JPH03213280A - 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） この発明は、産業用ロボット、特に関節部を具備する産
業用ロボットに関する。

（従来技術） 近年、産業界において、可動範囲が広く動作の自由度が
高いことより、立体構造物の溶接。

組立あるいは塗装等の複雑な動作を必要とする分野を中
心に、多関節型ロボットが多用されている。

この多関節型ロボットは、′大別すると、関節部゛の自
由度が主として水平方向に構成された水平多関節型のも
のと、関節部の自由度が主として垂直方向に構成された
垂直多関節型のものに大別される。

一般的に、垂直多関節型ロボットは、第８図に図示する
ように、ベース部ｌに対してロータトランク部２が回動
中心軸３を中心に矢印Ｒ′で示す方向に回動自在に配設
されている。このロータトランク部２には、同芯状の二
つの駆動軸４Ａ　４Ｂをそれぞれ具備する駆動モータＭ
が配設されている。上記一方の駆動軸４Ａには、矢印Ｑ
°で示す方向に回動自在になるようリンク部材５Ａの下
端が固着され、且つ他方の駆動軸４Ｂには、矢印Ｐ′で
示す方向に回動自在になるようリンク部材５Ｂ　（破線
参照）の左端が固着され、さらに上記リンク部材５Ｂの
右端には、リンク部材５Ｃが回動自在に枢支されている
。そして、上記リンク部材５Ａとリンク部材５Ｃの各上
端部は回動自在に上部アーム部６の離間した位置に回動
自在に枢支されている。上記上部アーム部６の先端部位
には基部６Ａ側に対して矢印Ｗ゛で示す方向に回動自在
な先端部６Ｂが取着され、この上部アーム部６の先端部
６Ｂの先端側には、手首部７が矢印Ｖ′に示す方向に回
動自在に取着されている。

そして、上部アーム部６は、上記リンク部材５Ｂが固定
されたままでリンク部材５Ａが回動することによって、
あるいはリンク部材５Ａが固定されたままでリンク部材
５Ｂが回動することによって動作し、例えば、リンク部
材５Ｂとリンク部材５Ａが時計方向に限度まで回動する
と、第８図の右側部位に二点鎖線で示される位置まで後
退すること（図において右側方向への移動）ができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の垂直多関節型ロボットの場合
には、上部アーム部６を支持するリンク部材５Ａ、５Ｂ
、５Ｃが相互に干渉してそれぞれ一定の角度以上回動す
ることができず、このため、上部アーム部６を大きく後
退動作させたりあるいは上方へ大きく回動させるこきが
できないという不都合があった。

また、上述の上部アーム部６を大きく後退動作させたり
上方へ大きく回動させることができる垂直多関節型ロボ
ットとして、第９図に図示するような構成のロボットが
ある。この種の垂直多関節型ロボットは、各関節部（上
記ベース部１とロータトランク部２、下部アーム部５と
上部アーム部６等の支持部材と被支持部材の回動可能な
接続部をいう。）において、該関節部の基端例の部材で
ある支持部材と該関節部の先端側の部材である被支持部
材間が、回動に際して干渉することがないため、上述の
第８図に示すロボットのような動作範囲が限定されると
いう問題点はない。

しかしながら、この第９図に図示する垂直多関節型ロボ
ットの場合には、下部アーム５を回転させるとき上部ア
ーム６も一体となって回転するため、この下部アーム５
を回転させる駆動モータＭの負荷トルク（回転モーメン
ト）が非常に大きくなる。特に、重負荷用ロボット（重
量物を扱うことができるロボットをいう）になると、上
記下部アーム５が第１０図に図示するような状態になっ
たとき、該下部アーム部５を回動させる駆動モータＭの
負荷トルクが非常に大きくなり、このため、重負荷用ロ
ボットにはこのような構造を採用することは実用的では
ない。

