JP2011025335A

JP2011025335A - Robot

Info

Publication number: JP2011025335A
Application number: JP2009171816A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Akae; 裕光赤江
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-02-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a self-weight compensation arm equipped with a balance function compensating self-weight torque of a robot in the whole area of the operation range of a robot arm, with a simple configuration and at low cost. <P>SOLUTION: The robot comprising at least one joint and two arms is equipped with: a second arm 2 rotatably supported around a first arm 1 and a joint fulcrum 3 with respect to the first arm 1; and a balance mechanism 7 bringing the second arm 2 to a standstill at an optional angle. In the robot, a fixed groove 4 is provided on one end of the first arm 1, a movable groove 5 is provided on one end of the second arm 2, and the first arm 1 and the second arm 2 are connected by the fixed groove 4 and a movable pin 6 operating along the movable groove 5. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は作動アームの姿勢角度に関わらず、作動アームの自重トルクをバランス機構の弾性力により補償することのできるロボットに関するものである。 The present invention relates to a robot capable of compensating the weight of the operating arm by the elastic force of the balance mechanism regardless of the attitude angle of the operating arm.

一般に機械装置の組立作業などを行うロボットアームは、障害物との接触を容易に回避することができ、狭い環境にも入り込ませることのできる多関節アームがほとんどである。しかしながら、そのような多関節アームでは関節数が増加するに従って、アクチュエータをそのまま関節に設置して構成しようとすると、自重が増加するため、アクチュエータ出力はアーム重量を保持することに大きく消費され、アームの姿勢によっては可搬質量をほとんど出すことができなくなる。また、アクチュエータ容量を大きくし可搬質量を大きく設計しようとすると、関節機構およびアクチュエータが大型化してしまい、更なるアームの質量アップにつながるという問題があった。 In general, most robot arms that perform assembly work of mechanical devices can be easily avoided contact with obstacles, and can be entered into a narrow environment. However, in such a multi-joint arm, as the number of joints increases, an attempt to install and configure the actuator as it is in the joint increases its own weight, so the actuator output is greatly consumed in maintaining the arm weight. Depending on the posture, it is almost impossible to produce a loadable mass. Further, when the actuator capacity is increased and the loadable mass is designed to be large, the joint mechanism and the actuator are increased in size, leading to a further increase in the mass of the arm.

これを解消するために、自重補償アームが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなロボットは、自重トルクを補償することによりアクチュエータの容量を小さくし、アクチュエータの小型・軽量化、低コスト化などを図るために用いられる。
また、第２の自重補償アームが提案されている（例えば、特許文献２参照）。ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性を調整できるものである。 In order to solve this problem, a self-weight compensation arm has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Such a robot is used to reduce the capacity of the actuator by compensating for its own weight torque, thereby reducing the size, weight, and cost of the actuator.
A second self-weight compensation arm has been proposed (see, for example, Patent Document 2). The self-weight compensation characteristic can be adjusted according to the installation direction of the robot arm.

特開昭６３−３６９１４号公報JP-A-63-36914

特開平６−１７０７８０号公報JP-A-6-170780

特許文献１で提案された自重補償アームは、引っ張りコイルバネによりアームに加わる自重に基づく重力を補償するものであるが、引っ張りコイルバネのバネ定数および、引っ張りコイルバネの自然長と、回転リンクが土台に対してなす角度θが自重トルクに対して釣り合う条件を満たした時に、その一姿勢でのみ自重トルクと補償トルクが釣り合っていたに過ぎず回転リンクの回動範囲および自重補償範囲が非常に制限されるものであった。
また、ロボットアームを床設置する場合には自重補償としての機能を果たすが、他の設置姿勢(例えば天井設置やヒューマノイドタイプのロボットのような下向き設置)の場合には自重補償が機能しないという問題点があった。 The self-weight compensation arm proposed in Patent Document 1 compensates the gravity based on the self-weight applied to the arm by the tension coil spring. However, the spring constant of the tension coil spring, the natural length of the tension coil spring, and the rotation link with respect to the base When the angle θ to be met satisfies the condition for balancing the weight torque, the rotation weight of the rotating link and the weight compensation range are very limited because the weight torque and the compensation torque are balanced only in one posture. It was a thing.
In addition, when the robot arm is installed on the floor, it functions as a self-weight compensation, but the self-weight compensation does not function in other installation postures (for example, a ceiling installation or a humanoid type robot facing downward). There was a point.

