JPS5993290A - ロボツト、マニプレ−タ等の手首機構 - 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】 本発明はロボソ１−やマニプレータ等のアームの先端に
取り付り、ｌる手首機構に関するもので、取分は手首部
分、更には装置全体の小型化を図ると共に、手首に取り
付けた工具等が障害物に衝突した場合の安全装置を設け
た手首機構に関するものである。

一般にロボットやマニプレータ等は作業工具等を空間上
の任意の位置に移動させるためのアーム部分と作業対象
に対して工具等の姿勢を決めるための手首機構とを有し
ており、各アーム及び手首機構がそれぞれ複数の自由度
を独立に有していることにより空間の任意の位置で任意
の姿勢をとることが出来る。このようにアームや手首等
が複数の自由度を有する場合、各自由度に対応する回転
を起こさせるためのアクチュエータはその旋回部分に直
接取り伺けることが設計上は簡単であり、スペースや重
量による制限が緩い場合はこのような構造を用いること
が望ましいことが多い。イガしながら、手首先端に大型
の工具を取り付けて駆動させる場合等には、工具の重さ
とアクチュエータの重さが重畳されて複数の自由度を確
保するために積み重ねられたアクチュエータの駆動軸に
太きな負荷がかかり、アクチュエーク全体を大型化せね
ばならず、手首機構全体が大型且つ重量化すると共に、
これを支えるアームも剛性の高い大型のものが要求され
、装置全体が大型化して作業スペースの増大、コストの
上昇を招く原因となっている。

例えば第１図に示した熱間スラブ材の傷を取る為のスカ
ーフィング用マニプレータの場合、垂直アームＩとこれ
に揺動自在に連結された水平アーム２によってアーム部
分を構成し、水平アーム２の先端に取り付けた手首３の
下端にスカーフィング用のノズル４を取り付け、手首３
の中心を貫通する垂直軸５を中心とする旋回運動（θ１
）と、手首３の下端に取り付けた水平軸６を中心とする
揺動運動（θ２）を工具であるノズル４に与え（Ｍるよ
うに成っているが、スカーフィング用ノズル４は耐熱構
造上大型で重い構造と成っている為、（θ１）の旋回を
起こさせる旋回軸の下端に従来のように更に工具に揺動
運動を起こさせる他のアクチュエータをつけていたので
は手首３よりも先端の部分の重量が非常に大きくなり、
前記したように機械全体が大型且つ重量化する虞れがあ
る。

又例えばスカーフィング用マニプレータのように作業対
象が熱間スラブ材のような大重量の物であると、若し工
具がこれに衝突した場合、作業対象側を押しのけること
が出来ないので、工具、手首部、アーム部等に損傷を生
じるが又はアクチュエータが過負荷となって破壊される
等の危険性があり、各手首機構に応じた合理的な安全装
置が必要である。

本発明は上記のような点に鑑み、特に大型の工具を用い
て作業をするようなロボットやマニプレータ等の手首に
最適の手首機構を提供することを目的とし、手首の先端
に設ける工具を取り付ける為の中空軸を旋回させて工具
に旋回運動を与えると共に、上記中空軸中を貢通し一端
が工具揺動機構に連結された進退軸を往復運動させて工
具に揺動運動を起こさせるロボット、マニプレータ等の
手首機構に於いて、上記進退軸を中間で分割し、スラス
ト軸受けを介して相対回転可能に連結すると共に、この
進退軸の他端に往復運動用油圧シリンダ装置の一端を連
結し、且つ上記油圧シリンダ装置の他端を進退何れの方
向に対しても浮動状に支承するフローティングピストン
によって支承した如き点に特徴を有するロボット、マニ
プレータ等の手首機構を提供するものである。

