JPH07503188A

JPH07503188A - 軽量ロボット機構

Info

Publication number: JPH07503188A
Application number: JP5513414A
Authority: JP
Inventors: アキール　ハディ　エイ
Original assignee: ファナック　ロボティクス　ノース　アメリカ　インコーポレイテッド
Priority date: 1992-02-04
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1995-04-06
Also published as: US5313854A; WO1993015452A1

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】軽量ロボット機構１１丘１本発明は、軽量ロボット機構に関し、特に固定された大型のワークピースの回りでツールを操作すべく、大きな作業範囲に適応できる軽量ロボット機構に関する。

賀ＩＪＬ術従来のロボット機構は、複数の多関節式の、また＋１互いに案内軸受内で滑動する剛性リンクを使用する。その種の機構は、それらのリンクが通常曲げモードで負荷を受けているので、それらの負荷保持容量に関して、常にロボットの重量が重くなる。その搭載物に対するロボ１ソト重量の比は、　１００から１０００以上までの範囲であるが、大きい作業範囲を有するロボ・ソトの場合（よ増加する。例えば、　５ｋｇの搭載物を保持する自動車用塗装ロボットは、重さが１０００ｋｇにもなり、　した力呟って比は２００になる。作業範囲が特に大きい航空機用の同一の塗装ロボットは、数トンにもなる位置決め用の構造物および機構を付加しなければならない。そのような構造物は、複雑かつ重量が重く、設置、整合および保守に費用がかかる。それらの駆動装置は、かなりのエネルギーを消費 −し、貴重なスペースを使用し、かつロボットの作業対象物との衝突による損傷を避けるために、費用がかかる特別の対策を必要とする。

従来技術のあるものにおいては、　１９８７年５月１９日にＬａｎｄｓｂｅｒｇｅｒ　などに付与された米国特許第４．８６６．３６２　号に開示されるような引張り部材が採用され、そこでは受動圧縮性中央背骨部は、引張りケーブルの引張り力に対して圧縮される。このような機構は、並列リンク機構として知られ、そこにおいて作動は、全てが１　つの共通ベースへアンカー固定されているリンクにより起動される。

これは直列形ロボット機構と対照的であり、そのロボット機構において、数個のリンクは、　１　個以上のリンクをベースへアンカー固定して、互いに直列に積み重ねることができる。

比較的長いリンクを有する並列リンク機構は、大きい作業軽囲を有するロｔツ訃を製作する場合に、直列ロボット機構よりも利点を有する。それらの比較的簡単な構成部材、軽い重量、および駆動力の搭載物への直接適用、すなわち駆動力が最小で足りる点は、魅力的な特徴である。しかしながら、そのような利点は、小さい作業範囲すなわち動作範囲を提供する機構の場合、関係が少なくなるか、またはロボットの手首部作動のような配向制御に限定される。ロボットベースヘアンカー固定され、かつロボット手首部の配向機能を遠隔に作動する長いリンクを有することは、欠点でもある。と言うのは、そのようなリンクは、過大な追従性を有し、かつその長さのために必要な精度で製作することが難しいからである。

したがって、ロボット構成に、作業範囲が大きいときに位置決めする並列リンク形機構を、そのような利点がある場合に使用するのが望ましい。ついで、その構成は、配向調整用の一層単純な直列リンクで、または自由度の追加が必要な場合は、短い位置決め用の移動部材を加えて補足できる。米国特許第４．６６６．３６２号に開示されるような従来技術の一部は、機構の作動すなわち負荷に関係なく、受動の中央反発力に対してアクチュエータが連続的に負荷を受ける駆動方法を採用しており、不必要なエネルギーを消費することになる。勿論、アクチュエータの負荷受人れは、その機構の生産的機能に充てられ、かつ内部負荷から解放されるのが望ましい。

さらに並列リンク形の従来技術ロボットを含む全ての従来のロボットは、ロボットの構造物を支持する共通ベースが取り付けられている。そのような共通ベースは、柔軟性がなく、設置の可能性を限定する。したがって、ロボット構成部材への負荷を最小にし、作業範囲を増加し、かつ周囲の装置および構造物との干渉を避けるように支持点を位置決めしたり、また既存の建物構造物に対して選択的にロボットを取り付けることにより、その適用環境に合致するように取り付けできるロボットを有することが望ましい。

」１旦１１本発明は、端部で回動し、かつ曲げまたはねじりモードではなく、引張りまたは圧縮モードで主として負荷を受ける、細長い軸方向リンクを使用する。細長いパー、ストリング、　リボンおよびケーブルのような引張り構成部材は、それらの質量に関して非常に高い負荷を保持するように製作でき、また質量をあまり付加することなく長さを増加できる。引張り構成部材の使用により、重量とコストを削減でき、またロボットの設置と再構成が容易となる。本発明の引張り構成部材のそれぞれは、利用される取り付は構造物に合致するように位置決めできる取り付は自在の取り付はブロックへ個別にアンカー固定されるので、ロボットの作業環境に合致して再構成することができる。これには、床、天井、壁および関連する機械構造物上での取り付けが含まれる。このような取り付けの組合わせは、いずれも同等に可能である。

