JP2016175142A - ロボットおよびロボットへのバランサの取り付け方法 - Google Patents

ロボットおよびロボットへのバランサの取り付け方法 Download PDF

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Abstract

【課題】容易にバランサを取り付けることができること。【解決手段】実施形態に係るロボットは、ロボットアームと、バランサと、取り付け部とを備える。バランサは、予め所定の圧力で与圧されてロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮している。取り付け部は、バランサの両端側がそれぞれ取り付けられるようにロボットアームに一対設けられ、一対のうちの少なくとも一方は、バランサの伸縮方向に略平行な向きでバランサの一端側を取り付ける。【選択図】図1

Description

開示の実施形態は、ロボットおよびロボットへのバランサの取り付け方法に関する。
従来、床面などの設置面に設置される基台部と、かかる基台部に対して旋回自在および揺動自在に連結されるロボットアームとを備えるロボットが知られている。かかるロボットは、ロボットアームを揺動させるモータや減速機などに作用する重力起因の負荷の軽減を図るために、重力補償用のバランサを備える場合がある。
このロボットが備えるバランサとしては、スプリング式などがよく知られているが、近年ではスプリング式に比べて小型化に資するとして、ガスなどの流体の圧力を利用した流体圧式も用いられるようになってきた(たとえば、特許文献1参照)。
特開2012−148392号公報
しかしながら、上述した流体圧式のバランサを用いる場合、ロボットへの取り付けを行う際に、バランサの寸法をロボットへの所定の取り付け寸法へ合わせるため、たとえば内部の流体を抜いて寸法を調整するといった煩雑な手順を踏む必要があった。このため、ロボットへ容易にバランサを取り付ける観点からは改善の余地があった。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、容易にバランサを取り付けることができるロボットおよびロボットへのバランサの取り付け方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るロボットは、ロボットアームと、バランサと、取り付け部とを備える。前記バランサは、予め所定の圧力で与圧されて前記ロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮している。前記取り付け部は、前記バランサの両端側がそれぞれ取り付けられるように前記ロボットアームに一対設けられ、前記一対のうちの少なくとも一方は、前記バランサの伸縮方向に略平行な向きで前記バランサの一端側を取り付ける。
実施形態の一態様によれば、容易にバランサを取り付けることができる。
図1は、実施形態に係るロボットの斜視図である。 図2Aは、バランサの動きの説明図(その1)である。 図2Bは、バランサの動きの説明図(その2)である。 図2Cは、バランサの動きの説明図(その3)である。 図3Aは、実施形態に係るロボットへのバランサの取り付け手法の説明図(その1)である。 図3Bは、実施形態に係るロボットへのバランサの取り付け手法の説明図(その2)である。 図3Cは、実施形態に係るロボットへのバランサの取り付け手法の説明図(その3)である。 図4Aは、変形例に係る取り付け手法を示す図(その1)である。 図4Bは、変形例に係る取り付け手法を示す図(その2)である。 図5は、実施形態に係るロボットへのバランサの取り付け方法の処理手順を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットおよびロボットへのバランサの取り付け方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
まず、実施形態に係るロボット10の構成について述べる。図1は、実施形態に係るロボット10の斜視図である。なお、以下では、説明の便宜上、ロボット10の旋回位置および姿勢が、基本的には図1に示す状態にあるものとして、ロボット10における各部位の位置関係を説明する。
