JPH11170184A - ロボットのアーム構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アーム軸をアームの先端部に有するロボット
において、アーム軸の振動を確実に抑制することにより
高速に動作させても位置精度を高めることができるアー
ム構造を提供する。 【解決手段】 第２水平アーム１２の下部側には上部支
持プレート２１の中央部が固定され、上部支持プレート
２１の両端部は第２水平アーム１２の外側に突出してい
る。上部支持プレート２１の両端部には、主アーム軸１
５と平行に補助アーム軸２３，２３が挿通され、補助ア
ーム軸２３は上部支持プレート２１に取り付けられた軸
受２２によって昇降自在に軸支されている。補助アーム
軸２３の下端部は下部支持プレート２４に固定されてい
る。この下部支持プレート２４は主アーム軸１５を挿通
させて回転自在に軸支する軸受２５を搭載し、主アーム
軸１５の下端部を軸支している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボットのアーム構
造に係り、特に、水平多関節型ロボットのロボットアー
ムの先端部構造として好適な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の産業用ロボットには種々のものが
あるが、そのうち、特に作業内容に対する柔軟性に優れ
ているものとして水平多関節型ロボットがある。この水
平多関節型ロボットにおいては、水平アームの先端部に
上下に移動可能かつ軸線周りに回転可能な縦アーム軸が
取り付けられており、この縦アーム軸の下端部に、部品
などの作業対象物を把持して移動させるためのロボット
ハンドなどのエンドエフェクタを取り付けるための装着
端が設けられている。

【０００３】縦アーム軸の外周面上には、螺旋状に形成
された螺旋溝と、軸線方向に伸びるスプライン溝とが刻
設されている。縦アーム軸は水平アームの先端部に格納
されたボールネジナット及びボールスプラインナットに
挿通され、上記の螺旋溝はボールネジナットに噛合し、
スプライン溝はボールスプラインナットに噛合するよう
になっている。ボールネジナット及びボールスプライン
ナットはそれぞれ水平アームの先端部において回転自在
に軸支されており、ボールネジナットは駆動ベルトなど
を介して縦アーム軸を上下に移動させるための昇降駆動
モータにより駆動され、ボールスプラインナットは駆動
ベルトなどを介して縦アーム軸を軸線周りに回転させる
ための回転駆動モータにより駆動されるように構成され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
水平多関節型ロボットにおいては、上記の水平アーム先
端部に取り付けられた縦アーム軸の下端の装着端にエン
ドエフェクタを装着し、このエンドエフェクタにより部
品などを把持して移動させる作業を行わせる。この場
合、部品の重量が大きかったり、作業時における水平ア
ーム先端の旋回加速度が大きかったりすると、縦アーム
軸に加わる軸線方向に対して交差する方向の応力が過大
となり、縦アーム軸が撓んでエンドエフェクタが振動
し、部品の位置決めが困難になり、位置精度が悪化する
ことがある。特に、縦アーム軸の軸線方向の移動ストロ
ークを長くすると、縦アーム軸を下方に伸ばした場合に
上記の振動はさらに大きくなるという問題があった。

【０００５】このためには、従来から縦アーム軸の径を
大きくしたり、水平アームの先端部に対する縦アーム軸
の取付部の支持領域を上下に長く取ったりする方法が採
用されているが、いずれも縦アーム軸の下端の振動を防
止するには不十分であり、また、上記のような方法で縦
アーム軸の剛性を高めると、アーム先端部のサイズや重
量がさらに大きくなるために、動作性能が低下するとと
もにコンパクト性に欠けるものとなり、さらにロボット
全体のアーム部や関節部の剛性を高める必要があり、大
幅なコストアップに繋がるという問題点があった。

