JP2005040923A - ロボットの軸構造とそれを備えた多関節ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 多関節ロボット１０において、１つのモータ５０Ｍで２つのアームＡ７，７２を選択的に回動できるようにする。また、広い作動エリアを持ちながらデッドスペースを小さくすることができ、各関節を動かすのに必要な動力伝達系も簡素化する。
【解決手段】 モータ５０Ｍは一方が制動を受けたとき他方が回転する関係にある第１の出力軸６１と第２の出力軸６２を持つ。第１の出力軸６１は関節アームＡ７に連結し、第２の出力軸６２はアーム（ツールハンド）７２に連結する。第１の出力軸６１および第２の出力軸６２に対するそれぞれの制動機構７３、７８を備える。また、関節アームＡ１〜Ａ７は、水平旋回軸である第１の旋回軸１５、１５Ａ、１５Ｂを介して接続している箇所と、傾斜旋回軸である第２の旋回軸３２、３２Ａ、３２Ｂを介して接続している箇所とを交互に有する。そして、各旋回軸を駆動するモータＭおよび減速機構は各旋回軸ごとに配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主に工業用として用いられる多関節ロボットの軸構造とそれを備えた多関節ロボットに関する。

工業用ロボットとして極座標型多関節ロボットが多く用いられる。図６はその一例であり、基部３に第１アーム１が揺動自在に取り付けられ、該第１アーム１の先端に第２アーム２が揺動自在に取り付けられ、その先端に多方向型の手首機構４が備えられる。手首機構４の先端には必要なツールハンド、例えば溶接ガンや把持具などが取り付けられ、ロボットとしての作業を行う。

屈曲自在な手首機構の一例として、特許文献１（特開昭６３−２８８６９０号公報）には、アームの先端に、中央筒体とその両端の第１と第２の端筒体との３部材を、各筒体の軸線を互いに交叉する方向に向けてかつ互いに回動自在に連結して配置し、各部材を相対回転させることにより、前記第２端筒体の先端の回転部材を３次元空間内の所期位置に導くようになした手首機構が記載されている。
特開昭６３−２８８６９０号公報

図６に示す従来のロボットは、第１アーム１と第２アームの長さでロボットの作動範囲を確保しようとするものであり、手首機構４までの関節数が少ないことから、ロボットに近い作動エリアでは、第１アーム１と第２アーム２の折れ曲がりによるデッドスペースが大きくなる傾向がある。そのために、近接して複数個のロボットを配置することが困難であり、ロボットが使用される環境も自ずと制限を受ける。また、長さの長いアームを用いることから、第１アーム１と第２アーム２の関節部には例えば油圧機構等を用いた複雑な関節機構が備えられる。

手首機構として上記公報に記載のようにコンパクトなものが知られているが、それ自体でロボットとして機能する訳ではなく、長さの長いアームを必要とするとともに、手首を構成する３個の筒体を相対回転させるために、それぞれに連続する回転軸ごとにモータおよび減速機を取り付けるようにしており、機構的に複雑な軸構造となっている。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、多関節ロボットにおいて、隣接するアームを相対的に回転させる機構を簡素化したロボットの軸構造を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、そのような軸構造を少なくとも関節の一部に備え、かつ、広い作動エリアを持ちながらデッドスペースを小さくすることができる改良された多関節ロボット提供することにある。

本発明によるロボットの軸構造は、アームとアームとの間の関節部に１つの駆動モータが備えられ、該駆動モータは一方が制動を受けたとき他方が回転する関係にある第１の出力軸と第２の出力軸を有し、第１の出力軸は減速機構を介して一方のアームに連結し、第２の出力軸は減速機構を介して他方のアームに連結し、かつ、第１の出力軸および第２の出力軸に対するそれぞれの制動機構が備えられていることを特徴とする。

上記の軸構造では、関節部に１個の駆動モータを配置し、制動機構を操作していずれかの出力軸側に制動をかけるのみで、２つのアーム（軸）を選択的に回転駆動させることができるので、ロボットの軸機構自体の構成を簡素化することができる。また、モータの数と共にアンプなどの数も減少することから、制御盤も小型化することができる。

