JP2017013189A

JP2017013189A - ロボットアーム用バランサ機構

Info

Publication number: JP2017013189A
Application number: JP2015133397A
Authority: JP
Inventors: 北浦　一郎; Ichiro Kitaura; 一郎北浦
Original assignee: Pascal Engineering Corp
Current assignee: Pascal Engineering Corp
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】コンパクトな構造により相殺モーメントを安定して作用させる。
【解決手段】ロボットアーム用バランサ機構は、基台、上記基台上に設けられ第１方向に延びる軸心を有する回転軸、および上記回転軸に支持された回転アームを含むロボットアームに用いられ、上記回転軸に作用する回転モーメントを相殺する相殺モーメントを上記回転軸に作用させるバランサ機構であって、上記基台に固定され、上記第１方向に対して直交する第２方向に沿った付勢力により上記相殺モーメントを上記回転軸に作用させる付勢機構を備え、上記付勢力の方向は常に上記第２方向で一定である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアーム用バランサ機構に関する。

基台に対して回転可能に設けられた回転アームを備えたロボットアームが従来から知られている。回転アームの自重による回転モーメント（以下、「自重モーメント」と称する場合がある。）が回転軸に作用する。この結果、回転軸を駆動するモータの負荷が増大する。

後述の特許文献１〜４には、回転軸に作用する自重モーメントの少なくとも一部を相殺するバランシング用回転モーメント（以下、「相殺モーメント」と称する場合がある。）を回転軸に作用させるバランサ機構が開示されている。

特開平１−３１０８８５号公報特開平１０−１３８１８９号公報特開２００２−２８３２７３号公報特開２０１５−２７７１３号公報

コンパクトな構造により相殺モーメントを安定して作用させることが求められるときがある。

本発明に係るロボットアーム用バランサ機構は、基台、上記基台上に設けられ第１方向に延びる軸心を有する回転軸、および上記回転軸に支持された回転アームを含むロボットアームに用いられ、上記回転軸に作用する回転モーメントを相殺する相殺モーメントを上記回転軸に作用させるバランサ機構であって、上記基台に固定され、上記第１方向に対して直交する第２方向に沿った付勢力により上記相殺モーメントを上記回転軸に作用させる付勢機構を備え、上記付勢力の方向は常に上記第２方向で一定である。

上記構成によれば、相殺モーメントを回転軸に作用させる付勢機構を基台に固定しているため、回転軸および回転アームを回転可能に支持する基台周辺のスペースを有効活用してバランサ機構を構成することができる。異なる観点では、付勢機構の自重による自重モーメントを発生させることもない。さらに異なる観点では、付勢力の方向が常に一定であるため、相殺モーメントを安定して作用させることができる。

実施の形態１に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図１に示すロボットアームを矢印IIの方向からみた図である。実施の形態１に係るバランサ機構の正面断面図である。図３に示すバランサ機構において、図３の状態から回転軸が回転した状態を示す図である。図３に示すバランサ機構と回転軸との接続部の構造を示す図である。図５に示す接続部の変形例の構造を示す図である。実施の形態１に係るバランサ機構の変形例の正面断面図である。図７に示すバランサ機構において、図７の状態から回転軸が回転した状態を示す図である。実施の形態２に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図９に示すロボットアームを矢印Ｘの方向からみた図である。実施の形態３に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図１１に示すロボットアームを矢印ＸIIの方向からみた図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図２は、図１に示すロボットアームを矢印IIの方向からみた図である。

図１を参照して、ロボットアーム１０００は、基台１００と、基台１００上に設けられＸ軸方向（第１方向）に延びる軸心を有する回転軸２００と、回転軸２００に支持された回転アーム３００とを含む。

回転軸２００は、モータＭ１により回転駆動される。回転アーム３００は、回転軸２００に固定される第１アーム３１０と、第１アーム３１０に対して回転可能に接続される第２アーム３２０とを含む。第２アーム３２０は、モータＭ２により回転駆動される。

ロボットアーム１０００は、バランサ機構１を含む。回転アーム３００の自重による自重モーメントが回転軸２００に作用する。この結果、モータＭ１の負荷が増大する。

バランサ機構１による相殺モーメントを発生させ、自重モーメントを低減することが要請される。

図３は、バランサ機構１の正面断面図であり、図４は、図３の状態から回転軸が回転した状態を示す図である。図５は、バランサ機構１と回転軸２００との接続部の構造を示す図である。

図３，図４に示すように、バランサ機構１は、第１部材１０と、第２部材２０と、第３部材３０と、ガススプリング３０Ａとを含む。

第１部材１０は、ピン１１と、ローラ１２とを含む。ピン１１は、回転軸２００に対して偏芯するように配置されている。図５に示すように、ピン１１は、回転軸２００の軸方向端面に設けられた穴に嵌合している。ピン１１は、回転軸２００の軸方向端面から突出している。

ピン１１の外周には、回転可能なローラ１２が設けられている。回転軸２００が矢印ＤＲ２００方向に回転して第２部材２０がＹ軸方向（第２方向）に動くとき、ピン１１およびローラ１２は第２部材２０の横長孔２１内を往復動する。このとき、ローラ１２は回転する。

