JPH0425385A - 多関節ロボット - 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、主に産業分野のロボットにおいて、アームを
構成するリンクと関節構造及びアームを位置決めするた
めの関節の駆動部に関するものである。

〔従来の技術とその課題〕

ロボットを利用した自動化システムを構築する場合、シ
ステムを設計するエンジニアからは、ロボットの持つ動
作領域がそのシステムに適合する形状で、かつロボット
の設置に必要な面積のうちで動作領域の占める割合が高
いことが要求され、さらに高速で動作できることも要求
される。

以下、図面を１照しながら、従来のロボットの上述した
要求項目に関する現状について説明する。

第５図は３つの直線駆動機構２８と１つの回転駆動機構
２９を持つ、一般的に直交形と呼ばれるロボットの構造
モデルとその動作領域６０を示す図である。直交形ロボ
ットの特徴としては、図のように使いやすい立方形の動
作領域３０を持つこと、ボールネジと呼ばれる回転／直
動変換機構を採用しているので、その減速効果により、
あまり高速に動作させることができないこと、構造がリ
ンクを組み合わせたものより複雑で大きくなるため、設
置に必要な面積のうちに占める動作領域３０平面の割合
が低い点が上げられる。

第６図は２本のリンク３１．３２を水平に配置して、そ
れぞれのリンク３１．６２を回転させる回転駆動機構３
６．３４と、直線駆動機構３５及び回転駆動機構３６か
ら構成される工具軸部６７とを持ち、一般的に水平多関
節形と呼ばれるロボットの構造モデルとその動作領域３
８を示す図である。水平多関節形ロボットの特徴として
は、図のように中空円筒形の動作領域３８を持つが、そ
れが一般的にパレットや他の周辺機器の配置を考えると
、使用効率の良い形状ではないこと、リンク３１．３２
を組合せ、先端に工具軸部６７を配置する構造であるた
め、その増速効果により、高速に動作させることができ
ること、ロボットの構造が中央に基部６９を配置して、
その上にリンク３１．６２を積み重ねる構造を採ってい
るため、設置に必要な面積に占める動作領域６８平面の
割合が、直交形のロボットに比べて高い点が上げられる
。

これまで述べてきたように、どのタイプのロボットも、
システムを設計するエンジニアの要求を全般的に満たす
ことができないのが、現状である。

そこで本発明の目的は、動作領域が使用効率の高い略立
方体の形状であり、高速に動作可能で、設置に必要な面
積に占める動作領域平面の割合が高いコンパクトなロボ
ット構造を提供する。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明は、天井
あるいけ壁面などの外部に固定される基部に形設された
、鉛直下方に移動可能な可動部を有する直線駆動機構と
、 この直線駆動機構の可動部に取り付けられた、Ｘ軸中心
、ｙ軸中心に回転可能な２個の回転駆動機構が配置され
た駆動関節部と、 この駆動関節部に連結された主リンク、補助リンクと、
前記２個の回転駆動機構に対向配置された２個の回転機
構からなる従動関節部と、２組の補助リンク関節部とに
よって構成された２組の平行リンク機構と、 この平行リンク機構の先に取り付けられた工具軸とを有
する多関節ロボットの構造を提案する。

この構造を採用することによって、駆動関節部のどちら
の回転駆動機構が回転しても、２組の平行リンク機構が
先端に配置された工具軸部を常に鉛直方向に保つように
作用し、２５次元の位置決めを可能にしている。

また、２組の平行リンク機構を、基部に形設された直線
駆動機構と駆動関節部の２個の回転駆動機構とを使い動
作させることにより、工具軸部先端の位置が略立方体の
動作領域を確保する。

さらに、基部を天井あるいは壁面などの外部に固定する
ことにより、設置に必要な面積は小さくなり、設置面積
に対する動作領域平面の占める割合が大きくなり、リン
ク構造を採用することで回転／直線変換機構を利用した
直線駆動機構より高速で動作することもできる。

