JPS6039518B2 - 工業用ロボットの手首機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工業用ロボットに関し、特にロボットの手首機
構に特殊構造を有する高減速機構を備えてロボットハン
ドの正逆回転及び首振り動作を同時又は個別に作動可能
な工業用ロボットの手首機構に関する。

一般に、工業用ロボットは伸縮動作するロボットアーム
の先端に作業用ロボットハンドを有し、さらに該ロボッ
トハンドを回転又は首振り動作をさせる機構として上記
。

ポットアームの先端とロボットハンド間に上記両者と連
結した手首機構を具備している。近年、工業用ロボット
の利用範囲がますます多様化し、特に工作機械分野にお
いては、省力化の推進に伴い、工業用ロボットを用いて
工作物を把持し、工作機械への着脱、又は工具の着脱を
も行う方法が探られている。

この場合、工業用ロボットは工作機械の限られた空間範
囲内に進入して動作することが必要であるため、ロボッ
トの進入部分、特にロボットの手首機構部分のコンパク
ト性が要求される。この手首機構をコンパクト化するた
めに、従来は油圧系又は空圧系の装置を用いて手首機構
を構成する方法が広く用いられている。

しかしながら、これらの方法を用いて構成した手首機構
を有する工業用ロボットにおいては、油圧源又は空圧線
の設置、配管設備、及び制御性等の問題がありその維持
管理がきわめて煩わしくその費用も無視できない。さら
に駆動源としてはほとんどのものが駆動モータを備えか
つ油圧又は空圧系の制御には電磁弁等を備えているので
電気系の設備も併せて有し、従って油圧又は空圧系と電
気系双方の維持管理が必要である。特に、油圧系の手首
機構を有するロボットにおいては、消耗品として高価な
油圧用作動油を使用するため、その維持管理がさらに煩
雑でかつ多額の費用を有する。従って、このように構成
された手首機構を有する工業ロボットはロボット全体的
見地からみると必ずしも満足できるものではない。従っ
て、上記のような不都合を解消するためには、油圧又は
空圧系の装置を用いず、電気系の装置によって構成され
かつコンパクト化した手首機構を有する工業用ロボット
が好ましい。

この種の手首機構の構造は一般に、手首機構を敬着した
ロボットアームの後端又は該アームを前後移動可能に支
承するロボットケーシングの後端に高速回転駆動源とし
て駆動モータを配置して該駆動モータと上記手首機構と
を伸縮自在の駆動軸を介して正逆回転可能に連結して構
成することが考えられる。また、この場合、ロボットハ
ンドは大きなトルクを必要とするため最終的なロボット
ハンドの動作に至るまでに手首機構は上記駆動モータの
高速回転を減速し大きなトルクとして出力する必要があ
る。従って、この減速のために、高減速機構を手首機構
内に設けるか、又は駆動モータに直結して設けるかいづ
れかの方法が考えられる。しかしながら通常の観念から
すると、前者の場合は、手首機構内に多数の歯合する歯
車を配置組合せて減速機構を構成し、しかもロボットハ
ンドの正逆回転動作用と首振り動作用とのために個別に
減速機構を設け、さらにこの両減速機構を連動する機構
をも設けて構成することが考えられるが、このような構
成では高減速比を得るために減速機構が大形化し、従っ
て手首機構部分も非常に大形になり冒頭で述べたコンパ
クト化が計れない。一方後者の場合は、駆動モー外こ直
結した高減速機構で減速された大きなトルクを駆動軸が
手首機構に伝達する必要が生じ、従って強度的理由から
非常に太い駆動軸を設けなければならない。このために
、該騒動軸を内蔵するロボットアームも非常に太い構造
のものに形成しなければならず、またこれに併う附属部
品も大形のものが必要となり、従ってロボットアーム先
端に手首機機取付部分が大きな空間を占めることとなり
これに連結する手首機構も大形化される結果となって、
結局は前者の場合と同様にコンパクト化が可能でなく、
さらに重量増加を招き重量的にみても満足できるものが
得られない。このような理由から従来はコンパクト化さ
れたこの種の工業用ロボットの手首機構は提供されてい
ない。従って、本発明の目的は特殊構造を有する高減速
機の特長を巧みに利用し、かつロボットの手首機構の構
造を工夫改善し、以つて電気系駆動力によって作動され
かつコンパクト化した高減速機構を手首機構内に構成し
て、尚かつロボットハンドの正逆回転及び首振り動作を
同時又は個別いづれにても作動可能なロボットの手首機
構、すなわち二自由度動作が可能なロボットの手首機構
を提供することにある。

