JP4903719B2 - 関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、関節機構に関する。より詳しくは、関節機構におけるアームのバランサ機構の改良に関し、例えば、カートンケース、通い箱等の積み上げ、積み降ろしや、自動車組み立てラインにおいて使用する多関節ロボットにおけるアームのバランサ機構に採用可能な技術に関する。

従来の多関節ロボットにおける水平アームの重量によって生じる水平アームの回転軸における回転モーメントを打ち消すバランス方式には、カウンタウェイト方式、引っ張りばね若しくは圧縮ばねの付勢力を利用した方式、またはシリンダとピストンを用い流体圧力により得られた力を利用してバランスさせる方式、これらを併用した方式等がある。

カウンタウェイト方式では、水平アームの回転軸対称の位置に重量物を配置して直接バランスさせるか、或いは、垂直軸後部にカウンタウェイトを設置し、リンクを用いて水平アームと接続し、バランスをとるようにしている。しかし、この方式はロボットの干渉領域が多い、重量も重い、慣性負荷が大きい等の欠点を有している。

このため、通常はばねまたは加圧流体により付勢されるシリンダを利用して、バランス力を得るようにしたものが、一般的となっている。

すなわち、旋回台上で揺動する垂直アームの上端の軸を回転軸として揺動する水平アームの重量をバランスさせるとき、垂直アームの上方に垂直方向を保ったまま平行に移動する部材を設け、この部材の先端と水平アームとの間に斜めに、付勢された引っ張りばねを張架する直接ばねバランス構造である。

しかし、従来の垂直アームの上方に設けられた垂直を保って平行に移動する部材の先端と水平アームとの間に斜めに引っ張りばねを張架する直接ばねバランス方式は、部材の張り出し部分が大きく重量も大きいので、ロボットの稼働範囲を広くしようとすると、装置全体が大きくなり、ばねが外に露出していて危険である。また、引っ張りばねを使用しているため、応力集中によりハンガ部分に疲労破壊が生じ易く、もしばねが破損した場合にはアームが落下する危険がある。

このように従来方式は、部材の張り出し部分が大きく重量も大きい。そこで、バランス用ばねを旋回台の近傍に設置するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１（特開昭５９−１６７４８６号公報）参照）。

この構成は、水平アームの傾きを平行リンク機構により垂直アームの回転駆動軸近傍に平行移動し、この位置において付勢された引っ張りばねまたは圧縮ばねによりバランス力を加えるものである。

加圧流体（エア圧または油圧）により付勢されるシリンダを利用したバランサの構造は、上記のばね利用のバランサのばねをエア圧シリンダまたは油圧シリンダに置き換え、加圧流体の圧力調整機能を追加設置したものである。

特許文献１に開示された水平アームの傾きを平行リンク機構により旋回台上に平行移動し、ばねでバランスさせるものは、上述の従来装置と同様に、ばねが外に露出していて危険であり、引っ張りばねを使用しているため、ハンガ部分に疲労破壊を生じ易く、ばねが破損した場合にアームが落下する危険がある。

更に、特許文献２（特開平１１−２６２８８９号公報）には、水平アーム内にバランサの主体を入れ、圧縮ばねを使用した、簡素な水平アームのバランサ機構を提供することを目的として、リンクアームおよび手首を旋回台に対して平行移動させる平行リンクを構成し、旋回台に固設され直立アームを揺動駆動するモータと、水平アームを揺動駆動するモータとを有する産業用多関節ロボットにおいて、水平アームの中央付近上側に設けられた水平軸に回転可能に支えられ上下にアームを突出する梃子レバーと、リンクアーム上に固設した軸と梃子レバーの上アーム端とをピン結合するレバーロッドと、水平アーム内に設けられ片端部が水平アームにピンを介して結合し遊端部が梃子レバーの下アーム端にピン結合する引張手段とから、アーム軸における水平アームの重量による片持ち荷重をバランスさせるバランサ装置を構成することが提案されている。
特開昭５９−１６７４８６号公報 特開平１１−２６２８８９号公報

