JPS632315Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、工業用ロボツト、マニプレータ等に
用いることの出来る手首機構に関し、特に位置決
め精度等を向上させた折曲自在な手首機構に関す
るものである。

工業用ロボツトやマニプレータ等のうち、特に
溶接用、シーリング用等に用いるものは、狭隘な
場所で作業させる必要のある場合が多く、工具を
有するロボツトの手首は柔軟に任意の位置、姿勢
をとり得ると共に、その先端が折曲してロボツト
の適用率（全溶接線長さ、シーリング長さ、塗装
線長さ等に対するロボツトが使用可能な溶接線長
さ、シーリング長さ、塗装線長さ等の割合）の大
きいことが必要である。このような適用率の大小
は、手首の構造による処が大きく、多くの自由度
を持つことの他に手首が自由に折曲し得る所謂フ
レキシブルな手首であることが望ましい。

併し、従来のフレキシブル手首として知られて
いる例えば実開昭56−156581号や実開昭56−
160790号公報に記載された手首は、その機構上遊
びやガタが多く、溶接作業のような高度の精度を
要求される作業には適したものではなく、又手首
先端座標の位置決め計算が難しい等の難点があつ
た。

従つて、本考案は折曲自在であると共に、手首
先端の位置決め精度が高く、而も折曲自在の手首
先端に旋回の自由度を付与した工業用ロボツトや
マニプレータ等の手首機構を提供することを目的
とするものである。

続いて本考案を溶接用ロボツトの手首機構に適
用した場合について添付図面を参照して詳しく説
明する。ここに第１図は上記溶接ロボツト全体の
側面図、第２図は同ロボツトの第２アーム先端に
取り付けた本考案の一実施例にかかる手首部分の
平断面図である。

第１図に於いて、架台１０１上には紙面に垂直
のビーム１０２が水平に取り付けられており、こ
のビーム１０２の上面及び側面に取り付けられた
レール１０４をガイドとして台車１０３がビーム
１０２に沿つて走行する。台車１０３を水平方向
に貫通する運びネジ１２１は、台車側の雌ネジと
噛み合つており、この運びネジ１２１の回転によ
り、台車１０３がビーム１０２に沿つて紙面に垂
直の方向に駆動される。台車１０３の側面に取り
付けた基台１０５の先端には、矢印θ1の方向に揺
動自在の第１アーム１０９が取り付けられ、この
第１アーム１０９の先端には、この先端を中心と
して矢印θ2の方向へ揺動可能の第２アーム１１０
が取り付けられている。基台１０５の側面に取り
付けたモータ１０６は、第１アーム１０９の揺動
角度を規制するものであり、このモータ１０６の
裏側（不図示）には、第２アーム１１０を駆動す
る第２アームレバー１０７を回転させる為の第２
アーム用モータが取り付けられ、上記第２アーム
レバー１０７の先端は、リンク１０８を介して第
２アーム１１０の後端に設けた支点１２２と連結
されている。上記第２アームレバー１０７と第２
アーム１１０とは平行で、且つ第１アーム１０９
とリンク１０８とが平行である平行リンクが形成
されている為、図示せぬモータによつて第２アー
ムレバー１０８が回動されると、第２アーム１１
０がこれと同じ角度だけ第１アーム１０９の先端
を中心に矢印θ2の方向に揺動される。第２アーム
１１０の先端には第１手首要素１、第２手首要素
２、第３手首要素３を順次連結した本考案にかか
るフレキシブル手首機構４が取り付けられてい
る。

上記第２、第３の手首要素２，３を取り付けた
第１手首要素１は、第２アーム１１０の末端に取
り付けたモータ１１２によつて第２アーム１１０
の軸芯１１３の回りに矢印θ3の方向に旋回され、
前記第３手首要素３の先端に取り付けた工具取り
付け軸５は、第２アーム１１０の末端に取り付け
たモータ１１１ａによつて第３手首要素３の軸芯
１１５の回りに矢印θ5の方向に旋回される。又第
２手首要素２は第１手首要素１に対してθ41の方
向に揺動可能で、第３手首要素３は第２手首要素
２に対してθ42の方向に揺動可能であり、これら
第２、第３手首要素２，３の揺動運動は、前記第
２アーム１１０の末端に取り付けたモータ１１１
ａの裏側に設けたモータ１１１ｂ（不図示）によ
つて引き起こされる。前記工具取り付け軸５に
は、ブラケツト１１４を介して溶接トーチ１１９
が取り付けられている。尚第１アーム１０９の動
方向を矢印θ1で、又第２アーム１１０の揺動方向
を矢印θ2で表し、第３手首要素３の第２アーム１
１０に対する揺動（折曲）角度、即ちθ41とθ42の
合成された角度をθ4で表す。１２０は前記溶接ト
ーチ１１９に接続されたコンジツトケーブル、パ
ワーケーブル、ガスケーブル等を一纏めにしたケ
ーブルである。

