JPH10138189A

JPH10138189A - ロボット用バランサ

Info

Publication number: JPH10138189A
Application number: JP30424996A
Authority: JP
Inventors: Akira Nihei; 亮二瓶; Takeshi Okada; 毅岡田; Hiroshi Uchida; 博内田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】気体漏出による性能低下を防止したロボット
用バランサ。【解決手段】ベース１上で旋回アーム３を駆動する垂
直回転軸２の荷重モーメントを軽減するために設けられ
たバランサは、シリンダ４、ロッド５及びピストン６を
備え、ロッド５の基端部７はベース１に枢軸支持され、
シリンダ４の先端部８は旋回アーム３で枢軸支持されて
いる。シリンダ４には連通部１１を介して気体圧縮チャ
ンバ１０が併設され、エア等の気体（圧縮性流体）の他
にオイル等の粘性液体Ｌが封入される。（ａ）→（ｂ）
のロボット姿勢変化に伴い、ピストン６がシリンダ４の
基部近くまで移動し、オイル等の粘性液体Ｌが気体圧縮
チャンバ１０内へ流入し、気体圧縮部１０ａの圧力を高
める。この圧力は粘性液体Ｌを介してピストン６を押戻
すバランス力に転化され、垂直回転軸２にかかる荷重モ
ーメントを軽減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は産業用ロボットに装
備されるバランサに関し、更に詳しく言えば、流体圧シ
リンダ利用型のロボット用バランサの性能を向上させる
ための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】エア等の気体をバランス力を発生させる
ための圧縮性流体として用いたバランサは、産業用ロボ
ットの垂直回転軸にかかる負荷を軽減する手段として広
く使用されている。図１（ａ），（ｂ）は、この型のロ
ボット用バランサの一般的構造と機能を説明する図であ
る。両図において、符号１は垂直回転軸２を設置したベ
ースを表わしており、サーボモータを内蔵した垂直回転
軸２が旋回アーム３を旋回駆動する。（ａ）では旋回ア
ーム３を鉛直上方に向けたロボット姿勢におけるバラン
サの状態が示され、（ｂ）では旋回アーム３を側方へ旋
回させたロボット姿勢におけるバランサの状態が示され
ている。

【０００３】垂直回転軸２にかかる荷重負荷を軽減する
ためのバランサは、シリンダ４、シリンダ４に挿嵌され
たロッド５及びピストン６を備えており、ロッド５の基
端部７はベース１に枢軸支持され、シリンダ４の先端部
８は旋回アーム３で枢軸支持されている。基端部７の枢
軸支持位置は、垂直回転軸２の位置から適当な距離だけ
はずれた位置にある。また、図１（ｂ）中に符号Ａ，Ｂ
で示したロッド５及びピストン６の摺動部は、例えばＯ
−リング等のシール機構（図示省略）によってシールさ
れている。

【０００４】従って、エア等の気体を充填したシリンダ
４の空洞９は互いに気密が保たれた２つの空洞領域９
ａ，９ｂに分割され、空洞領域９ａ，９ｂ間には、ピス
トン６の摺動位置に応じて圧力差が形成される。空洞領
域９ａ，９ｂの圧力が等しくなる摺動位置は中立位置と
呼ばれる。

【０００５】今、ロボットが（ａ）に示した姿勢から
（ｂ）に示した姿勢へ移行する場合を考えてみると、
（ａ）の状態ではピストン６はシリンダ４の先端近くに
あり、旋回アーム３の側方への旋回に応じてピストン６
はシリンダ４の基部側へ移動し、（ｂ）の状態ではピス
トン６はシリンダ４の基部近くに移動する。即ち、
（ａ）→（ｂ）の姿勢変化に伴い、空洞領域９ａの体積
は増大し圧力は減少する一方、空洞領域９ｂの体積は減
少し圧力は増大する。即ち、空洞領域９ｂが気体圧縮部
を形成する。

【０００６】従って、ピストンの中立位置をシリンダ４
の先端寄り、例えば（ａ）に示した位置、となるように
気体シリンダ機構を設計しておけば、旋回アーム３の側
方旋回時に気体圧縮部９ｂの圧力によって、旋回アーム
３の側方旋回に抗する力（トルク）が発生する。即ち、
旋回アーム３の重量及び旋回アーム３よりも手先側に支
持されている旋回アーム、エンドエフェクタ等（図示は
省略）の質量に対して作用する重力（鉛直下方）に由来
する荷重トルクとは逆向きに作用するバランス力が生成
される。

