JPH0716903B2

JPH0716903B2 - 関節型ロボツトの重力バランサ

Info

Publication number: JPH0716903B2
Application number: JP26875785A
Authority: JP
Inventors: 信利鳥居; 滋三稲垣; 保雄内藤
Original assignee: フアナツク株式会社
Priority date: 1985-11-29
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1995-03-01
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: JPS62130192A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、関節型ロボットの重力バランサに関する。

（従来の技術）最近、関節型工業用ロボットが各方面で多用されている
が、第２図はこのような関節型工業用ロボットの一例を
示す斜視図である。

図において、工業用ロボットはロボット基体10を有し、
このロボット基体10は水平ベース12上で矢印“I"で示す
方向に移動可能に取付けられている。なお、14はロボッ
ト基体10の水平ベース12上における移動面を防護する蛇
腹装置である。

このロボット基体10の上方端には、ロボット上腕16の末
尾端がC₁軸沿いに枢着取付けられており、従ってロボッ
ト上腕16は矢印“II"で示す両方向に揺動可能に設けら
れている。また、このロボット上腕16の上端部18には、
ロボット前腕20がC₂軸線に関し矢印“III"で示す両方向
に起伏動可能に設けられている。このロボット前腕20の
上記C₂軸線から前方に延長した前腕主部22の先端24に
は、手首部30が取付けられ、一方、C₂軸線から後方に
も、比較的短い後方延長部26を有している。

手首部30は、手首基部32と、この手首基部32に固着され
た二叉支持部34に保持されている内手首36と、この内手
首36に取付けられたハンド保持部38とから構成されてい
る。手首基部32は前腕主部22に対して“IV"で示す両方
向に旋回可能に形成され、また内手首36は二叉支持部34
に対して矢印“V"で示す方向に揺動自在に形成され、更
にハンド保持部38は矢印“VI"で示す両方向に旋回自由
に形成されている。

上述したロボット基体10、ロボット上腕16、ロボット前
腕20、手首部30にはその諸動作を駆動する駆動源が設け
られている。水平ベース12内に内蔵されて図には現わさ
れていないモータがロボット基体10の矢印“I"方向の駆
動源として、モータM₁がロボット上腕16の矢印“II"方
向の揺動用駆動源として、上腕16の後方に前記モータM₁
と平行に配設されたモータ（図には現われていない）が
ロボット前腕20の矢印“III"方向の起伏動作用駆動源と
してそれぞれ設けられている。勿論、これらの駆動源を
形成する三つのモータとそれぞれの被駆動部分との間に
は、動作伝達機構や方向変換機構、減速機構等の諸機構
が設けられ、被駆動部分の適正な動作制御が行なわれる
ように構成されており、48,50はそれらの機構の一部分
である。

また、モータM₂,M₃,M₄は、手首30における手首基部32、
内手首36、ハンド保持部38の各部を駆動する駆動源であ
り、前腕20の後方延長部26に集合的に設けられている。

40は、モータM₃,M₄の出力軸の回転を伝達する動作伝達
機構又は減速機構が収納される機枠部分であり、また42
はモータM₂の出力軸の回転を伝達する動作伝達機構又は
減速機構が収納される機箱部分である。

また、第３図、第４図は、関節型工業用ロボットの他の
例を示す斜視図と側面図である。

図において、固定ベースａには走行台ｂがＹ軸方向即ち
固定ベースａの長手方向に沿って移動可能に取り付けら
れている。走行台ｂ上にはロボット胴部Ｃが配置されて
おり、ロボット胴部Ｃにはロボット上腕ｄが走行台ｂの
走行面に平行な方向に延びるＷ軸の周りに揺動可能に設
けられている。ロボット上腕ｄにはロボット前腕ｅがＷ
軸と平行なＵ軸の周りに起伏動可能に設けられている。
ロボット上腕ｄには、第１手首基部ｆ、第２手首基部
ｇ、手首先端部ｈよりなる３軸手首装置が取付けられて
いる。

第１手首基部ｆは第２ロボット前腕ｅに対してＵ軸に直
交するβ軸の周りに回動可能に設けられており、第２手
首基部ｇは第１手首基部ｆに対してβ軸に直交するγ軸
の周りに回動可能に設けられている。

また、手首先端部ｈは第２手首基部ｇに対してγ軸に直
交するα軸の周りに回動可能に取り付けられている。ｉ
はロボット前腕の延長部、ｊは第１支持部、ｋは第２支
持部である。