また、ロボット10の基台部11が据え付けられる設置面側を「基端側」と呼び、各部材の基端側周辺を「基端部」と呼ぶ。また、ロボット10のフランジ部15側を「先端側」と呼び、各部材の先端側周辺を「先端部」と呼ぶ。
また、図1には、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするZ軸を含む3次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明で用いる他の図面においても示す場合がある。なお、本実施形態では、X軸の正方向がロボット10の前方を指すものとする。
図1に示すように、ロボット10は、いわゆるシリアルリンクの垂直多関節型であり、6個の回転関節軸である軸S、軸L、軸U、軸R、軸Bおよび軸Tを有している。
また、ロボット10は、基台部11と、旋回ベース12と、アーム部13と、手首部14と、フランジ部15とを備える。また、アーム部13は、下部アーム13aと、上部アーム13bとを備える。
基台部11は、床面などの設置面に設置される支持ベースである。旋回ベース12は、基台部11に対し、設置面に略垂直な軸Sまわりに旋回可能に連結される(図中の矢印101参照)。
下部アーム13aは、旋回ベース12に対し、基端部が軸Sに略垂直な軸Lまわりに回転可能に連結される(図中の矢印102参照)。なお、下部アーム13aを軸Lまわりに回転させる回転駆動部M1は、旋回ベース12の先端部の、軸Lと交わる位置に配置される。
上部アーム13bは、下部アーム13aの先端部に対し、基端部が軸Lに略平行な軸Uまわりに回転可能に連結される(図中の矢印103参照)。なお、上部アーム13bを軸Uまわりに回転させる回転駆動部M2は、上部アーム13bの基端部の、軸Uと交わる位置に配置される。あわせて、上部アーム13bは、軸Uに略垂直な軸Rまわりに回転可能に設けられている(図中の矢印104参照)。
手首部14は、上部アーム13bの先端部に対し、軸Rに略垂直な軸Bまわりに回転可能に連結される(図中の矢印105参照)。また、フランジ部15は、手首部14に対し、軸Bに略垂直な軸Tまわりに回転可能に連結される(図中の矢印106参照)。フランジ部15には、たとえばロボット10がスポット溶接用途であれば、スポット溶接ガンといったエンドエフェクタが取り付けられる。
なお、本実施形態では、旋回ベース12、アーム部13、手首部14およびフランジ部15によって構成され、基台部11に対して可動することができる部位全体を「ロボットアーム」と呼ぶ。
また、ロボット10は、第1取り付け部16aと、第2取り付け部16bと、バランサ17とを備える。バランサ17は、後述する中立姿勢からの変位における重力を補償し、回転駆動部M1への負荷を軽減するための装置である。
バランサ17は、窒素ガス等の流体が封入されたシリンダ部17aと、かかる流体の圧力によって伸縮するロッド部17bとを有する。すなわち、バランサ17は、流体圧式である。なお、シリンダ部17aの流体としては、その他の気体、およびオイル等の液体を用いたものでもよいし、気体および液体が混在したものでもよい。また、バランサ17は、バランサ端部材17cを有する。かかるバランサ端部材17cの詳細については、図3B以降を用いて後述する。
第1取り付け部16aおよび第2取り付け部16bは、かかるバランサ17を取り付けるための機構である。第1取り付け部16aは、下部アーム13aの先端部であり、かつ、回転駆動部M2よりも下部アーム13aの基端側である位置に設けられ、バランサ17の一端側を軸AX1(第1回転軸)まわりに回転自在に支持する(図中の矢印107参照)。
第2取り付け部16bは、旋回ベース12の先端部であり、かつ、回転駆動部M1よりも旋回ベース12の先端側である位置に設けられ、バランサ17のもう一端側を軸AX2(第2回転軸)まわりに回転自在に支持する(図中の矢印108参照)。
すなわち、バランサ17は、下部アーム13aの先端部と旋回ベース12の先端部との間に架け渡して設けられる。なお、第1取り付け部16aおよび第2取り付け部16bは、以下、「取り付け部16」と総称する場合がある。
ところで、本実施形態では、いわゆる「プル型」のバランサ17を用いることとした。「プル型」とは、シリンダ部17aの内部が所定の圧力で与圧された状態で、ロッド部17bがシリンダ部17aから伸長された場合に、流体の圧力によってロッド部17bがシリンダ部17a内へ収縮するように付勢されるタイプのものである。
