JPH0446720B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は機械的な手首機構に関し、特に両端の
間に延びるさえぎられない通路を有する三軸手首
機構に関する。

従来の技術 手首機構はその端エフエクタをワークピースの
配置に応じて配向させるように設計されている。
手首機構は、一般に縦揺れ（pitch）、片揺れ
（yaw）及び横揺れ（roll）と呼ばれる動作をも
たらす３つの関節を備えている。アームの同様な
関節が手首機構をロボツトの活動範囲内であれば
どこへでも運ぶ。しかる後、端エフエクタを自在
に配向させるために手首機構の３つの関節がさら
に必要になる。

多くの機械的手首機構は多軸機構である。例え
ば、米国特許第3231098号及び第3315542号は共に
かかる機構を開示している。しかしながら、かか
る機構の多くは、手首機構の自由端に取り付けら
れた作業工具に燃料、動力をそれぞれ与えるよう
なホース、ワイヤを保護できるさえぎられない通
路を備えてはいない。

米国特許第4218166号は２つの軸線のまわりの
独立した運動をもたらししかも不動の基部と作業
工具との間にさえぎられない通路を維持するよう
な多軸手首機構を開示している。

米国特許第4402234号は相互に交わる３本の独
立の回転軸線を有する手首機構を開示している。
歯車機構が３本の軸線のまわりに回転自在に支持
された機構要素の独立した回転を制御し、しかも
ホース及び／又はワイヤを収容するためのさえぎ
られない内部通路をつくる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、かかる手首機構の使用は手首機
構の比較的小さな内部曲げ半径のために幾分制約
され及び／又は困難である。これにより、収容さ
れたホースやワイヤに許される回転運動量には制
限がある。さらに、かかる小さな曲げ半径は手首
機構の取り付けられたロボツトのプラグラミング
を一層難しくする。この理由はプログラマーが考
慮に入れなければならない手首機構の運動の自由
度が制限されるからである。

本発明の基礎をなす訳ではないが一応関連のあ
る手首機構を開示するその他の米国特許として
は、米国特許第25889号、第2514250号、第
29871701号、第3043448号、第3066805号、第
3180498号、第3182813号、第3784031号、第
4001556号、第4068536号、第4099409号、第
4149278号、第4353677号、第4356554号、第
4365928号、第4370836号、第4392776号がある。

発明の目的及び構成 本発明の目的は、さえぎられない通路を備え、
かつ、種々の工具部材を作業エンベロプ内に位置
決めする際に融通性を高くするために一対の相互
に交わる点をもつような３本の独立した回転軸線
を有する改良三軸手首機構を提供することにあ
る。

本発明の別の目的は、さえぎられない通路を維
持した状態で３本の独立した回転軸線を有しか
つ、手首機構を取り付けたロボツトのプログラミ
ングを単純化ししかも、手首機構が該手首機構に
取り付けられた比較的重い工具を支持しかつ扱う
ことができるように大きな歯車装置の使用をもた
らす大きな曲げ半径を有する改良機械的手首機構
を提供することにある。

本発明の上記目的及びその他の目的を達成する
にあたり、本発明に従つて構成された機械的手首
機構は３本の独立した回転軸線を有し、前記軸線
のうち第１の対が第１の相互の交点をもちかつ前
記軸線のうち第２の対が前記第１の交点から喰違
つた第２の相互の交点をもつている。第１及び第
２のハウジングが第１及び第２の軸線のそれぞれ
を中心として回転自在に支持されている。第１の
ハウジングはアーム取付け面を有している。工具
支持部材が第３の軸線を中心として回転でき、そ
してこの工具支持部材は工具取付け面を有してい
る。作業エンベロプ内での工具取付け面の位置を
選択的に定めるために工具支持部材及び第２のハ
ウジングをそれぞれの軸線のまわりに独立して回
転させる歯車装置が設けられている。連続的にさ
えぎられない通路がアーム取付け面と工具取付け
面との間に配置されている。通路は、作業工具関
連構造体を密封収容するために第１及び第２のハ
ウジング並びに工具支持部材に設けられた空洞か
ら成る。

好ましくは通路には、第１及び第２の相互の交
点を有する空洞を構成する一対の実質的に同一の
プラスチツク案内部材が設けてある。

また、第１の対の軸線は30°よりも大きな所定
角度だけ互いに対し角度的に変位していることが
好ましい。

さらに第１、第２の交点間の喰違いはホースの
曲げ半径を大きくすることができ、また大きな歯
車を使用することができ、さらに内部通路を広く
することができるように選択できることが好まし
い。喰違いは通過物の直径及び中心軸線の曲げ半
径によつて決められる。

