JPH02218568A - ロボット用手首装置及び水平多関節形ロボット - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水平多関節形ロボットのロボットアーム端部に
設けられた手ｉ′軸の、上下及び回転方向動作を可能と
するロボット用手首装置、及びこの手首装置が装着され
たロボットに関する。

〔従来の技術］ 従来、直動及び回転動作を行なう水平多関節形ロボット
用手首装置については、実開昭６２−６５１８３号公惟
に記載されたように、ボールネジ軸及びスプライン軸を
平行に配置し、ボールネジ軸に螺合するブラケットがス
プライン軸を上下方向に拘束し、かつ回転自在に支持し
て、ボールネジ軸及びスプライン軸を回転駆動すること
により。

手首軸であるスプライン軸を上下及び回転動作させる方
式が用いられてきたに の方式の手首装置を第４図に示す。図において、上ト輔
モータ２の回転はメカニカルブレーキ３３、プーリ３７
．３８及びベルト３９を介して回転動力がボールネジ軸
６に伝達される。このボールネジ軸６にはボールネジナ
ツト部７が螺合しており、ボールネジ軸６の回転により
上下方向に移動する。また、このボールネジナット部７
にはブラケット３５が固定されており、このブラケット
３５にはスプライン４ｉ１１１１２が上下方向の移動を
拘束され、上端がころがり＃９：２１を介して回転自在
に支持されている。さらにこのスプライン軸１２の中間
部にはスプライン軸１２と一体に回転し軸方向に移動Ｉ
ｌ＋ｆ能なスプライン軸受１；３が噛合しており、この
スプライン軸受１３はスプライン軸受取付部材１４及び
ころがり軸受１８を介してロボットアーム１に回転自在
に支持されている。

従ってブラケット３５は回転が係止されて」二下動作を
行なう。また、スプライン軸受取付部材１４のド端に固
定されたプーリ１６には、回転軸モータ３の回転動力が
、減速機３１．プーリ１７及びベルト４０を介して伝達
され、スプライン軸受１３を介してスプライン軸１２が
回転駆動される。

従ってスプライン軸１２の先端に取り付けられた工具８
の上下及び回転動作が可能となる。

第５図に上記のように構成された従来の手首装置を装着
した水平長関節形直接駆動ロボットをボす。図において
、前記ロボットアームｌが第２のアームとなり、この第
２のアーム１は第１のアーム４１の一端に設けられた第
２アーム駆動モータ４３により回転駆動され、第１のア
ーム４１は第１アーム駆動モータ４２によって回転駆動
される。

また毛首装置はカバー４内に収納されている。なお、第
４図に示す符号３２．：３４はそれぞれ同転軸モータ３
及び上゛ド軸モータ２に取り付けられた位置検出器であ
る。

また、この種の手首′ｊＡ置としては、特開昭６１−１
７３８７５号公報及び特開昭６３−７７６７５号公報に
それぞれ記載されたものが公知である。前老は特殊形状
のボールネジ軸（コイル）を手首軸とし、ボールネジナ
ット部を同心上に配置された直接駆り」モータにより回
転させることにより前記コイルを上下動させ、他の直接
駆動モータにより回転動力伝達手段を介してこのコイル
を回転駆動させるようにしたものである。

また後者は、ボールネジ軸とスプライン軸とを兼用でき
る特殊形状の軸を用い、この軸に螺合するボールネジナ
ット部及びスプライン嵌合されたスプライン軸受部を、
それぞれモータにより回転動力伝達手段を介して回転さ
せることにより、前記軸の上下及び回転動作を行なうよ
うにしたものである。

さらに、１軸直劾ユニツトとしては、特開昭６：３−７
７６７６号公報に記載されたように、ボールネジ軸と中
空スプライン軸とを同心状に配ｈ’ｚ　Ｌ、　、直線動
作を可能とした方式のものもある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第４ｒ１４及び第５図に示す従来例によ
ると、ボールネジ軸６とスプライン軸１２とが平行に配
設されているため、スプライン＠１２の先端に負荷が作
用するとボールネジナット部７にモーメント荷重が作用
する。この結果ボールネジの寿命が短かくなるという問
題があった。

また、手首装置を被覆するカバー４のロボットアーム１
長手方向の幅が大きくなるため、ロボットが高速旋回す
るときの流体抵抗が大きくなり。

このロボットアーム１を回転駆動する駆動モータ４３の
所要トルクが大きくなるという問題もあった。

また、前記３件の公報に記載された従来例のうち、第１
の従来例では、各軸を駆動するために減速機付サーボモ
ータと、このサーボモータに比べて出力、自重の小さい
直接駆動モータとを配置する方式であるため、ロボット
アーム端部に手首装置を設ける場合、ロボットアームを
回転駆動するモータの所要トルクが大きくなるという問
題があった。