本発明は、上記現況に鑑みおこなわれたもので、上述の
ような問題のない産業用ロボットを提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段） 本発明にかかる産業用ロボットは、部材間に回動自在な
関節部を具備するとともにベース部がほぼ水平な設置面
に設置される産業用ロボットにおいて、 第１の関節部の回動中心軸が垂直軸で構成されるととも
に、第２の関節部の回動中心軸が垂直若しくは水平でな
い傾斜した軸によって構成され、且つ第２の関節部の先
端側の部材の先端が該第２の関節部の回動中心軸上に存
在しないよう構成されていることを特徴とする特（作用
） しかして、上述のように構成された産業用ロボットは、
第１及び第２の関節部が回動する際、第１の関節部の回
動中心軸が垂直軸で構成され、且つ第２の関節部の回動
中心軸が垂直若しくは水平でない傾斜した軸によって構
成され、各関節部はこれらの回動中心軸を中心に回動す
るため、回動に際し各関節部の両端側の部材、即ち、関
節部の先端側の部材（被支持部材）と関節部の基端例の
部材（支持部材）が、干渉することがないことより広い
動作範囲を得ることができる。即ち、大きく後退動作さ
せたりあるいは上方へ大きく回動させることができる。

また、回動中心軸まわりの回転モーメントの大きさは［
（負荷位置から回動中心軸までの距離）×（負荷の回動
中心軸方向の分力）Ｊによって決まるが、はぼ水平な設
置面に配設されたベース部上の第１の関節部の回動中心
軸が垂直軸で構成され、且つ第２の関節部の回動中心軸
が垂直若しくは水平でない傾斜した軸によって構成され
ていることに起因して、上記「負荷の回動中心軸方向の
分力」が非常に小さくなるため、第９図に図示するロボ
ットの関節部の場合に比して、被支持部材を回動させる
のに大きな負荷トルクを必要としない。具体的には、従
来の第９図に図示するロボットの場合には、第７図（ｂ
）に図示するように、第２の関節部Ａに作用する回転軸
まわりの回転モーメントＴ２　　“は、負荷重量をＷ、
第２の関節部から負荷までの長をｌ、垂直軸（この場合
Ｚ軸）からの傾きをθ２とすると、 Ｔｚ　　＝Ｗ　−１，−５ｔｎ　　θ２となる。

これに対して、本発明にかかるロボットの場合には、第
７図（ａ）に図示するように、第２の関節部Ａに作用す
る回転軸まわりの回転モーメントＴ２は、負荷重量をＷ
、第２の関節部から負荷までの長を２、垂直軸（こめ場
合Ｚ軸）からの傾きをθ２、第２の関節部の回動中心軸
０．の水平軸（この場合Ｘ軸）からの傾きをθ、とする
と、負荷重量の回転方向の分力は「Ｗ−２・ｃｏｓθ、
−５ｉｎ　θ２」となるため、Ｔ、＝Ｗ　−１−ｃｏｓ
”θ、・ｓｉｎ　　θ２となる。

従って、両者の第２の関節部の回転軸まわりの回転モー
メントの最大値（Ｔｚ　　°）、、え、　　（Ｔｚ）、
□は、それぞれ以下のようになり、本発明にかかるロボ
ットの場合には従来のものと比べてθ、を大きくとれば
とる程小さい回転モーメントでよいことが判る。

（Ｔｚ　　°）、□　＝Ｗ−２ （Ｔｚ ） ＝Ｗ−Ｚ ’　ｃｏｓ”θ３ さらに、 第１及び第２の関節部の回動中心軸が 、該関節部の両側の部材（支持部材と被支持部材）の軸
線が垂直あるいは傾斜角を有し、従来のように極端に屈
曲しないため、この関節部に中空部を形成した場合には
、関節部の両側の部材が連続した緩やかに曲がった空間
となり、配管、配線等のケーブルホース（本明細書にお
いて、配管、配線等をケーブルホースという）を上記部
材に対して回転自在に固定しても、回動中心軸の回転に
よる上記ケーブルホースのねじれの発生が小さく、これ
ら内部の配管、配線の信顛性が大幅に向上する。

