JPH1015875A

JPH1015875A - 産業用ロボット

Info

Publication number: JPH1015875A
Application number: JP19526696A
Authority: JP
Inventors: Akira Nihei; 亮二瓶; Takeshi Okada; 毅岡田; Hidetomo Kurebayashi; 秀倫榑林
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトで、しかも、バランス機構にケー
ブルを挟み込む心配のない産業用ロボットを提供するこ
と。【解決手段】重力を原因とするＷ軸の周りの回転モー
メントが零となるときに重ネ板バネ８が自然状態に復帰
するように、第１アーム４および旋回胴３の各々に重ネ
板バネ８の両端を取り付けて、重力によるＷ軸周りの回
転モーメントの変動を吸収させ、Ｗ軸のサーボモータＭ
ｗに無駄な負荷が作用するのを防止する。重ネ板バネ８
を第１アーム４および旋回胴３に内装して取り付けるこ
とにより産業用ロボット１をコンパクト化する。重ネ板
バネ８の採用によりバランス機構から伸縮機構をなく
し、ケーブル等の挟み込みをなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用ロボットの
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】アームの姿勢変化と重力の影響で回転軸
の周りに生じる回転モーメントの変動を相殺するための
バランス機構を備えた垂直多関節型ロボットとして、油
圧や空気圧を用いたもの（特開昭６３−１９１５８７号
等）が周知である。しかし、これらのものには、圧力源
や配管設備が不可欠となって装置の規模が大掛かりにな
る欠点があった。また、ガスを封入したシリンダを利用
して外部の圧力源を不要としたものも提案されている
が、アームの揺動によってシリンダ内のガスが頻繁に圧
縮されるため、発熱現象が生じるといった問題があり、
ガス抜けの心配もある。

【０００３】そこで、このような問題を解消するため、
単数または複数のコイルスプリングを利用してバランス
機構を構成したもの（特開平１−１０９０８７号等）が
提案されている。しかし、コイルスプリングを利用して
アームの姿勢変化と重力の影響による回転モーメントの
変動に対抗する回転モーメントを発生させるためには、
コイルスプリングが有する直線方向の押圧力や引っ張り
力を回転モーメントに変換するための手段、つまり、モ
ーメントの腕となるレバー等を回転軸に装着する必要が
ある。要するに、コイルスプリングを回転軸からオフセ
ットした位置に離間して装着する必要があるわけで、産
業用ロボットの小形化の妨げとなる。また、レバー状の
腕に代えて、端部を固着したコイルスプリングを巻回し
たプーリを利用する場合もあるが、この場合も、プーリ
の半径がモーメントの腕として利用されているに過ぎ
ず、コイルスプリングを回転軸からオフセットする必要
がある点では前記と同様であり、やはり、産業用ロボッ
トの小形化の妨げとなる問題がある。

【０００４】更に、コイルスプリングを利用した場合で
は、アームの姿勢変化によってスプリングの伸び状態が
様々に変化するため、スプリングが伸びた時にそのピッ
チ間に周辺機器のケーブル等が挟み込まれるといった可
能性があり、そのような場合には、ケーブルが損傷した
り、または、コイルスプリング自体が元の全長に復帰で
きなくなったりするという危険がある。そして、このよ
うな問題を解消するためにはスプリングをカバーするた
めのパイプ等が必要となり、製造コストの増大に繋が
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
のものに比べて一層コンパクトで、しかも、バランス機
構にケーブルを挟み込む心配のない産業用ロボットを提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、アームの姿勢
変化と重力の影響で回転軸の周りに生じる回転モーメン
トの変動を相殺するためのバランス機構を板バネによっ
て構成したことを特徴とする構成により前記目的を達成
した。板バネには伸縮する空間がないので、ケーブルの
挟み込みや巻き込みを生じる危険がない。

【０００７】更に、枚数調整可能な重ネ板バネを採用す
ることにより、回転軸の周りに生じる回転モーメントの
変動特性に合わせ、これを相殺するために最適なバネ特
性が得られるようにする。

