JP4124232B2

JP4124232B2 - 水平アームを有するロボット

Info

Publication number: JP4124232B2
Application number: JP2006002260A
Authority: JP
Inventors: 努井沢; 鉄男荒川; 浩一帯津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JP2006159406A

Description

本発明は水平アームを有するロボットに関し、特に水平多関節アームを有する産業用ロボットに適用して有用なものである。

図１０（ａ）は従来技術に係る水平多関節アームを有する産業用ロボットを示す平面図、同図（ｂ）はその側面図である。当該ロボットは４軸のロボットで、第１軸が、垂直に配設された支柱１に沿い上下動する上下動軸、第２、３、４軸が図１０（ａ）中に矢印で示すように水平面内で旋回する水平回動軸である。両図中、２は２軸アーム、３は３軸アーム、４は４軸となる手首フランジ、Ｏ1 は１軸の昇降中心、Ｏ2 は２軸の回動中心、Ｏ3 は３軸の回動中心、Ｏ4 は４軸の回動中心である。これらの第１軸〜第４軸はそれぞれ減速機を介して１軸〜４軸サーボモーター（図示せず）で駆動される。

当該ロボットにおいて、２、３、４軸の回動中心軸Ｏ2 〜Ｏ4 の回りはアームの重力による垂直方向の力を受けないため、静的な回転方向の負荷は受けない。また、第２、３、４軸の回動用の２〜４軸サーボモータに連結する減速機はハーモニックドライブ（差動減速機）、ＲＶ減速機等のロボット用の減速機を使用しても、ギヤのバックラッシやロストモーション（後に詳述する。）を伴う。このため、水平方向の外力が加われば回転方向に振れる。水平方向の外力以外にもアームの加減速時にはアーム自身の慣性モーメントによってトルクが発生し、アームを回転方向に振らせる。バックラッシやロストモーションは減速機に必然的に存在するものであり、セミクローズドループの制御では減速機のガタを制御的に取り除くのは難しいが、フィードフォワードや外乱オブザーバ等の制御方法により減らすことが提案されている。

ここで、当該産業用ロボットに用いられる減速機の特性を、その剛性（バネ定数・ロストモーション）及びバックラッシ等の概念とともに説明する。図１１は減速機の入力軸（インプットギャ）を固定して出力軸（シャフト）にトルクを加えた場合の減速機の出力側に加わる回転（捩り）トルクに対する捩れ角を示す特性図である。この場合出力側には、このトルクに応じた捩れを生じ、同図に示すようなヒステリシス曲線を描く。ロストモーションとは、図１１に示すように、定格トルクの±３％におけるヒステリシス曲線幅の中間点の捩れ角、バックラッシとはヒステリシス曲線のトルク「ゼロ」における捩れ角、バネ定数とはｂ／ａで定義される定数をそれぞれ意味する。当該ヒステリシス曲線で示すバネ定数・ロストモーションにより減速機の剛性を表す。ＲＶ減速機は、この剛性が特に優れている。

従来技術においては、水平多関節アームのバックラッシやロストモーションを機械的に除去する方法は採用されておらず、加減速時に発生するバックラッシやロストモーションによるアームの振動や軌跡のズレは制御方式を水平多関節向きに変更することによって対処している。例えば、・加減速時の速度パターンを滑らかなＳ字曲線カーブにする、・フィードフォワードを採用する、・外乱オブザーバ制御を行う等の対策を講じている。

特開平８−４７８７８号公報特開平６−２７００８０号公報特開昭６０−７２００４号公報

上述の如き対策には次のような問題が発生する。・のフィードフォワード及び・の外乱オブザーバ制御の場合、２、３軸アーム２、３及び手首フランジ４をそれぞれ駆動する駆動源であるサーボモータの後部のエンコーダで位置を検出するセミクローズドループ制御では減速、停止時のアームの振動状況をエンコーダで検出したり、モータ電流で完全には検出することができない。