【０００６】このような問題点は、上述の水平型多関節
ロボットに限った問題ではなく、直動型ロボットのアー
ムの先端部にアーム軸を取り付けた場合にも生ずる。

【０００７】そこで本発明は上記問題点を解決するもの
であり、その課題は、エンドエフェクタを取り付けるた
めの装着端を先端部に備えたアーム軸をアームの先端部
に有するロボットのアーム構造において、アーム軸の振
動を確実に抑制することにより高速に動作させても位置
精度を高めることができるアーム構造を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明が講じた手段は、ロボットアームと、該ロボッ
トアームに対して少なくとも軸線方向に移動可能に取り
付けられるととともに、ロボット作業要素の装着端を有
する主アーム軸とを備えたロボットのアーム構造におい
て、前記主アーム軸に対して平行に伸びる補助アーム軸
を設け、前記主アーム軸と前記補助アーム軸とを少なく
とも軸線方向に離れた２ヶ所にて少なくとも相互間隔を
保持するように直接若しくは間接的に相互支持させたこ
とを特徴とする。

【０００９】この手段によれば、ロボットアームに取り
付けられた主アーム軸に対して平行に伸びるとともに少
なくとも軸線方向に離れた２ヶ所にて相互支持された補
助アーム軸を設けたので、主アーム軸の剛性を補助アー
ム軸の支持によって高めることができ、主アーム軸の先
端の装着端に装着されるロボット作業要素の振動を抑制
し、低減することができる。

【００１０】なお、この場合に、主アーム軸がロボット
アームに対して軸線方向に移動するだけではなく、軸線
周りに回転可能に構成されていてもよい。

【００１１】ここで、前記主アーム軸の前記装着端の近
傍に前記補助アーム軸に対して相互支持する先端側支持
部を設け、前記主アーム軸の前記ロボットアームに対す
る取付部の近傍に前記補助アーム軸に対して相互支持す
る取付側支持部を設けることが好ましい。

【００１２】この手段によれば、主アーム軸の装着端の
近傍に補助アーム軸に支持される先端側支持部を設ける
ことにより、装着端の近傍にて主アーム軸を補助アーム
軸によって確実に支持することができ、また、ロボット
アームに対する取付部の近傍に取付側支持部を設けるこ
とによって剛性の高いロボットアームにより補助アーム
軸を固定することができるので、主アーム軸の剛性を効
率的に高めることができるから、ロボット作業要素の振
動をさらに低減することができる。

【００１３】また、前記補助アーム軸を前記ロボットア
ームに対して前記軸線方向に移動可能に取り付けること
によって取付側支持部を前記主アーム軸の前記ロボット
アームに対する取付部とし、前記主アーム軸に対して前
記補助アーム軸を前記ロボットアームを介して間接的に
相互支持させることが望ましい。

【００１４】この手段によれば、補助アーム軸をロボッ
トアームに対して取り付けることによって主アーム軸と
補助アーム軸との間の取付側の相互支持をロボットアー
ムを介して行うこととなるので、補助アーム軸による主
アーム軸の支持強度をさらに高めることができる。

【００１５】なお、このとき、主アーム軸がその軸線周
りに回転可能に構成されている場合には、前記主アーム
軸を前記装着端寄りにて前記補助アーム軸に対して直接
若しくは間接的に回転可能に相互支持させればよい。

【００１６】さらに、上記各手段において、前記補助ア
ーム軸を前記主アーム軸に対して前記ロボットアームの
基端寄りに配置することが好ましい。

【００１７】この手段によれば、補助アーム軸がロボッ
トアームの基端寄りに配置されているので、補助アーム
軸を取り付けたことによるロボットアームの慣性モーメ
ントの増大を抑制できるとともに、補助アーム軸を取り
付けたことによる他部材への干渉性の悪化を回避してコ
ンパクトに構成することができる。特に、多関節型ロボ
ットのようにロボットアームが旋回する場合には慣性モ
ーメントの増大に起因する動作性能の低下を抑制するこ
とができる。

【００１８】また、前記補助アーム軸を前記主アーム軸
に対して前記ロボットアームの移動方向に複数配列する
ことが好ましい。

【００１９】この手段によれば、ロボットアームの移動
方向に複数の補助アーム軸を配列させることにより、移
動方向に対する主アーム軸への支持強度を高めることが
できるので、効果的に主アーム軸の振動を抑制して位置
精度を向上させることができる。なお、この場合には、
複数の補助アームは主アームに対して対称的に配置する
ことが望ましい。複数の補助アームを対称的に配置する
ことによって、ロボットアームの移動方向の違いに起因
する動作特性差を低減できるからである。

