JPS5973298A - 工業用ロボツトの手首機構 - Google Patents

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】 本発明は工業用ロボットの手首機構に関し、特に少くと
も二つの略直交する二軸心まわりに二つの動作自由度を
有するロボット手首のオーバートラベルおよび動作原点
を検出する検出手段を同軸配置により一つの軸心上に設
けるようにした工業用ロボットの手首機構に関する。

工業用ロボットは、ロボット腕の先にロボット手首を設
け、更に該ロボット手首の先端にロボットハンドを取付
け、このロボットハンドによって物品の把持、運搬、或
いは組立等の特殊作業等の種々のロボット動作を行うよ
うに形成されている。

このために工業用ロボットにおいては、腕、千灯にそれ
ぞれ動作自由度を与えることによってロボットハンドに
空間内における移動、誓勢変更全可能にし、次いでロボ
ットハンドの動作自由度によって把持や作業を行うこと
により所望のロボット動作を達成するように構成してい
る。従って、工業用ロボットの腕、手首の動作を駆動す
る駆動源も工業用ロボット自体に取付けられる。特に手
首の動作駆動源はロボット腕上又はロボット腕の末尾端
近くに設けられｆ？：、電気モータ等から該腕白に収納
された動作伝達機構を介して手首部分に回転動作を伝達
し、この回転動作から手首内に設けられた動作機構によ
り前記した膚振り動作ヤ、スイベル（旋回）動作等を得
る方式が採られる。そして手首の首振り動作、スイベル
動作等において、これ全所望の適正量に制御して目的の
ロボット動作を得るためには、ロボット制御装置に予め
教示した制御プログラムを記憶させ、この制御プログラ
ムから前記電気モータ等の駆動源に指令を与える方式が
一般的である。この場合に制御グログ２ムには動作指令
と共に手首の首振り動作、スイベル動作等の各動作が予
検定めた動作範囲を越えて無匍資動作とならないような
、所謂オーツ（−トラベル防止プログラムが一般に組み
込まれる。然しなから、このようなソフトウェア方式の
オーツ（−トラベル防と対策と共に実際に手首の各動作
部が予め定めた動作範囲を越えたときに、それを迅速に
検出し無制御動作を直ちに停止させる機構をも同時に具
備させることが、ロボットの安全対策上から必要とされ
、また手首内に組み込まれた配線、配管類の破損防止上
からも必要とされる。更に一般に電気モータを駆動源と
する工業用ロボットの手首機構では電源投入時に必ず手
首部の各動作部を動作原点に復帰させ、各動作部の位置
を確認してから所望のロボット動作を遂行させる方式が
一般的に採られており、このために動作原点検出のため
に所謂ニアゼロ検出手段が設けられる。

本発明の目的は上述したオーツクートラベル検出手段お
よび動作原点検出手段を工業用ロボットの手首に設ける
場合において、特に少くとも、略直交する二軸６回りに
二つの動作自由度を有する手首にオーバートラベル検出
手段と動作原点検出手段を設ける場合の改良構成を提供
せんとするものである。

本発明によれば、ロボット腕の先端に設けられ、少くと
も略直交する二軸心まわＶに首振り動作とスイベル動作
の二つの動作自由度を有する工業用ロボットの手首にお
いて、前記首振り動作と前記スイベル動作の両動作伝達
機構における何れか一方に傘歯車機構を設けて９０°の
運動方向変換をおこなうとともに前記両動作のオーバー
トラベル検出手段又は動作原点検出手段を前記直交二軸
心の一方の軸心上に同軸配置したことを特徴とする工業
用ロボットの手首機構が提供される。この場合に、本発
明の好実施例では、前記のオーバートラベル検出手段ま
たは動作検出手段が回転円板形ドグと、この回転円板円
形ドグに係合又は解離するスイッチ手段とから構成され
る。上述した本発明による手首機構によれば、手首の各
動作のオーバートラベルを該手首の動作部によって直接
検出することができるために検出精度が高く、かつ二つ
の動作の各々に就いて一つの軸心上に配設した検出手段
によってオーバートラベルとニアゼロの検出がおこなえ
るので構造のコンパクト化を達成することができるので
ある。以下１本発明を、特にロボット基体上に末尾端を
揺動可能に取付けたロボット上腕の上端にロボット前腕
を起伏動可能に枢着し、その前腕に手首を取付けた関節
腕形の工業用ロボットに適用した実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図は本発明による手首機構が具備された関節腕形の
工業用ロボットの実施例を示す斜視図である。同第１図
において、工業用ロボットはロボット基体１０を有し、
このロボット基体１０は旋回基台１２上で矢印１１“で
示す方向に旋回可能に取付けられてい−る。取付けはボ
ルト手段等で行われる。このロボット基体１０の上方端
にはロボット上腕１６の末尾端がＣ１軸線沿いに枢着取
付けされており、従ってロボット腕１６は矢印１１１１
で示す両方向に揺動可能に設けられている。また。