ところで、第２図、第３図に示すような関節型工業用ロ
ボットは、平行４節リンク機構を用いる多関節タイプの
ロボットであり、この平行４節リンク機構部分は第５図
に示すように模式化して表すことができる。第６図は、
第５図の模式図においてロボットに作用するモーメント
力の説明図である。

第５図において、C₁′は第１節と第２節の枢着点で、支
点の位置を示している。C₂′は第１節と第４節との枢着
点、C₃′は第３節と第４節との枢着点、C₄′は第２節と
第３節との枢着点である。また、W₁〜W₄は、第１節〜第
４節に作用する重力で、l₁ｇ〜l₄ｇは各枢着点から重力
作用点までの距離である。

ここで第１節つまりロボット上腕と、第４節つまりロボ
ット前腕の回動角度θ、ψ、および各重力作用点のなす
角度α₁〜α₄を第５図のように定め、各枢着点に作用す
るモーメント力のベクトル方向を第６図のように定める
と、平行４節リンク機構の各節には以下のようなつり合
い方程式が成立する。なお、Ｔ_θ,Tは、それぞれθ
軸、ψ軸に作用するトルクとする。

第１節Ｔ_θ＋W₁l₁g sin（θ＋α₁） −F₁₄ｘl₁ cosθ＋F₁₄ｙl₁ sinθ＝０ …（１）第２節Ｔ＋W₂1₂g cos（ψ＋α₂） −F₂₃ｘl₂ sinψ＋F₂₃ｙl₂ cosψ＝０ …（２）第３節 F₂₃ｘ−F₃₄ｘ＝０ …（３） F₂₃ｙ−F₃₄ｙ−W₃＝０ …（４） W₃l₃g sin（θ＋α₃） −F₃₄ｘl₁ cosψ＋F₃₄ｙl₁ sinθ＝０ …（５）第４節 F₁₄ｘ＋F₃₄ｘ＝０ …（６） F₁₄ｙ＋F₃₄ｙ−W₄＝０ …（７） W₄l₄g cos（ψ＋α₄）＋F₁₄ｘl₂ sinψ−F₁₄ｙl₂ cosψ＝０ …（８）以上のように各節にモーメントが作用することを前提と
し、順次に式を変形してＴ_θ,Tを求めると、それぞれ
次のように表される。

Ｔ_θ＝−（W₁l₁ｇ＋W₃l₃ｇ＋W₄l₁）sinθ …（９）Ｔ＝−｛W₂l₂ｇ＋W₃l₂＋W₄（l₂−l₄ｇ）｝cosψ…（1
0）ただし、変形の過程で説明を簡単にするため、α₁〜α₄
＝０とした。

（発明が解決しようとする問題点）（９），（10）式から明らかなように、θ軸及びψ軸に
作用するトルクは、それぞれロボットの制御角度θ、ψ
の変化により変動するので、関節まわりのバランスを完
全に取ることができず、正確な制御が行ないがたいとい
う問題があった。

そこで本発明は、バランスウエイトを最適位置に取り付
けることにより、関節まわりのバランス取りを容易に行
なうようにしたものである。

（問題点を解決するための手段）本発明は、ロボット基体上に末尾端を揺動可能に取付け
たロボット上腕と、このロボット上腕の上端に起伏動可
能に枢着したロボット前腕と前記ロボット上腕との枢着
点の後方に形成した延長部と、この延長部と平行な第１
の支持部と、前記ロボット上腕と平行な第２の支持部と
により、平行４節リンク機構を構成した関節型ロボット
において、上記第２の支持部を第１の支持部との枢着点
方向から延長し、この延長された第２の支持部の所定位
置に所定重量のバランスウエイトを取付けた関節型ロボ
ットの重力バランサを提供することにより、前記した従
来技術の問題点を解消するものである。

（作用）本発明は、関節型ロボットの平行４節リンク機構の第３
節を所定長さ下方に延長してオーバハングさせ、この位
置にリンク機構各辺の長さとリンク機構の各枢着点から
リンク機構各辺に作用する重力作用点までの長さで一義
的に定まる重量のバランスウエイトを取付けることによ
り、関節まわりのバランスを容易に取ることができる。

（実施例）以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説
明する。第１図は、本発明のモーメント力の説明図であ
る。本発明においては、（９），（10）式で表現される
トルクＴ_θ及びＴを低減させるために、バランスウエ
イトＷの設置位置を次のように定めている。

