JPH06143186A - 中空減速機を用いたロボットの関節構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボット機体の配線、配管を関節中心に配置
し、配線ケーブルや配管ホースの損傷、破損を防止し、
かつ、ロボット動作範囲の拡張を図ることが可能な関節
構造を提供すること。 【構成】 ロボットにおける各関節構造１０が、関節駆
動モータＭＲからの回転入力を歯車機構３２、３４を介
して伝動されたとき、それを減速する減速機４０を設
け、同減速機の中心部に比較的大きな径を有した中空筒
状領域１６ａを確保し、又、同中空減速機１０の中心軸
線Ａの上下領域１６ｂ、１６ｃには部材、要素を結合す
ることなく、空所域として確保し、上記中空領域及び空
所域を配線ケーブル類５０や配管ホース５２の配線、配
管路として適用し、それら配線ケーブル５０や配管ホー
ス等５２が関節の旋回中心線Ａに沿って通過するように
構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットの関節
構造に関し、特に、ロボット関節の回転動作を関節駆動
モータから少なくとも１対の中空減速機を介して関節可
動要素に減速、伝動すると共に該中空減速機の中心部に
形成した空洞領域をロボットの前方要素へ送電を行う動
力ケーブルや電気信号等を送受信ケーブル等配線群の配
線路並びに圧力流体、作業補助流体（アシストガス）等
の供給管路の配管路として用いることにより、関節可動
体の回転動作時における配線、配管系のねじれ、伸び等
を低減させ、延いては関節動作範囲の拡大を図り得るよ
うにした中空減速機を用いたロボットの関節構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットは、ロボットベースを基
端要素とし、このロボットベース上に旋回用の関節を介
して立設された旋回胴部にロボット腕が関節動作可能に
枢着され、同ロボット腕の先端にロボット手首を介して
ロボットハンド等のエンドエフェクタが装着、具備され
た機体構造を有している。従って、このような産業用ロ
ボットの機体には、ロボットの各可動要素である旋回
胴、ロボット腕、手首、エンドエフェクタ等の動作駆動
源を成すモータ類、動作制御用の送受信配線、エンドエ
フェクタの作動用流体、例えば、圧力空気を供給する配
管、溶接ロボット等では溶接作業に用いるアシストガス
の供給配管等が装架されている。

【０００３】このような産業用ロボットにおいて、特
に、産業用多関節型ロボットでは、旋回胴、ロボット腕
等の各関節には駆動モータと減速機との組合せ体が関節
の回転中心軸線上に配置された構成を有している。そし
て、これらの駆動モータ及び上述したエンドエフェクタ
への作動流体や冷却水、アシストガスの供給管路等の配
線、配管は、主として機体表面に匍匐状に配線、配管さ
れたり、機械の外側に設けたケーブル支持枠等を介して
配線、配管する構造が一般的に採用されている。即ち、
ロボット胴を中空構造化して、この中空胴内部を配線、
配管空間に使用する等の技術思想は既に提案、提供され
ているにしてもロボット胴とロボット腕との接合関節や
ロボット上腕と前腕との接合関節に中空配線、配管構造
を備えた多関節腕型ロボットは未だ提供されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この結果、上述した従
来の構造の産業用ロボット、特に、多関節型ロボットに
おける各関節では、減速装置の外側にケーブルガイド等
のケーブル保護装置を設けて配線、配管ケーブルの保護
を図る等の構成が採られ、このために、配線ケーブルや
配管ホース等では関節の旋回中心から離れた領域を通
過、配置れれているために旋回時の配線ケーブル等に対
する捩れや引張り等の過剰負荷が加わらないように、関
節における可動要素の旋回量を可及的に狭小範囲に抑制
する方策が採られ、従って、機能上から見てロボットの
所要動作量が確保できないと言う問題点が発生する場合
がある。また、配線、配管の損傷、破断等の防止上の観
点からも好ましくないため、配線ケーブル、配管ホース
の交換等の保守が必然的に要請され、故にロボット使用
上でこれらの保守作業が煩瑣になる問題点も回避できな
い。

