JP2647301B2 - ロボットアームのバランサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアームのバラ
ンサ装置に関し、特にロボットの床置きや天吊り等の設
置姿勢に関わり無く効果的に負荷バランスを果たし得る
と同時に、ロボットアームの駆動系への負荷影響を可及
的に軽減した軽量なロボットアームのバランサ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、産業用ロボットのロボッ
トアームは、三次元空間内での運動自由度を確保するた
めに、回転枢動形または自在継手形等の種々の機構を用
いた関節を少なくとも１つ備え、かつアームの先端に手
首を介してワークを把持するハンドや工具、作業具等の
エンドエフェクタ等のかなりの重量物を有しており、ワ
ーク重量を含めると重力による大きなモーメントが作用
する。そのため、例えば、ロボットアームを重力の作用
方向とは反対の方向に回転駆動するためには大きなトル
クが必要となり、必然的に大出力の駆動モータを備えな
ければならなくなる。依って、従来の産業用ロボットに
おいては、バランサ装置を利用して、重力によるモーメ
ントとは反対方向に作用するカウンタトルクを付与する
ことにより、重力によるモーメントを相殺して、ロボッ
トアームを駆動するサーボモータ等の駆動系に加わる負
荷を軽減している。図４は、従来技術によるバランサ装
置の一例として釣り合いおもりに作用する重力モーメン
トを利用したバランサ装置を示したものであって、ロボ
ットアームの回転中心Ｏに対して、アームとは反対側に
釣り合いおもり１６を備えてカウンタトルクを得る構成
に成っている。図５は、従来技術によるバランサ装置の
他の一例としてバネの復元力を利用した装置であって、
コイルバネ等のバネ手段Ｓをロボットアームの回転中心
Ｏから離隔した位置１４と、アーム部の選定位置１５に
取着してバネ復元力によりカウンタトルクを得るように
構成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のロボッ
トアームのバランサ装置は、構造が簡単で、比較的安価
であるために汎用されているが、なお、以下に記載する
ような欠点等を有している。図４に示した釣り合いおも
りを利用するバランサ装置は、充分なカウンタトルクを
得るために相当大きな釣り合いおもりをロボットアーム
上に取り付けるために、重量が過大化してロボットアー
ムの即応性や所望位置への位置決め精度等の運動性能を
損なうきらいが有る。他方、図５に示したバネの復元力
を利用するバランサ装置は、例えば、図６に示す如く、
ロボット機体、つまりロボットアームを天吊り姿勢でロ
ボット使用現場の天井部位等に設置する場合、バネ力に
よるトルクと、重力によるモーメントの方向が同一方向
化してしまい、カウンタトルクを得ることができない場
合がある。これに対して、図７に示す如く、バネ手段Ｓ
と共にワイヤＷを利用した機構に依れば、ワイヤＷの張
力によってカウンタトルクを得ることは可能であるが、
図７においてワイヤＷの張力は、バネ手段Ｓのバネ力と
等しいことから、ロボットアームが最下点に降下してい
る場合と、その他の任意位置に在る場合のワイヤの張力
の関係は、 ΔＸ₁ ｋ＞ΔＸ₂ ｋ ｋ ：バネ定数 ΔＸ₁ ：ロボットアームが最下点にあるときのバネの延
び量 ΔＸ₂ ：ロボットアームがある位置にある時のバネの延
び量 となり、ロボットアームの回転角θが最大となるとき、
すなわち、ロボットアームに作用する重力によるモーメ
ントが最大となるときに、カウンタトルクが最小となっ
てしまい、バランサとしての充分な機能は期待できな
い。上述した従来のロボットアームのバランサ装置の問
題点に鑑み、本発明の目的は、軽量でしかもロボットア
ームの設置姿勢の如何に関わりなくバランサ機能を発揮
可能なロボットアームのバランサ装置を提供して、上述
の問題点を克服することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明では、所定の回転中心回りに回動自在に設置
され、少なくとも１つの関節を有したロボットアームの
負荷バランス用に設けられるバランサ装置において、所
定の直線方向に前、後進自在な作動子を有した圧力作動
型アクチュエータ手段と、前記圧力作動型アクチュエー
タ手段と共動してバランス用の張力を伝達するワイヤ、
チェーン等の索状の張力伝達部材と、前記張力伝達部材
を巻架し、案内する滑車又はスプロケット等の枢動自在
な複数の巻架手段と、前記ロボットアームの関節部位の
近傍に取着された張力伝達部材取り付け部とを具備して
成り、前記張力伝達部材は、前記複数の巻架手段と、前
記ロボットアームに取着された前記張力伝達手段取付け
部を順次巡り、該張力伝達部材取付け部に２つの異なる
方向に張力を作用するように張架されており、前記複数
の巻架手段における少なくとも１つの巻架手段は、前記
圧力アクチュエータ手段の作動子に回転自在に取着さ
れ、かつ、他の前記巻架手段は、前記張力伝達部材が、
前記張力伝達部材取付け部に対して適切な方向に張力を
作用するようにロボットアームの外部周辺域に配設され
ており、前記圧力アクチュエータ手段は、前記ロボット
アームのロボット動作に応じて、前、後進退して前記張
力伝達部材を常に一定張力状態に保持するように制御さ
れ、以て前記ロボットアームの負荷バランスを達成する
ようにしたことを特徴としたロボットアームのバランサ
装置が提供される。

