JPS5847315B2 - サンギヨウヨウロボツトノア−ム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は産業用ロボットのアーム構造に関し、特に、連
結した２本のアームにおける最先端の作動部に負荷が作
用したときに、あらゆる移動点でモ重カバランスが保た
れて、アームの移動を軽快に成し得る如くしたアームを
提供しようとするものである。

一次元的運動の如き単純な移動でなく、人間の腕に相応
する二次元、三次元的な運動を行なわせようとするロボ
ットにあっては、各種のデータを記憶させるための記憶
装置とロボットの作動機構とを組み合わせて、記憶装置
から出される指令情報通りにロボット作動部を移動させ
ることが必要であり、しかもその動作が非常に複雑で多
くの指令情報を持っている場合には、プログラムの設定
をデスクワークで行なうことは困難である。

従ってロボットのプログラム設定に当っては、通常、ロ
ボットの先端作動部を取扱者が手で持って所要の移動軌
跡通りに移動させつつ、その過程で時々刻々移動経路に
応じた信号を記憶装置に記憶させることが行なわれる。

ところが、この作動部移動の際にアーム長が可成り長く
、かつ重量が大であると、特に第１図々示の如き２本の
アームを連結した構造の場合には、作動部先端に作用す
る回りモーメントが大きくて取扱者が円滑に操作し得な
い不便がある。

本出願人はかＳる事実に対処してロボットの先端作動部
において、外力を加えた際、極めて軽力でしかも円滑に
移動させることができ得るロボットアームの新規な構成
に関し、先に提案を行ない、実用化装置として誠に好適
なアームを得るに至ったが、本発明はか＼るロボットア
ームに改良を重ネ、特にアーム自重を相殺させるバラン
ス機構をアキュムレータ内に封じ込めたばね定数を保持
する圧縮性流体圧系と、油圧シリンダーと前記アキュム
レータとを連結してなる流体路中に非圧縮性流体を封じ
込めた一定推力を保持する非圧縮性流体圧系とから構成
し、調整の容易化をはかるとともに、調整範囲を広くす
ることにより各種仕様への適合化を可能ならしめたこと
を特徴とするものであり、その詳細については下記の説
明によって明らかにされる。

即ち本発明は第１図に略本する如く、第１アーム１と、
第２アーム２と、リンク部材３と、第１゜第２バランス
機構４，５とから構成されていて、第１アーム１はその
基端部を、水平固定枠Ｆから直立させた支持部材６の下
部に設けられた基軸Ｉに対して回動自在に枢支させ、一
方第２アーム２は第１アーム１の先端に存する関節部９
にその基端部を回り対偶で連接させており、第１アーム
１は関節部９が垂直方向の揺動自在となり、第２アーム
２は先端作動部１０が垂直方向の揺動自在となっている
。

次にリンク部材３は直角り型をなして、その角部が前記
関節部９の軸に支承され、一方の辺３ａが垂直方向に、
他方の辺３ｂが水平方向に夫々位置するようになってい
るが、この他方の辺３ｂと、第１アーム１と、固定枠Ｆ
と、補助アーム８との４部材で平行四辺形状を成す４節
リンク機構を形成させることによって、第１アーム１の
傾斜角度に何等関係なく、リンク部材３の一方の辺３ａ
が垂直方向に、他方の辺３ｂが水平方向に絶対位置を保
持し得るようになっている。

なお、これと同機能を発輝し得る機構であれば、上記例
の他に遊星歯車機構を利用したもの等も考えられ、本発
明におけるリンク部材はか＼る変型機構をも包含するも
のである。

第１、第２バランス機構４，５は共に、アキュムレータ
１１と進退可能な片ロンド型油圧シリンダー１２とを有
する非圧縮性流体系で形成され、各ロンド端は第１．第
２両アームの軸上任意の点ＢおよびＤに回り対偶で係着
させ、一方、シリンダ一本体は第１バランス機構４にお
いては、支持部材６の基軸７に対し垂直上方となる個所
Ａに、また、第２バランス機構５においては、リンク部
材３の垂直辺３ａにおける任意の個所Ｃに夫々目り対偶
で係止させている。

そして両油圧シリンダー１２のロンド後退側に作用する
一方の圧力室は配管１３によってアキュムレータ１１の
底部に連通させるとともに他方の圧力室は大気に開放さ
せている。