【０００８】板バネの両端部は、重力による回転モーメ
ントが零となるときに板バネが自然状態に復帰するよう
に、アーム、および、アームに接続する基部側の部材の
各々に固定する。

【０００９】また、板バネを屈曲させた場合には、その
表裏に伸びと縮みが同時に発生し、板バネの厚みが大き
な場合、つまり、伸びと縮みの差が大きな場合には、板
バネ自体に破断や座屈が生じる恐れがある。そこでこの
ような問題を解消するため、重ネ板バネを使用し、前記
アーム、または、前記回転軸を介して前記アームに接続
する基部側の部材のいずれか一方に重ネ板バネの一端を
固定する一方、前記重ネ板バネの他端を残る前記基部側
の部材または前記アームに設けられた嵌合部に摺動およ
び回転可能に係合させ、前記アームの揺動によって生じ
る前記固定部と嵌合部との相対的な位置変化に応じ、前
記嵌合部に沿って前記各々の板バネの他端を個別に滑動
させるような構成を適用する。各々の板バネの厚みが薄
くなるので、板バネを大きく屈曲させても表裏の伸び縮
みの差が少なくて済み、板バネを単体で構成した場合、
および、板バネの両端を固定した場合に比べ、より大き
な屈曲動作が可能となる。また、重ネ板バネを使用した
場合ほどではないが、単一の板バネを使用した場合に
も、板バネの一端を嵌合部に対して摺動および回転可能
に取り付けることにより、板バネの金属疲労を防止して
耐久性を向上させる効果がある。

【００１０】また、板バネはそれ自体を屈曲させようと
する外力に抗して曲げ弾性エネルギーを発生させるの
で、コイルスプリングの場合とは相違し、直線方向の押
圧力や引っ張り力を回転モーメントに変換するための腕
を必要としない。従って、腕の長さが零の状態で回転軸
を横切るように板バネを配備した場合でも、アームの姿
勢変化と重力の影響で生じる回転モーメントを相殺する
ための曲げ弾性エネルギーを発生させることができる。
これは、回転軸のある関節部分を貫通させ、産業用ロボ
ットの内部にバランス機構を配備できるということを意
味する。そこで、このような板バネの特性を利用して産
業用ロボットを一層コンパクト化するための手段とし
て、重力による回転モーメントが零となるときに板バネ
が自然状態に復帰するように、アーム、および、アーム
に接続する基部側の部材の各々の内部に板バネの両端部
を取り付けた構成、要するに、回転軸のある関節部分を
貫通させて板バネを取り付けた構成を提案する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図１は本発明の構成を適用した一
実施形態の産業用ロボット１の主要部を側面から示す概
念図、また、図２は同実施形態の産業用ロボット１の主
要部を正面から示す概念図である。

【００１２】図１および図２に示す通り、産業用ロボッ
ト１の本体部は、概略において、据え付け用のベース２
と、該ベース２上に取り付けられた旋回胴３、水平方向
に配備された回転軸Ｗを介して旋回胴３に揺動自在に取
り付けられた第１アーム４、および、第１アーム４の先
端に配備された水平方向の回転軸Ｕを介して揺動自在に
取り付けられた第２アーム５により構成されている。

【００１３】Ｍθはベース２に対しθ軸を中心として旋
回胴３を回転させるための減速機付サーボモータ、ま
た、Ｍｗは旋回胴３に対しＷ軸を中心として第１アーム
４を回転させるための減速機付サーボモータである。Ｍ
ｕはカウンターウェイト部６を回転させることにより第
２アーム５をＵ軸回りに回転させる減速機付モータであ
る。更に、第２アーム５の基部５ａには、アーム５の先
端に取り付けられた手首５ｂをγ，βの各軸の周りに回
転駆動するためのサーボモータＭγ，Ｍβや、手首５ｂ
におけるエンドエフェクタ装着部５ｃをα軸の周りに回
転駆動するためのサーボモータＭα、および、それらの
減速機等が設けられている。

