JP7304601B1 - 回転構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な駆動エネルギーの量を抑制して構造体の回転を簡便に行うことができる回転構造体を提供する。
【解決手段】２つの構造体を有する回転構造体であって、第１軸を回転軸とする第１構造体と、第２軸を回転軸とする第２構造体であり、第１構造体は第１軸周りで回転可能に第２構造体と連結されており、第２構造体は第２軸周りで第１構造体と一体的に回転可能で、支柱により支持されていて、第１軸と第２軸は、同一平面上で直交しているか、ねじれの位置で直交しており、第１構造体は、第１ワーク部と、第１軸を境に連結している第２ワーク部からなり、第１構造体において、第１軸周りでの、第１ワーク部による回転モーメントと第２ワーク部による回転モーメントとの和がゼロで、第１構造体および第２構造体において、第２軸周りでの、第１構造体による回転モーメントと第２構造体による回転モーメントとの和がゼロである回転構造体。
【選択図】図１

Description

本発明はロボットなどに使用可能な２つの構造体を有する回転構造体に関する。

例えばアーク溶接等に多く使用されている従来の関節型ロボットは、連結された複数の構造体を有している（特許文献１参照）。
そして、それらの構造体を各々の回転軸で回転等させることにより、その先端を空間上の目的位置（ターゲット）にまで移動させ、先端に位置するハンドに取り付けたツールを指令データに従って運動させて、ロボットに溶接等の作業を行わせている。

特開２００９－２２６５６６号公報

しかしながら、上記のような従来のロボットでは、その先端をターゲットの方向に向けるのに必要な、構造体の回転に要する駆動エネルギーが大きかった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、必要な駆動エネルギーの量を抑制して構造体の回転を簡便に行うことができる回転構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、２つの構造体を有する回転構造体であって、
前記２つの構造体は、第１軸を回転軸とする第１構造体と、第２軸を回転軸とする第２構造体であり、
前記第１構造体は前記第１軸周りで回転可能に前記第２構造体と連結されており、
前記第２構造体は前記第２軸周りで前記第１構造体と一体的に回転可能なものであり、かつ、支柱により支持されているものであり、
前記第１軸と前記第２軸は、同一平面上で直交しているか、または、ねじれの位置で直交しており、
前記第１構造体は、第１ワーク部と、該第１ワーク部と前記第１軸を境に連結している第２ワーク部からなり、
前記第１構造体において、前記第１軸周りでの、前記第１ワーク部による回転モーメントと前記第２ワーク部による回転モーメントとの和がゼロであり、
前記一体的に回転可能な第１構造体および第２構造体において、前記第２軸周りでの、前記第１構造体による回転モーメントと前記第２構造体による回転モーメントとの和がゼロであることを特徴とする回転構造体を提供する。

このような本発明の回転構造体であれば、第１軸周りでの回転モーメントの和と、第２軸周りでの回転モーメントの和が上記のようなものであるので、第１構造体の回転に要する駆動エネルギーも、第２構造体（および第２構造体に連結されており、一体的に回転する第１構造体）の回転に要する駆動エネルギーも、両方とも極めて小さくすることができ簡便に回転させることができる。省電力となり、環境に与える負荷を軽減できる。
また、回転させる場合に僅かな駆動エネルギーで加速度を与えるだけで高速回転させることができるので、空間上のターゲットの方向へ回転構造体の先端を向ける場合、従来に比べて大幅に時間を短縮させることができる。

この場合、前記第１構造体の前記第１ワーク部は、第３軸となるアクチュエータを含むものとすることができる。

このようなものであれば、空間上のターゲットの一点に対して自由に作用させることができる。つまり、前述した２つの構造体の回転によりターゲットの方向に先端を向けた上で、上記アクチュエータによりその方向上に存在するターゲットにまで先端を移動させることができる。なお、以下では第１構造体（上記アクチュエータを含む）、第２構造体、支柱をまとめてベース回転構造体とも言う。

