JPS61168487A - 機械的手首機構 - 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】 皮栗上■剋里立国 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■辣斐 手首機構はその端エフェ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（ｙ
ａｗ）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
機構をロボットの活動範囲内であればどこへでも運ぶ。

しかる後、端エフェ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３，２３１．０９８号及び第３．３１５．５４２
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
加工工具に燃料、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４．２１８．１６６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加工工具
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４，４０２，２３４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。

日が解決しようとするｍ 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ットのプ
ラグラミングを一層難しくする。この理由はプログラマ
−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２
５．８８９号、第２，５１４．２５０号、第２．８７１
．７０１号、第３．０４３．４４８号、第３，０６６．
８０５号、第３．１８０．４９８号、第３．１８２．８
１３号、第３，７８４，０３１号、第４，００１，５５
６号、第４．０６８．５３６号、第４．０９９．４０９
号、第４．１４９．２７８号、第４．３５３，６７７号
、第４．３５６．５５４号、第４．３６５．９２８号、
第４．３７０，８３６号、第４，３９２．７７６号があ
る。

の目的　び 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
り付けたロボッ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
機構を糧供することにある。

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
、本発明に従っ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の交点から喰違った第２の相互の交点をもっている
。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は面を有している。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は面を有している。作業エンベロプ
内での工具取付は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は面と工具取付
は面との間に配置されている。通路は、加工工具関連構
造体を密閉収容するために第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ック案
内部材が設けである。

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って決められる。

上記のように構成した機械的手首機構により、加工工具
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かでき、また、
手首機構を取り付けたロボッ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って本発
明のその他の利点は容易に理解されよう。

７４１匹 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、この三輪手首機構１０は、全体を１
４で指示したロボットの外アーム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ェクタすな
わち加工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ットのブーム
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ｌＯの自由端には加工工
具１６が取り付けられている。加工工具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は機
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は外す・ノクル又は
第１のハウジング構造体１８と、内ナックル又は第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
具取付は面またはフェース２３を有している。

管状リテーナ２４が、外ナックル１８と内ナックル２０
との間で中央外ナックル１８に取り付けである。同様に
、管状リテーナ２６が内ナックル２０とスピンドル２２
との間で内ナックル２０に取り付けである。さらに、ロ
ボッ１−１４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はリング２８が外ナックル１８
の自由端に設けられている。

次に、第３図を参照すると、取付はリング２８及び外ナ
ックル１８は長さ方向軸線３０を有し、この軸線３０の
まわりには、想像線によって参照番号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３２．３４．３６に容易に固定されるようになっ
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た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によって回
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で取付はリング２８に連結
する。次に、取付はリング２８をねじ５２で外ナックル
１８にしっかりと固定し、第３図では前記ねじ５２のう
ち１つだけが示されている。

全体を５４で指示した第２のかさ歯車がかさ歯車４０と
かみ合っており、したがって入力管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によっ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により内ナックル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によってスピンドル２
２にしっかりと取り付けられており、第３図にはねじ６
６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２
２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で交わっている。交点７１は交
点６９から喰違っている。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ットのプログ
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
。したがって、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。

外ナックル１８の位置を保った状態で内ナックル２０を
１８０°回転させることによりスピンドル２２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とかみ合っ
ている。中間かさ歯車７０は軸受７２によって回転自在
に支持されている。中間かさ歯車７０はねじ７４によっ
て内ナックル２０にしっかりと連結されており、ねじ７
４は第３図では１つだけ示しである。リテーナ２６もね
じ７６によって内ナックル２０にしっかりと連結され、
ねじ７６は第３図に１つだけ示しである。リテーナ２４
はねじ７８によって外ナックル１８にしっかりと連結さ
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に沿ってさえぎ
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のプラスチックガイド８０が配置され、このプラス
チックガイドは、１つだけ８２で示しであるねじによっ
て外ナックル１８の内面にしっかりと連結されている。

１つだけ図示したねじ８８によって内ナックル２０の内
面には第２のプラスチックガイド８４がしっかりと固定
されている。プラスチックガイド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ってホース及びケー
ブルを摺動させるのにも役立つ。

スピンドル２２はその取付は面２３で、加工工具たとえ
ば製品の組立て及び／又は仕上げの際に役立つ溶接機又
は塗料吹付は機或いはその他の装置を支持するようにな
っている。この目的のために９０で１つだけ図示したね
じ穴が設けである。

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、内ナックル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は面２３を内ナックル２
０の回転により３６０６回転させることができる。内ナ
ックル２０を適当に回転させることにより軸ｖＡ６５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Ｏ″　（軸線３
０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は面２３を実質的に３６０’回
転させることができしたがって工具取付は面２３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ットに最適
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
ータによって行ってもよい。所望ならば、駆動管３２．
３４．３６の入力を手動で行ってもよい。これらの内力
管の回転を、それらの回転を制御するのに適切なプログ
ラムをもつコンピュータを使用することによって所望の
パターンで制御できることは明らかである。これらの装
置は例示として掲げたにすぎず、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。

又呪皇侠果 手首機構１０の上述の構成により先行技術の手首機構に
よって得られる曲げ半径よりももっ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
うなロボッ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っ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。したがって、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図は本発明に従って構成された手首機構をロボット
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ットの側面図、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・・・・・・外ナックル又はハウジング、２０・・
・・・・内ナッ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
付は面、 ３０．６３．６５・・・・・・軸線、 ４０．４６．５４．７０・・・・・・歯車、６９．７１
・旧・・交点、 ８４・・・・・・通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工工具を位置決めするための機械的手首機構であ
   って、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の相互の交点から喰違った第２の
   相互の交点をもち、さらに、前記軸線のうち第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た
   第１および第２のハウジングを有し、第１のハウジング
   がアーム取付け面を備え、前記軸線のうち第３の軸線を
   中心として回転できかつ工具取付け面を備えた工具支持
   部材と、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及び前記第２の
   ハウジングをそれらの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と、加工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支持面との間に配置
   されていて、前記第１及び第２のハウジング並びに前記
   工具支持部材に設けた空洞から成るさえぎられない連続
   通路とをさらに有することを特徴とする機械的手首機構
   。 ２、前記通路には、前記第１及び第２の相互の交点を有
   する前記第１及び第２のハウジングの空洞の少なくとも
   一部を構成するための案内手段が設けてあることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の手首機構。 ３、前記案内手段は第１及び第２のハウジングとそれぞ
   れ一緒に回転可能に設けられた第１及び第２の案内部材
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の手
   首機構。 ４、前記第１のハウジングはロボットのアームに連結さ
   れるようになった取付けリングを有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の手首機構。 ５、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項記載の手首機構。 ６、第１の対の軸線は３０°よりも大きな角度だけ互い
   に対し斜めに定められていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の手首機構。 ７、前記軸線のうち第３の軸線は、前記軸線のうち第２
   の軸線との相互交点を維持した状態で第１の対の軸線の
   両方に対して角度的に動くことができそして前記軸線の
   うち第１の軸線と角度的に一線をなすことができること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の手首機構。