また、前記公報による第２の従来例では、上下動作と回
転動作が独立していないため、動作制御が複雑となる問
題があり、ボールネジ軸とスプライン軸とを兼ねた兼用
軸では軸受部の鋼球の寿命が短くなるという問題もあっ
た。

また、前記公報による第３の従来例では、１＠動作ユニ
ットとしては小型・軽量の構造ではあるが、水平多関節
形ロボットで要求される直動及び１す１転の２摺動作が
、このａ造のままでは実現できないという問題があった
。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ボール
ネジナット部にモーメント荷重が作用せず。

ロボット旋回動作時の手首装置の流体抵抗が小さく、直
動・回転時間の干渉がなく、しかもロボットアームを回
転駆動するモータの所要トルクを低減することのできる
。直動・回転２＠動作可能なロボツＩ・用手首装置及び
この手首装置が装着されたロボットを提供することを１
４的とする。

〔１１１１ｊｉＪ１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に、ロボットアームの端部に取り
付けられた工具の直プ」及び回転動作が可能とするロボ
ット用手首装置において、前記ロボットアームに固定さ
れ、相互に螺合するボールネジ軸とボールネジナット部
のうちいずれか一方を回転駆動する第１モータと、他方
に同心状に固定された第１スプライン軸と、該第１スプ
ライン軸にスプライン嵌合した第［スプライン軸受と、
前記ロボットアー１１に固定され該第１スプライン軸受
を支持する第１スプライン軸受取付部材と、該第１スプ
ライン軸受取付部材の外周に同心状に取り付けられると
ともに前記第１スプライン軸に対し軸方向の移動が係Ｉ
ヒされた第２スプライン軸と、該第２スプライン軸にス
プライン嵌合した第２スプライン軸受と、該第２スプラ
イン幀受を回転自在に支持するとともに前記ロボットア
ームに対し軸方向の移動が係止された第２スプライン軸
受取付部材と、前記ロボットアームに固定され該第２ス
プライン軸受取付部材を回転駆動する第２モータと、前
記第２スプライン軸の先端に着脱可能に装着された前記
工具とによって構成したものである。

また、同一平面内を旋回方向に動作するロボットアーム
の先端に工具を装１着し、該工具を回転及び上下方向移
動させる水平関節形ロボットにおいて、前記ロボットア
ームの先端に前記工具を着脱可能に装着するがｌ記ロボ
ット用手首装置を取り付けたものである。

〔作用〕

上記のように構成されたロボット用手首装置によると、
第１モータによりボールネジ軸またはボールネジナット
部が回転駆動されることにより、両者は軸方向に相対移
動する。従って一方のロボットアームに対する軸方向移
動を係止し、他方に第１スプライン軸を固定することに
よ・す、第１スプライン軸は上下棒！ｌｌ！１ＪｊＩＩ
能となる。さらにこの第１スプライン軸に回心状に回転
自在に、かつ軸方向の相対移動を係止して第２スプライ
ン軸を取り付け、この第２スプライン軸にスプライン嵌
合された第２スプライン４ｉ＋１１受を介して、第２モ
ータにより第２スプライン軸を回転駆動させることによ
り、この第２スプライン軸は回転と上下移動とが可能と
なる。従ってこの第２スプライン軸の先端に工具を装着
することにより、工具の回転及び上下移動の動作が可能
となる。

上記のように構成されたロボット用手首装置によると、
ボールネジ軸、第１及び第２スプライン軸がロボットア
ームに対して同心状に配設されているため、第２スプラ
イン軸に装着された工具にモーメント荷重が作用した場
合にも、ボールネジ軸に螺合したボールネジナット部に
はモーメント荷重は作用しない。

また、ロボットアームに設けられた手首装置のカバーの
形状を、はぼ円形断面を有する柱状とすることができる
ので、従来例に比してアーム旋回時の流体抵抗を低減す
ることができる。すなわち。

流体抵抗の抗力係数をＣＤ、流体密度をρ、流速を■、
部材の表面積をＡとしたとき、流体抗力りは下式（１）
に示すようになる。

Ｄ＝−ＣＤｐ　ｖ”Ａ　　　　　　　　　　　　　　−
（１）このとき流体抵抗を受けるカバーの断面が円形の
場合はＣＤ＝１となり、長短軸比２の長円の場合はＧｏ
＝１．６となるため、カバー断面が円形の場合の方が、
従来例のように長円の場合より流体抗力りは低減する。

