JP2017196681A - 産業用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】多関節アームの姿勢を保持するためのエネルギーを削減する。
【解決手段】産業用ロボットは、ベースと、ベースに連結された多関節アームと、多関節アームの関節を動作させる関節駆動モータと、関節駆動モータのうち少なくとも１つの駆動力をアシストする、ピストンの両側に作動油が出入りする２つのポートが設けられた油圧シリンダと、油圧シリンダの２つのポートを接続する油圧回路と、２つのポートの作動油の流れを許容する状態と２つのポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り替える少なくとも１つの切替弁とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、多関節アームの関節の駆動力をアシストする油圧シリンダを備えた産業用ロボットに関する。

従来、複数のリンクが連接されて成る多関節アームを備えた産業用ロボットにおいて、リンクを駆動する軸に掛かる負荷を軽減するために、当該リンクに作用する重力モーメントとバランスする力を当該リンク又は軸に付与するバランサが知られている。特許文献１には、この種のバランサを備えた産業用ロボットが開示されている。

特許文献１に記載された産業用ロボットは、支台と、支台に垂直軸を介して回動可能に連接された第１のアームと、一端が第１のアームと連結され他端が支台に接続されたバランサとを備えている。このバランサは、エアシリンダと、エアシリンダへ圧縮空気を供給する空気供給ユニットと、空気供給ユニットを制御するコントローラとを有している。そして、コントローラには第１のアームの位置及び姿勢に対応して当該アームをその姿勢にバランスさせるための圧縮空気の空気圧が記憶されており、コントローラは第１のアームの現在の姿勢に基づいて対応する空気圧を供給するように空気供給ユニットを動作させる。

特許文献２に記載された産業用ロボットは、基台部に回転可能に支持されたアームと、一端が基台部に連結されるとともに他端がアームに連結されたバランス機構とを備えている。このバランス機構は、減速機構とサーボモータから成る駆動機構を有している。サーボモータは、アームの基台部の回転中心周りの重力モーメントを打ち消す方向に駆動トルクを発生させる。

特開平６−２６２５６１号公報 特開２００９−５０５９５１号公報

しかし、上記特許文献１，２の産業用ロボットは、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減するという点で改善の余地があった。特に、特許文献１の産業用ロボットでは、第１のアームが或る位置及び姿勢にあるときにその姿勢を保持させるために常時圧縮空気がバランサに供給されねばならない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、産業用ロボットにおいて、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することにある。

本発明の一態様に係る産業用ロボットは、
ベースと、
前記ベースに連結された多関節アームと、
前記多関節アームの関節を動作させる関節駆動モータと、
前記関節駆動モータのうち少なくとも１つの駆動力をアシストする、ピストンの両側に作動油が出入りする２つのポートが設けられた油圧シリンダと、
前記油圧シリンダの２つの前記ポートを接続する油圧回路と、
２つの前記ポートの作動油の流れを許容する状態と２つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも１つの切替弁とを備えることを特徴としている。

上記構成の産業用ロボットによれば、切替弁を２つのポートの作動油の流れを阻止する状態に切り替えることで２つのポートの作動油の流れが阻止され、油圧シリンダの位置及び推力が保持される。この結果、油圧シリンダによるアシスト力が継続し、アームの姿勢が保持される。このように、作動油の流れが阻止されることによってアームの姿勢が保持されるので、アームに姿勢を保持するためのトルクを関節駆動モータのみで与える場合と比較して、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することができる。

上記産業用ロボットが、
前記油圧回路に設けられた双方向油圧ポンプと、
前記油圧ポンプを駆動する正逆両回転電動モータと、
コントローラとを、更に備え、
前記油圧シリンダは、前記双方向油圧ポンプによって前記関節駆動モータのうち少なくとも１つの駆動力をアシストし、
前記コントローラは、前記多関節アームの位置及び姿勢に応じた前記油圧シリンダの位置及び推力を発生させるように前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。

上記産業用ロボットでは、電動モータの回転方向、回転トルク、及び回転速度を制御することによって、シリンダのピストンの位置及び推力（即ち、アシスト力）が制御される。これにより、関節を動作させる際のアシスト力の方向と大きさを、多関節アームの位置及び姿勢に応じて変化させることができ、多関節アームのあらゆる位置及び姿勢で有効なアシスト力を油圧シリンダに発生させることができる。

また、上記産業用ロボットでは、切替弁を２つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とすることでシリンダの位置及び推力が保持され、油圧シリンダによるアシスト力が継続する。よって、多関節アームの動作に応じて切替弁を切り替えることにより、関節駆動力のアシストの省エネルギー化を実現することができる。

上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラは、前記油圧シリンダによってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときに前記切替弁を２つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とするように構成されていてよい。

これにより、油圧シリンダによってアシストされる関節が静止しているときには、シリンダのピストンの位置及び推力が保持されるので、エネルギーの使用を抑えつつ、関節にアシスト力が作用した状態が維持される。

