JP4291344B2 - 産業用ロボット - Google Patents

Description

本発明は産業用ロボットに関する。特に、本発明は、高速でかつ長時間動作することが要求される産業用ロボットに関する。

図７は従来技術における産業用ロボットの三つの動力伝達部の斜視図である。図７に示されるように、互いに同心に配置される三つの動力伝達部１２１、１２２、１２３には、それぞれ動力伝達部用歯車１２４、１２５、１２６が同軸に順番に設けられている。これら三つの動力伝達部用歯車１２４、１２５、１２６には、モータ１５１、１５２、１５３のモータ用歯車１３１、１３２、１３３がそれぞれ係合している。これらモータ１５１、１５２、１５３の定格は互いに等しい。そして、図７から分かるように、これらモータ用歯車１３１、１３２、１３３は動力伝達部用歯車１２４、１２５、１２６の周方向にほぼ等間隔で配置されている。

ところで、特許文献１には、一つの可動部材を二つのモータで駆動するサーボ制御装置が開示されている。このサーボ制御装置の位置制御装置は、同一の位置指令を上位の制御装置から受け取り、位置検出器からの位置フィードバック量を差し引いた位置偏差量を処理して速度指令を出力する位置制御部と、速度指令を受け取り、速度検出器からの速度フィードバック量を差し引いた速度偏差量を処理して電流指令を出力する速度制御部と、電流指令を受け取り、モータ電流を検出するセンサからの電流フィードバック量を差し引いた電流偏差量を処理して電圧指令を出力し、該電圧指令によって電流増幅器を動作させる電流制御部を組みとし、この組みを各モータに対してそれぞれ備える構成としている。
特開２００１−２７３０３７号公報

近年においてはロボットをさらに高速化することが要求されており、生産効率を高めるために特にロボットの搬送能力の向上が求められている。搬送能力については、ロボットのアーム動作の高速性と高加速性とに加え、このような厳しい動作を連続して行うこと、すなわち、高デューティでの動作を実現することが期待されている。

このようなサーボ制御装置の動作性能を上昇させることが望まれる場合には、通常は、モータの定格を上げることが行われている。しかしながら、モータの定格を上げた場合には、モータの寸法が大きくなると共に、モータのロータイナーシャも増加する。さらに、モータの寸法を大きくすることによって、モータの出力軸に関連付けられた伝達要素、例えば歯車の寸法も大きくなり、イナーシャが増大するようになる。

このようなモータのロータイナーシャおよび伝達要素のイナーシャが増加することによって増加したトルクは、モータが負担する必要がある。従って、モータの定格を上げたとしても、モータの定格増加分の大部分は、モータのロータイナーシャおよび伝達要素のイナーシャの増加に基づいて増加したトルクに消費される。このため、モータの出力軸を駆動するための加速度を増加させるのが実質的に困難になるという問題があった。また、アームを軽量化することにより、負荷を軽減することも考えられるが、このような解決には限界がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、比較的小型の構成であっても高デューティでの動作を行うことのできる産業用ロボットを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、手首軸部と該手首軸部を三次元空間内に位置決めする三つの基本軸部とからなる産業用ロボットにおいて、これら三つの基本軸部のそれぞれを駆動する三つの駆動手段を具備し、前記三つの駆動手段に含まれる全てのモータが前記産業用ロボットのベースに組入れられており、前記三つの基本軸部のうちの少なくとも一つの基本軸部に対応する前記駆動手段が少なくとも二つのモータを含んでいる産業用ロボットが提供される。

