JP2005066759A - ロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】 アームの運動により発生する反動を簡単な機構で消去あるいは大幅に低減することができ、作業精度と作業効率も向上させることができるようにする。
【解決手段】 この発明のロボットアーム１Ａは、一端を基部４に他端をハンド側関節軸５にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節２０，３０を有する第１のアーム２および第２のアーム３をパンタグラフ式に備えたロボットアームであり、基部４に対して第１のアーム２とは反対方向に突設されている第１のカウンタウェイト１１と、基部４に対して第２のアーム３とは反対方向に突設されている第２のカウンタウェイト１３と、を備えることを特徴としている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一端を基部に他端をハンド側関節軸にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節を有する第１のアームおよび第２のアームをパンタグラフ式に備えたロボットアームに関するものである。

ロボットアームにより搬送・組立等の作業を行う場合、アームの運動に伴って反動が生じる。この反動によりアーム基部には大きな力が加わるため基部構造や据付部を強固にしなければならない。

しかし、ロボットアームの基部構造や据付部を強固にしていると、そのサイズや重量が増加してしまう。またアームで発生した反動により振動が発生し、作業精度が劣化したり振動が他の機器に伝播して悪影響を及ぼしたりするため、アームの最大速度を抑制して作業効率を下げざるを得ない場合もある。

このようなアームの運動により発生する反動はアームが大型化・高速化するほど増大し、特に半導体ボンディング作業のような高速動作において大きな問題となっている。
特開平６−７９６６１号公報

この発明は上記に鑑み提案されたもので、アームの運動により発生する反動を簡単な機構で消去あるいは大幅に低減することができ、作業精度と作業効率も向上させることができるロボットアームを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、一端を基部に他端をハンド側関節軸にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節を有する第１のアームおよび第２のアームをパンタグラフ式に備えたロボットアームにおいて、上記基部に対して第１のアームとは反対方向に突設されている第１のカウンタウェイトと、上記基部に対して第２のアームとは反対方向に突設されている第２のカウンタウェイトと、を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記第１のカウンタウェイトと第１のアームとの全体の重心位置が基部に常時存在し、上記第２のカウンタウェイトと第２のアームとの全体の重心位置が基部に常時存在する、ことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、上記第１のアームを一端側を介して回動させる第１のアクチュエータと、上記第１のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第１のフライホイールと、上記第２のアームを一端側を介して回動させる第２のアクチュエータと、上記第２のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第２のフライホイールと、を備えることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項３に記載の発明の構成に加えて、上記第１のフライホイールは、第１のアクチュエータの回転軸に歯車列を介して設けられ、その回転軸とは歯車列によって逆回転させられ、上記第２のフライホイールは、第２のアクチュエータの回転軸に歯車列を介して設けられ、その回転軸とは歯車列によって逆回転させられる、ことを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明は、一端を基部に他端をハンド側関節軸にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節を有する第１のアームおよび第２のアームをパンタグラフ式に備えたロボットアームにおいて、上記第１のアームを一端側を介して回動させる第１のアクチュエータと、上記第１のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第１のフライホイールと、上記第２のアームを一端側を介して回動させる第２のアクチュエータと、上記第２のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第２のフライホイールと、を備えることを特徴としている。

この発明のロボットアームでは、基部に対してアームとは反対方向にカウンタウェイトを突設するので、反力の力成分を簡単な機構で消去することができる。また、アームを回動させるアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働くフライホイールを設けたので、反力のモーメント成分を大幅に低減することができる。すなわち、アームの運動により発生する反動を簡単な機構で消去あるいは大幅に低減することができ、それによって基部や据え付け部に発生していた振動を低減でき、作業精度を向上させることができる。また、高速作業が可能となり、作業効率も向上させることができる。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、この発明が適用されるロボットアームについて、図１、図２を用いて説明する。

図１はこの発明が適用されるロボットアームの外観図、図２はそのアーム構造を概略的に示す図である。この発明が適用されるロボットアーム１は、水平多関節構造とパンタグラフ型パラレルリンクを組み合わせた機構を有し、第１アーム２と第２アーム３とを備えている。この２つのアーム２，３は、一端を基部４に他端をハンド側関節５にそれぞれ枢設されている。第１アーム２は、中間関節２０、基部４と中間関節２０との間の基部側リンク２１、および中間関節２０とハンド側関節５との間の先端側リンク２２から構成されている。また、第２アーム３は、中間関節３０、基部４と中間関節３０との間の基部側リンク３１、および中間関節３０とハンド側関節５との間の先端側リンク３２から構成されている。

