JPH0474154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は作業ロボツトやマニプレータ等の多関
節腕機構に係り、特に作業性の向上を図つた横形
の多関節機構に関するものである。

従来の工業用ロボツトやマニプレータ等に用い
られる多関節形の腕機構は、第１図に示すように
垂直軸芯１の回りに旋回可能の旋回台２上に垂直
面内で揺動可能の垂直アーム３を取り付けると共
に、この垂直アーム３の先端に上記垂直内に於い
て揺動可能の水平アーム４を取り付け、この垂直
アーム４の先端に工具等を取り付けるための手首
部５を設けた所謂竪形構造となつているのが一般
的である。このような竪形の腕機構では、水平ア
ーム４には垂直方向の自由度のみがもつぱら与え
られている為、アームの垂直方向の動きは制限さ
れているが水平面内に於ける動きが比較的自由で
あるような作業対象に対しては、作業の自由度が
制限される場合が多い。このように横方向、即ち
水平方向には比較的自由度が取れるが垂直方向の
動きが制限される作業対象の例としては、例えば
水車ランナ、舶用プロペラ、タービンブレード等
の加工や自動車室内の塗装等があり、このような
作業対象のように、狭隘な空間に対して腕機構の
アプローチする方向が制限された作業対象に対し
ては上記竪形の多関節腕機構は非常に不便な場合
が多い。

そのため本発明は上記垂直アーム３に相当する
腕部分を横方向に寝かせることにより水平方向の
自由度の増大を図つた横形多関節腕機構を提供す
るものであり、更にこのような多関節腕機構の場
合腕部全体の重力が腕機構の根元部分に作用せざ
るを得ない構造となる為、このような回転モーメ
ントを解消する為の構造をも提供することが本発
明の目的である。従つて本発明は、その要旨とす
る処が、垂直方向及び水平方向に移動可能に支持
された基台と、該基台に旋回可能に取り付けた水
平方向の第１軸と、該第１軸の旋回角度を調整す
る第１位置決め手段と、上記第１軸の端部に取り
付けられ該第１軸の軸芯を含む第１平面内で揺動
可能の第１アームと、該第１アームの上記第１軸
に対する関節角度を決定する第２位置決め手段
と、上記第１アームの先端に取り付けられ上記第
１平面内で揺動可能の第２アームと、第２アーム
の第１アームに対する角度を決定する第３位置決
め手段と、第２アームの揺動軸芯回りに該第２ア
ームによる重力に対応する付勢力を作用させ、上
記第２アームの揺動軸芯回りの偏荷重をバランス
させる第１の重力バランス装置とを有してなる点
にある横形多関節腕機構を提供せんとするもので
ある。続いて第２図以下の添付図面を参照して本
発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の
理解に供する。ここに第２図は大形の回転翼やラ
ンナ、水車等のグラインダ作業を行う為の横型の
ロボツト腕機構に本発明を適用した場合の一実施
例を示す斜視図であり、第３図は第２図に示した
腕機構全体の第１軸まわりの回転モーメントを解
消する為のバランス装置の作動原理を示す概略構
成図、第４図は第２図に示した腕機構全体の概略
構成図である。

