JPS6080578A - 多回転複合多関節腕 - 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】 本発明は産業用ロボットに使用されるマニピュレータの
多関節腕の改良に関するものである。

産業用ロボットの機構では人間の肩およびひじに相当す
る各関節の回転を自由に行うには最小６方向の自由度が
必要で、それに普通２本の指で物体をつかむ動作が加わ
るから合計７つの自由度が要求される。しかし腕の作業
内容によっては自由度は最小３で足りる場合もあり、自
由度が４〜７のものが産業用ロボットとして実用されて
いる。

従来の装置は制御方法および機構を簡単にする目的で自
由度を与える各関節に接近させたモータと減速機を含む
駆動源を搭載しているが、各関節に駆動源の重量が附加
され駆動や停止の繰返し時の慣性が増大して不要なエネ
ルギの消費があり、さらに可動部（＝ある駆動源に接続
される信号線と電力供給ケーブルも関節と共に動くので
、これらの消耗による故障が無視できないばかりでなく
、これらの線によって関節の回転角度が制限されるとい
う欠点があった。

本発明はこれらの欠点を解消するために行ったもので、
以下本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は所要の自由度を最大字とした場合の本発明によ
る多関節腕（以下腕と略記する）の全体組立の一例図で
、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

たゾし腕は２本を１組として用いることがあるので、そ
の場合には側面図（Ｂ）と対称な位置に同一構造の他の
１本の腕が取付けられる。また図面には腕に信号を与え
る制御部分は省略しである。さらにり、Ｅ、（）等の各
関節間をつなぐ多層円筒軸（筒軸と略記）ｌと２の長さ
は実際は関節間で７０ＯｒＡｌ１１程度であるが図中に
は便宜」二著しく縮めて示してあり、図示の全装置の高
さは最高２４５０ｍ＋ｘ程である。

第１図においてＡは駆動と検出の部分（以下駆動源とい
う）で、この内部にはモータ、減速機、位置検知器（ロ
ータリエンコーダ）、トルク検出器を１組とし、７自由
度に対応する７組の駆動部が含まれ、各部の検出器およ
び各減速機と関節部Ｂとをつなぐ継手と平歯車も含まれ
る。なおモータ部分における横断面配置図を第２図に示
した、第２図中のＭはモータ、３は電源入力コネクタで
ある。第１図に戻ってＢ、Ｅ、ｅ、Ｄ、　Ｆは関節を形
成するものである。（第４図〜第８図参照）Ｃは物体を
つかむように関節りから互に逆方向に駆動されるかさ歯
車によって互に反方向に開いたり閉じたりするワークピ
ース挟持用フィンガーで、種々な形式のものが使用でき
るが図示のものは一例である。また４はショルダＦに取
付けられたカウンタウェイトである。

ンコーダ８よりなる１組の駆動部の構造図で、１部を縦
断面にて示しである。モータ５にはたとえば可逆　回転
可能な誘導モータが使用される。減速機６、トルク検出
器７および回転角あるいは位置検出器であるロータリエ
ンコーダ８等については公知であるから詳細な説明は省
略する。９は駆動部直上の第１の関節Ｂ中の１つの軸と
はめ合う渦付の軸である。なお各モータによる各関節の
動作は以下遂次説明する。