このロボット上腕１６の上端部１８にはロボット前腕２
０が０２軸線に関し、矢印１■１で示す両方向に起伏動
可能に設けられている。このロボット前腕２０はしかも
上記０□軸線から前方に延長した前腕主部２２の先端２
４に手首部３０が取付けられ、一方、Ｃ２軸線から後方
にも比較的短い後方延長部２６を有している。また、手
首部３０は手首基部３２と、この手首基部３２に固着さ
れた、外手首３４に保持されている同手首３６と、この
同手首３６に取付けられたハンド保持部３８とを具備し
て構成されている。手首基部３２は前腕主部２２に対し
て矢印“■１で示す両方向に外手首３４と共に旋回自由
に形成され、捷た同手首３６は、該外手首３４に対して
矢印ＩＶＩで示す両方向に回転自由に形成されている。

また、上述したロボット基体１０、ロボット上腕１６．
ロボット前腕２０、手首部３０の諸動作を駆動する駆動
源が設けられており、旋回基台１２に接近配置されたモ
ータＭ５が該基台１２内の動作伝達機構を介してロボッ
ト基台１０を矢印Ｉ１１方向に駆動する駆動源、モータ
Ｍ１がロボット上腕１６の矢印ＩＩ［１方向の揺動用駆
動源、上腕１６の後方に前記モータＭ１と平行に配設さ
れたモータ（図には現われていない）がロボット前腕２
０の矢印１■”方向の起伏動作用駆動源としてそれぞれ
設けられている。

もちろん、これらの駆動源を形成するモータとそれぞれ
の被駆動部分との間には上記の如く動作伝達機構や方向
変換機構、減速機構等の諸機構が設けられて、被駆動部
分の適正な動作制御が行われるように構成されており、
４８．５０はそれらの機構の一部分である。

一方、上述した前腕先端の手首部３０における手首基部
３２、外手首３４．内手首３６、ハンド保持部３８の各
部の動作を駆動する駆動源として三つのモータＭ２．　
Ｍｓ　、　Ｍ４が前腕２０の後方延長部２６に対して集
合的に、つまりこの後方延長部２６に対して０２軸線に
関するモーメント力を作用させ、前腕２０の主体部２２
に対してＣ２軸線に関して作用するモーメントとつり合
いをとるように取付けられている。４０はモータＭ３　
、　Ｍ４の出力軸の回転を伝達する動作伝達機構又は減
速機構が収納される機枠部分であり、また４２はモータ
Ｍ２の出力軸の回転を伝達する動作伝達機構又は減速機
構が収納される機箱部分である。このように手首部３０
の三自由度の動作駆動源を形成するモータＭ２．　Ｍｓ
　、　Ｍ４が前腕２０の後方延長部２６に設けられるこ
とによって前腕２０の０２軸線まわりの平衡どりが達成
できると共に手首部３０の各動作源が該手首部３０から
離れた位置に設けられ、手首部３０自体の重−縫軽減が
達成されていることにより、これらモータＭ２．　Ｍａ
、　Ｍ４の各駆動源に掛る負荷の軽減全達成できる。な
お、第１図に示した実施例は、ロボット基体１０が旋回
基台上で旋回する形式の関節腕形の工業用ロボットの実
施例を示したが、水平テーブル上をロボット基体が横移
動する形式の関節形の工業用ロボットに対しても以下に
後述する本発明の手首機構は適用可能であり、更に一本
の伸縮直動腕を有し、該直動腕先端に手首を有した例え
ば円筒座標形の工業用ロボットにも適用することができ
る。

次に、第１図に示した関節腕形の工業用ロボットにおい
て、前腕２０と手首部３０とに設けられて手首部３０に
少くとも二つの動作自由度の例として三つの動作自由度
を得るようにした動作伝達機構に就き、第２図に示す機
構略示図によって説明する。

