JPH01321182A - 工業用ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は工業用ロボットに係り、特に可動部の軽量化を
図るよう格成した工業用ロボットに関する。

従来の技術 例えば、塗装ロボットあるいはシーリングロボット等と
して使用される多関節型の工業用ロボットにＪ３いては
、基台上に回動自在に設けられた旋回テーブル上に支柱
が起立し、支柱の上部には手１′’ｊｉｆｆ構を有する
アームが設けられている。このアーム先端には手首機構
及び作業用治具（例えば、塗装ガンあるいはシーリング
ノズル等）が設けられており、アームの後錫部、即ち、
アームを支持する支柱より後方に突出した端部には手首
機構を３軸方向に駆動する３個のモータが設けられてい
る。イのため、アームは各モータの駆動力を手首ｉｓに
伝達するため、径の異なる円筒軸及び中心軸を同心固状
に組合せた多重軸構造となっており、各軸間には軸受が
介在し、各軸が回転自在に軸承されている。即ち、アー
ムは最外周の円筒部材より形成され、アームの内部には
複数の軸が挿通されている。

又、円筒軸によっては駆動力を伝達するだけでなく、ア
ーム先端の手首機構及び作業治具を保持するため、各円
筒軸及び中心軸に作用する応りの方向は夫々円筒軸によ
って異なっている。具体的には、手Ｍｎ構及び作業治具
を保持するアーム及びアームの一つ内側の円ｆｉｌｌ＠
には比較的大きな応力が作用し、モータからの駆動力を
伝達する内側の円筒軸及び中心軸には捩り応力が作用す
ることになる。

しかし、従来の工業用ロボットでは上記アーム及び各軸
に金属材料を使用しているため、アームのｍ８が重かっ
た。そこで、工業用ロボットにおいては、アーム及びそ
の内部の軸の軽が化を図るべく合成樹脂を使用すること
が考えられており、合成樹脂としては異方性を有するも
のが考えられている。

発明が解決しようとする課題 しかるに、アーム及び各軸の！［化を図るにあたって、
前述したように各円筒軸に作用する応力の種類（曲げ応
力、捩り応力等）が夫々異なるにも拘らず、アーム、各
円筒軸及び中心軸の剛性。

強度を満足できるように軸の径及び肉厚を設計するため
、必要以外の剛性２強度が必然的に保証されていた。そ
のため、工業用ロボットにおいてはアーム及び各軸に作
用する応力の種類に対応するように各軸の径及び肉厚が
決められておらず、必要最小限の寸法にできず、限界的
なＦＪ徂化を図ることができないといった課題がある。

ぞこで、本発明は上記課題を解決した工業用ロボットを
提供することを目的とする。

課題を解決するための１段及び作用 木Ｒ明は上記工業用ロボットにおいて、軸とアームとは
強化繊維が網目状に交差してなるＷ！維強化複合材によ
り形成し、且つ強化繊組の配列を異ならしめてなり、ア
ーム及び７−ム内の複数の軸の夫々に作用する応力に対
応する強度が得られるようアーム及び各軸の径及び肉Ｉ
Ｉ７を最小限の寸法で設３１できるようにしたものであ
る。

実施例 第１図乃至第３図に本発明になる工業用ロボットの一実
施例を示す。

各図中、工業用ロボット１の基台２上には、旋回テーブ
ル３が矢印へ方向に回転自在に設けられ、旋回テーブル
３上には支柱４が起立状態に設けられている。又、支柱
４は旋回テーブル３のブラケット３ａにより矢印Ｂ方向
に回転自在に支承されており、その上端部には水平り向
に延在するアーム５が矢印Ｃ方向に回動自在に支承され
ている。

６は手首ｖＩＭ４で、アーム５の先端部に設（）られ、
その端部に装着された作業用治具（図示せず）を矢印り
、Ｅ、Ｆ方向に回動させる。アーム５の俊端部５ａには
第２図に示すようにＴｍ機構駆動用の３個のモータ７．
８．９が収納されている。又円筒状のアーム５はその内
部に径の異なるバイブ形状の円筒軸１１．１２及び中心
軸１３が同心円状に配設されてなる多重軸構造である。

