JP6725580B2 - ロボット用重力バランサおよびロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボット用重力バランサおよびロボットに関する。

垂直多関節型ロボットにおいて、バネや圧縮空気の力を利用して重力によって発生する負荷モーメントを低減する重力バランサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された重力バランサを備えるロボットにおいて、床置きの配置と天吊りの配置とに応じて、重力によってロボットに発生する負荷モーメントの向きが反対になる。そこで、重力バランサに収納されているバネと、バネの力が作用するロッドとの位置関係を変更することにより、ロボットの配置に応じて、バネを圧縮バネとして用いる場合と引張りバネとして用いる場合とを切り替えている。

特許第４２８１１９５号公報

しかし、特許文献１の重力バランサにおいては、ケースに収納されているバネとロッドとの位置関係を変えるために、ケース内部で圧縮されているバネを取り外す必要がある。バネは圧縮された状態で収納されていることが多く、ケースからバネを取り出すには、バネの弾性変形を十分に除去する作業が必要があるとともに、ケースの分解、バネおよびロッドのケースからの取り出しおよび再組立の必要があり、作業が繁雑である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、発生させる力の方向を容易に変更できるロボット用重力バランサおよびロボットを提供する。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、貫通孔を有する端板によって長手軸方向の両端が閉塞された筒状のハウジングと、該ハウジング内に、前記長手軸方向に移動可能に収容された可動部材と、該可動部材と一方の前記端板との間に配置された圧縮バネと、両前記端板の前記貫通孔を貫通可能であり、いずれの前記貫通孔を貫通しても、一端が前記可動部材に着脱可能に取り付けられ、他端が前記ハウジングの外部に突出した状態に配置される長尺のロッドとを備え、第１部材と、所定の揺動軸線回りに前記第１部材に対して揺動可能に設けられた第２部材とを有するロボットの前記第１部材と前記第２部材との間に配置されるロボット用重力バランサを提供する。

本態様のロボット用重力バランサは、ハウジングの外部に突出するロッドの他端がロボットの第１部材または第２部材の一方に取り付けられ、ハウジングが第１部材または第２部材の他方に取り付けられた状態で使用される。ロボット用重力バランサは、圧縮バネの弾性復元力によって、第１部材に対して、第２部材を揺動軸線回りに回転させる回転モーメントを発生させる。当該回転モーメントの向きが重力によって発生する揺動軸線回りの負荷モーメントの逆向きになる状態でロボット用重力バランサが配置されることによって、揺動軸線回りに作用する負荷モーメントを低減することができる。

本態様によれば、ロッドが、可動部材を基準として圧縮バネ側の端板の貫通孔を貫通している場合には、ロッドには、ハウジングに引き込まれる方向の力が作用する。逆に、ロッドが、他方の端板の貫通孔を貫通している場合には、ロッドには、ハウジングから押し出される方向の力が作用する。そこで、可動部材からロッドを取り外して一方の貫通孔からハウジング外に抜き出した後に、他方の貫通孔に挿入して、可動部材とロッドとを取り付けることにより、ロボット用重力バランサが発生する力の方向を容易に切り替えることができる。これにより、力の方向の切り替え作業において、圧縮バネおよび可動部材をハウジングから取り出さずに済む。

上記態様において、前記ロッドの前記一端を前記可動部材に着脱可能に取り付ける取付機構を備え、該取付機構が、前記ロッドの前記一端に設けられた雄ネジ部および該雄ネジ部の基端側に配置された段部と、前記可動部材に設けられ前記雄ネジ部を貫通させる取付孔と、前記雄ネジ部に締結され前記段部との間に前記可動部材を挟むナットとを備えてもよい。

