JPH01140984A - 多関節ロボットのアーム構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、複数のリンクを備えた多関節ロボットのアー
ム構造に係り、特にアーム形状の可変化対策に関する。

（従来の技術） 従来より、多関節ロボットによる自動組立などの作業を
行う場合、ワークの種類、障害物の回避等のためロボッ
トのアーム形状を変える必要が生ずる場合がある。かか
る場合、アームの形状を可変にするにはアームに多くの
自由度を持たせる必要があり、そのために、各関節毎に
リンクを駆動するモータ等のアクチュエータを配置して
、アームを所定の形状に変え得るようにしたものは、−
船釣な多関節ロボットのアーム構造として知られている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来のものでは、各関節毎にモータ
等のアクチュエータを配置するので、高価につくととも
に、各アクチュエータを作動させるためには、複雑なサ
ーボ制御機構も必要となる。

一方、実際の作業では、ワーク等作業の種類が変わると
きに、最初の設定のみ行えば後は形状を変える必要がな
く、上記従来のもののように、多くのアクチュエータを
備えるのは、装置の効率上、無駄が多いという問題があ
る。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目
的は、単一のアクチュエータで各リンクを独立に回動可
能にすることにより、簡易な構成と制御でもって、アー
ムの形状を必要に応じて可変にすることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の解決手段は、第１図に
示すように、多関節ロボットのアーム構造として、複数
のリンク（１Ａ）〜（１Ｄ）と、該複数のリンク（１Ａ
）〜（１Ｄ）を回転駆動するための単一のアクチュエー
タ（Ｍ）と、上記複数のリンク（１Ａ）〜（１Ｄ）を相
互に回転可能に接続する複数の関節（２Ａ）〜（２Ｄ）
と、上記アクチュエータ（Ｍ）の動力を順次各リンク（
１Ａ）〜（１Ｄ）に伝動する動力伝動機構（３１）と、
上記各関節（２Ａ）〜（２Ｄ）に配置され、上記動力伝
動機構（３１）から各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）へのア
クチュエータ（Ｍ）の動力伝動をそれぞれ個別に断接す
る複数のクラッチ手段（１０Ａ）〜（１０Ｄ）と、該各
クラッチ手段（１０Ａ）〜（１０Ｄ）による各リンク（
１Ａ）〜（１Ｄ）への動力伝動の非接続時に各リンク（
１Ａ）〜（１Ｄ）の相互の回動を阻止するブレーキ手段
（１７Ａ）〜（１７Ｄ）とを設ける構成としたものであ
る。

（作用） 以上の構成により、本発明では、動力伝動機構（３１）
により、アクチュエータ（Ｍ）の動力が各リンク（１Ａ
）〜（１Ｄ）に伝動され、クラッチ手段（１０Ａ）〜（
１０Ｄ）により、個別に動力伝動が断接される。そして
、クラッチ手段（１０Ａ）〜（１０Ｄ）により各リンク
（１Ａ）〜（１Ｄ）へのアクチュエータ（Ｍ）の動力伝
動が非接続状態にあるときには、ブレーキ手段（１４Ａ
）〜（１４Ｄ）により、非接続状態にあるリンク（１Ａ
）〜（１Ｄ）の回動が阻止される。

よって、単一のアクチュエータ（Ｍ）により多自由度を
有する多関節ロボットのアームを所定形状に設定するこ
とができ、構成の簡素化によるコストダウンと作業性の
向上とを図ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、第２図以下の図面に基
づき説明する。

第２図および第３図は本発明の実施例に係る４関節形マ
ニュピレータのアームの全体構造を示し、（Ｗ）はアー
ムのベース、（Ｘ）はアームの手先、（１Ａ）〜（１Ｄ
）はアームのベース（Ｗ）側からアームの手先（Ｘ）ま
で順次直列に接続された水平面内で回転可能な第１〜第
４リンク、（２Ａ）〜（２Ｄ）は該リンク（１Ａ）〜（
１Ｄ）の交差部で各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）を相互に
連結する第１〜第４関節、（Ｍ）は、ベース（Ｗ）に取
り付けられ、各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）を回転駆動す
るためのアクチュエータとしてのモータである。

