(57)【要約】【課題】１つの駆動モータで、互いに直交する２軸のうちの一方の軸のまわりの第１手首および第２手首の回動動作と、他方の軸のまわりの第２手首の回転動作を行うことができ、駆動モータ停止時には各手首の位置を保持できるロボットの手首ユニットを提供する。【解決手段】駆動モータから入力トルクを加えられる入力プーリ（入力部材）１０を、第１手首６が連結される第１手首軸１に第１クラッチ３および第２クラッチ５を介して連結するとともに、第１手首軸１と直交する第２手首軸２に一対の傘歯車１０ａ、２ａを介して連結し、その第２手首軸２に連結された第２手首７を第１手首６に組み込んで、第１クラッチ３に連結されたブレーキ４を操作することにより、第１手首軸１のまわりの両手首６、７の回動動作と、第２手首軸２のまわりの第２手首７の回転動作を切り替えることができ、逆入力トルクに対しては第２クラッチ５が第１手首軸１を停止させる構成とした。【選択図】図１
2019177437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータから入力トルクを加えられる入力部材と、前記入力部材と同軸に配される第１手首軸と、前記第１手首軸に回転伝達可能に連結された第１手首と、前記第１手首軸と直交する方向に延び、前記入力部材に互いに噛み合う一対の傘歯車を介して回転伝達可能に連結された第２手首軸と、前記第１手首に回転自在に組み込まれ、前記第２手首軸に回転伝達可能に連結された第２手首と、前記入力部材に連結され、入力部材から入力された回転の伝達と遮断を行う第１クラッチと、前記第１クラッチに連結され、第１クラッチの回転伝達状態と回転遮断状態を切り替えるブレーキと、前記第１クラッチと第１手首軸に連結され、第１クラッチから伝達された回転を第１手首軸に伝達し、第１手首軸に加えられる逆入力トルクに対してはロックして第１手首軸を停止させる第２クラッチとを備え、
前記第１クラッチを回転伝達状態として前記入力部材に入力トルクを加えたときには、前記第１手首が第２手首と一体に第１手首軸のまわりに回動し、前記第１クラッチを回転遮断状態として前記入力部材に入力トルクを加えたときには、前記第１手首が停止して第２手首が第２手首軸のまわりに回転するようになっているロボットの手首ユニット。
【請求項２】
前記第１クラッチは、前記入力部材と一体回転する第１外輪の径方向内側に第１内輪を配し、前記第１内輪の外周面にカム面を周方向に複数設けて、前記第１外輪の内周円筒面と第１内輪の各カム面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間を形成し、これらの各楔形空間に一対のローラとそのローラを一つずつ楔形空間の両側の狭小部へ押し込むばねを組み込み、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有する第１ロック解除片を、前記第１内輪と同一軸心のまわりに回転する制御軸に固定したものであり、
前記ブレーキは、前記制御軸を回転不能に拘束する状態と前記制御軸を回転可能に解放する状態とを切り替える操作が行えるものであり、
前記第２クラッチは、固定部材に固定された第２外輪の径方向内側に前記第１手首軸と一体回転する第２内輪を配し、前記第２内輪と前記第１クラッチの第１内輪との間に、第１内輪の回転を僅かな角度遅れをもって第２内輪に伝達するトルク伝達手段を設け、前記第２内輪の外周面にカム面を周方向に複数設けて、前記第２外輪の内周円筒面と第２内輪の各カム面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間を形成し、これらの各楔形空間に一対のローラとそのローラを一つずつ楔形空間の両側の狭小部へ押し込むばねを組み込み、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有する第２ロック解除片を、前記第１クラッチの第１内輪に固定したものであり、
前記ブレーキが前記制御軸を回転可能に解放した状態で、前記入力部材に入力トルクが加えられると、前記第１クラッチでは、前記第１外輪が前記各楔形空間の一対のローラのうちの回転方向前側のローラを介してロックした第１内輪と一体に回転し、前記第２クラッチでは、前記第１内輪に固定された第２ロック解除片が、前記各楔形空間の一対のローラのうちの回転方向後側のローラを押して前記第２外輪と第２内輪のロック状態を解除した後に、前記トルク伝達手段によって前記第１内輪の回転が前記第２内輪および第１手首軸に伝達され、
前記ブレーキが前記制御軸を回転不能に拘束した状態で、前記入力部材に入力トルクが加えられると、前記第１クラッチでは、前記回転方向前側のローラが前記制御軸に固定された第１ロック解除片の柱部に当接して停止することにより、前記第１外輪と第１内輪のロック状態が解除されて第１外輪および入力部材が空転し、前記第２クラッチの第２内輪および第１手首軸には回転が伝達されないようになっていることを特徴とする請求項１に記載のロボットの手首ユニット。
【請求項３】
前記ブレーキが、非通電時は前記制御軸を回転不能に拘束し、通電時は前記制御軸を回転可能に解放する無励磁型電磁ブレーキであることを特徴とする請求項２に記載のロボットの手首ユニット。
【請求項４】
前記第１手首軸と第１手首との間に、前記第１手首軸の回転を減速して第１手首に伝達し、前記第１手首に加えられる逆入力トルクに対してはロックして第１手首を停止させる減速機構が設けられており、前記第２クラッチが省略され、前記第１クラッチが第１手首軸に連結されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のロボットの手首ユニット。
【請求項５】
前記第１手首および第１手首を回動自在に支持するフレームに、少なくとも前記一対の傘歯車を覆うユニットカバーが取り付けられており、前記ユニットカバーは、前記第１手首と一体に回動する中央カバーと、前記フレームに固定され、前記中央カバーの軸方向両側で中央カバーの回動を案内する固定カバーとからなるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のロボットの手首ユニット。
