JPH03166083A - ロボツト用手首装置及び産業用ロボツト - 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〕 本発明はロボットアーム端部に設置される回転・直動２
自由度を有するロボット用手首装置において，高い剛性
を有し，動作指令生成を容易とする簡素な機構を提供し
、併せて該手首機構を有する産業用ロボットを提供する
ことにある．〔従来の技術〕 従来、ロボット用手首装置としては，特開昭６２−　５
４６９３号に記載のように、ボールネジ軸とスプライン
軸を平行配置し、直動・回転駆動モータにより各方向に
駆動し、回転減速機を手首部に設けることにより手首回
転剛性を高めたものが述べられていた． また、特開昭６１−１７３８７５号に記載のように、手
首軸を１本の軸（タイル）で構成し，直動駆動モータを
クイルと同心状にアームに設置し、タイル外周ネジ部と
ボールを介して螺合する駆動ナットを回動させることに
より直動駆動し、回転駆動モータよりベルトを介して手
首軸と同心配置されているプーりに動力伝達し，タイル
外周に設けられている３列溝にボールを介して回転動力
を伝達する装置が述べられていた． さらに，特開昭６４　−　７１６７８号に記載のように
、ボールネジ軸・スプライン軸一体軸を用い、直動・回
転動作の干渉を除去するため，回転形直動駆動モータを
回転駆動モータの回転子上に設ける方法が述べられてい
た． 〔発明が解決しようとする課題〕 上記第ｌの従来技術は，手首回転剛性は高いものの、ボ
ールネジ軸，スプライン軸の２軸連結機構を用いて回転
・直動動作を行っているため、機構的に複雑となり、各
軸支持ハウジングにより重量が増大し、２軸連結ブラケ
ットの曲げ変形により手首直動方向の絶対位置決め精度
が悪い問題があった。

また、上記第２の従来技術は、手首機構が同心配置の軸
により構成されており、機構的には単純だが、内側と外
側に逆巻きの螺旋状鋼球転動溝が加工されている（中空
状）＊動ナットにより４ｉｌｌｌｒＪｉ干渉を除去して
いるため、駆動ナットの高精度加工・高精度組立が要求
される問題があった。

また、上記第３の従来技術は，手首機構が同心配置の軸
により構成され機構的に単純であり、特殊機械要素部品
を用いることなく軸間干渉除去を実現しているが、手首
軸までベルトを介して動力伝達をしているため、その低
剛性に起因する伝達誤差により手首軸動作精度に限界が
あるという問題があった． 本発明の目的は、手首回転剛性の高い，機構的に単純で
軽量にでき、手首軸動作精度の高いロボット用手首装置
及び該手首装置の装着された産業用ロボットを提供する
ことにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、以下に述べる技術的手段を
採用した． （１）手首軸回転剛性を高めるために，手首軸回転減速
機を手首軸と同心配置し、手首軸回転駆動モータより手
首軸回転減速機入力軸までベルトを介してトルク伝動す
ることにより、手首回転軸高剛性化を実現した． （２）手首機構を単純化するために、手首軸として、ボ
ールネジ軸・スプライン軸一体軸を用い，手首軸に減速
機出力軸をスプライン箒合し，減速機出力軸に中空形直
接駆動モータを結合し、直接駆動モータに手首軸と螺合
するボールネジナット部を結合して構成した。