一方、アームの位置検出手段をアーム側に設けるクローズドループ制御方式では減速、停止時の振動状況をフィードバックでき、前記フィードフォワード及び外乱オブザーバ制御は有効であるが、アームの負荷の有無、屈伸姿勢によってアームの回転軸にかかる慣性モーメントが大きく変化するので、全ての条件で最適な制御パラメータを決定することは困難であり、このため実用化レベルには至っていない。・の如く加減速時の速度パターンを滑らかなＳ字曲線カーブにした場合でも、外力を受ける場合や、動作の迅速性（タクトタイムの短さ）を要求される用途には適用上の難点がある。減速機の捩り剛性方向のバネは弱いままであり、バックラッシュもあるからである。

さらに、出力側に位置検出器を設ける構造は、構造の複雑さ、メンテナンスの煩雑さ、コストアップ、及び配線経路の制約等に起因してロボットの関節軸では、一般的には採用されていない。

本発明は、上記従来技術に鑑み、水平方向のアームの遊びを除去し、バネ定数を向上させることによって停止時、加減速時の振動及び軌跡の振れを除去して高剛性で制御性の良いアームとすることができる水平アームを有するロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。

１）水平アームを水平面内で回動する駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

２）１）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、このロボットは複数の水平アームを有し、隣接するアーム間に設けたテンションリンクで、各水平アームを水平面内で回動する駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

３）１）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、このロボットは複数の水平アームを有し、奇数軸又は偶数軸のアーム間に設けたテンションリンクで、各水平アームを水平面内で回動する駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

４）１）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、このロボットは複数の水平アームを有し、１個のテンションリンクとこのテンションリンクの先端部から分岐させたリンクを介して各水平アームを水平面内で回動する各駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

５）１）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、このロボットは複数の水平アームを有し、両端部を奇数軸又は偶数軸のアームにそれぞれ連結するとともに２本のリンクを回動可能に連結して垂直面内を移動可能に形成したリンクと、このリンクの両端部間を開くようなバネ力を作用させるバネ力付与手段とを有して各水平アームを水平面内で回動する駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

６）１）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、このロボットは複数の水平アームを有するとともに、シリンダによる直線移動をラック、ピニオンで回転駆動力に変換し、この駆動力を、隣接するアーム間に設けたチェーン及びベルト等の無限軌道状の動力伝達手段を介して各アームの駆動軸に伝達することにより各駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したこと。

７）６）に記載する水平アームを有するロボットにおいて、無限軌道状の動力伝達手段の駆動力をカウンタウエイトに作用する重力により得るようにしたこと。

本発明によれば各水平軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与することができるように構成したので、良好な制御性を確保することができる。また、本発明に係るロボットは、一般産業用ロボットだけでなく、マニュアルマニプレータの水平多関節タイプのアームを有するロボットに適用して特に顕著な制御性を確保することができる。これはマニュアル操作時の操作者の指示する急激な加減速の繰り返しに対して制御方式での対応では追従しきれないため、本発明が特に有効であるという理由による。さらに、ハンドリング等の作業で外力がかかった場合にはバネ定数の上昇による撓み量も制御することができるので、この点でも操作が容易になる。一方、産業用ロボットにおいても、撓み量を抑制し、高剛性になるので、バリ取り、加工等の外力がかかり、且つ剛性の要求される用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係るロボットは水平多関節アームの各アーム間にバネ等のテンションリンクを配設し、このテンションリンクで引張り力又は圧縮力を与えることにより各アームを駆動する駆動系の減速機に片側方向の負荷を与え、バックラッシを除去するとともに、ロストモーション領域を脱することによって加減速及び停止時の遊びを除去し、減速機の捩りバネ定数（図１１参照）を大きくして機械系の固有振動数を高くし、結果として当該ロボットの制御性の向上を図るものである。

次に、さらに詳細な本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。一般に、水平多関節アームの作業時のアーム姿勢は、４軸を有するロボットの場合、図１に示すように、３軸関節３ａが右に位置するか、左に位置するかで右手系、左手系の関節構成となるが、以下の実施例においては対象作業を何れかの系に限定して効果を奏するものと、何れの系においても効果を奏するものを例示する。