上記各配管１３．１３からは開閉弁１５を介した圧油供
給管１４．１４が分岐接続されていて、適宜圧力の圧油
をシリンダー１２とアキュムレータ１１からなる非圧縮
性流体系に封入する一方、アキュムレータ１１内には予
め適宜圧力の圧縮性流体例えば窒素ガスを封入させてい
て、かくするコトによって、後述の説明から明らかなよ
うに所定のばね定数を存してシリンダー１２のピストン
を常時後退側に移動させるように働き、アーム１゜２の
回りモーメントに対し均衡するようになっている。

斯く構成したロボット用アームにおいて、前記第１、第
２バランス機構４，５の各はね定数に１゜Ｋ２を設定す
るに当っては特定の条件即ち、第１バランス機構４にお
いては第１アーム１に作用する重力方向の回りモーメン
トを消去し、一方、第２バランス機構５においては第２
アーム２に作用する重力方向の回りモーメントを消去し
得るに足る数値が必要であって、これを以下、第２図を
参照しつつ解説すれば、令弟２アーム２の自重がＷ２で
第２バランス機構５の自重に比し遥るかに大きいもので
あるとし、この第２アーム２の先端作動部１０にＷ３な
る負荷が作用したとして、重力方向の回りモーメントと
第２バランス機構５のばね力とが釣合っており、同様に
して第１アーム１の回りモーメントと第１バランス機構
４のばね力とが釣合っていると仮定する。

第２アーム２の支点Ｐに対する回りモーメントを考える
と、負荷Ｗ３、第２アーム自重Ｗ２による回りモーメン
トＭＰ２は 一方、第２バランス機構５の作用力をＲ２として該作用
力Ｒ２によるＰ点の回りのモーメントとなる。

従って点Ｐの回りのモーメントが零であることは、ＭＰ
□＝ＭＲ２なる式が成立すると考えれば良く また、第２バランス機構５の成る状態での長さＳ２は、 となることは明白である。

こ＼で油圧ラインからの油圧によって第２バランス機構
５のロッドに力Ｆ２が加わっているとすると、該機構５
によって発生させねばならない力（ＩちＳ）は式（４）
Ｆ２であるからこ＼で第２アーム２が、該アーム２
とリンク部材３の垂直部３ａとの間に成す角度を、βか
らβ′に転じたとすると、 従って第２バランス機構５におけるばねの作用力ｒ２お
よび長さＸ２の各変位は 上記７式は第２バランス機構５のばね特性を示したもの
であり、上記結果から明らかなように、第２バランス機
構５にばね定数かに２なるばねに相当する作用力を与え
ておくことによって、Ｐ点の回りのモーメントは相殺さ
れてバランスがとれ、任意の移動角βで第２アーム２は
静止するし、かつ角移動のための外力は軽くて良い。

次に第１アーム１の支点Ｏに対する全アームの回りモー
メントを考えると、第１アーム１の自重をＷｌとして 第２図の如く第１バランス機構４に力Ｒ１を作用させる
と、Ｒ１による０点の回りのモーメントＭ８、は、 従って０点の回りの釣合を保つにはＭ。

二ＭＲ０なる式が成立すれば良いから、 こ＼で油圧ラインからの油圧によって第１バランス機構
４のロッドに力Ｆ１が加わっているとすると、該機構４
によって発生させねばならない力（Ｒ＋ ｓ ）は式（
ホ）−Ｆ、であるからであってこの両式（へ）（ト）は
前夫（／ｙ口）と同質のものとなり、上記（刀式は第１
バランス機構４のはね特性を示したもので、該機構４に
に１なるばね定数の作用力を持たせることによって０点
の回りのモーメントは相殺されてバランスがとれ任意の
移動角αで、第１アーム１は静止するし、かつ角移動の
ための外力は軽くなる。

両バランス機構４．５には特定のはね定数が必要なこと
が上述の説明から明らかとなったが、このばね定数を付
与する手段として、本発明はアキュムレータ１１内に封
入した圧縮性流体を利用しているのであり、適当なばね
定数を与える手順につき以下説明すれば、両アキュムレ
ータ１１１１内には予めガスを適当な圧力で夫々封入し
ておき、第１バランス機構４のアキュムレータ１１およ
びシリンダー１２に圧油を供給する場合は、供給管１４
に連絡させた圧油源を所望の圧力値Ｐに設定した後、開
閉弁１５を開いて送油した後、閉弁する。

