JP2012240191A - 重力補償機構及びこれを利用するロボットアーム - Google Patents
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Abstract
【課題】ロボットアームのような多関節リンク機構部において、重力等の重さによって生じる影響を吸収する重力補償機構を提供すること。
【解決手段】重力補償機構は、3自由度を有する回転可能なリンク部材に設置されるものであって、前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備する。
【選択図】図1
【解決手段】重力補償機構は、3自由度を有する回転可能なリンク部材に設置されるものであって、前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備する。
【選択図】図1
Description
本発明は、重力補償機構及びこれを利用するロボットアームに関し、より詳細には、ロボットアームのような多関節リンク機構部において、重力等の重さによって生じる影響を吸収する重力補償機構及びこれを利用するロボットアームに関する。
近年、人間の生活環境を便利にしたり、産業現場での作業を補助するための多様なロボットが開発されている。特に、塗装、溶接などをはじめ、多様な産業分野において活用されるロボットアームが多数開発されている。こうした産業用多関節ロボットアームは、高重量の作業物を移送及び支持しなければならないため、高いトルクを出せることが非常に重要である。
このような多関節ロボットアームは、自重や作業物の重量により負荷トルクを受けることとなり、こうした負荷トルクは、駆動モーターなどの駆動機の容量を設計する上で直接的な影響を及ぼす。特に、駆動モーターに作用する荷重の中で、ロボットアームの自重によって発生するトルク成分の占める比重は非常に高い。
従来、ロボットアームの駆動機の容量を決定する場合には、作業物によって発生するトルクはもちろん、ロボットアーム自体の自重によって発生する重力トルクも考慮しなければならないため、ロボットアームを駆動するための動力源の容量を大きくする必要があるという問題があった。
また、従来は、ロボットアーム等の自重による重力を補償するという概念の単純なアイデアが理論的には提示されてきていたが、現実的にこれを実践適用した機構は開発されていなかった。
また、従来は、ロボットアーム等の自重による重力を補償するという概念の単純なアイデアが理論的には提示されてきていたが、現実的にこれを実践適用した機構は開発されていなかった。
本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、多自由度(Multi Degree of Freedom)関節からなるロボットアームのようなリンク機構部の自重による重力の影響を相殺させる重力補償機構及びこれを利用するロボットアームを提供することを目的とする。
前述した目的を達成するための本発明の一実施例に係る重力補償機構は、3自由度を有する回転可能なリンク部材に設置されるものであって、前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備する。
前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けることができる。
前記1自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、前記回転べベルギア又は回転べベルギアに連結されたカムプレートに固定することができる。
前記1自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、前記第2回転軸上に固定された固定べベルギアと連結される、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに固定することができる。
前記1自由度重力補償器は、一端は前記リンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び、一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
本発明の一実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を含む。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を複数連結して、3自由度以上の重力補償が可能である。
本発明の他の実施例に係る重力補償機構は、一端は3自由度回転が可能であり、他端は2自由度回転が可能なロボットアームに設置されるものであって、前記ロボットアームの一端の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の第1回転べベルギアの軸に一対の第1カムプレートが固定され、それぞれの第1カムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備し、前記ロボットアームの他端の2自由度回転(第4、第5回転)の出力リンクである第2回転リンクは、前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転によってそれぞれ拘束され、前記ロボットアームの一端と平行に運動する。
前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けることができる。