この構成により、可動部材とロッドとを簡易な取付機構によって着脱することができ、ロボット用重力バランサによって発生する力の方向をより容易に変更できる。

上記態様において、前記ロッドを貫通させる前記貫通孔に着脱可能に取り付けられ、前記ロッドを前記長手軸方向に移動可能に支持する筒状のロッドサポートを備えていてもよい。
この構成により、ロッドサポートによってロッドの長手軸方向の移動を滑らかに支持することができる。ロッドサポートの外径はロッドの外径より大きいので、端板に設ける貫通孔を大きくすることができ、ロッドの可動部材への着脱作業を容易にすることができる。

上記態様において、前記可動部材が、圧縮バネの内径よりも小さい外径と前記ロッドサポートを挿入可能な内径とを有する円筒部と、該円筒部の一端において径方向外方に延び前記圧縮バネの一端に密着させられる鍔状のフランジ部と、前記円筒部の他端に配置され前記ロッドの前記一端を着脱可能な取付面とを備えていてもよい。

この構成により、円筒部を圧縮バネの内側に挿入して、取付面を圧縮バネの長手軸方向の途中位置に配置することができる。すなわち、圧縮バネを最大限に伸張させた状態においても可動部材の円筒部内にロッドサポートが収容されるスペースを設けることができて、ハウジングからのロッドサポートの着脱を容易にすることができる。

上記態様において、前記圧縮バネを圧縮した状態で、前記長手軸に沿った前記可動部材の位置を仮止めする仮止め機構を備えていてもよい。
この構成により、仮止め機構を用いることにより可動部材が動かなくなるため、可動部材とロッドとの着脱を容易にすることができる。

上記態様において、前記ハウジングが、前記第１部材および前記第２部材の一方に、前記揺動軸線に平行な第１軸線回りに揺動可能に取り付ける第１支点部を備え、前記ロッドの前記他端に、前記第１部材および前記第２部材の他方に、前記揺動軸線に平行な第２軸線回りに揺動可能に取り付ける第２支点部を備えていてもよい。

この構成により、第１部材に対する揺動軸線回りの第２部材の揺動に応じて、ロボット用重力バランサは、第１軸線回りに揺動して姿勢を変更する。これにより、第１部材に対する第２部材の姿勢にかかわらず、揺動軸線回りに圧縮バネによる回転モーメントを発生させることができる。

また、本発明の他の態様は、上記記載のロボット用重力バランサを備えるロボットを提供する。
本態様によれば、ロッドの他端が第１部材または第２部材に作用させる力の向きを容易に変更できるため、ロボットの床置きと天吊りとの両方の配置に容易に対応できる。

本発明によれば、床置きおよび天吊りの両方のロボットに用いられ、発生させる力の方向を容易に変更できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットおよびロボット用重力バランサの概略斜視図である。 図１に示されるロボット用重力バランサの概略断面図である。 図１に示されるロボットおよびロボット用重力バランサの概略側面図である。 天吊りの配置で使用されるロボットおよびロボット用重力バランサの概略側面図である。 ロッドの配置が変化したロボット用重力バランサの概略断面図である。 可動部材が固定された状態のロボット用重力バランサの概略断面図である。 図１に示されるロボット用重力バランサの変形例の概略断面図である。

本発明の実施形態に係るロボット１００，１１０およびロボット用重力バランサ５０について、図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、本実施形態に係る床置きのロボット１００およびロボット用重力バランサ（以下、単にバランサという。）５０の斜視図である。本実施形態に係るロボット１００は、６個の関節を有する垂直多関節型ロボットである。ロボット１００は、床面に固定される床置きのロボットとして使用されているが、天井から吊り下げて使用される後述の天吊りのロボット１１０としても使用される。

ロボット１００は、床面に固定されるベース１と、鉛直な第１軸Ｊ１回りにベース１に対して回転可能に支持された旋回胴（第１部材）２と、水平な第２軸（揺動軸線）Ｊ２回りに旋回胴２に対して回転可能に支持された第１アーム（第２部材）３と、水平な第３軸Ｊ３回りに第１アーム３に対して回転可能に支持された第２アーム４と、第２アーム４の先端に取り付けられた３軸の手首ユニット５と、旋回胴２および第１アーム３に接続されているバランサ５０とを備えている。