通常の作業では、ロボットは何れかの系で教示し、動作させることが多い。同一ジョブ中に右手系及び左手系が存在する場合でも、テンションリンクのバネバランスがゼロの角度、すなわちテンションリンクの軸線がアームの両関節間を結ぶ直線に重なった状態であるデッドポイント（テンション（バネの引張り力）が作用しない位置）を除いては効果を発揮する。また、各実施例はアームに外力を付与するためのテンションリンクを備え、テンションリンク中の引張り、圧縮バネやエア又は油圧シリンダ等の力を発生する部材でアームの回転方向に力を負荷する。この場合の力を負荷する方法として次の６つの実施例を挙げることができる。ちなみに、実施例１〜４は右手系若しくは左手系の何れかの系においては、常に一方方向にテンションがかかる。また、実施例５、６は右手系若しくは左手系によらずロボットの全動作範囲で常に片側にテンションがかかる。なお、以下に示す実施例のロボット本体は各実施例に共通であり、各軸に対するバネ力の付与構造が異なるだけである。そこで、各実施例を示す図面において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

＜実施例１＞
図２（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例に係るロボットは、４軸のロボットであり、第１軸が、垂直に配設された支柱１１に沿い上下動する上下動軸、第２、３、４軸が水平面内で旋回する水平回動軸である。両図中、１２は２軸アーム、１３は３軸アーム、１４は４軸アーム、Ｏ11は１軸の昇降中心、Ｏ12は２軸の回動中心、Ｏ13は３軸の回動中心、Ｏ14は４軸の回動中心である。テンションリンク１５、１６、１７は、シリンダの内部に引張りバネ若しくは圧縮バネを収納してその両端に連結する部材間に引張り力若しくは圧縮力を付与する部材、又は空圧シリンダ若しくは油圧シリンダにて圧力を付与することにより同様に引張り力若しくは圧縮バネ力を付与する部材である。テンションリンク１５は、その基端部を２軸側で回動中心Ｏ12から偏位した位置に回動可能に取り付けるとともに、先端部を３軸側で回動中心Ｏ13と同軸となるように回動可能に取り付けてあり、２軸アーム１２の駆動系を構成するモータの減速機に当該テンションリンク１５のバネ力が作用するように構成してある。テンションリンク１６は、その基端部を３軸側で回動中心Ｏ13から偏位した位置に回動可能に取り付けるとともに、先端部を４軸側で回動中心Ｏ14と同軸となるように回動可能に取り付けてあり、３軸アーム１３の駆動系を構成するモータの減速機に当該テンションリンク１６のバネ力が作用するように構成してある。テンションリンク１７は、その基端部を３軸側で回動中心Ｏ13と同軸となるように回動可能に取り付けるとともに、先端部を４軸側で回動中心Ｏ14から偏位した位置に回動可能に取り付けてあり、４軸アーム１４の駆動系を構成するモータの減速機に当該テンションリンク１７のバネ力が作用するように構成してある。

なお、テンションリンクは図３（ａ）、（ｂ）に示すような態様で取り付けても良い。両図に示すように、本変形例は図２に示すテンションリンク１６に対応するテンションリンク１６’と、同図に示すテンションリンク１７に対応するテンションリンク１７’との位置を入れ換えたものである。

本実施例では各軸毎にバネ特性を細かく精密に設定できる。

＜実施例２＞
図４（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例は一本のテンションリンク１８で所定のバネ力を付与するものである。すなわち、２軸アーム１２と３軸アーム１３とを屈曲させた状態で、テンションリンク１８の基端部を２軸側で回動中心Ｏ12から偏位した位置に回動可能に取り付けるとともに、先端部を４軸側で回動中心Ｏ14から偏位した位置に回動可能に取り付けてあり、２、３、４軸に同時に回動負荷を付与させることができるように構成してある。

本実施例ではテンションリンク１８が一本で済み構造が簡単になる。反面、バネストロークの制限からアームの動作範囲が制限されるため動作範囲に合わせたストロークのものを選択して取り付ける必要がある。

＜実施例３＞
図５（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例は一本のテンションリンク１９で所定のバネ力を付与するものであるが、テンションリンク１９の先端部から他のリンク２０、２１を分岐させた点が異なる。すなわち、２軸アーム１２と３軸アーム１３とを屈曲させた状態で、テンションリンク１９の基端部を２軸側で回動中心Ｏ12から偏位した位置に回動可能に取り付ける。このテンションリンク１９の先端部にはリンク２０、２１の基端部をそれぞれ回動可能に連結し、さらにリンク２０の先端部を３軸側で回動中心Ｏ13と同軸となるように回動可能に取り付けるとともに、リンク２１の先端部を４軸側で回動中心Ｏ14から偏位した位置に回動可能に取り付けてある。かくして、２、３、４軸に同時に回動負荷を付与させることができるように構成してある。また、リンク２０、２１の長さは調節可能に構成してある。