第４図は第１の関節Ｂの断面図である。図中の１０．１
１．１２は駆動軸で、それぞれが第３図の軸９の溝には
め合わされ、各独立のモータによって駆動される。１３
は結合用回転軸で、第２図ではこの位置を破線の円で示
しである。なお駆動軸ｌ○と紙面に直角方向の列には２
本、同様に駆動軸封の列には２本、駆動軸１２の列には
３本の、駆動軸がそれぞれある場合であって、この関節
Ｂにはｌ○〜１６の計７本の駆動入力軸がある。これら
の駆動軸には回転軸１３の下部に高さと直径が異なるよ
うに同心環状に取付けられた７個の平歯車の歯ｇ１．　
ｇ２．・・・・ｇ７と、これらにそれぞれかみ合う歯車
が取付けてあって、歯ｇ７と係合する軸１ｏ以外の駆動
軸はそれぞれ独立のモータによって駆動された場合に、
回転軸１３の対応する歯車のみを駆動軸（たとえば１２
）の回転角度に等しい角度回転させる。回転軸１３の同
心歯車間にはｂ工、ｂ２・・・・等のボールベアリング
、ｎ工、ｎ３．・°・°ｎ等の（針状コロな半円筒また
は円筒の周にならべた）ニードルベアリングを用いてそ
れぞれが駆動軸によって独立に回動できるように構成し
である。従って軸１０以外の駆動軸の１つ、たとえば軸
１２が回動ずれは歯ｇ工が回転軸１３を回転させ、この
軸の」二部に取付けである同心６段のかさ歯車の１つＢ
Ｇ、のみを回動して、これとかみ合う歯をもつ第４図左
上方の同心６段かさ歯車の１つＢ（）よ、を回転させる
。同様にしてｇ、〜ｇ６の中の１つが駆動軸によって回
動すれば、かさ歯車ＢＧ工、〜ＢＧ□６の中の１つのみ
が独立に回動する。このように駆動軸１１〜１６それぞ
れの回転は、これらと直角方向の多重軸の１一つの回転
にそれぞれ滑かに変換される。残り１つの駆動軸１０の
歯車は、歯ｇ７のかみあいによってこの関節Ｂの外箱（
ケース）１４全体を任意の角度回動（３６０°ＰＪ、ｌ
ｘ回甑にきる。このように７つの自由度に対応する７本
の駆動軸は最下部の多重関節Ｂにおいて、関節Ｂの水平
回動と６自由度のための各独立回動に変換されたことに
なるが、関節Ｂが水平方向に回動すれば第１図のＥ、Ｇ
、Ｄ、０．　１．　２よりなる多関節腕の全体が水平方
向の任意の角度に回動することができる。

第５図は第１図の第３の関節Ｅとこれに係合する多層円
筒軸の一部の構成例断面図である。関節Ｅは腕の上方に
延びる筒軸部２−関節Ｇとの結合およびカウンタウェイ
ト４のための関節Ｆとの結４合を行う役目を持っている
。前記のように関節Ｂよりは６自由度の回転駆動が加え
られるが、そのうちの５つ日２１〜２５の同心５段かさ
歯車の各軸に伝えられる。また関節Ｂの最も外側の出力
駆動軸は第５図左端最外側２６に伝えられ、この回動は
関節Ｂの水平回動とは直角方向、すなわち関節Ｅより先
の腕を上下方向に回転することになる。

同心５段かさ歯車のうち最外側の歯ＢＧ２５は一方にお
いて筒軸２の該当かさ歯車と係合し、さらに筒軸２は関
節Ｇのかさ歯車に結合され、他方では下方のカウンタウ
ェイト４の駆動関節Ｆに結合されている。

第６図は関節Ｆの構成例断面図で、関節Ｅの歯Ｅ［）２
５の回動によって歯ＢＧ２６も回動し、これにかみあう
歯ＢＧ２’７を有し第１図に示すようなカウンタウェイ
ト（重さはたとえば２０Ｋｐ　）を取付けであるブロッ
ク２８を回動させる。その回動の方向は第５図のＢ側最
外側の回動によって筒軸２以上の腕が紙面の後方に傾く
とき第６図の左上方は紙面の前方に傾くので、ブロック
２８の回動はカウンタウェイト４を第１図の紙面下方に
移動させ、筒軸２以上のアームとバランスをとるように
動作する。

８５図に戻ってＢＧ２１〜Ｂ（）２５の各歯を有する同
心５段（または５′層）のかさ歯車の各は筒／＼ 軸２はさらに第３の関節Ｇに連結されるが、各歯による
駆動力はそれぞれ独立にＧに伝達されることは他の関節
と同じである。

第７図は関節Ｇとこれに係合する上、下の多層円筒軸１
．２の一部の構成例断面図である。関節Ｅの５つの独立
回動は、ＢＣ）３１−ＢＧ３５の各歯を有する同心５段
がさ歯車３ｏによって、これと直角な軸を有しかつそれ
ぞれこれらの歯とがみあうＢＧ３６〜ＢＧ４０の歯を有
する同心５段がさ歯車３１の各歯車にそれぞれ独立に伝
達される。

