专利名称：工业用机器人手腕驱动构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备有设置成分别可独立地绕相互交叉的各个的转轴转动，并 具有转动三轴的自由度的手腕单元的工业用机器人手腕驱动构造。
技术背景一般来讲，防止以容许的自由度自由地移动的多数手腕单元和与手腕单元 连接的电线等管线与相邻的机器人和外部设备干涉地对工业用机器人进行处 理。为了提高工厂内的生产线上的生产效率而在限定的空间内布置更多的机器 人，是一种有效的方法，为此，要求提供一种具有小型的手腕单元且管线不向 手腕单元的外侧伸出地处理的工业用机器人。曰本特开2005-96073号公报公开了通过使管线穿过手腕单元的中空部来 防止管线向外侧伸出的管线配线处理构造的一例。通过采用这种构造，管线的 动作稳定，并且可在较小的空间内对管线进行配线处理。然而，对于手腕单元，由于有须要具备构造复杂的减速机和多级构成的齿 轮等，因而存在不易实现手腕单元的小型化的问题。日本特开昭62-287991号 公报公开了具有设置成可绕相互交叉的各个的转轴转动的多个手腕单元的工 业用机器人的一例。在该现有例子中，工业用机器人具备可绕第一轴转动地设置的第一手腕 单元；在该第一手腕单元的前端一侧，可转动地设置在两侧的突出部之间的第 二手腕单元；以及在该第二手腕单元的前端一侧，可转动地设置的第三手腕单 元。再有，在第一手腕单元的一方的突出部上，设有减速一个电机的转速而驱 动第二手腕单元的一组双曲线齿轮组。在第一驱动单元的另一方的突出部上， 设有减速另一个电机的转速，并借助于第二驱动单元内的一组锥齿轮而驱动第 三手腕单元的另一组双曲线齿轮组。在上述专利文献2所记载的工业用机器人手腕驱动构造中，由于在第一手 腕单元内设有用于驱动第二手腕单元及第三手腕单元的两组双曲线齿轮组，因
此，虽然能够得到较大的减速比，但由于构造的复杂化，存在使得第一手腕单 元体积大且导致重量增加的问题。因此，为了在确保较大的减速比的同时，能 够在更狭窄的作业空间内与周围无干涉地进行作业，要求提供能够使手腕单元 进一步小型化的手腕驱动构造。另外，由于若手腕单元较重，则手腕单元的惯 性矩变大，因此，存在将控制的应答性提高到一定程度以上较困难的问题。 发明内容本发明提供一种通过实现手腕单元的小型化，能够在更狭窄的作业空间内 与周围无干涉地进^f亍作业，并且通过增加所布置的才几器人数，能够才是高生产线 上的生产效率的工业用机器人手腕驱动构造。为了达到上述目的，根据本发明的工业用机器人手腕驱动构造的一个方式，该构造具有可绕第一轴线转动地被悬臂支撑的第一手腕单元；在该第一 手腕单元的前端一側以基端为支点可绕与上述第一轴线交叉的第二轴线枢轴 转动地被悬臂支撑的第二手腕单元；在该第二手腕单元的前端一侧可绕与上述 第二轴线交叉的作为最终轴的第三轴线转动地被悬臂支撑的第三手腕单元；设 置于上述第 一手腕单元上，分别驱动上述第二手腕单元和上述第三手腕单元的 两个驱动电机；以及以规定的减速比减速各个该驱动电机的转速的两组齿轮 组，其特征在于，各组上述齿轮组包括由上述驱动电机驱动的主动侧齿轮； 以及与该主动侧齿轮啮合的从动侧内齿轮，两个该从动侧内齿轮配置成共有上 述第二轴线且与上述第二轴线同轴，各个上述主动側齿轮在与上述A^动侧内齿 轮的轴垂直的方向上相对上述第二轴线对称地偏移地相互平行地配设。根据该发明，由于两个从动侧内齿轮配置成与所共有的第二轴线同轴，因 此，能够在第一手腕单元的前端一侧减少从动侧内齿轮所占有的空间。由于各 个主动侧齿轮在与从动侧内齿轮的轴垂直的方向上相对第二轴线对称地偏移 地相互平行地配设，因此，能够较小地形成第一手腕单元的与轴垂直方向上的 截面积。因此，能够实现手腕单元的小型化，可在更狭窄的作业空间内与周围 无干涉地进行作业。另外，能够增加在一定空间内布置的机器人的数量，由此 可提高生产线上的生产效率。另外，由于能够将手腕驱动单元设置在相对机器 人的最终转轴偏移的位置上，因此，也能确保插通机器人最终转轴的中空部的 作业工具用管线所通过的空间，并且能防止管线与周围的干涉。