上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラは、前記多関節アームのモーションパターンと対応した前記油圧シリンダの位置及び推力を含む前記油圧シリンダのモーションパターンを記憶しており、前記油圧シリンダのモーションパターンに基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。

或いは、上記産業用ロボットが、前記油圧シリンダによってアシストされる関節に掛かる負荷を検出する負荷検出器を更に備え、
前記コントローラは、前記関節駆動モータの回転角度に基づいて前記多関節アームの位置及び姿勢を求め、前記負荷検出器で検出された負荷及び前記多関節アームの位置及び姿勢に基づいて前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力を求め、前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力に基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。

上記のように切替弁が制御されることにより、多関節アームの動作に応じて省エネルギー化が実現されるように切替弁を切り替えることができる。

上記産業用ロボットにおいて、前記油圧回路に、当該油圧回路から油タンクへ作動油を逃がすリリーフ弁が設けられており、前記油圧回路の前記ポートと前記リリーフ弁との間に前記切替弁が設けられていてよい。

これにより、油圧回路のよりシリンダに近い位置で作動油の流動が阻止されるので、切替弁がオフの間のシリンダの位置及び推力を効率的に維持することができる。

上記産業用ロボットにおいて、前記油圧シリンダが前記多関節アームに設けられ、前記電動モータが前記多関節アームから離れて設置され、前記油圧回路を形成する油圧配管が前記多関節アーム及び／又は前記ベース内に挿通されていてよい。

これにより、油圧シリンダの駆動機構によって多関節アームに作用する遠心力を軽減することができる。

上記産業用ロボットが、前記油圧シリンダと並設されたバネバランサを更に備えていてよい。

これにより、関節の駆動力のアシスト力を高めることができる。

上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラが、前記関節駆動モータの動作を制御するように構成されていてよい。

このように、関節駆動モータの動作と油圧シリンダの動作とがコントローラで制御されることにより、コントローラの数を削減することができる。また、油圧シリンダに、多関節アームの動作や姿勢と関連付けた動作を行わせる構成を容易に構築することができる。

本発明によれば、多関節アームの関節の駆動力をアシストする油圧シリンダを備えたロボットにおいて、アームの姿勢を保持するためのエネルギーを削減することができる。

本発明の第１実施形態に係る産業用ロボットの概略構成を示す模式図である。 産業用ロボットの駆動系統の構成を示すブロック図である。 バランサ装置の駆動系統の構成を示す油圧回路図である。 バランサ装置の駆動系統の構成の変形例を示す油圧回路図である。 第２実施形態に係る産業用ロボットのバランサ装置の駆動系統の構成を示す油圧回路図である。 産業用ロボットの概略構成の変形例を示す模式図である。

〔第１実施形態〕
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、ロボット１の概略構成から説明する。図１は本発明の一実施形態に係る産業用ロボット（以下、単に「ロボット１」ということがある）の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係るロボット１は、６軸の垂直多関節型ロボットである。但し、本発明は上記に限定されず、水平多関節型・垂直多関節型を問わず、また、軸数を問わず、多関節アームを備えるロボットに広く適用することができる。

ロボット１は、ベース２と、ベース２に支持された多関節アーム（以下、単に「アーム」という）１０と、アーム１０の先端部に装着されたエンドエフェクタ５と、アーム１０及びエンドエフェクタ５の動作を制御するコントローラ６とを備えている。

アーム１０は、複数のリンクが直列的に連接されて成る。具体的には、アーム１０は、旋回軸２１、第１リンク１１、第２リンク１２、第３リンク１３、第４リンク１４、第５リンク１５の各リンクが、基端部から先端部へ向けてこの順に連接されて成る。旋回軸２１は、ベース２に対し、旋回関節ＪＴ１を介して垂直軸回りを旋回可能に連結されている。第１リンク１１の基端部は、旋回軸２１に回転関節ＪＴ２を介して連結されている。第１リンク１１の先端部と第２リンク１２の基端部とは回転関節ＪＴ３を介して連結されている。回転関節ＪＴ２，ＪＴ３は、リンク同士を水平軸回りに垂直に回転するように連結する関節である。第２リンク１２の先端部と第３リンク１３の基端部とは捻れ関節ＪＴ４を介して連結されている。

第３リンク１３の先端部と第４リンク１４の基端部とは回転関節ＪＴ５を介して連結されている。第４リンク１４の先端部と第５リンク１５の基端部とは捻れ関節ＪＴ６を介して連結されている。回転関節ＪＴ５及び捻れ関節ＪＴ６を含む第３リンク１３、第４リンク１４及び第５リンク１５の連接体は、アーム１０の手首部を構成している。第５リンク１５の先端部にはメカニカルインターフェースが設けられており、このメカニカルインターフェースにロボット１が行う作業に応じたエンドエフェクタ５が連結されている。