本実施例は、実施例２と同様に、テンションリンク１９が一本で済み構造が簡単になるばかりでなく、リンク２０、２１を分岐させて設けたので、３軸及び４軸への負荷をリンク長を変更することによって調整できる。

＜実施例４＞
図６（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例は２軸側と４軸側とを垂直面内で連結する２本のリンク２２、２３を設け、これらリンク２２、２３間にテンションリンク２４のバネ力が作用するように構成したものである。すなわち、リンク２２の先端部とリンク２３の基端部とは相互に回動可能に連結してあり、さらにリンク２２の基端部は２軸側で回動中心Ｏ42から偏位した位置に回動可能に、またリンク２３の先端部は４軸側の回動中心Ｏ44に回動可能にそれぞれ取り付けてある。ここで、リンク２２、２３の２軸側及び４軸側との取付け部位は当該リンク２２、２３の垂直面内での回動を保証するとともに、２軸側及び４軸側に対して水平面内でも回動し得るようにベアリング２５、２６を介して２軸側及び４軸側にリンク２２、２３を取り付けるように構成してある。また、テンションリンク２４のシリンダ部がリンク２２の途中に、テンションリンク２４のロッド部がリンク２３の途中にそれぞれ取り付けてあり、リンク２２、２３を介して２軸〜４軸の各軸にテンションリンク２４のバネ力が作用するように構成してある。なお、この場合のバネ力はリンク２２、２３の連結部に回転バネを配設することによって得ても良い。

本実施例ではテンションリンク２４が一本で済み構造が簡単になるばかりでなく、垂直面内を回動するリンク２２、２３を介してバネ力を作用させるように構成したので、十分なリンク長を確保することができる。

＜実施例５＞
図７（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例は２軸及び３軸アーム１２、１３の全動作範囲で右手系及び左手系に関係なく、常に片側にテンションを加えるように構成したものである。本実施例では２軸及び３軸アーム１２、１３とバネ負荷部分に連結する閉じたチェーン（またはベルト）の回転の動作範囲角度分を直線ストロークにするためラック、ピニオン方式によって得るようにしたものである。

さらに詳言すると、テンションリンク２７は、その基端部を３軸側で回動中心Ｏ13から偏位した位置に回動可能に取り付けるとともに、先端部を４軸側で回動中心Ｏ14から偏位した位置に回動可能に取り付ける一方、２軸アーム１２の回動中心となる軸及び３軸アーム１３の回動中心となる軸にはそれぞれスプロケット２８、２９が固着してある。ラック３０はシリンダ３１のピストンロッド３１ａの先端部に連結してあり、このピストンロッド３１ａの伸縮により直線的に並べられたカムフォロア３２に沿い直線移動するようにロボット本体に配設してある。かかる直線移動に伴いラック３０と噛合するピニオンギヤ３３が回転するように構成してある。ピニオンギヤ３３とスプロケット２８及びスプロケット２８とスプロケット２９との間にはそれぞれチェーン３４、３５が懸架してある。この結果、ピニオンギヤ３３の回転力はチェーン３４を介してスプロケット２８に伝達され、またこれに伴うスプロケット２８の回転力はチェーン３５を介してスプロケット２９に伝達される。かかるスプロケット２８、２９の回転により、２軸及び３軸アーム１２、１３に片側方向への回動力であるバネ力を付与する。ここで、ラック３０、シリンダ３１、カムフォロア３２及びピニオンギヤ３３は２軸アーム１２の昇降に伴いこの２軸アーム１２と一体的に昇降するように構成してある。

なお、本実施例においては４軸アーム１４への負荷はテンションリンク２７で付与するようにしているが、この４軸アーム１４に関しても２軸、３軸アーム１２、１３と同様に回転軸を直接回動する構造としても良い。

