JP2014000612A

JP2014000612A - 産業用ロボットの手首構造部

Info

Publication number: JP2014000612A
Application number: JP2012135611A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Adachi; 悟志足立
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20130333509A1; DE102013009598A1; CN103507080A

Abstract

【課題】手首機枠の幅を小さくして、手首正面から見たときの干渉半径を小さくする。
【解決手段】手首構造部の平歯車減速機構部は、手首内枠駆動モータの出力軸に装着された第一平歯車と、手首ハウジング用機枠に取付けられた第一補助軸に回転可能に支持されると共に第一平歯車に係合する第二平歯車と、第二平歯車と一体に第一補助軸に回転可能に支持される第三平歯車と、第二補助軸に回転可能に支持されると共に第三平歯車に係合する第四平歯車と、第四平歯車と一体に第二補助軸に回転可能に支持される第五平歯車と、第三補助軸に回転可能に支持されると共に第五平歯車に係合する第六平歯車と、手首内枠の回動軸上に取付けられていて第六歯車に係合する第七平歯車と、を含んでおり、第四平歯車が第一平歯車よりも手首ハウジング用機枠に近接して配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、産業用ロボットの手首構造部に関する。特に、本発明は、産業用ロボットのアーム先端に設けられる手首構造部に関する。

産業用ロボットの手首構造部は、手首機枠および手首機枠に対して回動可能な手首内枠とを含んでいる。手首内枠には、手首要素、例えばハンド、ツール等が作業ツール取付部を介して取付けられている。手首機枠に内蔵された駆動モータの出力軸の回転は平歯車減速機構部により減速され、それにより、手首内枠が手首機枠に対して回動される。

特許文献１においては、手首機枠の一側に多段平歯車列からなる平歯車減速機構部が配置されている。平歯車減速機構部においては、手首内枠の動作軸回りに回動可能な出力平歯車が、補助軸回りに回転可能な小径平歯車に係合している。この小径平歯車には大径平歯車が一体的に形成されている。特許文献２においても概ね同様な構成の減速機構部が開示されている。

特開平７−５２０７４号公報特開平６−２９７３７７号公報

引用文献１等に記載の構成においては、手首内枠の回動軸方向において手首機枠と前述した小径平歯車との間の間隔を最小にするために、前述した大径平歯車は手首機枠の中心軸線から遠方の位置に配置されている。従って、平歯車減速機構部が手首機枠の一側から手首内枠の回動軸方向において外側に突出するようになり、その結果、減速機室を被覆するカバーも外側に突出する。それゆえ、従来技術においては、手首内枠の回動軸方向における手首機枠の幅が大きくなり、従って、手首正面から見たときの干渉半径も大きくなるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、手首内枠の回動軸方向における手首機枠の幅を小さくして、手首正面から見たときの干渉半径を小さくすることのできる産業用ロボットの手首構造部を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ロボットのアームの先端に結合され、複数の動作自由度を有する手首構造部であって、手首機枠内に相互に分離された異なる手首室を形成する手首ハウジング用機枠と、前記手首室のうちの一つの手首室内に回動可能に保持される手首内枠と、前記手首室のうちの他の手首室において、出力軸が前記手首内枠の回動軸と平行になるように配置されていて前記手首内枠を駆動する手首内枠駆動モータと、前記手首内枠に収納されると共に前記手首内枠の回動軸と直交する回転出力を出力する他の駆動モータと、前記手首ハウジング用機枠の一側を被覆して減速機室を形成するカバーと、前記減速機室内に配置されていて、前記手首内枠駆動モータの出力軸から取出された回転力を前記手首内枠へ減速して伝達する平歯車減速機構部とを備えた、手首構造部において、前記平歯車減速機構部は、前記手首内枠駆動モータの出力軸に装着された第一平歯車と、前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第一平歯車よりも大径であって前記第一平歯車に係合する第二平歯車と、前記第二平歯車と一体に前記第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第二平歯車よりも小径の第三平歯車と、前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第三平歯車よりも大径であって前記第三平歯車に係合する第四平歯車と、前記第四平歯車と一体に前記第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第四平歯車よりも小径の第五平歯車と、前記手首ハウジング用機枠内に取付けられた第三補助軸に回転可能に支持されると共に前記第五平歯車よりも大径であって前記第五平歯車に係合する第六平歯車と、前記手首内枠の回動軸上に取付けられていて前記第六歯車に係合する第七平歯車と、を含んでおり、前記第四平歯車が前記第一平歯車よりも手首ハウジング用機枠に近接して配置されていることを特徴とする手首構造部が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記手首内枠駆動モータの出力軸の先端は、前記第一平歯車から前記第七平歯車よりも外側に突出している。