本発明に依れば、ロボットケーシングから延長して伸縮
自在に取付けられたロボットアームの先端に取着される
と共に工作物等の被持物を把持するロボットハンドを連
結して、該ロボットハンドの正逆回転運動及び首振り運
動を行なう工業用ロボットの手首機構であって、該手首
機構は、手首ケース４６と、該手首ケース４６内に並列
配置された高減速比を有する第１のハーモニックドライ
ブ減速機と第２のハーモニックドラィブ減速機とから成
り、前記第１と第２のハーモニックドラィブ減速機それ
ぞれの剛性外論４４，４４′外周に歯形を設け、これら
両者の歯形に係合可能な係合部材を配設し、該係合部材
を介して前記両者を互に連動回敷可能に連結し、前記第
１と第２のハーモニツクドライブ減速機それぞれの楕円
状駆動輪４０，４０′を、それぞれ高速回転駆動源に連
結された駆動用パイプ軸３０，３０′に剛性結合し、前
記第１のハーモニックドラィブの可操性内輪４２を前記
手首ケース４６に回動不能に固定し、前記第２のハーモ
ニックドラィブの外輪４４′と可裸性内輪４２′とを、
手首の回動機横を構成するべベルギャボックス５４と、
首振り機構を構成するべペルシャフト５８とにそれぞれ
接続し、前記第１と第２のハ−モニックドラィブ減速機
を経由して行われる前記ロボットハンドの正逆回転運動
と、前記第２のハーモニツクドラィブ減速機を経由して
行われる前記ロボットハンドの首振り運動とを同時又は
個別いずれにも操作可能に形成したことを特徴とする工
業用ロボットの手首機構が梶される。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明による工業用ロボットの手首機構を備え
たロボットの一実施例を示す外観側面図である。

第１図において、１０１ま工業用ロボットの篤形固定部
であり、この鐘形固定部１０の上面に回転テーブル１２
が取着され、該回転テーフル１２の回転駆動機構が瞳形
固定部１０の内部に格納されている。この回転テーブル
１２上には２本の鉛直案内軸１４，１４′が固着され、
かつ上・下送りねじ軸１６が正逆回転可能に設けられて
いる。また上・下送り軸１６は鐘形固定部１０内部に設
けられた上・下駆動モータ（図示なし）によって回転駆
動されるように接続されている。ロボットケーシング１
８は上・下移動可能に案内軸１４，１４′に支承され、
かつ上・下送りねじ軸１６と係合し、この上・下送りね
じ軸１６の回転に応じて案内軸１４，１４′に沿って上
・下移動されるように構成されている。そしてロボット
ケーシング１８はロボットアーム２０，２０′を水平方
向に伸縮可能に支承し、該ロボットアーム２０，２０′
の先端（以下、図に向かって右側を先端側と仮定する）
に本発明による手首機構２２が取着されている。この手
首機構２２にロボットハンド２４が取着され、該手首機
構２２によってロボットハンド２４の正逆回転位置決め
及び首振り位置決め動作が行われるように構成されてい
る。一方ロボットケーシング１８の後騰内部には駆動モ
ータ（第２図参照）が格納され、該モータによってこれ
に接続された駆動軸（第２図参照）を介して手首機構２
２が駆動されるように構成されている。第２図は第１図
の部分図で主としてロボットケーシング１８の内部、ロ
ボットアーム２０及び手首機構２２を示す部分断面図で
ある。

第２図において、ロボットアーム２０，２０′はロボッ
トケーシング１８の先端の円筒部１８ａ，１８′ａそれ
ぞれの内側に離間して配設された軸受１８ｂ，１８ｃ及
び１８′ｂ，１８′ｃによってそれぞれ前後移動可能に
支承されている。さらにロボットアーム２０，２０′の
先端に手首機構２２が取着されロボットアーム２０，２
０′と共に前後移動するように構成されている。一方ロ
ボットアーム２０，′２０′の後端にはプレート２０ａ
が固着され手首機構２２と共に一体構造に形成されてい
る。ロボットケーシング１８の後端に第１，第２及び第
３の駆動モータ２６，２６′及び２７を第２図に示す如
く配置して設け、該第１及び第２の駆動モータ２６，２
６′はこれらに回転可能に接続されたボールスプラィン
軸２８，２８′と、該スプライン軸２８，２８′と鞠線
方向に摺敷可能にそれぞれ鉄合するパイプ軸３０，３０
′とを介して手首機構２２内部に設けられた後述の第１
及び第２のハーモニツクドライブ減速機と称する公知の
特殊構造の高減速機とそれぞれ連結して該減速機を回転
駆動するように構成されている。上記ボ−ルスプラィン
軸２８，２８′はロボットケーシング１８に固着された
プラケット３２に配段された軸受３２ａ，３２′ａとプ
レート２０ａに配設された軸受２０ｂ，２０′ｂとによ
ってそれぞれ回転可能に支承され、その後端は継手３４
，３４′を介してそれぞれ駆動モータ２６，２６′と接
続しかつ前端部はパイプシャフト３０，３０′とポール
スプラィン隊合して互に軸線方向に摺動可能に連結され
ている。また、ボールねじ藤３６はブラケット３２に配
設された軸受３２ｂと、これに対向してロボットケーシ
ング１８前端壁に配設された軸受１８ｄとによって回転
可能に支承され、その後端は継手３８を介して第３図の
駆動モータ２７と接続し、かつその略中央部はプレート
２０ａに固着されたポールナット３６ａと螺合している
。従って、ボールねじ軸３６の正逆回転に応じて手首機
構２２が上記ボールナット３６ａ，プレート２０ａ及び
ロボットアーム２０，２０′を介して前後方向に移動さ
れるように構成されている。第３図は第１及び第２図に
示した手首機構２２の内部構造を詳細に示す縦断面図で
ある。