さらには、前記第１構造体の前記第１ワーク部は、前記アクチュエータの先端にローカル回転構造体を含んでおり、
該ローカル回転構造体は、第４軸を回転軸とするローカル第１構造体と、第５軸を回転軸とするローカル第２構造体を含んでおり、
前記ローカル第１構造体は前記第４軸周りで回転可能に前記ローカル第２構造体と連結されており、
前記ローカル第２構造体は前記第５軸周りで前記ローカル第１構造体と一体的に回転可能なものであり、かつ、ローカル支柱により支持されているものであり、
前記第４軸と前記第５軸は、同一平面上で直交しているか、または、ねじれの位置で直交しており、
前記ローカル第１構造体は、ローカル第１ワーク部と、該ローカル第１ワーク部と前記第４軸を境に連結しているローカル第２ワーク部からなり、
前記ローカル第１構造体において、前記第４軸周りでの、前記ローカル第１ワーク部による回転モーメントと前記ローカル第２ワーク部による回転モーメントとの和がゼロであり、
前記一体的に回転可能なローカル第１構造体およびローカル第２構造体において、前記第５軸周りでの、前記ローカル第１構造体による回転モーメントと前記ローカル第２構造体による回転モーメントとの和がゼロであり、
前記ローカル第１構造体の前記ローカル第１ワーク部は、第６軸となるローカルアクチュエータを含むものとすることができる。

産業用の関節型ロボットでは、一般的にその駆動に関して６軸（６自由度）あれば、工場内でのどのような作業でも、位置と姿勢を制御し、三次元空間内で作業が可能とされている。そこで上記のようなローカル回転構造体を含むものであれば合計で６軸となり、一般的な関節型ロボットと同様の制御が可能となり、より確実にターゲットにまで先端を移動可能である。しかも前述したように第１構造体の回転と第２構造体の回転に要する駆動エネルギーが極めて小さい上に、ローカル第１構造体の回転とローカル第２構造体の回転に要する駆動エネルギーも極めて小さいため、実に簡便である。
また、前述した［第１構造体（アクチュエータを含む）、第２構造体、支柱］（ベース回転構造体）と、［ローカル第１構造体（ローカルアクチュエータを含む）、ローカル第２構造体、ローカル支柱］（ローカル回転構造体）の組み合わせを有するものであれば、空間上の１点であるターゲット（作用位置）の座標から、該ターゲットにまで到達させるためのベース回転構造体とローカル回転構造体の軸制御値を解析学的に一意に決定することができる（逆運動学の解を得ることができる）。

本発明の回転構造体であれば、最小の駆動エネルギーで構造体を簡便に高速回転させることができる。そのため、空間上のターゲットの方向への回転を短時間化して瞬時に行うことができる。また省電力であり環境にもやさしい。

本発明の回転構造体の一例を示す概略図である。 第１構造体と第２構造体の分離状態の一例を示す説明図である。 第１軸周りでの回転モーメントの関係の一例を示す説明図である。 第２軸周りでの回転モーメントの関係の一例を示す説明図である。 ローカル回転構造体の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明の回転構造体の一例を示す。図１に示すように本発明の回転構造体１は第１構造体２と、第２構造体３、支柱４とを有している。
第１構造体２は第１軸Ａ１を回転軸として回転可能である。また、第２構造体３は第２軸Ａ２を回転軸として回転可能である。
ここで第１構造体２と第２構造体３との関係をさらに説明すると、第１構造体２は第１軸Ａ１周りで回転可能に第２構造体３と連結されている。例えば第１軸Ａ１上に位置して第２構造体３に設けられた第１軸棒Ｒ１（後述の図２参照）を介して連結することができ、その第１軸棒Ｒ１周りで回転できるようになっている。なお、この第１軸Ａ１周りの第１構造体２の回転は、第２構造体３と一体的に回転するのではなく、第１構造体２が単独で回転するだけである。
また、第１構造体２が連結されている第２構造体３は、支柱４により支持されている。例えば、支柱４に設けられた、第２軸Ａ２上に位置する第２軸棒Ｒ２（後述の図２参照）を介して支持されている。第２軸Ａ２周りで（第２軸棒Ｒ２周りで）、第１構造体２と第２構造体３は一体的に回転可能になっている。

