JPH05329792A - ロボットアームのバランサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、軽量でしかもロッボトアー
ムの設置姿勢の如何に関わりなくバランサ機能を発揮可
能なロボットアームのバランサ装置を提供することにあ
る。 【構成】 上述の目的を達成するため本発明によるロボ
ットアームのバランサ装置は、ロボットアームの角度位
置を検出する角度位置検出手段と、前記ロボットアーム
の回転動作の加速方向を検出する加速方向検出手段と、
一方の端部が、前記ロボットアームの回転中心の近傍
の、同ロボットアームからは独立した所定位置に回転可
能に固定され、他方の端部が、前記ロボットアーム上の
前記先端関節部近傍の所定位置に回転可能に取着され、
そして所定の直線に沿って前進、後退可能な少なくとも
１つの流体作動型アクチュエータ手段と、前記角度位置
検出手段と、前記加速方向検出手段による検出結果に基
づいて、前記ロボットアームの加速動作を補助するよう
に、前記流体作動型アクチュエータ手段に供給される作
動流体を供給、遮断する制御手段とを具備する構成とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアームのバラ
ンサ装置に関し、特にロボット機体の設置角度に関わり
無く効果的に負荷バランスを果たし得ると同時に、ロボ
ットアームの駆動系への負荷影響を可及的に軽減した軽
量なロボットアームのバランサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、産業用ロボットのロボッ
トアームは、三次元空間内での運動自由度を確保するた
めに、回転枢動形または自在継手形等の種々の機構を用
いた関節を少なくとも１つ備え、かつアームの先端に手
首を介してワークを把持するハンドや工具、作業具等の
エンドエフェクタ等のかなりの重量物を有しており、更
に、ワーク重量を含めると重力による大きなモーメント
が作用する。そのため例えば、ロボットアームを重力の
作用方向とは反対の方向に回転駆動するためには大きな
トルクが必要となり、必然的に大出力の駆動モータを備
えなければならなくなる。依って、従来の産業用ロボッ
トにおいては、バランサ装置を利用して、重力によるモ
ーメントとは反対方向に作用するカウンタトルクを付与
することにより、重力によるモーメントを相殺して、ロ
ボットアームを駆動するサーボモータ等の駆動系に加わ
る負荷を軽減している。図３は、従来技術によるバラン
サ装置の一例として釣り合いおもりに作用する重力モー
メントを利用したバランサ装置を示したものであって、
ロボットアームの回転中心Ｏに対して、アームとは反対
側に釣り合いおもりＷを備えてカウンタトルクを得る構
成に成っている。図４は、従来技術によるバランサ装置
の他の一例としてバネの復元力を利用した装置であっ
て、コイルバネ等のバネ手段Ｓをロボットアームの回転
中心Ｏから離隔した位置１と、アーム部の選定位置２に
取着してバネ復元力によりカウンタトルクを得るように
構成されている。更に図５は、従来技術によるバランサ
装置の他の一例として流体の圧力を利用した装置であっ
て、エアシリンダ等の流体作動型アクチュエータＦＳを
ロボットアームの回転中心Ｏから離隔した位置３と、ア
ーム部の選定位置４に取着してシリンダ内に常に一定の
圧力を加えてによりカウンタトルクを得るように構成さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のロボッ
トアームのバランサ装置は、構造が簡単で、比較的安価
であるために汎用されているが、なお、以下に記載する
ような欠点等を有している。図３に示した釣り合いおも
りを利用するバランサ装置は、充分なカウンタトルクを
得るために相当大きな釣り合いおもりをロボットアーム
上に取り付けるために、重量が過大化してロボットアー
ムの即応性や所望位置への位置決め精度等の運動性能を
損なうきらいが有る。他方、図４に示したバネの復元力
を利用するバランサ装置は、ロボットの設置角度を変向
すると、バネ力による補助トルクが却ってモータに要求
されるトルクを増大させる場合がある。図６はその極端
な一例としてロボット機体、つまりロボットアームを天
吊り姿勢でロボット使用現場の天井部位等に設置する場
合を示しているが、この場合バネ力によるトルクと、重
力によるモーメントの方向が同一方向化してしまい、カ
ウンタトルクを得ることができない。また、図５に示し
た流体作動型アクチュエータを用いたバランサ装置も、
上記と同様の欠点を有している。上述した従来のロボッ
トアームのバランサ装置の問題点に鑑み、本発明の目的
は、軽量でしかもロボットアームの設置姿勢の如何に関
わりなくバランサ機能を発揮可能なロボットアームのバ
ランサ装置を提供して、上述の問題点を克服することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために本発明では、後端関節部の所定の回転中心を通過
する所定の軸線回りに回動自在に設置され、少なくとも
１つの先端関節部を有したロボットアームの負荷バラン
ス用に設けられるバランサ装置において、前記ロボット
アームの前記軸線に関する角度位置を検出する角度位置
検出手段と、前記ロボットアームの回転動作の加速方向
を検出する加速方向検出手段と、一方の端部が、前記ロ
ボットアームの回転中心の近傍の、同ロボットアームか
らは独立した所定位置に、前記回動中心を通過する軸線
に平行に前記所定位置を通過する軸線回りに回転可能に
固定され、他方の端部が、前記ロボットアーム上の前記
先端関節部近傍の所定位置に、前記回動中心を通過する
軸線に平行に前記所定位置を通過する軸線回りに回転可
能に取着され、そして所定の直線に沿って前進、後退可
能な少なくとも１つの流体作動型アクチュエータ手段
と、前記角度位置検出手段と、前記加速方向検出手段に
よる検出結果に基づいて、前記ロボットアームの加速動
作を補助するように、前記流体作動型アクチュエータ手
段に供給される作動流体を供給、遮断する制御手段とを
具備して構成され、以て前記ロボットアームの負荷バラ
ンスを達成することを特徴とするロボットアームのバラ
ンサ装置が提供される。