【０００７】そして、旋回アーム３が大きく側方旋回す
るとピストン６がシリンダ４の基部側へ移動すると、バ
ランサが生成するバランス力も増大する。その結果、ロ
ボットが（ｂ）のような姿勢をとっても、垂直回転軸２
を駆動するサーボモータに過大な荷重トルクがかかるこ
とが回避される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記説明した
従来構造のロボット用バランサには、長期使用の間に気
体漏出によるバランス力生成能力の低下という欠点があ
り、実際にロボットに適用する際の難点となっていた。
即ち、摺動部Ａ，ＢをＯ−リング等のシール機構によっ
てシールしても、粘性に乏しく流動性が高い気体の漏出
を良好に防止することは非常に難しいのが現実である。
特に、大きなバランス力を発生する（ｂ）のような姿勢
では空洞領域９ｂが圧縮されて高圧となるため、相当の
気体漏出が避けられない。そのため、空洞領域９ｂの圧
縮時の圧力が徐々に低下し、十分なバランス力を生成出
来なくなる。

【０００９】このような漏出による機能低下を補うため
にアキュムレータを併用する方法もあるが、機能低下の
速度を緩和させる程度の効果かしか期待出来ず、定期的
な気体補充の必要性をなくすことは出来ない。また、ロ
ボットとは別に高圧ボンベなどの気体補充源を併置し、
絶えず気体を補充しながらバランサを稼働させる方法も
あるが、コストや気体補充源の設置スペース、エネルギ
効率などの面から見て有利ではない。

【００１０】そこで本発明の目的は、流体圧シリンダ機
構を利用した型のロボット用バランサにおける気体漏出
による機能低下の問題を解決し、アキュムレータや高圧
ボンベなど外部気体補充源を用いなくとも長期稼働が可
能なロボット用バランサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、流体圧シリン
ダ機構を利用してバランス力を生成するロボット用バラ
ンサにおいて、流体圧シリンダ機構の構造を改良するこ
とによって上記課題を解決する。本発明のロボット用バ
ランサの流体圧シリンダ機構は、従来より使用されてい
たシリンダに加え、連通部を介してシリンダと連通した
気体圧縮チャンバを有する。そして、これら互いに連通
したシリンダと気体圧縮チャンバ内に気体並びに粘性液
体を収容する。

【００１２】バランサが装備された旋回アームの旋回運
動によって、ピストンが粘性液体を連通部を通してシリ
ンダから気体圧縮チャンバ内へ流入させるように移動す
ると、気体圧縮チャンバ内に収容された気体が圧縮さ
れ、それによって生じた圧力が粘性液体を介してピスト
ンに伝えられ、旋回アームの旋回運動に抗するバランス
力が生成される。

【００１３】典型的な態様においては、旋回アームの旋
回運動をピストンの移動に変換するために、シリンダの
先端部は旋回アームに枢軸支持され、ピストンには旋回
アームを設置したベースに枢軸支持された基端部を有す
るロッド部材が結合される。互いに連通したシリンダと
気体圧縮チャンバ内に収容される気体は例えばエアであ
り、粘性液体は例えばオイルである。

【００１４】流体圧シリンダ機構は、ピストンやピスト
ンに結合されたロッド部材の摺動部を必然的に持つが、
本発明の構造によれば、バランス力の源となる気体圧縮
部がピストンやロッド部材の存在するシリンダとは別の
気体圧縮チャンバ内に形成されるので、摺動部における
気体漏出が起こり得ず、従ってそれに起因したバランス
力生成能力の低下も回避される。そして、粘性液体は気
体に比べてはるかに高粘性を有するから、摺動部におけ
るの漏出はあっても極くわずかである。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２（ａ），（ｂ）は、図１
（ａ），（ｂ）と同様の形式で本発明の実施形態に係る
ロボット用バランサの構造と機能を説明する図であり、
図１（ａ），（ｂ）と共通性のある要素については同じ
符号を参照記号として用いた。本実施形態におけるバラ
ンサの装備対象は、図１（ａ），（ｂ）に示したものと
同じである。即ち、本実施形態におけるバランサは、ベ
ース１上に設置されて旋回アーム３を旋回駆動する垂直
回転軸２にかかる荷重モーメントを軽減するために装備
されている。