本発明により、負荷は、制御された位置決めを提供するように、１定された榊− 遺物へアンカー固定される１セツトのリンク手段により移動でき、一方、他のセットのリンクは、第１のセットへ直列で連結されて、負荷を配向する。したがって、本発明により、種々の機構を、最も適合している動作の専用にすることができ、かつ並列と直列の組合わせの使用を最適にする。

一実施例において、本発明は、　１つの構成部材の引き込みを使用して、他の構成部材の伸長を補償するので、一定長さの引張り構成部材を使用でき、かつベースにそのような構成部材を巻き重ねする必要性を避けることができる。

他の実施例において、本発明は、　１つの連続した引張り構成部材を使用して、　２個の動作用アクチュエータを連結し、２−自由度の動作を実施し、そこにおいて、２つの動作は相補的であるので、２個のアクチュエータのいずれにおいても引張り構成部材を巻き重ねする必要性を避けることができる。この実施例において、本発明は、平衡を維持するために、平均的に外部エネルギー人力を必要としない、内部力用の自己平衡手段を設ける。個別に取り付けられるアクチュエータは、平衡状態を変更して、機構を動作させるのに利用される。したがって、本発明の機構により、主要な重い位置決め用アクチュエータを固定状態のままにすることができるので−エネルギーは軽い質量のものだけの動作に利用でき、エネルギー清貧を最小にできる。

この両方の実施例において、本発明は、二次元または三次元空間において、それぞれ位置決めする、同一の作動用モジュールを使用するので、モジュールを大量に製造し、保守、訓練および設置を単純化し、かつ在庫要求量を削減することにより、コストを削減できる。

好ましい実施例において、本発明は、　２つ以上の能動的に制御される引張り部材に対して作動する、能動的または受動的に縮寸可能（コラブシプル）な部材から構成される。この縮寸可能な部材は、圧縮バネのように作用し、固定された回動ブロックへ一端で枢着され、　とポットから離れるように対象物フランジを反発する。少なくとも２つの引張り部材は、ピボットへ向けられた成分を有する２つの力ベクトルで対象物フランジを引張る。任意の位置において、引張り力は、圧縮力と平衡している。

三次元の実施例において、引張り部材の集合伸長により、対象物フランジは、反発圧縮力によりとポットから外側へ変位され、一方、それらの伸長の差により、対象物フランジは、角度的に移動される。縮寸可能な部材は、軸方向に追従可能であり、また好ましくは、ねじりと曲げにおいて剛性である。それは、案内圧縮バネとして、およびねじり制約された部材を有する加圧シリンダーとして構成でき、または好ましくは、入れ予成および／または互警に滑動するように制約され、かつブーりおよび予め張られたベルトシステムの作用により軸方向に離れるように強制された一対のリンクとして構成できる。

全ての実施例により、この縮寸可能な部材は、対象物フランジへ一端において固定され、また池端において回動されて、二次元移動のために一軸の回りに、または三次元動作のために、好ましくは、２つの直角軸の回りに回転ず−る。回動ブロックまたは対象物フランジは、追加の位置決め柔軟性のために、さらに回転できる。

引張り部材は、ブー１ハ　シリンダー、　ドラム、スプールなどの手段により作動されて、引張り部材に沿って力を加え、かつ対象物フランジとピボット間のその長さを変更することができる。非巻き重ね引張り部材は、プーリが作動するの必要とし、一方、巻き重ね引張り部材番よ、スプールまたはドラムなどの器具を必要とする。引張り部材のアクチュエータは、機構の作動中に引張り部材を非軸方向負荷から解放するように回動する。したがって、スプールの使用によるような回転作動の場合、スプールの軸により、スプールの回転軸に平行な軸の回りに曲げができ、またスプールは、機構が角移動用に２軸を有するならば、他の直角軸の回りに回転するように取り付【すできる。

本発明における対象物フランジが３軸ロボット手首部を支持するとき、本発明の機構とこの手首部の組合わせは、多次元空間で実施できるロボットアームかも構成される。プログラム制弧の制御装置の付加に上り、プログラム制御のロボット作−業を実施できるシステムが形成される。

プログラム制御の制御装置を設けると、この機構は、駆動力すなわち駆動エネルギーを最小にして、搭載物を操作できる多自由度のロボットを構成する。この結果として構成されたロボットの質量は、その縮寸可能な部材および手首部機構から主として成る。一般に、この構成されたロボットの買置は、同等な性能を有する従来のロボットの買置の数分の１となる。作業範囲が増加すると、縮寸可能な部材を長くするのに必要なだけ、構成されたロボットの質量を正比例的に増加するだけである。これは、曲１デまたは捩じりモードで負荷を受けている部材を有する従来のロボットと対照的であり、そこにおいて、そのような重量の増加は、作業範囲の直線状寸法の増加の、はぼ三乗関数になることがある。

