分な耐性を有していれば、トーチケーブルを組替えることなく第１手首要素２２の基準位置を補正すれば対応可能である。一方トーチケーブル５４のような線条体は、定期的な保守が必要な場合が多く、一般に再組立が容易な構造となっている。従って、ロボットの度重なる姿勢変更等により複雑な緩みが生じても、再組立を行えば容易にアーム構成に適合させることができる。

またロボットを含むシステム稼動後に、ワーク変更等によりロボットの動作変更を行うときにも、ロボットのプログラム変更の際に、アーム形態を所定の初期位置に戻すようにオフラインプログラミングを行えば、従来の線条体の取回しに関する労力が削減され、ロボットの適用自由度が格段に向上する。さらに、初期位置も含めていくつかの線条体の通過パターンを予め登録しておけば、オフラインプログラミング時にユーザがその選択を行うだけで、最適な線条体の処理方法を含むオフラインプログラムが作成可能となる。

図３〜図６ではトーチケーブル５４が第１手首要素２２の側方を通過する形態を示しているが、図３（ａ）に示すように、第１手首要素２２は第２軸線２０を含みトーチケーブル５４が挿通可能な中空穴８４を有し、また第１手首要素用減速機の出力要素（例えば後述するハイポイドギヤ）も中空穴９６（後述）を有している。この場合、図７に示すように、その中空穴８４及び９６にトーチケーブル５４を通すことも可能である。上述のようにワイヤ送給装置３４の搭載位置は図中の矢印方向に自由に調整できるので、図７の実施例も図３と同じアーム構成で実現可能である。また、図示していないが、ワイヤ送給装置３４を前腕の垂直部が延びる方向に直交する平面内にて回転して搭載することで、ワイヤ送給装置３４の導出部６８の位置及びトーチケーブル５４の導出方向を適切に変更することができる。一般にトーチケーブルの挙動は、ロボットの溶接姿勢及びトーチケーブルの特性のいずれによっても大きく変化してしまう。しかし本発明によれば、種々のシステムに適合した最適なトーチケーブルの取回しを容易に行うことができる。

また図７に示すように、第１手首要素２２に中空穴８４を形成した場合、中空穴８４を画定する中間部８５は、第２軸線２０に対し有角を成す、好ましくは第２軸線２０を中心とする円錐側面状の斜面８５ａを有することが有利である。これにより、図３のようにトーチケーブル等の線条体を中空穴８４を通さずに第１手首要素２２の側方を通す場合であっても、線条体は第２軸線２０に漸近していくので、第１手首要素２２が回転しても線条体に大きな外力を与えずに第１手首要素２２にスムースに巻付けることができる。またこのような形態の第１手首要素２２は、前腕に近いほどその断面積が大きくなるので、その剛性を理想的なものに維持しやすいという利点もある。

図８（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）と同様に前腕１８を模式的に示す図である。図８（ａ）に示すように、手首先端側に引き出されたトーチケーブル５４のような線条体は、第１手首要素２２の中空穴８４を通って手首先端側に導かれ、第２軸線２０の近傍を通過し、第３手首要素３０に接続される。ここで図８（ｂ）又は（ｃ）に示すように第１手首要素２２が９０度又は１８０度回転しても、トーチケーブル５４はほぼ第２軸線２０上を通っているので、トーチケーブル５４は捩れることでその回転動作を吸収することができる。

一方、第２手首要素２６が回転する場合も、図５（ａ）〜（ｃ）に類似する図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、トーチケーブル５４は第２軸線２０近傍を通過した後第２手首要素２６の手前で曲がるので、この曲げにより回転動作を吸収することができる。さらに第３手首要素３０が回転する場合、第３手首要素３０は概ね溶接トーチ３２の長手軸について回転するため、トーチケーブル５４には実質捩りが作用するのみである。本発明では、ワイヤ送給装置３４を前腕１８の最適な位置に配置することができるので、前述のワイヤ導出部の位置をかなり自由に選択することができる。

