WO1998030368A1 - Rotary balancer and robot with the rotary balancer - Google Patents

Description

明 細 書

ロ ー タ リ ノ ラ ンサ及びロ ー タ リ ノく ラ ンサを備え た ロ ボ ッ 卜

技 術 分 野

本発明は産業用 ロ ボ ッ ト に装備 さ れる ロ ー タ リ ノ ラ ン サ及びロ ー タ リ バ ラ ンサが組み込まれた ロ ボ ッ ト に関 し 更に詳し く 言え ば 、 流体圧を利用 し た ロ ータ リ バ ラ ンサ 及びそれが組み込まれた ロ ボ ッ ト に関する 。

背 景 技 術

産業用 ロ ボ ッ ト がアーム を側方へ延ばし た姿勢を と る 時 、 そ のアー ム を駆動する 水平回転軸 （ 水平方向 に延び る 軸 ） を駆動する モー タ には大き な重力負荷がかかる 。 こ の よ う な負荷を軽減する 手段 と し てバ ラ ンサ が使用 さ れてい る 。 ロ ボ ッ ト に装備 さ れるバ ラ ンサは 、 重力負荷 の増大を伴 う 姿勢変化に応じ てそれを打ち 消す方向の ト ルク （ バ ラ ン ス力 ） を生成する 手段を備え てい る 必要が あ る 。

重力負荷を打ち 消すバ ラ ン ス力の発生手段 と し ては 、 アーム旋回 に応 じ て伸縮する コ ィ ルバネゃアーム旋回 に 応 じ て滑動する ピ ス ト ンを備え たエア シ リ ンダ が利用 さ れてい る 。 しか し 、 これ ら いずれの型のバ ラ ンサも 、 重 力負荷に抗する ト ル ク の形でバ ラ ン ス 力 を直接的に発生 する 機構を有し ていない 。 即ち 、 従来のバ ラ ンサは 、 流 体圧やパ ネ の伸縮力 を ロ ボ ッ ト アーム に力 を作用 さ せて ト ルク を 間接的に発生さ せる も のであ る ため 、 ロ ボ ッ ト ア ー ム に撓みが発生し 、 ロ ボ ッ ト の手先部 （ ツール先端 点 ） の制御精度に悪影響を及ぼし 易い 。

ま た 、 コ イ ルバ ネ機構あ る い はエ ア シ リ ンダ Z ビ ス ト ン機構を ロ ボ ッ ト 機構部に内蔵さ せる こ と は機構の性質 上困難であ り 、 ロ ボ ッ ト の 回転軸部周辺の外形を コ ンパ ク ト にする 上で有利ではなかっ た 。

発 明 の 開 示

本発明の 目 的は 、 ロ ボ ッ ト 機構部に内蔵し易い簡素な 構造を有する と と も に 、 ロ ボ ッ ト アー ム の橈みを発生 さ せずにバ ラ ン ス 力 を発生出来る ロ ー タ リ バ ラ ンサ並びに それを 回転軸機構部に組み込んだ ロ ボ ッ ト を提供する こ と にあ る 。 ま た 、 本発明は 、 これ ら の こ と を通 し て 、 口 ボ ッ ト の 回転軸部周辺の外形の コ ンパ ク ト 化 、 コ ス ト 削 減並びに ロ ボ ッ ト アー ム の橈みに よ る 制御精度低下の防 止 を 図 る も のであ る 。

更 に 、 本発明は流体圧 ロ ー タ リ ア ク チ ユ エー タ の本体 部 に簡単な改造を加え たも の を要部に利用で き る よ う な ロ ー タ リ バ ラ ン サ の構造を提案し て 、 よ り 安価且つ簡便 に ロ ボ ッ ト 用のバ ラ ンサを得よ う と う する も のであ る 。

本発明は 、 エア等の流体圧を利用 し て重力負荷を打ち 消すバ ラ ン ス力 を ト ル ク の形で直接的に発生する こ と が 出来る ロ ー タ リ ノ ラ ンサを提供し 、 ま た 、 こ れを を ロ ボ ッ ト の 回転軸機構部に内蔵 さ せる 。

本発明の ロ ー タ リ バ ラ ンサは 、 シ リ ンダ と 、 シ リ ンダ の軸に沿っ て回動 自 在に設け られたシ ャ フ ト と 、 シ リ ン W

ダの内周面に固定さ れ 、 シ リ ンダの内周面 と シ ャ フ ト の 外周面 と の間の空間の一部を 占有する 少な く と も 一つの 固定仕切 り 部材 と 、 シャ フ ト に固定されて これ と 一体に 回動し 、 シ リ ンダの内周面 と シ ャ フ ト の外周面 と の間の 空間の一部を 占有する 少な く と も 一つの可動仕切 り 部材 と 、 シ リ ンダ の両端開 口 を閉塞する 閉塞部材 と を備え る シ リ ンダ内のシ ャ フ ト の周囲の空間は 、 固定仕切 り 部 材 、 可動仕切 り 部材及び閉塞部材によ っ て少な く と も 2 つの領域に仕切 られ 、 各領域内には気密空間が形成され る 。

固定仕切 り 部材に 、 該固定仕切 り 部材 と シ ャ フ ト と の 間をシールする シール部材を設け 、 可動仕切 り 部材に 、 該可動仕切 り 部材 と シ リ ンダ と の間をシールする シール 部材を設け 、 これによ つ て各仕切 られた領域内 に気密空 間を形成しても 良い 。

或いは 、 気体を封入したバ ッ グをシ リ ンダ内の仕切 ら れた領域内に夫々 設け 、 これによ つ て各仕切 られた領域 内に気密空間を形成し ても 良い 。 こ の方法を採用する と 気密領域を形成する こ と が容易になる 。