各円筒軸１１．１２及び中心軸１３はその両端がベアリ
ング１４．１５．１６により回転自在に軸承されている
。このベアリング１４．１５゜１６は夫々径が異なるが
、同一構造の自ｌ１ＩＩｉ３１１心型ベアリングである
。第３図にはベアリング１６の構造が拡大して示されて
いる。第３図中、外輪１６ａ及び内輪１６ｂの軌道は円
弧状に形成されており、内輪１６ｂ及び球状の転動体１
６Ｇは中心軸１３又は円ｎ軸１２が撓んでも自動的に調
心動作する。尚、第３図にはベアリング１６のみが示さ
れているが、他のベアリング１４．１５も同一構成であ
るのでその説明は省略する。

上記ようにアーム５内に組込まれた円筒＠１１゜１２、
及び中心軸１３はアーム後端部５ａ内の各モータ７．８
．９の駆動力を丁首礪構６の各動作部に伝達する伝達部
材であり、手首機構６は各モータ７．８．９の駆動力に
より各１Ｊ向にり１作する。

ここで、各モータ７．８．９の駆動力の伝達径について
説明する。

〔−夕７の駆動力は減速機７ａを介してギヤ７ｂに伝達
され、ギヤ７ｂに噛合するギヤ１１ａを介して円筒軸１
１に伝達される。又、モータ８の駆動力はギＡ７８ａに
噛合するギヤ１２ａを介して円筒軸１２に伝達され、モ
ータ９の駆動力もギヤ９ａ１．：噛合するギヤ１３ａを
介して中心＠１３に伝達される。

第１図に示す如く、手首機構６は各モータ７゜８．９に
駆動されて回動する第１．第２．第３の回動部材１７．
１８．１９を有する。第１の回動部材１７は円筒軸１１
の先端部に結合され、円筒＠１１の回動により矢印り方
向に回動する。又、第１の回動部材１７の回動はベベル
ギヤ２０゜２１を介して第３の回動部材１９に伝達され
る。

第２の回動部材１８は円筒軸１２のベベルギヤ１２ｂ、
１８ａを介して駆動される。又、作業用治具（図示せず
）を装着される第３の回動部材１つの軸２２は中心＠１
３のベベルギヤ１３ｂ。

２３ａ１軸２３、ベベルギヤ２３ｂ、２４ａ、軸２４、
ベベルギヤ２４ｂ、２５ａを介して矢印Ｆ方向に駆動さ
れる。

尚、円筒軸１１は減速機７ａを介して駆動されるが、他
の円筒軸１２及び中心軸１３は手首機構６の各ベベルギ
ヤによって減速されるため、比較的高速１１転で駆動さ
れる。

ここで、本発明の要部であるアーム５、円筒軸１１．１
２及び中心軸１３の材質について説明する。上記のよう
にアーム５及び各軸１１，１２゜１３は夫々作用する応
力に応じた剛性１強度が必凹である。

アーム５、円筒■噛１１．１２及びｌｌｌＡ１３はｌＡ
維強化複合材、本実施例では炭素繊維強化樹脂（ＣＦ　
ＲＰ　：　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒ
ｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ−３）により形成されている。

この炭素繊維強化樹脂は炭素繊組を強化材として成形さ
れたエポキシ樹脂系の複合材であり、一般に下表に示す
比弾性率、比強度を有する。

この表から明らかなように、炭素繊維強化樹脂は、スチ
ール、アルミニウム等の金属材料に比べて比弾性率、比
強度共に優れている。従って、炭素繊維強化樹脂を使用
することにより、アーム５、各円筒＠ｌｌ、１２及び中
心（＊　１３は金属材料を使用する場合よりも同じ強度
を保持しつつ軽聞化することができきる。

又、炭素繊維強化樹脂においては、第５図、第６図に示
す如く、炭素繊！４２６を網目状に交差させ、エポキシ
樹脂により所定の寸法の円筒又は軸形状に硬化してなり
、炭素ｍａｌＬ２６の交差角、即ち炭素繊維の配列を示
す配向角度θによりその弾性率が変化する。又、炭素繊
維強化樹脂は第７図に示す如く、炭素ｔＨＨ２６の配向
角度θ（軸方向の中心線に対する傾斜角によってその剛
性１強度が大きく変化する所謂責方性を有する材料とし
て知られている。