基部４には、２つのサーボモータ（アクチュエータ）７，８が連結され、第１サーボモータ７は第１アーム２を水平駆動させ、第２サーボモータ８は第２アーム３を水平駆動させる。

この２つのサーボモータ７，８が互いに逆方向に回転するとき、２つのアーム２，３は、基部４を中心に基部側リンク２１と基部側リンク３１とのなす角度が開いたり閉じたりして制御され、全体としてパンタグラフの動作を行い、ハンド側関節５はそれに応じて基部４側に対して接近したり、遠ざかったりし、半径方向の移動を行う。

また、２つのサーボモータ７，８が同一方向に回転するとき、基部側リンク２１と基部側リンク３１とのなす角度が一定の状態で、ハンド側関節５は基部４を中心とする円周上を接線方向に移動する。

ハンド側関節５には、下方にハンド用リンク６が延設されている。このハンド用リンク６は、ここでは図示されていない駆動機構および下端側に取り付けられたハンドを備え、ハンドは、駆動機構により垂直方向の移動および自転運動を行う。

したがって、ハンドは、基部４に対する半径方向、接線方向、垂直方向の移動、および自転を行うことができ、このロボットアーム１はハンドを用いて部品の搬送作業、組み立て作業等を行う。

次に、上記のロボットアーム１に本発明を適用する場合について、実施例１、２に基づいて説明する。

この実施例１では、反力の力成分を消去する構成について説明する。

図３はロボットアームの反力の力成分を消去する場合の考え方を説明するための図、図４は実際の構成例を示す図である。

並進方向に作用する反力の力成分を消去するために、図３に示すように、上記の第１アーム２、第２アーム３からなるパンタグラフ機構（アーム機構）１０２を基部４に対して左右に組合わせたロボットアーム１０１を想定し、左右のアーム機構１０２，１０３を基部４の関節に関して軸対称に動作させる。ここで、他方のアーム機構１０３は第１アーム２Ａ、第２アーム３Ａから構成される。このような２基構成のロボットアーム１０１では、２基のアーム機構１０２，１０３がそれぞれ他方のアーム機構のカウンタウェイトとして相互に作用することを意味し、アーム機構全体の重心位置は常に基部４の関節上にある。

ここで、（反力の力成分）＝（質量）×（重心位置の加速度）であることを考えると、上記２基構成の仮想上のロボットアーム１０１ではアーム機構１０２，１０３がどのように運動してもその重心位置が不動、すなわち加速度が零であるため、反力の力成分が全く生じないことがわかる。

そして、この発明では、実際の構成例として図４に示すように、アーム２，３，２Ａ，３Ａのうち、一方のアーム２Ａ，３Ａを同じ作用を持つカウンタウェイト１１，１３に置き換える。

すなわち、基部４に対して第１アーム２（基部側リンク２１）とは反対方向に、第１カウンタウェイト１１を短軸１２を介して突設し、基部４に対して第２アーム３（基部側リンク３１）とは反対方向に第２カウンタウェイト１３を短軸１４を介して突設している。

上記構成のロボットアーム１Ａでは、第１カウンタウェイト１１と第１アーム２との全体の重心位置が基部４に常時存在し、第２カウンタウェイト１３と第２アーム３との全体の重心位置が基部４に常時存在する。したがって、反力の力成分を簡単な機構で消去することができる。

この実施例２では、上述した反力の力成分を消去する構成に、さらにアームの運動時に発生する回転モーメントを低減する構成を付加した場合について説明する。

図５はロボットアームの運動時に発生する回転モーメントを低減する場合の考え方を説明するための図、図６は実際の構成例を示す図である。

回転方向に作用するモーメント成分を低減するために、図４のロボットアーム１Ａを２基組合わせた、図５のようなアーム機構を想定する。各ロボットアーム１Ａの重心位置は上述のように不動なので機構全体の重心位置もまた不動であり、２基のロボットアーム１Ａがどのように運動しても反力の力成分は生じない（ただしモーメント成分は生じる）。