【００１６】図１（ａ），（ｂ）の場合と同様、図２
（ａ）は旋回アーム３を鉛直上方に向けたロボット姿勢
におけるバランサの状態を表わし、図２（ｂ）は旋回ア
ーム３を側方へ旋回させたロボット姿勢におけるバラン
サの状態を表わしている。垂直回転軸２に対して装備さ
れたバランサが、シリンダ４、シリンダ４に挿嵌された
ロッド５及びピストン６を備え、ロッド５の基端部７が
ベース１に枢軸支持され、シリンダ４の先端部８は旋回
アーム３で枢軸支持されているという点については、本
実施形態は図１に示した従来のバランサと共通した構成
を有している。

【００１７】しかし、図２（ａ），（ｂ）に描かれてい
るように、本実施形態のバランサは従来装置とは異な
り、シリンダ４に併設された気体圧縮チャンバ１０を備
えている。この気体圧縮チャンバ１０は、ホース等から
なる連通部１１を介してシリンダ４と連通関係を保つ。
そして、これら要素で形成される密封空間内には、エア
等の気体（圧縮性流体）の他にオイル等の粘性液体Ｌが
封入される。

【００１８】封入された粘性液体Ｌは、シリンダ４から
分離した気体圧縮部１０ａを気体圧縮部１０内に形成す
る。即ち、従来構造（図１参照）において気体圧縮部を
形成していたシリンダ４内の空洞領域９ｂを粘性液体Ｌ
で満たし、更に空洞領域９ｂに収容し切れない余剰の粘
性液体Ｌを連通部１１を通して気体圧縮室１０で収容す
ることにより、圧縮時にバランス力を生成する源となる
気体圧縮部１０ａをシリンダ４の外部に移すおとが出来
る。

【００１９】この構成によって気体圧縮部１０ａが摺動
部Ａ，Ｂとは孤立するから、摺動部Ａ，Ｂから気体が漏
れる恐れは皆無となる。摺動部Ａ，Ｂにはオイル等の粘
性液体Ｌが接触するが、エア等の気体に比べてはるかに
粘性が高いので、通常のシール機構によって漏出をほぼ
完全に遮断することが出来る。

【００２０】ロボット５の摺動部Ａについて採用可能な
シール機構の例を断面図で図３に示した。同図から明ら
かなように、摺動部Ａにおいてロッド５がシリンダ底壁
４ａを貫通する貫通孔上端付近にリング状に形成された
空所９ｃにシール部材（パッキング）Ｓが設けられる。
空所９ｃには、空洞領域９ｂを満たしているオイル等の
粘性液体Ｌが侵入するが、シール部材（パッキング）Ｓ
によって外部への漏出は阻止される。ピストン６の摺動
部Ｂについても、同様のシール機構が設けられ、空洞領
域９ｂから空洞領域９ａへ粘性液体Ｌが漏出することが
阻止される。

【００２１】このような構成を有する本実施形態のバラ
ンサを装備したロボットが、図２（ａ）に示した姿勢か
ら図２（ｂ）に示した姿勢へ移行する場合、ピストン６
はシリンダ４内を図１に示したバランサと同様の態様で
移動する。

【００２２】即ち、（ａ）の姿勢ではピストン６の位置
はシリンダ４の先端近くにあるが、旋回アーム３が側方
へ旋回するに従ってピストン６はシリンダ４の基部側へ
移動し、（ｂ）の状態ではピストン６はシリンダ４の基
部近くに移動する。この過程で空洞領域９ａの容積が減
少し、余剰の粘性液体Ｌが連通部１１を通って気体圧縮
チャンバ１０内へ流入する。

【００２３】オイル等の粘性液体Ｌは非圧縮性であるか
ら、気体圧縮チャンバ１０内において粘性液体Ｌが占拠
する領域１０ｂの容積が増大し、エア等の気体が占拠す
る領域１０ａ（気体圧縮部）の容積は減少する。その結
果、領域１０ａ（気体圧縮部）の気体圧力が上昇し、そ
の圧力は粘性液体Ｌを介してピストン６に伝えられ、バ
ランス力に転化される。