さらに流体の流れに垂直な而へのカバーの投影面積Ａも
従来の１／２程度になるため、全体としてカバーの流体
抗力は従来の１７３．２程度となる。さらに手首回転駆
動用モータをロボットアームの基部に配設することによ
り。

アーム重心を基部に近接させ、負荷イナーシャを低減す
ることができる。

〔実施例〕

以下１本発明に係るロボット用手首装置の第１の実施例
を第１図を参照して説明する。

図において、第４図に示す従来例と同一または同等部分
には同一符号を付して示す、第１モータ２はロボットア
ーム１に固定されたモータ取付部材５０に取り付けられ
ている。この第１モータ２の回転軸にはカップリング１
５を介してボールネジ軸６が連結されており、このボー
ルネジ軸６の上端辺くは第１ころがり軸受１９を介しで
モータ取付部材５０に回転自在に支持されている。ボー
ルネジ軸６にはボールネジナット部７が螺合しており、
このボールネジナット部７の外周下部には。

円筒状の第１スプライン４ＩＩＩ１９がＩ＋３１心上に
固定されている。また、この第１スプライン４ＩｌｌＩ
９の外周には第１スプライン軸受１０が軸方向に摺動自
在にスプライン嵌合されており、この第１スプライン軸
受１０は前記モータ取付部材５０に固定された第１スプ
ライン軸受取付部材１１に取り付けられている。従って
、ボールネジ軸６が第１モータ２によって回転躯剪Ｊさ
れると、第１スプライン軸９は回転が係止された状態で
上下方向に直線移動する。またこの第１スプライン＃Ｉ
９はその下端で第２ころがり軸受２１を介して第２スプ
ライン軸１２に回転自在に連結されており、第２ころが
り軸受２１は軸受ナツト２２により軸方向の移動が係止
されている。従って第１スプライン軸９と第２スプライ
ン４ｉ１１１１２とは、軸方向の相対移動は係止されて
いるが、回転方向には相対運動が可能である。また、第
２スプライン軸１２の外周には第２スプライン軸受１３
が軸方向に摺動可能に嵌合しており、この第２スプライ
ン軸受１３はロボットアーム１に第３ころがり軸受１８
を介して回転自在に取り付けられた第２スプライン軸受
取付部材１４に固定されている。さらに第２スプライン
軸受取付部材１４の上端にはプーリ１６が取り付けられ
ており、このプーリ１６にはロボットアーム１に取り付
けられた第２七−タ３の回転駆動力が、減速機３１．プ
ーリ１７及びベルト４０を介して伝達され、第２スプラ
イン軸１２は第１スプライン＃９に対して相対回転する
。なおこのベルト４０は例えばスチールベルトや歯付ゴ
ムベルトなどで構成されている。従って第２スプライン
軸９の子端に取り付けられた例えばねじ締め工具などの
工具８を、第１モータ２及び第２モータの回転により、
上上方向及び回転方向に動作させて作業を行なうことが
できる。

また、第１モータ２には同軸上に例えば無磁励作動形電
磁ブレーキなどのメカニカルブレーキ３３を設けること
により、停電時などに工」４８が誤まって重力によって
ド方に移動するのを防ぐことができる。

さらに、ボールネジナット部７の上端外周には衝突部材
２８が設けられており、ボールネジナット部７が上上方
向の所定の範囲を超えて動作した場合に、この衝突部材
２８が第１スプライン軸受取付部材１１の内周面の所定
の位置に設けられたストッパ２９．３０に衝突、停止す
る構造となっている。このストッパ２９．３０は例えば
ゴムなどの衝突エネルギを吸収することのできる材料で
構成されており、第１スプライン軸９が行き過ぎた動作
を行なった場合には工具８の運動を速やかに停止させる
構造となっている。また、ポールネジナット部７の上端
外周には特定位置検出用ドグ２４が設けられており、第
１スプライン軸受取付部材１１の内周の所定の位置に設
けられたフォトセンサ２６により、上下端直前位置及び
原点位置を検出することができる。また、手首軸は回転
方向には；３６０度以上回転可能な構造となっており、
ストッパは存在しないが、プーリ１６には原点位置検出
用ドグ２５が設けられており、ロボットアーム１のこの
ドグ２５と対向可能な位置にはフォトセンサ２７が設け
られている。さらに第２スプライン４１ＩＩＩ１２の上
下方向、回転方向の位置検出は、各軸駆動モータ２，３
とそれぞれ同軸上に設けられている位置検出器３４．３
２により検出される。