上記のように構成した機械的手首機構により、
作業工具に必要な種々のケーブル、ワイヤ及び導
管のねじれに順応するように曲げ半径を大きくす
ることができ、また、手首機構を取り付けたロボ
ツトのプログラミングを簡単にすることができ、
さらに手首機構に比較的重いペイロードを支持さ
せることができる。

本発明を添付図面と関連して考慮するとき以下
の詳細な説明の参照によりよく理解することにな
るに従つて本発明のその他の利点は容易に理解さ
れよう。

実施例 今、第１図を参照すると全体を１０で指示した
三軸手首機構が示してあり、この三軸手首機構１
０は、全体を１４で指示したロボツトの外アーム
１２に連結されている。しかしながら、第１図に
示すように端エフエクタすなわち作業工具を作業
エンベロプの中で移動させるために手首機構１０
を、その他の多くの異なる種類のロボツトのブー
ム又は支持アームにも連結できることは理解され
るべきである。

第１図に示すように、手首機構１０の自由端に
は作業工具１６が取り付けられている。作業工具
１６は、製品の組立て又は仕上げの際に役立つ溶
接機又は塗料吹付け機或いはその他の装置から成
る。

第２図に示すように、手首機構１０は外ナツク
ル又は第１のハウジング構造体１８と、内ナツク
ル又は第２のハウジング構造体２０と、スピンド
ル又は工具支持部材２２と、を有している。スピ
ンドル２２は、種々の工具、例えば工具１６を容
易に取り付けることができる工具取付け面または
フエース２３を有している。

管状リテーナ２４が、外ナツクル１８と内ナツ
クル２０との間で中央外ナツクル１８に取り付け
てある。同様に、管状リテーナ２６が内ナツクル
２０とスピンドル２２との間で内ナツクル２０に
取り付けてある。さらに、ロボツト１４の支持ア
ーム１２への手首機構の連結を容易にするための
管状取付けリング２８が外ナツクル１８の自由端
に設けられている。

次に、第３図を参照すると、取付リング２８及
び外ナツクル１８は長さ方向軸線３０を有し、こ
の軸線３０のまわりには、想像線によつて参照番
号32、34、36で指示した支持アーム１２の複数本
の入力管すなわち駆動管が円周方向に間隔をへだ
てている。手首機構１０は駆動管３２，３４，３
６に容易に固定されるようになつている。例え
ば、駆動ピン３８で最も内側の駆動管３２を、手
首機構１０内に設けられた玉軸受４２で回転自在
に支持されたかさ歯車４０に連結する。回転力モ
ーメントを支持することができるような種類の玉
軸受４２が１つ図示されている。変形例として、
玉軸受４２の代わりに２つの軸線方向に間隔をへ
だてたラジアル軸受を使用してもよい。

同様に駆動ピン４４で駆動管３４を軸受４８に
よつて回転自在に支持された中間かさ歯車４６に
連結する。外側の駆動管３６を合せピン５０で取
付けリング２８に連結する。次に、取付けリング
２８をねじ５２で外ナツクル１８にしつかりと固
定し、第３図では前記ねじ５２のうち１つだけが
示されている。

全体５４で指示した第２のかさ歯車がかさ歯車
４０とかみ合つており、したがつて入力管３２の
回転に応答して回転する。かさ歯車５４は一対の
かさ歯車半部５６，５８から成り、これらのかさ
歯車半部５６，５８はねじ係合しそして合せピン
６０によつて互いにピン止めされており、第３図
には合せピン６０を１つだけ示している。かさ歯
車半部５６，５８は、歯車部分が均一であるよう
に形成されている。

また、かさ歯車半部５６，５８は軸受６２で回
転自在に支持されている。軸受６２により内ナツ
クル２０は第２の長さ方向軸線６３を中心に回転
することができる。軸線３０，６３は点６９で交
わり、交角を好ましくは50°に定める。

かさ歯車半部５８は又、出力かさ歯車６４とか
み合い、この出力かさ歯車６４はねじ６６によつ
てスピンドル２２にしつかりと取り付けられてお
り、第３図にはねじ６６が１つだけ示されてい
る。出力かさ歯車６４及びスピンドル２２も６９
で互いにピン止めされている。出力かさ歯車６４
及びスピンドル２２は軸受６８で回転自在に支持
されている。軸受６８によりスピンドル２２は第
３の長さ方向軸線６５を中心に回転することがで
きる。軸線６３，６５は点７１で交わつている。
交点７１は交点６９から喰違つている。これは、
手首機構の内曲げ半径を大きくして手首機構を取
り付けたロボツトのプログラミングを単純化し、
そして比較的大きな歯車の使用を容易にするため
である。歯車を大きくすることにより手首機構
は、該機構を貫通している通路の大きさに拘束さ
れないでより大きなペイロードを駆動することが
できる。この通路を以下に詳細に説明する。

