JP4615760B2

JP4615760B2 - アーム動作機構およびこれを備えた産業用ロボット

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Publication number: JP4615760B2
Application number: JP2001128746A
Authority: JP
Inventors: 隆文浦谷
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2002326181A; US6675069B2; US20020161481A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、所望のワークを昇降させ、あるいは水平移動させるといった用途に用いるのに好適なアーム動作機構およびこれを備えた産業用ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの一例としては、特開２０００−２４９６６号公報に所載のものがある。この従来のものは、本願の図６に示すように、ベース部材９０に基端部が支持された第１のアーム９１と、この第１のアーム９１の先端部に連結部９３を介して基端部が連結された第２のアーム９２と、一対の平行リンク９４ａ，９４ｂのそれぞれの一端に連結されたリンクベース９５とを具備している。第２のアーム９２の先端部には、所望のワークを保持するためのハンド部材を備えた機構部９６が取り付けられている。第１のアーム９１は、モータＭ１の駆動力により、基端部の固定支点９７周りに回転可能である。これに対し、第２のアーム９２の基端部には、歯車８０ａが取り付けられており、この歯車８０ａは、モータＭ１によって回転される歯車８０ｂとシャフト８１を介して駆動連結されている。シャフト８１の両端には、歯車８０ａ，８０ｂのそれぞれに噛み合う傘歯車８２ａ，８２ｂが取り付けられている。
【０００３】
このような構成によれば、モータＭ１の駆動により、第１のアーム９１を固定支点９７周りの矢印Ｎａ方向に回転させるときには、第２のアーム９２を連結部９３周りの矢印Ｎｂ方向に回転させることができる。したがって、第２のアーム９２の先端部およびこれに支持された機構部９６を矢印Ｎｃ方向に昇降させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものでは、次のような不具合があった。
【０００５】
すなわち、上記従来のものでは、第１のアーム９１に連動させて第２のアーム９２を回転させるための手段として、モータＭ１により回転される歯車８０ｂの回転力をシャフト８１を利用して歯車８０ａに伝達させている。一方、このシャフト８１は、第１のアーム９１と略同等な長さにする必要がある。また、図面には示されていないが、このシャフト８１を第１のアーム９１に取り付けるためには、このシャフト８１を支持するためのベアリングなどを備えた支持機構を第１のアーム９１に設ける必要もある。したがって、従来のものでは、このようなシャフト８１や支持機構を第１のアーム９１内に組み込む結果、第１のアーム９１の厚みや幅を大きくする必要を生じ、ロボット全体の大型化を招く場合があった。また、シャフト８１や支持機構は、その重量が比較的大きくなるため、第１のアーム９１が回転するときの慣性を大きくする。したがって、モータＭ１を小型にしつつ第１のアーム９１に俊敏な動作を行なわせることが困難となる場合もあった。
【０００６】
本願発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、アームの大型化や重量の増大を抑制しつつ、簡易な構造によりアームに所定動作を適切に行なわせることができるアーム動作機構およびこれを備えた産業用ロボットを提供することをその課題としている。
【０００７】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００８】
本願発明の第１の側面によって提供されるアーム動作機構は、基端部を支持する支持部に対して第１の中心軸周りに回転可能な第１のアームと、この第１のアームの先端部に対して上記第１の中心軸と平行な第２の中心軸周りに回転可能に基端部が連結された第２のアームと、上記第１のアームおよび上記第２のアームに対して上記第２の中心軸周りに相対回転可能なリンクベースと、このリンクベースを一定姿勢に維持させたまま上記第１のアームの回転に伴わせて移動可能とする平行リンクと、を有している、アーム動作機構であって、上記第２の中心軸と同心に配され、かつ上記リンクベースに固定して取り付けられた第１の歯車と、上記第１の歯車と噛み合うようにして上記第１のアームに回転可能に支持され、上記第１のアームが回転するときにこの第１のアームと上記リンクベースとの相対回転に基づいて回転する第２の歯車と、上記第２の歯車の回転によって上記第２のアームを上記第２の中心軸周りに回転させる機構部と、を具備していることを特徴としている。