好ましい実施例において、本発明は、重力が効果的に補償できるように、または縮寸可能な部材の反発力を補足するのに利用できるように（天井からの取り付けの場合など）、重力ベクトルに関して作業範囲上の任意の配向で取り付けるように構成できる。

したがって、本発明の目的は、種々の取り付は選好に基づいて容易に構成できるロボット機構を提供することにある。

本発明の他の目的は、環境の構造物を、再構成できるベースとして使用し、それにより数台のロボットを同一の共通取り付は構造物を共用させることを含む、柔軟性、および設置の容易性を実現できるロボット機構を提供することにあ１゜また本発明の他の目的は、大きい作業範囲を有する多自由度のロボット用に効果的に製作および使用できる低質量でモジュール式の単純な機構を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、直列形リンクを利用するロボット機構と組合わせできる、並列リンクを利用するロボットアーム機構を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、低コストで、かつ製作が容易な改良されたロボットを提供することにある。

さら１こ本発明の別の目的は、平衡力のためにエネルギーを使用する際に効率的である改良されたロボットアームおよび方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、巻き重ね引張り部材および非巻き重ね引張り部材を使用できる並列リンク形機構を提供することにある。

本発明の一層具体的な目的は、商業用航空機または船舶などの大型のワークピース上で作業を行なう作業スペースに関して調整可能な改良されたロボットを提供することにある。

本発明の一層具体的な他の目的は、前記作業スペースに関して固定されるように適応されるベースと、ワークピース上で作業を行なうツールを保持されるように適応される、ベースから離間する対象物フランジと、および第１の部材はベースへ回動自在に接続され、第２の部材は対象−物フランジへ取り付けられる、互いに入れ子式に移動可能な第１の部材と第２の部材を有する縮寸可能な部材とを具備する改良されたロボットアームを提供することにある。　一層異体的な目的は、ベースと作業スペースに関して独立して取り付けられる複数のアンカーブロックと、およびアンカーブロックの対応ブロックにそれぞれ接続される複数のアクチュエータとを具備する改良されたロボットアームを提供することにある。

本発明の一層具体的な他の目的は、一端で対象物フランジへ取り付けられ、かつ他端でアクチュエータの１つへ接続される複数の引張り部分を備える引張り手段を有し、およびアクチュエータのそれぞれは、その対応する部分を選択的に引っ張ってはめて対応する引張り部分の長さを変えるように作動し、かつそれぞれは独立して取り付は可能である改良されたロボット機構を提供することにある。

本発明の一層具体的な他の目的は、縮寸可能な部材の第１と第２の部材を通して、対象物フランジキベースから離して押すように付勢手段が作動するので、対象物フランジは引張り手段によりベースへ向けて常に引っ張られ、同時に対象物フランジは、力平衡の状態を得るように縮寸可能な部材によりベースから離れるように押さ瓢一方アンカーブロックは、機構に作用する力に関してアクチュエータ上の負荷を最小にするように作業スペースに関して独立して取り付けできるようにした付勢手段を提供することにある。

本発明のこれらの目的および他の目的、悴＠および利点は、以下の説明と図面から一層明らかになる。

図１は、ある程度概略的な見取図であり、本発明の独立して取り付けられるアンカーブロック原理部を備え、かつ１つの縮寸可能な部材を有する天井取り付はロボット　を示す。

図２は、本発明の見取図であり、２　つの縮寸可能な部材を有する図１の２つの実施例を示す。

図３は、本発明において使用されるアンカーまたは取り付はブロックへ接続される代表的なアクチュエータの見取図である。

図４は、ある程度概略的で、部分的に立面の側面図であり、本発明の原理部を組み込み、かつ２−自由度を有する第２の実施例を示す。

図５は、図４の１１５−５について部分的に切り欠ｔまた、部分的に立面の、本発明の断面図である。

図６は、ある程度概略的な側面図であり、本発明の原理部を組み込み、かつ３− 自由度を有する第３の実施例を示す。

図７は、図６の綴７−７について部分的に立面の、断面図である。

図８は、手首部機構を対象物フランジに取り付けた、図９は、ある程度概略的な見取図であり、航空機表面を懐装または調製するロボットアームとして大きい作業範囲に適用される本発明を示す。

）　「図１を参照すると、例えば図９に示される商業用航空機などの大型のワークピース上で作業を行なうように適応できる作業スペースに関して調整可能なロボット、すなわち対象物位置決め機構として、本発明が示される。

