WO1992000166A1

WO1992000166A1 - Arm driving mechanism in industrial articulated robot

Info

Publication number: WO1992000166A1
Application number: PCT/JP1991/000839
Authority: WO
Inventors: Nobutoshi Torii; Yasuo Naito; Takeshi Okada
Original assignee: Fanuc Ltd
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1992-01-09
Also published as: EP0489168A4; JPH0457684A; EP0489168A1

Description

明細書

産業用多関節型ロボットのアームの駆動メカニズム技術分野

本発明は、三次元空間内で複数の自由度を有する産業用多関節型ロボットに関し、特に複数のアームが夫々の関節において水平旋回軸線回りに旋回可能な多関節型ロボットにおけるアームの新規な駆動メ力ニズムに関する。

背景技術

従来の産業用多関節型ロボットにおいては、旋回胴に結合された第 1 アーム（ W軸アーム）と、その第 1 アームの先端に結合された第 2アーム（ U軸アーム）との間に平行リンク機構を配置し、第 1アームの旋回軸心に設けた 2 つの駆動モータの一方の駆動モータで第 1 アームの旋回を駆動し、他方の駆動モータで平行リンク機構を経由して第 2 アームを駆動する型式の構造と、 W軸アームと U轴アームとをそれらの関節部に設けた各駆動モータで独立に直接的に駆動する型式の構造とがある。

平行リンク機構を備えた駆動メカニズムは、第 7図に示す如く、床面に固定された固定ベース 1 a に立設されてその固定ベース 1 a に対して縦軸線.回りに旋画する旋回ベース（ W 軸ベース） 1 bに W軸アーム 2の後端を枢着すると共に W軸アーム 2 の先端に U轴アーム 3 を回動自在に軸支し、 U軸ァーム 3 の後方延長部 3 a と W軸アーム 2 と 2 つの連結レバ一 5及び 6 によって平行リンク機構を構成し、 W軸アーム 2 の後端と W軸べ一ス 1 b とを枢着する関節に、 W軸駆動モータ M ₂ と U軸駆動モータ M ₃ とを配置し、各モータ Μ ₂ , M ₃ によってそれぞれ W軸アーム 2の矢印 Wの面動と、 U軸ァーム 3 の矢印 Uの回動とを制御している。なお、 U軸アーム 3 の先端には、ロボット手首 4が U軸アーム 3又はその延長部 3 aに搭載された手首駆動モータ（図示なし）によって複数の旋回軸線回りに制御駆動されるように取付けられている。他方、 2 つのアームを直接駆動する駆動メカニズムを備えた多閲節型ロボットは、第 8図に示す如く、固定ベース 1 a に対して縦軸面りに回動する W軸べ一ス 1 に、 W軸駆動モ一タ ¾4 ₂ を介して W軸アーム 2の基端を制御回動可能に軸支し、 W軸アーム 2の先端に U軸駆動モータ M ₃ を介して U軸アーム 3を制御回動するように軸支している。

第 7図に示す前者の駆動メカニズムでは、 U軸アーム 3に負荷されるモーメントが W軸アーム 2 には作用しないため、 W蚰駆動モータ M _z に負荷するトルクを軽滅できるが、平行リンク機構が有るために U軸アーム 3の動作角度を広くとることはできない。

また、第 8図に示す各軸直接駆動メカニズムでは、 U軸ァ —ム 3の動作角度は十分に広くとることができるが、 U軸ァーム 3 に負荷するモ一メン卜が W軸アーム 2にも直接的に作用するため、 W軸駆動モータ M _z を大出力モータにする必要力ある。

発明の開示

本発明の目的は、上述した従来の多関節型ロボットの駆動メカニズムにおける欠点を解消せんとするものである。

本発明の他の目的は、多関節型ロボットの第 1 のアーム ( W軸アーム）を駆動する W軸躯動モータ M ₂ の負荷を軽減すると共に、第 2 のアーム（ U軸アーム）の動作角度を広くすることが可能な新規なアーム駆動メカニズムを備えた産業用多関節ロボットを提供せんとするものである。