同第２図において、手首部３０の三つの動作自由度は既
述のようにモータＭ２１　Ｍａ１　Ｍ４　’に駆Ｍｊと
するが、これらのモータは外部のロボット制御装置から
の指令信号に応じて作動する電気サーボモータによって
形成される。さて、モータＭ２の回転駆動力は減速装置
６０で減速後に前腕２０の主体部２２の内部に設けられ
た外軸５２の内方端に設けられた一対の噛合歯車機構６
２を介して核外軸５２に伝達され、この外軸５２の外方
端に結合された手首基部３２、外手首３４に伝達されて
、外手首３４を矢印■方向（第１図）に旋回動作させる
。６４．６４は前腕主部２２と外軸５２との間に挿設さ
れた回転軸受である。なお、減速装置６０としては周知
のハーモニツクドジイプ（登録商標）減速装置がコンパ
クトな形状と高減速比を得られることから有利である。

また、モータＭ３の回転駆動力はベルトプーリ機構７４
を介して上記外軸５２の内側に同軸配置で設けられた中
空中軸５４の内方端に設けられた、１対の重両歯車７８
ａ、７８ｂからなる重両噛合機構７８を介して該中軸５
４に伝達される。ここで重両噛合機構邦が設けられた理
由は後述するモータＭ４からの回転力を伝達する動作伝
達機構と同軸配置を採ることにより、前腕２０、手首部
３０の両者内にコンパクトに三つの動作伝達機構を収納
すると共にモータＭｓ、　Ｍ４を前腕２０の両側に分離
配置してバツ／ス構造を得るためである。上記中軸５４
に伝達された回転力は該中軸５４の外方端、且つ外手首
３４の内部に設けられた。一対の傘歯車８０ａ。

８０ｂからなる重両噛合機構８０、同じく外手首３４の
内部に設けられた一対のベルト・プーリ機構８２を介し
て減速装置８４に伝達され、該減速装＠（ハーモニック
ドライブ）の出力車８４ａが固定された同手首３６に伝
達され、該同手首３６を中軸５４の回転軸心に略直交す
る軸心まわりに首振り動作させるのである。すなわち、
この首振り動作が第１図に矢印ｓｙｌで示した動作であ
る。

この同手首３６の首振り動作は外手首３４に対して矢印
ＷＯＷ方向に作動するものであり、同手首３６の内部に
設けられたハンド保持部３８も一体となって同方向に動
作することは言うまでもない。

更にモータＭ４の同転駆動力はベルトプーリ機構８６を
介して上記外軸５２、中軸５４の最も内側に同軸配置で
設けられた内軸５６の内方端に設けられた、１対の傘歯
車８３ａ、ｓｓｂからなる重両噛合機構８８を介して該
内軸５６に伝達される。

内軸５６に伝達された回転力は該内軸５６の外方端５且
つ外手首３４の内部に、前述の重両噛合機構８０と対向
配置によって設けられた。一対の箒歯車９０　ａ　＋　
９０　ｂからなる全歯噛合機構９０．同じく外手首３４
の内部に設けられた一対のベルト・プーリ機構９２を介
して前述と同様にハーモニックドライブからなる減速装
置９４（同手首３６の内側に設けられる）に伝達され、
該減速装置９４の出力車９４ａが固定された傘歯車９６
ａと噛合する傘歯車９６ｂとからなる一対の重両噛合機
構９６を介してハンド保持部３８に伝達される。従って
、該バンド保持部３８は第１図に矢印１ｗで示した内軸
５６の回転中心と略同軸の軸心まゎジに旋回動作するの
である。すなわち、ハンド保持部３８は同手首３６に対
して矢印１■１方向に旋回し、該バンド保持部３８に取
付けられるロボットハンドを同方向に旋回させるのであ
る。なお、既述の如く、モータＭ　２１　Ｍ　ｓ　＋　
Ｍ　＜は電気サーボモータで形成されているので１手首
部３０における上述した三つの自由度の動作はロボット
制御装置からの指令に従って所望の各旋回量に制御し得
ることは百うまでもない。

上述した動作伝達機構は手首部３０の内部に二つの減速
装置８４．９４を設けることによって、前腕２０中には
高速回転軸５４．５６’ｉ低速回転軸５２の内側に同軸
配置して、前腕２０の形状を細身でかつ機械的剛性度を
向上させ得る点に大きな利点を有するが、以下に説明す
る本発明の手首機構は手首部３０内には減速装置を設け
ることなく、モータＭ　３　＋モータＭ４の真近にモー
タＭ２と同様に減速装置を配（４した実施例にも適用し
得る。

