JPH02190288A

JPH02190288A - 工業用ロボット等の手首機構

Info

Publication number: JPH02190288A
Application number: JP1012258A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakamura; 智中村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-01-20
Filing date: 1989-01-20
Publication date: 1990-07-26
Also published as: US5050450A; EP0378932A1

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、工業用ロボット等の手首機構に関し、さらに
詳しくは３組の手首関節の動作が駆動側から順次揺動、
揺動、旋回であるようになした工業用ロボットやマニピ
ュレータ等の手首機構の改良に関する。

〔従来技術〕

上記したような３組の手首関節を有する工業用ロボット
等の手首機構において、汎用的に用いられるものは、第
５図（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、それぞれの関
節の動作が、駆動源８０に近い方から、旋回−揺動−旋
回型の手首機構１□　（同図（ａ））と、揺動−揺動−
旋回型の手首機構１ト　（同図（ｂ））とに大別される
。

旋回−揺動−旋回型の手首機構１００□については、そ
の構造が比較的簡単で済むことから多用されてきた。

しかし、同図（ａ）に示すように、駆動源８０を内臓す
るアーム５１と、以下、従動側に向けて順次連結された
、旋回関節８１．、第１手首要素１ａ。

揺動関節８２１．第２手首要素２１．旋回関節８３８、
および工具取付軸である第３手首要素３１とが平面で見
て直線上に位置するような場合には、上記旋回関節８１
．の従動側に連結された第１の手首要素１ａと、旋回関
節８３．の従動側に連結された第３手首要素３ａとが同
一方向（矢印８４と矢印８５、または矢印８６と矢印８
７）に同時に駆動することのできる軸となる。

そのため、駆動制御させる際に必要となる目標点や補間
点を演算することが困難になり、上記した２つの手゛７
賢要素１□、３ａのうちのいずれの手首要素を駆動すれ
ばよいか判断することができなくなることから、上記手
首機構１００．全体の制御が不能になる。

すなわち、このような予測不能且つ制御不能な状態が上
記手首機構１００ａの動作範囲中に生じることを避ける
ため、上記手首機構１００ａは、ワーク（作業対象物）
が静止しているものや、ワークが搬送されている場合で
もロボット全体を台車に載置させて上記ワークに追随さ
せて教示通りの再生動作が行われるような、いわゆるワ
ークとロボントとが相対的に静止状態に近いような環境
にあるものに適している。

一方、同図（ｂ）に示す揺動−揺動一旋回型の手首機構
１００１．は、さらに同図（Ｃ）に示されるように、そ
の揺動関節８２トが±９０度の角度にて回転し、アーム
５トと第３の手首要素３Ｉ、とがそれぞれの軸方向に平
行となった場合に、上記したような制御不能領域に陥る
。

ところが、上記したような角度における動作は、上記手
首機構の１００１．の動作範囲の終端近傍にあるので、
実用上は問題にならない。

従って、このような手首機構１００しは、連続コンベア
によるワークの流れ作業、例えば、塗装。

溶接、あるいはシーリング作業などに適している。

上記したような揺動−揺動一旋回型の手首機構１００）
、は、例えば特開昭６１−２５７９６号公報に開示され
たものが知られている。

−瓜的に、減速機と手首要素との間には、回転伝達部品
の噛合部で発生するバンクランシュが、手首機構精度上
の「ガタ」となって悪影響を及ぼすことから、上記噛合
部におけるバンクラッシュ除去のための構成部品が必要
とされる。

また、駆動源と減速機との間においては、手首要素側に
比べると減速比（１／１００乃至１１５０）倍されるこ
とから、上記バックラッシュは非常に小さなものになり
、手首機構の動作に悪影響を及ぼすことも少ない。その
ため、噛合部でのバックラッシュ除去対策は講じられな
いことが多い。

上記の手首機構１００１．は、第６図乃至第９図に示す
ように、水平アーム５トの根元部に第１乃至第３手首要
素ｔｂ、２ｔ、、３ｂを駆動させるモータ８Ｂ、８９．
９０が、それぞれ内蔵されている。さらに、上記それぞ
れのモータ８Ｂ、８９゜９０には、その回転速度を１／
１００乃至１１５０程度に減速して上記手首要素１＆、
２＋、、３ｔ。