本发明的上述或其它目的、特征及优点通过说明与附图关联的以下的优选实施方式将更加清楚。同一附图中图1是表示涉及本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第一实施方式的 主视图；图2是图1所示工业用机器人手臂驱动构造的俯视图； 图3是表示工业用机器人的一例的整体图； 图4是表示工业用机器人的另一例的整体图；图5是表示涉及本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第二实施方式的 主视图；图6是图5所示工业用;f几器人手臂驱动构造的俯^f见图； 图7是表示涉及本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第三实施方式的 主一见图；图8是图7所示工业用机器人手臂驱动构造的俯视图；具体实施方式
下面结合图详细地说明本发明的实施方式的具体例。图1及图2表示涉及 本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第一实施方式。图3及图4表示可应用 本实施方式的手臂驱动构造的工业用机器人的整体图。如图3及图4所示，作为例子表示的工业用机器人1A、 1B是具有正交六 轴的自由度的机器人，图3是作为最终轴的手腕单元具备焊炬2的电弧焊接机 器人，图4是同样地具备机械手工具3的搬运机器人。在电弧焊接机器人1A 中，在焊炬2上连接将信号缆线、电源缆线、焊丝、气体软管、焊丝导管等扎 在一起的管线4。在拍^运机器人1B中，将信号缆线、电源缆线、空气配管等 扎在一起的管线4连接在机械手工具3上。作为例子表示的两个机器人1A、 1B,在两者之间，除了作为未端执行器 的第三手腕单元12的形态、连接第三手腕单元12的管线4的构成以及进给管 线4进给装置5的构成不同以外，其他部分相同。即，底座6、上臂7、前臂 8以及具有转动三轴的自由度的手腕驱动构造在两者中相同。因此，涉及本发 明的工业用机器人手臂驱动构造可应用于双方的工业用机器人1A、 1B上。各
个驱动单元构成为由对各个驱动单元的伺服电机所驱动，使得按照来自机器人 控制装置的指令能够得到给定的位置及姿势。此外，涉及本发明的手臂驱动构造不限定于图3及图4所示的工业用机器人1A、 1B,也可以应用在进行封焊 或拾取等的工业用机器人上。本实施方式的手臂驱动构造由具有转动三轴的自由度的第一 第三手腕单 元10、 11、 12构成。第一手腕单元10设置成可绕作为中心轴的第一轴线a转 动。第二手腕单元11设置成在第一手腕单元10的前端一侧以基端为支点可绕 与第一轴线a交叉的作为枢轴的第二轴线b枢轴转动。第三手腕单元12设置 成在第二手腕单元11的前端一侧可绕与第二轴线b交叉的作为最终轴的第三 轴线c转动。另外，本实施方式的手臂驱动构造构成为第一轴线a、第二轴线b、第三 轴线c在一点交叉的串联手腕构造。即，如图2所示，第一轴线a和第三轴线 c在同一轴线上。因此，能够使第一手腕单元IO转动时的与其它手腕单元11、 12的干涉半径较小，而且能够实现转动平衡性良好且控制性能较好的手腕驱 动构造。在与彼此转动自如地连结的底座6及上臂7上连着的前臂8上具备第一 第三手腕单元IO、 11、 12。底座6可绕作为中心轴的垂直轴线转动。与底座6 连着的上臂7以连结在底座6上的一端为支点可枢轴转动。与上臂7连着的前 臂8以连结在上臂7上的另一端为支点可枢轴转动。