JPH0253590A - 産業用多関節ロボットのリンク機構 - 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、産業用多関節ロボットに関し、特に２つの第
１、第２の枢動ロボット腕が上腕、前腕構造で枢着結合
され、前腕側の第２ロボット腕の枢動は、上腕側の第１
ロボット腕の枢動点の近傍に１つのリンク節を有する４
節リンク機構を介して駆動力が伝達される構成を有した
産業用ロボットのリンク機構に関する。

〔従来の技術〕

産業用多関節ロボットの一形態として、平行４節リンク
機構を有した多関節ロボットは、従来からシール用途、
溶接用途、ハンドリング用途等に多用されている。第５
図は、このような平行４節リンク機構を有したロボット
の１例を示し、ロボット基台１に搭載されたロボット旋
回胴２、このロボット旋回胴２の頂部に枢動可能に枢着
された第１のロボット腕３、その第１ロボット腕３の先
端に枢動可能に枢着された第２のロボット腕４とを有し
、第２ロボット腕４の先端にはロボット手首５が具備さ
れている。上記ロボット胴２の両側には第１ロボット腕
３を駆動する（矢印Ｗ）駆動モータＭｗ（第５図の紙面
に垂直方向から見た裏側に有るため点線図示）と、第２
ロボット腕４の駆動モータＭｕとが１対で設けられ、ま
た、手首５の複数自由度の動作を駆動する駆動モータは
、明示していないが、第２ロボット腕４の後端や中間部
分に搭載されている。平行４節リンク機構は、第２ロボ
ット腕４の枢動駆動源である駆動モータＭｕに直結した
駆動リンク６と、その駆動リンク６の外端６ａに枢着さ
れた１つの従動リンク７と、第１のロボット腕３及び第
２のロボット腕４の夫々の一部を成す他の従動リンク３
ａ、４ａとを有して形成され、駆動モータＭｕにより駆
動リンク６が第１ロボット腕３の枢動軸と同一軸回りに
駆動されると、それに応じて従動リンク７．４ａが従動
し、第２ロボット腕４の伏仰回転（矢印Ｕ）による枢動
が第１ロボット腕３との枢着点まわりに発生する。

〔発明が解決すべき課題〕

上述した構成から成る平行４節リンク機構を備えたロボ
ットにおいては、駆動リンク６が駆動モータＭｕにより
駆動される動作角と、その駆動リンク６の動作に応じて
従動する従動リンク４ａの動作角とが同じであったため
に、第２ロボット腕４の動作角を大きくして動作能力の
拡大を図ろうとすると、必然的に平行４節リンク機構の
駆動リンク６の動作角度も大きくなる。然しなから、こ
のように駆動リンク６の動作角を大きく取ろうとすると
きには、該駆動リンク６の振り角が大きくなることであ
るため、その外端６ａが下向きに移動することになり、
故に、基台１や旋回胴２に付設したロボット機体部の一
部やその他の駆動源等にぶつかり干渉を起こす危惧があ
り、それを回避するために、旋回胴２の背丈をわざわざ
高くする対策が取られた。その結果、ロボット旋回胴２
の機械的剛性が低下したり、ロボット背丈が大きく成っ
て種々の保守作業等が遂行困難になる等の不利が有る。

依って、本発明の目的は、このような不利を解消すべく
、産業用多関節ロボットにおける平行４節リンク機構か
ら成る伝動機構の改善を図ることにある。

〔解決手段と作用〕

すなわち、本発明に依れば、第１のロボット腕の先端と
第２のロボット腕とが枢着結合され、前記第１ロボット
腕の末端側から４節リンク機構を介して前記第２ロボッ
ト腕に枢動力を伝達する産業用多関節ロボットのリンク
機構において、前記４節リンク機構は、前記第２ロボッ
ト腕の駆動源と直結したリンクを駆動リンク、該駆動リ
ンクに一端が枢着されると共に他端側が前記第２ロボッ
ト腕に結合された他のリンク群を従動リンクとして形成
され、前記駆動、従動リンクの長さを該駆動リンクの枢
動角に対する前記第２ロボット腕の枢動角との関係から
定めた非平行リンク機構に形成した産業用多関節ロボッ
トのリンク機構を提供し、駆動リンクと従動リンクとの
長さ比を第２ロボット腕の所望動作量に従って適正な比
率値に選択、設計し、動作リンクが干渉を起こすことな
く、しかも、必要な第２ロボット腕動作の駆動力を伝達
し得るようにしたものである。即ち、例えば、駆動リン
クの長さを従動リンクの長さより短く選定し、以て駆動
リンクの動作角度を従来の平行４節リンク機構の駆動リ
ンクの動作角と同じとき、従動リンク、延いては第２ロ
ボット腕の伏仰動作角を従来より大きくすることができ
るのである。