【０００９】
本願発明は、上記第１のアームが回転してその姿勢が変化する場合であっても、上記リンクベースは一定の姿勢を維持したままであることにより、これらリンクベースと第１のアームとの間には相対回転が生じることに着目し、この相対回転を利用して第２のアームを回転させようとするものである。したがって、本願発明においては、従来とは異なり、第１のアームを回転させる力の一部をわざわざ所定のシャフトを利用して第２のアームに伝達させる必要はない。その一方、上記機構部は、後述するように、たとえば比較的少数の歯車を用いて構成することが可能であり、従来のシャフトのように第１のアームと略同等な寸法を有するものとして形成する必要はなく、小型かつ軽量なものにすることができる。その結果、本願発明においては、上記第１のアームの厚みや幅を従来のものよりも小さくすることができる。また、上記機構部を軽量にすることができるために、上記第１のアームが回転するときの慣性を小さくし、小型のモータを利用してその回転動作を俊敏にするのにも有利となる。
【００１２】
本願発明の他の好ましい実施の形態においては、上記機構部は、上記第２の歯車と一体的に回転する第３の歯車と、上記第２の中心軸と同心に配され、かつ上記第３の歯車と噛み合うようにして上記第２のアームに固定して取り付けられた第４の歯車と、を具備している。
【００１３】
このような構成によれば、上記第２の歯車が回転すると、この回転力が上記第３および第４の歯車に順次伝達される結果、上記第２のアームを上記第２の中心軸周りに適切に回転させることができる。上記構成によれば、少数の歯車を用いた簡単な機構により、本願発明が意図する作用が得られることとなり、上記第２のアームを回転させるための機構を簡素にして、その小型化および軽量化を図るのに一層好ましいものとなる。
【００１４】
本願発明の他の好ましい実施の形態においては、上記第２のアームは、上記連結部の中心軸周りに上記第１のアームの回転方向とは反対方向に上記第１のアームの回転角度の２倍の角度だけ回転するように構成されている。
【００１５】
このような構成によれば、上記第２のアームの先端部を所定の直線に沿って往復動させることが可能となり、所望のワークなどを鉛直方向に昇降させたり、あるいは水平方向に直線的に往復動させたいような場合に好適となる。
【００１６】
本願発明の第２の側面によって提供される産業用ロボットは、本願発明の第１の側面により提供されるアーム動作機構を具備していることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によれば、本願発明の第１の側面によって得られるのと同様な効果が期待できる。
【００１８】
本願発明の好ましい実施の形態においては、上記アーム動作機構は、上記第２のアームの先端部が鉛直方向に移動可能に設けられており、かつ上記第２のアームの先端部には、ワーク保持用のハンド部材を鉛直軸周りに回転自在にするとともに水平方向に往復移動自在とするワーク支持機構部が支持されている。
【００１９】
このような構成によれば、上記ハンド部材の昇降動作と水平方向への往復移動動作とが自在に行なえるとともに、上記ハンド部材が水平方向に移動するときの向きを変更することも可能となる。したがって、ワークを三次元空間において種々の位置に移動させる用途に用いるのに好適となる。
【００２０】
本願発明のその他の特徴および利点については、以下に行う発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２２】
図１〜図３は、本願発明に係る産業用ロボットの一実施形態を示している。本実施形態の産業用ロボットＡは、所定のワークを保持して所望箇所に移動させるためのトランスファロボットとして構成されており、図１および図２によく表われているように、ワーク保持用のハンド部材３０を備えたワーク支持機構部３を、アーム動作機構Ｂによって昇降自在に支持させたものである。アーム動作機構Ｂは、フロアなどの適当な場所に固定されるベース部材６０と、第１および第２のアーム１，２と、リンクベース４０と、第１および第２の平行リンク４Ａ，４Ｂと、第１ないし第４の歯車５Ａ〜５Ｄとを具備して構成されている。
【００２３】