ロボットは、天井に取り付けるために、モジュール式部材から構成される。対象物フランジ２は、縮寸可能な部材４へ取り付けられる。縮寸可能な部材は、互いに入れ子式にすなわち直線的に滑動する第１の部材６ｉ３よび第２の部材８とから成る。第１の部材６は、回動ブロック１０へ回動自在に取り付けられる。第２の部材８は、一端で第１の部材６と、および他端で対象物フランジ２と、相対的かつ′ｆｆｉ線的に渭１自在な関係にある。縮寸可能な部材４は、連続的に外方に押圧される力、すなわち反発力を発生する付勢手段を有し、また引張り手段１２の引張り力により平衡に保たれる。図１に示される実施例において、引張り手段１２は、縮寸可能な部材４の反発力に対して作用する、３つの独立した引張り部材すなわち部分１４．１６および１８から成る。

縮寸可能な部材４は、取り付は構造物２０へ回動ブロック１０において回動自在に取り付けられ、回動ブロック上で自在に回動する。取り付は構造物２０は、任意の大型の不規則な形状の作業スペース用の塗装ブースまたは製造用建物のような作業範囲の囲いである。アクチュエータ２２．２４および２６は、対応する引張り部材１４、１４３および１８に力を加えて、引張り部材１４、１６および１８を、縮寸可能な部材４の連続的に外方に押圧される力と平衡するように保つ。

アクチュエータ２２．２４および２６は、ロボットの作動および負荷条件に適するように選定された位置において、取り付は構造物へ取り付けられる。

図２を参照すると、図１に示された実施例は、壁土への取り付けに適応するように示される。回動ブロック１０は、取り付は構造物２０上へ取り付けら江　取り付は構造物は、その対応する回動ブロック上で自在に回動するように壁土にある。縮寸可能な部材４は、連続的な外方反発力Ｆを有し、また縮寸可能な部材４の反発力に対して作用する個別の引張り部材１４．１６および１８の選択的引張り力により平衡に保たれる。アクチュエータ２２、２４および２６は、ロボット上の負荷および作動応力を最小にするように選定された位置において取り付は構造物へ取り付けられる。アクチュエータ２２．２４および２６はそれぞれ、引張り部材１４、１６および１８へ引張り力を加え、引張り部材は対象物フランジを引っ張ってはめ、縮寸可能な部材４の反発力ζ対して作用して、縮寸可能な部材４の回動を制御する。

アクチュエータ２４および２６の代表的なアクチュエータ２２が、図３に示される。モーター３ｏは、減速機３２へ連結され、ブラケット３４および３６により取り付はブロック３８八回動自在に取り付けられ、アクチュエータを回動６軸４０の回りに回動させる。取り付はブロック−３８は、ロボットが設置されるときに、取り付は構造物２０の所要の支持表面へ取り付けられる。引張り部材１４および１６の代表的な引張り部材１８が、スプール４４上に巻かれているのが示され、スプールは、アクチュエータモーター３０により回転され、引張り部材を巻くかまたは巻き戻して、対象物フランジを所要の回動パターンで動かす。代わりの方法は、油圧シリンダーまたはネジとナツトの手段（ｒＩ！Ｊ示されない）などの直進形アクチュエータを使用することである。

この機構は、図１に示されるプログラム制御め制御装置４６へ連結され、その制御装置は、アクチュエータ２２および２４用にだけそれぞれ示される制御ケーブル４８および５０の手段により、アクチュエータ２２．２４および２６、ならびに手首部アクチュエータおよび端末作用具などの他のロボット補助機器をプログラム制御す本発明の他の実施例は、図４および５に示される。ここでも対象物フランジ６０は、第１の部材すなわち滑動部材６２および第２の部材すなわち案内部材６４へ固定は、取り付はブロック７２の回りに丁番軸７０において回動される縮寸可能な部材６８を構成する。引張り部材７４は、２つの点７６および７８において対象物フランジ６０へ取り付けられ、また事前引張り器具すなわち第１の付勢手段６６の一部である案内プーリー８０の回りを輪で囲む。事前引張り器具６６は、滑動部材６２上にシリンダー６７を備え、そのシリンダーは、ピストンロッド７１を有するピストン６９を収納する。ピストンロッドは、シリンダーから突き出て、案内プーリー８０を支持する。バネまたはネジなどの手段をシリンダー６７内に備えて、引張り部材７４を引張り状態に保つために、プーリー８０および対象物フランジ６０を離そうとする反発力として連続押圧力を提供することもできる。引張り部材７４は、取り付は点７６および７８において、それぞれ引張り力Ｔ１およびＴ２を提供して、本発明の作動中にフランジ６０に加わる動的および静的な力を相殺する。これには、事前引張り器具６６により加えられる反発力Ｆが含まれる。