バランサ５０は、図２に示されるように、長手軸ＯＬ１を中心軸とする円筒状のハウジング５３と、ハウジング５３内に長手軸ＯＬ１方向に移動可能に収容された円板状の可動部材６３と、長尺のロッド５９と、圧縮コイルバネ６２（圧縮バネ）とを備えている。

ハウジング５３は、長手軸ＯＬ１に沿う円筒状の本体部５４と、本体部５４の長手方向の両端をそれぞれ閉塞する端板５５，５６とを備えている。本体部５４は、長手軸ＯＬ１方向の中間位置、例えば、中央位置の直径方向の両側に、長手軸ＯＬ１に直交する直交軸ＯＬ２に沿って延びる第１支点用孔５１を有している。

端板５５，５６は、中央に長手軸ＯＬ１に沿って貫通する同一口径の円形の貫通孔ＴＨ１，ＴＨ２を有している。端板５５の貫通孔ＴＨ１は、端板５５に着脱可能に取り付けられるカバー５７によって外部から塞がれている。

可動部材６３は、圧縮コイルバネ６２の外径よりも大きい外径を有している。可動部材６３には、圧縮コイルバネ６２の内径に嵌合する突起６３２が、平板部６３１の板厚方向の一側に突出している。また、可動部材６３は、中央位置に、板厚方向に貫通する取付孔６３Ｈを有している。

ロッド５９は、端板５６の貫通孔ＴＨ２を貫通してハウジング５３内に配置された一端が、可動部材６３に取り付けられ、他端がハウジング５３外に配置されている。ハウジング５３の外部に突出したロッド５９の他端には取付ブロック６５が設けられている。取付ブロック６５はロッド５９の長手軸ＯＬ１に直交する方向に延びる第２支点用孔５２を備えている。

ハウジング５３内に配置されているロッド５９の一端には、先端に設けられた雄ネジ部５８Ｂと、雄ネジ部５８Ｂよりも基端側に隣接する段部５８Ａとが設けられている。段部５８Ａは、取付孔６３Ｈよりも大きい外径を有している。可動部材６３の取付孔６３Ｈを貫通させた雄ネジ部５８Ｂにナット６１を締結することにより、ナット６１と段部５８Ａとの間に可動部材６３を板厚方向に挟んだ状態で、ロッド５９の一端が可動部材６３に固定されている。すなわち、雄ネジ部５８Ｂ、段部５８Ａおよびナット６１により取付機構が構成されている。

バランサ５０は、貫通孔ＴＨ２に嵌合して端板５６に取り付けられるロッドサポート６４を備えている。ロッドサポート６４は、ロッド５９を長手軸ＯＬ１方向に移動可能に嵌合させる内孔６４Ｈを備える円筒状に形成され一端から径方向外方に延びる鍔部６４Ｂによって端板５６に固定されている。

圧縮コイルバネ６２は、可動部材６３と、端板５６との間に挟まれた状態でハウジング５３内に収容されている。これにより、可動部材６３は、圧縮コイルバネ６２の弾性復元力によって、長手軸ＯＬ１に沿って端板５５側へ押圧されている。これにより、ロッド５９は、ハウジング５３に引き込まれる矢印Ｃ１の方向に付勢される。

ハウジング５３の第１支点用孔５１に第１支持シャフト２１が挿入されることによって、バランサ５０は、図３に示されるように、水平な第１支持軸（第１軸線）Ｊ１１回りに旋回胴２に揺動可能に取り付けられている。また、取付ブロック６５の第２支点用孔５２に第２支持シャフト２２が挿入されることによって、図３に示されるように、バランサ５０は、水平な第２支持軸（第２軸線）Ｊ１２回りに第１アーム３に揺動可能に取り付けられている。

