JPH02298482A

JPH02298482A - 垂直多関節形ロボット

Info

Publication number: JPH02298482A
Application number: JP11495289A
Authority: JP
Inventors: Fusaaki Ozawa; 小沢　房明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-05-10
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1990-12-10
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JP2585425B2

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、垂直多関節形ロボットに係り、人間の腕のよ
うに、作業に応じて肘の位置を任意に変化させることの
できる冗長自由度を備え、特に、第１の」；腕駆動モー
タ、第２の上腕駆動モータ、（：（）および前腕駆動モータの）−Ｉｔ！　Ｉｉ’：を構造を
改良した垂直多関節形ロボットに関するものである。

〔従来の技術〕

近年の産業用ロボツ１〜においては、例えば、自動車の
車体内部などに、作業具を保持する手首組立体、これを
支持する腕の一部を挿入して、密接。

シール剤の塗布２部品の組立等の作業を行う必要があり
、このため、手首部の小形化、腕の小１−１径化、さら
には動作の高速、面精度化が要求されている。

また、例えば床等の１１１１に設置された従来の多関節
形ロボットでは、上腕と前腕を含む１１／、血は常に垂
直方向に直立しているが、作業−１−の腕の挿入場所に
よっては、腕が進入経路上の障害物等に干渉してしまう
場合が多々あった。

このようなことから、−１−腕と前腕とを含む’１ｌｉ
ｌｕが、水平方向なと任意の方向に変更できる動作の柔
軟性がさらに要求されている。

これらの要求を満すＬ１ボッ１−としては、例えは神戸
製鋼技報：　Ｖ　ｏ　Ｑ　、　３７　　Ｎ（１２１：’
　３２−３５（１９８７）に記載されたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の多関節ロボットは、手首組立体に３つの直交
した回転自由度を有し、主軸部は、従来の多関節ロボッ
トの構成、すなわち旋回の自由度、上腕の回動自由度、
前腕の回動自由度の３自由度に、上腕の中間部から回動
する新しい自由度（以下、第２の上腕の旋回自由度とい
う）を追加した７自由度の多関節形ロボットである。

この多関節形ロボットの構成によると、人間の腕のよう
に、作業に応じて肘の位置を電化させて、狭隘部に入り
込んだり、作業対象物に合理的な力を加えることができ
るため、その作業性は著しく向上するなどの特徴がある
。

しかし、このロボットの前腕駆動方式は、第１の上腕内
に組込まれた駆動モータの回転出力を第２の」二腕内に
組込まれたボールねしに伝え、ナラ１への直進運動に変
換し、さらにナラ１−に固着されたチェーンを引き上げ
るか引き下げることで、前腕に固着されたスプロケット
を回動させ、前腕に回動動作を与える方式を採用してい
る。

このように、チェーンを介して、慣性の大きい前腕を駆
動する場合、チェーンを太くする、スプロケットの径を
大きくするなどによって回動軸回りの等価な回転剛性（
ねじり剛性）を高めるなどの配慮が必要である。この結
果、チェーン、スプロケット等を包含している第２の」
二腕の１−１径か太くなる。また、チェーン、スプロケ
ット、ボールねし等を包含する都合上、第２の上腕は一
般に角形断面形状となってしまい、最大のＤ径がさらに
増大する。この第２の上腕の犬１コ径化は、狭隔個所の
最深部へ第２の上腕も含めて挿入し、各種作業を行なわ
せる場合に制約を受けるという問題かあった。

さらに、前腕の回ｌｌすｊスＩ〜ロークはＬＯＯ度前後
に設定されるのが一般的であるか、このス１へローフを
確保する都合から−に１士に設置されるスプロケットの
軸間距離は長くなる。この結果、一つ手前の自由度であ
る第２の上腕の旋回自由度は、上腕の回動自由度近くに
配置されることになり、その先に配置された前腕各部の
重斌や、手首組立体の重斌に対するモーメン１−アーム
か長くなる。その分、第２の」二腕を支承する軸受に作
用する転倒モーメントは増大し、軸受や構造材が大口径
化することになり、これによって第」、の上腕を支持す
る旋回台の１コ径が太くなる。さらに、第１の上腕を駆
動するモータが旋回台に取り付けられており、口径の増
大が増長される結果となる。

