JP5440279B2 - ロボットの制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの制振装置に関する。

近年、ロボットは、構造の容易化および部品点数の減少を図るために駆動力を発生するアクチュエータの数の低減が求められている。そこで、一対のプーリと、これらのプーリに懸架されたベルトとを用いる動力伝達機構により、アクチュエータの数を低減することが考えられている。このように駆動力を伝達するベルトは、動作時すなわち駆動力を伝達する際に伸縮をともなう。そのため、ベルトによって駆動力が伝達されるアームの先端側では、ベルトの伸縮にともなう振動が発生する。そこで、例えば特許文献１に開示されているように、ベルトに制振機構を設けることが提案されている。

しかしながら、駆動力を伝達するためのベルトは、駆動力を伝達する方向ごとに伸縮幅が不均一である。そのため、特許文献１に開示されているベルトの制振機構を用いても、ベルトの駆動方向の一方についてのみ制振機能を生じることになる。したがって、ベルトの駆動方向の双方において伸縮にともなう振動を効率的に減衰するためには、ベルトの駆動方向にあわせて一組の制振機構を設置する必要がある。また、この制振機構は、プーリに懸架されているベルトを直接押し付ける。そのため、制振機構を設置する位置は、一対のプーリに懸架されているベルトの中間付近に限定されるという問題がある。ロボットの場合、アームの内側には各種の配線および姿勢制御機構などが収容されている。そのため、制振機構の設置位置は、これら収容されている内包物によって制限され、必ずしも所望するベルトの中間付近とは限らない。その結果、振動の減衰性能を十分に確保することが難しくなるという問題がある。

特開２００１−９７７１号公報

そこで、本発明の目的は、プーリによってアーム部材を駆動するロボットにおいて、設置位置の制限を受けることなく振動の減衰性能が高いロボットの制振装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、モータからアーム部材へベルトを経由せずに駆動力を伝達、すなわちモータからアーム部材へ直接駆動力を伝達している。このような請求項１記載の発明の構成では、アーム部材の先端に取り付けられた従動部材の姿勢を一定に維持するために、姿勢維持部を備えている。この姿勢維持部は、モータを収容部に固定されている姿勢制御プーリと、アーム部材に対して回転するプーリ軸部材と一体の従動プーリとに懸架される姿勢制御ベルトを有している。この姿勢制御ベルトも、駆動力伝達ベルトと同様に、伸縮によって従動部材に振動を生じさせる。

そこで、請求項１記載の発明では、錘部材を有する第二制振用プーリを備えている。錘部材を有する第二制振用プーリは、姿勢制御ベルトの伸縮にともなう従動部材の振動を打ち消す方向へ揺動する。第一制振用プーリと第二制振用プーリとは制振用ベルトで接続されている。そのため、姿勢制御ベルトの伸縮にともなう従動部材の振動は、制振用ベルトおよび第二制振用プーリによって打ち消される。これにより、姿勢制御ベルトの伸縮によって従動プーリと一体に回転する従動部材に振動が生じようとしても、この振動は第二制振用プーリの揺動によって打ち消される。したがって、姿勢制御ベルトの伸縮にともなう従動部材の振動の減衰性能を高めることができる。また、第一制振用プーリと第二制振用プーリとは、制振用ベルトによって接続されている。そのため、第二制振用プーリは、その配置位置に関わらず、制振用ベルトによって接続される。したがって、設置位置の制限を受けることなく振動の減衰性能を高めることができる。

請求項２記載の発明では、第二制振用プーリは、アーム部材の長辺方向においてアーム部材の中心よりもモータ側に設けられている。第二制振用プーリは、従動部材の振動を減衰するために十分な質量が必要となる。このように比較的質量の大きな錘部材を含む第二制振用プーリを根元側に設けることにより、アーム部材は先端側が軽くなる。その結果、アーム部材の駆動に必要な力、すなわちモータの出力は低減される。したがって、モータおよびこれを収容するアーム部材の小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態による制振装置を適用したロボットを示す概略斜視図 本発明の一実施形態による制振装置を適用したロボットを示す模式的な側面図 本発明の一実施形態による制振装置を適用したロボットの作動を示す模式図 本発明の一実施形態による制振装置の要部を示す概略斜視図 従来のロボットをモデル化した模式図 本発明の一実施形態による制振装置を適用したロボットをモデル化した模式図