本発明によれば少なくとも最下部の固定ベースと、該固定ベースに対して縦方向の旋回軸線回りに旋回可能な旋回性べ一ス部材と、

前記旋回ベース部材に対して水平軸線回りに相対的に旋回可能な第 1 アーム（ W軸アーム）と、

前記第 1 アームに対して他の水平軸線画りに相対的に旋回可能な第 2アーム（ U軸アーム）と、

前記第 1 アームを駆動するための W軸駆動モータ手段と、前記第 2 アームを駆動するための U轴駆動モータ手段と、前記第 2 アームの先端に具備される複数の動作自由度を有したロボット手首とを備えた産業用多関節型ロボットであつて、更に、

前記旋回性ベース部材に対して旋回動作が不可能に固定された部材であって、かつ、それに、前記第 2アームの後端が前記 W軸駆動モータ手段を介して制御画動が自在に軸支された固定部材と、

前記第 1 アームの先端に枢着された部材であって、かつ、それに、前記第 2 アームの後端が前記 U軸駆動モータ手段を介して制御回動が自在に枢着された支持部材と、前記第 1 アームと、前記固定部材と、前記支持部材とを少なくともリンク要素として形成れ、前記 W軸駆動モータの躯動による前記第 1 アームの旋回に応じてリンク動作する平行リンク機構とを、

具備して構成された産業用多関節躯動型ロボットが提供される e

図面の簡単な説明

本発明の上述及び他の目的、特徴、利点を以下に添付図面に示す実施例に基づいて更に明らかにする力添付図面において、

第 1図は、本発明の第 1 の実施例による産業用多閲節型口ボットのアームの駆動メ力二ズムの構造的原理を示す略示機構図、

第 2 A図は、第 1図に示すアーム駆動メカニズムの力学的説明図、

第 2 B図は、第 1図に示した駆動メカニズムの解析モデル図、

第 3図は、第 1図に示すアームの駆動メカニズムを備えた産業用多関節型ロボットの正面図、

第 4図は、第 3図の IV— IV線に沿う断面図、

第 5図は、本発明の第 2実施例による産業捃多関節型 αボットのアームの駆動メカニズムの略示側面図、

第 6図は、本発明の第 3 の実施例による産業用多関節型口ボツトの略示側面図、

第 7図は、平行リンク機構を含んだ産業用多関節型モータの従来のアーム躯動メ力二ズムの略示側面図、

第 8図は、第 1、第 2 アームを夫々の駆動モータで直接的に駆動する従来の産業用多関節型ロボットの略示側面図。発明を実施するための最良の態様

第 1図を参照すると、産業用多関節型ロボットは、床面に固定される固定ベース 1 1 aに立設され、図示されていない駆動モータの駆動により、縦軸回りに矢印 0で示す制御旋回を行う旋回性のベース l i b (以下、 W軸ベースと言う）を備えている。この W軸ベース 1 1 b に結合されてアームと、その駆動メカニズムが搭載されている。すなわち、 W軸べ一ス 1 1 bに水平に固定された固定レバ一 1 0を有し、固定レバー 1 0の一端には W軸駆動モータ M _z を介して第 1 のァーム（W軸アーム） 1 2の後端が矢印 Wで示す方向の制御回動が可能に軸支され、固定レバー 1 0 の他端には、第 1 アーム 1 2 と同長の連結レバ一 2 0が回動可能に軸支されている。また、固定レバー 1 0 と同長の支持レバ一 3 0の一端は、第 1 アーム 1 2の上端に、他端は上記連結レバ一 2 0 の上端にそれぞれ回動自在に軸支されている。従って、固定レバー 1 0 、 W toアーム 1 2、連結レバー 2 0及び支持レバー 3 0 で平行四辺形リンク機構を構成している。