軸線６３，６５のなす交角は好ましくは角７３
に等しい。したがつて、軸線６５が第３図におい
て実線の位置から想像線の位置まで移動すると軸
線６５の空間における方向づけは角７３と角７７
の合計に等しい角６７だけ変化する。

外ナツクル１８の位置を保つた状態で内ナツク
ル２０を180°回転させることによりスピンドル２
２を第３図においてその実線の位置からその想像
線の位置まで移動させることができる 入力かさ歯車４６は第２の中間かさ歯車７０と
かみ合つている。中間かさ歯車７０は軸受７２に
よつて回転自在に支持されている。中間かさ歯車
７０はねじ７４によつて内ナツクル２０にしつか
りと連結されており、ねじ７４は第３図では１つ
だけ示してある。リテーナ２６もねじ６７によつ
て内ナツクル２０にしつかりと連結され、ねじ７
６は第３図に１つだけ示してある。リテーナ２４
はねじ７８によつて外ナツクル１８にしつかりと
連結され、第３図ではねじ７８を１つだけ示して
いる。

手首機構１０は、軸線３０，６３，６５に沿つ
てさえぎられない長さ方向通路８４を有してい
る。このさえぎられない通路は、ホース及びワイ
ヤ及び／又はケーブルを収容することができる。
通路８４の中には第１のプラスチツクガイド８０
が配置され、このプラスチツクガイドは厚肉取付
部を有し、この厚肉取付部は、１つだけ８２で示
してあるねじによつて外ナツクル１８の内面にし
つかりと連結されている。１つだけ図示したねじ
８８によつて内ナツクル２０の内面には第２のプ
ラスチツクガイド８６の厚肉取付部がしつかりと
固定されている。プラスチツクガイド８０，８６
は、それぞれ相互に対向する管状薄肉部を有し、
この管状薄肉部は、それぞれ軸線６３に垂直な端
面を有し、この端面は互いに密接して対向してい
る。プラスチツクガイド８０，８６の内面は手首
機構１０のさえぎられない通路８４を構成するの
に役立つ。ガイド８０，８６は手首機構に対して
内側の曲げ半径を決めるのに役立つだけでなく手
首機構の歯車の潤滑剤を収容して滑らかな表面を
つくつてホース及びケーブルを摺動させるのにも
役立つ。

スピンドル２２はその取付け面２３で、作業工
具たとえば製品の組立て及び／又は仕上げの際に
役立つ溶接機又は塗料吹付け機或いはその他の装
置を支持するようになつている。この目的のため
に９０で１つだけ図示したねじ穴が設けてある。

リテーナ２６及びスピンドル２２の対向面の
間、さらにリテーナ２４、中間かさ歯車７０、内
ナツクル２０間には密封体９２を位置決めするの
が良い。密封体９２は手首機構を悪環境で使用し
た時、軸受６８，７２の汚染を防ぐ。

第３図に示す位置から工具取付け面２３を内ナ
ツクル２０の回転により360°回転させることがで
きる。内ナツクル２０を適当に回転させることに
より軸受６５を、一方の終端においては角７３，
７７の大きさの差だけ軸線３０から変位し、他方
の終端においては角７３，７７の合計の大きさだ
け軸線３０から変位しているような外側の限度
（すなわち、もし角７３，７７が両方とも角６７
で示すように50°に等しければ0°（軸線３０に対し
て平行）から100°まで）で構成されたエンベロプ
内で選択的に位置決めすることができる。このエ
ンベロプ内では工具取付け面２３を実質的に360°
回転させることができしたがつて工具取付け面２
３に配置された工具を種々の位置に位置決めする
ことができる。

手首機構１０は、塗料吹付けや溶接のような
種々の製作及び生産工程を行なうように制御され
るロボツトに最適である。手首機構１０を、組立
中構成要素を位置決めするように作動されるクラ
ンプ装置に使用することもできる。

入力管３２，３４，３６の回転動作を、入手し
うる任意周知の駆動装置、例えば電動機、空気圧
モータ、油圧モータによつて行つてもよい。所望
ならば、駆動管３２，３４，３６の入力を手動で
行つてもよい。これらの入力管の回転を、それら
の回転を制御するのに適切なプログラムをもつコ
ンピユータを使用することによつて所望のパター
ンで制御できることは明らかである。これらの装
置は例示として揚げたにすぎず、上記の説明から
手首機構１０は万能位置決め装置を必要とするよ
うな多くの場合に役立つことは明らかである。