上記構成のアーム１０は、各関節ＪＴ１〜ＪＴ６（軸）に対応した関節駆動部を備えている。図２は、ロボット１の駆動系統の構成を示すブロック図である。図２に示すように、各関節駆動部は、サーボドライバＤ１〜Ｄ６、関節駆動モータＭ１〜Ｍ６及び減速機（図示略）などを含んでいる。各関節駆動モータＭ１〜Ｍ６はサーボモータであって、関節ＪＴ１〜ＪＴ６の回転角度を検出する回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６が付設されている。回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６は、例えば、ロータリエンコーダ、レゾルバ、パルスジェネレータなど、関節ＪＴ１〜ＪＴ６の回転角度を検出できるものであればよい。

図１に戻り、アーム１０には、アーム１０の関節ＪＴ２まわりの重力モーメントを打ち消す方向（即ち、重力モーメントと釣り合う方向）へ、第１リンク１１にアシスト力Ｔａを与えるバランサ装置７が設けられている。本実施形態において、上記アシスト力Ｔａはアシストトルクであって、バランサ装置７により第１リンク１１へ与えられるアシスト力Ｔａによって関節ＪＴ２を駆動する関節駆動モータＭ２の駆動トルクＴｍが助力される。

バランサ装置７は、一端が旋回軸２１に連結され、他端が第１リンク１１に連結された油圧シリンダ７１を備えている。バランサ装置７は、アシストする関節に応じて、アーム１０のリンク同士の間に架設されていたり、アーム１０のいずれかのリンクとベース２との間に架設されていたりしてよい。シリンダ７１は、従来のバネバランサなどと同様に、アーム１０の背面側に設けられている。つまり、第１リンク１１の先端側を関節ＪＴ２まわりに上方へ回動させる際にはシリンダ７１が縮み、第１リンク１１先端側を関節ＪＴ２まわりに下方へ回動させる際にはシリンダ７１が伸びるように、アーム１０にシリンダ７１が取り付けられている。

図３は、バランサ装置７の駆動系統の構成を示す油圧回路図である。図３に示すように、バランサ装置７のシリンダ７１は、所謂、クローズ回路型アクチュエータであって、シリンダ７１の駆動機構に油圧ポンプ７２と、油圧ポンプ７２に直結された電動モータ７３とを備えている。クローズ回路型アクチュエータでは、電動モータ７３の回転方向、回転速度、及び、回転トルクを制御することによって、油圧ポンプ７２から吐出される圧油の吐出方向、吐出量、及び、吐出圧が調整され、これにより、シリンダ７１のピストン７１１の位置（速度）と推力が制御される。

バランサ装置７は、シリンダ７１、油圧ポンプ７２、電動モータ７３、及び、シリンダ７１と油圧ポンプ７２とを繋ぐ油圧配管が一体的に設けられたパッケージ型のものであってよい。或いは、バランサ装置７は、シリンダ７１がアーム１０とベース２に取り付けられ、油圧ポンプ７２及び電動モータ７３はアーム１０から離れてシリンダ７１とは別置きされた分割型のものであってよい。なお、シリンダ７１と油圧ポンプ７２とを繋ぐ油圧配管は、アーム１０及び／又はベース２内に挿通されてよい。このように分割型のバランサ装置７を採用すれば、バランサ装置７の遠心力がアーム１０の動きに与える影響を軽減することができる。また、アーム１０の動きと干渉しないバランサ装置７のアレンジが容易となる。

シリンダ７１は、ロッド７１０と、ロッド７１０に連結されたピストン７１１と、ピストン７１１が往復動するスリーブ７１２とを備えている。スリーブ７１２内は、ピストン７１１によって往動室７１ａと復動室７１ｂとに分けられている。シリンダ７１の往動室７１ａに作動油が流入するとロッド７１０が伸び、シリンダ７１の復動室７１ｂに作動油が流入するとロッド７１０が縮む。復動室７１ｂにおけるピストン７１１の受圧面積は、往動室７１ａにおけるピストン７１１の受圧面積よりも小さい。

スリーブ７１２は、ピストン７１１の両側に作動油が出入りするポートがある複動型のものである。シリンダ７１の２つのポートは油圧ポンプ７２を間に介して油路８１，８２で接続されており、シリンダ７１と油圧ポンプ７２で閉じられた油圧回路が形成されている。なお、この油圧回路は、前述の油圧配管等により規定されている。

シリンダ７１の復動室７１ｂと油圧ポンプ７２とは、第１油路８１によって接続されている。また、シリンダ７１の往動室７１ａと油圧ポンプ７２とは、第２油路８２で接続されている。第２油路８２は、給排油路８５を介して作動油タンク８６と接続されている。

第１油路８１は、給排油路８５を介して作動油タンク８６と接続されている。第１油路８１と給排油路８５との間には、第１油路８１から給排油路８５への作動油の流れを禁止し、給排油路８５から第１油路８１への作動油の流れを許容する、チェック弁８３が設けられている。また、第１油路８１と給排油路８５との間には、第１油路８１の油圧が所定圧を超えると、第１油路８１のチェック弁８３よりもシリンダ７１側から給排油路８５へ作動油を逃がすリリーフ弁８７が設けられている。