そして、図１に示す例では、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２が同一平面上で直交している形態となっている。しかしながら本発明はこれに限定されず、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２が所定の距離をあけて離れていて、ねじれの位置で直交している形態（三次元的に直交している形態）とすることもできる。
なお、図１に示す例では、後述する第３軸Ａ３も第１軸Ａ１と第２軸Ａ２の交点を通っている。

また、説明のため、図２に第１構造体２と第２構造体３とを分離した説明図を示す。上側が第１構造体２であり、下側が第２構造体３である。なお、第１軸Ａ１は上側と下側のどちらにも図示している。
図２に示すように、第１構造体２は第１ワーク部６と、該第１ワーク部６と第１軸Ａ１を境に連結している第２ワーク部７からなっている。言い換えると第１構造体２において、第１軸Ａ１を境にして第１ワーク部６と第２ワーク部７に区分けされている。
なお、第１構造体２は、基本形態としては例えばアーム９とバランスウェイト１０（後述する回転モーメントの釣り合いのための重り）とすることができる。またオプションとして、アーム９の中央部に設けられた、後述するアクチュエータ８とローカル回転構造体１５なども含まれた形態とすることもできる。図１ではこれら全てを含む形態が図示されている。ここでの第１ワーク部６は、バランスウェイト１０の一部と、アーム９と、アクチュエータ８と、ローカル回転構造体１５からなる。また、第２ワーク部７はバランスウェイト１０の残りの部分からなる。なお、第１構造体２は、当然これらの部材に限定されるものではない。

また、第２構造体３は、ここでは円形フレーム部材と複数の棒状部材とを組み合わせたものとなっているが、これに限定されるものではない。バランスがとりやすいように対称的な形状とすることができる。また前述した第１軸棒Ｒ１を介して第１構造体２と連結されており、第２軸棒Ｒ２を介して支柱４と連結されている。

支柱４は、ここでは２本の棒状部材からなっている。そしてその２本の棒状部材同士の隙間に第２構造体３が配置されており、その隙間で第２構造体３が第２軸Ａ２周りで（第２軸棒Ｒ２周りで）回転できるようになっている。
しかしながらこれに限定されず、支柱４は穴を有する１本の棒状部材からなっていても良い。その穴は２本の棒状部材からなる形態の隙間に相当するものとすることができ、その穴を通じて第２構造体３が回転可能な構成とすることもできる。

ここで、第１軸Ａ１周りや第２軸Ａ２周りでの回転モーメントについて説明する。図３は第１軸Ａ１周りでの回転モーメントの説明図であり、図４は第２軸Ａ２周りでの回転モーメントの説明図である。
なお、前述したように図１等は第１軸Ａ１と第２軸Ａ２とが同一平面状で直交している形態であるが、ここではまず、それらがねじれの位置で直交している形態について考える。第１軸Ａ１と第２軸Ａ２とが距離δだけ離れている場合を想定する。

ここで第１構造体２において、図３に示すように第１軸Ａ１の軸方向から見た場合で、
●印が第１軸Ａ１の位置、
×印が第１ワーク部６（重量Ω１１）の重心位置（●印からの距離ε１１）
▲印が第２ワーク部７（重量Ω１２）の重心位置（●印からの距離ε１２）とする。
このとき、第１ワーク部６による回転モーメントμ１１は、×印の位置から矢印の向きで［μ１１＝Ω１１×ε１１］となる。
また第２ワーク部７による回転モーメントμ１２は、▲印の位置から矢印の向きで［μ１２＝Ω１２×ε１２］となる。
そして本発明においては、これらの第１ワーク部６による回転モーメントμ１１と第２ワーク部７による回転モーメントμ１２との和がゼロになっている（回転モーメントが釣り合っている）。すなわち、第１構造体２全体の重心位置が第１軸Ａ１と重なる。

