JPH04348884A - 産業用ロボット - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボットに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、生産工程においてロボットの導入
による組立作業の自動化が急速に進んでいる。こうした
目的で使用されている従来の産業用ロボットの１例を図
１に示す。

【０００３】このロボットは第１腕１と第２腕２との二
関節水平構造となっている。第１腕１の根本に直流サー
ボモータ３を設けて第１腕１を直接駆動し、第１腕の先
端に軸支された第２腕２の根本に直流モータ３′を設け
て第２腕２を直接駆動する構成となっている。第２腕２
の先端にはエアシリンダ４が具備され、そのピストンロ
ッドの先端に上下軸５が取付けられ、上下軸５の下端に
はハンド６が軸支されている。したがって、エアシリン
ダ４の伸縮によりハンド６は上下動せしめられる。さら
にベース７に固定されたステッピングモータ８よりタイ
ミングベルト９，９′，９″及びプーリ１０，１０′，
１０″１０′′′を介してハンド６に回転力を伝動して
ひねり動作を行わせる。

【０００４】上述のロボット（図１）は、第１腕１と第
２腕２とによる水平面内での２自由度と、上下方向の１
自由度と、手先（ハンド）のひねりの１自由度との計４
自由度を有しており、上方向から部品を組付ける作業に
用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した従来形
の産業用ロボットには以下に示す２つの欠点がある。

【０００６】第１の欠点は、手先（ハンド）の上下動を
エアシリンダ駆動としているため、上下方向の任意の位
置決めができないことである。機械的ストッパを設けれ
ば上下動のストロークエンドでは正確に停止位置を設定
できるが、停止位置を変更しようとするとストッパ位置
を修正しなければならないので、動作パターンの模様替
えに即応できない。第２の欠点は、手先（ハンド）のひ
ねり軸駆動にステッピングモータ直結と同等な駆動方式
をとっており、ステッピングモータの脱調を生じやすく
、制御が困難なことである。

【０００７】本発明の目的は、以上説明した従来ロボッ
トの欠点を一掃すべくなされ、手先（ハンド）の上下動
を任意の位置で高い精度で停止させることができるよう
にした産業用ロボットを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、上記目
的を達成するために、ベースと、該ベース上の第１の垂
直軸心の回りに揺動できるように支持された第１の腕と
、前記第１の腕の揺動端に設けられた第２の垂直軸心の
回りに揺動できるように支持された第２の腕と、第２の
腕の先端において上下に移動できるように支持された上
下動部材と、該上下動部材と一緒に上下移動すると共に
第３の垂直軸心回りに回転できるように形成された回転
部材と、前記第２の腕上に設けられ、かつ前記上下動部
材及び回転部材を上下に移動すべく回転運動を直線運動
に変換する手段を介して上下動部材に接続された上下動
駆動モータと、前記ベース上に設けられ、かつ前記回転
部材を前記第３の垂直軸心回りに回転させるように接続
された回転駆動モータと、前記回転部材の下端に取付け
られた手先とを備付けたことを特徴とする産業用ロボッ
ト。

【０００９】

【作用】上記構成であるから上下動駆動モータの回転運
動を直線運動に変換し、かつ減速して上下動部材に伝達
するので、上下動部材と一緒に上下動し、第４の軸心回
りに回転する回転部材に取付けられた手先を上下方向に
正確に位置付けし、さらに回転部材が所定量回転できる
ため組立作業に最も適した手首機構を得ることができる
。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図２乃至図７によ
り説明する。

【００１１】図２は本発明による産業用ロボットの一実
施例の側面図、図３及び図４は同じく中央で切断した側
面図である。

【００１２】本ロボットは第１腕１１と第２腕１２とか
ら成る二関節構造と第２腕１２の先端において上下に移
動する手先機構の３自由度構成であり、手先（ハンド）
１３の回転は制御せず、手先１３の姿勢（対地角度）を
一定に保つ機構を有している。なお、手先１３の回転を
も制御する４自由度構成のものについては後で説明する
。

