JP4730511B2

JP4730511B2 - 多関節ロボット

Info

Publication number: JP4730511B2
Application number: JP2004210189A
Authority: JP
Inventors: 英郎成田; 尚範中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP2006026821A

Description

本発明は、複数のアームを複数の関節により連結してなる多関節アームを備えるロボットの改良に関するものである。

従来から、比較的長い距離のワーク搬送を行うためのロボット等には、搬送方向に延びる走行軸を備える形式のものや、複数のアームを複数の関節により連結してなる多関節アームを備える形式のもの（例えば、特許文献１、引用文献２参照。）が用いられていた。

特開２００３−２３１０７５号公報（〔請求項１〕、〔図１〕、〔図３〕）特許第３４９０９８０号公報（〔００３５〕、〔００３６〕、〔図１〕）

ところで、従来の、搬送方向に延びる走行軸を備える形式のロボットは、走行軸のベース部がデッドスペースとなり、スペース効率の点で問題があった。一方、多関節アームを備える形式のロボットについても、次のような欠点が指摘されていた。ここで、多関節アームの構造を概略的に図７に示すと、多関節アーム１０は、アーム１２、１４及びツール１６を関節１８、２０で連結したものである。そして、関節１８、２０およびアーム１２の基端部を回動させるためのモータ、減速機、ベアリング等（以下、「駆動要素」ともいう。）を備えている。かかる構造において、搬送距離を増大させるためには、アーム１２、１４をより長くする必要があり、そのようなアームの延長は、被搬送物２２の移動軌跡を増大させ、搬送効率を低下させる原因となった。また、アームの延長は、アーム剛性確保のために、アーム重量の増大を来し、アームを駆動するモータ、減速機、ベアリング等の駆動要素の大型化を招くこととなった。

さらに、図７に示すように、多関節アーム１０を伸ばした状態で、多関節アーム１０の基端寄りに配置されたアーム１２の支点２３と、被搬送物２２との距離Ｌ１が大きくなり、アーム１２の支点２３に対し作用するトルクが増大し、アーム１２を回動させるための駆動要素２４に要求される駆動力は相当に大きなものとなる。よって、アーム１２を回動させる為の駆動要素８の大型化を避けることが困難で、ロボット全体としての大型化、重量増加を招く要因となっていた。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多関節ロボットの、ツールや被搬送物の移動距離の増大を図りつつ小型化を促進することにある。

上記課題を解決するための、本発明に係る多関節ロボットは、複数のアームを複数の関節により連結してなる多関節アームを備えるロボットであって、前記多関節アームは、所定の中間アームよりも多関節アームの先端寄りに２以上のアームが配置され、少なくとも前記所定の中間アームよりも多関節アームの基端寄りに４節回転機構が配置されてなり、前記所定の中間アームと当該中間アームよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームとを連結する関節部の、回動を許容しつつ当該関節部の位置を所定位置で停止させるための、前記関節部を載置する、前記４節回転機構と連動せず位置固定された支持台を、ストッパとして備え、該ストッパを構成するサポートアームは、前記４節回転機構の構成要素であるベースに固定されており、前記関節部を前記支持台に載置し、関節部の回動を許容しつつ当該関節部の位置を所定位置で停止させた状態で、前記所定の中間アームよりも先端寄りに連結された２以上のアームが、各々作動可能であることを特徴とするものである。
本発明は、多関節アームを構成する複数のアームのうち、所定の中間アームの、それよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームから受けるトルクの力点を、ストッパによって所定位置で停止させ、所定の中間アームよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームのみを作動させることにより、アームの必要な可動範囲を確保するものである。また、所定の中間アームよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームの動作をさせる際に、所定の中間アームの力点が、ストッパによってその位置を停止させられることによって、所定の中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームに対し、当該所定の中間アームが受けるトルクが及ぶことがなくなり負荷が軽減される。従って、中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームの、高剛性確保や、それらの駆動要素の大型化を不用とすることができる。

また、前記所定の中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームに対し作用するトルクが、最大となるような姿勢を、前記多関節アームがとる際に、ストッパによって、所定の中間アームの力点を、所定位置で停止させることにより、中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームに加わるトルクを効果的に軽減させることができる。よって、中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームの、高剛性確保や、それらの駆動要素の大型化を不用とすることができる。

また、ストッパによって前記所定の中間アームと当該中間アームよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームとを連結する関節部の位置を、所定位置に停止させた状態で、当該関節部を回動させて、前記先端寄りに配置させたアームの操作を自由に行うことができる。

さらに、本発明では、前記ストッパとして、前記関節部を載置する、前記４節回転機構と連動せず位置固定された支持台を用いることで、所定の中間アームが、それよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームから受けるトルクの力点を、所定位置で停止させることが可能となる。

また、前記所定の中間アームよりも多関節アームの基端寄りに配置されたアームは、４節回転機構を構成することで、多関節アームに十分な剛性と、高い動力性能を確保しつつ、前記中間アームから当該４節回転機構に作用するトルクを軽減し、当該４節回転機構の駆動要素の大型化を防ぐことが可能となる。
ここで、前記ストッパを構成するサポートアームは、前記４節回転機構の構成要素であるベースに固定されている。
なお、本発明に係る多関節ロボットが搬送ロボットを構成することとしても良い。