以下、本発明の一実施形態による制振装置を適用したロボットを図面に基づいて説明する。
図１から図３に示すようにロボット１０は、直動軸１１、ロボット本体１２および軸駆動装置１３を備えている。直動軸１１は、ロボット本体１２の移動方向に沿って配置されている。ロボット本体１２は、この直動軸１１の軸方向へ往復移動する。軸駆動装置１３は、モータ１４を有しており、直動軸１１の軸方向に沿ったロボット本体１２の移動のための駆動力を発生する。

ロボット本体１２は、アーム部材２１、モータ２２、モータ収容部２３、プーリ軸部材２４、従動部材２５および姿勢維持部２６を備えている。モータ２２は、モータ収容部２３に収容されている。モータ収容部２３は、直動軸１１に沿って移動するスライダ２７に固定されている。スライダ２７は、図示しない駆動力伝達部を経由して軸駆動装置１３から駆動力を受ける。これにより、モータ２２を収容するモータ収容部２３は、スライダ２７とともに直動軸１１の軸方向へ往復移動する。モータ２２は、駆動力出力部２８を有している。駆動力出力部２８は、モータ２２の図示しない回転軸と、直接またはギア機構を経由して接続している。駆動力出力部２８は、モータ２２から出力される駆動力をアーム部材２１に伝達する。モータ２２を収容するモータ収容部２３はスライダ２７に固定されているため、モータ２２から駆動力が発生すると、駆動力出力部２８を経由して接続しているアーム部材２１は、モータ２２に対して回転する。

アーム部材２１は、側面視において長辺および短辺を有しており、長辺方向の全長が短辺方向の全長よりも大きく設定されている。アーム部材２１は、長辺方向の一方の端部側が駆動力出力部２８に接続している。一方、アーム部材２１は、長辺方向の他方の端部側にプーリ軸部材２４が設けられている。このように、アーム部材２１は、モータ２２側の端部である根元部３１から、プーリ軸部材２４側の端部である先端部３２まで延びている。プーリ軸部材２４は、図２に示すようにアーム部材２１の先端部３２側に設けられている軸受部３５に回転可能に支持されている。これにより、プーリ軸部材２４は、アーム部材２１に対して回転する。

従動部材２５は、アーム部材２１に支持されているプーリ軸部材２４に取り付けられている。従動部材２５は、プーリ軸部材２４と一体に回転する。従動部材２５は、フレーム３６およびハンド３７を有している。フレーム３６は、プーリ軸部材２４に固定されている。ハンド３７は、フレーム３６と一体に固定され、ロボット１０で取り扱う対象となる図示しないワークを把持する。フレーム３６およびハンド３７で構成される従動部材２５は、一体となってプーリ軸部材２４とともに回転する。なお、ハンド３７は、ワークを把持するだけでなく、ワークに対し機械的な加工を加える機能や、検査のためにワークを撮影する機能を有していてもよい。

姿勢維持部２６は、姿勢制御プーリ４１、従動プーリ４２および姿勢制御ベルト４３を有している。姿勢制御プーリ４１は、モータ収容部２３に回転不能な状態で固定されている。従動プーリ４２は、プーリ軸部材２４に、プーリ軸部材２４とともに回転可能に取り付けられている。すなわち、従動部材２５および従動プーリ４２は、プーリ軸部材２４とともに一体に回転する。また、従動プーリ４２は、アーム部材２１を挟んで従動部材２５のフレーム３６の反対側に設けられている。姿勢制御ベルト４３は、姿勢制御プーリ４１と従動プーリ４２とに懸架されている。

上記の構成により、ロボット本体１２は、モータ２２から駆動力が発生すると、アーム部材２１が回転する。この場合、アーム部材２１は、図３に示すように直動軸１１に平行な状態と直動軸１１に垂直な状態との間で回転する。すなわち、ロボット本体１２は、直動軸１１に沿って軸方向へ往復移動するとともに、直動軸１１側のモータ２２の回転軸を支点に回転する。これにより、ロボット本体１２は、例えば直動軸１１の一方の端部側に設定された把持位置Ｐ１において、図３のＡに示すようにアーム部材２１の先端部３２が下方となるように回転し、図示しないワークを把持する。このとき、ロボット本体１２は、アーム部材２１の長手方向が直動軸１１と概ね垂直となる。そして、ロボット本体１２は、図３のＢに示すようにワークを把持した状態でモータ２２を中心にアーム部材２１の先端部３２が根元部３１とほぼ同一の位置となるように回転する。これにより、ハンド３７に把持されたワークは、直動軸１１の近傍まで持ち上げられる。このとき、ロボット本体１２は、アーム部材２１の長手方向が直動軸１１と概ね平行となる。