上記各関節（２Ａ）〜（２Ｄ）の内部構造は構成要素の
配置関係は異なるものの、その基本的な構成はほぼ同一
であるので、以下、第１関節（２Ａ）についてのみその
内部構造を説明する。

第４図はアームの第１関節（２Ａ）およびベース（Ｗ）
の断面を示し、（３）はベース（Ｗ）のフレーム、（４
Ａ）は該フレーム（３）の上面部に固定され、垂直下方
に所定長さだけ延びた固定軸、（５Ａ）は該固定軸（４
Ａ）と同心位置でその下方に垂設された回転軸であって
、該回転軸（５Ａ）は、上端では後述の第１リンク（Ｉ
Ａ）の上腕（ＩＡ＋）を介して上記固定軸（４Ａ）に、
下端では上記ベース（Ｗ）のフレーム（３）の下面部に
それぞれ枢支されており、水平面内での回転可能になさ
れている。

そして、上記回転軸（５Ａ）の中央部にはベアリングを
介して該回転軸（５Ａ）との回転可能なプーリ（７Ａ）
が設けられている。該プーリ（７Ａ）には上下２つのブ
ーり溝が形成されていて、下側のブーり溝にはモータ（
Ｍ）のプーリ（Ｍｌ）との間にその動力を伝動可能に接
続するベルト（８Ａ）が回行されている一方、上側のブ
ーり溝には、第２関節（２Ｂ）側のプーリ（図示せず）
にモータ（Ｍ）との間にベルト（８Ｂ）が同行されてお
り、モータ（Ｍ）の動力を順次各リンク（１Ａ）〜（１
Ｄ）に伝動するようになされている。よって、上記プー
リ（７Ａ）およびベルト（８Ａ）により、後述の各関節
（２Ｂ）〜（２Ｄ）側のプーリ（７Ｂ）〜（７Ｄ）およ
びベルト（８Ｂ）〜（８Ｄ）と併せて、モータ（アクチ
ュエータ）（Ｍ）の動力を順次各リンク（１Ａ）〜（１
Ｄ）に伝動する動力伝動機構（３１）が構成されている
。

また、上記回転軸において、上記プーリ（７Ａ）の上側
には、該プーリ（７Ａ）を回転軸（５Ａ）に断接するた
めのクラッチ機構Ｃｌ０Ａ）が配設されている。該クラ
ッチ機構（１０Ａ）は、電磁ツースクラッチで構成され
ていて、回転軸（５Ａ）に固定されたフランジ付き円筒
状のクラッチ板（ＩＩＡ）と、ベアリングを介して該ク
ラッチ板（ＩＩＡ）つまり回転軸（５Ａ）と相対的な回
動可能に設けられ、かつベース（Ｗ）のフレーム（３）
に固定された電磁コイル（１２Ａ）とからなり、該電磁
コイル（１２Ａ）のオン・オフによって上記プーリ（７
Ａ）とクラッチ板（ＩＩＡ）との連結を切換えるように
なされている。すなわち、電磁コイル（１２Ａ）がオン
状態のときには、上記プーリ（７Ａ）の上面をクラッチ
板（ＩＩＡ）に磁着させ、クラッチ板（ＩＩＡ）を介し
てプーリ（７Ａ）と回転軸（５Ａ）とを連結して、モー
タ（Ｍ）動力を回転軸（５Ａ）に伝動させる一方、電磁
コイル（１２Ａ）がオフ状態のときには、プーリ（７Ａ
）とクラッチ板（ＩＩＡ）との磁着を解放させ、回転軸
（５Ａ）へのモータ（Ｍ）動力の伝動を断つようになさ
れている。よって、上記クラッチ機構（１０Ａ）は、上
記動力伝動機構（３１）からリンク（ＩＡ）へのモータ
（Ｍ）の動力伝動を断接するクラッチ手段としての機能
を有するものである。

