JP2017196681A - Industrial robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多関節アームの関節の駆動力をアシストする油圧シリンダを備えた産業用ロボットに関する。 The present invention relates to an industrial robot including a hydraulic cylinder that assists the driving force of a joint of a multi-joint arm.
従来、複数のリンクが連接されて成る多関節アームを備えた産業用ロボットにおいて、リンクを駆動する軸に掛かる負荷を軽減するために、当該リンクに作用する重力モーメントとバランスする力を当該リンク又は軸に付与するバランサが知られている。特許文献1には、この種のバランサを備えた産業用ロボットが開示されている。 Conventionally, in an industrial robot having an articulated arm in which a plurality of links are connected, in order to reduce the load applied to the shaft that drives the link, a force that balances the gravitational moment acting on the link or the link or A balancer is known to be applied to the shaft. Patent Document 1 discloses an industrial robot provided with this type of balancer.
特許文献1に記載された産業用ロボットは、支台と、支台に垂直軸を介して回動可能に連接された第1のアームと、一端が第1のアームと連結され他端が支台に接続されたバランサとを備えている。このバランサは、エアシリンダと、エアシリンダへ圧縮空気を供給する空気供給ユニットと、空気供給ユニットを制御するコントローラとを有している。そして、コントローラには第1のアームの位置及び姿勢に対応して当該アームをその姿勢にバランスさせるための圧縮空気の空気圧が記憶されており、コントローラは第1のアームの現在の姿勢に基づいて対応する空気圧を供給するように空気供給ユニットを動作させる。 The industrial robot described in Patent Document 1 includes an abutment, a first arm connected to the abutment via a vertical axis so as to be rotatable, one end connected to the first arm, and the other end supported. And a balancer connected to the table. The balancer includes an air cylinder, an air supply unit that supplies compressed air to the air cylinder, and a controller that controls the air supply unit. The controller stores the air pressure of compressed air for balancing the arm to the posture corresponding to the position and posture of the first arm, and the controller is based on the current posture of the first arm. Operate the air supply unit to supply the corresponding air pressure.
特許文献2に記載された産業用ロボットは、基台部に回転可能に支持されたアームと、一端が基台部に連結されるとともに他端がアームに連結されたバランス機構とを備えている。このバランス機構は、減速機構とサーボモータから成る駆動機構を有している。サーボモータは、アームの基台部の回転中心周りの重力モーメントを打ち消す方向に駆動トルクを発生させる。
The industrial robot described in
しかし、上記特許文献1,2の産業用ロボットは、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減するという点で改善の余地があった。特に、特許文献1の産業用ロボットでは、第1のアームが或る位置及び姿勢にあるときにその姿勢を保持させるために常時圧縮空気がバランサに供給されねばならない。
However, the industrial robots of
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、産業用ロボットにおいて、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce energy for maintaining the posture of an arm in an industrial robot.
本発明の一態様に係る産業用ロボットは、
ベースと、
前記ベースに連結された多関節アームと、
前記多関節アームの関節を動作させる関節駆動モータと、
前記関節駆動モータのうち少なくとも1つの駆動力をアシストする、ピストンの両側に作動油が出入りする2つのポートが設けられた油圧シリンダと、
前記油圧シリンダの2つの前記ポートを接続する油圧回路と、
2つの前記ポートの作動油の流れを許容する状態と2つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも1つの切替弁とを備えることを特徴としている。
An industrial robot according to one embodiment of the present invention is
Base and
An articulated arm connected to the base;
A joint drive motor for operating the joint of the articulated arm;
A hydraulic cylinder provided with two ports through which hydraulic oil enters and exits on both sides of the piston for assisting at least one driving force of the joint drive motor;
A hydraulic circuit connecting the two ports of the hydraulic cylinder;
It is characterized by comprising at least one switching valve for switching between a state allowing the flow of hydraulic oil in the two ports and a state blocking the flow of hydraulic oil in the two ports.
上記構成の産業用ロボットによれば、切替弁を2つのポートの作動油の流れを阻止する状態に切り替えることで2つのポートの作動油の流れが阻止され、油圧シリンダの位置及び推力が保持される。この結果、油圧シリンダによるアシスト力が継続し、アームの姿勢が保持される。このように、作動油の流れが阻止されることによってアームの姿勢が保持されるので、アームに姿勢を保持するためのトルクを関節駆動モータのみで与える場合と比較して、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することができる。 According to the industrial robot having the above-described configuration, the flow of hydraulic oil in the two ports is blocked by switching the switching valve to a state in which the flow of hydraulic oil in the two ports is blocked, and the position and thrust of the hydraulic cylinder are maintained. The As a result, the assist force by the hydraulic cylinder continues and the posture of the arm is maintained. In this way, since the posture of the arm is maintained by preventing the flow of hydraulic oil, the posture of the arm is maintained as compared with the case where the torque for maintaining the posture is applied to the arm only by the joint drive motor. Energy to be reduced.
上記産業用ロボットが、
前記油圧回路に設けられた双方向油圧ポンプと、
前記油圧ポンプを駆動する正逆両回転電動モータと、
コントローラとを、更に備え、
前記油圧シリンダは、前記双方向油圧ポンプによって前記関節駆動モータのうち少なくとも1つの駆動力をアシストし、
前記コントローラは、前記多関節アームの位置及び姿勢に応じた前記油圧シリンダの位置及び推力を発生させるように前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。
The industrial robot above
A bidirectional hydraulic pump provided in the hydraulic circuit;
Forward and reverse electric motors for driving the hydraulic pump;
A controller,
The hydraulic cylinder assists at least one driving force of the joint driving motor by the bidirectional hydraulic pump,
The controller may be configured to control the operation of the electric motor and the switching valve so as to generate the position and thrust of the hydraulic cylinder according to the position and posture of the articulated arm.