以下、本発明を添付図面を参照して更に、詳細に説明す
る。

〔実施例〕

第１図は、産業用多関節ロボットに具備される本発明に
係る４節リンク機構の幾何学的構成を示した機構図であ
り、第２図は同リンク機構の幾何学的解析を説明するた
めにＸ、Ｙ直交２軸座標系により、同リンク機構を表示
した機構図である。

先ず、第１図を参照すると、同リンク機構は多関節ロボ
ットの第１ロボット腕１３が支点１１ａの回りに枢動可
能に設けられ、当該第１ロボット腕１３の先端の支点１
１ｂの回りに第２ロボット腕１４が枢動可能に設けられ
ている。４節リンク機構１０は、第１ロボット腕１３の
支点１１ａの近傍かつ分離した位置に節１１ｃを有する
駆動リンク１６と、その外端の節１６ａに枢着された第
１の従動リンク１７と、その第１の従動リンク１７の先
端側の節１７ａと第２ロボット腕１４の支点１１ｂとの
間にあり、該第２ロボット腕１４の後方部分を成す第２
従動リンクＬ４ａと、支点１１ｂと節１１ａとの間の仮
想リンク１３ａとを具備して構成されている。このとき
、この４節リンク機構１０における仮想リンク１３ａの
長さａは次式で与えられる。

ａ＝　　ｅ”　＋ｆ”　−２・ｅ　−ｆ　ｃｏｓ　（π
／２＋Ｗ）・　・　・　（１） ここで、ｂ：　駆動リンク１６の長さ、Ｃ：　第１の従
動リンク１７の長さ、 ｄ：　第２従動リンク１４ａの長さ、 ｅ：　第１ロボット腕１３の長さ、 ｆ：　支点１１ａと節１１ｃとの分離距離、 Ｗ：　第１ロボット腕１３の垂直姿勢位置をＯとした枢
動角、 なお、上式（１）に表れないが、第１図に示した他の記
号は以下の記載において、次の意味を与える。

Ｕｏ　：　第２ロボット腕１４の水平姿勢位置を０とし
た枢動角、 Ｕｌ　：　駆動リンク１６の水平姿勢位置からの動作角
、 θ　：　仮想リンク１３ａの延長線と駆動リンク１６と
が成す角度、 α　：　第１ロボット腕１３と仮想リンク１３ａとが成
す角度、 ψ　：　仮想リンク１３ａと従動リンク１４ａとの間の
角度、 この第１図の４節リンク機横１０を更に一般化して第２
図に示すように、ｘ、ｙ直交座標系で幾何学的に考察す
る。このとき、４節リンク機構ｌＯの節１１ｂを、Ｘ、
Ｙ座標系の原点百に位置させて考察する。

いま、Ｘ方向では、 ｄｓｉｎ　　（ψ−π／２　　）−ｃｃｏｓ　　（π−
θＣ）＋ｂｃｏｓ　θ＋ａ−０・・・　（２）また、Ｙ
方向では、 ａｃｏｓ（ψ−π／２）　　ｃｓｉｎ（π−θＣ）−ｂ
ｓｉｎ　θ＝０　　　　　−・・（３）が幾何学的に成
立する。

上記（２）、（３）式より、 ｃ”ｃｏｓ”（π−θｃ）＝　（ａ＋ｂｃｏｓθ＋ｄｓ
ｉｎ（ψ−π／２）１ ・　・　（４） ｃ　”ｓｉｎ”（π−θｃ）＝（−ｂｓｉｎ　　θ＋ａ
ｃｏｓ（φ−π／２））” 依って、（４）、（５）式の和を取ることに依って、 ａ”　＋ｂ”　−ｃ”　＋ｄ”　＋’ｌａ　ｂｃｏｓθ
＋２ｂｄｃｏｓθ５ｉｎ（ψ−π／２）＋　’ｌ　ａ　
ｄｓｉｎ（ψ−π／２）−２ｂｄｓｉｎ　ａｃｏｓ　（
ψ−π／２）＝０・　・　・　（６） 然るに、５ｊｎ（ψ−π／２）＝−ｃｏｓψ、ｃｏｓ　
（ψ−π／２　）＝ｓｉｎψであるから、（６）式は、
次のように書き替えられる。