【０００５】

【実施例】先ず図１を参照して、本発明によるバランサ
装置の基本構成を説明する。図１において本発明による
ロボットアームのバランサ装置は、ロボットアームの位
置検出手段１０１によりロボットアームの角度位置を検
出すると共に、加速方向手段１０２によりロボットアー
ムの回動動作の加速方向を検出する。そして、前記角度
位置検出手段１０１と加速方向検出手段１０２により検
出されたロボットアームの角度位置と、加速方向に基づ
き、流体作動型アクチュエータ制御手段１０３により、
ロボットアームに具備された流体作動型アクチュエータ
１０４を駆動する加圧流体をオン、オフ制御し、該流体
作動型アクチュエータ１０４がロボットアームの加速動
作を補助するように駆動、制御し、以てロボットアーム
２１のバランサ機能を果たすように構成されている。

【０００６】次に本発明のハード構成図である図２を参
照すると、ロボットアーム２１を有したロボット機体
は、水平な床面その他の構造物に固定された回転中心Ｏ
を通過する軸線の回りに回動自在に設置されており、サ
ーボモータ２２により前記回転中心Ｏに関して所定の角
度範囲で回転駆動される。本発明によるバランサ装置
は、前記ロボットアーム２１の回転中心Ｏ近傍の、前記
ロボットアーム２１とは独立した所定の位置Ａと、該ロ
ボットアーム２１上の第１の関節部Ｃ近傍の所定位置Ｂ
との間に配置された流体作動型アクチュエータ２３を具
備している。また、前記所定位置Ａは前記回転中心Ｏ以
外の、前記ロボットアーム２１の回動動作とは独立して
固定された任意の位置でよいが、前記ロボットアーム２
１が回転中心０を中心として回動動作する角度範囲を２
等分する平面上の適宜位置に選定することが好ましい。
本発明の最も好ましい実施例として前記流体作動型アク
チュエータ２３は、所定の直線に沿って伸長、収縮可能
な一般的なエアシリンダにより構成されており、上述し
た所定位置Ａ、Ｂにおいて回転自在に取着されている。
つまり、この所定位置Ｂは、前記ロボットアーム２１の
回動動作に対応して、前記所定位置Ａを中心とする円弧
上を移動する点であり、従って、前記流体作動型アクチ
ュエータ手段２１は、前記ロボットアーム２１の回動動
作に対応して、前記所定位置Ａの回りに回動動作するよ
うに構成されている。また、該エアシリンダ２３は、圧
力電磁弁２５、２６を介して、エアコンプレッサ等の作
動空気の加圧源２４と連通する２つの吸気ポートＰ１、
Ｐ２を有しており、前記電磁弁２５、２６の動作に対応
して、直線ＡＢに沿って伸長、或いは収縮方向に作用力
を伝達可能に構成されている。前記流体作動型アクチュ
エータ２３を他の圧力流体作動型の駆動装置、例えば油
圧シリンダにより代替可能であることは言うまでもな
い。更に、より高速な動作を得るために、エアシリンダ
２３に排気側ポート（図示せず）に急速排気弁等を備え
ることや、前記エアコンプレッサ２４と前記電磁弁２
５、２６との間に減圧弁（図示せず）を具備可能である
ことも言うまでもない。

【０００７】前記エアシリンダ２３の動作を制御するた