図１０は図３（ｂ）に類似する側面図であって、Ｌ字形状の前腕１８の底部６６の面に対し略垂直な方向についてのワイヤ送給装置３４の搭載位置調整の一例を示す図である。この例ではスペーサ８６によってワイヤ送給装置３４の位置を上方に引上げている。このような配置は、下向き溶接が多い場合に、ワイヤの送給性が高くなるようトーチケーブル５４の曲率をできるだけ大きくするために、ワイヤ送給装置３４の導出部６８を前腕１８の中心よりも高い位置に位置決めするときに有効である。

また図１１は、図１０と同様に図３（ｂ）に類似する側面図であって、ワイヤ送給装置３４を第１軸線１６回りに回転させた状態を示す図である。このような配置は、重力によるトーチケーブル５４の前腕１８からの垂れ下がりによって周辺との干渉が生じ得る場合に有効である。

図１２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の主要部である第１手首要素２２の回転駆動機構を含む前腕１８を側方及び後方からみた断面図である。前腕１８に設けられた第１手首要素駆動用モータ７０の回転トルクは、１組のスパーギヤ又はヘリカルギヤ８８及び動力伝達軸９０を介して入力ハイポイドギヤ９２に伝達され、さらに入力ハイポイドギヤ９２に係合する出力ハイポイドギヤ９４に固定された第１手首要素２２を回転する。前述の１組のスパーギヤまたはヘリカルギヤ８８は複数組としてもよいが、構造の簡略のためには１組とした方が望ましい。このような構成により、第１手首要素駆動用モータ７０が前腕１８後部から張り出すことが防止されるため、前腕１８の底部６６においてワイヤ送給装置３４の搭載空間を大きく取ることができる。また、出力ハイポイドギヤ９４は第２軸線２０と同軸に配置され、その中心部には中空穴９６が形成される。中空穴９６には第２及び第３手首要素駆動用モータ（図示せず）の制御ケーブル（図示せず）及びその他必要なケーブルを通すことができる。前述のように１組のスパーギヤ又はヘリカルギヤを用いることにより、大きな減速比が得られるとともにモータの最適な位置もより実現しやすくなる。もちろん、１組のハイポイドギヤのみで駆動系を構成することも可能である。またハイポイドギヤはベベルギヤ等に置換されてもよいが、高速比が得られかつ駆動部の体積を最小化でき、さらに騒音が比較的少ないハイポイドギヤが好ましい。

動力伝達軸９０は、図示するように前腕１８の底部６６の面に略垂直に延び、スパーギヤ８８と入力ハイポイドギヤ９２とを接続する。従ってモータ７０のフランジサイズが大きくなった場合でも、モータ７０は底部６６に近い場所に位置するため、動力伝達軸９０を長くするだけで、前腕１８の垂直部６４の長さを容易に長くすることが可能となる。垂直部６４の長さを長くすることにより、底部６６の上方により広い空間を確保することができる。

従来のロボットでは、第１手首要素用モータは前腕に第２軸線と平行に配置されており、このため、作業ツール用機器と第１手首要素用モータが干渉する問題が発生した。本発明では、ハイポイドギヤを用いることで、１段減速でありながら高い減速比を確保し、さらに、減速機の出力軸に回転トルクを伝達する駆動源である第１手首要素用モータの回転軸を第２軸線に垂直にすることによって、第１手首要素用モータを前腕と上腕との間に挟まれた領域内に、第１軸線より前腕長手方向に沿って手首フランジ側にシフトした位置に配置している。駆動機構にハイポイドギヤを採用したことにより、高価な減速装置や多段ギヤを用いる必要はない。また、作業ツール用機器は前腕に搭載されるので、ロボットの周辺装置とも干渉しにくい。これにより、安価な構成でありながら、従来、問題となっていた第１手首要素用モータと作業ツール用機器との干渉の問題がなくなり、作業ツール用機器の搭載位置を自由に調整できるようになる。また、機器の保守空間も大きく取ることができるようになる。

