JPH04105888A - クリーンルーム用多関節形ロボット - 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、多関節形ロボットに係わり、特に、各関節等
からの塵埃の発生を防止してクリーン度を向上させると
ともに、各関節の動作領域の制限を解消するのに好適な
多関節形ロボットのアーム機構に関する。

［従来の技術］ 半導体をはじめとして各製造工程で微細な塵埃（例えば
、０．１〜０．５μｍ）等による汚染を防止しなければ
ならないワークは、クリーンルーム内において各工程に
おける作業を、塵埃発生のおもな汚染源となる人間に代
えて多関節形のロボットにより行わせるようになってき
ており、他方、ロボットの機能を向上させるために、ロ
ボットのアーム機構の先端部（ワークを把持するハンド
部等）にＴＶカメラ等の視覚センサを装備することが要
求されてきている。

しかし、前記汚染度が低いとされるロボットによる作業
においても、ロボット内部のギア、ベアリング、モータ
等における摩耗粉や潤滑剤の各関節部等からの飛散、ハ
ンド部等に対するエアー配管や配線と該ハンド部外周と
の繰り返し接触による摩耗粉の発生等があり、必ずしも
クリーンルーム内において所定のクリーン度が維持され
ているとはいえないのが実状で、クリーン度の高いロボ
ットの出現が待望されていた。

ロボットの各関節等からの塵埃の発生を防止してクリー
ン度を向上させるものとして、アーム部内を通して気体
を導くための穴がアーム部間のジョイン１−に設けられ
、この穴を通じて前記アーム部内の微粒子を前記気体の
流れとともに外部へ排出する排出手段を有しているロボ
ット（例えば、特開平１−２４０２９１号公報）が提案
されており、また、第１の構成部と第２の構成部とを連
結する連結部分を、該各構成部に対向して設けた第１お
よび第２の筒状カバーで覆い、第１および第２の筒状カ
バー内の塵埃等を、これら筒状カバー内の開口端の近傍
に設けたリング状の吸気管により吸引除去するようにし
た、小形でシール部材を使用しない構成のロボットの数
基防止装置（例えば、特開昭６２−２２８３９４号公報
）、さらには、アームと、該アームに対して移動可能に
取り付けられるワーク把持等のツール装着用の手首と、
アームおよび手首を駆動するための駆動装置とをカバー
により外部に対して密封状態に覆い、該カバー内部に吸
塵用バキューム配管の入口を接続する構成にするほか、
手首の外面に、摩擦係数が低く耐摩耗性のある表面処理
を施し、カバー内部で発生した塵埃が外部（クリーンル
ーム内）へ流出するのを防止するとともに、前記ツール
に接続されているエアーホース等と手首との接触による
摩耗粉の発生を防止するようにしたロボット（例えば、
特開昭６１−１３６７９０号公報）が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来のロボットのうち、気体を導くための穴をアー
ム部間のジョイン１〜に設ける構成にしたロボットにお
いては、アーム部内の塵埃は上記アーム部間のジヨイン
トに設けた穴を通してエア流により外部（クリーンルー
ム外）へ排出され、同時に、アーム部間のジヨイントに
わたるケーブルは前記穴に通して固定金具により固定さ
れ、ケーブル同志の摺れ合いによる塵埃の発生およびア
ーム外部での引き回しを防止されるが、ワークを把持す
るハンド部等に接続するケーブルは、前記穴を通さずア
ームの外部を配線する構成になっている。この外部配線
は、アームの動きに伴って動かされ、アームの外周等と
摺動して塵埃を発生させ、発生した塵埃をアームの外部
（クリーンルーム内）に散乱させることになる。そして
、ケーブルの長さが配線された長さで一定しているため
、アームはその長さの範囲内でしか回動することができ
ず可動領域を制限されるほか、該外部配線のケーブルと
ロボット周辺にある装置とが干渉する等の問題点を有し
ていた。

また、前記従来の、第１の構成部と第２の構成部との連
結部分を、筒状カバーで覆う数基防止装置を備えた構成
のロボットにおいても、さらに、アームや手首等を外部
に対して密封状態に覆うカバーを設けた構成のロボット
においても、実際にワークを把持する、例えばエアーチ
ャック等が取り付けられる手首またはハンド部には、前
記気体を導くための穴をアーム部間のジヨイントに設け
る構成にしたロボットと同様に、上記数基防止装置やア
ーム等を覆うカバー等の内部を通さないエアーホースや
ケーブルが接続されており、これらのエアーホースやケ
ーブルがアームの外周等と摺動することによる塵埃の発
生や、アームの可動領域の制限、該エアーホースやケー
ブルとロボット周辺にある装置との干渉等、前記と同様
の問題点を有していた。