尚、第５図、第６図に示す如く、炭素繊Ｍ２６を網目状
に交差させてアーム５、各＠１１〜１３を形成する方法
としては、■−木の炭素繊維２６を巻き付けるフィラメ
ントワインディング法と秤ばれている方法と、■炭素ｕ
Ｉｉ維２６によるシート状の織物を所定の径に巻いて軸
を形成する方法とがある。

■のフィラメントワインディング法では、まず連続繊維
とされた炭素繊維２６が液状の合成樹脂と硬化剤との混
合液に浸され、続いて、混合液を含浸コーティングされ
た炭素繊維２６は、任怠の配向角度θ（配列）の周囲に
螺旋状に巻き取られてバイブ状に形成される。続いて、
回転軸を逆回転さＵで、炭素繊維２６が網目状に巻かれ
る。その後オートクレーブ（自動加熱加圧「・）により
バイブ状の炭素！ｌ雑２６に含浸された混合液が加熱硬
化され、アーム５及び各軸１１〜１３が完成する。

又、■の方法では、炭素繊維２６が所定の交差角度で網
目状に交差する織物に液状の樹脂を含浸させてなるプリ
プレグと呼ばれる半硬化状態のシーｈ、あるいはテープ
を作用する荷Φの大きさ等を化１！シた内径、肉厚とな
るように巻いてバイブ状に形成する。そして、バイブ状
とされたプリプレグをＡ−トクレーブ（自動加熱加圧炉
）の中で硬化させてアーム５及び各＠１１〜１３が形成
ざりる。尚、■の方法の場合炭素ｍ帷２６の配向角度θ
（配列）が異なる角度となるように交差さした複数種の
プリプレグを用意しておき、応力の種類に応じてプリプ
レグを選択して使用する。

第８図にはアーム５の先端に荷重Ｆａが作用したときの
アーム５の変形状態が模式的に示されている。

この荷重Ｆａとは、本実施例の場合、手Ｖａ構６及び作
業用治具等炉口１である。イのため、外側のアーム５及
びその一つ内側の円筒軸１１は、手首機構６等を保持す
るため、荷重Ｆａによる曲げ応力の作用で撓みを生ずる
。

尚、最外周のアーム５自体は駆動力を伝達しないため、
円周方向の捩り応力が作用しない。そのため、本実施例
では、アーム５は第５図に示す如く、炭素繊Ｍ２６の配
向角度θ（配列）が引張強度の大きい角度、即ち、θ−
１０°程度となっている。従って、アーム先端部を保持
するアーム５は、手首機構６及び作業用治具等の重量あ
るいは輸送時等に加えられ可能性のある外力に耐えられ
るよう曲げ応力に対Ｊる剛性１強度が高められた炭素４
３１維強化樹脂により形成される。

又、荷重［ａとモータ７からの駆動力による捩り応力と
を受ける円筒軸１１は、曲げ応力と捩り応力に耐えうる
剛性を有するように、炭素繊維２６の配向角度θ（配列
）＝２０〜３０°稈度とした炭素１１紺強化樹脂により
形成される。

しかるに、自ＩＪＪ　ｍ心ベアリング１５．．１６によ
り軸承されている円筒軸１２、中心軸１３には、ギ１′
／１２　ａ　、　　１２　ｂ　、　　１３　ａ　、　　
１３　ｂの反力以外の曲げ応力が作用しないため、軸仝
休が若上傾く−ｔ＞のの、大きく撓むことがない。即ち
、円筒軸１２及び中心軸１３は、円周方向の捩り応力に
対りる剛性１強度を満足してさえいれば良い。従って、
第６図に示寸如く円筒軸１２及び中心軸１３は（但し、
第６図には円ｆ、Ｉ軸１２のみが示されている）、捩り
応力に対する強度が最も高くなるようにＦＡ素謀１１ｔ
２６の配向角度（配列）をθ＝４５゜稈磨としたｉＡ累
ｍｔｔｔｔ強化樹脂により形成される。