従って、従来、関節部において外部に露出させていた配
管および配線を内部に収納することができ、この結果、
被作業物との接触によるこれら配管等の損傷が防止でき
、又ハンド部近傍での作業の火花あるいは有機溶剤によ
り配線等が損傷を受けることはない。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら具体的に説
明する。

第１図は本発明の実施例にかかる産業用ロボットの構成
を示すスケルトン図である。

第１図において、１はベース部、２はロータトランク部
、５は下部アーム部、６は上部アーム部、７は手首部で
ある。上記ロータトランク部２と下部アーム５の間に関
節部（本実施例において第２の関節部を構成する関節部
）Ａが形成されており、この関節部へ〇回動中心軸０．
は垂直若しくは水平でない傾斜した軸、即ち、該回動中
心軸０３が水平面に対して傾斜角θ１を有するよう構成
されている。この結果、下部アーム５の先端は、上記回
動中心軸Ｏ１上に存在しないような構成となっている。

本実施例の場合、上記構成は、上記ロータトランク部２
と下部アーム部５の仮想接触面ｌＯが、該ロータトラン
ク部２と下部アーム部５のそれぞれの軸線０□、０．に
対してなす傾斜角θ４を、上記傾斜角θ３に等しく形成
する七ともに、これらのロータトランク部２と下部アー
ム部５の間を回動自在に連結することによりなされる。

そして、本実施例では、これらの間の回動が円滑におこ
なわれるよう、ロータトランク部２と下部アーム部５の
間にクロスローラベアリング１１が配設されている。

また、上記下部アーム部５と上部アーム部６との間の関
節部（本実施例において第３の関節部を構成する関節部
）Ｂも、上記関節部Ａと同様に構成されている。

そして、上記第３の関節部の°回動中心軸０．（水平面
に対する回動軸０．の傾斜角をθｂとする）が、先端側
の部材である下部アーム５に対して平行若しくは直角で
ない傾斜した軸によって構成され、また、本実施例では
、上記関節部Ａの回動中心軸０３と、上述の関節部Ｂの
回動中心軸Ｏｂ・とが同一平面（第１図の紙面となる面
）上に位置するよう構成されており、ある姿勢（第１図
の状態）において、後述する軸線０゜及び上記軸線０．
、０ｂが平行になることができるようになっている。

また、ベース部１とロータトランク部２の接続部で形成
される関節部（本実施例において第１の関節部を構成す
る関節部）Ｄでは、それらの軸線（Ｌ、　０２と回動中
心軸０４が共に垂直軸状に配設され、水平面内で回動す
るよう構成されている。

そして、上記ベース部１には駆動モータ（サボモータ）
Ｍ＋が配設され、この駆動軸１４Ａに取着された歯車１
４ａがロータトランク部２の基部に形成された歯車１４
ｂに噛合し、上記駆動モータＭ、の回転により固定側の
ベース部１に対してロータトランク部２が回動中心軸Ｏ
ｄを中心に矢印Ｒで示す方向に回動するよう構成されて
いる。

また、上記ロータトランク部２にも駆動モータ（サーボ
モータ）Ｍ２が配設され、この駆動軸１４Ｂに取着され
た歯車１４ｃが下部アーム５の基部に形成された歯車１
４ｄに噛合し、上記駆動モータＭ２の回転によりロータ
トランク部２に対して下部アーム５が回動中心軸Ｏ１を
中心に矢印Ｐで示す方向に回動する。従って、回動の際
、上述のように下部アーム５の先端は、回動中心軸０．
上に存在しないこととなる。即ち、関節部Ａを形成する
ロータトランク部２と下部アーム５との間において、被
支持部となる下部アーム５と支持部となるロータトラン
ク部２の二つの軸線０１，０□の交角が、該関節部Ａの
回転により変化することとなる。