【０００５】

【実施例】先ず、図１、２を参照して、最も好ましい実
施例としてロボット機体が天吊り姿勢で設置されたロボ
ットアームの場合に基づいて、本発明によるバランサ装
置について説明する。図１において、ロボットアーム１
を有したロボット機体は、天井その他の構造物に固定さ
れた回転中心Ｏの回りに回動自在に天吊り設置されてお
り、そして該ロボットアーム１が最下点にある場合を実
線により、又その他の任意位置に在る場合を二点鎖線に
より表示されている。本発明によるバランサ装置は、前
記ロボットアーム１の回動動作の回転中心Ｏ近傍（図１
においてＡで示される領域）に、天吊り設置点の位置に
応じて選定した直線方向に前進、後退可能な作動棹を具
備し、しかもシリンダ内の圧力流体の圧力が一定に保持
された圧力流体を作動媒体にした圧力アクチュエータ手
段７を具備している。最も好ましい実施例として前記圧
力アクチュエータ手段７は、本実施例では圧力空気を作
動媒体にしたエアシリンダであって、図１に示すよう
に、該エアシリンダ７のピストン棒（作動棹）８の先端
に取着された回転自在の巻架手段５及びこれとは別に選
定したロボット機体外の位置に設けられる複数の回転自
在の巻架手段３、４を介して、前記ロボットアーム１の
第１関節部Ｏ１の近傍に取着された張力伝達部材取付け
部６に取着されたワイヤ又はチェーン、その他の張力伝
達部材２が緊張状態に張架、保持されている。

【０００６】本実施例において、上記の張力伝達部材２
は、最も好ましい実施例として前記ロボットアーム１に
張力を伝達するのに充分な外径を有した柔軟な鋼製のワ
イヤから成っており、それに対応してエアシリンダ７の
ピストン棒８上の巻架手段５および他の選定位置に配設
された前記回転自在の巻架手段３、４は、周知の滑車か
ら成っている。上述した定滑車３、４は、ワイヤ２の張
力により適切なバランス取りに必要なカウンタトルクが
ロボットアーム１に作用されるように選定した適当な位
置に配置される。図１では上記定滑車３、４は、ロボッ
トアーム１に対して対称に、前記張力伝達部材取付け部
６を頂点とするほぼ三角形となるように対にして配置さ
れているが、このような配置に限定されるもではないこ
とは言うまでもない。また、前記張力伝達部材２が、ワ
イヤ以外のチェーンその他の手段が選択された場合に
は、前記滑車３、４、５は、対応してスプロケット又は
その他の適切な対応手段により置換されることは言うま
でもない。上記ワイヤ２の前記張力伝達部材取付け部６
への取着方法は、周知の張力伝達部材固定方法によって
も、或いは滑車を介してワイヤ２が動作するようになっ
ていても、該張力伝達部材取付け部６を中心としてワイ
ヤ２が異なる二方向に引き出され、各々の張力伝達部材
（ワイヤ）２の張力が、前記張力伝達部材取付け部６に
作用するようになっていれば良い。前記ロボットアーム
１が関節Ｏ，Ｏ１による回動々作を行うのに対応して上
記ワイヤ２は、図１の二点鎖線で示すように移動し、前
記滑車３と、前記張力伝達部材取付け部６との間の距離
が変化するが、このとき、上述のバランサ装置のエアシ
リンダ７は、既述のように、シリンダ内圧力が常に一定
に保持されるようにピストン棒８が前、後進作用を遂行
するから、ワイヤ２の弛みを吸収する。このために、同
ワイヤ２の張力もまた常に一定に保持されることにな
る。本バランサ装置は、このワイヤ２の張力によりカウ
ンタトルクを得るように成っている。

