JPH05253882A - ３自由度の手首を持つロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 動力源として出力馬力、或いは出力トルクが
比較的小さく、軽いモ−タなどのアクチュエ−タを用
い、動力伝達機構のベベルギヤ・スパ−ギヤなどのバッ
クラシュ、軸受部のクリアランスによる回転誤差を小さ
くし、動力伝達部品の高剛性化と、手首系の軽量化を行
うと共に、動作経路決定の計算式を簡素化する。 【構成】 上腕部１０４は手首駆動部４と手首部１から
成り、手首駆動部４はアクチュエ−タ１２ａに第一の減
速機１３ａを介して捻り軸１６ａを設け、アクチュエ−
タ１２ｂに第一の減速機１３ｂを介して曲げ軸１６ｂを
設け、アクチュエ−タ１２ｃに第一の減速機１３ｃを介
して回転軸１６ｃを設け、前記の軸１６ａ、１６ｂ、１
６ｃは同心に設け、捻り軸１６ａには第２の減速機１５
を介して手首部１に連結し、曲げ軸１６ｂと回転軸１６
ｃは手首部１に連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業用ロボットの手首
機構に関し、特に動力を伝達する機構に係る。

【０００２】

【従来の技術】この種の手首機構として、実開平０２−
１５０１８９号公報には揺動ケ−スとツ−ルホルダの直
前にそれぞれの減速機を設け、バックラッシュによる影
響を少なくし、更に手首本体をロボットア−ムから分離
し、メンテナンス性の向上を図るという開示がある。し
かし、作動軸が一点で交差していないので、計算式が複
雑となり演算量が多いし、位置決め精度に悪影響を与え
る。

【０００３】特開昭６０−４４２９１号公報の開示で
は、手首ケ−シング内に高減速比の減速機を組み込み、
手首装置の各伝動軸、及び歯車類の小形軽量化と歯車の
バックラッシュなどに起因する位置決め精度の低下を極
力抑え、更には自由度相互の動作の干渉を無視し得るよ
うにしている。しかしながら、モ−タ出力軸から減速機
までへの歯車、チェ−ン、或いはタイミングプ−リ、そ
して動力伝達軸などの動力伝達部品の負荷イナ−シャに
対し、モ−タの出力トルクをモ−タの出力軸で減速機に
て増大しないため、馬力不足が生じ易い。モ−タを大型
化せざるを得ないのである。又、自由度相互の動作の干
渉の無視は、動作経路の信頼性と繰り返し精度が低下す
る。そのために高精度で複雑な加工とか組立作業には適
さない。

【０００４】実開昭５９−１５１６９３号公報では、手
首内にア−ム軸線と直交する軸線の減速機軸を設け、２
組の差動減速装置を対称的に装架し、手首の角度調整及
びツ−ル回転をする駆動軸を高速のままア−ムを通す。
このことで、軸を細くし、ア−ムを小型化し、動作精度
の向上を図るという開示である。これは、特開昭６０−
４４２９１号公報にて開示のものと同じく、駆動部から
減速装置までの動力伝達部品の負荷イナ−シャに対し、
馬力不足が生じ易い。そして、高速回転伝達する軸の細
径化は剛性の低下によって振動が発生し、位置決め精度
が悪くなるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】動力源として出力馬
力、或いは出力トルクが比較的小さく、軽いモ−タなど
のアクチュエ−タを用い、動力伝達機構のベベルギヤ・
スパ−ギヤなどのバックラシュ、軸受部のクリアランス
による回転誤差を小さくし、動力伝達部品の高剛性化と
手首系の軽量化を行うと共に、動作経路決定の計算式を
簡素化する構造を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上腕部と上腕駆動部と下
腕駆動部と旋回部から成る３自由度の手首を持つロボッ
トにおいて、上腕部１０４は手首駆動部４と手首部１か
ら成り、手首駆動部４はアクチュエ−タ１２ａに第一の
減速機１３ａを介して捻り軸１６ａを設け、アクチュエ
−タ１２ｂに第一の減速機１３ｂを介して曲げ軸１６ｂ
を設け、アクチュエ−タ１２ｃに第一の減速機１３ｃを
介して回転軸１６ｃを設け、軸１６ａ、１６ｂ、１６ｃ
は同心に設け、捻り軸１６ａには第２の減速機１５を介
して手首部１に連結し、曲げ軸１６ｂと回転軸１６ｃは
手首部１に連結し、曲げ軸１６ｂと手首部１との連結は
手首部１がもつ第２の減速機３２を介し、回転軸１６ｃ
と手首部１との連結は手首部１がもつ第２の減速機５４
を介し、捻り軸１６ａの軸心に対して第２の減速機３２
の軸心を直交、第２の減速機５４の軸心を直交させて作
動点７０をつくりだす構成とするのである。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例について、図面を参照
し詳しく説明する。図１は本発明のロボット本体の全体
図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ断
面図で手首駆動アクチュエ−タ部を示し、図４は図１の
Ｃ−Ｃ断面図で手首機構の詳細を示す。