さて、本実施例のアーム躯動メカニズムの特徴として、上記支持レバー 3 0上の一位置（本例では同支持レバー 3 0 の中間部位）に、第 2アーム（ U軸アーム） 1 3が、同アームを駆動する U軸駆動モータ M ₃ を介して矢印 Uで示す方向に制御回動が可能に軸支されている。この第 2 アーム 1 3 の先端には慣用のロボット手首 1 4が装着されている。

上述した多関節型口ボットのアーム駆動メ力二ズムに関して作用力、モーメントの釣合いを考察すると、第 2 A図及び第 2 B図を参照することにより、下記の約合い式が得られるのが理解できる。

即ち、長さ £ ₂ の第 1 アーム（ U軸ァム） 1 3に関しては、

モーメントに就き、

T u - W _ζ £ 2 cos 0 = 0 ( 1 )

上下方向の力の釣合いに就き、

F _{I y}- W₂ = 0 …… ( 2 )

左右方向の力の均合いに就き、

F , χ = 0 ( 3 )

支持レバ一 3 0 は、軸支点で長さが _s ,と £ _{3 ζ}とに分けられ、第 2 Β図に示すように、

回転モ一メントに就いて、

- J„ + F _Z y £ 3 1 - F a y £ 32 = 0 ( 4 )

上下方向の力の均合に就いて、

F ay- F jy+ F zy-W! = 0 … ·· ( 5 )

左右方向の力の釣合いに就いて、

F _3X- F i_x+ F _Zx= 0 . … .· ( 6 ).

他方、第 1 アーム（W軸アーム） 1 2に関しては、

モーメントに就いて、

T_w - ¥ z y £ I sin ^ + F 2 χ £ i cos 0 = 0

…… （ Ί )

そして、 tan 0 = F _3X/ F _3yであるから、上記各式（ 1 ) 〜（ 7 ) を解くと W軸アーム 1 2に作用するモーメン T_w は、

T_w = ( W: + W_z ) ϋ , sin θ ······ ( 8 ) となる。

つまり、 T_w は、 U軸アーム 1 3に作用するモーメント Tu の影響は受けないことがわかる。

即ち、第 1図に示した多関節駆動型ロボッ卜のアーム駆動メカニズムにあっては、第 2アーム（ U軸アーム） 1 3のモ一メント Tu が、第 1 アーム（W軸アーム） 1 2の駆動用の W軸駆動モータ M₂ に対する負荷となることはない。

ロボット手首 1 4を備えた U蚰アーム 1 3に負荷されるモーメントが W轴アーム 1 2に影響しない構造であるため、 W 軸駆動用のモータ M₂ を小さくすることが可能であり、その上、 U軸アーム 1 3 は U軸駆動モータ M₃ により直接的に駆動される構成のために、 U軸アーム 1 3 は支持レバー 3 0上の軸支点を中心とした大きな旋回動作角度に渡る動作自由度が得られるのである。つまり、第 8図に示した従来の W蚰駆動モータ M₂ に比べて、本実施例の W軸駆動モータ M₂ に掛かる負荷が軽減でき、故に、モータ出力の小型化も可能になつた。