そして、従来のロボットは、アーム機構の先端部（ワー
クを把持するハンド部等）にＴＶカメラ等の視覚センサ
を装備する場合、視覚センサに接続するケーブルをアー
ム機構の外周に沿わせて配線しており、この場合にもケ
ーブルとアーム機構の外周等との摺動による塵埃の発生
や、アームの可動領域の制限、該ケーブルとロボット周
辺にある装置との干渉等、前記と同様の問題点を有して
いた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、アーム機構の
先端部に至るまで各関節等からの塵埃の発生を防止して
クリーン度を向上させるとともに、各関節の動作領域の
制限やケーブルとロボット周辺に設置されている装置と
の干渉等を解消することができる多関節形ロボットのア
ーム機構を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、アーム。

手首およびワークを把持するハンド部等のフレームで覆
われた各構成部材を、相対的に回動可能に連結してなる
多関節形ロボットにおいて、関節の軸を中空材で形成す
るとともに回動部をシールして外気と密封状態にした各
関節部と、管状の端部を前記構成部材のフレームに固定
して前記各関節部の中空軸内に配設し、前記ロボットの
すべての各種配線材の挿通が可能で、かつ該配線材を挿
通した残りの面積がロボット内容部の空気を真空吸引す
る排気用の経路となる線材ガイドとを備える構成にした
ものである。

そして、前記ハンド部に、ＴＶカメラほかの視覚センサ
を内設した構成にすることが効果的である。

また、前記ロボットのすべての各種配線材が、同一の形
状および寸法に統一して形成されることが望ましく、さ
らに、前記線材ガイド内に挿通された配線材を、同一形
状・寸法に統一された配線材を束ねた構成にするとよい
。

［作用］ 上記のように構成したことにより、ハンド部および該ハ
ンド部に内設したＴＶカメラほかの視覚センサに対する
ケーブルは、すべてハンド部のハウジング内に配線され
、外気と密封状態にされた各関節部の中空軸内に配設さ
れている線材ガイ１く内を挿通することになるため、従
来発生していたケーブルと手首やハンド部外周との接触
およびケーブル同志の摺れ合い等は一切なくなる。この
ためアーム機構や手首等におけるケーブルと同様に、ケ
ーブルに起因して発生する塵埃をなくすことが可能にな
った。そして、同時に、従来のように外部配線のケーブ
ル長さにより制限されていた可動領域はその制限が撤廃
され、外部配線のケーブルとロボット周辺に設置されて
いる装置との干渉も解消された。

また、線材ガイドの内部は、配線材を挿通した残りの面
積がロボット内各部の空気の排気用の経路になることか
ら、アーム機構等のギア、ベアリング等に起因して各関
節部から飛散する摩耗粉や潤滑剤を吸引することは勿論
、ハンド部内に発生した塵埃も同様に吸引し、ロボット
内において発生した塵埃をロボット外部（クリーンルー
ム内）に散乱させることなくクリーンルーム外へ排出し
て、クリーン度を向上させることが可能になる。

そして、ロボットのすべての各種配線材の形状および寸
法を同一にし、しかもそれら配線材を束ねた挿通状態に
したので、引張り２曲げ、ねじり等の応力が特定の配線
材に集中することなくすべての配線材に均等に分散され
、さらに、すべての配線材は線材ガイドの内部に挿通さ
れるため、ロボット内各部との干渉を一切回避すること
が可能になった。

［実施例コ 以下、本発明の一実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。第１図は６自由度垂直多関節形ロボットの
アーム機構を示す全体斜視図、第２図は第１図の前腕お
よび手首の側断面図、第３図は第１図のハンド部の断面
図、第４図は第１図に示す手首のφ軸駆動用モータの原
点検出系を示す図である。

