JPS59196178A - マニピユレ−タ装置 - Google Patents

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】 本発明は産業用ロポ・ント、特（こラジアル及び回転運
動の可能な簡単な構造を有する産業用マニピュレータに
係わる。回転運動機構を以下に回転運動軸アセンブリと
呼称し、回転運動な°θ”′遅動と呼称する。

生産性を高めるための必須条件として産業の自動化が普
及するにつれて、このような自動化を達成するための機
構としてロボットまたはマニピュレータ装置が採用され
る機会も増大している。産業の特定需要、即ち、切断、
溶接、組立て、材料取扱いなどの需要を満たすため種々
のロボ−／　）構成が考案されている。市販されている
ロボットの多くはその設計が特定用途ごとに固有であり
、特定の用途に合わせて複雑な機械的設計要件及び複雑
制御機能を採用している。

ロボットが有用な産業用゛工具″として受は入れられる
に至って、従来の工作機械技術及び数値制御技術による
制御に適した工作機械と同様の比較的簡単な設計要件を
具えるマニピュレータ装置に対する市場需要が生じてき
た。

本発明は一般的には以下にθ軸アセンブリと呼称する回
転運動アセンブリと、前記”θ軸アセンブリに固定され
かつこのθ軸アセンブリから水平に延びる以下にラジア
ル軸アセンブリと呼称するラジアル運動アセンブリとか
ら成り、前記θ軸アセンブリが前記ラジアル軸アセンブ
リを位置指令に呼応して一定角度限界内で回転自在に位
置ｉめし、前記ラジアル軸アセンブリが機械的駆動手段
、位置指令に呼応して前記機械的駆動手段を制御するた
めの電機的駆動手段、及び前記電気的駆動手段及び前記
機械的駆動手段を支持するためのアーム構造を含み、機
械的駆動手段が２本レール・ガイド手段、前記２本レー
ル・ガイド手段と連動する可動キャリッジ手段、前記キ
ャリッジ手段に取付けられたボール・ナツト及び前記電
気的駆動手段と連動するボール・スクリュウを有し、位
置指令に呼応して前記キャリッジ手段を前記２本レール
・ガイド手段に沿って横送りするボール・スクリュウ駆
動機構、及び前記θ軸アセン、ブリ及び前記ラジアル軸
アセンブリに位置指令を供給するための制御卓手段を含
むことを特徴とするラジアル運動及び軸を中心とする回
転運動が可能なマニピュレータを提供する。

本発明の好ましい実施例は基礎に据え付けられた回転自
在なθ軸アセンブリと、ボール・スクリュウ駆動機構の
制御された作動に呼応するキャリッジの水平横運動を支
えるためθ軸アセンブリに固定されたラジアル軸アセン
ブリとから成る。キャリッジは所定の端部作動体、即ち
、特定用途の必要条件に応じて上下運動線形軸モジュー
ル及び／または回転手首関節アセンブリを支持する。各
軸アセンブリと連携する駆動モータから直接得られる位
置フィードバック情報でＤＣサーボ駆動手段か極めて安
定なサーボ・レスポンスを提供する。低バツクラッシュ
駆動素子、例えばθ軸アセンブリの同調駆動手段及びラ
ジアル軸アセンブリのボール・スクリュウ機構と駆動す
るモータが直接連動するからから動きが最少限に抑制さ
れ、所望の精度、反復性及“びスティフネスが得られる
。

従来のジヨイント・アーム構成と異なり、本発明ではラ
ジアル軸アセンブリに起こる曲げ変動が極めて小さく、
ねじり負荷はほとんど作用しない。従って断面積を小さ
くして装置支持構造の前質量を比較的軽くすることがで
きる。ラジアル軸アセンブリの横送りキャリッジはジヨ
イント・アーム式マニピュレータ装置に比較して慣性変
動を著しく軽減する。従って、駆動モータのサイズ及び
トルク条件が軽減される。