このような、上院に腕旋回の自由度を持った従来の多関
節形ロボットでは、前述の作業対象物あるいは周辺装置
との干渉の他に、腕相互間の干渉問題も顕在化している
。

この点で従来技術は、ロボットの周りの作業領域を有効
に活用できないという問題もあった。

本発明は、上に従来技術における１１１！題を解決する
ためになされたもので、作業対象物２周辺装置との干渉
、および腕相互の干渉が軽減でき、ロボット周りの作業
領域を有効に活用しうる垂直多関節形ロボットを提供す
ることを、その目的とするものである。

（ｉｉｌｌ！題を解決するための手段〕上記目的を達成
するために、本発明に係る垂直多関節形ロボツ１〜のも
つとも基本的な構成は、基台と、この基台に対して第１
の回転軸心周りに旋回ｉｊＪ能に設けられた旋回台と、
この旋回台に、前記第１の回転軸心と直交する面内の第
２の回転軸心周りに回動１１ｆ能に設けられた第１の上
腕と、この第１の上腕の先端部に、前記第２の回転軸心
と直交する第３の回転軸心周りに旋１す巨ｆ能に設け１
〕）れだ第２の上腕と、この第２の上腕の先端部に、前
記第３の回転軸心と直交する面内の第４の回転軸心周り
に回動可能に設けられた前腕と、この前腕の先端部に取
り付けられた手り′紹立体と、前記の第１の上腕、第２
の上腕、および前腕を、それらの回動軸心Ｊ〜ｊりに回
転ｌψ動するモータとを備えた垂直多関節形ロボットに
おいて、前記第１の−」−腕を駆動するモータ、前記第
２の上腕を駆動するモータ、および前記前腕を駆動する
モータのそれぞれを、前記第１の回転軸心と前記第３の
回転軸心とを含む平面内にあって、かつ、前記第１．の
上腕および前記第２の上腕に、階層的に配置したもので
ある。

〔作用〕

上記技術的手段による働きは次のとおりである。

第１の−Ｌ腕を駆動するモータを上腕に配置することに
より旋回台の口径を小さくすることが可能となる。また
、第１の上腕を駆動するモータ、第２の上腕を駆動する
モータ、および前腕を駆動するモータのそれぞれを、第
１の回転軸心と第３の回転軸心とを含む平面、換言する
と第１の上腕および第２の上腕が第２の回転軸心周りに
回動する平面内で階層的に配置することにより、第１の
回転軸心周りに旋回台が回動したとき、あるいは第３の
回転軸心周りに第２の上腕が回動したときに側方への突
出物を小さくする構成を実現できる。

特に、３つのモータの回転軸を一直線となるような階層
配置などが可能となり、第４の上腕、第２の上腕の口径
を小さくすることがｉＪ能となる。

これらのことにより、作業対象物、周辺装置との干渉、
さらには腕相互の干渉が軽減でき、ロボット周りの作業
領域を有効に活用できる。

〔実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る垂直糸間ｆｆ１１０
ボットの縦断血正血図、第２図は、第１図の垂直多関節
形ロボットの外形構造を示す斜視１ソ１である。

まず、第２図を参照して全体構成について説明する。

床面等に設置される基台８上に、旋回台１か第１の回転
軸心■の周りに旋回可能に取り付けられている。この旋
回台１の上端間［二１部には、第１の回転軸心Ｉと直交
する面内で第２の回転軸心１１の周りに第１の上腕２が
回動可能に取り付けられている。さらに、第１の」二腕
２の先端側には第２の上腕３が第２の回転軸心］１と直
交する第３の同転軸心■の周りに旋回可能に取り付けら
れている。

