JP2003039352A

JP2003039352A - ロボット

Info

Publication number: JP2003039352A
Application number: JP2001230193A
Authority: JP
Inventors: Yuji Maeguchi; 裕二前口; Hiroyuki Takayama; 博幸高山; Takahiro Inada; 隆浩稲田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: DE10235191A1; DE10235191B4; US6748819B2; JP3614383B2; US20030066373A1

Abstract

(57)【要約】【課題】モータの負荷トルクを軽減し、モータの小型
化を可能とするロボットを提供する。【解決手段】アーム部材Ａ，第１リンク１，第２リン
ク２，及び第３リンク３によって、平行リンク機構を構
成し、第１リンク１及び第３リンク３を、基部６にて同
軸的に枢支する。第２リンク２と第３リンク３とを枢着
している枢軸によって、第３リンク３のリンク長より短
いリンク長の第４リンクの一端を、第２リンク２及び第
３リンク３に枢着し、第４リンク４と同じリンク長の第
５リンクの一端を、第４リンク４の他端に枢着する。第
５リンク５の他端を、基部６にて枢支し、この枢軸にモ
ータＭの回転軸を連結して、第５リンク５にモータＭの
回転に応じた動作を可能とさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多関節型のマニピ
ュレータ等のロボットに関し、特に、平行リンク機構を
利用したアームを有するロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】関節の機構に平行リンク機構等の四節回
転機構を利用したマニピュレータ等のロボットが知られ
ている。図２は、従来のこの種のロボットの構成を示す
側面図である。図２に示すロボットは、棒状のアーム部
材Ａ、第１リンク１、第２リンク２、第３リンク３、及
び基部６から主に構成されている。

【０００３】アーム部材Ａの先端には、対象物を把持す
るためのハンド、又は対象物に対して溶接を行うための
溶接装置等のエンドエフェクタ（図示せず）が取り付け
られる。アーム部材Ａの先端近傍は、アーム部材Ａの中
心軸を中心として回動し、またアーム部材Ａの長手方向
に対して屈曲することが可能とされている。

【０００４】アーム部材Ａの中間部、アーム部材Ａの長
手方向の中央位置より若干基端側の位置には、第１リン
ク１の一端がアーム部材Ａの長手方向に交差する方向の
枢軸によって枢着されている。一方、第１リンク１の他
端は旋回台６１に前記枢軸と略同一方向の枢軸によって
枢支されている。

【０００５】基部６は、この旋回台６１及び基台６２に
よって構成されている。基台６２はモータ及び減速機等
を内蔵しており（図示せず）、これによって旋回台６１
を水平方向に旋回させることが出来るようになってい
る。

【０００６】アーム部材Ａの基端部には、第２リンク２
の一端が前記枢軸と略同一方向の枢軸によって枢着され
ている。第２リンク２のリンク長（２つの枢軸間の距
離）は、第１リンク１のリンク長と略同寸とされてお
り、第２リンク２の他端は、第３リンク３の一端に前記
枢軸と略同一方向に長い枢軸によって枢着されている。

【０００７】第３リンク３の他端は、前記第１リンクの
他端と同軸的に、旋回台６１に枢支されている。また第
３リンク３のリンク長は、アーム部材Ａと第１リンク１
との枢着位置及びアーム部材Ａと第２リンク２との枢着
位置の間の距離と略同寸とされている。従って、アーム
部材Ａ、第１リンク１、第２リンク２、及び第３リンク
３によって、平行リンク機構が構成された状態となって
いる。

【０００８】旋回台６１には、第１リンク１を回動する
ためのモータと、第３リンク３を回動するためのモータ
が対向配置されている（図示せず）。一方のモータは、
第１リンク１の枢軸にその回転軸が連結され、モータの
回転が第１リンク１へ伝達されるようになっており、他
方のモータは、第３リンク３の枢軸にその回転軸が連結
され、モータの回転が第３リンク３へ伝達されるように
なっている。

【０００９】また、第２リンク２の下部は、第１リンク
１と反対側へ延長されており、この先端にバランサウェ
イト（重り）Ｗが設けられている。このバランサウェイ
トＷは、アーム部材Ａ、エンドエフェクタ、及び搬送す
る対象物等の質量と、旋回台６１の第３リンク３に対す
る枢軸周りに均衡を保つために設けられており、これに
よって第３リンク３を回動せしめるモータへの負荷が軽
減される。

【００１０】また、スプリングを内蔵するスプリングユ
ニット７が、第１リンク１と平行に配されており、スプ
リングユニット７の一端はアーム部材Ａと第１リンク１
との枢軸に回動自在に取り付けられ、他端は旋回台６１
の上端部分に回動自在に取り付けられている。このた
め、第１リンク１が傾倒し、アーム部材Ａが移動したと
きに、スプリングユニット７によりアーム部材Ａが移動
方向の反対側へ付勢され、第１リンク１を回動せしめる
モータへの負荷が軽減される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の如き
従来のロボットにおいては、以下に説明するような理由
によって、特に可搬質量が１００ｋｇ以上の場合に、第
３リンク３を回動せしめるモータに加わる負荷トルクが
甚大であるという問題があった。