第３図において、第１のハーモニックドラィブ減速機は
ウェーブジェネレータと称する楕円板状の駆動輪４０と
、フレックスフプラィンと称する略円筒状の可操性材料
からなる内輪４２と、サーキュラスプラィンと称する外
輪４４とからなり高減速機構を形成している。第２のハ
ーモニックドラィプ減速機も上記と同様な部材、すなわ
ち駆動輪４０′と内輪４２′と外輪４４′とからなり同
様に高減速機構を形成している。ごて、ここで上記ハー
モニックドラィブ減速機の構造と原理を第４図にもとづ
いて簡単に説明する。

第４図ィは第３図の矢印Ａの示す方向からみたハーモニ
ックドラィブ減速機の正面図、第４図ロは上記第４図ィ
のＢで示す部分の内輪４２の歯形４２ａと外輪４４の歯
形４４ａとの歯合状態を示す説明図である。第４図ィに
おいて、駆動論４川ま楕円形状のものでその外周面４０
ａは内輪４２の内周面４２ｂと沼動可能に密着している
。内輪４２は第３図に示す如く薄板の円筒形状に形成さ
れているが可榛性材料で構成されているので駆動輪４０
と密着している部分は第４図ィに示すように駆動輪４０
の外周形状に追従して楕円形状に変形されている。従っ
て、第４図ィにおいて、駆動輪４０が内輪４２の内面４
２Ｍこ摺動しながら矢印Ｃの方向に回転すると内輪４２
もそれに追従して連続的に変形される。すなわち楕円形
状の長藤線が矢印Ｃの方向に回転するように連続的に変
形され外輪４４の内周面との接点が移行される。さらに
、この内輪４２が駆動輪４０と内接する部分の内輪４２
の外周面に歯形４２ａが形成されている。外輪４４はそ
の外周面に歯形が形成された歯車であって、その内周面
には内輪４２の歯形４２ａに対向した歯形４４ａが形成
され、該歯形４４ａは内輪４２の楕円形状長軸線部の歯
形４２ａと噛合している。従って、駆動輪４０を回転駆
動することより歯形４２ａと４４ａの歯合点は順次連続
して移行する。この場合歯形４２ａの歯数は歯形４４ａ
の歯数よりも２枚少く、例えば歯形４２ａの歯数１９幼
女‘こ対して歯形４４ａの歯数は２００枚設けられ、従
って歯形４２ａのピッチＰ，は第４図ｏに示す如く歯形
４４ａのピッチＰ２よりも△Ｐだけわずかに大きく形成
されている。第４図〇において、内輪４２を固定し外輪
４４を回転方向に可動とした場合、駆動論４０を矢印Ｄ
方向すなわち時方向に回転して噛み合い点をａからｂに
移行すると外輪４４が△Ｐだけ内輪４２に対して時計方
向に回転する。これと逆に外輪４４を固定し内輪４２を
可動とした場合は内輪４２は反時計方向に△Ｐだけ外輪
４４に対して回転する。前記いづれの場合も駆動輪４０
の回転方向を逆にすれば外輪４４及び内輪４２もそれぞ
れ逆方向に回転する。従って、前記の如く内輪４２と外
輪４４の歯数がそれぞれ１９釘女と２０の女の場合の減
速比は、内輪４２を固定として外輪４４を可動とした場
合は外輪４４が駆動輪４０の１回転に対して該駆動輪４
０と同一回転方向で２／２００回転逆に外輪４４を固定
として内輪４２を可動とした場合は内輪４２が駆動輪４
０の１回転に対して該駆動論４０と逆回転方向で２／１
９８回転の減速比が得られる。以上の如くハーモニツク
ドラィブ減速機は簡略構造でしかも高減速比が得られる
ように構成されている。さて、再び第３図において、パ
イプ軸３０の先端部は第１のハーモニックドラィブ減速
機の駆動論４０にキー結合され第１の駆動モータ２６（
第２図）の回転駆動力を上記駆動輪４０１こ伝える。