１番目の発明においては、出力平歯車としての第七平歯車がアイドラ歯車としての第六平歯車に係合する。そして、小径の第五平歯車は、第七平歯車と第六平歯車との係合位置とは反対側において第六平歯車に係合する。このような構成であるので、従来技術とは異なり、第五平歯車と一体的な第四平歯車を手首の中心軸線に対し近位に配置すると共に、第五平歯車を手首の中心軸線に対し遠位に配置できる。その結果、減速室を被覆するカバーと手首ハウジング用機枠との間の距離を最小限にすることができる。つまり、手首内枠の回動軸方向における手首機枠の幅を小さくできる。それゆえ、手首正面から見たときの干渉半径を小さくすることも可能である。
２番目の発明においては、手首内枠駆動モータの出力軸の先端が第一平歯車から第七平歯車よりも外側に突出している場合には、手首内枠駆動用モータの全長が長い場合であっても、平歯車減速機構部を手首の中心軸線に近接して配置することができる。従って、手首正面から見たときの干渉半径をさらに小さくすることができる。

本発明に基づく手首構造部を備えたロボットの全体構成を示す図である。本発明に基づく手首構造部の斜視図である。本発明に基づく手首構造部の断面図である。図３Ａに示される手首構造部のカバーを外した状態における側面図である。図３Ａに示される手首構造部の手首先端から見た端面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく手首構造部を備えたロボットの全体構成を示す図である。図１に示されるロボット１は六軸構成の垂直多関節ロボットである。ロボット１の先端に位置する手首２は、六自由度で搭載されている。ロボット１の各軸には、各軸を駆動するためのサーボモータ（図１には示さない）が内蔵されている。これらサーボモータは、該サーボモータのそれぞれから延びる制御ケーブルによってロボット制御装置５に接続されており、各サーボモータはロボット制御装置５によって制御される。

図１に示されるように、ロボット１の手首２の先端には、作業ツール３、例えばグリッパまたは溶接トーチ等が取付けられている。作業ツール３は、部品を把持、搬送したり、ワークを溶接するのに使用される。図１に示される作業ツール用線条体４は、作業ツール３に電力またはエアなどを供給するのに使用される。

図２は本発明に基づく手首構造部の斜視図である。図２において、手首２は、手首機枠１１と、手首機枠１１に対してＪ５軸回りに回動可能に取付けられた手首内枠１２とを主に含んでいる。手首内枠１２は作業ツール取付部１８を備えており、作業ツール３（図２には示さない）と一緒にＪ６軸回りに回転駆動される。

また、図２に示されるように、手首機枠１１の一側にはカバー１５が取付けられている。カバー１５は外方にわずかに湾曲した形状であり、カバー１５と手首機枠１１との間には平歯車減速機構部３０が配置されている。

図３Ａは本発明に基づく手首構造部の断面図であり、図３Ｂは図３Ａに示される手首構造部のカバーを外した状態における側面図である。以下、図２から図３Ｂを参照して、平歯車減速機構部２０について説明する。

図３Ａに示されるように、手首機枠１１内には、手首ハウジング用機枠１３が配置されている。図３Ａから分かるように、手首ハウジング用機枠１３が手首機枠１１内部を複数の手首室に隔離している。そして、それら手首室のうちの一つの手首室には、手首内枠１２がＪ５軸回りに回動可能に配置されている。図示されるように、手首内枠１２内には、作業ツール３（図３Ａには示さない）を駆動するための駆動モータ２２が配置されている。

また、他の手首室には、手首内枠１２を回転駆動させる手首内枠駆動モータ２１が配置されている。図３Ａに示されるように、手首内枠駆動モータ２１はその出力軸が手首２の中心軸線（図３ＡにおいてＪ６軸と同じ）に対して垂直になるように配置されている。