【０００８】図１に示すようにロボット本体１００は、
旋回部１０１、上腕駆動部１０２、下腕駆動部１０３、
上腕部１０４から成る。旋回軸部１０１はベ−ス９内に
内臓し、ベ−ス９上の上腕駆動部１０２はモ−タ７と上
腕作動用平行リンク機構６で、下腕駆動部１０３はモ−
タ８と下腕５から成る。上腕部１０４及び手首部１０５
は、上腕駆動部１０２及び下腕駆動部１０３の上部の連
結ピン１０、１１で駆動部１０２、１０３と傾倒自在に
支持接続し、該平行リンク機構６の連結ピン１１とピン
接続した手首駆動部４、手首駆動部４の前方に設け、下
腕５の連結ピン１０とピン接続したケ−シング３、ケ−
シング３に突設したア−ム２、ア−ム２に突設した手首
部１で構成する。

【０００９】手首駆動部４は、捻り軸駆動用モ−タ１２
ａと、モ−タ１２ａの出力軸に突設した減速比１／１１
の第一減速機１３ａと、減速機１３ａの出力軸に設けた
スパ−ギヤ（図示せず）と、スパ−ギヤ（図示せず）と
噛み合い、減速比１／１０の第２の減速機１５の入力軸
に設けたスパ−ギヤ１４ａ、及び曲げ軸駆動用モ−タ１
２ｂと、モ−タ１２ｂの出力軸に突設した減速比１／１
１の第１の減速機１３ｂと、第１の減速機１３ｂの出力
軸に設けたスパ−ギヤ、そして回転軸駆動用モ−タ１２
ｃと、該モ−タ１２ｃの出力軸に突設した減速比１／１
１の第１の減速機１３ｃで構成する。

【００１０】実施例ではアクチュエ−タとしてサ−ボモ
−タを用いたが、パルスモ−タや油圧モ−タを用いても
可能であるし、スパ−ギヤでの動力伝達をタイミングプ
−リとタイミングベルト方式、或いはチエ−ンとスプロ
ケットホイ−ル方式でも代替できる。また、捻り軸に第
２の減速機１５を用いたが、捻り軸駆動用モ−タ１２ａ
の出力軸に突設した減速機にて所定比率減速し、第２の
減速機１５を用いず、スパ−ギヤ部にスパ−ギヤのバッ
クラッシュ調整を行う機構を付加しても実施例と同等の
性能が得られる。

【００１１】ア−ム２内は手首機構１の３本の動力伝達
軸をｘ１軸と同心に設け、最外側は捻り軸１６ａで、ケ
−シング３を貫通し、ケ−シング３が捻り軸１６ａを回
転自在に支持する。捻り軸１６ａの一端は、第２の減速
機１５と接続させ、他端は手首機構１を突設する。中間
は曲げ軸１２ｂで、一端は第２の減速機１５を貫通し、
スパ−ギヤ１４ｂが突設し、第１の減速機１３ｂの出力
軸に突設したスパ−ギヤを噛み合わせる。

【００１２】他端は曲げ軸ケ−シング６０内にて、ベベ
ルギヤ２１を突設する。最内側は回転軸１６ｃで、一端
は回転軸駆動用モ−タ１２ｃの出力軸に突設した第１の
減速機１３ｃの出力軸と接続し、他端は曲げ軸ケ−シン
グ６０内でベベルギヤ４１を突設する。手首機構１は、
ｘ１軸を捻り軸の軸心、ｙ０軸を曲げ軸の軸心、そして
ｘ０軸を回転軸の軸心として作動し、各軸心は作動点７
０で交差するようにする。

【００１３】図４に手首機構１を詳示する。曲げ軸と回
転軸の動力伝達部品で構成する。曲げ軸１６ｂを中空の
捻り軸１６ａの内側にｘ１軸回りに回転自在に支持配置
し、曲げ軸１６ｂに突設したベベルギヤ２１は、ｘ１軸
と直交するｙ１軸を回転軸心とする軸２４に嵌着したベ
ベルギヤ２２と噛み合わせる。軸２４の一端は曲げ軸ケ
−シング６０にて回転自在に支持し、他端はベベルギヤ
４２を貫通し、スパ−ギヤ２６を突設する。