したがって、バランサ17は、「プル型」とは逆の動きをするいわゆる「プッシュ型」に比べて、伸縮方向における全長が短くて済み、かかるバランサ17を用いることで、ロボット10のコンパクト化に寄与することができる。
なお、「プッシュ型」の場合、与圧された場合の自然状態で「プル型」とは逆に伸長することから、伸長方向における全長が長くなってしまい、たとえば第2取り付け部16bが、回転駆動部M1よりも旋回ベース12の基端側であり、かつ、回転駆動部M1と干渉しない位置に設けられる必要がある。このため、ロボット10のコンパクト化には寄与しづらい。
この点、「プル型」であれば、上で述べたように、第2取り付け部16bは、旋回ベース12の先端部であり、かつ、回転駆動部M1よりも旋回ベース12の先端側である位置に設けられることから、たとえば旋回ベース12を無用に肥大化させることがない。このため、ロボット10のコンパクト化に寄与することができる。
ここで、実施形態に係るロボット10における「プル型」のバランサ17の動きについて、図2A〜図2Cを用いて説明しておく。図2A〜図2Cは、バランサ17の動きの説明図(その1)〜(その3)である。なお、図2A〜図2Cでは、説明の便宜上、旋回ベース12および下部アーム13aの周辺のみを図示している。
まず、図2Aに示すのは、ロボット10の下部アーム13aが略直立し、中立の釣り合いが保たれた状態である。かかるロボット10の姿勢を「中立姿勢」と定義しておく。かかる中立姿勢では、第1取り付け部16aへ一端側を、第2取り付け部16bへもう一端側をそれぞれ取り付けられたバランサ17は、その軸線C1を鉛直方向に略平行に保った状態で伸縮の均衡を保った状態となる。
そして、図2Bに示すように、下部アーム13aが軸Lまわりに回転し、ロボット10が言わば「前傾姿勢」をとったものとする(図中の矢印201参照)。かかる場合、バランサ17のロッド部17bは、ロボット10の前傾姿勢によりシリンダ部17aから伸長することとなるが、「プル型」であることにより伸長した分収縮しようとするので、下部アーム13aを重力に対抗して矢印202の方向へ引っ張ることとなる。これにより、ロボット10の前傾姿勢において軸Lにかかる重力モーメントを支えることができる。
また、図2Cに示すように、下部アーム13aが軸Lまわりに回転し、ロボット10が言わば「後傾姿勢」をとったものとする(図中の矢印203参照)。この場合も、ロッド部17bは、ロボット10の後傾姿勢によりシリンダ部17aから伸長することとなるが、やはり「プル型」であることにより伸長した分収縮しようとするので、下部アーム13aを重力に対抗して矢印204の方向へ引っ張ることとなる。これにより、後傾姿勢における軸Lにかかる重力モーメントを支えることができる。
ただし、このような動きを「プル型」のバランサ17にスムーズに行わせるには、バランサ17が収縮し切った状態からロッド部17bを伸長させるのに必要な推力を考慮すれば、バランサ17を収縮し切った状態からやや伸長させた状態でロボット10へ取り付けることが好ましい。
ここで、比較例となる技術では、バランサ17の内部の流体を抜いてロッド部17bを自由状態とし、バランサ17の長さを所定の取り付け寸法へ合わせるといった煩雑な手順を踏んでいた。さらに、流体を抜いたり、入れ直したりするための設備も必要であり、コストもかさみやすかった。
そこで、本実施形態では、かかるバランサ17をロボット10へ取り付けるに際して、バランサ17の内部が所定の圧力で与圧されてロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮した状態のまま、取り付けることとした。これによりまず、低コストでバランサ17の取り付けを行うことが可能となる。
また、本実施形態では、前述の短い長さのバランサ17の両端側のうち、少なくとも一端側をバランサ17の伸縮方向に略平行な向きで、取り付け部16により取り付けることとした。換言すれば、前述のバランサ17の少なくとも一端側を取り付け部16へ取り付けることで、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きに力が作用し、かかる力によってバランサ17が伸長する機構を設けることとした。
