JP2004148455A

JP2004148455A - 産業用ロボット

Info

Publication number: JP2004148455A
Application number: JP2002317263A
Authority: JP
Inventors: Osamu Segawa; 治瀬川
Original assignee: M & C kk
Current assignee: M & C kk
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【目的】メンテナンスを頻繁に行わずして良好な動作性能を維持し得る簡易構造の産業用ロボットを提供する。
【構成】主軸１回りに旋回するアーム２Ａの先端部に、アーム２Ｂが旋回可能にして連結される。主軸１は、中空状の外部回転軸１Ａと、その内側に通される内部回転軸１Ｂとで成り、外部回転軸１Ａにはアーム２Ａの一端部が固定される。アーム２Ａは内部回転軸１Ｂに固定される原動ギヤ２９Ａと、これに噛み合うアイドルギヤ２９Ｂと、これに噛み合う従動ギヤ２９Ｃを備え、従動ギヤ２９Ｃにはアーム２Ｂの一端部が固定される。アーム２Ｂは、従動ギヤ２９Ｃの回転中心を成す固定軸３２に固定される静止ギヤ３０Ａと、これに噛み合うアイドルギヤ３０Ｂと、これに噛み合う従動ギヤ３０Ｃを備え、その従動ギヤ３０Ｃにアーム２Ｃの一端部が固定される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンウェハをはじめとする半導体部品その他物品の移送などに用いられる産業用ロボットに係わり、特にメンテナンスを頻繁に行わずして良好な動作性能を維持し得る産業用ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動化工程や危険場所での作業に用いられる産業用ロボットとして、アーム状をした関節形ロボットに代表されるマニピュレータが一般に広く知られている。関節形には、各関節部に装置されるサーボモータを個別に制御することでアームに多様な運動を行わせるもののほか、各関節部をプーリとベルトによる巻掛伝動装置で回転させる方式がある。然し、前者は多様な動作を高精度に行える利点を有する反面、制御系が複雑でコストも高いという欠点を有する。一方、後者は前者に比べて低コストにできるものの、高速運転したり高トルクを伝達したりする場合にはベルトがスリップして動作不良を惹起するという問題がある。
【０００３】
そこで、実開平４−７３４８２号公報などに開示される巻掛伝動式のロボットでは、巻掛伝動装置として、タイミングベルトとこれに対応するプーリを用いるなどの工夫が施されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、プーリ間にベルトを掛け回した巻掛伝動式の関節形ロボットによれば、使用中にベルトが延びるなどして弛み、低速下でもベルトが外れたりスリップを発生して動作不良を惹起することがあった。このため、比較的短周期でメンテナンスを実施し、ベルトの交換やその張力調整を行う必要があった。
【０００５】
本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的はメンテナンスを頻繁に行わずして良好な動作性能を維持し得る簡易構造の産業用ロボットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、主軸回りに旋回する第１アームと、この第１アームの先端部に旋回可能に連結される第２アームとを具備して成る産業用ロボットにおいて、前記主軸は中空状の外部回転軸とその内側に通される内部回転軸とで成り、前記第１アームは前記外部回転軸と内部回転軸の何れか一方に固定され、その第１アームには前記主軸の回転駆動力を第２アームに伝達可能な歯車列が装置されて成ることを特徴とする。
【０００７】