【００１２】図３は、従来のロボットでの力学的なつり
合い状態を説明する模式的側面図である。図に示す如
く、アーム部材Ａの先端に力Ｆを下方へ与えたときであ
って、第３リンク３が水平な状態から図中反時計方向へ
角度θだけ傾斜している場合、アーム部材Ａも水平方向
から同方向へ角度θだけ傾斜するので、力Ｆのアーム部
材Ａに直交する方向の成分の大きさは、Ｆｃｏｓθとな
る。従って、アーム部材Ａの基端部には、（１）式にて
示す力Ｆ１が加わることとなる。

【００１３】Ｆ１＝（Ｌ／Ｌ３）Ｆｃｏｓθ …（１）但し、Ｌ：アーム部材Ａの第１リンク１との枢着位置か
らその先端までの長さＬ３：アーム部材Ａの第１リンク１との枢着位置から第
２リンク２との枢着位置までの長さまた、第３リンク３の第２リンク２との枢着位置には、
第２リンク２を介して力Ｆ１が加わり、第３リンク３の
リンク長はＬ３であるので、第３リンク３を回動せしめ
るモータＭには、Ｆ１・Ｌ３（＝Ｌ・Ｆｃｏｓθ）の大
きさの負荷トルクｔが加わる。

【００１４】従って、特に可搬質量が１００ｋｇ以上の
ような、質量が大きい対象物を搬送する場合には、モー
タＭへの負荷が甚大となり、大型のモータを必要として
いた。

【００１５】また、この場合には、第３リンク３を基部
６に枢支している枢軸に加わるトルクが甚大となるた
め、第３リンク３、その枢軸、及びその周辺部材に大き
な応力が発生することとなり、この応力に耐え得るだけ
の剛性を確保する必要が生じ、これらの部材の大型化が
避けられないという問題があった。

【００１６】また、モータＭの大型化だけでなく、この
モータＭの回転軸に連結される減速機を高減速比のもの
とする必要があり、このため対象物を高速に搬送するこ
とができないという問題があった。

【００１７】更に、前記モータＭの負荷を軽減するため
には、アーム部材Ａ、エンドエフェクタ、及び搬送する
対象物等の質量と均衡を保ち得るだけの質量のバランサ
ウェイトＷを取り付ければよいが、可搬質量が１００ｋ
ｇ以上の場合では、大型のバランサウェイトＷが必要と
なり、ロボット１自身の質量が大きくなるため、旋回台
６１を水平方向へ旋回せしめるモータを大型化する必要
がある等の問題があった。

【００１８】また、いわゆるハイブリッドリンク機構を
利用したロボットでは、以下に説明するような問題があ
った。

【００１９】図４は、ハイブリッドリンク機構を利用し
たロボットの概略を模式的に示す側面図である。ハイブ
リッドリンク機構を利用したロボットは、４つのリンク
Ｌ１１〜Ｌ１４によって構成された平行リンク機構を有
しており、これらのリンクＬ１１〜Ｌ１４の内、上部に
配された横長のリンクＬ１１には、その長手方向中間部
から上方へ延設部が設けれている。この延設部はその中
途で略直角に屈曲せしめられており、延設部の先端部分
には、モータ及び減速機等が取り付けられている（図示
せず）。このモータの回転軸が、減速機を介して、アー
ム部材Ａの中間部に連結されている。このようにして、
リンクＬ１１〜Ｌ１４及びアーム部材Ａによってハイブ
リッドリンク機構が構成されている。

【００２０】また、リンクＬ１１〜Ｌ１４の内、アーム
Ａの先端側に配された縦長のリンクＬ１２及び下部に配
された横長のリンクＬ１４は、同軸的に基部６に枢支さ
れており、リンクＬ１２が基部６に内蔵されたモータ及
び減速機（図示せず）によって回動せしめられるように
なしてある。

【００２１】このようなハイブリッドリンク機構を利用
したロボットにおいては、可搬質量が１００ｋｇ以上の
ような、質量が大きい対象物を搬送する場合に、アーム
部材Ａを回動せしめるモータへの負荷が甚大となる。ま
たこのモータへの負荷を減少させるためには、図４に示
す如く、アームＡの基端を延長してバランサウェイトＷ
を取り付ける必要があり、このときにはリンクＬ１２を
回動せしめるモータの負荷が増大する。このため、ハイ
ブリッドリンク機構を利用したロボットでは、可搬質量
が１００ｋｇ以上の場合等に、各モータへの負荷が甚大
となり、大型のモータを利用する必要があった。

【００２２】また、いわゆるシリアルリンク機構を利用
したロボットでは、以下に説明するような問題があっ
た。

【００２３】図５は、シリアルリンク機構を利用したロ
ボットの概略を模式的に示す側面図である。シリアルリ
ンク機構を利用したロボットは、アーム部材Ａの中間部
に、リンクＬ２１の一端が枢着され、このリンクＬ２１
の他端が基部６に枢支された構造をなしており、アーム
部材Ａ及びリンクＬ２１によってシリアルリンク機構が
構成されている。リンクＬ２１の先端には、モータ及び
減速機が取り付けられており（図示せず）、これらによ
ってアーム部材Ａが回動せしめられる。また基部６にも
モータ及び減速機が内蔵されており（図示せず）、これ
らによってリンクＬ２１が回動せしめられる。

