JP4722616B2

JP4722616B2 - 産業用ロボット

Info

Publication number: JP4722616B2
Application number: JP2005233547A
Authority: JP
Inventors: 岸祐司根; 原弘萩
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: JP2007044839A

Description

本発明は、塗装作業などを従事する産業用ロボットに係り、特に、アームが水平面上を旋回するスカラー型の産業用ロボットに関する。

近年は、自動車の車体をはじめとして、機械製品の塗装工程は、産業用ロボットによる自動化が進んでいる。そこで、この種の代表的な塗装ロボットの従来例を図５に示す（特許文献１）。

この塗装ロボット１は、垂直多関節型ロボットである。ベース３の上には、コラム４が回動自在に設置されている。ロボットアームは、第１アーム６、第２アーム８とから構成されており、第２アーム８の先端部には、手首ユニット９が連結されている。手首ユニット９には、塗装ガン１０が装着されている。この塗装ガン１０からは、ミスト状の塗料が被塗装物２に吹き付けられる。

この塗装ロボット１では、コラム４は水平面上で矢印θ1方向に回動し、第１アーム６は、駆動ユニット５により駆動されて鉛直面上を矢印θ2方向に回動する。第２アーム８は、駆動ユニット７に駆動されて同じく鉛直面上を矢印θ3方向に回動するようになっている。
特願平１１−１６９７６２号公報

しかしながら、従来の垂直多関節型の塗装ロボットでは、以下のような問題があった。
すなわち、ロボットの多関節アームは、鉛直面上を上下に回動するために、図５に示す塗装ロボットであれば、それぞれ各関節部に駆動ユニット５、７が設けられており、これらの駆動ユニット５、７は、駆動モータと減速機を備えた重量のあるユニットである。さらに、多関節アームの先端部には、塗装ガン１０のようなエンドエフェクタを駆動するための手首ユニット９を設ける必要がある。

第１アーム６についてみれば、アームの重量に加え、駆動ユニット７や手首ユニット９の重量が加わりことになる。このように、垂直多関節型のロボットでは、アームの重量が重くなり駆動するモータに大きな容量のモータが必要となる。また、駆動モータがアームの関節部に分散にしているため、メンテナンス性の点で問題がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、アーム先端の重量を軽量化してモータ容量の縮小化を図り、その上でモータや伝動機構のメンテナンス性を高め、さらに部品コストの低減化を達成する産業用ロボットを提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、
複数の水平アームからなる水平多関節アームを有し、制御軸を少なくとも４軸以上有する産業用ロボットにおいて、
第１軸駆動用のモータと、第２軸駆動用モータと、第３軸駆動用モータと、第４軸駆動用モータからなるモータユニットを備え最上位位置に配置されたベース部と、
第１軸を中心に前記ベース部よりも下位にある水平面上を回動する第１アームと、前記第１アームの先端部で第２軸を中心に前記第１アームの下位にある水平面上を回動する第２アームとからなる水平アームと、
前記ベース部と第１アームを連結する関節部に設けられる第１の減速機と、
前記第１アームと第２アームの関節部に設けられる第２の減速機と、
前記手首部を上下方向に昇降させる第３軸を構成するボールねじ機構と前記手首部を揺動させる第４軸を構成する揺動機構を具備する上下アームと、
前記第１減速機と第２減速機のそれぞれに同軸の多重中空軸ユニットとベルト伝動ユニットの組み合わせからなり、前記第２軸乃至第４軸の各軸に動力を伝動する、共通するサイズのプーリーとタイミングベルトとを同軸に重ね合わせてユニット化した伝動ユニットと、を備え、
前記伝動ユニットは、
前記第１アーム内部に組み込まれ、第２軸乃至第４軸の各軸への動力の伝動を、共通するサイズのベルトおよびプーリーを用いて伝動する第１のベルト伝動ユニットと、
前記第２アーム内部に組み込まれ、第３軸および第４軸への動力の動力を、前記第１のベルト伝動ユニットのベルトおよびプーリーと共通するサイズのベルトおよびプーリーを用いて伝動する第２のベルト伝動ユニットと、
前記モータユニットから前記第１ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第１減速機に同軸に貫通する第１の同軸多重伝動軸と、
前記第１ベルト伝動ユニットから前記第２ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第２減速機に同軸に貫通する第２の同軸多重伝動軸と、
からなることを特徴とするものである。