ここで一方のロボットアーム１Ａの回転が他方のロボットアーム１Ａの回転の逆回転となるように駆動すると、２基のロボットアーム１Ａ，１Ａの運動は互いに速度が同じで方向が逆転した鏡像関係になる。すると２基のロボットアーム１Ａ，１Ａで発生する反力のモーメント成分は大きさが等しく方向が反対であるため、それらの総和は零となる。すなわち、図５のアーム機構では一方のロボットアーム１Ａが、他方のロボットアーム１Ａで発生するモーメントを相殺するフライホイールとして相互に作用し、反力の力成分およびモーメント成分の双方を消去することができる。

そして、この発明では、実際の構成例として図６に示すように、一方のロボットアーム１Ａを２つのフライホイールで置き換える。すなわち、この発明の実施例２におけるロボットアーム１Ｂは、第１アーム２を一端側を介して回動させる第１サーボモータ（アクチュエータ）７と、第１サーボモータ７の回転軸７０に対してその反動モーメントを相殺するように働く第１フライホイール７１と、第２アーム３を一端側を介して回動させる第２サーボモータ（アクチュエータ）８と、第２サーボモータ８の回転軸８０に対してその反動モーメントを相殺するように働く第２フライホイール８１とを備えている。

第１フライホイール７１は、第１サーボモータ７の回転軸７０に歯車列７２を介して設けられ、その回転軸７０とは歯車列７２によって逆回転させられ、また同様に、第２フライホイール８１は、第２サーボモータ８の回転軸８０に歯車列８２を介して設けられ、その回転軸８０とは歯車列８２によって逆回転させられる。

このように、この実施例２では、第１アーム２，第２アーム３を回動させるサーボモータ７，８の回転軸７０，８０に対してその反動モーメントを相殺するように働くフライホイール７１，８１を設けたので、反力のモーメント成分を大幅に低減することができる。

この場合、第１アーム２、第２アーム３の慣性モーメントはアーム姿勢に依存して変化するのに対して、フライホイール７１，８１の慣性モーメントは一定であるため、反力のモーメント成分を常に消去することはできなくなる。しかしながら、フライホイール７１，８１の質量（慣性モーメント）を適切に設定することにより、反力の主要なモーメント成分を消去して十分に低減することができる。

次に、上記した反力の力成分の消去、およびモーメント成分の低減について、詳細な解析を行う。

図７はこの発明が適用されるロボットアームをモデル化した図である。図中、Ｌは基部側リンク２１，３１、先端側リンク２２，３２の長さ、Ｌ_Ａ０は基部側リンク２１の重心位置、Ｌ_Ａ１は先端側リンク２２の重心位置、Ｌ_Ｂ０は基部側リンク３１の重心位置、Ｌ_Ｂ１は先端側リンク３２の重心位置、θ_Ａは基部側リンク２１および先端側リンク３２の姿勢、θ_Ｂは基部側リンク３１および先端側リンク２２の姿勢をそれぞれ示している。

このモデル化したロボットアームにおいて、各リンク（基部側リンク、先端側リンク）の重心位置は基部に関して次式で表される。

以上の式から反力の力成分

は次式のように導かれる。なお、次式のＭ_Ａ０，Ｍ_Ａ１，Ｍ_Ｂ０，Ｍ_Ｂ１はそれぞれ基部側リンク２１、先端側リンク２２、基部側リンク３１、先端側リンク３２の質量である。

ここで基部側リンク２１，３１にカウンタウェイトを付加することにより、それらの質量および重心位置を変更する。

を満たすようにカウンタウェイト質量・位置を設定すれば、

となり、反力の力成分を消去することができる。

ここでカウンタウェイトの効果は（質量×重心位置）であるのに対して、その慣性モーメントは（質量×重心位置^２）となる。したがって同じ効果を得るためであれば、カウンタウェイトの質量を大きく、基部関節から重心位置までの距離を小さくする方が慣性モーメントを小さくすることができる。

一方、反力のモーメント成分ｍは次式のように導かれる。なお、次式のＩ_Ａ０，Ｉ_Ａ１，Ｉ_Ｂ０，Ｉ_Ｂ１はそれぞれ基部側リンク２１、先端側リンク２２、基部側リンク３１、先端側リンク３２の重心に関する慣性モーメントである。