前記1自由度重力補償器の一端は、前記第1回転べベルギアの外側に配置された第1カムプレート又は第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギア又は前記第2回転べベルギアに連結された第2カムプレートに固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、第1回転リンクに固定することができる。
前記ロボットアームの他端の2自由度の回転は、差動べベルギアによって拘束することができる。
前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第5回転軸上に配置された第2回転リンクに固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第1回転リンクに取り付けることができる。
前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含めることができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することができる。
前記1自由度重力補償器は、一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び、一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
前記ロボットアームの一端の第1回転、第2回転及び第3回転を起こすように、3つのモーターをそれぞれ独立して連結することができる。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を含む。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を複数連結して、3自由度以上の重力補償が可能である。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、3自由度を有する回転可能なリンク部材と、重力補償機構とを含むものであって、前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備し、1つのモーターが前記第1回転のために独立して配置され、2つのモーターが前記第2回転及び第3回転のために前記差動べベルギアに連結される。
前記2つのモーターは、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結することができる。
本発明の他の実施例に係る重力補償機構は、一端は3自由度回転が可能であり、他端は1自由度回転が可能なロボットアームに設置されるものであって、前記ロボットアームの一端の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転移動する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、前記ロボットアームの他端の第4回転軸上に、複数のプーリーと第2リンク部材が自由に回転可能に配置され、前記複数のプーリーは、前記ロボットアームの一端の第3回転に拘束されて回転し、前記複数のプーリーと第2リンク部材との間には、複数の1自由度重力補償器が具備される。
前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けることができる。
前記1自由度重力補償器は、一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び、一端は前記カムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
前記複数のプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含めることができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することができる。
前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することができる。
前記複数のプーリーと前記第2リンク部材の間に具備される1自由度重力補償器の一端は、前記第2リンク部材に固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、前記複数のプーリーに固定することができる。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を有し、第1回転、第2回転、第3回転及び第4回転のために、4つのモーターがそれぞれ独立して連結される。
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を有し、1つのモーターが前記第1回転及び第4回転のために独立して配置され、2つのモーターが第2回転及び第3回転のために前記差動べベルギアにそれぞれ連結される。
前記2つのモーターは、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結することができる。
本発明に係る重力補償機構は、ロボットアーム及び多様なリンク部材を駆動するために使用される動力源のパワーを大幅に減らすことができる。こうした動力の減少は、ひいては、ロボットアームの全体的な重量の減少と動力効率の増加につながり、大きなエネルギー節減効果をもたらす。
また、本発明に係る重力補償機構は、相対的に少ない駆動力を必要とするため、製作コストの削減をもたらし、将来的に実用化を通じた価格競争力のある製品開発を可能とする効果がある。
以下では、添付した図面を参照して、本発明の好適な実施例に係る重力補償機構及びこれを利用するロボットアームについて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施例に係る重力補償機構を具備したロボットアームの斜視図、図2は、図1に図示されたロボットアームの背面図、図3は、図1に図示されたロボットアームの側面図である。
