JPS63163063A

JPS63163063A - 産業用ロボットの手首用２自由度駆動機構

Info

Publication number: JPS63163063A
Application number: JP30852186A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hirose; 茂男広瀬
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1986-12-26
Publication date: 1988-07-06
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: JP2722345B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、２種類の運動を行わせることのできる２自由
度駆動機構に関するもので、特に、産業用ロボット等に
求められる直進運動と回転運動とを行わせることのでき
る２自由度駆動機構に関するものである。

（従来の技術）一般に、工作機械等の機械装置においては。

送りと回転との２種類の運動が求められることが多い６
例えば水平多関節ロボットの場合には、その先端の手首
機構に、Ｚ軸方向の直進運動とＺ軸まわりの回転運動と
を行わせることが必要となっている。

第２図は、こ゛のような直進運動と回転運動とを行すせ
ることのできる２自由度駆動機構として、従来一般に多
用されている典型的な例を示すものである。

この２自由度駆動機構は、固定フレーム３１と、その固
定フレーム３１にスプライン３２を介して嵌合された可
動フレーム３３とを備えている。固定フレーム３１には
直進用モータ３４が取り付けられており、その直進用モ
ータ３４の出力軸に直結されたボールねじ３５を回転駆
動することによって、可動フレーム３３が直進運動を行
うようになっている。また、可動フレーム３３内には旋
回用モータ３６が取り付けられており、その旋回用モー
タ３６を作動させることによって、その出力軸に直結さ
れた作動軸３７が回転運動を行うようになっている。

したがって、直進用モータ３４及び旋回用モータ３６を
適宜作動させることによって、作動軸３７に直進運動と
回転運動とを行わせることができる。

また、このような２自由度駆動機構の変形例として、固
定フレームに可動フレームを回転自在に支持し、その固
定フレームに取り付けられた旋回用モータによって可動
フレームを回転させるとともに、可動フレームに取り付
けられた直進用モータによって作動軸を直進させるよう
にしたものも知られている。

しかしながら、いずれにしても、このような２自由度駆
動機構では、固定フレームのほかに可動フレームを必要
とし、しかも、その可動フレームは、旋回用モータある
いは直進用モータのいずれかを支持した状態で直進運動
あるいは回転運動を行うようにしなければならないので
、■可動部の重量が大きく、高速応答性が得られない、
■全体の重量も大きく、マニピュレータの先端に取り付
けられる手首機構とするには不利となる、■精度の高い
加工が困難で。

信頼性を十分に高めることは難しい、等の問題がある。

このようなことから、第３図に示されているような２自
由度駆動機構も提案されている。

この２自由度駆動機構においては、直進用モータ４１及
び旋回用モータ４２はともに固定フレーム４３に支持さ
れている。固定フレーム４３には、ボールねじ４４と、
ボールスプライン４５が形成された作動軸４６とが並設
されている。このボールねじ４４は、直進用モータ４１
によりタイミングベルト４７を介して回転駆動されるよ
うになっている。また、作動軸４６は、ボールスプライ
ン４５に嵌合されているナツト４８を旋回用モータ４２
によりタイミングベルト４９を介して回転駆動すること
によって、回転されるようになっている。そして、ボー
ルねじ４４には、連結部材５０を介してベアリング５１
が一体に取り付けられたナツト５２が螺合されている。

そのベアリング５１は、作動軸４６の上端を回転自在に
、かつ軸方向相対移動不能に支持するものとされている
。

したがって、直進用モータ４１を作動させると、ボール
ねじ４４が回転し、ナツト５２が上下方向に移動して、
作動軸４６が直進運動する。また、旋回用モータ４２を
作動させると、ナツト４８が回転して、作動軸４６が回
転する。

このような２自由度駆動機構によれば、可動部の重量を
軽減することができるので、応答性は改善される。しか
しながら、未だ部品点数が多く、しかも、ボールねじ４
４と作動軸４６とを並設しなければならないので、占有
スペースが大きくなり、マニピュレータの先端に取り付
けるには必ずしも適したものとは言えない。