【請求項６】
前記第２手首に取り付けられるエンドエフェクタがエア駆動されるものであり、前記第２手首軸が中空に形成され、その第２手首軸の中空部に、前記エンドエフェクタに駆動用エアを供給するエア配管が通されており、前記第２手首軸とエア配管との間に、転がり軸受とその転がり軸受の軸方向の一側をシールするシール部材が組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のロボットの手首ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットのアーム先端部に設けられる手首ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットのアームの先端部には、互いに直交する２軸のうちの一方の軸のまわりに回動する第１手首と、第１手首と一体に一方の軸のまわりに回動し、他方の軸のまわりにも回転する第２手首とを備え、その両手首一体の回動と第２手首の回転により、第２手首に取り付けられたエンドエフェクタの位置決めを行うようにした手首ユニットが設けられていることが多い。
【０００３】
例えば、特許文献１で提案されている手首ユニットは、第１モータで駆動される外側駆動軸の内側に第２モータで駆動される内側駆動軸を配し、両駆動軸と直交する姿勢で回転可能に設置した回動中心軸の外周に、外側駆動軸に固着した傘歯車と噛み合う回動中心第１歯車（傘歯車）と、内側駆動軸に固着した傘歯車と噛み合う回動中心第２歯車（傘歯車）を回転可能に取り付けるとともに、回動中心軸にこれと直交する姿勢で回転中心軸（第１手首に相当）を固着し、その回転中心軸の外周にエンドエフェクタとなる吸着ハンドが固定される回転軸（第２手首に相当）を回転可能に取り付け、回転軸に固着した２つの傘歯車の一方を回動中心第１歯車と噛み合わせ、他方を回動中心第２歯車と噛み合わせたものである。
【０００４】
そして、上記の構成により、第１モータと第２モータの一方を単独で駆動すると、回転軸および吸着ハンドが回動中心軸のまわりに回動すると同時に回転中心軸のまわりに回転するが、第１モータと第２モータの両方を同じ回転数で駆動した場合は、その回転方向によって、回転軸および吸着ハンドが、回動中心軸のまわりの回動動作を相殺されて回転中心軸のまわりの回転動作のみを行うか、あるいは回転中心軸のまわりの回転動作を相殺されて回動中心軸のまわりの回動動作のみを行うようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１００２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の手首ユニットでは、回動中心軸と回転中心軸が互いに直交しており、２つの駆動モータを同時に同じ回転数で駆動することにより、回動中心軸のまわりの回転中心軸（第１手首）と回転軸（第２手首）の回動動作と、回転中心軸のまわりの回転軸の回転動作を行うことができる。
【０００７】
しかしながら、２つの駆動モータを組み込んでいるため、駆動モータの設置スペースが大きくなってユニット全体の小型化が難しいし、駆動モータ用の大径の動力ケーブルや通信ケーブルが多くなって組立時の配線作業に手間がかかるという問題がある。
【０００８】
また、吸着ハンドが下向きでない位置で駆動モータを停止させたときには、吸着ハンドに作用する重力によって、回動中心軸のまわりに回転中心軸および回転軸が回動してしまい、吸着ハンドの位置を保持できないおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、１つの駆動モータで、互いに直交する２軸のうちの一方の軸のまわりの第１手首および第２手首の回動動作と、他方の軸のまわりの第２手首の回転動作を行うことができ、駆動モータ停止時には各手首の位置を保持できるロボットの手首ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明のロボットの手首ユニットは、駆動モータから入力トルクを加えられる入力部材と、前記入力部材と同軸に配される第１手首軸と、前記第１手首軸に回転伝達可能に連結された第１手首と、前記第１手首軸と直交する方向に延び、前記入力部材に互いに噛み合う一対の傘歯車を介して回転伝達可能に連結された第２手首軸と、前記第１手首に回転自在に組み込まれ、前記第２手首軸に回転伝達可能に連結された第２手首と、前記入力部材に連結され、入力部材から入力された回転の伝達と遮断を行う第１クラッチと、前記第１クラッチに連結され、第１クラッチの回転伝達状態と回転遮断状態を切り替えるブレーキと、前記第１クラッチと第１手首軸に連結され、第１クラッチから伝達された回転を第１手首軸に伝達し、第１手首軸に加えられる逆入力トルクに対してはロックして第１手首軸を停止させる第２クラッチとを備え、前記第１クラッチを回転伝達状態として前記入力部材に入力トルクを加えたときには、前記第１手首が第２手首と一体に第１手首軸のまわりに回動し、前記第１クラッチを回転遮断状態として前記入力部材に入力トルクを加えたときには、前記第１手首が停止して第２手首が第２手首軸のまわりに回転する構成とした。
【００１１】
上記の構成によれば、ブレーキを操作して第１クラッチの回転伝達状態と回転遮断状態を切り替えることによって、１つの駆動モータから入力部材に入力トルクが加えられたときに、第１手首と第２手首を第１手首軸のまわりに一体に回動させるか、あるいは第１手首を停止させて第２手首を第２手首軸のまわりに回転させることができ、駆動モータが停止したときには、第２手首に固定されるエンドエフェクタに作用する重力等によって第１手首に逆入力トルクが加えられても、第２クラッチの作用によって第１手首軸が停止し、各手首およびエンドエフェクタの位置を保持することができる。