引張り部材７４の各分岐部すなわち部分の長さは、取り付はプーリー８６および８８にそれぞれ連結される、図５に示されるアクチュエータ８２および８４の手段により変更できるので、対象物フランジ６０を、各アクチュエータの回転方向に応じて、取り付はブロック７２に関して前後に動かすことができる。両方のアクチュエータが、引張り部材７４の分岐部７４ａが伸張し、かつ分岐部７４ｆが短縮すＺように時計方向（図４）に回転するならば、対象物フランジ６０は、文字Ａにより一般に示される位置から、文字Ｂにより示される位置まで移動して、丁番軸７０の回りに一般に回動する動きを生じる。

アクチュエータが互いに反対方向に回転するならば（プーリー８８は反時計方向、プーリー８６は時計方向）、分岐部＝７４ａおよび７４ｆは伸張でき、また同時に分岐部７４ｃおよび？４ｄは短縮して、文字Ｃにより示されるように、対象物フランジ６０を丁番軸７０から離すように外方へ変位させる。そのような変位中にプーリー８０も、引張り部材７４を引張り状態に保ちながら外方へ変位される。一方、アクチュエータの回転を反対方向にして（プーリー８６反時計方向、プーリー８８は時計方向）、分岐部７４ａ、７４ｆ、７４ｃおよび７４ｄにおける短縮および伸張の作用を逆にして、対象物フランジ６０を丁番１７０へ向【ｊて内方へ移動すなわち変位させることができる。

したがって、引張り部材７４の外側部分の相対長さを制御することにより、対象物フランジ６０は、縮寸可能制約内で、２−自由度を通して動かされる。

好ましくは、取り付はプーリー８６および８８、ならびに案内プーリー９０．９２および８０は、平面的に整合されて、引張り部材７４を実質的に１つの平面内に巻きつけさせ、かつそれらの回転軸を丁番軸７０へ平行になるよ、うに整合させる。これにより、引張り部材７４上の作動ひずみが減少し、かつその耐久性が強化される。

この好ましい構成からの、かなりの逸脱は、引張り部材７４としての使用に適応された構成部材において一般に行われている長さおよびねじりの追従により実現可能である。

２つの別のブロック９４および９６は、アクチュエータ８２３よび８４、ならびにプーリー８６および８８をそれぞれ、構造用サポート９８および１００へ支持する。

構造用サポート１００は、回動ブロック７２を支持するものと共通であるように示され、一方、サポート９８は、同一の作業スペース内に示されるが、その機構に作用する力に関して引張り手段７４上の負荷を最小−に−するために、作業スペース内に関して独立して取り付けできるように分離される。かくして、ブロック７２．９４および９６は、引張り部材７４により対象物フランジ６０上に加えられる力が、図面および実施例の平面的制約だけにより限定される機構の作動力と平衡のままであるように選定される、ロボットの環境すなわち作業スペース内の多数の位置に取り付けできる。例えば、この機構が垂直平面内に位置すると仮定すれと、水平力Ｐが外部へ加えられる力の支配的な方向を表すならば、分岐部７４ａしたがってＴ１が、Ｐの対応成分を平衡するために、大きい水平力成分を有するように、示される位置から上方へブロック９４を位置決めするのが有利であろう。したがって、エネルギー消費の少ない有利な位置決めが可能となろう。

事前引張り器具６６は、取り付はプーリー８６と８８の間で、引張り部材７４に沿う任意の位置に設けることができる。例えば、事前引張りを加えるための、本実施例の２つの他の好都合な位置は、案内プーリー９０および９２の位置である。

本実施例において、事前引張り器具の使用により、引張り部材７４における弛みが補正されると共に、縮寸可能な部材６８と、およびアクチュエータ８２および８４上のエネルギー要求量を平衡する手段とに反発力Ｆが提供される。例えば、図４に示される位置において、この機構は一般に平衡状態にあり、アクチュエータ８２および８４は、力Ｔ１およびＴ２と、事前引張り器具６６により発生する反発力Ｆとの間の小さい差を維持するだけに必要である。Ｔ１と１２間の力の差は、それらの独立した取り付は構成の結果である。取り付はプーリー８６は、取り付はプーリー８８よりも高い位置へ取り付けられるので、Ｔ２は、Ｔ１よりも小さい力を出す。重力、慣性力または加工ツールなどの別の力を相殺するために、例えば、Ｔ２は増加され、またＴ１は減少されて力の差を相殺するであろう。

これにより、両方のアクチュエータ８２および８４上の力平衡が変化するので、一方からのトルクの増加、および他方からのトルクの減少が必要となろう。一方、事前引張りが加えられないならば、例のＴ１はゼロになり、またＴ２は、Ｔ１と１２間の張力の差のほぼ２倍だけ増加することが必要となるので、アクチュエータ８４は、アクチュエータ８２により分担されることなく全負荷を支持することになる。

さらに本発明は、分岐部７４ａおよび７４ｆを個別の引張り部分へ分離し、かつ事前引張り器具６６を、滑動部材６２を案内部材６４かも押し出すように取り付けて、プーリー８６と８８における巻き皿ね手段により実施できる。ついでプーリー８６および８８は、テープ状引張り部材を巻き重ねるスプールにより置き換えができる。