0 流体圧ァ クチユ エータ をその給気及び排気ポー ト を閉 塞する こ と によ っ て ロ ータ リ ノ ラ ンサに転用 し 、 流体圧 ァ クチユ エータ の構成要素を 、 シ リ ンダ 、 シ ャ フ ト 、 固 定仕切 り 部材 、 可動仕切 り 部材 、 閉塞部材 と し て利用す る こ と が出来る 。 こ の よ う な転用は 、 バ ラ ンサの製造コ5 ス を下げる 上で有利である 。 上記の ロ ー タ リ ノ ラ ンサは 、 ロ ボ ッ ト ア ーム を駆動す る 回転軸機構に内蔵する こ と が出来る 。 ロ ボ ッ ト アーム を回転軸機構の駆動源 と ロ ー タ リ ノ ラ ン サ の 間 に介在 さ せ 、 ロ ー タ リ ノく ラ ンサのシャ フ ト を ロ ボ ッ ト アーム に連 結 さ せて ロ ボ ッ ト ア ー ム の旋回 に応 じ て回転する よ う に 構成する 。 ま た 、 ロ ー タ リ ノ ラ ンサを ロ ボ ッ ト ア ーム と 駆動源の 間 に設け 、 駆動源か ら の駆動力が ロ ー タ リ バ ラ ンサ を介 し て ロ ボ ッ ト アームへ伝達 さ れる よ う に構成す る 。

こ れ ら いずれの 内蔵形態を採用 し た場合も 、 回転軸機 構の駆動源 （ 減速機を含む ） 、 ロ ボ ッ ト アー ム の旋回軸 及びロ ー タ リ バ ラ ンサを 同軸上に配列 さ せる こ と が容易 であ り 、 ロ ボ ッ ト の外形を コ ンパ ク ト にする 上で有利で あ る 。 ま た 、 ノ《 ラ ン ス 力が ロ ボ ッ ト アーム を変形 さ せる よ う な形で ロ ボ ッ ト アーム に作用 し なレヽので 、 ロ ボ ッ ト の制御精度を保つ上でも 有利であ る 。

図面の簡単な説明

図 1 a は 、 本発明の 口 一 タ リ バ ラ ンサが組み込まれた ロ ボ ッ ト を示す正面図 、 図 1 b はその右側面図 、

図 2 は 、 ベーン を 1 枚使用 し た本発明の第 1 実施例に 係る ロ ー タ リ バ ラ ンサの基本構造を示す分解図 、

図 3 a は 、 図 2 に示 し た ロ ー タ リ ノ ラ ン サ の 中立状態 を示す概念図 、 図 3 b はバ ラ ン ス 力 が 出力 さ れる 状態を 示す概念図 、

図 4 は 、 図 2 に示 し た ロ ー タ リ ノ ラ ンサ を 図 1 に示 し W

たロ ボ ッ ト の第 2 軸機構部に内蔵させた構造を示す部分 破断断面図 、

図 5 は 、 本発明の第 2 実施例に係る ロ ータ リ バ ラ ンサ の基本構造を示す分解図 、

図 6 は 、 図 5 に示し たロ ータ リ ノくラ ンサを図 1 に示し たロ ボ ッ ト の第 2 軸機構部に内蔵させた構造を示す部分 破断断面図 、

図 7 a は 、 可動仕切 り 部材 と 固定仕切 り 部材を 2 個づ つ使用 し た本発明の第 3 実施例に係る ロ ータ リ バラ ンサ の中立状態を示し 、 図 7 b はバ ラ ンス力が出力 さ れる 状 態を示す概念図 、

図 8 a は 、 気体バ ッ グを利用 し た本発明の第 4 実施例 に係る ロ ータ リ ノくラ ンサの中立状態を示し 、 図 8 b はバ ラ ンス力が出力 される 状態を示す概念図 、

図 9 は 、 本発明の第 5 実施例を示し 、 既存の ロ ータ リ 流体圧ァ クチユ エータ を転用する こ と によ り 図 2 に示し たロ ータ リ バラ ンサ と 同等な機能を有する ロ ータ リ バ ラ ンサが構成さ れている 。

発明を実施する ため の最良の形態

0 図 1 a 及び図 1 b は 、 以下に説明する各実施例の ロ ー タ リ ノく ラ ンサが組み込まれる ロ ボ ッ ト の全体構造並びに ロ ータ リ ノ ラ ンサの組み込み個所を示す。 ロ ボ ッ ト の据 え付けベー ス 1 上に第 1 軸の旋回胴を兼ねる 第 2 軸取付 ベ ー ス 2 が搭載されている 。 そ し て 、 第 2 軸取付ベー ス5 2 上には 、 第 1 アーム 4 を旋回 させる ための第 2 軸機構 部 3 が設置されて い る 。

第 1 アー ム 4 の先端部には 、 第 2 アー ム 6 を旋回 させ ための第 3 軸機構部 5 が設け られ 、 更に 、 第 2 アーム 6 の先端部には適宜数の軸 （ 典型的には 3 軸 ） を持つ手首 部 7 が設け られる 。 また 、 手首部 7 にはアプ リ ケーシ ョ ンに応じ て各種のエ ン ド エ フ ヱ ク タ （ 負荷重量物 ） が取 り 付け られる 。 図 1 b に示し たよ う に 、 第 2 軸はモータ 8 で駆動さ れ 、 第 3 軸はモータ 9 で駆動される 。 なお 、 他の軸のモータ については図示を省略し た 。

こ の よ う な一般的な軸構成を有する ロ ボ ッ ト において は 、 第 1 アー ム 4 が矢印 Aで示し たよ う に旋回 し て水平 に近い姿勢を と つ た時 、 第 1 アー ム 4 以下に作用する 重 力 によ り 、 第 2 軸に特に大き な負荷がかかる こ と になる そ こ で 、 図 1 b には第 1 アーム 4 を駆動する 第 2 軸機構 部 3 にロ ータ リ バ ラ ンサ B L を内蔵し たケー ス を示し た が 、 他の軸 （ 例えば第 2 アーム 6 を駆動する 第 3 軸 ） に 装備し ても 良い こ と は言 う までも ない 。 また 、 場合によ つ ては複数の軸 （ 第 2 軸 と 第 3 軸な ど ） に装備させる こ と も 有 り 得る 。

以下 、 図 2 以下を参照し 、 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L の い く つ か の実施例について説明する 。