底座6和上臂7以及前臂 8以转动三轴的自由度转动。本实施方式的手臂驱动构造的特征部分详细地表示在图1及图2上。如图 所示，在第一手腕单元10内设有分别驱动第二手腕单元11和第三手腕单元 12的两个伺服电机(驱动电机)13、 14和以给定的减速比减速各个伺服电机 13、 14的转速的两组双曲线齿轮组15、 20。各组的双曲线齿轮组15、 20由通 过伺服电机13、 14驱动的小齿轮(主动侧小齿轮)16、 21和与小齿轮16、 21 啮合驱动第二手腕单元11或第三手腕单元12的内齿轮(从动侧大齿轮)17、 22构成。方向与内齿轮17、 22的轴垂直且偏置于下侧的一小齿轮16形成为 齿向右扭曲了状态。另一小齿轮21形成为齿向与一小齿轮16不同的方向扭曲 的状态。即，在另一小齿轮21上，齿形成为向左扭曲的状态。与各个小齿轮16、 21啮合的内齿轮17、 22彼此可绕公用的中心轴即第二轴线b转动地重叠。 第一手腕单元IO其基端一侧在前臂8的前端一侧被转动自如地悬臂支撑。 在第一手腕单元10的基端一侧设有用于按规定的减速比转动该第一手腕单元 IO的未图示的伺服电机和减速机构。减速装置存放在第一手腕单元10内，使 得其输出部与第一轴线a同轴地转动。在减速机构的输出部上贯通形成有中空 孑L，在中空孔中可插通与用于驱动第二手腕单元11及第三手腕单元12的伺服 电机13、 14连接的控制缆线。通过控制缆线插通中空孔，可吸收当第一手腕 单元10绕第一轴线a转动时的缆线的扭曲，能够防止缆线断线等的损伤。此 外，也可以沿着该控制缆线布设与相当于第三手腕单元12的机械手工具3(图 4)连接的管线4，并将设置在管线4的端部上的连接器连接在第三手腕单元 12的手腕凸缘上。这样一来，防止沿着手腕单元布线的管线4向外部露出， 管线4的动作稳定，同时，能够实现干涉半径较小的管线4的配线处理构造。 另外，作为另外的方式，也可以使管线4通过前臂8的外侧，并将设置在管线 4的端部上的连接器连接在第三手腕单元12的手腕凸缘上。由此，虽然管线4 露出外部，但管线4不受中空直径的限制，另外，也可确保维修性。再有，作 为另外的方式，也可以使管线4通过第三手腕单元12的外侧，并将设置在管 线4的端部上的连接器连接在第三手腕单元12的手腕凸缘上。毋庸置言，即 使在这种情况下，也能得到如上所述的效果。在第一手腕单元10内，存放有使第二手腕单元11绕第二轴线b枢轴转动 的第二手腕用伺服电机13和使第三手腕单元12绕第三轴线c转动的第三手腕 用伺服电机14。第二手腕用伺服电机13和第三手腕用伺服电机14前后配置 在第一轴线a上。在表示第一手腕单元IO的主视图的图1中，各个伺服电机 13、 14的输出轴偏置成相对包括第一轴线a和第二轴线b的平面大致面对称。 即，各个伺服电机13、 14以在包括第一轴线a和第二轴线b的平面的两侧且 彼此前后错开的状态并且以一部分重叠的状态相互排列设置。这样，通过将第二手腕用伺服电机13配置在第一手腕单元10的前端一侧， 将第三手腕用伺服电机14配置在第一手腕单元10的后端一侧，从而从第一轴 线a的方向观察时，能够一部分重叠的配置两个电机13、 14，可将第一手腕 单元10的轴垂直截面积控制到较小。