そして、（１７Ａ）は上記第１リンク（ＩＡ）の上腕（
ＩＡｌ）に連結されたポテンショメータであって、該ポ
テンショメータ（１７Ａ）は第１リンク（ＩＡ）の回転
角を検出してその実関節角度が目標角度になるとオフ信
号を出力し、上記クラッチ機構（１０Ａ）をオフ作動さ
せ、モータ（Ｍ）動力の回転軸（５Ａ）への伝動を非接
続状態に切換えさせるものである。

そして、上記第１リンク（ＩＡ）はいずれも水平方向に
延びた上腕（ＩＡ＋）と下腕（ＩＡ２）とを有していて
、上腕（ＩＡ＋）は、上記クラッチ機構（１０Ａ）の上
側でベアリングを介して上記固定軸（４Ａ）に回動可能
に軸支され、かつ回転軸（５Ａ）の上端とは固定接続さ
れている。−方、下腕（ＩＡ２）は、回転軸（５Ａ）の
下端付近で回転軸（５Ａ）と固定接続されている。つま
り、第１リンク（ＩＡ）は上下２箇所で回転軸（５Ａ）
に固定されている。また、該第１リンク（ＩＡ）の上腕
（ＩＡ＋）の上方には、ブレーキ機構（１４Ａ）が上記
固定軸（４Ａ）に固定接続されていて、該ブレーキ機構
（１４Ａ）は上記クラッチ機構（１０Ａ）と共通の電磁
ツースクラッチで構成されている。すなわち、電磁コイ
ル（１６Ａ）がオン状態のときには、上記第１リンク（
ＩＡ）をその上腕（ＩＡ＋）上に付設された固定板（Ｉ
Ａ３）を介し固定軸（４Ａ）に連結して第１リンク（Ｉ
Ａ）の回動を阻止する一方、電磁コイル（１６Ａ）がオ
フ状態のときには、第１リンク（ＩＡ）の回動を許容す
るようになされている。よって、上記ブレーキ機構（１
４Ａ）は、上記動力伝動機構（３１）からリンク（ＩＡ
）への動力伝動の非接続時にリンク（ＩＡ）の回動を阻
止するブレーキ手段としての機能を有するものである。

そして、同様に、他の第２〜第４関節（２Ｂ）〜（２Ｄ
）にも、第１〜第３リンク（ＩＡ）〜（ＩＣ）の上腕（
ＩＡ＋）〜（ＩＣ＋）と下腕（ＩＡ２）〜（ＩＣ２）と
の間で、それぞれ上記第１関節（ＩＡ）と同じ構成を持
った固定軸（４Ｂ）〜（４Ｄ）、回転軸（５Ｂ）〜（５
Ｄ）、動力伝動機構としてのプーリ（７Ｂ）〜（７Ｄ）
およびベルト（８Ｂ）〜（８Ｄ）、クラッチ手段として
のクラッチ機構（１０Ｂ）〜（１０Ｄ）並びにブレーキ
手段としてのブレーキ機構（１４Ａ）〜（１４Ｄ）が備
えられている（ただし、各機器の配置関係は、上記第１
関節（２Ａ）とは上下逆になっている）。また、第４リ
ンク（ＩＤ）には、アーム手先（Ｘ）が取り付けられて
いて、上記各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）相互の角度位置
関係によって所定の作業に応じたアーム全体の形状と運
動とが定められるようになされている。

なお、上記アーム手先（Ｘ）には、エアシリンダの上下
軸および開閉ハンドが取付けられていて、上記各関節（
２人）〜（２Ｄ）の４自由度と併せて合計５自由度のア
ームが構成されている。