さらに、第２の」二腕３の先端開口部には前腕４か第３
の回転軸心ＩＩＩと直交する面内の第４の回転軸心ＩＶ
の周りに回動ｊ１Ｊ能に取り付けられている。また、前
腕４の先端側には手首組立体５が取り付けられている。

手首組立体５には、中ケーシング６と、手先ケーシング
７を具備しており、手首組立体５全体は第５の回転軸心
Ｖの周りに、中ケーシング６は第６の回転軸心Ｖｉの周
りに、手先ケーシング７は第゛７の回転軸心Ｖｌｌの周
りにそれぞれ回動する。

さらに、手先ケーシング７の先端には１図示しない作業
具等が取り付けられ、図示しない制御装置により所望の
動作、さらには作業が行なわれる。

なお、第２図には、第５．第６．第゛ｌの回転軸心Ｖ　
、　Ｖｌ、　Ｗｌが互いに直交する手首組立体５を搭載
した垂直多関節形ロボッ１−の実施例を示したが、これ
ら７３つの回転軸心が々、いに直交しない構成の手首組
立体、あるいは２つの回転軸しか具備しない構成の手首
組立体など他の構造形態をとる手首組立体を搭載した垂
直多関節形ロボットに対しても、以トの詳述する本発明
が適用ｉ■能であることは言うまでもない。

次に、第１−図を参照して上述の４ｉ；直多関節形ロボ
ットの具体的な内部構造を説明する。

第１１ヌロこ示すように、前記の旋回台１には、軸受１
６を介して基台８に旋回ｉ＋Ｊ能に支承されている。こ
の旋回台Ｊには、旋回用の＄　ｌｊＪモータ１０がモー
タベース１８に取り付けられており、旋回用の駆動モー
タ１０の出力ｄｉｌｌｌ　ｌ　、１は、１対のかさ歯車
１２．１３を介して減速機↓５の人力軸１４へ接続され
ている。この旋回用の減速機１５は、基体１５−１が前
記の基台８に、出力体［５−２が旋回台１に固着されて
いる。

旋回台１の−Ｌ方に位置する前記第１の上腕２は、旋回
台１の上方開口部に軸受２６，２４を介して回動可能に
支承されでいる。

この第１の」−腕２の上端部にば、第］−の１−腕片の
駆ｔ）＋モータ２０が−１−述の旋回台Ｊ−の開１−１
部の空間を、第２の回転軸心１」の周りに回動できるよ
うに取り付けられでいる。

さらに、第１の上腕２用の駆動モータ２０の出力ＩＩＩ
ＩＩ１２１は、１対のかさ歯車２２．２３を介して第１
の上腕２用の減速機２５の入力軸２４へ接続されている
。この第１の上腕用の減速機２５は、基体２５−１が前
記旋回台１の開口部の一端に、出力体２５−２が第１の
上腕２の側面にそれぞれ固着されている。また、第１の
上腕２の上端部分は２重の内油構造となっており、内側
の円筒軸３８は軸受３６，３７を介して第１の上腕２に
旋回可能に支承されている。さらにこの円筒軸３８の上
端は前記第２の上腕３に固着され、下端は第２の上腕用
の減速機３５の出力体３５−２に固着されている。第２
の上腕３用の減速機３５の基体３５−１は、第Ｊ、の上
腕２の中はどに設けられた仕切板２８に固着されており
、この仕切板２８の下端に取り付けられた第２の上腕用
の駆動モータ３０の出力軸３１は、第２の上腕用の減速
機３５の人力軸（図示せず）に嵌着している。

第２の上腕３の上方に位置する前記の前腕４には、下向
き凹状の取付部材４８が一体成形されており、この取付
部材４８が第２の上腕３の上端に設けられた開口部に軸
受４６，４７により回動可能に支承されている。一方、
前述の円筒軸７３８の内部には前腕４用の駆動モータ４
０が取り付けられており、このモータ４０の出力軸４１
ばＪ一対のかさ歯車４２．４３を介して前腕用の減速機
４５の入力軸４４へ接続されている。この前腕用の減速
機４５は、基体４５−土が第２の−に腕３の開１１部の
一端に、出力体４５−２は前腕の取付部月４８の側面に
、それぞれ固着されている。