在第一手腕单元10的前端一侧分别设有用于将两个伺服电机13、 14的驱 动力向第二手腕单元11及第三手腕单元12传递的双曲线齿轮组15、 20。在 图1中，在位于下侧的伺服电机13的输出轴上借助于一组正齿轮(或斜齿轮 等)24、 25连接有第二手腕用小齿轮16。第二手腕用小齿轮16转动自如地支 撑于前后一对轴承28、 29上，其前端一侧在从第二手腕用内齿轮17的中心轴 即第二轴线b沿轴垂直方向偏移的状态下与第二手腕用内齿轮17啮合。在位于上一侧的伺服电机14上借助于驱动轴32连接有第三手腕用小齿轮 21。驱动轴32的一端借助于一组正齿轮(或斜齿轮等)26、 27与伺服电机14 的输出轴连接，驱动轴32的另一端同样地借助于一组正齿轮(或斜齿轮等) 33、 34连接在小齿轮21上。驱动轴32的两端轴支撑于轴承50、 51上。第三 手腕用小齿轮21转动自如地支撑于前后一对轴承30、 31上，其前端一侧在从 第三手腕用内齿轮22的中心轴即第二轴线b偏移的状态下与第三手腕用内齿 轮22啮合。第三手腕用内齿轮22借助于彼此正交的一对锥齿轮18、 19使第 三手腕单元12绕第三轴线转动。就形成于两个小齿4仑16、 21上的齿形的方向而言，在本实施方式中，在 第二手腕用小齿轮16的外周面上形成有向右扭曲的齿形，在第三手腕用小齿 轮21的外周面上形成有向左扭曲的齿形。这样，由于两个小齿轮16、 21的齿 形分别对照地形成，可将两个小齿轮16、 21配置在相对与第二轴线b的轴垂 直的方向对照地偏移了的位置上。具有共有的中心轴的第二手腕用内齿轮17和第三手腕用内齿轮22,齿轮 的外径不同，在外径较大的第二手腕用内齿轮17的内侧转动自如地嵌入有外 径较小的第三手腕用内齿轮22。即，第二手腕用内齿轮17和第三手腕用内齿 轮22共有第二轴线b并单级重叠。由于笫二手腕用电机13及第三手腕用电机14配置在相对第一轴线a大致 对称的位置上，从而可使通过两个伺服电机13、 14的配置的第一手腕单元10 的轴垂直截面面积较小。另外，由于这两伺服电机13、 14的驱动力借助于各 个双曲线齿轮組15、 20可传递到各个手腕单元11、 12上，因此，能够以较大 的减速比传递较大的转矩。例如，用一组双曲线齿轮组15、 20能够得到例如 10-50的减速比。因此，与如现有技术那样使用了昂贵的减速机构或多级齿轮
减速机构的场合相比，能够使手腕单元IO为小型，而且能够提高伺服电机13、 14的动力传递效率。下面，根据图5及图6说明涉及本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第 二实施方式。对于本实施方式与第一实施方式相同的构成部分，附注同一符号， 省略重复说明。本实施方式与第一实施方式在设置于第一手腕单元10A上的伺服电机 13A、 14A的配置上不同。如图所示，两个伺服电机13A、 14A并排设置在与 第一轴线a的轴垂直的方向上。此外，在伺服电机13A、 14A的输出轴40、 41上直接连结有小齿轮16、 21。通过如此构成，不需要连接伺服电机13A、 14A和双曲线齿轮组15、 20的齿轮和驱动轴，能够使手腕驱动机构为简单的 构造，而且能够将成本控制到较低。由于其它方面与第一实施方式相同，因而 在此省略说明。下面，根据图7及图8说明涉及本发明的工业用机器人手臂驱动构造的第 三实施方式。对于本实施方式与第一实施方式相同的构成部分，附注同一符号， 省略重复说明。本实施方式也与第一实施方式在设置于第一手腕单元10B上的伺服电机 13B、 14B的配置上不同。在本实施方式中，设置于第一手腕单元10B上的伺 服电机13B、 14B设置在相对第一轴线a与轴垂直的方向上。即，各个伺服电 机13B、 14B的输出轴与第一轴线a正交。因此，各个伺服电机13B、 14B的 驱动力借助于各一组的锥齿轮35、 36、 42、 43传递到小齿轮16、 21上。另夕卜， 由于在伺服电机13B、 14B和小齿轮16、 21之间存在距离，因而两者之间介 入设置有驱动轴37、 38。各个驱动轴37、 38的两端轴支撑于轴承52 55上。 由于根据这种构成能够在第一手腕单元10B的基部集中配置伺服电机13B、 14B，因此，能够使绕第一轴线a的惯性矩较小，从而能够提高控制的应答性。 