第１のアーム１は、図２によく表われているように、内部に空間部が形成された中空状であり、その基端部１ａは、減速機６１の回転自在な出力回転板６１ａにボルト６２を介して取り付けられている。減速機６１は、ベース部材６０に固定されたモータＭの出力軸の回転を減速するものである。したがって、第１のアーム１は、モータＭの駆動により、出力回転板６１ａの水平方向に延びる中心軸（第１の中心軸）Ｃ１周りに回転可能である。減速機６１の出力回転板６１ａは、第１のアーム１を直接支持しており、本願発明でいう支持部の一例に相当する。むろん、本願発明においては、このような構成に代えて、たとえば第１のアーム１を回転可能に支持するための専用の軸をベース部材６０に設けるとともに、減速機６１の回転力を第１のアーム１に伝達するための機構を上記軸とは別個に設けた構成とすることもできる。
【００２４】
第２のアーム２も、第１のアーム１と同様に、内部に空間部が形成された中空状である。この第２のアーム２の基端部２ａは、この基端部２ａと第１のアーム１の先端部１ｂとの間にリンクベース４０を挟むようにして、第１のアーム１およびリンクベース４０のそれぞれに連結部７を介して連結されている。これにより、この第２のアーム２は、連結部７の水平方向に延びる中心軸（第２の中心軸）Ｃ２周りに回転可能である。連結部７は、第１および第２のアーム１，２とリンクベース４０とを回転可能に連結しているが、このような機能をもつ連結部７の構造は従来より種々知られており、本実施形態においてはそのいずれをも採用することができるために、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
第１ないし第４の歯車５Ａ〜５Ｄは、いずれも平歯車であり、かつ第１のアーム１内に配されている。ただし、第１の歯車５Ａは、その中心が連結部７の中心軸Ｃ２と一致するようにしてリンクベース４０に固定して取り付けられている。第２の歯車５Ｂは、第１の歯車５Ａと噛み合っており、第１のアーム１に固定された軸５０に回転可能に装着されている。この第２の歯車５Ｂが、本願発明でいう回転体の一例に相当する。
【００２６】
第３の歯車５Ｃは、第２の歯車５Ｂと一緒に回転するように第２の歯車５Ｂに連結されており、その中心軸Ｃ３は第２の歯車５Ｂの中心軸と一致している。本願発明においては、これら第２および第３の歯車５Ｂ，５Ｃを一体化して、２条の歯を有する１つの歯車として構成することもできる。第４の歯車５Ｄは、第２のアーム２に対してスリーブ７０を介して固定して取り付けられている。スリーブ７０は、第２のアーム２の基端部２ａの一側面部に固定して取り付けられており、かつリンクベース４０や第１のアーム１に設けられた開口部を介して第１のアーム１内に進入している。第４の歯車５Ｄの中心軸は、連結部７の中心軸Ｃ２と一致している。したがって、後述するように、第２および第３の歯車５Ｂ，５Ｃが回転して、この回転力が第４の歯車５Ｄに伝達されると、この力により第２のアーム２は連結部７の中心軸Ｃ２周りに回転することとなる。第３および第４の歯車５Ｃ，５Ｄを含んで構成される機構部は、本願発明でいう機構部の一例に相当する。第１および第２の歯車５Ａ，５Ｂの歯数比は、たとえば１：１である。これに対し、第３および第４の歯車５Ｃ，５Ｄの歯数比は、２：１である。
【００２７】
第１の平行リンク４Ａは、ロッド状であり、その下端部は、ベース部材６０のブラケット６３に軸４１ａを介して回転可能に連結されているとともに、その上端部はリンクベース４０に軸４１ｂを介して回転可能に連結されている。第１の平行リンク４Ａ、リンクベース４０、第１のアーム１およびベース部材６０は、それらの連結点を結ぶと平行四辺形となるリンク機構を構成しており、リンクベース４０は、第１のアーム１の回転角度には関係なく常に一定の姿勢に維持されるようになっている。
【００２８】
ワーク支持機構部３は、支持ベース３１と、この支持ベース３１上に支持された回転板３２と、この回転板３２上に設けられ、かつワーク保持用のハンド部材３０を水平方向に移動させるためのリンク機構を構成する水平アーム３３ａ，３３ｂとを具備している。ハンド部材３０は、図３に示すように、たとえば板状のワークＷをその上面に載置支持可能なコ字状のプレート状に形成されたものであり、水平アーム３３ｂの先端部に支持されている。水平アーム３３ａは、その基端部の軸３９ａ周りに回転自在であるとともに、水平アーム３３ｂは、水平アーム３３ａとの連結点となる軸３９ｂ周りに回転自在であり、これらの回転により、ハンド部材３０は矢印Ｎ１に示す水平方向に往復動自在となっている。図１において、回転板３２は、鉛直方向に延びる軸Ｃ４周りに回転自在であり、この回転板３２の回転により、ハンド部材３０が水平移動する向きを変更できるようになっている。