第１図において、１はロボッ１−のベース、２はベース
１上に垂直に取り付けられて図に示すα軸の回りに回動
可能な旋回ポスト、３は旋回ボスト２の上部に連結され
て図に示すβ軸の回りに回動可能な上腕、４は上腕３の
上部に連結されて図に示すγ軸の回りに回動可能な前腕
、５は前腕４の前端部に連結され前腕４に対して図に示
すθ軸の回りに前腕４と同軸に回動可能で、かつφ軸の
回りにも回動可能な二つの構成部利からなる手首、６は
手首５の前端部に連結されたワーク把持機能を有するハ
ンド部で、手首５に対して図に示すψ軸の回りに回動可
能に構成されている。上記符号１〜６により６自由度垂
直多関節形ロボットのアーム機構を構成している。７は
これらアーム機構を制御するための各種コントローラや
ロボット内各部の空気を吸引する真空ポンプ等が収容さ
れ、また、前記アーム機構のすべての配線材が導入され
るボックスである。

つぎに第２図において、８は前腕４の外周を覆うフレー
ム、１０は手首５およびハンド部６を図に示すθ軸の回
りに回動させる駆動用のモータ、１１はハンド部６を図
に示すφ軸の回りに回動させる駆動用のモータ、１２は
ハンド部６を図に示すψ軸の回りに回動させる駆動用の
モータで、これら各モータはフレーム８内の後部に並設
されている。１３はモータ１０により駆動されるギア、
１４はギア１３と一体に回動する中空軸、１５は中空軸
１４の回転速度を減速させる減速機、１６は減速機１５
の中空形状の出力軸で、出力軸１６の前端部が手首５の
フレーム］−８に接合されて手首５をθ軸の回りに回動
させるようになっている。

１７はフレーム８の内部を密封状態に外気と遮断する出
力軸１６の外周に固着されているシールである。

１９はモータ１１の出力軸に固着されているピニオン、
２０はピニオン１９と噛合するギア、２１はギア２０と
一体に回動する中空軸で、中空軸２］の前端にはベベル
ギアが形成されており、該ベベルギアはフレーム１８内
にφ′軸回りに回動するように設けたベベルギア２２と
噛合するようになっている。２３はベベルギア２２の端
部に取り付けたタイミングプーリー、２４はフレーム１
８内にφ′軸と平行のφ軸回りに回動するように設けた
減速機で、その入力軸にはタイミングベルト２６を介し
てタイミングプーリー２３に接続されるタイミングプー
リー２５が取り付けられている。減速機２４の出力軸は
手首５のフレーム２８に接合されており、モータ１１を
駆動することにより符号１９〜２６を介してフレーム２
８をφ軸の回りに回動させるようになっている。２７は
フレーム１８とフレーム２８との摺動部を密封状態に外
気と遮断するように減速機２４の出力軸の外周に固着さ
れているシールである。

２９はモータ１２により駆動されるギア、３０はギア２
９と一体に回動する中空軸で、中空軸３０の前端にはベ
ベルギア３１が取り付けられており、ベベルギア３１は
フレーム１８内にφ′軸回りに回動するように設けたベ
ベルギア３２と噛合するようになっている。３３はベベ
ルギア３２の端部に取り付けられたタイミングプーリー
、３４はフレーム１８内にφ′軸と平行のφ軸回りに回
動するように設けたベベルギアで、その端部にはタイミ
ングベルト３６を介してタイミングプーリー３３に接続
されるタイミングプーリー３５が取り付けられている。

ベベルギア３４はψ軸の回りに回動するベベルギア３７
と噛合し、ベベルギア３７の中空状の端部はフレーム２
８内に設けられた減速機３８の入力軸に取り付けられて
いる。減速機３８の出力軸にはハンド部６と接合する手
首フランジ３９が取り付けられており、手首フランジ３
９の軸心部には後述する配線材の挿通する穴が穿設され
ている。４ｏはフレーム２８がφ軸回りに回動した際、
該回動部を介してフレーム１８内と外気とが連通ずるの
を防止するシール、４１は手首フランジ３９がφ軸回り
に回動したとき該回動部を介してフレーム２８内と外気
とが連通ずるのを防止するシールである。

第３図において、４２はハンド部６の内部が外気と密封
状態になるように外周を覆うハウジング、４３はハウジ
ング４２の先端部に取り付けられたワークを把持するた
めのグリッパ、４４はハウジング４２内の後方に設置さ
れたＴＶカメラ、４５はＴＶカメラアンプ、４６はレン
ズ、４７はミラ、４８は平行平面基板で、上記符号４２
〜４８によりハンド部６を構成し、手首５のフレーム２
８に対してψ軸回りに回動可能になっている。