第４図に於いて１１は後記する基台に回動自在
に取り付けられた水平方向の第１軸で、その一端
で該第１軸に直角の支軸１２を一体的に有してお
り、該支軸１２には該支軸１２を中心として支軸
１２に直角な第１平面内（即ち、第１軸１１の軸
芯を含む平面内）で揺動可能の第１アーム１３が
設けられている。この第１アーム１３の先端に前
記支軸１２に平行に取り付けた支軸１４には、該
支軸１４を中心として揺動可能の第２アーム１５
が取り付けられており、従つて第２アーム１５も
前記第１アーム１３と同様支軸１２に直角の第１
平面（即ち第１軸１１と第１アーム１３とを含む
平面）内に於いて揺動可能である。前記第１軸の
中間の支点１６と第１アーム１３の中間の支点１
７とは両支点に対して揺動可能の第２位置決め手
段Ｂによつて連結されている。従つて上記第２位
置決め手段Ｂの伸縮動作により第１アーム１３は
前記第１軸１１、第１アーム１３、第２アーム１
５を含む第１平面内に於いて矢印θの２方向に第
１軸１１に対して揺動する。又第１軸１１の固定
的に取り付けた支点１８と前記支軸１４に前記第
１平面内に於いて揺動自在に取り付けた三節連鎖
１９の第１リンク２０の先端に設けた支点２１と
はリンク２２によつて連結されており、支軸１２
を第１軸１１に固着した点を２３とし、この点２
３と支点１８を結び線分２４とした場合、線分２
４と第１リンク２０とが平行で第１アーム１３と
リンク２２とが平行となるような平行リンクが形
成されている。

又三節連鎖１９を構成する第２リンク２５の先
端の支点２６と、第２アーム１５の中間の支点２
７とは両支点に対して揺動自在の第３位置決め手
段Ｃによつて連結されており、第３位置決め手段
Ｃの伸縮動作により第２アーム１５が前記第１平
面内に於いて第１アーム１３に対してθ３の方向
に揺動する。

以上でこの実施例のアーム部分の概略の構成が
理解されるので、更にこのアーム部分の具体的な
構成及び重力バランス装置等について第２図を参
照して説明する。

第２図に於いて前記第１軸１１を軸受２８によ
つて旋回可能に支持する基台２９は、水平基台３
０の上面３１上に該水平基台３０の軸方向に摺動
可能に支持された垂直基台３２の垂直側面３３に
沿つて垂直方向に摺動可能に支持されていること
により水平方向及び垂直方向に対して自在に位置
決めされる。第１軸１１に固定されたアーム３４
の先端に設けた支点３５と、基台２９上の支点３
６とは両支点に対して揺動自在に取り付けた第１
位置決め手段Ａによつて連結されている。この第
１位置決め手段Ａ及び前記した第２及び第３の位
置決め手段Ｂ、Ｃは夫々油圧シリンダ、ボールネ
ジ、その他の伸縮可能で、且つその伸縮量が正確
に制御されるアクチユエータやモータ等によつて
構成されている。従つて第１位置決め手段Ａの伸
縮により第１軸１１が任意の旋回角度分だけ旋回
され、これに連結された第１アーム及び第２アー
ムが全体として第１軸１１の回りにθ１の方向に
旋回する。

第１軸１１の端部に該第１軸１１に対して一定
角度傾斜した状態で固着された回転円板３７上に
は、前記のように第１軸１１に対して直行するよ
うに支軸１２が回動可能に取り付けられている。
該支軸１２には該支軸１２を中心として揺動可能
の前記第１アーム１３の末端が固着されており、
該第１アーム１３の他端に旋回可能で且つ前記支
軸１２に平行に取り付けた支軸１４に揺動自在に
取り付けた前記三節連鎖１９を構成する第１リン
ク２０の先端部に設けた支点２１と、前記回転円
板３７に固定された支点１８とは、前記した第１
アーム１３に平行なリンク２２によつて連結され
ていおり、支軸１２の軸芯と第１軸１１の軸芯と
の交点２３と、前記支点１８とを結ぶ線分２４が
第１リンク２０に平行で、且つリンク２２と第１
アーム１３とが平行となるような平行リンクが形
成されている。更に第１アーム１３の中間に設け
た支点１７と回転円板３７に固定された支点１６
とは、前記したようなボールネジ等によりなる第
２位置決め手段Ｂによつて連結され、第２位置決
め手段Ｂの伸縮動作によつて第１アーム１３が第
１軸１１に対して揺動する。

