JPS6150791A - 関節形ロボツト - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は回転による自由度を基本とする関節形ロボット
に関するものであり、特にその手の駆動機構に改良を加
えたものである。

〔発明の背景〕

第２図あるいは第３図はすでに広く使われている関節形
ロボットを略示したものである。これらのロボットは設
置ペースＡに水平旋回が可能な旋回ペースＢを配置し、
旋回ペースＢに回転自在に第１アームＣを配置し、第１
アームＣに回転自在に第２アームＤを配置し、さらに第
２アームＤに回転自在に手機構Ｅを配置したものである
。第１アームＣ１第２アームＤ１手機構Ｅの回転中心線
Ｃ′、ＤζＥ′は互いに平行であり、図示の状況のもと
では紙面に対し画直である。子機ＭＥはそれ自体の回転
自由度の他Ｋｌ〜２の自由度をもつのが普通である。

手機構Ｅを中心線Ｅ′の回わりで回転させるためのモー
タ等のアクチュエータＭは第２図では第２アームＤに塔
載されており、第３図では旋回ペースＢに塔載されてい
る。したがって、第２図のアクチュエータＭは第２アー
ムＤＫ対する回転動力を出力し、第３図では旋回ペース
已に対する回転動力を出力する。アクチュエータＭ’ｃ
第２図あるいは第３図のように設置するかどうかは設計
思想の違いＫよるが、この間に工費な次のような利害得
失が見られる。

第２図のものではアクチュエータＭを含む第２アームＤ
の重付が大きい。このため、第１アームＣあるいは第２
アームＤを回転させる図外の７クチユエータが大容量の
ものとなるので損である。

半面、手機構Ｅを回転させる図示のアクチュエータＭは
比較的小容量のものでよく、この面では得である。第３
図のケースでは以上の利害得失が逆転する。ここでアク
チュエータＭの容量についてもう少し詳しく考察する。

今、第２図から第４図の状態に動いたとする。

この間に第１アームＣはＯから０１＋（う、へ回転し、
第２アームＤはαからＯｔ＋Ｃ）ｔへ回転し、手機構Ｅ
ＶｉＯｓからＯｆへ回転する。この間の回転増加角はそ
れぞれＯ（、θ（、○【である。ところで、この間にお
ける旋回ペースＢに対する姿勢角の増加を調べてみると
、第１アームＣの場合はＯ（であり、第２アームＤの場
合はＯζ＋ｅイであり、子機ｒ４Ｅの場合は○ζ＋θ；
＋Ｏｒである。しかして、アクチュエータＭの姿勢角も
第２アームＤとともに、０１十（Ｘだけ増加するので、
子機＠ｌ￥Ｅの姿勢角の増加（Ｘ十α＋Ｏ【のうちの○
（の分だけがアクチュエータＭの負担となる。アクチュ
エータＭに矢印全書込んだのはアクチュエータＮ１すな
わちそのステータの姿勢角を表示するためでおる。

一方、第３図のタイプのものが、第８図から第６図の状
態にｗＪｌ／−またとすると、この間に旋回ペースＢに
対する姿勢角の増加は第１アームＣの場合は○（となり
、第２アームＤの場合はＯ，／＋Ｏｆとなり、手機構Ｅ
の場合は０３３となる。しかして、アクチュエータＭが
このケースでは旋回ペースＢＫ固定されていて、その姿
勢角が不変であるために、手機構Ｅの姿勢角の増加Ｏｓ
ｓがもっばらアクチェエータＭの負担となる。ちなみに
、手積ＷＨのための７クチユ工−タＭの回転出力角が不
変でちれば、第３図から第６図の状態には移行せず、第
３図から＠５図の状態に移行し、手機構Ｅの姿勢角も不
変となる。したがって、鵠３図から第６図の状態へ動か
すため罠は手機構Ｅの旋回ペースＢに対する姿勢角をア
クチェエータＭＫよってθ３．の角度だけ増加させる必
要が６９、アクチュエータＭの負担が重くなる。