上記産業用ロボットでは、電動モータの回転方向、回転トルク、及び回転速度を制御することによって、シリンダのピストンの位置及び推力(即ち、アシスト力)が制御される。これにより、関節を動作させる際のアシスト力の方向と大きさを、多関節アームの位置及び姿勢に応じて変化させることができ、多関節アームのあらゆる位置及び姿勢で有効なアシスト力を油圧シリンダに発生させることができる。 In the industrial robot, the position and thrust (ie, assist force) of the cylinder piston are controlled by controlling the rotation direction, rotation torque, and rotation speed of the electric motor. As a result, the direction and magnitude of the assist force when operating the joint can be changed according to the position and posture of the articulated arm, and the effective assist force can be applied to the hydraulic cylinder at any position and posture of the articulated arm. Can be generated.
また、上記産業用ロボットでは、切替弁を2つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とすることでシリンダの位置及び推力が保持され、油圧シリンダによるアシスト力が継続する。よって、多関節アームの動作に応じて切替弁を切り替えることにより、関節駆動力のアシストの省エネルギー化を実現することができる。 In the industrial robot, the position and thrust of the cylinder are maintained by setting the switching valve in a state in which the flow of hydraulic oil in the two ports is blocked, and the assist force by the hydraulic cylinder is continued. Therefore, by switching the switching valve according to the operation of the articulated arm, it is possible to realize energy saving of assisting the joint driving force.
上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラは、前記油圧シリンダによってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときに前記切替弁を2つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とするように構成されていてよい。 In the industrial robot, the controller is configured to set the switching valve in a state of blocking the flow of hydraulic oil in the two ports when the movement of the joint assisted by the hydraulic cylinder stops for a predetermined time or more. May have been.
これにより、油圧シリンダによってアシストされる関節が静止しているときには、シリンダのピストンの位置及び推力が保持されるので、エネルギーの使用を抑えつつ、関節にアシスト力が作用した状態が維持される。 Thereby, when the joint assisted by the hydraulic cylinder is stationary, the position and thrust of the piston of the cylinder are maintained, so that the state where the assist force is applied to the joint is maintained while suppressing the use of energy.
上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラは、前記多関節アームのモーションパターンと対応した前記油圧シリンダの位置及び推力を含む前記油圧シリンダのモーションパターンを記憶しており、前記油圧シリンダのモーションパターンに基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。 In the industrial robot, the controller stores a motion pattern of the hydraulic cylinder including a position and thrust of the hydraulic cylinder corresponding to a motion pattern of the articulated arm, and based on the motion pattern of the hydraulic cylinder. The operation of the electric motor and the switching valve may be controlled.
或いは、上記産業用ロボットが、前記油圧シリンダによってアシストされる関節に掛かる負荷を検出する負荷検出器を更に備え、
前記コントローラは、前記関節駆動モータの回転角度に基づいて前記多関節アームの位置及び姿勢を求め、前記負荷検出器で検出された負荷及び前記多関節アームの位置及び姿勢に基づいて前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力を求め、前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力に基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御するように構成されていてよい。
Alternatively, the industrial robot further includes a load detector that detects a load applied to a joint assisted by the hydraulic cylinder,
The controller obtains the position and orientation of the articulated arm based on the rotation angle of the joint drive motor, and determines the position of the hydraulic cylinder based on the load detected by the load detector and the position and orientation of the articulated arm. A target position and a target thrust may be obtained, and operations of the electric motor and the switching valve may be controlled based on the target position and the target thrust of the hydraulic cylinder.
上記のように切替弁が制御されることにより、多関節アームの動作に応じて省エネルギー化が実現されるように切替弁を切り替えることができる。 By controlling the switching valve as described above, the switching valve can be switched so that energy saving is realized according to the operation of the articulated arm.
上記産業用ロボットにおいて、前記油圧回路に、当該油圧回路から油タンクへ作動油を逃がすリリーフ弁が設けられており、前記油圧回路の前記ポートと前記リリーフ弁との間に前記切替弁が設けられていてよい。 In the industrial robot, a relief valve that releases hydraulic oil from the hydraulic circuit to the oil tank is provided in the hydraulic circuit, and the switching valve is provided between the port of the hydraulic circuit and the relief valve. It may be.
これにより、油圧回路のよりシリンダに近い位置で作動油の流動が阻止されるので、切替弁がオフの間のシリンダの位置及び推力を効率的に維持することができる。 Thereby, since the flow of hydraulic fluid is blocked at a position closer to the cylinder in the hydraulic circuit, the position and thrust of the cylinder while the switching valve is off can be efficiently maintained.
上記産業用ロボットにおいて、前記油圧シリンダが前記多関節アームに設けられ、前記電動モータが前記多関節アームから離れて設置され、前記油圧回路を形成する油圧配管が前記多関節アーム及び/又は前記ベース内に挿通されていてよい。 In the industrial robot, the hydraulic cylinder is provided in the articulated arm, the electric motor is installed apart from the articulated arm, and a hydraulic pipe forming the hydraulic circuit is connected to the articulated arm and / or the base. It may be inserted inside.
これにより、油圧シリンダの駆動機構によって多関節アームに作用する遠心力を軽減することができる。 Thereby, the centrifugal force which acts on the articulated arm by the drive mechanism of the hydraulic cylinder can be reduced.
上記産業用ロボットが、前記油圧シリンダと並設されたバネバランサを更に備えていてよい。 The industrial robot may further include a spring balancer provided in parallel with the hydraulic cylinder.
これにより、関節の駆動力のアシスト力を高めることができる。 Thereby, the assist force of the driving force of the joint can be increased.
上記産業用ロボットにおいて、前記コントローラが、前記関節駆動モータの動作を制御するように構成されていてよい。 In the industrial robot, the controller may be configured to control the operation of the joint drive motor.