【００１２】
ここで、前記第１クラッチの具体的な構成としては、前記入力部材と一体回転する第１外輪の径方向内側に第１内輪を配し、前記第１内輪の外周面にカム面を周方向に複数設けて、前記第１外輪の内周円筒面と第１内輪の各カム面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間を形成し、これらの各楔形空間に一対のローラとそのローラを一つずつ楔形空間の両側の狭小部へ押し込むばねを組み込み、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有する第１ロック解除片を、前記第１内輪と同一軸心のまわりに回転する制御軸に固定したものを採用し、
前記ブレーキは、前記制御軸を回転不能に拘束する状態と前記制御軸を回転可能に解放する状態（以下、それぞれ「ＯＮ状態」、「ＯＦＦ状態」と称する。）とを切り替える操作が行えるものとし、
前記第２クラッチの具体的な構成としては、固定部材に固定された第２外輪の径方向内側に前記第１手首軸と一体回転する第２内輪を配し、前記第２内輪と前記第１クラッチの第１内輪との間に、第１内輪の回転を僅かな角度遅れをもって第２内輪に伝達するトルク伝達手段を設け、前記第２内輪の外周面にカム面を周方向に複数設けて、前記第２外輪の内周円筒面と第２内輪の各カム面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間を形成し、これらの各楔形空間に一対のローラとそのローラを一つずつ楔形空間の両側の狭小部へ押し込むばねを組み込み、前記各楔形空間の周方向両側に挿入される柱部を有する第２ロック解除片を、前記第１クラッチの第１内輪に固定したものを採用して、
前記ブレーキが前記制御軸を回転可能に解放した状態（ＯＦＦ状態）で、前記入力部材に入力トルクが加えられると、前記第１クラッチでは、前記第１外輪が前記各楔形空間の一対のローラのうちの回転方向前側のローラを介してロックした第１内輪と一体に回転し、前記第２クラッチでは、前記第１内輪に固定された第２ロック解除片が、前記各楔形空間の一対のローラのうちの回転方向後側のローラを押して前記第２外輪と第２内輪のロック状態を解除した後に、前記トルク伝達手段によって前記第１内輪の回転が前記第２内輪および第１手首軸に伝達され、
前記ブレーキが前記制御軸を回転不能に拘束した状態（ＯＮ状態）で、前記入力部材に入力トルクが加えられると、前記第１クラッチでは、前記回転方向前側のローラが前記制御軸に固定された第１ロック解除片の柱部に当接して停止することにより、前記第１外輪と第１内輪のロック状態が解除されて第１外輪および入力部材が空転し、前記第２クラッチの第２内輪および第１手首軸には回転が伝達されないようにすることができる。
【００１３】
また、第１クラッチについて上記の構成を採用する場合、前記ブレーキとしては、非通電時は前記制御軸を回転不能に拘束し、通電時は前記制御軸を回転可能に解放する無励磁型電磁ブレーキを採用することができる。
【００１４】
また、前記第１手首軸と第１手首との間に、前記第１手首軸の回転を減速して第１手首に伝達し、前記第１手首に加えられる逆入力トルクに対してはロックして第１手首を停止させる減速機構が設けられている場合は、前記第２クラッチが省略され、前記第１クラッチが第１手首軸に連結されている構成とすることができる。
【００１５】
また、前記第１手首および第１手首を回動自在に支持するフレームに、少なくとも前記一対の傘歯車を覆うユニットカバーが取り付けられており、前記ユニットカバーは、前記第１手首と一体に回動する中央カバーと、前記フレームに固定され、前記中央カバーの軸方向両側で中央カバーの回動を案内する固定カバーとからなるものである構成とすれば、手首ユニットの内部、特に傘歯車どうしの間への異物の侵入による動作不良が生じるおそれがなくなり、手首ユニット内部の潤滑剤の外部への飛散も防止できるようになる。
【００１６】
また、前記第２手首に取り付けられるエンドエフェクタがエア駆動されるものである場合は、前記第２手首軸が中空に形成され、その第２手首軸の中空部に、前記エンドエフェクタに駆動用エアを供給するエア配管が通されており、前記第２手首軸とエア配管との間に、転がり軸受とその転がり軸受の軸方向の一側をシールするシール部材が組み込まれている構成とすれば、手首ユニット内部にエア漏れを生じさせることなく、エンドエフェクタをスムーズに作動させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のロボットの手首ユニットは、上述したように、１つの駆動モータで、第１手首軸のまわりの第１手首と第２手首の回動動作と、第２手首軸のまわりの第２手首の回転動作を行えるようにしたものであるから、２つの駆動モータを組み込んだ従来の手首ユニットに比べて、駆動モータおよびそのドライバ装置の設置スペースが小さく、ユニット全体の小型化および低コスト化が可能となるし、駆動モータ用の動力ケーブルや通信ケーブルも少なくなり、組立時の配線作業を効率よく行うことができる。
【００１８】
そして、駆動モータ停止時には、第２クラッチの作用によって各手首および第２手首に取り付けられるエンドエフェクタの位置を保持できるので、停電等によって駆動モータが意図せずに停止してしまったときにも、エンドエフェクタの位置の変化よって生じるトラブルを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の手首ユニットの縦断正面図（ブレーキＯＮ状態）
【図２】図１のII−II線に沿った断面図
【図３】図１のIII−III線に沿った断面図
【図４】図１の手首ユニットのブレーキＯＦＦ状態の要部の縦断正面図
【図５】図２に対応してブレーキＯＮ状態の第１クラッチの動作を説明する断面図
【図６】図３に対応してブレーキＯＮ状態の第２クラッチの動作を説明する断面図
