JP3833397B2

JP3833397B2 - 閉リンクロボット

Info

Publication number: JP3833397B2
Application number: JP24577998A
Authority: JP
Inventors: 二郎松山; 孝彦長岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2018-08-31
Also published as: JP2000071185A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、物品の搬送，組立，検査等の作業を行う閉リンクロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は例えば特開平７−２０５０６１号公報に示された従来の閉リンクロボットを示す斜視図であり、図において、１は閉リンクロボットのベース、２はベース１に固定され、リンク４を回転駆動するモータ、３はベース１に固定され、リンク７を回転駆動するモータ、４は一端がモータ２の回転軸と連結されたリンク、５は一端がリンク４の他端と回動自在に連結されたリンク、６は一端がリンク５の他端と回動自在に連結されたリンク、７は一端がリンク６の他端と回動自在に連結され、かつ、他端がモータ３の回転軸と連結されたリンクである。
【０００３】
また、８はリンク４とリンク５を連結する連結軸、９はリンク５とリンク６を連結する連結軸、１０はリンク６とリンク７を連結する連結軸、１１は連結軸９と同軸上に配置されたツール装着軸であり、ツール装着軸１１にはロボットの把持機構等が装着される。１２はツール装着軸１１を回転駆動するベルトであり、ベルト１２はベース１に固定されたプーリ（図示せず）から加えられる回転力をツール装着軸１２に伝達する伝達機構を構成する。
【０００４】
次に動作について説明する。
まず、モータ２の回転軸とモータ３の回転軸を回転させると、リンク４とリンク７が水平面内で回転するため、それに連動してリンク５とリンク６が水平面内で移動する。
【０００５】
その結果、連結軸９と同軸上に配置されたツール装着軸１１も水平面内で移動することになるが、ツール装着軸１１における水平面内の位置は、モータ２，３の回転角度から相対的に決定されるリンク４〜７の角度により決定される（図５を参照）。
【０００６】
なお、閉リンクロボットの場合、例えば、図６の実線で示されるように、リンク４とリンク５が直線状に伸びた状態で、モータ３の回転角度を固定すると、モータ２の回転軸を反時計方向に回転させても、ツール装着軸１１が僅かに移動するだけで、殆ど移動しない特異姿勢に陥る（図６の点線を参照）。
【０００７】
このように、閉リンクロボットの姿勢が特異姿勢に陥ると、ツール装着軸１１の移動感度が低下したり、直線状にあるリンク４，５の剛性が低下する等の不都合が生じる。
そこで、従来は、閉リンクロボットが特異姿勢に陥る不都合を解消するため、ツール装着軸１１の移動可能範囲を制限するが、ツール装着軸１１の移動可能範囲をできる限り広めるため、リンク４〜７のリンク長を相似的に延長するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の閉リンクロボットは以上のように構成されているので、リンク４〜７のリンク長を相似的に延長すれば、ツール装着軸１１の移動可能範囲を広げることができるが、リンク４〜７のリンク長を相似的に延長すると、リンク４〜７の重量が増大するため、モータ２，３の負荷が増大し、ツール装着軸１１を移動させる際の加減速度を大きくすることができなくなる課題があった。
【０００９】
また、ベース１に固定されたプーリ（図示せず）の回転力は、ベルト１２がツール装着軸１１に伝達するが、ベルト１２が構造上露出されているため、清浄度が要求される環境下では、ベルト１２の発塵が汚染の原因になる問題が生じ、逆に、ベルト１２に粉塵や液体が降りかかるような環境下では、ベルト１２の伝達特性が劣化する課題があった。
【００１０】