図 2 は 、 第 1 の実施例に係る ロータ リ ノ ラ ンサの基本 構造を説明する要素分解図であ る 。 同図に示し たよ う に 全体を符号 B L 1 で指示したロ ータ リ バラ ンサは 、 空洞 C を有する 円筒シ リ ンダを構成するハウ ジング 1 0 と こ れを両端で閉塞する 1 組のエ ン ド プレ ー ト 1 1 ， 1 7 を 備え る 。 シ リ ンダの一部は 、 先端稜線部に沿っ てシール 1 3 を設けた扇柱状のブロ ッ ク 1 2 で 占め られている 。 一方のエ ン ド プレ ー ト 1 7 の 中央にはシ ャ フ ト 1 4 を通 す開 口 1 8 が円筒シ リ ンダの軸 A X と 同軸で設け られて お り 、 後述する よ う に 、 こ の開 口 1 8 を通し てシ ャ フ ト 1 4 は第 1 アーム 4 ( 図 1 参照 ） と 結合される 。

シ ャ フ ト 1 4 の側部にはべーン 1 5 が取 り 付け られて レヽ る 。 ベーン 1 5 は 、 ブロ ッ ク 1 2 と と も に空洞 C ( シ ャ フ ト 1 4 占有部分は除 く 。 以下の実施例でも 同 じ 。 ） を 、 シ ャ フ ト 1 4 の周 り に存在して互い に気密な 2 つの 領域に仕切る 部材で 、 その縁部にはシール 1 6 が設け ら れてい る 。 ロ ー タ リ ノく ラ ンサ B L 1 の組立時にはべーン 1 5 を備えたシ ャ フ ト 1 4 を空洞 C 内 に収容し た後 、 ェ ン ド プレ ー ト 1 7 でハ ウ ジング 1 0 が閉塞さ れる 。 但し 上述し たよ う に 、 シ ャ フ ト 1 4 は開 口 1 8 を通し てノヽゥ ジング外部へ延びる 。 また 、 こ こでは図示を省略し たが ノヽウ ジング 1 0 内に収め られる シ ャ フ ト 1 4 の先端は 、 エン ド プレ ー ト 1 1 の中心開 口部に設け られた軸受機構 に回転自 在に係合する 。

ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 1 の動作時には 、 ロ ボ ッ ト の姿 勢変化に応じてシ ャ フ ト 1 4 、 従っ てべーン 1 5 が回転 する 。 その結果 、 図 3 a , 図 3 b に示すよ う に 、 互いに 気密が保たれた 2 つの領域 C I , C 2 の内一方の領域 C 1 内では空気圧が上昇し 、 他方の領域 C 2 内では空気圧 が下降する 。 2 つ の気密領域 C l ， C 2 間に生じた圧力 差は 、 ベー ン 1 5 を介してシ ャ フ ト 1 4 を矢印方向に回 転させよ う とする ト ルク に変換さ れ 、 こ の ト ルク がノ ラ ン ス力 と し て利用 される 。

図 3 a は 、 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 1 の中立状態を表わ し てお り 、 領域 C 1 , C 2 の圧力は等 しい 。 こ の 中立時 圧力を P 0 で表わす 。 中立時圧力は典型的には大気圧で あ る が 、 大気圧 と 異なる圧力 とする こ と も 出来る 。 一般 には 、 中立時圧力を高圧 とすれば 、 小サイズで強力な 口 ータ リ ノ ラ ンサが得られる 。 なお 、 ロ ータ リ ノく ラ ンサ B L 1 の 中立状態は重力負荷最小の姿勢に対応させる の が 通例であ る 。 こ の事は 、 後述する他の実施例においても 同様であ る 。

今 、 図 1 に示し たロ ボ ッ ト の第 1 アーム 4 が 、 重力負 荷最小の姿勢か ら水平方向 （ 矢印 A ) に旋回し た時 、 シ ャ フ ト 1 4 及びべー ン 1 5 が矢印 B , B ' 方向に回転す る よ う にシ ャ フ ト 1 4 が第 1 ア ー ム 4 に結合さ れている とする と 、 シ ャ フ ト 1 4 及びべー ン 1 5 の移動角 の回 転によ っ て 、 図 3 b に示し た状態 と なる 。

こ の時の気密領域 C I , C 2 の圧力を P I , P 2 とす れば 、 当然 、 P I > P 0 > P 2 と なっ てお り 、 ロ ータ リ バラ ンサ B L 1 の中立状態は破れてい る 。 こ の時 、 領域 C 1 , C 2 間に生じ る圧力差によ っ て得られる ト ルク ( 矢印 T ) は 、 次式 （ 1 ) で与え られる 。 M =丄 (D²- d²)xP_n (7i - -)x ―

8 、 ^J ° r ( (1)

Q

π_-

2

こ こ で 、 各記号の意味は次の通 り であ る 。

M ： ロ ータ リ ノくラ ンサの出力 ト ルク

： 中立位置カゝ ら測っ たシ ャ フ ト 1 4 乃至べー ン 1 5 の移動角

： ブロ ッ ク 1 2 で占有されてい る 角度範囲 （ 干渉 角 ）

D ： シ リ ンダ の内径

ί ： シ リ ンダ の長さ

d : シ ャ フ ト 1 4 の直径

次に図 4 は 、 図 2 に示し た基本構造を採用 し た ロ ータ リ バ ラ ンサ B L 1 を図 1 に示したロ ボ ッ ト の第 2 軸機構 部に内蔵させた構造を説明する 部分破断断面図であ る 。 同図に示し たよ う に 、 第 2 軸駆動モータ 8 と減速機 2 0 は 、 ロ ー タ リ バラ ンサ B L 1 と 同軸的に 、 第 2 軸取付べ ー ス 2 上に搭載されている 。 図示を省略した機構内部で 第 2 軸駆動モータ 8 の出力軸は減速機 2 0 の入力軸を構 成し 、 減速機 2 0 の出力軸は第 1 アー ム 4 に結合し てい る 。

第 2 軸取付ベー ス 2 は環状の取付部 2 4 を有し 、 取付 部 2 4 には減速機 2 0 並びに第 1 アーム 4 が挿嵌されて い る 。 減速機 2 0 は取付部 2 4 に固定されてレヽる カ 、 第 1 アー ム 4 は軸受機構 2 3 を介し て軸 A X周 り に回転自 在に支持されてい る 。 そ して 、 第 1 アー ム 4 はロ ータ リ バ ラ ンサ B L 1 と 同軸の円筒状の空洞部 2 1 を有し てい る 。