第２油路８２と給排油路８５との間には、第２油路８２から給排油路８５への作動油の流れを禁止し、給排油路８５から第２油路８２への作動油の流れを許容する、チェック弁８８が設けられている。また、第２油路８２と給排油路８５との間には、第２油路８２の油圧が所定圧を超えると、第２油路８２のチェック弁８８よりもシリンダ７１側から給排油路８５へ作動油を逃がすリリーフ弁８９が設けられている。更に、第２油路８２と給排油路８５との間には、給排油路８５から第２油路８２のチェック弁８８とリリーフ弁８９との間への作動油の流れを許容し逆の流れを禁止するパイロット式チェック弁９３が設けられている。パイロット式チェック弁９３は、第１油路８１の油圧をパイロット信号として動作し、第２油路８２の油圧が第１油路８１の油圧より低くなると開放されて、往動室７１ａと復動室７１ｂの受圧面積の差による流量の差分を吸収する。

第１油路８１と第２油路８２には、シリンダ７１の各ポートの近傍において、切替弁８０が設けられている。切替弁８０は、ノーマルクローズの開閉弁である。切替弁８０の動作は、コントローラ６によって制御される。切替弁８０がオンであれば、シリンダ７１の２つのポートの作動油の流れが許容され、ロッド７１０は動ける状態となる。また、切替弁８０がオフであれば、シリンダ７１の２つのポートの作動油の流れが阻止され、ロッド７１０は静止する。

また、第１油路８１と第２油路８２には、作動油の圧力を検出する圧力センサ９０，９１が夫々設けられている。更に、シリンダ７１には、ピストン７１１（又はロッド７１０）の位置を検出する位置センサ９２が設けられている。位置センサ９２及び圧力センサ９０，９１の検出信号はコントローラ６へ伝達される。

油圧ポンプ７２は、双方向油圧ポンプであって、シリンダ７１の復動室７１ｂと往動室７１ａとへ選択的に作動油を送り出すことができる。油圧ポンプ７２は、正逆両回転可能な電動モータ７３により回転駆動される。電動モータ７３はサーボモータであって、電動モータ７３の回転方向、回転速度（回転角度）、及び、回転トルクはコントローラ６及びサーボドライバ７５によってサーボ制御される

続いて、コントローラ６について説明する。コントローラ６は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ等の演算処理装置と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置を有している（いずれも図示せず）。記憶装置には、演算処理装置が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。演算処理装置は、例えば教示ペンダントや操作盤などの入力装置や外部装置とデータの送受信を行う。また、演算処理装置は、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。コントローラ６では、記憶装置に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理装置が読み出して実行することにより、ロボット１の各種動作を制御するための処理が行われる。なお、コントローラ６は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、コントローラ６は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されていてもよい。

コントローラ６には、予め教示された又はプログラムされたアーム１０及びエンドエフェクタ５のモーションパターンが記憶されている。コントローラ６は、このモーションパターンと回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６で検出された回転角度などに基づいて、各関節駆動部につき位置指令やトルク指令などを含む駆動指令を生成し、対応するサーボドライバＤ１〜Ｄ６へ出力する。サーボドライバＤ１〜Ｄ６は、駆動指令と回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６で検出された回転角度などに基づいて駆動電流値を演算し、駆動電流を関節駆動モータＭ１〜Ｍ６へ供給する。

また、コントローラ６には、シリンダ７１のモーションパターンが記憶されている。シリンダ７１のモーションパターンには、アーム１０のモーション（位置及び姿勢など）と対応した、シリンダ７１のピストン７１１の位置及び推力、切替弁８０のオン／オフなどが含まれている。ピストン７１１の推力は、シリンダ７１の作用により関節ＪＴ２に発生するアシスト力Ｔａと対応している。コントローラ６は、シリンダ７１のモーションパターンに含まれる位置及び推力、位置センサ９２及び圧力センサ９０，９１の検出値などに基づいて、駆動指令を生成する。生成された駆動指令はサーボドライバ７５へ出力される。サーボドライバ７５は、駆動指令、回転角検出器７４で検出された回転角度などに基づいて駆動電流値を演算し、駆動電流を電動モータ７３へ供給する。

なお、シリンダ７１のモーションパターンにおいて、原則としてアーム１０が動作しているときに切替弁８０はオンであるが、ピストン７１１の位置が所定時間以上一定の値に保持されるときには切替弁８０がオフに切り換えられる。換言すれば、シリンダ７１によってアシストされる関節ＪＴ２の動きが所定時間以上静止するときに、切替弁８０がオフとされる。例えば、関節ＪＴ２を動作させずに旋回関節ＪＴ１を動作させる際、即ち、アーム１０が全体的に水平旋回する際には、切替弁８０はオフとされる。また、例えば、アーム１０の関節ＪＴ２より先端側の関節ＪＴ３〜ＪＴ５のみを動作させる際、切替弁８０はオフとされる。切替弁８０がオフであれば、シリンダ７１における作動油の流動が阻止されるため、シリンダ７１のピストン７１１の位置及び推力が概ね保持される。これにより、バランサ装置７のエネルギーの使用を抑えつつ、シリンダ７１のアシスト力Ｔａが維持される。