さらに、常時移動するリンク４〜７がベース１の上面に設置されているため、ツール装着軸１１に接続する必要のある配線・配管や周辺機器をベース１の上面に設置することができず、その結果、外部に設置された周辺機器から配線や配管を引き回す必要があるため引き回し距離が長くなり、ツール装着軸１１を高速に移動すると、配線や配管の振動が大きくなる課題もあった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、各リンクのリンク長を相似的に伸ばすことなく、ツール装着軸の可動範囲を広げることができる閉リンクロボットを得ることを目的とする。
また、この発明は、清浄度が要求される環境又は粉塵や液体が降りかかるような環境下においても、物品の組立作業等を実行することができる閉リンクロボットを得ることを目的とする。
さらに、この発明は、高速動作中に発生する配線や配管の振動を抑制することができる閉リンクロボットを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る閉リンクロボットは、第１リンクと第４リンクのリンク長が一致し、かつ、第２リンクと第３リンクのリンク長が一致する条件の下で、第１リンクと第２リンクの成す内角と、第２リンクと第３リンクの成す内角と、第３リンクと第４リンクの成す内角とが１７０度以下であり、かつ、１０度以上となるように、各リンクのリンク長と各モータの回転軸の取付位置が決定されたものである。
【００１４】
この発明に係る閉リンクロボットは、各リンクと各モータの物理的関係が下記に示す連立方程式を満足するように、各リンクのリンク長と各モータの回転軸の取付位置が決定されているものである。
（１）連立方程式Ｌ _max ＝Ｌ ₁ ² ＋Ｌ ₂ ² −２・Ｌ ₁ ・Ｌ ₂ ・ｃｏｓ（φ _max ）
（２）連立方程式Ｌ _min ＝［（ａ／２） ² ＋ｙ _min ² ］ ^1/2
（３）連立方程式Ｌ _min ＝Ｌ ₁ ² ＋Ｌ ₂ ² −２・Ｌ ₁ ・Ｌ ₂ ・ｃｏｓ（φ _min ）
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による閉リンクロボットを示す平面図であり、図において、２１はベースに固定され、リンク２３を回転駆動するモータ（第１モータ）、２２はベースに固定され、リンク２６を回転駆動するモータ（第２モータ）、２３は一端がモータ２１の回転軸Ａと連結されたリンク（第１リンク）、２４は一端がリンク２３の他端と回動自在に連結されたリンク（第２リンク）、２５は一端がリンク２４の他端と回動自在に連結されたリンク（第３リンク）、２６は一端がリンク２５の他端と回動自在に連結され、かつ、他端がモータ２２の回転軸Ｂと連結されたリンク（第４リンク）である。
【００２２】
また、Ａはモータ２１の回転軸、Ｂはモータ２２の回転軸、Ｃ，Ｃ’はリンク２３とリンク２４を連結する連結軸、Ｄ，Ｄ’はリンク２４とリンク２５を連結する連結軸であるとともに、その連結軸と同軸上に配置されたツール装着軸である。Ｅ，Ｅ’はリンク２５とリンク２６を連結する連結軸である。
ただし、図１において、Ｃ，Ｄ，Ｅはリンク２３とリンク２４の成す内角が最大角φ_ｍａｘの状態にあるときの各軸の位置を示し、Ｃ’，Ｄ’，Ｅ’はリンク２３とリンク２４の成す内角が最小角φ_ｍｉｎの状態にあるときの各軸の位置を示している（ただし、この場合、距離ＡＤ’＝距離ＢＤ’が成立する）。
【００２３】
次に動作について説明する。
まず、モータ２１の回転軸Ａとモータ２２の回転軸Ｂを回転させると、リンク２３とリンク２６が水平面内で回転するため、それに連動してリンク２４とリンク２５が水平面内で移動する。
【００２４】
その結果、リンク２４とリンク２５を連結する連結軸と同軸上に配置されたツール装着軸Ｄ，Ｄ’も水平面内で移動することになるが、ツール装着軸Ｄ，Ｄ’における水平面内の位置は、モータ２１，２２の回転角度から相対的に決定されるリンク２３〜２６の角度により決定される。
【００２５】
なお、閉リンクロボットの場合、上述したように、リンク２３とリンク２４が直線状に伸びた状態で、モータ２２の回転角度を固定すると、モータ２１の回転軸Ａを反時計方向に回転させても、ツール装着軸が僅かに移動するだけで、殆ど移動しない特異姿勢に陥る（図６の点線を参照）。