【図７】図２に対応してブレーキＯＦＦ状態の第１クラッチの動作を説明する断面図
【図８】図３に対応してブレーキＯＦＦ状態の第２クラッチの動作を説明する断面図
【図９】図３に対応して図８に続く第２クラッチの動作を説明する断面図
【図１０】第２実施形態の手首ユニットの縦断正面図（ブレーキＯＮ状態）
【図１１】第３実施形態の手首ユニットの縦断正面図（ブレーキＯＮ状態）
【図１２】図１１のXII−XII線に沿った断面図
【図１３】図１１のXIII−XIII線に沿った断面図
【図１４】図１１の正面図
【図１５】図１４の右側面図
【図１６】図１４の上面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図９は第１の実施形態を示す。この手首ユニットは産業用ロボットのアーム先端部に設けられるもので、図１に示すように、互いに直交する方向に延びる姿勢で配される第１手首軸１および第２手首軸２と、第１手首軸１と同軸状態に配される入力部材としての入力プーリ１０と、入力プーリ１０に連結される第１クラッチ３と、第１クラッチ３に連結されるブレーキ４と、第１クラッチ３と第１手首軸１の間に設けられる第２クラッチ５と、第１手首軸１に回転伝達可能に連結された第１手首６と、第１手首６に回転自在に組み込まれ、第２手首軸２に回転伝達可能に連結された第２手首７と、その第１手首６の一端部、第１クラッチ３および第２クラッチ５を支持するための第１乃至第３の柱部８ａ、８ｂ、８ｃを有する固定部材としてのフレーム８とを備えている。
【００２１】
前記入力プーリ１０は、フレーム８の台部８ｄを貫通する状態で入力プーリ１０に巻き掛けられた入力ベルト１１を介して、図示省略した駆動モータから入力トルクを加えられるようになっている。また、第２手首軸２は中空に形成され、第２手首７に取り付けられるエンドエフェクタ（図示省略）の配線が通されるようになっている。そして、入力プーリ１０の他端側に一体形成された傘歯車１０ａが第２手首軸２のフランジ部に一体形成された傘歯車２ａと噛み合うことにより、入力プーリ１０と第２手首軸２とが連結されている。なお、この実施形態のエンドエフェクタは、ロボットが処理対象とする物体を把持するものである。
【００２２】
前記第１手首軸１は、一端側が後述するように第２クラッチ５に連結されており、他端側が第１減速機構１２を介して第１手首６に連結されている。
【００２３】
ここで、第１減速機構１２は、第１手首軸１の他端部に固定されるウェイブジェネレータ１２ａと、ウェイブジェネレータ１２ａの径方向外側に配される第１クロスローラ軸受１３の内輪の一部と一体形成されたサーキュラースプライン１２ｂと、ウェイブジェネレータ１２ａとサーキュラースプライン１２ｂとの間に一部を挟まれるフレックススプライン１２ｃとからなる波動歯車装置である。そして、サーキュラースプライン１２ｂが第１手首６に固定され、フレックススプライン１２ｃがフレーム８の第３の柱８ｃに固定されることにより、第１手首軸１の回転を減速してサーキュラースプライン１２ｂから第１手首６に伝達するようになっている。
【００２４】
前記第１手首６は、両端に配される取付部６ａ、６ｂと、両取付部６ａ、６ｂを連結する平板部６ｃとからなる。その一端側の取付部６ａは、フレーム８の第１の柱８ａに固定された支軸９に軸受を介して回転自在に支持されている。また、他端側の取付部６ｂは、第１クロスローラ軸受１３を介してフレーム８の第３の柱８ｃに回転自在に支持されている。そして、平板部６ｃの中央部分には、第２クロスローラ軸受１４を介して第２手首７が回転自在に組み込まれている。
【００２５】
前記第２手首７は、第１手首６の平板部６ｃ中央にあけられた開口から一部突出する状態で配される環状体であり、後述するように入力プーリ１０に連結された第２手首軸２に、第２減速機構１５を介して連結されるとともに、その第２手首軸２の外周に軸受を介して相対回転可能に取り付けられている。
【００２６】
ここで、第２減速機構１５は、第１減速機構１２と同じ構造の波動歯車装置であり、そのウェイブジェネレータ１５ａが第２手首軸２に、第２クロスローラ軸受１４の内輪の一部と一体形成されたサーキュラースプライン１５ｂが第２手首７に、ウェイブジェネレータ１５ａとサーキュラースプライン１５ｂとの間に一部を挟まれるフレックススプライン１５ｃが第１手首６の平板部６ｃにそれぞれ固定されており、第２手首軸２の回転を減速してサーキュラースプライン１５ｂから第２手首７に伝達するようになっている。
【００２７】
前記第１クラッチ３は、図１および図２に示すように、入力プーリ１０の径方向内側に配される第１外輪３１と、第１外輪３１の径方向内側に配される第１内輪３２と、第１外輪３１の内周面と第１内輪３２の大径部の外周面との間に組み込まれる複数のローラ３３およびコイルばね３４と、ローラ３３を挟んでコイルばね３４と対向する位置に挿入される柱部３５ａを有する第１ロック解除片３５と、第１内輪３２と同一軸心のまわりに回転するように配され、第１ロック解除片３５が固定される制御軸３６とで構成されている。なお、コイルばねは、板ばね等の他の弾性部材に代えることもできる。
【００２８】
この第１クラッチ３の第１外輪３１は、入力プーリ１０の内周に嵌合固定されることにより、入力プーリ１０と一体回転するようになっている。そして、その軸方向の両端部よりも内径の小さい中央部の内周円筒面が径方向でローラ３３およびコイルばね３４と対向している。
【００２９】
一方、第１内輪３２は、その円形の軸穴３２ａに制御軸３６の断面小判形の取付部３６ａが摺動自在に挿入されている。そして、一端側に設けられた大径部の外周面が径方向でローラ３３およびコイルばね３４と対向しており、他端側の小径部が、後述するように、第２クラッチ５の入力側に連結されている。また、この第１内輪３２の小径部と第１外輪３１の他端部との間、および制御軸３６の大径部と第１外輪３１の一端部との間にはそれぞれ軸受が組み込まれ、第１外輪３１、第１内輪３２および制御軸３６がスムーズに相対回転できるようになっている。そして、制御軸３６は、大径部の一端側がフレーム８に固定されたブレーキ４に、大径部の他端側がフレーム８の第２の柱部８ｂにそれぞれ軸受を介して回転自在に支持されている。
