JP7346023B2 - 多関節ロボット - Google Patents

Description

本発明は、多関節ロボットに関する。

多関節ロボットでは、アームが受ける重力による負荷モーメントを相殺するためにバランサが用いられる。

このようなバランサとして、ガスバランサ（例えば、特許文献１参照）及びバネバランサ（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２０１４－１９５８５４号公開特許公報 特開２００１－２２５２９３号公開特許公報

ところで、上記従来のバランサは、例えば６軸の多関節ロボットの場合、アームの下腕部が鉛直な姿勢を取る場合にアームに力を作用させず、それ以外の場合には常にアームに力を作用させるように構成されている。しかし、このようなバランサは、多関節ロボットの動作にとって邪魔な力をアームに作用させる場合がある。例えば、多関節ロボットがアームを引こうとして下腕部が後方に傾斜した場合にバランサがアームを前方に押し出す力をアームに作用させる場合がある。また、多関節ロボットでは、関節を駆動するモータだけで、アームが受ける重力による負荷モーメント（以下、重力モーメントという）を相殺することができる姿勢の範囲が存在する。そのような姿勢の範囲において、バランサが機能すると、アームが重力モーメント以下のモーメントで重力モーメントと同じ方向に動作しようとした場合、関節を駆動するモータがバランサによるモーメントに対抗するモーメントを発生しなければならない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、アームに作用させる邪魔な力を低減することが可能なバランサを備える多関節ロボットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態（aspect）に係る多関節ロボットは、複数のリンクと、前記複数のリンクにおける互いに隣接する一対のリンクをそれぞれの回動軸線の周りに相対的に回動可能に連結する１以上の関節と、を含むロボットアームと、前記１以上の関節のうちの所定の回動軸線を有する関節によって当該所定の回動軸線の周りに回動可能に連結された一対のリンクの間に設けられ、当該一対のリンクのうちの先端に近い先端側リンクに前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントに抗する重力対抗モーメントを発生させるバランサと、を備え、前記バランサは、前記一対のリンクのうちの先端から遠い基端側リンク又は前記先端側リンクに一方の端部が直接又は間接に取り付けられた弾性部材と、前記先端側リンク又は前記基端側リンクに設けられ、前記弾性部材の他方の端部に当接する少なくとも１つの当接部材と、を備え、前記先端側リンクが所定の基準姿勢にある場合の前記所定の回動軸線の周りの回動角である基準回動角から少なくとも一方への回動の角度範囲である不動作回動角範囲を超えて当該先端側リンクが前記少なくとも一方へ回動した場合に、前記少なくとも１つの当接部材が前記弾性部材の前記他方の端部に当接し、それによって前記弾性部材が前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成されている。ここで、「弾性部材」は、弾性材料からなる単一の部材と、弾性材料からなる素材の集合体との双方を含む。後者として、例えば、ばね材料からなる板状の素材を厚み方向に積層してなる「板バネ」が挙げられる。「不動作回動角範囲」は、バランサが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない先端側リンクの回動角範囲を意味し、先端側リンクの動作等を考慮して適宜設定される。

この構成によれば、先端側リンクが不動作回動角範囲を超えて少なくとも一方に回動した場合に、弾性部材が重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させるので、先端側リンクが不動作回動角範囲内の回動角で回動した場合には、弾性部材が重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない。従って、バランサがアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。

前記ロボットアームが、固定対象物に固定される前記リンクである基部と、旋回軸線の周りに回動可能に前記基部に連結された前記基端側リンクである旋回部と、前記所定の回動軸線であって前記旋回軸線に垂直な下腕回動軸線の周りに回動可能に前記旋回部に連結された前記先端側リンクである下腕部と、を含み、前記バランサが、前記旋回部と前記下腕部との間に設けられ、且つ前記重力対抗モーメントを前記下腕部に発生させるものであり、前記弾性部材の前記一方の端部が前記旋回部又は前記下腕部に設けられており、前記当接部材が、前記下腕部又は前記旋回部に設けられていてもよい。

この構成によれば、バランサがアームの下腕部に作用させる邪魔な力を、低減することができる。

前記基準姿勢は、前記下腕部が略鉛直な姿勢であってもよい。

この構成によれば、バランサが下腕部を略鉛直な姿勢に戻すように重力対抗モーメントを発生させる場合に、バランサがアームの下腕部に作用させる邪魔な力を、低減することができる。

前記ロボットアームが、固定対象物に固定される前記リンクである基部と、旋回軸線の周りに回動可能に前記基部に連結された前記リンクである旋回部と、前記旋回軸線に垂直な下腕回動軸線の周りに回動可能に前記旋回部に連結された前記基端側リンクである下腕部と、前記所定の回動軸線であって前記旋回軸線に垂直な上腕回動軸線の周りに回動可能に前記下腕部に連結された前記先端側リンクである上腕部と、を含み、前記バランサが、前記下腕部と前記上腕部との間に設けられ、且つ前記重力対抗モーメントを前記上腕部に発生させるものであり、前記弾性部材の前記一方の端部が前記下腕部又は前記上腕部に設けられており、前記当接部材が、前記上腕部又は前記下腕部に設けられていてもよい。