上記の軸構造は多関節ロボットの任意の関節部で採用することができる。１箇所でもよく、複数箇所でもよい。例えば６軸ロボットのツールハンドに最も近い関節部に上記の軸機構を付加的に採用することは特に好ましく、他の関節部に影響を与えることなく、容易にツールの位置だけを微調整することが可能となる。この場合、他の関節部では、従来知られた軸構造を採用できる。

本発明による多関節ロボットの好ましい態様では、アーム同士が第１の旋回軸を介して接続している第１関節部と、該第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸を介して接続している第２関節部とをそれぞれ少なくとも１箇所以上有しており、各旋回軸を駆動するモータおよび減速機構は各旋回軸ごとに配置されるようにされており、さらに、少なくとも１つの関節部は上記した軸構造を備えることを特徴とする。

上記の多間接ロボットは、例えば水平旋回軸である第１の旋回軸により接続されたアームと、第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸（傾斜旋回軸）により接続されたアームとが、好ましくは交互に複数個が連接してアーム全体を構成するようにされており、図６に示すような従来の第１のアームと第２のアームを備えた形態のロボットと比較して、デッドスペースを小さくすることができる。そのために、多数のロボットを近接して配置することが可能となり、ロボットの使用環境に対する自由度も大きくなる。そして、少なくとも１つの関節部に上記した軸構造を備えることにより、その部分ではモータ数を減らすことができ、アンプなども含めたスペースやコストが低減する。６軸ロボットのツールハンドに最も近い関節部に上記の軸構造を追加として備えることが効果的であることは、前記のとおりである。

本発明によれば、関節部の軸構造およびその駆動機構を簡素化した多関節ロボットを得ることができる。また、広い作動エリアを持ちながらデッドスペースを小さくすることができる多関節ロボットとすることができる。

以下、実施の形態により本発明を説明する。図１は本発明によるロボットの軸構造で使用するモータ５０Ｍの一例を示す。図示の例において、モータ５０Ｍは、外側筒体５１とロータ５２と間に筒状のステータ５３がその回転軸心線をロータ５２の回転軸心線Ｌｍと同じにしてベアリング５４により回転自在に支持された構成を持つ。ロータ５２は電機子巻線５５とそこに電気的に接続する第１スリップリング５６を備える。ステータ５３の内周面には電機子巻線５５に対向してマグネット５７が取り付けられ、また、第１スリップリング５６に圧着する第１ブラシ５８を備える。さらに、ステータ５３の外周面には第１ブラシ５８に電気的に接続する第２スリップリング５９が取り付けられ、外側筒体５１には第２スリップリング５９に圧着するようにして第２ブラシ６０が備えられる。ロータ５２には適宜の第１出力ギア６１（この例ではベベルギア）が取り付けられ、第１出力ギア６１とは反対側において、ステータ５３の回転軸心線上には第２出力ギア６２が取り付けられる。

このモータ５０Ｍにおいて、駆動電流は、外側筒体５１に取り付けた第２ブラシ６０からステータ５３に取り付けた第２スリップリング５９に流れ、そこからステータ５３に取り付けた第１ブラシ５８を介して、ロータ５２に取り付けた第１スリップリング５６に流れ、回転子巻線５５に至る。

モータ５０Ｍは、外側筒体５１のフランジ５１ａなどを利用して、例えば関節部ケーシングに固定される。その状態で、モータ５０Ｍに通電する。そのときに、第１出力ギア６１側あるいは第２出力ギア６２側のいずれか一方に制動をかけるようにする。ステータ５３に取り付けた第２出力ギア６２側に制動をかけて固定すると、フリーとなっているロータ５２が回転し、ロータ５２に取り付けた第１出力ギア６１側に制動をかけて固定すると、フリーとなっているステータ５３が回転する。すなわち、モータ５０Ｍは、一方が制動を受けたとき他方が回転する関係にある第１の出力軸（例えば、ロータ５２）と第２の出力軸（例えば、ステータ５３）とを有する構成となっている。