【００３０】
また、第１内輪３２の大径部の外周には、径方向と直交するカム面３２ｂが周方向に複数設けられ、これらの各カム面３２ｂと第１外輪３１の中央部の内周円筒面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間３７が形成されている。そして、これらの各楔形空間３７に、一対のローラ３３がそのローラ３３を一つずつ楔形空間３７の両側の狭小部に押し込むコイルばね３４を挟んだ状態で配され、各楔形空間３７の狭小部に押し込まれたローラ３３を介して第１外輪３１と第１内輪３２がロックするようになっている。また、各楔形空間３７の周方向両側には第１ロック解除片３５の柱部３５ａが挿入されており、その第１ロック解除片３５は制御軸３６の取付部３６ａの外周に隙間なく嵌合固定されている。
【００３１】
前記第２クラッチ５は、図１および図３に示すように、フレーム８の第３の柱８ｃに固定される第２外輪５１と、第２外輪５１の径方向内側に配される第２内輪５２と、第２外輪５１の内周面と第２内輪５２の大径部の外周面との間に組み込まれる複数のローラ５３およびコイルばね５４と、ローラ５３を挟んでコイルばね５４と対向する位置に挿入される柱部５５ａを有する第２ロック解除片５５と、第１クラッチ３の第１内輪３２に一体成形され、第２ロック解除片５５が固定される中間軸５６とで構成されている。なお、コイルばねは、板ばね等の他の弾性部材に代えることもできる。
【００３２】
この第２クラッチ５の第２外輪５１は、フレーム８の第３の柱８ｃの軸穴内周に嵌合固定されている。そして、その軸方向の両端部よりも内径の小さい中央部の内周円筒面が径方向でローラ５３およびコイルばね５４と対向している。また、この第２外輪５１の一端部と中間軸５６の一端側の大径部との間に、中間軸５６を回転自在に支持する軸受が組み込まれている。
【００３３】
一方、第２内輪５２は、その一端面に中間軸５６の断面小判形の係合部５６ａが挿入される係合穴５２ａが設けられており、一端側に設けられた大径部の外周面が径方向でローラ５３およびコイルばね５４と対向し、小径部の他端側がキー結合により第１手首軸１に相対回転不能に連結されている。また、この第２内輪５２の小径部と第２外輪５１の他端部との間に、第２内輪５２を回転自在に支持する軸受が組み込まれている。
【００３４】
また、第２内輪５２の大径部の外周には、径方向と直交するカム面５２ｂが周方向に複数設けられ、これらの各カム面５２ｂと第２外輪５１の中央部の内周円筒面との間に周方向の両側で次第に狭小となる楔形空間５７が形成されている。そして、これらの各楔形空間５７に、一対のローラ５３がそのローラ５３を一つずつ楔形空間５７の両側の狭小部に押し込むコイルばね５４を挟んだ状態で配され、各楔形空間５７の狭小部に押し込まれたローラ５３を介して第２外輪５１と第２内輪５２がロックするようになっている。また、各楔形空間５７の周方向両側には第２ロック解除片５５の柱部５５ａが挿入されており、その第２ロック解除片５５は中間軸５６の係合部５６ａの外周に隙間なく嵌合固定されている。
【００３５】
また、中間軸５６は、一端面に設けられた円形の軸穴に制御軸３６の小径円筒部３６ｂが摺動自在に挿入されており、制御軸３６と同一軸心のまわりに第１クラッチ３の第１内輪３２と一体に回転するようになっている。
【００３６】
そして、第２内輪５２の係合穴５２ａは、中間軸５６の係合部５６ａを挿入したときに僅かな回転方向の隙間が生じるように形成されており、これにより、第１クラッチ３の第１内輪３２の回転を、中間軸５６を介して僅かな角度遅れをもって第２内輪５２および第１手首軸１に伝達するトルク伝達手段が構成されている。
【００３７】
ここで、第１クラッチ３と第２クラッチ５は、各部材の径方向寸法が同一に形成されているが、第１クラッチ３の組込状態における各ローラ３３とこれに隣接する第１ロック解除片３５の柱部３５ａとの隙間Ａ／２（図２参照）は、第２クラッチ５の組込状態における各ローラ５３とこれに隣接する第２ロック解除片５５の柱部５５ａとの隙間Ｂ／２（図３参照）よりも小さく設定されている。
【００３８】
また、第２クラッチ５においては、後述するように組込状態から中間軸５６が第２ロック解除片５５と一体に回転して、第２ロック解除片５５の柱部５５ａが回転方向後側のローラ５３に当接したときに、中間軸５６の係合部５６ａと第２内輪５２の係合穴５２ａとの間の回転方向隙間が残るように設定されている。
【００３９】
前記ブレーキ４は、図１に示すように、可撓性を有する材料で形成され、制御軸３６の一端面に固定されたブレーキ板４１と、ブレーキ板４１の一側面と軸方向で対向する摩擦板４２と、ブレーキ板４１の他側面と軸方向で対向するアーマチュア４３と、アーマチュア４３をブレーキ板４１に押し付ける複数のブレーキばね４４と、制御軸３６の径方向外側に配され、通電によりアーマチュア４３をブレーキばね４４の弾力に抗してブレーキ板４１から離反させる電磁石４５とを備えた無励磁型電磁ブレーキである。
【００４０】
このブレーキ４の電磁石４５はフレーム８の台部８ｄに固定されており、電磁石４５と制御軸３６との間には、制御軸３６を回転自在に支持する軸受に隣接する位置に、制御軸３６に対する回転抵抗ともなるシール部材１６が組み込まれている。また、摩擦板４２は電磁石４５の一側面にボルト止めされており、ブレーキばね４４は、電磁石４５のアーマチュア４３との対向面に設けられた凹部に弾性圧縮状態で保持されてアーマチュア４３を押圧している。
【００４１】