前記第１アーム１３の先端には、該第１アーム
１３に対して回転可能に取り付けた前記支軸１４
を中心として揺動自在の第２アーム１５が取り付
けられており、この第２アーム１５内には第４図
に示したような第２アーム１５の中間の支点２７
と前記第１リンク２０に対して位置を固定された
三節連鎖１９の構成要素である第２リンク２５の
先端の支点２６とを連結するボールネジ等よりな
る第３位置決め手段Ｃが内蔵され、この第３位置
決め手段Ｃの伸縮動作によつて第２アーム１５が
前記第１軸１１及び第１アーム１３を含む第１平
面内に於いてθ３の方向に揺動運動する。前記第
２リンク２５の角度は前記リンク２２の存在によ
り第１リンク２０が第１アーム１３の揺動角度に
よらず常に第１軸１１に対して一定の角度に保持
されるので、第３位置決め手段Ｃの伸縮量に応じ
て第２アーム１５の第１軸１１に対する揺動角度
が一義的に決定される。

又第２アーム１５内には更にその先端に設けた
グラインダＧを有する手首部３８に第２アーム１
５の軸芯の回りに旋回運動を起こさせる旋回駆動
機構が内蔵されているが、これについては特に図
示しない。第２アーム１５の前記手首部３８とは
反対側の末端部には、第１の重力バランス装置の
一種であるカウンターウエート３９が固着され、
このカウンターウエート３９の重力を利用した付
勢力によつて第１アーム１３の軸芯を境とした左
右の重力バランスが達成される。即ち、支軸１４
回りに係る第２アーム１５のバランスがとれられ
る。

このようにして構成された横形の腕機構の場
合、第１アーム１３及び第２アーム１５が第１軸
１１に片持状に取り付けられている為、これらの
重量に対するバランス装置を設けないと第１軸１
１に大きな捩りトルクがかかり、しかもこの捩り
トルクは第１アーム１３の垂直面内及び第１水平
面内における揺動により傾きによつて夫々変動す
る為、これに対する重力バランス装置は特殊なも
のを採用する必要がある。このような機能を充足
する為の重力バランス装置を次に説明する。即ち
第２図に於いて４０はワイヤー４１を巻き掛けた
ドラム４２と、このワイヤー４１に付勢力を作用
させてドラム４２にワイヤー４１を巻き込む方向
に回転力を付与する図示せぬ蔓巻きバネ等よりな
る回転力付与機構（不図示）とを有する張力付与
装置（第２の重力バランス装置）で、基台２９に
取り付けられた回転軸４３に固着されており、ド
ラム４２に巻き掛けられたワイヤー４１は、基台
２９に回転自在に取り付けた回転軸４３の先端に
回転自在に取り付けた回転シーブ４４の周上を経
て、該回転シーブ４４で方向を変えて第１アーム
１３の中間点に取り付けた球面継手４５に係着さ
れたロツド４６の先端に回転自在に取り付けた回
転シーブ４７に180度巻き付き、その末端が前記
回転軸４３の端部の固定点４８に固着されている
ものである。従つてドラム４２に作用する回転力
はワイヤー４１に伝達され、該ワイヤーの平行部
４１′を回転シーブ４４の方向に引つ張る為、こ
の張力によつて回転シーブ４７、ロツド４６、球
面継手４５を介して第１アーム１３が垂直上方へ
引き上げられ、上記球面継手４５の部分に作用す
る第１アーム１３及び第２アーム１５の自重によ
る第１軸１１の回りの回転モーメントが相殺され
る。この機構の場合第１アーム１３が水平面内に
於いて上下動した場合、この動きにつれてワイヤ
ー４１の平行部４１′も回転シーブ４４を中心と
して揺動運動するが、回転シーブ４４を取り付け
た回転軸４３は基台２９に対して回動自在である
か、又はワイヤー４１の平行部４１′の回転シー
ブ４４を中心とする揺動運動につれて回動する構
造となつているので、回転シーブ４４が常にワイ
ヤーに沿つた向きに回動される為ワイヤーが回転
シーブ４４から外れるような不都合が無く、また
第１アーム１３が支軸１２の回りに揺動運動した
場合、これに連れて前記ワイヤー４１の平行部４
１′も回転シーブ４４の回りに揺動運動するが、
その運動によつてワイヤー４１の回転シーブ４４
に対する巻き掛け角度が変化するのみで、ワイヤ
ー４１は回転シーブから外れる虞れが無い。但し
このような回転シーブ４４からのワイヤーの外れ
を防止する機能を厳密に達成させる為には、回転
シーブ４４が前記支軸１２と第１軸１１との直行
点２３の直上に設けられていることが条件とな
り、図に示した腕機構もこの条件を満たす構造と
なつている。