続いて第２図以下の添伺図面を参照して本発明をスカー
フィング用マニプレータに応用した実施例につき詳しく
説明する。ここに第２図はスカーフィング用マニプレー
タの手首機構の斜視図、第３図は同手首機構の側断面図
で同機構を制御するための油圧回路図を含むものである
。又第４図は第３図に於けるＡ−Ａ矢視断面図である。

第２図に示した手首機構は第１図に示したスカーフィン
グ用マニプレータの手首３を詳細に描いたものである。

第２図に於いてリンクロッド７はマニプレータ全体の第
１図に示した基台８に対する旋回運腎に応じて矢印９の
方向に移動し、手首３の根元に取り付けた軸１０に回転
運動を与え、ノズル４をマニプレータ全体の回転とは逆
の方向に同じ角度分旋回させてノズルの向きを富に一定
に保つための方向補正機構を構成するものである。即ち
マニプレータ全体が基台８に対して（θ１）だけ回転す
ると、この回転が図示せぬ平行リンク機構等を介してリ
ンクロッド７に伝えられ、矢印９の方向にリンクロッド
７を移動させ、このリンクロッド７とレバー１１を介し
て連結された軸１０を回転させる。軸１０の回転はスプ
ロケット１２．１３及び両スプロケットに巻き掛けたチ
ェーン１４を介してスプロケット１３の駆動軸１５に伝
達される。駆動軸１５は傘歯車１６を一体に、又この傘
歯車１６と向かい合う同じ寸法の傘歯車１７を回転自在
に有しており、この傘歯車１７は大型の傘歯車Ｉ８と同
軸一体で傘歯車１８はこれと噛み合う傘歯車１９を介し
てロークリサーボモータ２０と連結されている。父上記
駆動軸１５は第４図に示すように前記傘歯車１Ｇと１７
との間の位置に駆動軸１５を中心として揺動自在の揺動
軸２１を有しており、この揺動軸２１に回転自在に取り
付けられた傘歯車２２が前記した傘歯車１６及び１７と
噛み合い、傘歯車１６と１７とを連結している。ローク
リサーボモータ２０の出力軸側には歯車２３が固着され
ており、この歯車２３はノズル４を揺動自在に有するノ
ズル取り付は部２４に固着された垂直の中空軸２５の上
０１１１に固定された歯車２６と噛み合っている。

上記中空軸２５の上部にはこれと同軸に油圧シリンダ２
７が配設されており、該油圧シリンダ２７から下方に向
かうで出没するビス１−ンロソＦ　２８と上記中空軸２
５内に同軸に挿入された進退軸２９の上端とがスラス１
〜軸受３０を介して互いに相対回転可能に且つ軸方向に
は一体的に連結されている。進退軸２９の下端はリンク
３１を介して前記ノズル４の揺動中心軸６に固定したレ
バー３２と連結され′Ｃおり、進退軸２９の上下方向へ
の往復運動によってリンク３１を介してアーム３２、揺
動中心軸６及びこれに一体に取り付けられたノズル４が
揺動中心軸６の回りに揺動運動し、ノズルの揺動運動を
行う。