そして、電磁石４５に通電していないときには、ブレーキばね４４がアーマチュア４３をブレーキ板４１に押し付けることにより、アーマチュア４３に押されたブレーキ板４１が電磁石４５に固定された摩擦板４２に押し付けられ、電磁石４５に通電すると、図４に示すように、電磁石４５がアーマチュア４３を吸引してブレーキばね４４の弾力に抗して軸方向移動させ、ブレーキ板４１から離反させる。すなわち、非通電時はブレーキ板４１とこれに連結された制御軸３６を回転不能に拘束するブレーキＯＮ状態となり、通電時はブレーキ板４１および制御軸３６を回転可能に解放するブレーキＯＦＦ状態となる。
【００４２】
また、この手首ユニットには、第１手首６および第２手首７の回転方向位置をそれぞれ検出する２つのアブソリュートエンコーダ１７、１８が設けられている。
【００４３】
第１手首６用のアブソリュートエンコーダ１７は、第１クロスローラ軸受１３の内輪に取り付けられるコードホイール１７ａと、コードホイール１７ａに対向するように第１クロスローラ軸受１３の外輪に取り付けられるセンサ１７ｂおよび基盤１７ｃとからなる。また、第２手首７用のアブソリュートエンコーダ１８は、第２クロスローラ軸受１４の内輪に取り付けられるコードホイール１８ａと、コードホイール１８ａに対向するように第２クロスローラ軸受１４の外輪に取り付けられるセンサ１８ｂおよび基盤１８ｃとからなる。
【００４４】
そして、各アブソリュートエンコーダ１７、１８の検出値と、前記駆動モータに設けられているエンコーダ（図示省略）の検出値とに基づいて、第１手首６および第２手首７の位置決めを行うようになっている。
【００４５】
次に、この手首ユニットの動作について説明する。まず、ブレーキ４の電磁石４５に通電していないブレーキＯＮ状態では、前述のように、ブレーキ４によって第１クラッチ３の制御軸３６とこれに固定されている第１ロック解除片３５が回転不能に拘束されている。この状態で入力プーリ１０に入力トルクが加えられると、入力プーリ１０の回転が一対の傘歯車１０ａ、２ａを介して第２手首軸２に伝達され、第２手首軸２の回転が第２減速機構１５で減速されて第２手首７に伝達される。そして、第１クラッチ３では、図５に示すように、第１外輪３１と第１内輪３２とが各楔形空間３７の一対のローラ３３のうちの回転方向前側のローラ３３を介してロックした状態で僅かに回転した後、回転方向前側のローラ３３が第１ロック解除片３５の柱部３５ａに当接して停止する。これにより、回転方向前側のローラ３３がコイルばね３４の弾性力に抗して相対的に楔形空間３７の広大部へ移動し、第１外輪３１と第１内輪３２のロック状態が解除されて第１内輪３２も停止し、第１外輪３１が空転するようになる。
【００４６】
このとき、第２クラッチ５では、図６に示すように、第１クラッチ３の第１内輪３２の僅かな回転に伴い、第１内輪３２に一体形成された中間軸５６と中間軸５６に固定された第２ロック解除片５５が僅かに回転する。しかし、前述のように、第２ロック解除片５５の柱部５５ａとローラ５３との隙間が第１クラッチ３の第１ロック解除片３５の柱部３５ａとローラ３３との隙間よりも広いため、第１内輪３２が停止したときには、第２ロック解除片５５の柱部５５ａはローラ５３に当接せず、中間軸５６の係合部５６ａも第２内輪５２の係合穴５２ａに係合しない状態で停止する。したがって、第２内輪５２および第１手首軸１には回転伝達されない。
【００４７】
また、第２外輪５１と第２内輪５２のロック状態が維持されるので、各手首６、７やエンドエフェクタ等が受ける重力等の外力が第１手首軸１から第２内輪５２に逆入力トルクとして加えられても、第２内輪５２および第１手首軸１が回動することはない。これにより、第１手首６が停止した状態で、第２手首７が第２手首軸２のまわりに回転するようになる。
【００４８】
一方、ブレーキ４の電磁石４５に通電したブレーキＯＦＦ状態では、前述のように、第１クラッチ３の制御軸３６と第１ロック解除片３５がブレーキ４から回転可能に解放されている。この状態で入力プーリ１０に入力トルクが加えられると、ブレーキＯＮ状態と同じく、入力プーリ１０の回転が第２手首軸２に伝達され、第２手首軸２の回転が第２減速機構１５で減速されて第２手首７に伝達される。そして、第１クラッチ３では、図７に示すように、第１外輪３１と第１内輪３２とが、回転方向前側のローラ３３を介してロックし、その回転方向前側のローラ３３で第１ロック解除片３５の柱部３５ａを押し動かしていく状態で一体に回転し続ける。これにより、第１ロック解除片３５と一体に制御軸３６およびブレーキ４の摩擦板４２も共回りする。
【００４９】
このとき、第２クラッチ５では、まず、図８に示すように、第１内輪３２と一体の中間軸５６が回転することにより、中間軸５６に固定された第２ロック解除片５５の柱部５５ａが、各楔形空間５７の一対のローラ５３のうちの回転方向後側のローラ５３をコイルばね５４の弾性力に抗して楔形空間５７の広大部へ移動させ、第２外輪５１と第２内輪５２のロック状態を解除する。その後、図９に示すように、中間軸５６がさらに回転して、その係合部５６ａと第２内輪５２の係合穴５２ａとが係合すると、中間軸５６の回転が第２内輪５２および第１手首軸１に伝達される。これにより、第１手首６が第２手首７と一体に回動し、同時に第２手首７が第２手首軸２のまわりに回転するようになる。
【００５０】
ここで、入力プーリ１０へ入力トルクを供給する駆動モータを停止させたときは、第１クラッチ３では、第１外輪３１と第１内輪３２とが、ローラ３３を介してロックした状態で停止するが、回転可能に解放されている制御軸３６および第１ロック解除片３５は慣性により回転し続けようとする。このとき、第１ロック解除片３５の柱部５５ａが回転方向前側のローラ３３から離れると、次に入力トルクが加えられたときの動作に遅れが生じやすい。このため、この実施形態では、制御軸３６を支持する軸受の内部の潤滑剤およびブレーキ４のシール部材１６の制御軸３６に対する回転抵抗を適切に調整することにより、第１ロック解除片３５の柱部３５ａが回転方向前側のローラ３３から大きく離れないうちに制御軸３６および第１ロック解除片３５が停止するようにしている。
【００５１】