に伝達するように、減速６９１．９２．９３が隣接して
配設されている。

ここで、モータ８Ｂ、８９．９０から手首要素ｌｂ、２
ｈ、３＆までの回転の伝達経路を概説する。先ず、第１
手首要素１トについては、水平アーム側のモータ８８に
よる高速の回転が、減速機９１により減速された後に駆
動軸９４に伝達され、さらに傘歯車対９５、伝達軸９６
、歯車９７を経て、チェーン９８を介して手首側に伝達
される。

次いで、上記した回転が、手首側の歯車９９に伝達され
て、上記歯車９９が固着された第１手首要素１トは紙面
（第４図）に直角な方向に揺動する。

同様に、第２手首要素２＋、については、モータ８９に
よる回転が、減速機９２等から歯車１０１に伝達され、
チェーン１０２を介して歯車１０３１０４．１０５，１
０６を経て、傘歯車対１０′ｌに伝達される。さらに、
歯車１０Ｂから歯車１０９へ伝達され、上記歯車１０９
に固着された第２手首要素２しが第４図の紙面に平行な
方向に揺動する。

また、第３手首要素３トについて、減速機９３により減
速されたモータ９０からの回転は、歯車１１Ｏ，チェー
ン１１１．歯車１１２に順次伝達され、さらに、歯車１
１３，１１４，１１５を経て、傘歯車対１１６に至る。

そして、上記した回転は、歯車１１７，１１８から傘歯
車対１１９に伝達され、上記傘歯車対１１９の一方が固
着された第３手首要素３Ｉ、を旋回させる。

上記したような工業用ロボット等の手首機構１００ｂは
、手首要素を駆動する機構が全て円運動によって制御さ
れるので、位置決め精度を高くすることができる点で優
れたものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記したような従来の工業用ロボット等
の手首機構においては、減速機が、モータの近傍で、水
平アームの根元部に配設され、手首機構から離れた位置
にある。さらに、減速機と手首要素との間の動力伝達部
品としては、高いトルクの動力に耐えるために高強度の
ものが要求されるとともに、バンクラッシュ除去のため
の構成部品を必要とすることから部品点数の多いものと
なる。それにより、手首機構及び水平アームが、大型化
並びに重置増大化するとともに、機械的剛性が低いもの
になるといった問題点があった。

従って、本発明の目的とするところは、手首要素の動作
が、駆動側から従動側に向けて順次１ｇ動揺動−旋回で
あるタイプの手首機構において、伝達部品点数が少なく
、小型軽量でかつ剛性の高い工業用ロボット等の手首機
構を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明が採用する手段
は、その要旨とするところが、１個の駆動側手首要素と
該駆動側手首要素に対して揺動あるいは旋回する１個の
従動側手首要素とによって１組の手首関節が構成され、
順次連結された３組の手首関節の自由度が駆動側から順
次揺動、揺動旋回であるようになした工業用ロボット等
の手首機構において、動作させようとするそれぞれの関
節を構成している駆動側手首要素の上記関節側の端部に
減速機が設けられたことを特徴とする工業用ロボット等
の手首機構である。

〔作用〕

上記工業用ロボット等の手首機構において、水平アーム
根元部にあるモータを駆動すると、その回転は、歯車、
チェーンなどの伝達部材を経て、低トルクで水平アーム
先端の手首機構まで伝達される。

さらに、上記の回転は、作動させようとする従動側手首
関節と対をなして手首関節が構成される、駆動側手首要
素の手首関節近傍に配設された減速機まで伝達される。

次いで、上記減速機により減速されるとともに高トルク
化された回転は、上記減速機の従動軸と直結、若しくは
減速機との間に小数の伝達部材を介して連結された従動
側手首要素に伝達されて、上記手首要素を作動させる。

このように、伝達される回転が、従動側手首要素の近傍
まで低トルクにて伝達されるために高強度の伝達部品を
必要としない。また、上記減速機が手首要素近傍に配設
されていることから、バックラッシュを除去するための
構成部品を少なくすることができる。

〔実施例〕

引き続き、第１図及び第２図を参照して本発明を具体化
した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。ここ
に第１図は本発明の一実施例に係る手首機構の側断面図
、第２図は第１図におけるＡ−Ａ矢視断面図、第３図は
本発明の別の実施例に係る手首機構の平断面図、第４図
は前記手首機構の側断面図である。