さらに、手首ハウジング用機枠１３の一側は、カバー１５により被覆されている。カバー１５と手首ハウジング用機枠１３の一側との間の空間は減速機室１６であり、減速機室１６には平歯車減速機構部３０が配置されている。

平歯車減速機構部３０は第一平歯車３１〜第七平歯車３７と、第一補助軸４１から第三補助軸４３とを主に含んでいる。図３Ａに示されるように、第一平歯車３１は手首内枠駆動モータ２１の出力軸に取付けられている。また、手首ハウジング用機枠１３の一側には、第一補助軸４１、第二補助軸４２および第三補助軸４３が手首内枠駆動モータ２１の出力軸に対して平行に配置されている。図３Ｂから分かるように、これら第一補助軸４１〜第三補助軸４３は手首２の中心軸線に対して垂直である。

第一補助軸４１には第二平歯車３２が回転可能に支持されていて、第一平歯車３１に係合している。図３Ａ等に示されるように、第二平歯車３２は第一平歯車３１よりも大径であり、或る実施形態においては第二平歯車３２の直径は第一平歯車３１の直径の約４倍である。

図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、第二平歯車３２と一体的な第三平歯車３３が第一補助軸４１に回転可能に支持されている。図３Ａに示されるように、第三平歯車３３は第二平歯車３２よりも手首２の中心軸線に近位に位置している。

また、第二平歯車３２は第三平歯車３３よりも大径であり、或る実施形態においては第二平歯車３２の直径は第一平歯車３１の直径の約４倍である。そして、第三平歯車３３は、第二補助軸４２に回転可能に支持された第四平歯車３４に係合している。

図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、第四平歯車３４と一体的な第五平歯車３５が第二補助軸４２に回転可能に支持されている。図３Ａに示されるように、第五平歯車３５は第四平歯車３４よりも手首２の中心軸線に遠位に位置している。

また、第四平歯車３４は第五平歯車３５よりも大径であり、或る実施形態においては第四平歯車３４の直径は第五平歯車３５の直径の約４倍である。そして、第五平歯車３５は、第三補助軸４３に回転可能に支持された第六平歯車３６に係合している。この第六平歯車３６はアイドラ歯車としての役目を果たす。

さらに、図３Ａおよび図３Ｂから分かるように手首内枠１２の回動軸Ｊ５には第七平歯車３７が回転可能に支持されている。そして、第七平歯車３７は第六平歯車３６に係合している。第六平歯車３６の回転は第七平歯車３７に伝達されて、手首内枠１２を回動軸Ｊ５回りに回転させるので、第七平歯車３７は出力平歯車としての役目を果たす。

動作時には、手首内枠駆動モータ２１の駆動トルクが第一平歯車３１を通じて第二平歯車３２に伝達される。そして、駆動トルクは第二平歯車３２と一体的な第三平歯車３３を介して第四平歯車３４に伝達される。次いで、駆動トルクは第四平歯車３４と一体的な第五平歯車３５を介して第六平歯車３６に伝達され、第六平歯車３６を介して第七平歯車３７に伝達される。これにより、手首内枠駆動モータ２１の駆動トルクが第七平歯車３７に伝達されて、手首内枠１２が回動軸Ｊ５回りに回動される。

手首内枠１２に配置される駆動モータ２２の出力軸は、図示しない他の減速機に接続されており、駆動モータ２２の駆動力は減速されて作業ツール取付部１８を回転駆動する。他の減速機は作業ツール取付部１８に内蔵されていてもよい。駆動モータ２２の寸法は、その出力軸の仕様から手首内枠駆動モータ２１の寸法と同じになることが多く、駆動モータ２２のＪ６軸方向における長さは第七平歯車３７の直径と概ね等しい。

本発明においては出力平歯車としての第七平歯車３７がアイドラ歯車としての第六平歯車３６に係合している。そして、小径の第五平歯車３５は、第七平歯車３７と第六平歯車３６との係合位置とは反対側において第六平歯車３６に係合する。このような構成であるので、従来技術とは異なり、第五平歯車３５と一体的な第四平歯車３４を手首の中心軸線に対し第一平歯車３１に対し近位に配置すると共に、第五平歯車３５を手首の中心軸線に対し遠位に配置することができる。

その結果、減速室１６を被覆するカバー１５と手首ハウジング用機枠１３との間の距離を最小限にできる。言い換えれば、本発明では、手首内枠１２の回動軸Ｊ５の方向における手首機枠１１の幅を小さくすることが可能である。