以下、この本実施形態に係るロボット10へのバランサ17の取り付け手法について、図3A〜図3Cを用いてより具体的に説明する。図3A〜図3Cは、実施形態に係るロボット10へのバランサ17の取り付け手法の説明図(その1)〜(その3)である。
図3Aに示すのは、バランサ17をロボット10へ取り付ける前の状態である。上でも述べたが、かかる状態の場合、バランサ17は、ロッド部17bがシリンダ部17a内へ収縮し、軸AX1および軸AX2間の距離として示される所定の取り付け寸法L1よりも短い長さL2となっている。
したがって、かかる状態のバランサ17を流体を抜くことなく取り付けるには、少なくともバランサ17の伸縮方向に略平行な力を作用させて、バランサ17を所定の取り付け寸法L1に適合するまで伸長する必要がある(図中の矢印301参照)。
そこで、実施形態に係るロボット10では、少なくとも旋回ベース12の先端部の第2取り付け部16bが、バランサ17の軸AX2側の一端側を、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きで取り付けられるように設けられている。
具体的には、図3Bに示すように、たとえば第2取り付け部16bは、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きで形成されたネジ穴16cを有している。これにより、バランサ17の軸AX2側を、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きで取り付けることが可能となる。
ただし、軸AX2はバランサ17の伸縮方向に略垂直な向きであるので、実施形態に係るバランサ17は、前述したバランサ端部材17c(本図および図1参照)によってまずバランサ17の軸AX2側の一端側を軸AX2まわりに回転自在となるように支持する。
そして、バランサ端部材17cは軸AX2に略垂直なネジ穴(図示略)を有しており、かかるネジ穴を介して前述の第2取り付け部16bのネジ穴16cへと差し込まれたボルトBが締め込まれることによって、バランサ17はその伸縮方向に略平行な向きで第2取り付け部16bへ取り付けられる。
なお、このようにバランサ17の軸AX2側の一端側がバランサ17の伸縮方向に略平行な向きで取り付けられる場合、少なくともバランサ17の軸AX1側の一端側を先に第1取り付け部16aへ取り付けておくことが前提となる。
かかる前提で、第2取り付け部16bの構造についてさらに詳しく述べる。すなわち、バランサ17の軸AX1側の一端側が取り付けられた場合に、図3Cに示すように、ロッド部17bに連結済みのバランサ端部材17cと、第2取り付け部16bとの間には、所定量の隙間iが形成される。言い換えれば、バランサ17に所定の圧力が与圧された場合でのバランサ17の自然長は、隙間i分、第2取り付け部16bに届かない長さである。
そして、第2取り付け部16bは、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きであり、かつ、隙間iを埋めるように作用する締結力をボルトBの締め込みにより発生させることによって(図中の矢印302参照)、バランサ17をその伸縮方向に沿って伸長させる。
これにより、「プル型」であり、伸長しようとすれば強力な推力を必要とするバランサ17を、ボルトBのような締結部材の締め込みだけで伸長させつつロボット10へ取り付けることができる。すなわち、ロボット10へ容易にバランサ17を取り付けることができる。
また、ボルトBを用いて締結するので、その締め込み量による調整を容易に行うことができる。たとえばこれは、バランサ17の内部の流体の軽劣化によって、微妙に伸縮力が変化した場合のバランサ17の微調整などに有効である。
なお、図3Cに示すような構造は、言い方を換えれば、第2取り付け部16bが、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きであり、かつ、隙間iを埋めるように作用する結合力を発生させる結合機構18を有すると言える。