また一体的に回転可能な第１構造体２および第２構造体３において、図４に示すように第２軸Ａ２の軸方向から見た場合で、
○印が第２軸Ａ２の位置、
●印が第１構造体２（重量Ω１１＋Ω１２）の重心位置（第１軸Ａ１の位置）（○印からの距離δ）、
■印が第２構造体３（重量Ω２）の重心位置（○印からの距離ε２）とする。
このとき、第１構造体２による回転モーメントμ１は、●印の位置から矢印の向きで［μ１＝（Ω１１＋Ω１２）×δ］となる。
また第２構造体３による回転モーメントμ２は、■印の位置からの矢印の向きで［μ２＝Ω２×ε２］となる。
そして本発明においては、これらの第１構造体２による回転モーメントμ１と第２構造体３による回転モーメントμ２との和がゼロになっている（回転モーメントが釣り合っている）。すなわち、第１構造体２と第２構造体３を合わせたものの重心位置が第２軸Ａ２と重なる。
このような回転モーメントの関係が得られるように、第１構造体２や第２構造体３の各部材の形状、材質等を適宜決定することができる。特には、各々の回転軸である第１軸Ａ１、第２軸Ａ２の位置を基準にして、相対する側に位置する部材（または部位）の重心位置等を考慮しつつ決定すると良い。

なお、上記のねじれの位置で直交している形態と異なり、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２とが同一平面上で直交している場合は、図４の場合においては、第２軸Ａ２の位置に第１構造体２の重心位置（第１軸Ａ１の位置）と第２構造体３の重心位置とが重なることになる。すなわち、第２軸周りで、第１構造体２による回転モーメントμ１も第２構造体３による回転モーメントμ２もゼロであり、その和がゼロになっている。

第１軸Ａ１と第２軸Ａ２との位置関係が上記のいずれの形態であっても、第１軸Ａ１や第２軸Ａ２周りでの回転モーメントの関係が上記のようなものであれば、第１構造体２を第１軸Ａ１周りで回転させる際、また、第１構造体２と第２構造体３とを、第２軸Ａ２周りで一体的に回転させる際に、各々、必要な駆動エネルギーを極めて小さくすることができる。そのため、空間上のターゲットの方向へ向けるにあたり、省エネ化、高速回転による回転時間の短縮化を図ることができる。
また、従来品のように回転時に高い駆動エネルギーが必要な場合、高出力モーターなどが必要であり、安全面の観点から、ロボット等は作業員から隔離されている。そのため安全管理上、多くの場所にセンサーが必要になり高コスト化する。しかしながら本発明であれば、そのような高出力モーターの必要性を低減する、あるいはなくすことができ、人から隔離する必要もなく、上記のセンサーの必要性をなくすことも可能であり、低コスト化を図ることができる。

ところで、図１に示すように第１構造体２の第１ワーク部６は、第３軸Ａ３となるアクチュエータ８を含むものとすることができる。第３軸Ａ３上でアクチュエータ８を伸縮可能になっている。なお、ここでは第１構造体２（アクチュエータ８を含む）、第２構造体３、支柱４をまとめてベース回転構造体５とも言う。
上記の第１軸Ａ１周りでの回転と、第２軸Ａ２周りでの回転によって、空間上のターゲットの方向へ回転構造体１の先端を向けることができ、そしてアクチュエータ８を備えていることで、そのターゲットの方向にあるターゲットの実際の位置にまで先端を到達させることができる。図１では、第１ワーク部６にアクチュエータ８と後述するローカル回転構造体１５の両方が含まれた形態が図示されているが、それらのうちアクチュエータ８のみ含む構成の場合では、回転構造体１の先端はアクチュエータ８の先端を意味する。
なお、アクチュエータ８すらも含まない構成の場合は、例えばアーム９の中央部を先端として扱うことができる。