本発明において、前記伝動ユニットは、前記第１アーム内部に組み込まれ、第２軸乃至第４軸の各軸へ共通のベルトを用いて動力を伝動する第１のベルト伝動ユニットと、前記第２アーム内部に組み込まれ、第３軸および第４軸へそれぞれ共通のベルトを用いて動力を伝動する第２のベルト伝動ユニットと、前記モータユニットから前記第１ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第１減速機に同軸に貫通する第１の同軸多重伝動軸と、前記第１ベルト伝動ユニットから前記第２ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第２減速機に同軸に貫通する第２の同軸多重伝動軸と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、アーム先端の重量を軽量化してモータ容量の縮小化を図り、その上でモータや伝動機構のメンテナンス性を高め、さらに部品コストの低減化を達成することができる。

以下、本発明による産業用ロボットの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の産業用ロボットを塗装ロボットに適用した実施形態の側面図であり、図１において、参照番号１０は、塗装ロボットの全体を示し、１１はベース部、１２は２つの水平アームからなる水平多関節アームを示す。この実施形態では、水平多関節アーム１２は、第１アーム１４と第２アーム１６とからなり、第２アーム１６の先端には上下アーム１８が設けられている。上下アーム１８の先端の手首部２０には、エンドエフェクタとして塗装ガン２２が取り付けられている。

この塗装ロボット１０は、制御軸を４軸有している産業用ロボットである。図１に示すように、第１軸は、第１アーム１４が水平面上で旋回する軸で、第２軸は、第１アーム１４と第２アーム１６とを連結する関節部において第２アームが水平面上で旋回する軸である。第３軸は、上下アーム１８において手首部２０を鉛直方向に昇降移動させる軸である。第４軸は、手首部２０において水平な軸周りに塗装ガン２２を揺動させる軸である。

本実施形態による塗装ロボット１０は、従来のようにロボットのベース部が作業場の床面に設置される塗装ロボットと異なり、ベース部１１が作業場の天井２４に据え付けられており、ベース部１１から水平多関節アーム１２が下方に垂設された構造となっている。

図１に示すように、ベース部１１は、台座２５を備えており、この台座２５の周りにはフランジ部２５ａが形成されている。他方、天井２４には、台座２５の大きさに対応する取付穴２６があけられており、台座２５を天井２４の取付穴２６に装着すると、フランジ２５ａで係止するようになっている。このとき、台座２５の下面と天井面は同一面上にある。なお、図１では、ベース部１１にハウジング２７が取り付けられた状態になっている。

次に、図２は、本実施形態による塗装ロボットの内部構造を示す断面図である。

まず、ベース部１１には、ロボットの第１軸乃至第４軸を駆動するサーボモータが集中配置されることで、ベース部１１は、モータユニットとして完全にユニット化されている。この点、従来のロボットのように、多関節アーム側にモータが組み込まれたものとは基本構造が相違している。この実施形態では、参照番号３０は第１アーム１４を旋回させる第１軸モータであり、３１は第２アーム１６を旋回させる第２軸モータである。３２は上下アーム１８を上下に昇降させる第３軸モータである。なお手首部２０を揺動させる第４軸モータは、第３軸モータ３２の裏側に配置されており、図２では図示されていない。

塗装ロボット１０の水平多関節アーム１２では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第１アーム１４は水平面上を回動し、第２アーム１６は、第１アーム１４の下で水平面上を回動するようになっている。ベース部１１と第１アーム１４を連結する関節部には、第１の減速機３４が設けられており、この第１減速機３４の出力軸に第１アーム１４の基端部が取り付けられている。第１アーム１４と第２アーム１６を連結する関節部には、第２の減速機３５が設けられている。第２減速機３５の出力軸には、第２アームの基端部が固定されている。これら第１減速機３４、第２減速機３５には例えばハーモニックドライブが用いられている。