父上記油圧シリンダ２７の上端には第３図に示す如く、
上端に大型の頭部３３を有するピストンロッド３４が若
干の揺動を可能とした状態で取り付けられており、この
ピストンロッド３４の頭部３３は油圧シリンダ２７と同
軸に設けた上下２段の油圧シリンダ３５内に進退自在に
挿入されており、この２段の油圧シリンダ３５は中火に
設けた小径部３５ａによって上部室３６ａと下部室３６
ｂとに分割されており、３６ａ内には摺動自在のフロー
ティングピストン３７ａが装着され、下部室３６ｂ内に
はピストンロッド３４の外周に摺動自在に嵌着されたフ
ローティングピストン３７ｂが摺動自在に装着されてお
り、上側のフローティングピストン３７ａは図に示した
最も下の位置に於いて、前記小径部３５ａに衝突し、そ
れ以上下には進むことが出来ず、又下側のフローティン
グピストン３７ｂは図に示した最も上の位置に於いて、
前記小径部３５ａの下面と衝突してそれ以上の上方向へ
の移動は阻止されている。上部室３６ａ及び下部室３６
ｂにはそれぞれ圧油が供給され、フローティングピスト
ン３７ａ及び３７ｂは共に當時前記小径部３５ａに押し
つけられており、小径部３５ａの幅と同じ上下方向の幅
を持つ前記ピストンロッド３４の頭部３３を上下方向に
保持しており、頭部３３の外径ば小径部３５ａの内径よ
りも若干狭く、然もフローティングピストン３７ｂの内
径よりは若干大きいと共に、上側のフローティングピス
トン３７ａの外径よりは若干小さく形成されている。従
ってピストンロッド３４が上方向へ移動すると、フロー
ティングピストン３７ｂは小径部３５ａに衝突して図に
示した位置に停止するが、フローティングピストン３７
ａはピストンロッド３４の頭部３３に押されて、上部室
３６ａ内を上方へ進むことが出来る。又逆にビス１〜ン
ロソト３４が下方に移動する時は、フローティングピス
トン３７ａは小径部３５ａに当接して、図に示した位置
に停止し、下部のフローティングピストン３７ｂは頭部
３３に押されて下方へ移動する。

上記した構成に於ける油圧装置の制御回路は第３図に示
す如くであり、ロークリサーボモータ２０の回転方向は
油圧ユニット３８から配管３９を通って送られてくる圧
油の流れの方向によりて行われ、配管３９の途中に接続
した電磁弁４０を切り換えることによりロークリサーボ
モータ２０の回転方向が切り換えられる。又油圧ピスト
ン２７へは電磁弁４１を中間に有する配管４２によって
油圧ユニット３８から圧油が送られてきており、電磁弁
４１を切り換えることにより、ピストン２８の進出又は
後退が行われる。父上部に設けた２段の油圧シリンダ３
５への配管については、前記配管３９の高圧側配管から
分岐した配管４３ａ及び４３ｂによって安全回路４４　
ａ及び４．４　ｂを介して上部室３６ａ及び下部室３６
ｂにそれぞれ圧油が供給されている。また各安全回路に
設けられた圧力スイッチ４５ａ及び４５ｂは、ノズル４
がワークＷに衝突した時に上部室３６ａ又は下部室３６
ｂ内の油圧の上昇を検出して警報を発するためのスイッ
チ機構である。

続いて上記した手首ｔａ横のノズル方向補正動作、ノズ
ル方向変更動作、溶剤面切り換え動作、及びノズルの衝
突による過負荷防止動作について夫々説明する。

（１）ノズル方向補正動作 前記したマニプレータが基台に対してθ１だけ回転する
と、これに伴ってリンクロッド７、スプロケット１２、
チェーン１４、スプロケ・ノド１３が次々に回転し、同
時に駆動軸１５がマニプレータの旋回′角度に対応した
分だけ回転する。駆動軸１５がｉ転すると、その回転は
傘歯車１６．２２、１７及び１８を介してロータリサー
ボモータ２０の入力軸に取り付けた傘歯車１９に伝達さ
れ、ロータリサーボモータ２０によって回転力が増幅さ
れて歯車２３に伝達される。歯車２３の回転は歯車２６
及びこれと一体の中空軸２５に伝達され、中空軸２５の
下端に取り付けたノズル取り付ジノ部２４及びノズル４
が中空軸２５の軸芯（第１図に示した垂直軸５）の回り
に旋回される。こうしたノズル４の旋回角度は傘歯車１
８と１７との山数の比率や歯車２３と２６との歯数の比
率等を適当に調整することにより、マニプレータ全体の
旋回角度と同一となるように設定され、且つ上記した歯
車の組み合わせを適当に選定することにより、その旋回
方向がマニプレータ全体の旋回方向とは逆方向になるよ
うに設定されており、従ってマニプレータ全体が０１時
計方向に旋回するとノズル４が一〇１分だけ反時計方向
に旋回し、この状態ではノズルはマニプレータ全体の旋
回とは°無関係に常に一定の方向を指向している。