この構成によれば、バランサがアームの上腕部に作用させる邪魔な力を、低減することができる。

前記バランサは、長軸方向に延びる前記弾性部材としての板バネと前記少なくとも１つの当接部材としての少なくとも１つの規制部材とを備え、前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記板バネが前記先端側リンクの延在方向に延在するとともに主面が前記所定の回動軸線に平行であるように前記一方の端部が前記先端側リンク又は前記基端側リンクに固定され、前記少なくとも１つの規制部材が前記板バネの他方の端部の少なくとも一方の側に隙間を有して設けられ、前記少なくとも１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方に回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記板バネの前記他方の端部に当接し、それによって前記板バネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成されていてもよい。

この構成によれば、先端側リンクが不動作回動角範囲を超えて少なくとも一方に回動した場合に、少なくとも１つの規制部材が板バネの他方の端部に当接し、それによって板バネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させるよう弾性変形する。一方、先端側リンクが不動作回動角範囲以内の回動角で回動した場合には、少なくとも１つの規制部材が板バネの他方の端部に当接しないので、板バネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない。従って、バランサがアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサを実現できる。

前記バランサは、前記弾性部材としての捻りコイルバネと前記少なくとも１つの当接部材としての少なくとも１つの規制部材とを備え、前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記捻りコイルバネの一方の端部が、前記捻りコイルバネの中心軸が前記所定の回動軸線に平行であるように前記基端側リンク又は前記先端側リンクに固定され、前記少なくとも１つの規制部材が前記捻りコイルバネの他方の端部の少なくとも一方の側に隙間を有して設けられ、前記少なくとも１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方に回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記捻りコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記捻りコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように設けられていてもよい。

この構成によれば、先端側リンクが不動作回動角範囲を超えて少なくとも一方に回動した場合に、少なくとも１つの規制部材が捻りコイルバネの他方の端部に当接し、それによって捻りコイルバネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させるよう弾性変形する。一方、先端側リンクが不動作回動角範囲以内の回動角で回動した場合には、少なくとも１つの規制部材が捻りコイルバネの他方の端部に当接しないので、捻りコイルバネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない。従って、バランサがアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサを実現できる。

前記バランサは、前記弾性部材としての渦巻きコイルバネと前記少なくとも１つの当接部材としての１つの規制部材とを備え、前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記渦巻きコイルバネの一方の端部が、前記渦巻きコイルバネの中心軸が前記所定の回動軸線に一致するように前記基端側リンク又は前記先端側リンクに固定され、前記１つの規制部材が前記渦巻きコイルバネの他方の端部に隙間を有して設けられ、前記１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方としての一方に回動した場合に、前記１つの規制部材が前記渦巻きコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記渦巻きコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように設けられていてもよい。

この構成によれば、先端側リンクが不動作回動角範囲を超えて一方に回動した場合に、１つの規制部材が渦巻きバネの他方の端部に当接し、それによって渦巻きコイルバネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させるよう弾性変形する。一方、先端側リンクが不動作回動角範囲以内の回動角で回動した場合には、１つの規制部材が渦巻きコイルバネの他方の端部に当接しないので、渦巻きコイルバネが重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない。従って、バランサがアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサを実現できる。

前記バランサは、シリンダと、前記シリンダの内部に一端が当該シリンダの一端の内面に接触して配置された前記弾性部材としての圧縮弾性体と、前記当接部材としてのピストンと、を備え、前記ピストンが前記シリンダの内周面に摺動自在な押圧部材及び前記シリンダの他端を貫通するとともに先端部が前記押圧部材に連結されたピストンロッドを備えるように構成されており、前記シリンダの前記一端が、前記基端側リンク又は前記先端側リンクに回動自在に取り付けられ、前記ピストンロッドの基端部が、前記押圧部材が前記圧縮弾性体との間に隙間を有するように前記基端側リンク又は前記先端側リンクに回動自在に取り付けられ、前記先端側リンクに取り付けられる前記シリンダの前記一端又は前記ピストンロッドの前記基端部が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方に回動した場合に、前記押圧部材が前記圧縮弾性体を押圧し、それによって前記圧縮弾性体が前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるような前記先端側リンクにおける位置に取り付けられていてもよい。

この構成によれば、先端側リンクに取り付けられるシリンダの一端又はピストンロッドの基端部が、先端側リンクが不動作回動角範囲を超えて少なくとも一方に回動した場合に、押圧部材が圧縮弾性体を押圧し、それによって圧縮弾性体が重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させる先端側リンクにおける位置に取り付けられているので、先端側リンクが不動作回動角範囲以内の回動角で回動した場合には、押圧部材が圧縮弾性体を押圧せず、圧縮弾性体が重力対抗モーメントを先端側リンクに発生させない。従って、バランサがアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。