図1ないし図3を参照すると、本発明の一実施例に係る重力補償機構を具備したロボットアーム100は、ロボットアームの基礎骨格をなすリンク部材103と、このリンク部材103の関節部に設置されてリンク部材103の回転移動に応じて動く第1回転部材101と第2回転部材102、及び、ロボットアーム100の移動に伴う自重による重力を吸収する1自由度重力補償器150を含んでいる。
本実施例において、ロボットアーム100は、互いに交差する第1回転軸105と第2回転軸106、第3回転軸107を中心に、それぞれ回転することができる3自由度関節ロボットアームである。
まず、ロボットアーム100の回転について説明する。第1回転のためのモーター140を基準フレームに取り付け、モーター140の出力軸に第1回転部材101を連結する。したがって、第1回転部材101は、モーター140によって回転する。第2回転軸106に対応する連結軸部113が第1回転部材101に固定される。
第2回転部材102の側面には、ベアリングが取り付けられ、前記連結軸部113に沿って第2回転部材102が自由に回転することができる。第2回転部材102の内側には、差動べベルギアが具備される。このうち、固定べベルギア110は、前記連結軸部113に固定され、残る1対の第1回転べベルギア111は、第2回転部材102の両側面にベアリングを具備して連結する。すなわち、固定べベルギア110は第2回転軸106上に、1対の第1回転べベルギア111は第3回転軸107上に配置される。
リンク部材103は、所定の間隔を空けて配置される1対の側壁リンク114及びこの側壁リンク114の間隔を保持する複数のスペーサリンク115を具備する。側壁リンク114の両端には、ベアリングが具備され、リンク部材103の一端に前記第1回転べベルギア111の軸を連結する。すなわち、リンク部材103は、第2回転部材102に対し、第3回転軸107に沿って自由に回転することができる。
リンク部材103の外側には、1対の第1回転べベルギア111の軸に固定される1対の第1カムプレート112が具備される。したがって、1対の第1回転べベルギア111と1対の第1カムプレート112は、同一に回転する。また、リンク部材103の回転時、1対の第1カムプレート112とリンク部材103との間には、相対回転が発生する。
リンク部材103の他端にも、差動べベルギアが具備される。リンク部材103の他端に具備されたベアリングに、1対の第2回転べベルギア121の軸が連結される。1対の第2回転べベルギア121の軸には、リンク部材103の他端に位置する第1回転リンク160がベアリングに連結されて自由に回転することができる。すなわち、リンク部材103の他端に位置する第4回転軸108に沿って回転可能である。
第1回転リンク160の内側に位置する固定べベルギア120は、リンク部材103の他端に位置する第2回転リンク104に固定された固定軸161に取り付けられる。第1回転リンク160にベアリングが具備されて、固定軸161に連結されている。したがって、リンク部材103の他端に位置する第2回転リンク104は、第2回転べベルギア121の回転によって、第4回転軸108と第5回転軸109に沿って回転することができる。
リンク部材103の一端の構成と同様に、リンク部材103の他端の外側には、第2回転べベルギア121の軸に固定される1対の第2カムプレート122が具備される。したがって、第2回転べベルギア121と第2カムプレート122は、同一に回転する。また、第2回転リンク104の回転時、第2カムプレート122とリンク部材103との間には、相対回転が発生する。
リンク部材103の他端に位置する第2カムプレート122は、リンク部材103の一端に位置する第1カムプレート112によって回転することができる。このために、リンク部材103の両端に位置する2対のカムプレート112,122の円周上にタイミングベルト歯型130をそれぞれ具備し、図3に示すように、リンク部材103の両側に具備されたカムプレート112,122をそれぞれタイミングベルト131で連結する。
本実施例においては、リンク部材103の両側に具備されたカムプレート112,122をタイミングベルトで連結したが、カムプレート112,122にワイヤ溝を具備して、鋼線ワイヤで連結することができる。また、それぞれのカムプレート112,122の側面に回転部を構成し、これをリンクで連結する方法も可能である。
図4は、1自由度重力補償器の構成を図示した図面である。
図4を参照すると、重力によるエネルギーを保存するスプリング212、ワイヤ210、滑車の構造が示されている。スプリング212の一端は、リンク部材103に固定されたスプリング固定部219に固定され、スプリング212の他端は、スプリング固定部219に取り付けられたガイドバー211に沿って移動するスライド部材213に固定される。したがって、スライド部材213がスプリング固定部219の方向に動くと、スプリング212は、圧縮される。
鋼線ワイヤ210の一端は、第1カムプレート112の側面に具備された回転可能な連結具217に固定される。鋼線ワイヤ210は、リンク部材103に固定されたアイドルプーリー216,215とスライド部材213の内側に具備されたプーリー214を介して、リンク部材103に固定されたワイヤ固定部218に連結される。図面に示してはいないが、図4のスプリング212及びワイヤ210、滑車の配置は、中心線A−Aを基準にして、対称的に配置される。