さて、上述した手首部３０において、一般に同手首３６
の首振り動作はその動作軸心回りに約２０００前後の動
作範囲が設定されるが、これに比してハンド保持部３８
には一回転（３６０’）またはそれ以上のスイベル動作
角度が設定される。例えば、ハンド保持部３８はその軸
心に関し５時計回ジ方向に１８０°、反時計回り方向に
１８０°、りまＶ総計で３６０°の動作角度範囲を有す
るように設定され、以って所望のロボット動作を達成す
るように形成される。

依って本発明によれば、上述の機構例の場合には重両噛
合機構９６において大径の重両歯車９６ａと小径の重両
歯車９６ｂとの間の歯数比を適切な減速比に選定し、少
くとも大径の重両歯車９６ａが時計、反時計回りの各方
向に１８００より少い回転角に渡って回転する間にハン
ド保持部３８には所望のスイベル作動角度範囲が得られ
るように設計されるのである。このように構成すること
によって同手首３６の回転軸心上に該白首３６の首振り
動作におけるオーバートラベル又はニアゼロ検出手段と
、ハンド保持部３８のスイベル動作におけるオーバート
ラベル又はニアゼロ検出手段との両者を同軸配置で設け
るのである。

第３図は上述したオーバートラベル検出手段およびニア
ゼロ検出手段を具備した手首部３０の具体的構成例を示
す縦断面図であり、また第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線
に沿う部分平面図である。なお、第３図、第４図におい
て、第２図と同参照番号は第２図に示した要素又は部分
の対応する具体安素又は部分全示している。

さて、第３図に示すように手首部３０の同手首３６は外
手首３４に対して回転軸受１００．１０２を介してこれ
らの軸受１００，１０２の中心軸心まわりに首振り旋回
（第１図矢印１■′）可能に構成され、この首振り旋回
動作の回転入力は、上記軸受１００．１０’２の中心線
と同軸の回転軸心を有するベルト・グーり機構８２の従
動側ブー！ｊ８２ｂから入力される。もちろん、該回転
入力は中軸５４から重両噛合機構８０、ベルト・プーリ
機構８２の駆動側プーリ８２ａより伝達される。一方。

ハンド保持部３８は回転軸受１０４．１０６によって回
転可能に設けられ、その回転軸心、つまり両回転軸受１
０４．１０６の中心は前記同手首３６の首振り旋回中心
に対してほぼ直交している。すなわち１手首部３０は外
手首３４の内部に略直交する三つの軸心のまわりに二つ
の動作自由度を有する構成が具備している。しかもハン
ド保持部３８の回転入力は、ベルト・プーリ機構８２の
プーリ８２ｂと同軸に設けられたベルト・プーリ機構９
２の被駆動側プーリから入力され、１対の重両噛合機構
９６で方向を変換されている。従って同手首３６の首振
り旋回動作のオーバートラベル検出手段とニアゼロ（動
作原点）検出手段は、該手首３６に固定したドグ保持環
に上・下二段構造を有した二つのドグ円板１１０ａ、１
１０ｂｅ設け、例えばドグ円板１１０ａには首振り旋回
動作の動作限界位置にドグを突設し、該ドグによって外
手首３４の予め選定した位置に設けたリミットスイッチ
、光電スイッチ等の周知の信号発生器を設けておけば首
振り旋回動作がその動作限界から逸脱するオーバートラ
ベル動作したとき、ドグ円板１１０ａのドグが信号発生
器を作動させ、これによってオーバートラベル検出を行
うことができる。

またドグ円板１１０ｂには同じく該同手首３６の動作原
点位置にドグを設け、このドグと対応して同じく信号発
生器を外手首３４に固設しておけば。

信号発生器とドグ円板１１０ｂのドグとの係合状態に応
じて動作原点位置の検出および、現在、該動作原点から
どちらの方向（第１図の矢印ＩＶ１方向における何れの
矢印向きの方向）に変位しているかが検出できるのであ
る。

一方、ハンド保持部３８のオーバートラベル検出手段と
ニアゼロ検出手段とは重両９６ａの軸首部１１４の端部
に上記の二つのドグ円板１１０８゜１１０ｂと同心に取
付けたドグ円板１１２ａ、１１２および上記のドグ保持
環１０８上に予めそれぞれ選定した位置に固設した二つ
の信号発生器、例えばリミットスイッチ等全各別に設け
ておけば、傘歯車９６ａの回転角からハンド保持部３８
の旋回動作におけるオーバートラベル位置、動作原点位
ｒ（／、　ｋ検出することができる。つまり傘歯車９６
ａとハンド保持部３８に直結した傘歯車９６ｂは一定の
減速歯数比で常時噛合関係を保持しているからハンド保
持部３８のオーバートラベル検出およびニアゼロ検出は
傘歯車９６ａ（太径１！Ｉ　）の回転角を介して検出す
ることができるのである。第４図はそれぞれのドグ円板
１１０ａ、　１１０ｂ、　１１２ａ。