このような問題を根本的に解決するためには、作動軸に
直接直進運動と回転運動とを行わせるようにすればよい
、そのようなものとして、第４図に示されているような
差動機構を用いることが考えられている。

この２自由度駆動機構においては、作動軸６１の外周面
に、一対の互いに逆方向で同ピツチの螺旋状の＊６２，
６３が形成されている。

そして、これらの溝６２．６３に、ボールを介してカッ
プリング６４．６５がそれぞれ噛み合わされている。こ
れらのカップリング６４゜６５は、２台のモータ（図示
せず）により、タイミングベルト８６．６７を介してそ
れぞれ個別に回転駆動されるようになっている。

このような機構によれば、各カップリング６４．６５を
同速度で同方向に同期回転させると、作動軸６１はカッ
プリング６４．６５と同方向に回転する。また、カップ
リング６４゜６５を互いに逆方向に同速度で同期回転さ
せると、作動軸６１は上下方向に直進運動をする。

したがって、２台のモータの回転方向と回転速度とを制
御するだけで、作動軸６１に任意の直進運動と回転運動
とを行わせることができる。近年、モータの制御技術は
相当進んでいるので、このようなモータの差動制御も極
めて容易かつ正確に行うことができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような差動機構を用いた２自由度駆
動機構においても、未だ次のような問題点がある。

■　特殊なボールねじ機構を用いるものであるため、高
価となる。

■　一対の溝８２．６３が交差しているため、各カップ
リング６４．６５のボールが対応する溝６２．６３から
外れることがある。

■　精密な直進運動を行わせるためには各溝６２．６３
のピッチを小さくすることが望まれるが、そのようにす
ると、回転に対する負荷支持力が低下してしまう、また
、ピッチを大きくすると、直進に対する負荷支持力が低
下する。したがって、使用範囲が軽荷重用に限られるこ
とになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、重荷重にも対応することができるとと
もに、構造が簡単でコンパクトな２自由度駆Ｗｋ４１１
構を得ることである。

（問題点を解決するための手段）この目的を達成するために、本発明では、作動軸にボー
ルねじとボールスプラインとを直列状に設け、それらボ
ールねじ及びボールスプラインに第１及び第２ナツトを
それぞれ噛み合わせるようにしている。その第１及び第
２ナツトは、フレームによって回転自在に、かつ軸方向
には移動不能に支持されている。そして、それら第１及
び第２ナツトは、フレームに支持された直進用モータ及
び旋回用モータによって、それぞれ第１及び第２伝動機
構を介して回転駆動されるようになっている。

（作用）このように構成することにより、第１ナツトのみを回転
させると、その第１ナツトに螺合しているボールねじに
軸方向の力が作用し、作動軸が直進運動する。このとき
、作動軸はボールスプラインを介して第２ナツトに係合
しているので、その作動軸が回転することはない。

また、第１ナツトと第２ナツトとを同速度で同方向に同
期回転さ−せると、第２ナツトの回転がボールスプライ
ンを介して作動軸に伝えられ、作動軸が回転運動をする
。このとき、作動軸はボールねじを介して第１ナツトと
も係合しているが、その第１ナツトは作動軸と同速度で
同方向に回転しているので、作動軸に直進運動が生ずる
ことはない。

そして、第１及び第２ナツトに相対回転速度差を与えな
がらこれらをともに回転させると、作動軸は直進運動を
行うと同時に回転運動を行う。

このように、作動軸のみが直進運動と回転運動とを行う
ので、その可動部は軽量でコンパクトなものとなる。し
かも、その作動軸には、普通に用いられているボールね
じとボールスプラインとを形成し、それぞれにナツトを
係合させるだけであるので、極めて安価なものとするこ
とができる。

そして、直進荷重はボールねじと噛み合う第１ナツトに
よって支持され、回転荷重はボールスプラインと噛み合
う第２ナツトによって支持されるので、大きな荷重にも
十分に対応し得るものとすることができる。

（実施例）以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

図中、第１図は本発明による２自由度駆動機構の一実施
例を示す縦断側面図である。

この図から明らかなように、フレームエの先端部には、
上下方向に開口する筒状部２が設けられている。この筒
状部２の上下端には、それぞれベアリング３，３及び４
，４を介して、第１ナツト５及び第２ナツト６が回転自
在に、かつ軸方向には移動不能に取り付けられている。

