JP6810102B2 - ロボットの手首構造 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの手首構造に関するものである。

前腕部に第１軸線回りに回転可能に取り付けられた第１手首要素と、第１手首要素に第１軸線に対して垂直な第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、第２手首要素に第１軸線と同一平面内に配置される第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、前腕部に第１軸線回りに配置された第１中空部が設けられ、第１手首要素に第１軸線に沿って貫通し第１中空部に連通する貫通路が設けられ、第３手首要素に、第３軸線に沿って貫通する第２中空部が設けられたロボットの手首構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この手首構造によれば、前腕部の後方から、第１中空部、貫通路および第２中空部を貫通して第３手首要素の先端まで線条体を配線することができる。これにより、線条体に大きな余長を設けなくても、第１、第２および第３手首要素の動作により線条体にかかる負担を大幅に軽減することができるという利点がある。

前腕部の後方から、第１中空部、貫通路および第２中空部を貫通して第３手首要素の先端まで続く配線ルートは、前腕部の後部に設置された中継装置を経由した溶接ワイヤおよび大電流用のケーブルなどの比較的剛性の高い線条体の配線ルートとして利用されるのが一般的である。そして、この場合には、線条体を専用のコンジット内に収容して配線される。

特開２０１８−００１２７７号公報

しかしながら、微弱電流のセンサ用ケーブルおよび小径のエアチューブ等の比較的剛性の低い線条体を後付けしたい場合があるが、これらの線条体を上記コンジット内に後から収容することは困難であるとともに、センサ用ケーブルのような微弱電流用のケーブルは、ノイズを防止するために大電流のケーブルから離れた配線ルートを採用することが望まれる。一方で、このような後付けの線条体に対しても、ロボットの手首に近接する外部構造物への干渉を抑制するために、可能な限り少ない余長で線条体にかかる負担を軽減し得る配線ルートの採用が望まれる。

本発明は、第１軸線に沿って第１手首要素を貫通する貫通路から第３軸線に沿って第３手首要素を貫通する第２中空部に延びる配線ルートとは別の、最小限の余長で線条体にかかる負担を軽減し得る配線ルートで線条体を配線することができるロボットの手首構造を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、前腕部に、第１軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素と、該第１手首要素に、前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、該第２手首要素に、前記第２軸線に直交しかつ前記第１軸線と同一平面内に配置される第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、前記第１手首要素が、前記第１軸線を含む位置において、該第１軸線に沿う方向に貫通する第１軸中空孔を備え、前記第２手首要素が、前記第２軸線を含む位置において、該第２軸線に沿う方向に貫通する第２軸中空孔を備え、前記第３手首要素が、前記第３軸線を含む位置において、該第３軸線に沿う方向に貫通する第３軸中空孔を備え、前記第１軸中空孔から前記第２軸中空孔を介さずに前記第３軸中空孔に線条体を貫通させる第１配線ルートと、前記第１手首要素の外側から前記第２軸中空孔を経由して前記第３軸中空孔に他の線条体を貫通させる第２配線ルートとが設けられているロボットの手首構造である。

本態様によれば、第１手首要素を前腕部に対して第１軸線回りに回転させ、第２手首要素を第１手首要素に対して第２軸線回りに回転させ、第３手首要素を第２手首要素に対して第３軸線回りに回転させることにより、第３手首要素に取り付けたツール等の姿勢を任意の姿勢に設定することができる。この場合において、第１手首要素からツール等にケーブルあるいはエアチューブ等の線条体を簡易に設置したい場合がある。

このような場合には、第２手首要素の第２軸線を含む位置に備えられた第２軸中空孔に線条体を貫通させることができる。これにより、第１手首要素に対する第２手首要素の第２軸線回りの回転動作に対して、第２軸中空孔を通過している線条体が反復曲げ動作のような過度の負荷を受けずに済み、耐久的に健全な状態を維持することができる。また、第２軸中空孔の両側に露出する部分の線条体に設けられる余長を最小限に抑えることができて、手首に近接する外部構造物と線条体との干渉を回避しやすくすることができる。

上記態様においては、前記第１手首要素が、前記第１軸線を含む位置において、該第１軸線に沿う方向に貫通する第１軸中空孔を備え、前記第３手首要素が、前記第３軸線を含む位置において、該第３軸線に沿う方向に貫通する第３軸中空孔を備えている。
この構成により、比較的大径の剛性の高い線条体については、前腕部側から第１軸中空孔および第３軸中空孔を貫通して第３手首要素に固定されたツール等に配線することができる。