【０００７】次に図１のＡ部分の拡大図である図２に基
づいて、バランサ装置を更に詳細に説明する。上述のよ
うに、エアシリンダ７のピストン棒８におけるピストン
取着側とは反対側の端部には滑車５が回転自在に取着さ
れており、同滑車５の両側には２つの定滑車４が配置さ
れている。これらの滑車５と、滑車４との間のワイヤ２
が、上記エアシリンダ２のピストンの動作方向に略平行
となるように構成されている。そしてワイヤ２は、これ
らの滑車５、４、及び前記滑車３を順次巡って張架さ
れ、エアシリンダ７のピストン棒８の動作により、前記
ロボットアーム１の動作に対応して常に緊張状態を維持
するように成っている。上記エアシリンダ７は、一般に
市販されている型式のエアシリンダで構成可能であっ
て、コンプレッサ等の圧力源９から１次空気経路１１を
介して圧力調整手段１０により一定圧力に減圧され、２
次側経路１２を介して供給される圧力空気により、シリ
ンダ内の圧力が一定に保持されるように成っている。上
記圧力調整手段１０は、最も好ましい実施例として本実
施例においては、一般に市販されているリリーフ式の減
圧弁で構成され、上記エアシリンダ７に連通する２次側
経路から分岐されたフィードバック経路１３により、同
エアシリンダ７のシリンダ内圧力レベルを、その動作に
よらず常に一定に保持するように成っている。上記圧力
アクチュエータ手段７は、上記ロボットアーム１の動作
に対応して、前記ワイヤ２を一定の張力に緊張、保持す
る作用を成す手段であり、従って本発明によるバランサ
装置は、ワイヤ２を緊張、保持する手段としてエアシリ
ンダに限定されるものではなく、前記圧力アクチュエー
タ手段７は、同様の作用をなす油圧シリンダ又はその他
の圧力アクチュエータ手段により置換可能であり、その
場合には、上述した圧力源９、圧力調整手段１０、その
他の制御要素も、圧力アクチュエータ手段の具体的な作
用媒体に対応して適切な圧力源、圧力調節手段、その他
の制御要素により置換可能であることは言うまでもな
い。

【０００８】図３は、ロボットアームとワイヤを簡略化
して表示した線図でり、図３に基づいて該バランサ機構
のカウンタトルク発生原理について説明する。前記ロボ
ットアーム１が、ある回転角Θにあるとき、前記張力伝
達部材取付け部６には、ワイヤ２の張力Ｔにより、 Ｍ＝ＬＴ（ｓｉｎΦ−ｓｉｎΦ′） Ｌ ：ロボットアームの回転中心から張力伝達手段取付
け部までの長さ Φ ：張力伝達手段取付け部を中心としたロボットアー
ムと、ワイヤのなす角度 Φ′：張力伝達手段取付け部を中心としたロボットアー
ムと、ワイヤのなす角度の回転モーメントが作用する。
但し、Φに関しては、前記ロボットアーム１に関して下
方に位置する角を′付で示してある ここで、図３に示すような位置関係にあるとき、 ｓｉｎΦ＞ｓｉｎΦ′ であることは明らかであり、このことより前記ロボット
アーム１には、ワイヤ２の張力により、常に上方に回転
させるトルク、すなわち重力によるモーメントとは反対
方向のカウンタトルクが作用することが理解される。更
に、Φは、Θの増加と共に増加し、Φ′は反対に減少す
るので、カウンタトルクは、Θと共に増加することとな
り、実用上大きな利点となっている。

【０００９】また、上述のように前記滑車３と、前記張
力伝達部材取付け部６との間の距離は、前ロボットアー
ム１の回動動作に従い変化するが、該ロボットアームの
角位置Θに対する、前記滑車３と、前記張力伝達部材取
付け部６との間の距離、及び前記滑車３と、滑車４との
間の距離の合計ＬＷの関係は、概略、以下の式にて表示
される。 ＬＷ（Θ）＝（Ｌ² ＋ｌ² ＋２ＬｌｓｉｎΘ）^1/2 ＋（Ｌ² ＋ｌ² −２ＬｌｓｉｎΘ）^1/2 ＋Ｃ Ｃ＝一定 このＬＷ（Θ）の変化に対応して前記ワイヤ２を、前記
エアシリンダ７のストローク動作により適切に引き込ま
なければワイヤ２は弛むこととなるが、前記エアシリン
ダ７のストロークＬＳを、 ＬＳ＞（ＬＷ（０）−ＬＷ（Θ_MAX ））／２ としておけば、ワイヤ２は弛むことなく、エアシリンダ
７のストロークにより吸収される。