又、より好適な態様として、主軸回りに旋回する第１アームと、この第１アームの先端部に旋回可能に連結される第２アームとを具備して成る産業用ロボットにおいて、前記主軸は中空状の外部回転軸とその内側に通される内部回転軸とで成り、前記第１アームは前記外部回転軸と内部回転軸の何れか一方に固定され、その第１アームと前記第２アームはそれぞれ連動する歯車列を備え、このうち第１アームの歯車列は前記外部回転軸と内部回転軸のうち該第１アームの非固定側に固定される原動ギヤと、この原動ギヤに噛み合う第１アイドルギヤと、この第１アイドルギヤに噛み合う第１従動ギヤとで構成され、その第１従動ギヤに前記第２アームが連結されると共に、該第２アームの歯車列は前記第１従動ギヤの回転中心を成す固定軸に固定される静止ギヤと、この静止ギヤに噛み合う第２アイドルギヤと、この第２アイドルギヤに噛み合う第２従動ギヤとで構成され、その第２従動ギヤにその軸線を旋回中心とする第３アームが連結されて成ることを特徴とする。
【０００８】
更に、上記のような産業用ロボットにおいて第１アームと第２アームの歯車列を構成する各ギヤがヘリカルギヤで成り、しかも第１アイドルギヤが原動ギヤと第１従動ギヤとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線と直交する垂線に沿って半径方向に移動可能とされると共に、第２アイドルギヤが静止ギヤと第２従動ギヤとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線と直交する垂線に沿って半径方向に移動可能とされて成ることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の適用例を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１は本発明に係る産業用ロボットを部分的に破断して示した斜視図である。図１において、１は後述するベースに鉛直状に立てられる主軸、２は主軸に取り付けられる屈曲自在な関節形アームであり、この関節形アーム２は主軸１を含めて各構成要素が順に上下移動−水平旋回−水平旋回−水平旋回を行う４軸系（Ｚ−θ−θ−θ）とされる。つまり、係る関節形アーム２は、上下に移動可能な主軸１回りに旋回する第１アーム２Ａと、この第１アームの先端部に旋回可能に連結される第２アーム２Ｂと、この第２アームの先端部に旋回可能に連結される第３アーム２Ｃとで構成される。
【００１０】
次に、図２は関節形アームを支持するベースを示す。図２のように、ベース３は主軸１の下部を支持する昇降台４と、これを昇降させるための駆動源５を備える。昇降台４はベアリングを介して主軸１を回転自在に支持する上下一対の支持プレート６，７と、この支持プレート６，７を固定するスライド板８から成り、スライド板８にはフレーム９に固定したガイドレール１０と嵌合するレール受１１が取り付けられている。一方、１２は主軸に平行する回転自在なネジ軸（ボールネジ）であり、このネジ軸１２にはナット１３を介して支持プレート７の先端部が結合されている。又、ネジ軸１２の上端と駆動源５の出力軸にはそれぞれプーリ１４，１５が取り付けられ、それらプーリにタイミングベルト１６が掛け回されている。よって、駆動源５を正逆に回転駆動させると、ネジ軸１２を通じて昇降台４及びこれに支持される主軸１がその軸方向に沿って昇降する。
【００１１】
尚、図２及び図３から明らかなように、主軸１は支持プレート６，７により回転自在に支持される中空状の外部回転軸１Ａと、その内側に通される内部回転軸１Ｂとで成る二重構造であり、それらの外周にはそれぞれ回転駆動力を得るための歯車１７，１８ほか、その回転量を検知するための割出円板１９，２０が固定され、昇降台４にはそれら割出円板１９，２０に対応してフォトセンサなどの検出器２１，２２が装置される。又、図３において、２３，２４は検出器２１，２２により検出された外部回転軸１Ａと内部回転軸１Ｂの回転量を制御データとして個別に回転駆動される制御モータであり、その各出力軸には歯車１７，１８と噛み合う駆動歯車２５，２６が取り付けられる。
【００１２】
次に、図４は本発明の要部を成す関節形アームの内部構造を示す。この図で明らかなように、第１アーム２Ａは主軸を構成する外部回転軸１Ａの上端外周に固定される。又、主軸を構成する内部回転軸１Ｂは外部回転軸１Ａの内側にベアリングを介して回転自在に取り付けられ、その上端は外部回転軸１Ａより突出して第１アーム２Ａ内に挿入される。ここで、第１アーム２Ａと第２アーム２Ｂはそれぞれ密閉したケーシング２７，２８内に三連式の歯車列２９，３０を装置して構成される。
【００１３】