かさ歯車３１は図示のようにＢ（）３６〜ＢＧ４０側と
は反対側にもＢＧ３’ｉ’〜ＢＧ４０に対応するＢＧ４
１〜ＢＧ４４の歯を有する同心４段がさ歯車が設けてあ
り、ＥＧ４１〜ＢＧ４４の歯はがさ歯車３１の軸と直角
な軸を有して筒軸２の場合と同様に筒軸１に係合し、こ
の筒軸ｌを介して」二方の関節りのかさ歯車の各歯にそ
れぞれ独立に結合し、ＢＧ４５〜ＢＧ４８の歯を有する
同心４段がさ歯車３２の各歯とかみあって、歯車３２を
歯車３０と同方向に回動させる。しがしがさ歯車３１の
最外側の歯車ＢＧ３６はその回転によって筒軸１および
関節りより上の部分を水平軸（歯車３１の軸）の周囲に
回動および傾斜させることができる。

第８図は＄１図の頂部関節りの構成例断面図である。（
た＼゛しこの部分は所定自由度の数によって異なるが、
この図は全体の自由度が７の場合である。）関節Ｇより
の同心４段独立駆動かさ歯車の４つの駆動力は図の右端
の同心４段かさ歯車３３の各歯車にそれぞれ独立に伝達
される。４段かき歯車３３の各段の４つの歯車の歯は歯
車３３の軸と直角方向の軸を持ち、歯車３３の側に同心
４段かさ歯車をもつ多段歯車３４の各段の歯にそれぞれ
かみあって駆動するが、その最外側の歯ＢＯ３０はその
回動によって歯車３４より左側の部分全体を歯車３４の
軸を中心にして回転させることができる。

歯車３４の歯車３３側と反動の側には、同心３段かさ歯
車が設けてあって、その各段の３つのかさ歯車はかさ歯
車３４の軸と直角方向の軸を有し、その一端に同心３段
かさ歯車を有する歯車３５の歯とかみあうが、そのうち
の最外側の歯ＢＧ６０が駆動されると歯車３５は全体が
歯車３５の軸心を中心に回動する。また他の２つの歯Ｂ
Ｇ５８とＢＯ５９は歯車３４の該尚歯によって互に独立
に回動され、歯車３５の下部に設けである同心２段かさ
歯車の歯ＢＧ６１とＢＯ２２をそれぞれ回動させる。

さらに歯車３５の軸と直角方向の軸を有し、その一端に
前記かさ歯車の歯ＢＧ６１とＢＯ２２にそれぞれかみあ
う歯ＢＧ６３とＢ（）６４をもつ同心２段かさ歯車３６
がある。この２つの歯（かさ歯車）のうち外側のＢＯ６
３が回動ずれば、全体が歯車３６の軸心を中心にして回
動する。

次に歯車３６の他端には歯ＢＧ６５を有する１段かさ歯
車が取付けてあって、歯ＢＧ６４の回動につれて歯ＢＧ
６５が回動し、これによって歯車３６の軸と直角方向の
軸を有しかつ図示のように上、下に対向する２つのかさ
歯車３７および３８を互に逆方向に回動させる。かさ歯
車３７および３８の軸にはそれぞれロボットのはさみ形
の指（フィンガー、たとえば第１９図のＣ）の一方が取
付けられ、かさ歯車３６の回動につれて指がワークピー
スを保持し、あるいは開放する動作をする。

指の構造については種々のものが開示されているので説
明は省略する。

以上の説明から本発明の多重関節腕の各関節の回動のみ
の関連を示すと第９図のようで、自由度が６＋１である
ことがわかる。図中光で囲んだ数は各関節を駆動する同
心歯車の段数で、Ｄを除く各関節毎に入力側と出力側と
では自由度が１つずつ減少すること、Ｄ関節では３方向
の回動が可能であり、最終的にはフィンガーのワークピ
ースの保持と開放動作が可能であることがわかる。

モータと各関節の回動を関連させて説明すると、ますモ
ータの１つ（仮りに／Ｉ６１モータとする。以下の屑も
仮称）の駆動によって関節Ｂが水平回動され、関１ｉ）
　Ｆとその上部が水平回動を／１６１モータを含む駆動
部の回転角だけ回動する。次にモータ／１６２を含む駆
動部の垂直回動によって定められた角度だけ円筒２以上
の部分を回動させる。同様にモータＡ３を含む駆動部は
円筒２以上の部分を水平方向に回動させると、これは関
節Ｇでは水平軸中心の回動に変換されて円筒１以上を回
動させる。