これら第１及び第２ナツト５，６には、作動軸７が嵌め
込まれている。この作動軸７の外周面には、上半部にボ
ールねじ８が形成され、下半部にボールスプライン９が
形成されている。

すなわち、作動軸７には、ボールねじ８とボールスプラ
イン９とが直列状に設けられている。

これらボールねじ８及びボールスプライン９は、ナツト
５．６間の距離にほぼ等しい長さとされている。そして
、そのボールねじ８に第１チツト５が螺合し、ボールス
プライン９に第２ナツト６が嵌合するようにされている
。したがって、第２ナツト６は、ボールスプライン９に
対して軸方向には摺動自在であるが、相対回転はしない
ようになっている。また、作動軸７の下端部には、工具
取付部１０が設けられている。

第１及び第２ナツト５．６の外周面には、それぞれ第１
プーリ１１及び第２プーリ１２が一体に設けられている
。一方、フレームｌには、直進用モータ１３と旋回用モ
ータ１４とが取り付けられている。そして、直進用モー
タ１３の出力軸１５に設けられた駆動プーリ１６と、第
１ナツト５の第１プーリ１１との間に、第１タイミレグ
ベル）１７が巻き掛けられ、旋回用モータ１４の出力軸
１８に設けられた駆動プーリ１９と第２ナツト６の第２
プーリ１２どの間に、第２タイミングベルト２０が巻き
掛けられている。フレーム１の筒状部２には、これらベ
ル）　１７．２０が挿通されるベルト挿通孔２１゜２２
が形成されている。

こうして、直進用モータ１３によって第１ナツト５が回
転駆動され、旋回用モータ１４によって第２ナツト６が
回転駆動されるようになっている。すなわち、この実施
例では、駆動プーリ１６．第１タイミングベル）１７．
及び第１ブー９１１によって、直進用モータ１３の回転
駆動力を第１ナツト５に伝達する第１伝動機構２３が構
成され、駆動プーリ１９、第２タイミングベル）２０、
及び第２プーリ１２によって、旋回用モータ１４の回転
駆動力を第２ナツト６に伝達する第２伝動機構２４が構
成されている。

次に、このように構成された２自由度駆動機構の作用に
ついて説明する。

作動軸７に直進運動を行わせるときには、旋回用モータ
１４を停止させた状態で、直進用モータ１３を作動させ
る。すると、直進用モータ１３の回転駆動力が第１伝動
機構２３によって第１ナツト５に伝えられ、そのナツト
５がモータ１３と同方向に回転する。このとき、旋回用
モータ１４が停止していることにより、第２ナツト６は
固定されているので、そのナツト６にボールスプライン
９を介して嵌合している作動軸７の回転は規制されてい
る。したがって、第１ナツト５は作動軸７に対して相対
回転することになる。そして、そのナツト５は軸方向に
は移動しないので、そのナツト５に螺合しているボール
ねじ８に軸方向の力が加えられる。

その結果、作動軸７は軸方向に直進運動をする。ボール
ねじ８のピッ≠をｐとすれば、作動軸７を速度Ｖで直進
運動させるためには、第１ナツト５を、（８０／　２π）　　−（ｖ／ｐ）の角速度で回転させればよい。

第１ナツト５を逆方向に回転させれば１作動軸７は逆方
向の直進運動を行う。

また、作動軸７に回転運動をさせるときには、直進用モ
ータ１３及び旋回用モータ１４をともに作動させて、第
１及び第２ナツト５．６を同速度で同方向に回転させる
。第２ナー２トロを角速度ωで回転させると、そのナツ
ト６にボールスプライン９を介して嵌合している作動軸
７も、同じ角速度ωで同方向に回転する。このとき、ボ
ールねじ８も回転するが、そのボールねじ８に螺合され
ている第１ナツト５も同速度で同方向に同期回転されて
いるので、第１ナツト５とボールねじ８との間に相対移
動が生ずることはない、したがって、作動軸７は直進運
動はせず、回転運動のみを行うことになる。