ここで、図３Ｃは、図３Ａに示される手首構造部の手首先端から見た端面図である。図３Ｃに示されるように、Ｊ６軸から最遠方に位置するカバー１５の一部分までの距離は手首２の干渉半径Ｒである。本発明では、上記のような構造であるので、回動軸Ｊ５方向において手首機枠１１を小さくすることができ、その結果、カバー１５も回動軸Ｊ５の方向に小さくすることができる。つまり、本発明では、従来技術に比較して、手首の干渉半径Ｒを小さくできるのが分かるであろう。

また、第一平歯車３１の径は歯車の歯数と歯形の大きさ(以下、モジュール)により決まり、係合する第二平歯車３２の径は第一平歯車３１との速度比により決まる。係合する歯車間のモジュールは同じにする必要があるため、速度比は第一平歯車３１の歯数と第二平歯車３２の歯数の比となる。カバー１５の高さを最小限にするために第二平歯車３２の径を小さくするには、第二平歯車３２の歯数を減らして速度比を小さくするか第一平歯車３１の径を小さくする必要がある。速度比を小さくすると出力されるトルクも小さくなってしまい、第一平歯車３１の径を小さくするとモジュールが小さくなり、歯面強さが不足してしまう。大抵の場合、第一平歯車３１の歯数は、手首内枠駆動モータ２１のシャフトの径とモジュールから最小の歯数としている。
本発明においては、第一平歯車３１および第二平歯車３２の間の速度比、第三平歯車３３および第四平歯車３４の間の速度比、ならびに第五平歯車３５および第六平歯車３６の間の速度比はいずれも約１：４と、平歯車間の速度比を互いにほぼ等しくしているため、カバー１５の高さを必要最小限に抑えられる。前述の場合、手首内枠駆動モータ２１の最高回転数が５０００ｒｐｍである場合に、回動軸Ｊ５の最高速度が４００ｄｅｇ／ｓｅｃにされる。

また、駆動モータ２２および作業ツール取付部１８と一体的な手首内枠１２は、その長手方向の中心が回動軸Ｊ５に位置するように配置されるのが好ましい。その理由は、手首内枠１２のバランスをとるためである。言い換えれば、手首内枠１２がＪ６軸方向において外側に突出すると、重量のある作業ツール３を作業ツール取付部１８に取付けるのが困難となり、また、手首内枠１２がＪ６軸方向において内側に後退すると、手首内枠１２が作業ツール用線条体４に干渉しやすくなる。このため、図３Ａに示されるように第七平歯車３７に係合する第六平歯車３６の第三補助軸４３は、駆動モータ２２の後端に対応する場所に位置決めされるのが好ましい。

さらに、図３Ｃに示される干渉半径Ｒを小さくするために、回動軸Ｊ５方向における手首内枠１２の幅も最小限に抑えられている。そして、第七平歯車３７が手首の中心軸線の近位に配置されている。このような構成においては、アイドラ歯車としての第六平歯車３６が必須である。そして、第六平歯車３６を排除した場合には、従来技術のように第四平歯車３４を手首２の中心軸線の遠位に配置する必要がある。

それゆえ、本発明においては、平歯車減速機構部３０の長所、例えば保守作業の簡便化、構造の単純化、製造コストの低減などを維持しつつ、Ｊ６軸からの干渉半径Ｒを小さくすることができる。

ところで、図３Ａを参照して分かるように、手首内枠駆動モータ２１の出力軸の先端は、第一平歯車３１〜第七平歯車３７よりも手首２の中心軸線に対して遠方に位置している。言い換えれば、手首内枠駆動モータ２１の出力軸の先端は、第一平歯車３１〜第七平歯車３７よりも外側に突出している。このような場合には、手首機枠１１の大部分が外側に突出するのを抑えることができ、回動軸Ｊ５方向における手首２の幅をさらに小さくすることができる。また、このような構成においては、手首内枠駆動モータ２１内の軸受に作用するモーメントを小さくすることもでき、手首内枠駆動モータ２１の外部に軸受を配置する必要もなくなる。