図１３（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係るロボットアーム駆動機構を備えたロボットシステムの第２の実施形態として、ハンドリングロボットシステム１１０の構成を示す正面図及び側面図である。図１のアーク溶接ロボット１０と比較して、ワイヤ送給装置３４は図示しない電磁弁を内蔵した電磁弁ボックス１３４に、溶接トーチ３２はハンド１３２に置換されている。それに伴い、電磁弁ボックス１３４には線条体１５４として信号線１４８及びエア配管１５２が接続され、ハンド１３２と電磁弁ボックス１３４との間にも電磁弁でハンド１３２を制御するための信号線及びエア配管が接続されている。ロボット制御装置１４０は信号線１４８を介して電磁弁を制御しており、電磁弁はその信号に応じて、エアをハンド１３２へ供給する。ハンド１３２には吸着パッドやエアグリッパ１３３等が装着されており、上記の供給エアにより駆動され、ハンドリングする対象となるワークの吸着、把持等を行う。信号線１４８は、吸着や把持の確認の信号をロボット制御装置１４０にフィードバックすることにも使用できる。ハンドリングロボット１１０では、電磁弁ボックス１３４をハンド１３２を備えた手首先端部１３５に搭載することも可能である。この場合、制御装置１４０から延びる線条体１５４は手首先端部１３５にある電磁弁ボックスに直接接続される。また、ハンド１３２に接続される信号線および配管は比較的細いため、ロボット１１０の機構部内を挿通させて、手首先端部の電磁弁に接続することも可能である。

なお図１３は、線条体１５４を第１手首要素１２２の側面を沿わせる形態を示しているが、上述の第１の実施形態と同様に前腕垂直部及び第１手首要素には中空穴が形成されており、線条体をそれらの中空穴に通す形態ももちろん可能である。

以上の構成により、線条体が太い場合、捩れにくい場合、又はワイヤ送給食装置等の作業ツール制御機器からのケーブル取出し位置が大きく偏っている場合にも、線条体を中空部に通すこともでき、前腕の外側に沿わせることも適宜選択できるようになる。また作業ツール制御機器の周囲の保守空間が広く開放されるので、その保守作業を容易に行うことができる。

（ａ）本発明に係るロボットアーム駆動機構を有する産業用アーク溶接ロボットの全体構成の正面図であり、（ｂ）右側面図である。トーチケーブルの断面構造を示す図である。（ａ）前腕周りの構造を示す上面図であり、（ｂ）側面図であり、（ｃ）正面図である。（ａ）第１手首要素の側方に線条体を沿わせた場合の、第１手首要素回転時の線条体の挙動を示す図であり、（ｂ）（ａ）の状態から第１手首要素が９０度回転した状態を示す図であり、（ｃ）（ｂ）の状態から第１手首要素がさらに９０度回転した状態を示す図である。（ａ）第１手首要素の側方に線条体を沿わせた場合の、第２手首要素回転時の線条体の挙動を示す図であり、（ｂ）（ａ）の状態から第２手首要素が９０度回転した状態を示す図であり、（ｃ）（ｂ）の状態から第２手首要素がさらに９０度回転した状態を示す図である。第１手首要素を反転させた状態を示す図である。第１手首要素の中空穴に線条体を通した例を示す図である。（ａ）第１手首要素の中空穴に線条体を通した場合の、第１手首要素回転時の線条体の挙動を示す図であり、（ｂ）（ａ）の状態から第１手首要素が９０度回転した状態を示す図であり、（ｃ）（ｂ）の状態から第１手首要素がさらに９０度回転した状態を示す図である。（ａ）第１手首要素の中空穴に線条体を通した場合の、第２手首要素回転時の線条体の挙動を示す図であり、（ｂ）（ａ）の状態から第２手首要素が９０度回転した状態を示す図であり、（ｃ）（ｂ）の状態から第２手首要素がさらに９０度回転した状態を示す図である。ワイヤ送給装置の搭載位置を変更した例を示す図である。ワイヤ送給装置の搭載位置を変更した他の例を示す図である。（ａ）前腕に配置された第１手首要素用モータ及び減速装置を示す側断面図であり、（ｂ）（ａ）を後方からみた断面図である。（ａ）本発明に係るロボットアーム駆動機構を有する産業用ハンドリングロボットの全体構成の正面図であり、（ｂ）右側面図である。