ドラムが特許第４．６８３．７７３号に記載されるように使用されるならば、ケーブル状の部材が好ましいであろう。しかしながら、アクチュエータ８２および８４の個別のアンカー固定、ならびにそれらの位置の選択性についての本発明の内容により、さらに本発明は、従来技術に比べて５　設置の柔軟性と、モジュール化性と、および支配的な外部負荷条件に従って引張り部材上の負荷を最適にする機能とに関して、かなりの利点を提供できる。

図６．７および８は、ロボット用途に最適の、　３−自由度の位置決め機構へ適用できる実施例における図４の発明を示す。図４および５のものと同一である本発明の構成部材は、同一の数字で識別され、一方、同様な機能を有する構成部材は、プライム符号（’）を付けた数字を表示する。図８において、別の引張り部材１０２が、取り付はプーリー１０８および案内プーリー１１０の回りを輪で囲むときに、点１０４において対象物フランジ６０へ、および点１０６において案内部材６４へ取り付けられる−のが示される。

事前引張り器具すなわち第２の付勢手段１１１は、バネ、空気圧、油圧またはネジなどの強制手段を有して、引張り部材１０２を所定の張力の下に維持する。取り付はプーリー１０８は、アクチュエータ１１２により駆動される。１１寸可能な部材６８′は、連結部材１１４と、および好ましくは直角で、かつ交差する２つの回動軸７０１および１１６とを有するブロック７２’へ枢着される。

しかしながら、軸７０′と１１６との間の位置関係が非交差で斜めであると、同様に機能するが、ロボット構造物へ適用されたときに、この機構の数学的表氏　従ってその制御算法を一層複雑にする。アクチュエータ８２．８４および１１２は、それぞれ回動軸１２０、１２２および１２４．１らびにそれ−ぞれ支点部材１３０、１３２および１３４を有する回動手段により同一のブロック９４゛、９６°および１１８へ取り付けられる。

好ましくは、回動軸１２０および１２２は、共面であり、かつ軸１１６へ平行である。また好ましくは、取り付はプーリー８６および８８、ならびに案内プーリー９０および９２は、共面である。また好ましくは、取り付はプーリー１０８および案内プーリー１１０は共面であり、また軸７０’および１２４は共面であり、かつ平行である。＋　しかしながら、これらの関係の場合、平行度から、または共面でありことからの逸脱は、引張り部材７４および１０２の柔軟性に鑑みて、実行可能である。

ブロック１１８および回動ブロック７２’は同一の構造物１３６を共眉し、一方、７＋：Ｉツク９４°おヨＴｊｒ′６°は個別の分離された構造物９８°および１００′へ取り付けられるのが示される。同様に、図４ｓよび５の説明に従って、ブロック７２°、９４゛、９６°および１１８の場合、多くの取り付は位置は、実施可能であり、またそのような位置の選択が、引張り部材７４および１０２を不利に歪まさない限り、または対象物フランジ６０上の力の平衡を阻害しない限り、全て分離し、かつ個別にできる。

プーリー１０８の回転により、部材１０２のセクション１０２ａが短縮または伸張し、またフランジ６０、滑動部材６２および案内部材６４を、軸１１６の回りに回転させる。事前引張り器具１１１は、引張り部材１０２を引張り状態に保つのに必要である。これは、事前引張り器具ｌ１１を引き込みさせるか、または伸長させることにより実施される。しかしながら、対象物フランジ６０が、上述したように、アクチュエータ８２および８４により外方へ変位されるならば、アクチュエータ１１２も同時にかつ対応して回転して、回動輪１１６に関してフランジ６０の同一の角配向を維持しなければならない。

引張り部材７４．ならびにプーリー８６．８８．９ｏおよび９２についての近平面動作を維持するために、アクチュエータ８２および８４は、支点部材１３０および１３２へ取り付けられる。同様に、フランジ６ｏが軸７゜°の回りを回転するとき、引張り部材１０２、取り付はプーリー１０８および案内プーリー１１０の近平面動作を維持するために、アクチュエータ１１２は支点部材１３４へ取り付けられて、好ましくは軸７０’に平行である軸１２４の回りに回転する。この平面構成により、単一の引張り部材７４は、２個のアクチュエータ８２および８４により作動できるので、２−自由度動作の場合の駆動エネルギー必要量を分割できる。

したがって、３個のアクチュエータ８２．８４および１１２により、対象物フランジ６ｏは、軸７０’および１１６の回りの２つの回転と、ならびに軸７０’および１１６に対して一般に斜めであり、好ましくは輔７０’と交差し、かつ好ましくは軸１１６から偏らされる線に沿う直線的移動とから構成される３−自由度で、三次元空間内で移動できる。