つぎに前記θ軸駆動用のモータ１０．φ軸駆動用のモー
タ１１およびψ軸駆動用のモータ］２の原点と、これら
各軸駆動系の最終段軸の原点とを合わせるための原点検
出機構の構成について説明する。θ軸については第２区
に示すように、θ軸の最終段の回動軸となる減速機１５
の出力軸１６に原点検出用の被検出体５ｏを設け、フレ
ーム８側の被検出体５０に相対する位置に原点検出用の
センサ５１を設置する構成になっている。φ軸について
は第４図に示すように、φ軸駆動用のモータ１１の回転
をモータ１１の出力軸に取り付けたタイミングプーリー
５２、フレーム８にフレーム５３を介して取り付けられ
ている減速機５４の入力軸に固着されたタイミングプー
リー５５、タイミングプーリー５２と５５間を接続する
タイミングベルト５６、減速機５４の出力軸に設けられ
た原点検出用の被検出体５７および被検出体５７と相対
する位置のフレーム５３に設置された原点検出用のセン
サ５８とにより構成されている。この場合、減速機５４
は、φ軸の最終段の回動軸である減速機２４の出力軸の
回転数と同一回転数になるように、減速比を減速機２４
と同一にしている。

なお、ψ軸については図示していないが、上記φ軸にお
ける構成と同様に構成されている。

つぎに前腕４、手首５およびハンド部６における各種配
線とその経路について説明する。第３図において、６０
はグリッパ４３に接続される動力および信号用の線材の
束、６１はＴＶカメラ４４とＴＶカメラアンプ４５とを
接続する各種線材の束、６２はＴＶカメラアンプ４Ｓと
前記ボックス７内のコントローラとを接続するＴＶカメ
ラ４４用の電源線や信号線等の線材の束、６３は線材の
束６０と６２とをまとめた線材の束で、手首５および前
腕４を経て前記ボックス７内に導入される。

ここで、これら線材の束を構成する各種配線材は、いず
れも同一の形状および寸法（例えば、線径１〜２ｍｍ）
に統一して形成されている。６４は線材の束６３が挿通
されるψ軸の軸心部に設けられた管状の線材ガイドで、
その一端が手首フランジ３９の内周部に固着されている
。また、第２図において、６５はフレーム２８内に固着
されている線材ガイドで、フレーム２８内に挿通される
線材の束６３の方向をψ軸からφ軸に沿って９０°変換
させるようになっている。６６は一端部がフレーム２８
に固着されている管状の線材ガイドで、線材の束６３を
フレーム１−８の中心部から内周までφ軸に沿って導く
。６７はフレーム１８の内周に沿う線材の束６３をθ軸
に導くように、フレーム１８内の中心部に固着されてい
る線材ガイド、６８は一端部をフレーム８内のモータ１
０等の取り付は部に固着して中空軸２１の内周に沿わせ
た管状の線材ガイドで、線材の束６３をθ軸に沿ってフ
レーム８の後部に導く。６９は線材の束６３をモータ１
０，１１．１２やセンサ５１−．５８等の各種配線材と
ともに束ねた線材の束７０を、γ軸に沿って上腕３に導
く管状の線材ガイドで、一端部がフレーム８の外周部に
固着されている。なお、上腕３および旋回ポスト２にお
けるβ軸、α軸については図示していないが、上記と同
様に、線材の束が外気と密封状態を保ち、管状の線材ガ
イドを介して方向変換しながらボックス７内に導かれる
ようになっている。

上記各線材ガイドにより形成される配線経路は、各線材
ガイドの配線材を挿通した残りの面積がそのままロボッ
ト内各部の空気を真空吸引する排気用の経路になる。す
なわち、ハンド部６９手首５゜前腕４．上腕３．旋回ポ
スト２は、ベース１を介して外気と密封状態でボックス
７に接続されており、ボックス７内の図示しない真空ポ
ンプにより前記各線材ガイドを介して内部の空気が吸引
され、さらにフィルタを通して管路によりクリーンルー
ム外へ排気されるようになっている。