（３）手首軸の動作精度向上のために、手首軸と同軸上
における手首軸回転駆動部と手首軸直動駆動部とを直結
し、動力伝達部材を除去することにより、動力伝達部材
の伝達誤差に起因する手首軸動作精度の劣化を小さくし
た． 〔作用〕 前述の目的を達成するための個々の技術的手段の作用に
ついて述べる． （１）手首回転軸用減速機を手首部を配置することによ
り、下記原理で高剛性化がはかられる。第３図に前記第
３の従来技術に述べられている手首回転駆動モータ１の
回転動力をモータと同軸配置されている減速機２９に伝
達し、その出力をベルト３２，スプライン軸受を含む回
転体３１を介して手首軸１２に伝達する方式の構或を示
した．また、第４図に手首回転駆動モータ１の回転動力
をベルト３を介して手首部へ伝達し、手首部に配置され
ている減速機６，スプライン軸受を介して手首軸１２に
伝達する方式（前記第１の従来技術、本発明で採用）を
示した。ここで、第３図，第４図に示した手首機構の回
転剛性を比較する。ここでプーり速比は１とする。プー
りからみたベルト３２，３の回転方向剛性をｋθ，ｋθ
′、減速機回転方向剛性ｋｒ、減速機減速比ｎ，手首回
転駆動モータのサーボ剛性無限大とした時の手首軸から
みた各各の回転剛性は下式で示される．減速機モータＫ
ｚ）通常ｋ　ｒ　＞　ｋθ，ｋθ′，ｎ″ｒ５ｏである
ことを考慮すると、Ｋ　１　ｚ　ｋθ，Ｋｚχｎ”ｋθ
′となり、ｋθ〉ｋθ′である点を考慮してもｉｏｏｏ
倍程度の高剛性化をはかることができ，ベルトの伝達誤
差の著しい低減と，固有振動数の向上に伴う位置決め動
作時の静定特性の改善をはかることができる． （２）本手首装置の動作原理について第４図を用いて説
明する．第４図は本発明のロボット用手首装置の動作原
理説明図である．手首回転駆動モータ１よりベルト３を
介して回転駆動される手首部減速機６出力軸は，ボール
ネジ・スプライン一体軸より成る手首軸１２（ボールネ
ジ軸，スプライン軸別個に設ける場合と比して軽量化で
きる）にスプライン籍合するスプライン軸受を介して回
転動力を伝達し，手首軸１２の回転動作が実現される．
また、減速機６出力軸には回転子に手首軸１２と螺合す
るボールネジナット部１１が結合されている手首直動駆
動モータ９が結合されており、手首直動動作が実現され
る．前記第３の従来技術の手首装置を第３図に示したが
、直動駆動モータ３０が、回転駆動モータ１，減速機２
９出力軸に結合され、ベルト３３．３２を介して手首軸
ｌ２を直動・回転させる構成である．本発明の手首装置
はこの従来技術と比して，ベルトが１本減って機構が単
純化され，更に、第３図ではベルト３２．３３の張力調
整を独立に行うためには別にアイドルプーりを設けなけ
ればならなかったが，第４図に示す本発明の手首装置で
は、ベルト３の張力調整を軸間距離の調整のみで行うこ
とができ、機構的に単純化され，軽量化をはかることが
できる． （３）本手首装置は、手首回転駆動モーター，手首直動
駆動モータ９がｎθ４，θ８（ｎ：減速機６減速比）回
転時に、手首軸が角度θ番回転し、ボールネジナット部
が（θ８＋０４）一〇番＝０３Ｐ 軸間干渉は除去される．ここで、ベルト３でΔθ番の角
度伝達誤差が生じた場合は、手首軸ｎ り、ベルトの伝達誤差が，手首軸動作精度に大きい影響
を与えない．一方、第３の従来技術では、ベルト３３．
３２でΔθ８，Δθ番の角度伝達誤差を生じた場合、手
首軸回転角誤差：Ｐ となり、ベルトの角度伝達誤差が軸間干渉して動作精度
の劣化（Δθ８，Δθ番は各軸回転方向により異符号に
なることもある）をまねく問題がある．以上から，本発
明の手首装置は、減速機を手首部に配置した事及びベル
トを１本にしたことにより、ベルトの伝達誤差による手
首軸動作精度の劣化を小さくできる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図及び第２図を用いて説明する．
第１図は本発明のロボット用手首装置の縦断面図であり
、第２図は、第１図のロボット用手首装置を具備する水
平多関節形直接駆動ロボットの構或図を示している。ま
ず第２図を用いて本発明で対象とする手首装置を具備す
る産業用ロボットの構成とその動作について説明する．
本ロボットは水平面内で高速動作が可能で、水平方向の
剛性を可変とできる組立作業に適するタイプのロボット
である．ベースに設けられた１軸用直接駆動モータ２１
は第１アーム２２を矢印２５に示すように回転駆動し、
第１アーム２２先端に設けられた２軸用直接駆動モータ
２３は第２アーム２４を矢印２６に示すように回転駆動
し，第２アーム２４先端には、下端に作業用工具２０の
取り付けられた手首軸ｌ２が設けられており、上下方向
移動（矢印２７）と回転動作（矢印２８）を行う。