本発明は、アームに作用させる邪魔な力を低減することが可能なバランサを備える多関節ロボットを提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態１に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図である。 図２（Ａ）は、図１の多関節ロボットのアーム部が下腕回動軸線の周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図、図２（Ｂ）は、図１の多関節ロボットのアーム部が下腕回動軸線の周りに後方に回動した状態を模式的に示す側面図である。 図３は、本発明の実施形態２に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図であり、図３（Ａ）は、多関節ロボットが基準姿勢にある状態を示す図、図３（Ｂ）は、多関節ロボットのアーム部が下腕回動軸線の周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図である。 図４は、本発明の実施形態３に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図であり、図４（Ａ）は、多関節ロボットが基準姿勢にある状態を示す図、図４（Ｂ）は、多関節ロボットのアーム部が下腕回動軸線の周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図である。 図５は、本発明の実施形態４に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図である。 図６は、本発明の実施形態５に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図であり、図６（Ａ）は、バランサの圧縮弾性体が圧縮コイルバネである場合の図、図６（Ｂ）は、バランサの圧縮弾性体がゴム状弾性体である場合の図である。 図７は、本発明の実施形態６に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、以下の図は本発明を説明するための図であるので、本発明と無関係な要素が省略される場合、誇張等により寸法が正確でない場合、簡略化される場合、複数の図において、互いの要素が一致しない場合等がある。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。また、以下では、ロボットアーム４の基部１が、旋回軸線ＡＳが鉛直になるように設置される場合を例示するので、図１～図７において、図の上下方向が鉛直方向を示す。また、便宜上、図１～図７において、図の右方向がロボットアームの前方向を示し、図の左方向がロボットアームの後方向を示す。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る多関節ロボットの構成の一例を模式的に示す側面図である。

［構成］
図１を参照すると、実施形態１の多関節ロボット１００は、ロボットアーム４と、バランサ１３と、を備える。多関節ロボット１００は、例えば、垂直多関節ロボットで構成される。

＜ロボットアーム４＞
ロボットアーム４は、複数のリンクと、複数のリンクにおける互いに隣接する一対のリンクをそれぞれの回動軸線ＡＳ，ＡＬ，ＡＵの周りに相対的に回動可能に連結する１以上の関節と、を含む。

具体的には、ロボットアーム４は、例えば、６軸の多関節ロボットアームで構成され、基部１と、旋回部２と、アーム部３と、を備える。換言すると、ロボットアーム４は、下から順に、基部１を構成するリンク、旋回部２を構成するリンク、下腕部３ａを構成するリンク、上腕部３ｂを構成するリンク（図３～図７参照）、手首部を構成するリンク（図に示さず）で構成されている。

基部１は、固定対象物（例えば、床、台車等）に固定される。旋回部２は、旋回軸線ＡＳの周りに回動可能に基部１に連結されている。旋回軸線ＡＳは、例えば、基部１及び旋回部２の中心部を通るように延在している。基部１と旋回部２との連結構造が第１関節を構成している。

そして、下腕部３ａの下端部が、所定の下腕回動軸線ＡＬの周りに回動可能に旋回部２に連結されている。旋回部２と下腕部３ａとの連結構造が第２関節を構成している。下腕回動軸線ＡＬは、例えば、下腕部３ａの下端部の中央部を旋回軸線ＡＳに垂直な方向に通るように延在している。下腕部３ａは、下腕回動軸線ＡＬが旋回軸線ＡＳから離れて位置するように、旋回部２に連結されている。なお、下腕部３ａは、下腕回動軸線ＡＬが旋回軸線ＡＳ上に位置するように、旋回部２に連結されていてもよい。

また、後述するように、上腕部３ｂの基端部が、所定の上腕回動軸線ＡＵの周りに回動可能に下腕部３ａに連結されている。下腕部３ａと上腕部３ｂとの連結構造が第３関節を構成している。

以下では、ロボットアーム４の基部１が、旋回軸線ＡＳが鉛直になるように設置される場合を説明する。しかし、ロボットアーム４の設置態様はこれに限定されない。例えば、ロボットアーム４の基部１が、旋回軸線ＡＳが水平になるように壁等に設置される場合等がある。これらの場合にも本実施形態が同様に適用される。

＜バランサ１３＞
バランサは、１以上の関節のうちの所定の回動軸線を有する関節によって当該所定の回動軸線の周りに回動可能に連結された一対のリンクの間に設けられる。本実施形態では、バランサ１３は、旋回部２と下腕部３ａとの間に設けられ、下腕部３ａにロボットアーム４の自重による下腕回動軸線ＡＬ周りの負荷モーメント（重力モーメント）に抗する重力対抗モーメントを発生させる。

バランサ１３は、弾性部材１１の一例としての板バネ（以下、板バネ１１と記載する）と、当接部材１２の一例として一対の規制部材１２と、を備える。

＜板バネ１１＞
板バネ１１は、一方の端部１１ａが、適宜な固定構造によって、下腕部３ａに固定されている。板バネ１１の長さは、他方の端部１１ｂが旋回部２上に位置するような長さに設定（設計）される。板バネ１１の厚さ、幅、及び弾性係数は、所定程度に曲がった場合に、下腕部３ａに十分な重力対抗モーメントを発生させることができるように設定（設計）される。板バネ１１の材料として、公知の板バネ用の材料を用いることができる。そのような材料として、ばね用冷間圧延鋼帯が例示される。板バネ１１は、ばね材料からなる単一の板状の部材であってもよく、ばね材料からなる板状の素材を厚み方向に積層してなる部材であってもよい。