【００１４】更に、旋回胴３に回動自在に軸支されたカ
ウンターウェイト部６と第２アーム５の基部５ａとの間
には、第２アーム５の姿勢を保持するためのサポートリ
ンク７が枢着され、該サポートリンク７と第１アーム４
ならびにカウンターウェイト部６と前記基部５ａとで平
行リンク機構を構成する。このため、第２アーム５とそ
の付加物は、第１アーム４に対してＵ軸の位置から鉛直
下方向きの荷重のみを作用させ、モーメントは作用させ
ない。

【００１５】従って、図１に示されるような産業用ロボ
ット１の基準姿勢、つまり、Ｗ軸が鉛直となった姿勢で
は、Ｗ軸の周りの回転モーメントが零となり、サーボモ
ータＭｗには負荷が全く作用していないということにな
る。

【００１６】この状態から第１のアーム４を反時計方向
に揺動すれば前述のバランスが崩れ、図３に示す通り、
重力の影響によってＷ軸の周りに反時計方向の回転モー
メントが作用し、また、図１の状態から第１のアーム４
を時計方向に揺動すれば、図４に示す通り、重力の影響
によってＷ軸の周りに時計方向の回転モーメントが作用
することになる。

【００１７】つまり、Ｗ軸は水平方向に配備された回転
軸であり、かつ、該回転軸の周りに揺動する第１のアー
ム４の姿勢変化と重力の影響とによって回転軸の周りの
回転モーメントに変化を生じる回転軸であって、重力に
よる回転モーメントが零となるのは、既に述べた通り、
図１のようにＷ軸が鉛直になったときである。

【００１８】そこで、この実施形態においては、産業用
ロボット１が図１に示すような基準姿勢にあるときに、
バランス機構となる重ネ板バネ８が自然状態に復帰し、
しかも、第１のアーム４が反時計方向に揺動したときに
Ｗ軸の周りに時計方向の回転モーメントを発生し、か
つ、第１のアーム４が時計方向に揺動したときにＷ軸の
周りに反時計方向の回転モーメントを発生するように、
該重ネ板バネ８の取り付けを行う。

【００１９】重ネ板バネ８は、複数の板バネ８ａを滑動
自在に重合して構成したものであって、図１および図２
に示すように、Ｗ軸を介して第１のアーム４に接続する
旋回胴３と第１のアーム４との間に、Ｗ軸を横切るよう
にして、第１のアーム４および旋回胴３に内装して取り
付けられている。

【００２０】Ｗ軸駆動用のサーボモータＭｗは、図２に
示す通り、旋回胴３の外側に取り付けられ、アーム４の
外側に固設されたシャフトに駆動力を与えてアーム４を
揺動させるるように設計されている。つまり、Ｗ軸に相
当するシャフトはアーム４の外側に設けられているので
あって、アーム４および旋回胴３内には、重ネ板バネ８
と干渉するような部材は一切存在しない。

【００２１】重ネ板バネ８の一端は、図１および図２に
示すように、一対のＬ型クランプ９によって表裏を挟持
され、クランプ９同志を締結するボルトによって該クラ
ンプ９に一体的に固定され、また、クランプ９自体は、
旋回胴３の内部に一体的に設けられたクランプ取り付け
面１０にボルトで固定されている。板バネ８ａの重合枚
数を変えて重ネ板バネ８の厚みを調整する場合があるの
で、少なくとも一方のクランプ９に関しては、図１の左
右方向に移動可能で、かつ、任意位置の各々でクランプ
取り付け面１０に対して確実に固定できる必要がある。