このように３軸（３自由度）を有する構造であれば、ある程度は自在に先端をターゲットに到達させることができる。ただし、より確実な位置制御のため、６軸（６自由度）が求められることがよくある。そこで、図１に示すように第１構造体２の第１ワーク部６として、上記アクチュエータ８の先端にローカル回転構造体１５を含む形態とすることができる。
このローカル回転構造体１５について、その概略を示した図５を参照して説明する。図５に示すようにアクチュエータ８の先端に取り付けられており、その構成はベース回転構造体５と実質的に同様である。つまり、ベース回転構造体５の先端に、さらに別のベース回転構造体５が備えられているような形態である。

ローカル回転構造体１５は、第４軸Ａ４を回転軸とするローカル第１構造体１２と、第５軸Ａ５を回転軸とするローカル第２構造体１３を含んでいる。
また、ローカル第１構造体１２は第４軸Ａ４周りで回転可能にローカル第２構造体１３と連結されている。
また、ローカル第２構造体１３は第５軸Ａ５周りでローカル第１構造体１２と一体的に回転可能なものであり、かつ、ローカル支柱１４により支持されている。
また、第４軸Ａ４と第５軸Ａ５は、同一平面上で直交しているか、または、ねじれの位置で直交している。
ローカル第１構造体１２は、ローカル第１ワーク部１６と、該ローカル第１ワーク部１６と第４軸Ａ４を境に連結しているローカル第２ワーク部１７からなっている。
そして、ローカル第１構造体１２において、第４軸Ａ４周りでの、ローカル第１ワーク部１６による回転モーメントとローカル第２ワーク部１７による回転モーメントとの和がゼロである。
さらには、一体的に回転可能なローカル第１構造体１２およびローカル第２構造体１３において、第５軸Ａ５周りでの、ローカル第１構造体１２による回転モーメントとローカル第２構造体１３による回転モーメントとの和がゼロである。
また、ローカル第１構造体１２のローカル第１ワーク部１６は、第６軸Ａ６となるローカルアクチュエータ１８を含むものである。
なお、この構成の場合（すなわち、図１に示す形態）では、回転構造体１の先端はローカル回転構造体１５におけるローカルアクチュエータ１８の先端を意味する。

このように、軸番号の違いと「ローカル」の頭文字により区別されているが、その機能や役割等はベース回転構造体５の第１軸Ａ１～第３軸Ａ３と、第１構造体２、第２構造体３、支柱４、第１ワーク部６、第２ワーク部７、アクチュエータ８と実質同様であるので、ここでは説明を省略する。
そして、このような６軸（６自由度）のものであれば、従来品の関節型ロボットと同様の制御・作業を行うことができる。しかも各構造体の回転のための駆動エネルギーを大幅に低減することができ、有用である。
さらには、単に６軸というだけでなく、上記のベース回転構造体５とローカル回転構造体１５という組み合わせにより、逆運動学の解を得ることができ、空間上のターゲットに向けて位置制御を行う際に極めて有効である。これに対して従来品では、逆運動学は一意に決まらず、解析的に解けない場合が多かった。

なお、前述した図３、図４のような回転モーメントの関係を考慮するとき、第１構造体２の第１ワーク部６がアクチュエータ８やローカル回転構造体１５を含む場合は、当然、それらの重量等も含めた状態で考慮する。このとき、アクチュエータ８やアクチュエータ１８に関しては、例えば棒状の伸縮部を縮めた状態で考慮しても良いし、または伸ばした状態で考慮しても良い。あるいは、その中間の状態で考慮することもできる（縮めた状態と伸ばした状態の平均値などでも良い）。いずれにしても、これらの回転モーメントの影響を考慮していない従来品よりも、回転に要する駆動エネルギーの低減化などにおいて格段に優れた効果を得ることができる。