なお、本実施例においては、手首組立体５自体の構造お
よび駆動機構はＦ−１＜要でないので、それらの詳細な
図示および説明は省略されている。

また、上述した減速ｆｉ１５’、２５，３５．４！−５
は、例えばハーモニックドライブ（部品名）などが採用
され、小形でかつ高減速比（１１５０か６１／１５０程
度）が得られるものである。

次に、第２図および第１図にボした一実施例の作用につ
いて説明する。

第１図において、旋回用の駆動モータ」Ｏを回転させる
と、回転動力はモータ軸」−１，かさ歯１４イ対１２．
１３を介して減速機１５の人力軸１４へ伝えられ、減速
機］５によって減速され、基体１５−１　、出力体１！
′５−２の間に相対回転運動を生じせしめる。基体１ｂ
−１は、ロボット基台８に固着されていることから、出
力体１５−２に固着された旋回台は反作用を受け、第１
の回転軸心■の周りに旋回することになる。

なお、旋回台１にモータベース１８を介して取り付けら
れた駆動モータ１０も一緒に旋回動作する。同様に、そ
れぞ′れの駆動モータ２０，３０゜４０を回転させると
、同様な伝達要素、さらには動力伝達系の最終段に配置
された減速機２５゜３５．４５を介して第１の上腕２．
第２の上腕３、前腕４がそれぞれの回転軸周りに回動も
しくは旋回動作する。

上述した実施例によれば、軸方向に比較的長い第１の上
腕用の駆動モータ２０．第２の上腕用の駆動モータ３０
．前腕用の駆動モータ４０の３つのを第７３の回転軸心
Ｉ１１に軸線上に直列的に配置しているので、第１の上
腕２および第２の上腕３の口径を小さくできる。しかも
、前腕４用の駆動モ一夕４０を円筒＄＋ｌ＋　３８の内
部、すなわち、第１−の上腕２の内部に８己置したこと
で１円筒軸３８を介して第２の上腕３を支承する位置が
第２の回転軸心■と、第４の回転軸心）■との間のかな
り−１一方に位置させることか１可能である１、このことにより、その先に配置された前腕４各部の型巣
や、手首組立体５の重量に対するモーメントアームが短
かくなり、その結果、軸受３６゜３７、第１の上腕２の
口径を細くできる。また、旋回台１の上方間［１部の第
１の上腕２を支承する部分の簡素化が促進され、旋回台
１の口径を細くできる。さらに、第１１の上腕２用の駆
動モータ２０を第２の回転軸心】Ｉの一ト方に配置させ
たことで、第１および第２の上腕２，３が傾斜した場合
に作用する第２の回転軸心ＩＩの周りの重力モーメント
に対して反対向きのモーメン１〜として作用することか
ら、駆動用モータ２０のトルクが軽減できる。

さらに、各減速機１５，２５，３５．４５を動力伝達系
の最終段、換言すると最終出力部材の直（１ｂ）前に装置したことで、前段の各かさ歯車対１２゜１３．
２２，２３、および４２．４３のバツクラツシは、減速
比により縮小され、最終出力部材である旋回台］−２第
１の上腕２．第２の上腕３、前腕４の動作においては無
視し得るぼどの微小なものとなり、位置決め精度はよく
なる。しかも、バツクラツシを除去するために要する組
立、調整時の労力も大幅に軽減される。

本実施例によれば、作業対象物２周辺装置との干渉、お
よび腕相互の干渉が軽減でき、ロボット周りの作業領域
を有効に活用できる垂直多関節ロボットを提供できる。

次に、第３図は、本発明の他の実施例に係る垂直多関節
ロボットの縦断血正血図で、図中、第１図と同一符号の
ものは、先の実施例と同等部分を爪す・第８図の実施例では、高トルクモータすなわち周知のタ
イレフト・ドライブモータを用ｔて、直接、被駆動体で
ある旋回台］Ａ、第」の上腕２Ａ。