特許文献２で提案された自重補償アームは、ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性の調整が可能ではあるが、特許文献１同様に回転リンクが土台に対してなす角度θが自重トルクに対して釣り合う条件を満たした時にその一姿勢でのみ自重トルクと補償トルクが釣り合っているにすぎず、自重補償の精度が高くない。 Although the self-weight compensation arm proposed in Patent Document 2 can adjust the self-weight compensation characteristic in accordance with the installation direction of the robot arm, as in Patent Document 1, the angle θ formed by the rotating link with respect to the base becomes the self-weight torque. On the other hand, when the condition for balancing is satisfied, the self-weight torque and the compensation torque are balanced only in one posture, and the accuracy of the self-weight compensation is not high.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットアームの可動範囲全域でロボットの自重トルクを高精度で補償でき、ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性の調整が可能なバランス機能を備えたロボットを、簡単な構成で実現することを目的としている。 The present invention has been made in view of such problems, and can compensate for the robot's own weight torque with high accuracy over the entire movable range of the robot arm, and can adjust its own weight compensation characteristic in accordance with the installation direction of the robot arm. The purpose is to realize a robot with a simple balance function with a simple configuration.

上記問題を解決するために、本発明は次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの関節と２つのアームから構成されるロボットであって、第１のアームと関節支点を中心に前記第１のアームに対して回動自在に支持された第２のアームと、前記第２のアームを任意の角度で静止させるバランス機構とを備え、前記第１のアームの一端に固定溝を、前記第２のアームの一端に可動溝が備えられ、前記固定溝と前記可動溝に沿って動作する可動ピンにより前記第１アームと前記第２アームが連結されるものである。
請求項２に記載の発明は、前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状は、前記第２のアームの姿勢により生じる自重トルクと、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが一致するように算出された軌跡から求められたものである。
請求項３に記載の発明は、前記バランス機構の一端が前記第１のアームに、他端が前記可動ピンへ固定されているものである。
請求項４に記載の発明は、前記バランス機構には引っ張りコイルバネが用いられているものである。
請求項５に記載の発明は、予めワークの保持姿勢がわかっている場合、前記第２のアームの自重トルクにワークの自重トルクを足し合わせ、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが足し合わされた前記自重トルクと一致するように算出された軌跡から前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状を形成したものである。 In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a robot composed of at least one joint and two arms, and is supported so as to be rotatable with respect to the first arm around a first arm and a joint fulcrum. A second arm and a balance mechanism for stopping the second arm at an arbitrary angle, a fixed groove at one end of the first arm, and a movable groove at one end of the second arm. The first arm and the second arm are connected by a movable pin that moves along the fixed groove and the movable groove.
According to a second aspect of the present invention, the shape of the movable groove in which the movable pin operates is such that the self-weight torque generated by the posture of the second arm and the self-weight compensation torque of the balance mechanism provided in the first arm. It is obtained from the locus calculated so as to match.
According to a third aspect of the present invention, one end of the balance mechanism is fixed to the first arm and the other end is fixed to the movable pin.
According to a fourth aspect of the present invention, a tension coil spring is used for the balance mechanism.
According to the fifth aspect of the present invention, when the holding posture of the workpiece is known in advance, the weight of the workpiece is added to the weight of the second arm, and the weight compensation of the balance mechanism provided in the first arm is performed. The shape of the movable groove in which the movable pin operates is formed from a locus calculated so as to coincide with the self-weight torque added with the torque.

本発明によると、ロボットアームの動作範囲全域において、ロボットアームの自重トルクに釣り合うよう自重を補償できるようになるため、関節数が増加してアームの自重が大きくなってもアクチュエータの出力は自重補償に費やされることなく、ワークの可搬重量を確保することができる。また、各関節に配置するアクチュエータの容量を小さくでき、アームの小型軽量化にすることができる。
また、マニピュレータの設置方向にあわせて重力補償特性の調整が可能であるため、天井設置するロボットアームやヒューマノイドタイプのロボットアームなどにも適用可能である。特にサービスロボットのようなアームを有するバッテリ駆動のロボットにおいては、省エネルギー化に貢献できロボット全体の長時間稼動を可能にする。 According to the present invention, since the weight of the robot arm can be compensated to match the weight torque of the robot arm over the entire operating range of the robot arm, the output of the actuator is compensated for the weight even if the number of joints increases and the weight of the arm increases. Therefore, it is possible to secure the work load weight without spending time. In addition, the capacity of the actuator disposed at each joint can be reduced, and the arm can be reduced in size and weight.
In addition, since the gravity compensation characteristics can be adjusted in accordance with the installation direction of the manipulator, it can be applied to a robot arm installed on the ceiling or a humanoid robot arm. In particular, a battery-powered robot having an arm such as a service robot can contribute to energy saving and enables the entire robot to operate for a long time.