【０００５】依って、本発明の目的は、このような従来
の問題点を回避するロボット機体の構造を提供せんとす
るものである。本発明の他の目的は、特に、多関節型ロ
ボットの関節部位に適用することにより、当該ロボット
の動作範囲を拡張可能にし、かつ、配線、配管類の保護
をも達成可能な関節構造を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的に
鑑みて、産業用ロボット、特に、多関節型ロボットにお
ける各関節部位に、関節駆動モータからの回転入力を歯
車機構を介して入力、減速する減速機を設け、このとき
同減速機は中心部に比較的大きな径を有した中空領域を
確保可能な中空減速機に形成し、この中空減速機の中心
軸線の上下領域には部材、要素を結合することなく、空
所として確保し、上記中空領域及び空所を配線、配管路
として適用するようにして、配線ケーブルや配管ホース
等が関節の旋回中心線上の通過するように構成し、以
て、配線ケーブルや配管ホース等に無理な捩じれや引張
が付与されることのないようにすると共に各関節の動作
範囲の拡張を図り、ロボット機能上からも改良を達成し
たものである。

【０００７】即ち、本発明に依れば、関節駆動モータか
ら少なくとも１対の歯車機構を介して中空減速機の入力
要素に導入した回転入力を該中空減速機の同軸出力要素
に直結されたロボット関節の可動要素へ伝動して関節動
作を得るロボットにおいて、前記中空減速機の中心空洞
部を配線、配管路に形成したことを特徴とする中空減速
機を用いたロボットの関節構造が提供される。

【０００８】

【作用】上述の構成を有する本発明において、中空減速
機は、１対の歯車機構を介して回転入力が入力されるか
ら、減速機の中空空洞部の内部と共に、その中空空洞部
の上下領域にも空所が確保でき、これらの空洞部や空所
を配線及び配管が通過することにより、これらの配線や
配管は、関節要素の回転軸線に沿って敷設されるから、
同上関節要素の回転の影響を受けることがなく、従っ
て、捩れや引張等の負荷を受けて配線ケーブルや配管ホ
ース等が短時間に損傷故障や破損故障を起こす危惧を回
避でき、しかも、関節要素の回転量を増大させてロボッ
トの動作範囲の拡張を図ることが可能になる。

【０００９】また、ロボットの組立工程における配線や
配管の作業を円滑化させることができるので、ロボット
機体の組立コストの低減をもたらし、かつ、ケーブルガ
イド等ケーブルの案内、保護部材や装置類の採用を不要
にするこからロボット機体のコンパクト化を達成すると
同時にコスト低減を達成することも可能になる。以下、
本発明を添付図面に示す実施例に基づいて、更に、詳細
に説明する。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明に係る関節構造の実施例を示
す要部断面図、図２は、本発明による関節構造を適用可
能な産業用多関節型ロボットの構成と作用を示す正面
図、図３は、図２のロボットの平面図である。図１にお
いて、本実施例におけるロボット機体の関節１０は、相
対回転が可能な第１関節要素１２と第２関節要素１４と
を有し、例えば、上記第１関節要素１２を固定要素を成
すロボットベース、第２関節要素１４を可動要素を成す
旋回胴としてロボット固定要素と可動要素との間の関節
部位を示す場合と考えることもでき、或いは第１関節要
素１２をロボット上腕、第２関節要素１４を旋回胴とし
て２つの可動要素間の関節部位を示す場合と考えること
もできる。

【００１１】さて、第１関節要素１２と第２関節要素１
４とを有して成る関節１０は、関節駆動モータＭＲを上
記第２関節要素１４上に搭載しており、同駆動モータＭ
Ｒから回転出力を導入、減速して同第２関節要素１４自
体の旋回動作を生起させる減速機４０が、第１、第２関
節要素１２、１４の間に介挿されている。なお、上記の
関節駆動モータＭＲは、回転検出器ＥＣを備えたサーボ
モータから成り、ロボット制御装置（図示なし）の制御
指令に応じてその出力軸３０から回転出力を送出するモ
ータとして形成されている。同駆動モータＭＲの出力軸
３０には駆動ギア３２が固着され、この駆動ギア３２
は、第１、第２関節要素１２、１４の関節結合部に設け
られた中空円筒軸１６にボールベアリングまたはローラ
ベアリングから成る軸受１８ａを介して回転可能に取着
された被動ギア３４に適宜の歯数比の下に噛合してい
る。この被動ギア３４は、中空減速機４０の入力要素４
２とボルト２０で結合されており、従って、入力要素４
２に駆動モータＭＲの回転出力が伝動され、同入力要素
４２は被動ギア３４と共に軸受１８ａ、１８ｂを介して
回転する。