図 中最右方に描かれたロ ー タ リ ノ ラ ン サ B L 1 は 、 そ のハウ ジング 1 0 を第 2 軸取付ベー ス 2 に対し て固定す る こ と で第 2 軸取付ベー ス 2 上に搭載さ れてい る 。 ハウ ジング 1 0 はエン ドプレー ト 1 1 , 1 7 で両端部が塞が れている が 、 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 1 の出力軸 と なる シ ャ フ ト 1 4 は 、 エン ドプレー ト 1 7 を通して 、 第 1 ァ ー ム 4 の空洞部 2 1 内に延びている 。 そ し て 、 シャ フ ト 1 4 は第 1 アー ム 4 の空洞部 2 1 内周部に設け られた適当 な結合機構 （ ス プ ラ イ ン結合 、 キー結合など ） 2 2 を介 し て 、 第 1 アー ム 4 と 結合してい る 。 こ の よ う に 、 第 1 実施例における ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 1 は 、 減速機 2 0 の出力軸で駆動さ れる 第 1 アーム に対して結合されてい る 。

既に説明 したよ う に 、 シ ャ フ ト 1 4 の側部にはべー ン 1 5 が取 り 付け られてお り 、 ブロ ッ ク 1 2 と と も にシ リ ンダ内の空洞を 、 シャ フ ト の周囲に存在する 互い に気密 な 2 つの領域に仕切っ ている 。 ブロ ッ ク 1 2 の先端稜線 部及びべーン 1 5 の縁部には 、 シール 1 3 ， 1 6 が設け られている こ と も 既に述べた通 り であ る 。

今 、 図 3 a に示し た中立状態カゝ らモータ 8 が回転し 、 減速機 2 0 を介し ての第 1 アー ム 4 が旋回する と 、 シ ャ フ ト 1 4 及びべー ン 1 5 が回転する 。 する と 前述した通 り 、 ベー ン 1 5 の移動角 に応じて 、 こ の旋回変位に抗 する ト ルク が発生し 、 第 1 アーム 4 の回転軸部に伝え ら れる 。 第 1 アーム 4 の回転軸部に作用する ト ルク と して 生成さ れたバ ラ ンス力は 、 第 1 アーム 4 に橈みを発生す る原因 と な ら ない 。 こ の よ う に 、 本実施例ではロ ボ ッ ト アームがその駆動部 （ モータ及び減速機 ） と ロ ータ リ バ ラ ン サ の間に配置さ れ 、 ロ ボ ッ ト アー ム の旋回に応じ て 受動的にロ ータ リ ノ ラ ンサが作動 （ シ ャ フ ト 。 ベーンが 回転 ） する 。

ロ ータ リ ノくラ ンサの基本構造と し て 、 図 2 に示し たも の と 異な る も のを採用する こ と も 出来る 。 図 5 は 、 その 一例 と して 、 第 2 の実施例に係る ロ ータ リ ノく ラ ン サ の基 本構造を説明する 要素分解図であ る 。 同図 に示し たよ う に 、 全体を符号 B L 2 で指示し たロ ータ リ バラ ンサは 、 内部に空洞 C を有する 円筒シ リ ンダを構成するハウ ジン グ 3 0 を備え る 。 空洞 C の一部は 、 先端稜線部並びに頂 面に沿っ てシール 3 2 を設けた扇柱状のブロ ッ ク 3 1 で 占め られてい る 。

本実施例の ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 2 は 、 こ のノヽゥ ジン グ 3 0 に対し て 、 1 対のフ ラ ンジ 3 3 ， 3 4 をシャ フ ト 3 5 、 ベー ン 3 6 を繋いだ形状のュニ ッ ト G を組み合わ せた構造を有し てい る 。 ベーン ³ 6 には 、 シール ³ 7 が 設け られてい る 。 ユニ ッ ト G の形状か ら判る よ う に 、 口 —タ リ ノ ラ ンサ B L 2 の組立時には 、 フ ラ ンジ 3 3 , 3 4 の内の少な く と も 一方が未取付の状態にある ュニ ッ ト Gをハウ ジング 3 0 内に収容する 。 そ し て 、 未取付のフ ラ ンジ 3 3 , 3 4 ( 一方または両方 ） をシ ャ フ ト 3 5 及 びべーン 3 6 に固定し てュニ ッ ト G を完成させる と と も に 、 ハ ウ ジング 3 0 に組み付け る 。

第 1 実施例 と 同様に 、 ベーン 3 6 は 、 ブ ロ ッ ク 3 1 と と も に空洞 C を 、 シ ャ フ ト 3 5 の周 り に存在する 互いに 気密な 2 つの領域に仕切る 部材であ る 。 ロ ータ リ バ ラ ン サ B L 2 の動作時には 、 ロ ボ ッ ト の姿勢変化に応じ てフ ラ ンジ 3 4 ， 3 5 、 従っ てシャ フ ト 3 5 とべーン 3 6 力 回転する 。 その結果 、 空洞 C をべーン 3 6 で気密に仕切 る こ と によ っ て形成さ れる 2 つの領域の間に圧力差が発 生し 、 ベーン 3 6 を介してシ ャ フ ト 3 5 及びフ ラ ンジ 3 3 , 3 4 を回転させよ う とする ト ルク が生成さ れる 。 こ の ト ルク がバ ラ ンス 力 と し て利用 さ れる 。 なお 、 ト ルク 発生の メ カニズムは 、 図 3 a , 図 3 b を参照し て説明 し た第 1 実施例 と 同 じであるか ら 、 繰 り 返し説明は省略す る 。

図 6 は 、 図 5 に示した基本構造を採用 し たロ ータ リ バ ラ ンサ B L 2 を図 1 に示したロ ボ ッ ト の第 2 軸機構部に 内蔵させた構造を説明する部分破断断面図である 。 同図 に示したよ う に 、 第 2 軸駆動モータ 8 と 減速機 2 0 は 、 ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 2 と 同軸的に 、 第 2 軸取付ベース 2 上に搭載さ れてい る 。 図示を省略し た機構内部で 、 第 2 軸駆動モータ 8 の出力軸は減速機 2 0 の入力軸を構成 し 、 減速機 2 0 の出力軸はロ ータ リ ノ ラ ンサ B L の一方 の フ ラ ンジ 3 3 と 結合し てレヽ る 。