また、上記態様においては、前記第１手首要素に、前記第２手首要素および前記第３手首要素をそれぞれ駆動する２つの駆動モータが配置され、各該駆動モータの回転をそれぞれ減速する２組のギアセットを備え、一方の該ギアセットが、前記第２軸線を中心軸として前記第２手首要素に固定された従動側第１ギアを備え、他方の前記ギアセットが、前記第３手首要素に固定された従動側ベベルギアに噛み合う駆動側ベベルギアに、前記第２軸線に沿う方向に延びるシャフトを経由して固定された従動側第２ギアを備え、前記第２軸中空孔が、前記シャフトに設けられていてもよい。

この構成により、一方の駆動モータを作動させると、駆動モータの回転が一方のギアセットにより減速されて第２手首要素が第２軸線回りに回転させられる。また、他方の駆動モータを作動させると、駆動モータの回転が他方のギアセットにより減速されて第３手首要素が第３軸線回りに回転させられる。
すなわち、一方の駆動モータの回転が一方のギアセットにより減速されて従動側第１ギアが第２軸線回りに高いトルクで回転させられる。従動側第１ギアは第２手首要素に固定されているので、第１手首要素に対して第２手首要素を高いトルクで回転させることができる。

また、他方の駆動モータの回転が他方のギアセットにより減速されて従動側第２ギアが第２軸線回りに高いトルクで回転させられる。従動側第２ギアの回転はシャフトを経由して駆動側ベベルギアに伝達され、駆動側ベベルギアに噛み合う従動側ベベルギアおよび従動側ベベルギアに固定された第３手首要素を、第２手首要素に対して第３軸線回りに高いトルクで回転させることができる。この場合に、シャフトに第２軸中空孔を設けることにより、手首機能を確保しながら、線条体の配線ルートを簡易に構成することができる。

また、上記態様においては、前記シャフトが前記駆動側ベベルギアと一体的に構成されていてもよい。
この構成により、部品点数を削減することができる。

本発明によれば、第１軸線に沿って第１手首要素を貫通する貫通路から第３軸線に沿って第３手首要素を貫通する第２中空部に延びる配線ルートとは別の、最小限の余長で線条体にかかる負担を軽減し得る配線ルートで線条体を配線することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットの手首構造を示す正面図である。 図１の手首構造を示す縦断面図である。 図１の手首構造の第２手首要素および第３手首要素を示す拡大縦断面図である。

本発明の一実施形態に係るロボットの手首構造１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットの手首構造１は、図１に示されるように、ロボットの前腕部１００に取り付けられる手首の構造であって、第１手首要素２、第２手首要素３および第３手首要素４を備えている。

第１手首要素２は、前腕部１００に、第１軸線Ａ回りに回転可能に支持された第１手首ケーシング５を備えている。
第２手首要素３は、第１手首要素２に、第１軸線Ａに直交する第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持されている。
第３手首要素４は、第２手首要素３に、第２軸線Ｂに直交しかつ第１軸線Ａと同一平面内に配置される第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持されている。

第１手首ケーシング５は、図２に示されるように、第１軸線Ａを含む位置に、前腕部１００後方から第１軸線Ａに沿う方向に貫通する第１軸中空孔６を備えている。第１軸中空孔６には、前腕部１００に固定され、後述する第１の線条体２７を貫通させる円筒状のガイド管９が配置されている。
また、第３手首要素４は、第３軸線Ｃを含む位置に、第３軸線Ｃに沿う方向に貫通する第３軸中空孔８を備えている。

本実施形態においては、第２手首要素３は、図２に示されるように、第２軸線Ｂを含む位置において、第２軸線Ｂに沿う方向に貫通する第２軸中空孔７を備えている。
また、第１手首ケーシング５は、第１軸線Ａから一方向にオフセットした位置において第１軸線Ａに沿う方向に延び、先端に第２手首要素３を支持している。第１手首ケーシング５内には、第２手首要素３および第３手首要素４を回転駆動するモータ（駆動モータ）１０，１１が固定されている。

第２手首要素３を回転駆動するモータ１０と、第２手首要素３との間には、モータ１０の回転速度を所定の減速比で減速するハイポイドギアセット（ギアセット）１２が配置されている。ハイポイドギアセット１２は、モータ１０により回転駆動される図示しないピニオンギアと、第２手首要素３に固定されピニオンギアに噛み合うリングギア（従動側第１ギア）１３とを備えている。