次に、第１軸乃至第４軸の各伝動系の構成について図２を参照しながら説明する。
第１軸の伝動系
第１軸モータ３０の回転軸にはプーリ３６が軸着されている。第１減速機３４の入力軸にはプーリ３７が軸着されている。プーリ３６とプーリ３７にはタイミングベルト３８が巻き掛けられており、第１軸モータ３０の動力は、プーリ３６、３７、タイミングベルト３８からなるベルト伝動機構を介して第１減速機３４に伝えられ、第１減速機３４の出力軸に直結した第１アーム１４が回動するようになっている。

第２の伝動系
第２軸の伝動系は、大きくみると、第２軸モータ３１の動力を第１伝動軸４０から第２アーム１６内に組み込まれたベルト伝動機構により第２減速機３５に伝える構成になっている。この実施形態では、第１伝動軸４０は、第２軸モータ３１の回転軸に直結しており、第１減速機３４を同軸に貫通して第１アーム１４側まで延びている。第１アーム１４の内部では、第１伝動軸４０の先端部にプーリ４１が固着され、第２減速機３５の入力軸にはプーリ４２が取り付けられている。そして、これらのプーリ４１、４２にタイミングベルト４３が巻き掛けられて、これらは、第１伝動軸４０から動力を第２減速機３５に伝達する第１ベルト伝動機構を構成している。

第３軸の伝動系
次に、第３軸の伝動系は、第３軸モータ３２の動力を手首部２０を上下方向に昇降させるボールねじ機構に伝動する伝動系である。この第３軸伝動系は、大きくみると、第２伝動軸４４と、第３伝動軸４５と、第１アーム１４内でこれらの伝動軸間でベルト伝動を行う機構と、第２アーム１６内で第３伝動４５とボールナット４６との間でベルト伝動を行う機構とから構成されている。

まず、第２伝動軸４４は、第１伝動軸４０の外側に同軸に嵌挿されている中空の伝動軸であり、一端部はベース部１１側に突き出ており、プーリ４７が軸着されている。第２伝動軸４４の他端部は第１アーム１４側に軸受けで支持されており、プーリ４８が軸着されている。第３軸モータ３２の回転軸にはプーリ４９が直結されており、プーリ４７、４９にはタイミングベルト５０が巻き掛けられている。

この実施形態の場合、第２減速機３５には同軸多重伝動軸が貫通しており、同軸多重伝動軸のうち、第３伝動軸４５は、一番外側の最も短い中空伝動軸である。この第３伝動軸４５の両端部には、プーリ５１、５２が固着されている。第２伝動軸４４のプーリ４８と第３伝動軸４５のプーリ５１には、タイミングベルト５３が巻き掛けられている。これらプーリ４８、５１は、第２軸伝動系の第１ベルト伝動機構のプーリ４１、４２と同軸のプーリになっており、第２伝動軸４４から動力を第３伝動軸４５に伝達する第２ベルト伝動機構を構成している。

第２アーム１６の内部では、上下アーム１８の内部に長さ方向に挿入されているボールねじ５４に螺合するボールナット４６が回転自在に取り付けられており、このボールナット４６には、同軸にプーリ５５が固定されている。第３伝動軸４５のプーリ５２とボールナット４６に固定されたプーリ５５には、タイミングベルト５３が巻き掛けられており、これらは、第３伝動軸４５からボールねじ５４に螺合するボールナット４６に動力を伝達する第３ベルト伝動機構を構成している。

この実施形態では、上下アーム１８は、第２アーム１６の先端部から垂直に垂下するように固定された矩形断面のアッパーアーム６０と、このアッパアーム６０に摺動自在に嵌合するロアーアーム６１とを入れ子型に組み合わせた構造の細長いアームである。手首部２０はロアーアーム６１の下端部に連結されている。

