JPS5973299A - 工業用ロボツト等の手首機構 - 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】 本発明は工業用ロボット、マニプレータ等に用いる事の
できる手錠機構に関し、特に位置決め精度等を量子させ
た折曲自在な手首機構に関するものである。

工業用ロボットやマニプレータ等の内、特に溶接用、シ
ーリング用等に用いるものは挾溢な場所で作業させる必
要のある場合が多く、工員を有するロボットの手前゛は
柔軟に任意の４１’（置、帰りを取り得ると共に、その
先端が曲ってロボットの適用率（全溶接線長さ又はシー
リング長さに対するロボットが使用可能な溶接線長さ又
はシーリング長さの割合）の大きいことが必要である為
、手首が自由−に曲り得る所謂フレキシブルな手首が要
求されている。しかし従来のフレキシブル手首はその機
構上、遊びやガタが多く、溶接作業の様な高度の精度を
要求される作業には納したものが無かった。

従って本発明は可撓性があり、しかもその位置決め精度
の高い工業用ロボットやマニプレータ等の手首機構を提
供することを目的とするものである。続いて本発明を溶
接用ロボットの手首機構に適用した場合について添付図
面を参照しつつ詳しく説明する。ここに第１図は上記溶
ｔ８０ボット全体の倶１曲図、第２図は同ロボットの手
首部にフレキシブルなカバーを装着した状態を示す側面
図、第３図は本発明の９５１の実施例に係る手首機構全
体の平ｐｌｙ面図、第４図は第３図に於るＡ−Ａ矢視断
面図、第５図及び第６図は木発明の第２の実施例に係る
手打機構の平面図及び側面図、第７図は？７Ｎ６図に於
るＩｓ　−Ｂ矢視断面図、４１８図は第３の実施例に係
る手許機構の平断面図で第７Ｍと同様の部分についての
部分断面図、第９図（ａｌ及び（ｂｌは、従来の溶接川
口ボットの手首機！１にによる溶接作業状態を示す側ｉ
（１を図、同図（Ｃ１及び（ｄｌは木発明に係る手首機
構による溶接作業状態を示す側面図である。

第１図に於てロボット本体（１）は、基台（２）に対し
てθ、の方向に旋回自在に取り付けられ、該本体（１）
には第１アーム（３）がθ、の方向に揺動自在に取り付
けられている。第１アーム（３）の先端に０３の方向に
揺動自在に取り付けられた第２アーム（４）の先端には
、θ４の方向に捩り（旋回）の自由度を持−〕フレキシ
ブルな手首機構（５）が取り付けられており、この手首
機構（５）は４つの手首要素（５ａ）、（５ｂ）、（５
Ｃ）（５ｄ）を平打な３本の連結軸（６ａ）、（６ｈＬ
（６Ｃ）で揺動可能に連結して構成されており、各手首
要素間の揺動角度θ、１、Ｃ５７、θ５．を合成した角
度θ、が手首（幾４：４　（！５１の全体的曲げ自由度
を示す。手首要素（５ｄ）の先端には該手首要素（５ｄ
）の軸芯方向に溶接トーチ（７）が取り付けられている
。θ、か０の時の溶接トーチの位置を（７ａ）とし、Ｃ
５１、θ□、θ、。

を全で６０度に等し、クシた場合トーチは（７ａ）に対
して１８０度反対の方向を指向する（７ｂ）の位置まで
回動される。従って０４とθ、の紹み合わせで溶接作業
に必要なあらゆるトーチ姿勢をとることが可能である。

溶接トーチ（７）とその制御装置ふ（８）とはパワーケ
ーブル、コンジットケーブル、ガスホース等を一束にし
たケーブル（９）によって連結され、かかるケーブル（
９）及び手首ｅｈ　横（５１の保晩及び防塵効果等を果
たす為のフレキシブルなカバー００で手首部を包むこと
が望ましい（第２図参照）。