発明の効果 手首機構１０の上述の構成により先行技術の手
首機構によつて得られる曲げ半径よりももつと大
きな曲げ半径を見込むことができしかも入力駆動
軸の回転を制御するようなロボツト制御装置のプ
ログラミングを単純化できる。さらに、この構成
により、手首又はさえぎられない通路の大きさを
犠牲にしないでもつと大きな歯車を使用すること
ができる。歯車を大きくすることにより所定の容
量の大きさの手首機構の自由端に作用するより大
きなペイロードを駆動することができる。

本発明を例示的に説明したが、使用した用語は
限定的なものでなく説明上のものとして理解され
るべきである。

上記の教示を考慮すると本発明の多くの修正及
び変更が可能であることは明らかである。したが
つて、特許請求の範囲内で本発明を特定的に説明
した以外の形で実施することができることは理解
されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて構成された手首機構を
ロボツトの外アームの自由端に取り付け、手首機
構の種々の位置を想像線で示しているロボツトの
側面図、第２図は手首機構の側面図、第３図は手
首機構の第２の位置を想像線で指示し、第２図の
手首機構をわずかに拡大して示す断面図である。 〔主要な参照符号の説明〕、１８……外ナツク
ル又はハウジング、２０……内ナツクルまたはハ
ウジング、２２……スピンドル又は工具支持体、
２３……工具取付け面、３０，６３，６５……軸
線、４０，４６，５４，７０……歯車、６９，７
１……交点、８４……通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作業工具を位置決めするための機械的手首機
   構であつて、３本の独立した回転軸線３０，６
   ３，６５を有し、前記軸線のうち第１の対が第１
   の相互の交点６９をもち、前記軸線のうち第２の
   対が第１の相互の交点からオフセツトした第２の
   相互の交点７１をもち、 歯車収容室及び工具操作室を含む内部手首空所
   を構成し、前記軸線のうち第１及び第２の軸線３
   ０，６３のそれぞれ中心として回転自在に支持さ
   れた第１及び第２のハウジング１８，２０を有
   し、第１のハウジングはアーム取付け面を備え、 前記軸線のうち第３の軸線６５を中心に回転で
   き、かつ工具取付け面２３を備えた工具支持部材
   ２２を有し、 前記工具取付け面の位置を作業エンベロプ内で
   選択的に定めるために、前記工具支持部材２２及
   び前記第２のハウジング２０をそれらのそれぞれ
   の軸線６５，６３のまわりに独立して回転させる
   歯車装置を前記歯車室の中に配置し、 作業工具関連構造体を密閉収容するために、ア
   ーム取付け面と工具取付け面との間に配置されて
   いるさえぎらない連続通路を有し、 前記通路は、第１のハウジング及び第２のハウ
   ジングと一緒に回転可能に設けられた第１及び第
   ２のガイド８０，８６を有し、該第１及び第２の
   ガイドは、前記第１及び第２の相互の交点６９，
   ７１を含む第１のハウジング及び第２のハウジン
   グ内に、前記歯車収容室及び工具操作室を構成
   し、 前記第１のガイド８０は、該第１のガイドを第
   １のハウジング１８に締結手段８２を介して固定
   するための厚肉取付部と第２のガイド８６に対向
   する管状薄肉部とを有し、 前記第２のガイド８６は、該第２のガイドを第
   ２のハウジング２０に締結手段８２を介して固定
   するための厚肉取付部と第１のガイド８６に対向
   する管状薄肉部とを有し、 前記第１のガイド８０と第２のガイド８６の前
   記管状薄肉部は、それぞれ軸線６３に垂直な端面
   を有し、該端面は互いに密接して対向している、
   ことを特徴とする機械的手首機構。 ２ 前記第１のハウジングは、ロボツトのアーム
   に連結されるようになつた取付けリングを有する
   特許請求の範囲第１項に記載の機械的手首機構。 ３ 前記通路に沿う軸線上の点における空洞の任
   意のものの幅は、かかる点における前記手首機構
   の対応した幅の1/3よりも大きいことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の機械的手首機
   構。 ４ 第１の一対の軸線は、前記３つの軸線のうち
   第１及び第２の軸線を含み、前記３つの軸線のう
   ち前記第１及び第２の軸線は、30°よりも大きい
   角度だけ互いに角度的に定められている、特許請
   求の範囲第１項に記載の機械的手首機構。 ５ 前記３つの軸線のうち第３の軸線は、前記３
   つの軸線のうち第２の軸線との相互交点を維持し
   ながら、前記３つの軸線のうち第１及び第２の軸
   線の両方に対して角度的に動くことができ、そし
   て前記３つの軸線のうち第１の軸線と角度的に整
   合している、特許請求の範囲第４項に記載の機械
   的手首機構。