【００２９】
支持ベース３１は、第２のアーム２の先端部２ｂに軸２９を介して連結されており、この支持ベース３１と第２のアーム２とは相対回転可能となっている。第２の平行リンク４Ｂの両端部は、リンクベース４０および支持ベース３１に対して軸４２ａ，４２ｂを介して回転可能に連結されている（図２においては、第２の平行リンク４Ｂを省略している）。第２の平行リンク４Ｂ、リンクベース４０、第２のアーム２および支持ベース３１は、それらの連結点を結ぶと平行四辺形となるリンク機構を構成しており、リンクベース４０の姿勢が一定に維持される作用と相まって、支持ベース３１は、第２のアーム２の回転角度には関係なく常に一定の姿勢を維持するようになっている。
【００３０】
次に、産業用ロボットＡの作用について説明する。
【００３１】
まず、第１のアーム１が、図４に示すように、鉛直線ＶL に対して角度θだけ傾斜した姿勢にある状態において、モータＭを駆動させることにより、この第１のアーム１を中心軸Ｃ１周りの矢印Ｎ２方向に角度θだけ回転させる場合について考察する。第１のアーム１が上記回転を行なうと、この第１のアーム１は、同図の仮想線に示すように鉛直方向に起立した姿勢となる。その際、リンクベース４０は、第１のアーム１に伴って中心軸Ｃ１周りに移動するものの、第１の平行リンク４Ａの役割により、その姿勢は変化しない。このことにより、第１のアーム１とリンクベース４０との間には、相対回転が生じる。このため、リンクベース４０に固定されている第１の歯車５Ａは、第２および第３の歯車５Ｂ，５Ｃを矢印Ｎ３方向に角度θだけ回転させることとなる。
【００３２】
第２および第３の歯車５Ｂ，５Ｃが上記回転を行なうと、第４の歯車５Ｄは、第２および第３の歯車Ｂ，５Ｃとは反対方向に回転する。すると、第２のアーム２は、中心軸Ｃ２を中心として矢印Ｎ４方向に回転することとなる。第３および第４の歯車５Ｃ，５Ｄの歯数比は、２：１であるから、第２のアーム２の上記方向への回転角度は、２θとなる。一方、第２のアーム２は、第１のアーム１が角度θだけ矢印Ｎ２方向に回転したときには、図４の符号ｎ１で示す姿勢となり、第２のアーム２自体を独自に回転させなくても、当初の姿勢からみると、角度θだけ矢印Ｎ２方向に回転したのと同様となる。したがって、第３および第４の歯車５Ｃ，５Ｄの噛み合いにより、第２のアーム２が矢印Ｎ５方向に２θだけ回転すると、図５に示すように、第２のアーム２を初期の姿勢に対して中心軸Ｃ２周りの矢印Ｎ５方向にθだけ回転させた姿勢にすることができる。
【００３３】
このように、アーム動作機構Ｂにおいては、中心軸Ｃ１を中心として第１のアーム１を一定方向に適当な角度だけ回転させると、第２のアーム２は、中心軸Ｃ２を中心として元の姿勢から第１のアーム１と同一回転角度だけ第１のアーム１とは反対方向に回転することとなる。その結果、第２のアーム２の先端部２ｂの軸２９については、たとえば鉛直線ＶL 上に常に位置するように鉛直方向に移動させることができる。このため、この産業用ロボットＡにおいては、ワーク支持機構部３を鉛直方向に昇降させることができ、ハンド部材３０を利用してワークＷの移動作業を行なうのに好都合となる。
【００３４】
既述したように、第２のアーム２の回転は、第１ないし第４の歯車５Ａ〜５Ｄから構成される機構がリンクベース４０と第１のアーム１との相対回転に基づいて所定動作を行なうことによりなされる。したがって、本実施形態のアーム動作機構Ｂにおいては、たとえばモータＭの駆動回転力を第２のアーム２まで伝達するためのシャフトを第１のアーム１の内部に設けたり、あるいは第２のアーム２を回転させるための専用のモータを別途追加して設けるといった必要はない。図面においては、第１ないし第４の歯車５Ａ〜５Ｄを比較的大きなサイズで示しているが、これらの歯車５Ａ〜５Ｄとしては、比較的小サイズのものを利用することが可能である。したがって、第１および第２のアーム１，２については、それらの内部に大型の部品を収容するように構成する必要がなくなり、それらの全体の幅や厚みを小さくすることができる。また、第１および第２のアーム１，２や、これらに付属する可動部分全体の軽量化を図ることもできるために、各アーム１，２を回転させるときの慣性を小さくし、動作性能をよくすることも可能となる。
【００３５】
本願発明の内容は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明に係るアーム動作機構および産業用ロボットの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００３６】