第 2 軸取付ベ ー ス 2 は環状の取付部 2 4 を有し 、 こ の 取付部 2 4 に第 1 アーム 4 の一部 と ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 2 が揷嵌される 。 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 2 のノヽゥ ジン グ 3 0 は取付部 2 4 に固定さ れる が 、 第 1 アーム 4 は軸 受機構 4 0 を介し て軸 A X周 り に回転自 在に支持さ れる その一方 、 第 1 アーム 4 はロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 2 の他 方の フ ラ ンジ 3 3 に結合される 。

既に説明 したよ う に 、 シャ フ ト 3 5 にはべーン 3 6 が 固設さ れてお り 、 ブロ ッ ク 3 1 と と も にシ リ ンンダ内の 空洞を互い に気密な 2 つの領域に仕切っ ている 。 また 、 ブロ ッ ク 3 1 の頂面 、 先端稜線部及びべーン 3 6 の縁部 には 、 シール 3 2 , 3 7 が設け られている 。 フ ラ ンジ 3 3 ， 3 4 の周縁部にも シール 3 8 , 3 9 が設け られてい る 。

こ の よ う に 、 第 2 実施例におけ る ロータ リ ノ ラ ンサ B L 2 は 、 第 1 実施例 と は異な り 、 減速機 2 0 と 第 1 ァ ー ム の間に設け られた伝動機構の役割を果たす 。 即ち 、 両 フ ラ ンジ 3 3 ， 3 4 、 シャ フ ト 3 5 並びにべーン 3 6 は 一体的に回動する ユニ ッ ト G ( 図 5 参照 ） と し て減速機 2 0 と 第 1 アーム の間に設け ら てい る ため 、 フ ラ ンジ 3 4 力、 ら入力 さ れる減速機 2 0 の出力 ト ルク は 、 ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 2 を介し て第 1 アーム 4 に伝え られる 。

今 、 図 3 a に示し た中立状態か らモータ 8 が回転する と 、 減速機 2 0 を介し て 口 一タ リ バ ラ ンサ B L 2 の フ ラ ン ジ 3 4 に回転が伝え られ 、 シ ャ フ ト 3 5 及びべー ン 3 6 並びに及び第 1 アーム 4 側のフ ラ ンジ 3 3 が回転する これによ り 、 第 1 アーム 4 が旋回する 一方 、 前述し たよ う に 、 ベー ン 3 6 の移動角 に応じ て ト ルク が発生する こ の ト ル ク は 、 第 1 ア ー ム 4 の重力負荷によ る モー メ ン ト を打ち消す方向 に作用する ノ ラ ン ス力 と し て 、 第 1 ア ー ム 4 の回転軸部 と減速機 2 0 の出力軸に対し て作用 する 。 言い換えれば 、 第 1 ア ー ム 4 の回転軸部にかかる 重力負荷を減速機 2 0 の出力 ト ルク と ロ ータ リ ノく ラ ンサ B L 2 の出力 ト ルク （ ノ《ラ ンス力 ） の合力で支え る こ と にな る 。 従っ て 、 本実施例においても 、 ロ ータ リ ノ ラ ン サ B L 2 によ っ て生成されるバ ラ ン ス力が第 1 アー ム 4 に橈みを生じ させる恐れはない 。

以上説明 した第 1 及ぴ第 2 の実施例におけ る ロ ータ リ ノ ラ ン サ B L 1 , B L 2 は 、 いずれも 単一の可動仕切 り 部材 （ ベーン 1 5 ， 3 5 ) を単一の固定仕切 り 部材 （ ブ ロ ッ ク 1 2 ， 3 1 ) と と も に用レヽて 、 シ リ ンダ （ 空洞 ） 内を気密に仕切っ ている が 、 可動仕切 り 部材あ るいは固 定仕切 り 部材を複数個使用 しても 良い 。 図 7 は 、 図 3 と 同様の形式で 、 可動仕切 り 部材 と 固定仕切 り 部材を 2 個 づっ使用 し たロ ータ リ バラ ンサ B L 3 の構造と 作用を説 明する 図であ る 。

図 7 a 及び図 7 b に示したよ う に 、 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 3 は 、 内部に空洞を有する 円筒シ リ ンダを構成する ハウ ジング 5 0 内 に 2 つのブロ ッ ク 5 1 , 5 2 を配し 、 シ リ ンダ主軸に設け られる シャ フ ト 5 3 に 2 枚のベーン 5 4 ， 5 5 を取 り 付けた構造を有し ている 。 ベーン 5 4 5 5 は 、 ブ ロ ッ ク 5 1 ， 5 2 で気密に 2 分された空洞を 更に領域 C 3 と C 4 、 C 5 と C 6 に 2 分し てレ、る 。

これら計 4 個の領域を互いに気密に保っため に 、 各ブ ロ ッ ク 5 1 , 5 2 及びべ一ン 5 4 ， 5 5 の縁部にはシー ル 5 6 〜 5 9 力 S設け られてレヽ る 。 ロ ータ リ バラ ンサ B L 3 の動作時には 、 ロ ボ ッ ト の姿勢変化に応じ てシ ャ フ ト 5 3 、 従っ て 2 枚のベーン 5 4 ， 5 5 カ 回転する 。 その 結果 、 2 組の気密領域 C 3 と C 4 の間 、 及び C 5 と C 6 の間には圧力差が生じ る 。 こ の圧力差は 、 ベーン 5 4 ， 5 5 を介し てシャ フ ト 5 3 を回転させる ト ル ク に変換さ れ 、 こ の ト ルク がバ ラ ン ス力 と して利用 さ れる 。

図 7 a は 、 図 3 a と 同様 、 ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 3 の 中立状態を表わ し てお り 、 領域 C 3 〜 C 6 の圧力は等し レヽ （ 但し 、 原理的には 、 C 3 と C 4 の圧力 、 C 5 と C 6 の圧力が等し ければ中立状態である ） 。 こ の 中立時圧力 を図 3 のケース にな ら っ て P 0 で表わす。 既に述べたよ う に 、 中立時圧力は典型的には大気圧であ る が 、 大気圧 と 異なる圧力 とする こ と も 出来る 。 また 、 中立時圧力を 高圧 とすれば 、 小サイズで強力な ロ ータ リ バラ ンサが得 られる 。