本実施例においては、コイルスプリングにより構成したが、これに限定されず、板ばねなど、多様な弾性部材に変形させることができる。また、本実施例においては、ガイドバー211とスプリング212が2つずつ設置されているが、その数は、多様に増減することができる。また、本実施例においては、バネの変位を作り出するために鋼線ワイヤを使用したが、シリンダの内側にコイルスプリングを具備して、シリンダの一端は回転可能な連結具217の位置に、他端はアイドルプーリー216の位置に回転可能に固定することができる。
本実施例においては、重力補償のためにスプリング及びワイヤ、滑車で具現しているが、これに限定されず、内側と外側にカムプロファイルが具備された1自由度重力補償器のように、多様な1自由度の重力補償器で代替構成することができる。代替の構成の際、1自由度重力補償器の一端は、リンク部材103に固定し、出力である他端は、第1カムプレート112に固定することができる。又は、1自由度重力補償器の一端は、カムプレート112に固定し、出力である他端は、リンク部材103に固定することもできる。又は、1自由度重力補償器の一端は、リンク部材103に固定し、出力である他端は、第2カムプレート122に固定することができる。又は、1自由度重力補償器の一端は第2カムプレート122に、出力である他端はリンク部材103に固定することができる。
第1回転軸105は、第1回転モーター140によって駆動される。また、第2回転軸106及び第3回転軸107のために、1対の第1カムプレート112の円周面にギアを具備してピニオンギヤと連結し、前記ピニオンギヤに固定されたタイミングベルトプーリーを具備した後、リンク部材103に固定されたモーター141,142の軸に固定されたタイミングベルトプーリーと、タイミングベルトで連結することができる。本実施例において説明した、第1カムプレート112をモーター141,142で駆動する動力伝達方法は、例示に過ぎず、これに限定されない。
また、本実施例においては表現されていないが、第2回転のために、モーターの一端は、第1回転部材101に固定され、出力である他端は、ギアプーリー等の手段により第2回転部材102に固定することができる。同様に、第3回転のために、リンク部材103と第2回転部材102との間にモーターを直結することができる。
以上、重力補償機構を具備したロボットアーム100の各構成について説明してきたが、以下では、重力補償機構を具備したロボットアーム100の動作について説明する。
第1回転軸105が重力方向と平行であれば、リンク部材103の第1回転軸105に作用するトルクは変化がない。したがって、第1回転方向の重力補償については考慮しない。
第2回転軸106を基準に回転するロボットアーム100の動作を見てみると、互いに対向するモーター141とモーター142を同じ方向に(実際の回転方向は反対である)回転させると、リンク部材103は、第2回転軸106を中心に回転する。
リンク部材103の回転によって、第2回転部材102が固定べベルギア110の連結軸部113を基準に回動することになる。このとき、第2回転部材102の回動によって、1対の第1回転べベルギア111が固定べベルギア110と噛合しつつ回転することになる。これにより、前記回転ベベルギア111と一体に連結された1対の第1カムプレート112もともに回転する。
第1カムプレート112が回転すると、第1カムプレート112に装着された連結具217が移動しつつ鋼線210を引っ張り寄せ、これにより、スライド部材213は、鋼線210の張力によってスプリング固定部219側に移動しつつスプリング212を圧縮する。この圧縮されたスプリング212の力が、ロボットアーム100の自重による重力を相殺させる。したがって、ロボットアーム100は、一定の角度で第2回転軸106を中心に回転しても、重力によってそれ以上下方に移動せず、無重力のような状態でその姿勢をそのまま維持することができる。
次に、第3回転軸107を基準に回転するロボットアーム100の動作について見てみる。リンク部材103を、第3回転軸107を基準に回転させると、リンク部材103は、第2回転軸106を基準に回転する。このとき、第2回転部材102及びべベルギア110,111は回転せず、元の姿勢をそのまま維持する。
したがって、スプリング212が装着されたリンク部材103のみが回動し、鋼線210には、スライディング部材213を引っ張り寄せる張力が発生し、これにより、スプリング210が圧縮される。この圧縮されたスプリング212の力が、ロボットアーム100の自重による重力を相殺させる。したがって、ロボットアーム100は、一定の角度で第3回転軸107を中心に回転しても、重力によってそれ以上下方に移動せず、無重力のような状態で、その姿勢をそのまま維持することができる。
一方、スプリング212の弾性係数は、ロボットアーム100の自重、長さなどを考慮して、適切に設計することができる。
次に、第2カムプレート122付近に位置する第2回転リンク104の動作について見てみる。第1カムプレート112と第2カムプレート122は、タイミングベルト131により連結されている。したがって、第2カムプレート122は、リンク部材103に対して、第1カムプレート112と同一の角度で回転する。
リンク部材103の第3回転軸107を基準にロボットアーム100を回転させると、第1カムプレート112は、相対的に、リンク部材103に対して反対方向に回転する。また、第2カムプレート122と、第2カムプレート122に連結された1対の第2回転べベルギア121も、リンク部材103に対して反対方向に回転する。このとき、固定べベルギア120の軸に連結された第1回転リンク160も、リンク部材103に対して反対方向に回転する。したがって、第1回転リンク160は、ロボットアーム100の第3回転軸107に対して反対方向に回転する。