【００１２】減速機４０の入力要素４２の回転は同減速
機４０の中間要素４６に内部軸受４４を介して伝達され
る。この中間要素４６は、ボルト２２、２４によって上
記の第１関節要素１２及び中空円筒軸１６と一体に固定
されると共に中空円筒軸１６の外周域に延設された弾性
材から成るフレキシブル円筒部４６ａを有し、このフレ
キシブル円筒部４６ａが、上述した内部軸受４４を介し
て入力要素４２により径方向の内側から押圧れさる構成
で設けられている。

【００１３】そして、この押圧作用を受けると、同フレ
キシブル円筒部４６ａの上方域外周に形成された外スプ
ライン４６ｂが減速機４０の出力要素４８の対向域に形
成された内スプライン４８ｂとの間で相対的な減速回転
を発生する。このとき、中間要素４６、中空円筒軸１
６、第１関節要素１２を静止要素として形成すれば、減
速機４０の出力要素４８から減速された回転出力が得ら
れ、図示例では、この出力要素４８にボルト２６、２８
を介して一体に結合された前述の第２関節要素１４へ減
速された回転出力が伝動され、同第２関節要素１４は主
軸軸受（例えば、図示の低摩擦クロスローラ軸受）３
６、支持軸受３８を介して関節動作としての回転動作を
行う。この回転動作は、中空円筒軸１６の中心軸と同軸
配置で設けられた主軸受３６、支持軸受３８の中心軸
“Ａ”の回りに生起される。つまり、第１関節要素１２
に対して第２関節要素１４が中心軸Ａの回りに駆動モー
タＭＲの駆動出力回転に応じて相対的な関節回転動作を
行うものである。

【００１４】なお、上述した中空減速機４０は、登録商
標「ハーモニックドライブ」の下に市販されるハーモニ
ックドライブシステム社の同軸減速機を基本構造して製
造することが可能であり、このとき、入力要素４２はウ
ェーブジェネレータによって形成され、中間要素４６は
フレックススプラインにより、又、出力要素４８はサキ
ュラスプラインによって形成される。

【００１５】そして、本発明によると、第１、第２関節
要素１２、１４の関節結合部に設けられた中空円筒軸１
６が、中空減速機４０の中空中心部を貫通して軸方向に
延設され、その中空円筒軸１６の内部の中心空洞域１６
ａ及び同中心空洞域１６ａの前後領域に形成された空間
域１６ｂ、１６ｃを配線ケーブル類５０や配管ホース５
２の配線路として用いる構成としているものである。こ
のとき、同配線ケーブル類５０、配管ホース５２は、第
２関節要素１４の回転中心軸に沿って延設されているか
ら、同領域では配線ケーブル、配管ホース５０、５２が
関節回転時に捩作用や引張力を受けることはなく、故
に、これら配線ケーブル類５０、配管ホース５２が関節
回転の影響で損傷や破損を生ずる危惧が従来に比較して
十分に低減される。

【００１６】なお、図１に図示の５４は、第１、第１関
節要素１２、１４に取着されたケーブルクランプであ
り、配線ケーブル類５０や配管ホース５２を安定に保持
するために各要素１２、１４に設けられている。勿論、
駆動モータＭＲや回転検出器ＥＣへの電力供給及び制御
信号の授受用の配線ケーブル５０ａも配線ケーブル類５
０から分離されている。

【００１７】上述した図１の構成を有した関節構造１０
は、第１関節要素１２を静止要素として形成し、第２関
節要素１４を回転要素として形成した場合を示している
が、中空減速機４０からの減速回転出力の取出し要素を
中間要素４２によって形成すると共に出力要素４８を静
止要素として用いることにより、第１関節要素１２を回
転要素に形成し、第２関節要素１４を静止要素に形成す
ることも可能である。