また、本発明の回転構造体の利用例を挙げると、例えば（１）作業用ロボット（２）構造物に生起する振動を抑制するための動吸振器、（３）追尾型太陽光発電設備等が挙げられる。
このとき、［第１ワーク部６（ローカル第１ワーク部１６）、第２ワーク部７（ローカル第２ワーク部１７）］の組み合わせとしては、（１）では［マニピュレーター、バランスウェイト］、（２）では双方ともバランスウェイト、（３）では［太陽光パネル、バランスウェイト］とすることが考えられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…本発明の回転構造体、 ２…第１構造体、 ３…第２構造体、
４…支柱、 ５…ベース回転構造体、 ６…第１ワーク部、 ７…第２ワーク部、
８…アクチュエータ、 ９…アーム、 １０…バランスウェイト、
１２…ローカル第１構造体、 １３…ローカル第２構造体、
１４…ローカル支柱、 １５…ローカル回転構造体、 １６…ローカル第１ワーク部、
１７…ローカル第２ワーク部、 １８…ローカルアクチュエータ、
Ａ１…第１軸、 Ａ２…第２軸、 Ａ３…第３軸、 Ａ４…第４軸、
Ａ５…第５軸、 Ａ６…第６軸、
Ｒ１…第１軸棒、 Ｒ２…第２軸棒。

Claims (4)

1. ２つの構造体を有する回転構造体であって、
   前記２つの構造体は、第１軸を回転軸とする第１構造体と、第２軸を回転軸とする第２構造体であり、
   前記第１構造体は前記第１軸周りで回転可能に前記第２構造体と連結されており、
   前記第２構造体は前記第２軸周りで前記第１構造体と一体的に回転可能なものであり、かつ、支柱により支持されているものであり、
   前記第１軸と前記第２軸は、同一平面上で直交しているか、または、ねじれの位置で直交しており、
   前記第１構造体は、第１ワーク部と、該第１ワーク部と前記第１軸を境に連結している第２ワーク部からなり、
   前記第１構造体において、前記第１軸周りでの、前記第１ワーク部による回転モーメントと前記第２ワーク部による回転モーメントとの和がゼロであり、
   前記一体的に回転可能な第１構造体および第２構造体において、前記第２軸周りでの、前記第１構造体による回転モーメントと前記第２構造体による回転モーメントとの和がゼロであり、
   前記第１構造体の前記第１ワーク部は、第３軸となるアクチュエータを含むものであることを特徴とする回転構造体。
2. 前記第１構造体の前記第１ワーク部は、前記アクチュエータの先端にローカル回転構造体を含んでおり、
   該ローカル回転構造体は、第４軸を回転軸とするローカル第１構造体と、第５軸を回転軸とするローカル第２構造体を含んでおり、
   前記ローカル第１構造体は前記第４軸周りで回転可能に前記ローカル第２構造体と連結されており、
   前記ローカル第２構造体は前記第５軸周りで前記ローカル第１構造体と一体的に回転可能なものであり、かつ、ローカル支柱により支持されているものであり、
   前記第４軸と前記第５軸は、同一平面上で直交しているか、または、ねじれの位置で直交しており、
   前記ローカル第１構造体は、ローカル第１ワーク部と、該ローカル第１ワーク部と前記第４軸を境に連結しているローカル第２ワーク部からなり、
   前記ローカル第１構造体において、前記第４軸周りでの、前記ローカル第１ワーク部による回転モーメントと前記ローカル第２ワーク部による回転モーメントとの和がゼロであり、
   前記一体的に回転可能なローカル第１構造体およびローカル第２構造体において、前記第５軸周りでの、前記ローカル第１構造体による回転モーメントと前記ローカル第２構造体による回転モーメントとの和がゼロであり、
   前記ローカル第１構造体の前記ローカル第１ワーク部は、第６軸となるローカルアクチュエータを含むものであることを特徴とする請求項１に記載の回転構造体。
3. 前記第２構造体は、前記支柱の軸方向に平行な面内において前記第２軸周りで回転可能なものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転構造体。
4. 前記支柱が２本の棒状部材からなっており、該２本の棒状部材同士の隙間を通じて前記第２構造体が前記第２軸周りで回転可能なものであるか、または、
   前記支柱が穴を有する１本の棒状部材からなっており、該穴を通じて前記第２構造体が前記第２軸周りで回転可能なものであることを特徴とする請求項３に記載の回転構造体。

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