（２）ノズル方向変更動作 上記の説明によってマニプレータ全体の旋回に刻してノ
ズルの方向を補正してノズルの方向を富に一定に保つ機
構が理解されたが、こうして一定方向に保たれたノズル
を基準として実際にはノズルを任意の方向に旋回させる
必要がある。スカーフィング用マニプレータの場合、こ
のようなノズルの方向性を一定に保つ事は重要であるが
、更に必要に応じてノズルの方向を変更することにより
、熱間スラブ材の表面に生じた種々の傷に対応したスカ
ーフィング作業が可能となる。このようなノズルの角度
の変更は揺動軸２１の駆動１ｊｉｄ＋　１５回りの揺動
運動によって達成され、揺動軸２１の揺動は小型の油圧
シリンダ４６によっておこなわれる。即ぢ、今駆動軸１
５が停止した状態で考えると油圧シリンダ４６のビス１
〜ンロツド４７を進退させることによって揺動軸２１を
駆動軸１５の回りに回動させることが出来、この回動に
よって傘歯車１６と２２との噛み合い点が移動し、相対
的に傘歯車２２が回転し、傘歯車１７にこの回転が伝達
され、傘歯車１７に一体の傘歯車１８を介して傘歯車１
９及びこれにより駆動されるロータリサーボモータ２０
が回転される。

こうして油圧シリンダ４６のピストンロッド４７の進出
量を適当に制御することにより傘歯車２２の回転角度、
即ちこれと連動するロータリサーボモータ２０の旋回角
度を任意に制御する事が出来、これによりノズル４の方
向を任意に変化させることが出来るのである。上記した
ノズルの中空軸２５を中心とした旋回によって進退軸２
９も旋回するが、油圧シリンダ２７は旋回することがで
きず、ここで油圧シリンダと進退１１ｉｌＩＩ２９とを
相対回転自在なものにしておかなければならない。前記
したスラスト軸受３０はこのような目的に沿うものであ
る。

（３）ノズルの溶剤面の変更 ノズル４は、第３図に示すようにワークＷの上面Ｗａ及
び側面ｗｂに発生した傷を夫々溶剤に、より除去するこ
とができるが、その為にはノズルを揺動中心軸６の回り
に揺動させなければならない。油圧シリンダ２７はこの
為のもので、電磁弁４１を切り換える事により、油圧シ
リンダ２７のピストンロッド２８が進出又は後退する。

このピストンロッドの往復動作により、前記スラスト軸
受３０を介して進退軸２９が進出又は後退し、リンク３
１を介してアーム３２及びこれが固着された揺動中心軸
６、及びノズル４が揺動中心軸６の回りに揺動して溶剤
面の切り換えが行われる。