リンク部材103の第2回転軸106を基準にロボットアーム100を回転させると、1対の第2カムプレート122に連結された1対の第2回転べベルギア121は、互いに反対方向に回転する。固定べベルギア120は、ロボットアーム100の回転と反対方向に回転する。また、固定べベルギア120に固定された第2回転リンク104も、ロボットアーム100の回転と反対方向に回転する。
したがって、第2回転リンク104は、ロボットアーム100の第2回転及び第3回転に対して、第1回転部材101と平行に動作する。
多自由度ロボットアームにおいて3自由度回転に対する重力補償のみを考慮する場合、ロボットアーム100において、差動べベルギア120,121に関係したすべての部品104,122,131,160,161は省いても差し支えない。すなわち、重力補償において、3自由度以上の多自由度の拡張の場合、差動べベルギア120,121に関係した部品が装着される。
図5は、図1のロボットアーム100を適用した、3自由度以上の多自由度ロボットアームの構成を示す。ロボットアーム100の第2回転リンク104に同一構造の第2ロボットアーム200を連結する。すなわち、第2ロボットアーム200は、ロボットアーム100の第2回転リンク104に対して3自由度回転が可能である。また、ロボットアーム100の第2回転リンク104は、ロボットアーム100の第1回転部材101と平行に動作するため、第2ロボットアーム200も、ロボットアーム100と同様に、完全な重力補償が可能である。
図6及び図7は、本発明の他の実施例に係る4自由度を有するロボットアームの図面である。
図6及び図7を参照すると、図1におけるロボットアーム100と同様に、第1回転軸310と第2回転軸311、第3回転軸312を基準に第1リンク部材321が動き、さらに、第4回転軸313を構成して第2リンク部材322を回転させる。
図1における差動べベルギアは、第2回転リンク320に具備され、第2回転軸311の方向に回転するべベルギアに一対の第1カムプレート314,315が固定される。1自由度重力補償器330,331の一端は、第1カムプレート314,315に回転可能に固定され、1自由度重力補償器330,331の他端は、第1リンク部材321に固定される。
第2リンク部材322の重力補償のために、第2カムプレート316,317が第4回転軸313上に自由に回転可能に具備される。また、1自由度重力補償器332,333の一端は、第2カムプレート316,317に回転可能に固定され、1自由度重力補償器332,333の他端は、第2リンク部材322に固定されている。
第1カムプレート314,315と第2カムプレート316,317の円周面にワイヤ溝が具備され、両側の第1カムプレート314,316と第2カムプレート315,317は、それぞれワイヤ340で連結される。したがって、第1カムプレート314が回転すると、第2カムプレート316も同一角度で回転するようになる。
図7の4自由度ロボットアームは、図1の3自由度の構成に第4回転のための設定を追加して、すべての姿勢において完全な重力補償が可能である。また、図1の実施例と同様に、それぞれのカムプレート314,315,316,317は、タイミングベルトプーリーを具備して、タイミングベルトで連結することができる。また、それぞれのカムプレート314,315,316,317の側面に回転部が構成され、前記回転部をリンクで連結する方法も可能である。
第1リンク部材321を回転させるために、モーター350,351が第1リンク部材321に具備され、第2回転軸311の方向に回転するべベルギアに連結される。したがって、第3回転と第2回転を、前記モーター350,351によって具現することができる。第1回転のためのモーターは、図7には示されていないが、図1におけるモーターと同様に配置することができる。
第4回転のためのモーター352は、第2リンク部材322に具備されて、ベルトにより第4回転軸313に連結されている。図7のモーターの配置は、一の実施例であり、多様な構成が可能である。
以上、本発明の好適な実施例について説明してきたが、本発明は、これに限定されるものでなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内において多様に変形して実施することが可能であり、それらもまた、本発明の範囲に属することは当然である。
100:ロボットアーム
101:第1回転部材
102:第2回転部材
103:リンク部材
104:第2回転リンク
105:第1回転軸
106:第2回転軸
107:第3回転軸
108:第4回転軸
109:第5回転軸
110:固定べベルギア
111:第1回転べベルギア
112:第1カムプレート
113:連結軸部
114:側壁リンク
115:スペーサリンク
120:固定べベルギア
121:第2回転べベルギア
122:第2カムプレート
130:タイミングベルト歯型
131:タイミングベルト
140,141,142:モーター
150:1自由度重力補償器
160:第1回転リンク
161:固定軸
200:第2ロボットアーム
210:ワイヤー
211:ガイドバー
212:スプリング
213:スライディング部材
214:滑車
215,216:アイドルプーリー
217:連結具
218:ワイヤ固定部
219:スプリング固定部
310:第1回転軸
311:第2回転軸
312:第3回転軸
313:第4回転軸
314,315:第1カムプレート
316,317:第2カムプレート
320:第2回転リンク
321:第1リンク部材
322:第2リンク部材
330,331,332,333:1自由度重力補償器
340:ワイヤー
350,351,352:モーター
101:第1回転部材
102:第2回転部材
103:リンク部材
104:第2回転リンク
105:第1回転軸
106:第2回転軸
107:第3回転軸
108:第4回転軸
109:第5回転軸