板バネ１１の一方の端部１１ａは、下腕部３ａが基準姿勢にある場合に、下腕部３ａの延在方向に延在するように下腕部３ａに固定される。下腕部３ａが基準姿勢にある場合とは、例えば、下腕部３ａの基準線ＲＬが鉛直方向に一致する場合を意味し、基準線ＲＬは、例えば、下腕回動軸線ＡＬと上腕回動軸線ＡＵとの双方に直交する直線を意味する。具体的には、板バネ１１の一方の端部１１ａは、板バネ１１の主面が下腕回動軸線ＡＬに平行であり、且つ、下腕回動軸線ＡＬの延在方向から見て、板バネ１１が基準線ＲＬ上に下腕回動軸線ＡＬを超える位置まで延びるように、下腕部３ａの適所に固定される。

＜規制部材＞
規制部材１２は、例えば、下腕部３ａの側面に突設された円柱状のピンで構成されている。一対の規制部材１２は、所定の態様で設けられている。この所定の態様とは、一対の規制部材１２が、板バネ１１の他方の端部１１ｂの両側に隙間を有して設けられていて、下腕部３ａが、基準回動角度から下腕回動軸線ＡＬの周りに前方又は後方に不動作回動角範囲θＲを超えて回動した場合に、一対の規制部材１２の一方又は他方が板バネ１１の他方の端部１１ｂに当接し、それによって板バネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させるよう弾性変形する態様である。「基準回動角」とは、下腕部３ａが、基準姿勢にある場合の回動角を意味する。「不動作回動角範囲θＲ」は、バランサ（ここではバランサ１３）が、重力対抗モーメントを先端側リンク（ここでは、下腕部３ａ）に発生させない先端側リンクの回動角範囲を意味し、先端側リンクの動作等を考慮して適宜設定される。不動作回動角範囲θＲは、例えば、第２関節を駆動するモータだけで重力モーメントを相殺することができる下腕部３ａの回動角の範囲に設定される。また、不動作回動角範囲θＲは、ここでは、基準回動角を含む範囲に設定される。

［動作］
次に、以上のように構成された多関節ロボット１００の動作を説明する。図２（Ａ）は、図１の多関節ロボット１００のアーム部３が下腕回動軸線ＡＬの周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図、図２（Ｂ）は、図１の多関節ロボット１００のアーム部３が下腕回動軸線ＡＬの周りに後方に回動した状態を模式的に示す側面図である。

図１を参照すると、アーム部３が、基準回動角から前方に、不動作回動角範囲θＲ内において、回動すると、板バネ１１の他方の端部１１ｂに規制部材１２が当接せず、板バネ１１は、重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。

図１及び図２ａを参照すると、アーム部３が、さらに前方に、不動作回動角範囲θＲを超えて回動すると、板バネ１１の他方の端部１１ｂに後側の規制部材１２が当接する。それにより、板バネ１１が曲がり、その曲がりの程度に応じた重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。

一方、図１を参照すると、アーム部３が、基準回動角から後方に、不動作回動角範囲θＲ内において、回動すると、板バネ１１の他方の端部１１ｂに規制部材１２が当接せず、板バネ１１は、重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。

図１及び図２ｂを参照すると、アーム部３が、さらに後方に、不動作回動角範囲θＲを超えて回動すると、板バネ１１の他方の端部１１ｂに前側の規制部材１２が当接する。それにより、板バネ１１が曲がり、その曲がりの程度に応じた重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。

以上に説明したように、本実施形態によれば、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲ以内の回動角で回動した場合には、一対の規制部材１２が板バネ１１の他方の端部１１ｂに当接しないので、板バネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。従って、バランサ１３がアーム部３に作用させる邪魔な力を、低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサ１３を実現できる。

｛変形例１｝
変形例１は、実施形態１において、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から前方及び後方のうちのいずれか一方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる形態を例示するものである。

図１を参照すると、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から前方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる場合、一対の規制部材１２のうちの前側の規制部材１２が省略される。この場合の下腕部３ａの前方への回動におけるバランサ１３の動作は、実施形態１と同様である。

一方、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から後方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる場合、一対の規制部材１２のうちの後側の規制部材１２が省略される。この場合の下腕部３ａの後方への回動におけるバランサ１３の動作は、実施形態１と同様である。

｛変形例２｝
変形例２では、実施形態１又は変形例１において、板バネ１１の一方の端部１１ａが旋回部２に固定され、一対の規制部材１２又は１つの規制部材１２が下腕部３ａに設けられる。

本変形例によれば、実施形態１又は変形例１と同様の効果が得られる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る多関節ロボット２００の構成の一例を模式的に示す側面図であり、図３（Ａ）は、多関節ロボット２００が基準姿勢にある状態を示す図、図３（Ｂ）は、多関節ロボット２００のアーム部３が下腕回動軸線ＡＬの周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図である。なお、図３～図６では、多関節ロボット２００～５００の基部が省略され、且つ、各リンクが簡略化されて示されている。

図１及び図３（Ａ）を参照すると、実施形態２は、バランサ１３の弾性部材として板バネ１１に代えて捻りコイルバネ１１が用いられる点において実施形態１と相違し、その他の点においては、実施形態１と同様である。以下、この相違点を説明する。

