JP7184693B2 - ロボット用バランサおよびロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボット用バランサおよびロボットに関するものである。

多関節型ロボットにおいて、水平な軸回りにベースに対して回転するアームに作用する重力を補償することによって、モータの負荷を軽減するバネバランサおよびガスバランサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４２８１１９５号公報

バネバランサは、アームの広い動作範囲にわたって重力を補償し得る特殊なバネが必要となる。ガスバランサは、ガス抜けが発生するためメインテナンスが煩雑である。また、ガスバランサは、輸送する際にガスを抜かなければならない場合がある。さらに、ガスバランスセンサは、機能とは直接関係がないガスゲージ等の部品が必要になる。したがって、簡易な構成で、容易に搬送あるいはメインテナンスを行うことができるバランサが望まれている。

本開示の一態様は、水平な回転軸回りにベースに対して回転駆動されるアームを備えるロボットに装着されるロボット用バランサであって、前記回転軸に対して水平方向に間隔をあけて前記回転軸に平行に配置される第１軸線回りに、前記ベースに対して回転可能に支持された第１リンクと、前記第１軸線に対して間隔をあけた作用点において前記第１リンクに質量を作用させる錘と、前記第１リンクと前記アームとを連結する第２リンクとを備え、該第２リンクが、前記第１軸線に平行な第２軸線回りに回転可能に前記第１リンクに取り付けられ、かつ、前記回転軸に平行な第３軸線回りに回転可能に前記アームに取り付けられ、前記アームが所定の回転角度位置に配置されるときに、前記作用点が前記第１軸線の鉛直下方に配置されるロボット用バランサである。

本開示の一実施形態に係るロボットおよびロボット用バランサの側面図である。 図１の錘を支持する錘ガイド部の構成を説明する斜視図である。 図１の第１アームを＋方向に回転駆動させたときのバランサの作用を説明する側面図である。 図１の第１アームを－方向に回転駆動させたときのバランサの作用を説明する側面図である。 本開示の一実施形態の変形例に係るロボット用バランサの側面図である。

本開示の一実施形態に係るロボット用バランサおよびロボットについて、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、例えば、図１に示すように、多関節型ロボットである。このロボット１は、床面に固定されるベース３と、鉛直な第１軸Ａ回りにベース３に対して回転可能に支持された旋回胴（ベース）５と、水平な第２軸（回転軸）Ｂ回りに旋回胴５に対して回転可能に支持された第１アーム（アーム）７と、水平な第３軸Ｃ回りに第１アーム７に対して回転可能に支持された第２アーム９と、第２アーム９の先端に取り付けられた３軸の手首ユニット１１と、旋回胴５および第１アーム７に接続されているバランサ（ロボット用バランサ）１３とを備えている。

第１軸Ａ、第２軸Ｂ、第３軸Ｃおよび手首ユニット１１の３軸のそれぞれは、回転駆動するための図示しないモータを備えている。

バランサ１３は、錘１５と、旋回胴５に固定され錘１５を鉛直方向に移動可能に支持する錘ガイド部（ガイド部）１７と、リンク機構１９とを備えている。
錘１５は、後述するように第１アーム７にかかる重力によるモーメントを補助するのに十分な質量を有している。

錘ガイド部１７は、図１および図２に示すように、旋回胴５に固定された筒状の収容部２１と、収容部２１内面に鉛直方向に沿って配置されたガイドレール２３ａ，２３ｂと、ガイドレール２３ａ，２３ｂに沿って鉛直方向に移動可能に支持されたスライダ２５ａ，２５ｂとを備えている。図２においては、説明の都合上、リンク機構１９の図示を省略している。

収容部２１には、２つの開口部２１ａ，２１ｂが設けられている。これら開口部２１ａ，２１ｂは、リンク機構１９の一部を突出可能な大きさを有している。
スライダ２５ａ，２５ｂは錘１５に固定されている。