今 、 本実施例の ロ ータ リ ノくラ ンサ B L 3 を図 1 に示し たロ ボ ッ ト の第 2 軸機構部 3 に内蔵されてお り 、 重力負 荷最小の姿勢か ら第 1 アーム 4 が水平方向 （ 矢印 A ) に 旋回 し た時 、 シ ャ フ ト 5 3 及びべ一ン 5 4 , 5 5 が矢印 B , B ' 方向に回転する も の とする 。 する と 、 シャ フ ト 5 3 及びべー ン 5 4 , 5 5 は図 7 a の 中立状態カゝ ら移動 角 の回転によ っ て 、 図 7 b に示し た状態 と な る 。

こ の時の気密領域 C 3 , C 4 , C 5 , C 6 の圧力を P 3 , P 4 , P 5 ， P 6 とすれば 、 当然 、 P I > P 0 > P 2 ， P 5 > P 0 > P 6 と なっ てお り 、 ロ ータ リ バ ラ ンサ B L 3 の 中立状態は破れてい る 。 こ の時 、 領域 C 3 ， C 4 間及び C 5 ， C 6 間に生じ る圧力差によ っ て得られる ト ルク （ 矢印 T ) は 、 次式 （ 2 ) で与え られる 。

こ こ で 、 各記号の意味は前出の式 （ 1 ) で使用 し たも の に準じ てたも ので 、 次の通 り であ る 。

Μ ： ロ ータ リ ノく ラ ンサの出力 ト ルク

： 中立位置力 ら測っ たシ ャ フ ト 5 3 乃至べ一ン 5 4 , 5 5 の移動角

： ブロ ッ ク 5 1 ， 5 2 で 占有されている 角度範囲 ( 干渉角 ）

D ： シ リ ンダの内径

ί ： シ リ ンダの長さ

d ： シ ャ フ ト 5 3 の直径 なお 、 こ の第 3 実施例に係る ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 3 の基本構造については 、 図 2 、 図 5 を参照し て説明 した 第 1 実施例あ る いは第 2 実施例に準じ たも の （ ベーン と ブロ ッ ク が 2 個づつにな る ） が採用出来る こ と が明 らか なので 、 詳細は省略する 。 また 、 ロ ボ ッ ト への組み込み 構造についても 、 第 1 実施例に準じた基本構造を採用 し た場合は 、 図 4 に示し た組み込み構造に従えば良 く 、 第 2 実施例に準じた基本構造を採用 し た場合は 、 図 6 に示 し た組み込み構造構造に従えば良い 。

以上説明 した各実施例におけ る ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 1 〜 B L 3 では 、 複数の気密領域を形成する ため にべ一 ン 、 ブロ ッ ク 、 シ リ ンダ内壁等を直接利用 している 。 即 ち 、 気密領域内の気体は 、 これら部材の壁面に直接接触 する構造 と なっ てお り 、 気体漏洩が起こ り 易い各所には シールを設けて気体漏洩を防止してい る 。 しかし 、 これ らシールで気体漏洩を完全に防止する こ と は容易でな く 気体補充を しないで使用出来る 期間が短 く な り がちであ る 。

そ こ で 、 こ の点を改良した第 4 の実施例に係る ロ ータ リ ノく ラ ンサの構造 と 作用を 、 図 7 と 同様の形式で ロ ータ リ バ ラ ンサの断面を描いた図 8 を参照し て説明する 。 図 8 a 及ぴ図 8 b に示したよ う に 、 本実施例の ロ ータ リ バ ラ ンサ B L 4 の特徴は 、 2 つ気密領域を形成する ため に 気体バ ッ グを利用 している 点にあ る 。

ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 4 は 、 内部に空洞を有する 円筒 シ リ ンダを構成する ノヽウ ジング 6 0 内 にプロ ッ ク 6 1 を 配し 、 シ リ ンダ主軸に設け られる シャ フ ト 6 2 にべーン 6 3 を取 り 付けた構造を有している 。 ベーン 6 3 は 、 こ れまでの実施例 と 同様に 、 ブロ ッ ク 6 2 と と も にシ リ ン ダ内の空洞を 2 つの領域に 2 分する よ う に配置さ れてい る 。 そ して 、 これら領域内に気体を密封する袋体 6 4 , 6 5 が配置され 、 各袋体 6 4 , 6 5 によ っ て気密領域 C 7 ， C 8 が形成される 。 従っ て 、 ブ ロ ッ ク 6 1 、 ベーン 6 3 の縁部な ど にシールを設け る必要はない 。

袋体 6 4 , 6 5 の材料には 、 例えばゴム の よ う に 、 気 密性を有し 、 変形が 自 在なも のを選択する こ と が適当で あ る 。 なお 、 描示の都合上 、 図 8 におけ る袋体 6 4 , 6 5 は 、 厚みを誇張し て斜線を付して描かれている 。

ロ ータ リ バラ ンサ B L 4 の動作時には 、 ロ ボ ッ ト の姿 勢変化に応じ てシャ フ ト 6 2 、 従っ てべーン 6 3 が回転 する 。 その結果 、 気密領域 C 7 と C 8 の間には圧力差が 生じ る 。 こ の圧力差がベーン 6 3 を介し てシャ フ ト 6 2 を回転させる ト ル ク に変換され 、 こ の ト ルク がバ ラ ンス 力 と し て利用 される 。

図 8 a は 、 図 3 a や図 7 a と 同様 、 ロータ リ ノく ラ ンサ B L 4 の 中立状態を表わ し てお り 、 領域 C 7 と C 8 の圧 力は等しい 。 こ の 中立時圧力を前例にな ら っ て P 0 で表 わす 。 中立時圧力は典型的には大気圧である が 、 大気圧 と 異な る圧力 とする こ と も 出来る こ とや中立時圧力を高 圧 とすれば小サイ ズで強力な ロ ータ リ バ ラ ンサが得られ る こ と などはこれまでの実施例 と 同様である 。