【００２４】このようなシリアルリンク機構を利用した
ロボットにおいては、可搬質量が１００ｋｇ以上のよう
な、質量が大きい対象物を搬送する場合に、ハイブリッ
ドリンク機構を利用したロボットと同様、アーム部材Ａ
を回動せしめるモータへの負荷が甚大となり、これを減
少させるためには、アームＡの基端を延長してバランサ
ウェイトＷを取り付ける必要がある。このとき、リンク
Ｌ２１を回動せしめるモータには、搬送する対象物の重
量だけでなく、バランサウェイトＷの重量も負荷として
与えられることとなる。このため、シリアルリンク機構
を利用したロボットでは、可搬質量が１００ｋｇ以上の
場合等に、各モータへの負荷が甚大となり、大型のモー
タを利用する必要があった。

【００２５】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、大型のバランサウェイトを設けることなく、
モータへの負荷を軽減し、従来に比してモータ及び各種
部材の小型化を可能とし、しかも対象物の高速搬送を可
能とするロボットを提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を以
下のような構成からなるロボットによって解決すること
ができる。

【００２７】本発明に係るロボットは、基部と、棒状の
アーム部材と、該アーム部材の中間部にその一端が枢着
され、前記基部にその他端が枢支されている第１リンク
と、前記アーム部材の基端にその一端が枢着された第２
リンクと、該第２リンクの他端にその一端が枢着され、
前記基部に前記第１リンクの他端と同軸的にその他端が
枢支された第３リンクとを備え、前記アーム部材、前記
第１リンク、前記第２リンク、及び前記第３リンクによ
って四節回転機構が構成されているロボットにおいて、
前記第２リンクの他端及び前記第３リンクの一端の少な
くとも一方にその一端が枢着された第４リンクと、該第
４リンクの他端にその一端が枢着され、前記基部にその
他端が枢支された第５リンクと、該第５リンクの他端を
中心として前記第５リンクを回動せしめるアクチュエー
タとを備え、前記第５リンクのリンク長を、前記第３リ
ンクのリンク長よりも短くしてあることを特徴とする。

【００２８】上記発明によれば、以下に説明するような
理由によって、第５リンクを回動せしめるアクチュエー
タへの負荷を従来に比して減少させることが出来る。

【００２９】図６は、本発明に係るロボットの構成の一
例を模式的に示す側面図である。図に示す如く、第２リ
ンク２と第３リンク３とを枢着している枢軸によって、
第４リンク４の一端が第２リンク２及び第３リンク３に
枢着されており、また第４リンク４の他端に、横方向へ
設けられた枢軸によって第５リンク５が枢着されてい
る。また図６では、第５リンク５を回動せしめるアクチ
ュエータとして、モータＭを用いた場合を示している。

【００３０】図６に示したロボットでは、モータＭ１を
駆動することにより、第１リンク１を回動せしめた場合
に、アーム部材Ａが第１リンク１の傾倒方向へ移動し、
モータＭを駆動することにより、第５リンク５を回動せ
しめた場合に、アーム部材Ａが第１リンク１との枢着位
置を中心に回動する。

【００３１】図７は、本発明に係るロボットでの力学的
なつり合い状態を説明する模式的側面図である。図に示
す如く、アーム部材Ａの先端に力Ｆを下方へ与えたとき
であって、第５リンク５が、その第４リンク４との接続
端をアーム部材Ａの先端側（前方）へ向けて水平に配さ
れた状態から、図中時計方向へ角度Θだけ傾斜している
場合には、第５リンク５を枢支する枢軸に負荷トルクＴ
が与えられる。この負荷トルクＴは、角度Θが０°＜Θ
≦１８０°を満たすときには式（２）によって、角度Θ
が１８０°＜Θ≦２４０°を満たすときには式（３）に
よって、角度Θが２４０°＜Θ≦３６０°を満たすとき
には式（４）によって、その近似値が夫々与えられる。
但し、式（２）〜（４）では、第４リンク４と第５リン
ク５のリンク長を同一とし、基部６での第１リンク１及
び第３リンク３の枢支位置と第５リンク５の枢支位置と
を同一水平面上に配置した場合についての負荷トルクＴ
の近似値を表している。

【００３２】

【数１】

【００３３】

【数２】

【００３４】

【数３】ここで式（２）〜（４）において、Ｌはアーム部材Ａの
第１リンク１との枢着位置からその先端までの長さを、
Ｌ３は第３リンク３のリンク長を、Ｌ５は第５リンク５
のリンク長を夫々表しており、ｆ（Θ），ｇ（Θ），ｈ
（Θ），ｋ（Θ），ｍ（Θ），ｎ（Θ），ｐ（Θ）は、
夫々式（５）〜（１１）で与えられる関数である。