以上のような第３軸伝系により第３軸モータ３２の動力がボールナット４６に伝わり、このボールナット４６が回転すると、その回転はボールねじ５４を上下に移動させる推力に変えて、ボールねじ５４の下端部に連結している手首部２０が上下に昇降することになる。図４（ａ）は、手首部２０が最も下がった位置にある状態を示し、図４（ｂ）は、手首部２０が最も上にあがった位置にある状態を示す。

ボールねじ５４の下端は継手６２を介してウォーム６３が連結されており、このウォーム６３は軸受け６４により回転自在に支持されている。エンドエフェクタの揺動軸６５には、ウォームホイール６６が固着されており、このウォームホイール６６はウォーム６３に噛み合うようになっている。これらウォーム６３、ウォームホイール６６は、手首部２０における第４軸（Ａ軸）の揺動機構を構成している。

なお、本実施形態では、ボールねじ５４は、通常のボールねじと同様に螺旋状にボールねじ溝が形成されているとともに、軸方向にスプライン溝が形成されている。そして、ボールねじ５４には、スプライン溝を介してスプラインナット６８が嵌合するようになっている。これにより、ボールねじ５４は、ボールナット４６の回転を手首部２０の直線運動に変換する本来的な機能にともに、手首部２０の揺動機構に回転運動を伝達する、以下に説明する第４軸伝達系の伝動軸を兼ねることができる。

第４軸の伝動系
次に、上下アーム１８の手首部２０を揺動させる揺動機構に第４軸モータから動力をベルト伝動する第４軸伝動系について説明する。
この第４伝動系は、大きくみると、図２において第４軸モータ（第３軸モータ３２に隠れて図示されず）から順に、第４伝動軸７０、第５伝動軸７２、スプラインナット６８、ボールねじ５４と、各伝動軸間をつなげるベルト伝動機構とから構成されている。

まず、第４伝動軸７０は、第２伝動軸４４の外側に嵌合する中空伝動軸であり、第２伝動軸４４ともに同軸多重伝動軸を構成している。この第４伝動軸７０のベース部１１に突き出た方の端部には、プーリ７１が軸着されており、このプーリ７１と第４軸モータの回転軸に取り付けてある図示しないプーリの間にタイミングベルト７２が巻き掛けられている。

第１アーム１４の先端部に配置されている第５伝動軸７２は、第３伝動軸４５の内側に同軸に挿入された中空伝動軸であり、第３伝動軸４５とともに同軸多重伝動軸を構成している。第４伝動軸７０の先端にはプーリ７３が取り付けられ、このプーリ７３と、第５伝動軸７２の上端に取り付けられたプーリ７４にタイミングベルト７５が巻き掛けられている。これらのプーリ７３、７４は、上述した第１ベルト伝動機構のプーリ４１、４２および第２第２ベルト伝動機構のプーリ４８、５１と同軸のプーリとして構成されており、第４伝動軸７１から動力を前記第５伝動軸７２に伝達する第４ベルト伝動機構を構成するようになっている。

さらに、第５伝動軸７２の下端にはプーリ７６が軸着されており、スプラインナット６７と同軸に固着されたプーリ７７とプーリ７６にはタイミングベルト７８が巻き掛けられている。プーリ７６は、第３ベルト伝動機構のプーリ５２と同軸のプーリを構成し、プーリ７６とタイミングベルト７８とともに、第５伝動軸７２からスプラインナット６８を介してボールねじ５４に回転を伝達する第５ベルト伝動機構を構成している。ボールねじ５４は、ウォーム６３を回し、ウォームホイール６６は回転を手首部２０でのエンドエフェクタの揺動に変えることになる。

以上のような第３軸伝動系と第４軸伝動系の伝動機構と一体的に組み込むようにして、本実施形態では、エンドエフェクタである塗装ガン２２の向きを水平関節アームの回動に連動して一定の方向に保持する平行リンク機構が次のように構成されている。

平行リンク機構
この平行リンク機構は、基本的に、中空プーリ軸８０と、プーリ軸８２と、これらのプーリ軸のそれぞれに設けられたプーリとタイミングベルトから構成されている。