【００２０】さらに、前記補助アーム軸を中空構造と
し、前記ロボット作業要素のための配線若しくは配管を
前記補助アーム軸の内部に挿通させることが望ましい。

【００２１】この手段によれば、補助アーム軸の内部を
挿通させることによって配線、配管の位置を保持するこ
とができ、他部材に干渉しにくくなるとともに、主アー
ム軸の内部を挿通させた場合よりもロボット作業要素に
対する接続を容易に行うことができる。

【００２２】また、前記主アーム軸と前記補助アーム軸
とを前記装着端の近傍にて前記主アーム軸と前記補助ア
ーム軸とに接続された支持部材を介して相互支持させる
ことが好ましい。

【００２３】この手段によれば、主アーム軸と補助アー
ム軸とを装着端の近傍にて支持部材を介して相互支持さ
せることにより、ロボットアームの先端部に搭載される
重量の増加を抑制しつつ、確実にロボット作業要素の振
動を低減することができる。

【００２４】この場合にはまた、前記支持部材に対して
前記ロボット作業要素のための駆動要素を固定すること
が望ましい。

【００２５】この手段によれば、支持部材に対して駆動
要素を固定することによって、ロボット作業要素と駆動
要素との距離を短くすることができるので、制御遅れを
低減することができ、迅速にロボット作業要素を駆動す
ることができる。なお、駆動要素とは、例えば、ロボッ
ト作業要素としてエアアクチュエータを用いる場合には
電磁弁などの弁機構であり、ロボット作業要素として機
械的アクチュエータを用いる場合には電動モータなどの
機械的駆動源である。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
に係るロボットのアーム構造の実施形態について説明す
る。図１は、本実施形態の全体の概略構成を示す切断斜
視図である。本実施形態は、水平多関節型のロボットに
関するものであるが、本発明は水平多関節型に限らず、
ロボットアームの先端部に軸線方向に移動する駆動アー
ム軸を備えたものであれば、例えば直動型ロボットなど
の他の形式のロボットにも適用させることができるもの
である。

【００２７】本実施形態では、基軸部１０に対して第１
水平アーム１１が旋回自在に取り付けられ、第１水平ア
ーム１１に対して第２水平アーム１２が旋回自在に取り
付けられている。第２水平アーム１２の先端部にはボー
ルネジナット１３と、ボールスプラインナット１４とが
軸受を介して回転自在に軸支されており、これらのボー
ルネジナット１３及びボールスプラインナット１４を主
アーム軸１５が挿通している。

【００２８】主アーム軸１５には、図示しないが、その
外周面上を螺旋状に伸びる螺旋溝と、外周面上を軸線方
向（上下方向）に伸びる複数本のスプライン溝とが形成
されている。螺旋溝は、内部に循環収容されたボール列
のうちボールネジナット１３の内周面に突出したボール
を受け入れてボールネジナット１３と主アーム軸１５と
を螺合状に係合させる。一方、スプライン溝は、内部に
循環収容されたボール列のうちボールスプラインナット
１４の内周面に突出したボールを受け入れてボールスプ
ラインナット１４と主アーム軸１５とを回転方向に係合
させている。ボールネジナット１３は駆動ベルト１３ａ
を介して昇降駆動モータ１６により回転駆動されるよう
になっており、ボールスプラインナット１４は駆動ベル
ト１４ａを介して回転駆動モータ１７により回転駆動さ
れるようになっている。

【００２９】基軸部１０からは樹脂チューブ１０ａが伸
びて第２水平アーム１２の基端に接続されており、樹脂
チューブ１０ａの内部には、基軸部１０の内部の制御部
から引き出された配線及びエアコンプレッサに接続され
たエア配管などが挿通されている。配線は、第２水平ア
ーム１２内に収容された各駆動モータや電磁弁などを含
む図示しないエア供給機構に接続される。エア供給機構
にはエア配管が導入される。エア導入機構から導出され
た別のエア配管（図示せず）は、取出口１９から外部に
引き出され、主アーム軸１５の下端部に設けられた装着
端１５ａに装着されるロボットハンドに接続され、ロボ
ットハンドをエア駆動するために用いられる。