さらに第２スプライン軸受取付部材１４とロボットアー
ム１のハウジングとの間にはダストシール４４が設けら
れており、軸受１８などで発生する塵埃が周囲に飛散し
ない構造となっている。

また、第１モータ２及びモータ３の外周にはそれぞれカ
バー４，５が装着されている。

次に本実施例の動作を説明する。第１モータ２によりボ
ールネジｌｌｌ１ｌ１６が回転駆動されると、このボー
ルネジ軸６に螺合し回転が係止されているボールネジナ
ツト部７及び第１スプライン軸９が上下方向に移動する
。この移動範囲は衝突部材２８とストッパ２９．３０に
よって規制される。また第１スプライン軸９の回転は第
１スプライン軸受取付部材１１を介してモータ取付部材
５０に固定されている第１スプライン軸受１０によって
係止される。第１スプライン軸９が上ド方向に移動する
と、この第１スプライン軸９に軸方向の移動が係止され
て回転自在に取り付けられている第２スプライン＠１２
も一体に上下移動する。一方、第２モータによって回転
駆動されるプーリ１６の回転力は、第２スプライン軸受
取付部材１４及び第２スプライン軸受１３を介して第２
スプライン軸１２に伝達される。このとき、第２スプラ
イン軸１２は第２スプライン軸受１３を介して第２スプ
ライン軸受取付部材１４にスプライン嵌合しているので
、ｌｌｌｌ１１方向の移動は自在である。従って第２ス
プライン帽１２の下端に取り付けられた工具８の昇降及
び回転動作が可能となる。

上記のように構成された本実施例によると、ボールネジ
ナット部７にはモーメント荷重が作用せず１手首の上下
軸であるボールネジ軸６及び第１スプライン軸９と、回
転軸である第２スプライン＃１２との間の干渉のないロ
ボット用手Ｉ￥装置が石が成できる。この結果各軸の動
作制御が容易となる。

なお、上記実施例において、減速機：３１をプーリ１６
と第２スプライン軸受取付部材１４との間に設けるよう
にすれば、手首回転軸の高剛性化と回転伝達精度の向上
を図ることができる。さらに。

手首回転動作を可能とする回に、動力伝達部材であるプ
ーリ１６がロータとなるように、同心状に直接駆動モー
タを構成することにより、手首回転軸をさらに高剛性化
することができる６ 第２図に本実施例に係る手首装置を水平多関節形ロボッ
トに装着した状態を示す。図において、第５図に示す従
来のロボツ１−と同一または同等部分には同一符号を付
した示し、説明を省略する。

図に示すロボットによれば、第５図に示す従来例に比べ
ると１手首装置を被覆するカバー４．５の幅を小さくす
ることができ、ロボットアーｌｓ　ｌの高速動作時にお
ける流体抵抗を低減することができる。また、手首回転
軸用の第２モータ３をロボットアームである第２７−ム
ｌの基端近傍に配置することにより、第２アーム１のｙ
ｌ（心を基端部寄りにすることができ、ロボットアーム
回転駆動用モータ４２，４３の負荷イナーシャを低減す
ることができ、モータ所要トルクの低減を図ることがｉ
ｉＪ能となる。このことによりｉ１６速動作の可能なロ
ボットを実現できる。

次に本発明に係るロボット用手首装！ｒｔの第２の実施
例を第３図を参照して説明する。図において第１図に示
す第１の実施例と同一または同等部分には同一符号を付
して示し、説明を省略する。本実施例では第１モータ２
によりプーリ：３７、ベルト３９及びプーリ３８を介し
て、ロボットアーム１にころがり＊＋ｌ＋受２０受合０
て回転自在に支持されたボールネジナット部７を回転さ
せ、このボールネジナット部７と螺合するボールネジ軸
６を上下方向に移動させるようにした。第１スプライン
軸９はこのボールネジ軸６と同軸上に延設固定されてお
り、第１スプライン軸受１０とスプライン嵌合されてい
る。そしてこの第１スプライン軸受１０はロボットアー
ム１に固定された第１スプライン軸受取付部材１１に取
り付けられている。従って第１スプライン＃９は第１ス
プライン軸受１０により回転が係止されて上ド方向に移
動する。