リンク機構１９は、収容部２１に対して回転可能に支持された第１リンク２７Ａと、第１リンク２７Ａと第１アーム７とを連結する第２リンク２７Ｂと、第１リンク２７Ａと錘１５とを連結する第３リンク２７Ｃとを備えている。また、リンク機構１９は、第１リンク２７Ａを収容部２１に取り付ける第１ジョイント２９Ａと、第２リンク２７Ｂおよび第３リンク２７Ｃを第１リンク２７Ａに取り付ける第２ジョイント２９Ｂとを備えている。さらに、リンク機構１９は、第２リンク２７Ｂを第１アーム７に取り付ける第３ジョイント２９Ｃと、第３リンク２７Ｃを錘１５に取り付ける第４ジョイント２９Ｄとを備えている。

第１ジョイント２９Ａは、第２軸Ｂに対して水平方向に間隔をあけて第２軸Ｂに平行に配置された第１軸線Ｊ１回りに回転可能に、収容部２１の上端近傍に第１リンク２７Ａの一端を接続している。

第２ジョイント２９Ｂは、第１軸線Ｊ１に平行な第２軸線Ｊ２（第２軸線、第４軸線、作用点）回りに回転可能に、第１リンク２７Ａの他端に第２リンク２７Ｂの一端および第３リンク２７Ｃの一端の両方を接続している。

第３ジョイント２９Ｃは、第２軸Ｂに平行な第３軸線Ｊ３回りに回転可能に、第１アーム７の第２軸Ｂと第３軸Ｃとの間の位置に第２リンク２７Ｂの他端を接続している。
第４ジョイント２９Ｄは、第２軸線Ｊ２に平行な第５軸線Ｊ５回りに回転可能に、錘１５に第３リンク２７Ｃの他端を接続している。

第２リンク２７Ｂは、収容部２１の開口部２１ａを貫通して第２ジョイントＪ２によって第１アーム７に接続されている。収容部２１に開口部２１ａ，２１ｂが設けられていることにより、図３および図４に示すように、第１軸線Ｊ１回りに第１リンク２７Ａが揺動した場合に、第１リンク２７Ａの一部、第２ジョイント２９Ｂおよび第３リンク２７Ｃの一部を開口部２１ａ，２１ｂから収容部２１の外部に突出させることができる。

錘１５は、例えば、立方体または直方体の形状を有している。錘１５は、収容部２１に接続された第１リンク２７Ａおよび第１リンク２７Ａに連結された第３リンク２７Ｃによって吊り下げられた状態で、第１軸線Ｊ１の鉛直下方に配置されている。

錘１５の質量は、第３リンク２７Ｃと第１リンク２７Ａとが連結される第２ジョイント２９Ｂの位置において、第３リンク２７Ｃを経由して第１リンク２７Ａに作用する。第１アーム７が所定の回転角度位置、例えば、図１に示されるように第１アーム７が鉛直方向に延びている姿勢の回転角度位置（原点位置）に配置されるときに、第１リンク２７Ａに錘１５の質量が作用する作用点が第１軸線Ｊ１の鉛直下方に配置される。

続いて、本実施形態に係るバランサ１３およびロボット１の作用について説明する。
上記構成のロボット１によれば、図１に示すように、旋回胴５に対して第１アーム７が原点位置に配置されている場合には、リンク機構１９の第１リンク２７Ａに錘１５の質量が作用する作用点が第１軸線Ｊ１の鉛直下方に配置される。したがって、バランサ１３による補助トルクは発生していない。

次に、例えば、図３に示すように、第１アーム７が原点位置から前方、すなわち、図３の紙面に対して第２軸Ｂの反時計回りの方向（以下、＋方向とする。）に回転駆動されると、第２リンク２７Ｂを第１アーム７に取り付けている第３ジョイント２９Ｃが一方向に並進移動する。これにより、第２リンク２７Ｂが第１アーム７に牽引され、第２ジョイント２９Ｂも一方向に並進移動する。