また、第２クラッチ５においては、それまでの回転方向の後側のローラ５３は第２ロック解除片５５の柱部５５ａに押されたままロック解除状態で停止するが、回転方向前側のローラ５３はコイルばね５４の弾性力によってロック状態に戻る。このため、このときの挙動は、第２内輪５２が受ける逆入力トルクの方向によって若干異なる。すなわち、逆入力トルクの方向がそれまでの回転方向と逆の場合には、第２内輪５２がそれまでの回転方向前側であったローラ５３を介して第２外輪５１とロックして動かないので、第１手首軸１も動かず各手首６、７およびエンドエフェクタの位置が保持される。一方、逆入力トルクの方向がそれまでの回転方向と同じ場合には、第２内輪５２がその方向に僅かに回転し、回転方向後側のローラ５３が相対的に楔形空間５７の狭小部へ移動してロック状態となると、第２内輪５２および第１手首軸１が停止して各手首６、７およびエンドエフェクタの位置が保持されるようになる。
【００５２】
なお、上記の動作の説明で参照した図５乃至図９は、入力プーリ１０を左回転させる入力トルクが加えられた場合の動作を記載したものであるが、入力プーリ１０を右回転させる入力トルクが加えられた場合も、各部材の回転方向以外は同じ動作となる。
【００５３】
また、第１手首６の回動動作を止める際は、駆動モータの運転中にブレーキ４の電磁石４５への通電を停止してブレーキ４をＯＮ状態とし、第１外輪３１を空転させる（図５の状態とする）こともできる。このようにすれば、駆動モータを停止させることなく、ブレーキ４のＯＮ状態とＯＦＦ状態の切替操作（以下、「ＯＮ・ＯＦＦ操作」と称する。）だけで、第１手首６と第２手首７が一体に回動する状態と、第１手首６が停止して第２手首７のみが回転する状態を切り替えられるようになる。しかし、この場合は、ブレーキ４がＯＦＦ状態からＯＮ状態となって制御軸３６および第１ロック解除片３５が停止した瞬間に、それまで回転していた他の各部材の慣性による大きな衝撃がローラ３３から第１ロック解除片３５および制御軸３６を介してブレーキ４に加わるので、その衝撃を十分に吸収できるだけのブレーキ力を有するブレーキ４が必要となり、ブレーキ４および手首ユニット全体が大型化しやすい。
【００５４】
このため、この実施形態で第１手首６の回動動作を止めるときは、前述のように駆動モータを停止させた後にブレーキＯＮ状態とする順番で操作を行うことにより、第１クラッチ３の回転伝達遮断動作がスムーズに行われるようにするとともに、ブレーキ４に必要とされるブレーキ力を小さくして、ブレーキ４の小型化を図っている。
【００５５】
この手首ユニットの動作は、上記の通りであり、第１手首６と第２手首７が一体に回動する際に、第２手首７が回転するようになっている。このため、第２手首７に取り付けられたエンドエフェクタを目標位置に移動させる際には、通常、第１ステップとして、ブレーキＯＦＦ状態で駆動モータを駆動して、第１手首６と第２手首７を一体に回動させ、第１手首６が目標位置に達した時点で、一旦駆動モータを停止させて第１手首６と第２手首７の回動動作を止める。次に、第２ステップとして、ブレーキ４をＯＮ状態とした後、再び駆動モータを駆動して第２手首７を回転させ、エンドエフェクタの位置決めを行うようにする。
【００５６】
また、上記とは逆に、第１ステップとして、ブレーキＯＮ状態で駆動モータを駆動して第２手首７を回転させ、第２ステップで、ブレーキＯＦＦ状態として第１手首６と第２手首７を一体に回動させるようにしてもよい。この場合は、予め第１手首６と第２手首７を回動させたときの回動量と第２手首７の回転量の関係を把握しておき、第１ステップでは、第２ステップの第２手首７の回転量を考慮して第２手首７の目標位置を設定するようにする。
【００５７】
この手首ユニットは、上述したように、ブレーキ４のＯＮ・ＯＦＦ操作によって、１つの駆動モータで、第１手首軸１のまわりの第１手首６と第２手首７の回動動作と、第２手首軸２のまわりの第２手首７の回転動作を切り替えて行えるようにしたものである。
【００５８】
したがって、２つの駆動モータを組み込んだ従来のものに比べて、駆動モータおよびそのドライバ装置の設置スペースが小さく、ユニット全体を小型化、低コスト化できるし、駆動モータ用の動力ケーブルや通信ケーブルも少ないので、組立時の配線作業を効率よく行うことができる。
【００５９】
また、各手首６、７の位置決め動作は、各手首６、７の回転方向位置を検出するアブソリュートエンコーダ１７、１８と駆動モータのエンコーダの検出値とに基づいて制御されるので、エンドエフェクタを目標位置に高精度で停止させることができる。
【００６０】
そして、駆動モータ停止時には、第２クラッチ５の作用によって各手首６、７およびエンドエフェクタの位置を保持できるので、停電等によって駆動モータが意図せずに停止してしまったときにも、エンドエフェクタの位置の変化よって生じるトラブルを防止することができる。
【００６１】
図１０は第２の実施形態を示す。この実施形態は、第１実施形態をベースとし、その第１減速機構１２が一定の条件を満たすことを前提として、第２クラッチ５を省略したものである。具体的には、第１実施形態の第１クラッチ３の第１内輪３２に一体形成される中間軸５６を他端側に延長し、その中間軸５６の他端部をキー結合により第１手首軸１に相対回転不能に連結し、中央部を軸受を介してフレーム８の第３の柱８ｃで回転自在に支持するようにしている。また、第１クラッチ３の制御軸３６は、取付部３６ａを延長して小径円筒部３６ｂを省略している。
【００６２】
ここで、第２クラッチ５を省略できる条件は、駆動モータ停止時に第１手首６からエンドエフェクタで把持される物体までの各部材に作用する重力によって第１手首軸１に加わる逆入力トルクが、第１減速機構１２の空転トルクと減速比の積よりも小さいということである。すなわち、この条件が成立する場合は、第１減速機構１２が駆動モータ停止時の逆入力トルクによる第１手首６の回動を阻止できるので、これと同じ機能の第２クラッチ５は省略することができる。