すなわち１番目の発明において、一つの基本軸部が二つのモータにより駆動される場合には、モータが二つであるのでロータイナーシャは二倍になる。しかしながら、一つのモータが負担する負荷は半減するので、トルク能力に対して余裕をもって基本軸部を駆動できる。さらに、一つの基本軸部が少なくとも二つのモータにより駆動される構成であるので、高速・高加減速動作を連続して行う場合であっても、動作を休止させる必要がなく、高デューティでの連続動作を行うことができる。また、前記三つの駆動手段に含まれる全てのモータが前記産業用ロボットのベースに組入れられているので、産業用ロボットを比較的小型にできると共にモータが産業用ロボットの上腕などに配置されている場合と比較してモータ自体が負荷になるのを避けられる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記三つの駆動手段のそれぞれが、少なくとも二つのモータを含んでいる。
すなわち２番目の発明においては、単一のモータのみによって駆動される基本軸部を備えていないので、デューティ性能の低いそのような基本軸部に合わせて動作性能を低下させる必要がない。従って、空間上のＸＹＺ座標いずれの方向においても、高速・高加減速動作を行うことができる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記三つの基本軸部のそれぞれは動力伝達部用歯車を有しており、これら動力伝達部用歯車は互いに同軸でかつ軸方向に順番に配置されており、前記モータのそれぞれは前記動力伝達部用歯車のそれぞれに係合するモータ用歯車を前記モータの出力軸に有しており、前記モータ用歯車の全ては前記動力伝達部用歯車の周方向に配置されている。
すなわち３番目の発明においては、モータの数を増やす場合であっても、動力伝達部用歯車周囲の空きスペースに追加のモータを配置することが可能であり、これらモータを収納するスペースを容易に確保することができる。

４番目の発明によれば、１番目の発明において、前記三つの基本軸部のうちの前記少なくとも一つの基本軸部に対応する前記駆動手段が第一モータおよび第二モータを含んでおり、前記第一モータは該第一モータの速度に基づいて作成された第一モータのトルク指令により制御されており、前記第二モータは、前記第一モータの前記トルク指令により制御されている。
すなわち４番目の発明においては、モータ用歯車と動力伝達部用歯車との間のバックラッシの範囲内において、一方のモータ用歯車が動力伝達部用歯車に係合しない事態が生じるのを回避できる。

５番目の発明によれば、４番目の発明において、前記第一モータおよび第二モータうちの一方にのみ機械的ブレーキが備えられている。
すなわち５番目の発明においては、機械的ブレーキはロボットのアームが重力により軸落下するのを防止する。また、両方のモータのそれぞれに機械的ブレーキが備えられている場合にはこれら機械的ブレーキが掛かるタイミングのズレによって動力伝達部用歯車に過大な負荷が掛かるようになるものの、５番目の発明においてはこのような問題を回避することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は一般的な産業用ロボットの側面図である。図１に示されるように、産業用ロボット１０は、床面９０に設置された不動のロボットベース１５と、ロボットベース１５に旋回可能に取付けられた旋回胴１６と、旋回胴１６から延びる上腕１４と、上腕１４の上端付近に取付けられた前腕基部１７とを主に含んでいる。

前腕基部１７の先端には、第一手首要素１１が取付けられており、第一手首要素１１には、さらに、第二手首要素１２が取付けられている。第二手首要素１２には、作業手段、例えば把持用ハンド（図示しない）が取付けられる。これら手首要素１１、１２は、作業手段の空間上の姿勢を決定する。また、産業用ロボット１０はライン１８によりロボット制御装置１９に接続されていて、ロボット制御装置１９により制御される。

ここで、図１に示される産業用ロボット１０は三つの基本軸（基本三軸）を含んでいる。図示されるように、第一基本軸Ａ１は、産業用ロボット１０のロボットベース１５よりも上方に位置する部分をロボットベース１５および床面９０に対して矢印方向に水平に旋回させる軸である。第二基本軸Ａ２は、上腕１４を床面９０に対して垂直に振上げおよび振下げる軸である。さらに、第三基本軸Ａ３は、前腕基部１７を第二基本軸Ａ２と同じ方向に回転させる軸である。つまり、三つの基本軸には、第一および第二の手首要素１１、１２の手首軸は含まれていない。

図２は図１に示される産業用ロボットの部分拡大図である。図２に示されるように、ロボットベース１５においては、三つの動力伝達部２１、２２、２３が配置されている。さらに、これら三つの動力伝達部２１、２２、２３を駆動するためのモータ５１〜５６の全ては産業用ロボット１０のロボットベース１５内に配置されている。

図示されるように、旋回胴１６は動力伝達部２１に直接的に連結されており、動力伝達部２１の回転によって旋回胴１６は第一基本軸Ａ１回りに回転する。旋回胴１６内においては、はすば歯車を含む第一伝達要素４１が組入れられており、第一伝達要素４１の一部は上腕１４に直接的に連結されている。従って、動力伝達部２２の回転作用は第一伝達要素４１を介して上腕１４に伝達され、それにより、上腕１４は第二基本軸Ａ２回りに回動するようになる。

