JPH05138573A - ロボツトの手首機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 産業用ロボットの直接教示時における操作ハ
ンドルの操作性を向上させる。 【構成】 第二の軸１３に回転自在に支持され、かつ第
三の軸１５を回転自在に支持する第二ケース部材１４の
先端に重力方向からティーチングハンドル１９を設置す
るとともに、第一の軸１１に回転自在に支持され、かつ
第二の軸１３を回転自在に支持する第一ケース部材１２
が、重力と反対方向に突出部を形成している。 【効果】 手首１０における重力方向への突出部が減少
するので、直接教示時の操作性が大幅に向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットの手首
機構に係わり、特に塗装やシーリング等に用いて好適な
ロボットの手首機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットの手首機構としては、従
来より例えば特開昭６０−４８２９１号公報に開示され
るものがある。このロボットを図８ないし図１０に示
す。

【０００３】このロボットにおいては、アーム７０の先
端部に第一ケース部材７１が、アーム７０の軸線と直交
する第一の軸回りに回転可能に軸支され、この第一ケー
ス部材７１の先端部上面には、第二ケース部材７２が第
一ケース部材７１の軸線と直角な方向に延び、かつ前記
第一の軸と同一平面上に位置する第二の軸回りに回転可
能に軸支されている。そして、第二ケース部材７２の先
端には、手首先端部７３が、前記第二の軸と直交し、か
つ前記第一の軸と同一平面上に位置する第三の軸回りに
回転可能に軸支されている。

【０００４】また、第一ケース部材７１内には、平歯車
７４，７５，７６が前記第一の軸回りに配設され、これ
ら平歯車７４，７５，７６により、第一ケース部材７１
および第二ケース部材７２が連動可能となっている。上
記従来例においては、図８および図９に示すように、第
一ケース部材７１が、前記第三の軸に対して水平に保っ
た場合、前記第一の軸および前記第三の軸を含む平面に
対して重力方向に突出するように構成されている。

【０００５】一方、図１０に示すように、第一ケース部
材７１、第二ケース部材７２および手首先端部７３への
回転力の伝達には、それぞれアーム７０内に設けた巻き
掛け伝動部材７７が用いられ、特に、第二ケース部材７
２および手首先端部７３への回転力の伝達には、２組の
かさ歯車７８ａ，７８ｂ，７９ａ、７９ｂがそれぞれ用
いられている。そして、これらのかさ歯車７８ａ，７８
ｂ，７９ａ，７９ｂのうち、符号７８ａ，４９ａで示さ
れるものは、第一ケース部材７１内に、ピッチ円錐角が
対向するような向きで設置されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のロボットの手首機構を、例えば塗装ガンのようなエ
ンドエフェクタを持って教示を行う直接教示型のロボッ
トに用いた場合には、教示が困難となる場合があるとい
う問題がある。これは、一般に直接教示を行う場合に
は、後に図５で示すように、エンドエフェクタの重力方
向側にその重量を支えるようにティーチングハンドルを
取り付けて使うことが多いが、上記従来のロボットの手
首機構においては、その際に第一ケース部材７１の重力
方向に形成された突出部が邪魔になるからである。

【０００７】また、直接教示に最も適するダイレクトド
ライブ形のロボットにおいては、一回転形検出器付きモ
ータを直列に配して使うことが多いが、その場合、第一
ケース部材７１内においてかさ歯車７８ａ，７９ａが対
向状態で使用されていると、かさ歯車７８ａ，７９ａの
軸が相互に干渉しやすく、それぞれが独立した広い動作
角度を得ることが困難であるという問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の各問題
を解決する目的でなされたもので、駆動源により駆動さ
れる駆動軸が設けられたアームと、このアームの先端に
設けられ前記駆動軸から駆動力が供給される軸を備えた
ロボットの手首機構において、前記駆動軸の駆動力を前
記軸に伝達させる駆動機構が、前記軸と前記アームとを
結ぶ線上において重力と反対の方向に凸となって設けら
れており、特に前記軸はその長手方向の軸線回りに回転
する軸であって、この軸と前記駆動軸とが平行になった
ときに前記駆動機構が重力と反対の方向に凸となるロボ
ットの手首機構である。