第２支持軸Ｊ１２は、第２軸Ｊ２に対して偏心して配置されている。これにより、バランサ５０は、旋回胴２に対する第１アーム３の揺動角度に応じて、ハウジング５３を第１支持軸Ｊ１１回りに揺動させ、ハウジング５３から突出するロッド５９の長さを変化させる。

図３に示されるように、第１アーム３には、第１アーム３などの自重によって第２軸Ｊ２回りに向きＧＦ１の負荷モーメントが発生する。一方で、ロボット１００に使用されるバランサ５０によって、第２軸Ｊ２回りの向きＲＭ１の回転モーメントが発生する。向きＲＭ１が向きＧＦ１の反対方向であるため、重力によって発生する負荷モーメントがバランサ５０によって発生する回転モーメントによって相殺され、第２軸Ｊ２回りに第１アーム３を回転させるためのモータのトルクを低く抑えることができる。

次に、床置きのロボット１００を天吊りのロボット１１０として使用する場合について説明する。この場合には、図４に示されるように、重力によって第２軸Ｊ２回りに発生する向きＧＦ２の負荷モーメントの方向が床置きの場合と逆転するので、バランサ５０は第２軸Ｊ２回りに向きＲＭ２の回転モーメントを発生させる必要がある。そのためには、バランサ５０は、ハウジング５３からロッド５９を押し出す方向（矢印Ｃ２の方向）に圧縮コイルバネ６２による付勢力を発生させる必要がある。

天吊り用のバランサ５０は、図５に示されるように、端板５５の貫通孔ＴＨ１を貫通させる位置にロッド５９およびロッドサポート６４を配置している。カバー５７は、端板５６の貫通孔ＴＨ２を外部から閉塞する位置に取り付けられている。

床置き用のロボット１００を天吊り用のロボット１１０に変更するには、図１および図３に示される床置きのロボット１００の姿勢を、バランサ５０に発生する付勢力が最小になる姿勢にした状態で、ロボット１００からバランサ５０を取り外す。次に、端板５５の貫通孔ＴＨ１を塞いでいたカバー５７を取り外し、貫通孔ＴＨ１を経由してナット６１を雄ネジ部５８Ｂから取り外す。次に、ロッドサポート６４をハウジング５３から取り外し、ロッド５９とともに端板５６の貫通孔ＴＨ２から引き抜く。

取り外したロッド５９およびロッドサポート６４を、図５に示されるように、端板５５の貫通孔ＴＨ１に挿入して、ロッドサポートを端板５５に取り付け、ロッド５９の雄ネジ部を取付孔６３Ｈを貫通させて、雄ネジ部にナット６１を締結することにより、ロッド５９を可動部材６３に取り付ける。この場合に、可動部材６３と端板５５との間隔がロッドサポート６４を収容するのに十分な寸法だけ開いていない場合には、後述する仮止め機構を用いて、間隔を確保してからロッドサポート６４を取り付ける。取り外したカバー５７を端板５６に取り付けて貫通孔ＴＨ２を閉塞する。
これらの作業により、バランサ５０を床置き用から天吊り用に変更できる。

そして、ロボット１００の第１アーム３を図３に示されるように最も前方に揺動させた位置に移動させて、旋回胴２と第１アーム３との間にバランサ５０を取り付ける。これにより、天吊り用のロボット１１０が構成される。

本実施形態に係るロボット１００，１１０およびバランサ５０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るバランサ５０によれば、床置き用と天吊り用とを変更する際に、ハウジング５３からロッド５９およびロッドサポート６４を取り外し、位置を変更するだけでよいので、圧縮コイルバネ６２および可動部材６３をハウジング５３から取り出す必要がない。すなわち、バランサ５０の分解および再組立の必要がないため、床置き用の形態と天吊り用の形態とを容易に変更できるという利点がある。