第３図からｇ６図への変化を第２図から１ｇ４図への変
化と比較してみると、アクチュエータＭの負担が（ＥＸ
から○、Ｓへ拡大したことがわかる。その負担増加分す
なわちθ３．とαとの差はθ（十αに等しい。Ｏ（＋Ｏ
ｆの値はときには大きな値を示すので、その最大値を考
慮してアクチュエータＭの各社を足めることＫなるが、
いず九にしてもとの餐誓増加の負相は大きい。

アクチュエータＭの回転出力は手機構Ｅへ伝達される。

その間に動力伝達手段が必要である。この伝達経路がｗ
ｃ２図の場合は短かく、第３図の場合Ｆｉ長い。このよ
うに、大容量のアクチュエータＭを使用する＠８園の場
合の動力伝達経路がかえって長いという点も第３図のロ
ボットのひとつの短所となる。

〔発明の目的〕

本発明は手機構用の小容量のアクチュエータを旋回ペー
スに配置できるように工夫したものでろる。

〔発明の概要〕

本発明の関節形ロボットは旋回ペースと、この旋回ペー
スに回転自在に配置し九ｍｌアーふと、この第１アーム
に回転自在に配置した第２アームと、この第２アームに
回転自在に配置した手機構を備える。第１アームの旋回
ペース回わりの回転中心線と、第２アームの第１アーム
回わシの回転中心線と、手＆−構の第２アーム回わりの
回転中心線は互いに平行である。この平行な状況は旋回
ペースが旋回しても変わらない。手機構が複数自由度の
ものであるときは、第２アーム回わ〕の前記回転けその
うちの一自由度となる。

本発明においては前記旋回ペースに駆動軸を配置する。

この駆動軸は手機構を第２アーム回わ）に回転させるた
めのもので心って、軸の中心線は前記各回転中心線と平
行である。駆動軸の回転出力はアクチュエータによって
得られる。この意味でけ駆ｆｌｌｌ軸とアクチュエータ
の出力軸と考えてもよいが、アクチュエータの配置上の
向きによってはその出力軸の回転を傘歯車を介して駆動
軸に伝えてもよい。後に説明するひとつの実施例は後者
のタイプのものである。駆動軸は旋回ペースにおける第
１アームをりの位置、たとえば＠ｌアームの回転中心位
置に配置してもよい。この場合であっても、駆動軸は旋
回ペースに対して駆動し、回転するのであって、回転の
反力は旋回ペースに伝わる。以上のように、駆動軸を旋
回ペースに配置するＫは、駆動軸ないしはそのアクチュ
エータの荷重を第１アーム以降の要素に負担させないた
めであって、本発明の重要な要件でちる。

本発明は第２アームに２つの各回転角に比例した回転を
出力する和動機構を配置する。ここにいう和動機構とは
良く知られた差動機構と類似のものであって、差動機構
の一方の入力軸を出力軸とし、本来の出力軸を一方の入
力軸としたものである。この和動機構は第２アームに対
して手機構を回転させるだめのものである。したがって
和動機構の回転出力は手機構の回転軸へ伝達される。和
動機構の一方の回転入力軸へは前記駆動軸に比例した回
転を伝達する。このための回転伝遍手段を有する。また
、和動機構のもう一方の回転入力軸へは旋回ペースに対
する第２アームの姿勢角に比倒した回転を伝達する。旋
回ペースに対す第２アームの１１勢角は旋回ペースに対
する第１アームの回転と、第１アームに対する第２アー
ムの回転の和となる。この和に相当する第２アームの姿
勢が変化すると、和動機構の一方の回転入力軸が回転し
、たとえ駆動軸が静止している場合であっても、手機構
が旋回ペースに対して回転する。和動機構の前記した一
方の回転入力軸につながる第２アームの姿勢角と、第２
アーム回わりの手機構の回転軸との間の回転角伝達比を
ほぼｌに定めておけば、駆動軸は旋回ペースに配置され
ているＫもかがわらず、外形的には前記第２図同様の動
きをする。