（こ＼で第２バランス機構５の開閉弁１５は閉じたま＼
にしておく） かくして圧油はアキュムレータ１１とシリンダー１２内
で出入りを行うことは当然である。

こ＼で必要とする第１バランス機構４の推力をＦ１シリ
ンダー１２におけるピストンの最後退位置からの移動量
をＸとすると、前述の説明から明らかなように 次にアキュムレータ１１における諸元の間の関係は次式
で表わされる。

油圧シリンダー１２の受圧面積をＡ１最犬ストロークを
Ｓとすると、Ｐ２は必要とされるバランス機構４の最低
推力Ｆｍ１ｎをＡで除し、また、Ｐ３は同じく最高推力
ＦｍａｘをＡで除すことで求められる。

即ちＰ２＝Ｆｍｉｎ／Ａ、Ｐ ３＝Ｆｍａｘ／Ａとなる
。

なお、■、はアキュムレータ１１の容量であり任意の値
とする。

一方■ッはバランス機構４の容積即ちＡＸＳである。

以上の説明から明らかなことであるが、（肉太を変形す
ると となり、圧力Ｐ１を求めるには、バランス機構４に要求
される最高推力（Ｆｍａｘ ） 、最低推力（Ｆｍ１ｎ
） 。

油圧シリンダー１２の最大ストロークＳの積を、最高推
力（Ｆｍａｘ）と最低推力（Ｆｍ１ｎ ）との差にアキ
ュムレータ１１の容積（■１）を乗じた値で除すことに
よって得られる。

このことはバランス機構５についても同様である。

従って、Ｐｌが求まり、Ｐｌの圧力でガスを封入したア
キュムレータ１１に対して油圧シリンダー１２を最後退
位置にある状態Ｘ＝ＯでＰ２の圧力を保持して油を供給
させれば良い。

斯く設定した第１バランス機構４でＸとＰＸ（ピストン
が最後退位置からＸの距離にあるときのアキュムレータ
１１内で発生する圧力）の関係は上記（ＩＪＸヲ）両式
により得られる推力Ｆ、 Ｆ′をアームの１例における
第２バランス機構５について実験を行った結果を以下に
述べるが、該機構５はアキュムレータ１１の容積が３１
．油圧シリンダー１２の受圧面積がＡ＝５．３４ａｔ最
犬ストロークがＳｍ ａ ｘ＝ ２２．６ ｃｍであり
、必要とされる第２バランス機構５のはね定数を２１．
６ ｋｇ／Ｃｒ？ｔ％推力の一定値を３０１ｋｇとした
場合について見ると、となり、上記（ヲγを満足する推
力（ト）′を第３図上にＸ印として点画示すると、それ
等Ｘ印を結ぶ線は前記実線示直線（ばね特性線）と殆ん
ど合致する近似曲線となる。

次にＰ２を一定不変となし、アキュムレータ１１に封入
させるガス圧力Ｐ、を変化した場合の推力Ｆ′の変化を
点画示したものが第４図であるが、同図から明らかなよ
うに、推力近似直線の勾配が封入ガス圧力Ｐ１によって
変化していることを示しており、従ってガス封入圧力を
任意に選定すると、Ｆ＝ｋＸ＋Ｃにおけるばね定数ｋを
任意に設定することができることが明白である。

さらに、ガス封入圧力をＰｔ ＝ １６、２１咳〆ｄで
設定したバランス機構５において供給油圧Ｐ２を変える
ことによるｙの変化を点画示したものが第５図であって
、図から明らかなように推力近似直線は平行移動を行な
っており、このことはＦ＝ ｋ ｘ ＋ ｃにおける一
定推力Ｃを任意に設定し得ることを証している。

上述の実験結果から、大まかにＦを計算すれば、ばね定
数と一定推力を簡単に求めることが可能となり、アーム
の構造に適合したバランス推力を随時設定できることが
明白である。

本発明は叙上の如く、関節部９によって連接され、かつ
重力方向の回りモーメントを持つ２アーム形ロボツト用
アームにおいて、非圧縮性流体圧が供給されて一定推力
を保持し得る流体圧シリンダー１２と、圧縮性流体が予
め封入されてばね定数を保持し得るアキュムレータ１１
とから形成された第１・第２バランス機構４，５によっ
て第１アーム１、第２アーム２の重力方向の回りモーメ
ントを相殺させ、任意位置での静止ならびに移動のため
の外力軽減をはかり得る如く形成したから、ロボットア
ーム先端作動部を取扱者が所期の移動軌跡通りに直接動
かそうとした際に極めて軽力にて動かすことができるし
、任意位置での停止も迅速かつ簡単に行なえ、従って取
扱いの簡便さ、省力効果は頓に優れているし、複雑な自
動作業を行わせるロボットに対して、多くの指令情報を
確実に記憶させることが可能となり、従来デスクワーク
によってロボットのプログラム設定を行なっていたため
に生じる煩雑さと不確定さを、ロボットアームの簡便な
直接操作によって正確かつ短時間に行なえることができ
て、ロボットの実用化をさらに一層推進させる上に本発
明は多大の効果を発揮する。