本発明はこのように構成したので、多関節ロボットの、ツールや被搬送物の移動距離の増大を図りつつ小型化を促進することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る多関節搬送ロボット２６は、ベース２８、アーム３０、上部リンク（アーム）３２、補助リンク３４が環状に連なって、互いに揺動自在となるように連結された４節回転機構３６と、基端部が４節回転機構３６の上部リンク３２に対し軸３８を介して回動自在に軸着されたアーム４０と、アーム４０の先端部に対し軸４２を介してその基端部が回動自在に軸着されたアーム４４と、アーム４４の先端部に対し軸４６を介してその基端部が回動自在に軸着されたアーム４８と、アーム４８の先端部に対し軸５０を介してその基端部が回動自在に軸着されたブラケット（アーム）５２とからなる多関節アーム５４を構成している。さらに、ブラケット５２に対し、ツール５６が水平方向に回動自在に取り付けられている。なお、ツール５６の姿勢については、手動によっても調節することが可能である。

また、ベース２８に対しアーム３０を軸着する軸（関節部）３１、および、前述の各軸（関節部）３８、４２、４６、５０には、各々の軸によって連結されたアームを駆動するためのモータが設けられている。なお、図１（ｂ）には、関節部３８、４２、４６を駆動するためのモータ３９、４３、４７が示されている。
加えて、ベース２８には、後述するストッパを構成するサポートアーム５８が固定されている。サポートアーム５８の先端部は、多関節アーム５４を伸ばした状態で、アーム４０の先端部を載置するための、４節回転機構３６と連動せず位置固定された支持台６０となっている。ここでいう、多関節アーム５４を伸ばした状態とは、特に、アーム４０よりも多関節アームの基端寄りに配置されたアーム３０に対し作用するトルクが、最大となるような姿勢を、多関節アーム５４がとる状態を意味する。そして、支持台６０は、アーム４０の、アーム４０よりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４から受けるトルクの力点（関節部４２）を、その上に載置させることによって、関節部４２の位置を停止させるものである。しかも、関節部４２が支持台６０上に載置された状態で、アーム４０と、アーム４０よりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４との、回動が可能となっている。

ここで、多関節搬送ロボット２６の動作手順を、図１〜図４を参照しながら説明する。まず、図１は、多関節ロボット２６の待機状態を示している。なお、被搬送物は、図７の例と同様に、ツール５６上に載置される。この待機状態から、関節部３１の駆動要素を構成するモータを起動し、関節部３１を中心としてアーム３０を回転させることにより、図２に示すように４節回転機構３６を図２の右方向へと傾倒させる。さらに、関節部３８のモータ３９（図１）を起動して、関節部３８を中心にアーム４０を図２の右方向へと振る。この際、関節部４２、４６、５０の角度についても、随時調節することにより、ツール５６の姿勢を一定に保つことができる。そして、図３に示すように、アーム４０とアーム４４とを連結する関節部４２が、サポートアーム５８の支持台６０の真上に位置するように、各関節部を回動させる。

続いて、図４に示すように、アーム４０の先端寄りの端部を、支持台６０上に載置することにより、アーム４０とアーム４４とを連結する関節部４２を支え、その位置を固定する。この際、支持台６０にはアーム４０の先端寄りの端部のみが当接し、アーム４４の基端よりの端部は支持台６０とは当接しないように、支持台６０の形状およびアーム４０、４４の端部形状が形成されていることから、支持台６０によって関節部４２の位置が固定された状態で、関節部４２を中心にアーム４４を自由に回動させることができる。したがって、図４に実線および二点鎖線で示すように、アーム４４、４８を自在に操作して、ツール５６の移動を行うことができる。

そして、ツール５６から被搬送物を受渡し、被搬送物の荷重から多関節アーム５４が開放された後は、図５に示すように、各関節部を回動させながら、アーム４０とアーム４４とを連結する関節部４２を支持台６０から浮かせ、さらに、図１（ａ）に示す待機状態経と復帰させる。なお、多関節アーム５４は、図２〜図５に示す方向と逆の方向にも作動することが可能であり、図６に符号Ａで示すように、極めて広範囲の移動が可能となっている。なお、符号Ａは、多関節搬送ロボット２６の多関節アーム５４の先端部に設けたブラケット５２の移動可能範囲を示すものである。

上記構成をなす、本発明の実施の形態にかかる多関節搬送ロボット２６の特徴部分をまとめると、以下の通りになる。まず、多関節搬送ロボット２６は、複数のアーム３０、３２、４０、４４、４８、５２を複数の関節３１、３８、４３、４６、５０により連結してなる多関節アーム５４を備えるロボットであって、多関節アーム５４を構成する複数のアームのうち、所定の中間アーム（本実施の形態ではアーム４０）の、それよりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４から受けるトルクの力点である関節部４２を、所定位置で停止させるためのストッパとしての支持台６０を備えるものである。