【００３０】第２水平アーム１２の下部側であって、上
記主アーム軸１５の取付位置に隣接した第２水平アーム
１２の基端寄り部分には上部支持プレート２１の中央部
が固定されており、この上部支持プレート２１の両端部
は第２水平アーム１２のケーシングの外側にそれぞれ突
出している。上部支持プレート２１の両端部には補助ア
ーム軸２３，２３がそれぞれ挿通され、これらの補助ア
ーム軸２３，２３は、上部支持プレート２１に取り付け
られた軸受２２によって昇降自在に軸支されている。

【００３１】一対の補助アーム軸２３，２３の下端部
は、下部支持プレート２４のくの字状に形成された脚部
先端にそれぞれ固定されている。この下部支持プレート
２４はまた、上記主アーム軸１５を挿通させて回転自在
に軸支する軸受２５（内部に収容されている。）を搭載
している。この軸受２５は、主アーム軸１５の下端に形
成された装着端１５ａの近傍にて主アーム軸１５を軸支
している。装着端１５ａは、図示しないロボットハンド
を着脱可能に装着するように構成されている。

【００３２】主アーム軸１５は、上記昇降駆動モータ１
６によりボールネジナット１３を回転させることによっ
て第２水平アーム１２に対して上下に移動するようにな
っており、また、上記回転駆動モータ１７によりボール
スプラインナット１４を回転させることによって軸線周
りに回転するようになっている。本実施形態の側面図で
ある図２に示すように、主アーム軸１５が上下に移動す
ると、主アーム軸１５の下端近傍を軸支する軸受２５を
搭載する下部支持プレート２４も共に上下に移動するた
め、補助アーム軸２３もまた共に上下に移動する。

【００３３】図３は本実施形態を上方から見た平面図で
ある。この図に示すように、第１水平アーム１１は基軸
部１０に対して左右いずれの方向にも旋回するようにな
っており、第２水平アーム１２もまた、第１水平アーム
１１に対して左右いずれの方向にも旋回するようになっ
ている。また、第２水平アーム１２の旋回とともに主ア
ーム軸１５と一対の補助アーム軸２３も共に旋回し、こ
れらの主アーム軸１５と補助アーム軸２３は図２に示す
ように一体に上下に移動できる。さらに主アーム軸１５
はその軸線周りに回転することができる。

【００３４】図４は上記主アーム軸１５と一対の補助ア
ーム軸２３，２３との相互支持構造を示す平面図であ
る。主アーム軸１５と補助アーム軸２３，２３とは下端
部近傍において下部支持プレート２４によって相互間隔
を保持するように相互に支持されている。一方、主アー
ム軸１５は第２水平アーム１２に対してボールネジナッ
ト１３及びボールスプラインナット１４によって軸支さ
れており、また、補助アーム軸２３は第２水平アーム１
２に対して上部支持プレート２１に搭載された軸受２２
によって軸支されている。

【００３５】したがって、主アーム軸１５及び補助アー
ム軸２３はそれらの軸線方向に離れた２ヶ所にて間接的
にではあるが相互間隔を保持するように相互に支持し合
っていることになる。このため、第２水平アーム１２の
旋回運動（この旋回運動は第１水平アーム１１による旋
回動作によっても生ずる。）によって生ずる主アーム軸
１５の振動を抑制し、低減することができる。

【００３６】この場合に、特に主アーム軸１５と補助ア
ーム軸２３とは主アーム軸１５の下端部に近い部分、す
なわち、ロボットハンドなどのエンドエフェクタ（ロボ
ット作業要素）の取付部位に近い部分において下部支持
プレート２４によって相互支持されているので、主アー
ム軸１５を下方に伸ばした状態でも振動を効果的に抑制
することができる。

