JPH0890484A - 永久磁石型バランサを備えた産業用ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きなバランスモーメントを発生でき、低コ
ストのバランサを備えた産業用ロボットを得ることにあ
る。 【構成】 ロボット機体７、９上に取付けられてロボッ
トアーム等の駆動モータ８に掛かる負荷モーメントを減
殺、平衡化させるバランサ３０として、ロボットアーム
９の回動角に従って発生する平衡力を永久磁石３４、４
０の磁力をバランサ力にしてバランスモーメントＭ２を
発生する永久磁石型バランサ３０を備えた産業用ロボッ
トを構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボットのバラ
ンサに関し、特に、産業用ロボットにおける可動要素の
ロボット運動に従ってその駆動モータに負荷される負荷
モーメントを平衡、減殺する平衡モーメントを永久磁石
の磁力を利用して発生するバランサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボット、特に、垂直多関節型ロ
ボットは、ロボット基部上に直立したロボット胴からロ
ボットアームが上腕側アームと前腕側アームとなって延
び、その前腕側のロボットアームの基端が上腕側のロボ
ットアームの前端に関節を介して接続した構成を有して
いる。また、ロボット前腕側の先端には手首が設けられ
ており、この手首にロボットハンド等のエンドエフェク
タが着脱自在に取付けられ、例えば、ロボットハンドが
ワークを把持して搬送したり、ワークの組み立て作業を
遂行する等の構成を有している。

【０００３】上述した垂直多関節型ロボットでは、上腕
側ロボットアームは、ロボット胴の上方域に取付られた
駆動モータによってアーム基部の関節軸心周りに回動さ
れ、前腕側のロボットアームは上腕側のロボットアーム
の上端に取付けられた駆動モータによって関節軸心周り
に回動される構成を有している。従って、特に、上腕側
のロボットアームを回動させる駆動モータには上腕側の
ロボットアームを含めた全アーム、ロボット手首、エン
ドエフェクタ等の全ての要素類の重量が負荷として作用
し、加えてエンドエフェクタを介してワークを保持した
場合等ではワーク重量も負荷として作用する。この結
果、これらの重量は上腕側ロボットアームの姿勢に応じ
て可変する負荷モーメントとなって上腕側ロボットアー
ムの駆動モータに作用するので、一般的にロボット胴の
上端と上腕側ロボットアームとの間にバランサを配設
し、上記負荷モーメントを減殺するための平衡モーメン
トを発生させ、上腕側ロボットアームの駆動モータに掛
かる負荷の低減を図るようにしている。

【０００４】図５、図６は、従来のバランサを備えた垂
直多関節型ロボットの上腕側ロボットアームを中心とし
た周囲構造を図示し、バランサ１２は、その一端１２ａ
がロボット胴７の上端部７ａに止着され、他端１２ｂが
上腕側ロボットアーム９の適所に止着されて設けられて
いる。このとき、上腕側ロボットアーム９の回動を生起
する駆動モータ８はロボット胴７の関節７ｂに取付けら
れ、また、上腕側ロボットアーム９の先端に設けられた
関節１０を介して前腕側ロボットアーム１１が該関節１
０の軸心周りに回動可能に設けられている。

【０００５】いま、上腕側ロボットアーム９が垂直姿勢
にある図５の状態では、駆動モータ８に関する重力に基
づく負荷モーメントは関節７ｂの軸心から重力作用点ま
でのモーメント腕長さは零であることから、同負荷モー
メントも零である。然しながら、上腕側ロボットアーム
９が関節７ｂの軸心を中心にして図６に示すように角度
θに渡って回動した状態ては、該上腕側ロボットアーム
９の前端に集約的に作用する重力負荷をｍｇとし、両関
節７ｂ、１０の軸心間の固定距離を（Ｌ１）とすると、
駆動モータ８に作用する負荷モーメント（Ｍ１）は、 Ｍ１＝Ｌ１×ｍｇ×ｓｉｎθ ・・・（１）となる。

【０００６】従って、バランサ１２は、上記負荷モーメ
ント（Ｍ１）を減殺するように、一端１２ｂに平衡力Ｆ
を作用させると、その平衡力Ｆによって関節７ｂの軸心
周りに発生する平衡モーメント（Ｍ２）は、同バランサ
９の止着点１２ｂと関節７ｂとの間の固定距離をＬ２、
またバランサ９の姿勢角をαとすると、下記（２）式と
なる。

