JP2000141257A - スカラ型ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 垂直軸の軸受の安全率を満足しながらロボッ
トの移動速度を高めることができるようにする。 【解決手段】 ロボットの制御装置は水平アーム及び垂
直軸を移動することにより垂直軸の下端に設けられたチ
ャッキングハンドによりチャッキングしたワークを所定
位置に搬送する。この場合、水平アームが旋回すると、
垂直軸の軸受にはモーメントが作用するものの、ロボッ
トの制御装置は、垂直軸が軸受から下方に突出したスト
ロークＬに対応した所定の関数で求められる最高速度制
限値でロボットの動作速度を制御する。この場合、所定
の関数とは、ストロークＬにかかわらず垂直軸の軸受に
作用するラジアル荷重が一定となるような関数であるの
で、ストロークＬにかかわらず垂直軸の軸受の安全率が
一定となり、ロボットの動作速度を高めることができ
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、垂直軸を軸受によ
り垂直移動及び回動可能に水平軸に支持し、上記各軸の
回動及び移動を制御する制御手段を備えたスカラ型ロボ
ットの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スカラ型ロボットでは、水平アームの先
端に垂直軸を軸受により垂直移動可能に支持し、水平ア
ームの旋回動作と垂直軸の垂直移動動作とを組合せるこ
とにより垂直軸の下端に装着されたチャッキングハンド
などを三次元的に移動するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、チャッキン
グハンドによりワークをチャッキングした状態で旋回移
動した場合、ワークには水平方向に大きな遠心力が作用
する。このような遠心力は垂直軸の軸受にモーメントと
して集中的に作用するので、軸受に過度のラジアル荷重
が作用して軸受の寿命が低下するという事情がある。

【０００４】この場合、垂直軸のストロークが大きい
程、軸受には大きなモーメントが作用して軸受の安全率
が低下してしまうことから、図９に示すように垂直軸の
ストロークに比例してロボットの速度を低下するように
制御することが行われていた。従って、垂直軸のストロ
ークが大きくなる程、ロボットの速度が低下するので、
垂直軸を支持する軸受にかかるラジアル荷重を抑制して
軸受の寿命を長くすることができる。

【０００５】しかしながら、このような制御では、垂直
軸のストロークが大きくなる程、軸受の安全率が過大と
なっていることが判明した。このことは、ロボットの移
動速度が不必要に制限されていることを意味しているの
で、ロボットの効率的な動作速度が得られないという欠
点がある。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、垂直軸の軸受の安全率を満足しながら
移動速度を高めることができるスカラ型ロボットの制御
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、制御手段は、水平軸を旋回すると共に垂直軸を垂直
移動することにより垂直軸を三次元的に移動すると共に
垂直軸を回動する。

【０００８】ここで、ロボットの動作状態では垂直軸の
軸受には垂直軸に作用する遠心力に伴うモーメントが作
用する。この場合、図９に示すように垂直軸のストロー
クと比例するようにロボットの動作速度を低下した場合
には、垂直軸のストロークに従って軸受の安全率が過大
となっていることが判明した。この場合、垂直軸の軸受
の安全率が一定となるようにロボットの動作速度を制御
するには、ストロークの平方根の逆数を変数とする所定
の関数で制御すればよいことが分った。

【０００９】そこで、制御手段は、各軸の速度をストロ
ークの平方根の逆数を変数とする所定の関数で制御する
ので、軸受の安全率を満足しながらロボットの動作速度
を高めることができる。

【００１０】請求項２の発明によれば、制御手段は、所
定の関数で求めた速度がロボットに規定された最高速度
を上回るような場合は、各軸の速度を最高速度で制御す
るので、垂直軸のストロークにかかわらずロボットを最
高速度で動作することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
１乃至図８を参照して説明する。図３はスカラ型ロボッ
トを斜視して示している。この図３において、スカラ型
ロボット１は、主軸２に第１の水平アーム３を旋回可能
に支持すると共に、その第１の水平アーム３の先端部に
第２の水平アーム４を旋回可能に支持し、さらに第２の
水平アーム４の先端部に垂直軸５を垂直移動可能に支持
して構成されている。この垂直軸５の下端には負荷取付
部６が一体に設けられており、その負荷取付部６にチャ
ッキングハンド、真空チャックなどを装着するようにな
っている。尚、負荷取付部６は図示しないモータにより
回動可能に設けられている。また、垂直軸５に平行に空
圧シリンダ７が設けられており、その空圧シリンダ７に
より垂直軸５に作用する負荷重量をバランスさせるよう
にしている。

