JPS59134681A

JPS59134681A - 横形多関節腕機構

Info

Publication number: JPS59134681A
Application number: JP638083A
Authority: JP
Inventors: 津田　五郎; 修水口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1984-08-02
Also published as: JPH0474154B2

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】本発明は作業ロボッ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った横形の多関節腕機構
に関するものである。

従来の工業用ロボッ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１の回り
に旋回可能の旋回台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
記垂直面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っているのが一般的
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っば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
図った横形多関節腕機構を提供するであり、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。従って本発明は、その要旨とする処
が、垂直方向及び水平方向に揺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軸に平行な第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図アームと、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
ムの第１アーム軸芯まわ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
横型のロボット腕機構に本発明を適用しん場合の一実施
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軸まゎ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図ば第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、従って第２アーム１５も
前記第１７−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１７とは両支点に対して揺動
可能の第２位置決め手段Ｂによって連結されている。従
って上記第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
１５を含む第１平面内に於いて矢印θ２の方向に第１軸
１１に対して揺動する。又第１軸１１に固定的に取り付
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鎮１９の第１リンク２０の
先端に設けた支点２１とはリンク２２によって連結され
ており、支軸１２を第１軸１２に固着した点を２３とし
、この点２３と支点２８を結ぶ線分を２４とした場合、
線分２４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。

又二接連鎖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２７とは両支点に
対して揺動自在の第３位置決め手段Ｃによって連結され
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が前記平面内に於いて第１アーム１３に対してθ
３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によって水平
方向に旋回可能に支持する基台２９は、水平基台３０の
上面３１上に該水平基台３ｏ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に沿って垂直方向に
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３６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によって連結されている。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ュ
エータやモータ等によって構成されている。従って第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２３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＆ｊ
ｌ１９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によって連
結されており、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とを結ぶ線分が第１リンク２
０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リ
ンク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より
なる第２位置決め手段Ｂによって連結され、第２位置決
め手段Ｂの伸縮動作によって第１アーム１３が第１軸１
１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２７
−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
定された三筒連鎖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
の伸縮動作によって第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の角度は前記平行
リンク２２の存在により第１リンク２０が第１アーム１
３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１５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ェート３９が固着
され、このカウンターウェート３９の重力によって第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。

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１１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
び水平面内における揺動による傾きによって夫々変動す
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に回動自在に取り付け
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
されたロッド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円筒
４３の端部の固定点４８に固着されているものである。

従ってドラム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４１１を回転シーブ４４の
方向に引っ張る為、この張力によって回転シーブ４７、
ロッド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１４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ってい
るので、回転シーブ４４が常にワイヤーに沿った向きに
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４１′も回転シーブ４４の回りに揺動運動するが
、この運動によってワイヤー４１の回転シーブ４４に対
する巻き掛は角度が変化す名のみで、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の直上に設けら爪でいることが
条件となり、図に示した腕機構もこの条件を満たす構造
となっている。

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アーム及び第２アーム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の存在する点をＤで、回転シーブ
４５の存在する位置をＥで、第１軸１１と第１アーム１
３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−Ｊ、ＤＦ＝ＲＸＥＦ＝ａとし、且つ点Ｆより
直線ＤＥに下ろした垂線の長さをｈ、直線ＤＦと水平線
にとのなす角度をθ、角度ＤＲＦをα、Ｄ点に作用する
ワイヤーの引張り力をＰ、ワイヤーを引っ張る蔓巻きバ
ネ等の弾性係数をｋ、Ｄ点に作用する第１アーム及び第
２アームの合成された重力をＷとすると、第１軸１１ま
わりの重力モーメントＭｗはＭｗ＝Ｗ＋　Ｒｃｏｓ　θ＝Ｗ−ｊ！ｓｉｎα・　（１
）で表され、ワイヤー４１が引き上げる力によって作用
する回転モーメントＭｐはＭｐ　＝Ｐ−ｈ＝Ｐ−ａｓｉｎ　ｔｘ　　　　−（２）
で表される。ここにＭ　ｗ　＝　Ｍ　ｐの時に両モーメ
ントがバランスし、第１軸に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Ｗ６ｓｉｎ　ａ＝Ｐ　ａｓｉｎ　ｏｔ　　　　　　−（
３）が成立する。従ってこの式を整理するとＰ＝（ａ／
Ｗ）　　・ｌ　　　　　　　・・・（４）が得られ、こ
れはワイヤーの張力Ｐがａ　／　Ｗ　＝　ｋのバネ定数
を有するバネ部材によって引き上げられ、その時の伸び
が！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４ｏ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
自由張の状態からドラム４２を回転させてβ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は状態と
なるようにセン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（ＷＪち第１軸１１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、ポテンショ
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揺
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軸に平行な第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図アームと、
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アームの第１アーム軸芯まわりの偏
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
ランチ、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ってアプローチ
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アーム、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っ
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様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？−ム　　　１５・・・第２図アーム３９・・・
第１の重力バランス装置４０・・・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。出願人　　株式会社　神戸製鋼所代理人　　弁理士　　本庄　武男第３図Ｅ第４図１

Claims

【特許請求の範囲】１、垂直方向及び水平方向に揺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軸に平行な第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
の第１アーム軸芯まわ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揺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軸に平行な第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
の第１アーム軸芯まわ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
成された重力による第１軸まわりの重力モーメントを第
１アームを含む垂直面内でバランスさせる第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。