多関節ロボット２００のバランサ１３では、捻りコイルバネ１１が、例えば、コイル本体の軸方向から見て、両端部１１ａ，１１ｂが互いに約９０度の角度を成してコイル本体から延出するように形成されている。そして、捻りコイルバネ１１の一方の端部１１ａが、捻りコイルバネ１１の中心軸が下腕回動軸線ＡＬに平行であるように、適宜な固定構造によって旋回部２に固定されている。捻りコイルバネ１１の一方の端部１１ａは、下腕部３ａが基準姿勢にある場合に、下腕回動軸線ＡＬの延在方向から見て、他方の端部１１ｂが下腕部３ａの基準線ＲＬ上に延在するように、旋回部２に固定されている。

また、一対の規制部材１２が、捻りコイルバネ１１の他方の端部１１ｂの両側に所定の隙間を有して設けられている。この所定の隙間は、下腕部３ａが、基準回動角度から下腕回動軸線ＡＬの周りに前方又は後方に不動作回動角範囲θＲ（図３（Ａ）に不図示）を超えて回動した場合に、一対の規制部材１２の一方又は他方が捻りコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接し、それによって捻りコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させるよう弾性変形（拡径又は縮径）するように設定（設計）されている。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照すると、このように構成された多関節ロボット２００においては、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲを超えて前方又は後方に回動した場合に、一対の規制部材１２の一方又は他方が捻りコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接し、それによって捻りコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。一方、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲ以内の回動角で回動した場合には、一対の規制部材１２が捻りコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接しないので、捻りコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。従って、バランサ１３が、アームに作用させる邪魔な力を低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサ１３を実現できる。

｛変形例３｝
変形例３は、実施形態２において、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から前方又は後方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる形態を例示するものである。

図３（Ａ）を参照すると、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から前方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる場合、一対の規制部材１２のうちの前側の規制部材１２が省略される。この場合の下腕部３ａの前方への回動におけるバランサ１３の動作は、実施形態２と同様である。

一方、バランサ１３が、下腕部３ａの基準回動角から後方への回動についてのみ重力対抗モーメントを発生させる場合、一対の規制部材１２のうちの後側の規制部材１２が省略される。この場合の下腕部３ａの後方への回動におけるバランサ１３の動作は、実施形態２と同様である。

｛変形例４｝
変形例４では、実施形態２又は変形例３において、捻りコイルバネ１１の一方の端部１１ａが下腕部３ａに固定され、一対の規制部材１２又は１つの規制部材１２が旋回部２に設けられる。

本変形例によれば、実施形態２又は変形例３と同様の効果が得られる。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３に係る多関節ロボット３００の構成の一例を模式的に示す側面図であり、図４（Ａ）は、多関節ロボット３００が基準姿勢にある状態を示す図、図４（Ｂ）は、多関節ロボット３００のアーム部３が下腕回動軸線ＡＬの周りに前方に回動した状態を模式的に示す側面図である。

図１及び図４（Ａ）を参照すると、実施形態３は、バランサ１３の弾性部材として板バネ１１に代えて渦巻きコイルバネ１１が用いられる点において実施形態１と相違し、その他の点においては、実施形態１と同様である。以下、この相違点を説明する。

多関節ロボット３００のバランサ１３では、渦巻きコイルバネ１１の一方の端部（中心側の端部）１１ａが、渦巻きコイルバネ１１の中心軸が下腕回動軸線ＡＬに一致するように、固定部材１０によって旋回部２に固定されている。渦巻きコイルバネ１１の一方の端部１１ａは、下腕部３ａが基準姿勢にある場合に、他方の端部（外周側の端部）１１ｂが、下腕回動軸線ＡＬの延在方向から見て、下腕部３ａ上に位置するように、旋回部２に固定されている。

また、１つの規制部材１２が、渦巻きコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに対し、渦巻きコイルバネ１１の周方向において、所定の隙間を有して設けられている。この所定の隙間は、下腕部３ａが、基準回動角度から下腕回動軸線ＡＬの周りに前方に不動作回動角範囲θＲ（図４（Ａ）に不図示）を超えて回動した場合に、規制部材１２が渦巻きコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接し、それによって渦巻きコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させるよう弾性変形（拡径）するように設定（設計）されている。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照すると、このように構成された多関節ロボット３００においては、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲを超えて前方に回動した場合に、規制部材１２が渦巻きコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接し、それによって渦巻きコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。一方、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲ以内の回動角で回動した場合には、規制部材１２が渦巻きコイルバネ１１の他方の端部１１ｂに当接しないので、渦巻きコイルバネ１１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。従って、バランサ１３がアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。しかも、簡単な構成で、バランサ１３を実現できる。

｛変形例５｝
変形例５では、実施形態３において、渦巻きコイルバネ１１の一方の端部１１ａが下腕部３ａに固定され、規制部材１２が旋回部２に設けられる。

本変形例によれば、実施形態３と同様の効果が得られる。

（実施形態４）
図５は、本発明の実施形態４に係る多関節ロボット４００の構成の一例を模式的に示す側面図である。

図５を参照すると、実施形態４は、実施形態３において、バランサ２３がさらに設けられている点において実施形態３と相違し、その他の点においては実施形態３と同じである。以下、この相違点を説明する。