さらに、上記下部アーム５にも駆動モータ（サーボモー
タ）Ｍ３が配設され、この駆動軸１４Ｃに取着された歯
車１４ｅが上部アーム６の基部に形成された歯車１４ｆ
に噛合し、上記駆動モータＭ３の回転により下部アーム
５に対して上部アーム６が回動中心軸Ｏｂを中心に矢印
Ｑで示す方向に回動する。従って、回動の際、上部アー
ム６の先端は回動中心軸Ｏｂ上に存在しないこととなる
。即ち、関節部Ｂを形成する下部アーム５と上部アーム
６との間において、被支持部となる上部アーム６と支持
部となる下部アーム５の二つの軸線Ｏ，，ＯＳの交角が
、該関節部Ｂの回転により変化することどなる。

しかして、上述のように構成された本産業用ロボットは
、以下のように作用する。

即ち、第１図に示す状態から、上記駆動モータＭ　２　
、　Ｍ　３を駆動させて、ロータトランク部２に対して
下部アーム５を関節部Ａで回転させ、下部アーム５に対
して上部アーム６を関節部Ｂで回転させるとともに、上
記関節部Ａ、　Ｂの回動により生じた上記各アームの矢
印Ｒ方向の回転を補正（是正）するため駆動モータＭ１
を駆動させてベース部１に対してロータトランク部２を
関節部りで回転させると、前方・後方に自由に大きく動
作・させることができる。

より具体的には、このロボットの種々の動作をシュミレ
ーションさせた、第３図（ａ）〜（ｄ）に図示するよう
な従来の垂直多関節型ロボットのような動作から、第４
図（ａ）〜（ｄ）に図示するような従来の水平多関節型
ロボットのような動作まで、あるいはこれらの複合的な
動作を、このロボットはおこなうことができる。即ち、
本ロボットが、上記構成に起因して、一つの手首部先端
の位置を決定する場合にも、上部アーム、下部アーム、
ロータトランク部等の各動作の組合せにおいて、幾通り
かの組合せの、何れによってもおこなうことが可能とな
っている。

従って、従来垂直多関節型ロボットと複数のタイプの水
平多関節型ロボットを配置して作業させていた製造ライ
ンあるいは組立ラインにおいて、この発明にかかるタイ
プの産業用ロボット−つでもって上記従来と同じかある
いはそれ以上の複雑な作業をおこなわせることができる
。

また、この産業用ロボットの場合には、第９図に示す従
来の垂直多関節型ロボットにおいては、支持部に対して
被支持部の回動角が９０°のとき（第１θ図参照）、即
ち、支持部に対して被支持部が水平になったときに、こ
の関節部に最大のモーメントが発生することになる。こ
のモーメントを式で表すと、この最大となるモーメント
Ｔ’□、は、それより先端側の重量をＷとし、その重心
までの距離を２とすると、 Ｔ　’、、１Ｉ＝Ｗ−１ｔ　−５ｉｎ　９０゜＝Ｗ−４
！ となる。

これに対して、支持部に対して被支持部の回動角が９０
°のとき、本実施例にかかるロボットの場合には、例え
ば上記関節部の傾斜角θ、、θ。

等を仮に４５°とすると、 Ｔ、、ｘ　＝Ｗ　−ｆ　・ｃｏｓ”　４５　°　・ｓｉ
ｎ　９０’＝　０．５・Ｗ−１ となり、それぞれの関節部に作用する最大の回転モーメ
ントＴ、、、が半減し、従って駆動モータの負荷トルク
が半減するため、重負荷用ロボットとしても充分適応で
きる。