即ち、枢着点Ｃ′₄から、第３節の距離lwだけオーバハ
ングした位置に重量がＷのバランスウエイトを設置す
る。このとき、θ軸及びψ軸のトルクＴ_θ及びＴは次
のように表わされる。

Ｔ_θ＝−（W₁l₁ｇ＋W₃l₃ｇ−Wlw＋W₄l₁）sinθ…（11）Ｔ＝−｛W₂l₂ｇ＋W₃＋Ｗ）l₂＋W₄（l₂−l₄ｇ）｝cos
ψ …（12）従って、ロボットの制御角θ，ψにかかわらず、Ｔ_θ,T
をそれぞれ０とするような重力バランサの位置と重量
を決定するためには、 W₁l₁ｇ＋W₃l₃ｇ−Wlw＋W₄l₁＝０ …（13） W₂l₂ｇ＋（W₃＋Ｗ）l₂＋W₄（l₂−l₄ｇ）＝０ …（14）を解けばよい。

（14）式より、 Wl₂＝−W₂l₂ｇ−W₃l₂−W₄（l₂−l₄ｇ） …（15）従って、Ｗ＝W₄｛（l₄g/l₂）−１｝−W₃−W₂（l₂g/l₂）…（16）また、（13）式より、 lw＝（W₁l₁ｇ＋W₃l₃ｇ＋W₄l₁）/W …（17）が得られる。従って（16），（17）式より、lwは、 lw＝（W₁l₁ｇ＋W₃l₃ｇ＋W₄l₁）／［W₄｛（l₄g/l₂）−
１｝−W₃−W₂（l₂g/l₂）］ …（18）と表わされる。

即ち、（16），（18）式は、バランスウエイトＷの重量
及び設置位置lwがリンク部各辺の長さ及び各枢着点から
重力作用点までの長さと、リンク部各辺に作用する重力
により一義的に求められることを示している。このと
き、Ｔ_θ＝Ｔ＝０となり、関節まわりのバランスが完全に取れる。

なお、上記実施例では、各アームに作用する重力を考慮
してバランスウエイトの重量と設置位置を求めたが、ロ
ボットの取扱うワークやガン等の負荷を取付けた状態で
完全バランスが得られるようにバランスウエイトの重量
と取付位置を求めることも可能である。この場合に、ワ
ークやガンの重量に応じてバランスウエイトの重量と取
付位置を調整するように構成する。

さらに、ロボットの機構上の制約や設計上の制約によ
り、結果的に完全バランスが得られない場合にも、本発
明を適用して、完全バランスが得られるように構成する
ことができる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば平行４節リンク機
構を構成した関節型ロボットにおいて、リンク部の各辺
の長さ及びリンク部の各枢着点から各リンク部の重力作
用点までの長さと、各リンク部に作用する重力を用いて
バランスウエイトの重量と取付位置を一義的に求め、関
節まわりのバランスを容易にとることができるので、ロ
ボットの制御角度の変化にかかわらず正確な制御が行な
える関節型ロボットの重力バランサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の重力バランサを用いたモーメント力
を示す説明図、第２図、第３図は、関節型ロボットを示
す斜視図、第４図は、第３図のロボットの側面図、第５
図、第６図は、本発明の原理を模式的に示す説明図であ
る。ａ…固定ベース、ｂ…走行台、ｃ…ロボット胴部、ｄ…
ロボット上腕、ｅ…ロボット前腕、ｆ…第１手首基部、
ｇ…第２手首基部、ｈ…手首先端部、ｉ…延長部、ｊ…
第１支持部、ｋ…第２支持部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボット基体上に末尾端を揺動可能に取付
けたロボット上腕と、このロボット上腕の上端に起伏動
可能に枢着したロボット前腕と前記ロボット上腕との枢
着点の後方に形成した延長部と、この延長部と平行な第
１の支持部と、前記ロボット上腕と平行な第２の支持部
とにより、平行４節リンク機構を構成した関節型ロボッ
トにおいて、上記第２の支持部を第１の支持部との枢着
点方向から延長し、この延長された第２の支持部の所定
位置に所定重量のバランスウエイトを取付けたことを特
徴とする関節型ロボットの重力バランサ。
【請求項２】前記バランスウエイトの重量と位置とを、
上記平行４節リンク機構を構成する各辺の長さ及び平行
リンク各辺の枢着点から各リンク部の重力作用点までの
長さと、リンク各辺に作用する重力により選定すること
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の関節型
ロボットの重力バランサ。