【００２２】従って、クランプ９側のボルト通し穴を長
穴とし、クランプ取り付け面１０側に雌ネジを刻設して
クランプ９の取り付け位置の微調整に対処する。また、
クランプ９の取り付け位置を板バネ８ａの最大重合枚数
に合わせて設計すると共に、板バネ８ａの１枚の厚みに
匹敵し、かつ、クランプ９の投影面と同等の面積を有す
る矩形の鋼板を予め複数枚準備しておき、板バネ８ａの
枚数を減らした際のダミーとして利用するようにしても
よい。

【００２３】また、重ネ板バネ８の他端は、図１および
図２に示す通り、第１アーム４内に平行して固設された
２本のピン１１，１１によって表裏から挟持されるよう
なかたちで支承されている。但し、２本のピン１１，１
１の間隔は重ネ板バネ８の厚みよりも僅かに大きくなる
ように設計されており、重ネ板バネ８が２本のピン１
１，１１に同時に接触することはない。２本のピン１
１，１１の間隔は、図３および図４に示されるように、
ピン１１，１１を含む平面の法線が重ネ板バネ８の中立
軸に対して或る程度の角度を持った場合であっても、つ
まり、前記平面によって切られる重ネ板バネ８の見掛け
上の厚みが肥大した場合であっても、重ネ板バネ８が２
本のピン１１，１１に同時に接触することがないように
設定されている。

【００２４】更に、ピン１１，１１の外周に回転自在な
スリーブ等を環装することにより、嵌合部であるピン１
１，１１に対する重ネ板バネ８の滑動が一層容易になる
ようにしてもよい。

【００２５】図１と図３または図１と図４を比較すれば
わかるように、第１アーム４が揺動するとクランプ９に
対してピン１１，１１が相対的に接近する。無論、第１
アーム４の揺動に伴って重ネ板バネ８に屈曲が生じ、そ
の見掛け上の全長も短縮されるのだが、クランプ９に対
してピン１１，１１が接近する度合いが前述の全長の短
縮に比べて大きく作用するので、図３または図４に示す
通り、結果的に、第１アーム４の揺動に応じてピン１
１，１１から上方に食み出す重ネ板バネ８の突出量が大
きくなる。

【００２６】ピン１１，１１に対して重ネ板バネ８の滑
動を自在とするのは、ピン１１，１１に対する重ネ板バ
ネ８の突出量が規制されて重ネ板バネ８自体に無理な屈
曲が生じるのを防止するため、要するに、重ネ板バネ８
の屈曲をより自然な状態に近付けて、屈曲の繰り返しに
よって生じる金属疲労の進行を遅らせるためである。

【００２７】ピン１１，１１と重ネ板バネ８との間に或
る程度の間隙を設けて重ネ板バネ８の先端部の回転を自
在とするのも、これと同じ理由、つまり、余計な拘束を
なくし、重ネ板バネ８の屈曲をより自然な状態に近付け
て金属疲労の進行を遅らせるためである。

【００２８】無論、重ネ板バネ８の先端をピン１１，１
１の側に完全に固定したとしても、重力と第１のアーム
４の姿勢変化によってＷ軸の周りに生じる回転モーメン
トの変化を重ネ板バネ８の弾性力で相殺するといった所
期の目的は達成され得るが、重ネ板バネ８の先端を完全
に固定した場合には、重ネ板バネ８に無理な屈曲が生
じ、特に、重ネ板バネ８を拘束する両端部で強力な曲げ
力が作用して重ネ板バネ８が不自然に屈曲するので、そ
の一端を完全な自由状態にした場合と比べると、金属の
疲労が早くなることは否めない。

【００２９】図３および図４に示す通り、Ｗ軸を中心と
する第１アーム４の揺動角度が大きくなって重力による
Ｗ軸周りの回転モーメントが増大するにつれ、重ネ板バ
ネ８の屈曲変位も増大し、重力によるＷ軸周りの回転モ
ーメントに背反する方向で弾性復帰力を発揮するので、
Ｗ軸の揺動可能範囲のほぼ全領域に亘って、これら２つ
のモーメントの和を零に近い状態に維持することがで
き、この結果、サーボモータＭｗに作用する無駄な外力
も減って、負荷の軽減や電力の節約に繋がる。