上述した従来のカウンターバランス機構は、減速機と独立に設けられており、減速機の潤滑油温度の上昇が抑えられず、減速機が早期に破損することがある。また、減速機内での摩耗粉による潤滑油の汚染度の上昇の問題がある。

本発明はこのような従来装置に付随する問題点を解消し、減速機の潤滑油温度の上昇が抑えられ、減速機が早期に破損することを防止し、また、減速機内での摩耗粉による潤滑油の汚染度の上昇の問題をなくすことを目的とする。

本発明は上記の課題を、基台、該基台上に設けられ回転する旋回台、および下端部が該旋回台に揺動可能に支承されたアームからなる関節機構において、前記基台内に前記旋回台を回転させる減速機が設けられ、前記旋回台上に揺動可能に支承されるとともに潤滑油が充填されたシリンダー、該シリンダー内を長手方向に摺動可能に密封状に設けられたピストン、および一端部が該ピストンに連結され他端部が前記アームに連結されたピストンロッドが設けられ、前記減速機と前記シリンダーとが連結されて該減速機の潤滑油が前記シリンダーに導入されるようになっていることを特徴とする関節機構により達成する。

前記シリンダーのアーム側端面と前記ピストンとの間に該ピストンを反アーム側へ付勢するスプリングが設けられ、該シリンダー、該ピストン、前記ピストンロッドおよび前記スプリングによりカウンターバランスシステムが構成されていることが好ましい。

本発明によれば、減速機とカウンターバランスシステムのシリンダーとが連結されて減速機の潤滑油がシリンダーに導入されるようになっている。このため、従来のように潤滑油を減速機内のみで使用していた場合に比較し、潤滑油の総量が増えるため、減速機の使用による潤滑油温度の上昇が抑えられ、減速機を安定状態で使用することができ、減速機が早期破損することを防止できる。

また、本発明によれば、潤滑油の総量が増えるため、減速機内での摩耗粉による潤滑油の汚染度の上昇が抑えられ、クリーンな状態で減速機を作動させることができる。

また、本発明においては、カウンターバランスシステムを従来から使用されているカウンターバランス機構と同程度の大きさとできるので、産業用ロボット等の関節機構が設けられた装置の作動範囲を妨げることがない。また、本発明のカウンターバランスシステムの大きさは従来から使用されているカウンターバランス機構と同程度の大きさであり、すべての産業用ロボットに適用できる。

更に、本発明においてはカウンターバランスシステムのピストンロッドがアームに連結されており、別にポンプ用動力を用意しなくとも、アームの動きをポンプとして利用することができる。

産業用ロボットの関節機構に実施した本発明の一実施例の要部断面図であり、ピストンが反アーム方向へ移動してシリンダー内の右室に潤滑油を吸引している状態を示す。 図１の実施例でピストンがアーム方向へ移動してシリンダー内の右室の潤滑油を排出している状態を示している。

以下、本発明の実施例を図示した添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は産業用ロボットの関節機構に実施した本発明の一実施例の要部断面図であり、ピストンが反アーム方向へ移動してシリンダー内の右室に潤滑油を吸引している状態を示し、図２は図１の実施例でピストンがアーム方向へ移動してシリンダー内の右室の潤滑油を排出している状態を示している。

図１および図２において、産業用ロボットの基台１に減速機取付け用ブラケット２がボルトにより取着され、減速機取付け用ブラケット２内に減速機２ａが設けられている。減速機２ａの形式は特に限定されず、公知の構造のものを使用でき、例えば、クランク軸と、外周に外歯が形成されクランク軸のクランク部に嵌合され偏心運動するピニオンと、ピニオンの外歯に噛合う内歯が内周面に形成されたケースからなる遊星歯車装置、またはウェーブジェネレータ、フレクスプラインおよびサーキュラスプラインからなる波動歯車減速機などを使用することができる。

基台１上に旋回台４が設けられ、旋回台４は減速機２ａの出力により水平面内で回転する。旋回台４上に枢軸部４ａが設けられ、枢軸部４ａにおいてアーム６の下端部が水平軸線５の回りに揺動可能に支承されており、アーム６は揺動駆動源（図示せず）からの動力により垂直面内で揺動する。以上のようにして本発明の関節機構が構成されている。更にアーム６の他端部には適宜別のアーム（図示せず）が連結されている。