結合機構18は、たとえばこれまでに説明した締結部材による場合に限られない。たとえば結合機構18は、それぞれフランジ状に形成され、間に隙間iを有する第2取り付け部16bとバランサ端部材17cとを、テコの原理等を利用して隙間iを埋めるようにクランプすることなどによっても実現可能である。
また、これまでは、ボルトBが、バランサ17側から旋回ベース12側へ向けて差し込まれて、バランサ17の軸AX2側の一端側を、旋回ベース12の第2取り付け部16bへ締結する場合を説明した。これは、取り付けやすいという点で利点があるが、これに限られず、ボルトBが旋回ベース12側からバランサ17側へ向けて差し込まれ、締結されてもよい。
また、バランサ17をロボット10へ取り付ける場合のロボット10の姿勢であるが、図2Aに示した中立姿勢のように、バランサ17の軸線C1が鉛直方向と略平行となるような姿勢をとらせることが好ましい。これにより、バランサ17を伸長させるにあたり、重力をバランサ17の伸縮方向に略平行に作用させることができるので、取り付けにおける作業性を高めることができる。
したがって、かかる重力を利用できるという意味においては、これまで説明した、旋回ベース12側に設けられた第2取り付け部16bにおいてバランサ17の一端側をバランサ17の伸縮方向に略平行な向きで取り付けることが、作業性を高める上でも好ましい。また、基台部11に近い旋回ベース12側であれば、ロボット10が大型で所定の高さを有するような場合でも、容易に取り付け作業を行えるという利点がある。
なお、バランサ17の一端側を、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きで取り付けるのは、無論、旋回ベース12側に限らなくともよい。この場合の変形例を図4Aおよび図4Bに示しておく。図4Aおよび図4Bは、変形例に係る取り付け手法を示す図(その1)および(その2)である。
すなわち、図4Aに示すように、バランサ端部材17cが軸AX1側であってもよい。かかる場合は、前提として軸AX2側を先に取り付けておく必要がある。
また、図4Bに示すように、バランサ端部材17cが軸AX1側および軸AX2側の双方であってもよい。この場合は、軸AX1側および軸AX2側における取り付けの順序は問わなくてよい。
次に、実施形態に係るロボット10へのバランサ17の取り付け方法の処理手順について説明する。図5は、実施形態に係るロボット10へのバランサ17の取り付け方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、図5では、ロボット10が中立姿勢をとり、また、バランサ端部材17cが軸AX2側にのみある場合について説明する。
まず、ロボットアームを中立姿勢で停止させる(ステップS101)。そして、バランサ17の軸AX1(第1回転軸)側を第1取り付け部16aへ取り付ける(ステップS102)。
そして、バランサ17の軸AX2(第2回転軸)側をバランサ端部材17cへ取り付ける(ステップS103)。
そして、バランサ17の伸縮方向に略平行な向きで、バランサ端部材17cを第2取り付け部16bへ取り付けて(ステップS104)、処理を終了する。
上述してきたように、実施形態に係るロボットは、ロボットアームと、バランサと、取り付け部とを備える。バランサは、予め所定の圧力で与圧されてロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮している。取り付け部は、バランサの両端側がそれぞれ取り付けられるようにロボットアームに一対設けられ、一対のうちの少なくとも一方は、バランサの伸縮方向に略平行な向きでバランサの一端側を取り付ける。
したがって、実施形態に係るロボットによれば、容易にバランサを取り付けることができる。
なお、上述してきた実施形態では、バランサが、旋回ベースと下部アームとの間に架け渡して設けられる場合を例に挙げたがこれに限られるものではない。たとえば、下部アームと上部アームとの間でもよい。
また、上述してきた実施形態では、第2取り付け部が、旋回ベースの先端部であり、かつ、回転駆動部(M1)よりも旋回ベースの先端側である位置に設けられ、第1取り付け部が、下部アームの先端部であり、かつ、回転駆動部(M2)よりも下部アームの基端側である位置に設けられる場合を例に挙げたが、双方の位置はこの限りではない。