【００３７】補助アーム軸２３は主アーム軸１５に対し
て第２水平アーム１２の基端部寄り、すなわち、第２水
平アーム１２の旋回運動の旋回中心に近い側に配置され
ているので、第２水平アーム１２の慣性モーメントの増
加を抑制することができ、ロボットの運動性能を維持す
ることができるとともに、基端部側の剛性不足を回避す
ることができる。また、第２水平アームの基端部から見
たロボットの外縁軌道を外側に伸ばすことなくコンパク
トに構成できるため、他の障害物との干渉性を悪化させ
ずに済む。

【００３８】さらに、二本の補助アーム軸２３は、第２
水平アーム１２の移動方向、すなわち旋回運動の旋回方
向に配列されているので、旋回運動の加速度に対する剛
性を高めることができるから、主アーム軸１５の振動軽
減に特に効果的である。しかも、一対の補助アーム軸２
３は、主アーム軸１５に対して旋回方向に対称的に配置
されているので、動作特性の非対称性を生ずることな
く、ロボット作業要素の位置決めの精度を高めることが
できる。

【００３９】なお、上記実施形態では、主アーム軸１５
を中空に構成した場合には、取出口１９から引き出した
配線やエア配管などを主アーム軸１５の上端部から挿入
して内部を通して主アーム軸１５の下端部からこれらを
引き出し、主アーム軸１５の装着端１５ａに装着された
図示しないロボットハンドに接続する。ただし、この場
合には、ロボットハンドに接続する配線や配管は、特殊
構造のロボットハンドである場合を除いて主アーム軸１
５の下端部から外部へ一旦取り出した後に接続する必要
があるため、主アーム軸１５の下端部構造に多少工夫を
こらす必要がある。

【００４０】また、主アーム軸１５を中空に構成しない
場合には、取出口１９から第２水平アーム１２のケーシ
ング外面において固定し、さらに下方に伸ばしてロボッ
トハンドに接続する。ただしこの場合には、配線や配管
が旋回動作などによって動いたり、他の障害物に干渉す
る可能性がある。このときには、配線やエア配管などを
主アーム軸１５の周りに螺旋状に取り回してもよいが、
特に本実施形態の場合には、補助アーム軸２３の周りに
螺旋状に取り回して配線や配管の位置を安定させてもよ
い。

【００４１】ここで、図５に示すように、上記実施形態
において、補助アーム軸２３を中空に構成し、補助アー
ム軸２３の上端から内部にエア配管３１，３２を挿通さ
せ、補助アーム軸２３の下端からエア配管３１，３２を
引き出して、主アーム軸１５の下端に装着されたエアア
クチュエータとして構成されたロボットハンド３０に接
続してもよい。この場合には、従来のように主アーム軸
１５に配線やエア配管を挿通させた場合のようにロボッ
トハンド３０への配線や配管の接続が困難になることが
なく、補助アーム軸２３の下端からそのまま引き出して
容易かつスムーズに接続できる。

【００４２】また、図６に示すように、下部支持プレー
ト２４に対して電磁弁３６などを取り付けても良い。こ
こで、電磁弁３６はロボットハンド３０の駆動要素を構
成するものであり、電磁弁の代わりに電動モータ、油圧
シリンダなどでもよい。この例では、補助アーム軸２３
の内部に配線３３，３４及びエア配管３５を挿通させ、
配線３３，３４及びエア配管３５を電磁弁３６に接続
し、さらに、電磁弁３６からエア配管３７，３８を導出
して、ロボットハンド３０に接続している。このように
すると、第２水平アーム１２内に電磁弁を配置する従来
構造に較べて、エア圧の供給時間に起因するタイムラグ
（時間遅れ）を大幅に低減することができるため、ロボ
ットハンド３０の制御遅れを回避して高速な制御動作を
図ることができる。