110:固定べベルギア
111:第1回転べベルギア
112:第1カムプレート
113:連結軸部
114:側壁リンク
115:スペーサリンク
120:固定べベルギア
121:第2回転べベルギア
122:第2カムプレート
130:タイミングベルト歯型
131:タイミングベルト
140,141,142:モーター
150:1自由度重力補償器
160:第1回転リンク
161:固定軸
200:第2ロボットアーム
210:ワイヤー
211:ガイドバー
212:スプリング
213:スライディング部材
214:滑車
215,216:アイドルプーリー
217:連結具
218:ワイヤ固定部
219:スプリング固定部
310:第1回転軸
311:第2回転軸
312:第3回転軸
313:第4回転軸
314,315:第1カムプレート
316,317:第2カムプレート
320:第2回転リンク
321:第1リンク部材
322:第2リンク部材
330,331,332,333:1自由度重力補償器
340:ワイヤー
350,351,352:モーター
Claims (33)
- 3自由度を有する回転可能なリンク部材に設置される重力補償機構であって、
前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、
前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備することを特徴とする重力補償機構。 - 前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けられることを特徴とする、請求項1記載の重力補償機構。
- 前記1自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、
前記1自由度重力補償器の他端は、前記回転べベルギア又は回転べベルギアに連結されたカムプレートに固定されることを特徴とする、請求項1記載の重力補償機構。 - 前記1自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、
前記1自由度重力補償器の他端は、前記第2回転軸上に固定された固定べベルギアと連結される、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに固定されることを特徴とする、請求項2記載の重力補償機構。 - 前記1自由度重力補償器は、
一端は前記リンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び、
一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項1記載の重力補償機構。 - 請求項1記載の重力補償機構を含むロボットアーム。
- 請求項1記載の重力補償機構を複数連結して、3自由度以上の重力補償が可能であるロボットアーム。
- 一端は3自由度回転が可能であり、他端は2自由度回転が可能な、ロボットアームに設置される重力補償機構であって、
前記ロボットアームの一端の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、
前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の第1回転べベルギアの軸に一対の第1カムプレートが固定され、それぞれの第1カムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備し、
前記ロボットアームの他端の2自由度回転の出力リンクである第2回転リンクは、前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転によってそれぞれ拘束され、前記ロボットアームの一端と平行に運動することを特徴とする重力補償機構。 - 前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けることを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。
- 前記1自由度重力補償器の一端は、前記第1回転べベルギアの外側に配置された第1カムプレート又は第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギア又は前記第2回転べベルギアに連結された第2カムプレートに固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、第1回転リンクに固定されることを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。
- 前記ロボットアームの他端の2自由度の回転は、差動べベルギアによって拘束されることを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。
- 前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第5回転軸上に配置された第2回転リンクに固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第1回転リンクに取り付けられることを特徴とする、請求項11記載の重力補償機構。