ここＫいうほぼ１とはｌ±０．８であって、これから大
きく外れたのでは充分な効果が得られない。一方、駆動
軸が回転すれば和動機構のもう一方の回転入力軸が回転
し、これＫともなって手機構も回転する。用いるアクチ
ュエータがたとえばモータのように高速回転するタイプ
のものである場合は手機構の回転を減速する必要がある
。この減速は和動機構それ自身でな場れることか望まし
い。他に減速要素が介在しない場合、和動機構の以上の
回転角伝達比（減速比）は８０分の１以下たとえば１０
０分の１とすることが望ましい。和動機構が以上のよう
な駅速形のものであるとすると、それの一方の回転入力
軸と駆動軸との間の動カ伝這系は必然的に高速回転形の
ものとなる。これＫよるひとつの効果は経路の長い以上
の勅カ伝達系の伝達トルクが小さくなり、系の歪が少な
くなることである。また、かりに歪が生じ、あるいはそ
の他の理由でその入力角と出力角との間の比例関係が損
われ、伝ｉＭｎ度が低下した場合であっても、その影響
は相対的に小さくなる。これは、その後段の和動機構の
ところで、回転伝達比が乗ぜられるためである。

〔発明の実施例〕

壕ず、第１図に示す原理的な実施例について説明する。

この図のなかの前記第２図〜第６図のものと共通な要素
についてはそれと同一の符号を付し、説明を省略する。

図中の１００は一植の和動機構であって、傘歯車１０１
．１０２．１０３．１０４等で構成される。Ｏ８゜は一
方の回転入力軸、Ｏｔ。

はも５一方の回転入力軸、Ｏｓ。は回転出力軸である。

これら各軸○、。Ｏ！。○、。の正回転方向は矢印の通
りであって、軸中心線は回転中心！Ｉ　Ｃ’％　Ｌ）’
％　Ｅ’と平行である。和動機構１００はその主たる荷
重が第２アームＤＩＣ加わるようＫｇ２アームＤＫ対し
て配置される。その位置は第２アームＤのどこでもよい
が、ここでは第２アームＤの先の回転中心１１ｇ！Ｅ／
を想定している。和動機＋、Ｃｘｏｏにおける各軸０１
゜○、。Ｏｌ。の旋回ペースＢＫ対する姿勢角をかりＫ
Ｏ３゜Ｏ７゜Ｏ３゜とすると、この間ＫＯ，。＝Ｏ３゜
＋２Ｘ○、。とする和動の作用が生ずる。Ｍは旋回ペー
スＢＫ配置したモータすなわちアクチュエータであって
、回転中心＃Ｊ　Ｃ／　ＤＩ　Ｅ／と平行な図外のその
回転出力軸が手機構Ｅのための駆動軸となる。この小動
軸（Ｍ＞とｍ１配回転入力軸θ１゜との間に回転伝達の
手段２００が用意される。この伝達経路は第１アームＣ
等の長手方向に沿う。この回転伝達の手段２００には減
速作用がともなう。

３００は第２アームＤの旋回ペースＢに対する姿勢角に
比例し九回転を前記回転入力軸○、。へ伝達する手段で
ある。具体的には第２アームＤＫ回転入力軸○、。を直
結する。したがって、回転入力軸○、。は和動機構１０
０の支持体としての役割りも兼ねる。４００は前記回転
出力軸Ｏおの回転を手機構Ｅの回転軸すなわち回転中Ｉ
ｔＪ！Ｅ’と四心な手機構Ｅ＠の回転軸へ伝えるための
手段である。この手段４００の回転角伝達比は０．５と
なるように定める。

