JPH03104574A - 多関節形ロボツト - 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，産業用ロボットに係り、特に冗長自由度を有
する多関節形ロボットに関する．〔従来の技術〕 従来の装置としては例えば特開昭６２−１９３７８９号
公報に記載されているロボットがある．このロボットは
上腕に旋回する軸を追加したタイプの７自由度の関節形
ロボットで、独立的に駆動され、ユニット化したアーム
部片の構或により、汎用及び種々の専用的用途双方に適
したアーム形態を得らるようにするものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、自由度を増す軸の配置及びその軸を駆
動する、アクチュエータ，減速機等よりなる駆動要素の
配置について配慮がされておらず、上腕軸，旋回軸用ア
クチュエータが大きくなること、また、上腕以下の根元
の構造が大きくなるという問題があった． 即ち、上記従来技術の構或では、上腕旋回軸を設けたた
め、閉ループリンク機構が取れなくなる。

そのため、前腕関節，上腕旋回関節にそれぞれアクチュ
エータを配置すると、まず、上腕旋回軸用アクチュエー
タの容量を，前腕軸用アクチュエータとほぼ同程度にし
なければならないこと，そのようなアクチュエータ２個
が、より根元の軸である上腕，旋回の負荷となり、上腕
軸，旋回軸用アクチュエータの容量がかなり大きなもの
になること、またその部位の構造も頑丈にする必要があ
り、大きくなってしまうことにより，外観がかなり大き
くなり，産業用としてはスペースの制約から不適となる
．これを避けるために，前腕軸及び上腕旋回軸用アクチ
ュエータを上腕３下位に配置して、できるだけ重力バラ
ンスを取るようにした例もある．しかし，この場合には
上腕旋回関節，前腕関節まで動力を伝達する必要があり
、その伝達部分も根元の関節の負荷となること、またア
クチュエー夕と関節との距離が大きくなると、伝達部分
でガタ，ねじれを生じて剛性の低い構造となり，手首先
端で精度が出なくなったり振動したりすることになる． また、上腕旋回軸を設ける構造であるため、閉ループリ
ンク機構が配置できないので、前腕軸用アクチュエータ
を根元に持ってくることができない．そのため、アーム
部分が重くなり，位置決め精度が必要な産業用として剛
性が低くなるという問題があった． 本発明の目的は、駆動要素や構造を小型化にでき産業用
として最適な冗長自由度を有する多関節形ロボットを提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明は，先端に手首部を有する前
腕と，前記前腕に回転可能に連結された上腕とを有する
閉ループリンク機構を備えた多関節形ロボットにおいて
、前記前腕に前記手首部を旋回させる前腕旋回部を設け
ている。

また、本発明の多関節形ロボットは、先端に３自由度を
有する手首部を備えた前腕と、前記前腕に回転可能に連
結された上腕と、前記上腕に回転可能に連結された旋回
ボディと，前記旋回ボディに回転可能に連結されたベー
スとを備えた多関節形ロボットにおいて、前記前腕に前
記手首部を旋回させる前腕旋回部を設けている。