モータ／４６４を含む駆動部は関節り内において水平軸
３４を中心とする回動を行わせ、自由度が４なら関節り
に作業工具などを取付けるのみで終了するが、自由度が
７のこの例ではモータ／Ｉ６５を含む駆動部は関節り内
において垂直軸３５を中心とする水平回動を行わせ、モ
ータ磨６を含む駆動部は軸３５と直角な水平軸３６を中
心とする回動を行わせ、モータ／４６６を含む駆動部は
フィンガーを開閉するかさ歯車を回動することになる。

なお各モータの回動、停止は図示省略の制御部より与え
られる信号によって与えられることは、一般の多関節腕
と同様である。

最後に本発明の効果について説明する。

（１）駆動源（第３図）が固定されて移動することがな
く、角度検知器、トルク検出器、駆動モータがすべて駆
動源に収蔵されるので、これらの出カケーブルや信号人
、出カケ−プルおよび電源用ケーブルも不動であるから
、ケーブルの回動にもとすく故障は皆無である。

（２）各関節は機構部分のみで、接続するため必要があ
れば３６０”　以上の多回転が可能で、ケーブル等によ
る回転角の制限はない。

（３）可動部がすべて関節のみで構成されているため、
往復運動で構成される機構のもののように露出した摺動
部がなく、各関節は密閉されるので防塵性に優れている
ばかりでなく、各関節の屈折によって不要な占有スペー
スを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多回転複合多関節腕の全体組立の
一例図で（Ａ＋は正面図、（Ｂ）は側面図、第２図は第
１図中の駆動源のモータ部分の横断面図、第３図は前記
駆動源中の１組の駆動部の構造側断面図、第４図は第１
関節Ｂの断面図、第５図は第２関節Ｅとこれに係合する
多層円筒軸の一部の断面図、第６図はカウンタウェイト
用関節Ｆの断面図、第７図は第３関節Ｇとその上、下の
多層円筒軸の一部の断面図、第８図は多層円筒軸の一部
と第４関節りの断面図、第９図は各関節間の回動関連図
である。 Ａ・・・・駆動源、　Ｂ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｄ・・・・関節
部、Ｑ　ａｓｓｓフィンガー、 Ｂ（）・・・・かさ歯車またばかさ歯車の歯、Ｍ・・・
・モータ、　ｂ・・・・ボールベアリング、ｎ”拳・ニ
ードルベアリング、 ｇ・・・・平歯車または平歯車の歯、 １、　２・・・・多層円筒軸、４・・・・カウンタウェ
イト、５・・・・駆動源、　６・・・・減速機、７・・
・・トルク検出器、　８・・・・位置検出器、（ロータ
リエンコーダ） ９・・・・溝付軸、　１０〜１３・・・・平歯車の軸、
１４・・・・関節Ｂの外箱、 ２１〜２６・・・・多段かさ歯車中のかさ歯車の軸、２
８・・・・カウンタウェイト取付はブロック、３０〜３
６・・・・多段かさ歯車の軸、３７．３８−・・・かさ
歯車。 特許出願人　第一電通株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外部の制御部と信号を授受するトルク検出器および角度
   検知器と、前記制御部より制御される減速機付モータと
   よりなる駆動部を４以上７以下の所定の自由度の数に等
   しい組数収蔵し、各駆動部はそれぞれの制御信号によっ
   てすべて独立に駆動出力を発生するようにした固定不動
   の駆動源と、。 前記各駆動部よりの駆動力によってそれぞれ独立に水平
   方向またはこれと直角な方向に回動され、駆動源に近い
   入力側からその出力側に向って自由度が１つずつ減少す
   るように段数が最初の最大自由度に等しい数より次第に
   減少する同一軸心多段かさ歯車をそれぞれ設け、多層接
   続円筒軸を介して互に縦続に係合される第１−第３の各
   関節と、該第３の関節と多層接続円筒軸を介して係合さ
   れ所定の自由度より３を減じた残りの自由度の数に対応
   する水平またはこれと直角方向の回動を行う第４の関節
   を具備し、所定自由度の運動を行うことを特徴とする多
   回転複合多関節腕。