続いて第２図を参照して前記第１手首要素１の
θ3の方向への旋回、第２、第３手首要素２，３の
θ4の方向への揺動及び工具取り付け軸５のθ5の方
向への旋回を起こさせる為の手首機構につき説明
する。

第２図に於いて、６は前記旋回用モータ１１２
に連結された軸で第２アーム１１０の先端に取り
付けた軸受７によつて第２アーム１１０に回転可
能に支承され、この先端に歯車８を有している。
又軸９は前記工具取り付け軸５に旋回運動を起き
させるモータ１１１ａに連結された回転軸で、第
２アーム１１０の先端に設けた軸受１０によつて
回転可能に支承されていると共に、その先端部に
歯車１１を有している。前記歯車８は第２アーム
１１０に軸受１２を介して支承された中空軸１３
の一端に固着された歯車１４と噛み合つており、
中空軸１３にはハーモニツクドライブ減速機（ハ
ーモニツクドライブシステムズ社製、商標）１５
の駆動円盤１５ａが固着されており、このハーモ
ニツクドライブ減速機１５の固定側外歯車１５ｂ
は、第２アーム側に固着され、且つその従動側外
歯車１５ｃは軸受１６を介して前記中空軸１３に
回転可能に支承された回転伝達盤１７に固着され
ている。この回転伝達盤１７は、第２アーム１１
０に軸受１８により回転可能に支承された前記第
１手首要素１に固定されている。

前記軸９に取り付けられた歯車１１は、第２ア
ーム１１０に取り付けられた軸受１９及び２０に
よつて回転可能に支承された前記中空軸１３と同
軸に該中空軸１３内に挿通された中空軸２１の端
部に固着された歯車２２と噛み合つており、この
中空軸２１の他端に取り付けられた傘歯車２３
は、前記第１手首要素１に軸受２４を介して回転
可能に取り付けられた中空状の伝達軸２５の末端
に固定された傘歯車２６と直交状に噛み合つてい
る。

上記中空軸２５に軸受２７を介して揺動可能に
取り付けられた前記第２手首要素２の中央部に
は、この第２手首要素２に取り付けられた軸受２
８によつて両持ち状で、且つ回転自在の中間歯車
２９が取り付けられており、この中間歯車２９は
前記伝達軸２５の端部に固着された第２の回転伝
達部材の一種である歯車３０と噛み合つている。

第２手首要素２に前記伝達軸２５と平行になる
ように軸受３１を介して回転可能に支承された中
空状の伝達軸３２は、その端部に第２の回転伝達
部材の一種である歯車３３を固着しており、この
歯車３３と前記中間歯車２９とが噛み合つてい
る。尚上記伝達軸２５及び３２は共に各手首要素
の軸芯に対して直角となるように配設されてい
る。

上記伝達軸３２によつて軸受３４を介して一端
を回動可能に支承された前記第３手首要素３は、
その端部に略円筒状の先端部材３５を一体的に有
しており、この先端部材３５に取り付けた軸受３
６によつて回転可能に支承された軸３７の末端に
固定した傘歯車３８は、前記伝達軸３２の端部に
固定した傘歯車３９と直交状に噛み合つている。
上記先端部材３５内には、ハーモニツクドライブ
減速機４０が内蔵されており、上記軸３７はこの
ハーモニツクドライブ減速機の駆動円盤４０ａを
一体的に有しており、先端部材３５に固定された
固定側外歯車４０ｂと、上記駆動円盤４０ａとの
間に介在するフレクスプライン４０ｄの一端が前
記先端部材３５に軸受４１を介して支承された前
記工具取り付け軸５に接続されている。

更に各手首要素に曲げの自由度を起こさせる図
示せぬモータ１１１ｂに接続された軸４２は、前
記中空軸２１に固着した傘歯車２３の内径部に取
り付けた軸受４３によつてその一端が回転可能に
支承され、且つその先端部に傘歯車４４を固定的
に有している。この傘歯車４４は前記伝達軸２５
に軸受４５を介して一端を支承され、且つ第１手
首要素１に取り付けた軸受４６によつて他端を回
転可能に支承された連結軸４７の中央部に設けた
傘歯車４８と直交状に噛み合つている。この連結
軸４７は図に示すように中空状の伝達軸２５の中
空部に同軸状に挿通され、従つて第１手首要素１
の軸芯に対して直角に配設されている。この連結
軸４７は中間部にハーモニツクドライブ減速機４
９の駆動円盤４９ａを固着しており、このハーモ
ニツクドライブ減速機４９の固定側外歯車４９ｂ
は第１手首要素１に固着され、且つ従動側外歯車
４９ｃは第２手首要素２に固着さている。尚第２
手首要素２は第１及び第３手首要素１及び３の両
側に配設された構造でその間をリブ５０によつて
連結されている。

