JPH02256490A - カウンタウェイト付ロボット - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はカウンタウェイト付ロボットに関するものであ
る。

【従来の技術〕

従来のロボットは、一般的に直交座標型、関節型、およ
びその複合型に分類される。いずれのロボットもベース
部を架台・床にボルト等でしっかり固定され、使用され
る。これは、ロボット自身が静的に不安定な形状をして
いて固定しなくては倒れてしまうことが多いためと、ロ
ボット動作時にアームの慣性による加速運動の反力であ
る慣性力が存在し、その慣性力によって前記ベース部が
架台・床と相互にずれることを防ぐためである。

ロボットが大型・高速になると、前記の固定はさらに強
固にする必要があり、また、架台に固定する場合は、架
台を重くするか、床に固定する必要が生ずる。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近のロボットの高速化はめざましく、それに伴って、
動作アームの慣性力も大きくなってきている。動作アー
ムの軽量化も進んでいるが、アーム剛性の確保のため、
あまり軽くすることもできない、したがって、ロボット
が高速になれば架台は重くなり、省資源に逆行して架台
材料を大量に消費してしまう、また、ロボットを搬送車
に取り付け、作業させる試みもあるが、搬送車が床を動
きまわるものであるため、搬送車をあまり重くすること
もできず、床に固定することもできない。

結局、ロボットを低速で動作させ、慣性力を小さくして
おり、ロボットが高速で動作できる能力を発揮できない
でいる。

〔課題を解決するための手段〕

上記の問題点を解決するため、各動作アーム毎に、該動
作アームの加速運動と同期して、前記加速運動と逆方向
の加速運動する重りを取り付けたことを特徴とするカウ
ンタウェイト付ロボットを提供するものである。

〔作用］ 本発明では、各動作アーム毎に、該動作アームの加速運
動と同期して、前記加速運動と逆方向の加速運動する重
りを取り付けたので、各動作アームの慣性による動作時
の加速運動の反力である慣性ノＪが、前記型りによる加
速運動の反力である慣性力によって打ち消され、ロボッ
トを取り付ける架台にロボット重量以外の力が大きくか
からないものである。

〔実施例〕

第１図に本発明の好適な実施例の斜視図を示す。

説明をわかりやすくするため、細部は省略しである。第
１図は、ごく一般的な直交座標型ロボットのアームを一
本だけ示したものであり、この構成のアームを数木組み
合わせて、ロボットをつくるものである。（１）はモー
タ、　（２）はモータ（１）の出力軸とボールネジ（３
）を連結するカップリング（２）、（４）はボールネジ
（３）にはまっていてボールネジ（３）の回転を、ボー
ルネジ（３）の軸方向の運動に変換するナツト（５）は
ボールネジ（３）とネジリード長が同じで、巻き方向が
逆のボールネジ、（６）はボールネジ（５）の回転を、
ボールネジ（５）の軸方向の運動に変換するナツト、　
（７）はナツト（６）に固定された重り、　（８）はボ
ールネジ（３）と同心に固定されたタイミングブーりで
、ボールネジ（５）に同心に固定されたタイミングプー
リ（１０）とタイミングベルト（９）で連結されていて
速比は１対１である。（１１）はナツト（４）に取り付
けられたアーム、（１２）はボールネジ（３）、　（５
）を軸支するベースであり、架台に固定されるものであ
る。モータ（１）の固定、アーム（１１）の直線運動案
内、重り（７）の直線運動案内等は省略しである。モー
タ（１）がどちらかに回転すると、ボールネジ（３）は
カップリング（２）を介して回転し、ナツト（４）がボ
ールネジ（３）の軸方向に運動する。アーム（１１）は
ナツト（４）に取り付けられているので、アーム（１１
）がボールネジ（３）の軸方向に運動することになる。

これらの物体は、すべて質量をもっているので、いきな
り定速で動くことはできず、止まっている状態から徐々
に加速してゆく、物体が加速するとき、物体には、加速
度に物体の質量を乗じた慣性力が働き、第１図のアーム
（１１）の慣性力は、ナツト（４）とボールネジ（３）
を介してベース（１２）に作用する。ボールネジ（５）
は速比がｌ対ｌのタイミングプーリ（８）、（１０）と
タイミングベルト（９）で連結されているのでボールネ
ジ（５）はボールネジ（３）と同方向・同角加速度で回
転する。ボールネジ（５）はボールネジ（３）とネジリ
ード長が同じで、巻き方向が逆であるので、ナツト（６
）は、ナツト（４）と逆の方向に運動する。ナツト（４
）に固定された重り（７）の質量をアーム（ＩＩ〕と同
じくしておくと、重り（７）がボールネジ（５）の軸方
向に加速することによって生ずる慣性力は、アーム（１
１）の慣性力と大きさが同じで向きが逆である。重り（
７）の慣性力は、ナツト（６）とボールネジ（５）を介
してベース（１２）に作用する。したがってアーム（１
１）による慣性力と重り（７）による慣性力はベース（
１２）のところでかなりの量を打ち消しあう。アーム（
１１）を停止させる時の減速時も同様である。