内輪４２は手首ケース４６に固定部材４８によって固定
され、外輪４４は手首ケース４６に配設された軸受４６
ａ，４６ｂによって正逆回転可能に支承されると共に小
歯車５０と噛合している。該小歯車５０は手首ケース４
６に固定された髄５２に軸受５４，５４′を介して正逆
回転可能に支承されている。一方第２のハーモニックド
ラィブ減速機の外輪４４′は手首ケース４６に配設され
た軸受４６′ａ，４６′ｂによって正逆回転可能に支承
されると共に上記小歯車５０と噛合し、さらにその先端
にべベルギャボツクス５４が固定部材５４ａによって固
着されている。そして、パイプ軸３０′の先端部は前記
と同様に駆動論４０′にキー結合され第２の駆動モータ
２６′（第２図）の回転駆動力を上記駆動論４０′に伝
える。内輪４２′は外輪４４′の延長先端部内側に配設
された軸受５６，５６′によって正逆回転可能に支承さ
れたべペルシャフト５８の後端に取付部材５８ａによっ
て固着され、上記べペルシャフト５８の前端部には該シ
ャフト５８と一体構造でべベルギャ６０が形成され、該
べベルギヤ６０はロボットハンド取付ブラケット６２と
一体構造で形成されたべベルギャ６４と噛合している。
ロボットハンド取付ブラケット６２のべベルギャ６４は
適宜な支承手段によってべベルギヤボックス５４に正逆
回転自在に支承されている。以上の如く構成された手首
機構であって、次にロボットハンドの正逆回転及び首振
り動作の原理を説明する。

先づ正逆回転動作は次の如くに作動される。すなわち、
第３図において、パイプ軸３０によって高速回転で駆動
される駆動輪４０は、第４図で説明したようにこの場合
は内輪４２が固定されているので、歯形４２ａ，４４ａ
を介して高減速された回転で外輪４４を回転駆動する。
この外輪４４は小歯５０を介して外輪４４′に回転を伝
える。従って外輪４４′に固着されたべベルギャポック
ス５４が矢印Ｅの方向に回転駆動され取付ブラケツト６
２を介してロボットハンド（図示なし）が回転動作され
る。この場合内輪４２′は歯形４２′ａと４４′ａが噛
合しているので外輪４４′ａと共勤する。すなわちこの
回転動作は第１の駆動モータ（第２図）によって駆動さ
れるものである。次に首振り動作は次の如くに作動され
る。すなわち、第３図において、先づ外輪４４′が停止
している場合は外輪４４′が固定された状態として考え
らるので、パイプ軸３０′によって高速回転駆動された
駆動論４０′は噛合する歯形４２′ａ，４４′ａを介し
て高減速された回転で内輪４２′を駆動軸の回転方向と
逆方向に回転駆動する。この内輪４２′はこれに固着し
たべペルシャフト５８及びべベルギヤ６０を介してべベ
ルギャ６４に回転駆動力を伝える。べベルギャ６４が回
転されることによりこれと一体構造の取付ブラケット６
２が矢印Ｆの方向に首振り動作される。次に外輪４４′
が回転している場合、すなわちロボットハンドが回転動
作を行っている場合は、この外輪４４′の回転速度は前
述の如く高郷速されているので高速回転駆動されている
駆動輪４０′に対しては相対的に固定されたのと類似の
状態であるためこの場合もまた前述と同様の原理で内輪
４２′が高減速回転駆動されロボットハンドの首振り動
作をもたらす。すなわちこの場合はロボットハンドの回
転動作と首振り動作が同時に行われることになる。第５
図は第１及び第２のハーモニックドラィブ減速とべベル
ギャポックス５４の連結状態を示す斜視図で参照番号は
第３図と同一の部村を示す。以上の如き構成により、手
首機構のコンパクト化が可能で、油圧系等の装置を用い
ず、従ってロボット全体構造が簡略化でき維持管理等を
含めて安価な工業用ロボットを形成することができる。