めの、前記流体作動型アクチュエータ制御装置は、電磁
弁２５、２６と、該電磁弁２５、２６を制御するための
制御弁制御装置２７と、マイクロコンピュータシステム
として構成される制御装置２９により構成されている。
前記制御装置２９は、バス２０１を中心としてＣＰＵ２
０４、メモリ２０５、出力インターフェース２０２、入
力インターフェース２０３から構成されている。入力イ
ンターフェース２０３は、前記サーボモータ２２または
前記ロボットアーム２１の回転軸（図示せず）に取着さ
れたロータリエンコーダ等による、角度位置検出手段２
８に接続されており、前記ロボットアーム２１の回転中
心Ｏに関する角度位置が読み込まれる。該制御装置２９
に読み込まれたロボットアーム２１の角度位置は、メモ
リ２０５に保存されると共に、ＣＰＵ２０４において時
間で２回微分されてロボットアーム２１の角加速度を演
算する基礎となる。本実施例では、加速方向検出手段１
０２として、前記ロボットアーム２１の角度位置の時間
による微分演算手段を使用したが、前記サーボモータ２
２へ給電される電力の電圧の変化を読み取ることにより
加速方向を検出することも可能であることは言うまでも
ない。出力インターフェース２０２は、電磁弁制御装置
２７に接続されており、上記ロボットアーム２１の角度
位置と加速度の方向に基づいて、前記電磁弁２５、２６
のオン、オフを制御する。

【０００８】次に、前記ロボットアーム２１の角度位置
及び加速方向と、前記電磁弁２５、２６の制御の関係を
説明する。説明の便宜上、前記ロボットアーム２１の回
転中心Ｏと、前記エアシリンダ２３を取り付けるための
所定位置Ａを結ぶ直線の延長線を中心として、時計回り
の方向を＋、反時計回りの方向を−とする。本発明のバ
ランサ装置の目的からして、前記電磁弁２４、２５は、
前記エアシリンダ２３が、前記ロボットアーム２１の加
速動作を補助するように制御されなければならない。つ
まり、前記サーボモータ２２に要求される負荷を軽減す
る方向に前記エアシリンダ２３を駆動するように制御さ
れなければならない。例えば図２に示すように、前記ロ
ボットアーム２１の角度位置が−側にあり、同ロボット
アーム２１を＋の方向に加速する場合には、前記エアシ
リンダ２３が収縮するように、つまり電磁弁２６を開い
てポートＰ２から加圧された空気を供給すると共に、電
磁弁２５を閉じ、前期ポートＰ１側の排気ポート（図示
せず）から排気する。反対に、ロボットアーム２１の角
度位置が−側にあり、同ロボットアーム２１を−の方向
に加速する場合には、前記エアシリンダ２３が伸長する
ように、つまり電磁弁２５を開いてポートＰ２から加圧
された空気を供給すると共に、電磁弁２６を閉じ、Ｐ２
側の排気ポート（図示せず）から排気する。 上述した
制御パターンを次の表にまとめる。 ロボットアームの位置 加速方向 電磁弁２５ 電磁弁２６ ＋ ＋ 開 閉 ＋ − 閉 開 − ＋ 閉 開 − − 開 閉 そして加速が終了して、前記ロボットアーム２１の回動
動作が一定速度と成ったら、前記電磁弁２５、２６を閉
鎖して、前記ポートＰ１、Ｐ２を開放する。