そして、ロボットには、その全体の動作を制御するため
の制御装置が配置されている。第５図は上記第１関節（
ＩＡ）の制御系を示し、（２１Ａ）はロボットの速度計
画に基づき出力されるアーム手先（Ｘ）の目標関節角度
信号θ「１と実関節角度信号θｌとの代数差を演算する
第１加え合せ点、（２２Ａ）は該第１加え合せ点（２１
Ａ）の演算結果（θ「１−θｌ）に位置フィードバック
ゲインＫｐｌを乗じる位置フィードバックゲイン要素、
（２３Ａ）は該位置フィードバックゲイン要素（２２Ａ
）の演算結果Ｋｐｌ−（θｒ１−θ１）と角速度フィー
ドバックゲインＫｖＬが乗じられた実関節角度信号Ｋｖ
ｌ・θｌとの代数差を演算して、モータ（Ｍ）を駆動す
る制御信号としての関節角加速度指令信号υ「ｌを出力
する第２加え合せ点、（２４Ａ）は上記ポテンシヨメー
タ（１７Ａ）の信号に応じてモータ（Ｍ）の出力を関節
（２Ａ）側に断接するスイッチ、（２５Ａ）は関節（２
Ａ）の角加速度υｌを積分して実関節角速度θｌを演算
する第１積分要素、（２７Ａ）は実関節角速度θｌを積
分して角度θ１を算出する第２積分要素、（２δＡ）は
角速度フィードバックループに介設され、実関節角速度
信号θ１に上記角速度フィードバックゲインＫｖｌを乗
するための角速度フィードバックゲイン要素である。な
お、上記スイッチ（２４Ａ）のオンは前述のクラッチ機
構（１０Ａ）のオンおよびブレーキ機構（１４Ａ）のオ
フに対応しているが、そのオフはクラッチ機構（１０Ａ
）のオフおよびブレーキ機構（１４Ａ）のオンに対応し
ていない。

また、第６図はアーム全体の制御系の概略を示し、図に
示されるように、他の関節（２Ｂ）〜（２Ｄ）の制御系
も同様に構成されている（ゲイン要素、積分要素等は省
略している）。すなわち、各関節（２Ａ）〜（２Ｄ）の
目標角度信号θ「１〜θｒ４と実関節角度θ１〜θ２と
の角度偏差に基づきモータ（Ｍ）を駆動するとともに、
スイッチ（２４Ａ）〜（２４Ｄ）が個別にオン・オフし
、モータ（Ｍ）の出力をそれぞれ各関節（２Ａ）〜（２
Ｄ）に断接してその作動を制御するようになされている
。

次に、ロボットによる作業の開始時等に、アームの形状
を設定するための制御について、第７図のフローチャー
トに基づき説明するに、ステップＳ１でアーム手先（Ｘ
）の目標位置に基づき各目標関節角度θ「１〜θｒ４を
決定し、ステップＳ２で第１関節（２人）の角度位置制
御に入る。すなわち、スイッチ（２４Ａ）をオン作動し
てモータ（Ｍ）動力を第１関節（２Ａ）に接続し、ステ
ップＳ３で、第１関節（２Ａ）つまり第１リンク（ＩＡ
）の角度θ１が目標角度θ「１に一致してその偏差ｅが
零になるのを待って、ステップＳ４に進んでスイッチ（
２４Ａ）をオフにする。

同様に、ステップＳ５〜Ｓ７で第２関節（２Ａ）の角度
位置設定を行い、以下、ステップＳＩ３まで進んで各関
節（２Ａ）〜（２Ｄ）の角度位置設定を終了する。

そして、その後、アーム手先（Ｘ）の作動による自動組
立等の作業を行う。

したがって、上記実施例では、クラッチ機構（１０Ａ）
〜（１０Ｄ）により、各関節（２Ａ）〜（２Ｄ）ごとに
動力伝動機構（３１）によるモータ（Ｍ）動力の伝動を
断接するようにしているので、単一のモータ（アクチュ
エータ）により各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）を個別に作
動させてアームの形状を任意に変えることができる。