このように、関節駆動モータの動作と油圧シリンダの動作とがコントローラで制御されることにより、コントローラの数を削減することができる。また、油圧シリンダに、多関節アームの動作や姿勢と関連付けた動作を行わせる構成を容易に構築することができる。 Thus, the number of controllers can be reduced by controlling the operation of the joint drive motor and the operation of the hydraulic cylinder by the controller. In addition, it is possible to easily construct a configuration in which the hydraulic cylinder performs an operation associated with the operation or posture of the articulated arm.
本発明によれば、多関節アームの関節の駆動力をアシストする油圧シリンダを備えたロボットにおいて、アームの姿勢を保持するためのエネルギーを削減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the robot provided with the hydraulic cylinder which assists the driving force of the joint of a multi joint arm, the energy for hold | maintaining the attitude | position of an arm can be reduced.
〔第1実施形態〕
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、ロボット1の概略構成から説明する。図1は本発明の一実施形態に係る産業用ロボット(以下、単に「ロボット1」ということがある)の概略構成を示す模式図である。図1に示すように、本実施形態に係るロボット1は、6軸の垂直多関節型ロボットである。但し、本発明は上記に限定されず、水平多関節型・垂直多関節型を問わず、また、軸数を問わず、多関節アームを備えるロボットに広く適用することができる。
[First Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the schematic configuration of the robot 1 will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an industrial robot (hereinafter simply referred to as “robot 1”) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a robot 1 according to this embodiment is a 6-axis vertical articulated robot. However, the present invention is not limited to the above, and can be widely applied to robots having a multi-joint arm regardless of the number of axes regardless of whether they are a horizontal multi-joint type or a vertical multi-joint type.
ロボット1は、ベース2と、ベース2に支持された多関節アーム(以下、単に「アーム」という)10と、アーム10の先端部に装着されたエンドエフェクタ5と、アーム10及びエンドエフェクタ5の動作を制御するコントローラ6とを備えている。
The robot 1 includes a
アーム10は、複数のリンクが直列的に連接されて成る。具体的には、アーム10は、旋回軸21、第1リンク11、第2リンク12、第3リンク13、第4リンク14、第5リンク15の各リンクが、基端部から先端部へ向けてこの順に連接されて成る。旋回軸21は、ベース2に対し、旋回関節JT1を介して垂直軸回りを旋回可能に連結されている。第1リンク11の基端部は、旋回軸21に回転関節JT2を介して連結されている。第1リンク11の先端部と第2リンク12の基端部とは回転関節JT3を介して連結されている。回転関節JT2,JT3は、リンク同士を水平軸回りに垂直に回転するように連結する関節である。第2リンク12の先端部と第3リンク13の基端部とは捻れ関節JT4を介して連結されている。
The
第3リンク13の先端部と第4リンク14の基端部とは回転関節JT5を介して連結されている。第4リンク14の先端部と第5リンク15の基端部とは捻れ関節JT6を介して連結されている。回転関節JT5及び捻れ関節JT6を含む第3リンク13、第4リンク14及び第5リンク15の連接体は、アーム10の手首部を構成している。第5リンク15の先端部にはメカニカルインターフェースが設けられており、このメカニカルインターフェースにロボット1が行う作業に応じたエンドエフェクタ5が連結されている。
The distal end portion of the
上記構成のアーム10は、各関節JT1〜JT6(軸)に対応した関節駆動部を備えている。図2は、ロボット1の駆動系統の構成を示すブロック図である。図2に示すように、各関節駆動部は、サーボドライバD1〜D6、関節駆動モータM1〜M6及び減速機(図示略)などを含んでいる。各関節駆動モータM1〜M6はサーボモータであって、関節JT1〜JT6の回転角度を検出する回転角検出器E1〜E6が付設されている。回転角検出器E1〜E6は、例えば、ロータリエンコーダ、レゾルバ、パルスジェネレータなど、関節JT1〜JT6の回転角度を検出できるものであればよい。
The
図1に戻り、アーム10には、アーム10の関節JT2まわりの重力モーメントを打ち消す方向(即ち、重力モーメントと釣り合う方向)へ、第1リンク11にアシスト力Taを与えるバランサ装置7が設けられている。本実施形態において、上記アシスト力Taはアシストトルクであって、バランサ装置7により第1リンク11へ与えられるアシスト力Taによって関節JT2を駆動する関節駆動モータM2の駆動トルクTmが助力される。
Returning to FIG. 1, the
バランサ装置7は、一端が旋回軸21に連結され、他端が第1リンク11に連結された油圧シリンダ71を備えている。バランサ装置7は、アシストする関節に応じて、アーム10のリンク同士の間に架設されていたり、アーム10のいずれかのリンクとベース2との間に架設されていたりしてよい。シリンダ71は、従来のバネバランサなどと同様に、アーム10の背面側に設けられている。つまり、第1リンク11の先端側を関節JT2まわりに上方へ回動させる際にはシリンダ71が縮み、第1リンク11先端側を関節JT2まわりに下方へ回動させる際にはシリンダ71が伸びるように、アーム10にシリンダ71が取り付けられている。
The
図3は、バランサ装置7の駆動系統の構成を示す油圧回路図である。図3に示すように、バランサ装置7のシリンダ71は、所謂、クローズ回路型アクチュエータであって、シリンダ71の駆動機構に油圧ポンプ72と、油圧ポンプ72に直結された電動モータ73とを備えている。クローズ回路型アクチュエータでは、電動モータ73の回転方向、回転速度、及び、回転トルクを制御することによって、油圧ポンプ72から吐出される圧油の吐出方向、吐出量、及び、吐出圧が調整され、これにより、シリンダ71のピストン711の位置(速度)と推力が制御される。