【００１３】第１腕１１は二分割構造となっており、第
１腕下１１′はその枢支軸と同軸上のベース２０上に設
置した直流サーボモータ２１により減速機３１を介して
直接駆動し、第１腕上１１′はその枢支軸回りに回動自
在に軸支され、第１腕下１１′及び第１腕１１″は、該
先端の間に第１腕１１に対し回動自在に軸支された第２
腕１２をはさみ込み、軸１５により連結してある。

【００１４】第２腕１２は第１腕１１の枢支軸と同軸上
のベース２０に設置した直流サーボモータ２２の出力を
減速機３２を介してダブルクランク４２に伝えるように
構成する。ここでダブルクランク４２の出力軸１８は、
第１腕上１１′に対して回動自在に軸支してある。上記
のダブルクランク４２は、図６に示すように出力軸１８
に対して同径上９０°の位相差を有する２個のクランク
ピン４２ａ，４２ｂを設けてある。これに対応して第２
腕１２の根本部にも該腕を枢支している第２軸１５に対
して同径上９０°の位相差をもつ２個のクランクピン１
２ａ，１２ｂを設ける。そして前クランクピン４２ａと
同１２ａとを連結杆５２ａで連結するとともにクランク
ピン４２ｂと同１２ｂとを連結杆５２ｂで連結しダブル
リンク機構を構成する。

【００１５】手首機構は、ベース６４ａ，６４ｂ，ラッ
ク６２からなる上下動部材と、回転ブラケット７４ａ，
７４ｂ，スプライン軸６５からなる回転部材と、手先１
３とにより構成され、その概要は、上下一対のベース６
４ａ，６４ｂをラック６２を介して連結し、上記一対の
ベース６４ａ，６４ｂによってスプライン軸６５を次記
のようにして回転自在に支承し、その下端に手先１３を
取付けて工具保持軸を構成する。

【００１６】上下一対のベース６４ａ，６４ｂにはそれ
ぞれ回転ブラケット７４ａ，７４ｂ（回転部材）を回転
自在に軸支し、スプライン軸６５（回転部材）の上端，
下端をそれぞれ上記の回転ブラケット７４ａ，７４ｂに
固着する。これにより、スプライン軸６５は第４軸（第
４の垂直軸）ＡＡの回りに回転自在に支承される。さら
に第２腕１２の先端部に、スプライン軸６５の摺動案内
のためのスプライン軸受６６を第４軸ＡＡ回りに回転自
在に支承するよう軸受ホルダ６７を固着してある。上記
スプライン軸受６６にはスプライン軸６５を貫挿するス
プロケット４５が固着してある。これにより、手先１３
を支承する手先機構が第２腕１２の先端に回転自在に支
承され、次に詳述するごとく、手先１３は第３の垂直軸
上に設けられたラック６２を介して上下動せしめられる
ように構成する。ラック６２及びスプライン軸６５は防
塵のためジャバラ６８でおおった。

【００１７】第２腕１２の根本部に直流サーボモータ２
３（第１の駆動手段）を設置し、その回転出力をシャフ
ト５３，カップリング５４を介して傘歯車６０ａに伝え
、傘歯車６０ａの回転は傘歯車６０ｂにより回転方向を
９０°変換され、平歯車６１ａ，ピニオン６１ｂに順次
に伝えられ、ラック６２を上下駆動するように構成する
。ラック６２の上下動案内は、スプライン軸６５及びス
プライン軸受６６によってなされ、ローラ６３ａはラッ
ク６２の第４軸ＡＡまわりの回転防止として、さらにロ
ーラ６３ｂはピニオン６１ｂとのかみ合わせに対するラ
ック６２の支持として構成してある。これにより、ラッ
ク６２が上下動せしめられこのラック６２に固着された
上下のベース６４ａ，６４ｂが上下動せしめられて手先
１３が上下に駆動される。手先１３の上下動はラック６
２とピニオン６１ｂとを介して直流サーボモータ２３に
よって駆動されるので、自在に上下動せしめられ、かつ
任意の位置に正確に停止させることができる。上記の回
転運動を直線運動に変換する手段として、例えば第３の
垂直軸上に設けられた送りネジとそれに組み合わされる
ナット等任意の手段を用い得る。