さらに具体的には、第２手首要素３は、図３に示されるように、第２手首ケーシング１４と、第１手首要素２に外輪が固定され、第２手首ケーシング１４に内輪が固定されたクロスローラベアリング１５とを備えている。ハイポイドギアセット１２のリングギア１３はクロスローラベアリング１５の内輪に固定されている。これにより、モータ１０の作動によりピニオンギアを回転駆動すると、ピニオンギアに噛み合うリングギア１３が第２軸線Ｂ回りに回転させられる結果、リングギア１３が固定されたクロスローラベアリング１５の内輪および内輪に固定された第２手首ケーシング１４が第２軸線Ｂ回りに回転させられる。

第３手首要素４を回転駆動するモータ１１と、第３手首要素４との間には、モータ１１の回転速度を所定の減速比で減速するハイポイドギアセット（ギアセット）１６と、第２軸線Ｂ回りの回転を第３軸線Ｃ回りの回転に変換するベベルギアセット１７とが配置されている。このハイポイドギアセット１６も、モータ１１により回転駆動されるピニオンギア１８ａと、第２手首要素３に固定されピニオンギア１８ａに噛み合うリングギア（従動側第２ギア）１８ｂとを備えている。

さらに具体的には、第３手首要素４は、図３に示されるように、第２手首ケーシング１４に第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持された円筒状の第３手首ケーシング１９を備えている。
ベベルギアセット１７は、第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持された駆動側ベベルギア２０と、第３手首ケーシング１９に固定された従動側ベベルギア２１とを備えている。

駆動側ベベルギア２０は、第２軸線Ｂに沿って延びるシャフト２２と一体に構成され、第２手首要素３のクロスローラベアリング１５の内輪に対して、ボールベアリング２３により第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持されている。リングギア１８ｂはシャフト２２に固定されている。クロスローラベアリング１５の内輪を加工してボールベアリング２３の外輪を直接嵌合させることにより、部品点数を削減している。また、駆動側ベベルギア２０をシャフト２２と一体に構成することによっても部品点数を削減している。

本実施形態においては、第２軸中空孔７はシャフト２２を軸線方向に貫通して設けられている。クロスローラベアリング１５の内輪にシャフト２２を回転可能に支持するボールベアリング２３の外輪を直接嵌合させることにより、部品を削減してボールベアリング２３の内径寸法を大きく確保することができる。これにより、シャフト２２の外径を大きく確保して、第２軸中空孔７の内径を大きく確保している。

図中、符号２４は、第１手首ケーシング５に設けられ、２つのハイポイドギアセット１２，１６、クロスローラベアリング１５、ボールベアリング２３およびベベルギアセット１７を収容する空間を閉塞するカバーである。シャフト２２の一端は、カバー２４を貫通して配置され、シャフト２２の一端とカバー２４との間には、上記空間を密封するシール部材２５が配置されている。また、シャフト２２の他端は、第２手首ケーシング１４を貫通して配置され、シャフト２２の他端と第２手首ケーシング１４との間にも、上記空間を密封するシール部材２６が配置されている。

このように構成された本実施形態に係るロボットの手首構造１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボットの手首構造１によれば、第１手首ケーシング５に設けられた第１軸中空孔６が第１軸線Ａに沿って設けられているので、前腕部１００の後方から第１軸中空孔６を貫通して配線された鎖線で示す第１の線条体２７は、第１手首ケーシング５の第１軸線Ａ回りの回転によって大きな負荷を受けずに済む。また、第３手首ケーシング１９に設けられた第３軸中空孔８が、第３軸線Ｃに沿って設けられているので、第３軸中空孔８を貫通する第１の線条体２７は、第３手首ケーシング１９の第３軸線Ｃ回りの回転によっても大きな負荷を受けずに済む。

さらに、第１軸線Ａと第３軸線Ｃとが同一平面内に常に配置され、第１手首ケーシング５が第１軸線Ａに対して一方向にオフセットしているので、第１軸中空孔６を貫通した第１の線条体２７は、第１手首ケーシング５に干渉することなく、そのまま第３軸中空孔８を貫通し、第３手首ケーシング１９の先端に取り付けられている図示しないツールに接続される。第２手首要素３を第２軸線Ｂ回りに回転させると、第１軸中空孔６および第３軸中空孔８を貫通している第１の線条体２７は、第２手首要素３の回転角度に応じた角度の曲げを受けるが、第２軸線Ｂが第１軸線Ａおよび第３軸線Ｃに直交しているので、第１の線条体２７には曲げのみが作用し、大きな負荷を受けずに済む。