次に、このモータ５０Ｍを駆動モータとして持つ多関節ロボット１０の一例を図２を参照しながら説明する。この例において、主関節数は６であり、最先端に上記したモータ５０Ｍを駆動源とする軸構造が追加的に備えられている。もちろんこれは例示であり、主関節の一部にモータ５０Ｍを駆動源とする軸構造を採用することもできる。図２において、第１のアームＡ１はベースＧに固定されて機台として機能するものであり、駆動源としてのモータＭ１とケーブル類の導入孔１１を備える。図３を参照して後に詳述するように、モータＭ１はエンコーダとブレーキ装置を内蔵した形式のものであり、回転駆動軸１２を水平方向に向け、その先端にベベルギア１３を取り付けている。

第１のアームＡ１には軸心線Ｌ１が垂直方向である水平旋回軸（「第１の旋回軸」）１５が装着され、水平旋回軸１５には第２のアームＡ２が固定されていて、水平旋回軸１５の回転により、第２のアームＡ２は３６０度の範囲で回転する。この水平旋回軸１５の部分は第１関節を構成する。第２のアームＡ２は上端に傾斜面２２を有し、傾斜面２２に対向する傾斜面３１を下端に持つ第３のアームＡ３が、軸心線Ｌ１と交差（この例では４５°）する軸心線Ｌ２を持つ傾斜旋回軸（「第２の旋回軸」）３２により相対回転可能に連接されている。傾斜旋回軸３２は第３のアームＡ３に収容したモータＭ２により回転駆動され、それにより、第３のアームＡ３は第２のアームＡ２に対して相対的に３６０度の範囲で回転する。この傾斜旋回軸３２の部分は第２関節を構成する。

第３のアームＡ３の上端面は水平面３６であり、そこには、前記第１のアームＡ１の上端面におけると実質的に同じようにして水平旋回軸１５Ａが装着されている。水平旋回軸１５Ａは第３のアームＡ３内に収容したモータＭ３により回転駆動される。水平旋回軸１５Ａには前記第２のアームＡ２と同じ構成の第４のアームＡ４が同様にして固定されており、モータＭ３が回転駆動すると、第４のアームＡ４は水平旋回軸１５Ａを介して第３の旋回アームＡ３に対して相対的に３６０度の範囲で回転する。この水平旋回軸１５Ａの部分は第３関節を構成する。

第４の旋回アームＡ４の上には、前記第３の旋回アームＡ３と同じ構成の第５の旋回アームＡ５が同様にして配置され、両者を連接する傾斜旋回軸３２Ａの部分は第４関節を構成する。さらに、第５の旋回アームＡ５の上には、前記第２のアームＡ２とほぼ同じ形状の第６のアームＡ６が配置され、両者を連接する水平旋回軸１５Ｂの部分は第５関節を構成する。

第６のアームＡ６の上には、前記第３の旋回アームＡ３とほぼ同じ形状の第７の旋回アームＡ７が相対回転できるようにして配置され、両者を連接する傾斜旋回軸３２Ｂの部分は第６関節を構成する。また、第７の旋回アームＡ７の上端には円筒体７０が固定されており、該円筒体７０内には、図１に示したモータ５０Ｍが装着されている。そして、円筒体７０の上端面７１にはツールハンド取り付け面とされ、そこに溶接ガン、塗装ガンや把持具などのツールハンド７２が回転可能に取り付けられる。

以下に、第６のアームＡ６からツールハンド取り付け面までの構成を詳述する。第６のアームＡ６と第７の旋回アームＡ７との間に位置する傾斜旋回軸３２Ｂの構成は、実質的に前記した傾斜旋回軸３２あるいは３２Ａと同様であり、モータからの回転を受ける歯車３４ａがベベルギアである点でのみ異なっている。前記した円筒体７０には、モータ５０Ｍが、その外側筒体５１の下面側フランジ５１ａを円筒体７０の底面にねじ止めすることにより装着されており、モータ５０Ｍのロータ５２に取り付けた第１出力ギア６１（ベベルギア）が前記歯車３４ａと噛み合っている。円筒体７０の底面には第１エンコーダ兼ブレーキ装置７３が取り付けてあり、その回転軸７４と第１出力ギア６１とはスパーギア７５を介して連結している。

円筒体７０の上端面７１に回転可能に取り付けたツールハンド７２の固定軸（旋回軸）７６の下端側にはスパーギア７７が取り付けてある。そして、モータ５０Ｍのステータ５３側に取り付けた第２出力ギア６２が適宜の歯車伝導機構を介してスパーギア７７に噛み合っている。さらに、円筒体７０の上面には第２エンコーダ兼ブレーキ装置７８が取り付けてあり、その回転軸７９もスパーギア７７と噛み合っている。