本発明は上記のような折曲自在の複数の関節を有する手
首機構（５）に関するものであり、続いてその内容を説
明する。

手首機構全体を示す第３図に於て、第２アームの先端部
（４ａ）内には、小針機構（５１に旋回の自由度を与え
る為のモータＭ饋、揺動の自由度θ、を与える為のモー
タＭ、が固定されている。アーム先端部（４ａ）ｉこ同
軸に取り付けられたケーシング（１０内には、該ケーシ
ング１．ＩＩと同軸にハーモニックドライブ減速ｆｉ　
（Ｉ＋）　（ハーモニックドライブシステム社製四標）
が取り付けられており、該／１−モニツクドライブ減速
（φ（１１Ｊの中空の駆動４＊　１１３の後端に固着し
たギヤ＋Ｊ３が、前記モータＭ、の出力軸に固着したギ
ヤ（１４１と噛み合っている。上記ハーモニックドライ
ブ減速機の従動側外歯車叫は、ケーシング（１〔に軸受
（１１１９を介して同軸で回転自在に取り付けられた１
、イＦ回駆動軸＋１７１に連結されている。該旋回駆動
軸ｔｔ’ｉは、手Ｒｔ筏楕（５）全体の根元部をなし、
減速機０１）を介して旋回駆！１ｉｌＩｉｌ！１１１（
１７）を回転させることにより手首＋ａ　＜＊全体にθ
４方向の旋回運動を与える。

一方、上記旋回駆動軸（ｌηと一体の第１手首要素（５
ａ）は該手蒔要素の軸芯に直角の連結軸（１９＠）を介
して第２手首要素（５ｂ）を揺動自在に有し、第２手利
要素（５ｂ）は史にそのｎｉＩ方に連結軸（１９１）　
）を介して第４醒口こ示ず如き断面略Ｃ字状の第３手４
男・素（５Ｃ）を有しており、ｆｆ、’、　３手首部３
、（５ｃ　）は更にぞの前端に連結軸（１９ｃ）を介し
て第４手首要素（５ｄ）を夫々各連結軸を中心として揺
動自イしに有している。前記連結軸（１９＠）と（１９
ｂ）とは軸の中間に設けたチェーンスブロケツｌ−（２
０ａ）、（２０ｂ）及びこれらに巻きかけられたチ呈−
ン（２１ａ）によって１１１期して回転し、又連結軸（
１９ｂ）及び（１９Ｃ’ｌはその軸４１，１に夫々取り
付けられたチェーンスプロケット（２０Ｃ）及び（２０
ｄ）と、これらを連結するチェーン（２１ｂ）によって
同速度で回転する。よって連結軸（１９ａ）が回転する
と連結軸（１９ｂ）及び（１９Ｃ）も同じ速度で回転す
る。旦し各チェーンスプロケットの歯数を同一とした場
合である。又連結軸（１９ａ）と、第１手首要素（５ａ
）に軸受＠を介して回転自在に取り付けた中間軸（２）
とは、各軸の軸☆１１；に取り付けたチェーンスプロケ
ット（１９ａ）と同じ歯数のチェーンスプロケット（２
１）及び（２４ｂ）、史にｌ＋ｊｌチェーンスプロゲッ
トに巻きかけたチェーン（ハ）によって等速度で回転す
る様に連結されている。これらのチェーンスプロケット
駆動にはチェーンを張るテンショナーを備える事が望ま
しい上記中間ｙｌ＋　１：■の（ＩＩＩ端に１４、ベベ
ルギヤ轍が固着されており、該ベベルギヤ就）と直角に
噛み合うベベルギヤ（２／ｌを軸先Ｖ、１４にイ］する
伝達軸（至）は、第１手首要素（５ａ）に取り付けた軸
受け（支）と前記駆動軸（３２内に設けた軸受けに刀）
によって回転自在に軸支され、その後端に固着した平歯
車（３１１はｎｉｌ記揺動側のモータ〜１．の出力軸に
固着したギヤ（２）と噛み合っている。

以上述べた説明によってモータＭ、が回転するとギヤｌ
１４１、（順、駆動軸０カ、ハーモニックドライブ減速
機卸を介して旋回駆動軸０ηが低速で回転し、該旋回駆
動軸０′０の先端に取り付けた第１から第４の手口要素
を有する手６　機椹（５１が０４の方向に旋回運動し、
史にモータ八らが回転すると、ギヤ［有］、ｅｌｌ、伝
達軸（２８）、ベベルギヤ（２）、輸を介して中間軸（
２）及び連結軸（１９ａ）、（１９ｂ）、（１９Ｃ）　
が等速で回転することか理解される。