【００３５】

【数４】

【００３６】

【数５】

【００３７】

【数６】

【００３８】

【数７】

【００３９】

【数８】

【００４０】

【数９】

【００４１】

【数１０】このようにして得られる負荷トルクＴは、図２に示す従
来のロボットにおいて第３リンク３を回動せしめるモー
タに与えられる負荷トルクに比して非常に小さいものと
なる。このことを、図８（ａ），（ｂ）に示すような本
発明に係るロボットの構成例及び従来のロボットの構成
例夫々における負荷トルクの演算結果を比較して説明す
る。図８（ａ）に示す本発明に係るロボットの構成例で
は、アーム部材Ａの第１リンク１との枢着位置からその
先端までの長さを１９００ｍｍとし、第１リンク１及び
第２リンク２のリンク長を夫々１１００ｍｍとし、アー
ム部材Ａ及び第３リンク３のリンク長を夫々８００ｍｍ
とし、第４リンク４及び第５リンク５のリンク長Ｌを夫
々４００ｍｍとし、アーム部材Ａが水平に配された状態
（以下、基準姿勢という）のときに第３リンク３と第４
リンク４とがなす角度を６０°とし、基準姿勢のときに
第４リンク４と第５リンク５とがなす角度を６０°とし
ている。また図８（ｂ）に示す従来のロボットの構成例
では、アーム部材Ａ、第１リンク１、第２リンク２、及
び第３リンク３のサイズを本発明に係るロボットの構成
例と同一としている。図９（ａ），（ｂ）に、このよう
な構成の本発明に係るロボット及び従来のロボット夫々
についての負荷トルクＴ，ｔを、上述した式を用いて演
算した結果を示している。なお、図９（ａ），（ｂ）に
示した演算結果は、アーム部材Ａの先端に質量が５００
ｋｇの物体を取り付けられた本発明に係るロボットが、
基準姿勢から第３リンク３を図中矢符にて示す方向へ０
°〜３０°回動させたとき姿勢を維持する場合に、第５
リンク５の枢軸ＪＴ５に加わる負荷トルクＴ、及びこれ
と同じ条件で従来のロボットの姿勢を維持する場合に、
第３リンク３の枢軸ＪＴ３に加わる負荷トルクｔの分布
である。

【００４２】図９（ａ），（ｂ）に示すように、従来の
ロボットでの負荷トルクｔは、８０００〜９５００Ｎｍ
であるのに対して、本発明に係るロボットでの負荷トル
クＴは、４０００〜４３００Ｎｍとなっている。このよ
うに、本発明による場合では、第５リンク５の枢軸ＪＴ
５に加わる負荷トルクＴを、従来のロボットに係る第３
リンク３の枢軸ＪＴ３に加わる負荷トルクｔに対して大
幅に軽減することが出来、このため、従来に比して小型
のアクチュエータを用いることが出来る。

【００４３】また、本発明のロボットに係る第５リンク
５の枢軸ＪＴ５に加わる負荷トルクＴを、従来のロボッ
トに係る第３リンク３の枢軸ＪＴ３に加わる負荷トルク
ｔに対して低減することが可能であるため、第５リンク
５、その枢軸ＪＴ５及びその周辺の部材に発生する応力
も低減され、これらの部材に要求される剛性等を緩和
し、これらの部材をよりコンパクトにすることが可能と
なる。

【００４４】更に、第５リンク５をモータによって回動
させる場合、このモータの回転力を第５リンク５に伝達
する減速機の減速比を、従来のロボットに係る第３リン
ク３に連結された減速機の減速比よりも小さくすること
が出来、従って対象物をより高速に搬送することが可能
となる。

【００４５】なお、アクチュエータは、必ずしもモータ
とする必要はなく、例えば油圧式又は空気圧式のシリン
ダとクランク機構又はリンク機構とを組み合わせ、シリ
ンダによる直線運動をクランク機構又はリンク機構によ
って回転運動へ変換して、第５リンク５を回動せしめる
構成としても良い。しかしながら、構造を単純化し、製
造コストを抑える目的から、モータを利用する方が望ま
しい。

【００４６】また、第４リンク４の一端は、必ずしも上
述したように第２リンク２及び第３リンク３の枢着と同
軸的に第２リンク２及び第３リンク３に枢着する必要は
なく、第２リンク２及び第３リンク３を枢着するための
枢軸とは別に、第２リンク２及び第４リンク４を枢着す
るための枢軸を設け、これによって第４リンク４を第２
リンク２に枢着する構成であっても良く、また第２リン
ク２及び第３リンク３を枢着するための枢軸とは別に、
第３リンク３及び第４リンク４を枢着するための枢軸を
設け、これによって第４リンク４を第３リンク３に枢着
する構成であっても良い。しかしながら、部品点数を削
減し、製造コストを抑える目的から、第２リンク２及び
第３リンク３の枢着に利用されている枢軸を用いて、第
４リンク４を第２リンク２及び第３リンク３に枢着する
構成の方が望ましい。