しかも本発明は第１・第２両バランス機構４゜５におい
て、第１・第２両アーム１，２の回りモーメントを左右
する各重力に対応させた値を持つ反力として、流体圧を
常時流体圧シリンダーのピストンに付与させた構成とし
ているので、各アームの変位に基づく回りモーメントの
変化を相殺すべきばね定数は余り大きくなくて良く、ア
キュムレータ１１の形状は比較的小さいものであれば済
み、安価かつ長寿命のバランス機構を容易に提供し得る
利点がある。

さらに流体圧シリンダーのピストンに常時付与させる流
体圧の値を適宜調整することによって、アーム先端作動
部に取着するツールを、重量の異るものと交換すること
があっても、封入した圧縮性流体の圧力を変えることな
く、バランス機構４゜５を負荷に見合わせて適当な容量
に設定することができて、極めて汎用性に富む顕著な効
果をも発揮する。

特に、本発明はアキュムレータ１１への圧縮性流体封入
圧力ならびに流体圧シリンダー１２への非圧縮性流体供
給圧力を変更させる簡単な手段で、アームの異なる回り
モーメント変化に対処することができて、装置に対する
適用範囲が極めて広汎であり、以上のように本発明は種
々のすぐれた特徴を有し、実用的価値の大なる産業用ロ
ボットのアームである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に係るロボット用アームの略
本機構図、第２図は第１図におけるアームの機能説明図
である。 第３図乃至第５図はロボット用アームの１ｆｌＩを使用
して実測したシリンダーストロークに対する諸元の各特
性を示した線図で、第３図ははね特性とシリンダー推力
特性の比較を、第４図は圧縮性流体封入圧力を変化した
ときのシリンダー推力特性を、第５図は非圧縮性流体供
給圧力を変化したときのシリンダー推力特性を夫々示し
ている。 １・・・・・・第１アーム、２・・・・・・第２アーム
、３・・・・・・リンク部材、４・・・・・・第１バラ
ンス機構、５・・・・・・第２バランス機構、７・・・
・・・基軸、９・・・・・・関節部、１１・・・・・・
アキュムレータ、１２・・・・・・片ロツド流体圧シリ
ンダー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基端部を基軸７に枢支させ、垂直方向の揺動自在と
   なした第１アーム１と、該アーム１の先端関節部９に連
   接させ、その先端作動部を垂直方向の揺動自在となした
   第２アーム２と、この両アーム１，２の揺動に左右され
   ず前記関節部９中心から略々垂直に常時直立し得る如く
   設けたリンク部材３と、前記基軸７の略々垂直上方の任
   意個所と第１アーム１の軸上一点の間に係架した第１バ
   ランス機構４と、前記リンク部材３と第２アーム２の軸
   上一点の間に係架した第２バランス機構５とからなり、
   両バランス機構４，５は片ロツド流体圧シリンダー１２
   とアキュムレータ１１を有する非圧縮性流体系で形成さ
   れていて、各バランス機構４，５に対しそれぞれ決定さ
   れる最高推力と最低推力と油圧シリンダー１２の最大ス
   トロークとの積を、前記最高推力と前記最低推力との差
   にアキュムレータ１１の容量を乗じた値で除算して得ら
   れた圧力Ｐ１の圧縮性流体を前記アキュムレータ１１内
   に封入する一方、このアキュムレータ１１と流体圧シリ
   ンダー１２のロンドを後退側に作用させる圧力室とを接
   続してこの流体路中に、前記最低推力を前記流体圧シリ
   ンダー１２の受圧面積で除した値の圧力Ｐ２の非圧縮性
   流体を、流体圧シリンダー１２がロンド最後退位置に保
   持されてなる状態下において封入せしめ、さらに流体圧
   シリンダー１２の他方圧力室を大気に開放したことを特
   徴とする産業用ロボットのアーム。