尚、以下の実施例は、本発明の一具体例に過ぎず、本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

上記した工業用ロボット等の手首機構１００において、
第１手首要素１の揺動用モータ（不図示）に連結された
駆動軸４は、水平アーム５の先端に取り付けられた軸受
６により、水平アーム５に回転可能に支承され、その先
端に傘歯車７が設けられている。該傘歯車７は、水平ア
ーム５に軸受８を介して支承される伝達軸９の一端に固
着された傘歯車１０と直交状に噛み合っている。上記伝
達軸９の他端は、公知のハーモニックドライブ減速ａｌ
ｌ（ハーモニックドライブシステムズ社製、商標、以下
減速機という）の駆動円盤１１．に固着されている。そ
して、上記減速機１１の固定側外歯車１１１．は、水平
アーム５に固着されるとともに、その従動側外歯車１１
ｃは、上記伝達軸９に軸受１５を介して回転可能に支承
され、その外径側が水平アーム５に軸受１２を介して軸
支された回転伝達盤１６の片面に固着されている。上記
回転伝達盤１６は、その他面に歯車１７が固着されてい
る。該歯車１７は、伝達軸１８および中空軸１９を挿通
するように軸方向に向けて軸芯部が中空で、水平アーム
５側に軸受２０を介して回転自在に支承される中空軸２
１に固着された歯車２２と噛み合っている。さらに、上
記中空軸２１の先端には、すなわち上記減速機１１の近
隣に、且つ上記中空軸２１の従動側に、揺動させようと
する第１手首要素１が固着されている。このとき、第１
手首要素ｌは、その軸芯が上記中空軸２１と直角に配設
されている。

次いで、第２手首要素２の揺動用モータ（不図示）に連
結された駆動軸２３は、軸受２４により、水平アーム５
に回転可能に支承され、その先端に傘歯車２５が設けら
れている。該傘歯車２５は、上記中空軸２１の内径側に
配設された軸受２６゜２７を介して中空軸２１に回転自
在に同軸で支承される中空軸１９の一端に固着された傘
歯車２８と直交状に噛合している。上記中空軸１９の他
端に固着された傘歯車２９は、第１手首要素１に軸受３
０，３１を介して回転自在に支承される連結軸３２の一
端に固着された傘歯車３３と直交状に噛み合っている。

他端にブーＩＪ３４が固着される上記連結軸３２が回転
すると、その回転は、上記プーリ３４に配設されたタイ
ミングベルト３５により、第１手首要素１の先端に向け
て伝達される。

そして、第２手首要素２に向けて揺動用モータの回転を
減速し、伝達させるための減速機３６が、第１手首要素
１の先端に配設されている。さらに、上記減速機３６に
おいて、固定側外歯車３６しは、第１手首要素ｌに固着
され、従動側外歯車３６ｃは、その外径側が第１手首要
素１に軸受３７を介して回転自在に支承されるとともに
、その内径側が軸受３８を介して伝達軸３９を支承する
中空円板状の回転伝達盤４０の片面側に固着されている
。

上記伝達軸３９は、外側の端部が軸受４１を介して、第
１手首要素１に支承されるとともに、その先端に上記タ
イミングベルト３５に連結されたプーリ４２が設けられ
ている。そして、上記伝達軸３９の従動側の中間部には
、上記減速機３６の駆動円板３６ｍが固着されている。

上記した回転伝達盤４０の他面側は、第２手首要素２に
固着されている。上記回転伝達盤４０は、その回転軸芯
が上記伝達軸３９と回忌で、第２手首要素２の軸芯と直
角に配設されている。

さらに、第３手首要素３の旋回用モータ（不図示）に連
結された駆動軸４３は、軸受４４，４５により水平アー
ム５に回転自在に支承され、その先端に傘歯車４６が固
着されている。前記連結軸１８は、その一端が水平アー
ム５に軸受４７を介し、その略中央部が上記中空軸１９
に軸受４８゜４９を介し、そして、その他端が第１図手
首要素１に軸受５０を介してそれぞれ回転自在に支承さ
れている。上記連結軸１８は、その駆動側に上記傘歯車
４６と直交状に噛合する傘歯車５１が固着され、その従
動側に傘歯車５２が固着されている。