ロボット本体１２は、このようにワークを把持した状態で軸駆動装置１３からの駆動力によって把持位置Ｐ１から他方の端部側に設定された開放位置Ｐ２まで移動する。開放位置Ｐ２まで移動すると、ロボット本体１２は再び図３のＡに示すようなアーム部材２１の先端部３２が下方となる状態まで回転する。そして、ロボット本体１２は、この開放位置Ｐ２においてハンド３７が下方を向いた状態で図示しないワークを開放する。このとき、把持位置Ｐ１と同様に、ロボット本体１２は、アーム部材２１の長手方向が直動軸１１と概ね垂直となる。そして、ロボット本体１２は、ワークを開放した状態でモータ２２を中心に、再びアーム部材２１の先端部３２が根元部３１とほぼ同一の位置となるように回転する。その後、ロボット本体１２は、再び把持位置Ｐ１へ移動し、ワークを把持する。

このように、ロボット本体１２は、把持位置Ｐ１における図３のＡに示す状態でのワークの把持、把持位置Ｐ１における図３のＢに示す状態へのアーム部材２１の回転、図３のＢに示す状態を維持しつつ直動軸１１に沿って開放位置Ｐ２へ移動、開放位置Ｐ２における図３のＡに示す状態でのワークの開放、開放位置Ｐ２における図３のＢに示す状態へのアーム部材２１の回転、および図３に示す状態を維持しつつ直動軸１１に沿って把持位置Ｐ１へ移動を繰り返す。

ここで、プーリ軸部材２４は、アーム部材２１と相対的な回転が可能に支持されている。そして、このプーリ軸部材２４には、従動プーリ４２が一体に設けられている。従動プーリ４２は、姿勢制御ベルト４３を経由してモータ収容部２３に固定されている姿勢制御プーリ４１と接続されている。そのため、アーム部材２１が図３のＡに示す状態とＢに示す状態との間で回転しても、従動プーリ４２はこのアーム部材２１の回転と逆方向へ回転する。その結果、アーム部材２１が回転しても、従動プーリ４２と一体に回転する従動部材２５、および従動部材２５に取り付けられているハンド３７は、常に一定の方向すなわち図２の下方を向いた状態を維持する。

このように、ロボット本体１２は、姿勢維持部２６を備える。そのため、アーム部材２１の回転にともなって姿勢維持部２６の姿勢制御ベルト４３に伸縮が生じると、その伸縮がプーリ軸部材２４および従動部材２５に伝達される。姿勢制御ベルト４３から伝達された伸縮は、プーリ軸部材２４に対し中心軸を中心とする微小な揺れ、すなわち振動を生じさせる原因となる。そこで、ロボット本体１２は、図１および図２に示すように制振装置５０を備えている。

制振装置５０は、上述のロボット本体１２の構成に加え、第一制振用プーリ５１、第二制振用プーリ５２および制振用ベルト５３を有している。第一制振用プーリ５１は、プーリ軸部材２４に取り付けられ、プーリ軸部材２４と一体に回転する。この第一制振用プーリ５１は、プーリ軸部材２４の端部すなわち従動部材２５のフレーム３６を挟んで従動プーリ４２の反対側の端部に設けられている。

第二制振用プーリ５２は、プーリ軸部材２４と平行な回転軸部材５４を中心に回転軸部材５４とともに揺動する。回転軸部材５４は、アーム部材２１に対し回転可能に、軸受部材５５に支持されている。第二制振用プーリ５２は、図２に示すように一体の錘部材５６を有している。また、第二制振用プーリ５２は、図４に示すように錘部材５６と接続する弾性部材としての円弧ばね５７を有している。なお、弾性部材は、円弧ばね５７に限らず、任意のばねを適用可能である。錘部材５６は、止め輪部材５８によって第二制振用プーリ５２とともに回転軸部材５４に固定されている。制振用ベルト５３は、この第二制振用プーリ５２と第一制振用プーリ５１とに懸架されている。これにより、第二制振用プーリ５２の揺動は、制振用ベルト５３を経由して第一制振用プーリ５１へ伝達される。錘部材５６は、本実施形態のように第二制振用プーリ５２と組み付ける構成だけでなく、第二制振用プーリ５２そのものが錘部材であってもよい。

次に、上記の構成による制振装置５０の作用について説明する。
制振装置５０が設けられていない従来のロボット本体をモデル化して図示すると、図５に示すように一方の端部が固定された弾性部材６１の端部に従動部材６２が取り付けられた状態となる。すなわち、弾性部材６１は、本実施形態における姿勢制御ベルト４３を含む姿勢維持部２６に相当する。また、従来のロボットの場合、弾性部材６１は、モータから従動部材６２へ駆動力を伝達する駆動力伝達ベルトに相当する。この図５に示すモデルの場合、弾性部材６１の一端は固定されているものの、他端の自由端側に従動部材６２が取り付けられている。そのため、弾性部材６１の振動に起因する従動部材６２の振動は、弾性部材６１の振動が減衰するまで継続することになる。