【００１８】次に手先１３の回転機構について説明する
。ベース２０に固定され、第１軸１６に対して回転自在
に設けられたスプロケット４５″からチェーン５４″を
介して第２軸１７と同軸の軸１５に対して回転自在に設
けられたスプロケット４５′に、さらにスプロケット４
５′からチェーン５４′を介してスプロケット４５に連
結される。スプロケット４５はスプライン軸受６６に固
定されているため、スプロケット４５を回転することに
より、スプライン軸６５を介して手先１３を回転するこ
とができる。ここでは、スプロケット４５″がベース２
０に固定してあるため、手先１３の回転は制御できない
が、第１腕１１，第２腕１２の回動にかかわらず、ベー
ス２０に対し、常に一定の角度を保つ機構となっている
。

【００１９】組立部品が方向性のないものであれば、上
記のような３自由度ロボットで充分であるが、手先１３
も制御する必要を生じた場合には、次に説明するよう簡
単に４自由度ロボットに構成できることができる。

【００２０】図７に示すように、ベース２０に直流サー
ボモータ２４（回転駆動モータ）を設置し、その回転を
減速機３４で減速し、スプロケット４４およびチェーン
５４′を介して今までベース２０に対して固定されてい
たスプロケット４５″を自由にし、該スプロケット４５
″にスプロケット４４′を追加し、回転できるようにし
て手先のひねり動作を行わせる。このひねり動作の動力
伝達要素としてチェーンを用いているのは、保守の容易
性を考慮している。つまり歯付ベルトのようにエンドレ
スの部材は、組立取はずしの際、軸部分を分解する必要
が生じる。しかし、チェーンであれば、エンドレスでな
いため、軸部分をそのままにして、チェーンの組付，取
はずしができる。

【００２１】最後に、リンク機構の特長について説明す
る。

【００２２】図６において、直流サーボモータ２２によ
り回動されたダブルクランク４２は、相互に９０°の位
相差を設けた二系統の伝導経路、即ちクランクピン４２
ａ，連結杆５２ａ，クランクピン１２ａ及びクランクピ
ン４２ｂ，連結杆５２ｂ，クランクピン１２ｂを介して
第２腕１２を駆動する。このためシングルクランクにお
けるような思案点を生じることなく広い範囲にわたって
第２腕１２を回動駆動することができる。本実施例では
約３００°の回動駆動が可能である。

【００２３】その上、上記ダブルリンク機構は、クラン
クピン４２ａ，４２ｂ，１２ｂ，１２ａが常に平行四辺
形の頂点に位置するように運動する。このため、ダブル
クランク４２を静止したままで第１腕１１を回動させる
とき第２腕１２は支承中心軸である第２腕１７に従って
平行移動する。

【００２４】以上のように第２腕１２が平行移動するこ
と、及び駆動モータをベース２０に設置したことにより
、本ロボットの回動部分の慣性モーメントは従来のロボ
ットに比して著しく小さい。次にその原理を図８，図９
を用いて説明する。

【００２５】図８は図１に示した従来形ロボットの第１
腕１が角θだけ回転する場合を模式的に表わしたもので
、２は第２腕、ａ１は第１腕１の集中質量、ａ２は第１
腕駆動モータ２３の質量、ａ３は第２腕２の集中質量、
ａ４は手先機構の集中質量である。第１腕１及び第２腕
２の長さはともに２ａとする。

【００２６】第１腕１を角θだけ回転させると第２腕２
も角θだけ回転する。従って、第１腕１の慣性モーメン
トＪはＪ＝ａ１ｒ１２＋ａ２ｒ２２＋ａ３ｒ３２＋ａ４
ｒ４２となる。ただし、ｒ１はａ１の回転半径、ｒ２は
ａ２の回転半径、ｒ３はａ３の回転半径、ｒ４はａ４の
回転半径である。

【００２７】図９は前記実施例の第１腕１１が角θだけ
回転する場合を模式的に示した図である。

【００２８】図６において説明したように、本発明に係
る組立ロボットは、第１腕が角θだけ回転したとき第２
腕は第２軸に沿って平行移動する。従って、第２腕の回
転半径は第１腕の長さを加えたものにならない。このた
め、第１腕１１の慣性モーメントＪ′はＪ′＝（ｍ１＋
ｍ５）ｒ１２＋ｍ３ｒ′３２＋ｍ４ｒ′４２となる。ｍ
５はリンク１０の質量である。