第２部材２０の横長孔２１は、ピン１１およびローラ１２に係合する。第２部材２０は、回転軸２００の軸心方向であるＸ軸方向に対して直交するＹ軸方向にのみ往復動可能とされている。回転軸２００の回転に伴なって第２部材２０がＹ軸方向に往復動する。

第３部材３０は、基台１００に固定される。ガススプリング３０Ａは、シリンダ３１Ａとプランジャ３２Ａとを含む。ガススプリング３０Ａのシリンダ３１Ａが第２部材に固定される。ガススプリング３０Ａのプランジャ３２Ａの先端が第３部材３０に接合される。回転軸２００の回転に伴なって第２部材２０がＹ軸方向に往復動し、ガススプリング３０Ａは伸縮する。ガススプリング３０Ａは、シリンダ３１Ａに封入された窒素などの圧縮ガスにより、第２部材２０に対してＹ軸方向の付勢力を加える。このとき、第２部材２０に設けたスライド部２２と第３部材３０とが摺動する。

ガススプリング３０Ａの付勢力は、第２部材２０とローラ１２とを介してピン１１に伝達される。ピン１１は回転軸２００に対して偏芯した状態で回転軸２００に固定されているため、ピン１１に伝達されたＹ軸方向の力は、矢印ＤＲ２００方向の相殺モーメントとして回転軸２００に伝達される。

バランサ機構１は、２つのガススプリング３０Ａを含む。２つのガススプリング３０Ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向（第３方向）にならび、Ｚ軸方向において回転軸２００の軸心を挟むように設けられる。

図６は、バランサ機構１と回転軸２００との接続部の変形例の構造を示す図である。図６に示す変形例では、第２部材２０に対して回転軸２００の反対側に位置し、第１部材１０のピン１１を固定する第４部材４０がさらに設けられている。

第４部材４０は、回転軸２００と同軸上に設けられる。第４部材４０は、軸受Ｂ１，Ｂ２を介して支持部材１１０，１２０に回転可能に支持される。支持部材１１０，１２０は、基台１００に固定される。第４部材４０は、第２部材２０を挟んで回転軸２００の軸方向端面と対向している。

図６に示す変形例において、ピン１１は、回転軸２００と第４部材４０とによって両端支持されているため、ガススプリング３０Ａの付勢力によるピン１１の変形が抑制される。結果として、回転軸２００のぶれが小さくなる。

図７は、本実施の形態に係るバランサ機構の変形例の正面断面図であり、図８は、図７の状態から回転軸が回転した状態を示す図である。

図７，図８に示す変形例では、ガススプリング３０Ａのシリンダ３１Ａが第２部材２０に固定され、プランジャ３２Ａが基台１００に固定される。回転軸２００の回転に伴なって第２部材２０がＹ軸方向に往復動し、ガススプリング３０Ａが伸縮するとき、シリンダ３１Ａとプランジャ３２Ａとが摺動する。

本実施の形態においては、バランサ機構１を構成する第３部材３０またはプランジャ３２Ａを基台１００に固定しているため、基台１００周辺のスペースを有効活用してバランサ機構１を構成することができる。また、バランサ機構１の自重による自重モーメントを発生させることもない。また、ガススプリング３０Ａによる付勢力の方向が常に一定（Ｙ軸方向）であるため、回転軸２００に対して相殺モーメントを安定して作用させることができる。さらに、回転軸２００に対して相殺モーメントを直接作用させているため、回転軸２００の３６０°の回転角度の全範囲において、相殺モーメントを作用させることが可能である。

なお、本実施の形態では、付勢部材としてガススプリング３０Ａを用いた例について説明した。ガススプリングはコンパクトなバランサ機構を実現するのに特に適している。しかし、付勢部材はガススプリングに限定されず、たとえばコイルばね等の付勢力を利用してもよい。また、ガススプリングとその他の付勢手段とを併用してもよい。

本実施の形態では、２つのガススプリング３０Ａを左右対称に配置する例について説明した。しかし、付勢部材の数および位置はこれに限定されない。たとえば、ガススプリングを１つとしてもよいし、３つ以上としてもよい。

また、本実施の形態において、バランサ機構１は外部に露出しているが、ハウジングによる密閉空間内にバランサ機構を設けてもよい。

（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図１０は、図９に示すロボットアームを矢印Ｘの方向からみた図である。

図９，図１０を参照して、本実施の形態に係るロボットアーム２０００は、実施の形態１に係るロボットアーム１０００の変形例であって、１つの特徴として、Ｙ軸方向（第２方向）の付勢力を回転軸２００から離れた位置で回転アーム３００に作用させることが挙げられる。