上記構成のロボット１において、バランサ装置７の動作の例について説明する。

第１リンク１１の先端側を上方へ回動させる際には、関節ＪＴ２の関節駆動部の関節駆動モータＭ２は、第１リンク１１を関節ＪＴ２まわりに上方へ回動させる回転方向の駆動トルクＴｍを発生させる。ここで、バランサ装置７では、切替弁８０はオンとされ、シリンダ７１が縮むように油圧ポンプ７２が動作して、駆動トルクＴｍと同じ回転方向のアシスト力Ｔａが発生する。これにより、第１リンク１１には駆動トルクＴｍとアシスト力Ｔａとの和が作用し、関節駆動モータＭ２の駆動トルクＴｍがアシスト力Ｔａによりアシストされる。

また、第１リンク１１の先端側を下方へ回動させる際には、関節ＪＴ２の関節駆動部の関節駆動モータＭ２は、第１リンク１１を関節ＪＴ２まわりに下方へ回動させる方向の駆動トルクＴｍを発生させる。ここで、バランサ装置７では、切替弁８０はオンとされ、シリンダ７１が伸びるように油圧ポンプ７２が動作して、駆動トルクＴｍと同じ回転方向のアシスト力Ｔａが発生する。これにより、第１リンク１１には駆動トルクＴｍとアシスト力Ｔａとの和が作用し、関節駆動モータＭ２の駆動トルクＴｍがアシスト力Ｔａによりアシストされる。但し、バランサ装置７に、駆動トルクＴｍと逆の回転方向のアシスト力Ｔａを発生させてもよい。この場合、第１リンク１１の回転速度を抑え、制動力を高めることができる。

また、関節ＪＴ２の角度を一定に維持した状態で、旋回関節ＪＴ１や関節ＪＴ３，ＪＴ４を回転させる際には、バランサ装置７の切替弁８０をオフとして、油圧シリンダ７１での作動油の流れを阻止する状態とすることにより、シリンダ７１の長さ（即ち、ピストン７１１の位置）を一定に保持させる。このバランサ装置７は、第１リンク１１に作用する重力モーメントに対抗して、第１リンク１１の位置を保持しようとする。ここで、バランサ装置７の保持力で重力モーメントに十分に対抗できない場合には、サーボ制御されている関節駆動モータＭ２にアシスト力Ｔａと同じ回転方向の駆動トルクＴｍが発生して第１リンク１１の位置が一定に保持される。

以上に説明したように、本実施形態に係るロボット１は、関節駆動モータＭ１〜Ｍ６のうち少なくとも１つ（ここでは、関節駆動モータＭ２）の駆動力をアシストするバランサ装置７を備えている。このバランサ装置７は、ピストン７１１の両側に作動油が出入りするポートが設けられたシリンダ７１と、シリンダ７１の２つのポートを接続する油圧回路と、油圧回路に設けられた双方向油圧ポンプ７２と、油圧ポンプ７２を駆動する正逆両回転電動モータ７３と、２つのポートの作動油の流れを許容する状態と２つのポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも１つの切替弁８０とを有する。この切替弁８０は、オン時に２つのポートの作動油の流れを許容し且つオフ時に２つのポートの作動油の流れを阻止するように動作してもよい。そして、コントローラ６は、アーム１０の位置及び姿勢に応じたシリンダ７１の位置及び推力を発生させるように電動モータ７３及び切替弁８０の動作を制御する。なお、バランサ装置７の動作を制御するコントローラ６は、バランサ装置７の一要素であってもよいし、ロボット１の一要素であるコントローラ（ロボットコントローラ）にその機能が併せ備えられていてもよい。

上記ロボット１では、電動モータ７３の回転方向、回転トルク、及び回転速度を制御することによって、シリンダ７１のピストン７１１の位置及び推力（即ち、アシスト力Ｔａ）が制御される。これにより、関節ＪＴ２を動作させる際のアシスト力Ｔａの方向と大きさを、アーム１０の位置及び姿勢に応じて変化させることができ、アーム１０のあらゆる位置及び姿勢でバランサ装置７に有効なアシスト力を発生させることができる。つまり、バランサ装置７で発生するアシスト力Ｔａによって、アーム１０はあらゆる姿勢においてエネルギー損失の少ない動作を行うことができる。

更に、上記ロボット１では、切替弁８０をオフとすることでシリンダ７１の位置及び推力が保持される。従って、アーム１０の動作に応じて切替弁８０を切り替えることにより、エネルギーの使用を抑えつつ、シリンダ７１によるアシスト力Ｔａを継続させることができる。このようにして、関節駆動力のアシストの省エネルギー化を実現することができる。