第１手首要素１に軸受５３．５４を介して回転自在に支
承された連結軸５５は、その先端にプーリ５６が固着さ
れるとともに、その末端に傘歯車５７が上記傘歯車５２
と直交状に噛合するように固着して配設されている。そ
して、第１手首要素１の先端に固定側外歯車５８トが設
けられ、中空円板状の回転伝達盤５９に従動側外歯車５
８ｃが固着された減速機５８は、その伝達軸６０が、軸
受６１を介して第１手首要素１に支承されるとともに上
記回転伝達盤５９の内径側に軸受６２を介してそれぞれ
回転自在に支承されている。上記伝達軸６０は、その一
端にプーリ６３が固着され、上記プーリ５６とタイミン
グベルト６４によって連結されている。軸受６５を介し
て第２手首要素２に回転自在に支承される傘歯車６６は
、上記伝達軸６０の従動側端部に固着されている。上記
傘歯車６６は、第２手首要素２に軸受６７．６Ｂを介し
て回転自在に支承されるとともに、第３手首要素３と一
体の連結軸６９に固着された傘歯車７０と直交状に噛み
合っている。そして、塗装用、溶接用、またはシーリン
グ作業用等の塗装ガン、熔接トーチ等の工具は、上記第
３手首要素３の先端に取りつけられている。

上記したように構成される工業用ロボット等の手首機構
１００において、その動作を説明すると、第１手首要素
１の揺動用モータが回転して駆動軸４が回転すると、こ
の高速の回転は、駆動軸４の先端に固着された傘歯車７
とそれに噛合する傘歯車１０とを介して伝達軸９に伝達
される。上記伝達軸９に固着された減速機１１の駆動円
盤１１゜の回転は、上記減速機１１を構成する固定側外
歯車１１＋、、可撓性リング状のフレクスプライン（不
図示）、従動側外歯車１１ｃの相互の機構により減速さ
れて、低速にて従動側外歯車１１Ｃに伝達される。そし
て、上記従動側外歯車１１Ｃの回転は、回転伝達ｌｌ１
１６を挟持するように歯車１７に伝達され、上記歯車１
７と噛合する歯車２２を経て、中空軸２１に伝わる。そ
れにより、上記中空軸２１の先端に固着された第１手首
要素１が、低速で揺動する。

次いで、第２手首要素２の揺動用モータが回転し、駆動
軸２３が回転すると、その回転は、傘歯車２５．２８を
介して中空軸１９に伝達され、上記中空軸１９の先端に
固着された傘歯車２９に伝達される。上記傘歯車２９と
噛合する傘歯車３３を介して連結軸３２が高速で回転し
、その回転が、プーリ３４、タイミングベルト３５、プ
ーリ４２に順次伝達され、プーリ４２が固着された伝達
軸３９に伝わる。そして、上記伝達軸３９に固着された
減速機３６の駆動円盤３６□の高速回転が減速されて、
回転伝達盤４０が低速で回転する。それにより、上記回
転伝達盤４０に固着された第２手首要素２が低速で揺動
する。

続いて、第３手首要素３の旋回用モータが回転すると、
その回転が駆動軸４３に伝達され、その先端に固着され
た傘歯車４６が回転する。そして、上記傘歯車４６と噛
み合う傘歯車５１が回転し、その回転が連結軸１８に伝
達され、傘歯車５２゜５７を介して連結軸５５に伝わる
。さらに、上記連結軸５５の先端に固着されたプーリ５
６の回転は、タイミングベルト６４およびプーリ６３を
経て、伝達軸６０へ伝達される。そして、減速機５Ｂの
駆動円盤５８１に伝達された高速の回転は、減速された
後に、回転伝達盤５９から該回転伝達盤５９に固着され
た傘歯車６６に伝わる。それにより、第３手首要素３と
一体で、且つ上記傘歯車６６と噛合する傘歯車７０が一
端に固着された連結軸６９は、低速で旋回する。

上記したように、本実施例における手首要素は、３組の
手首関節が駆動側から順に揺動、揺動、旋回の動作を行
うと共に、駆動させようとする手首要素の近傍に減速機
が配設されているため、手首要素の近傍まで駆動源の回
転を低トルクで伝達することができる。また、駆動源の
回転が、対応する手首要素の直前にて減速されるので、
高速回転時の回転ムラ、あるいは回転伝達部品のガタ等
が軽減された後に手首要素に伝達されるため、手首要素
における位置決め精度が向上する。