＜実施例６＞
図８（ａ）は本実施例に係るロボットの平面図、同図（ｂ）はその側面図である。両図に示すように、本実施例は、実施例５のロボットと同様に、２軸及び３軸アーム１２、１３の全動作範囲で右手系及び左手系に関係なく常に片側にテンションを加えるように構成したものである。すなわち、実施例５におけるスプロケット２８、２９の回動力をカウンタウエイト３６に作用する重力で得るものであり、テンションリンク２７、スプロケット２８，２９、チェーン３４，３５等に関する構成は実施例５と全く同様である。

本実施例においては、スプロケット３７との間でチェーン３４を懸架しているスプロケット３８は傘歯車３９と同軸に固着してあり、この傘歯車３９がその回転軸と直交する軸を回動軸とする傘歯車４０と噛合しており、以下順次チェーン４１、スプロケット４２、チェーン４３、シーブ４４及びワイヤロープ４５を介してカウンタウエイト３６に連結されている。カウンタウエイト３６は２軸アーム１２と一体的に昇降するようにこの２軸アーム１２に連結部材を介して垂直に配設されたガイドレール４６に沿い上下動する。すなわち、カウンタウエイト３６、チェーン４１、スプロケット４２、チェーン４３、シーブ４４、ワイヤロープ４５及びガイドレール４６は２軸アーム１２と一体的に昇降するように構成してある。

本実施例によれば、カウンタウエイト３６の重量に応じたバネ力を２軸及び３軸アーム１２、１３に付与することができる。かかる本実施例によれば同時制御による負荷量の制御はできないが、カウンタウエイト３６の重量の調節による負荷量の調節はできる。なお、本実施例においても実施例５と同様に、４軸アーム１４に関しても２軸、３軸アーム１２、１３と同様に回転軸を直接回動する構造としても良い。また、エアー、油、モータ等を利用しないため、故障もなく、エアー、油、モータ等の場合の如く、駆動源が万一遮断されても所定の機能を確保することができる。

上述の如き各実施例において、バネ力の作用による予圧量をプラス側に各軸の減速機の５０％のトルクに設定した場合の図１１に対応する特性を図９に示す。同図を参照すれば明らかな通り、各実施例によれば、当該ロボットの停止時又は減速停止の位置決め時では、バネ定数の低いロストモーション域でなく、ギヤも予圧により片側に押されている。かくして、通常のロボット動作では、定速時には減速機の定格トルクに対して±７０％前後、加減速時には±２００％程度を使用する。

なお、上述の如き実施例において、バネ力付与手段としてエアシリンダ及び油圧シリンダを用い、これらの圧力を検出するようにした場合には、この場合の圧力調整で負荷量の調整ができる。逆に、アームの姿勢からみて最適な負荷量を計算して同時制御で負荷量を変更することもできる。また、モータ駆動方式により所定のバネ力を得る場合には、電流検出による負荷量の調整も可能である。

本発明に係るロボットにおける右手系及び左手系の概念を説明するための説明図である。本発明の実施例１に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例１に係るロボットの変形例を示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例２に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例３に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例４に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例５に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例６に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本発明の実施例に係るロボットの各軸に駆動力を伝達する減速機の特性を示す特性図である。従来技術に係るロボットを示す図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。従来技術に係るロボットの各軸に駆動力を伝達する減速機の特性を示す特性図である。

符号の説明

１１１軸アーム
１２２軸アーム
１３３軸アーム
１４４軸アーム
１５、１６、１７、１８、１９、２４、２７テンションリンク
２０、２１、２２、２３リンク
２８、２９スプロケット
３０ラック
３１シリンダ
３３ピニオンギヤ
３４、３５チェーン
３６カウンタウエイト

Claims

水平アームを水平面内で回動する駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与した水平アームを有するロボットにおいて、
このロボットは複数の水平アームを有するとともに、シリンダによる直線移動をラック、ピニオンで回転駆動力に変換し、この駆動力を、隣接するアーム間に設けたチェーン及びベルト等の無限軌道状の動力伝達手段を介して各アームの駆動軸に伝達することにより各駆動軸に片側方向への回動力であるバネ力を付与したことを特徴とする水平アームを有するロボット。
請求項１に記載する水平アームを有するロボットにおいて、
無限軌道状の動力伝達手段の駆動力をカウンタウエイトに作用する重力により得るようにしたことを特徴とする水平アームを有するロボット。