【０００９】

【作用】本発明のロボットの手首機構においては、駆動
軸の駆動力を軸に伝達させる駆動機構が、前記軸とアー
ムとを結ぶ線上において重力と反対の方向に凸となって
設けられる構成を有するので、前記アームの重力方向へ
の突出部分が縮小され、直接教示時等における前記ロボ
ットの操作性が大幅に向上する。

【００１０】

【実施例】以下、図面に基づき、本発明の実施例につい
て更に詳しく説明する。図１ないし図５は本発明の一実
施例を示すものである。図１は本発明を適用するロボッ
トの全体図である。基台１は床面に固定され、その上部
には旋回ベース２が矢印Ａ方向に回転自在に支持されて
いる。旋回ベース２には第一アーム３の一端が矢印Ｂ方
向に旋回自在に支持され、第一アーム３の他端には第二
アーム６が矢印Ｃ方向に旋回自在に支持されている。ま
た、第二アーム６と旋回ベース２の間はリンク部材４，
５で連結されている。

【００１１】第二アーム６はアーム基部７，アーム胴部
８，アーム前部９からなり、このアーム前部９には手首
１０が取り付けられている。この手首１０は、アーム前
部９の第一の軸１１回りを矢印Ｄ方向に旋回する第一ケ
ース部材１２と、この第一ケース部材１２の第二の軸１
３回りを矢印Ｅ方向に回転する第二ケース部材１４およ
び第二ケース部材１４の第三の軸１５回りを矢印Ｆ方向
に回転する軸部材１６から構成されている。更に、軸部
材１６には取り付けブラケット１７を介し塗装ガン１８
が取り付けられており、取り付けブラケット１７には直
接教示用のティーチングハンドル（操作ハンドル）１９
が設置されている。

【００１２】ここで、第一の軸１１はアーム軸線３４に
直交し、第二の軸１３はアーム軸線３４を含む平面上に
位置し、また、第三の軸１５は第二の軸１３に直交し、
かつ第一の軸１１を含む平面上に位置している。

【００１３】第二アーム６のＸ−Ｘ線に沿った断面図を
図２に示す。アーム基部７の後部にはダイレクトドライ
ブモータ（以下ＤＤモータという）２０のステータ２０
ａが固定されている。ステータ２０ａには軸受２０ｃ，
２０ｄを介しロータ２０ｂが回転自在に支持され、ロー
タ２０ｂには筒状のスペーサ２３が固定されている。そ
して、以下スペーサ２３にＤＤモータ２１のステータ２
１ａが、またロータ２１ｂにスペーサ２４が、更にスペ
ーサ２４にＤＤモータ２２のステータ２２ａが順次結合
されている。

【００１４】一方、ロータ２０ｂ，２１ｂ，２２ｂには
アーム胴部８に同軸に設けられた筒部材２５，２６，２
７の後端がそれぞれ固定されている。この筒部材２５，
２６，２７の前部はアーム前部９内の軸受２８，２９，
３０で支持され、さらに前端にかさ歯車３１ａ，３２
ａ，３３ａがそれぞれ取り付けられている。

【００１５】かさ歯車３１ａはかさ歯車３１ｂと噛み合
っており、かさ歯車３１ｂは軸受３５によりアーム前部
９に回転自在に支持されているとともに、フランジ４１
を介し第一ケース部材１２のケース腕部１２ａに固定さ
れている。また、第１ケース部材１２の反対側のケース
腕部１２ｂはフランジ３８を介し、軸受３６によりアー
ム前部９に回転自在に支持されている。