さらに、本実施例にかかるロボットの場合、上記回動角
度が１８０°のとき（第１図の状態から被支持部が支持
部に対して１８０°回動した状態のとき）、即ち、従来
の構成のロボットにおいて回転モーメントＴがｒＴ＝Ｗ
−１１３と最も大きくなる被支持部が水平姿勢をとると
き、上述の各関節部の回転モーメントＴをゼロにするこ
とができ、従って、関節部がこの状態にあるときには、
関節部が機構的に負荷を受は持つことより、その関節部
を駆動させる駆動モータの負荷はゼロとなり、消費電力
を節約することができるとともに、駆動モータに無用な
負荷をかけないで済むことになる。

また、本産業用ロボットは、第２図に図示するように、
手首部７（第１図参照）に取着される作業用ハンド部等
への空圧配管、あるいは駆動モータのための配線等を簡
単に関節部Ａ、Ｂを通すことができ、しかも、関節部Ａ
、Ｂが回動する際にも、上述のように関節部の回動中心
軸ｏ、、　Ｏｈが傾斜角θ８．θｂを有し、関節部りの
回動中心軸０４が垂直軸で構成されているため、これら
の配管および配線が極端に屈曲したりあるいは大きく捩
じれることがない、特に、本実施例では、第２図に図示
するように、各関節部に筒状体のケーブルガイド８を該
関節部に対して回転自在に配設し、捩じりが殆ど生じな
いよう配慮されている。この構成の場合には、配管及び
配線等は支持部と被支持部間の回動に伴う曲げをうける
だけとなり、しかもその曲げも第２図に図示するように
緩やかな曲率の曲げとなるため、繰り返しの曲げに対し
ても非常に大きな耐久力を有するとともに、また、外部
からの損傷に対する保護作用も有する。

ところで、上記実施例では、各関節部の回動中心軸が同
一平面上、即ち、各関節部における被支持部と支持部の
間の傾斜面が１８０°異なる傾斜方向に形成されている
が、第５図に図示するように、各関節部毎にこの傾斜方
向を適当に４５＠、あるい・は図示しないが３０°、９
０°等のように各関節部毎に変化させる等することによ
り、上述した第３図（ａ）〜同あるいは第４図（ａ）〜
（ｄ）に図示する動作よりさらに複雑な動作をさせ得る
こともできる。

また、第６図に図示するように、第２の関節部Ａと第３
の関節部Ｂ間の下部アーム５上に回動自在な第４関節部
Ｅを設ければ全体としてさらにフレキシブルな動作が可
能となり、特に、この第４の関節部Ｅの回動中心軸０．
、を、この下部アーム５の軸線ＯＳ上あるいはこれに平
行な軸線で構成すればさらにフレキシブルな動作が可能
となる。即ち、上記関節部Ｅのみを回動させることによ
り、ロボットのハンド部の先端位置と姿勢が決められた
場合でも、下部アーム５と上部アーム６の間接部Ａの屈
曲状態を定めた状態で、該下部アーム５の下端のポイン
ト（ロータトランク部との間接部の回動中心軸）と上部
アーム６の上端のポイント（ハンド部との間接部の回動
中心軸）を結ぶ線を軸として、該下部アーム５と上部ア
ーム６を一体として自在に回転させた各姿勢をとること
ができ、この結果、より自在な動作が可能となる。

（発明の効果） 本発明にかかる産業用ロボットは、上述のように構成さ
れ且つ作用を有するため、以下のような効果を得ること
ができる。

（ａ）１本産業用ロボットは、上述のように大きく後退
動作させたりあるいは上方、へ大°きく回動させること
ができるため、従来ある一連の作業をさせるために各作
業に合致した複数のタイプ（水平多関節型、タイプの異
なる垂直多関節型等・）のロボットを配置しなければな
らなかったのが、本発明にかかる一つのタイプのロボッ
トで置き換えることができるとともに、従来ロボットで
はできなかったところへのロボットの適用が可能となる
。この結果、設備費及び維持費が大幅に削減できるとと
もに維持管理が容易になり、且つロボットの需要が増大
する。