第２の上腕３Ａ、および前腕４を駆動するように構成さ
れている。

なお、近年のダイレクト・ドライブモータは、ハウジン
グにロータおよび外部負荷を支承する軸受、および高分
解能検出器等を内蔵した一体形のモータユニットとして
発売されるようになってきている。したがって、第３図
の実施例では、このモータユニットを単に駆動モータと
して図ボしている。

第３図において、旋回用の駆動モータＩＯＡは、内側固
定体１０−１をロボツ１−の基台８に、外側回転体１０
−２を旋回台１にボルト等により固イ゛ｔしており、第
１の回転軸心Ｉの周りに旋回台１Ａを旋回動作させる。

第１の」１腕用の駆動モータ２ＯＡは、外側同転体２０
−２を第」−の上腕２Ａに、内側固定体２０−１−の両
端を旋回台」Ａの一１〕方開口部に固着しており、第１
の回転−１ｍ＋心Ｉと直交する第２の回転軸心ＩＩの周
りに第」の−１−腕２Ａを回動させる。第２の上腕用の
駆動モータ３０Ａは、内側固定体３０−１を第１の」−
腕２Ａに、外側回転体３０−２を第２の上腕３Ａに固着
しておリ、第２の回転軸心ＩＩと直交する第３の回転軸
心Ｉｌｌの周りに第２の」１腕３Ａを旋回動作させる。

前腕４用の駆動モータ４ＯＡは、外側固定体４〇−２を
第２の上腕３Ａに、内側回転体４０−１の両端を、前腕
４に一体成形された下向き凹状の取付は部材４８に固着
しており、第３の回転軸心Ｉ１１と直交する第４の回転
軸心ＩＶの周りに前腕４を回動させる。

第３図の実施例によれば、第１−の上腕２Ａを開動する
モータ２ＯＡを旋回台ＩＡの上方開口部の間に配置して
いること、および前腕用の駆動モータ４０Ａを凹状の取
付は部材４８の間に、配置していることにより、第１の
上腕２Ａ、第２の上腕３Ａの口径、さらには旋回台Ｊ−
Ａの口径を最小にできる。

また、ロボットの基台８から第２の回転軸心■までの高
さ、およびロボットの全品を低くできる。

この他、かさ歯車等の動力伝達要素、減速機が省略され
、組立性、保守性が向上できるとともに、これら伝達要
素や減速機に起因したバツクラツシ。

摩擦２強度、剛性などの諸問題からも解放され、高速で
高精度な動作が実現できるという本実施例特有の効果が
ある。

次に、第４図は、本発明のさらに他の実施例に係る垂直
多関節ロボツ１〜の断面一部透視側曲図である。図中、
先の第Ｊ−２２図と同一符号のものは同等部分であるの
で、その説明を省略する。

第４図の実施例では、第２の回転軸心１１を第」の回転
軸心■から距離りだけ前方にすらして支承するように旋
回台１−１３を形成し、かつ、第４の−１−腕２Ｂ用の
駆動モータ２０を、第１の回転軸心ｌと第３の回転軸心
ＩＩＩを含む平面円で傾斜させて配置できるように、第
１の上腕２Ｂの前記駆動モータ２０取付部を傾斜させて
いる。

そして、第４１ｓＹ＋の実施例では、第２の上腕３１Ｊ
。

用の駆動モータ３０と、面腕４川の１駆動モータ４０と
を、第３の回転軸心■の’ｌ／−ｉｆ＋ｉ内で、かつ、
前記第１の上腕２Ｂおよび第２の上腕３　Ｂに、ｊｊ、
１７層的に配置したものである。