但し、 W軸アーム 1 2の回動範囲は、上記の平行リンク機構に起因する制約を受ける。

上述した第 1図に図示されたアーム駆動メ二ズムを応用した複数の動作自由度を有した産業用多関節型ロボットの具体的な構成が第 3図、第 4図に示されている。

第 3図、第 4図において、第 1図と同一の参照番号は、第 1図における要素の対応要素を示しているものと理解すれば良い。

なお、この第 3図、第 4図に示す多関節型ロボットでは、 W軸ベース 1 1 b と固定レバー 1 0 とが 1 つのボディーに一体化され、そのボディーの 2位置に W軸アーム 1 2 の枢着点と連結連結レバ一 2 0 の一端が枢着されている。他方、その連結レバー 2 0 の上端に一端が枢着された支持レバー 3 0 の他端に設けたビボット轴が回転軸受 3 2を介して W軸アーム 1 2の上端に枢着され、その枢着軸心上において、支持レバ一 3 0 に U軸駆動モータ M ₃ が同軸型の減速機 R ₃ を介して搭載され、 U軸アーム 1 3を支持レバー 3 0 に対して制御画動させる構成を有している。すなわち、この多関節型ロボットでは、第 1 のアーム駆動メ力二ズムにおける支持レバー 3 0の長さ £ _{3 1}が限りなくゼロに近づいた構成を有している。なお、 W軸アーム 1 2を駆動する W軸駆動モータ M _z も同軸型の減速機 R ₂ を介して W軸アーム 1 2を駆動する。

この第 3図、第 4図に示す産業用多関節型ロボッ卜が、第 1図に示すアーム駆動メ力ニズムと実質的に等価の構成のァ —ム駆動メカニズムを有することから、既述したように、 U 輪アーム 1 3の大きな旋回動作角度に渡る動作自由度が得られ、かつ、 W轴駆動モータ M _z に掛かる食荷を軽減できる利点を享受することができることは言うまでもない。なお、第 U蚰アーム 1 3 の後端には手首駆動モータ M ₄ が搭載されており、ロボット手首 1 4 は、 2つないし 3 つの動作自由度を備え、従って、ロボットは三次元空間内で 5つまたは 6つの動作自由度を備えている。次に、本発明の第 2の実施例に就いて、説明する。

第 5図を参照すると、本実施例の産業用多関節型ロボットにおいては、固定ベース 1 1 a に対して縦軸心回りに旋回可能な W蚰ベース l i bに回動不能に固定スプロケット 3 3を取付け、固定スプロケット 3 3 に W軸駆動モータ M _z を介して W軸アーム 1 2が矢印 Wで示す方向に制御回動が可能に軸支され、 W軸アーム 1 2の上端に固定スプロケット 3 3 と同径の支持スプロケット 3 4を回動自在に轴支し、両スブロケット 3 3、 3 4 に連結チヱーン 2 1 を張設すると共に支持スプロケット 3 4には U軸駆動モータ M ₃ を介して U軸アーム 1 3を矢印 Uで示す方向に制御回動が可能に轴支した構成を有している。

本実施例にあっても、 W蚰アーム 1 2の矢印 Wの回動に起因して、支持スプロケット 3 4が第 1図の実施例の支持レバ一 3 0 と同様の平行リンク機能を奏し、故に同様の作用及び利点を備えている。

その上、本実施例にあっては、平行リンクの死点が存在しないため、 W軸アーム 1 2 の回動範囲が制限されることはなく、従って、 W軸アーム 1 2 の動作角度も十分広くとることが出来る。

第 6図は更に別の実施例を.示している。

第 6図に示す如く、 W軸ベース 1 1 bに固定ギヤ 3 5を回動不能に固定し、同固定ギヤ 3 5に、 W軸駆動モータ M _z を介して W軸アーム 1 2を矢印 Wで示す方向の制御回動が可能に軸支した構成及び W軸アーム 1 2の先端に固定ギヤ 3 5 と同径の支持ギヤ 3 6を画動自在に轴支し、固定ギヤ 3 5 と支持ギヤ 3 6 とを連結ギヤ 3 7で連結すると共に、支持ギヤ 3 6上に U轴駆動モータ M ₃ を介して U軸アーム 1 3を矢印 U で示す方向に制御面動が可能に軸支した構成を備えたいる。