手首軸１２の上下方向，回転方向動作を行う手首軸駆動
機構３４がロボットアーム中に設けられている．工具２
０の３次元空間内における位置決めは、ｌ軸，２軸用直
接駆動モータ２１，２３及び手首軸１２上下方向駆動モ
ータにより行われ，姿勢決めは、手首軸１２の軸まわり
回転姿勢のみ手首軸１２回転方向駆動モータにより行わ
れる．アーム駆動用に直接駆動モータを用いたロボット
は低剛性な減速機を介さず直接アームに動力を伝達する
ため、軸の回転剛性を高くとることができ，かつ直接駆
動モータ制御回路の定数変更により剛性可変とできる利
点がある．このようなロボットにおいて手首装置に望ま
れることは、軽量であり，高剛性であることである．こ
れは各々アームの加減速時間の短縮、ロボット全体とし
ての動作精度の向上につながる技術項目である． これらの要求を満たすロボット用手首装置の機構を第１
図を用いて説明する．本手首装置は、（作用）の項にお
いても述べたように軽量化のためにボールネジ軸・スプ
ライン軸一体軸を用い、高剛性化のために減速機手首部
配置方式と、手首直動駆動モータの手首部設置減速機出
力軸直結方式を用いた．手首直動駆動モータの手首部設
置減速機出力軸直結方式は従来用いられていない新規な
方式である． 第１図において、手首回転駆動系は以下のように構成さ
れている．ロボットアーム５と連結されている支え板１
９に設置された手首回転駆動モータ１の回転が、プーり
２，ベルト３，プーり４を介して減速機６の入力軸に伝
達され、その出力軸から取り出された回転動力が手首軸
１２（ボールネジ軸・スプライン軸一体軸）にスプライ
ン符合しているスプライン軸受８とスプライン軸受とキ
ー結合されているスプライン軸受付部材７を介して伝達
され，手首軸１２が回転する．ここで、プーり２，４の
速比が１であれば減速比は減速機６の減速比で決まり、
プーリ速比ｌでない場合は減速機６の減速比とプーり速
比の積でモータからの減速比が定まる． 次に、手首上下駆動系について述べる．本発明では、手
首回転駆動系との干渉を避けるたる，減速機出力軸後段
に手首上下駆動系を設ける構或にした．スプライン軸受
取付部材７と結合された直動ＮｌｊＪモータハウジング
３５には内筒回転子形直接駆動モータ９が設置されてい
る．モータ９は例えばモータ固定子９ｂにはコイルが巻
回されており，モータ固定子９ｂに軸受を介して支持さ
れているモータ回転子９ａには永久磁石が設けられてお
り，コイルに通電することにより磁気作用により、モー
タ回転子９ａがモータ固定子９ｂに対して相対的に回転
する．モータ回転子９ａは中空構造となっており、手首
軸１２と内面が螺合するプーり１１と結合されており，
直動駆動モータ９の回転により，手首軸１２は上下方向
に直動動作を行う．直動駆動モータ９は通常最高３００
Ｏｒｐｍ程度まで回転する高速回転形直接駆動モータで
あリ，手首軸１２のネジリードＰ＝２０（ａｍ）の場合
、手首軸は最高１−で直動動作を行う。

Ｓ このような構造とすることにより、軸間干渉の除去がは
かられ，軽量・高剛性の手首装置が実現できる。以下述
べた駆動系の駆動制御に当ってはモータ１，９に直結さ
れた位置検出器１８．１０検出データと回転・上下方向
の移動量データθ番，？　π ■ΔＺ（＝０８）（ΔＺ：上下方向移動距離）のＰ 偏差をもとにモータ１，９のトルク指令が生或・出力さ
れる．また、上下軸は、重負荷時には直動駆動モータ９
のパワーオフ時に滑落し、位置ずれを起こすため、メカ
ニカルブレーキ（例えば無励磁作動形）を装着する必要
がある，しかるに、直動駆動モータ９と同軸上に設ける
と、ロボットエ，２軸駆動モータの負荷イナーシャが増
大するため、図示のようにボールネジナット部（プーリ
）１１，ベルト１３，プーり１４を介して回転ディスク
１７，静止ディスク１６，アクチュエータ・バネ１５よ
りなるメカニカルブレーキで位置保持を行うことにより
ロボット１．２軸駆動モータの負荷イナーシャの増大を
防ぐことができる．このメカニカルブレーキはバワーオ
フ時はバネ力で静止ディスク１６と回転ディスク１７が
接触し，摩擦により制動トルクを発生し，バワーオン時
には静止ディスクｌ６が下方に移動し、回転ディスク１
７がフリー状態となり回転可能となるという作動原理で
ある。また、プーり１１・プーり１４間で増速比３程度
とすることによりベルトの巻き角も十分とれ、モータ９
発生トルクの１／３の制動トルクで手首軸１２の滑落を
抑止することが可能になり、メカニカルブレーキの小容
量・軽量化がはかれる。また、本構成の制動装置は特願
昭６３−８７７２９号中において本出願人よりその効果
を詳述した．メカニカルブレーキ及び手首回転駆動モー
タ１は第２アーム２６中で２軸用直接駆動モータ２５近
傍もしくは２軸用直接駆動モータ２５に対して手首部ｌ
２と反対側に設けることにより、１軸用直接駆動モータ
の負荷イナーシャを軽減でき、ロボットの加減速時間を
短縮できる利点がある。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構威されているので以下
に記載されるような効果を奏する。