上記の切替弁８０は、原則として、シリンダ７１によってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときにオフとされる。ここで、コントローラ６は、アーム１０のモーションパターンと対応したシリンダ７１の位置及び推力を含むシリンダ７１のモーションパターンを記憶しており、シリンダ７１のモーションパターンに基づいて電動モータ７３及び切替弁８０の動作を制御するように構成されていている。このように切替弁８０が制御されることにより、アーム１０の動作に応じて省エネルギー化が実現されるように切替弁８０が切り換えられる。

更に、上記ロボット１では、バランサ装置７が具備する電動モータ７３の動作を制御する制御部を、アーム１０の動作を制御しているコントローラ６と共用することができる。このように、コントローラ６によってバランサ装置７の電動モータ７３とアーム１０の関節駆動モータＭ１〜Ｍ６とが制御されることにより、アーム１０の動作に関連してバランサ装置７（シリンダ７１）を動作させる構造を容易に実現することができる。そして、関節駆動モータＭ１〜Ｍ６と電動油圧アクチュエータを具備するバランサ装置７とを組み合わせることにより、バランサ装置７で生じるアシスト力Ｔａの精度にかかわらず、アーム１０は関節駆動モータＭ１〜Ｍ６によって高い位置決め精度が確保される。

〔変形例１〕
次に、上記実施形態の変形例１を説明する。上記において、切替弁８０は油圧回路においてシリンダ７１のポートの近傍に設けられている。これによれば、油圧回路のシリンダ７１により近い位置で作動油の流動が阻止されるので、切替弁８０がオフの間のシリンダ７１の位置及び推力を効率的に維持することができる。但し、切替弁８０の油圧回路上の配置はこれに限定されない。変形例１では、上記実施形態において切替弁８０の配置を変形した例を説明する。

図４はバランサ装置７の駆動系統の構成の変形例を示す油圧回路図である。図４に示す変形例１に係るバランサ装置７Ａでは、各油路８１，８２においてリリーフ弁８７，８９と油圧ポンプ７２との間に切替弁８０Ａ，８０Ｂが設けられている。また、リリーフ弁８７，８９と油圧ポンプ７２との間に切替弁８０Ａ，８０Ｂを設ける場合、切替弁８０Ａ，８０Ｂのうちいずれか一方が省略されてもよい。このように、切替弁８０Ａ，８０Ｂをシリンダ７１から離隔させたり、切替弁８０Ａ，８０Ｂの数を削減したりすることができれば、油圧回路のレイアウトの自由度を高めることができる。

〔変形例２〕
続いて、上記実施形態の変形例２を説明する。上記において、シリンダ７１の動作、即ち、電動モータ７３の動作は、予め記憶されたシリンダ７１のモーションパターンに基づいて制御される。これによれば、バランサ装置７の制御は比較的単純となる。但し、バランサ装置７の動作制御は上記に限定されない。変形例２では、上記実施形態において、シリンダ７１の動作が各種センサの検出値に基づいて制御される例２（i）及び２（ii）を説明する。

例２（i）：コントローラ６は、各回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６の検出値に基づいてアーム１０の位置及び姿勢を求め、アシストされる関節ＪＴ２に掛かる負荷を検出する負荷検出器（図示略）の検出信号とアーム１０の位置及び姿勢とに基づいてシリンダ７１のピストン７１１の目標位置及び目標推力を求める。そして、コントローラ６は、求めたシリンダ７１のピストン７１１の目標位置及び目標推力に基づいて電動モータ７３及び切替弁８０の動作を制御する。ここで、負荷検出器は、例えば、第１リンク１１の撓みを検出する撓み検出器、関節ＪＴ２の関節駆動モータＭ２の電流を検出する電流計、関節ＪＴ２の減速機に掛かるトルク検出器、などの第１リンク１１又は関節ＪＴ２の関節駆動部に掛かる負荷を直接的又は間接的に検出できる機器であればよい。

例２（ii）：コントローラ６は、アーム１０の位置及び姿勢に好適なシリンダ７１の位置及び推力を求める演算モデルを記憶している。そして、コントローラ６は、各回転角検出器Ｅ１〜Ｅ６の検出値に基づいてアーム１０の位置及び姿勢を求め、アーム１０の位置及び姿勢と演算モデルとからシリンダ７１の目標位置及び目標推力を求め、シリンダ７１の目標位置及び目標推力に基づいて電動モータ７３及び切替弁８０の動作を制御する。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明する。上記第１実施形態に係るロボット１が備えるバランサ装置７は、アーム１０のあらゆる姿勢においてもエネルギー損失の少ない動作を実現するように構成されている。但し、本発明が適用されるロボット１に搭載されたバランサ装置は、アーム１０の姿勢を保持するときにのみ関節駆動モータをアシストするように構成されていてもよい。そこで、第２実施形態では、アーム１０の姿勢を保持するときにのみ関節駆動モータＭ２をアシストするように構成されたバランサ装置７Ｂを備えたロボット１について説明する。