さらにまた、この構造はｘ、ｙ、ｚ、ｃ方向への位置決
めのための各関節を制御する演算が比較的簡単に行える
構造でもある。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図は本実施例のロボットの外観を示している。天井
に固定された基部１にポール部２を鉛直下方に立設し、
ポール部２に組み込まれた直線駆動機構の先端に２自由
度の駆動部分を持つ第１関節部３を水平方向に配置する
。第１関節部３のＸ方向自由度の部分には、アーム部４
が鉛直方向に接続され、第１関節部乙の動きに合わせて
従動的に動く２自由度の第２関節部５を経由して、回転
駆動機構を持つ工具軸部６を保持している。工具軸部６
先端にはツール７が取り付けられるが、このツール７の
位置決め可能な範囲は、−点鎖線で表された動作領域８
の中で、その形状は略立方体となる。なお、本実施例で
は、基部１を天井に固定したが、壁面などに固定しても
よく、その際は基部１あるいはポール２を水平方向に突
出させることで対応できる。

次に、第１図と第２図に示された構造モデルにより、構
造についての詳細な説明を行なう。基部１に固定された
ポール部２には、直線駆動機構が組み込まれており、ツ
ール７の２方向の位置決めを行なう。後述するがｘｙＸ
方向位置決めを行なう場合、アーム部４を揺動させるこ
とになる。このロボットの構造ではｘｙＸ方向動作に伴
い、２方向に補正をかける必要が生じるが、この補正も
ポール部２の直線駆動機構の可動部９の動きによって補
正制御される。直線駆動機構の可動部９には、Ｘ軸中心
、ｙ軸中心に回転可能な２個の回転駆動機構を直角方向
に配置した第１関節部６が取り付けられている。Ｘ軸中
心回転駆動機構の出力部１３には主リンク１４が取り付
けられ、Ｘ軸中心回転従動機構の入力部２１へ接続され
る。Ｘ軸中心回転駆動機構の入力部１２に固定された第
２補助リンク固定部１６からは、上下の第１補助リンク
関節１９に挾まれる形で、第１補助リンク２５が、Ｘ軸
中心回転従動機構の出力部２２に固定されている第４補
助リンク固定部１８へ接続されている。これにより、Ｘ
方向に主リンク１４と第１補助リンク２５から構成され
る１組の平行リンク機構が形成され、Ｘ軸中心回転駆動
機構１２．１３が回転することにより、アーム部４はＸ
方向に揺動運動する。

Ｘ方向は直線駆動機構の可動部９が固定されたｙ軸中心
回転駆動機構の入力部１０に、正面から見ると、Ｘ軸中
心回転駆動機構の入出力部１２．１３、主リンク１４、
Ｘ軸中心回転従動機構の入出力部２１．２２と連なるコ
の字形のリンク群が、ｙ軸中心回転従動機構の入出力部
２６．２４に接続される。またｙ軸中心回転駆動機構の
入力部１０に固定された第１補助リンク固定部１５には
、上下の第２補助リンク関節２０に挾まれる形で第２補
助リンク２６が、工具軸部６を保持しているｙ軸中心回
転従動機構の出力部２４に固定されている第３補助リン
ク固定部１７に接続されている。

これにより、Ｘ方向は前述のコの字形のリンク群と第２
補助リンクによって構成される平行リンク機構が形成さ
れ、Ｘ軸中心回転駆動機構１０．１１が回転することに
より、アーム部４はＸ方向に揺動運動する。この場合、
平行リンクを構成する第２補助リンク関節２０は、ｘｙ
ｚの３自由度を持つ関節でなければならない。よって、
第１関節部６の回転駆動機構を回転させることにより、
２組の平行リンク機構を揺動運動し、ツール７をｘｙＸ
方向位置決めすることができる。基本的にこの２組の平
行リンク機構が、ｘｙＸ方向２自由度の構成になるため
に、ポール部２の直線駆動機構の２方向の１自由度と併
せて、ツール７の動作領域８は略立方体の形状となる。