FIG. 3 is a hydraulic circuit diagram showing the configuration of the drive system of the
バランサ装置7は、シリンダ71、油圧ポンプ72、電動モータ73、及び、シリンダ71と油圧ポンプ72とを繋ぐ油圧配管が一体的に設けられたパッケージ型のものであってよい。或いは、バランサ装置7は、シリンダ71がアーム10とベース2に取り付けられ、油圧ポンプ72及び電動モータ73はアーム10から離れてシリンダ71とは別置きされた分割型のものであってよい。なお、シリンダ71と油圧ポンプ72とを繋ぐ油圧配管は、アーム10及び/又はベース2内に挿通されてよい。このように分割型のバランサ装置7を採用すれば、バランサ装置7の遠心力がアーム10の動きに与える影響を軽減することができる。また、アーム10の動きと干渉しないバランサ装置7のアレンジが容易となる。
The
シリンダ71は、ロッド710と、ロッド710に連結されたピストン711と、ピストン711が往復動するスリーブ712とを備えている。スリーブ712内は、ピストン711によって往動室71aと復動室71bとに分けられている。シリンダ71の往動室71aに作動油が流入するとロッド710が伸び、シリンダ71の復動室71bに作動油が流入するとロッド710が縮む。復動室71bにおけるピストン711の受圧面積は、往動室71aにおけるピストン711の受圧面積よりも小さい。
The
スリーブ712は、ピストン711の両側に作動油が出入りするポートがある複動型のものである。シリンダ71の2つのポートは油圧ポンプ72を間に介して油路81,82で接続されており、シリンダ71と油圧ポンプ72で閉じられた油圧回路が形成されている。なお、この油圧回路は、前述の油圧配管等により規定されている。
The
シリンダ71の復動室71bと油圧ポンプ72とは、第1油路81によって接続されている。また、シリンダ71の往動室71aと油圧ポンプ72とは、第2油路82で接続されている。第2油路82は、給排油路85を介して作動油タンク86と接続されている。
The
第1油路81は、給排油路85を介して作動油タンク86と接続されている。第1油路81と給排油路85との間には、第1油路81から給排油路85への作動油の流れを禁止し、給排油路85から第1油路81への作動油の流れを許容する、チェック弁83が設けられている。また、第1油路81と給排油路85との間には、第1油路81の油圧が所定圧を超えると、第1油路81のチェック弁83よりもシリンダ71側から給排油路85へ作動油を逃がすリリーフ弁87が設けられている。
The
第2油路82と給排油路85との間には、第2油路82から給排油路85への作動油の流れを禁止し、給排油路85から第2油路82への作動油の流れを許容する、チェック弁88が設けられている。また、第2油路82と給排油路85との間には、第2油路82の油圧が所定圧を超えると、第2油路82のチェック弁88よりもシリンダ71側から給排油路85へ作動油を逃がすリリーフ弁89が設けられている。更に、第2油路82と給排油路85との間には、給排油路85から第2油路82のチェック弁88とリリーフ弁89との間への作動油の流れを許容し逆の流れを禁止するパイロット式チェック弁93が設けられている。パイロット式チェック弁93は、第1油路81の油圧をパイロット信号として動作し、第2油路82の油圧が第1油路81の油圧より低くなると開放されて、往動室71aと復動室71bの受圧面積の差による流量の差分を吸収する。
Between the
第1油路81と第2油路82には、シリンダ71の各ポートの近傍において、切替弁80が設けられている。切替弁80は、ノーマルクローズの開閉弁である。切替弁80の動作は、コントローラ6によって制御される。切替弁80がオンであれば、シリンダ71の2つのポートの作動油の流れが許容され、ロッド710は動ける状態となる。また、切替弁80がオフであれば、シリンダ71の2つのポートの作動油の流れが阻止され、ロッド710は静止する。
In the
また、第1油路81と第2油路82には、作動油の圧力を検出する圧力センサ90,91が夫々設けられている。更に、シリンダ71には、ピストン711(又はロッド710)の位置を検出する位置センサ92が設けられている。位置センサ92及び圧力センサ90,91の検出信号はコントローラ6へ伝達される。
The
油圧ポンプ72は、双方向油圧ポンプであって、シリンダ71の復動室71bと往動室71aとへ選択的に作動油を送り出すことができる。油圧ポンプ72は、正逆両回転可能な電動モータ73により回転駆動される。電動モータ73はサーボモータであって、電動モータ73の回転方向、回転速度(回転角度)、及び、回転トルクはコントローラ6及びサーボドライバ75によってサーボ制御される
The
続いて、コントローラ6について説明する。コントローラ6は、いわゆるコンピュータであって、CPU等の演算処理装置と、ROM、RAM等の記憶装置を有している(いずれも図示せず)。記憶装置には、演算処理装置が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。演算処理装置は、例えば教示ペンダントや操作盤などの入力装置や外部装置とデータの送受信を行う。また、演算処理装置は、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。コントローラ6では、記憶装置に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理装置が読み出して実行することにより、ロボット1の各種動作を制御するための処理が行われる。なお、コントローラ6は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、コントローラ6は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)等から構成されていてもよい。
Next, the
コントローラ6には、予め教示された又はプログラムされたアーム10及びエンドエフェクタ5のモーションパターンが記憶されている。コントローラ6は、このモーションパターンと回転角検出器E1〜E6で検出された回転角度などに基づいて、各関節駆動部につき位置指令やトルク指令などを含む駆動指令を生成し、対応するサーボドライバD1〜D6へ出力する。サーボドライバD1〜D6は、駆動指令と回転角検出器E1〜E6で検出された回転角度などに基づいて駆動電流値を演算し、駆動電流を関節駆動モータM1〜M6へ供給する。
The
また、コントローラ6には、シリンダ71のモーションパターンが記憶されている。シリンダ71のモーションパターンには、アーム10のモーション(位置及び姿勢など)と対応した、シリンダ71のピストン711の位置及び推力、切替弁80のオン/オフなどが含まれている。ピストン711の推力は、シリンダ71の作用により関節JT2に発生するアシスト力Taと対応している。コントローラ6は、シリンダ71のモーションパターンに含まれる位置及び推力、位置センサ92及び圧力センサ90,91の検出値などに基づいて、駆動指令を生成する。生成された駆動指令はサーボドライバ75へ出力される。サーボドライバ75は、駆動指令、回転角検出器74で検出された回転角度などに基づいて駆動電流値を演算し、駆動電流を電動モータ73へ供給する。
The