すなわち、第１リンク２７Ａの第２ジョイント２９Ｂの位置に第１リンク２７Ａの長さ方向に交差する方向の力が作用することによって、第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに前方、すなわち、図３の紙面に対して第１軸線Ｊ１の時計回りに揺動させられる。

第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに揺動させられると、第２ジョイント２９Ｂの位置が第１軸線Ｊ１の鉛直下方から変位する。
第２ジョイント２９Ｂには第３リンク２７Ｃを経由して錘１５が取り付けられているので、錘１５の質量の第３リンク２７Ｃの長さ方向成分が作用し、第１リンク２７Ａには、第１アーム７から受けるモーメントとは逆方向（図３の紙面において反時計回り）のモーメントが作用する。

その結果、第１リンク２７Ａは、錘１５から受けるモーメントによって、第２リンク２７Ｂの長さ方向に、第２リンク２７Ｂを引き戻そうとする。これにより、第１アーム７の第３ジョイント２９Ｃの位置に第１アーム７を後方に牽引する力が作用し、第１アーム７には駆動方向（この場合は＋方向）とは逆方向のバランサ１３による補助トルクが作用する。

すなわち、第１アーム７が原点位置から前方に揺動している場合には、第１アーム７はさらに前方に揺動する方向に、自重によるモーメントを受ける。したがって、第１アーム７が前方に揺動している状態を維持するためには、モータは第１アーム７を後方に引き上げるトルクを発生する必要がある。

本実施形態によれば、第１アーム７の位置を維持するためにモータにより発生するトルクと同一方向に、バランサ１３による補助トルクが第１アーム７に作用するので、モータにかかる負荷を軽減することができる。

次に、例えば、図４に示すように、第１アーム７が原点位置から後方、すなわち、図４の紙面に対して第２軸Ｂの時計回りの方向（以下、－方向とする。）に回転駆動されると、第２リンク２７Ｂを第１アーム７に取り付けている第３ジョイント２９Ｃが一方向に並進移動する。これにより、第２リンク２７Ｂが第１アーム７によって押され、第２ジョイント２９Ｂも一方向に並進移動する。

すなわち、第１リンク２７Ａの第２ジョイント２９Ｂの位置に第１リンク２７Ａの長さ方向に交差する方向の力が作用することによって、第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに後方、すなわち、図４の紙面に対して第１軸線Ｊ１の反時計回りに揺動させられる。

第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに揺動させられると、第２ジョイント２９Ｂの位置が第１軸線Ｊ１の鉛直下方から変位する。これにより、錘１５の質量の第３リンク２７Ｃの長さ方向成分が作用し、第１リンク２７Ａには、第１アーム７から受けるモーメントとは逆方向（図４の紙面において時計回り）のモーメントが作用する。

その結果、第１リンク２７Ａは、錘１５から受けるモーメントによって、第２リンク２７Ｂの長さ方向に、第２リンク２７Ｂを押し戻そうとする。これにより、第１アーム７の第３ジョイント２９Ｃの位置に第１アーム７を前方に押し戻す力が作用し、第１アーム７には駆動方向（この場合は－方向）とは逆方向のモーメントが作用する。

すなわち、第１アーム７が原点位置から後方に揺動している場合には、第１アーム７はさらに後方に揺動する方向に、自重によるモーメントを受ける。したがって、第１アーム７が後方に揺動している状態を維持するためには、モータは第１アーム７を前方に引き上げるトルクを発生する必要がある。

本実施形態によれば、この場合も、第１アーム７の位置を維持するためにモータにより発生するトルクと同一方向に、バランサ１３による補助トルクが第１アーム７に作用するので、モータにかかる負荷を軽減することができる。