第７図〜第１３図は別の実施例を示すものである。第１
４図はさらに別の実施例を示すものである。以上の両実
施例の違いは手機構の自由度の数が３か２かの点であり
、１１由置のための機能要素が付加されているか省略さ
れているかの点である。以下、第７図〜第１４図のもの
をまとめて説明する。なお、図中の符号については第６
図以前のものをできるだけ利用する。この関節形ロボッ
トは床上に設置される設置ペースＡ１旋回ペースＢ１第
１アームＣ，第２アームＤ１手機構Ｅを備えている。旋
回ペースＢの旋回中心線Ｂ′は垂直である。第１アーム
Ｃ１第２アームＤの回転中心線Ｃ′、Ｄ′は共に水平で
ある。第２アームＤの先端は３自由度の動きが可能であ
る。手機構Ｅは２〜３の自由度をもつ。そのひとつは回
転中心線２７回わシの回転すなわち曲げである。もうひ
とつは回転中心線Ｆ′回わりの回転すなわち振りである
。必要に必して足し加えられるさらにもうひとつの自由
度は回転中心線６７回わりの回転すなわちひねうである
。最初の回転中心線Ｅ′は水平であって、その回わりの
曲げの動きＶｉ第１アームＣ１第２アームＤの動きと類
似する。

旋回ペースＢの両肩部にはカバーが付され、その中は見
えないが、ここには各凍アクチュエータ等が配置されて
いる。手機構ＥのアクチュエータＭあるいはＭ′もここ
に配置されている。これは第１アームＣより先側の袈素
の荷重負担を軽減す不ためである。アクチュエータ第１
薩はモータであって、第１０図に示すように、各工面Ｊ
Ｅ５０５を介して駆動軸５１０．５１０’を駆動する。

駆動軸５１０は手機構Ｅの回転中心線２７回わりの自由
度のためのものでお塾、駆動軸５１０′は手機構Ｅの回
転中心線Ｆ′回わりの自由度のためのものである。子機
ＶＧＥの回転中心線６７回わりの自由度のためのアクチ
ュエータは第２アームＤの後部（第９図の左寄り）ＶＣ
配置されているが、図にはあられれていない。第１θ図
のようにアクチュエータＭ、％〆を画面の向きにしたの
は旋回ペースＢへの配置上の塩山によるものである。前
記したふ動軸５１０，５１０’は回転中心線Ｃ′と同心
である。駆動軸５１０．５１０′の回転は歯付車５２０
，５２０’を介し、タイミングベルト５３０．５３０を
介して別の歯付車５４０．５４０’へ伝えられる。歯付
車５４０，５４０’は回転中心Ｄ′と同心である。また
歯付車５４０も５４０′も２枚が対になって回わるタイ
プのものであって、その回転はタイミングベル）５５０
．５５０’を介して別の歯付車５６０．５６０’へ伝え
られる。タイミングベルト５３０．５８０’は第１アー
ムＣの長手方向に浴い、タイミングベルト５５０．５５
０′は第２アームＤの長手方向に浴う。前記の歯付車５
６０．５６０’は回転中心Ｅ′と同心である。

ｆｌｃ１１図、第１４図に示され、わるいは第１２図、
第１３図に示された６１０．６２０．６８０．６４０の
部品は和動機構を構成する部品である。このうち６１０
は一方の回転入力軸である。実際には角田の回転体とそ
の外周に配置した多数のボールベアリングと、その外回
わりに配置した弾性変形材よ）なる外輪を含むが、ここ
では説明の便宜上、全体が精円板状の回転体とする。６
２０は鋼製のブツシュであって、その外周に外歯６２５
が設けられている。６３０Ｉ−を吃り一方の回転入力軸
である。

これは−極の鋼製リングであって、その内周に内歯６３
５が設けられている。６゛４０は回転出力軸である。こ
れも一種の鋼製リングであって、その内周に内歯６４５
が形成されている。一方の回転入力軸６１０はブツシュ
６２０の内側に配置される。もう一方の回転入力軸６３
０と回転出力軸６４０は葺列状に配置され、ともにブツ
シュ６２０の外周側に配置される。ブツシュ６２０は回
転入力軸６１０の長径方向に張り出すように変形し、そ
の部分の外歯６２５が内歯６３５．６４５とかみ合う。