さらに本発明の多関節形ロボットは、旋回ボディと、前
記旋回ボディに回転可能に連結された上腕及びレバーと
、前記上腕に回転可能に連結された前腕ベースと、前記
レバー及び前記前腕ベーストとを連結するクランクと、
前記前腕ベースに設けられ，先端の手首部を旋回させる
旋回部を有する前腕とを備えている． 〔作用〕 前腕旋回部は，前腕ベースに対して前腕旋回軸を中心に
回転し、手首へ連結される。それにより，上腕上におい
ては相対運動をする軸が存在しないので、前腕軸用アク
チュエータを旋回ボディに固定し、閉ループリンク機機
を通して前腕ベースを動かすことができる。よって，前
腕軸用アクチュエータは、上腕の負荷とならず，また旋
回に対しても回転軸に近い位置に配置されるので、ほと
んど負荷とならない． また、前腕旋回軸用駆動要素を、前腕旋回部，前腕ベー
ス，上腕，クランク，レバー，旋回ボディのいずれか適
当な位置に配置することによって，手首先端負荷に対し
て重力バランスの作用をしたり、回転運動をする関節軸
に近い位置に固定されるので極力負荷とならないように
できる。その結果、より根元の軸である前腕，上腕，旋
回各軸用アクチュエータの容量を極力増加させない、も
しくは低減することができる。また、その構造もコンパ
クｉ一にできる． 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図，第２図，第３図，第
４図，第５図により説明する。まず全体の軸構或は，ロ
ボットを床等の面に固定するべ一ス１、それに連結し床
等の面に垂直となる旋回軸２′を通心として回転運動を
する旋回ボディ２、それに連結し、旋回軸２′に直角な
方向となる上腕軸３′を中心として回転運動をする上腕
３、前記旋回ボディ２に直結し、前記上腕軸３′を中心
として回転運動をするレバー４ｂ．その他端に連結し、
上腕軸３′と平行な軸を中心として回転運動をするクラ
ンク４Ｃ、その他端に上腕軸３′と平行な軸を中心とし
て回転可能に連結され、しかも前記上腕３の他端に連結
し、上腕軸３′と平行な軸である．前腕軸４′を中心と
して回転運動をする前腕ベース４，それに連結し、前腕
輪４′の方向と、より先に位置する手首６への方向のい
ずれに対しても直角方向となる前腕旋回軸５′を中心と
して回転運動をする前腕旋回部５、それに連結し，前腕
旋回部５から手首６への方向である回動軸を中心として
回転運動をする手首回転部６ａ、それに連結し，前記回
動軸に直角となる回動軸を中心として回転運動をする手
首曲げ部６ｂ、それに連結し、前記回動軸に直角となる
回動軸を中心として回転運動をする手首ひねり部６Ｃの
構成である．以上述べた中で、上腕３，レバー４ｂ，ク
ランク４ｃ，前腕ベース４の４個のリンクにより、閉ル
ープリンク機構（ここでは，具体的には四節平行リンク
機構）を形成する．また，手首回転部６ａ，手首曲げ部
６ｂ，手首ひねり部６Ｃの３要素で総称して手首６とな
る．ここでは、手首６について、相対運動をする３軸構
或の一例を示したが、相対運動をする軸が、３軸以上あ
ればどのような構或であっても構わかない。例えば、振
り、曲げ，ひねり等の構或であっても構わない。

次に各軸の駆動機構について説明する．旋回軸２′を中
心とする回転運動は，ベース１もしくは旋回ボディ２に
固定された，モータ，エンコーダ，ブレーキ等からなる
アクチュエータ（図示せず）により発生した軸力を、ギ
ヤ等の減速機（図示せず）に人力して減速し，その出力
を旋回ボディ２もしくはベースエに直結して行われる．
ここでは直結としたが，途中にチェーン，ベルト等の動
力伝達要素を介して連結しても構わない。上腕軸３′を
中心とする回転運動は、旋回ボディ２に固定された、モ
ータ，エンコーダ，ブレーキ等からなるアクチュエータ
３ａにより発生した軸力を、ギヤ等の減速機（図示せず
）に入力して減速し、その出力を上腕３に直結して行わ
れる。ここでは直結としたが，旋回軸２′と同様、途中
に動力伝達要素を介して連結しても構わない．前腕軸４
′を中心とする回転運動は、旋回ボディ２に固定された
，モータ，エンコーダ，ブレーキ等からなるアクチュエ
ータ４ａにより発生した軸力を、ギヤ等の減速機（図示
せず）に入力して減速し、その出力をレバー４ｂに直接
もしくはシャフト等の動力伝達要素を介して連結して，
まずレバー４ｂを動かし，レバー４ｂからクランク４Ｃ
を介して、前腕ベース４に動力を伝達して行われる。前
腕旋回軸５′を中心とする回転運動は、前腕旋回部５に
固定された，モータ，エンコーダ，ブレーキ等からなる
アクチュエータ５ａにより発生した軸力を、第５図に示
すようにギヤ等の減速機５ｂに入力して減速し、その出
力を前腕４に直結して行われる．手首６の駆動機構につ
いては、本発明では重要ではないので、その詳細な図示
及び説明は省略する。