多関節ロボット４００は、図５の紙面手前側の側面に実施形態３のバランサ１３を備える。図５では、もう１つのバランサ２３を説明し易くするために、このバランサ１３が図示されていない。以下、バランサ１３の不動作回動角範囲θＲを、「前方不動作回動角範囲θＲＦ」という。

バランサ２３は、多関節ロボット４００の図５の紙面奥側の側面に設けられ、渦巻きコイルバネ２１と規制部材２２とを備える。バランサ２３は、端的にいうと、概ね、下腕回動軸線ＡＬの延在方向から見て、下腕部３ａの基準線ＲＬに対してバランサ１３と線対称に形成されている。つまり、渦巻きコイルバネ２１は、渦巻きコイルバネ１１と逆方向に巻かれており、一方の端部２１ａが固定部材２０によって旋回部２に固定されている。また、規制部材２２が、渦巻きコイルバネ２１の他方の端部２１ｂに対し、渦巻きコイルバネ２１の周方向において、所定の隙間を有して設けられている。この所定の隙間は、下腕部３ａが、基準回動角度から下腕回動軸線ＡＬの周りに後方に後方不動作回動角範囲θＲＢ（図５に不図示）を超えて回動した場合に、規制部材２２が渦巻きコイルバネ２１の他方の端部２１ｂに当接し、それによって渦巻きコイルバネ２１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させるよう弾性変形（拡径）するように設定（設計）されている。

図５を参照すると、このように構成された多関節ロボット４００においては、下腕部３ａが後方不動作回動角範囲θＲＢを超えて後方に回動した場合に、規制部材２２が渦巻きコイルバネ２１の他方の端部２１ｂに当接し、それによって渦巻きコイルバネ２１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。一方、下腕部３ａが後方不動作回動角範囲θＲＢ以内の回動角で回動した場合には、規制部材２２が渦巻きコイルバネ２１の他方の端部２１ｂに当接しないので、渦巻きコイルバネ２１が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。

このような本実施形態によれば、下腕部３ａが基準角度から前方又は後方に回動する場合において、バランサ２３がアームに作用させる邪魔な力を、低減することができる。

｛変形例６｝
変形例６では、実施形態４において、渦巻きコイルバネ１１の一方の端部１１ａ及び渦巻きコイルバネ２１の一方の端部２１ａが下腕部３ａに固定され、規制部材１２及び規制部材２２が旋回部２に設けられる。

本変形例によれば、実施形態４と同様の効果が得られる。

（実施形態５）
図６は、本発明の実施形態５に係る多関節ロボット５００の構成の一例を模式的に示す側面図であり、図６（Ａ）は、バランサ３１の圧縮弾性体３４が圧縮コイルバネである場合の図、図６（Ｂ）は、バランサ３１の圧縮弾性体３４がゴム状弾性体である場合の図である。

図１及び図６を参照すると、実施形態５は、多関節ロボット５００がシリンダ型のバランサ３１を備える点で、多関節ロボット１００がバネ型のバランサ１３を備える実施形態１と相違し、その他の点においては、実施形態１と同様である。以下、この相違点について説明する。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を参照すると、バランサ３１は、シリンダ３２と、シリンダ３２の内部に一端が当該シリンダ３２の一端の内面に接触して配置された弾性部材としての圧縮弾性体３４と、当接部材としてのピストン３３と、を備える。ピストン３３は、シリンダ３２の内周面に摺動自在な円板状の押圧部材３３ａとシリンダ３２の他端を貫通するとともに先端部が押圧部材３３ａに連結されたピストンロッド３３ｂと、を備える。圧縮弾性体３４は、例えば、圧縮バネ（図６（Ａ）参照）又はゴム状の弾性体（図６（Ｂ）参照）で構成される。ゴム状の弾性体の材料として、合成ゴム、天然ゴム等が例示される。

シリンダ３２の上記一端は、基端側リンクである旋回部２に、適宜なロッドを介して、回動自在に取り付けられている。また、ピストンロッド３３ｂの基端部は、押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４との間に隙間を有するように先端側リンクである下腕部３ａに回動自在に取り付けられている。

このピストンロッド３３ｂの基端部は、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲ（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に不図示）を超えて一方又は他方に回動した場合に、押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４を押圧し、それによって圧縮弾性体３４が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させるような下腕部３ａにおける位置に取り付けられている。

具体的には、ピストンロッド３３ｂの基端部は、下腕部３ａが基準回動角に位置する場合において、シリンダ３２の中心軸ＣＬが下腕回動軸線ＡＬに直交するように下腕部３ａに回動自在に取り付けられている。また、圧縮弾性体３４と押圧部材３３ａとの隙間が、下腕部３ａが基準回動角から所定の不動作回動角範囲θＲの半分の回動角だけ回動した場合に、押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４に当接するように設定（設計）される。

このように構成された多関節ロボット５００によれば、下腕部３ａが、前方又は後方に不動作回動角範囲θＲを超えて回動すると、ピストン３３の押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４を押圧し、それによって圧縮弾性体３４が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させる。一方、下腕部３ａが不動作回動角範囲θＲ以内の回動角で回動すると、押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４を押圧せず、圧縮弾性体３４が重力対抗モーメントを下腕部３ａに発生させない。従って、バランサ３１がアーム部３に作用させる邪魔な力を、低減することができる。