アームの伸展時の側面図である。It is a side view at the time of extension of an arm. アームの屈曲時の側面図である。It is a side view at the time of bending of an arm. アームの概念図である。It is a conceptual diagram of an arm. アームの重力トルクおよびバネによる補償トルクを示すグラフである。It is a graph which shows the gravity torque of an arm, and the compensation torque by a spring.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明のアームの伸展時の側面図、図２は屈曲時の側面図である。固定部に支持された第１のアーム１と関節支点３を中心に第１のアーム１に対し回動自在に支持された第２のアーム２と、第２のアーム２を回動させるアクチュエータ(図示せず)と、第２のアーム２を任意の角度で静止させるバランス機構７とを備えており、また関節支点３近傍の第１のアーム１に固定溝４、第２のアーム２に可動溝５が設置されており、前記、固定溝４および可動溝５に沿って動作できるよう可動ピン６が設置されており、固定溝４および可動溝５の溝形状により可動ピン６の位置は一意に決定される。またバランス機構７はカバー８、カバー８内部に納められたスプリング９から構成され、スプリング９の一端が第１のアーム１に掛止され、他端が可動ピン６に固定されており、これにより第２のアーム２の揺動位置に応じてバランス機構７内部のスプリング９長が変化し、張力を発生する。 FIG. 1 is a side view when the arm of the present invention is extended, and FIG. 2 is a side view when the arm is bent. A first arm 1 supported by the fixed portion, a second arm 2 supported so as to be rotatable with respect to the first arm 1 around the joint fulcrum 3, and an actuator for rotating the second arm 2 ( (Not shown) and a balance mechanism 7 for allowing the second arm 2 to stand still at an arbitrary angle, and the first arm 1 near the joint fulcrum 3 is movable to the fixed groove 4 and the second arm 2 is movable. A groove 5 is provided, and a movable pin 6 is provided so as to operate along the fixed groove 4 and the movable groove 5. The position of the movable pin 6 is unique depending on the shape of the fixed groove 4 and the movable groove 5. To be determined. The balance mechanism 7 includes a cover 8 and a spring 9 housed in the cover 8. One end of the spring 9 is hooked to the first arm 1 and the other end is fixed to the movable pin 6. The length of the spring 9 inside the balance mechanism 7 changes according to the swing position of the second arm 2 to generate tension.

次に本発明のアームの動作について説明する。まず第２のアーム２が図１に示す伸展位置にあり、自重トルク及び補償トルクともに０で釣り合っている。そして図２に示すように第２のアーム２が正方向に回動すると、第２のアーム２の自重トルクは、第２のアームの重力方向の自重が作用するのでｓｉｎカーブを描いて増加するため、これに伴いバランス機構の発生する自重補償トルクを同様に増加させることで釣り合いは保たれる。しかしながら角度θが正方向に大きくなるにつれてスプリング９の伸びは戻され、スプリング９に依る張力が減少していく。このため、あらかじめ任意の角度θの姿勢での自重トルクと釣り合う補償トルクが得られるよう、スプリング９に依る張力の減少を考慮して、固定溝４のレバー長を算出し、固定溝４の形状を適用する。これにより自重トルクと補償トルクを第２のアーム２の動作範囲全域において、常に同等に保つことが可能になる。図４に上記動作の第１のアーム１と第２のアーム２のなす角θと自重トルク、スプリング９の張力及び固定溝４のレバー比を表したグラフを示す。本実施例では第２のアーム２は正方向に１３０°回動可能となっているが１８０°まで補償が可能である。なお、本明細書中においては、説明の便宜上、反時計方向の回転を正、図示時計方向の回転を負として表すこととする。 Next, the operation of the arm of the present invention will be described. First, the second arm 2 is in the extended position shown in FIG. 1, and both its own weight torque and compensation torque are balanced at zero. As shown in FIG. 2, when the second arm 2 rotates in the forward direction, the self-weight torque of the second arm 2 increases while drawing a sin curve because the self-weight in the gravity direction of the second arm acts. Therefore, the balance is maintained by increasing the self-weight compensation torque generated by the balance mechanism accordingly. However, as the angle θ increases in the positive direction, the extension of the spring 9 is returned, and the tension due to the spring 9 decreases. For this reason, the lever length of the fixed groove 4 is calculated in consideration of the decrease in tension due to the spring 9 so that a compensation torque that balances with its own weight torque in an attitude of an arbitrary angle θ is obtained in advance. Apply. As a result, the self-weight torque and the compensation torque can always be kept equal throughout the entire operating range of the second arm 2. FIG. 4 is a graph showing the angle θ formed by the first arm 1 and the second arm 2 and the own weight torque, the tension of the spring 9 and the lever ratio of the fixing groove 4 in the above operation. In this embodiment, the second arm 2 can be rotated 130 ° in the positive direction, but can be compensated up to 180 °. In this specification, for the convenience of explanation, the counterclockwise rotation is represented as positive and the clockwise rotation in the drawing is represented as negative.