第２図を使用して説明する。第２図は、第１図の構成に
おいて、力の伝わる様子を示したものであり、簡略化し
である。ベース（１７）には、ボールネジ（１８）とボ
ールネジ（２２）が軸支されており、ボールネジ（１８
）にはナツト（１９）がはまり、ナツト（１９）にはア
ーム（２０）が取り付けられ、説明をわかりやすくする
ため、アーム（２０）とナツト（１９）の賀正がまとま
っているとして、その重心（２１）は、アーム（２０）
の先端にあるとする。ボールネジ（２２）には重り（２
３）がナツト（図示せず）に固定されてはまっている。

今、ボールネジ（１８）が回転をはｔめ、重心（２１）
が加速（１３）で動きだしたとすると、重心（２１）の
慣性によって反力（１４）が作用する。反力（１４）は
アーム（２０）とナツト（１９）、ボールネジ（１８）
を伝わってベース（１７）に反力（１４ａ）として働く
。前述したように、ボールネジ（２２）は重り（２３）
を重心（２１）と逆方向に加速（１５）で動くので、そ
の反力（１６）も反力（１４）と向きが逆で大きさは同
じであり、ボールネジ（２２）を伝わってベース（１７
）に反力（１６ａ）として働く。結果的にベース（１７
）を左に移動させようとする重心（２１）による慣性力
は打ち消される。重心（２１）に反力（１４）が作用す
ると、ベース（１７）を時計方向に回転させようとする
偶力（２４）が働く、ところが、反力（１４ａ）と反力
（１６ａ）も図示の如く、平行で向きが逆であるので回
転の偶力として働き、その偶力（２４ａ）は偶力（２４
）と向きが逆であるので、偶力（２４）はかなりの量が
偶力（２４ａ）で打ち消されることとなる。したがって
、ベース（１７）から外部にもれる慣性力は従来のロボ
ットに比較してきわめて小さいものである。第１図の構
成を１本の動作アームとして、組み合わせれば、結果的
に外部に対して慣性力のもれの少ないロボットとするこ
とができる。タイミングプーリ（８）、（１０）のかわ
りにボールネジ（５）をモータで駆動すれば、アーム（
１１）上の重量の移動による重心変化による偶力（２４
）の変化に自在に対応できるよう制御可能である。また
、ボールネジの巻き方向をボールネジ部の中間で切り換
えれば、重りをアーム駆動用のボールネジと同軸に配置
することができ、コンパクトな設計が可能となる。

第３図に斜視図を示す。ボールネジ（２５）は切換（２
６）のところで巻きが逆になっている。

モータ（２７）が回転をはじめるとカップリング（２８
）を介してボールネジ（２５）が回転し、ボールネジ（
２５）にはまっているナツト（２９）とナツト（３１）
はたがいに逆方向に同じ大きさの加速度で運動するので
、ナツト（２９）とナツト（３１）に取り付けられてい
る重り（３０）とアーム（３２）の重さを同じくしてお
くと、ボールネジ（２５）方向の慣性力は打ち消される
。ただし、アーム（３２）の慣性による偶力は打ち消す
ことができない、従来のロボットに比較すると、ベース
（３３）にかかる慣性力は小さくなっている。この実施
例の最大の利点は、前記の偶力以外はボールネジ（２５
）が引張りと圧縮として受けとめる点にあり、第１図の
実施例と比較して、ベース（３３）を軽量・小型に設計
できる点にある。

次に関節型ロボットに本発明を適用した実施例について
説明する。関節型ロボットのアームが動作したとき、ベ
ースに加わる慣性力には、アーム重量による遠心力と角
加速度によって生ずるねじりトルクである。遠心力につ
いては、重心をアームの回転軸の近くにもってくること
によって解決できるので問題はねじりトルクである。ね
じりトルクを打ち消すために、第４図に示した構成とす
る。第４図は、関節型ロボットのアームを１木とりだし
てみた斜視図である。（３４）はアーム（３６）を駆動
するモータ、　（３５）はモータ（３４）の出力軸、（
３７）は出力軸（３５）と同心のギアであり、アーム（
３６）に固定されている。（３８）はモータであり、モ
ータ（３８）の出力軸（３９）には重り（４２）が取り
付けられ、重り（４２）には出力軸（３９）と同心でギ
ア（３７）とかみあっているギア（４０）が固定されて
いる。モータ（３４）の出力軸（３５）が出力軸（３５
）からみて左回りに回転すると、アーム（３６）とギア
（３７）も左回りに回転する。