次に各手首要素間の揺ｆｌｌ＃　連動について説明する
が、これらは各連結÷口とこれに続く手首要素との間に
介在したハーモニック減ｇＤ　４３によって達成される
。即ち前記した第１の手首要素（５ａ）の先端に設けた
三叉状アーム（３３ａ）、（３３ｂ）には軸受けＣ（４
）、（濁を介して前記した連結軸（１９ａ）が軸支され
ており、該連結軸（１９ａ）はその中間部にハーモニッ
クドライブ減速機（３６ａ　）の駆動円板（：（７ａ　
）を一体内に有し、該駆動円板（３７ｍ）はフレクスプ
ライン（３８１）を介して固定口外歯車（３９ａ）及び
従動側外歯車（４０ａ）と噛み合っている。そして従動
側外歯車（４０ａ）は連結軸（１９ａ）にｆ＋Ｉ＋受け
（４１１（４２を介して回動自在に取り付けられた第２
手打要素（５ｂ）にＩｌ”ｌｌ　着されている。こうし
て俯、１手首要素（５ａ）と第２手首要素（５ｂ）とは
連結軸（１９ａ）を中心として揺りｊ自在の曲げ関節を
枯”成し、第１手首要素（５ａ）を駆動側手首要素とし
、また第２手は要素（５ｂ）を従ル１１側手ね要素とし
て連結軸（１９ｍ）の回転がハーモニックドライブｍ　
４ｉ１２　（３６ａ　）によって減速されて、従Ｖｈ側
手庁要素である第２手首要素（５ｂ）に伝達され、第２
手首要素（５ｂ）が連結軸（１９ａ）を中心として低速
で揺シＩ運動する。

又第２手４要素と第３手首要素との関係に於ては前者が
駆動側、後者が従動側となり、又第３と第４の各手首要
素の関係に於てもｊｇ３手首要素が駆動側、第１手首要
素が従動側となる。そしてこれらの−１転伝達のメカニ
ズムは前記した第１手首要素から第２手首要素への減速
機を介しての回転伝達と同様で、連結軸（１９ｂ）は軸
受け（４３１及びω４によって第１手首要素（５ｂ）に
軸支され、且つ軸受け（句及びｆ４［９を介して第３手
首要素（５ｃ）を支承していると共に、該連結軸（１９
１））に固着しタハーモニックドライブ減速ｍ　（３６
ｂ　）の駆動円板（３７ｂ）を一体内に有し、該駆動円
板（３７ｂ）はフレクスプライン（３８ｂ）を介して第
２手首要素（５ｂ）に固着された固定側外歯車（３９ｂ
）及び第３手首要素（５ｃ）に固着された従動側外歯車
（４０ｂ）と噛み合っている。

又第３手首要素（５ｃ）と第４手首要素（５ｄ）との関
係も同様で連結軸（１９Ｃ）と第４手首要素（５ｄ）と
の間にハーモニックドライブ減速機（３６Ｃ）を介在さ
せｆ、％、速回転する連結軸（、１９ｃ　）の回転を減
速して第１手首要素（５ｄ）に伝達する。

ここでハーモニックドライブ減速機について第１０ν１
を参照して簡単に説明１．ておく。図に示す様に駆動円
板（支）は楕円形で、その外周に複数の回転ローラ（Ｒ
）を介して装動に撓み得る材質よりなるリング状のフレ
クスプライン弼を密着状に有しており、フレクスプライ
ン（至）はその外周上に複数の外ｖＪａηを有し、核外
歯（４７１はその外側に装着された固定側外歯車０慢内
に真円状に形成された内歯（ハ）と長径部に於て噛み合
い、且つ短径部に於て離れている。外歯４７）の歯数は
内歯（処に対して若干少なく形成されてカリ、両者のピ
ッチは同一である。