ｒＩＩＪ８について、本発明は、６−自由度のロボットアームとして適用される。汎用の手首部組立体１４２は、ハウジング１４４に収納された１セツトのモーターにより作動され、かつ掴み具１４６のような端末作用具を保持する。手首部組立体１４２は、矢印１５０、１５２および１５４で示される３−自由度の回転を有する。

ロボット手首部の追加により、この機構は、本発明により提供される全部の位置決め操作、および手首部機構により提供される局所的位置決めと配向で、三次元空間における６−自由度のロボットアームとして効果的に使用できる。ロボットアームの作業範囲を増加するために、滑動部材６２の直線的移動距離および引張り部材の長さは、他の大きな変更を伴うことなく増加できる。引張り部材として高強度ケーブル、ベルト、炭素黒鉛リボンおよび高強度ワイヤを使用する機能により、大きい負荷は、比較的軽量のロボットアームにより大きい作業範囲内で操作できる。さらにロボットアームの重量は、作業範囲の増加による影響を比較的僅かしか受けない。

勿論、ロボットアームとして使用される機構の場合、滑動部材６２の位置と配向、および引張り部材１０２および７４の長さを検出することにより対象物の位置を直接的にまたは間接的に検出するフィードバック装置を設ける必要があることが分かる。プログラム制御の制御装置４６は、フィードバック装置により提供される信号、および制御プログラムの指令された位置信号に応答してアクチュエータを起動するのに必要である。これは、ロボット工学および数値制御の分野で教育を受けた者に周知の、従来の自動制御手法であり、また従来のロボットに見出される慣用精度および操作上の柔軟性を提供するために、本発明に容易に適用される。

本発明は、対象物の支持または作動構造物の位置を検出することなく、空間内の対象物の位置を検出することなどにより、直接的フィードバック制御に役立つ。

２台のディジタルカメラと移動対象物へ取り付けられた１つの光源とにより、空間内の対象物の位置をめる三角測量法が使用されている。例えば、この原理に基づいた市販のシステムは、商品名５ｅｌｓｐｏｔとして知られ、また他のシステムは、Ｄａｙなどに付与された米国特許第４．６３９．８７８号に開示されている。

間接位置検出手法豪　殆ど全ての従来式ロボットに使用され、そこにおいて、端末作用具の位置は、ロボット構造物の関節部において計られた測定値からめられ、またプログラム制御の制御装置は、端末作用具の位置を測定された関節部の位置へ相関させる幾何変換算法でプログラム制御される。同一の手法は、対象物フランジまたは端末作用具の位置を、測定値へ、例えば滑動部材６２の位置、および軸１１６および軸７０’に婁いて測定された回動ブロック７２°に対する滑動部材の２つの傾斜角度へ相関させるために、本発明に使用できる。２軸ジンバル手段は、−２つの独立した直角軸に関して縮寸可能な部材４の角位置を独立して測定するのに使用できる。フィードバック装置も、幾何変換により対象物フランジの位置へ相関させられる引張り部材分岐部７４ａ、　７４ｆおよび１０２ａの長さを測定でき、ついで引張り部材の長さは、対象物フランジを所要の位置へ位置決めするか、または対象物フランジを所要の経路を横移動させるために、アクチュエータにより調整できる。

一般的に、ロボット操作において、経路の横移動は。

経路に沿う幾つかの順次位置における位置決めに相当するが、経路に沿う任意の中間位置において対象物フランジを停止させるようにアクチュエータに指令する必要はない。したがって、この機構による位置決めの説明は、生産的ロボットプロセスが実施できる点である、ツールセンタ一点として知られる点の一定の規定された経路に沿う制御された移動操作に等しく適用できる。

ロボット手首部１４２を取り付けたとき、端末作用具１４６の位置は、従来の方法で手首関節部において測定される３つ以上の測定値の追加により、空間内で十分に明確にできる。端末作用具の位置と配向を十分に明確にするために測定できる６つの測定値は、幾何変換算法により、引張り部材の対応する長さ、および手首部アクチュエータの対応する装置へ相関させることができる。ついでプログラム制御の制御装置４６は、ロボットアームの６個のアクチュエータへ指令して、端末作用具の必要な位置をめる。

対象物フランジ６０は、滑動部材６２へ固定接続されるのが示されるが、案内部材６４とブロック７２間の回動手段と同様な回動手段を設けることができるのが明らかであり、そこにおいて、対象物フランジ６０は、滑動部材６２に関する配向のために、　１−自由度回転または２−自由度回転を有することができる。２ −自由度は、滑動部材６２に直接に、または構造物１３６のような取り付は構造物において取り付けられる２個の別のアクチュエータによりさらに制約されることがあり、また図１に示される手段と同様な引張り部材により遠隔作動される。