【００２４】従来構造の場合と同様に、ピストンの中立
位置をシリンダ４の先端寄り、例えば（ａ）に示した位
置となるように、気体−液体シリンダ機構の各領域の気
体−液体の充填量を設計しておけば、旋回アーム３の側
方旋回時に気体圧縮部１０ａの圧力によって、旋回アー
ム３の側方旋回に抗する大きなバランス力（トルク）を
生み出すことが出来る。このようなメカニズムによっ
て、ロボットが（ｂ）のような姿勢をとっても、垂直回
転軸２を駆動するサーボモータに過大な荷重トルクがか
かることが回避される。

【００２５】バランサが大きなバランス力が生成する状
態では、言うまでもなく粘性液体Ｌの圧力も高まってい
る。従って、ロッド５の摺動部Ａやピストン６の摺動部
Ｂでは、粘性液体Ｌを漏出させようとする力が働くが、
上述したように、オイル等の粘性液体はエア等の気体に
比べてはるかに大きな粘性を有しているため、無視出来
る程度にとどめることは難かしくない。

【００２６】以上説明した特徴から、本発明のロボット
用バランサは、例えばアーク溶接ロボットのように、大
きな負荷重量を担うようなロボットに装備して、長期間
に亙って顕著な負荷軽減効果を発揮することが理解され
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、アキュムレータや高圧
ボンベなど外部気体補充源を用いなくとも長期間に亙っ
てバランス力生成能力が低下しない、低コストで使用し
易い簡素な構成のロボット用バランサが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】流体圧シリンダ機構を利用した従来型のロボッ
ト用バランサの一般的構造と機能を説明する図で、
（ａ）は旋回アームを鉛直上方に向けたロボット姿勢に
おけるバランサの状態を表わし、（ｂ）は旋回アームを
側方へ旋回させたロボット姿勢におけるバランサの状態
を表わしている。

【図２】本発明の一つの実施形態に係るロボット用バラ
ンサの構造と機能を説明する図で、（ａ）は旋回アーム
を鉛直上方に向けたロボット姿勢におけるバランサの状
態を表わし、（ｂ）は旋回アームを側方へ旋回させたロ
ボット姿勢におけるバランサの状態を表わしている。

【図３】図２（ｂ）中に示した摺動部Ａについて、採用
可能なシール機構の例を説明する断面図である。

【符号の説明】

１ベース２垂直回転軸３旋回アーム４シリンダ４ａシリンダ底壁５ロッド６ピストン７ロッド５の基端部８シリンダ４の先端部９空洞９ａ，９ｂ空洞領域９ｃ空所１０気体圧縮チャンバ１０ａ気体圧縮部１０ｂ粘性液体Ｌの占拠領域１１連通部Ａ，Ｂ摺動部Ｌ粘性液体Ｓシール部材（パッキング）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体圧シリンダ機構を利用してバランス
力を生成するロボット用バランサであって、前記流体圧シリンダ機構は、シリンダと、該シリンダ内
に往復移動可能に設けられたピストンと、連通部を介し
て前記シリンダと連通した気体圧縮チャンバを有し、前記互いに連通した前記シリンダと前記気体圧縮チャン
バ内に気体並びに粘性液体を収容し、前記バランサが装備された旋回アームの旋回運動によっ
て、前記ピストンが前記粘性液体を前記連通部を通して
前記シリンダから前記気体圧縮チャンバ内へ流入させる
ように移動した際に、前記気体圧縮チャンバ内に収容さ
れた前記気体が圧縮され、それによって生じた圧力が前
記粘性液体を介して前記ピストンに伝えられ、前記旋回
アームの旋回運動に抗するバランス力が生成される、前
記ロボット用バランサ。
【請求項２】前記シリンダの先端部は前記旋回アーム
に枢軸支持されており、前記ピストンには、前記旋回アームを設置したベースに
枢軸支持された基端部を有するロッド部材が結合されて
おり、前記旋回アームの旋回運動によって、前記ロッド部材と
前記ピストンが前記シリンダ内で移動する、請求項１に
記載されたロボット用バランサ。
【請求項３】前記互いに連通した前記シリンダと前記
気体圧縮チャンバ内に収容される気体がエアである、請
求項１または請求項２に記載されたロボット用バラン
サ。
【請求項４】前記互いに連通した前記シリンダと前記
気体圧縮チャンバ内に収容される粘性液体がオイルであ
る、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載されたロ
ボット用バランサ。