【００４７】上記発明においては、前記第５リンクの他
端を、前記第１リンク及び前記第３リンクが前記基部に
枢支されている位置から、前記第３リンクのリンク長よ
りも短い距離だけ離隔した位置にて、前記基部に枢支す
ることが望ましい。前記第５リンクの他端が前記基部に
枢支されている位置と、前記第１リンク及び前記第３リ
ンクが前記基部に枢支されている位置との距離が大きく
なる程、基部のサイズが大きくなり、ロボット自身の大
型化を招くとともに、前記第１リンク及び前記第３リン
クが前記基部に枢支されている位置から、前記第３リン
クのリンク長よりも長い距離を隔てた位置にて、前記第
５リンクの他端が前記基部に枢支されている場合には、
以下に説明するような理由によって、ロボットの可動範
囲が小さくなる。

【００４８】図１０は、ロボットの可動範囲を説明する
模式的側面図である。図中実線にて示すように、第５リ
ンク５の他端が、第１リンク１及び第３リンク３が基部
６に枢支されている位置から、第３リンク３のリンク長
よりも短い距離だけ隔てた位置に設けられた枢軸Ｏ１に
よって基部６に枢支されている場合には、ロボットの可
動範囲の限界である、第４リンク４及び第５リンク５が
直線状に並んだ状態のときに、アーム部材Ａの長手方向
が略鉛直方向となる。

【００４９】一方、図中二点鎖線にて示すように、第５
リンク５の他端が、第１リンク１及び第３リンク３が基
部６に枢支されている位置から、第３リンク３よりも長
い距離を隔てた位置に設けられた枢軸Ｏ２によって基部
６に枢支されている場合には、第４リンク４及び第５リ
ンク５が直線状に並んだ状態のときに、実線で示したア
ーム部材Ａの傾斜角度に比して、アーム部材Ａの傾斜角
度が小さくなる。このように、第５リンク５の他端を、
第１リンク１及び第３リンク３が基部６に枢支されてい
る位置から、第３リンク３のリンク長よりも短い距離だ
け離隔した位置にて、基部６に枢支することにより、ロ
ボットの可動範囲を十分に確保することが出来る。

【００５０】また、第５リンクの他端を枢支する位置
は、第１リンク及び第３リンクが基部に枢支されている
位置から、第３リンクのリンク長の０．８倍の長さより
も短い距離だけ離隔した位置に設定することがより望ま
しい。このようにすることにより、ロボットの可動範囲
を更に適切に確保することが出来る。

【００５１】上記発明においては、前記第５リンクのリ
ンク長を、前記第３リンクのリンク長の０．３〜０．８
倍とすることが望ましい。第５リンクのリンク長が長く
なるに従い、第５リンクを回動せしめるアクチュエータ
に加わる負荷トルクは増大し、また第５リンクのリンク
長が短くなるに従い、アーム部材の可動範囲が小さくな
る。このような事情から、第５リンクのリンク長は、ア
クチュエータの出力及びアーム部材の可動範囲を勘案し
て設定する必要がある。従って、第５リンクのリンク長
を、第３リンクのリンク長の０．３〜０．８倍とするこ
とにより、前記アクチュエータに加わる負荷トルクが大
きくなり過ぎることを防止することが出来るとともに、
アーム部材の可動範囲が小さくなり過ぎることも防止す
ることが出来る。

【００５２】上記発明においては、前記第４リンクのリ
ンク長を、前記第５リンクのリンク長の０．９〜１．１
倍とすることが望ましい。第４リンクのリンク長が短く
なるに従い、アーム部材の可動範囲が小さくなる。また
第４リンクのリンク長が長くなるに従い、アーム部材の
可動範囲が大きくなるが、ロボット自身が大型化する。
更に、第４リンクのリンク長が、第５リンクのリンク長
に対して長くなるに従い、第４リンクと第５リンクとが
なす角度が小さくなる。リンク機構において、リンク間
の角度が鋭角となり過ぎることは、リンク機構の剛性の
観点から好ましくない。このような事情から、第４リン
クのリンク長は、アーム部材の可動範囲、ロボットのサ
イズ、リンク機構の剛性等を勘案して設定する必要があ
る。従って、第４リンクのリンク長を、第５リンクのリ
ンク長の０．９〜１．１倍とすることにより、アーム部
材の可動範囲が小さくなり過ぎることを防止することが
出来るとともに、ロボット自身の大型化を防止すること
もでき、しかも第４リンク及び第５リンクの連結部分の
剛性を実用上十分なだけ確保することが出来る。

【００５３】上記発明においては、ロボットの可搬質量
を１００ｋｇ以上とすることが望ましい。可搬質量が１
００ｋｇ以上の比較的大型のロボットでは、上述した如
く第３リンクをアクチュエータによって直接回動せしめ
る構成とした場合、このアクチュエータに加わる負荷ト
ルクが、一般的に使用されるアクチュエータの出力では
対処できない程大きなものとなるが、第５リンクをアク
チュエータにて回動せしめ、第４リンク及び第５リンク
を介して第３リンクを回動させるようにすることによっ
て、より小型のアクチュエータを使用することが可能と
なり、製造コストの削減が期待できる。また、バランサ
ウェイトをより小型化することが可能となり、ロボット
の大型化を抑制することも期待できる。

