JPS594277B2 - マニピユレ−タにおける作業用ア−ムの自重補償装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマニピュレータの作業用アームの静的な重力バ
ランスをとる自重補償装置に係り）判に３０遠隔操作の
多関節型バイラテラルマニピュレータに使用して好適な
作業用アームの自重補償装置に関する。

一般にこの種マニピュレータにおいては、作業用アーム
が静的な重力バランスがとれていないと、ｘ 作業用ア
ームを持ち上げる際に、重力に逆らつて作業用アームを
動かす必要から、その分、所要動力が大きくなる。

特に人間が遠隔操作するマニピユレータでは、作業用ア
ームに掛る荷重をオペレータの操作ハンドルにフイード
バツクさせ、あたかもオペレータカ迫分で対象物を保持
しているかのように感じさせるバイラテラル方式を採用
し、操作ヒの向土を図つている。しかし、この場合、マ
ニピユレータの各作業用アームがそれぞれの回転軸周ジ
に自重に対して重力バランスがとれていないと、作業用
アームに何も持つていないとき、すなわち無負荷時でも
各回転軸周りに重力によるトルクが発生し、これがオペ
レータ側にフイードバツクされてしまう。したがつて無
負荷であるにもかかわらず、オペレータは操作ハンドル
にフイードバツクされた力を受けるため、あたかも作業
用アームに荷重が掛つているかのように感じ、操作性が
悪化する。従来のマニピユレータではこれ等の欠点を是
正するため、第１図，第２図および第３図に示されるよ
うな作業用アームの自重補償装置を用いている。

その第１図に示されるものは最も一般に用いら ，れて
いるもので、アームベース１に設けられた上腕２とこれ
にヒンジ結合された前腕３とが組み合された作業用アー
ムの前記上腕２の端部にはカウンタウエイト４が、前記
前腕３の端部にはカウンタウエイト５がそれぞれ取り付
けられている。

この方式は単純であ虱製作も容易であるが、前腕３のウ
エイト５の重量も上腕２のカウンタウエイト４で補償す
る必要があＶ１全体の重量がカウンタウエイト４，５を
取シ付ける前の１０倍程度に増加する。したがつて上，
前腕２，３をはじめ各部の軸受等の強化が必要である外
、慣性質量が増加するために、作業用アームの加減速時
の応答性が劣化する欠点がある。また第２図に示される
ものは上腕２と前腕３とを備える作業用アームに訃ける
前記上腕２の中間部とアームベース１の上端部間１て引
張ジばね８が設けられて訃ｂ１上腕２と略平行に設けら
れたリンク６の上端部と前記上腕２の上端間に取り付け
られたクランク７の端部と前腕３の中間部間に弓張ジば
ね９が設けられている。

この方式では前記２本の引張りばね８，９により上腕２
と前腕３に加わる重力を補償するようにしているが、そ
の補償はばね定数とばねの自然長が一定の条件を満足す
る場合のみうまくいくが、一般にばね定数と自然長を同
時に、正確にある値に保つことは困難である。したがつ
て一般にははね式の自重補償装置による補償は近似的で
完全ではない。したがつてオペレータに作業用アームに
掛る荷重かフイードバツクされるバイラテラルマニピユ
レータの場合、作業用アームに掛る重力の一部がオペレ
ータにフイードバツクされ、前述の如く操イ乍生が悪化
する。さらに第３図に示されるものは上腕２と前腕３と
を有する作業用アームにおいて、アームベース１と上腕
２間の関節部にはポテンシヨメータ１０とアクチユエー
タ１２とが設けられ、上腕２と前腕３間の関節部にはポ
テンショメータ１１とアクチュエータ１３とが設けられ
ている。そしてポテンシヨメータ１０，１１によね上腕
２と前腕３の相対角度が検出され、そのゼータは計算機
１４に導入され、作業用アームに掛る重力がオンライン
で計算され、計算機１４から各アクチユエータ１２，１
３に、作業用アームに掛る前記重力を打ち消す方向に上
腕２と前腕３を１駆動するよう指令が出され、これ等ア
クチユエータ１２，１３の作動によジ前記上腕２と前腕
３に掛る重力が補償されるようになつている。しかしこ
の方式はオンラインでの計算が複雑となり、したがつて
計算機１４を含む設備費がかさむのでコスト高になる欠
点があり、またアクチユエータ１２，１３の出力の一部
が作業用アームの自重補償に用いられるため、作業用ア
ームの負荷荷重がその分減少する欠点がある。本発明の
目的は前記従来の作業用アームの自重補償技術の前記諸
欠点を除去し、作業用アームの自重を確実に補償できる
マニピユレータにおける作業用アームの自重補償装置を
提供することにある。

そして本発明はアームベースの長さ方向に所定間隔を存
して設けられた第１，第２の軸中の、前記第１の軸に作
業用アームが回転自在に支承され、また同第１の軸には
作業用アームの力点端部側に位置させて補償アームが設
けられ、該補償アームは作業用アームの回転方向と反対
方向に同一回転角度、回転しうるように取り付けられ、
前記第２の軸には補償アームに対峙させてカウンタアー
ムが回転自在に支承されてあ一り、前記補償アームとカ
ウンタアームとは一定張力の懸張部材で連結され、前記
第１，第２の軸間には補償アームの回転時、カウンタア
ームを補償アームの回転方向と反対方向に同一回転角度
、回転させる回転伝達機構が設けられている構成とする
ことによつて軽量、正確かつ製作が簡単なマニピユレー
タに訃ける作業用アームの自重補償装置を得たものであ
る。