【００６３】
図１１乃至図１６は第３の実施形態を示す。この実施形態は、図１１乃至図１３に示すように、第１実施形態をベースとし、その入力プーリ１０および入力ベルト１１に代えて、第１クラッチ３の第１外輪３１を直接駆動する駆動モータ２０をユニット内部に設け、第１クラッチ３の第１外輪３１の外周に、第２手首軸２に一体形成された傘歯車２ａと噛み合う傘歯車１９を嵌合固定し、その一対の傘歯車２ａ、１９を含む第１手首６の内側の部品の大部分を覆う略円筒状のユニットカバー２４を、第１手首６およびフレーム８に取り付けたものである。
【００６４】
前記駆動モータ２０は、フレーム８の第２の柱部８ｂに代わる円筒状のモータ支持部８ｅの内周に固定されたステータ２１と、ステータ２１の径方向内側に配されるロータ２２と、ロータ２２が取り付けられるモータ軸２３とからなる。そのモータ軸２３は、第１クラッチ３の制御軸３６を通す中空のもので、両端部が軸受を介してモータ支持部８ｅに回転自在に支持され、他端部がキー結合により第１外輪３１に相対回転不能に連結されている。
【００６５】
そして、上記の駆動動モータ２０の配置に伴い、ブレーキ４を第１実施形態よりも小型化してモータ支持部８ｅ内に設け、フレーム８の第１の柱部８ａは、第１手首６の一端側の取付部６ａに固定された支軸９を軸受を介して回転自在に支持するようにして、ブレーキ４に近づけた配置とすることにより、手首ユニット全体を軸方向に小型化している。
【００６６】
前記ユニットカバー２４は、図１４乃至図１６に示すように、第１手首６と一体に回動する中央カバー２５と、中央カバー２５を軸方向で挟むようにフレーム８の台部８ｄに固定される２つの固定カバー２６、２７とからなる。その中央カバー２５と他端側の固定カバー２７は両端が開放され、一端側の固定カバー２６は一端が閉塞されて他端が開放されている。そして、中央カバー２５は、図１２にも示したように、上面側の開口の両縁部から断面クランク状に延びる取付部２５ａで第１手首６の平板部６ｃの側面に固定されており、下面側部分がフレーム８の台部８ｄに設けられたガイド部８ｆと摺動するようになっている。また、両固定カバー２６、２７は、下面側の開口の両縁部から下方に延びる取付部２６ａ、２７ａでフレーム８の台部８ｄの側面に固定されており、その一端側の固定カバー２６には第１手首６の支軸９が通されている。これより、中央カバー２５が、その軸方向の両側部をそれぞれ両側の固定カバー２６、２７に案内されて、第１手首６と一体にスムーズに回動するようになっている。
【００６７】
そして、上記のように駆動モータ２０から第２手首軸２への回転伝達を行う一対の傘歯車１９、２ａを覆うカバー２５が設けられていることにより、手首ユニットの内部、特に傘歯車１９、２ａどうしの間への異物の侵入による動作不良が生じるおそれがなく、手首ユニット内部の潤滑剤の外部への飛散も防止することができる。なお、この第２実施形態では、第１クロスローラ軸受１３および第１手首６用のアブソリュートエンコーダ１７の径方向外側を覆う他端側カバー２８がフレーム８の第３の柱部８ｃに取り付けられ、第２クロスローラ軸受１４および第２手首７用のアブソリュートエンコーダ１８の径方向外側を覆う上部カバー２９が第１手首６の平板部６ｃに取り付けられている。
【００６８】
また、この第２実施形態は、エンドエフェクタがエア駆動されるものであり、図１１に示すように、エンドエフェクタの駆動用エアを供給するエア配管６０が、第１手首６の支軸９を貫通して一端側の取付部６ａに沿って径方向に延び、一端側の固定カバー２６を貫通して第２手首軸２の中空部に通されている。なお、エア配管６０を通す固定カバー２６の孔２６ｂは、円周方向に延び、エア配管６０が第１手首６および第２手首７と一体に回動しても干渉しないようになっている（図１５参照）。
【００６９】
そして、第２手首軸２とエア配管６０との間には、転がり軸受（玉軸受）６１とその転がり軸受６１の軸方向の一側をシールするシール部材６２が組み込まれている。これにより、手首ユニット内部にエア漏れを生じさせることなく、エンドエフェクタをスムーズに作動させることができるようになっている。
【００７０】
なお、上述した第２実施形態では第１実施形態の入力部を変更したが、第１実施形態の入力部をそのままにして、ユニットカバー２４、他端側カバー２８、上部カバー２９およびエア配管６０、転がり軸受６１、シール部材６２を設けるようにしてもよい。
【００７１】
また、上述した各実施形態では、ブレーキとして無励磁型電磁ブレーキを用いたが、ブレーキの種類はこれに限らず、励磁型電磁ブレーキ等、ＯＮ・ＯＦＦ操作が容易に行えるものであればよい。
【符号の説明】
【００７２】
１  第１手首軸
２  第２手首軸
２ａ  傘歯車
３  第１クラッチ
４  ブレーキ（無励磁型電磁ブレーキ）
５  第２クラッチ
６  第１手首
７  第２手首
８  フレーム（固定部材）
９  支軸
１０  入力プーリ（入力部材）
１０ａ  傘歯車
１２  第１減速機構（波動歯車装置）
１３  第１クロスローラ軸受
１４  第２クロスローラ軸受
１５  第２減速機構（波動歯車装置）
１６  シール部材
１７、１８  アブソリュートエンコーダ
１９  傘歯車
２０  駆動モータ
２４  ユニットカバー
２５  中央カバー
２６、２７  固定カバー
３１  第１外輪
３２  第１内輪
３２ｂ  カム面
３３  ローラ
３４  コイルばね
３５  第１ロック解除片
３５ａ  柱部
３６  制御軸
３７  楔形空間
５１  第２外輪
５２  第２内輪
５２ｂ  カム面
５３  ローラ
５４  コイルばね
５５  第２ロック解除片
５５ａ  柱部
５６  中間軸
５７  楔形空間
６０  エア配管
６１  転がり軸受
６２  シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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