【００５４】また、可搬質量が１００ｋｇ以上のロボッ
トでは、第３リンクのリンク長が３００〜１０００ｍｍ
のものが殆どである。この場合、第４リンク及び第５リ
ンクのリンク長を夫々１５０〜７５０ｍｍとし、基準姿
勢のときの第３リンクと第４リンクとがなす角度及び第
４リンクと第５リンクとがなす角度を夫々３０°〜７０
°とすることが望ましい。ロボットの各構成部品のサイ
ズ及び仕様等に応じて、これらの範囲で前記リンク長及
び前記角度を適宜設定することにより、ロボット自身の
サイズ及びロボットの可動範囲を適切に設定することが
出来る。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係るロ
ボットについて、図面を参照しながら具体的に説明す
る。

【００５６】図１は、本発明の実施形態に係るロボット
の全体斜視図である。図１に示す如く、本実施形態に係
るロボットは、アーム部材Ａ、第１リンク１、第２リン
ク２、第３リンク３、第４リンク４、第５リンク５、及
び基部６から主に構成されている。

【００５７】アーム部材Ａは、略鞍状をなす基端部Ａ２
と、該基端部Ａ２の一端面から延設された略丸棒状のア
ーム本体Ａ１とを備えている。アーム本体Ａ１の先端
は、該アーム本体Ａ１の中心軸を中心とした回動が可能
とされているとともに、アーム本体Ａ１の長手方向に対
して屈曲することが可能であるように、関節Ａ３が設け
られている。関節Ａ３の先端側には、対象物を把持する
ためのハンド、又は対象物に対して溶接を行うための溶
接装置等のエンドエフェクタ（図示せず）を取り付ける
ことが可能である取付部Ａ４が設けられている。取付部
Ａ４も、その中心軸を中心として回動することが可能と
されており、アーム本体Ａ１、関節Ａ３、及び取付部Ａ
４が回動することで、手首に相当する動作を可能として
いる。

【００５８】アーム部材Ａの中間部、即ち基端部Ａ２の
先端部分の下側は半円状に延設された部分を有してお
り、この半円の部分の中心には、アーム本体Ａ１の長手
方向に交差する方向へ貫通する孔が設けられている。ま
た角棒状をなす第１リンク１は、その一端が二股に分か
れており、その両方に対向するように孔が設けられてい
る。この二股に分かれた一端で前記基端部Ａ２の半円状
の部分を挟む状態とし、基端部Ａ２及び第１リンク１夫
々に設けてある孔に枢軸を通すことにより、アーム部材
Ａと第１リンク１とが枢着されている。そして、アーム
部材Ａ及び第１リンク１が相対的に移動することによ
り、肘に相当する動作を可能としている。

【００５９】一方、第１リンク１の他端には、第１リン
ク１の長手方向に交差する方向の枢軸が固着されてお
り、この枢軸が旋回台６１に設けられた軸受けによって
回動自在に支持されている（図示せず）。旋回台６１
は、円盤６１ａの上面に２つの突設部６１ｂ,６１ｃが
対向配置されたような形状をなしており、各々の突設部
６１ｂ,６１ｃは、上部が半円状とされた直方体の上部
をアーム部材Ａの先端側へ傾斜した如き側面視形状をな
している。これらの内の一方の突設部６１ｃに前述した
軸受けが設けられており、これによって第１リンク１の
他端が枢支されている。そして、第１リンク１が旋回台
６１に対して回動することにより、肩に相当する動作を
可能としている。

【００６０】更に旋回台６１の２つの突設部６１ｂ,６
１ｃの上端部には、夫々スプリングユニット７，７の下
側のフックが係合されている。該スプリングユニット
７，７は、上下端夫々にフックが設けられており、その
両端が前記フックに夫々連結されているスプリングを内
蔵している。また、アーム部材Ａと第１リンク１とを枢
着している枢軸の両端は、第１リンク１の外側に夫々突
出しており、この枢軸に夫々のスプリングユニット７，
７の上側のフックが係合されている。これによって、第
１リンク１が傾倒し、アーム部材Ａが移動した場合に、
スプリングユニット７，７によりアーム部材Ａが移動方
向の反対側へ付勢される。

【００６１】またアーム部材Ａの基端、即ち基端部Ａ２
の基端面からは、二股に分かれた部分が延設されてお
り、二股に分かれた部分の両方には、夫々対向するよう
に、アーム本体Ａ１の長手方向に交差する方向へ貫通す
る孔が設けられている。そのリンク長が第１リンク１の
リンク長と略同一である第２リンク２の一端にも孔が設
けられており、該第２リンク２の一端が基端部Ａ２から
延設された二股に分かれた部分に挟まれる状態とされ、
これらの孔に枢軸が貫通されて、アーム部材Ａと第２リ
ンク２とが枢着されている。

【００６２】第２リンク２の他端の第１リンク１との対
向面の反対側の側面には、直方体のブロック状をなすバ
ランサウェイトＷが固着されている。また第２リンク２
の他端は二股に分かれており、二股に分かれた部分の両
方には、夫々対向するように、第２リンク２の長手方向
に交差する方向へ貫通する孔が設けられている。第３リ
ンク３の一端にも孔が設けられており、この第３リンク
３の一端が前記第２リンク２の他端に挟まれる状態とさ
れ、これらの孔を枢軸が貫通されて、第２リンク２と第
３リンク３とが枢着されている。