短径方向ではかみ合わない。ブツシュ６２０の外歯６２
５の数はｎ１回転入力軸６３０の内歯６３５の数は０１
回転出力軸６４０の内歯６４５の数はｎ＋２である。こ
のとき、回転入力軸６１０および６（０の回転角をｅａ
ｌｏおよびＯａｓ。とし、回転出力軸６４００回転角を
０６４゜とすると、この間に次の関係式が成立する。

また、とくにブツシュ６２５の外ｌｌ第１６２５の数を
ｎ、回転入力軸６３０の内歯６３５の数をｎ＋２、回転
出力軸６４０の内ＷＥ６４５の数をｎとすると、次の関
係式が成立する。ただし、回転入力軸６１０の正回転方
向を前記とは逆向き（矢印方向とは逆向き）とする。

以上のいずれでも基本的には可であるが、本実施例にお
いては（２）式の方を採用する。この場合のｎの値は２
００であシ、（ｎ＋２）／ｎは１．０１，２／ｎけ０．
０１となる。

第１１図ないしは第１４図に示すように、タイミングベ
ルト５５０を介して歯付車５６０に伝えられた回転は軸
６０５を介して和ｍ機構の一方の回転入力軸６１０へ伝
えら九る。もう一方の回転入力軸６３０は第２アームＤ
の構成要素となる部材７０１．７０２．７１２．７０３
．７０４．７０５等に固定される。また回転出力軸６４
０は手機構Ｅのいわば基体を構成する部材８１１．８１
２．８１３．８１４等に固定される。このため、歯付］
１１Ｌ５６０が回われば、あるいは第２アームＤすなわ
ち７０２等の部材の姿勢角が変わり、回転人力４１］６
１０が回われは手機構Ｅ全体が回転中心、１１　Ｅ／の
回わりで回転する。いわゆる曲げ動作である。

第１１図ないしは第１４図に示すように１タイミングペ
ル）５５０’によって回わされるもうひとつの歯付車５
６０′に関連する構造も以上のそれと類似するので、符
号にダツンユを付加し、以上の説明を引用することとす
る。この方の和動機構の役割りは一種の減速機であって
、その回転出力軸６４０′は傘歯車８２１，８２２を介
して、手機構Ｅのいわば中体を構成する部材８３１．８
３２．８３３等を回転させる。これは回転中心線Ｆ′回
わりの振り動作でちる。

第１１図の９０１は第２アームＤの長手方向に滑って配
置された回転軸であって、これは第２アームＤに配置さ
れた図外のアクチュエータによって回わされる。この回
転は重両１９０２．９０３．９０４．９０５．９０６を
介して、手機構Ｅの基体を構成する部材ｓ４１．８４２
に伝えられ、こハら全回動させる。これは回転中心線６
７回わりのひねり動作に相当する。手機構Ｅは前記した
基体、中体、基体等で構成されるが、第１４図と比較し
てみればわかるように基体８４１．８４２を中体の中に
配置するのを省略し、これに関連する動力伝達手段９０
２．９０８．９０４．９０５．９０６を省略し、基体と
中体だけの２自由度形の手機構として利用することも可
能である。これは２自由度形と３自由度形の各部材を共
用する考え方であって、コストダウンに役立つ。