第４図の実施例によれは、第１の上腕２　Ｂ　＊：よび
第２の一ヒ腕；３Ｂを後方に傾斜させたときに、旋回台
１１３から前方へ突出する部分、すなわち第１の」１腕
２１つ川の１駆動モータ２０の平端部が旋回台ＩＡの開
口部前側面からはみ出す景をノＪ１さくできる。

また、第１の回転軸心１から、手首組立体５の先端の手
先ケーシング７までの旋回半径が距ｆｉＬだけ長くなる
。したがって、同一の回転速度で旋回用の駆動モータ１
０を回転させた場合、手先ケーシング７での動作速度は
、旋回半径が大きい分だけ高速にできるという本実施例
特有の効果がある。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、作業対
象物２周辺装置との干渉、および腕相互の干渉に軽減で
き、ロボット周りの作業領域を有効に活用しうる垂直多
関節形ロボットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る垂直多関節形ロボツ
１〜の縦断面正面図、第２図は、第１図の垂直多関節形
ロボツ１−の外形構造をボす斜視図、第３図は、本発明
の他の実施例に係る垂直多関節形ロボツ１−の縦断１ｒ
１１正面図、第４図は、本発明のさらに他の実施例に係
る垂直多関節形ロボットの断面一部透視側面図である。１、ＬＡ、、ＩＢ・・・旋回台、２，２Ａ、２Ｂ・第］
の上腕、３，３Ａ、３Ｂ・・第２の上腕、４・・前腕、
５・・・手首組立体、８・・・基台、］　０，１　ＯＡ
、２０゜２０Ａ、３０．３ＯＡ、４０．４ＯＡ・・・駆
動モータ。第　／　圀第　、２．　　呂第　〈−凹

Claims

【特許請求の範囲】１、基台と、この基台に対して第１の回転軸心周りに旋
回可能に設けられた旋回台と、この旋回台に、前記第１の回転軸心と直交する面内の第
２の回転軸心周りに回動可能に設けられた第１の上腕と
、この第１の上腕の先端部に、前記第２の回転軸心と直交
する第３の回転軸心周りに旋回可能に設けられた第２の
上腕と、この第２の上腕の先端部に、前記第３の回転軸心と直交
する面内の第４の回転軸心周りに回動可能に設けられた
前腕と、この前腕の先端部に取り付けられた手首組立体と、前記の第１の上腕、第２の上腕、および前腕を、それら
の回動軸心周りに回転駆動するモータとを備えた垂直多
関節形ロボットにおいて、前記第１の上腕を駆動するモ
ータ、前記第２の上腕を駆動するモータ、および前記前
腕を駆動するモータのそれぞれを、前記第１の回転軸心と前記第３の回転軸心とを含む平面
内にあつて、かつ、前記第１の上腕および前記第２の上
腕に、階層的に配置したことを特徴とする垂直多関節形
ロボット。２、基台と、この基台に対して第１の回転軸心周りに旋
回可能に設けられた旋回台と、この旋回台に、前記第１の回転軸心と直交する面内の第
２の回転軸心周りに回動可能に設けられた第１の上腕と
、この第１の上腕の先端部に、前記第２の回転軸心と直交
する第３の回転軸心周りに旋回可能に設けられた第２の
上腕と、この第２の上腕の先端部に、前記第３の回転軸心と直交
する面内の第４の回転軸心周りに回動可能に設けられた
前腕と、この前腕の先端部に取り付けられた手首組立体と、前記の第１の上腕、第２の上腕、および前腕を、それら
の回動軸心周りに回転駆動するモータとを備えた垂直多
関節形ロボットにおいて、前記第２の回転軸心を前記第
１の回転軸心から所定距離だけ前方にずらすように前記
旋回台を形成し、かつ、前記第１の上腕を駆動するモータを、前記第１の
回転軸心と前記第３の回転軸心を含む平面内で傾斜させ
て配置するとともに、前記第２の上腕を駆動するモータと前記前腕を駆動する
モータとを、前記第３の回転軸心の平面内にあつて、か
つ、前記第１の上腕および第２の上腕に、階層的に配置
したことを特徴とする垂直多関節形ロボット。