このうち、第１アームに装置される歯車列２９は、内部回転軸１Ｂの上端外周に固定される原動ギヤ２９Ａと、この原動ギヤに外接噛み合いする第１アイドルギヤ２９Ｂと、この第１アイドルギヤに外接噛み合いする第１従動ギヤ２９Ｃとで構成される。第１アイドルギヤ２９Ｂは、原動ギヤ２９Ａと第１従動ギヤ２９Ｃとの間で支軸３１の外周にベアリングを介して回転自在に設けられ、これに噛み合う第１従動ギヤ２９Ｃは固定軸３２の外周にベアリングを介して回転自在に設けられる。特に、第１従動ギヤ２９Ｃの回転中心を成す上記固定軸３２は、第１アーム２Ａの先端部に直立状に固定され、その上端はケーシング２７より外方に突出して第２アーム２Ｂの一端に挿入される。又、第１従動ギヤ２９Ｃには、固定軸３２を貫通せしめた中空軸部３３を介して第２アーム２Ｂの一端部が固定され、第２アーム２Ｂが固定軸３２及び中空軸部３３を中心として水平方向に旋回するようにしてある。
【００１４】
尚、本例において、第１アーム２Ａと第２アーム２Ｂの結節点を成す中空軸部３３は、第１従動ギヤ２９Ｃにネジ留めするなどして固定されるが、これを第１従動ギヤ２９Ｃに一体として形成しても良い。
【００１５】
一方、第２アームの歯車列３０は、固定軸３２の外周に固定される静止ギヤ３０Ａと、この静止ギヤに外接噛み合いする第２アイドルギヤ３０Ｂと、この第２アイドルギヤに外接噛み合いする第２従動ギヤ３０Ｃとで構成される。第２アイドルギヤ３０Ｂは、静止ギヤ３０Ａと第２従動ギヤ３０Ｃとの間で支軸３４の外周にベアリングを介して回転自在に設けられ、これに噛み合う第２従動ギヤ３０Ｃは支軸３５の外周にベアリングを介して回転自在に設けられる。特に、支軸３５は第２アーム２Ａの先端部に直立状に固定され、これを回転中心とする第２従動ギヤ３０Ｃにはケーシング２８より外方に突出する中空軸部３６を介して第３アーム２Ｃの一端部が固定される。
【００１６】
尚、その中空軸部３６も第２従動ギヤ３０Ｃにネジ留めするなどして固定されるが、これを第２従動ギヤ３０Ｃに一体として形成しても良い。又、支軸３５を回転軸として、これに第２従動ギヤ３０Ｃと第３アーム２Ｃの一端部とを固定するようにしても良い。
【００１７】
因に、第３アーム２Ｃは上記のような歯車列をもたない長尺な部材であり、これは本例において中空軸部３６の上端に固定される座板３７と、この座板に接続する連結板３８と、この連結板に接続する薄板状の腕金３９とで構成され、その腕金３９上にシリコンウェハなどの物品を載せて該物品を移送し得るようになっている。但し、第３アーム２Ｃに図示せぬバキュームパッドを装置して物品を吸着する構成とすることもできる。尚、そのための吸気系統としては、内部回転軸１Ｂの下端に真空ポンプと接続するロータリバルブを設けるほか、内部回転軸１Ｂ、固定軸３２、支軸３５、並びに第３アーム２Ｃに連続する吸気流路を形成する方法がある。
【００１８】
ところで、歯車列２９，３０を構成する各ギヤ２９Ａ〜２９Ｃ及び３０Ａ〜３０Ｃは、３つがそれぞれ第１アーム１Ａと第２アーム１Ｂの長さ方向に沿って略直列状に配列し、その各々に動力伝達を円滑に行い得るヘリカルギヤが用いられるが、第１アイドルギヤ２９Ｂと第２アイドルギヤ３０Ｂは、軸心が一点に固定されるのでなく、その取付位置を調整可能とされる。図４において、４０は第１アイドルギヤ２９Ｂと第２アイドルギヤ３０Ｂの取付位置を可変とする保持プレートであり、これは第１アイドルギヤ２９Ｂと第２アイドルギヤ３０Ｂとのボス部の外周にベアリングを介して取り付けられる。
【００１９】
特に、第１アーム１Ａと第２アーム１Ｂのケーシング２７，２８には、保持プレート４０を固定するための図示せぬネジ孔が穿設され、保持プレート４０の両端にはそのネジ孔に対応して図５に示すよう長孔４１が穿設される。そして、その長孔４１により、第１アイドルギヤ２９Ｂは図６に示すよう原動ギヤ２９Ａと第１従動ギヤ２９Ｃとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線Ｌと直交する垂線に沿って半径方向（図示矢印方向）に移動可能とされ、第２アイドルギヤ３０Ｂも静止ギヤ３０Ａと第２従動ギヤ３０Ｃとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線Ｌと直交する垂線に沿って半径方向（図示矢印方向）に移動可能とされる。よって、第１アイドルギヤ２９Ｂ（第２アイドルギヤ３０Ｂ）は、原動ギヤ２９Ａ（静止ギヤ３０Ａ）と第１従動ギヤ２９Ｃ（第２従動ギヤ３０Ｃ）に対し、がたつきのない最適な状態で噛み合わせることができる。