｛変形例７｝
変形例７では、実施形態５において、ピストンロッド３３ｂの基端部が、下腕部３ａが基準回動角に位置する場合において、シリンダ３２の中心軸ＣＬが下腕回動軸線ＡＬに直交する位置から外れるように下腕部３ａに回動自在に取り付けられる。また、圧縮弾性体３４と押圧部材３３ａとの隙間が、下腕部３ａが、前方又は後方に所定の不動作回動角範囲θＲの限度まで回動した場合に、押圧部材３３ａが圧縮弾性体３４に当接するように設定（設計）される。

このような本変形例によれば、バランサ３１が重力対抗モーメント発生させない下腕部３ａの回動角範囲を、前方への回動と後方への回動とで、異ならせることができる。

（実施形態６）
図７は、本発明の実施形態６に係る多関節ロボット６００の構成の一例を模式的に示す側面図である。

図７を参照すると、実施形態６の多関節ロボット６００は、実施形態１の多関節ロボット１００において、さらに、下腕部３ａと上腕部３ｂとの間にバランサ４３が設けられている。これ以外の構成は実施形態１の多関節ロボット１００と同じである。バランサ４３は、板バネ４１と一対の規制部材４２とを備える。バランサ４３の構成は、実施形態１のバランサ１３と同様である。なお、上腕部３ｂの規準姿勢及び基準線は、アーム部３の動作等を考慮して適宜決定される。

このような多関節ロボット６００によれば、下腕部３ａと上腕部３ｂとの間に設けられたバランサ４３がアーム部３に作用させる邪魔な力を、低減することができる。

なお、実施形態６について、実施形態１の変形例１及び変形例２と同様の変形例を構成してもよい。

（その他の実施形態）
実施形態２～５のいずれかにおいて、実施形態６のバランサ４３と同様に、旋回部２と下腕部３ａとの間に設けられたバランサ１３と同様のもう１つのバランサを、下腕部３ａと上腕部３ｂとの間に設けてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。

本発明の多関節ロボットは、アームに作用させる邪魔な力を低減することが可能なバランサを備える多関節ロボットとして有用である。

１ 基部
２ 旋回部
３ アーム部
３ａ 下腕部
３ｂ 上腕部
４ ロボットアーム
１０，２０ 固定部材
１１ 弾性部材、板バネ、捻りコイルバネ、渦巻きコイルバネ
１１ａ 一方の端部
１１ｂ 他方の端部
１２ 当接部材、規制部材
２３ バランサ
３１ バランサ
３２ シリンダ
３３ ピストン
３３ａ 押圧部材
３３ｂ ピストンロッド
３４ 圧縮弾性体
４１ 板バネ
４２ 規制部材
４３ バランサ
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 多関節ロボット
ＡＬ 下腕回動軸線
ＣＬ 中心線
ＲＬ 基準線
θＲ 不動作回動角範囲

Claims (6)