また、工具軸部６に組み込まれたＣ方向回転駆動機構２
７も併せることにより、４自由度の位置決めが可能であ
る。

次に、第３図の動作モデルを用い、ロボットの動作と工
具軸部６の鉛直方向への機械的な姿勢修正の仕組みを説
明する。

第３図（ａ）、（ｂ）はロボットを正面から見た図であ
る。Ｘ軸中心回転駆動機構の入出力部１２．１６、主リ
ンク１４、Ｘ軸中心回転従動機構の入出力部２１．２２
と連なるコの字形のリンク群と、上下の第２補助リンク
関節２０に挾まれる形の第２補助リンク２６とにより、
平行リンク機構が構成されている。ここで、ｙ軸中心回
転駆動機構の出力部１１がθ回転しても、第１補助リン
ク固定部１５に保持されている上の第２補助リンク関節
２０は、そのままの位置を保つ。これにより、上下の第
２補助リンク関節２０に挾まれる形の第２補助リンク２
６、第３補助リンク固定部１７、ｙ軸中心回転従動機構
の入出力部２３．２４を経由して、工具軸部６に接続さ
れているリンク群の自由度を拘束し、（ｂ）のような姿
勢で位置決めされる。

この時、工具軸部６は姿勢修正作用がない場合、（ｂ）
の−点鎖線で表された位置に位置決めされる。

しかし、平行リンクの姿勢修正作用により、ｙ軸中心回
転駆動機構の回転角度と同じ大きさで反対の方向に姿勢
を変える。

第３図（ｅ）、（ｄ）は、ロボットを左側面から見た図
である。（Ｃ１を見ると、Ｘ軸中心回転駆動機構の出力
部１６、主リンク１４、Ｘ軸中心回転従動機構の入力部
２１のリンク群と、第２補助リンク固定部１６、上下の
第１補助リンク関節１９、第１補助リンク２５、第４補
助リンク固定部１８とで、平行リンク機構が構成されて
いるのがわかる。ここで、Ｘ軸中心回転駆動機構の出力
部１６がα回転しても、第２補助リンク固定部１６に保
持されている上の第１補助リンク関節１９は、そのまま
の位置を保つ。これにより、上下の第１補助リンク関節
１９に挾まれる形の第１補助リンク２５、第４補助リン
ク固定部１８、Ｘ軸中心回転従動機構の入出力部２１．
２２を経由して、ｙ軸中心回転従動機構の入力部２６に
接続されているリンク群の自由度を拘束し、（ｄ）のよ
うな姿勢で位置決めされる。この時、工具軸部６は姿勢
修正作用がない場合、（ｄ）の−点鎖線で表された位置
に位置決めされる。しかし、平行リンクの姿勢修正作用
により、Ｘ軸中心回転駆動機構の回転角度と同じ大きさ
で反対の方向に姿勢を変える。

これまでｘ、ｙ別々に動作した場合を説明したが、ｘ、
ｙが同時に動作してもそれぞれの方向で姿勢修正作用が
働き、工具軸部６の姿勢は鉛直方向に自動的に修正され
る。

最後に、このロボットを位置制御する場合の運動につい
て、順、逆側方向の説明を行なう。

第４図は、このロボットの運動学モデルを表している。

これはＸ軸中心駆動機構をθ回転、Ｘ軸中心駆動機構を
α回転、２方向直線駆動機構をｚｌ移動、Ｃ方向回転駆
動機構をβ回転させた時の運動モデルである。正面図は
ロボットのｘｚ平面で、側面図けＸ方向のアームの回転
角度と同じ角度傾けて、アームの姿勢に平行になるよう
にしたｙｚ平面を表している。このモデルを見ると、ｘ
ｙ力方向同時に回転させると、ロボットの構造上ｘｚ方
向の位置け、それぞれの駆動機構が一意的に決めるので
はなく、ｘｙｚの３つの駆動機構が補正しあって位置決
めされることが分かる。