【００１２】図４はロボット１の電気的構成を概略的に
示している。この図４において、ロボット１には水平ア
ーム３，４及び垂直軸５の移動位置などを検出する回転
角センサ８が設けられており、制御装置９（制御手段に
相当）は、回転角センサ８が検出した回転角に基づいて
アーム駆動装置１０を制御することによりチャッキング
ハンドによりチャッキングしたワークを所定位置に搬送
すると共に、現在の動作状態を入力装置を兼ねた表示装
置１１に表示するようになっている（図３参照）。

【００１３】図５は上述したロボット１を模式的に示し
ている。また、図６は図５に示したロボット１の負荷取
付部６に取付けられた負荷１２に水平方向に作用する力
の作用関係を示している。この図６において、ロボット
１の垂直軸５が水平アーム３，４の旋回運動によって移
動する際に作用する水平方向の力は遠心力と慣性力との
合成力である。この場合、第１の水平アーム３及び第２
の水平アーム４が直線的な位置関係となったときに負荷
取付部６に取付けられた負荷１２に作用する遠心力及び
慣性力が最大となる。

【００１４】つまり、第１のアーム３が主軸２を中心と
して旋回するのに伴って負荷１２に生じる遠心力と第２
の水平アーム４が第１の水平アーム３を中心として旋回
するのに伴って負荷１２に生じる遠心力との合成遠心力
Ｆが次式に示すように作用し、その合成遠心力Ｆが最大
となる条件が第１，第２の水平アーム３，４が直線的な
位置関係となる場合である。また、第１のアーム３が主
軸２を中心として加速度的に旋回するのに伴って負荷１
２に生じる慣性力と第２の水平アーム４が第１の水平ア
ーム３を中心として加速度的に旋回するのに伴って負荷
１２に生じる慣性力との合成慣性力Ｍが次式に示すよう
に作用し、その合成慣性力Ｍが最大となる条件が第１，
第２の水平アーム３，４が直線的な位置関係となる場合
である。従って、負荷１２に水平方向に作用する力Ｐは
次式のように表すことができる。尚、図中のｒ1 は第１
の水平アーム３の長さを示し、ｒ2 は第２の水平アーム
４の長さを示している。

【００１５】

【数１】

【００１６】ところで、垂直軸５の負荷取付部６に取付
けられる負荷１２の重心は垂直軸５の軸中心から水平方
向に偏心して位置しているのが一般的であるので、図７
に示すように垂直軸５が加速度的に上下動する状態（ロ
ボット１の動作ではこのような状態が一般である）で
は、垂直軸５の軸受１３には上述のようにして求めた負
荷１２に作用する水平方向合成力Ｐによる曲げモーメン
トと負荷１２が加速度的に上下動するのに応じて生じる
曲げモーメントとの合成曲げモーメントＲが次式に示す
ように作用する。この図中において、Δｘは垂直軸５が
最上位置に位置したときの軸受１３の中心から負荷取付
部６の下端までの距離、Ｌは垂直軸５が軸受１３から下
方に突出したストロークを示し、ｌは負荷取付部６の下
端から負荷１２の重心までの距離を示し、Ｓは垂直軸５
の軸中心から負荷１２の重心までの距離を示し、Ｑは垂
直軸５の垂直移動動作により生じる力を示している。

【００１７】

【数２】

【００１８】ここで、制御装置９は、ロボット１の動作
速度を制御する際は速度を最高速度に対する比率で示さ
れる動作速度ＳＰで制御するので、速度及び加速度を実
際の制御で使用する動作速度ＳＰで表すと、