【００３０】Ｗ軸から先の揺動部分の全体的なスパンは
第１のアーム４を反時計方向に揺動した場合よりも時計
方向に揺動した場合の方が長くなるので、一見すると、
重力によって生じるＷ軸周りのモーメントも図３の状態
よりも図４の状態の方が大きくなっているように見える
が、実際には、第２アーム５とその付加物の荷重は全て
Ｕ軸を質点として作用しているので、問題となるのはＷ
軸とＵ軸との間のスパン、および、垂直軸に対する第１
アーム４の傾きであって、第１アーム４に対する第２ア
ーム５の姿勢変化、要するに、第１アーム４と第２アー
ム５とが図３のように大きく屈折しているかとか、第１
アーム４と第２アーム５とが図４のように伸びきってい
るかとかいったことは、重力に起因して生じる回転モー
メントの変化とは全く関係がない。

【００３１】既に述べた通り、重ネ板バネ８の全体的な
厚み、要するに、重ネ板バネ８の屈曲によって生じる弾
性復帰力の大きさは、板バネ８ａの枚数を変えることに
よって自由に調整できるので、第２アーム５に装着する
エンドエフェクタの重さや、それによって搬送される物
品の重量等に応じ、常に最適のバネ特性を得ることがで
きる。

【００３２】また、重ネ板バネ８は、一端のみを相互に
固定された複数の板バネ８ａを重合して構成し、その全
体がピン１１，１１に対して滑動自在であると共に、薄
く形成された個々の板バネ８ａ同志も相互に滑動自在で
あるから、全体が大きく屈曲された場合であっても、個
々の板バネ８ａの表裏に無理な引っ張り力や圧縮力が作
用することはなく、厚みの大きな単一の板バネを利用し
た場合とは相違し、座屈や破断といった損傷が発生する
心配もない。

【００３３】また、個々の板バネ８ａの厚みは全て均一
にするといった必要はなく、最低限必要とされる反発力
を発生させるための厚手のものと弾性力微調整用の薄手
のものを混合して用いたり、更には、様々な厚みのもの
を多数種用意し、これらの板バネ８ａを恰もブロックゲ
ージのように組み合わせて、所望するバネ特性を得るよ
うにしてもよい。

【００３４】バランス機構となるバネを第１アーム４お
よび旋回胴３に内装して取り付けることができるのは、
屈曲によって弾性エネルギーを蓄える重ネ板バネ８をバ
ランス機構として採用しているからである。エアシリン
ダやコイルスプリングが蓄えるエネルギーは飽くまで直
線方向に作用する力であるから、これを回転運動のエネ
ルギーとして利用するためには、エアシリンダやコイル
スプリングを引っ掛けるためのレバーやプーリをＷ軸に
取り付けて、エアシリンダやコイルスプリングの力が働
く作用点をＷ軸から半径方向に離間させて回転モーメン
トを発生させる必要があり、実際問題として、これらの
装備を第１アーム４および旋回胴３に内装するのは殆ど
不可能である。また、もし可能であったとしても、レバ
ーのスパンやプーリの半径を大きくとることができず、
重力と姿勢変化によって生じる回転モーメントの変動を
相殺する程の反力を発生させることはできないし、コイ
ルスプリングのピッチの伸長や圧縮によって内部のケー
ブルが挟み込まれるといった危険もある。

【００３５】これに対し、重ネ板バネ８をバランス機構
として採用した本実施形態では、バランス機構を構成す
る装備一式を第１アーム４および旋回胴３に沿ってその
内部に容易に取り付けることができ、しかも、重ネ板バ
ネ８自体には伸縮する部分がないので、第１アーム４お
よび旋回胴３内部のケーブル類を重ネ板バネ８に沿って
這わせても、何の問題も生じない。