さらに、本発明の手首機構は、第１と第２のハーモニッ
クドラィプ減速機を並列配置しかつそれぞれの剛性外輪
外周に歯形を設けてこれらを互に回動駆動力伝達可能に
係合させることにより、従来技術における第１のハーモ
ニックドラィブ減速機の内側に第２のハーモニックドラ
ィブ減速機を同軸状に配置して構成したものと比べて、
同等の負荷容量を持ったハーモニツクドラィブ減速機を
配置することができ、この結果、ロボットハンドの正逆
回転及び百振り運動に対する作動力を同等にすることが
でき合理的で大きな可磯重量が得られ、また、ロボット
アームの伸縮方向における寸法を短縮化した簡易構造に
形成できるといった利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例の手首機構を備えた工業用
ロボットの外形側面図、第２図は第１図の部分図で、主
としてロボットケーシング１８、ロボットアーム２０及
び手首機構２２の相対関係を示す縦断面図、第３図は第
１図及び第２図の手首機構２２内部の構造を示した断面
図、第４図イは第３図の矢印Ａの示す方向からみたハー
モニックドラィブ減速機の正面図、第４図ロは第４図ィ
の矢印Ｂで示す部分の内輪４２と外輪４２の噛合状態の
説明図、第５図は第１及び第２のハーモニックドラィブ
減速機とべベルギャボツクス５４の連結状態を示す斜視
図である。 １２・・…・回転テーブル、１４，１４′・・・・・・
鉛直案内軸、１６・・…・上・下送りねじ軸、１８・…
・・ロボットケーシング、２０，２０′……ロボットア
ーム、２２・…・・手首機構、２４…・・・ロボットハ
ンド、２６，２６′，２７……駆動モータ、２８，２８
′……ボールスプラィン軸、３０，３０′……パイプ軸
、３６……ボールねじ軸、３６ａ……ボールナット、４
０，４０′・・・・・・駆動論（ウェーブジェネレータ
）、４２，４２′……内輪（フレックススプライン）、
４２ａ，４２′ａ，４４ａ，４４′ａ…・・・歯形、４
４，４４′・・・・・・外輪（サーキュラスプラィン）
、４６・・…・手首ケース、４８・・…・固定部材、５
０・・・・・・小歯車、５２・・・・・・軸、５４・・
・…べベルギヤポツクス、５８……べペルシャフト、６
０，６４・…・・べベルギヤ、６２・・・…ロボットハ
ンド取付ブラケット。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロボツトケーシングから延長して伸縮自在に取付け
   られたロボツトアームの先端に取着されると共に工作物
   等の被持物を把持するロボツトハンドを連結して、該ロ
   ボツトハンドの正逆回転運動及び首振り運動を行なう工
   業用ロボツトの手首機構であつて、該手首機構は、手首
   ケース４６と、該手首ケース４６内に並列配置された高
   減速比を有する第１のハーモニツクドライブ減速機と第
   ２のハーモニツクドライブ減速機とから成り、前記第１
   と第２のハーモニツクドライブ減速機それぞれの剛性外
   論４４，４４′外周に歯形を設け、これら両者の歯形の
   係合可能な係合部材を配設し、該係合部材を介して前記
   両者を互に連動回動可能に連結し、前記第１と第２のハ
   ーモニツクドライブ減速機それぞれの楕円状駆動輪４０
   ，４０′を、それぞれ高速回転駆動源に連結された駆動
   用パイプ軸３０，３０′に剛性結合し、前記第１のハー
   モニツクドライブの可撓性内輪４２を前記手首ケース４
   ６に回動不能に固定し、前記第２のハーモニツクドライ
   ブの外輪４４′と可撓性内輪４２′とを、手首の回動機
   構を構成するベベルギヤボツクス５４と、首振り機構を
   構成するベベルシヤフト５８とにそれぞれ接続し、前記
   第１と第２のハーモニツクドライブ減速機を経由して行
   われる前記ロボツトハンドの正逆回転運動と、前記第２
   のハーモニツクドライブ減速機を経由して行われる前記
   ロボツトハンドの首振り運動とを同時又は個別いずれに
   も操作可能に形成したことを特徴とする工業用ロボツト
   の手首機構。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の工業用ロボツトの手首
   機構において、前記係合部材が前記外輪４４，４４′相
   互間に配置された小歯車５０であり、該小歯車５０を介
   して前記外輪４４，４４′を互に連動回動可能に連結し
   た工業用ロボツトの手首機構。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項のいづれかに記載
   の工業用ロボツトの手首機構において、前記手首機構と
   連結したロボツトアームを支承するロボツトケーシング
   後端に高速回転駆動源として駆動モータを配置すると共
   に該駆動モータと前記手首機構とをボールスプライン軸
   を介して直結した工業用ロボツトの手首機構。