旋回台４上に設けられた一対のブラケット（図示せず）間に揺動可能にシリンダー７がピン支承されている。シリンダー７内には、長手方向に摺動可能に密封状にピストン８が設けられている。ピストンロッド９の一端部９ａがピストン８に一体的に連結されるとともに他端部９ｂがアーム６に枢着されている。

シリンダー７、ピストン８およびピストンロッド９により、本発明のカウンターバランスシステム１０が構成されている。カウンターバランスシステム１０のシリンダー７内部のピストン８に対して左側に位置する左室７ａおよび右側に位置する右室７ｂとがそれぞれ油圧配管１１ａ、１１ｂを介して基台１、旋回台４に連結されており、減速機取付け用ブラケット２内の減速機２ａの潤滑油がシリンダー７に導入され、シリンダー７内には潤滑油が充填されている。

本実施例のカウンターバランスシステム１０においては、シリンダー７のアーム６側端面とピストン８との間にピストン８を反アーム６側へ付勢する圧縮スプリング１２が設けられており、カウンターバランスシステム１０がアーム６を常時反時計方向へ付勢するようにしている。
図１に示すように、アーム６が反時計方向に揺動されると、アーム６に連結されたピストンロッド９を介してピストン８が左方向に移動され、シリンダー７内部の左室７ａに充填されていた潤滑油が配管１１ａを通り減速機２ａへ送給され、減速機２ａの潤滑油が配管１１ｂを通りシリンダー７内部の右室７ａに充填される。

逆に、図２に示すように、アーム６が時計方向に揺動されると、アーム６に連結されたピストンロッド９を介してピストン８が右方向に移動され、シリンダー７内部の右室７ｂに充填されていた潤滑油が配管１１ｂを通り減速機２ａへ送給され、減速機２ａの潤滑油が配管１１ａを通りシリンダー７内部の左室７ｂに充填される。

本発明によれば、減速機取付け用ブラケット２とカウンターバランスシステム１０のシリンダー７とが連結されて減速機取付け用ブラケツト２内の減速機２ａの潤滑油がシリンダー７に導入されるようになっている。このため、従来のように潤滑油を減速機２内のみで使用していた場合に比較し、潤滑油の総量が増えるため、減速機２ａの使用による潤滑油温度の上昇が抑えられ、減速機２ａを安定状態で使用することができ、減速機２ａの早期破損が防止でき、また、減速機２ａ内での摩耗粉による潤滑油の汚染度の上昇が抑えられ、クリーンな状態で減速機２ａを作動させることができる。

本発明においては、カウンターバランスシステム１０を従来から使用されているカウンターバランス機構と同程度の大きさとできるので、産業用ロボット等の関節機構が設けられた装置の作動範囲を妨げることがない。また、本発明のカウンターバランスシステム１０の大きさは従来から使用されているカウンターバランス機構と同程度の大きさであり、すべての産業用ロボットに適用できる。

更に、本発明においてはカウンターバランスシステム１０のピストンロッド９がアーム６に連結されており、別にポンプ用動力を用意しなくとも、アーム６の動きをポンプとして利用することができる。

Claims (2)

1. 基台、該基台上に設けられ回転する旋回台、および下端部が該旋回台に揺動可能に支承されたアームからなる関節機構において、前記基台内に前記旋回台を回転させる減速機が設けられ、前記旋回台上に揺動可能に支承されるとともに潤滑油が充填されたシリンダー、該シリンダー内を長手方向に摺動可能に密封状に設けられたピストン、および一端部が該ピストンに連結され他端部が前記アームに連結されたピストンロッドが設けられ、前記減速機と前記シリンダーとが連結されて該減速機の潤滑油が前記シリンダーに導入される関節機構。
2. 前記シリンダーのアーム側端面と前記ピストンとの間に該ピストンを反アーム側へ付勢するスプリングが設けられ、該シリンダー、該ピストン、前記ピストンロッドおよび前記スプリングによりカウンターバランスシステムが構成されている請求項１に記載の関節機構。

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