【００２０】
ここで、以上のように構成される本願産業用ロボットの作用を説明すれば、図７において、主軸の内部回転軸１Ｂをロックした状態で外部回転軸１Ａを時計回りに回転させると、これに固定される第１アーム２Ａは外部回転軸１Ａを中心として同方向に水平旋回する。
【００２１】
すると、静止状態にある原動ギヤ２９Ａの回りを第１アイドルギヤ２９Ｂが回転（自転）しながら旋回（公転）し、これに噛み合う第１従動ギヤ２９Ｃを反時計回りに回転させる。このため、第１従動ギヤ２９Ｃに固定される第２アーム２Ｂは、第１従動ギヤ２９Ｃの回転中心を成す固定軸３２を中心として反時計回りに水平旋回する。
【００２２】
そして、このとき静止ギヤ３０Ａが固定軸３２上で静止したまま、第２アイドルギヤ３０Ｂが反時計回りに回転（自転）しながら静止ギヤ３０Ａの回りを旋回（公転）する。よって、第２アイドルギヤ３０Ｂに噛み合う第２従動ギヤ３０Ｃが第２アイドルギヤ３０Ｂとは逆方向（時計回り）に回転し、これに固定される第３アーム２Ｃが第２従動ギヤ３０Ｃの軸線（支軸３５）を中心として時計回りに水平旋回する。
【００２３】
ここに、第１アームの歯車列２９の変速比は２／１、第２アームの歯車列３０の変速比は１／２、両者の全変速比は１／１であり、本例における各ギヤの歯数は入力側（原動ギヤ２９Ａ側）から順に、８０、６０、４０、４０、６０、８０に設定されている。従って、外部回転軸１Ａの回転角をθとすると、第１アーム２Ａは主軸１を中心に同方向へθ、第２アーム２Ｂは固定軸３２を中心に逆方向へ倍角（−２θ；初期位置からの変位角は−θ）、第３アーム２Ｃは第２従動ギヤ３０Ｃの軸線を中心に第２アーム２Ｂと逆方向（第１アーム２Ａと同方向）へ角度θ、それぞれ水平旋回する。
【００２４】
つまり、第３アーム２Ｃは初期状態から角変位せずして直進運動のみを行う。よって、外部回転軸１Ａを所定方向に回転せしめて第３アーム２Ｃを移送対象の下に進入させ、次いで昇降台４を上昇せしめて第３アーム２Ｃ上に移送対象を載せ、而して外部回転軸１Ａを逆転させることにより第３アーム２Ｃを後退せしめて移送対象をラック内などから適正に取り出すことができる。
【００２５】
一方、外部回転軸１Ａをロックして内部回転軸１Ｂを回転させると、第１アーム２Ａが静止状態を保ったまま、歯車列２９の駆動により第２アーム２Ｂが内部回転軸１Ｂと同方向に水平旋回しながら、歯車列３０の駆動によって第３アーム２Ｃが第２アーム２Ｂと逆向きに１／２の速度で水平旋回し、外部回転軸１Ａと内部回転軸１Ｂを同調回転させれば、歯車列２９，３０が駆動せずして各アーム２Ａ〜２Ｃが初期の角度を相互に保ったまま主軸１回りに旋回する。
【００２６】
以上、本発明について説明したが、係る産業用ロボットは上記のような構成に限らず、第３アームを省略して主軸を含めた３軸形としてもよい。又、各アームは水平旋回形に限らず、上下旋回形とすることもできる。一方、上記例では第３アームに対象物を吸着するためのバキュームカップを装着することを想定し、第１アームや第２アームを吸気用の流路として利用すべくケーシングによる密閉構造としたが、本発明は第１アームや第２アームが密閉構造であることを必ずしも必要としない。
【００２７】
更に、上記例では第１アーム２Ａを外部回転軸１Ａに固定する一方、内部回転軸１Ｂに原動ギヤ２９Ａを固定した例を示したが、図８のように外部回転軸１Ａにベアリングを介して第１アーム２Ａを回転自在に取り付け、その外部回転軸２Ａに原動ギヤ２９Ａを固定する一方、内部回転軸１Ｂに第１アーム２Ａを固定するようにしてもよい。そして、本例によれば、外部回転軸１Ａをロックした状態で内部回転軸１Ｂを時計回りに回転させると、これに固定される第１アーム２Ａが内部回転軸１Ｂを中心として同方向に水平旋回し、このとき静止状態にある原動ギヤ２９Ａの回りを第１アイドルギヤ２９Ｂが回転（自転）しながら旋回（公転）して第２アーム２Ｂと第３アーム２Ｃが上記例と同様な動作を行う。