１ロボット
２手首
３作業ツール
５ロボット制御装置
１１手首機枠
１２手首内枠
１３手首ハウジング用機枠
１５カバー
１６減速室
１８作業ツール取付部
２１手首内枠駆動モータ
２２駆動モータ
３０平歯車減速機構部
３１第一平歯車
３２第二平歯車
３３第三平歯車
３４第四平歯車
３５第五平歯車
３６第六平歯車
３７第七平歯車
４１第一補助軸
４２第二補助軸
４３第三補助軸

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ロボットのアームの先端に結合され、複数の動作自由度を有する手首構造部であって、手首機枠内に相互に分離された異なる手首室を形成する手首ハウジング用機枠と、前記手首室のうちの一つの手首室内に回動可能に保持される手首内枠と、前記手首室のうちの他の手首室において、出力軸が前記手首内枠の回動軸と平行になるように配置されていて前記手首内枠を駆動する手首内枠駆動モータと、前記手首内枠に収納されると共に前記手首内枠の回動軸と直交する回転出力を出力する他の駆動モータと、前記手首ハウジング用機枠の一側を被覆して減速機室を形成するカバーと、前記減速機室内に配置されていて、前記手首内枠駆動モータの出力軸から取出された回転力を前記手首内枠へ減速して伝達する平歯車減速機構部とを備えた、手首構造部において、前記平歯車減速機構部は、前記手首内枠駆動モータの出力軸に装着された第一平歯車と、前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第一平歯車よりも大径であって前記第一平歯車に係合する第二平歯車と、前記第二平歯車と一体に前記第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第二平歯車よりも小径の第三平歯車と、前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第三平歯車よりも大径であって前記第三平歯車に係合する第四平歯車と、前記第四平歯車と一体に前記第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第四平歯車よりも小径の第五平歯車と、前記手首ハウジング用機枠内に取付けられた第三補助軸に回転可能に支持されると共に前記第五平歯車よりも大径であって前記第五平歯車に係合する第六平歯車と、前記手首内枠の回動軸上に取付けられていて前記第六平歯車に係合する第七平歯車と、を含んでおり、前記第四平歯車が前記第一平歯車よりも手首の中心軸線に近接して手首ハウジング用機枠に配置されていることを特徴とする手首構造部が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記手首内枠駆動モータの出力軸の先端は、前記第一平歯車から前記第七平歯車よりも外側に突出している。

Claims

ロボットのアームの先端に結合され、複数の動作自由度を有する手首構造部であって、
手首機枠内に相互に分離された異なる手首室を形成する手首ハウジング用機枠と、
前記手首室のうちの一つの手首室内に回動可能に保持される手首内枠と、
前記手首室のうちの他の手首室において、出力軸が前記手首内枠の回動軸と平行になるように配置されていて前記手首内枠を駆動する手首内枠駆動モータと、
前記手首内枠に収納されると共に前記手首内枠の回動軸と直交する回転出力を出力する他の駆動モータと、
前記手首ハウジング用機枠の一側を被覆して減速機室を形成するカバーと、
前記減速機室内に配置されていて、前記手首内枠駆動モータの出力軸から取出された回転力を前記手首内枠へ減速して伝達する平歯車減速機構部とを備えた、手首構造部において、
前記平歯車減速機構部は、前記手首内枠駆動モータの出力軸に装着された第一平歯車と、
前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第一平歯車よりも大径であって前記第一平歯車に係合する第二平歯車と、
前記第二平歯車と一体に前記第一補助軸に回転可能に支持されると共に前記第二平歯車よりも小径の第三平歯車と、
前記手首ハウジング用機枠に取付けられた第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第三平歯車よりも大径であって前記第三平歯車に係合する第四平歯車と、
前記第四平歯車と一体に前記第二補助軸に回転可能に支持されると共に前記第四平歯車よりも小径の第五平歯車と、
前記手首ハウジング用機枠内に取付けられた第三補助軸に回転可能に支持されると共に前記第五平歯車よりも大径であって前記第五平歯車に係合する第六平歯車と、
前記手首内枠の回動軸上に取付けられていて前記第六歯車に係合する第七平歯車と、を含んでおり、
前記第四平歯車が前記第一平歯車よりも手首ハウジング用機枠に近接して配置されていることを特徴とする手首構造部。
前記手首内枠駆動モータの出力軸の先端は、前記第一平歯車から前記第七平歯車よりも外側に突出している請求項１に記載の手首構造部。