JPS62130192A

JPS62130192A - 関節型ロボツトの重力バランサ

Info

Publication number: JPS62130192A
Application number: JP26875785A
Authority: JP
Inventors: 信利鳥居; 稲垣　滋三; 内藤　保雄
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1985-11-29
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1987-06-12
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: JPH0716903B2

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、関ｍ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ｌＯ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、１
４はロボット基体ｌＯ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“π”で示す両方向に揺動可使
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０２軸線に関し矢印ユ
”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０２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、０２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０手首基部３２は前腕主部２２に対し
て“■”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“ｖＩＩ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
辺”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２０１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８、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″“工＋＋方向の駆動源として、モータＭ１がロボッ
ト上腕１６の矢印“πパ方向の揺動用駆動源として、上
腕１６の後方に前記モータＭ、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
“ｎ”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Ｍ　２　、　Ｍ５　、　Ｍ　４は、手首３
０における手首基部３２、内手首３６、ハンド保持部３
８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ｒｖｔ３．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には走行台すがＹ軸方向部ち
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。走行台す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が走行台すの
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、手首先端部りよりなる３軸手首装置が取付けられて
いる。

ｆｔ４１手首基部ｆは第２０ボツト前腕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、手首先端部りは第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４Ｗ１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、ＣＩ　′は第１節と第２節の枢着点で
、支点の位置を示している。０２′は第１節と第４１！
ｉとの枢着点、０３′は第３節と第４節との枢着点、０
４　′は第２節と第３節との枢着点である。また、Ｗ１
〜Ｗ４は、第１Ｆ１１〜第４ｊｌｌに作用する重力で、
ｌ１ｇ−交４ｇは各枢着点から重力作用点までの距離で
ある。

ここで第１ｆｌｌｉ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αｌ〜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、、Ｔｆは、そ
れぞれ０輪、ψ軸に作用するトルクとする。

第１節ＴＢ　　＋Ｗ、１１ｇ　　５ｉｎ（θ＋ａｔ）−Ｆｔ　
４　ｘＪＬＩ　　Ｃｏｇθ＋Ｆ１４Ｖ１１　ｓｉｎθ＝
０・・・（１）第２１ｒＩＴデ＋Ｗ２１２ｇ　　ｃｏｓ　（ψ＋α２）−Ｆ２５ｘ
１２　　ｓｉｎψ＋Ｆｚｉ’ｌ１２　ｃｏｇψ＝Ｏ・・
・（２）第３ｆＭＦ２５　ｘ−Ｆ５４　ｘ＝０　　　　　　　　・・・（
３）Ｆ２３Ｖ−Ｆｓ　４　ｙ−Ｆ５　＝０　　　　　・
・・（４）Ｗｇ　１３ｇ　　ｓｉｎ　（θ＋α３）−Ｆ
５４ｘ１１　　ｃｏｓψ＋ＦｙｓｒｘＶｌｌ　ｓｉｎθ
＝０・・・（５）第４節Ｆｌ　　４　　ｘ＋　Ｆ５　４　　ｘ＝　Ｏ・・・（８
）Ｆｌ　　４　　ｙ＋Ｆ５　４　　ｙ　−Ｆ４　　＝０
　　　　　　　　・・・（７）Ｆ４　９．４　　ｇ　　
ｃｏｓ　（ψ＋α４　）”Ｆｌ　　４　　ＸｆＬ２　　
ｓｉｎψ−Ｆ１４３Ｆ見２　　ｃａｓψ＝　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Ｔθ、Ｔｆを求めると、それぞ
れ次のように表される。

ＴｇトＣＷ１１１ｇ＋ｗｇ　ｌｙｓ　ｇ＋Ｗ４１１）ｓ
ｉｎ。

・・・（９）Ｔデー−（Ｆ２　　ｆＬｚ　　ｇ　＋Ｗｇ　　１２”Ｆ
４　　（！Ｌ２−１４ｇ））ｃｏｓψ−（１０）ただし
、変形の過程で説明を簡単にするため、α１〜α４＝ｏ
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゛、バランスウェ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４ＷＫ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
点から方耐菫ｒ長し、この延長された第２の支持部の所定位置
に所定ｉｔのバランスウェ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４１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Ｒ４１１ｔ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ェイトを取付けるこ
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１本発明のモーメント力の説明図セあ
る０本発明においては、（θ）、（１０）式で表現され
るトルクＴθ及びＴｆを低減させるために、バランスウ
ェイト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節の距離見Ｗだけオーバ
ハングした位置に重量がＷのバランスウェイトを設置す
る。このとき、θ軸及びψ軸のトルクＴθ及びＴｐは次
のように表わされる。

Ｔσ＝−（Ｗｔ見１ｇ＋ｗ、交３ｇ −Ｗｌ　ｗ＋Ｗ４　４１１　　）　　５ｉｎＯ・−（１
１）Ｔ、、＝−（Ｗ２文２　ｇ　”　（Ｆ５　＋　Ｗ　
）文２＋Ｗ４　　（１２−ｆＬ４　ｇ））　　ｃｏｓψ
・・・（！２）従って、ロボットの制御角θ、ψにかかわらず、　Ｔｙ
　　、　ＴｙをそれぞれＯ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、ＷＩ　Ｊｌｌ　ｇ＋Ｗ
５文３ｇ −Ｗ交ｗ　＋　Ｗ　４立１＝Ｏ・・・（１３）Ｗ２文２
　ｇ　＋　（ＷＢ　＋Ｗ）見２＋Ｗ４　（皇２−１４ｇ
）＝Ｏ・・・（１４）を解けばよい。

（１４）式より、Ｗ交２＝−ｗ２文２ｇ−ＷｓｆＬ２ −Ｗ４　　Ｃ１ｚ−見４ｇ）・・・（１５）従って。

Ｗ＝Ｗ＜　　（（ＪＬ４ｇ／交２）−１）−ｗｓ　−ｗ
２　（見２ｇ／ｊ１２）・・・（１Ｂ）また、（Ｉ３）式より。

！Ｌｗ＝（Ｗｌ見１ｇ＋Ｗｇ文３ｇ＋Ｗ４１１）／Ｗ・・・（１７）が得られる。従って（１６）、（１７）式より、ｆＬｗ
は、交ｗ＝（Ｗｌ　文１　ｇ＋Ｗｇ文５　ｇ＋Ｗ、１　
ｆＬｌ　）／　［Ｗ４　　（（ｆＬ４　ｇ／交２）−１
）−ｗ、−ｗ２　　（文２　ｇ／ＪＬ２）］・・・（１
８）と表わされる。

即ち、（１Ｂ）、（１８）式は、バランスウェイトＷの
重量及び設置位置１ｗ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Ｇする。

このとき。

Ｔｐ　＝　Ｔｙ　−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
してバランスウェ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ェイトの重量
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ェイトの重量と取
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１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
バランスウェイトのａＸ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】

：ｆＳ１図は１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１ｇ・・・第２手首基部、ｈ・
・・手首先端部、ｉ・・・延長部、Ｓ・・・第１支持部
、ｋ・・・第２支持部。

Claims

【特許請求の範囲】

（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。
（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。