しかしながら、そのようなアクチュエータを配向制御だけのためにベースへ取り付けると、プーリー構成を不当に複雑にするであろう。したがって、好ましい実施例は、本発明の内容を使用するために、位置決め用に３〜自由度までを提供し、かつ対象物フランジ６０において１−自由度、２−自由度または３−自由度を追加することである。追加の配向自由度は、三次元空間において運動学的に決定できるシステムの場合、６−自由度まで、動作柔軟性の所要のレベルにおいて達成できる。

図９は、軽量ロボット機構の用途を示す。各機構は、示されるスプレー塗装ブースのような取り付は構造物２０へ適応できる。各ユボットは、取り付は構造物２０へ独立して取り付けられるアンカーブロック９４．９６および１１８を有する。これにより、　３−自由度で動作する対応するロボット機構を通して手首部組立体１４２が容易に、かつエネルギー効果的に操作されるので、手首部組立体１４２は、３−自由度で回転して、ワークピース１６０について意図した機能を実施できる。

ここに開示される本発明の実施例は、好ましい形態を構成するが、他の形態は、以下の請求範囲内で適応できることが分かる。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成６年８月　４　日

Claims

【特許請求の範囲】

１．商業用航空機なとの大型のワークピース上で作業を行なうように適応された、作業スペースに関して調整可能な対象物位置決め機構であって、前記作業スペースに関して固定されるように適応されたベースヒ、前記ワークピース上で作業を行なうツールを保持するように適応された、前記ベースから離間する対象物フランジと、互いに直線的に移動可能な第１と第２の部材を有する縮寸可能な部材と、第１の部材はベースへ回動自在に接続され、また第２の部材は対象物フランジへ取り付けられるものであり、ベースおよび作業スペースに関して、それそれ独立して取り付けできる複数のアンカーブロックと、それぞれアンカーブロックの対応する１つのブロックへ接続される複数のアクチュエータと、複数の引張り部分を備える引張り手段であって、前記引張り部分の少なくとも２つの部分は、その一端において対象物フランジへ接続され、対応する他端においてアクチュエータの対応する１個のアクチュエータへ接続され、またアクチュエータのそれぞれは、対応する引張り部分を選択的に引っ張ってはめることにより、対応する引張り部分の長さを変更するように付勢できるようした引張り手段と、および対象物フランジをベースから離すように押すことにより、対象物フランジは引張り手段によりベースへ向けて常に引う張られ、同時に対象物フランジは、力平衡の状態を得るようにベースから離れて押されように、縮寸可能な部材の第１と第２の部材を通して作動する付勢手段であって、前記アンカーブロックは、アクチュエータの付勢に必要なエネルギーを最小にするために、作業スペースに関して対応するアクチュエータを位置決めするように、互いに独立してベースへ取り付けられるようにした付勢手段とを含む対象物位置決め機構。
２．縮寸可能な部材の第１と第２の部材は、互いに入れ子式に移動可能である請求項１の対象物位置決め機構。
３．引張り手段は、前記引張り部分の少なくとも２部分を備える連続部材であり、また前記アクチュエータの２個と作動する請求項１の対象物位置決め機構。
４．一端を対象物フランジへ接続させ、かつ他端を前記縮寸可能な部材の第２の部材へ接続させた、アクチュエータの１個へ接続される第３の引張り部分と、および対象物フランジをベースから離すように押し、一方、対象物フランジはベースへ向けて第３の引張り部分により引っ張られるようにして、３−自由度の前記対象物位置決め機構を提供するように、縮寸可能な部材の第１と第２の部材を通して作動し、かつ第１の前記付勢手段と協働する第２の付勢手段を備える請求項１の対象物位置決め機構。
５．アクチュエータは、それらの対応する引張り部分を選択的に巻き重ね、および縁り出すためにスプールを備える請求項１の対象物位置決め機構。
６．前記引張り部分の少なくとも２部分へ接続されるアクチュエータは、連続引張り手段の対応する引張り部分の長さを変更するために駆動プーリーを備える請求項３の対象物位置決め機構。
７．付勢手段は、連続状態の引張り手段を支持するために、かつ駆動ブーリーが対応する引張り部分の長さを変更するように駆動ブーリーと協働するために、前記アクチュエータ上の駆動ブーリーと共面である、前記縮寸可能な部材上にブーリーを備える請求項６の対象物位置決め機構。
８．連続部材は、それそれ対象物フランジへ接続される２つの端部を有する請求項３の対象物位置決め機構。
９．前記引張り部分の前記１つの端部間で前記引張り手段を支持するために、前記ベースに関して固定されるブーリーを備える請求項１の対象物位置決め機構において、前記付勢手段は前記ブーリーおよび前記対象物フランジを通して作動して、前記引張り手段における張力を維持し、一方、前記引張り部分は、前記ベースに関して前記対象物フランジを押し、かつ引っ張るようにした対象物位置決め機構。
１０．各引張り部分は、前記対象物フランジの一端において終端し、また縮寸可能な部材の第１の部材へ接続される他端を有する請求項１の対象物位置決め機構。