ラジアル軸キャリッジのラジアル運動及びθ軸アセンブ
リの回転運動の同時制御はウェスチングハウス・エレク
トリック・コーポレーションから市販されているＭＣ３
３０型またはＭＣ３６０型のような制御システムで実施
例 以下添付図面に従って本発明の詳細な説明する。

第１図には被削面Ｆにθ軸アセンブリＴを固定し、この
θ軸アセンブリＴから水平にラジアル軸アセンブリＲを
突出させたラジアル／θマニピュレータ装置１０をスケ
ッチ風に図示した。ラジアル／θマニピュレータ装置１
０に対する電気的制御及び給電は被削面Ｆに固定された
接続箱１２に至るケーブル１１を介して制御卓ＲＣによ
って行なわれる。可撓ケーブル１３が接続箱１２から装
置１０に達している。

ラジアル軸アセンブリＲは第１〜５図に示すように、可
動キャリッジ２２、レール６２．６４から成る２本レー
ル・ガイド手段、ポール・スクリュウ駆動機構３０．及
び駆動モータ４２、タコメータ４４及びレゾルバ４６を
含むＤＣサーボ駆動手段４０を支持する水平アーム構造
２０を含む。

最も簡単な実施態様では、垂直軸位置ユニットｖ及びグ
リパＧを含む端部作動モジュールＭを可動キャリッジ２
２の開口部２１に固定し、２本レール・ガイド手段に・
沿った可動キャリッジ２２の移動距離と、θ軸アセンブ
リＴによって与えられるラジアル・アーム争アセンブリ
Ｈの３２０℃回転と、垂直軸位置ユニットｖの上下工程
とによって限定される作業範囲Ｅをカバーさせる。

モジュールＭをキャリッジ２２の中心位置に固定したか
らモジュール交替が容易であり、従来装置のようにジヨ
イント・アーム端から離れた状態で支持される端部作動
体では不可避であった曲げモーメントの問題が解消され
る。

回転手首関節動作が必要なら適当な２または３軸回転手
首関節によってグリップＧを垂直位置ユニットｖと連動
させることにより、制御卓ＲＣからの信号に呼応するグ
リッパＧの運動範囲を増大すればＸい。

端部作動モジュールＭに対する電気的制御及び給電は可
撓管４８に挿通したケーブルを介して制御車ＲＣから行
なう。

垂直軸位置ユニッ）Ｖの上下動作は空気圧方式や、例え
ばラック／ピニオン機構またはポール・スクリュウ機構
のようなりＣサーボ駆動される機械的方式など種々の公
知技術によって得られる。

ベローズ・カバー２１がポール・スクリュウ機構３０及
びガイド・レール６２．６４を塵挨から保護する。

第２．３及び４図に断面図は両端を複式軸受フロック３
５．３７に固定されたボールΦスクリュウ３２と、ナツ
ト・ブラケット３６に固定されたポール・ナツト３４と
を含むポール・スクリュウ機構３０を示す。軸受ブロッ
ク３５．３７はアーム構造２ｏに取付け、ナツト・ブラ
ケット３６は可動キャリッジ２２に固定しである。ポー
ル・スクリュウ３２の両端でナツト３８を締め付けるこ
とにより機械的な遊びとバックラッシュを最小限に抑え
る。軸方向及びラジアルのバックラッシュ、またほから
動きを極力小さくするのに必要なポール・サイズを選択
すること゛により、ポール・スクリュウ３２との関係に
おいてポール・ナツト３４に予荷重を与える。１個のボ
ール・ナツトを利用してから動きを最少限に抑制するこ
の方法は広いスペースを利用して装置１０の作業範囲を
狭める従来のダブル・ボール・ナツト方式と全く異なる
ものである。ボール・スクリュウ３２は撓み継手４３を
介して駆動モータ４２と直接連動し、制御卓ＲＣからの
信号に呼応して可動キャリッジ２２及び端部作動モジュ
ールＭを位置ぎめする。駆動モータ４２と接続するタコ
メータ４４が制御卓ＲＣに速度フィードバック情報を提
供する。レゾルバ４５は制ｇｇ軍ＲＣに位置フィードバ
ック情報を提供する。

