JPH0471672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、関節形ロボツトのアームに関して、
該アームの自重による回転力を相殺してアーム駆
動用アクチユエータの負荷トルクを軽減する方法
に関するものである。

〔発明の背景〕

生産工程の自動化は年々進み、特に組立工程に
ロボツトを導入し、フレキシブルな自動化を行う
試みが盛んに行われている。これに用いられるロ
ボツトは設置スペースに比較し大きな作業範囲の
とれる関節形ロボツトが多い。

第１図は上記関節形ロボツトの概要的な機構説
明図である。この関節形ロボツト１は、通常、旋
回ベース２の上に上腕３を回動自在に軸支し、こ
の上腕３の先端部に前腕４を、更にその先端部に
手首部５をそれぞれ回動自在に軸支した構造であ
る。このため、上腕３の駆動用アクチユエータ６
および前腕４の駆動用アクチユエータ７は、手首
部５がワークを把持していない場合でも、上腕
３、前腕４の姿勢に応じて、姿勢保持のための所
要出力が変化する。

第２図Ａは、腕の自重によるトルクを示すため
の模形図、第２図Ｂは姿勢保持のための所要トル
クと腕の姿勢との関係を示す図表である。

腕１０の姿勢保持のためのトルクをＴとし、 腕１０の自重をＷ、 回転軸１１から腕１０の重心１２までの距離を
Ｌ、 腕１０の、垂直姿勢からの回転角をθ、とする
と、Ｔ＝WLsinθの関係が成立する。

θ＝0゜のとき、すなわち、腕が垂直のときの位
置保持トルクは零であるが、θ＝90゜即ち腕が水
平のときはWLとなる。このように関節形ロボツ
トでは腕の位置保持のため、駆動用アクチユエー
タの選択にあたり、負荷の保持・搬送（加速）ト
ルクに加えて上記の様な腕の位置保持トルクを加
味する必要がある。このためロボツトの部品把持
能力に比較して大きな容量のアクチユエータを選
定する必要があり、またこれによりロボツトの自
重を増加させてしまうという問題があつた。さら
に第２図Ｂからも明らかなようにある角度で保持
されている腕を時計方向又は反時計方向に加速し
て動かす場合、重力の方向に沿うか逆うかによ
り、その時アクチユエータが必要とする出力トル
クが大きく変化し、その加速特性が異なるという
問題があつた。このためアクチユエータのゲイン
定数を時計方向加速の場合と反時計方向加速の場
合とで違える等の処置を行つているが、負荷変動
が大きい時はこれで充分な対策できず問題を残し
ている。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて従来技術の欠点を
解消すべく創作されたもので、その目的とする所
はロボツトアームの自重を支承するためのアクチ
ユエータの出力トルクを軽減し得る方法を提供
し、アクチユエータの小型化、省エネルギー化に
貢献しようとするものである。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、関接形
ロボツトのアームと、該アームの基端部を水平に
支持し、かつ該アームと一体に回動する回動軸
と、該回動軸を駆動して前記アームを回動させる
アクチユエータとを備え、前記アームの垂直状態
の基準姿勢からの回動に伴い発生するアーム自重
による負荷トルクを軽減する方法において、前記
回動軸と該回動軸の外周部分に設けられた固定部
材との間に、時計方向と反時計方向とに反力トル
クを発生するべくばねを装架して該回動軸と同軸
のばね機構を形成し、該形成したばね機構によ
り、前記アームの基準姿勢からの回動方向に対し
て反対方向へ回動させる反力トルクをアームの基
準姿勢からの回動角にほぼ比例して発生させ、前
記回動軸に与える反力トルクと前記アームの自重
により前記回動軸に発生するトルクとを拮抗さ
せ、前記アームの任意の回動位置を保持可能に、
前記アクチユエータの負荷トルクを軽減せしめる
ことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の一実施例を第３図乃至第５図に
ついて説明する。

第３図は本発明方法を実施するために構成した
ロボツトの一例における部分断面側面図、第４図
は同部分断面正面図である。

本例のロボツトは第３図に示すように、ロボツ
トの腕１０、回転軸１１、回転軸を支持するベー
ス部１５、腕の駆動用アクチユエータ１６および
ばね機構部１７よりなる。

ばね機構１７は第３図、第４図に示すようにベ
ース部１５に回転軸１１と同軸に取り付けられて
おり、回転軸１１の回転に対し、反力を発生する
圧縮コイルばね１８，１９、中間回転板２０、お
よび固定板（固定部材）２１より構成されてい
る。なお、中間回転板２０は回転軸１１、固定板
２１に対して摺動自在となつている。ばね１８
は、図示するように腕１０と一体で回転する回転
軸１１の円周部より突出させたばね受け２２と中
間回転板２０内のばね受け２３間に配設し、ばね
１９は中間回転板２０のばね受け２４と固定板２
１のばね受け２５間に配設してある。

以下、本構成における作用について説明する。
ロボツトの腕１０が矢印Ａ方向（ばね機構からみ
て時計方向）に回転すると、回転軸１１も同じ角
度だけ回転する。すると回転軸１１上のばね受け
２２によりばね１８が撓み、回転軸１１を元に戻
す反力が発生する。この時ばね１９は中間回転板
２０が動かないため、回転軸１１に対して反力は
発生しない。ばね１８の反力による反時計方向の
モーメントとハンド等を含めた腕１０の重量によ
る時計方向のモーメントが等しくなる様にすれ
ば、腕１０は無重力状態と等価となり、わずかの
力で時計方向、又は反時計方向へ動かすことがで
きる。