なお、シリンダ71のモーションパターンにおいて、原則としてアーム10が動作しているときに切替弁80はオンであるが、ピストン711の位置が所定時間以上一定の値に保持されるときには切替弁80がオフに切り換えられる。換言すれば、シリンダ71によってアシストされる関節JT2の動きが所定時間以上静止するときに、切替弁80がオフとされる。例えば、関節JT2を動作させずに旋回関節JT1を動作させる際、即ち、アーム10が全体的に水平旋回する際には、切替弁80はオフとされる。また、例えば、アーム10の関節JT2より先端側の関節JT3〜JT5のみを動作させる際、切替弁80はオフとされる。切替弁80がオフであれば、シリンダ71における作動油の流動が阻止されるため、シリンダ71のピストン711の位置及び推力が概ね保持される。これにより、バランサ装置7のエネルギーの使用を抑えつつ、シリンダ71のアシスト力Taが維持される。
In the motion pattern of the
上記構成のロボット1において、バランサ装置7の動作の例について説明する。
An example of the operation of the
第1リンク11の先端側を上方へ回動させる際には、関節JT2の関節駆動部の関節駆動モータM2は、第1リンク11を関節JT2まわりに上方へ回動させる回転方向の駆動トルクTmを発生させる。ここで、バランサ装置7では、切替弁80はオンとされ、シリンダ71が縮むように油圧ポンプ72が動作して、駆動トルクTmと同じ回転方向のアシスト力Taが発生する。これにより、第1リンク11には駆動トルクTmとアシスト力Taとの和が作用し、関節駆動モータM2の駆動トルクTmがアシスト力Taによりアシストされる。
When the distal end side of the
また、第1リンク11の先端側を下方へ回動させる際には、関節JT2の関節駆動部の関節駆動モータM2は、第1リンク11を関節JT2まわりに下方へ回動させる方向の駆動トルクTmを発生させる。ここで、バランサ装置7では、切替弁80はオンとされ、シリンダ71が伸びるように油圧ポンプ72が動作して、駆動トルクTmと同じ回転方向のアシスト力Taが発生する。これにより、第1リンク11には駆動トルクTmとアシスト力Taとの和が作用し、関節駆動モータM2の駆動トルクTmがアシスト力Taによりアシストされる。但し、バランサ装置7に、駆動トルクTmと逆の回転方向のアシスト力Taを発生させてもよい。この場合、第1リンク11の回転速度を抑え、制動力を高めることができる。
Further, when the distal end side of the
また、関節JT2の角度を一定に維持した状態で、旋回関節JT1や関節JT3,JT4を回転させる際には、バランサ装置7の切替弁80をオフとして、油圧シリンダ71での作動油の流れを阻止する状態とすることにより、シリンダ71の長さ(即ち、ピストン711の位置)を一定に保持させる。このバランサ装置7は、第1リンク11に作用する重力モーメントに対抗して、第1リンク11の位置を保持しようとする。ここで、バランサ装置7の保持力で重力モーメントに十分に対抗できない場合には、サーボ制御されている関節駆動モータM2にアシスト力Taと同じ回転方向の駆動トルクTmが発生して第1リンク11の位置が一定に保持される。
Further, when rotating the turning joint JT1 and the joints JT3 and JT4 with the angle of the joint JT2 kept constant, the switching
以上に説明したように、本実施形態に係るロボット1は、関節駆動モータM1〜M6のうち少なくとも1つ(ここでは、関節駆動モータM2)の駆動力をアシストするバランサ装置7を備えている。このバランサ装置7は、ピストン711の両側に作動油が出入りするポートが設けられたシリンダ71と、シリンダ71の2つのポートを接続する油圧回路と、油圧回路に設けられた双方向油圧ポンプ72と、油圧ポンプ72を駆動する正逆両回転電動モータ73と、2つのポートの作動油の流れを許容する状態と2つのポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも1つの切替弁80とを有する。この切替弁80は、オン時に2つのポートの作動油の流れを許容し且つオフ時に2つのポートの作動油の流れを阻止するように動作してもよい。そして、コントローラ6は、アーム10の位置及び姿勢に応じたシリンダ71の位置及び推力を発生させるように電動モータ73及び切替弁80の動作を制御する。なお、バランサ装置7の動作を制御するコントローラ6は、バランサ装置7の一要素であってもよいし、ロボット1の一要素であるコントローラ(ロボットコントローラ)にその機能が併せ備えられていてもよい。
As described above, the robot 1 according to this embodiment includes the
上記ロボット1では、電動モータ73の回転方向、回転トルク、及び回転速度を制御することによって、シリンダ71のピストン711の位置及び推力(即ち、アシスト力Ta)が制御される。これにより、関節JT2を動作させる際のアシスト力Taの方向と大きさを、アーム10の位置及び姿勢に応じて変化させることができ、アーム10のあらゆる位置及び姿勢でバランサ装置7に有効なアシスト力を発生させることができる。つまり、バランサ装置7で発生するアシスト力Taによって、アーム10はあらゆる姿勢においてエネルギー損失の少ない動作を行うことができる。
In the robot 1, the position and thrust (ie, assist force Ta) of the
更に、上記ロボット1では、切替弁80をオフとすることでシリンダ71の位置及び推力が保持される。従って、アーム10の動作に応じて切替弁80を切り替えることにより、エネルギーの使用を抑えつつ、シリンダ71によるアシスト力Taを継続させることができる。このようにして、関節駆動力のアシストの省エネルギー化を実現することができる。
Further, in the robot 1, the position and thrust of the
上記の切替弁80は、原則として、シリンダ71によってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときにオフとされる。ここで、コントローラ6は、アーム10のモーションパターンと対応したシリンダ71の位置及び推力を含むシリンダ71のモーションパターンを記憶しており、シリンダ71のモーションパターンに基づいて電動モータ73及び切替弁80の動作を制御するように構成されていている。このように切替弁80が制御されることにより、アーム10の動作に応じて省エネルギー化が実現されるように切替弁80が切り換えられる。
In principle, the switching
更に、上記ロボット1では、バランサ装置7が具備する電動モータ73の動作を制御する制御部を、アーム10の動作を制御しているコントローラ6と共用することができる。このように、コントローラ6によってバランサ装置7の電動モータ73とアーム10の関節駆動モータM1〜M6とが制御されることにより、アーム10の動作に関連してバランサ装置7(シリンダ71)を動作させる構造を容易に実現することができる。そして、関節駆動モータM1〜M6と電動油圧アクチュエータを具備するバランサ装置7とを組み合わせることにより、バランサ装置7で生じるアシスト力Taの精度にかかわらず、アーム10は関節駆動モータM1〜M6によって高い位置決め精度が確保される。
Further, in the robot 1, the control unit that controls the operation of the
〔変形例1〕