本実施例によれば、まず，閉ループリンク機構を構成す
る要素のひとつである前腕ベース４上に、前腕旋回軸５
′を中心として回転運動をする前腕旋回部５を設けてい
る。閉ループリンク機構を用いたことにより，ひとつに
は前腕軸用アクチュエータ４ａ及び必要であれば減速機
を旋回ボディ２に固定できるので、上腕軸３′に対する
負荷とならない。もうひつとには，上腕軸３′に対する
負荷となる前腕ベース４以降手首６（ただし手首先端に
ハンド，ワーク等をつけた場合は、それも含む）にかけ
ての負荷を、前腕軸４′にその総質量が作用するとして
考えることができるので、その量は、閉ループリンク機
構がない場合に比較してかなり小さくなる．前腕旋回軸
５′を設けると，アクチュエータ５ａ，減速機５ｂ、及
び前腕旋回部５を前腕ベース４に連結する軸受等の支持
構造（図示せず）も負荷となるが，それが上腕軸３′の
総負荷量に及ぼす影響は、閉ループリンク機構がない場
合に比較してかなり小さくなる。よって、−ヒ腕軸用ア
クチュエータ３ａの大きさ、その他の減速機等駆動要素
の大きさ及び上腕３以下根元の構造をコンパクトにする
ことができる．別の効果としては，前腕旋回軸５′によ
る動作は，旋回軸２′による動作と同方向の動作を提供
でき，しかもよりコンパクトな構造で可能にすることで
ある。その理由は，前腕旋回軸５′は、前腕旋回部５か
ら手首６までを負荷とするのに対して、旋回軸２′は、
それも含めてさらに旋回ボディ２から前腕ベース４まで
も負荷とし、その総負荷量は、負荷質量及び負荷位置の
点から、前者の前腕旋回軸５′に比べてかなり大きくな
るためである． また別の効果としては，前腕ベース４は、上腕３とクラ
ンク４ｃというスパンをとった２個のエレメントに連結
して頑丈で剛性の高い構造としており，その上に前腕旋
回軸５′の構造，すなわちアクチュエータ５ａ，減速１
ｌｉ！５ｂ及び支持構造（図示せず）等を構築するので
、頑丈な、剛性の高い構造とすることができる， 次に、本実施例では７自由度構成としたが、このように
７自由度以上の構或とすることで、冗長性の高いロボッ
トとなる．第１４図に示すように、途中に障害物があっ
ても回避し、回り込んで目標点に達し、作業することが
できる．また狭い所でも入り込んだり通過することがで
きる．またロボット自身のもつ特異点の回避動作をも可
能にするという効果がある． また、第１図〜第５図に示すように，前腕旋回軸５′の
駆動要素を、前腕４′に対して手首６と反対側に設ける
と、重力バランス作用を発生させ、前腕軸４′の負荷を
低減できる．よって，アクチュエータ４ａ等の駆動要素
及びクランク４０以下の根元の構造をコンパクトにする
ことができる．前腕旋回軸５′の別の駆動機構例を、第
６図〜第１３図に示している。

第６図においては、前腕ベース４に固定されたアクチュ
エータ５ａにより発生した軸力を，減速機５ｂに入力し
て減速し，その出力を前腕旋回部５に連結して行われる
．ここではギヤ減速で軸をずらして連結しているが、ベ
ルト等により軸をずらしても構わない．また，軸をずら
さずに，前腕旋回軸５′上にアクチュエータ５ａと前腕
旋回部５を配置する駆動機構としても構わない。このア
クチュエータ５ａ等から成る駆動要素の全部もしくは一
部を前腕軸４′に対して手首６と反対側に設けると、先
程の第５図に示した場合と同様の効果を生ずる。