1. 複数のリンクと、前記複数のリンクにおける互いに隣接する一対のリンクをそれぞれの回動軸線の周りに相対的に回動可能に連結する１以上の関節と、各前記関節を駆動するモータと、を含むロボットアームと、
   前記１以上の関節のうちの所定の回動軸線を有する関節によって当該所定の回動軸線の周りに回動可能に連結された一対のリンクの間に設けられ、当該一対のリンクのうちの先端に近い先端側リンクに前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントに抗する重力対抗モーメントを発生させるバランサと、を備え、
   前記バランサは、前記一対のリンクのうちの先端から遠い基端側リンク又は前記先端側リンクに一方の端部が直接又は間接に取り付けられ且つ長軸方向に延びる弾性部材としての板バネと、前記先端側リンク又は前記基端側リンクに設けられ、前記板バネの他方の端部に当接する少なくとも１つの規制部材と、を備え、前記先端側リンクが所定の基準姿勢にある場合の前記所定の回動軸線の周りの回動角である基準回動角から少なくとも一方への回動の角度範囲である不動作回動角範囲を超えて当該先端側リンクが前記少なくとも一方へ回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記板バネの前記他方の端部に当接し、それによって前記板バネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成されており、
   前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記板バネが前記先端側リンクの延在方向に延在するとともに主面が前記所定の回動軸線に平行であるように前記一方の端部が前記先端側リンク又は前記基端側リンクに固定され、前記少なくとも１つの規制部材が前記板バネの他方の端部の少なくとも一方の側に隙間を有して設けられ、
   前記少なくとも１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方に回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記板バネの前記他方の端部に当接し、それによって前記板バネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成され、
   前記不動作回動角範囲は、前記モータが前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントを相殺できる回動角範囲である、多関節ロボット。
2. 複数のリンクと、前記複数のリンクにおける互いに隣接する一対のリンクをそれぞれの回動軸線の周りに相対的に回動可能に連結する１以上の関節と、各前記関節を駆動するモ
   ータと、を含むロボットアームと、
   前記１以上の関節のうちの所定の回動軸線を有する関節によって当該所定の回動軸線の周りに回動可能に連結された一対のリンクの間に設けられ、当該一対のリンクのうちの先端に近い先端側リンクに前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントに抗する重力対抗モーメントを発生させるバランサと、を備え、
   前記バランサは、前記一対のリンクのうちの先端から遠い基端側リンク又は前記先端側リンクに一方の端部が直接又は間接に取り付けられた弾性部材としての捻りコイルバネと、前記先端側リンク又は前記基端側リンクに設けられ、前記捻りコイルバネの他方の端部に当接する少なくとも１つの規制部材と、を備え、前記先端側リンクが所定の基準姿勢にある場合の前記所定の回動軸線の周りの回動角である基準回動角から少なくとも一方への回動の角度範囲である不動作回動角範囲を超えて当該先端側リンクが前記少なくとも一方へ回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記捻りコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記捻りコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成されており、
   前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記捻りコイルバネの一方の端部が、前記捻りコイルバネの中心軸が前記所定の回動軸線に平行であるように前記基端側リンク又は前記先端側リンクに固定され、前記少なくとも１つの規制部材が前記捻りコイルバネの他方の端部の少なくとも一方の側に隙間を有して設けられ、
   前記少なくとも１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方に回動した場合に、前記少なくとも１つの規制部材が前記捻りコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記捻りコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように設けられ、
   前記不動作回動角範囲は、前記モータが前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントを相殺できる回動角範囲である、多関節ロボット。
3. 複数のリンクと、前記複数のリンクにおける互いに隣接する一対のリンクをそれぞれの回動軸線の周りに相対的に回動可能に連結する１以上の関節と、各前記関節を駆動するモータと、を含むロボットアームと、
   前記１以上の関節のうちの所定の回動軸線を有する関節によって当該所定の回動軸線の周りに回動可能に連結された一対のリンクの間に設けられ、当該一対のリンクのうちの先端に近い先端側リンクに前記ロボットアームの自重による前記所定の回動軸線周りの負荷モーメントに抗する重力対抗モーメントを発生させるバランサと、を備え、
   前記バランサは、前記一対のリンクのうちの先端から遠い基端側リンク又は前記先端側リンクに一方の端部が直接又は間接に取り付けられた弾性部材としての渦巻きコイルバネと、前記先端側リンク又は前記基端側リンクに設けられ、前記渦巻きコイルバネの他方の端部に当接する１つの規制部材と、を備え、前記先端側リンクが所定の基準姿勢にある場合の前記所定の回動軸線の周りの回動角である基準回動角から少なくとも一方への回動の角度範囲である不動作回動角範囲を超えて当該先端側リンクが前記少なくとも一方へ回動した場合に、前記１つの規制部材が前記渦巻きコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記渦巻きコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように構成されており、
   前記先端側リンクが前記基準姿勢にある場合において、前記渦巻きコイルバネの一方の端部が、前記渦巻きコイルバネの中心軸が前記所定の回動軸線に一致するように前記基端側リンク又は前記先端側リンクに固定され、前記１つの規制部材が前記渦巻きコイルバネの他方の端部に隙間を有して設けられ、
   前記１つの規制部材が、前記先端側リンクが前記不動作回動角範囲を超えて前記少なくとも一方としての一方に回動した場合に、前記１つの規制部材が前記渦巻きコイルバネの前記他方の端部に当接し、それによって前記渦巻きコイルバネが前記重力対抗モーメントを前記先端側リンクに発生させるよう弾性変形するように設けられ、
   前記不動作回動角範囲は、前記モータが前記ロボットアームの自重による前記所定の回
   動軸線周りの負荷モーメントを相殺できる回動角範囲である、多関節ロボット。
4. 前記ロボットアームが、固定対象物に固定される前記リンクである基部と、旋回軸線の周りに回動可能に前記基部に連結された前記基端側リンクである旋回部と、前記所定の回動軸線であって前記旋回軸線に垂直な下腕回動軸線の周りに回動可能に前記旋回部に連結された前記先端側リンクである下腕部と、を含み、
   前記バランサが、前記旋回部と前記下腕部との間に設けられ、且つ前記重力対抗モーメントを前記下腕部に発生させるものであり、
   前記弾性部材の前記一方の端部が前記旋回部又は前記下腕部に設けられており、
   前記規制部材が、前記下腕部又は前記旋回部に設けられている、請求項１乃至３のいずれかに記載の多関節ロボット。
5. 前記基準姿勢は、前記下腕部が略鉛直な姿勢である、請求項４に記載の多関節ロボット。
6. 前記ロボットアームが、固定対象物に固定される前記リンクである基部と、旋回軸線の周りに回動可能に前記基部に連結された前記リンクである旋回部と、前記旋回軸線に垂直な下腕回動軸線の周りに回動可能に前記旋回部に連結された前記基端側リンクである下腕部と、前記所定の回動軸線であって前記旋回軸線に垂直な上腕回動軸線の周りに回動可能に前記下腕部に連結された前記先端側リンクである上腕部と、を含み、
   前記バランサが、前記下腕部と前記上腕部との間に設けられ、且つ前記重力対抗モーメントを前記上腕部に発生させるものであり、
   前記弾性部材の前記一方の端部が前記下腕部又は前記上腕部に設けられており、
   前記規制部材が、前記上腕部又は前記下腕部に設けられている、請求項１乃至３のいずれかに記載の多関節ロボット。
   

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