ここで上記ワイヤー４１による重力バランス装
置の原理に付いて第３図を参照して説明する。
今、球面継手４５が第１アーム１３及び第２アー
ム１５の合成された重心の位置に取り付けられて
いるものとし、第３図に示すように簡略化の為に
球面継手４５を存在する点をＤで、回転シーブ４
４の存在する位置をＥで、第１軸１１と第１アー
ム１３との各軸芯の交点２３をＦで表し、更にこ
れらの間の距離DE＝ｌ、DF＝Ｒ、EF＝ａとし、
且つ点Ｆより直接DEに下ろした垂線の長さをｈ、
直線DFと水平線Ｋとのなす角度をθ、角度DEF
をα、Ｄ点に作用するワイヤーの引張り力をＰ、
ワイヤーを引つ張る蔓巻きバネ等の弾性係数を
ｋ、Ｄ点に作用する第１アーム１３及び第２アー
ム１５の合成された重力をＷとすると、第１軸１
１のまわりの重力モーメントMwは Mw＝Ｗ・Rcosθ＝Ｗ・lsinα …(1) で表され、ワイヤー４１が引き上げる力によつて
作用する回転モーメントMpは Mp＝Ｐ・ｈ＝Ｐ・asinα …(2) で表される。ここにMw＝Mpの時に両モーメン
トがバランスし、第１軸の捩りが発生しない状態
となる。このような状態に於いては Wlsinα＝Pasinα …(3) が成立する。従つてこの式を整理すると Ｐ＝（ｗ／ａ）・ｌ …(4) が得られ、これはワイヤーの張力Ｐがｗ／ａ＝ｋ
のバネ定数を有するバネ部材によつて引き上げら
れ、その時の伸びがｌである条件を規定する。こ
のような条件を満たす蔓巻きバネ等を用いれば上
記アームの重量が完全にバランスする。(4)式には
第１アームの水平方向及び垂直方向の角度α及び
θは無関係であるから、この条件が成立する限り
第１アームの揺動角度によらず常に完全なバラン
スが成立する。上記のような(4)式で規定される条
件を満たすためには張力付与装置４０内に内蔵し
たバネ部材がＷ／ａのバネ定数のものであり、且
つこのバネの自由度の状態からドラム４２を回転
させてｌの長さ分だけ引き出した状態で第２図に
示すような巻き掛け状態となるようにセツトしう
る構造とすれば、上記のような完全なバランスが
達成されるものである。

尚第２図に示した５０，５１，５２は夫々基台
２９に対する第１軸１１の旋回角度を検出する角
度検出器、回転円板３７に対する（即ち第１軸１
１に対する）第１アーム１３の揺動角度を検出す
る角度検出器、第１アーム１３に対する第２アー
ム１５の揺動角度を検出する角度検出器で、ロー
タリエンコーダ、レゾルバ、ポテンシヨンメータ
その他が採用される。