上記実施形態においては、リンクベースに固定させた第１の歯車と第１のアームに回転自在に支持された第２の歯車とを噛み合わせておくことにより、第１のアームとリンクベースとの相対回転に基づいて第２の歯車が回転するようにしているが、本願発明はこれに限定されない。本願発明においては、たとえば第１のアームに第１の歯車を固定させて取り付けておくとともに、リンクベースに第２の歯車を回転自在に支持させることにより、第１のアームとリンクベースとの相対回転に基づいて上記第２の歯車が回転するように構成することもできる。
【００３７】
本願発明においては、本願発明でいう回転体および機構部を歯車以外の要素を用いて構成することもできる。たとえば上記実施形態の第２の歯車５Ｂの回転力を利用して第２のアーム２を回転させるための機構部としては、歯車５Ｃ，５Ｄに代えて、タイタミングプーリとタイミングベルトとを組み合わせた機構、あるいはスプロケットとチェーンとを組み合わせた機構を用いて構成することも可能である。
【００３８】
本願発明に係るアーム動作機構は、第２のアーム２の先端部に昇降動作を行なわせるように用いることに適するが、やはりこれに限定されず、第２のアーム２の先端部に水平直進動作を行なわせるように用いることもできる。より具体的には、本願発明に係るアーム動作機構は、たとえば図３に示したワーク保持用のハンド部材３０を水平移動させるための機構として利用することもできる。もちろん、これ以外の用途にも利用することが可能であり、具体的な使用態様は限定されない。
【００３９】
本願発明に係る産業用ロボットは、必ずしもコ字状のハンド部材を備えたトランスファロボットに限定されず、溶接ロボットなどの他の種類のロボットとして構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係るアーム動作機構を備えた産業用ロボットの一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１に示す産業用ロボットの断面図である。
【図３】ワーク支持機構部の一例を示す概略斜視図である。
【図４】図１に示す産業用ロボットの動作説明図である。
【図５】図１に示す産業用ロボットの動作説明図である。
【図６】従来技術の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
Ａ産業用ロボット
Ｂアーム動作機構
Ｃ１支持部の中心軸
Ｃ２連結部の中心軸
１第１のアーム
１ａ基端部（第１のアームの）
１ｂ先端部（第１のアームの）
２第２のアーム
２ａ基端部（第２のアームの）
２ｂ先端部（第２のアームの）
３ワーク支持機構部
４Ａ第１の平行リンク（平行リンク）
５Ａ〜５Ｄ第１ないし第４の歯車
７連結部
４０リンクベース
６１ａ出力回転板（支持部）

Claims

基端部を支持する支持部に対して第１の中心軸周りに回転可能な第１のアームと、この第１のアームの先端部に対して上記第１の中心軸と平行な第２の中心軸周りに回転可能に基端部が連結された第２のアームと、上記第１のアームおよび上記第２のアームに対して上記第２の中心軸周りに相対回転可能なリンクベースと、このリンクベースを一定姿勢に維持させたまま上記第１のアームの回転に伴わせて移動可能とする平行リンクと、を有している、アーム動作機構であって、
上記第２の中心軸と同心に配され、かつ上記リンクベースに固定して取り付けられた第１の歯車と、
上記第１の歯車と噛み合うようにして上記第１のアームに回転可能に支持され、上記第１のアームが回転するときにこの第１のアームと上記リンクベースとの相対回転に基づいて回転する第２の歯車と、
上記第２の歯車の回転によって上記第２のアームを上記第２の中心軸周りに回転させる機構部と、
を具備していることを特徴とする、アーム動作機構。
上記機構部は、上記第２の歯車と一体的に回転する第３の歯車と、上記第２の中心軸と同心に配され、かつ上記第３の歯車と噛み合うようにして上記第２のアームに固定して取り付けられた第４の歯車と、を具備している、請求項１に記載のアーム動作機構。
上記第２のアームは、上記第２の中心軸周りに上記第１のアームの回転方向とは反対方向に上記第１のアームの回転角度の２倍の角度だけ回転するように構成されている、請求項２に記載のアーム動作機構。
請求項１ないし３のいずれかに記載のアーム動作機構を具備していることを特徴とする、産業用ロボット。
上記アーム動作機構は、上記第２のアームの先端部が鉛直方向に移動可能に設けられており、かつ上記第２のアームの先端部には、ワーク保持用のハンド部材を鉛直軸周りに回転自在にするとともに水平方向に往復移動自在とするワーク支持機構部が支持されている、請求項４に記載の産業用ロボット。