すなわち、本実施形態によれば、第１アーム７が原点位置に配置されている状態から、第２軸Ｂ回りのいずれかの方向に第１アーム７が回転駆動されると、第２リンク２７Ｂを第１アーム７に取り付けている第３ジョイント２９Ｃおよび第２リンク２７Ｂを第１リンク２７Ａに取り付けている第２ジョイント２９Ｂが並進移動する。そして、第１リンク２７Ａの第２ジョイント２９Ｂの位置に第１リンク２７Ａの長さ方向に交差する方向の力が作用する。

これにより、第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに一方向に揺動させられて、錘１５の質量が第１リンク２７Ａに作用する作用点の位置が第１軸線Ｊ１の鉛直下方から変位する。そして、第１リンク２７Ａに第１アーム７から受けるモーメントとは逆方向のモーメントが発生する。

その結果、錘１５によって第１リンク２７Ａに発生したモーメントにより、第１リンク２７Ａから第２リンク２７Ｂを経由して第１アーム７の第３ジョイント２９Ｃの位置に第１アーム７の長さ方向に交差する方向の力が作用する。これにより、第１アーム７には駆動方向とは逆方向のモーメントが作用する。

したがって、本実施形態に係るロボット１およびバランサ１３によれば、第１アーム７を原点位置からいずれかの方向に回転させた回転角度位置に維持するために必要なトルクと同一方向にバランサ１３によるモーメントが作用するので、モータにかかる負荷を軽減することができる。これにより、特殊な機械要素を必要とすることなく簡易な構成でバネバランサおよびガスバランサと同様の機能を実現することができる。さらに、バネバランサおよびガスバランサと比較して、搬送およびメインテナンスが容易であるとともに、コストの低減を図ることができる。また、錘ガイド部１７による案内に従い、錘１５を安定して鉛直方向に牽引および降下させることができ、錘１５の周囲に必要なスペースの縮小を図ることができる。

なお、本実施形態においては、第１リンク２７Ａの一端を収容部２１に固定する構成を例示して説明した。これに代えて、例えば、図５に示すように、第１軸線Ｊ１回りに回転可能に収容部２１に第１リンク２７Ａを接続する第１ジョイント２９Ａの位置を挟んで第１リンク２７Ａ上の両側に、第２ジョイント２９Ｂによって第２軸線Ｊ２回りに回転可能に第２リンク２７Ｂを接続するとともに、第４ジョイント２９Ｄによって第４軸線Ｊ４回りに回転可能に第３リンク２７Ｃを接続することとしてもよい。

この場合、第１リンク２７Ａとして、図５に示すような円板状の形態を有する部材を採用することとしてもよいし、これに代えて、棒状の形態を有する部材を採用することとしてもよい。

本変形例によれば、第１アーム７の回転駆動に連動して第１リンク２７Ａが第１軸線Ｊ１回りに揺動することにより、錘１５も第１軸線Ｊ１回りに揺動することになる。この場合において、錘１５によって第１リンク２７Ａに作用するモーメント（第１アーム７から受けるモーメントとは逆方向のモーメント）により、第１リンク２７Ａから第２リンク２７Ｂを経由して第１アーム７の第３ジョイント２９Ｃの位置に第１アーム７の長さ方向に交差する方向の力が作用する。これにより、第１アーム７には駆動方向とは逆方向のモーメントが作用する。

したがって、本変形例の構成によっても、第１アーム７を原点位置からいずれかの方向に回転させた回転角度位置に維持するために必要なトルクと同一方向にバランサ１３によるモーメントが作用するので、第１アーム７の回転角度位置を維持するためにモータにかかる負荷を軽減することができる。

また、本実施形態においては、第１リンク２７Ａと第２リンク２７Ｂとを連結する第２ジョイント２９Ｂによって、第１リンク２７Ａと第３リンク２７Ｃも連結する構成を例示して説明した。これに代えて、第２ジョイント２９Ｂとは異なる第５ジョイント（図示略）によって、第２軸線Ｊ２に平行な第４軸線回りに回転可能に、第１リンク２７Ａにおける第２軸線Ｊ２とは異なる位置に第３リンク２７Ｃを接続することとしてもよい。