【００６３】また、第３リンク３の他端にも、一端側の
孔と略平行な孔が設けられている。この孔は、前述した
第１リンク１の他端に設けられた枢軸に遊嵌されてお
り、これによって第３リンク３の他端が旋回台６１に枢
支されている。第３リンク３のリンク長は、基端部Ａ２
に設けられた第１リンク１及び第２リンク２との枢着に
夫々用いられている孔間の距離と略同一とされており、
このためアーム部材Ａ、第１リンク１、第２リンク２、
及び第３リンク３によって平行リンク機構が構成されて
いる。

【００６４】第３リンク３のリンク長の約１／２のリン
ク長を有する第４リンク４の両端には、夫々孔が略平行
に設けられている。第２リンク２と第３リンク３とを枢
着する枢軸は、第２リンク２の外側の一方に突出せしめ
られており、これに前記第４リンク４の一端に設けられ
た孔が遊嵌されている。これにより、第４リンク４が第
２リンク２及び第３リンク３に対して回動することが可
能となっている。

【００６５】第５リンク５のリンク長は、第４リンク４
のリンク長と略同一とされている。また、第５リンク５
の一端の一側面からは、枢軸が突出されている。この枢
軸は、第４リンク４の他端に設けられた孔に貫通せしめ
られており、これによって第４リンク４と第５リンク５
とが相対的に移動することが可能となっている。また第
５リンク５の他端の他側面からも、枢軸が突出せしめら
れており、この枢軸が旋回台６１に設けられた軸受けに
よって回動自在に支持されている（図示せず）。更に具
体的には、旋回台６１の突設部６１ｃに、これの上側の
傾斜面の中途部分から円弧部６１ｄが突出しており、こ
の円弧部６１ｄの内部に前記軸受けが設けられていて、
第５リンク５が枢支されている。この枢支位置は、第１
リンク１を旋回台６１が枢支する枢支位置の横に設けら
れており、これらの枢支位置の高さは略同一とされてい
る。

【００６６】また、第４リンク４及び第５リンク５は、
前記平行リンク機構によって形成される四角形の外側に
て接続されている。なお、第４リンク４及び第５リンク
５を前記四角形の内側にて接続しても良いが、各リンク
間の干渉によるロボットの可動範囲の制限の観点から、
本実施の形態の如く、第４リンク４及び第５リンク５を
前記四角形の外側にて接続する構成の方が望ましい。

【００６７】旋回台６１は、第１リンク１を回動せしめ
るためのモータを内蔵している。このモータの回転軸
は、減速機構を介して、第１リンク１の他端に固定され
た枢軸に連結されており（図示せず）、モータの回転力
を第１リンク１に伝達することが可能とされている。

【００６８】また旋回台６１は、第５リンク５を回動せ
しめるモータＭも内蔵している。このモータＭは、円弧
部６１ｄの内部に配されており、モータＭの回転軸が、
減速機構を介して、第５リンク５の他端から突設された
枢軸に連結されている。これによってモータＭの回転力
を第５リンク５に伝達することが可能となっている。

【００６９】更に旋回台６１は、短寸の略円柱形状をな
す基台６２の上面に載置された状態とされている。基台
６２は、旋回台６１の円盤６１ａの直径と略同寸の直径
とされており、モータ及び減速機構が内蔵されている
（図示せず）。そして、このモータの回転力が旋回台６
１に伝達され、旋回台６１を水平方向へ旋回させるよう
になっている。

【００７０】以上の如き構成により、第１リンク１を回
動せしめるためのモータを駆動した場合には、第１リン
ク１がアーム部材Ａの先端側又は基端側へ回動する。第
１リンク１がアーム部材Ａの先端側へ回動したときに
は、第２リンク２も第３リンク３との枢着点を中心とし
て第１リンク１と略同一角度だけ同一方向へ回動し、こ
れに伴いアーム部材Ａが水平方向からの角度を一定に保
ったままその先端側へ移動する。また第３リンク３，第
４リンク４、及び第５リンク５は移動しない。

【００７１】第１リンク１がアーム部材Ａの基端側へ回
動したときも同様に、第２リンク２が第３リンク３との
枢着点を中心として第１リンク１の回動角度と略同一角
度だけ同一方向へ回動し、これに伴いアーム部材Ａが水
平方向からの角度を一定に保ったままその基端側へ移動
する。このときも同様に、第３リンク３、第４リンク
４、及び第５リンク５は移動しない。

【００７２】一方、モータＭを駆動した場合には、第５
リンク５が第３リンク３へ接近する方向（以下、正方向
という）又は第３リンク３から離隔する方向（以下、負
方向という）へ回動する。第５リンク５が正方向へ回動
したときには、第４リンク４が上方へ移動せしめられ、
これによって第３リンク３が押動され、旋回台６１の枢
支位置を中心に正方向へ回動する。これに伴い第２リン
ク２が水平方向からの角度を一定に保ったまま上方へ移
動し、アーム部材Ａの基端が持ち上げられる。アーム部
材Ａは、第１リンク１との枢着位置を中心として回動
し、その先端が下方へ移動する。また、第１リンク１は
移動しない。