【００４３】以上説明した実施形態では、主アーム軸の
剛性を補助アーム軸の支持によって高めることができる
ので、ロボットハンドなどのロボット作業要素の振動を
低減し、位置精度も向上させることができるから、高速
動作も可能になり、さらに主アーム軸の軸線方向の移動
ストロークを大きく設計しても支障なく動作させること
ができるロボットを構成できるという顕著な効果を奏す
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ロ
ボットアームに取り付けられた主アーム軸に対して平行
に伸びるとともに少なくとも軸線方向に離れた２ヶ所に
て相互支持された補助アーム軸を設けたので、主アーム
軸の剛性を補助アーム軸の支持によって高めることがで
き、主アーム軸の先端の装着端に装着されるロボット作
業要素の振動を抑制し、低減することができるから、ロ
ボットアームを高速に動作させることが可能であり、主
アーム軸の軸線方向の移動ストロークを大きくしても支
障無く動作させることのできるロボットを構成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロボットのアーム構造の実施形態
を備えた水平関節型ロボットの全体構造（主アーム軸が
降下した状態）を示す概略切断斜視図である。

【図２】同実施形態を備えた水平関節型ロボットの全体
構造（主アーム軸が上昇した状態）を示す概略側面図で
ある。

【図３】同実施形態を備えた水平関節型ロボットの概略
平面図である。

【図４】同実施形態の主アーム軸と補助アーム軸との間
の下側の相互支持構造を示す部分平面図である。

【図５】同実施形態における配線、配管の取回し構造の
一例を示す部分斜視図である。

【図６】同実施形態における配線、配管の取回し構造の
別の一例を示す部分斜視図である。

【符号の説明】 １０ 基軸部 １１ 第１水平アーム １２ 第２水平アーム １３ ボールネジナット １４ ボールスプラインナット １５ 主アーム軸 １５ａ 装着端 １６ 昇降駆動モータ １７ 回転駆動モータ ２１ 上部支持プレート ２２，２５ 軸受 ２３ 補助アーム軸 ２４ 下部支持プレート ３０ ロボットハンド ３１，３２，３５，３７，３８ エア配管 ３３，３４ 配線 ３６ 電磁弁

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットアームと、該ロボットアームに
   対して少なくとも軸線方向に移動可能に取り付けられる
   ととともに、ロボット作業要素の装着端を有する主アー
   ム軸とを備えたロボットのアーム構造において、 前記主アーム軸に対して平行に伸びる補助アーム軸を設
   け、前記主アーム軸と前記補助アーム軸とを少なくとも
   軸線方向に離れた２ヶ所にて少なくとも相互間隔を保持
   するように直接若しくは間接的に相互支持させたことを
   特徴とするロボットのアーム構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記主アーム軸の前
   記装着端の近傍に前記補助アーム軸に対して相互支持す
   る先端側支持部を設け、前記主アーム軸の前記ロボット
   アームに対する取付部の近傍に前記補助アーム軸に対し
   て相互支持する取付側支持部を設けることを特徴とする
   ロボットのアーム構造。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、前記補
   助アーム軸を前記ロボットアームに対して前記軸線方向
   に移動可能に取り付けることによって取付側支持部を前
   記主アーム軸の前記ロボットアームに対する取付部と
   し、前記主アーム軸に対して前記補助アーム軸を前記ロ
   ボットアームを介して間接的に相互支持させることを特
   徴とするロボットのアーム構造。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項において、前記補助アーム軸を前記主アーム軸に対し
   て前記ロボットアームの基端寄りに配置することを特徴
   とするロボットのアーム構造。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれか１
   項において、前記補助アーム軸を前記主アーム軸に対し
   て前記ロボットアームの移動方向に複数配列することを
   特徴とするロボットのアーム構造。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５までのいずれか１
   項において、前記補助アーム軸を中空構造とし、前記ロ
   ボット作業要素のための配線若しくは配管を前記補助ア
   ーム軸の内部に挿通させることを特徴とするロボットの
   アーム構造。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６までのいずれか１
   項において、前記主アーム軸と前記補助アーム軸とを前
   記装着端の近傍にて前記主アーム軸と前記補助アーム軸
   とに接続された支持部材を介して相互支持させることを
   特徴とするロボットのアーム構造。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記支持部材に対し
   て前記ロボット作業要素のための駆動要素を固定するこ
   とを特徴とするロボットのアーム構造。