【０００９】更に、本発明によるバランサ装置の特徴を
明確にするために、例えば、図２に示すように前記ロボ
ットアーム２１が−側で停止している状態から、更に−
方向に回動動作して、停止する（つまりロボットアーム
は、−側で、図２に示した位置よりも更に低い位置で停
止する）場合を一例として、同ロボットアーム２１の回
動動作の開始から停止に至るまでの一連の制御を説明す
る。先ず、該ロボットアーム２１が回動動作を開始する
依然の角度位置、すなわち−側で停止していることは、
前回の動作の終了時において、前記角度位置検出手段１
０１たるロータリエンコーダ２８により、前記制御装置
２９に読み込まれている。次に、前記サーボモータ２２
に駆動電力が供給され、ロボットアーム２１が回動動作
を開始すると、前記ロータリエンコーダ２８によりその
同ロボットアーム２１の前記回転中心Ｏに関する角度位
置が、時間を追って検出される。検出されたロボットア
ーム２１の角度位置は、前記制御装置２９内のＣＰＵに
より時間で微分され、ロボットアーム２１の角加速度が
演算される。これによりロボットアーム２１の加速方向
が検出される。従って、前記製よ装置２９は、ロボット
アーム２１が−側にあり、かつ−方向に加速されている
と判断し、上記表に示した通り前記電磁弁２５を開くと
共に、電磁弁２６を閉じ、前記流体作動型アクチュエー
タ手段１０４たるエアシリンダ２３が伸長するように制
御する。次に、前記ロボットアーム２１の加速が終了す
ると、前記ロータリエンコーダ２８により検出される、
前記ロボットアーム２１の角度位置の時間による２回微
分の値が０となり、前記制御装置２９において、前記ロ
ボットアーム２１が一定速度で回動動作を開始したと判
断される。そこで上述したように、前記電磁弁２５、２
６を閉鎖され、前記ポートＰ１、Ｐ２を開放される。最
後に、前記ロボットアーム２１が目標位置に接近し減速
を開始すると、つまり図２において＋の方向に加速を開
始すると、同様に前記ローターリエンコーダ２８により
検出された角度位置の時間による２回微分の演算値によ
り、前記制御装置２９において感知され、前記ロボット
アーム２１が、−側にあり、且つ＋方向に加速している
と判断される。従って上記表に従い、前記電磁弁２５を
閉じると共に、前記電磁弁２６を開き、前記エアシリン
ダ２３が伸長するように制御する。前記ロボットアーム
２１が目標位置に停止すると、加速度が０となるので、
前記電磁弁２５、２６を閉鎖され、前記ポートＰ１、Ｐ
２が開放される。