さらに、図示されるように、上腕１４内には、第一伝達要素４１に接続された第二伝達要素４２、例えばベルト／プーリが組入れられている。第二伝達要素４２の一部は前腕基部１７に直接的に連結されている。従って、動力伝達部２３の回転作用は第一伝達要素４１および第二伝達要素４２を介して前腕基部１７に伝達され、それにより、前腕基部１７は第三基本軸Ａ３回りに回動するようになる。当然のことながら、第一伝達要素４１および第二伝達要素４２が他の構成要素、例えば減速機、ドライブシャフトおよびチェーンなどであってもよい。

前述したように本発明においては、比較的重い要素であるモータ５１〜５６の全てはロボットベース１５内に配置されている。一方、これらモータの一部が旋回胴１６および／または上腕１４内に配置されている場合には、モータ自体が旋回胴１６おおよび／または上腕１４を回動させるときの負荷になり、モータのトルクが必要以上に消費される。しかしながら、本発明においては、モータ５１〜５６はいずれも旋回胴１６および／または上腕１４内に配置されていないので、旋回胴１６および／または上腕１４の回動時にモータ自体が負荷とならず、従って、モータの追加のトルクが発生することはない。

さらに、本発明においては、三つの基本軸部を駆動するモータまでの接続線（図示しない）をロボットベース１５から旋回胴１６および／または上腕１４まで通過させる必要がない。このため、本発明においては、これら接続線の配置が単純になる。さらに、旋回胴１６および／または上腕１４の回動時に接続線が捻れることもないので、接続線の長寿命化を図ることが可能である。

図３は本発明に基づく産業用ロボットにおける三つの動力伝達部の斜視図である。さらに、図４は図３に示される三つの動力伝達部の部分側面図である。図４においては、単純にする目的でモータおよびモータの出力軸を省略している。

図３および図４から分かるように、動力伝達部２１、２２、２３の先端に動力伝達部用歯車２４、２５、２６がそれぞれ取付けられている。これら動力伝達部用歯車２４、２５、２６の直径は互いにほぼ等しく、また動力伝達部用歯車２４、２５、２６は軸方向にわずかに隙間を設けつつ互いに同軸に取付けられている。なお、前述した図２においては、理解を容易にするために、これら動力伝達部用歯車２４、２５、２６の直径を互いに異ならせて示していることに留意されたい。

特に図４から分かるように、上段に位置する動力伝達部用歯車２４には動力伝達部用歯車２４の直径方向に互いに対向して配置されたモータ用歯車３１、３４が係合している。これらモータ用歯車は二つのモータ５１、５４の出力軸にそれぞれ取付けられている。

中段に位置する動力伝達部用歯車２５には、二つのモータ５２、５５のモータ用歯車３２、３５が同様に係合している。さらに、下段に位置する動力伝達部用歯車２６には、二つのモータ５３、５６のモータ用歯車３３、３６が同様に係合している。これらモータ５１〜５６の定格は互いに等しく、またモータ用歯車３１〜３６の寸法も互いに等しい。

本発明においては、一つの動力伝達部用歯車に対して、二つのモータ用歯車が係合するようになっている。このような構成であるので、一つの動力伝達部を単一のモータにより駆動する場合と比較して、各モータに掛かる負荷を半分に抑えつつ、一つの動力伝達部を駆動することが可能となる。従って、本発明においては、高速・高加減速動作を連続して行う場合であっても、動作を休止させる必要がなく、高デューティ、例えばデューティ約１００％での連続動作を行うことが可能となる。

図３に示されるように、これら六つのモータ用歯車３１〜３６は動力伝達部用歯車２４、２５、２６の周方向にほぼ等間隔で配置されている。前述した図７を参照して分かるように、モータ１５１、１５２、１５３の間には三つの空きスペースが存在している。さらに、図３に示されるように、本発明においては、六つのモータ用歯車３１〜３６のうちの追加の三つのモータ用歯車３４〜３６および関連するモータ５４〜５６はモータ１５１、１５２、１５３の間の空きスペースにそれぞれ配置されている。

従って、図３に示されるように全ての動力伝達部用歯車のそれぞれを二つのモータ用歯車により駆動する場合においては、追加のモータを前述した空きスペースに配置すれば足りる。すなわち、本発明においては、追加のモータ３４〜３６を配置するスペースを容易に確保することができる。