ロッドサポート６４が、ロッド５９の外周面と、貫通孔ＴＨ１または貫通孔ＴＨ２の内周面との間に配置されることにより、ロッド５９の長手軸ＯＬ１に沿った移動を滑らかに支持することができる。また、貫通孔ＴＨ１または貫通孔ＴＨ２を貫通しているロッドサポート６４の外径がロッド５９の外径よりも大きいため、貫通孔ＴＨ１，ＴＨ２を大きくすることができ、ロッド５９と可動部材６３との着脱作業を容易にすることができる。

なお、上記説明においては、バランサ５０をロボット１００から取り外す際に、バランサ５０の付勢力が最も小さくなる姿勢にロボット１００を動作させることとしたが、これに代えて、図６に示されるように、仮止め機構を用いてもよい。図６に示す例では、仮止め機構は、端板５５ａを厚さ方向に貫通するネジ孔５５Ｈと、ネジ孔５５Ｈに締結される雄ネジを有するボルトＢＴとにより構成されている。すなわち、ネジ孔５５ＨにボルトＢＴを締結していき、ボルトＢＴの先端を可動部材６３に接触させることで、圧縮コイルバネ６２の状態にかかわらず、可動部材６３をその位置に動かないように仮止めすることができる。

仮止め機構を用いれば、ロボット１００，１１０が如何なる姿勢であっても、バランサ５０を容易に取り外すことができる。また、この場合に、床置き用の形態と天吊り用の形態とを切り替えたときに、第１支点用孔５１と第２支点用孔５２との距離が等しくなる位置にロボット１００，１１０の姿勢を固定し、仮止め機構で可動部材６３を仮止めしてからバランサ５０を取り外すことにより、形態を切り替えた後に，そのままロボット１００，１１０に取り付けることができて、交換作業を容易にすることができる。

また、上記においては、可動部材６３と端板５５との間隔を仮止め機構によって、ロッドサポート６４を収容可能な間隔に広げた状態でロッドサポート６４を取り付けることとしたが、これに代えて、図７に示されるように、可動部材６３ｂの形状を工夫することにより、仮止め機構を用いなくても済む。すなわち、可動部材６３ｂは、円筒状の円筒部６３６と、円筒部６３６の一端において径方向外方に延び圧縮コイルバネ６２の一端に密着させられる鍔状のフランジ部６３８と、円筒部６３６の他端に配置されてロッド５９の一端が取り付け可能な取付面６３７とを備えている。円筒部６３６は、圧縮コイルバネ６２の内径よりも小さい外径と、ロッドサポート６４を挿入可能な内径とを有している。

この可動部材６３ｂを用いることにより、圧縮コイルバネ６２が最大寸法まで伸張しても、ロッド５９の一端を取り付ける取付面６３７と端板５５との間隔が確保されるので、その間隔を利用してロッドサポート６４を取り付けることができる。

上記実施形態におけるロボット１００，１１０およびバランサ５０については一例であり、形状および構成などについては種々変形可能である。例えば、ロボット１００，１１０は、床置き型、天吊り型あるいは壁掛け型等の設置形態の変更によって、重力軸に加わる重力の方向が変化する任意のロボットに適用することができる。
バランサ５０が配置される場所は、第２軸Ｊ２回りに揺動可能な旋回胴２と第１アーム３との間に限られず、例えば、第３軸Ｊ３回りに揺動可能な第１アーム３と第２アーム４との間であってもよい。

ハウジング５３は、円筒状の形状を有していたが、例えば、断面が矩形の筒状の形状を有していてもよく、内部に可動部材６３および圧縮コイルバネ６２を収容できればよい。ロッド５９は、一端が可動部材６３に取り付けられ、他端がハウジング５３の外部に突出していればよく、ロッド５９の一端と可動部材６３との取付方法およびロッド５９の他端とロボット１００，１１０との取付方法については変形可能である。例えば、ロッド５９と可動部材６３との取付方法としては、取付孔６３Ｈに雄ネジ部５８Ｂを締結可能な雌ネジ部を設け、雌ネジ部を貫通した雄ネジ部５８Ｂにナット６１を締結することによって、ダブルナットを構成してもよい。