このＪ：うに、円筒軸１２、中心＠１３においては、ア
ーム５の撓み変形の影響を無視できるので、捩り剛性の
みを考慮した限界的な設計が可能となる。尚、円筒軸１
２、中心軸１３自体の曲げ方向への傾きは、両端のギｔ
１２ａ、１２ｂ、１３ａ。

１３ｂのバックラッシで吸収される。従って、アーム５
、円筒軸１１，１２、中心軸１３は、夫々に作用する応
力に応じて炭素繊Ｈ２６の配向角度θ（配列）が任意の
角度に変更されているので、夫々内径及び肉厚等の寸法
を必要最小限の限界的な寸法形状とすることができ、無
駄のない寸法にできるのでアーム５の軽量化を効果的に
実施できる。これにより、アーム５の動作特性が向上し
、工業用ロボット１の性能がより高められる。

又、自動調心ベアリング１５．１６に軸承された円筒軸
１２、中心＠１３は比較的高速で回転駆動されるが、一
般に高速回転する軸では軸自体に撓みが生ずると、軸に
捩れが発生しやすく、これが軸やベアリングの寿命低下
、振動の原因になる。

このような撓みを減らすためには軸自体の曲げ剛性を高
めれば良いが、それでは軸の重量が増加してしまうとい
った不都合が生じてしまう。しかじかなら、本実施例で
は、外側のアーム５、円筒軸１１が撓んでもベアリング
１５．１６による自動調心動作により＠１２．１３の撓
み発生がほとんど抑えられているので、上記不都合も解
消されている。

尚、上記実施例では繊維強化複合材として炭素繊維強化
樹脂を用いたが、これに限らず、ガラス繊維強化樹脂（
ＧＦＲＰ）　、ボロン繊維強化樹脂（ＲＦＲＰ）、炭化
りい県謀雑強化樹脂あるいは繊組強化金属（Ｆ　ＲＭ　
）　＠を使用しても良い。

又、上記実施例では、ベアリング１４．１５゜１６とし
て自動調心機能を有する玉軸受を用いて説明したが、こ
れに限らず自動調心ｌＮ能を有するころ軸受を使用して
も良いし、それ以外の自動調心機能を有するベアリング
であれば他の形成のものでも良い。

第９図に本発明の変形例を示す。

第９図中、モータ８の駆動力はモータ７と同様、減速機
８ａ′、ギｒ８ｂ、１２ａを介して円筒軸１２に伝達さ
れる。又、モータ９の駆動力も減速機９′、カップリン
グ２７を介して４１１１１３に伝達される。従って、各
モータ７．８．９に駆動される円筒＠１１，１２、中心
軸１３は減速様７ａ。

８ａｌ　、９ａ’　により減速された低速回転により駆
動される。

又、各軸１１〜１３間には第３のベアリング２８．２９
．３０が設けられている。

円筒軸１１，１２、中心軸１３は全て低速で回転するた
め、軸の撓みによる振動や寿命低下の問題がない。又、
各軸１１〜１３が低速回転することにより上記実施例の
場合よりもｌ＊１２．１３における駆動力伝達時の捩り
応力が減少する。本変形例では、＠１２．１３の捩り方
向の強度的な余裕で曲げ方向の強度を補う。従って、円
筒軸１２、中心軸１３が曲げ応力を受けることができる
ため、荷ｆｆ１Ｆａによる曲げ応力は４本のアーム５、
軸１１〜１３で分担できアーム全体の曲げ剛性が高めら
れている。

尚、アーム５、各軸１１〜１３間には曲げ応力を分１［
１さＵるためベアリング２８．２９．３０を追加したが
、例えば１周のベアリングで曲げモーメントを受けられ
るベアリング（例えば４点接触式のべ？リング、クロス
ローラ（Ｊのｂの等）を使用すれば、２個のベアリング
のままで良い。

尚、上記実ｔＳ例では、アーム５の後端部５ａに手首機
構駆動用のモータが設番ノられているが、本発明１．１
これに限らず、例えば支柱等に手首機構駆動用モータを
設け、このモータの駆動力をスプロケット、チェーン、
ギヤ等により各円筒軸及び中心軸に伝達する形式の工業
用ロボッ１−にも適用できる。