つぎに、上記構成における作用について説明する６ＴＶ
カメラ４４ほかの視覚センサをハンド部６に内股したこ
とにより、これら視覚センサやグリッパ４３等に対する
ケーブルはすべてハウジング４２内に配線され、一方、
各関節の原点検出方法を、減速機の出力軸を利用する構
成にしてロボット先端部に対する配線を減少させたこと
により、外気と密封状態にされた各関節部の中空軸２１
や中空形状のベベルギア３７内等に配設されている線材
ガイド６４〜６９内を挿通させることが可能になる。各
線材ガイド６４〜６９内を挿通している配線材は、各線
材ガイドがそれぞれフレーム８゜１８．２８等に固着さ
れているため、各線材ガイドとの摺動や、ロボットの内
部機構との干渉がなくなるほか、従来発生していた配線
材と手首５やハンド部６外周との接触および配線材間の
摺れ合い等が一切なくなり、このため配線材の寿命が延
びるうえ、配線材に起因して発生する塵埃をなくすこと
が可能になった。そして、同時に、従来のように外部配
線のケーブル長さにより制限されていた各関節部におけ
る可動領域は、その制限が撤廃され、ケーブルとロボッ
ト周辺に設置されている装置との干渉も解消される。

また、線材ガイド６４〜６９等の内部は、配線材を挿通
した残りの面積がロボット内各部の空気の排気用の経路
に兼用されることから、ロボット各部のギア、ベアリン
グ等に起因して各関節部から飛散する摩耗粉や潤滑剤を
吸引することは勿論、ハンド部６内に発生した塵埃も同
様に吸引し、ロボット内において発生した塵埃をロボッ
ト外部（クリーンルーム内）に散乱させることなくクリ
ーンルーム外へ排出して、クリーン度を向上させること
が可能になる。

そして、ロボットのすべての各種配線材の形状および寸
法を同一にし、しかもそれら配線材を束ねて線材ガイド
の内部に挿通したので、各関節の回動時に発生する引張
り２曲げ、ねじり等の応力が特定の配線材に集中するこ
となくすべての配線材に均等に分散され、配線材の損傷
を防止して寿命を延ばすことが可能になった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の多関節形ロボットのアーム
機構は、ハンド部を含むロボットアーム機構全体のすべ
ての配線材を、配線ガイドを介して外気と密封状態にア
ーム機構内に収納し、該配】９ 線ガイドをロボット内各部の空気を真空吸引する排気用
の経路に兼用したので、アーム機構先端のハンド部に至
るまで、各関節等からの塵埃の発生を防止してクリーン
度を向上させることができるとともに、該配線材とロボ
ット周辺に設置されている装置との干渉および各関節の
動作領域の制限を解消することができる顕著な効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である６自由度垂直多関節形
ロボットのアーム機構を示す全体斜視図、第２図は第１
図の前腕および手首の側断面図、第３図は第１図のハン
ド部の断面図、第４図は第１図に示す手首のφ軸鄭動用
モータの原点検出系を示す図である。 ４・・・前腕、５・・・手首、６・・・ハンド部、８，
１．８゜２８・・・フレーム、１４，２１．３０・・・
中空軸、１７．２７，４０．４トシール、４２・・・ハ
ウジング、４３・・・グリッパ、４４・・・ＴＶカメラ
、５１゜５８・・センサ、６０，６１，６２，６３．７
０線材の束、６４，６５，６６．６７．６８．６９・・
・線材ガイド。 特許出願人　株式会社日立製作所 代理人弁理士　秋　　本　　正　　実 第１ 図 ○

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーム、手首およびワークを把持するハンド部等の
   フレームで覆われた各構成部材を、相対的に回動可能に
   連結してなる多関節形ロボットにおいて、関節の軸を中
   空材で形成するとともに回動部をシールして外気と密封
   状態にした各関節部と、管状の端部を前記構成部材のフ
   レームに固定して前記各関節部の中空軸内に配設し、前
   記ロボットのすべての各種配線材の挿通が可能で、かつ
   該配線材を挿通した残りの面積がロボット内各部の空気
   を真空吸引する排気用の経路となる線材ガイドとを備え
   たことを特徴とする多関節形ロボットのアーム機構。 ２、前記ハンド部に、ＴＶカメラほかの視覚センサを内
   設してなる請求項１記載の多関節形ロボットのアーム機
   構。 ３、前記ロボットのすべての各種配線材が、同一の形状
   および寸法に統一して形成されてなる請求項１または２
   記載の多関節形ロボットのアーム機構。 ４、前記線材ガイド内の配線材が、同一形状・寸法に統
   一された配線材を束ねて挿通されてなる請求項１または
   ２記載の多関節形ロボットのアーム機構。