【０００７】 Ｍ２＝Ｌ２×Ｆ×ｃｏｓα ・・・（２） 従って、Ｍ１＝Ｍ２となるように平衡力Ｆを発生させれ
ば、駆動モータ８に掛かる負荷モーメントＭ１を減殺す
ることができる。然しながら、従来のバランサ１２は図
３、図４に示すように、中空筒体状のばね容器１４内に
円板状の頭部１５を有した直動杆１６を有し、円筒コイ
ルばね１７をばね容器１４内部に収納した構造を有して
いる。そして、ばね容器１４の一端を既述のバランサ端
部１２ａとし、直動杆１６の一端を既述のバランサ端部
１２ｂとしてロボット胴７と上腕側ロボットアーム９と
の間に配設していた。

【０００８】このような、円筒コイルばね１７を利用し
たバランサ１２では、図４に示すように、上腕側ロボッ
トアーム９の回動に従って直動杆１６がばね容器１４に
対して直動変位し、円筒コイルばね１７を圧縮すること
により、圧縮量（長さ）に対応して増減する平衡力Ｆを
発生する。故に、このようなばね圧縮に伴う平衡力Ｆを
利用して上記の（２）式における負荷モーメントの減殺
用モーメントＭ２を得るようにしていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、円筒コ
イルばね１７を用いると、比較的大きな平衡力Ｆを発生
することが可能であるが、近年、ロボットが先端のロボ
ットハンド等で把持するワーク重量の増大要請を始めと
する可搬重量の増加や、垂直多関節型ロボットがロボッ
ト動作する三次元空間内における可動範囲の拡大に伴っ
て、上腕側ロボットアーム９の駆動モータ８に掛かる負
荷モーメントは益々増大するこから、必然的にバランサ
１２による減殺、平衡モーメントの増大させることが要
請される。

【００１０】然しながら、円筒コイルばね１７を利用し
たバランサ１２では、平衡力Ｆを増加させるためには、
同円筒コイルばね１７の強化が必要となり、該ばね１７
のばね発生力の強化は必然的にコイル形成材の径の増加
やコイル径の増大が必要となる。つまり、ばねを強化し
ようとすると、ばね変位量が同じとき、同ばね材料で内
部に発生する応力量（ｋｘ：ｋばね定数、ｘ変位）を増
加するためには、ばね素材の径、コイル径等を大きくし
なければならないのである。

【００１１】このように、円筒コイルばね１７のサイズ
増加を行うと、バランサ１２の大きさ、重量も増加し、
結果的に上腕側ロボットアーム９と一体となってバラン
サ１２は関節７ｂの周りに回動することから、駆動モー
タ８に対する負荷モーメントＭ１が増加することにな
り、不都合であると言う問題点を有している。加えて、
円筒コイルばね１７を利用する構成では、ばね圧縮時や
引っ張り時にばね軸線に沿うばね力の発生に加えてしば
しば軸周りのねじれ力も発生する。このようなねじれ力
は、従来、バランサ１２の両端１２ａ、１２ｂに軸受を
設けて受承する構成をとっていたが、これでは、軸受部
の構造が複雑化し、ひいては、バランサ１２のコスト増
を招く不利もあった。

【００１２】他方、シリンダ装置を利用したバランサも
既に提供されているが、シリンダ装置は高価であること
から、ロボットのバランサのコスト増によりロボット自
体のコスト増加をもたらす不利がある。依って、本発明
の目的は、上述した問題点に鑑みて、産業用ロボット、
特に、垂直多関節型ロボットによって取扱い処理可能な
負荷々重の増加要請に応じてロボット機体上に比較的コ
ンパクトな形態で設けることが可能な負荷モーメントの
減殺、平衡用のバランサを提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、低コストで実現可能
であると同時にロボットの可搬重量や可動範囲の拡大に
応じて比較的小型ながら大きなバランスモーメントを発
揮することが可能なバランサを備えた産業用ロボットを
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の発明の目的に鑑
み、本発明は、ロボット機体上に取付けられて、主とし
てロボットアームの基端側のアーム駆動モータに掛かる
負荷モーメントを減殺、平衡化させるバランサとして、
ロボットアームの回動角に従って発生する平衡力を永久
磁石の磁力、特に、斥力を利用し、バランスモーメント
を発生するバランスを備えた産業用ロボットを提供せん
とするものである。