第１スプライン＃９はころがり軸受２１を介して第２ス
プライン軸１２と、軸方向の移動が係止され回転自在に
連結されており２第２スプライン軸１２の下端に取り付
けられた工具は回転及び上下方向の移動が可能である。

また第２スプライン軸１２は第２スプライン軸受１３に
スプライン嵌合しており、この第２スプライン軸受１３
は第２スプライン軸受取付部材１４に取り付けられてい
る。

さらにこの第２スプライン軸受取付部材１４はころがり
軸受１８を介してロボットアーム１に同転自在に支持さ
れている。従って、第２モータ３の＋！！１転趣動力を
減速機３１、プーリ１７、ベルト４０、プーリ１６を介
して第２スプライン軸受取付部材１４に伝達することに
より、第２スプライン軸１２に取り付けられた工具８を
回転させることができる。

本実施例によれば、第１の実施例によるロボット手首装
置に比して第１スプライン＃Ｉ９が小径化され、上下方
向には長くなるものの手首装置全体としては小型化、軒
数化される。この結果、アーム回転駆動用モータの負荷
イナーシャが低減され、モータ所要トルクの低減を図る
ことが可能となる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば。

上下動作を行なうボールネジ軸と回転動作を行なうスプ
ライン軸とを同心状に配設したので、ボールネジナツト
部にモーメント荷重が作用せず、ボールネジの長寿命化
を図ることができる。また、手首装置を被覆するカバー
のロボットアーム長手方向の長さを短くできるため、ロ
ボットアーム旋回動作時の流体抵抗を低減することがで
き、ロボットアームを回転ＩＩ　ｍ＋するモータの所要
トルクを低減することができる。また、ボールネジ軸と
スプライン軸とが干渉しない構造となっているため、各
軸の動作制御が賽易であるという効果もある。

さらに、半α回転軸駆動モータを手首装置を取り付けろ
ロボットアームの基端部近くに配置することにより、ロ
ボットアームを回転駒動するモータの負４にイナーシャ
を低減することができ、モータの所要トルクを低減しロ
ボット動作の６°ＩＩ速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るロボット用手首装置の第１の実施
例を示す縦断面図、第２図は本発明に係る水平多関節形
ロボットの一実施例を示す側面図、第３図は本発明に係
るロボット用手首装置の第２の実施例を示す縦断面図、
第４図は従来のロボット用手首装置を示す縦断面図、第
５図は従来の水平多関節形ロボットを示す側面図である
。 １・・・ロボットアーム、２・・・第１モータ、３・・
・第２モータ、６・・・ボールネジ軸、７・・・ボール
ネジナット部、８・・・工具、９・・・第１スプライン
軸、１０・・・第１スプライン軸受、１１・・・第１ス
プライン軸受取付部材、１２・・・第２スプライン軸、
１３・・・第２スプライン軸受、１４・・・第２スプラ
イン軸受取付部材。 第 囁 旧 塙 凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボットアームの端部に取り付けられた工具の直動
   及び回転動作を自在とするロボット用手首装置において
   、前記ロボットアームに固定され、相互に螺合するボー
   ルネジ軸とボールネジナット部のうちいずれか一方を回
   転駆動する第１モータと、他方に同心状に固定された第
   １スプライン軸と、該第１スプライン軸にスプライン嵌
   合した第１スプライン軸受と、前記ロボットアームに固
   定され該第１スプライン軸受を支持する第１スプライン
   軸受取付部材と、該第１スプライン軸受取付部材の外周
   に同心状に回転自在に取付けられるとともに前記第１ス
   プライン軸に対し軸方向の移動が係止された第２スプラ
   イン軸と、該第２スプライン軸にスプライン嵌合した第
   ２スプライン軸受と、該第２スプライン軸受を回転自在
   に支持するとともに前記ロボットアームに対し軸方向の
   移動が係止された第２スプライン軸受取付部材と、前記
   ロボットアームに固定され該第２スプライン軸受取付部
   材を回転駆動する第２モータと、前記第２スプライン軸
   の先端に着脱可能に装着された前記工具とからなること
   を特徴とするロボット用手首装置。 ２、同一平面内を旋回方向に動作するロボットアームの
   先端に工具を装着し、該工具を回転及び上下方向移動さ
   せる水平関節形ロボットにおいて、前記ロボットアーム
   の先端に前記工具を着脱可能に装着する請求項１記載の
   ロボット用手首装置を取り付けたことを特徴とする水平
   多関節形ロボット。