例えば外歯ｆ４７１が２００枚の場合内歯（佃は２０２
枚である如くである。又フレクスプライン（至）には駆
動側外歯車（至）に隣接する図示せぬ従動側外歯車（４
ｏ）が噛み合っており、外歯車（４αの内歯の歯数はフ
レクスプラインＣ■の外歯の歯数と同一となる様に調整
されている。即ち、従動側外歯車の内歯とフレクスプラ
イン鯛）の外歯とは、フレクスプライン（９）側の外歯
のピッチの方が外歯軍船の内歯のピッチより若干広くな
る様に形成されている。従って、駆動円板Ｇｎを回転さ
せるとフレクスプライン（２）の外歯（４’ｆ）と固定
側外歯車０９）の内歯（柵とが順次噛み合って行き、駆
動円板Ｌ’３’／）が一回転した時点でフレクスプライ
ン晴）は２Ｍ分遅れた位置まで逆方向に回転する。フレ
クスプライン弼と従動側の外歯車（４■とはＩｉｄじ歯
数であるからフレクスプラインの回転に同期して従すυ
１側外歯車（４ｏ）が同転し、従って駆動円板（資）の
一回転に対して従！１１側外歯車（４（心は２歯分逆転
する如くなり、その減速機１は２÷２００　＝　’１０
ｏとなる。上記説明では（２）を固定しく４［１を従動
側とした為、＋４１は駆動円板（９）とは逆方向に　／
１００の減速速度で回転することになるが、逆に（４■
を固定した場合、可動とされた外歯軍国は駆動円板６で
と同じ方向に減速されて回転する。従ってモータＭ、を
回転；ｉ（−ｔ！　テ中ｎｉ１　軸（２３ｉ　及ヒＭ　
連軸（１９ａ）（１９ｂＸ１９−ｆ）を高速同転させる
と、たとえば連結軸（１９ｊａ）の周りについて見ると
、減速比が’／１００の場合、連結軸（１９３）か２０
０回転ると、従動側外歯車（４０ａ）及びこれに固着さ
れた第２手は要素（５ｂ）が０．２回転、即ち第１手首
要素（５＠）に対して７２度回転する。又連結軸（１９
ｂ）及び（１９Ｃ）の回転によって第１手首要素（５Ｃ
）は第２手首要素（５ｂ）に対して、第４手首要素（５
ｄ）は第３手首要素（５Ｃ）に対して夫々はぼ同じ角１
１分だけ同じ方向に回動する。旦し第２手首要素以後の
回動運動においては、連結軸（１９ｂ）、（１９Ｃ）の
回転数は、名手ね要素の回転角度によって形動を受ける
ので、第４手箱要素（５ｄ）の最終揺動角度はこれらの
手錠要素の回動角度分だけ修正して演算される。こうし
て第２、第３、第４の手首要素が同時にほぼ同一角度分
回動し、第１図に示した様にｆ’ｓ　４手首要素（５ｄ
）の先端に取り付けたトーチ（７）が水平状態（７ａ）
に対してθ、の分だけ回動する。

この様なトーチと接続したケーブル（９）は、ワーク等
との干渉を避ける為に、できるだけ手ｍ゛機槁の軸芯に
沿わせて取り付けることが望ましい。その為木手首Ｍ１
．４専に於ては第４図に示す様に各手涌要素の土面に軸
方向の中心方向に陥没する溝削）を設けこの１Ｍ　（４
９）内にパワーケーブル団、コンジットケーブル（５１
）、ガスポースのを内蔵したケーブル（９）を収容Ｉ７
、必要に応じて溝（４借をカバー６謙によって塞ぐ神に
する。又手首様１７１　［５）は全体として防音、防塵
等の目的の為に第３図に示す様にフレキシブルなカバー
哨）によって外覆することが望ましい。