【００１５】本発明によれば、駆動モータによる被駆動
要素のロボット運動に従って増減する負荷モーメントを
減殺する平衡モーメントを発生するためのバランサを備
えた産業用ロボットにおいて、上記バランサは前記被駆
動要素に止着される共に永久磁石を保持した第１の磁石
保持器と、上記駆動モータの取付部に止着されると共に
前記第１の磁石保持器の永久磁石に対向する永久磁石を
保持した第２の磁石保持器とを備え、上記被駆動要素の
ロボット運動に対応した該第１、第２磁石保持器の接
近、離反に従って永久磁石の磁力増減を誘起し、上記負
荷モーメントの減殺用モーメントを発生するようにした
構成を具備した永久磁石型バランサを備えた産業用ロボ
ットを提供するものである。

【００１６】なお、第１の磁石保持器は杆状要素の一端
に円板状の頭部を有すると同時に他端に被駆動要素への
止着端を有し、該頭部に円板状の永久磁石片を固定的に
保持した構造を有し、また、上記第２の磁石保持器は、
中空円筒状の容器要素に形成された外端に上記駆動モー
タの取付部への止着端を有し、該容器内には第１磁石保
持器の永久磁石との間で磁気斥力を発生し得るように永
久磁石を固定的に保持した構造を有し、第１の杆状磁石
保持器は、第２の円筒状磁石保持器内で直動可能に挿設
された構成を有する永久磁石型バランスとすることが好
ましい。

【００１７】

【作用】上述の構成を有した永久磁石型バランスによる
と、産業用ロボットのロボット機体における被駆動要
素、例えば、上腕側ロボットアームがロボット胴に対し
て回動し、負荷モーメント発生位置へ変位すると、バラ
ンサにおける第１の杆状磁石保持器が第２の中空円筒状
磁石保持器内部で直動し、両保持器内の永久磁石が接近
することにより漸増する磁力（磁気斥力）を発生して上
記負荷モーメントを減殺する平衡モーメントを発生する
ものである。

【００１８】このとき、第１、第２の磁石保持器に保持
された永久磁石の磁力は、ロボット機体側で発生する負
荷モーメントの変動範囲内における最大負荷モーメント
に見合った減殺モーメントを発生させ得るように、予め
永久磁石に対する着磁レベルを調整して着磁を行えば、
永久磁石要素のサイズが同じでも大きな磁力を発生させ
ることが可能である。故に、永久磁石型バランサは、そ
れが発生する負荷モーメント減殺用のモーメントの増減
を永久磁石の着磁量の増減して調節することができ、従
ってバランサが大型化することがないと言う有利を備え
ている。

【００１９】

【実施例】以下、産業用ロボット、特に、垂直多関節型
ロボットの機体上に取付けて負荷モーメントのバランス
を行う本発明の実施例に係る永久磁石型バランサを添付
図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例に係
る永久磁石型バランサの内部構造を示す断面図であり、
図２は、同バランサが負荷モーメントの減殺用モーメン
トを発生するために変位した状態を示す断面図である。

【００２０】図１、図２において、永久磁石型バランサ
３０は、中空円筒状の有底容器形状を有した磁石保持器
３２を備え、この磁石保持器３２はその底部外側に突出
させた耳端３２ａをロボット機体への止着端として有
し、該磁石容器３２の開口端側に円板形状の永久磁石片
３４を保持している。ここで、同永久磁石片３４は、中
央に貫通孔３４ａを備え、磁石保持器３２の開口と併せ
て容器内部に連通した構造を有している。

【００２１】バランサ３０は、更に上記の磁石保持器３
２内に直動自在に挿設された杆状要素３６を備え、この
杆状要素３６は磁石保持器３２の内底部側に円板形状を
有した頭部３８を備え、この頭部３８により、円板形状
の永久磁石４０を固定、保持している。このとき、上述
した円筒状の磁石保持器３２によって保持された永久磁
石３４と上記杆状要素３６の頭部３８により保持された
永久磁石４０は、両者が互いに接近する場合に漸増する
磁気斥力Ｆを発生するように互いに同極を対向させた配
置で設けられている。

【００２２】上記杆状要素３６の外端３６ａは、ロボッ
ト機体への止着端として形成されており、従って、本実
施例に係るバランサ３０も既述した図５、図６に示した
従来のバランサ１２と同様に、例えば、垂直多関節型ロ
ボットのロボット胴部７の一端７ａに止着端３２ａを止
着し、上腕側ロボットアーム９の適所に止着端３６ａを
止着して取付けることにより、駆動モータ８に対する負
荷モーメントを減殺するバランスモーメントを発生する
ことができる。