順方向の運動は、次の式で表される。

ｘ＝ｒ＊ｃｏｓα４）　ｓｉｎθ　　　　　　　　　　
■ｙ＝ｒ螢ｓｉｎα　　　　　　　　　　　ｐｚ＝ｒｅ
ωＳα＊　ｃｏｓθ＋ｚ　ｌ＋ｚ　２　　　　■Ｃ＝β
　　　　　　　　　　　　　　■逆方向の運動は、■〜
■により次の式で表される。なお、ここではｘｙｚ方向
に関係するαとβについて説明する。

α−５ｉｎ−’　　（ｙ　／　ｒ　） θ＝ｃｏｓ−（（ｚ−２１−２２）／Ｘ）また、逆方向
の運動を検討する場合、ｐｌを原点にしてｐ２が球面の
軌道をとることに注目して、次のように考えることもで
きる。

まず、球の方程式は、 Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝Ｒ２■ ここで■〜■により、Ｘｗｘ、Ｚ＝ｚ−ｚｌ−ｚ２、Ｙ
＝ｙ、Ｒ＝ｒを代入して、次のように表される。

α−ｃｏｓ　”’−１＜　（ｘ　ｔ　＋ｚ　２　＞　／
Ｒ２）ｌ　７２　　　　■θ−５ｉｎ−’　（Ｘ２／　
（Ｘ２＋　Ｚ２）　）’／ｚ　　■このように、比較的
簡単な演算で関節を制御して、ツール７を位置決めでき
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、２組の平行リンク機構を組み合
わせることにより、使いやすい略立方体採用しているの
で、設置に必要な面積に占ｌる動作領域平面の割合が高
く、このロボットを使うことでコンパクトな自動システ
ムの構築ができ、しかも高速に動作することができる。

さらに、平行リンク機構の姿勢修正作用により、位置決
めの制御が比較的簡単に行なうこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による多関節ロボットの一実施例の外
観図、第２図は、第１図で示した多関節ロボットの構造
をモデル化した図、第３図は、その動作を表した動作モ
デルの図、第４図は、動作モデルをさらに数学的モデル
に置き換えた運動を表す図、第５図、第６図は、従来の
ロボットの構造モデルを示し、第５図が直交形ロボット
、第６図が、水平多関節形ロボットを示している。 １・・・・・・基部、　　　　　　３・・・・・・第１
関節部、４・・・・・・アーム部、　　　　５・・・・
・・第２関節部、６・・・・・・工具軸部。 第１図 第３！！Ｉ （Ｑ） （ｂ） 第３図 （Ｃ） （ｄ） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 天井あるいは壁面などの外部に取り付け可能な基部と、 この基部に形設された鉛直方向に移動可能な可動部を有
   する直線駆動機構と、 水平面に連結して配置されるｘ軸中心、ｙ軸中心に回転
   可能な２個の回転駆動機構を有する、前記直線駆動機構
   の可動部に具設された駆動関節部と、 回転可能で、かつ先端にツールを取り付け可能な工具軸
   と、 前記駆動関節部の一方の回転駆動機構に連結された他方
   の回転駆動機構に、連結された主リンクと、 この主リンクと前記工具軸とを連結する、前記２個の回
   転駆動機構にそれぞれ対向配置された２個の回転従動機
   構と、 前記２個の回転駆動機構の間と、前記２個の回転従動機
   構の間とを連結する第１補助リンクと、前記直線駆動機
   構の可動部と前記工具軸とを連結する第２補助リンクと
   、 から構成され、 前記第１補助リンクは、それぞれの端部を前記主リンク
   が連結される回転駆動機構に平行に配置された第１補助
   リンク関節を介して連結され、かつ、前記主リンクと平
   行リンクをなし、 前記第２補助リンクは、それぞれの端部を３自由度を有
   する第２補助リンク関節を介して連結され、かつ、前記
   主リンクと平行リンクをなし、さらにこの平行リンクの
   形成する面が前記平行リンクの形成する面と直角になる
   ごとく配置されたことを特徴とする多関節ロボット。