上記連結軸４７はその端部（伝達軸２５とは反
対側の端部）に第１の回転伝達部材の一種である
歯車５１を固着しており、この歯車５１は第２手
首要素２に軸受５１によつて両持ち状で且つ回転
自在に支承された中間歯車５３と噛み合つてい
る。更にこの中間歯車５３は第２手首要素２に軸
受５４によつて一端を回転自在に支承され、他端
を伝達軸３２に取り付けた軸受５５によつて回転
自在に支承された連結軸５６の先端部に設けた歯
車５７と噛み合つている。

上記連結軸５６は、第２手首要素と第３手首要
素との間に嵌入したハーモニツクドライブ減速機
５８の駆動円盤５８ａを一体的に有しており、こ
のハーモニツクドライブ減速機５８の固定側外歯
車５８ｂは第２手首要素２に固着され、且つ従動
側外歯車５８ｃは第３手首要素３に固着されてい
る。

ここでハーモニツクドライブ減速機について第
３図を参照して簡単に説明する。図に示すように
ハーモニツクドライブ減速機は、軸Ａに楕円盤状
の駆動円盤Ｂを取り付け、この駆動円盤Ｂの外周
に複数の回転ローラＲを介して容易に撓み得る材
質よりなるリング状のフレクスプラインＣを密着
状に有しており、フレクスプラインＣはその外周
上に複数の外歯Ｄを有し、この外歯Ｄはその外側
に装着された固定側外歯車Ｅ内に真円状に形成さ
れた内歯Ｆと長径部に於いて噛み合い、且つ短径
部に於いて離れている。外歯Ｄの歯数は、内歯Ｆ
に対して若干少なく形成されており、両者のピツ
チは同一である。例えば外歯Ｄが200枚の場合、
内歯Ｆは202枚程度に形成されている。又フレク
スプラインＣには固定側外歯車Ｅに隣接する図示
せぬ従動側外歯車Ｇが噛み合つており、従動側外
歯車Ｇの内歯の歯数はフレクスプラインＣの外歯
の歯数と同一となるように調整されている。即ち
従動側外歯車の内歯とフレクスプラインＣの外歯
とはフレクスプラインＣの外歯のピツチの方が従
動側外歯車Ｇの内歯のピツチより若干広くなるよ
うに形成されている。従つて駆動円盤Ｂを矢印Ｈ
で示すように回転させると、フレクスプラインＣ
の外歯Ｄと固定側外歯車Ｅの内歯Ｆとが順次噛み
合つていき、駆動円盤Ｂが一回転した時点で、フ
レクスプラインＣは２歯分遅れた位置まで逆方向
に回転する。フレクスプラインＣと従動側外歯車
Ｇとはおなじ歯数であるから、フレクスプライン
の回転に同期して従動側外歯車Ｇが回転し、従つ
て駆動円盤Ｂの一回転に対して従動側外歯車Ｇは
２歯分逆回転する如くなり、その減速比は２／
200＝１／100となる。上記の説明ではＥを固定
し、Ｇを従動側とした為、Ｇは駆動円盤３７とは
逆方向に１／100の減速速度で回転することにな
るが、逆にＧを固定した場合、外歯車Ｅは駆動円
盤３７と同じ方向に減速されて回転する。

従つて例えば連結軸４７に取り付けたハーモニ
ツクドライブ減速機４９についてみると、減速比
が１／100の場合、連結軸４７が20回転すると従
動側外歯車４９ｃ及びこれに固着された第２手首
要素２が0.2回転即ち第１手首要素１に対して72゜
減速されて回転する。又連結軸４７の回転は、歯
車５１，５３，５７を介して他の連結軸５６に伝
達され、連結軸５６は４７と同じ方向に回動し、
この回動によつて連結軸５６に組み合わされたハ
ーモニツクドライブ減速機５８の従動側外歯車５
８ｃ、及びこれに固着された第３手首要素３が前
記のハーモニツクドライブ減速機４９の場合と同
様に連結軸５６の回転に対して１／100の減速比
で第２手首要素２の回動方向と同じ方向に低速回
転する。但し第２手首要素以後の回転運動に於い
ては、連結軸５６の回転数は第２手首要素２の回
転角度によつて影響を受けるので、第３手首要素
の最終揺動角度はこれらの手首要素の回動角度分
だけ修正して演算する必要がある。