上記の構成であり、図示しない制御盤を操作してモータ５０Ｍに通電するとともに、第１エンコーダ兼ブレーキ装置７３および第２エンコーダ兼ブレーキ装置７８のいずれか一方のブレーキ装置を作動する制御を行うと、第７の旋回アームＡ７とツールハンド７２は次のように回動する。すなわち、第１エンコーダ兼ブレーキ装置７３に制動制御をかけると、モータ５０Ｍの第１出力ギア６１側が停止（非回転）状態となり、モータ５０Ｍのステータ５３側に取り付けた第２出力ギア６２のみが回転する。その回転はスパーギア７７を介してツールハンド７２の旋回軸７６に伝えられ、ツールハンド７２が回転する。逆に、第２エンコーダ兼ブレーキ装置７８に制動制御をかけると、モータ５０Ｍの第２出力ギア６２側が停止（非回転）状態となり、モータ５０Ｍのロータ５２に取り付けた第１出力ギア６１のみが回転する。その回転はベベルギア３４ａに伝えられ、結果として第７の旋回アームＡ７が第６のアームＡ６に対して相対回転する。

上記のように、本発明による軸構造によれば、１つのモータ５０Ｍを用いながら、ブレーキ操作を選択的に行うのみで、２つのアーム（上記の例では、ツールハンド７２と第７の旋回アームＡ７）を独立して動かすことが可能となり、それぞれの旋回軸にそれぞれ駆動モータを設ける場合と比較して、モータ数およびモータの駆動に必要なアンプなどを半減することができる。特に、図示の例では、６軸ロボットの最もツールハンド７２に近い場所に本発明による軸構造を配置したので、後記する多軸ロボット１０本体の制御により、ツールを３次元空間の所定位置にセットした後で、ツール位置をわずか微調整したいような場合、ロボット本体の６軸制御を再度行うことなく、単にモータ５０Ｍとその制動操作とを行うのみで、それを行うことが可能となり、操作の容易性、簡易性がもたらされる。もちろん、上記したモータ５０Ｍを用いる本発明により軸構造は、多関節ロボットの他の関節部に用いることも当然に可能である。

次に、図２に示した多関節ロボット１０における他の関節部の詳細を図３を参照しながら説明する。前記したように、第１の関節アームＡ１には中空の固定軸１４が垂直方向に立設しており、該軸１４に外嵌合するように水平旋回軸（「第１の旋回軸」）１５が装着されている。水平旋回軸１５の下端にはベベルギア１６が取り付けてあり、モータの回転駆動軸１２に取り付けたベベルギア１３と噛み合っている。なお、ベベルギア１３とベベルギア１６との噛み合いは１つの減速機構を形成している。第１の関節アームＡ１の上端面には、中空の固定軸１４の軸心線Ｌ１（同時に水平旋回軸１５の軸心線でもある）と同心円上に、ベアリングＢのアウターレースＢ１が固定されている。一方、水平旋回軸１５側にはベアリングＢのインナーレースＢ２が適宜の手段を介して固定されると共に、その上端には、スラストベアリング１７などを介して円筒形状である第２の関節アームＡ２の下端面２１が固定されている。従って、モータＭ１が回転駆動すると、その回転はベベルギア１３およびベベルギア１６を介して水平旋回軸１５に伝えられ、第２の関節アームＡ２は３６０度の範囲で回転する。

第２の関節アームＡ２は円筒形であり、上端面はその軸心線（軸心線Ｌ１と一致している）に対して４５度で傾斜した傾斜面２２とそれに続く水平面２３とで形成され、内部に空間２４を有している。なお、水平面２３は第２の関節アームＡ２の高さを低く抑えるためのものであり、高さ制限がない場合には、上端面すべてが傾斜面２２とされていてもよい。