第５図から明らかなように、ボール・スクリュウ機構３
０をラジアル軸アセンブリＲの中心線からずらすことに
より、キャリッジ２２及び端部作動モジュールＭのラジ
アル軸移動に必要な隙間を提供する′。軸受プロ、７り
６７．６８にそれぞれあらかじめ装着しかつシールした
線形ボール・ブツシュ６３．６６を介して可動キャリッ
ジ２２を２本ガイド・レール６２．６４と連°動させる
。線形ボール・ブツシュ及びガイド・レールはトムソン
・インダストリーズから市販されそいる。

予荷重を作用させたボール・スクリュウ駆動機構３０及
び同じく予荷重を作用させた線形ボール・ブツシュ６３
．６６はバックラッシュを最少限に抑制すると共に直接
連動式ＤＣサーボ駆動手段４０と協働することにより、
制御卓ＲＣから受信する位置指令に対する敏感かつ積極
的な応答を可能にする。ボール・スクリュウ駆動機構３
０がキャリッジ２２及びガイド・レール６２．６４と心
合わせ関係になくても機械的駆動素子の臨界予荷重がキ
ャリッジ２２の円滑な運動を可能にする。

移動近接スイッチ２４の端部を可動キャリッジ２２に固
定し、第２〜４図に示すように可動キャリッジ２２の所
定移動長にわたって広がる連続的な近接ターゲツト板２
５と整列させる。近接ターゲツト板２５の端部２８．２
９が可動キャリッジ２２の移動限界端を限定する。近接
スイッチ２４が近接ターゲツト板２５の絶縁を通過する
と、近接スイッチ信号が制御卓ＲＣにフィードバックさ
れ、制御卓ＲＣが装置ｌＯの駆動モータに対する給電を
断つ。この給電停止は近接スイッチ２４への配線が切れ
たり損傷したりした場合にも起こる。定位置近接スイッ
チ２６も可動キャリッジ２２に固定され、制御Σｊ　Ｒ
Ｃ−’：定位置探査指令を発すると可動キャリッジ２２
の定位置を支持する。ラジアル軸アセンブリＲは近接ス
イッチ２６が近接ターゲツト板２７を検知するまで可動
キャリッジ２２をθ輛アセンブリＴにむかって移動させ
ることにより定位置探査指令に応答する。検知と同１１
テに近接スイッチ２６は制御卓ＲＣＩこ信号を送り、制
御卓ＲＣはレゾルバ４５の０位置を求める。レゾルバは
最終的に可動キャリッジ２２をその定位置に位置ぎめす
る。定位置は制御卓ＲＣのメモリに記憶されているすべ
てのプログラム情報のスタート位置の基準となる。

第２及び６図に示す断面図において、θ軸アセンブリＴ
は閉ループＤＣサーボ駆動装置７０及び同調駆動ユニッ
ト８０から成る。ＤＣサーボ駆動装置７０はＤＣ駆動モ
ータ７２、タコノー。タフ４及びレゾルバ７６を含む。

上述したように、タコメータ７４は制御卓ＲＣに対して
速度フィードバック情報を提供し、レゾルバ７６は制御
卓ＲＣに対して位置フィードバック情報を提供する。１
００：１減速を実現する減速ギヤとして作用する同調駆
動ユニット８０としては、ＵＳＭコーポレーションから
市販の同調駆動ユニットを使用すればよい。

輔光電機９２、円形スプライン９６及び可撓スプライン
９８から成る同調駆動ユニット８０はトルク管８１内に
固定されている。トルク管は予荷重軸受８７．８９から
成る軸受装置によって固体８２内に回転自在に保持され
ている。軸受８７．の外輪を固体８２に、内輪をトルク
管８１にそれぞれ固定する。軸受８９の内輪はトルク管
８１に固定し、外輪は軸方向に遊動自在とする。予荷重
軸受を採用したから、軸受８７．８９の予荷重特性に不
正に手を加えることができず、従って軸受摩擦は一定に
維持される。ラジアルΦアーム拳アセンブリＲはポル）
９０によってトルク管８１に取付ける。