次いで上記の構造を有する手首機構に付いてθ3
からθ5の自由度に対する作動につき説明し本考案
の理解に供する。まずモータ１１２が回転して軸
６が回転すると、この回転は歯車８，１４を介し
て中空軸１３に伝達され、中空軸１３の回転によ
つてハーモニツクドライブ減速機１５の従動側外
歯車１５ｃが中空軸１３の回転数に対して減速さ
れて回転し、この従動側外歯車１５ｃに回転伝達
円盤１７を介して固定された第１手首要素１が軸
４２の回りに低速回転し、第１手首要素１及びこ
れに取り付けられた第１手首要素１以降の手首要
素よりなる手首機構４全体が軸４２の回りに低速
回転する。

又モータ１１１ａの回転により軸９が回転する
と、この回転は歯車１１，２２を介して中空軸２
１に伝達され、この中空軸２１に固着された傘歯
車２３及びこれと噛み合う傘歯車２６、更にはこ
の傘歯車２６と一体の伝達軸２５が高速で回転す
る。伝達軸２５の回転は更に歯車３０，２９，３
３を介して他方の伝達軸３２に伝えられ、更に傘
歯車３９，３８を経て軸３７を回転する。軸３７
が回転すると、この回転はハーモニツクドライブ
減速機４０に伝えられ、ハーモニツクドライブ減
速機４０のフレクスプライン４０ｄに固着された
工具取り付け軸５が低速で回転する。

上記ハーモニツクドライブ減速機１５及び４０
は種々の回転伝達用の歯車列の最後に取り付けら
れ、最終的な回転対象である第１手首要素１や工
具取り付け軸５がハーモニツクドライブ減速機に
直接取り付けられるように構成されているが、前
記のようにこれらの減速機によつて回転速度が大
きい減速比で低下する為、ハーモニツクドライブ
減速機の入力側に設けた歯車のバツクラツシユや
図示せぬチエーン、タイミングベルト等によるガ
タや回転ムラがこの減速機による減速比の分だけ
縮小されて最終的な回転対象に伝達されるので、
結果的に第１手首要素１や工具取り付け軸４の回
転ムラがなくなり、極めて高い位置決め精度を得
ることが出来る。このような効果は次に述べる手
首に曲げの自由度を与える為のハーモニツクドラ
イブ減速機４９や５８についても同様に発揮され
る。

更に図示せぬモータ１１１ｂの回転によつて軸
４２が回転すると、その回転は傘歯車４４，４８
を経て連結軸４７に伝達され、その回転は同時に
前記したように歯車１１，５３，５７を経て隣合
う連結軸５６に伝達される。同時に連結軸４７の
回転によりハーモニツクドライブ減速機４９の駆
動円盤４９ａが回転され、この回転が減速されて
従動側外歯車４９ｃに伝達されて、この外歯車４
９ｃに固定された第２手首要素２を連結軸４７を
中心として低速で回転せしめると共に、上記連結
軸５６の回転も同様の作用でハーモニツクドライ
ブ減速機５８を介して減速されたかたちで第３手
首要素３に伝えられ、第２、第３手首要素が同じ
方向に前記θ41及びθ42の量だけ折曲され、第３手
首要素及びこれに内蔵された工具取り付け軸５が
第２アーム１１０に対してθ4の分だけ折曲され
る。こうして軸６の回転によつて手首機構４全体
が第２アーム１１０の軸芯の回りに旋回すると共
に、軸９の回転によつて工具取り付け軸５が手首
機構４の動きに関係なく第３手首要素の軸芯の回
りに旋回し、更に軸４２の回転によつて第２、第
３手首要素が夫々第１手首要素に対して同じ方向
に揺動、折曲されることが理解され、而もこれら
の駆動系に於ける被駆動物は全て減速機に直結さ
れて駆動されるので、減速機以前の回転ムラやガ
タによる影響が無視され、被駆動物の位置決め精
度が向上する。

上記の説明は本考案の一つの代表例について述
べたにすぎず、例えば減速機として使用した各ハ
ーモニツクドライブ減速機は遊星ギア減速機や遊
星ローラ減速機、その他に置き換えることが可能
であり、又第１及び第２の回転伝達手段として用
いた歯車３０，２９，３３や５１，５３，５７は
チエーンやタイミングベルトその他の回転伝達手
段に置き換えることが可能で、又噛み合い伝達手
段として示した傘歯車４４，４８や３９，３８等
は、その他の球面継手やウオームとウオームホイ
ール等に置き換えることも可能である。