次に、上記実施形態の変形例1を説明する。上記において、切替弁80は油圧回路においてシリンダ71のポートの近傍に設けられている。これによれば、油圧回路のシリンダ71により近い位置で作動油の流動が阻止されるので、切替弁80がオフの間のシリンダ71の位置及び推力を効率的に維持することができる。但し、切替弁80の油圧回路上の配置はこれに限定されない。変形例1では、上記実施形態において切替弁80の配置を変形した例を説明する。
[Modification 1]
Next, the modification 1 of the said embodiment is demonstrated. In the above, the switching
図4はバランサ装置7の駆動系統の構成の変形例を示す油圧回路図である。図4に示す変形例1に係るバランサ装置7Aでは、各油路81,82においてリリーフ弁87,89と油圧ポンプ72との間に切替弁80A,80Bが設けられている。また、リリーフ弁87,89と油圧ポンプ72との間に切替弁80A,80Bを設ける場合、切替弁80A,80Bのうちいずれか一方が省略されてもよい。このように、切替弁80A,80Bをシリンダ71から離隔させたり、切替弁80A,80Bの数を削減したりすることができれば、油圧回路のレイアウトの自由度を高めることができる。
FIG. 4 is a hydraulic circuit diagram showing a modification of the configuration of the drive system of the
〔変形例2〕
続いて、上記実施形態の変形例2を説明する。上記において、シリンダ71の動作、即ち、電動モータ73の動作は、予め記憶されたシリンダ71のモーションパターンに基づいて制御される。これによれば、バランサ装置7の制御は比較的単純となる。但し、バランサ装置7の動作制御は上記に限定されない。変形例2では、上記実施形態において、シリンダ71の動作が各種センサの検出値に基づいて制御される例2(i)及び2(ii)を説明する。
[Modification 2]
Then, the
例2(i):コントローラ6は、各回転角検出器E1〜E6の検出値に基づいてアーム10の位置及び姿勢を求め、アシストされる関節JT2に掛かる負荷を検出する負荷検出器(図示略)の検出信号とアーム10の位置及び姿勢とに基づいてシリンダ71のピストン711の目標位置及び目標推力を求める。そして、コントローラ6は、求めたシリンダ71のピストン711の目標位置及び目標推力に基づいて電動モータ73及び切替弁80の動作を制御する。ここで、負荷検出器は、例えば、第1リンク11の撓みを検出する撓み検出器、関節JT2の関節駆動モータM2の電流を検出する電流計、関節JT2の減速機に掛かるトルク検出器、などの第1リンク11又は関節JT2の関節駆動部に掛かる負荷を直接的又は間接的に検出できる機器であればよい。
Example 2 (i): The
例2(ii):コントローラ6は、アーム10の位置及び姿勢に好適なシリンダ71の位置及び推力を求める演算モデルを記憶している。そして、コントローラ6は、各回転角検出器E1〜E6の検出値に基づいてアーム10の位置及び姿勢を求め、アーム10の位置及び姿勢と演算モデルとからシリンダ71の目標位置及び目標推力を求め、シリンダ71の目標位置及び目標推力に基づいて電動モータ73及び切替弁80の動作を制御する。
Example 2 (ii): The
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態を説明する。上記第1実施形態に係るロボット1が備えるバランサ装置7は、アーム10のあらゆる姿勢においてもエネルギー損失の少ない動作を実現するように構成されている。但し、本発明が適用されるロボット1に搭載されたバランサ装置は、アーム10の姿勢を保持するときにのみ関節駆動モータをアシストするように構成されていてもよい。そこで、第2実施形態では、アーム10の姿勢を保持するときにのみ関節駆動モータM2をアシストするように構成されたバランサ装置7Bを備えたロボット1について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The
第2実施形態に係るロボット1は、バランサ装置7Bを除いて、前述の第1実施形態に係るロボット1と実質的に同じ構成を有している。そこで、本実施形態に係るロボット1の説明においては、バランサ装置7Bについて詳細に説明し、前述の第1実施形態と重複する説明を省略する。
The robot 1 according to the second embodiment has substantially the same configuration as the robot 1 according to the first embodiment described above, except for the
図5は、第2実施形態に係るロボット1のバランサ装置7Bの駆動系統の構成を示す油圧回路図である。なお、前述の第1実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付すことによって、構造及び作用の説明を省略する。
FIG. 5 is a hydraulic circuit diagram showing the configuration of the drive system of the
本実施形態に係るバランサ装置7Bは、一端が旋回軸21に連結され、他端が第1リンク11に連結された油圧シリンダ71を備えている(図1、参照)。図5に示すように、バランサ装置7Bは、ピストン711の両側に作動油が出入りする2つのポートが設けられた油圧シリンダ71と、シリンダ71の2つのポートを接続する油路回路81Aと、油路回路81Aに設けられた少なくとも1つの切替弁80とを備えている。切替弁80の動作はコントローラ6によって制御されており、切替弁80によって油路回路81Aが2つのポートの作動油の流れを許容する状態と2つのポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り替えられる。油路回路81Aは、油圧配管等により規定されている。また、油路回路81Aには給排油路97を介して作動油タンク86が接続されている。この作動油タンク86の作動油によって、シリンダ71の往動室71aと復動室71bとの間で流出入する作動油量の差分が賄われる。
The
上記構成のバランサ装置7Bを備えたロボット1において、コントローラ6は、油圧シリンダ71によってアシストされる関節の動きが所定時間以上静止するときに、切替弁80を2つのポートの作動油の流れを阻止する状態とする。これにより、油圧シリンダ71の2つのポートの作動油の流れが阻止され、油圧シリンダ71の位置及び推力が保持される。この結果、油圧シリンダ71によるアシスト力が継続し、アーム10の姿勢が保持される。このように、作動油の流れが阻止されることによってアームの姿勢が保持されるので、アームに姿勢を保持するためのトルクを関節駆動モータのみで与える場合と比較して、アームの姿勢を保持するエネルギーを削減することができる。
In the robot 1 including the
また、コントローラ6は、上記以外では、切替弁80を2つのポートの作動油の流れを許容する状態とする。
In addition to the above, the
なお、コントローラ6は、上記第1実施形態と同様に、アーム10のモーションパターンと対応した油圧シリンダ71の位置及び推力を含む油圧シリンダ71のモーションパターンを記憶しており、油圧シリンダ71のモーションパターンに基づいて切替弁80の動作を制御する。
As in the first embodiment, the