これに対し、制振装置５０を備える本実施形態のロボット本体１２をモデル化して図示すると、図６に示すように二つの弾性部材７１と弾性部材７２との間に従動部材７３が接続している。弾性部材７１は、本実施形態における姿勢制御ベルト４３を含む姿勢維持部２６に相当する。この弾性部材７１は、一端が固定されており、他端が従動部材７３に接続している。すなわち、弾性部材７１の一端は、本実施形態の場合、姿勢制御プーリ４１に相当する。一方、弾性部材７２は、本実施形態における円弧ばね５７に相当する。この弾性部材７２は、一端が従動部材７３に接続され、他端が錘部材７４に接続している。この錘部材７４は、本実施形態の錘部材５６に相当する。このように、図６に示す本実施形態のモデルの場合、従動部材７３は、固定端と錘部材７４との間に、弾性部材７１および弾性部材７２によって支持されていることになる。そのため、弾性部材７１および弾性部材７２のばね定数を適切に選択することにより、姿勢維持部２６に相当する弾性部材７１の振動は、円弧ばね５７および錘部材５６に相当する弾性部材７２および錘部材７４によって相殺される。その結果、弾性部材７１に起因する従動部材７３の振動は、弾性部材７２および錘部材７４によって打ち消される。すなわち、本実施形態に置き換えると、姿勢維持部２６に起因する従動部材２５の振動は、円弧ばね５７および錘部材５６によって打ち消される。

本実施形態の場合、第一制振用プーリ５１と第二制振用プーリ５２とは制振用ベルト５３で接続されている。そのため、姿勢制御ベルト４３の伸縮によって従動プーリ４２、従動プーリ４２に接続するプーリ軸部材２４、およびプーリ軸部材２４に接続する第一制振用プーリ５１が振動すると、その振動は制振用ベルト５３を経由して第二制振用プーリ５２へ伝達される。第二制振用プーリ５２は、円弧ばね５７および錘部材５６によって、伝達された振動を打ち消す方向へ揺動する。この第二制振用プーリ５２の揺動は、制振用ベルト５３を経由して第一制振用プーリ５１に伝達される。その結果、プーリ軸部材２４に取り付けられている従動部材２５の振動は、円弧ばね５７および錘部材５６による第二制振用プーリ５２の揺動によって打ち消される。

また、本実施形態の場合、錘部材５６のように重量が大きな部材は、アーム部材２１の長辺方向においてモータ２２により近い側に配置される。円弧ばね５７および錘部材５６は、従動部材２５に近いプーリ軸部材２４に設けることも可能である。しかし、プーリ軸部材２４は、アーム部材２１の先端部３２側に位置するため、錘部材５６のように比較的重量の大きな部材を先端部３２側に配置すると、アーム部材２１を駆動するためにモータ２２に要求される駆動力は増大する。そのため、モータ２２を含む駆動部分の大型化を招く。そこで、本実施形態のように、第一制振用プーリ５１と第二制振用プーリ５２とを制振用ベルト５３で接続することにより、円弧ばね５７および錘部材５６が設けられている第二制振用プーリ５２とプーリ軸部材２４とは、離れた位置に配置可能である。特に、本実施形態では、この錘部材５６を含む第二制振用プーリ５２は、アーム部材２１の長辺方向においてその中心よりもモータ２２側に配置されている。これにより、錘部材５６のような重量の大きな部材をアーム部材２１に取り付ける場合でも、モータ２２の出力増大および大型化は不要である。また、モータ２２の大きさおよび出力を一定に維持できれば、ロボット本体１２の駆動速度を大きくすることができる。