例えば、第８図は、本発明を障害物（２８）がある場合
に適用した例を示し、アームを障害物（２８）を回避し
得るような形状に設定しておき、ワーク（２９）を移動
するときには、第３関節（２Ｃ）のみ回動させることに
より、所定の作業を行うことができる。また、第９図は
、本発明を入口の狭い容器（３０）内部で行う場合に適
用した例を示し、アーム手先（Ｘ）を容器（３０）内部
に移動させアームを所定の形状に設定した後、第４関節
（２Ｄ）のみ回動させて作業を行うことができるように
したものである。

その場合、単一のアクチュエータ（Ｍ）により、４自由
度を有するアームの各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）の駆動
を行ってアームの形状を設定できるので、構造が簡素に
済み、制御も単純化され、コスダウンを図ることができ
る。また、ベース（Ｗ）側の第１関節（２Ａ）以外の他
の関節（２Ｂ）〜（２Ｄ）にはアクチュエータ（Ｍ）が
配置されていないために、その容積の軽減による各リン
ク（１Ａ）〜（１Ｄ）間の干渉が防止されている。さら
に、関節重量が軽量化されるので、アームの動作の高速
化および制御精度の向上をも図ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、多自由度を有す
る複数のリンクを持った多関節ロボットのアーム構造と
して、単一のアクチュエータの動力を各関節に伝動させ
、各関節側にクラッチ機構を配置して動力の伝動を断接
する一方、アクチュエータ動力が接続されていないとき
には、関節の回動を阻止するようにしたので、アームの
形状を単一のアクチュエータにより設定することができ
、構成の簡素化によるコストダウンと作業性の向上とを
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す図である。第２図以下は本
発明の実施例を示し、第２図はアーム全体の構造を示す
縦断面図、第３図はその平面図、第４図は第１関節の断
面拡大図、第５図は第１関節の制御回路を示すブロック
図、第６図はアーム全体の制御回路を示すブロック図、
第７図はアーム形状の設定制御を示すフローチャート図
、第８図は障害物がある場合の作業説明図、第９図は入
口の狭い容器内での作業説明図である。 （１Ａ）〜（１Ｄ）・・・第１〜第４リンク、（２Ａ）
　〜（２Ｄ）−・・第１〜第４関節、（１ｏＡ）〜（１
０Ｄ）・・・クラッチ機構（クラッチ手段）、（１４Ａ
）〜（１４Ｄ）・・・ブレーキ機構（ブレーキ手段）、
（３１）・・・動力伝動機構。 第８＠ 第９図 第１図 ０Ｂ 第４　図 第２図 第３ＷＪ 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のリンク（１Ａ）〜（１Ｄ）と、該複数のリ
   ンク（１Ａ）〜（１Ｄ）を回転駆動するための単一のア
   クチュエータ（Ｍ）と、上記複数のリンク（１Ａ）〜（
   １Ｄ）を相互に回転可能に接続する複数の関節（２Ａ）
   〜（２Ｄ）と、上記アクチュエータ（Ｍ）の動力を順次
   各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）に伝動する動力伝動機構（
   ３１）と、上記各関節（２Ａ）〜（２Ｄ）に配置され、
   上記動力伝動機構（３１）から各リンク（１Ａ）〜（１
   Ｄ）へのアクチュエータ（Ｍ）の動力伝動をそれぞれ個
   別に断接する複数のクラッチ手段（１０Ａ）〜（１０Ｄ
   ）と、該各クラッチ手段（１０Ａ）〜（１０Ｄ）による
   各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）への動力伝動の非接続時に
   各リンク（１Ａ）〜（１Ｄ）の相互の回動を阻止するブ
   レーキ手段（１７Ａ）〜（１７Ｄ）とを備えてなる多関
   節ロボットのアーム構造。