（４）過負荷防止動作 上記のようにワークＷの上面Ｗａ又は側面ｗｂを溶削し
ている状態に於いてノズル４がワークＷに衝突した場合
、例えばノズル４が必要以上に下降して上面Ｗａに衝突
した場合を考える。この場合ノズル４は時計方向に最も
回動した位置にあるから、油圧シリンダ２７のピストン
口・ノド２８は最も後退した状態、即ち上限位置にあり
、この状態でノズルが下降してワークの上面Ｗａに衝突
する。と、ピストンロッド２８はそれ以上逃げることが
出来ないので油圧シリンダ２７自体が上方へ逃げなけれ
ばならない。こうしてノズルの衝突による上向きの力を
油圧シリンダ２７が受けると、油圧シリンダ２７の上部
に取り付けたピストン口・ノド３４が油圧シリンダ３５
の上部室３　ｆｉ　ａに装着された前記フローティング
ピストン３７ａを押し上げ、上部室３６ａ内の油圧力に
逆らってビス１−ン３４が上昇し、油圧シリンダ２７が
破壊されることなく上方へ逃げることができる。こうし
てフローティングピストン３７ａが上昇すると、上部室
３６ａ内の圧力が上昇し、圧力スイフチ４５ａがＯＮす
ることにより、ノズルがワークＷの上面Ｗａに当接した
ことを知らせる警報が発せられる。逆にノズル４が最も
反時計方向に回動した状態即ち、ワークＷの側面ｗｂを
溶削している状態に於いて、ノズルがワークに衝突する
と、ノズルに反時計方向の負荷がかかり、ビス１−ンロ
ノド２８を下方に引き下げようとするが、この状態では
ピストンロッド２８は最も下方の位置にあるので、　　
、それ以上下がることが出来ず、油圧シリンダ２７自体
が下方に引っ張られ、油圧シリンダ２７と一体的に連結
されたピストンロッド３４がフローティングピストン３
７ｂを押し下げて移動し、ノズル４の破壊等が防止され
る。この場合下部室３６ｂの圧力が上昇して圧力スイフ
チ４５ｂがＯＮＬ、ノズルがワークの側面に当接したこ
とを知らせる警報が発せられる。

以上述べた如く本発明によれば、手首の先端に設ける工
具を取り付けるための中空軸を旋回させて工具に旋回運
動を与えると共に、上記中空軸中を貫通し一端が工具揺
動機構に連結された進退軸を往復運動させて工具に揺動
運動を起こさせるロボット、マニプレータ等の手首機構
に於いて、上記進退軸を中間で分割し、スラスト軸受を
介して相対回転可能に連結すると共に、この進退軸の他
端に往復運動用油圧シリンダ装置の一端を連結し、且つ
上記油圧シリンダ装置の他端を進退モ）１゛れの方向に
対しても浮動状に支承するフローティングピストンによ
って支承したことを特徴とするロボット、マニプレータ
等の手首機構であるから、ロータリサーボモータの入力
側に手首を作動さ・けるアクチュエータを設けることが
出来、従来のよ・うに手首の出力側に大型のアクチュエ
ータを設昏する必要がなく、手首機構及びアーム部分の
小型軽量化を図る事が出来るものであり、さらに手首先
端に設けた工具等が作業対象や障害物に衝突した場合で
もアクチュエータの過負荷や手首部分等の損傷を生じる
危険性がなく、例えばスカーフィング用マニプレータ等
に適用して好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるスカーフィング用マニ
プレータの側面図、第２図は同マニプレータの手首機構
の斜視図、第３図は同手首機構の側断面図（同機構を制
御する為の油圧回路を含む）、第４図は第３図に於ける
Ａ−Δ矢視断面図である。 （符号の説明） ３・・・手首　　　　　　　４・・・工具２０・・・中
空軸　　　　　２９・・・進退軸３１．３２・・・工具
揺動機構 ３０・・・スラスト軸受　　２７油圧シリンダ３７ａ、
３７ｂ・・・フローティングピストン。 出願人　　株式会社　神戸製鋼所 代理人　　弁理士　　本庄　武男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、手首の先端に設ける工具を取り付けるための中空軸
   を旋回させて工具に旋回運動を与えると共に、上記中空
   軸中を貫通し一端が工具揺動機構に連結された進退軸を
   往復運動させて工具に揺動運動を起こさせるロボット、
   マニプレータ等の手首機構に於いて、 上記進退軸を中間で分割し、スラスト軸受を介して相対
   回転可能に連結すると共に、この進退軸の他端に往復運
   動用油圧シリンダ装置の一端を連結し、且つ」二記油圧
   シリンダ装置の他端を進退いずれの方向に対しても浮動
   状に支承するフローティングピストンによって支承した
   ことを特徴とするロボット、マニプレータ等の手首機構
   。