ここでは、本実施例に係る手首機構の軸芯は、水平アー
ムの軸芯に対して偏芯しているが、それぞれの軸芯を一
致させてもよい。

例えば、別の実施例として、第３図及び第４図に示すよ
うな手首ａ横１００’である。第１図及び第２図に示し
た先の実施例の構成要素に対応する要素には、ダッシュ
を付けて示す。

この手首機構１００′が、先の実施例に係る手首機構１
００と異なる点は、手首要素１’、２’３を駆動させる
ために、それぞれに対応するモータ（不図示）からの回
転を伝達する各伝達軸９′（中空軸）、１９’　　（中
空軸）、１Ｂ’　と、水平アーム５′とが、すべて回忌
に構設されたことである。

ここに、？’　、２５’　、４６’は、順に前記伝達軸
９’、１９’、１Ｂ’の水平アーム５′側端部にそれぞ
れ固着され、それぞれに対応する前記モータに連結され
た駆動軸（不図示）からの回転を伝達する歯車である。

そして、１１’、３６’５８′は、順に第１手首要素１
′、第２手首要素２′、第３手首要素３′のそれぞれに
向けて伝達される回転を減速する減速機を示す。

上記したように構成される手首要素１００′は、先の実
施例に係る手首機構１００と比べると、その体躯がより
コンパクトになる。尚、その動作及び作用については、
手首機構１００の場合と変わるところがないので、ここ
では説明を省略する。

尚、本実施例においては、回転伝達手段の一部としてプ
ーリとタイミングベルトを用い、減速手段としてハーモ
ニックドライブ減速機を用い、そして、噛合伝達手段と
して傘歯車を使用したが、これらはそれぞれに限定され
るものではなく、他の部材に代替させることができる。

〔発明の効果〕

本発明は、上記したように、１個の駆動側手首要素と該
駆動側手首要素に対して揺動あるいは旋回する１個の従
動側手首要素とによってｌｔｌの手首関節が構成され、
順次連結された３ｍの手首関節の自由度が駆動側から順
次揺動、揺動、旋回であるようになした工業用ロボット
等の手首機構において、動作させようとするそれぞれの
関節を構成している駆動側手首要素の上記関節側の端部
に減速機が設けられたことを特徴とする工業用ロボット
等の手首機構であるから、駆動させようとする手首要素
の近傍まで低トルクで駆動源の回転を伝達することがで
きる。そのため、手首要素の近傍まで高強度の回転伝達
部品を配設する必要がない、また、バックラッシュを除
去するための構成部品がほとんど必要でなくなり、部品
点数を減少させることができる。それにより、水平アー
ムおよび手首要素を小型軽量化することができる。その
結果、水平アームおよび手首要素の機械的剛性を大きく
することが可能になるとともにそれぞれの駆動源の容量
を低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る手首機構の側断面図、
第２図は第１図におけるＡ−Ａ矢視断面図、第３図は本
発明の別の実施例に係る手首機構の平断面図、第４図は
前記手首機構の側断面図、第５図は手首機構の関節の動
作を説明するもので、同図（ａ）は旋回−掃動一旋回型
手首機構の模式図、同図（ｂ）は揺動−揺動−旋回型手
首機構の模式図、同図（Ｃ）は同図■）におけるアーム
と第３手首要素とのそれぞれの軸が平行になった場合の
模式図、第６図は本発明の背景の一例である従来の手首
機構の平断面図、第７図は第６図におけるＢ−Ｂ矢視断
面図、第８図は上記手首機構及び該手首機構が具備され
た水平アームの部分平断面図、第９図は上記手首機構及
び上記水平アームの部分側断面図である。〔符号の説明〕１００．１００’ １００Ｉ。・・・手首機構・・・第１手首要素・・・第２手首要素・・・第３手首要素３６’、５８．５８’ ９２．９３・・・減速機。１００、。１．１’、１□、１し２．２’　、２ａ、２＋。３．３’、３ａ、３ｔ。１１、　１１’、３６゜

Claims

【特許請求の範囲】１、１個の駆動側手首要素と該駆動側手首要素に対して
揺動あるいは旋回する１個の従動側手首要素とによって
１組の手首関節が構成され、順次連結された３組の手首
関節の自由度が駆動側から順次揺動、揺動、旋回である
ようになした工業用ロボット等の手首機構において、動作させようとするそれぞれの関節を構成している駆動側手首要素の上記関節側の端部に減速機が
設けられたことを特徴とする工業用ロボット等の手首機
構。