【００１０】

【発明の効果】本発明によれば、軽量で、しかもロボッ
トアームの設置される方向を選ばないバランサ機構が提
供され、特にロボットアームが天吊りされる場合に、ロ
ボットアームの運動性能を損なうことなく、ロボットア
ームを駆動するサーボモータ等の駆動源の負荷を低減す
ることが可能となった。また、上述のように本発明によ
るバランサ装置は、ロボットアームに取着された流体作
動型のアクチュエータ手段の作用力により、ロボットア
ームの負荷バランスを達成するように構成されており、
流体作動型アクチュエータ手段の作用力は、シリンダ内
圧力により調節されるため、ロボットアームに取り付け
られるロボットハンド、或いはロボットハンドの把持す
るワーク、或いは工具等が変更され、必要とされるカウ
ンタトルクの大きさが変化した場合でも、設備等を交換
することなく前記流体作動型アクチュエータ手段のシリ
ンダ内圧力を変更する、つまり、作動流体のための圧力
源の出口圧力、或いは同圧力源出口に具備された減圧弁
の２次側圧力の設定を変更するだけで簡単、かつ迅速に
対応可能となっている。このことはロボットアームが、
高所、或いは遠所、狭所に設置されている場合等、作業
員が容易にロボットアームに近づけない場合や、設備の
交換が容易ではない場合に特に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるロボットアームのバランサ装置の
基本構成図である。

【図２】本発明によるロボットアームのバランサ装置の
ハード構成図である。

【図３】釣り合いおもりによりカウンタトルクを得る従
来技術を示す略示図である。

【図４】バネ力によりカウンタトルクを得る従来技術を
示す略示図である。

【図５】流体作動型アクチュエータによりカウンタトル
クを得る従来技術を示す略示図である。

【図６】従来技術の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

２１…ロボットアーム ２２…サーボモータ ２３…流体作動型アクチュエータ手段（エアシリンダ） ２４…エアコンプレッサ ２５…電磁弁 ２６…電磁弁 ２６…ロボットアームの角度位置検出手段 １０１…ロボットアーム位置検出手段 １０２…ロボットアーム加速方向検出手段 １０３…流体作動型アクチュエータ制御手段 １０４…流体作動型アクチュエータ １…バネ取着部 ２…バネ取着部 ３…流体作動型アクチュエータ取着部 ４…流体作動型アクチュエータ取着部 Ｏ…ロボットアームの回転中心 Ａ…流体作動型アクチュエータ取着部 Ｂ…流体作動型アクチュエータ取着部 Ｃ…ロボットアームの第１関節部 ＦＳ…流体作動型アクチュエータ Ｓ…バネ手段 Ｗ…釣り合いおもり

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 後端関節部の所定の回転中心（Ｏ）を通
   過する所定の軸線回りに回動自在に設置され、少なくと
   も１つの先端関節部（Ｃ）を有したロボットアーム（２
   １）の負荷バランス用に設けられるバランサ装置におい
   て、 前記ロボットアーム（２１）の前記軸線（Ｏ）に関する
   角度位置を検出する角度位置検出手段（１０１）と、 前記ロボットアーム（２１）の回転動作の加速方向を検
   出する加速方向検出手段（１０２）と、 一方の端部が、前記ロボットアーム（２１）の回転中心
   （Ｏ）の近傍の、同ロボットアーム（２１）からは独立
   した所定位置（Ａ）に、前記回動中心（Ｏ）を通過する
   軸線に平行に前記所定位置（Ａ）を通過する軸線回りに
   回転可能に固定され、他方の端部が、前記ロボットアー
   ム（２１）上の前記先端関節部（Ｃ）近傍の所定位置
   （Ｂ）に、前記回動中心（Ｏ）を通過する軸線に平行に
   前記所定位置（Ｂ）を通過する軸線回りに回転可能に取
   着され、そして所定の直線に沿って前進、後退可能な少
   なくとも１つの流体作動型アクチュエータ手段（１０
   ４）と、 前記角度位置検出手段（１０１）と、前記加速方向検出
   手段（１０２）による検出結果に基づいて、前記ロボッ
   トアーム（２１）の加速動作を補助するように、前記流
   体作動型アクチュエータ手段（１０４）に供給される作
   動流体を供給、遮断する制御手段（１０３）とを具備し
   て構成され、以て前記ロボットアーム（２１）の負荷バ
   ランスを達成することを特徴とするロボットアーム（２
   １）のバランサ装置。