図５は本発明において一つの動力伝達部用歯車の制御状態を説明するためのブロック図である。図５においては、三つの動力伝達部のうちの一つの動力伝達部２１の動力伝達部用歯車２４が代表として示されている。

モータ５１には、該モータ５１の出力軸の回転速度を検出する速度検出部（図示しない）とモータ５１に流れる電流を検出する電流検出部（図示しない）とが接続されている。同様に、モータ５４にはモータ５４に流れる電流を検出する電流検出部（図示しない）が接続されているものとする。

以下、図５を参照して、動力伝達部用歯車２４に係合するモータ用歯車３１、３４のモータ５１、５４の制御について簡単に説明する。速度検出部により検出されたモータ５１の検出速度は時間で積分され、速度積分値（モータ５１の出力軸の位置に対応する）として位置制御部６１に送信される。

位置制御部６１においては制御装置６０内で作成された位置指令値と前述した速度積分値とに基づいて公知の手法で速度指令が作成されて速度制御部６２に送信される。次いで、速度制御部６２においては、モータ５１の検出速度と前述した速度指令とに基づいて公知の手法でトルク指令Ｔｃが作成される。

図示されるように、トルク指令Ｔｃは電流制御部６３Ａに送信される。電流制御部６３Ａにおいては、モータ５１の電流検出値とトルク指令Ｔｃとに基づいて公知の手法で電流指令が作成され、この電流指令に基づいてモータ５１が駆動される。

図５から分かるように、本発明においては、速度制御部６２において作成されたトルク指令Ｔｃはモータ５４のための電流制御部６３Ｂにも送信される。そして、電流制御部６３Ｂにおいてはモータ５４の電流検出値とトルク指令Ｔｃとに基づいて公知の手法で電流指令が作成され、この電流指令に基づいてモータ５４が同様に駆動される。

すなわち、本発明においては、一つの動力伝達部用歯車２４に係合する二つのモータ用歯車３１、３４のモータ５１、５４は同一のトルク指令により駆動される。言い換えれば、本発明においては、一つのトルク指令に基づいたトルクタンデム制御が行われる。これにより、モータ用歯車３１、３４の両方が動力伝達部用歯車２４に確実に係合し、また、モータの出力トルクが二つのモータ５１、５４の間で分配されるようになる。従って、モータトルクに余裕のある状況を確実に形成することが可能となる。

一方、モータの出力軸の位置に基づいて二つのモータ５１、５４を制御すること、つまり所謂ポジションタンデム制御を行うことも可能である。しかしながら、この場合には、バックラッシの範囲内において二つのモータ用歯車３１、３４のうちの一方のモータ用歯車のみが動力伝達部用歯車２４に係合し、他方のモータ用歯車が動力伝達部用歯車２４に係合しない事態が生じうる。従って、ポジションタンデム制御においては、所望のトルクを作成できない場合がある。

このため、本発明においては、前述したようにトルクに基づいたトルクタンデム制御を行うのが有利である。なお、他の動力伝達部用歯車２５、２６に関するモータについても同様なトルクタンデム制御を行うことができるのが分かるであろう。

図６は本発明の他の実施形態において一つの動力伝達部用歯車を拡大して示す部分拡大図である。図６においては、三つの動力伝達部のうちの一つの動力伝達部２１の動力伝達部用歯車２４および関連するモータ５１、５４が代表として示されている。

図６において、これら二つのモータ５１、５４のうちの一方のモータ５１には、モータ５１の回転軸を制動するブレーキ７１が設けられている。他方のモータ５４には、そのようなブレーキは設けられていない。ブレーキ７１は上腕１４が重力により軸落下するのを防止する役目を果たす。

図６に示されるように一つの動力伝達部用歯車２４を二つのモータ用歯車３１、３４により駆動する場合には、一方のモータ５１のみにブレーキ７１を備えるようにするのが好ましい。その理由は、両方のモータ５１、５４のそれぞれにブレーキが備えられている場合にはこれらブレーキが掛かるタイミングのズレによって動力伝達部用歯車２４に過大な負荷が掛かる場合があるためである。一方のモータ５１のみにブレーキ７１を備える構成にすることによって、このような問題を回避するのが可能である。