〔発明の効果〕

以上のよう、本発明は旋回ペースに手機構のためのアク
チュエータとその駆動軸を配置し、この駆動軸と第２ア
ームから回転入力を受ける和動機構を第２アームに配置
し、和動機構の回転出力で手機構を動かすようにしたも
のである。これによれば各アームをｕ−ｍ化し、また前
記アクチュエータの小形化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る関節形ロボットの一例を略示した
説明図、第２図と第３図と第４図と第５図と第６図はい
ずれも従来の関節形ロボットの構成と動作を示す説明図
である。Ｗ、７図は本発明に本発明に係る関節形ロボッ
トの一実施例を示す正面図、第８図はその側面図、第９
図は！２アームが回転したときの第７図同様の側面図、
第１０図はその動力伝達の手段等を示す説明図、第１１
図はその手機構等を示す拡大断面図、第１２図はその和
動機構を示す正面図、第１３図はその分解斜視図、ｆ７
ｇ１４図は手機構等の部分の別の実施例を示す断面図で
ある。 図中のＢは旋回ペース、Ｃは第４アーム、ｐは第２アー
ム、Ｅは手機構、１００Ｆｉ和動機構、Ｍはアクチュエ
ータ、２００と３００と４００　Ｖｉ動力伝達の手段を
あられす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、旋回ペースと、この旋回ペースに回転自在に配置し
   た第１アームと、この第１アームに回転自在に配置した
   第２アームと、この第２アームに回転自在に配置した手
   機構を備え、前記第１アームと第２アームと手機構の各
   回転中心線が互いに平行となるものにおいて、前記旋回
   ペースに前記回転中心線と平行な駆動軸とそのアクチュ
   エータを配置し、前記第２アームに２つの各回転入力角
   に比例した回転を出力する和動機構を配置し、前記駆動
   軸に比例した回転を前記和動機構の一方の回転入力軸へ
   伝える手段と、前記旋回ペースに対する前記第２アーム
   の姿勢角に比例した回転を前記和動機構のもう一方の回
   転入力軸へ伝える手段と、前記和動機構の回転出力を前
   記第２アームに対する前記手機構の回転軸に伝える手段
   を備えたことを特徴とする関節形ロボット。 ２、旋回ペースに対する第２アームの姿勢角と、第２ア
   ーム回わりの手機構の回転軸の回転角伝達比を１±０．
   ３とした特許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ３、和動機構の一方の回転入力軸を第２アームに固定し
   た特許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ４、和動機構の一対の回転入力軸の回転中心線を、第１
   アームに対する第２アームの回転中心線と一致させた特
   許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ５、和動機構の一対の回転力入軸の回転中心線を、第２
   アームに対する手機構の回転中心線と一致させた特許請
   求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ６、和動機構の一対の回転入力軸の回転中心線と、その
   回転出力軸の回転中心線とを互いに一致させた特許請求
   の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ７、和動機構の各回転入出力軸の回転中心線と、第２ア
   ームに対する手機構の回転中心線を一致させた特許請求
   の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ８、手機構を第２アームに対して回転させるための駆動
   軸を、旋回ペースに対する第２アームの回転中心線上に
   配置した特許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 ９、旋回ペースに対する第１アームの回転中心線上に配
   置した駆動軸の回転出力を、第１アームに対する第２ア
   ームの回転中心線上に配置した回転体で中継して和動機
   構の一方の回転入力軸へ伝える手段を備えた特許請求の
   範囲第１項記載の関節形ロボット。 １０、和動機構における駆動軸側の回転入力軸と、その
   回転出力軸との間の回転角伝達比を８０分の１以下とし
   た特許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。 １１、第２アームに対して回転自在な基体と基体に対し
   て旋回自在な旋回体を含む手機構を備えた特許請求の範
   囲第１項記載の関節形ロボット。 １２、第２アームに対して回転自在な基体と基体に対し
   て回転自在な中体と、中体に対して回転自在な先体を含
   む手機構を備えた特許請求の範囲第１項記載の関節形ロ
   ボット。 １３、中体に着脱自在な先体を備えた特許請求の範囲第
   １２項記載の関節形ロボット。 １４、駆動軸に比例した回転を和動機構の一方の回転入
   力軸へ伝えるタイミングベルトによる動力伝達の手段を
   備えた特許請求の範囲第１項記載の関節形ロボット。