作動軸７を逆方向に回転させるときには、第１及び第２
ナツト５．６をともに逆方向に同速度で回転させればよ
い。

このようにして、一般に、第１ナツト５をω＋（８０／
　２π）・（ｖ／ｐ）の角速度で回転させ、第２ナツト６を角速度ωで回転さ
せれば、作動軸７は、速度Ｖの直進運動を行うとともに
、角速度ωの回転運動を行うことになる。したがって、
２台のモータ１３゜１４の同期制御によって、任意の２
自由度運動を実現することができる。

このように、この２自由度駆動機構によれば、作動軸７
のみに直進運動及び回転運動を行わせることができ、可
動部を軽量化することができるので、高速応答性に優れ
たものとすることができる。また、フレーム１の先端部
には、１本の作動軸７とそれに嵌合されるナツト５゜６
とのみを設ければよいので、コンパクトなものとするこ
とができ、ロポー２トの手首機構として最適のものとな
る。

しかも、作動軸７には、ごく普通に用いられているボー
ルねじ８とボールスプライン９とを形成すればよく、そ
れに噛み合う第１及び第２ナツト５．６も通常のもので
よいので、極めて安価なものとなる。そして、直進荷重
は、ボールねじ８と第１ナツト５との螺合によって支持
されるが、そのボールねじ８のピッチｐを小さくするこ
とによって、その支持力は十分に大きくすることができ
る。また、回転荷重は、ボールスプライン９と第２ナツ
ト６との嵌合によって支持されるが、ボールスプライン
９の負荷支持特性が非常に良好であるので、重荷重にも
十分に対応し得るものとすることができる。

なお、上記実施例においては、ボールねじ８とボールス
プライン９とが作動軸７の上下に設けられるものとして
いるが、これらを逆に設けるようにすることもできる。

また、作動軸７が上下方向に設置されるものに限られる
こともない。

更に、直進用モータ１３及び旋回用モータ１４の回転駆
動力をナツト５，６に伝達する伝動機構２３．２４とし
て、タイミングベルト１７．２０を用いるものとしてい
るが、これを歯車機構等によって構成することもできる
。ただし、モータ１３，１４がフレームｌの基部側に設
置され、しかも全体が軽量のものとなるようにするため
には、ベルト伝動機構を用いることが望ましい。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、作動
軸にボールねじとボールスプラインとを形成し、これら
ボールねじ及びボールスプラインに第１及び第２ナツト
をそれぞれ噛み合わせて、その第１及び第２ナツトの回
転を同期制御するようにしているので、作動軸に直接直
進運動と回転運動とを行わせることができ、可動部の軽
量化が可能となるとともに、部品点数が少なく、コンパ
クトなものとすることができる。

そして、直進運動をボールねじによって行わせるととも
に、回転運動をボールスプラインによって行わせるよう
にしているので、重量物の取り扱いにも対応し得るもの
とすることができる。しかも、それらボールねじ及びボ
ールスプラインはごく普通のものであるので、安価に製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による２自由度駆動機構の一実施例を
示す縦断側面図、第２図は、従来の２自由度駆動機構の典型的な例を示す
縦断側面図。第３図は、従来の２自由度駆動機構の他の例を示す縦断
側面図、第４図は、従来の２自由度駆動機構の更に異なる例を示
す要部の側面図である。ｌ・・・フレーム　　　　　　５・・・第１ナツト６・
・・第２ナツト　　　　　７・・・作動軸８・・・ボー
ルねじ９・・・ボールスプライン

Claims

【特許請求の範囲】外周面にボールねじとボールスプラインとが直列状に形
成された作動軸と、前記ボールねじに螺合された第１ナットと、前記ボール
スプラインに嵌合された第２ナットと、これら第１及び第２ナットを回転自在に、かつ軸方向に
は移動不能に支持するフレームと、このフレームにそれ
ぞれ支持された直進用モータ及び旋回用モータと、これら直進用モータ及び旋回用モータの回転駆動力を前
記第１及び第２ナットにそれぞれ伝達する第１伝動機構
及び第２伝動機構と、を備えてなる、直進運動と回転運動とを行う２自由度駆
動機構。