符号の説明

１０ロボット
１４上腕
１８前腕
２２第１手首要素
２６第２手首要素
３０第３手首要素
３２溶接トーチ
３４ワイヤ送給装置
５４トーチケーブル
６４前腕垂直部
６６前腕底部
７０第１手首用モータ
８８スパーギヤ
９０動力伝達軸
９２入力ハイポイドギヤ
９４出力ハイポイドギヤ

Claims

上腕と、
前記上腕の先端に、該上腕の長手方向に垂直な第１軸線回りに回転可能に設けられた前腕と、
前記前腕の先端に、前記第１軸線に垂直な第２軸線回りに回転可能に設けられ、かつ前記第２軸線が貫通する中空部を有する第１手首要素と、
前記第１手首要素の前方に配置される作業ツールと、
前記作業ツールに動力、信号又は材料を供給する線条体が接続される作業ツール制御装置と、
前記前腕に配置された、前記第１手首要素を回転駆動する第１手首要素用モータ及び第１手首要素用減速装置と、を有するロボットアーム駆動機構であって、
前記第１手首要素用モータは、該第１手首要素用モータの回転中心軸が前記第２軸線に対し垂直の向きに、かつ、前記第１軸線よりも前記前腕の先端側の位置に配置され、
前記前腕は、前記第１軸線の方向に見たときにＬ字形状の凹部を有し、該Ｌ字形状の凹部を形成する垂直部に前記第１手首要素用モータ及び前記第１手首要素用減速装置が配置され、該Ｌ字形状の凹部を形成する底部に前腕用駆動モータ及び前腕用減速装置が配置され、
前記第１手首要素用減速装置は、出力ハイポイドギヤ及び入力ハイポイドギヤを含む少なくとも１組のハイポイドギヤを有し、前記出力ハイポイドギヤは前記第２軸線と同軸に配置されるとともに前記第１手首要素に結合され、前記入力ハイポイドギヤは前記前腕の前記底部の面に垂直な方向に延びる動力伝達軸を介して前記第１手首要素用モータに接続されることを特徴とする、ロボットアーム駆動機構。
前記第１手首要素用モータの、前記第１軸線方向に見たときに側方になる部分が前記前腕の一部で囲われる、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構。
前記第１手首要素に、前記第２軸線と垂直に交わる第３軸線回りに回転可能に設けられた第２手首要素と、前記第２手首要素に、前記第３軸線と垂直に交わる第４軸線回りに回転可能に設けられ、前記作業ツールが取付けられた第３手首要素と、をさらに有し、
前記第１手首要素、前記第２手首要素及び前記第３手首要素は、前記第２軸線、前記第３軸線及び前記第４軸線が１点で交わるように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構。
前記第１手首要素は、前記第２軸線を含むある平面について左右対称に構成される、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構。
前記作業ツール制御装置に接続され、該作業ツール制御装置を制御するケーブルと、該作業ツール制御装置にアシストガスを供給するガスチューブとからなる機構部内ケーブルをさらに有し、前記機構部内ケーブルは、前記上腕内を通って前記前腕後部に導かれ、前記上腕上部の側面から一度外部に引出され、前記前腕の側面に設けられた切欠きを通って再度機構部内に導かれる、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構。
前記第１手首要素の、前記中空部を画定する部分は、前記第２軸線に対し有角であって前記第１手首要素の先端側に向かって縮径する斜面を外面に有する、請求項１に記載のロボットアーム駆動機構。