【００１０】上述の説明から明らかなように、本発明に
係るロボットアームのバランサ装置は、ロボット機体外
に配設可能な圧力アクチュエータ手段を用い、ロボット
機体上には精々、巻架手段や張力伝達部材取着手段が搭
載されるだけであるから、充分な軽量化を図ることがで
きる。なお、上述の説明は、本発明を最も効果的に適用
可能な天吊り設置の産業用ロボットにおけるロボットア
ームのバランサ装置を実施例にして説明したが、本発明
による圧力アクチュエータ手段の定圧機能を張力伝達部
材を介してロボットアームの駆動系に掛かる負荷バラン
スに利用した機構を、床置きや壁掛け式の他のロボット
アームのバランス取り用に軽量なバランサ装置として適
用可能であることは言うにおよばない。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、軽量で、しかもロボッ
トアームの設置される方向を選ばないバランサ機構が提
供され、特にロボットアームが天吊りされる場合に、ロ
ボットアームの運動性能を損なうことなく、ロボットア
ームを駆動するサーボモータ等の駆動源の負荷を低減す
ることが可能となった。また、上述のように本発明によ
るバランサ装置は、ロボットアームに作用する張力伝達
部材の張力によってカウンタトルクを得るように成って
おり、そして張力伝達部材の張力は、前記圧力アクチュ
エータ手段のシリンダ内圧力により調節されるため、ロ
ボットアームに取り付けられるロボットハンド、或いは
ロボットハンドの把持するワーク、或いは工具等が変更
され、必要とされるカウンタトルクの大きさが変化した
場合でも、設備等を交換することなく前記圧力アクチュ
エータ手段のシリンダ内圧力を変更する、つまり、前記
圧力調整手段の２次側圧力の設定を変更するだけで簡
単、かつ迅速に対応可能となっている。このことはロボ
ットアームが、高所、或いは遠所、狭所に設置されてい
る場合等、作業員が容易にロボットアームに近づけない
場合や、設備の交換が容易ではない場合に特に有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるロボットアームのバランサ装置の
実施例を示す略示図である。

【図２】図１のＡ部分の拡大図であり、圧力アクチュエ
ータ手段の制御装置の略示図と共に示した図である。

【図３】本発明によるバランサ装置のカウンタトルク発
生原理を説明するための図である。

【図４】釣り合いおもりによりカウンタトルクを得る従
来技術を示す略示図である。

【図５】バネ力によりカウンタトルクを得る従来技術を
示す略示図である。

【図６】従来技術の問題点を説明するための図である。

【図７】従来技術の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１…ロボットアーム ２…張力伝達部材 ３…巻架手段 ４…巻架手段 ５…巻架手段 ６…張力伝達部材取付け部 ７…圧力アクチュエータ手段 ８…ピストン棒 ９…圧力源 １０…圧力調整手段 １１…１次側経路 １２…２次側経路 １３…フィードバック経路 １４…バネ取付け部 １５…バネ取付け部 １６…釣り合いおもり Ｏ…ロボットアームの回転中心 Ｏ１…ロボットアームの第１関節部 Ｓ…バネ手段 Ｗ…ワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮川 勉 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−115190（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の回転中心回りに回動自在に設置さ
   れ、少なくとも１つの関節を有したロボットアーム
   （１）の負荷バランス用に設けられるバランサ装置にお
   いて、 所定の直線方向に前、後進自在な作動子（８）を有した
   圧力作動型アクチュエータ手段（７）と、 前記圧力作動型アクチュエータ手段と共動してバランス
   用の張力を伝達するワイヤ、チェーン等の索状の張力伝
   達部材（２）と、 前記張力伝達部材（２）を巻架し、案内する滑車又はス
   プロケット等の枢動自在な複数の巻架手段（３、４、
   ５）と、 前記ロボットアーム（１）の関節部位の近傍に取着され
   た張力伝達部材取り付け部（６）とを具備して成り、 前記張力伝達部材（２）は、前記複数の巻架手段（３、
   ４、５）と、前記ロボットアーム（１）に取着された前
   記張力伝達手段取付け部（６）を順次巡り、該張力伝達
   部材取付け部（６）に２つの異なる方向に張力を作用す
   るように張架されており、 前記複数の巻架手段（３、４、５）における少なくとも
   １つの巻架手段（５）は、前記圧力アクチュエータ手段
   （７）の作動子（８）に回転自在に取着され、かつ、他
   の前記巻架手段（３、４）は、前記張力伝達部材（２）
   が、前記張力伝達部材取付け部（６）に対して適切な方
   向に張力を作用するようにロボットアームの外部周辺域
   に配設されており、前記圧力アクチュエータ手段（７）
   は、前記ロボットアーム（１）のロボット動作に応じ
   て、前、後進退して前記張力伝達部材（２）を常に一定
   張力状態に保持するように制御され、以て前記ロボット
   アーム（１）の負荷バランスを達成するようにしたこと
   を特徴としたロボットアーム（１）のバランサ装置。