以上に本発明の好適な実施の形態(第1実施形態及びその変形例、並びに第2実施形態)を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。 The preferred embodiments of the present invention (the first embodiment and its modifications, and the second embodiment) have been described above, but the above configuration can be modified as follows, for example.
例えば、上記実施形態においては、アーム10とバランサ装置7とが一つのコントローラ6で制御されている。これにより、コントローラ6の数を削減することができる。また、バランサ装置7に、アーム10の動作や姿勢と関連付けた動作を行わせる構成を容易に構築することができる。但し、アーム10とバランサ装置7とが別のコントローラで制御されてもよい。
For example, in the above embodiment, the
また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置7のシリンダ71はクローズ回路型アクチュエータである。但し、バランサ装置7のシリンダ71の構成はこれに限定されない。例えば、シリンダ71は、オープン回路型アクチュエータであってもよい。この場合、シリンダ71と油圧ポンプ72とを接続している油圧回路にピストン711の位置を制御するための制御弁が設けられ、油圧ポンプ72に一定の動力を与える電動モータが備えられてよい。
Further, for example, in the above embodiment, the
また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置7は関節JT2に設けられているが、バランサ装置7と実質的に同一構成のバランサ装置(図示せず)が関節JT3にも設けられてもよい。或いは、関節JT2にバランサ装置7に加えて、従来のバネバランサ(図示略)が並設されていてもよい。このようにロボット1が複数の助力手段を備えることにより、関節駆動力のアシスト力を高めることができる。
Further, for example, in the above embodiment, the
また、例えば、上記実施形態において、バランサ装置7はクローズ回路型アクチュエータである油圧シリンダ71を備えている。そして、関節JT2の関節駆動部の関節駆動モータM2とバランサ装置7とを組み合わせることにより、サーボ制御される関節駆動モータM2の動作によりアーム10の位置決め精度を確保しつつ、アーム10のあらゆる姿勢においてもエネルギー損失の少ない動作を実現することができる。
Further, for example, in the above embodiment, the
上記理由で、バランサ装置7のシリンダ71はクローズ回路型アクチュエータである。但し、バランサ装置7のシリンダ71の構成はこれに限定されない。例えば、シリンダ71は、オープン回路型アクチュエータであってもよい。この場合、シリンダ71と油圧ポンプ72とを接続している油圧回路にピストン711の位置を制御するための制御弁が設けられ、油圧ポンプ72に一定の動力を与える電動モータが備えられてよい。
For the above reason, the
また、例えば、上記実施形態において、切替弁80はノーマルクローズの開閉弁であるが、切替弁80はノーマルオープンの開閉弁であってもよい。この場合の切替弁80の動作は、上記実施形態の切替弁80の動作の説明において、オン/オフを逆にして読み替えたものである。
Further, for example, in the above embodiment, the switching
また、例えば、上記実施形態において、ロボット1のアーム10は垂直多関節型である。但し、図6に示すように、本発明は水平多関節型のアーム10Aを備えたロボット1Aにも適用することができる。ロボット1Aは、ベース2と、ベース2に連結された水平多関節型のアーム10Aと、アーム10Aの先端部に連結されたエンドエフェクタ5とを備えている。アーム10Aは、ベース2に昇降関節JT11を介して連結された昇降軸22と、昇降軸22に水平回転関節JT12を介して連結された第1リンク11Aと、第1リンク11Aと水平回転関節JT13を介して連結された第2リンク12Aと、第2リンク12Aと昇降関節JT14を介して連結された第3リンク13Aと、第3リンク13Aと水平回転関節JT15を介して連結された第4リンク14Aとを備えている。ここで、バランサ装置7は、昇降関節JT11の関節駆動力をアシストするように、昇降軸22の昇降方向と平行に伸縮するようにアーム10Aとベース2に跨って取り付けられたシリンダ71を備えている。そして、バランサ装置7は、上記実施形態と同様に、アーム10Aの位置及び姿勢に応じて、上下方向のアシスト力Taを生じさせる。
Further, for example, in the above embodiment, the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
1 :産業用ロボット
2 :ベース
6 :コントローラ
7,7A,7B :バランサ装置
10 :多関節アーム
71 :油圧シリンダ
72 :油圧ポンプ
73 :電動モータ
74 :回転角検出器
75 :サーボドライバ
80 :切替弁
81 :第1油路(油圧回路)
82 :第2油路(油圧回路)
83,88 :チェック弁
85 :給排油路
86 :作動油タンク
87,89 :リリーフ弁
90,91 :圧力センサ
92 :位置センサ
JT1〜JT6 :関節
M1〜M6 :関節駆動モータ
Ta :アシスト力
Tm :駆動トルク
1: Industrial robot 2: Base 6:
82: Second oil passage (hydraulic circuit)
83, 88: Check valve 85: Supply / discharge oil passage 86:
Claims (9)
前記ベースに連結された多関節アームと、
前記多関節アームの関節を動作させる関節駆動モータと、
前記関節駆動モータのうち少なくとも1つの駆動力をアシストする、ピストンの両側に作動油が出入りする2つのポートが設けられた油圧シリンダと、
前記油圧シリンダの2つの前記ポートを接続する油圧回路と、
2つの前記ポートの作動油の流れを許容する状態と2つの前記ポートの作動油の流れを阻止する状態とに切り換える少なくとも1つの切替弁とを備える、
産業用ロボット。 Base and
An articulated arm connected to the base;
A joint drive motor for operating the joint of the articulated arm;
A hydraulic cylinder provided with two ports through which hydraulic oil enters and exits on both sides of the piston for assisting at least one driving force of the joint drive motor;
A hydraulic circuit connecting the two ports of the hydraulic cylinder;
At least one switching valve that switches between a state that allows the flow of hydraulic oil in the two ports and a state that blocks the flow of hydraulic oil in the two ports.