まず、中空プーリ軸８０は、上述した第２伝動軸４４、第４伝動軸７０とともに同軸の中空軸を構成する一番外側の中空軸である。この場合、中空プーリ軸８０は、第１減速機３４を同軸に貫いて、ベース部１１に対して固定されている。この中空プーリ軸８０には、第１プーリ８１が固着されている。

プーリ軸８２は、中空軸である第３伝動軸４５、第５伝動軸７２と同軸の軸であり、第５伝動軸７２の内側を第２減速機３５と同軸に貫通している。このプーリ軸８２の両端部は軸受けで支持されている。プーリ軸８２の上端には第２プーリ８３が固着され、下端には第３プーリ８４が固着されている。また、スプラインナット４６を介して上下アーム１８と一体に第４プーリ８５が設けられている。なお、上下アーム１８は、第２アーム１６の先端で軸受け８６によって回転可能に支持されている。第１プーリ８１と第２プーリ８２にはタイミングベルト８７が巻き掛けられている。同様に、第３プーリ８４と第４プーリ８５には、タイミングベルト８８が巻き掛けられている。そして、これら第１プーリ８１と第２プーリ８３、第３プーリ８４と第４プーリ８５は、それぞれ同一ピッチ円で同じ歯数をもっているプーリである。

本実施形態による産業用ロボットによれば、ロボットの多関節アームをベース部１１から下方に垂設した水平多関節アーム１２として構成しているため、第１アーム１４、第２アーム１６は水平面上を旋回し、水平多関節アーム１２の動作には重力に抗した動きがないため、第１アーム１４、第２アーム１６、上下アーム１８の重量がそのままモータの負荷としてかかることがない。

しかも、ベース部１１は、ロボットの各軸を駆動する第１軸モータ３０、第２軸モータ３１、第３軸モータ３２、第４軸モータ（第３軸モータの陰になって図示せず）は、モータユニットとして構成されているので、第１アーム１４、第２アーム１６、上下アーム１８に重いモータが取り付けられていない分だけ重量を低減することができる。また、モータのメンテナンス性も高まる。

さらに、第３軸モータ３２や図示しない第４軸モータの動力を第２アーム１６の先端まで伝える各伝動系については、中空軸である第２伝動軸４４、第４伝動軸７０とを組み合わせた第１の同軸多重伝動軸および第３伝動軸４５と第５伝動軸７２を組み合わせた第２の同軸多重伝動軸と、共通のタイミングベルトとプーリを同軸に重ね合わせてユニット化したベルト伝動機構とを組み合わせて構成しているので、第１アーム１４、第２アーム１６内部の伝動機構をコンパクトな構成として重量を低減できる。

本実施形態では、さらに、中空プーリ軸８０を第１の多重伝動軸に組み込み、プーリ軸８２を第２の多重伝動軸に組み込んだ上で、平行リンク機構のタイミングベルト８７、８８やプーリ８１、８３、８４、８５を第２軸乃至第４軸のベルト伝動機構と共通化することで、第１アーム１４、第２アーム１６内部のベルト伝動機構を平行リンク機構と一体でユニット化することが可能である。また、図２の実施形態のように、タイミングベルトの張力を確保するための、テンショナー９０やアイドラー９１をすべてのタイミングベルトで共通化するようにしてもよい。

このようなユニット化により、部品コストを低減させることができる上に、組み立てが容易であり、メンテナンス性も向上する。また、ユニット化により、モータ重量の軽減分と併せれば大幅な軽量化が可能である。この重量軽減効果と水平面上を旋回するため重力に抗した動きがないことの併合効果により、各軸のモータ３０、３１、３２の容量は小さなもので十分であり、また、アームの慣性重量が小さいので、制御において位置誤差を小さくできる。

また、上下アーム１８では、重力に抗して手首部２０を上下移動させたり、水平な揺動軸６５の周りにエンドエフェクタを揺動させる動きがあるが、これらの上下移動用の第３軸モータ３２や、揺動用の駆動モータを上下アーム１８に取り付ける必要がない。