以　　下　　余　　白 軸受９３によって支持される駆動軸８３はその一端が非
可撓継手を介して軸発電機９２と連絡し、反対端は可撓
継手８４を介して駆動モータ７２の軸７３と連動する。

駆動＠８３及び可撓継手８４のねじりスティフネスを設
計上同調駆動ユニット８ｏのねじりスティフネスよりも
大きく設定することにより、ラジアル軸アセンブリＲが
比較的高い加減速度で回転する場合に駆動素子のばね巻
き上げに起因するアセンブリＨの行き過ぎを最少限に抑
制する。非可撓継手９４によって同調駆動ユニッ）８０
と駆動軸８３とを直接機械的に連動させたから、バック
ラッシュは解消され、θ軸アセンブリＴの回転位置ぎめ
作用の反復性及び精度が維持される。

円形スプライン９６をトルク管８１に、可撓スプライン
９８を固体８１にそれぞれ固定する。円形スプライン９
６はこの円形スプライン９６とトルク管との間に相対運
動がほとんど起こらないように固定する。ラジアル軸ア
センブリＲの回転に伴い、可撓スプライン９８がばね部
材として作用する。ラジアル軸アセンブリＲが所定位置
まで回転すると、可撓スプライン９８のばね作用がアセ
ンブリＲを初期位置に戻そうとする。この“巻き戻し”
作用は軸受８７．８９かも成る軸受装置から発生する摩
擦力と平衡する。

アセンブリＲ１同調駆動ユニット８０、トルク管８１、
駆動軸８３及び撓み継手８４の組み合わせによって装置
０１のばね定数が決定されるが、同調駆動ユニット８０
を除いて他の素子はすべて非可撓的に構成されているか
、同調駆動ユニット８０がばね定数を決定−する主な要
因となる。予荷重軸受８７．８９の摩擦力は同調駆動ユ
ニット８０の巻き上げに起因する位置ぎめ力よりも小さ
く設定する。軸受の予荷重及び摩擦を適正に設定するこ
とにより、装置の精度及び反復性をジヨイント撓みが最
少となるように維持する。同調駆動ユニットをオイル会
バス１００に浸ｉする。可撓スプライン９８の撓み動作
が穴９９、軸受８７．８９及び通路１０１を通ってトル
ク管８１内へ効果的にオイルを゛ポンピンク″シて第４
図に矢印で示すようなオイル循環通路を形成する。この
オイル循環がオイルから熱を除き、五ニット８ｏ内に好
ましくない圧力が発生するのを防止する。

０軸アセンブリＴの回転運動を第７及び第８図に略示す
るように３２０°Ｃにプリセットする。ラジアル軸７′
センブリＨに固定された移動近接スイッチ１１０の端部
がθ軸アセンブリＴの固体８２に固定されたターゲツト
板１１２を追跡する。リミット・スイッチ１１０がター
ゲツト板の移動限界１１３．１１５の端部を検知して制
御卓ＲＣに送信し、駆動モータ７２に対する給電を断た
せる。同じくラジアル軸アセンブリＲに固定されてい、
る定位置近接スイッチ１１６はターゲツト板１１２かも
突出する定位置′検知ターゲット１１８に応答して制御
卓ＲＣにθ軸アセンブリ定位Ｍ情報を送信する。

０軸アセンブリＴの移動を規制する機械的端部はトルク
管８１に固定した硬質制止素子１２０及び固体８２に取
付けた移動素子１２２の固定端によって提供される。素
子１２２に取付けたポリウレンタン性バンパ１２３．１
２５が硬質制止素子と移動素子１２２の端部との間の機
械的衝撃を吸収する。

従来の工作機械プログランミング及び制御技術を採用で
きるようなマニピュレータ装置　４１０の設計であれば
、装置ｌＯと連携する制御卓ＲＣの実施態様は幾通りか
考えられる。

利用し得るプログランニゲ技術としてリード・スル一方
式による公知の指令があり、この場合には第１図に示し
よ一うな指令ペンダントＰを設け、各点が制御卓ＲＣの
メモリに記録されている一連の点位置を介して装置１０
を作動させる。