Industrial robot.
前記油圧ポンプを駆動する正逆両回転電動モータと、
コントローラとを、更に備え、
前記油圧シリンダは、前記双方向油圧ポンプによって前記関節駆動モータのうち少なくとも1つの駆動力をアシストし、
前記コントローラは、前記多関節アームの位置及び姿勢に応じた前記油圧シリンダの位置及び推力を発生させるように前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御する、
請求項1に記載の産業用ロボット。 A bidirectional hydraulic pump provided in the hydraulic circuit;
Forward and reverse electric motors for driving the hydraulic pump;
A controller,
The hydraulic cylinder assists at least one driving force of the joint driving motor by the bidirectional hydraulic pump,
The controller controls the operation of the electric motor and the switching valve so as to generate the position and thrust of the hydraulic cylinder according to the position and posture of the articulated arm;
The industrial robot according to claim 1.
請求項2に記載の産業用ロボット。 The controller sets the switching valve in a state of preventing the flow of hydraulic oil in the two ports when the movement of the joint assisted by the hydraulic cylinder is stationary for a predetermined time or more;
The industrial robot according to claim 2.
請求項2又は3に記載の産業用ロボット。 The controller stores a motion pattern of the hydraulic cylinder including a position and thrust of the hydraulic cylinder corresponding to a motion pattern of the articulated arm, and the electric motor and the switching are based on the motion pattern of the hydraulic cylinder. Control the operation of the valve,
The industrial robot according to claim 2 or 3.
前記コントローラは、前記多関節アームの各関節の回転角度に基づいて前記多関節アームの位置及び姿勢を求め、前記負荷検出器で検出された負荷及び前記多関節アームの位置及び姿勢に基づいて前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力を求め、前記油圧シリンダの目標位置及び目標推力に基づいて前記電動モータ及び前記切替弁の動作を制御する、
請求項2又は3に記載の産業用ロボット。 A load detector for detecting a load applied to the assisted joint;
The controller obtains the position and posture of the articulated arm based on the rotation angle of each joint of the articulated arm, and based on the load detected by the load detector and the position and posture of the articulated arm. Obtaining a target position and a target thrust of the hydraulic cylinder, and controlling operations of the electric motor and the switching valve based on the target position and the target thrust of the hydraulic cylinder;
The industrial robot according to claim 2 or 3.
請求項2〜5のいずれか一項に記載の産業用ロボット。 The hydraulic circuit is provided with a relief valve that releases hydraulic oil from the hydraulic circuit to the oil tank, and the switching valve is provided between the port of the hydraulic circuit and the relief valve.
The industrial robot according to any one of claims 2 to 5.
前記電動モータが前記多関節アームから離れて設置され、
前記油圧回路を形成する油圧配管が前記多関節アーム及び/又は前記ベース内に挿通されている、
請求項2〜6のいずれか一項に記載の産業用ロボット。 The hydraulic cylinder is provided in the articulated arm;
The electric motor is installed away from the articulated arm;
Hydraulic piping forming the hydraulic circuit is inserted into the articulated arm and / or the base;
The industrial robot according to any one of claims 2 to 6.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の産業用ロボット。 A spring balancer arranged in parallel with the hydraulic cylinder;
The industrial robot as described in any one of Claims 1-7.
請求項2〜7のいずれか一項に記載の産業用ロボット。 The controller controls the operation of the joint drive motor;
The industrial robot according to any one of claims 2 to 7.
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