【００２９】ここで第１腕，第２腕の長さをともに２ａ
として図８，図９における慣性モーメントを比較してみ
ると、 Ｊ＝ｍ１ａ２ｍ２（２ａ）２＋ｍ３（３ａ）２＋ｍ４（
４ａ）２＝（ｍ１＋４ｍ２＋９ｍ３＋１６ｍ４）ａ２Ｊ
′＝（ｍ１＋ｍ５）ａ２＋ｍ３（２ａ）２＋ｍ４（２ａ
）２＝（ｍ１＋４ｍ３＋４ｍ４＋ｍ５）ａ２設計常識的
にｍ２＞ｍ５と考えられるので、明らかに、Ｊ＞＞Ｊ′
となる。

【００３０】例えば、ｍ１＝５Ｋｇ，ｍ２＝３Ｋｇ，ｍ
３＝４Ｋｇ，ｍ４＝３Ｋｇ，ｍ５＝１Ｋｇ，２ａ＝０．
４ｍとして試算してみると、Ｊ＝４．０４Ｋｇｍ２，Ｊ
′＝１．３６Ｋｇｍ２となり、本発明の適用によって第
１腕の慣性モーメントは従来のロボットに比して約１／
３となる。

【００３１】これにより、本発明を適用した場合、従来
と同程度の動作速度であれば第１腕の駆動モータを著し
く小容量のものとすることができる。また第１腕の駆動
モータを従来と同程度にすれば動作速度が格段に速くな
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転部材に取付けられた手先の上下動を任意の位置に高
い精度で停止させることができ、組立作業に最も適する
ロボットが得られる優れた実用的効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来一般に用いられている二関節形の産業用ロ
ボットの正面図、

【図２】本発明に係る産業用ロボットの正面図、

【図３
】図２の産業用ロボットの中央断面図、

【図４】図２の
産業用ロボットの中央断面図、

【図５】工具保持軸駆動
部分の平面図、

【図６】ダブルリンク部分の平面図、

【図７】工具保持軸回転駆動モータ部の正面図、

【図８
】従来の産業用ロボット機構を示す模式図、

【図９】本
発明の一実施例に係る産業用ロボットのリンク機構を示
す模式図。

【符号の説明】

１１…第１腕、 １２…第２腕、 ２０…ベース、 ２１，２２，２３，２４…駆動モータ、４２…ダブルク
ランク、 ５２ａ，５２ｂ…ダブルリンク機構の連結杆、５４，５
４ｆ，５４″…チェーン、 ６０ａ，６０ｂ…傘歯車、 ６１ａ，６１ｂ…平歯車、 ６２…ラック、 ６５…スプライン軸、 ６６…スプライン軸受。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．ベースと、該ベース上の第１の垂直軸心の回りに揺
   動できるように支持された第１の腕と、前記第１の腕の
   揺動端に設けられた第２の垂直軸心の回りに揺動できる
   ように支持された第２の腕と、前記第２の腕の揺動端に
   設けられた第３の垂直軸を介して上下方向に摺動自在に
   設けられた手首機構と、前記第２の腕に設けられた前記
   手首機構を上下方向に摺動するための駆動力を供給する
   駆動モータと、前記駆動モータの回転運動を前記第３の
   垂直軸上で、回転運動を直線運動に変換するよう前記第
   ２の腕に回転運動部材を、前記手首機構に直線運動発生
   部材をそれぞれ配置した変換機構と、前記変換機構の第
   ３の垂直軸と平行となるように前記手首機構に配置され
   、第４の垂直軸心の回りに回転できるように形成された
   回転部材と、前記直線運動発生部材の運動を前記回転部
   材へ伝達することにより前記回転部材を上下方向に摺動
   し、かつ前記回転部材を回転自在に軸支するように、直
   線運動発生部材と回転部材とを連結する連結部材と、前
   記回転部材を前記第４の垂直軸心の回りに回転させるよ
   うに接続された回転駆動モータとを有することを特徴と
   する産業用ロボット。