第２実施形態に係るロボット１は、バランサ装置７Ｂを除いて、前述の第１実施形態に係るロボット１と実質的に同じ構成を有している。そこで、本実施形態に係るロボット１の説明においては、バランサ装置７Ｂについて詳細に説明し、前述の第１実施形態と重複する説明を省略する。

図５は、第２実施形態に係るロボット１のバランサ装置７Ｂの駆動系統の構成を示す油圧回路図である。なお、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付すことによって、構造及び作用の説明を省略する。

本実施形態に係るバランサ装置７Ｂは、一端が旋回軸２１に連結され、他端が第１リンク１１に連結された油圧シリンダ７１を備えている（図１、参照）。図５に示すように、バランサ装置７Ｂは、ピストン７１１の両側に作動油が出入りする２つのポートが設けられた油圧シリンダ７１と、シリンダ７１の２つのポートを接続する油路回路８１Ａと、油路回路８１Ａに設けられた少なくとも１つの切替弁８０とを備えている。切替弁８０の動作はコントローラ６によって制御されており、切替弁８０によって油路回路８１Ａが２つのポートの作動油の流れを許容する状態と２つのポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り替えられる。油路回路８１Ａは、油圧配管等により規定されている。また、油路回路８１Ａには給排油路９７を介して作動油タンク８６が接続されている。この作動油タンク８６の作動油によって、シリンダ７１の往動室７１ａと復動室７１ｂとの間で流出入する作動油量の差分が賄われる。

上記構成のバランサ装置７Ｂを備えたロボット１において、コントローラ６は、油圧シリンダ７１によってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときに、切替弁８０を２つのポートの作動油の流れを阻止する状態とする。これにより、油圧シリンダ７１の２つのポートの作動油の流れが阻止され、油圧シリンダ７１の位置及び推力が保持される。この結果、油圧シリンダ７１によるアシスト力が継続し、アーム１０の姿勢が保持される。このように、作動油の流れが阻止されることによってアームの姿勢が保持されるので、アームに姿勢を保持するためのトルクを関節駆動モータのみで与える場合と比較して、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することができる。

また、コントローラ６は、上記以外では、切替弁８０を２つのポートの作動油の流れを許容する状態とする。

なお、コントローラ６は、上記第１実施形態と同様に、アーム１０のモーションパターンと対応した油圧シリンダ７１の位置及び推力を含む油圧シリンダ７１のモーションパターンを記憶しており、油圧シリンダ７１のモーションパターンに基づいて切替弁８０の動作を制御する。

以上に本発明の好適な実施の形態（第１実施形態及びその変形例、並びに第２実施形態）を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

例えば、上記実施形態においては、アーム１０とバランサ装置７とが一つのコントローラ６で制御されている。これにより、コントローラ６の数を削減することができる。また、バランサ装置７に、アーム１０の動作や姿勢と関連付けた動作を行わせる構成を容易に構築することができる。但し、アーム１０とバランサ装置７とが別のコントローラで制御されてもよい。

また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置７のシリンダ７１はクローズ回路型アクチュエータである。但し、バランサ装置７のシリンダ７１の構成はこれに限定されない。例えば、シリンダ７１は、オープン回路型アクチュエータであってもよい。この場合、シリンダ７１と油圧ポンプ７２とを接続している油圧回路にピストン７１１の位置を制御するための制御弁が設けられ、油圧ポンプ７２に一定の動力を与える電動モータが備えられてよい。

また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置７は関節ＪＴ２に設けられているが、バランサ装置７と実質的に同一構成のバランサ装置（図示せず）が関節ＪＴ３にも設けられてもよい。或いは、関節ＪＴ２にバランサ装置７に加えて、従来のバネバランサ（図示略）が並設されていてもよい。このようにロボット１が複数の助力手段を備えることにより、関節駆動力のアシスト力を高めることができる。

また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置７はクローズ回路型アクチュエータである油圧シリンダ７１を備えている。そして、関節ＪＴ２の関節駆動部の関節駆動モータＭ２とバランサ装置７とを組み合わせることにより、サーボ制御される関節駆動モータＭ２の動作によりアーム１０の位置決め精度を確保しつつ、アーム１０のあらゆる姿勢においてもエネルギー損失の少ない動作を実現することができる。

上記理由で、バランサ装置７のシリンダ７１はクローズ回路型アクチュエータである。但し、バランサ装置７のシリンダ７１の構成はこれに限定されない。例えば、シリンダ７１は、オープン回路型アクチュエータであってもよい。この場合、シリンダ７１と油圧ポンプ７２とを接続している油圧回路にピストン７１１の位置を制御するための制御弁が設けられ、油圧ポンプ７２に一定の動力を与える電動モータが備えられてよい。