【００１６】かさ歯車３２ａはかさ歯車３２ｂと噛み合
っており、このかさ歯車３２ｂは軸３９を介し平歯車４
０ａと一体に結合されると共に、軸受３７によりかさ歯
車３１ｂ，フランジ４１に回転自在に支持されている。
また、平歯車４０ａには、ケース腕部１２ａと一体の軸
４７に軸受４８を介し回転自在に支持された平歯車４０
ｂが噛み合っており、この平歯車４０ｂには平歯車４０
ｃが噛み合っている。平歯車４０ｃは軸５０を介しかさ
歯車５３ａと一体に結合されると共に、軸受４９により
ケース胴部１２ｃに回転自在に支持されている。

【００１７】かさ歯車３３ａはかさ歯車３３ｂと噛み合
っており、該かさ歯車３３ｂは軸４２を介し平歯車４３
ａと一体に結合されると共に、軸受４４によりフランジ
３８に回転自在に支持されている。平歯車４３ａには、
ケース腕部１２ｂと一体の軸４５に軸受４６により回転
自在に支持された平歯車４３ｂが噛み合っており、平歯
車４３ｂには平歯車４３ｃが噛み合っている。平歯車４
３ｃは軸５２を介しかさ歯車５４ａと一体に結合される
とともに、軸受５１によりケース胴部１２ｃに回転自在
に支持されている。ここで、かさ歯車５３ａ，５４ａは
ピッチ円錐が重なるようにアーム軸線３４に対して同一
の側に配置されている。

【００１８】第二アーム６のＹ−Ｙ線に沿った断面図を
図３に示す。かさ歯車５３ａと噛み合うかさ歯車５３ｂ
は、第二ケース部材１４に一体に結合されており、第二
ケース部材１４は軸受５６を介しケース胴部１２ｃに回
転自在に支持されている。かさ歯車５４ａと噛み合うか
さ歯車５４ｂは、軸５５を介してかさ歯車５８ａと一体
に結合されると共に、軸受５７により第二ケース部材１
４に回転自在に支持されている。また、かさ歯車５８ａ
はかさ歯車５８ｂと噛み合っており、かさ歯車５８ｂ
は、第二ケース部材１４に軸受５９により回転自在に支
持された軸部材１６に一体に結合されている。

【００１９】ここで、第三の軸１５と第一の軸１１を同
一平面上に設置する目的で、第二の軸１３は第一ケース
部材１２の軸線６０に対し角度αだけ傾けてある。その
結果、本発明の手首機構においては、図４に示すよう
に、第二の軸１３および第一ケース部材１２の軸線６０
が第三の軸１５と第一の軸１１とを含む平面から重力と
反対の方向（図４中上方）に向けて突出し、第一ケース
部材１２による高さＨの突出部が形成される。

【００２０】次にその動作を図２、図３および図５とと
もに説明する。作業者６１は手首１０先端の軸部材１６
に取り付けられた固定ブラケット１７に重力方向からテ
ィーチングハンドル１９を装着し、このティーチングハ
ンドル１９を用いて、塗装ガン１８の狙い方向を決定し
ながら教示していく。この場合、作業者６１とロボット
間の空間Ｗを大きくとるほど作業は容易となるが、図５
においては、ティーチングハンドル１９が固定された側
の突出部分が小さいため、前記Ｗを大きくとることがで
きる。

【００２１】一方、図２および図３において、θｍはモ
ータ駆動角（ロータとステータの相対角）を、θｉは手
首１０への入力角を、またθｊは関節角を示し、それぞ
れ図中矢印方向を＋とする。ＤＤモータ２０の回転は筒
部材２５、かさ歯車３１ａ，３１ｂを介して第一ケース
部材１２に伝達され、第一ケース部材１２を第一の軸１
１回りに旋回させる。この場合、筒部材２５の回転角と
同じ角度だけＤＤモータ２１，２２全体がアーム基部７
に対し相対回転する。