また，第７図においては，上腕３に固定されたアクチュ
エータ５ａにより発生した軸力を、減速機５ｂにスカし
て減速し、その出力を前腕旋回部５に連結して行われる
．減速機５ｂの部分に、ベルト等の動力伝達要素を付加
しても構わない。これによれば，前腕旋回軸５′のアク
チュエータ５８等を中心とした駆動要素が上院軸３′，
旋回軸２′に近い位置となるので、その両者の軸に対す
る負荷の増加を抑えることかでかできる。よって、上腕
軸３′，旋回軸２′のアクチュエー夕等駆動要素の大き
さ及び根元の構造をコンパクトにすることができる。

また第８図においては、クランク４Ｃに固定されたアク
チュエータ５ａにより発生した軸力を、減速機５ｂに入
力して減速し、その出力を前腕旋回部５に連結して行わ
れる。減速機５ｂの部分に、ベルト等の動力伝達要素を
付加しても構わない．これによれば、その駆動要素が前
腕軸４′に対して手首６と反対側になるので，重力バラ
ンス作用を発生し，前腕軸４′の負荷を減らすことがで
き、かつ旋回軸２′，上腕軸３′に対して近い位置とな
るので、その両者の軸に対する負荷の増加を抑えること
ができる．よって、根元の軸である前腕軸４′，上腕軸
３′，旋回軸２′のアクチュエー夕等駆動要素の大きさ
及び構造をコンパクトにすることができる． また、第９図においては，レバー４ｂに固定されたアク
チュエータ５ａにより発生した軸力を、シャフト，ベル
ト等の動力伝達要素５Ｃによりクランク４ｃ内を伝達し
，前腕ベース４に固定された減速機５ｂに入力して減速
し、その出力を前腕旋回部５に連結して行われる。減速
機５ｂと動力伝達要素５Ｃの配置ついては．ここに示し
たのはひとつの例であり，レバー４ｂに固定されたアク
チュエータ５ａから、回転運動をする前腕旋回部５にい
たるまで、どのような配置をとっても構わない．これに
よれば、前記の第９図に示した場合と同様の効果を生ず
る。

また，第１０図〜第ｌ３図では、別の構造例及び前腕旋
回軸５′の駆動機構例を示している．第１１図及び第ｌ
３図に示すように，旋回ボディ２に連結するレバー４ｂ
の回動軸を、上腕軸３′と平行に違う位置に設け、旋回
ボディ２，上Ｍ３，前腕ベース４，クランク４ｃ及びレ
バー４ｂの５節で，閉ループリンク機構を形威する。第
１０図に示すように、旋回ボディ２に固定されたアクチ
ュエータ５ａにより発生した軸力を、同様に旋回ボディ
２に固定された減速機５ｂに入力して減速し、その出力
を、かさ歯車，ベルト，チェーン等の動力伝達要素４ｂ
により，レバー４ｂ，クランク４ｃ，前腕ベース４内を
伝達し、前腕旋回部５に連結して行われる。減速機５ｂ
と動力伝達要素５ｃの配置についてはひとつの例であり
、旋回ボディ２に囚定されたアクチュエータ５ａから，
回転運動をする前腕旋回部５にいたるまで、どのような
配置をとっても構わない。また．（ｄ）図に示すように
，レバー４ｂ，クランク４ｃの中を通さずに、上鋺３の
中を伝達しても構わない。これによれば，前腕旋回軸５
′の駆動要素の中で質量の大きい要素が旋回ボディ２に
固定されるので，上腕軸３′，前腕軸４′に対する負荷
としての影響はほとんどない．また旋回軸２′に対して
も，近い位置の配置となるので、ほとんど負荷として作
用しない．よって、この根元３軸の７クチュエー夕等駆
動要素の大きさ及び構造をコンパクトにすることができ
る． 本発明の別の実施例を第１５図に示す．第１図では、前
腕旋回軸５′を前腕＠４′に対して手首６と反対側に設
けているが、第１５図では前へ出して手首６と同じ側に
設けている。第ｌ６図，第１７図は、前腕旋回軸５′の
動作を示す図で、ロボットを上から見た図であり、第１
６図が第工図に示すロボット，第１７図が第１５図に示
すロボットである．斜線部分は，ロボットの左右にある
側壁を示しているが、第１６図のロボットでは側壁にぶ
つかるが，第１７図に示すロボットでは、前腕旋回軸５
′の位置を前に出したためにぶつからない。よって、左
右の狭い場所へアームを差し入れて作業を行うような場
合には、第工５図に示すように、前腕旋回軸５′の位置
を適当な距離だけ前へ出すと、ロボットの有効作業領域
を広くできるという効果がある． また，本発明の別の実施例を第ｌ８図に示す。