たとえば、バランサが、旋回ベースと下部アームとの間に架け渡して設けられる場合で、バランサが、ロボットの後方(背後)から下部アームを引っ張るような位置に、第1取り付け部および第2取り付け部が設けられてもよい。
また、上述した実施形態では、6軸を有する6軸ロボットを例示したが、軸数を限定するものではない。たとえば、7軸ロボットであってもよい。
また、上述した実施形態では、単腕ロボットを例示したが、これに限られるものではなく、たとえば、双腕以上の多腕ロボットの腕の少なくともいずれかに、上述した実施形態が適用されてもよい。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
10 ロボット
11 基台部
12 旋回ベース
13 アーム部
13a 下部アーム
13b 上部アーム
14 手首部
15 フランジ部
16 取り付け部
16a 第1取り付け部
16b 第2取り付け部
16c ネジ穴
17 バランサ
17a シリンダ部
17b ロッド部
17c バランサ端部材
18 結合機構

Claims (8)

  1. ロボットアームと、
    予め所定の圧力で与圧されて前記ロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮したバランサと、
    前記バランサの両端側がそれぞれ取り付けられるように前記ロボットアームに一対設けられ、前記一対のうちの少なくとも一方は、前記バランサの伸縮方向に略平行な向きで前記バランサの一端側を取り付ける取り付け部と
    を備えることを特徴とするロボット。
  2. 前記バランサの他端側が取り付けられた場合に、前記バランサの一端側と前記取り付け部との間には所定量の隙間が形成され、
    前記取り付け部は、
    前記バランサの伸縮方向に略平行な向きであり、かつ、前記隙間を埋めるように作用する結合力を発生させる結合機構を有すること
    を特徴とする請求項1に記載のロボット。
  3. 前記結合機構は、
    前記バランサの伸縮方向に略平行な向きで形成されたネジ穴を有すること
    を特徴とする請求項2に記載のロボット。
  4. 設置面へ設置される基台部
    をさらに備え、
    前記ロボットアームは、
    前記基台部に対し、前記設置面に略垂直な旋回軸まわりに旋回可能に連結される旋回ベースと、
    前記旋回ベースに対し、基端部が前記旋回軸に略垂直な回転軸まわりに回転可能に連結されるアーム部と、
    前記回転軸を有して前記旋回ベースに配置され、前記アーム部を回転させる回転駆動部と
    を備え、
    前記バランサは、
    前記一端側が前記旋回ベースへ取り付けられ、前記他端側が前記アーム部へ取り付けられること
    を特徴とする請求項3に記載のロボット。
  5. 前記旋回ベース側の取り付け部は、
    前記回転駆動部よりも前記旋回ベースの先端側の位置に設けられること
    を特徴とする請求項4に記載のロボット。
  6. 前記ネジ穴へ差し込まれる締結部材は、
    前記バランサ側から前記旋回ベース側へ向けて差し込まれて前記バランサの一端側を前記旋回ベースへ締結すること
    を特徴とする請求項4または5に記載のロボット。
  7. 前記バランサは、
    流体が封入されたシリンダ部と、
    前記シリンダ部から伸縮可能に設けられ、前記シリンダ部から伸長された場合に、前記流体の圧力によって前記シリンダ部内へ収縮するように付勢されるロッド部と
    を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載のロボット。
  8. ロボットアームと、予め所定の圧力で与圧されて前記ロボットアームに対する所定の取り付け寸法よりも短い長さへ収縮したバランサと、前記バランサの両端側がそれぞれ取り付けられるように前記ロボットアームに一対設けられ、前記一対のうちの少なくとも一方は、前記バランサの伸縮方向に略平行な向きで前記バランサの一端側を取り付ける取り付け部とを備えるロボットにおいて、前記バランサの伸縮方向に略平行な向きで前記バランサの一端側を前記取り付け部へ取り付けること
    を含むことを特徴とするロボットへのバランサの取り付け方法。
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