以１−述べた第１の実施例では各連結軸がすべて両持状
態で支持されているが、第５図乃至第７図に示した第２
の実施例では片持状態の支持機構が示されている。即ち
第７図に示す如く第１手首要ベアリングｓ４１．　ｅａ
によって、又第２手首要素（５ｄ）と第１手首要素（５
Ｃ）とはクロスローラベアリング個によって夫々揺動自
在に連結され、第２手首要素一 の片側に配設され、第１手首要素（５ａ）に取り付けた
４山受けｃｉ６＋と第２手は要素（５６′）に取り付け
た軸受けＧηによって軸支された連結軸（１９ａ’）は
、ハーモニックドライブ減速様、　（３６ａ’　）の駆
動円板（３７ａ）を一体面に有し２、該駆動円板（３７
ａ）はフレクスプライン（：（８ａ’　）を介して第１
手首要素（５ａ）に固定された固定側外歯車（３９ａ’
）と第２手首要素（５５′）に固着された従動（ｆｉｌ
ｌ外歯車（４ｏ；）とに噛み合っており、チェーンｄに
よってスプロケット（２４ａ′）を軸端に有する上記連
結軸（１９ａ′）が高速同転すると、この回転が減速機
（３６ａ’　）により減速されて従動側外歯車（４０ａ
’）及び、これと一体面に固着された第２手首要素（５
ｇ）が低速で回動する。連結軸（１９ａ′）は、第２手
首要素（５ｄ’）と第３手首要素（５ｃ’　）を連結す
る連結軸（１９６）にチェーン（２１ａ′）によって連
結され、更に連結軸（１９５′）は図示せぬ先端側の連
結軸とチェーン（２ｔｂ）によって連結されている。第
２手首要素（５５′）と第３手首要素（５Ｊ）との連結
状態および両者の間に介在するハーモニックドライブ減
速機（３６ｄ’）の構成についても前記と同様であるか
ら省略する。

本発明に用いる減速機は上記した様なハーモニツクドラ
イブ減速様に限らず遊星ギヤ減速機１や遊星ローラ減速
機等を用いる＃１もｎＪ能である。第８図に遊星ギヤ減
速機（：４６　ａ″〜３６Ｃ″）を用いた場合の手４機
樋の部分的な断面図を示す。、即ち第８図に於て第１手
４要素（５ａ″）と第１手４要素（５ｂ″）とは軸受け
（至）によって揺動自在に連結され、第１手４要素（５
ｂ″）と第３手首要素（５（“）とは同様に軸受け（！
＋９によって連結されている。上記軸受け（至）と同軸
に配設した連結軸（１９ａ”）は第１手首要素（、５ａ
’　）側の軸受け（１１と第２手首要素（５ｂ“）側の
軸受け（６υとによって回動自在に軸支され連結軸（１
９ａ７）の中間に刻設したギヤ（（）力は、第２手首要
素（５ｂ“）に螺着したビン（０に回転自在に取り付け
た遊星ギヤ（（（４）と噛み合っており、該遊星ギヤｅ
４１はｆ１１手首要素（５２“）に固定した外歯車−に
内接して噛み合っている。従って例えば第１手首要素（
５ａ’）を固定した状態でチェーン（２５“）を走行さ
せて連結軸＋Ｉｎを回転させると、ギヤ６φと外歯車（
へ）の両方に噛み合う遊星ギヤ（圓が自転しつつ連結軸
（１９ａ“）の周りに減速されて公設し、第２手首要素
（５ｂ“）が神結軸（１９ａ“）の周りに低速回動する
。連結軸（１９ａ“）とチェーン（２１ａ″口こよって
１ｉｉ１期して回転する様に連結された連結軸（１９ｂ
“）及びこれと噛み合う遊星歯車（出についても同様で
あり、連結軸（１９ｂ″）の回転によって第３手首要素
（５（“）が第１手４要素（５ｂ”）に対し低速回動す
る。この様にしてチェーンによって連結された各連結軸
の回転が減速されて次段の手首要素に伝達され、各手鉋
゛要素がほぼ同一の角度で揺動する。

尚上記何れの実施例に於ても連結軸に回転を伝達する部
拐としてチェーンを用いたがこれはベルトやワイヤー等
に置き換えることも可能で、又かかる回転伝達部材を駆
動するスプロケットの歯数を全て同一にしたが、この歯
数を換えるか、又は附合う連結軸に取り伺けた減速機の
減速比を換えることにより、駆動側の手首要素と従動側
の手首要素との揺動角度を順次変化させることも可１１
ヒである。