次に図３に示す、本発明の実施例による自重補償アームの概念図を用いて固定溝形状の設計方法を詳細に説明する。図において、第２のアーム２の質量Ｍ１０、及び第２のアーム２の姿勢θより自重トルクは以下の如く算出される。
(自重トルク)＝Ｍ・ｇ・Ｌ₁・Ｓｉｎθ(式中ｇは重力加速度を表す) （１） Next, the design method of the fixed groove shape will be described in detail using the conceptual diagram of the self-weight compensation arm according to the embodiment of the present invention shown in FIG. In the figure, the self-weight torque is calculated from the mass M10 of the second arm 2 and the posture θ of the second arm 2 as follows.
(Self-weight torque) = M · g · L ₁ · Sinθ (where g is the gravitational acceleration) (1)

続いて補償トルクの算出を行う。関節支点３から関節支点３の鉛直上方に設置されスプリング９の一方を取り付けている固定端１１までの距離をＬ₀、関節支点３から第２のアーム２の重心位置までの距離をＬ₁、関節支点３からスプリング９までの垂直距離をｒとおく。また関節支点３を原点とし本図右側をＸ方向正、本図下側をＹ方向正とした時、可動ピン６の座標(Ｘ，Ｙ)で表すと、補償トルクは以下の如く算出される。
(補償トルク)＝Ｋ・ｒ・［｛Ｘ²＋（Ｌ₀＋Ｙ）²｝^1/2−Ｌ］（２）
(式中Ｌはスプリング９の自然長、Ｋはスプリング９のバネ定数を表す。) Subsequently, compensation torque is calculated. L _{0 is} the distance from the joint fulcrum 3 to the fixed end 11 installed vertically above the joint fulcrum 3 and one of the springs 9 is attached, and L _{1 is} the distance from the joint fulcrum 3 to the center of gravity of the second arm 2. The vertical distance from the joint fulcrum 3 to the spring 9 is r. When the joint fulcrum 3 is the origin, the right side of the figure is positive in the X direction, and the lower side of the figure is positive in the Y direction, the compensation torque is calculated as follows by the coordinates (X, Y) of the movable pin 6. .
(Compensation torque) = K · r · [{X ² + (L ₀ + Y) ² } ^1/2 −L] (2)
(In the formula, L represents the natural length of the spring 9, and K represents the spring constant of the spring 9.)