更に第２図には工具取り付け軸５を連結軸５６
に直角となるように配置した場合を示したが、こ
れは一例であつて必ずしも直角とする必要はな
く、単に交差状に連結されているものであれば良
い。又上記の説明では懸架型の溶接用ロボツトに
ついて述べたが、これは一例であつて他の一般的
な多関節形ロボツト、マニプレータや直交型のそ
れらにも当然応用可能であり、又溶接用に限らず
シーリング作業や塗装用のロボツト、マニプレー
タその他種々の工作機械等にも適用することがで
きる。更に手首の折曲の自由度を第２手首要素及
び第３手首要素だけについて説明したが、第３手
首要素の先端に更に第４、第５と手首要素を接続
した場合についても同様に適用可能である。

本考案は以上述べた如く、一個の駆動側手首要
素と、該駆動側手首要素に対して揺動する一個の
従動側手首要素とによつて一組の手首関節を構成
し、二以上の手首関節を順次連結して自在に折曲
し得るようになした工業用ロボツト等の手首機構
に於いて、駆動側手首要素と従動側手首要素とを
両手首要素の軸芯に直角の連結軸を介して揺動自
在に連結し、各連結軸と従動側手首要素との間に
減速機を介在させて連結軸の回転を減速させて従
動側手首要素に伝達し、更に相隣合う連結軸を第
１の回転伝達部材によつて連結して手首要素間に
曲げの自由度を与えると共に、上記各手首要素に
それぞれ上記連結軸と同軸のな伝達軸を取り付
け、且つ相隣合う伝達軸を第２の回転伝達部材に
より連結し、更に最先端部の伝達軸と工具取り付
け軸とを噛み合い伝達機構を介して交叉状に連結
して工具取り付け軸に旋回の自由度を与えたこと
を特徴とする工業用ロボツト等の手首機構である
から、手首部分を駆動する機構が全て単純な回転
運動によつて制御されるので、手首先端の位置座
標を決定する演算が従来のフレキシブル手首機構
に比べて極めて容易となり、更に従来のリンク形
フレキシブル手首に対しても一つの関節の曲げ角
度を大きくとることが出来、ロボツトの適用率を
向上させることが出来る。而も最終的な被駆動要
素が減速機の出力側によつて直接駆動されるの
で、減速機以前のガタや回転ムラによる影響が被
駆動物の位置精度に影響することが無く極めて高
い位置決め精度を得ることが出来、又手首先端が
手首全体の旋回や手首の揺動運動とは別個に自由
に旋回運動することが出来るので、例えば塗装用
ロボツト等のように塗装ガン自身の旋回を必要と
するロボツトやマニプレータに適用して極めて好
適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例である手首要素を有
する溶接用ロボツト全体の側面図、第２図は同手
首要素の平断面図、第３図は同実施例に用いるこ
との出来るハーモニツクドライブ減速機の原理を
示す正断面図である。 符号の説明、１，２，３……手首要素、４……
手首機構、５……工具取り付け軸、６，９，４２
……軸、４７，５６……連結軸、２５，３２……
伝達軸、１５，４０，４９，５８……ハーモニツ
クドライブ減速機、５１，５３，５７……歯車
（第１の回転伝達部材）、２９，３０，３３……歯
車（第２の回転伝達部材）、３８，３９……傘歯
車（噛み合い伝達機構）。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 一個の駆動側手首要素と、該駆動側手首要素
   に対して揺動する一個の従動側手首要素とによ
   つて一組の手首関節を構成し、二以上の手首関
   節を順次連結して自在に折曲し得るようになし
   た工業用ロボツト等の手首機構に於いて、駆動
   側手首要素と従動側手首要素とを両手首要素の
   軸芯に直角の連結軸を介して揺動自在に連結
   し、各連結軸と従動側手首要素との間に減速機
   を介在させて連結軸の回転を減速させて従動側
   手首要素に伝達し、更に相隣合う連結軸を第１
   の回転伝達部材によつて連結して手首要素間に
   曲げの自由度を与えると共に、上記各手首要素
   にそれぞれ上記連結軸と同軸の伝達軸を取り付
   け、且つ隣合う伝達軸を第２の回転伝達部材に
   より連結し、更に最先端部の伝達軸と工具取り
   付け軸とを噛み合い伝達機構を介して交叉状に
   連結して工具取り付け軸に旋回の自由度を与え
   たことを特徴とする工業用ロボツト等の手首機
   構。 ２ 噛み合い伝達機構と工具取り付け軸とが減速
   機を介して連結されている実用新案登録請求の
   範囲第１項に記載した手首機構。