- 前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含むことを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトに連結することを特徴とする、請求項13記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第1回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することを特徴とする、請求項13記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転する第2回転べベルギアと、第3回転軸を中心に回転する第3回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することを特徴とする、請求項13記載の重力補償機構。
- 前記1自由度重力補償器は、
一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び
一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。 - 前記ロボットアームの一端の第1回転、第2回転及び第3回転を起こすように、3つのモーターがそれぞれ独立して連結されることを特徴とする、請求項8記載の重力補償機構。
- 請求項8記載の重力補償機構を含むロボットアーム。
- 請求項8記載の重力補償機構を複数連結して、3自由度以上の重力補償が可能であるロボットアーム。
- 3自由度を有する回転可能なリンク部材と、重力補償機構とを含むロボットアームであって、
前記リンク部材の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第2回転及び第3回転は、それぞれロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、
前記第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される1自由度重力補償器を具備し、
1つのモーターが前記第1回転のために独立して配置され、2つのモーターが前記第2回転及び第3回転のために前記差動べベルギアに連結されることを特徴とするロボットアーム。 - 前記2つのモーターは、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結されることを特徴とする、請求項21記載のロボットアーム。
- 一端は3自由度回転が可能であり、他端は1自由度回転が可能なロボットアームに設置される重力補償機構であって、
前記ロボットアームの一端の第1回転は、ヨー(yaw)回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第2回転及び第3回転は、それぞれのロール(roll)回転及びピッチ(pitch)回転であり、
前記ロボットアームの一端の第2回転と第3回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転移動する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、
前記ロボットアームの他端の第4回転軸上に、複数のプーリーと第2リンク部材が自由に回転可能に配置され、
前記複数のプーリーは、前記ロボットアームの一端の第3回転に拘束されて回転し、
前記複数のプーリーと第2リンク部材との間には、複数の1自由度重力補償器が具備されることを特徴とする重力補償機構。 - 前記複数の差動べベルギアのうち、1つの固定べベルギアは、第2回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第3回転軸上に取り付けられることを特徴とする、請求項23記載の重力補償機構。
- 前記1自由度重力補償器は、
一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング;及び
一端は前記カムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項23記載の重力補償機構。 - 前記複数のプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアを同一に回転させる装置をさらに含むことを特徴とする、請求項23記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することを特徴とする、請求項26記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することを特徴とする、請求項26記載の重力補償機構。
- 前記同一に回転させる装置は、前記第4回転軸を中心に回転するプーリーと、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することを特徴とする、請求項26記載の重力補償機構。
- 前記複数のプーリーと前記第2リンク部材の間に具備される1自由度重力補償器の一端は、前記第2リンク部材に固定され、前記1自由度重力補償器の他端は、前記複数のプーリーに固定されることを特徴とする、請求項23記載の重力補償機構。
- 請求項23記載の重力補償機構を有するロボットアームであって、
第1回転、第2回転、第3回転及び第4回転のために、4つのモーターがそれぞれ独立して連結されることを特徴とするロボットアーム。 - 請求項23記載の重力補償機構を有するロボットアームであって、
1つのモーターが前記第1回転及び第4回転のために独立して配置され、2つのモーターが第2回転と第3回転のために前記差動べベルギアにそれぞれ連結されることを特徴とするロボットアーム。 - 前記2つのモーターは、第3回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結されることを特徴とする、請求項32記載のロボットアーム。
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