【００２６】
そこで、この実施の形態１では、閉リンクロボットが特異姿勢に陥る不都合を解消するため、ツール装着軸の移動可能範囲を制限するが、ツール装着軸の移動可能範囲をできる限り広めるため、リンク２３〜２６のリンク長とモータ２１，２２の回転軸Ａ，Ｂの取付位置を下記に示すように決定する。
【００２７】
具体的には、リンク２３とリンク２６のリンク長を等しくするとともに（リンク２３のリンク長＝リンク２６のリンク長）、リンク２４とリンク２５のリンク長を等しくするが（リンク２４のリンク長＝リンク２５のリンク長）、図１に示すように、リンク２３とリンク２４の成す内角の最大角φ_ｍａｘ（図１において、リンク２３〜２６が実線の位置にある場合）と、リンク２４とリンク２５の成す内角の最大角φ_ｍａｘ（図１において、リンク２３〜２６が点線の位置にある場合であり、この場合、距離ＡＤ’＝距離ＢＤ’が成立する）を１７０度以下の同一値に設定し、かつ、リンク２３とリンク２４の成す内角の最小角φ_ｍｉｎ（図１において、リンク２３〜２６が点線の位置にある場合）を１０度以上に設定すると、閉リンクロボットが特異姿勢に陥る不都合を回避することができる。換言すると、最大角φ_ｍａｘを１７０度に設定し、最小角φ_ｍｉｎを１０度に設定すれば、ツール装着軸の可動範囲をロボットの性能上支障ない範囲まで広げることができる（図１において、破線で囲まれた領域がツール装着軸の可動範囲になる）。
【００２８】
よって、最大角φ_ｍａｘが１７０度、最小角φ_ｍｉｎが１０度になるように、リンク２３〜２６のリンク長とモータ２１，２２の回転軸Ａ，Ｂの取付位置を決定するが、図１の物理的関係は下記の３個の連立方程式で表すことができるので、下記の連立方程式を満足するリンク２３,２６のリンク長Ｌ_１及びリンク２４,２５のリンク長Ｌ_２と、モータ２１，２２の回転軸Ａ，Ｂの取付位置を特定する変数ａ（ａ＝距離ＡＢ）を計算する。
【００２９】
Ｌ_ｍａｘ＝Ｌ_１ ^２＋Ｌ_２ ^２−２・Ｌ_１・Ｌ_２・ｃｏｓ（φ_ｍａｘ）
Ｌ_ｍｉｎ＝［（ａ／２）^２＋ｙ_ｍｉｎ ^２］^１／２
Ｌ_ｍｉｎ＝Ｌ_１ ^２＋Ｌ_２ ^２−２・Ｌ_１・Ｌ_２・ｃｏｓ（φ_ｍｉｎ）
ただし、
Ｌ_ｍａｘ：モータ２１の回転軸Ａとツール装着軸Ｄを結ぶ直線距離の最大値
Ｌ_ｍｉｎ：モータ２１の回転軸Ａとツール装着軸Ｄ’を結ぶ直線距離の最小値
ｙ_ｍｉｎ：中点０（ＡＢの中点）とツール装着軸Ｄ’を結ぶ直線距離
【００３０】
なお、上記の条件を具備せずに各リンク長やリンク取付位置を定し、相似的にリンク長を延長すれば、ツール装着軸の可動範囲を広げることができるが、リンク２３〜２６の重量がリンク長に対して比例的に増大するので、加減速度の必要最小限値を考慮して設定する必要がある。
【００３１】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、リンク２３とリンク２６のリンク長が一致し、かつ、リンク２４とリンク２５のリンク長が一致する条件の下で、リンク２３とリンク２４の成す内角と、リンク２４とリンク２５の成す内角が所定の条件を具備するように、リンク２３〜２６のリンク長とモータ２１，２２の回転軸の取付位置を決定する構成にしたので、リンク２３〜２６のリンク長を相似的に伸ばすことなく、ツール装着軸の可動範囲を広げることができる効果を奏する。
また図１ではリンク２３とモータ２１、リンク２６とモータ２２の回転中心が一致しているが、減速機や伝達機構を介して連結され回転中心が一致していない場合でも同様の効果を奏する。
【００３２】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、リンク２３とリンク２４の成す内角と、リンク２４とリンク２５の成す内角が所定の条件を具備するように、各リンクのリンク長等を決定するものについて示したが、リンク２５とリンク２６の成す内角と、リンク２４とリンク２５の成す内角が所定の条件を具備するように、各リンクのリンク長等を決定するようにしてもよい（リンク２５とリンク２６の成す内角の条件は、上記実施の形態１におけるリンク２３とリンク２４の成す内角の条件と同一である）。
これにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００３３】
参考例１．
図２はこの発明の参考例１による閉リンクロボットを示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
３１はモータ２１等を固定するベース、３２はツール装着軸Ｄを上下駆動又は回転駆動するためのモータ、３３はツール装着軸Ｄと同軸上に設置されたねじ送り機構（伝達機構）、３４はツール装着軸Ｄと同軸上に設置されたスプライン機構、（伝達機構）３５は各リンクの関節部分に設置された回転伝達機構（伝達機構）、３６はベルト（伝達機構）、３７はベース３１や各リンクに付着されたシールである。
【００３４】
次に動作について説明する。
ツール装着軸Ｄの水平面内の移動については、上記実施の形態１，２と同様であるため説明を省略するが、ツール装着軸Ｄの上下駆動又は回転駆動については、回転伝達機構３５，ベルト３６，ねじ送り機構３３及びスプライン機構３４が、ベース３１に固定されたモータ３２の回転力を、ツール装着軸Ｄに伝達して達成する。
【００３５】
ただし、回転伝達機構３５，ベルト３６，ねじ送り機構３３及びスプライン機構３４は、図２からも明らかなように、リンク２３，２４，２５の内部に密閉されているので、閉リンクロボットの外部環境と隔離されている。
なお、シール３７をベース３１や各リンクに付着して、上記の伝達機構を密閉しているが、シール３７には、接触式のシール，ラビリンスシール，磁性流体シール，ジャバラシール等がある。
【００３６】
以上で明らかなように、この参考例１によれば、ツール装着軸Ｄを上下駆動又は回転駆動する伝達機構をリンク２３，２４，２５の内部に密閉するように構成したので、清浄度が要求される環境又は粉塵や液体が降りかかるような環境下においても、物品の組立作業等を実行することができる効果を奏する。
【００３７】
参考例２．
上記参考例１では、上記の伝達機構をリンク２３，リンク２４，２５の内部に密閉するものについて示したが、上記の伝達機構をリンク２４，２５，２６の内部に密閉するようにしてもよく、上記参考例１と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による閉リンクロボットを示す側面図であり、図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
３１ａはベース３１の上面、３８はベース３１の上面３１ａに設置された周辺機器、３９は周辺機器３８又はツール装着軸Ｄに接続する配線・配管である。
【００３９】
次に動作について説明する。
ツール装着軸Ｄの上下駆動等については、上記参考例１と同様であるため説明を省略するが、この実施の形態３の場合、常時移動するリンク２３〜２６がベース３１の上面３１ａに設置されていないため、周辺機器３８や配線・配管３９をベース３１の上面３１ａに設置することができる。
【００４０】
これにより、外部に周辺機器を設置する場合よりも、周辺機器３８をツール装着軸Ｄの近くに設置することができるため、周辺機器３８からツール装着軸Ｄに接続する必要のある配線・配管３９の引き回し距離が短くなり、その結果、ツール装着軸Ｄを高速に移動しても、配線・配管３９の大きな振動が発生しなくなる効果を奏する。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、第１リンクと第４リンクのリンク長が一致し、かつ、第２リンクと第３リンクのリンク長が一致する条件の下で、第１リンクと第２リンクの成す内角と、第２リンクと第３リンクの成す内角と、第３リンクと第４リンクの成す内角とが１７０度以下であり、かつ、１０度以上となるように、各リンクのリンク長と各モータの回転軸の取付位置を決定する構成にしたので、各リンクのリンク長を相似的に伸ばすことなく、ツール装着軸の可動範囲を広げることができる効果がある。また、一方のモータの回転軸が回転してもツール装着軸が殆ど移動しない姿勢に陥る事態を防止することができる効果がある。
【００４３】