前腕旋回軸５′を，前腕軸４′に対して直角な方向では
なく斜め方向としている。このように、前腕旋回軸５′
を，前腕軸４′の方向に対して、もしくは前腕旋回部５
から手首６への方向に対して斜めの方向としても構わな
い。このようなｖ１或では、例えばワークに対して斜め
方向の作業を行う場合に、ワークを位置決めするボジシ
ョナを傾ける必要がなくなったり、もしくは傾きを少な
くできるという効果を生ずる。

本発明は、以上説明したように，閉ループリンク機構を
構威し、その構或要索である前腕ベース上に、前腕旋回
軸を中心として回転運動をする前腕旋回部を設けている
ので、上腕軸，旋回軸のアクチュエー夕等駆動要素、及
び、上腕以下の根元の構造をコンパクトむ大きさにでき
る．さらには、前腕旋回軸による動作は、旋回軸による
動作と同方向の動作を提供でき、しかもそのアクチュエ
ー夕等駆動要素及び構造は、旋回軸よりもよりコンパク
トな大きさにできることである。さらには，また前腕旋
回軸の駆動要素及び構造に対して、前腕ベース上に頑丈
に、しかも高剛性となるように構築できることである。

また、冗長性のある７自由度以上の多関節形ロボットと
することで、障害物回避もしくは回り込み，狭あい部通
過，特異点回避ができる。

さらに，アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の全部も
しくは一部を前腕旋回部に固定し、その全部もしくは一
部を、前腕軸に対して手首と反対側に設けると、アクチ
ュエータ等前腕軸駆動要素及びクランク以下の根元の構
造をコクパクトな大きさにできる． また、アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の全部もし
くは一部を前腕ベースに固定し、その全部もしくは一部
を、前腕輪に対して手首と反対側に設けても同様の効果
を生ずる． また、アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の一部を上
腕に固定すると、旋回軸，上腕軸のアクチュエータ等駆
動要素及び旋回ボディ以下の根元の構造を，コンパクト
な大きさにできる。

また，アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の一部をク
ランクに固定すると、より根元の軸である旋回軸，上院
軸，前腕軸のアクチュエータ等駆動要素、及び上腕，ク
ランク以下の根元の構造を，コンパクトな大きさにでき
る。

また、アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の一部をレ
バーに固定しても、同様の効果を生ずる。

また、アクチュエータ等前腕旋回軸駆動要素の一部を旋
回ボディに固定しても、同様の効果を生ずる。

〔発明の効果〕

本発明の多関節形ロボットによれば、駆動要素や構造が
小型化ができるとともに、冗長自由度を有する産業用ロ
ボットとして位置決め精度を良くするための剛性を確保
するという効果がある．