上記、自重トルク及び補償トルクが常に釣り合うことつまり下記式が成り立つことで、第２のアーム２の可動範囲全域において、自重補償効果が得られることとなる。
Ｍ・ｇ・Ｌ₁・Ｓｉｎθ＝Ｋ・ｒ・［｛Ｘ²＋（Ｌ₀＋Ｙ）²｝^1/2−Ｌ］（３）
ここで、ＳｉｎθおよびｒをＸ、Ｙ、Ｌ₀で表すことで以下の式が得られる。
Ｍ・ｇ・Ｌ₁/（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2＝Ｋ・Ｌ₀・［１−Ｌ/｛Ｘ²＋（Ｌ₀＋Ｙ）²｝^1/2］（４）
上記式を満たすＸ、Ｙの軌跡を固定溝４の形状として反映すれば、自重トルクと補償トルクは常に釣り合った状態で可動することができる。
また、スプリング９に初期張力Ｔ₀を与えた場合は、以下の式が得られる。
Ｍ・ｇ・Ｌ₁/（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2＝Ｌ₀・［Ｋ＋(Ｔ₀−ＫＬ)/｛Ｘ²＋（Ｌ₀＋Ｙ）²｝^1/2］ (５) The self-weight compensation effect is obtained in the entire movable range of the second arm 2 by constantly balancing the self-weight torque and the compensation torque, that is, the following equation is established.
M · g · L ₁ · Sinθ = K · r · [{X ² + (L ₀ + Y) ² } ^1/2 −L] (3)
Here, by expressing Sinθ and r by X, Y, and L ₀ , the following expression is obtained.
M · g · L ₁ / (X ² + Y ² ) ^1/2 = K · L ₀ · [1-L / {X ² + (L ₀ + Y) ² } ^1/2 ] (4)
If the X and Y trajectories satisfying the above equation are reflected as the shape of the fixed groove 4, the self-weight torque and the compensation torque can always be moved in a balanced state.
When the initial tension T ₀ is applied to the spring 9, the following equation is obtained.
M · g · L ₁ / (X ² + Y ² ) ^1/2 = L ₀ · [K + (T ₀ −KL) / {X ² + (L ₀ + Y) ² } ^1/2 ] (5)

本発明が従来例と異なる点は、あらかじめ任意の角度θの姿勢において自重トルクと釣り合う補償トルクが得られるよう、固定溝４の形状を上記式によって算出し、固定溝４に沿って動作する可動ピン６へとバランス機構７の一端を固定することで、可動範囲域においてアーム自重を補償することができる点である。またロボットアームがワークを保持した状態でとる姿勢をあらかじめ決めておけば、ワーク保持姿勢でのみバランス機構７の補償力を必要となる自重トルクにワークの自重トルクを足し合わせて、バランス機構の自重補償トルクを算出できるように可動ピンが動作する可動溝を形成するとともにスプリングを強化しておくことで、ワーク保持時のアクチュエータ出力を抑えることも可能である。 The present invention is different from the conventional example in that the shape of the fixed groove 4 is calculated by the above formula so as to obtain a compensation torque that balances with its own weight torque in an attitude of an arbitrary angle θ in advance, and is movable along the fixed groove 4. By fixing one end of the balance mechanism 7 to the pin 6, the arm's own weight can be compensated in the movable range. In addition, if the posture that the robot arm takes in the state of holding the workpiece is determined in advance, the workpiece's own weight torque is added to the own weight torque that requires the compensation force of the balance mechanism 7 only in the workpiece holding posture, and the balance mechanism's own weight. By forming a movable groove for operating the movable pin so that the compensation torque can be calculated and strengthening the spring, it is possible to suppress the actuator output when holding the workpiece.

１第１のアーム
２第２のアーム
３関節支点
４固定溝
５可動溝
６可動ピン
７バランス機構
８カバー
９スプリング
１０第２のアームの質量Ｍ
１１固定端 Reference Signs List 1 first arm 2 second arm 3 joint fulcrum 4 fixed groove 5 movable groove 6 movable pin 7 balance mechanism 8 cover 9 spring 10 second arm mass M
11 Fixed end

Claims

A robot composed of at least one joint and two arms, the first arm and a second arm supported rotatably about the joint fulcrum with respect to the first arm; and the second arm A balance mechanism that stops the arm at an arbitrary angle, a fixed groove is provided at one end of the first arm, and a movable groove is provided at one end of the second arm, along the fixed groove and the movable groove. The robot is characterized in that the first arm and the second arm are connected to each other by a movable pin that operates.

The shape of the movable groove in which the movable pin operates is based on a locus calculated so that the self-weight torque generated by the posture of the second arm matches the self-weight compensation torque of the balance mechanism provided in the first arm. The robot according to claim 1, wherein the robot is obtained.

The robot according to claim 1, wherein one end of the balance mechanism is fixed to the first arm and the other end is fixed to the movable pin.

The robot according to claim 1, wherein a tension coil spring is used for the balance mechanism.

When the holding posture of the workpiece is known in advance, the weight of the workpiece is added to the weight of the second arm, and the weight of the balance mechanism provided in the first arm is added to the weight of the weight. The robot according to claim 1, wherein the shape of the movable groove in which the movable pin operates is formed from a locus calculated so as to match.