【００１４】回転軸１６ｃは軸１６ａ、１６ｂと同じ
く、ｘ１軸を回転軸心とし、ベベルギヤ２１内に組み込
んだ軸受（図示せず）にて回転自在に支持する。先端に
はベベルギヤ４１を突設し、ｙ１軸を回転軸心とするベ
ベルギヤ４２と噛み合わせる。ベベルギヤ４２の内側は
軸２４を回転自在に支持する軸受（図示せず）を組み込
み、他端はスパ−ギヤ４４を突設し、曲げ軸ケ−シング
６０に設けた軸受（図示せず）にて回転自在に支持す
る。

【００１５】スパ−ギヤ２６は、手首の曲げの中心軸の
ｙ０軸を軸心とした軸２８に嵌着したスパ−ギヤ２７と
噛み合わせる。軸２８は軸４６を貫通し、減速比１／１
１の曲げ軸用第２の減速機３２の入力部に嵌着させ、軸
４６内の軸受（図示せず）と、曲げ軸用減速機ハウジン
グ６２に設けた軸受（図示せず）、及び曲げ軸用減速機
出力軸３４内の軸受（図示せず）が該軸２８を回転自在
に支持する。出力軸３４は曲げ軸ケ−シング６０に設け
た軸受（図示せず）が回転自在に支持し、回転軸ケ−シ
ング６１に接続させる。

【００１６】スパ−ギヤ４４は、軸４６に嵌着したスパ
−ギヤ４５と噛み合い、軸４６は曲げ軸ケ−シング６０
に設けた軸受（図示せず）と、回転軸ケ−シング６１に
設けた軸受（図示せず）とが回転自在に支持し、中間位
置にはベベルギヤ４９を嵌着する。ベベルギヤ４９は、
回転軸ケ−シング６１に設けた軸受（図示せず）が回転
自在に支持し、手首の回転の中心軸のｘ０軸を軸心とす
るベベルギヤ５１と噛み合わせる。

【００１７】ベベルギヤ５１は、減速比１／１２の回転
軸用第２の減速機５４の入力部に嵌着し、回転軸用減速
機ハウジング６３に設けた軸受（図示せず）と、回転軸
ケ−シング６１との接続座５５内の軸受（図示せず）が
回転自在に支持する。回転軸用減速機出力軸６４は、接
続座５５の外側に設けた軸受（図示せず）が回転自在に
支持する。手首機構１、及び手首駆動機構４内のベベル
ギヤのバックラッシュは、シムの厚さ調整を、スパ−ギ
ヤのバックラッシュは歯厚方向の２分割構成によるピッ
チ調整を行うのである。

【００１８】実施例では各軸の第１、２の減速機は同程
度の減速比にしたが、動力伝達部品の負荷イナ−シャの
大小により、減速比を１／５〜１／２５にし、この組合
せでも本発明の効果を満足する。

【００１９】以上の構成をしたロボットの手首機構にお
いて、捻り軸駆動用モ−タ１２ａの回転は第１の減速機
１３ａにより減速伝達し、スパ−ギヤ（図示せず）を介
して第２の減速機１５に伝達し、減速後は捻り軸１６ａ
が回転し、ア−ム２のｘ１軸回りの回転が可能となる。
第２の減速機１５は、スパ−ギヤ（図示せず）間のバッ
クラッシュなどの回転誤差を減速比分だけ縮小する。

【００２０】曲げ軸では、駆動用モ−タ１２ｂの回転は
第１の減速機１３ｂにより減速伝達し、スパ−ギヤ（図
示せず）を介して曲げ軸１６ｂを回転する。曲げ軸１６
ｂの回転は、ベベルギヤ２１、２２により曲げ軸１６ｂ
と直交する軸２４に伝達し、軸２４に突設したスパ−ギ
ヤ２６と、スパ−ギヤ２６に噛み合わせたスパ−ギヤ２
７が回転し、曲げの中心軸ｙ０軸を軸心とする軸２８に
て曲げ軸用の第２の減速機３２の入力部に伝達する。

【００２１】軸２８の回転は、所定比率の減速後、曲げ
軸用減速機出力軸３４に伝達し、出力軸３４とボルト締
結した回転軸ケ−シング６１がｙ０軸回りに回転する。
スパ−ギヤ（図示せず）間、ベベルギヤ２１、２２間、
そしてスパ−ギヤ２６、２７間のバックラシュ、及び軸
受部のクリアランスなどによって発生する回転誤差は、
曲げ軸用の第２の減速機３２が減速比分だけ縮小する。