（１）手首回転軸用減速機を手首部に配置したため、手
首回転剛性を著しく高めることができ、位置決め時間の
短縮、手首軸動作精度の向上をはかることができる。

（２）手首軸としてボールネジ軸・゛スプライン軸一体
軸を用いて手首装置を構成することにより、手首機構を
単純にすることができ、軽量化をはかることができるの
で、ロボットアーム駆動モータの負荷イナーシャを低減
でき、加減速時間を短縮できる． （３）手首部回転減速機出力軸と手首直動駆動モータを
直結することにより，ベルトの低剛性に起因する位置伝
達誤差が低減され、手首軸の動作精度を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロボット用手首装置の縦断面図，第２
図は第ｌ図のロボット用手首装置を具備する水平多関節
形直接駆動ロボットの構或図、第３図は従来技術のロボ
ット用手首装置の動作原理説明図，第４図は本発明のロ
ボット用手首装置の動作原理説明図である。 ｌ・・・手首回転邸動モータ、２，４，１４．３１・・
・プーリ、３，１３，３２．３３・・・ベルト、５・・
・ロボットアーム、６，２９・・・減速機，７・・・ス
プライン軸受取付部材、８・・・スプライン軸受、９，
３０・・・手首直動駆動モータ、１０，１８・・・位置
検出器，１工・・・ボールネジナット部，１２・・・手
首軸（ボールネジ・スプライン一体軸）、工５・・・ア
クチュエータ・バネ、１６・・・静止ディスク．１７・
・・回転ディスク，１９・・・支え板．２０・・・工具
、２１・・・１軸用直接駆動モータ、２２・・・第１ア
ーム、２３・・・２軸用直接駆動モータ、２４・・・第
２アーム、２５，２６，２７，２８・・・各軸動作方向
，３４・・・手首軸案 図

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
   、手首軸をボールネジ軸・ボールスプライン軸一体軸に
   より構成し、回転駆動モータより手首部までベルトを介
   して動力伝達を行い、手首部に設けられた回転減速機に
   より減速した回転動力が前記一体軸とスプライン符合す
   るスプライン軸受を介して前記一体軸に伝達され、前記
   回転減速機出力軸に前記一体軸と同心に回転形直動駆動
   モータが結合され、直動駆動モータ回転子を前記一体軸
   と螺合するボールナットに結合し、ボールを介して前記
   一体軸を駆動し、直動動作を行うことを特徴とするロボ
   ット用手首装置。 ２、特許請求範囲第１項記載のロボット用手首装置にお
   いて、直動駆動モータロータと直結されたボールネジナ
   ット部より他の回転軸へベルトを介して増速動力伝達を
   行い、前記他の回転軸と同軸上にその回転を制動可能な
   メカニカルブレーキを設けたことを特徴とするロボット
   用手首装置。 ３、ベースに垂直な軸まわりに回転駆動される第１アー
   ムと、第１アーム先端の軸まわりに回転駆動される第２
   アームとからなる産業用ロボットにおいて、特許請求範
   囲第１項または第２項記載の手首軸を前記第２アーム先
   端に設け、その駆動機構をその周辺部に設けたことを特
   徴とする産業用ロボット。