今 、 本実施例の ロ ータ リ ノ ラ ンサ B L 4 が図 1 に示し たロ ボ ッ ト の第 2 軸機構部 3 に内蔵されてお り 、 重力負 荷最小の姿勢か ら第 1 アーム 4 が水平方向 （ 矢印 A ) に 旋回 し た時 、 シ ャ フ ト 6 3 及びべ一ン 6 3 が矢印 B ,

B ' 方向 に回転する も の とする 。 する と 、 シ ャ フ ト 6 2 及びべーン 6 3 は図 8 a の中立状態力 ら 、 図 8 b に示し た状態 と なる 。

こ の時の気密領域 C 7 , C 8 の圧力を P 7 , P 8 とす れば 、 当然 、 P 7 > P 0 > P 8 と なっ てお り 、 ロ ー タ リ バ ラ ンサ B L 4 の 中立状態は破れ 、 高圧側か ら低圧側へ 向けてベーン 6 3 を押戻そ う とする ト ルク （ 矢印 T ) が 発生する 。 発生する ト ルク の大き さ は 、 第 1 実施例で説 明 し た式 （ 1 ) で計算 される も の と 基本的に同 じである なお 、 本実施例では袋体を気密領域形成手段に用いて 2 個の気密領域を形成し たが 、 使用する袋体の数を増加 させれば 、 気密領域の数を増加させる こ と が出来る 。 例 えば 、 図 7 に示し た第 3 実施例には 、 袋体を 4 個使用す る よ う な構造の変形が可能である 。

以上 、 本発明の特徴を有する ロ ータ リ バラ ンサ B L 1 〜 B L 4 の例を説明 し たが 、 最後に 、 これら の ロ ータ リ バラ ンサの要部が 、 市販さ れている 流体圧ロ ータ リ ア ク チユ エータの本体部に簡単な改造を加え る だけで構築出 来る こ と について述べる 。 図 9 は 、 ロ ータ リ 流体圧ァ ク チユ エー タ の本体部を改造して第 1 実施例 と 等価な構造 を持つロ ータ リ バラ ンサを構成した事例 （ 第 5 実施例 ） について説明する 図である 。

同図に示し たロ ータ リ バラ ンサ B L 5 の特徴は 、 内部 に空洞を有する 円筒シ リ ンダ の構成部材 と して 、 ロ ータ リ 流体圧ァ クチユ エー タ の本体部を転用 し た点にあ る 。 即ち 、 図 9 において 、 円筒シ リ ンダを構成するハウ ジ ング 7 0 の他 、 その内部に設け られてい る ブロ ッ ク 7 1 シ ャ フ ト 7 2 、 ベー ン 7 3 、 シーノレ 7 4 ， 7 5 等は 、 巿 販さ れてい る ロ ータ リ 流体圧ァ クチユ エータ の本体部を 転用 し たも のであ る 。 ブロ ッ ク 7 1 には 、 図示さ れてい る よ う に 、 ベー ン 7 3 で空洞を 2 分し て形成さ れた 2 つ の気密領域 C 1 , C 2 の各々 に通ずる 給排気ポー ト 7 6 7 7 が設け られてレヽる 。

これら給排気ポー ト 7 6 ， 7 7 は 、 本構造が ロ ータ リ 流体圧ァ クチユエータ の本体部 と し て使用 される場合に 一方に給気を行い他方か らは排気を行な う ためのも の で ある 。 例えば 、 ポー ト 7 6 か ら高圧エア を供給し 、 ポー ト 7 7 カゝ ら排気を行なえば 、 ベーン 7 3 が矢印 S で示し た向き に回転させよ う とする ト ルク が生成される 。 従つ て 、 シャ フ ト 7 2 はロ ータ リ 流体圧ァ クチユ エ一タの出 力軸 と し て設け られていたも のであ る 。

こ の構造は 、 ブロ ッ ク 7 1 に給排気ポー ト 7 6 ， 7 7 が設け られてい る 点を除けば 、 前述し た単一べ一ンを使 用 し たロ ータ リ バ ラ ンサ と 同 じであ る 。 そ こ で 、 破線及 び実線で示さ れてい る よ う に 、 これら給排気ポー ト 7 6 7 7 を閉塞要素 7 8 , 7 9 で閉塞すれば 、 単一べーン使 用の ロ ータ リ バラ ンサ と して使用 出来る 。

同様に 、 2 枚あるいはそれ以上の枚数のベ ーン （ 可動 気密仕切 り 部材 ） を使用 した型の ロ ータ リ 流体圧ァ クチ ユ エータ の本体部の給排気ポー ト を閉塞すれば 、 これを ロ ータ リ ノ ラ ンサの要部 と して使用出来る こ と は明 らか であろ う 。

なお 、 ロ ータ リ 流体圧ァ クチユ エ一タの給排気ポー ト 7 6 ， 7 7 の内面には 、 給排気管を直接あ るいは間接に 接続にする ためのネジ溝が切っ てあ る こ と が通例であ る か ら 、 閉塞要素 と し ては こ のネジ溝に適合する ネジ部材 を利用する こ と が出来る 。 また 、 必要に応じて他の閉塞 手法 （ 例えば 、 溶接 、 硬化性のコ ンパウ ン ド によ る 閉塞 ) を用いても 良い 。

本発明 によれば 、 ロ ボ ッ ト の回転軸機構部に簡素な構 造を有する ロ ータ リ ノ ラ ンサを内蔵させる こ と で 、 ロ ボ ッ ト の外形を コ ンパ ク ト に保ち なが ら 回転軸駆動モ一 タ の負荷を軽減する こ と が出来る 。 また 、 本発明によれば バ ラ ンス力がアーム に作用 し て橈みが発生する 現象が回 避出来る ので 、 ノ ラ ンサ使用によ る ロ ボ ッ ト の制御精度 の低下が防止 される 。 更に 、 流体圧ロ ータ リ ア ク チユ エ ータ の本体部に簡単な改造を加えたも のを ロ ータ リ バラ ンサの要部に転用すれば 、 よ り 安価 ' 簡便にロ ータ リ バ ラ ンサを製造し 、 ロ ボ ッ ト に装備 させる こ と も 可能にな る 。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ロ ボ ッ ト の回転軸機構に組み込まれる 口 一タ リ バラ ンサであっ て 、