【数３】 となる。従って、負荷１２に作用する水平方向の合成力
Ｐは、

【数４】 と表すことができる。ここで、数４において、

【数５】 とおくと、

【数６】 と表すことができるので、定数をＣとすると、水平方向
の合成力Ｐは、

【数７】 となる。

【００１９】ところで、実際の垂直軸５は、図８に示す
ようにスプラインシャフト１４とラックスプライン１５
とを並列状態に連結し、ラックスプライン１５をモータ
１６による歯車１７の回転により上下動することにより
スプラインシャフト１４を上下動するように構成されて
いる。この場合、スプラインシャフト１４は上側シャフ
ト軸受１８及び下側シャフト軸受１９の二点で支持され
ていると共に、ラックスプライン１５は上側ラック軸受
２０及び下側ラック軸受２１の二点で支持されている。

【００２０】従って、上述したように負荷１２に作用す
る曲げモーメントＲは、２個のシャフト軸受１８，１９
及び２個のラック軸受２０，２１で分担して受けること
になる。この場合、スプラインシャフト１４とラックス
プライン１５との断面積比は２対１であるので、シャフ
ト軸受１８，１９は曲げモーメントＲの２／３を分担し
て受け、ラック軸受２０，２１は曲げモーメントＲの１
／３を分担して受けていることになる。このことは、シ
ャフト軸受１８，１９は水平合成力Ｐの２／３を分担し
て受けると共に、ラック軸受２０，２１は水平合成力Ｐ
の１／３を分担して受けることを意味している。

【００２１】さて、スプラインシャフト１４に作用する
曲げモーメント２Ｒ／３は上側シャフト軸受１４と下側
シャフト軸受１９との中間を中心として作用するので、
下側シャフト軸受１９には負荷１２に作用する水平方向
合成力Ｐと反対方向の力が作用し、上側シャフト軸受１
８には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと同一方向
の力が作用する。つまり、下側シャフト軸受１９に作用
する水平方向力であるラジアル荷重ｆ１は、上側シャフ
ト軸受１８に作用する水平方向力であるラジアル荷重ｆ
２と水平方向合成力２Ｐ／３との合力となるので、下側
シャフト軸受１９の安全率を考慮すればよいことにな
る。

【００２２】この場合、下側シャフト軸受１９に作用す
る水平方向の力と曲げモーメントは、上側シャフト軸受
１８の中心と下側シャフト軸受１９の中心との間の距離
は５０ｍｍであるので、垂直軸５が最上位置に位置した
状態で上側シャフト軸受１８の中心から負荷取付部６の
下端までの距離をΔｘとすると、

【数８】 と表すことができる。従って、下側シャフト軸受１９に
作用するラジアル荷重ｆ１は、

【数９】 となる。

【００２３】一方、ラックスプライン１５に作用する曲
げモーメントＲ／３は上側ラック軸受２０と下側ラック
軸受２１との中間を中心として作用するので、下側ラッ
ク軸受２１には負荷１２に作用する水平方向合成力Ｐと
反対方向の力が作用し、上側ラック軸受２０には負荷１
２に作用する水平方向合成力Ｐと同一方向の力が作用す
る。つまり、下側ラック軸受２１に作用する水平方向力
であるラジアル荷重ｆ３は、上側ラック軸受２０に作用
する水平方向力であるラジアル荷重ｆ４と水平方向合成
力Ｐ／３との合力となるので、下側ラック軸受２１の安
全率を考慮すればよいことになる。

【００２４】この場合、下側ラック軸受２１に作用する
力は、上側ラック軸受２０の中心と下側ラック軸受２１
の中心との間の距離は６５ｍｍ、シャフト軸受１４とラ
ック軸受１５との間の距離は５３．５９ｍｍであるの
で、垂直軸５が最上位置に位置した状態で上側シャフト
軸受２０の中心から負荷取付部６の下端までの距離をΔ
ｙとすると、