又、内部回転軸１Ｂをロックして外部回転軸１Ａを回転させると、第１アーム２Ａが静止状態を保ったまま、歯車列２９の駆動により第２アーム２Ｂが外部回転軸１Ａと同方向に水平旋回しながら、歯車列３０の駆動によって第３アーム２Ｃが第２アーム２Ｂと逆向きに水平旋回し、外部回転軸１Ａと内部回転軸１Ｂを同調回転させれば、上記例と同じく歯車列２９，３０が駆動せずして各アーム２Ａ〜２Ｃが初期の角度を相互に保ったまま主軸１回りに旋回する。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、歯車伝動方式により各アームの旋回、伸縮動作を実現していることから、各関節部にサーボモータを装置したものに比べて低コストにでき、しかも巻掛伝動方式のようにベルトの弛緩や切断といった問題を発生しないので、長期に亙ってメンテナンスを実施する事なく良好な動作性能を維持することができる。
【００２９】
又、歯車列を構成する各ギヤにヘリカルギヤを用いていることから、がたつきが少なく大きな駆動音を発生せず、動力伝達を円滑に行うことができ、しかもアイドルギヤの取付位置を変えて歯部の加工誤差や摩耗による噛合の不具合を調整できるようにしていることから、これによる騒音の発生を防止しながら、より高度な動作性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る産業用ロボットの関節形アームを部分的に破断して示した斜視図
【図２】係る産業用ロボットのベースを示した側面図
【図３】同ベースによる主軸の支持部分を示した正面概略図
【図４】関節形アームの内部構造を示した断面図
【図５】アイドルギヤの取付位置を調整する保持プレートを示した平面図
【図６】アイドルギヤを含む歯車列を示した平面概略図
【図７】関節形アームの動作説明図
【図８】本発明の変更例を示した部分断面図
【符号の説明】
１主軸
１Ａ外部回転軸
１Ｂ内部回転軸
２関節形アーム
２Ａ第１アーム
２Ｂ第２アーム
２Ｃ第３アーム
３ベース
４昇降台
５駆動源（昇降用）
２３制御モータ（外部回転軸の駆動源）
２４制御モータ（内部回転軸の駆動源）
２９歯車列（第１アーム装置用）
２９Ａ原動ギヤ
２９Ｂ第１アイドルギヤ
２９Ｃ第１従動ギヤ
３０歯車列（第２アーム装置用）
３０Ａ静止ギヤ
３０Ｂ第２アイドルギヤ
３０Ｃ第２従動ギヤ
３２固定軸
４０保持プレート
４１長孔

Claims

主軸回りに旋回する第１アームと、この第１アームの先端部に旋回可能に連結される第２アームとを具備して成る産業用ロボットにおいて、前記主軸は中空状の外部回転軸とその内側に通される内部回転軸とで成り、前記第１アームは前記外部回転軸と内部回転軸の何れか一方に固定され、その第１アームには前記主軸の回転駆動力を第２アームに伝達可能な歯車列が装置されて成ることを特徴とする産業用ロボット。
主軸回りに旋回する第１アームと、この第１アームの先端部に旋回可能に連結される第２アームとを具備して成る産業用ロボットにおいて、前記主軸は中空状の外部回転軸とその内側に通される内部回転軸とで成り、前記第１アームは前記外部回転軸と内部回転軸の何れか一方に固定され、その第１アームと前記第２アームはそれぞれ連動する歯車列を備え、このうち第１アームの歯車列は前記外部回転軸と内部回転軸のうち該第１アームの非固定側に固定される原動ギヤと、この原動ギヤに噛み合う第１アイドルギヤと、この第１アイドルギヤに噛み合う第１従動ギヤとで構成され、その第１従動ギヤに前記第２アームが連結されると共に、該第２アームの歯車列は前記第１従動ギヤの回転中心を成す固定軸に固定される静止ギヤと、この静止ギヤに噛み合う第２アイドルギヤと、この第２アイドルギヤに噛み合う第２従動ギヤとで構成され、その第２従動ギヤにその軸線を旋回中心とする第３アームが連結されて成ることを特徴とする産業用ロボット。
第１アームと第２アームの歯車列を構成する各ギヤがヘリカルギヤで成る請求項２記載の産業用ロボット。
第１アイドルギヤが原動ギヤと第１従動ギヤとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線と直交する垂線に沿って半径方向に移動可能とされると共に、第２アイドルギヤが静止ギヤと第２従動ギヤとの隙間の中心で両者の軸心を通る直線と直交する垂線に沿って半径方向に移動可能とされて成る請求項２記載の産業用ロボット。