（ｂ）、また、シンプルな構造で、構造的に部材に開き
部分（端部がどこにも連結されていない自由端の部分）
がないため、高い剛性を実現できる。・ （Ｃ）、また、重負荷用のロボットとして使用する場合
にも、先端側の手首部、上部アーム等の第２の関節部に
作用する自重負荷を小さ（できるため、駆動モータや減
速機にかかるトルク容量が小さくなり、大きな動作範囲
の必要なロボットをコンパクトに設計することが可能と
なる。

（ｄ）、また、上述のように関節部の回動角が１８０°
及び０°のときには、関節部が機構的に負荷を受は持っ
て駆動モータにはなんら負荷が作用していないため、ロ
ボットの作動に際しこの状態をできるだけ形成するよう
にすれば、ロボットの消費電力をかなり削減することが
可能となり、また駆動モータの寿命も延ばすことができ
る。

（ｅ）、従来関節部において露出゛していた配管あるい
は配線を内包することができるため、機械の内部の溶接
あるいは組立等でその機械にロボットが近接する場合等
においても、これら配管あるいは配線が損傷する可能性
を可及的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかる産業用ロボットの構成
を示すスケルトン図、第２図は関節部に配管および配線
を通した状態を示す産業用ロボットの部分側断面図、第
３図（ａ）〜（ｄ）、第４図（ａ）〜（ｄ）は本実施例
にかかる産業用ロボットの各種の動作を作業対象物であ
る自動車とともに示したシュミレーション図、第５図は
関節部の傾斜面の方向を示す関節部をモデル化して示し
た斜視図、第６図は別の実施例にかかる産業用ロボット
の構成を示すスケルトン図、第７図（ａ）は本発明のロ
ボットにおいて負荷が第２の関節部の回動中心軸に作用
する回転モーメントを図示する作用図、第７図（ｂ）は
第９図に示す従来のロボットにおいて負荷が第２の関節
部の回動中心軸に作用する回転モーメントを図示する作
用図、第８図は従来の平行リンク型垂直多関節ロボット
を示す側面図、第９図は従来の直動型垂直多関節ロボッ
トを示す正面図、第１０図は第９図の垂直多関節型ロボ
ットの一つの状態を示す側面図である。 Ａ・・・関節部（第２の関節部）、Ｂ・・・関節部（第
３の関節部）、Ｄ・・・関節部（第１の関節部）、Ｅ・
・・関節部（第４の関節部）、１・・・ベース部、５・
・・下部アーム（第２の関節部の先端側の部材）、Ｏｌ
・・・回動中心軸（第１の関節部の回動中心軸） １１ ・・・回動中心軸 （第２の関節部の 回動中心軸）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、部材間に回動自在な関節部を具備するとともに
   ベース部がほぼ水平な設置面に設置される産業用ロボッ
   トにおいて、 第１の関節部の回動中心軸が垂直軸で構成されるととも
   に、第２の関節部の回動中心軸が垂直若しくは水平でな
   い傾斜した軸によって構成され、且つ第２の関節部の先
   端側の部材の先端が該第２の関節部の回動中心軸上に存
   在しないよう構成されていることを特徴とする産業用ロ
   ボット。
2. （２）、前記第２の関節部の先端側の部材上にこの部材
   とさらに先端の部材とを連結する第３の関節部を有し、
   この第３の関節部の回動中心軸が、上記第２の関節部の
   先端側の部材に対して平行若しくは直角でない傾斜した
   軸によって構成されていることを特徴とする請求項第１
   項記載の産業用ロボット。
3. （３）、前記第２の関節部と第３の関節部間の部材上に
   回動自在な第４の関節部を設けたことを特徴とする請求
   項第２項記載の産業用ロボット。
4. （４）、前記関節部に中空部を形成し、この中空部にケ
   ーブルホースを配したことを特徴とする請求項第１項乃
   至第３項のいずれか一項に記載の産業用ロボット。