以上説明したように、一実施形態では、円弧ばね５７を挟んで錘部材５６と接続する第二制振用プーリ５２を備えている。錘部材５６との間に円弧ばね５７を挟み込んでいる第二制振用プーリ５２は、姿勢制御ベルト４３の伸縮にともなう従動部材２５の振動を打ち消す方向へ揺動する。この第二制振用プーリ５２の揺動、すなわち姿勢制御ベルト４３の伸縮にともなう従動部材２５の振動を打ち消す方向の揺動は、制振用ベルト５３を経由して第一制振用プーリ５１に伝達される。第一制振用プーリ５１は、プーリ軸部材２４を中心として従動プーリ４２と一体に回転可能である。そのため、プーリ軸部材２４と一体に従動プーリ４２と共に回転する従動部材２５は、第二制振用プーリ５２から第一制振用プーリ５１へ伝達された揺動により、従動プーリ４２と共に振動が打ち消される。これにより、姿勢制御ベルト４３の伸縮によって従動プーリ４２と一体に回転する従動部材２５に振動が生じようとしても、この振動は第二制振用プーリ５２から伝達された振動を打ち消す方向の揺動によって打ち消される。したがって、姿勢制御ベルト４３の伸縮にともなう従動部材２５の振動の減衰性能を高めることができる。また、第二制振用プーリ５２の揺動は、制振用ベルト５３によって第一制振用プーリ５１へ伝達される。そのため、姿勢制御ベルト４３の伸縮にともなう振動を打ち消すための第二制振用プーリ５２の揺動は、その配置位置に関わらず、制振用ベルト５３によって第一制振用プーリ５１へ伝達される。したがって、設置位置の制限を受けることなく従動部材２５における振動の減衰性能を高めることができる。

また、一実施形態では、第二制振用プーリ５２は、アーム部材２１の長辺方向においてアーム部材２１の中心よりもモータ２２側すなわち根元部３１側に設けられている。第二制振用プーリ５２は、従動部材２５の振動を減衰するために十分な質量が必要となる。このように比較的質量の大きな錘部材５６を含む第二制振用プーリ５２を根元部３１側に設けることにより、アーム部材２１は先端側が軽くなる。その結果、アーム部材２１の駆動に必要な力、すなわちモータ２２の出力は低減される。したがって、モータ２２およびこれを収容するモータ収容部２３の小型化を図ることができる。また、モータ２２の大きさを一定に確保できれば、ロボット本体１２の駆動速度の増大を図ることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
一実施形態では、第二制振用プーリ５２は、錘部材５６および円弧ばね５７を有する例について説明した。しかし、第二制振用プーリ５２自体を錘部材として構成、すなわち第二制振用プーリ５２と錘部材とを一体に構成し、制振用ベルト４３を、錘部材である第二制振用プーリと第一制振用プーリ５１との間を接続する弾性部材として機能する構成としてもよい。制振用ベルト４３のようなベルト部材は、わずかながらも伸縮をともなう。そのため、制振用ベルト４３を弾性部材とみなすことにより、第一制振用プーリ５１には弾性部材である制振用ベルト４３を経由して錘部材である第二制振用プーリ５２が接続しているともみなすことができる。この場合、制振用ベルト４３のばね定数、錘部材と一体に構成する第二制振用プーリ５２の質量を適切に設定することにより、上述の一実施形態と同様の作用および効果を奏することができる。

図面中、１０はロボット、２１はアーム部材、２２はモータ、２３はモータ収容部、２４はプーリ軸部材、２５は従動部材、２６は姿勢維持部、３１は根元部、３２は先端部、４１は姿勢制御プーリ、４２は従動プーリ、４３は姿勢制御ベルト、５０は制振装置、５１は第一制振用プーリ、５２は第二制振用プーリ、５３は制振用ベルトを示す。

Claims (2)

1. 根元部から先端部に向けて延びるアーム部材と、
   前記アーム部材の前記根元部側に設けられ、駆動力を発生するモータと、
   前記モータを収容するモータ収容部と、
   前記アーム部材の前記先端部側に設けられ前記アーム部材に対して回転するプーリ軸部材と、
   前記プーリ軸部材に取り付けられ、前記プーリ軸部材と一体に回転する従動部材と、
   前記従動部材とともに前記プーリ軸部材と一体に回転する従動プーリ、前記モータ収容部に固定されている姿勢制御プーリ、および前記従動プーリと前記姿勢制御プーリとに懸架されている姿勢制御ベルトを有し、前記従動部材を前記アーム部材の姿勢に関わらず予め設定された設定姿勢に維持する姿勢維持部と、
   前記プーリ軸部材と一体に回転する第一制振用プーリと、
   錘部材を有し、前記プーリ軸部材と平行であって前記アーム部材に対して回転する回転軸部材と一体に、前記姿勢制御ベルトの伸縮にともなう前記従動部材の振動を打ち消す方向へ揺動する第二制振用プーリと、
   前記第一制振用プーリと前記第二制振用プーリとを接続する制振用ベルトと、
   を備えることを特徴とするロボットの制振装置。
2. 前記第二制振用プーリは、前記アーム部材の長辺方向において前記アーム部材の中心よりも前記モータ側に設けられていることを特徴とする請求項１記載のロボットの制振装置。

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