この発明によれば、各リンクと各モータの物理的関係が下記に示す連立方程式を満足するように、各リンクのリンク長と各モータの回転軸の取付位置が決定されている構成にしたので、ツール装着軸の可動範囲を物理的に可能な範囲まで広げることができる効果がある。
（１）連立方程式Ｌ _max ＝Ｌ ₁ ² ＋Ｌ ₂ ² −２・Ｌ ₁ ・Ｌ ₂ ・ｃｏｓ（φ _max ）
（２）連立方程式Ｌ _min ＝［（ａ／２） ² ＋ｙ _min ² ］ ^1/2
（３）連立方程式Ｌ _min ＝Ｌ ₁ ² ＋Ｌ ₂ ² −２・Ｌ ₁ ・Ｌ ₂ ・ｃｏｓ（φ _min ）
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による閉リンクロボットを示す平面図である。
【図２】この発明の参考例１による閉リンクロボットを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３による閉リンクロボットを示す側面図である。
【図４】従来の閉リンクロボットを示す斜視図である。
【図５】従来の閉リンクロボットを示す平面図である。
【図６】特異姿勢を説明する説明図である。
【符号の説明】
２１モータ（第１モータ）、２２モータ（第２モータ）、２３リンク（第１リンク）、２４リンク（第２リンク）、２５リンク（第３リンク）、２６リンク（第４リンク）、３１ベース、３１ａベースの上面、３２モータ、３３ねじ送り機構（伝達機構）、３４スプライン機構（伝達機構）、３５回転伝達機構（伝達機構）、３６ベルト（伝達機構）、３８周辺機器、３９配線・配管、Ａモータ２１の回転軸、Ｂモータ２２の回転軸、Ｄ，Ｄ’ ツール装着軸。

Claims

一端が第１モータの回転軸と連結された第１リンクと、一端が上記第１リンクの他端と回動自在に連結された第２リンクと、一端が上記第２リンクの他端と回動自在に連結された第３リンクと、一端が上記第３リンクの他端と回動自在に連結され、かつ、他端が第２モータの回転軸と連結された第４リンクと、上記第２リンクと上記第３リンクを連結する連結軸と同軸上に配置されたツール装着軸とを備えた閉リンクロボットにおいて、上記第１リンクと上記第４リンクのリンク長が一致し、かつ、上記第２リンクと上記第３リンクのリンク長が一致する条件の下で、上記第１リンクと上記第２リンクの成す内角と、上記第２リンクと上記第３リンクの成す内角と、上記第３リンクと上記第４リンクの成す内角とが１７０度以下であり、かつ、１０度以上となるように、上記各リンクのリンク長と上記各モータの回転軸の取付位置が決定されていることを特徴とする閉リンクロボット。
上記各リンクと上記各モータの物理的関係が下記に示す連立方程式を満足するように、上記各リンクのリンク長と上記各モータの回転軸の取付位置が決定されていることを特徴とする請求項１記載の閉リンクロボット。
（１）連立方程式Ｌ_max＝Ｌ₁ ²＋Ｌ₂ ²−２・Ｌ₁・Ｌ₂・ｃｏｓ（φ_max）
（２）連立方程式Ｌ_min＝［（ａ／２）²＋ｙ_min ²］^1/2
（３）連立方程式Ｌ_min＝Ｌ₁ ²＋Ｌ₂ ²−２・Ｌ₁・Ｌ₂・ｃｏｓ（φ_min）
ただし、
Ｌ_max：第１リンクの一端と第２リンクの他端を結ぶ直線距離の最大値
Ｌ_min：第１リンクの一端と第２リンクの他端を結ぶ直線距離の最小値
Ｌ₁：第１リンクと第４リンクのリンク長
Ｌ₂：第２リンクと第３リンクのリンク長
φ_max：第１リンクと第２リンクの成す内角の最大角と、第２リンクと第３リンクの成す内角の最大角（第１リンクの一端と第２リンクの他端を結ぶ直線距離と、第３リンクの一端と第４リンクの他端を結ぶ直線距離が一致する場合での第２リンクと第３リンクの成す内角の最大角）と、第３リンクと第４リンクの成す内角の最大角の同一設定値
φ_min：第１リンクと第２リンクの成す内角の設定された最小角、第３リンクと第４リンクの成す内角の設定された最小角
ａ：第１モータの回転軸の取付位置と第２モータの回転軸の取付位置を結ぶ直線距離
ｙ_min：第１リンクの一端と第２リンクの他端を結ぶ直線距離と、第３リンクの一端と第４リンクの他端を結ぶ直線距離とが一致する場合における第１モータの回転軸の取付位置と第２モータの回転軸の取付位置間の中点と、第２リンクの他端を結ぶ直線距離