また、ハウジング５３に第１支点用孔５１を設け第１支持シャフト２１によって旋回胴に揺動可能に取り付けることとしたが、これに代えて、ハウジング５３側に支持シャフトが備えられていてもよい。

２ 旋回胴（第１部材）
３ 第１アーム（第２部材）
５０ ロボット用重力バランサ
５１ 第１支点用孔
５２ 第２支点用孔
５３ ハウジング
５５，５５ａ，５６ 端板
５５Ｈ ネジ孔（仮止め機構）
５８Ａ 段部
５８Ｂ 雄ネジ部
５９ ロッド
６１ ナット
６２ 圧縮コイルバネ（圧縮バネ）
６３，６３ｂ 可動部材
６３Ｈ 取付孔
６４ ロッドサポート
６３６ 円筒部
６３７ 取付面
６３８ フランジ部
１００，１１０ ロボット
Ｊ２ 第２軸（揺動軸線）
Ｊ１１ 第１支持軸（第１軸線）
Ｊ１２ 第２支持軸（第２軸線）
ＯＬ１ 長手軸
ＴＨ１，ＴＨ２ 貫通孔

Claims (7)

1. 貫通孔を有する端板によって長手軸方向の両端が閉塞された筒状のハウジングと、
   該ハウジング内に、前記長手軸方向に移動可能に収容された可動部材と、
   該可動部材と一方の前記端板との間に配置された圧縮バネと、
   両前記端板の前記貫通孔を貫通可能であり、いずれの前記貫通孔を貫通しても、一端が前記可動部材に着脱可能に取り付けられ、他端が前記ハウジングの外部に突出した状態に配置される長尺のロッドとを備え、
   第１部材と、所定の揺動軸線回りに前記第１部材に対して揺動可能に設けられた第２部材とを有するロボットの前記第１部材と前記第２部材との間に配置されるロボット用重力バランサ。
2. 前記ロッドの前記一端を前記可動部材に着脱可能に取り付ける取付機構を備え、
   該取付機構が、前記ロッドの前記一端に設けられた雄ネジ部および該雄ネジ部の基端側に配置された段部と、前記可動部材に設けられ前記雄ネジ部を貫通させる取付孔と、前記雄ネジ部に締結され前記段部との間に前記可動部材を挟むナットとを備える請求項１に記載のロボット用重力バランサ。
3. 前記ロッドを貫通させる前記貫通孔に着脱可能に取り付けられ、前記ロッドを前記長手軸方向に移動可能に支持する筒状のロッドサポートを備える請求項１または請求項２に記載のロボット用重力バランサ。
4. 前記可動部材が、圧縮バネの内径よりも小さい外径と前記ロッドサポートを挿入可能な内径とを有する円筒部と、該円筒部の一端において径方向外方に延び前記圧縮バネの一端に密着させられる鍔状のフランジ部と、前記円筒部の他端に配置され前記ロッドの前記一端を着脱可能な取付面とを備える請求項３に記載のロボット用重力バランサ。
5. 前記圧縮バネを圧縮した状態で、前記長手軸に沿った前記可動部材の位置を仮止めする仮止め機構を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボット用重力バランサ。
6. 前記ハウジングが、前記第１部材および前記第２部材の一方に、前記揺動軸線に平行な第１軸線回りに揺動可能に取り付ける第１支点部を備え、
   前記ロッドの前記他端に、前記第１部材および前記第２部材の他方に、前記揺動軸線に平行な第２軸線回りに揺動可能に取り付ける第２支点部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット用重力バランサ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のロボット用重力バランサを備えるロボット。
   

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