【００２２】また、ＤＤモータ２１の回転は筒部材２
６、かさ歯車３１ａ，３１ｂ、平歯車４０ａ，４０ｂ，
４０ｃおよびかさ歯車５３ａ，５３ｂを介して第二ケー
ス部材１４に伝達され、第二ケース部材１４を第二の軸
１３回りに旋回させる。この場合、筒部材２６の回転角
と同じ角度だけＤＤモータ２２全体がアーム基部７に対
し相対回転する。

【００２３】更に、ＤＤモータ２２の回転は筒部材２
７、かさ歯車３３ａ，３３ｂ、平歯車４３ａ，４３ｂ，
４３ｃおよびかさ歯車５４ａ，５４ｂ，５８ａ，５８ｂ
を介して軸部材１６に伝達され、軸部材１６を第三の軸
１５回りに回転させる。

【００２４】第一ケース部材１２が第一の軸１１回りに
旋回すると、平歯車４０ａ，４３ａの回りを平歯車４０
ｂ，４３ｂがそれぞれ公転しながら自転するため、平歯
車４０ｃ，４３ｃおよびかさ歯車５３ａ，５４ａが第一
ケース部材１２に対し相対運動し、軸線間の運動に干渉
が生じる。この場合、手首関節角θｊを入力角θｉであ
らわすと以下の（１）式のようになる。

【００２５】θ１ｊ＝−θ１ｉ θ２ｊ＝θ１ｉ−θ２ｉ θ３ｊ＝θ２ｉ−θ３ｉ・・・（１）

【００２６】ここで、θｉとθｍの間には以下の（２）
式に示す関係があるので、（２）式を前記（１）式に代
入すると（３）式が得られる。 θ１ｉ＝θ１ｍ θ２ｉ＝θ１ｍ＋θ２ｍ θ３ｉ＝θ１ｍ＋θ２ｍ＋θ３ｍ・・・（２）

【００２７】θ１ｊ＝−θ１ｍ θ２ｊ＝−θ２ｍ θ３ｊ＝−θ３ｍ・・・（３）

【００２８】よって、モータおよび歯車をそれぞれ上記
実施例で述べたように配置することにより軸間の干渉が
排除され、手首１０の各関節角θｊがモータ駆動角θｍ
に対し独立して駆動可能となる。そのため、１回転型の
モータを用いた場合においても軸間の干渉が排除され、
その結果各関節毎に独立した広い動作角度を得ることが
できる。

【００２９】図６および図７は、本発明の他の実施例を
示すものである。これらは、手首１０において、重力と
反対の方向に形成される突出部も減らすようにしたもの
で、図６においては第一ケース部材６２内の平歯車６３
ａ，６３ｂ，６３ｃのピッチ径を変えることにより突出
部の高さＨ１を減少させることができる。

【００３０】また、図７においては平歯車の代わりにプ
ーリ６５ａ，６５ｂ，６５ｃおよびその間に巻き掛けた
タイミングベルト６６を用いることにより、突出部の高
さＨ２を減少させることができる。このように、手首１
０において前記突出部を小さくすることにより、ワーク
と手首１０との干渉が減少し、ロボットの操作性を一層
向上させることができる。

【００３１】なお、上記実施例においては、軸部材２
５，２６，２７がいずれも第二アーム６のアーム基部７
内に設けられたＤＤモータ２０，２１，２２により駆動
された場合の例を示したが、必要に応じて基台１や旋回
ベース２あるいは第一アーム３内にモータを設置し、こ
のモータの回転をベルト等の動力伝達手段を用いて軸部
材２５，２６，２７に伝達することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳説した通り、本発明におけるロボ
ットの手首機構においては、駆動源により駆動される駆
動軸の駆動力をアームの先端に設けられた軸に伝達させ
る駆動機構が、前記軸と前記アームとを結ぶ線上におい
て重力と反対の方向に凸となって設けられており、特
に、前記軸がその長手方向の軸線回りに回転する軸であ
って、この軸と前記駆動軸とが平行になったときに前記
駆動機構が重力と反対の方向に凸となっているので、前
記アームの重力方向における突出部分が縮小され、直接
教示時を行う場合等におけるティーチングハンドルの操
作性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す塗装用ロボットの全
体図である。