第２のプログラム指令方法は手動によるデータ入力であ
り、この場合にはオペレータが制御卓のキーボードＫを
利用してプログラムを入力し、メモリに記憶させる。

陰極管表示装置りはオペレータにマニピュレータ装置ｌ
Ｏの動作に関する情報を提供する。市販の装置を利用す
れば、オペレータは端部作動体、例えばグリッパＧの位
置を表示すると共に、メモリに記録されているプログラ
ムにアクセスし、プログラムを変更し、新しいプログラ
ムを書き込むことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例であるラジアル／θマニピュ
レータ装置をスケッチ風に示すネ４面図。 第２図は、第１図のθ及びラジアル軸アセンブリ界面に
おける部分断面図。 第３．４及び５図は、第１図のラジアル・アーム・アセ
ンブリの断面図。 第６図は、第１図のθ軸アセンブリの断面図。 第７及び８図はθ軸アセンブリの移動端及び硬質制止限
界を略示する図である。 ｌＯ・・・・マニピュレータ装置 Ｒｅ・・・・制御卓 ２２・・・・可動キャリッジ ３０・・・・ボール・スクリュウ機構 ３４・・・・ボール書ナツト ４２・・・・駆動モータ ４４・・・・タコメータ アメリカ合衆国ペンシルベニア 州サーバー・サーバー・ロード １９ ０発　明　者　ダニエル・パトリック・ソロ力アメリカ
合衆国ペンシルベニア 州インペリアル・ウオルデン・ ウェイ５０９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ラジアル運動及び軸を中心とする回転運動が可能な
   マニピュレータ装置において、以下にθ軸アセンブリと
   呼称する回転運動アセンブリと、Ｔｉら記０軸アセンブ
   リに固定されかつこのθ軸アセンブリから水平に延ひる
   以下にラジアル軸アセンブリと呼称するラジアル運動ア
   センブリとから成り、前記θアセンブリが前記ラジアル
   軸アセンブリを位置指令に呼応して一定角度限界内で回
   転自在に位置きめし、前記ラジアル軸アセンブリか機械
   的駆動手段、位置指令に呼応して前記機械的駆動手段を
   制御するための電気的駆動手段、及び前記電気的駆動手
   段及び前記機械的駆動手段を支持するだめのアーム構造
   を含み、機械的駆動手段が２本レール・ガイド手段、前
   記２本レール・カイト手段と連動する可動キャリッジ手
   段、前記キャリッジ手段に取付けられたポール・ナツト
   及び前記電気的駆動手段と連動するポール・スクリュウ
   を有し、位置指令に呼応して前記キャリッジ手段を前記
   ２本レール・ガイド手段に沿って横送りするポール・ス
   クリュウ駆動機構、及び前記θ軸アセンブリ及び前記ラ
   ジアル軸アセンブリに位置指令を供給するための制御卓
   手段を含むことを特徴とするラジアル運動及び軸を中心
   とする回転運動が可能なマニピュレータ装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記キャリッジ手段が開口部を有し、前記開
   口部内に端部作動モジュールを固定することにより、前
   記２本レール・カイト手段に沿った前記キャリッジ手段
   の横送り及び前記θアセンブリの回転角度によってほぼ
   限定される作業範囲をカバーさせることを特徴とするマ
   ニピュレータ装置。 ３、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレーク装置
   において、前記ボール・スクリュウ駆動機構を、前記キ
   ャリッジ手段及び前記２本し−ルφガイド手段の組合せ
   構造の長手方向中心線に対応する線からずらしたことを
   特徴とするマニピュレータ装置。 ４、特許請求の範囲第１項に記載のマ・こピュレータ装
   置において、前記キャリッジ手段を前記２本レール・ガ
   イド手段と連動させる線形ボール・ブツシュを含み、前
   記線形ボール・ブツシュ及び前記ボール・スクリュウ駆
   動に予荷重を与えることにより、位置指令に呼応する前
   記′キャリッジ手段の横送りを円滑にすることを特徴と