また、本実施形態においては、第４ジョイント２９Ｄによって、第５軸線Ｊ５回りに回転可能に錘１５と第３リンク２７Ｃとを接続することとしたが、錘１５と第３リンク２７Ｃは必ずしも回転可能に接続する必要はない。この場合、第１軸線Ｊ１回りの第１リンク２７Ａの揺動に応じて、第２ジョイント２９Ｂの位置が第１軸線Ｊ１の鉛直下方から変位する際に、錘１５の傾きを許容しながら錘１５を鉛直方向に移動可能に支持することができることが好ましい。

また、本実施形態においては、錘ガイド部１７が収容部２１を備える構成を例示して説明したが、錘ガイド部１７が収容部２１を備えず、旋回胴５上に錘１５および錘ガイド部１７を露出させた状態で搭載する構成であってもよい。この場合、第１ジョイント２９Ａによって第１軸線Ｊ１回りに回転可能に旋回胴５に第１リンク２７Ａを取り付けるとともに、旋回胴５にガイドレール２３ａ，２３ｂを固定することとしてもよい。

本実施形態におけるロボット１およびバランサ１３については一例であり、ロボット１およびバランサ１３の形状および構成などについては種々変形可能である。また、バランサ１３が配置される場所は、旋回胴５と第１アーム７との間に限られず、例えば、第１アーム７と第２アーム９との間であってもよい。また、錘１５を用いたバランサ１３をバネバランサまたはガスバランサと併用して採用することとしてもよい。

また、錘１５は、立方体または直方体の形状を有することとしたが、例えば、円柱状または角柱状の形状を有していてもよい。この場合、錘ガイド部１７によって、錘１５を鉛直方向に移動可能に安定して支持できるものが好ましい。また、錘ガイド部１７は、リニアガイドを例示して説明したが、錘１５を鉛直方向に移動可能に支持できるものであればよく、これに限定されるものではない。

１ ロボット
３ ベース
７ 第１アーム（アーム）
１３ バランサ（ロボット用バランサ）
１５ 錘
１７ 錘ガイド部（ガイド部）
２７Ａ 第１リンク
２７Ｂ 第２リンク
２７Ｃ 第３リンク
Ｂ 第２軸（回転軸）
Ｊ１ 第１軸線
Ｊ２ 第２軸線（第２軸線、第４軸線、作用点）
Ｊ３ 第３軸線

Claims (3)

1. 水平な回転軸回りにベースに対して回転駆動されるアームを備えるロボットに装着されるロボット用バランサであって、
   前記回転軸に対して水平方向に間隔をあけて前記回転軸に平行に配置される第１軸線回りに、前記ベースに対して回転可能に支持された第１リンクと、
   前記第１軸線に対して間隔をあけた作用点において前記第１リンクに質量を作用させる錘と、
   前記第１リンクと前記アームとを連結する第２リンクとを備え、
   該第２リンクが、前記第１軸線に平行な第２軸線回りに回転可能に前記第１リンクに取り付けられ、かつ、前記回転軸に平行な第３軸線回りに回転可能に前記アームに取り付けられ、
   前記アームが所定の回転角度位置に配置されるときに、前記作用点が前記第１軸線の鉛直下方に配置されるロボット用バランサ。
2. 前記第１リンクと前記錘とを連結する第３リンクと、
   前記錘を鉛直方向に移動可能に支持するガイド部とを備え、
   前記第３リンクが、前記作用点の位置において前記第１軸線に平行な第４軸線回りに回転可能に取り付けられている請求項１に記載のロボット用バランサ。
3. 前記ベースと、
   前記アームと、
   請求項１または請求項２に記載のロボット用バランサとを備えるロボット。

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