シ リ ンダ と 、

前記シ リ ンダの軸に沿っ て回動 自在に設け られたシャ フ 卜 と 、

前記シ リ ンダの内周面に固定さ れ 、 前記シ リ ンダの内 周面 と 前記シャ フ ト の外周面 と の間の空間の一部を 占有 する少な く と も 一つの固定仕切 り 部材 と 、

前記シ ャ フ ト に固定されて該シャ フ ト と 一体に回動し 前記シ リ ンダの内周面 と 前記シャ フ ト の外周面 と の間の 空間の一部を 占有する少な く と も 一つの可動仕切 り 部材 と 、

前記シ リ ンダの両端開 口 を閉塞する 閉塞部材 と を備え 前記シ リ ンダ内の前記シ ャ フ ト の周囲の空間は 、 前記 固定仕切 り 部材 、 前記可動仕切 り 部材及び前記閉塞部材 によ っ て少な く と も 2 つの領域に仕切 られ 、 該領域内に 各々 気密空間が形成さ れる 、 ロ ータ リ バ ラ ンサ 。

2 . 前記固定仕切 り 部材は 、 前記固定仕切 り 部材 と 前記 シ ャ フ ト と の間をシールする シール部材を備え 、 前記可 動仕切 り 部材は 、 前記可動仕切 り 部材 と 前記シ リ ンダ と の間をシールする シール部材を備え 、 これによ つ て前記 各仕切 られた領域内 に前記気密空間が形成さ れる 、 請求 の範囲第 1 項に記載の ロ ータ リ バラ ンサ 。

3 . 前記仕切 られた領域内に気体を封入したバ ッ グが夫 々 設け られ 、 これによ つ て前記各仕切 られた領域内 に前 記気密空間が形成さ れる 、 請求の範囲第 1 項に記載の 口 一タ リ バ ラ ンサ 。

4 . 給気及び排気ポー ト を有する 流体圧ァ クチユ エータ が 、 前記給気及び排気ポー ト を閉塞する こ と によ っ て 口 一タ リ バ ラ ンサに転用 さ れ 、 前記流体圧ァ クチユ エータ の構成要素が 、 前記シ リ ンダ 、 前記シャ フ ト 、 前記少な く と も 一つの固定仕切 り 部材 、 前記少な く と も 一つの可 動仕切 り 部材 、 前記閉塞部材と し て利用 さ れる 、 請求の 範囲第 1 項乃至第 3 項に記載の ロ ータ リ バラ ンサ 。

5 . ロ ボ ッ ト アーム を駆動する 回転軸駆動機構にロ ータ リ ノ ラ ンサを有する ロ ボ ッ ト であっ て 、

前記ロ ータ リ ノく ラ ンサは 、 シ リ ンダ と 、 前記シ リ ンダ の軸に沿っ て回動 自 在に設け られたシ ャ フ ト と 、 前記シ リ ンダの内周面に固定さ れ 、 前記シ リ ンダの内周面 と 前 記シ ャ フ ト の外周面 と の間の空間の一部を 占有する少な く と も 一つの固定仕切 り 部材 と 、 前記シ ャ フ ト に固定さ れて該シャ フ ト と 一体に回動し 、 前記シ リ ンダの内周面 と 前記シ ャ フ ト の外周面 と の間の空間の一部を 占有する 少な く と も 一つの可動仕切 り 部材 と 、 前記シ リ ンダの両 端開 口 を閉塞する 閉塞部材と を備え 、

前記シ リ ンダ 内の前記シ ャ フ ト の周 囲の空間が 、 前記 固定仕切 り 部材 、 前記可動仕切 り 部材及び前記蓋体によ つ て少な く と も 2 つの領域に仕切 られ 、 該領域内 に各々 気密空間が形成さ れる 、 ロ ボ ッ ト 。

6 . 前記回転軸機構は駆動源を含み 、 前記ロ ボ ッ ト ァー ムは 、 前記駆動源 と 前記ロ ータ リ バラ ンサ と の間に設け られてお り 、 前記ロ ータ リ ノ ラ ンサの前記シ ャ フ ト は前 記ロ ボ ッ ト アーム に連結され 、 前記ロ ボ ッ ト アーム の旋 回に応じ て回動する 、 請求の範囲第 5 項に記載の ロ ボ ッ 卜 o

7 . 前記回転軸駆動機構は駆動源を含み 、 前記ロ ータ リ バ ラ ンサは前記ロ ボ ッ ト アーム と 前記駆動源 と の間に設 け られてお り 、 前記駆動源か ら の駆動力は前記ロ ータ リ バラ ンサを介し て前記ロ ボ ッ ト アームへ伝達さ れる 、 請 求の範囲第 5 項に記載の ロ ボ ッ ト 。

8 . 前記固定仕切 り 部材は 、 前記固定仕切 り 部材 と 前記 シ ャ フ ト と の間をシ一ルする シール部材を備え 、 前記可 動仕切 り 部材は 、 前記可動仕切 り 部材 と 前記シ リ ンダ と の間をシールする シール部材を備え 、 これによ つ て前記 各仕切 られた領域内 に前記気密空間が形成される 、 請求 の範囲第 5 項乃至第 7 項のいずれかに記載の ロ ータ リ バ ラ ンサ 。

9 . 前記少な く と も 2 つの空間領域内に気体を封入し た ノ ッ グが夫々 設け られ 、 これによ つ て前記各仕切 られた 領域内に前記気密空間が形成さ れる 、 請求の範囲第 5 項 乃至第 7 項のいずれかに記載の ロ ボ ッ ト 。

1 0 . 給気及び排気ポー ト を有する 流体圧ァ クチユ エ一 タ が 、 該給気及び排気ポー ト を閉塞する こ と によ り 前記 ロ ータ リ バラ ンサ と して利用 さ れ 、 前記流体圧ァ クチュ エ ー タ の本体構成要素が 、 前記シ リ ンダ 、 前記シ ャ フ ト 前記少な く と も 一つ の固定仕切 り 部材 、 前記少な く と も 一つ の可動仕切 り 部材 、 前記閉塞部材 と して機能する 、 請求の範囲第 5 項乃至第 7 項のいずれかに記載の ロ ボ ッ 卜 。