１１２ｂと、信号発生器として設けられたリミットスイ
ッチとの配置をしているものである。なお、第４図に示
した構成では同手首３６のオーバートラベル信号とニア
ゼロ信号とを発生するリミットスイッチ１２０ａ、１２
０ｂが円周上で同一位置に上・下に設けられ、同じくハ
ンド保持部３８のオーバートラベル信号とニアゼロ信号
とを発生するリミットスイッチ１２２ａ、１２２ｂも同
じく円周上で同一位置に上・下に設けられ、それぞれカ
ム円板形状に形成されたドグ円板１１０ａ＋１１０ｂ。

ＩＬ２ａ、１１２ｂがこれ、らのリミットスイッチ１２
０ａ、１２０ｂｅ　１２２ａ、１２２ｂを係合又は解離
するように構成されているものである。従って第４図に
おき、１１０ａ−ＯＴｔ、１１０ａ−ＯＴｚは、ドグ円
板１１０ａがオーバートラベル検出用リミットスイッチ
１２０ａを作動させてオーバートラベル検出を行うドグ
位置、１１０ｂ−ＮＺはドグ円板１１０ｂがニアゼロ検
出用リミットスイッチ１２０ｂと係合して動作原点にア
ゼロ点）の検出を行なうドグ位ａ、１１２　ａ　−０Ｔ
ｔ　＋　１１２ａ−ＯＴｘはドグ円板１１２ａがオーバ
ートラベル検出用リミットスィッチ１２２ａｉ作動させ
てオーバートラベル検出を行うドグ位置、１１２ｂ−Ｎ
Ｚはドグ円板１１２ｂがニアゼロ検出用リミットスイッ
チ１２２ｂと係合して動作原点の検出を行なうドグ位置
である。

以上の説明から明らかなように本発明によれば、工業用
ロボットにおける手首におき、少くとも略直交する二軸
心のまわりに二つの動作自由度を有する場合にこれらの
動作のオーバートラベル検出と、各動作部のニアゼロ検
出と全同心にコンパクトに配設したそれぞれのオーバー
トラベル検出手段とニアゼロ検出手段とによって検出を
行うことができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による手首機構を具備し次工業用ロボッ
トの例として関節腕形の工業用ロボットの外形構造を示
す実施例の斜視図、第２図は同ロボットに適用される手
首に対する動作伝達機構の構成実施例を示す機構略示図
、第３図は本発明による手首機構の具体的構成例を示す
縦断面図、第４図は第３図のｆＶ−ＩＶ線に沿う矢視平
面図。 １０・・・ロボット基体、１６・・・ロボット上腕、２
０・・・ロボット前腕、３０・・・手首部、３４・・・
外手首、３６・・・同手首、３８・・・ハンド保持部、
８０゜９０．９６−・・重両噛合機構、１１０ａ、１１
０ｂ。 １１２ａ、１１２ｂ−＝ドグ円板、１２０ａ、１２０ｂ
。 １２２ａ、１２２ｂ・・・リミットスイッチ。 特許出願人 ファナック株式会社 特許′出願代理人 弁理士　青　木　　　　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　　中　　山　　恭　　介 弁理士　　山　　口　　昭　　之

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ロボット腕の先端に設けられ、少くとも略直交する
   二軸心まわりに首振り動作とスイベル動作の二つの動作
   自由度を有する工業用ロボットの手首において、前記首
   振り動作と前記スイベル動作の両動作伝達機構における
   何れか一方に重両歯車機構全段けて９０°の運動方向変
   換をおこなうとともに前記両動作のオーバートラベル検
   出手段または動作原点検出手段を前記直交二軸心の一方
   の軸心上に同軸配置したこと全特徴とする工業用ロボッ
   トの手首機構。 ２、　前記オーバートラベル検出手段″！！たは動作原
   点検出手段は回転円板形ドグと、該回転円板形ドグに保
   合又は解離するスイッチ手段とから構成される特許請求
   の範囲第１項に記載の工業用ロボットの手首機構。 ３、　前記スイッチ手段をリミットスイッチによって形
   成してなる特許請求の範囲第２項に記載の工業用ロボッ
   トの手首機構。