また、例えば、上記実施形態において、切替弁８０はノーマルクローズの開閉弁であるが、切替弁８０はノーマルオープンの開閉弁であってもよい。この場合の切替弁８０の動作は、上記実施形態の切替弁８０の動作の説明において、オン／オフを逆にして読み替えたものである。

また、例えば、上記実施形態において、ロボット１のアーム１０は垂直多関節型である。但し、図６に示すように、本発明は水平多関節型のアーム１０Ａを備えたロボット１Ａにも適用することができる。ロボット１Ａは、ベース２と、ベース２に連結された水平多関節型のアーム１０Ａと、アーム１０Ａの先端部に連結されたエンドエフェクタ５とを備えている。アーム１０Ａは、ベース２に昇降関節ＪＴ１１を介して連結された昇降軸２２と、昇降軸２２に水平回転関節ＪＴ１２を介して連結された第１リンク１１Ａと、第１リンク１１Ａと水平回転関節ＪＴ１３を介して連結された第２リンク１２Ａと、第２リンク１２Ａと昇降関節ＪＴ１４を介して連結された第３リンク１３Ａと、第３リンク１３Ａと水平回転関節ＪＴ１５を介して連結された第４リンク１４Ａとを備えている。ここで、バランサ装置７は、昇降関節ＪＴ１１の関節駆動力をアシストするように、昇降軸２２の昇降方向と平行に伸縮するようにアーム１０Ａとベース２に跨って取り付けられたシリンダ７１を備えている。そして、バランサ装置７は、上記実施形態と同様に、アーム１０Ａの位置及び姿勢に応じて、上下方向のアシスト力Ｔａを生じさせる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

１ ：産業用ロボット
２ ：ベース
６ ：コントローラ
７，７Ａ，７Ｂ ：バランサ装置
１０ ：多関節アーム
７１ ：油圧シリンダ
７２ ：油圧ポンプ
７３ ：電動モータ
７４ ：回転角検出器
７５ ：サーボドライバ
８０ ：切替弁
８１ ：第１油路（油圧回路）
８２ ：第２油路（油圧回路）
８３，８８ ：チェック弁
８５ ：給排油路
８６ ：作動油タンク
８７，８９ ：リリーフ弁
９０，９１ ：圧力センサ
９２ ：位置センサ
ＪＴ１〜ＪＴ６ ：関節
Ｍ１〜Ｍ６ ：関節駆動モータ
Ｔａ ：アシスト力
Ｔｍ ：駆動トルク

Claims (9)

1. ベースと、
   前記ベースに連結された多関節アームと、
   前記多関節アームの関節を動作させる関節駆動モータと、
   前記関節駆動モータのうち少なくとも１つの駆動力をアシストする、ピストンの両側に作動油が出入りする２つのポートが設けられた油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダの２つの前記ポートを接続する油圧回路と、
   ２つの前記ポートの作動油の流れを許容する状態と２つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも１つの切替弁とを備える、
   産業用ロボット。
2. 前記油圧回路に設けられた双方向油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプを駆動する正逆両回転電動モータと、
   コントローラとを、更に備え、
   前記油圧シリンダは、前記双方向油圧ポンプによって前記関節駆動モータのうち少なくとも１つの駆動力をアシストし、
   前記コントローラは、前記多関節アームの位置及び姿勢に応じた前記油圧シリンダの位置及び推力を発生させるように前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御する、
   請求項１に記載の産業用ロボット。
3. 前記コントローラは、前記油圧シリンダによってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときに前記切替弁を２つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とする、
   請求項２に記載の産業用ロボット。
4. 前記コントローラは、前記多関節アームのモーションパターンと対応した前記油圧シリンダの位置及び推力を含む前記油圧シリンダのモーションパターンを記憶しており、前記油圧シリンダのモーションパターンに基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御する、
   請求項２又は３に記載の産業用ロボット。
5. アシストされる関節に掛かる負荷を検出する負荷検出器を更に備え、
   前記コントローラは、前記多関節アームの各関節の回転角度に基づいて前記多関節アームの位置及び姿勢を求め、前記負荷検出器で検出された負荷及び前記多関節アームの位置及び姿勢に基づいて前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力を求め、前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力に基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御する、
   請求項２又は３に記載の産業用ロボット。
6. 前記油圧回路に、当該油圧回路から油タンクへ作動油を逃がすリリーフ弁が設けられており、前記油圧回路の前記ポートと前記リリーフ弁との間に前記切替弁が設けられている、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
7. 前記油圧シリンダが前記多関節アームに設けられ、
   前記電動モータが前記多関節アームから離れて設置され、
   前記油圧回路を形成する油圧配管が前記多関節アーム及び／又は前記ベース内に挿通されている、
   請求項２〜６のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
8. 前記油圧シリンダと並設されたバネバランサを更に備える、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
9. 前記コントローラが、前記関節駆動モータの動作を制御する、
   請求項２〜７のいずれか一項に記載の産業用ロボット。

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