モータ（３８）は出力軸（３９）からみて右回りに回転
させ、重り（４２）とギア（４０）を右回りに回転させ
る。モータ（３４）とモータ　（３８）の回転速度の比
はギア（３７）とギア（４０）の速比に等しくなる。ま
た、アーム（３６）の回転慣性と重り（４２）の回転慣
性は、ギア（３７）とギア（４０）の速比の逆をとる。

つまり、ギア（３７）とギア（４０）がｌ：１．２であ
ったらアーム（３６）の回転慣性と重り（４２）の回転
慣性の比を１，２：１にすることである。モータ（３４
）とモータ（３８）の回転速度比は１：ｌ。

２とする。したがって、モータ（３４）とモータ（３８
）はギア（３７）とギア（４０）がかみあっていても円
滑に回転でき、かつ、回転慣性と角速度の積が同じにな
るので回転慣性と角加速度の積も大きさが等しくなる。

第５図に慣性力をあられした図を示す。第５図は第４図
を上からみてあられしたもので、形状は簡略化し、一部
の部品は省略しである。アーム（３６）が回転（４３）
方向にある角加速度で運動するとき、アーム（３６）の
回転慣性と角加速度の積によって得られるトルクが必要
であり、そのトルクは出力軸（３５）がアーム（３６）
に伝える。そのトルクはモータ（３４）と出力軸（３５
）の間で発生するのであるから、モータ（３４）には逆
向きのトルクを加えておく必要があり、そのトルクはね
じリドルク（４４）としてベース（４１）に働く、この
ねじりトルクが従来のロボットで問題となっている慣性
力である。一方、重す（４２）が回転（４３）と逆向き
にある角加速度で運動するとき、重り（４２）の回転慣
性と角加速度の積によって得られるトルクが必要であり
、そのトルクは出力軸（３９）が重り（４２）に伝える
。そのトルクはモータ（３８）と出力軸（３９）の間で
発生するのであるから、モータ（３８）には逆向きのト
ルクを加えておく必要があり、そのトルクはねじりトル
ク（４５）としてベース（４１）に働く。つまり、大き
さが同じで向きが逆のトルクがベース（４工）に働くた
め、ベース（４１）から外部にねじりトルクによる慣性
力がもれることはなくなり、ベース（４１）内部にのみ
働くのである。単に慣性力を打ち消すだけであれば、ギ
ア（３７）とギア（４０）は必要ないのだが、モータ（
３４）とモータ（３８）の同期性を確実にするためには
、ギアは有効である。また、ギアをとりはずした場合、
モータ（３８）の制御に工夫を加えることによってアー
ム（３６）側の回転慣性の変化にも追従できるものであ
る。

〔発明の効果〕

以上、いくつかの実施例を述べてきた。いずれの実施例
もロボットは従来のものより重く、大きくなり、制御等
の困難さも増す、しかしながら、これからのロボットの
使い勝手を考慮すると、動作アームの慣性がロボットの
外部にもれることは、自律的に動き回るロボットの発展
を大きく阻害する要因となっている。本発明は、その要
因を取り除くことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・斜視図 （１）・・・モータ　　（２）・・・カップリング（３
）・・・ボールネジ　（４）・・・ナツト（５）・・・
ボールネジ　（６）・・・ナツト（７）・・・重り　（
８）・・・タイミングプーリ（９）・・・タイミングベ
ルト （１ｏ）・・・タイミングプーリ （１１）・・・アーム　（１２）・・・ベース第２図・
・・構成図 （工３）・・・加速　（Ｉ４）・・・反力（１４ａ）・
・・反力　（１５）・・・加速（１６）・・・反力 （１７）・・・ベース （１９）・・・ナツト （２１）・・・重心 （２３）・・・重り （２４ａ）・・・偶力 第３図・・・斜視図 （２５）・・・ボールネジ　（２６）・・・切換（２７
）・・・モータ　　（２８）・・・カップリング（２９
）・・・ナツト　　（３ｏ）・・・重り（３１）・・・
ナツト　（３２）・・・アーム（３３）・・・ベース 第４図・・・斜視図 （３４）・・・モータ （３６）・・・アーム （３８）・・・モータ （４ｏ）・・・ギア （４２）・・・重り 第５図・・・構成図 （３６）・・・アーム　（４１）・・・ベース（１６ａ
）・・・反力 （１８）・・・ボールネジ （２０）・・・アーム （２２）・・・ボールネジ （２４）・・・偶力 （３５）・・・出力軸 （３７）・・・ギア （３９）・・・出力軸 （４１）・・・ベース ・・・回転 ・・・ねじりトルク ・・・ねじりトルク 室？■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各動作アーム毎に、該動作アームの加速運動と同期して
   、前記加速運動と逆方向の加速運動する重りを取り付け
   たことを特徴とするカウンタウェイト付ロボット。