【数１０】 と表すことができる。従って、下側ラック軸受２１に作
用するラジアル荷重ｆ３は、

【数１１】 となる。ここで、本実施の形態のロボット１の仕様は、

【数１２】 と規定されているので、下側シャフト軸受１９に作用す
るラジアル荷重ｆ１は、

【数１３】 と表すことができる。この式に数７を代入すると、

【数１４】 と表すことができる。

【００２５】さて、下側シャフト軸受１９の安全率を一
定とした場合のロボット１の動作速度ＳＰと垂直軸５の
ストロークＬとの関係を導くと、ＣD を下側シャフト軸
受１９に作用する定格荷重、Ｄを定数とすると、

【数１５】 と表すことができる。

【００２６】従って、ロボット１の動作速度ＳＰは、

【数１６】 となる。

【００２７】この数式から、ロボット１の動作速度ＳＰ
を垂直軸５のストロークＬの平方根の逆数を変数とする
所定の関数式で制御することによりストロークＬにかか
わらず下側シャフト軸受１９の安全率を一定とすること
ができることが分る。

【００２８】このようにして求めたストロークＬと速度
との関係を、ストロークＬが１００ｍｍのときの安全率
を基準に求めて図１に示した。制御装置９は、この図１
で示された速度の関数に基づいて垂直軸５の速度を制御
する。また、図２は、図１で示した関係のときのトロー
クＬと安全率との関係を示している。

【００２９】尚、同様にして、下側ラック軸受１５の安
全率を一定としたときのロボット１の動作速度ＳＰと垂
直軸５のストロークＬとの関係を次式のように導くこと
ができる。

【００３０】

【数１７】

【００３１】従って、上記各関係式を満足するようにロ
ボット１の動作速度ＳＰを制御することにより、垂直軸
５のストロークＬにかかわらず各軸受１９，２１の安全
率を一定とすることができる。

【００３２】このような実施の形態によれば、図１で示
した垂直軸５のストロークＬの平方根の逆数を変数とす
る所定の関数式でロボット１の動作速度ＳＰを制御する
ことにより、ストロークＬ（Ｌ≧１００）にかかわらず
下側シャフト軸受１９及び下側ラック軸受２１の安全率
を一定とすることができるので、ストロークに比例して
ロボットの動作速度を小さく制御することにより軸受の
安全率が過大となる従来例のものと違って、軸受１８〜
２１の安全率が低下してしまうことなくロボット１の動
作速度を高めることができる。

【００３３】この場合、垂直軸５のストロークＬに基づ
いて求めたロボット１の動作速度がロボット１に設定さ
れている最高速度を上回るような場合は、ロボット１を
最高速度で動作させるようにしたので、ストロークＬに
かかわらず軸受１８〜２１の安全率を満足しながらロボ
ット１の動作速度を高めることができる。

【００３４】しかも、このように優れた効果を奏する構
成は、ストロークＬとロボット１の動作速度ＳＰとのデ
ータテーブルを修正するだけで対応することができるの
で、コストが高くなることなく容易に実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における最高速度と最高
速度制限値との関係を示す図

【図２】ストロークＬと軸受の安全率との関係を示す図

【図３】ロボットの全体を示す斜視図

【図４】ロボットの電気的構成を示すブロック図

【図５】ロボットを模式的に示す側面図

【図６】垂直軸に水平方向に作用する力関係を示すアー
ムの模式図

【図７】垂直軸と負荷の重心との距離関係を示す側面図

【図８】垂直軸の詳細を模式的に示す側面図

【図９】従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１はロボット、３，４は水平アーム（水平軸）、５は垂
直軸、９は制御装置（制御手段）、１２は負荷、１４は
スプラインシャフト、１５はラックスプライン、１８，
１９はシャフト軸受、２０，２１はラック軸受である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直軸を軸受により垂直移動及び回動可
   能に水平軸に支持し、上記各軸の回動及び移動を制御す
   る制御手段を備えたスカラ型ロボットの制御装置におい
   て、 前記制御手段は、前記各軸の速度を前記垂直軸が前記軸
   受から下方に突出したストロークの平方根の逆数を変数
   とする所定の関数で制御することを特徴とするスカラ型
   ロボットの制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記所定の関数で求め
   られた速度が最高速度を上回るような場合は前記各軸の
   速度を最高速度で制御することを特徴とする請求項１記
   載のスカラ型ロボットの制御装置。