【００７３】また第５リンク５が逆方向へ回動したとき
には、第４リンク４が下方へ移動せしめられ、これによ
って第３リンク３が旋回台６１の枢支位置を中心に負方
向へ回動する。そして第２リンク２が水平方向からの角
度を一定に保ったまま下方へ移動し、アーム部材Ａの基
端が引き下げられる。アーム部材Ａが第１リンク１との
枢着位置を中心として回動し、その先端が上方へ移動す
る。このときも第１リンク１は移動しない。

【００７４】これらの動作に伴い、旋回台６１が旋回せ
しめられ、またアーム部材Ａの先端の各可動部分が駆動
されることにより、エンドエフェクタを所要の位置へ移
動させることが出来る。

【００７５】

【発明の効果】本発明に係るロボットによれば、アーム
部材を１つのリンクとし、これに対向配置される第３リ
ンク、並びにアーム部材及び第３リンクを夫々連結する
第１リンク及び第２リンクによって構成される平行リン
ク機構等の四節回転機構の内、第１リンク及び第３リン
クを同軸的に基部に枢支し、第２リンク及び第３リンク
の連結部分近傍で、第２リンク及び第３リンクの少なく
とも一方に第４リンクの一端を枢着し、該第４リンクの
他端に前記第３リンクのリンク長よりもそのリンク長が
短い第５リンクの一端を枢着し、該第５リンクの他端を
基部に枢支し、アクチュエータにより、この枢軸を中心
として第５リンクを回動すべく構成することにより、大
型のバランサウェイトを設けることなく、アクチュエー
タへの負荷を軽減し、従来に比して出力が小さいアクチ
ュエータを用いることが出来る。

【００７６】また、第５リンク、その枢軸、及びその周
辺部材に過大な応力を発生させず、これらの部材の小型
化を可能とするとともに、第５リンクを高速に回動せし
めることが出来、対象物の高速搬送を可能とする等、本
発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロボットの全体斜視図である。

【図２】平行リンク機構を利用した従来のロボットの
構成を示す側面図である。

【図３】従来のロボットでの力学的なつり合い状態を
説明する模式的側面図である。

【図４】ハイブリッドリンク機構を利用した従来のロ
ボットの概略を模式的に示す側面図である。

【図５】シリアルリンク機構を利用した従来のロボッ
トの概略を模式的に示す側面図である。

【図６】本発明に係るロボットの構成の一例を模式的
に示す側面図である。

【図７】本発明に係るロボットでの力学的なつり合い
状態を説明する模式的側面図である。

【図８】負荷トルクの比較に用いたロボットの構成例
を示す模式図である。

【図９】図８の構成例に対する負荷トルクの演算結果
を示す図表である。

【図１０】ロボットの可動範囲を説明する模式的側面
図である。

【符号の説明】

１第１リンク２第２リンク３第３リンク４第４リンク５第５リンク６基部６１旋回台６２基台Ａアーム部材Ａ１アーム本体Ａ２基端部Ｍモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲田隆浩兵庫県明石市川崎町１番１号川崎重工業株式会社明石工場内Ｆターム(参考） 3C007 BS10 BS22 CV08 CW08 CY36 HT12 3J062 AA38 AB28 AC09 AC10 BA12 CB03 CB18 CB28 CB33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基部と、棒状のアーム部材と、該アーム
部材の中間部にその一端が枢着され、前記基部にその他
端が枢支されている第１リンクと、前記アーム部材の基
端にその一端が枢着された第２リンクと、該第２リンク
の他端にその一端が枢着され、前記基部に前記第１リン
クの他端と同軸的にその他端が枢支された第３リンクと
を備え、前記アーム部材、前記第１リンク、前記第２リ
ンク、及び前記第３リンクによって四節回転機構が構成
されているロボットにおいて、前記第２リンクの他端及び前記第３リンクの一端の少な
くとも一方にその一端が枢着された第４リンクと、該第
４リンクの他端にその一端が枢着され、前記基部にその
他端が枢支された第５リンクと、該第５リンクの他端を
中心として前記第５リンクを回動せしめるアクチュエー
タとを備え、前記第５リンクのリンク長を、前記第３リ
ンクのリンク長よりも短くしてあることを特徴とするロ
ボット。
【請求項２】前記第５リンクは、前記第１リンク及び
前記第３リンクが前記基部に枢支されている位置から、
前記第３リンクのリンク長よりも短い距離だけ離隔した
位置にて、前記基部に他端が枢支されていることを特徴
とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】前記第５リンクのリンク長を、前記第３
リンクのリンク長の０．３〜０．８倍としてあることを
特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
【請求項４】前記第４リンクのリンク長を、前記第５
リンクのリンク長の０．９〜１．１倍としてあることを
特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のロボット。
【請求項５】可搬質量が１００ｋｇ以上であることを
特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のロボット。