【図面の簡単な説明】

第工図は本発明の一実施例の斜視図、第２図，第３図，
第４図は，それぞれ、第１図に示す一実施例の平面図，
傭面図，背面図、第５図，第６図，第７図，第８図，第
９図は、前腕旋回軸駆動要素の配置を示した略示図であ
り、第５図は一実施例で，第２図に示すＡ−Ａ断面図、
第６図は他の一実施例で、同様にＡ−Ａ断面図、第７図
はまた他の一実施例で、第３図に示すＢ−Ｂ断面図、第
８図はまた他の一実施例で、第４図に示すＣ−Ｃ断面図
，第９図はまた他の一実施例で，同様にＣ−Ｃ断面図，
第１０図，第１１図，第１２図，第ｌ３図は本発明の他
の一実施例で、第１１図，第ｌ３図は側面図、第１０図
は前腕旋回軸駆動要素の配置を示した一実施例で、第１
１図に示すＤ一Ｅ　　Ｆ　　Ｇ　　Ｈの略示断面図、第
１２図は前腕旋回軸駆動要素の配置を示した別の一実施
例で、第１３図に示すＪ−Ｊの略示断面図、第１４図は
第１図に示すロボットの、障害物回避及び回り込みを示
す斜視図、第１５図は本発明の別の一実施例の斜視図、
第ｌ６図，第１７図は本発明のロボットの動作状況を上
から見た図で、第１６図は第↓図のロボットの例，第■
７図は第６図のロボットの例，第１８図は本発明の別の
一実施例の斜視図である． ｌ・・・ベース、２・・・旋回ボディ、２′・・・旋回
軸，３・・・上腕、３′・・・上腕軸、４・・・前腕ベ
ース、４′・・・前腕軸、４′・・・前腕．４ｂ・・・
レバー、４ｃ・・・クランク，５・・・前腕旋回部、５
′・・・前腕旋回軸、５ｂ・・・減速機、６・・・手首
、３ａ，４ａ，５ａ・・・アクチａ １ 図 劣 ７ 図 頁 ２ 図 冨 ３ 図 不 ｑ 図 畜１７７ 図 不 ノ４ 図 ２ １Ｚ 図 纂 ｌ６ 図 冨 ｌ″１口 ｙ ／ｇ 牧 ト５′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端に手首部を有する前腕と、前記前腕に回転可能
   に連結された上腕とを有する閉ループリンク機構を備え
   た多関節形ロボットにおいて、前記前腕に前記手首部を
   旋回させる前腕旋回部を設けたことを特徴とする多関節
   形ロボット。 ２、請求項１記載の多関節形ロボットにおいて、前記前
   腕旋回部と前記上腕との間に前腕ベースを設けたことを
   特徴とする多関節形ロボット。 ３、請求項１記載の多関節形ロボットにおいて、前記前
   腕の旋回軸を駆動する駆動要素を前記前腕旋回部に設け
   たことを特徴とする多関節形ロボット。 ４、請求項２記載の多関節形ロボットにおいて、前記前
   腕の旋回軸を駆動する駆動要素を前記前腕ベースに設け
   たことを特徴とする多関節形ロボット。 ５、請求項１記載の多関節形ロボットにおいて、前記前
   腕の旋回軸を駆動する駆動要素を前記上腕に設けたこと
   を特徴とする多関節形ロボット。 ６、請求項１記載の多関節形ロボットにおいて、前記前
   腕旋回部の前腕旋回軸は前記前腕の軸に対して傾斜して
   いることを特徴とする多関節形ロボット。 ７、先端に３自由度を有する手首部を備えた前腕と、前
   記前腕に回転可能に連結された上腕と、前記上腕に回転
   可能に連結された旋回ボディと、前記旋回ボディに回転
   可能に連結されたベースとを備えた多関節形ロボットに
   おいて、前記前腕に前記手首部を旋回させる前腕旋回部
   を設けたことを特徴とする多関節形ロボット。 ８、旋回ボディと、前記旋回ボディに回転可能に連結さ
   れた上腕及びレバーと、前記上腕に回転可能に連結され
   た前腕ベースと、前記レバー及び前記前腕ベーストとを
   連結するクランクと、前記前腕ベースに設けられ、先端
   の手首部を旋回させる旋回部を有する前腕とを備えたこ
   とを特徴とする多関節形ロボット。