【００３６】

【発明の効果】本発明の産業用ロボットは、重力とアー
ムの姿勢変化の影響で生じる軸周りの回転モーメントの
変動を吸収するバランス機構を板バネによって構成して
いるので、油圧や空気圧およびコイルスプリング等を利
用した場合とは相違し、直線方向の押圧力や引っ張り力
を回転モーメントに変換するための腕やプーリ等を必要
とせず、バランス機構の構成要素の全てを産業用ロボッ
トに内装して取り付けることができ、油圧や空気圧およ
びコイルスプリング等を利用してバランス機構を構成し
た従来の産業用ロボットに比べ、産業用ロボット全体の
大きさをコンパクト化することができる。

【００３７】また、バランス機構の構成部材に伸縮動作
をするものが含まれていないのでバランス機構を隔離す
るためのカバー部材等を設ける必要がなく、しかも、バ
ランス機構に沿って直に各種ケーブル等を這い回しても
ケーブルの挟み込み等による断線やバランス機構側の動
作不良が発生することがない。

【００３８】更に、枚数調整可能な重ネ板バネを採用し
ているので、回転軸の周りに生じる回転モーメントの変
動特性に合わせ、最適なバネ特性が得られるようにバラ
ンス機構を調整することができる。

【００３９】また、バランス機構を構成する板バネの一
端を嵌合部に対して摺動および回転可能に支承すること
により、板バネの姿勢を規制しないようにして屈曲動作
を行わせるようにしているので、屈曲動作の繰り返しに
よる板バネの金属疲労を最小限度に抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の産業用ロボットの主要部
を側面から示す概念図である。

【図２】同実施形態の産業用ロボットの主要部を正面か
ら示す概念図である。

【図３】同実施形態の産業用ロボットの姿勢変化の一例
を示す概念図である。

【図４】同実施形態の産業用ロボットの姿勢変化の一例
を示す概念図である。

【符号の説明】

１産業用ロボット２ベース３旋回胴４第１アーム５第２アーム５ａ第２アームの基部５ｂ手首５ｃエンドエフェクタ装着部６カウンターウェイト部７サポートリンク８重ネ板バネ８ａ板バネ９Ｌ型クランプ１０クランプ取り付け面１１ピンＭθ 減速機付サーボモータＭｗ減速機付サーボモータＭα 減速機付サーボモータＭβ 減速機付サーボモータＭγ 減速機付サーボモータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向に配備された回転軸の周りに揺
動するアームの姿勢変化と重力の影響で前記回転軸の周
りに生じる回転モーメントの変動を相殺するためのバラ
ンス機構を備えた産業用ロボットにおいて、前記バラン
ス機構を板バネによって構成したことを特徴とする産業
用ロボット。
【請求項２】前記板バネが枚数調整可能な重ネ板バネ
によって形成されていることを特徴とする請求項１記載
の産業用ロボット。
【請求項３】重力による回転モーメントが零となると
きに前記板バネが自然状態に復帰するように、前記アー
ム、および、前記回転軸を介して前記アームに接続する
基部側の部材の各々に、前記板バネの両端部を固定して
取り付けたことを特徴とする請求項１または請求項２記
載の産業用ロボット。
【請求項４】重力による回転モーメントが零となると
きに前記板バネが自然状態に復帰するように、前記アー
ム、または、前記回転軸を介して前記アームに接続する
基部側の部材のいずれか一方に前記板バネの一端を固定
する一方、前記板バネの他端を残る前記基部側の部材ま
たは前記アームに設けられた嵌合部に摺動および回転可
能に係合させ、前記アームの揺動によって生じる前記固
定部と嵌合部との相対的な位置変化に応じ、前記嵌合部
に沿って前記板バネの他端を滑動させるようにしたこと
を特徴とする請求項１または請求項２記載の産業用ロボ
ット。
【請求項５】前記板バネを前記アームおよび前記基部
側の部材の内側に取り付けるようにしたことを特徴とす
る請求項３または請求項４記載の産業用ロボット。