ここで以下の関係を用いて上式を変形する。

するとモーメント成分ｍを次式のように整理することができる。

上式においてＩ_Ａ，Ｉ_Ｂはそれぞれアーム姿勢に依存しない定数である。したがって慣性モーメントＩ_Ａ，Ｉ_Ｂを有するフライホイールを設け、各フライホイールを、

で駆動すれば反力のモーメント成分の主要な項は消去され、

のみに低減される。

以上述べたように、この発明のロボットアーム１Ａ，１Ｂでは、基部４に対してアーム２，３とは反対方向にカウンタウェイト１１，１３を突設するので、反力の力成分を簡単な機構で消去することができる。また、アーム２，３を回動させるサーボモータ７，８の回転軸７０，８０に対してその反動モーメントを相殺するように働くフライホイール７１，８１を設けたので、反動モーメントを大幅に低減することができる。すなわち、アーム２，３の運動により発生する反動を簡単な機構で消去あるいは大幅に低減することができ、それによって基部４や据え付け部に発生していた振動を低減でき、作業精度を向上させることができる。また、高速作業が可能となり、作業効率も向上させることができる。

この発明が適用されるロボットアームの外観図である。 図１のロボットアームのアーム構造を概略的に示す図である。 ロボットアームの反力の力成分を消去する場合の考え方を説明するための図である。 反力の力成分を消去するロボットアームの実際の構成例を示す図である。 ロボットアームの運動時に発生する回転モーメントを低減する場合の考え方を説明するための図である。 運動時に発生する回転モーメントを低減するロボットアームの実際の構成例を示す図である。 この発明が適用されるロボットアームをモデル化した図である。

符号の説明

１ 本発明が適用されるロボットアーム
１Ａ，１Ｂ 本発明のロボットアーム
１１ 第１カウンタウェイト
１２ 短軸
１３ 第２カウンタウェイト
１４ 短軸
２ 第１アーム
２Ａ 第１アーム
２０ 中間関節
２１ 基部側リンク
２２ 先端側リンク
３ 第２アーム
３Ａ 第２アーム
３０ 中間関節
３１ 基部側リンク
３２ 先端側リンク
４ 基部
５ ハンド側関節
６ ハンド用リンク
７ 第１サーボモータ
７０ 回転軸
７１ 第１フライホイール
８ 第２サーボモータ
８０ 回転軸
８１ 第２フライホイール
１０１ ロボットアーム
１０２ アーム機構
１０３ アーム機構

Claims (5)

1. 一端を基部に他端をハンド側関節軸にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節を有する第１のアームおよび第２のアームをパンタグラフ式に備えたロボットアームにおいて、
   上記基部に対して第１のアームとは反対方向に突設されている第１のカウンタウェイトと、
   上記基部に対して第２のアームとは反対方向に突設されている第２のカウンタウェイトと、
   を備えることを特徴とするロボットアーム。
2. 上記第１のカウンタウェイトと第１のアームとの全体の重心位置が基部に常時存在し、上記第２のカウンタウェイトと第２のアームとの全体の重心位置が基部に常時存在する、請求項１に記載のロボットアーム。
3. 上記第１のアームを一端側を介して回動させる第１のアクチュエータと、
   上記第１のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第１のフライホイールと、
   上記第２のアームを一端側を介して回動させる第２のアクチュエータと、
   上記第２のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第２のフライホイールと、
   を備える請求項１または２に記載のロボットアーム。
4. 上記第１のフライホイールは、第１のアクチュエータの回転軸に歯車列を介して設けられ、その回転軸とは歯車列によって逆回転させられ、
   上記第２のフライホイールは、第２のアクチュエータの回転軸に歯車列を介して設けられ、その回転軸とは歯車列によって逆回転させられる、請求項３に記載のロボットアーム。
5. 一端を基部に他端をハンド側関節軸にそれぞれ枢設され、その一端と他端との間に関節を有する第１のアームおよび第２のアームをパンタグラフ式に備えたロボットアームにおいて、
   上記第１のアームを一端側を介して回動させる第１のアクチュエータと、
   上記第１のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第１のフライホイールと、
   上記第２のアームを一端側を介して回動させる第２のアクチュエータと、
   上記第２のアクチュエータの回転軸に対してその反動モーメントを相殺するように働く第２のフライホイールと、
   を備えることを特徴とするロボットアーム。
   
   

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