本発明は以上述べた様に一個の駆動引手１１要素と、該
駆動側手首要素に対して揺動する一個の従Ｕｕ：　ａｉ
ｌ−Ｊ−’ｉ−４’装系とによって一組の手首関節を構
成し、二以上の手首関節をｆｌＩｌｔ次連結して自在に
撓み得るようになし、た工業用ロボット等の手首機構に
於°Ｃ１駆動側手ｉ要素と従動側手首要素とを両手首要
素の軸芯に１ｉ−Ｊ、角の連結軸を介して揺動自在に連
結し、連結軸と従動偏手ね゛要素との間に減速機を介在
させ′Ｃ駆動側手Ｕ要素に対する従動側手首要素の揺動
旬間を規制し、史に相隣合う連結軸を回転伝達部＋１に
よって連結したことを特徴とする工業用ロボット等の手
゛ｉ機構であるから、例えば本発明を溶接用ロボットの
手σ機梧に適用し７た場合、従来の手汀機格では精度誤
差の問題から手首部を多段に折り曲ける様な構造を採用
する事ができｒ、第９図ｔａ＋及び（Ｉ））に示した様
に、アーム（６９先端の手首にｉμ接トーチ＋６９１を
取り付けていた為、障ｕ　ｃｔａの背が高い場合には障
壁［相］の下部の溶接を行うことができず、ロボットの
適用率の低下を招いていたが、本発明では手首が多段に
折り曲げられるので第９図（Ｃ）に示す様に背の丙い障
壁υＤをも簡単に乗り越えて清祥作業をすることができ
、ロボットの適用率を名しく向上させた。又駆ｉｎｎ側
手自要素と従動側手首要素との間に減速’Ｊ　Ｋ７を介
イＥさせであるので、回転伝達部材等の遊びやガタが織
縮されて非従動側の手首要素に伝達されるので、筒度の
位置決め精度を要求される溶接ロボット等の手首機構に
適用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る手首機構を具えた
溶接ロボット全体の側面図、第２図は同ロボットの十訂
部にフレキシブルなカバーを装狛した状態を示す側面図
、第３図は本発明の第１の実施例に係る手も機構全体の
平Ｗｒ面図、第４図は第３図に於るＡ−Ａ矢視断面し１
、第５図及び第６図は本発明の第２の実施例に係る手Ｍ
Ｐ＆構の平面図及び側面図、Ｉｆ＜　７図は第６図に於
る１３−Ｂ矢視断面図、＠８図は第３の実施例に係る手
汀機横の平断面図で第７図と同様の部分番こついての部
分断面図、第９ｒｙＪ（３）及び（ｂｌは、従来の溶接
川口ボットの手首機構による溶接作業状態を示す側面図
、同図（Ｃ１及び（ｄｌは、本発明に係る手首機構によ
る溶接作業状態を不す側面図、第１０図は、本発明の実
施に用いることのできる減速機の一例であるハーモニッ
クドライブ城速機の作動原理を示す同減速（夫のｉＥ　
１Ｔｉ＋図である。 ５　ａ〜５　ｄ　、　５　ａ〜５　ｄ　、　５　ａｚ、
、５ｄ：、、手首要素２１ａ、２１ｂ、２１ａ、２１．
ｂ、２１ａ”、２１ｂ“・・・チコー−７（回転伝達部
杓）出願人　　株式会社　　神戸製鋼所 代理人　弁理士　本　庄　武　男 第９ （ａ） （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一個の駆動側手首要素と、該駆動側手首要素に対して揺
   ８（１１する一個の従動側手首要素とによって一紹の手
   ａ関節をもｄ成し、二以上の手首関節を順次連結して自
   在に折曲し得るようになした工業用ロボット等の手鎗゛
   機槍において、駆動側手首要素と従動側手首要素とを両
   手前要素の軸芯に直角の連結軸を介して揺動自在に連結
   し、連結軸と従動側手首要素との間に減速機を介在させ
   て駆動側手首要素に対する従動側手首要素の揺動角度を
   規制し、更に相隣合う連結軸を回転伝達部材によって連
   結したことを特徴とする工業用ロボット等の手σ機構。