しかも、ボールねじ溝とともにスプライン溝を有するボールねじ５４と、スプラインナット６８と組み合わせることにより、ボールねじ５４は、ボールナット４６に伝わる回転運動を手首部２０の上下直線運動に変換する機能と、手首部２０の揺動機構を構成するウォーム６３に回転運動を伝達する伝動軸としての機能を併せ持つので、上下アーム１８を重量の軽減とともに全体として細長いスリムな構造にすることができる。

さらに、本実施形態では、本発明の産業用ロボットを塗装ロボット１０として構成しているので、以下のような効果が得られる。

塗装が行われる作業場では、シンナーなどの溶剤が室内に滞留するのを防止するために、図１において矢印で示すように常に、一定方向の空気の流れを発生させている。ところが、この空気の流れが、上下アーム１８に当たって気流の乱れを生じさせる原因にもなり得る。塗装中は、塗装ガン２２からワークＷに向けて吹き出される塗料が気流の乱れの影響を受けることになる。

しかしながら、本実施形態の塗装ロボット１０によれば、上下アーム１８は、上述したように、上下移動機構、揺動機構を駆動するモータの取付がなく、角筒形状のアッパーアーム６０とロアーアーム６１を入れ子型に組み合わせた全体として細長いスリムな構造になっているので、空気の流れが当たっても気流の乱れが生じ難くなり、塗装ガン２２から噴出される塗料への乱流の影響を少なくして、塗装ムラの発生を防止できる。

本発明による産業用ロボットの一実施形態を示す側面図。実施形態による産業用ロボットの縦断面図。実施形態による産業用ロボットの水平多関節アームの動きを示す斜視図。実施形態による産業用ロボットの上下アームの動きを示す斜視図。従来の産業用ロボットの側面面図。

符号の説明

１０塗装ロボット
１１ベース部
１２水平多関節アーム
１４第１アーム
１６第２アーム
１８上下アーム
２０手首部
２２塗装ガン（エンドエフェクタ）
３０第１軸モータ
３１第２軸モータ
３２第３軸モータ
３４第１減速機
３５第２減速機
４６ボールナット
５４ボールねじ
６３ウォーム
６４ウォームホイール
６８スプラインナット

Claims

複数の水平アームからなる水平多関節アームを有し、制御軸を少なくとも４軸以上有する産業用ロボットにおいて、
第１軸駆動用のモータと、第２軸駆動用モータと、第３軸駆動用モータと、第４軸駆動用モータからなるモータユニットを備え最上位位置に配置されたベース部と、
第１軸を中心に前記ベース部よりも下位にある水平面上を回動する第１アームと、前記第１アームの先端部で第２軸を中心に前記第１アームの下位にある水平面上を回動する第２アームとからなる水平アームと、
前記ベース部と第１アームを連結する関節部に設けられる第１の減速機と、
前記第１アームと第２アームの関節部に設けられる第２の減速機と、
前記手首部を上下方向に昇降させる第３軸を構成するボールねじ機構と前記手首部を揺動させる第４軸を構成する揺動機構を具備する上下アームと、
前記第１減速機と第２減速機のそれぞれに同軸の多重中空軸ユニットとベルト伝動ユニットの組み合わせからなり、前記第２軸乃至第４軸の各軸に動力を伝動する、共通するサイズのプーリーとタイミングベルトとを同軸に重ね合わせてユニット化した伝動ユニットと、を備え、
前記伝動ユニットは、
前記第１アーム内部に組み込まれ、第２軸乃至第４軸の各軸への動力の伝動を、共通するサイズのベルトおよびプーリーを用いて伝動する第１のベルト伝動ユニットと、
前記第２アーム内部に組み込まれ、第３軸および第４軸への動力の動力を、前記第１のベルト伝動ユニットのベルトおよびプーリーと共通するサイズのベルトおよびプーリーを用いて伝動する第２のベルト伝動ユニットと、
前記モータユニットから前記第１ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第１減速機に同軸に貫通する第１の同軸多重伝動軸と、
前記第１ベルト伝動ユニットから前記第２ベルト伝動ユニットに動力を伝動し、前記第２減速機に同軸に貫通する第２の同軸多重伝動軸と、
からなることを特徴とする産業用ロボット。