【００１８】従って、図１に示した関節構造１０は、多
関節型ロボットのロボットベースに対する旋回胴の回動
（Ｊ１軸回りにの回動）用関節または旋回胴に対するロ
ボット上腕の回動（Ｊ２軸回りの回動）用関節或いはこ
のロボット上腕に対するロボット前腕の回動（Ｊ３軸回
りの回動）用関節の何れの関節にも適用することができ
るのである。

【００１９】このように、本発明に係る関節構造１０を
多関節型ロボットの機体のＪ２軸及びＪ３軸関節Ｊ２，
Ｊ３に適用した場合には、図２に示すように、ロボット
ベース４上に旋回可能に立設された旋回胴５に関節Ｊ２
で関節結合されたロボット上腕６と、同ロボット上腕７
の先端領域に関節Ｊ３で関節結合されたロボット前腕
７、同ロボット前腕７の先端に装着された手首８、同手
首８に装着された溶接ガン等のエンドエフェクタ９とを
有した多関節型ロボットにおけるエンドエフェクタ９の
先端は従来の関節構造によるロボットの動作範囲（破線
表示）よりも大幅に下方動作領域が拡大された実線図示
の領域に渡って到達可能となり、従って、ロボット作業
性能が大幅に改善されるのである。

【００２０】また、本発明の関節構造１０を、旋回胴５
の回動関節に適用すれば、図３に図示のように、旋回胴
５と共にＪ１軸回りに旋回可能なロボット上腕６、ロボ
ット前腕７の旋回半径が従来の関節構造によるロボット
の場合に対比して拡大でき、従って、エンドエフェクタ
９によるロボット作業性能がＪ１軸回りにおいても増進
されることになる。なお、図２において、参照番号４ａ
は、配線ケーブル類や配管ホースの取り出す装置を示し
ている。

【００２１】

【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、産業用ロボット、特に、多関節型ロボットに
おける各関節部位に、関節駆動モータからの回転入力を
歯車機構を介して伝動されたとき、それを減速する減速
機を設け、同減速機の中心部に比較的大きな径を有した
中空筒状領域を確保し、又、同中空減速機の中心軸線の
上下領域には部材、要素を結合することなく、空所域と
して確保し、上記中空領域及び空所域を配線ケーブル類
や配管ホースの配線、配管路として適用するようにし
て、それら配線ケーブルや配管ホース等が関節の旋回中
心線に沿って通過するように構成したから、関節動作時
に配線ケーブルや配管ホース等に無理な捩じれや引張が
付与されることのなく、同時に各関節構造の動作範囲の
拡張を図り、延いてはロボットのエンドエフェクタが遂
行するロボット動作の機能向上も達成できる効果を得る
ことができる。

【００２２】また、本発明の中空減速機を用いたロボッ
トの関節構造によれば、ロボット組立過程や保守作業時
等における配線ケーブル、配管ホース等の処理が容易化
される効果もある。更に、ロボットの外部にケーブルガ
イド等の保護要素を装備する必要が無くなるので、ロボ
ット機体のコンパクト化を果たし、同時にコストの低減
を図ることも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る関節構造の実施例を示す要部断面
図である。

【図２】本発明による関節構造を適用可能な産業用多関
節型ロボットの構成と作用を示す正面図である。

【図３】図２のロボットの平面図である。

【符号の説明】

４…ロボットベース ５…旋回胴 ６…ロボット上腕 ７…ロボット前腕 １０…関節構造 １２…第１関節要素 １４…第２関節要素 ３０…出力軸 ３２…駆動ギア ３４…被動ギア ４０…中空減速機 ５０…配線ケーブル類 ５２…配管ホース ＭＲ…駆動モータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 関節駆動モータから少なくとも１対の歯
   車機構を介して中空減速機の入力要素に導入した回転入
   力を該中空減速機の同軸出力要素に直結されたロボット
   関節の可動要素へ伝動して関節動作を得るロボットにお
   いて、 前記中空減速機の中心空洞部を配線、配管路に形成した
   ことを特徴とする中空減速機を用いたロボットの関節構
   造。