ａ”　＋ｂ”　−ｃ”　＋ｄ”　＋２ａｂｃｏｓθ−２
ｂｄｃｏｓ　θｃｏｓψ−２ａｄｃｏｓψ−２ｂｄｓｉ
ｎ　θｓｉｎψ＝Ｏ 、゛、　（−２ｂ　ｄｃｏｓ　θ−２ａｄ）ｃｏｓψ−
２ｂｄｓｉｎ　　θｓｔｎψ＋ａ”　　＋ｂ”　　−ｃ
”　　＋ｄ”＋　２　ａ　ｂｃｏｓ　θ１０ 、’、　（２ｂ　ｄｃｏｓ　θ＋２ａｄ）ｃｏｓψ＋　
２ｂ　ｄｓｉｎ　θｓｉｎψ−ａ”　＋ｂ”　−（Ｚ　
＋ａ２＋２ａｂｃｏｓ　θ　　　　　　　　　　・・−
（７）ここで、（７）式の左辺を書き替えると、Ｃｃｏ
ｓ　　（Ｂ−ψ）ｍａ”　　＋ｂ”　　−ｃ”　　＋ｄ
”　　＋２ａｂ　ｃｏｓ　　θ　　　　　　　　　　　
　　　　　・　・　・　（８）となる、但し、 Ｃ＝（２−ｂｄｃｏｓ　ｏ＋２ｎｄ　）”　　＋　４　
ｂ”ｄ’ｓｌｎ”　０ｗ　（４・ｂ”ｄ”　＋　４　ａ
”　ｄ”　＋　ｇ　ａ　ｂ　ｄ”ｃｏｓθ）Ｉ／！’ｗ
２ｃ！　　ａ”＋ｂ”２ａｂｃｏｓθ・・・　（９）ま
た、 となる。

また、第１図において、 Ｕゆ＋φ＋α＋Ｗ−π／２　　・・・　（１３）Ｕ、＋
θ＋α＋Ｗ−π／２　　・・・　（１４）が幾何学的に
成り立つことがわかる。

但し、 ｃｏｓ　α＝１／２ａ−ｅ　　（ａ”　＋ａ”　−ｆ”
　）２　ｅ”　−２ｅ　ｆｃｏｓ　（ｆｆ／２＋Ｗ）と
する。

（８）式１．（９）式から、 （１０）式を導入すると、 依って、第１図、第２図に示した４節リンク機横１０に
おいて、駆動リンク１６の動作角Ｕ、と、第２ロボット
腕１４の動作角Ｕ０とは次式の既知量で表される。

Ｕｏ　−π／２−Ｗ−α−ψ ＵＩ　Ｍπ／２−Ｗ−α−θ φは上記（１２）式から定まり、また、上記の式°より
・　・　・　（１２） ・　・　・　（Ｌ、−５−）、− このように、Ｕ、とり、とは駆動リンク１６と従動リン
ク１７１、’１４ａ、第１ロボット腕１３の長さｅ、支
点１１ａと節１１ｃとの間の分離長さｆ等の長さと直接
の関係を有していることがわかる。

故に、駆動リンク１６の長さｂ１従動リンク１７．１４
ａの長さｃ、ｄと分離長さｆを変えることにより、駆動
リンク１６の動作角Ｕ、と第２ロボット腕１４の動作角
Ｕ０の関係を変え得ることがわかる。

いま、多関節ロボットの４節リンク機構１０の実施例と
して、簡略のために、支点１１ａと節１１ｃとの間の分
離長さｆを０、つまり、駆動リンク１６の節１１ｃが第
１ロボット腕１３の支点１１ａの軸上に有る場合を想定
して（ａ　−ｅ）上述の幾何学的関係を更に考察する。

このとき、第３図から明らかなように、Ｗ＋Ｕｌ　　＋
θ−π／２　・・・　（１３）’Ｗ＋ＵＯ＋ψ−π／２
　・・・　（１４）　’が成り立つ。

故に、駆動リンク１６の動作角Ｕ、と第２ロボット腕１
４の動作角Ｕｏの関係は、前述の式％式％） ただし、 θ工π／２−Ｗ−Ｕｌ となる。

従って、駆動リンク１６、従動リンク１７．１４ａ、第
１ロボット腕１３　（＝仮想リンク１３ａ）の長さす、
ｃ、ｄ、ａ＝ｅを夫々、下記のように２つの場合に選定
し、Ｕ、とＵｏとの関係を計算して見ると下表（１）、
（ＩＩ）のようになる。

（１）　ａ−ｅ＝８００　、ｂ　−３００、ｃ＝８００
　。

ｄ＝２５０、 （２）　ａ　＝　ｅ　＝８００　、ｂ　−３００、ｃ−
７５０、ｄ＝３００、 （以下余白） ■　１の人 いま、上記の表■の場合に就いて、４節リンク機構１０
として図式化すると、第４図Ａに示されるように、駆動
リンク１６の動作角が上向きに６０．０’、下向きに３
０．０”であるとき、対応した第２ロボット腕１４の動
作角は、水平姿勢位置から上向きには約３７．６°、下
向きには、約８５．４’の伏仰動作が可能となる。