本発明は、以上述べたように垂直方向及び水平
方向に移動可能に支持された基台と、該基台に旋
回可能に取り付けた水平方向の第１軸と、該第１
軸の旋回角度を調整する第１位置決め手段と、上
記第１軸の端部に取り付けられ該第１軸の軸芯を
含む第１平面内で揺動可能の第１アームと、該第
１アームの上記第１軸に対する関節角度を決定す
る第２位置決め手段と、上記第１アームの先端に
取り付けられ上記第１平面内で揺動可能の第２ア
ームと、第２アームの第１アームに対する角度を
決定する第３位置決め手段と、第２アームの揺動
軸芯回りに該第２アームによる重力に対応する付
勢力を作用させ、上記第２アームの揺動軸芯回り
の偏荷重をバランスさせる第１の重力バランス装
置とを有してなることを特徴とする横形多関節腕
機構であるから、竪型の腕機構では手首部分が入
り込み難い、例えば水車ランナ、舶用プロペラ、
タービンブレード、自動車室内等の狭隘で垂直方
向の自由度に大きな制限を有する作業対象に対し
て、比較的大きな自由度を持つてアプローチする
ことが出来、このような対象に対する作業能率を
著しく向上させるものであり、また第１フレー
ム、及び第２アームの合成された重力に対する第
１軸まわりの重力バランス装置を付与した場合、
横型の多関節腕機構にとつて最大の欠点である第
１軸にたいする捩れが解消され、竪型の多関節腕
機構と同等若しくはそれ以上に手首部の位置決め
精度が向上するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の竪型多関節腕機構を示す側面
図、第２図は本発明の一実施例に係る多関節腕機
構を示す斜視図、第３図は同腕機構に用いるバラ
ンス装置の原理を示す概略構成図、第４図は第２
図に示した腕機構のアーム部分の骨格を示す概略
構成図である。 （符号の説明） ２９……基台、１１……第１
軸、１３……第１アーム、１５……第２アーム、
３９……カウンターウエート（第１の重力バラン
ス装置）、４０……張力付与装置（第２の重力バ
ランス装置）、Ａ……第１位置決め手段、Ｂ……
第２位置決め手段、Ｃ……第３位置決め手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 垂直方向及び水平方向に移動可能に支持され
   た基台と、 該基台に旋回可能に取り付けた水平方向の第１
   軸と、 該第１軸の旋回角度を調整する第１位置決め手
   段と、 上記第１軸の端部に取り付けられ該第１軸の軸
   芯を含む第１平面内で揺動可能の第１アームと、 該第１アームの上記第１軸に対する関節角度を
   決定する第２位置決め手段と、 上記第１アームの先端に取り付けられ上記第１
   平面内で揺動可能の第２アームと、 第２アームの第１アームに対する角度を決定す
   る第３位置決め手段と、 第２アームの揺動軸芯回りに該第２アームによ
   る重力に対応する付勢力を作用させ、上記第２ア
   ームの揺動軸芯回りの偏荷重をバランスさせる第
   １の重力バランス装置とを有してなることを特徴
   とする横形多関節腕機構。 ２ 垂直方向及び水平方向に移動可能に支持され
   た基台と、 該基台に旋回可能に取り付けた水平方向の第１
   軸と、 該第１軸の旋回角度を調整する第１位置決め手
   段と、 上記第１軸の端部に取り付けられ該第１軸の軸
   芯を含む第１平面内で揺動可能の第１アームと、 該第１アームの上記第１軸に対する関節角度を
   決定する第２位置決め手段と、 上記第１アームの先端に取り付けられ上記第１
   平面図で揺動可能の第２アームと、 第２アームの第１アームに対する角度を決定す
   る第３位置決め手段と、 第２アームの揺動軸芯回りに該第２アームによ
   る重力に対応する付勢力を作用させ、上記第２ア
   ームの揺動軸芯回りの偏荷重をバランスさせる第
   １の重力バランス装置と、 第１アーム及び第２アームの合成された重力に
   対応する付勢力を第１軸の軸芯回りに作用させ、
   上記第１軸の軸芯回りの偏荷重をバランスさせる
   第２の重力バランス装置とを有してなることを特
   徴とする横形多関節腕機構。