另夕卜，若伺服电机使用截面积较大的扁平型，则能够提高手腕单元的控制性能， 而且能够使手腕驱动构造廉价和小型化。此外，本发明不限定于上述实施方式上，可通过进行各种变更来实施。在 本实施方式中，虽然两组齿轮组均为双曲线齿轮组15、 20，但在不必加大第 二手腕单元11或第三手腕单元12的一方的减速比的场合等，也能够使一组齿轮组为双曲线齿轮组，使另 一组齿轮组为由蜗杆或锥齿轮和内齿轮构成的组。另外，虽然在本实施方式中，两个内齿轮17、 22同轴且单级重叠，但也 可以使之处于同轴且二级重叠的状态。另外，形成于小齿轮16、 21的外周面 上的齿的扭曲方向可以是任意的，只要小齿轮16、 21的齿的扭曲方向彼此对 照地在反向上形成即可。
权利要求
1. 一种工业用机器人手腕驱动构造，具有可绕第一轴线(a)转动地被 悬臂支撑的第一手腕单元(10, 10A， 10B);在该第一手腕单元(IO， 10A, 10B)的前端一側以基端为支点可绕与上述第一轴线(a)交叉的第二轴线(b) 枢轴转动地被悬臂支撑的第二手腕单元(11 );在该第二手腕单元(11)的前 端一侧可绕与上述第二轴线(b)交叉的作为最终轴的第三轴线(c)转动地被 悬臂支撑的第三手腕单元(12);设置于上述第一手腕单元(10, 10A, 10B) 上，分别驱动上述第二手腕单元(11)和上述第三手腕单元(12)的两个驱动 电机(D, 14);以及以规定的减速比减速各个该驱动电机(13， 14)的转速 的两组齿轮组(15， 20)，其特征在于，各组上述齿轮组(15， 20)包括由上述驱动电机(13， 14)驱动的主动 侧齿轮(16， 21);以及与该主动侧齿轮(16, 21)啮合的从动侧内齿轮(17, 22)，两个该从动侧内齿轮(17, 22)与上述第二轴线(b)同轴地配置，各个 上述主动侧齿轮(16， 21)在与上述从动側内齿轮(17, 22)的轴线垂直的方 向上相对上述第二轴线(b)对称偏移地相互平行地配设。
2. 根据权利要求1所述的工业用机器人手腕驱动构造，其特征在于， 上述两组齿轮组(15， 20)是双曲线齿轮组，上述主动侧齿轮(16, 21)是小齿轮，两个该小齿轮的齿向分别对照地在相反方向扭曲。
3. 根据权利要求1所述的工业用器人手腕驱动构造，其特征在于， 两个上述从动侧内齿轮(17， 22)单级重合。
4. 根据权利要求1所述的工业用机器人手腕驱动构造，其特征在于， 配设上述两个驱动电机(13, 14),使得上述两个驱动电机(13, 14)的输出轴位于相对包括上述第一轴线(a)及上述第二轴线(b)的平面大致面对 称的位置上。
5. 根据权利要求1所述的工业用机器人手腕驱动构造，其特征在于， 上述第一轴线(a)和上述第二轴线(b)以及上述第三轴线(c)交叉于一点。
全文摘要
本发明提供一种工业用机器人手腕驱动构造，具有可绕第一轴线转动地被悬臂支撑的第一手腕单元；在第一手腕单元的前端一侧以基端为支点可绕与第一轴线交叉的第二轴线枢轴转动地被悬臂支撑的第二手腕单元；在第二手腕单元的前端一侧可绕与第二轴线交叉的第三轴线转动地被悬臂支撑的第三手腕单元；设置于第一手腕单元上，驱动第二手腕单元和第三手腕单元的两个驱动电机；以及以规定的减速比减速各驱动电机的转速的两组齿轮组，各组齿轮组包括由驱动电机驱动的主动侧齿轮；以及与主动侧齿轮啮合的从动侧内齿轮，两个从动侧内齿轮配置成与第二轴线同轴，各个主动侧齿轮相互平行配设成在与从动侧内齿轮的轴线垂直的方向上，相对第二轴线对称地偏移。
文档编号B25J19/00GK101121264SQ200710140350
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月9日 优先权日2006年8月10日
发明者中山一隆, 井上俊彦, 岩山贵敏 申请人:发那科株式会社