【００２３】つまり、上腕側ロボットアーム９が関節７
ｂの周りに回動すると、バランサ３０における杆状要素
３６が図２に示すように、円筒状磁石容器３２の内底部
側から開口側へ直動変位する。この結果、両保持器３
２、３６が保持した永久磁石片３４、４０が接近し、磁
気斥力を増加させ、故に、既述した（２）式に従ってバ
ランスモーメントを増加、発生させる。

【００２４】勿論、永久磁石３４、４０として十分に強
力な磁石を着磁、使用すれば、小型で強力なバランス力
を発生させることができる。更に、円筒コイルばねを圧
縮する従来のバランスと対比すると、ばねの長さに比較
して永久磁石片３４、４０の直動方向の厚さを小さくし
ても大きな磁力による大きなバランス力を発生できるの
で、杆状要素３６の直動ストロークが大きいバランサを
構成することが可能となる。このことは、ロボットの可
動範囲が増加したときに、負荷モーメントの減殺用モー
メントとして大きなバランスモーメントを発生する上で
有効となる。

【００２５】しかも、永久磁石片３４、４０の間で作用
する磁気斥力は、杆状要素３６の軸方向に作用する力成
分だけであることから、円筒コイルばねを利用した場合
のように、ねじれ力の発生を補償する軸受の配置が不要
になる。この結果、バランサ３０の両端の止着端３２
ａ、２６ａの構造を簡単でき、ひいては、コスト低減に
寄与する結果となる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ロボット機体上に取付けられて、主としてロ
ボットアームの基端側のアーム駆動モータに掛かる負荷
モーメントを減殺、平衡化させるバランサとして、ロボ
ットアームの回動角に従って発生する平衡力を永久磁石
の磁力を利用し、バランスモーメントを発生するバラン
スを備えた産業用ロボットが提供されるので、従来の円
筒コイルばねを利用したバランサを用いる産業用ロボッ
トと対比してバランサの大型化を回避しながら、しかも
ロボットの可搬重量の増加、ロボット可動範囲の拡大に
応じてバランスモーメントの増大を図ることが可能とな
る。

【００２７】この結果、ロボット機体上の駆動モータに
対する負荷を軽減させることができので、ロボットの可
搬重量を増加させ得ると同時にロボット運動の高速化を
促進することが可能になる。しかも、バランサの構造
が、上述した構成の説明から自明のように、部品点数の
低減、構造のより一層の簡単化とを実現しているので、
製造コストの低減を図りつつ、作用信頼性の向上を得る
こともできるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る永久磁石型バランサの内
部構造を示す断面図である。

【図２】同バランサが負荷モーメントの減殺用モーメン
トを発生するために変位した状態を示す断面図である。

【図３】従来の円筒コイルばねを用いたバランサの内部
構造を示す断面図である。

【図４】同従来のバランサが負荷モーメントの減殺用モ
ーメントを発生するために変位した状態を示す断面図で
ある。

【図５】垂直多関節型ロボットのロボット胴部、ロボッ
トアーム部の構成とバランサの配置とを示した部分正面
図である。

【図６】同ロボットの上腕側ロボットアームの回動によ
りバランサが作動している状態を図示する部分正面図で
ある。

【符号の説明】

７…ロボット胴 ７ｂ…関節 ８…駆動モータ ９…上腕側ロボットアーム １０…関節 １１…前腕側ロボットアーム ３０…永久磁石型バランサ ３２…磁石保持器 ３４…永久磁石片 ３２ａ…止着端 ３６…杆状要素 ３６ａ…止着端 ３８…頭部 ４０…永久磁石４０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動モータによる被駆動要素のロボット
   運動に従って増減する負荷モーメントを減殺する平衡モ
   ーメントを発生するためのバランサを備えた産業用ロボ
   ットにおいて、前記バランサは、 前記被駆動要素に止着される共に永久磁石を保持した第
   １の磁石保持器と、 前記駆動モータの取付部に止着されると共に前記第１の
   磁石保持器の永久磁石に対向する永久磁石を保持した第
   ２の磁石保持器と、を備え、前記被駆動要素のロボット
   運動に対応した該第１、第２磁石保持器の接近、離反に
   従って永久磁石の磁力増減を誘起し、前記負荷モーメン
   トの減殺用モーメントを発生するようにした構成を具備
   することを特徴とする永久磁石型バランサを備えた産業
   用ロボット。