さらに、本実施形態に係るロボットの手首構造１によれば、第２手首要素３が、第２軸線Ｂに沿って貫通する第２軸中空孔７を備えているので、図１に示されるように、第１手首ケーシング５の外側から第２軸中空孔７および第３軸中空孔８を貫通して、第２の線条体２８を配線することができる。第２の線条体２８としては、第１軸中空孔６を貫通する第１の線条体２７よりも細く柔軟なものが選択される。例えば、微弱な信号を伝送するケーブルあるいは空気圧を供給するエアチューブ等を挙げることができる。

この配線ルートによれば、第２の線条体２８は第２軸線Ｂに沿って配置されるので、第１手首要素２に対する第２手首要素３の第２軸線Ｂ回りの回転動作に対して、過度の負荷を受けずに済み、耐久的に健全な状態を維持することができる。また、第２軸中空孔７の両側に露出する部分の第２の線条体２８に設けられる余長を最小限に抑えることができて、手首に近接する外部構造物と第２の線条体２８との干渉を回避し易くすることができるという利点がある。

上述したように、第１手首ケーシング５には第２手首要素３および第３手首要素４を回転駆動するモータ１０，１１が配置されているので、これらのモータ１０，１１への配線は、ロボットの内部を通過する配線ルートに沿って行われる。したがって、ロボットの内部を通過する配線ルートに沿って、第２の線条体２８に接続する線条体を第１手首ケーシング５の中継ボックス２９まで配線しておくことにより、ユーザは中継ボックス２９からツールまで第２の線条体２８を配線すればよい。これにより、第２の線条体２８の配線作業をより容易にすることができる。

また、本実施形態によれば、第２軸線Ｂ回りに回転するシャフト２２に第２軸中空孔７を設けたので、手首構造１を軽量化することができる。さらに、シャフト２２の両端をシール部材２５，２６によって密封し、第２軸中空孔７をハイポイドギアセット１２，１６等が配置されている空間から隔離したので、空間内に充填される潤滑材の量を大幅に低減することができる。これにより、潤滑材の削減と、さらなる軽量化とを図ることができる。

１ 手首構造
２ 第１手首要素
３ 第２手首要素
４ 第３手首要素
６ 第１軸中空孔
７ 第２軸中空孔
８ 第３軸中空孔
１０，１１ モータ（駆動モータ）
１２，１６ ハイポイドギアセット（ギアセット）
１３ リングギア（従動側第１ギア）
１８ｂ リングギア（従動側第２ギア）
２０ 駆動側ベベルギア
２１ 従動側ベベルギア
２２ シャフト
Ａ 第１軸線
Ｂ 第２軸線
Ｃ 第３軸線
１００ 前腕部

Claims (3)

1. 前腕部に、第１軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素と、
   該第１手首要素に、前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、
   該第２手首要素に、前記第２軸線に直交しかつ前記第１軸線と同一平面内に配置される第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、
   前記第１手首要素が、前記第１軸線を含む位置において、該第１軸線に沿う方向に貫通する第１軸中空孔を備え、
   前記第２手首要素が、前記第２軸線を含む位置において、該第２軸線に沿う方向に貫通する第２軸中空孔を備え、
   前記第３手首要素が、前記第３軸線を含む位置において、該第３軸線に沿う方向に貫通する第３軸中空孔を備え、
   前記第１軸中空孔から前記第２軸中空孔を介さずに前記第３軸中空孔に線条体を貫通させる第１配線ルートと、前記第１手首要素の外側から前記第２軸中空孔を経由して前記第３軸中空孔に他の線条体を貫通させる第２配線ルートとが設けられているロボットの手首構造。
2. 前記第１手首要素に、前記第２手首要素および前記第３手首要素をそれぞれ駆動する２つの駆動モータが配置され、
   各該駆動モータの回転をそれぞれ減速する２組のギアセットを備え、
   一方の該ギアセットが、前記第２軸線を中心軸として前記第２手首要素に固定された従動側第１ギアを備え、
   他方の前記ギアセットが、前記第３手首要素に固定された従動側ベベルギアに噛み合う駆動側ベベルギアに、前記第２軸線に沿う方向に延びるシャフトを経由して固定された従動側第２ギアを備え、
   前記第２軸中空孔が、前記シャフトに設けられている請求項１に記載のロボットの手首構造。
3. 前記シャフトが前記駆動側ベベルギアと一体的に構成されている請求項２に記載のロボットの手首構造。

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