本実施の形態に係るバランサ機構２も、第１部材１０、第２部材２０、第３部材３０、およびガススプリング３０Ａを含む。第１部材１０は、回転軸２００から離れた位置で回転アーム３００を下方から支持する。第２部材２０は、第１部材１０に取り付けられている。第２部材２０は、ガススプリング３０Ａの付勢力によってＹ軸方向（第２方向）に付勢される。第３部材３０は、基台１００に固定される。第２部材２０に設けたスライド部２２と第３部材３０とが摺動することにより、第２部材２０の移動方向がＹ軸方向に規制される。

本実施の形態に係るバランサ機構においても、基台１００周辺のスペースを有効活用してバランサ機構２を構成することができる。また、バランサ機構２の自重による自重モーメントを発生させることもなく、回転軸２００に対して相殺モーメントを安定して作用させることができる。さらに、回転軸２００から離れた位置で回転アーム３００を支持しているため、相殺モーメントのアーム長を長くすることができ、比較的小さな付勢力であっても安定して相殺モーメントを発生させることが可能となる。その他、実施の形態１と同様の内容について、詳細な説明は繰り返さない。

（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３に係るバランサ機構を含むロボットアームを示す図である。図１２は、図１１に示すロボットアームを矢印ＸIIの方向からみた図である。

図１１，図１２を参照して、本実施の形態に係るロボットアーム３０００は、実施の形態１に係るロボットアーム１０００の変形例であって、実施の形態２と同様、Ｙ軸方向（第２方向）の付勢力を回転軸２００から離れた位置で回転アーム３００に作用させることを１つの特徴とする。

本実施の形態に係るバランサ機構３も、第１部材１０、第２部材２０、第３部材３０、およびガススプリング３０Ａを含む。第１部材１０は、回転軸２００から離れた位置で第１アーム３１０に設けられた長孔３１１に係合し、回転アーム３００を支持する。第２部材２０は、第１部材１０に取り付けられている。第２部材２０は、ガススプリング３０Ａの付勢力によってＹ軸方向（第２方向）に付勢される。第３部材３０は、基台１００に固定される。第２部材２０に設けたスライド部２２と第３部材３０とが摺動することにより、第２部材２０の移動方向がＹ軸方向に規制される。

本実施の形態に係るバランサ機構においても、基台１００周辺のスペースを有効活用してバランサ機構３を構成することができる。また、バランサ機構３の自重による自重モーメントを発生させることもなく、回転軸２００に対して相殺モーメントを安定して作用させることができる。さらに、回転軸２００から離れた位置で回転アーム３００を支持しているため、相殺モーメントのアーム長を長くすることができ、比較的小さな付勢力であっても安定して相殺モーメントを発生させることが可能となる。その他、実施の形態１と同様の内容について、詳細な説明は繰り返さない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２，３バランサ機構、１０第１部材、１１ピン、１２ローラ、２０第２部材、２１横長孔、２２スライド部、３０第３部材、３０Ａガススプリング、３１Ａシリンダ、３２Ａプランジャ、４０第４部材、１００基台、１１０，１２０支持部材、２００回転軸、３００回転アーム、３１０第１アーム、３２０第２アーム、１０００，２０００，３０００ロボットアーム。

Claims

基台、前記基台上に設けられ第１方向に延びる軸心を有する回転軸、および前記回転軸に支持された回転アームを含むロボットアームに用いられ、前記回転軸に作用する回転モーメントを相殺する相殺モーメントを前記回転軸に作用させるバランサ機構であって、
前記基台に固定され、前記第１方向に対して直交する第２方向に沿った付勢力により前記相殺モーメントを前記回転軸に作用させる付勢機構を備え、
前記付勢力の方向は常に前記第２方向で一定である、ロボットアーム用バランサ機構。
前記第２方向の前記付勢力を前記回転軸に直接作用させる、請求項１に記載のロボットアーム用バランサ機構。
前記付勢機構は、
前記回転軸に対して偏芯するように配置され、前記回転軸に固定された第１部材と、
前記第１部材に係合する係合部を有し、前記付勢力によって前記第２方向に付勢される第２部材と、
前記基台に固定され、前記第２部材の移動方向を前記第２方向に規制する第３部材とを含む、請求項２に記載のロボットアーム用バランサ機構。
前記回転軸に対して同軸上に回転可能に支持され、前記第２部材に対して前記回転軸の反対側に位置し、前記第１部材を固定する第４部材をさらに備えた、請求項３に記載のロボットアーム用バランサ機構。
前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向にならび、前記第３方向において前記回転軸の軸心を挟むように設けられた２つの付勢部材によって前記第２部材が前記第２方向に付勢される、請求項３または請求項４に記載のロボットアーム用バランサ機構。
前記第２方向の前記付勢力を前記回転軸から離れた位置で前記回転アームに作用させる、請求項１に記載のロボットアーム用バランサ機構。
前記付勢機構は、
前記回転軸から離れた位置で前記回転アームを支持する第１部材と、
前記第１部材に取り付けられ、前記付勢力によって前記第２方向に付勢される第２部材と、
前記基台に固定され、前記第２部材の移動方向を前記第２方向に規制する第３部材とを含む、請求項６に記載のロボットアーム用バランサ機構。
ガススプリングによって前記付勢力を生じさせる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のロボットアーム用バランサ機構。