第５図Ａは前掲の第２図Ｂの図表上に上記のば
ねによる反力トルクを追記した図表である。腕１
０の重量による時計方向の回転モーメントはsinθ
の関数となるため、ばね１８による反力のモーメ
ントを、腕１０の回転角全域にわたつて等価とす
ることは困難である。第５図Ｂは上記双方のモー
メントの差を表わした図表である。ばね１８によ
る反力がθに比例するとしても、これと腕１０の
重量によるモーメントの差ΔTは小さい為、腕１
０の位置保持に要するアクチユエータの出力トル
クは小さくて済む。同様にして腕１０が垂直状態
から反時計方向Ｂへ回転した場合は、回転軸１１
は中間回転板２０と一体に回転するため、ばね１
９を撓ませる。このばね１９の反力によるモーメ
ントの大きさを前述のばね１８による場合と同様
に選定すれば腕１０は垂直状態から時計方向、反
時計方向のいずれに回転しても、無重力に近い状
態に出来、位置保持トルクが小さくて済むことに
なる。なお図よりも明らかな様にばね１９が作用
する時は、回転軸１１と中間回転板２０は一体と
なつて回転するため、ばね１８は回転軸１１に対
して反力を及ぼさない。

第６図Ａは、本発明方法を実施するために構成
したロボツトで、前記と異なる一例の正面図、第
６図Ｂは同じく側面図である。図示の構成部分は
ベース部に設けてあり、１１は腕１０に固着した
回転軸である。ねじりコイルバネ３０は回転軸１
１に外嵌してあり、その一端３２は回転軸１１の
フランジ面に配設したピン３４を迂回して固定板
３５に取付けたピン（固定部材）３６に引掛けら
れている。又他のコイル端３３はピン３４，３６
に対してコイル端３２と対称に配置するように
し、ピン３６に引掛けられている。

回転軸１１が時計方向（図中のＡの方向）に回
転するとピン３４も回転する。ねじりコイルばね
３０は一端３２をピン３６に固定され、他端３３
がピン３４と一体で回転するため該ばねのねじり
による反力がピン３４に作用する。これによるモ
ーメントにより前記の実施例と同様の効果を発生
させることができる。

以上の二例のごとく構成したロボツトを用いて
本発明方法を実施すると、その効果は腕を垂直に
直立させた基準の姿勢からプラスマイナス90゜の
範囲に限られるが、通常の関節形ロボツトの上
腕、前腕の可動範囲は上記の角度内であるため、
実用上支障となることはない。

またばねを設置するに際し適度なプリロードを
かけた方が良い場合もあるが、これは、ばね又は
取付場所の工夫により任意に設定できることはい
うまでもない。

また、本発明の方法を実施する場合、腕の回転
運動に対してダンパ効果を持たせたいときは第７
図に示すように、回転軸１１の周囲に密閉したオ
イル室４０を設け、回転軸１１にスイーパ４１を
固着するとともに絞り板４２を適宜に配設すれば
良い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明のアームの自重に
よる負荷トルク軽減方法を適用すると、ロボツト
アームの自重を支承するためのアクチユエータの
出力トルクを軽減することができるので、アクチ
ユエータの小型化、省エネルギー化に貢献すると
ころ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は関節形ロボツトの概要的な機構説明
図、第２図Ａは同じく模型図、第２図Ｂは同じく
保持トルクを示す図表である。第３図は本発明方
法を実施するために構成したロボツトの一例にお
ける部分断面側面図、第４図は同部分断面正面図
である。第５図Ａ，Ｂは本発明の効果を説明する
ための図表である。第６図は本発明を実施するた
めに構成した、上記と異なるロボツトの一例の一
部分を示し、同図Ａは正面図、同図Ｂは側面図で
ある。第７図は本発明の実施に際して併用するダ
ンパの一例を示す断面図である。 １０……ロボツトの腕、１１……腕の回転軸、
１８，１９……圧縮コイルばね、２０……中間回
転板、２１……固定板（固定部材）、３０……ね
じりコイルばね。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 関節形ロボツトのアームと、該アームの基端
   部を水平に支持し、かつ該アームと一体に回動す
   る回動軸と、該回動軸を駆動して前記アームを回
   動させるアクチユエータとを備え、前記アームの
   垂直状態の基準姿勢からの回動に伴い発生するア
   ーム自重による負荷トルクを軽減する方法におい
   て、前記回動軸と該回動軸の外周部分に設けられ
   た固定部材との間に、時計方向と反時計方向とに
   反力トルクを発生するべくばねを装架して該回動
   軸と同軸のばね機構を形成し、該形成したばね機
   構により、前記アームの基準姿勢からの回動方向
   に対して反対方向へ回動させる反力トルクをアー
   ムの基準姿勢からの回動角にほぼ比例して発生さ
   せ、前記回動軸に与える反力トルクと前記アーム
   の自重により前記回動軸に発生するトルクとを拮
   抗させ、前記アームの任意の回動位置を保持可能
   に、前記アクチユエータの負荷トルクを軽減させ
   ることを特徴とするアームの自重による負荷トル
   ク軽減方法。