第２の関節アームＡ２の上には、下端面がその軸心線に対して４５度で傾斜した傾斜面３１とされた円筒形の第３の関節アームＡ３が位置している。第２の関節アームＡ２と第３の関節アームＡ３とは、その傾斜面２２と傾斜面３１とが、軸心線Ｌ１に対して４５度で傾斜しかつ軸心線Ｌ１と交差する軸心線Ｌ２を持つ傾斜旋回軸（「第２の旋回軸」）３２により相対回転可能に連接されている。

すなわち、第２の関節アームＡ２の傾斜面２２には軸心線Ｌ２を中心線とする開口２５が形成され、また、軸心線Ｌ２の同心円上には、上記したベアリングＢと同様のベアリングＢのインナーレースＢ２が固定されている。一方、第３の関節アームＡ３の傾斜面３１には、前記軸心線Ｌ２を中心線とする中空の固定軸３３が傾斜面３１に対して垂直方向に取り付けてあり、該固定軸３３は第２の関節アームＡ２の前記空間２４に達している。固定軸３３に外嵌合するようにして傾斜旋回軸３２が装着されており、その上端（第３の関節アームＡ３側）には歯車３４が取り付けられる。傾斜旋回軸３２の外周部は、第３の関節アームＡ３の傾斜面３１に固定された前記ベアリングＢのアウターレースＢ１と適宜の手段を介して一体化している。

第３の関節アームＡ３内にはモータＭ２が備えられており、モータＭ２の回転駆動軸に取り付けた歯車３５と歯車３４は噛み合っている。従って、モータＭ２が回転駆動すると、その回転は歯車３５および歯車３４を介して傾斜旋回軸３２に伝えられ、それにより、第３の関節アームＡ３は第２の関節アームＡ２に対して相対的に３６０度の範囲で回転することができる。この傾斜旋回軸３２の部分は第２関節を構成する。

第３の関節アームＡ３の上端面は水平面３６となっており、そこには、前記第１の関節アームＡ１の上端面におけると実質的に同じようにして水平旋回軸１５Ａが装着される。すなわち、水平面３６の中心には開口３７が形成されており、その中心線は図示のようにロボット全体が垂直姿勢となったときに、前記軸心線Ｌ１と一致するようにされる。前記開口３７の軸心線を中心線とする中空の固定軸１４Ａが垂直方向に固定され、該固定軸１４Ａに外嵌合するように水平旋回軸１５Ａが装着される。

水平旋回軸１５Ａの下端には歯車１６Ａが取り付けてあり、第３の関節アームＡ３内に装着されたモータＭ３の回転駆動軸に取り付けた歯車（図３には示されない）と噛み合っている。第３の関節アームＡ３の上端水平面３６には、固定軸１４Ａの軸心線と同心円上にベアリングＢのアウターレースＢ１が固定され、水平旋回軸１５Ａの外周部にはベアリングＢのインナーレースＢ２が適宜の手段を介して固定される。そして、水平旋回軸１５Ａの上端には、スラストベアリング１７Ａなどを介して、前記第２の関節アームＡ２と同じ構成の第４の関節アームＡ４が同様にして固定される。従って、モータＭ３が回転駆動すると、その回転はその歯車と歯車１６Ａを介して水平旋回軸１５Ａに伝えられ、第４の関節アームＡ４を第３の旋回アームＡ３に対して相対的に３６０度の範囲で回転させる。この水平旋回軸１５Ａの部分は第３関節を構成する。第４の旋回アームＡ４およびそれからツールハンド７２に至るまでの構成および駆動機構は前述したとおりである。

なお、図２において、Ｃは多関節ロボット１０の操作に必要なケーブルや配管、配線類であり、各関節アーム内の空間および各旋回軸に形成した中空部を通して、必要とされる箇所まで案内される。このように構成することにより、関節アームの外側にケーブルや配線類が位置しないこととなり、ケーブル類がロボット周辺の機器と接触する危険性を回避することができる。もちろん、上記した中空部を利用することなくケーブル類を配設することもできる。その場合には、各旋回軸に形成した中空部が不要となる。

上記の形態では、第３と第５の関節アームＡ３，Ａ５内に、その上下端に配置した水平旋回軸および傾斜旋回軸のための２個の駆動モータ（例えば、Ｍ２とＭ３）を収容し、第２，第４，第６の関節アームＡ２，Ａ４，Ａ６内には駆動モータを収容しないようにした。そのために、第２，第４，第６の関節アームＡ２，Ａ４，Ａ６の全長を、そこに１個のモータを収容する場合よりも短いものとすることができ、同じ関節数でありながら、個々の関節アームに駆動モータを配置する場合よりも、ロボットの全長を短縮することができる。