他方、第４Ｂ図に示すように、駆動リンク１６と従動リ
ンク１４ａの長さを共に３００ミリメートルとして比を
ｌ＝１に設定したときには、駆動リンクの動作角が上記
と同じ角度量であるとき、第２ロボット腕の動作角は、
上向きに、約３０゜下向きに約６０＠となり、本発明の
実施例のように非平行の４節リンク機構１０にして長さ
比を選定すると、駆動リンク１６の同じ動作角度に対応
した第２ロボット腕１４の動作角度を拡大させることが
可能となる。

以上の説明から、本発明によれば、産業用多関節ロボッ
トが４節リンク機構を備えた構造である場合に、駆動リ
ンク１６と他の従動リンク１７．１４ａのリンク長さを
平行四辺形から変形させ、非平行リンク機構とし、しか
もリンク間の長さ比を選定することにより、駆動リンク
１６と従動リンク１４ａ１延いては、第２ロボット腕１
４の動作角度を異なるようにすることが可能となり、特
に、駆動リンク１６の長さｂを従動リンク１４ａの長さ
ｄより長くしたｂａｄの関係に選定すると駆動リンク１
６の動作角全域に渡り、該駆動リンク１６が動作する角
度量に対応した従動リンク１４ａの動作角度量を大きく
することができる。

つまり、駆動リンク１６の動作角度量を従来と同じ角度
量とすれば、従動リンク１４ａと一体の第２ロボット腕
１４は従来のものに比較して動作角度量を大きくでき、
逆に第２ロボット腕１４の動作角度量を従来と同じに選
定すれば、そのような第２ロボット腕１４の動作を駆動
する駆動リンク１６自体の動作角度量は従来より小さな
角度量で達成できるのである。従って、第２ロボット腕
１４が、その先端に装着するエンドエフェクタの行う所
望動作に応じて動作角度量を選定されると駆動リンク１
６に関しては、リンク長さを従来より短くしたコンパク
トな構造で４節リンク機構１０を構成することが可能と
なるのである。

なお、４節リンク機構１０のリンク長さを変えると、第
１ロボット腕１３が動作した場合に、第２ロボット腕１
４が動いてしまう問題があるが、これは、ロボット動作
を制御するロボット制御装置側でソフトウェアにより補
正動作させれば良く、簡単に解決することができる。ま
た、第１ロボット腕１３の位置により、駆動リンク１６
と従動リンク１４ａとの動作角度の関係が変わるが、こ
れもロボット制御装置側のソフトウェアにより補正すれ
ば良い。

〔発明の効果〕

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、産
業用ロボットの４節リンク機構は、駆動リンクと従動リ
ンクとの間の長さの関係を変えて従来の平行リンク機構
から非平行リンク機構にすることにより、つまり、駆動
リンクと従動リンクとの長さ比を選定することにより、
ロボット腕の動作範囲がコンパクトなリンク機構で大き
な動作範囲の枢動動作を生起させ得ると言う効果かえら
れるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、産業用多関節ロボットに具備される本発明に
係る４節リンク機構の幾何学的構成を示した機構図であ
り、第２図は同リンク機構の幾何学的解析を説明するた
めにＸ、Ｙ直交２軸座標系により、同リンク機構を表示
した機構図、第３図は４節非平行リンク機構の実施例を
説明する略示機構図、第４Ａ図、第４Ｂ図は本発明によ
る４節非平行リンク機構と従来の平行リンク機構の動作
範囲を比較図示した略示機構図、第５図は産業用多関節
ロボットが従来の平行４節リンク機構を備えた場合の構
成例を示す側面図。 １０・・・４節リンク機構、ｌｌａ・・・支点、１１ｂ
、１１．Ｃ・・・節、　１３・・・第１ロボット腕、１
４・・・第２ロボット腕、１６・・・駆動リンク、１６
ａ・・・節、 １４ａ、１７・・・従動リンク。 本発明 第４Ａ回 （ｗ＝ｏ”） （仰姿勢） 従来技術 第４８図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、第１のロボット腕の先端と第２のロボット腕とが枢
   着結合され、前記第１ロボット腕の末端側から４節リン
   ク機構を介して前記第２ロボット腕に枢動力を伝達する
   産業用多関節ロボットのリンク機構において、前記４節
   リンク機構は、前記第２ロボット腕の駆動源と直結した
   リンクを駆動リンク、該駆動リンクに一端が枢着される
   と共に他端側が前記第２ロボット腕に結合された他のリ
   ンク群を従動リンクとして形成され、前記駆動、従動リ
   ンクの長さを該駆動リンクの枢動角に対する前記第２ロ
   ボット腕の枢動角との関係から定めた非平行リンク機構
   に形成したことを特徴とした産業用多関節ロボットのリ
   ンク機構。２、前記４節リンク機構は、前記駆動リンク
   と前記第２ロボット腕の駆動源との直結点から成るリン
   ク節が、前記第１ロボット腕の枢動点から分離されてい
   る構成を有した４節リンク機構として形成された特許請
   求の範囲１項に記載の産業用多関節ロボットのリンク機
   構。