【００２２】回転軸については、駆動用モ−タ１２ｃの
回転は第１の減速機１３ｃにより減速伝達し、回転軸１
６ｃが回転する。回転軸１６ｃの回転は、ベベルギヤ４
１、４２によって回転軸１６ｃと直交するｙ１軸回りの
回転となり、ベベルギヤ４２の他端に突設したスパ−ギ
ヤ４４、スパ−ギヤ４４に噛み合うスパ−ギヤ４５が回
転し、ｙ０軸を回転中心とするベベルギヤ４９が回転す
る。

【００２３】ベベルギヤ４９の回転は、手首の回転の中
心軸ｘ０軸を軸心とし、ベベルギヤ４９と噛み合ったベ
ベルギヤ５１により、回転軸用第２の減速機５４の入力
部に伝え、所定比率の減速後、回転軸用の第２の減速機
５４とボルト締結した回転軸用の減速機ハウジング６３
がｘ０軸回りに回転する。ベベルギヤ４１と４２間、ス
パ−ギヤ４４、４５間、そしてベベルギヤ４９、５１間
のバックラシュ、及び軸受部のクリアランスなどによっ
て発生する回転誤差は、回転軸用の第２の減速機５４が
減速比分だけ縮小するのである。

【発明の効果】以上の説明のように、本発明は手首駆動
アクチュエ−タ部と手首機構部に減速機を設けたので、
動力伝達部品はビビリなどの振動が発生しない程度の剛
性を維持する部材を用いることが可能である。一方、２
段の減速方式であるため、動力伝達軸の細径化と軽量
化、手首機構内の歯車や軸受などの各部品の小型軽量化
が可能である。手首駆動機構の負荷イナ−シャが小さ
く、アクチュエ−タからの指令の応答性が良くなる。ま
た更には、スパ−ギヤやベベルギヤのバックラシュ、及
び軸受部のクリアランスなどによる回転誤差が減速機の
減速比分だけ縮小される。そのため、手首先端部の位置
決め精度の低下を防ぐことができ、高精度で円滑なロボ
ット動作が可能となる。これらのことで、捻り軸、曲げ
軸、回転軸の作動点が一点で交差する構成であるから、
計算式を簡素化し、演算処理が速く、動作軌跡や位置決
め性能が安定するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体図

【図２】図１のＡ−Ａ矢視図

【図３】図１のＢ−Ｂ断面図

【図４】図１のＣ−Ｃ断面図

【符号の説明】

１０４ 上腕部 １０ａ アクチュエ−タ １２ａ 第一の減速機 １６ａ 捻り軸 １０ｂ アクチュエ−タ １２ｂ 第一の減速機 １６ｂ 曲げ軸 １０ｃ アクチュエ−タ １２ｃ 第一の減速機 １６ｃ 回転軸 １５ 第２の減速機 ３２ 第２の減速機 ５４ 第２の減速機 ７０ 作動点

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上腕部と上腕駆動部と下腕駆動部と旋回
   部から成る３自由度の手首を持つロボットにおいて、上
   腕部１０４は手首駆動部４と手首部１から成り、手首駆
   動部４はアクチュエ−タ１２ａに第一の減速機１３ａを
   介して捻り軸１６ａを設け、アクチュエ−タ１２ｂに第
   一の減速機１３ｂを介して曲げ軸１６ｂを設け、アクチ
   ュエ−タ１２ｃに第一の減速機１３ｃを介して回転軸１
   ６ｃを設け、前記の軸１６ａ、１６ｂ、１６ｃは同心に
   設け、捻り軸１６ａには第２の減速機１５を介して手首
   部１に連結し、曲げ軸１６ｂと回転軸１６ｃは手首部１
   に連結することを特徴とする３自由度の手首を持つロボ
   ット。
2. 【請求項２】 曲げ軸１６ｂと手首部１との連結は、手
   首部１がもつ第２の減速機３２を介する請求項１記載の
   ３自由度の手首を持つロボット。
3. 【請求項３】 回転軸１６ｃと手首部１との連結は、手
   首部１がもつ第２の減速機５４を介する請求項１記載の
   ３自由度の手首を持つロボット。
4. 【請求項４】 捻り軸１６ａの軸心に対して、第２の減
   速機３２の軸心を直交、第２の減速機５４の軸心を直交
   させて作動点７０をつくりだす構成とする請求項１記載
   の３自由度の手首を持つロボット。