【図２】本発明の第一実施例を示す塗装用ロボットの第
二アームおよび手首の図１中Ｘ−Ｘ線に沿った断面図で
ある。

【図３】本発明の第一実施例を示す塗装用ロボットの第
二アームおよび手首の図２中Ｙ−Ｙ線に沿った断面図で
ある。

【図４】本発明の第一実施例を示す塗装用ロボットの第
二アームおよび手首の図２中Ｚ−Ｚ線に沿った断面図で
ある。

【図５】直接教示時における本発明の塗装用ロボットの
第二アームおよび手首の側面図である。

【図６】本発明の第二実施例を示す塗装用ロボットの第
二アームおよび手首の一部縦断面図である。

【図７】本発明の第三実施例を示す塗装用ロボットの第
二アームおよび手首の一部縦断面図である。

【図８】従来の塗装用ロボットの例を示す塗装用ロボッ
トの全体図である。

【図９】従来の塗装用ロボットの手首機構の一部縦断面
図である。

【図１０】従来の塗装用ロボットの手首機構におけるモ
ータ回転力の伝達機構を示す図である。

【符号の説明】

１ 基台 ２ 旋回ベース ３ 第一アーム ４，５ リンク部材 ６ 第二アーム ７ アーム基部 ８ アーム胴部 ９ アーム前部 １０ 手首 １１ 第一の軸 １２，６２，７１ 第一ケース部材 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ ケース胴部 １３ 第二の軸 １４，７２ 第二ケース部材 １５ 第三の軸 １６ 軸部材 １７ 取り付けブラケット １８ 塗装ガン １９ ティーチングハンドル ２０，２１，２２ ダイレクトドライブモータ（ＤＤモ
ータ） ２０ａ，２１ａ，２２ａ ステータ ２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ ロータ ２０ｃ，２０ｄ，２８，２９，３０，３５，３６，３
７，４８，４９，５６，５７，５９ 軸受 ２３，２４ スペーサ ２５，２６，２７ 筒部材 ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，５３，５３
ａ，５３ｂ，５４，５４ｂ，５８ａ，５８ｂ，７８ａ，
７８ｂ，７９ａ，７９ｂ かさ歯車 ３４ アーム軸線 ３８，４１ フランジ ３９，４７，５０，５５ 軸 ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，７
４，７５，７６ 平歯車 ６０ 軸線 ６１ 作業者 ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ プーリ ６６ タイミングベルト Ａ 旋回ベースの回転方向 Ｂ 第一アームの旋回方向 Ｃ 第二アームの旋回方向 Ｄ 手首の旋回方向 Ｅ 第二ケース部材の旋回方向 Ｆ 軸部材の旋回方向 Ｈ，Ｈ１，Ｈ２ 突出部の長さ Ｗ 直接教示の際の作業者とロボット間の空間 α 第一ケース部材の軸線に対する第二の軸の角度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動源により駆動される駆動軸が設けら
   れたアームと、このアームの先端に設けられ前記駆動軸
   から駆動力が供給される軸を備えたロボットの手首機構
   において、 前記駆動軸の駆動力を前記軸に伝達させる駆動機構は、
   前記軸と前記アームとを結ぶ線上において重力と反対の
   方向に凸となって設けられていることを特徴とするロボ
   ットの手首機構。
2. 【請求項２】 前記軸はその長手方向の軸線回りに回転
   する軸であって、この軸と前記駆動軸とが平行になった
   ときに前記駆動機構が重力と反対の方向に凸となること
   を特徴とする請求項１記載のロボットの手首機構。