発明の効果 本発明になる：［業用［■ポットは、アーム及びアーム
内の各軸を繊維強化複合材により形成するとともに、強
化繊維の配列を作用する応力の種類に応じて異ならしめ
てなるため、アーム及びアーム内に内蔵された各軸の径
及び肉厚を必要最小限にしてアーム全体の限界的な小径
化、小型化を図ることにより効果的に軒昂化を図ること
ができる。

従って、アーム及びアーム内の軸をより軽い負荷で駆動
できるので、作業駆動時におＧ−Ｊるアームの動作特性
が向上し、作業用治具をより機敏に動作させることがで
き、ロボットのｆ！ｌ能をより高めることができる等の
特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる工業用ロボットの一実施例の側面
図、第２図はアームの内部構造を示す断面図、第３図は
ベアリング構造を説明するための縦断面図、第４図は手
首機構の１１断面図、第５図。 第６図は作用する応力に応じて炭泉繊維の配列を異なら
しめたことを示す一部切ａＪｉｌＦｉ面図、第７図は炭
素Ｉ！紺の配向角度（配列）に応じた曲げ剛性。 捩り剛性を示す線図、第８図は荷重Ｆａによりアームが
撓んだ状態を模式的に示す断面図、第９図は本発明の変
形例を示すアームの断面図である。 １・・・工業用ロボット、５・・・アーム、６・・・手
首機構、７，８．９・・・モータ、１１．１２・・・円
筒軸、１３・・・中心軸、１４，１５．１６・・・ベア
リング、１７．１８．１９・・・回動部材、２６・・・
炭素ＩＩ雑。 １図 第２図 第３図 １！４ｖｌＪ 旦 第５図 １！６図 １Ｉ７図 り６ １１８図 １１９図 りｎ続ネｒｌｌ　Ｘｌ−１舗 昭和６３年　８７１　９１’１ １４ｆｒ庁長官　古１１３文毅　殿 １、　１ｉｆｔの表示 昭１１１６３年　特許願　第１５１７３６号２、発明の
名称 ゛１業川ロボット ζ３．補１′を１６者 事１′１との関係　　特訂出願人 住所　〒２１０　　神奈川県用崎市用崎区富士見１１’
１ｉ１６番３３号名称（３０５）　トキコ株式会社 代表占　用　　合　　　　昂 ４、代１’ｌ！人 住所　’ｆ　１０２　　東京＃ａＳ’ｒ代川１８麹用５
°Ｊ［１７番地６、補正の対象 明ＩＩ害の発明の詳細な説明の欄。 ７、　補正の内容 （１）　　明ｍ’ＪＡ中、第６頁１０　ｈ記載の１伝達
径」を「伝達系」と補正する。 ■　同、第７頁１３行乃至１６行記載の１尚、円筒軸・
・・される、、ｊを次の通り補ＩＦする、。 「尚、円筒軸１１は減速機７ａにより減速され１駆動さ
れるが、他の円筒軸１２及び中心軸１３の回転は手首機
構６側の伝遠軽路で減速され、あるいは減速されずに伝
達される。１ ■　同、第１４頁１行乃至２行記載の１しかしかなら」
を［しかしながらｊと補正する。 図）同、第１４頁１０行記載のｒ　ＲＦ　ＲＰ　Ｊをｉ
　Ｂ　Ｆ　ＲＰ　Ｊと補正する。 ６）同、第１５頁７行乃至１５ｆ′Ｊ＆！載の［又、各
軸・・・円筒軸」を次の通り補正する。 １このように、円筒軸１１．１２、中心軸１３は全て低
速で回転するため、軸の撓みによる振動や寿命低下の問
題がない。又、各軸１１〜１３間に（ま第３のベアリン
グ２８．２９．３０が設けられているので円筒軸」

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 先端に装着された作業用治具を各方向に変位させる動作
   部を有する手首機構と、該手首機構を保持するように設
   けられたアームと、該アーム内に設けられ前記動作部に
   駆動力を伝達するように配設された軸とを有する工業用
   ロボットにおいて、前記軸とアームとは強化繊維が網目
   上に交差してなる繊維強化複合材により形成し、且つ前
   記強化繊維の配列を異ならしめたことを特徴とする工業
   用ロボット。