この第 6図に示すアーム躯動メカニズムにあっては、上述した第 5図の実施例と同一の作用及び利点を備えている。

上述の記載から明らかなように、本発明によれば、第 1 ァーム（W軸アーム）の基台となる旋画性の W軸ベースに対する相対回転が不可能なように固定された一つの固定部材に、第 1 アームの基端を、 W轴駆動モータ Mによって、制御画動が自在であるように枢着し、第 1 アームの先端には支持部材を回動自在に軸支すると共に、同支持部材に対して第 2ァ一ム（ U軸アーム）の基端を U ½駆動モータ M ₃ で、制御が Θ 動自在に枢着し、固定部材と支持部材とを平行リンク機構の 2つの平行リンク要素をを形成するように互いに連結したァーム駆動メ力二ズムを備えた産業用多鬨節型ロボットを構成したので、ロボット手首を先端に備えた第 2アームに掛かる負荷モーメントが第 1 アーム（W軸アーム）の W軸駆動モー夕に影響しない構造が得られた。その結果、 W軸駆動モータ M z を小出力化することができ、その上、第 2 アームに影響しない構造であるため、 W轴駆動用モータを小型化でき. その上、第 2アームは直接的に U轴駆動モータで駆動する方式のために、その動作角度が大きく取れる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも最下部の固定ベースと、

該固定ベースに対して縦方向の旋回軸線回りに旋回可能な旋回性ベース部材と、

前記旋回べ一ス部材に対して水平軸線回りに相対的に旋画可能な第 1 アーム（W軸アーム）と、

前記第 1 アームに対して他の水平軸線回りに相対的に旋画可能な第 2 アーム（ U軸アーム）と、

前記第 1 アームを駆動するための W軸駆動モータ手段と、前記第 2アームを駆動するための U蚰駆動モータ手段と、前記第 2アームの先端に具備される複数の動作自由度を有したロボット手首とを備えた産業用多関節型ロボットであつて、更に、

前記旋回性ベース部材に対して旋回動作が不可能に固定された部材であって、かつ、それに、前記第 2アームの後端が前記 W蚰駆動モータ手段を介して制御回動が自在に軸支された固定部材と、

前記第 1 アームの先端に枢着された部材であって、かつ、それに、前記第 2 アームの後端が前記 U軸躯動モータ手段を介して制御回動が自在に枢着された支持部材と、

前記第 1 アームと、前記固定部材と、前記支持部材とを少なくともリンク要素として形成れ、前記 W軸駆動モータの駆動による前記第 1 アームの旋回に応じてリンク動作する平行リンク機構とを、具備して構成されたことを特徴とする産業用多閬節駆動型口ボット。

2 . 前記平行リンク機構は、前記固定部材と前記支持部材とに両端が枢着された連結部材を更に具備することを特徴とした請求の範囲 1 に記載の産業用多関節駆動型ロボット。

3 . 前記平行リンク機構は、

前記旋回性ベース部材に固定され、かつ、前記第 1 アームの後端を旋回可能に支持することにより、前記固定部材を形成する固定スプロケット部材と、

前記第 1 アームの先端に旋画可能に枢着されて前記支持部材を形成する支持スプロケット部材と、

前記固定スプロケット部材と前記支持スプロケットとに掛け渡されて前記連結部材を形成する連結チーンとを、具備して構成された請求項 2に記載の産業用多関節 II動型口ボット。

4 , 前記平行リンク機構は、

前記旋回性ベース部材に固定され、かつ、前記第 1 アームの後端を旋回可能に支持することにより、前記固定部材を形成する固定ギヤ要素と、

前記第 1 アームの先端に旋回可能に抠着されて前記支持部材を形成する支持ギヤ要素と-、

前記固定ギヤ要素、前記支持ギヤ要素の両ギヤに嚙合して前記連結部材を形成する連結ギヤ要素とを、

具備して構成された請求項 2に記載の産業用多関節駆動型口ボット。

5 . 前記旋回性ベース部材と前記平行リンク機構の固定部材とがー体ボディ一に形成されている請求項 1 に記載の産業用多関節駆動型ロボット。