図４は上記の多関節ロボット１０の使用態様の一例を示している。上記したように本発明による多関節ロボットは、簡単な構成でもって、基部から溶接ガンや把持具などのツールハンドの取り付け端までの間に多くの関節を持たせることができ、そのために、従来型のロボットと比較して、その作動範囲でのデッドスペースをきわめて小さくすることができる。そのために、図示のように、複数個の多関節ロボット１０をより狭いエリアに互いに接近して配置することが可能となり、従来のように溶接ガンを備えた溶接ロボットとしての使用に加えて、溶接されるワークＷを保持するための保持ロボットとしての使用も可能となる。ワークＷの種類、形状、大きさが異なっても、同じロボット群で容易に保持することが可能であり、この使用態様は実用上の大きな利点となる。

図５は他の形態の多関節ロボット１０Ａを示している。ここでは、各関節アームに１個ずつ駆動モータを備えるようにしている。すなわち、関節アームＡ２にモータＭ１を取り付けて第１の関節（水平旋回軸１５）を操作し、関節アームＡ３にモータＭ２を取り付けて第２の関節（傾斜旋回軸３２）を操作し、以下、同様に関節アームＡ７まで、それを繰り返している。なお、ここにおいても、関節アームＡ７においては、図２に示した本発明による軸構造が採用される。この態様では、すべての関節アームに駆動モータを保持させたので、個々の関節アームの長さは長くなるが、アーム自体の径を細くできる利点がある。この形態のロボットの操作および作動範囲は前記した形態のものと同様であり、説明は省略する。

本発明による軸構造および多関節ロボットに用いるモータの一例を示す概略図。 本発明による多関節ロボットの一実施の形態を示す全体図。 図２に示すロボットの一部を拡大して示す断面図。 本発明による多関節ロボットの使用態様の一例を説明する図。 本発明による多関節ロボットの他の実施の形態を示す全体図。 従来の工業用ロボットを説明する図。

符号の説明

１０…多関節ロボット、Ａ１〜Ａ７…関節アーム、Ｍ…駆動モータ、Ｃ…ケーブル類、１５、１５Ａ、１５Ｂ…水平旋回軸（第１の旋回軸）、３２、３２Ａ、３２Ｂ…傾斜旋回軸（第２の旋回軸）、５０Ｍ…モータ、５１…外側筒体、５２…ロータ、５３…筒状のステータ、５４…ベアリング、５５…電機子巻線、５６…第１スリップリング、５７…マグネット、５８…第１ブラシ、５９…第２スリップリング、６０…第２ブラシ、６１…第１出力ギア、６２…第２出力ギア、７２…ツールハンド、７３…第１エンコーダ兼ブレーキ装置、７５、７７…スパーギア、７８…第２エンコーダ兼ブレーキ装置

Claims (3)

1. アームとアームとの間の関節部に１つの駆動モータが備えられ、該駆動モータは一方が制動を受けたとき他方が回転する関係にある第１の出力軸と第２の出力軸を有し、第１の出力軸は減速機構を介して一方のアームに連結し、第２の出力軸は減速機構を介して他方のアームに連結し、かつ、第１の出力軸および第２の出力軸に対するそれぞれの制動機構が備えられていることを特徴とするロボットの軸構造。
2. 複数のアームを関節部を介して連接した多関節ロボットであって、少なくとも１つの関節部は請求項１に記載の軸構造を備えることを特徴とする多関節ロボット。
3. 複数のアームを関節部を介して連接した多関節ロボットであって、アーム同士が第１の旋回軸を介して接続している第１関節部と、該第１の旋回軸の軸心線に傾斜した軸心線を持つ第２の旋回軸を介して接続している第２関節部とをそれぞれ少なくとも１箇所以上有しており、各旋回軸を駆動するモータおよび減速機構は各旋回軸ごとに配置されるようにされており、さらに、少なくとも１つの関節部は請求項１に記載の軸構造を備えることを特徴とする多関節ロボット。

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