また、ロボットベース１５が開口部を備えている場合、つまりロボットベース１５内の一部または全てがモータ５１〜５６が露出している場合であっても本発明の範囲に含まれる。また、図１においてはロボットベース１５は床面９０に設置されているが、ロボットベース１５が天井（図示しない）に設置されていてもよく、またロボットベース１５が天井（図示しない）と床面９０との間の壁部（図示しない）に設置されていてもよい。

さらに、図面を参照して説明した実施形態においては、二つのモータ用歯車が一つの動力伝達部用歯車に係合しているが、三つ以上のモータ用歯車が動力伝達部用歯車に係合する構成であってもよい。そのような場合には、三つ以上のモータ用歯車は動力伝達部用歯車において周方向に配置されるものとする。

また、図示しない実施形態においては、パラレルリンク構造のロボットアームを備えた産業用ロボットに本発明を適用してもよい。パラレルリンク構造のロボットアームにおいても、三つの動力伝達部のためのモータによって手首先端の空間的な三次元位置を定めている。従って、二つのモータによって一つの動力伝達部を駆動することによって、モータのトルク性能に余裕ができ、高速・高加減速連続運転が可能となる。

さらに図示しない実施形態においては、水平多関節構造のロボットアームを備えた産業用ロボットに本発明を適用してもよい。この場合にも同様に、高速・高加減速連続運転が可能なことが明らかであろう。

一般的な産業用ロボットの側面図である。 図１に示される産業用ロボットの部分拡大図である。 本発明に基づく産業用ロボットにおける三つの動力伝達部の斜視図である。 図３に示される三つの動力伝達部の部分側面図である。 本発明において一つの動力伝達部用歯車の制御状態を説明するためのブロック図である。 本発明の他の実施形態において一つの動力伝達部用歯車を拡大して示す部分拡大図である。 従来技術における産業用ロボットの三つの動力伝達部の斜視図である。

符号の説明

１０ 産業用ロボット
１１ 第一手首要素
１２ 第二手首要素
１４ 上腕
１５ ロボットベース
１６ 旋回胴
１７ 前腕基部
１８ ライン
１９ ロボット制御装置
２１、２２、２３ 動力伝達部
２４、２５、２６ 動力伝達部用歯車
３１〜３６ モータ用歯車
４１ 第一伝達要素
４２ 第二伝達要素
５１〜５６ モータ
６１ 位置制御部
６２ 速度制御部
６３Ａ 電流制御部
６３Ｂ 電流制御部
７１ ブレーキ
９０ 床面
Ａ１ 第一基本軸
Ａ２ 第二基本軸
Ａ３ 第三基本軸

Claims (2)

1. 手首軸部と該手首軸部を三次元空間内に位置決めする三つの基本軸部とからなる産業用ロボットにおいて、
   前記三つの基本軸部のそれぞれは直径が互いに等しい動力伝達部用歯車を有しており、これら動力伝達部用歯車は互いに同軸でかつ軸方向に順番に配置されており、
   これら三つの基本軸部のそれぞれを駆動する三つの駆動手段を具備し、
   前記三つの駆動手段に含まれる全てのモータが前記産業用ロボットのベースに組入れられており、
   前記三つの基本軸部のうちの少なくとも一つの基本軸部に対応する前記駆動手段が少なくとも二つのモータを含んでおり、
   前記少なくとも二つのモータのそれぞれは前記少なくとも一つの基本軸部の前記動力伝達部用歯車に係合するモータ用歯車を前記モータの出力軸に有しており、
   前記少なくとも二つのモータのそれぞれの前記モータ用歯車は、前記少なくとも一つの基本軸部の動力伝達部用歯車の周方向に配置され、該動力伝達部用歯車に直接係合されており、
   前記三つの基本軸部のうちの前記少なくとも一つの基本軸部に対応する前記駆動手段が第一モータおよび第二モータを含んでおり、
   前記第一モータは該第一モータの速度に基づいて作成された第一モータのトルク指令により制御されており、
   前記第二モータは、前記第一モータの前記トルク指令により制御されており、
   前記第一モータおよび第二モータのうちの一方にのみ機械的ブレーキが備えられている、産業用ロボット。
2. 前記三つの駆動手段のそれぞれが、少なくとも二つのモータを含んでいる請求項１に記載の産業用ロボット。

Images