そして、アーム４０の力点である関節４２を、支持台６０によって所定位置で停止させ、アーム４０よりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４、４８，５２のみを作動させることにより、多関節アーム５４の必要な可動範囲Ａを確保するものである。また、アーム４０よりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４、４８、５２の動作をさせる際に、アーム４４から受けるトルクの力点である関節４２を支持台６０によって停止させることにより、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置されたアーム３０に対し、アーム４０が受けるトルクが作用することがなくなり、アーム３０の負荷が軽減される。従って、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置されたアーム３０、３２に高い剛性を確保する必要がなくなり、かつ、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置された関節部３１、３８の、各駆動要素の小型化を図ることができる。

しかも、ストッパである支持台６０は、図４に示すように多関節アーム５４が最大に延びる場合等、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置されたアーム３０に対し作用するトルクが最大となるような姿勢を、多関節アーム５４がとる際に、アーム４０が、それよりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４から受けるトルクの力点である関節４２を、所定位置で停止させるものであることから、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置されたアーム３０に加わるトルクを効果的に軽減させることができる。
したがって、多関節アーム５４の多関節化、すなわち、図示の例のごとく各アーム長を短縮してアームの軽量化を図りつつ、多数の関節部で各アームを連結することにより、多関節アーム５４の可動範囲をより広く取ることとし、さらに、多関節アーム５４の基端部寄りに位置するアーム３０、各関節部３１、３８にかかるトルクを軽減し、これらアームおよび関節部の駆動要素の小型化を図ることができる。よって、ツールや被搬送物の移動距離の増大を図りつつ、小型化を促進した多関節ロボットを提供することが可能となる。また、搬送方向に延びる走行軸を用いる必要がなくなり、デッドスペースの発生を防ぐことが可能となる。

さらに、ストッパである支持台６０は、アーム４０とアーム４０よりも多関節アーム５４の先端寄りに配置されたアーム４４とを連結する関節部４２の、回動を許容しつつ関節部４２の位置を所定位置で停止させるものであることから、関節部４２の位置を停止させた状態で、関節部４２を回動させて、先端寄りに配置させたアーム４４の操作を自由に行うことができる。したがって、多関節アーム５４の必要な移動範囲を確保することが可能となる。

また、本発明の実施の形態では、アーム４０よりも多関節アーム５４の基端寄りに配置されたアーム３０は、４節回転機構３６を構成することから、４節回転機構３６によって、多関節アーム５４に十分な剛性と、高い動力性能を確保しつつ、アーム４０から４節回転機構３６に作用するトルクを軽減し、４節回転機構３６の駆動要素の大型化を防ぐことが可能となる。
なお、アーム４０自体が４節回転機構を構成し、いわゆる二重の４節回転機構を備える構成を採る場合であっても、本発明を適用することが可能である。

また、必要に応じ、アーム４０以外の中間アーム、例えばアーム４４等の位置を固定するストッパを設けることとしても良い。さらに、本実施の形態では、多関節搬送ロボット２６に本発明を適用した場合を例示して説明したが、他の用途に用いられる多関節ロボット、例えば、ワーク搬送用の機能を備えるツール５６を、組立用工具や溶接ガン等の置換えたロボット等に、本発明を適用することとしても、同様の作用効果を得ることが可能である。

本発明の実施の形態に係る多関節搬送ロボットを示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は上面図である。図１に示す多関節搬送ロボットの作動手順を示す正面図であり、図１（ｂ）に続く状態を示すものである。図２に続く、多関節搬送ロボットの作動手順を示す正面図である。図３に続く、多関節搬送ロボットの作動手順を示す正面図である。図４に続く、多関節搬送ロボットの作動手順を示す正面図である。図１に示す多関節搬送ロボットの、多関節アームの移動範囲を示す正面図である。従来の、多関節アームを備える形式のロボットの構造を示す概略図である。

２６：多関節搬送ロボット、２８：ベース、３０、４０、４４、４８：アーム、３１、３８、４２、４６、５０：軸、３２：上部リンク、３４：補助リンク、３６：４節回転機構、３９、４３、４７：モータ、５２：ブラケット、５４：多関節アーム、５６：ツール、５８：サポートアーム、６０：支持台

Claims

複数のアームを複数の関節により連結してなる多関節アームを備えるロボットであって、
前記多関節アームは、所定の中間アームよりも多関節アームの先端寄りに２以上のアームが配置され、少なくとも前記所定の中間アームよりも多関節アームの基端寄りに４節回転機構が配置されてなり、
前記所定の中間アームと当該中間アームよりも多関節アームの先端寄りに配置されたアームとを連結する関節部の、回動を許容しつつ当該関節部の位置を所定位置で停止させるための、前記関節部を載置する、前記４節回転機構と連動せず位置固定された支持台を、ストッパとして備え、該ストッパを構成するサポートアームは、前記４節回転機構の構成要素であるベースに固定されており、
前記関節部を前記支持台に載置し、関節部の回動を許容しつつ当該関節部の位置を所定位置で停止させた状態で、前記所定の中間アームよりも先端寄りに連結された２以上のアームが、各々作動可能であることを特徴とする多関節ロボット。
搬送ロボットであることを特徴とする請求項１記載の多関節ロボット。