   するマニピュレータ装置。 ５、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記キャリッジ手段に取付けたラジアル軸移
   動端リミット・スイッチ及び前記移動端リミット・スイ
   ッチと距離を保って配置され、前記キャリッジ手段の移
   動長にわたって広がるう・シアル軸移動端ターゲット板
   を含み、前記移動端リミット・不イッチが前記ターゲツ
   ト板のいずれかの端部を検知すると前記リミタ）−スイ
   ッチが制御卓に移動端リミット信号を供給し、前記制御
   卓が前記移動゛端すミット信号に呼応して前記電気的駆
   動手段に対する給電を断つことを特徴とするマニピュレ
   ータ装置。 ６、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記キャリジ手段に取付けたラジアル軸定位
   置近接スイッチ及び前記ラジアル軸アセンブリに対する
   所定の定位置において前記アーム構造に固定したラジア
   ル軸定位置ターゲツト板をも含み、前記定位置近接スイ
   ッチが前記ターゲツト板を検知すると前記ラジアル軸定
   位置近接スイッチが前記制御卓に定位置信号を供給する
   ことを特徴とするマニピュレータ装置。 ７、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記電気的駆動手段、が前記ボール・スクリ
   ュウと直接連動する駆動モータ、前記制御卓に速度フィ
   ードバック情報を伝送するためのタコメータ、及び前記
   制御卓に位置フィードバック情報を伝送するリシル八を
   含むＤＣサーボ駆動手段から成ることを特徴とするマニ
   ピュレータ装置。 ８、特許請求の範囲第１項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記θ軸アセンブリが機械的駆動手段と、駆
   動モータ、タコメータ及びリシル八から成るＤＣサーボ
   駆動手段とを含み、機械的駆動手段が固体と、前ラジア
   ル軸アセンブリが取付けであるトルク管手段及びこのト
   ルク管手段を前記固体内に保持するための軸受手段と、
   軸発電機、円形スプライン及び前記トルク管手段内に固
   定された可撓スプラインを含む同調駆動手段と、一端が
   前記軸発電機に非可撓的に連結され、反対端が前記ＤＣ
   サーボ駆動手段の駆動モータと連動する駆動軸とから成
   ることを特徴とするマニピュレータ装置。 ９、特許請求の範囲第８項に記載のマニピュレータ装置
   において、前記軸受手段に予荷重を与えることによりθ
   軸アセンブリによるラジアル軸アセンブリの回転位置ぎ
   め中に同調駆動手段のばね定数を補償する摩擦力を発生
   させることを特徴とするマニピュレータ装置。 １０．０訂請求の範囲第８項に記載のマニピュレータ装
   置において、前記ラジアル軸アセンブリに固定され、前
   記固体に固定されたθ軸移動端ターゲツト板から間隔を
   保ってθ軸アセンブリ回転運動の所定の移動端リミット
   を限〉する０軸移動端リミツト・スイッチを含むことを
   特徴とするマニピュレータ装置。　　１１、特許請求の
   範囲第８項に記載のマニピュレータ装置において、前記
   ラジアル軸アセンブリに固定されたθ軸定位置近接スイ
   ッチ、及び前記θ軸アセンブリの定位置を限定するため
   前記固体に固定したθ軸定位置ターゲツト板を含むこと
   を、特徴とするマニピュレータ装置。 １２、特許請求の範囲第８項に記載のマニピュレータ装
   置において、前記駆動軸力く前記固体から前記ラジアル
   軸アセンブリを通って爪ｉ記ＤＣサーボ駆動手段に達し
   、前記ＤＣサーボ駆動手段をラジアル軸アセンブリの外
   倶ｑ頂部に取付けたことを特徴とするマニピュレータ装
   置。 １３、特許請求の範囲第８項に記載のマニピュレータ装
   置において、前記同調駆動手段を浸漬するためのオイル
   ・／くスを含み、１１動スプラインの撓み動作がオイル
   を固体内の循環進路に挿入する作用を果たすことを特徴
   とするマニピュレータ装置。