以下本発明を図示実施例に基づいて説明する。第４図，
第５図，第６図は本発明の第１の実施例を示すもので、
床面または安定な台上などの定置面２０にアームベース
２１が垂直に立設されている。前記アームベース２１に
は長さ方向に所定間隔を存して第１，第２の軸２２，２
３が設けられている。前記第１の軸２２には上腕２４が
回転自在に取り付けられておジ、この上腕２４は定置面
２０に対して傾斜角度α、右下ジに傾けて設けられてい
る。

また上腕２４はこの実施例では単独で作業用アームを構
成して訃り、その作用点端部には図示省略のハンドが設
けられ、力屯端部には補償アーム２５が設けられている
。前記補償アーム２５は上腕２４の延長上に一体に形成
され、第４図に示されるように、上腕２４が実線で示さ
れるＡ１から仮想線で示されるＡ２方向に、またはＡ２
からＡ１方向にある回転角度β、回転されると補償アー
ム２５は同じ第４図に示されるごとくＢ１からＢ２方向
に、またはＢ２からＢ，方向へ上腕２４と反対方向に同
一回転角度β、回転されるように構成されている。

前記第２の軸２３には補償アーム２５に対峙させてカウ
ンタアーム２６が回転自在に支承されている。このカウ
ンタアーム２６は補償アーム２５と同じ有効長′２に形
成され、補償アーム２５の定置面２０に対する傾斜角度
αと同じ傾斜角度、補償アーム２５側に傾けて、すなわ
ち第４図に訃いて右上りに傾斜させて取り付けられてい
る。前記補償アーム２５とカウンタアーム２６の端部と
は定張力ばね２７で連結されている。この定張力ばね２
７は一定張力の懸張手段を構成して訃ジ、その一端部は
補償アーム２５に設けられたピン２８に巻き付けられ、
また巻き戻された他端部はカウンタアーム２６に設けら
れたピン２９に止着されている。この定張力ばね２８は
常態では渦巻状にきつく巻かれた薄板ばねの一種であつ
て、第５図に示されるように、渦巻の中心のピン２８を
介して回転自由な状態となし、その他端部に荷重を掛け
たとき、第６図に符号ａで示されるように、張力Ｐが伸
びＳに関係なく一定となるばね特性を有している。な卦
第６図中符号ｂは通常のつる巻きばね、符号ｃはぜんま
いのばね特性を示すものであつて、これ等つる巻きはね
とぜんまいは伸びＳとともに張力Ｐが増加する。前記第
１，第２の軸２２，２３間には回転伝達機構３０が設け
られている。

該回転伝達機構３０の第４図に示される実施例のものは
、第１の軸２２に装着されかつ上腕２４および補償アー
ム２５と一体に回転しうるように取り付けられた第１の
歯車３２、アームベース２１の第１の軸２２寄りに設け
られた中間軸３１に装着されかつ第１の歯車３２に噛合
された第２の歯車３３、同じ中間軸３１に取ジ付けられ
かつ第２の歯車３３と一体に回転しうるように設けられ
た第１のプーリ３４、第２の軸２３に装着されかつカウ
ンタアーム２６と一体に回転しうるように取り付けられ
た第２のプーリ３５、第１，第２両プーリ３４，３５間
に掛け渡されたタイミングベルト３６とを備えて構成さ
れている。そして回転伝達機構３０を介して上腕２４と
補償アーム２６およびカウンタアーム２６は次のように
連動する。すなわち上腕２４が第４図に矢印イで示され
るようにＡ１からＡ２方向に、補償アーム２５が矢印口
で示されるＢ１からＢ２方向にそれぞれある回転角度β
、回転されると、第１，第２の歯車３２，３３が矢印ハ
、二方向に回転され、第１のプーリ３４が矢印二方向に
回転され、タイミングベルト３６が矢印ホ方向に回行さ
れ、第２のプーリ３５が矢印へ方向に回転され、カウン
タアーム２６が矢印卜で示されるように前記補償アーム
２５の回転方向とは反対方向に同一回転角度β、回転さ
れてＣ１からＣ２に移動する。また反対に上腕２４がＡ
３からＡ１方向に、補償アーム２５がＢ２からＢ１方向
にそれぞれ回転されると、回転伝達機構３０を構成する
各部材は第４図の矢印方向とは反対方向に回転され、カ
ウンタアーム２６は回転伝達機構３０を介して補償アー
ム２５とは反対方向に同じ回転角度、回転せしめられ、
Ｃ２からＣ１へ移動するようになつている。前述構成の
マニピユレータに訃ける作業用アームの自重補償装置に
卦いては、第４図に示されるように、作業用アームを構
成する上腕２４にはハンドの重量を含む自重Ｇが反時計
針方向に働き、そのため上腕２４の軸周り、すなわち第
１の軸２２の周りにはＧｆｌｃＯｓαのトルクが働き、
補償アーム２５にはｐ−（弁）Ｇなる大きさの反時計針
方向の力が作用する。

前記第１の軸２２の周クに働くトルクは回転伝達機構３
０により方向を反転されて第２の軸２３に伝達され、第
２の軸２３からカウンタアーム２６に伝達される。

したがつてカウンタアーム２６には大きさＰで時計針方
向の力が発生し、該力Ｐで定張力ばね２７が下向きにけ
ん引され、その結果補償アーム２５には大きさＰで時計
針方向の力が作用し、これにより第１の軸２２の周りに
は互いは反対方向のＣ′１Ｃ０Ｓａ３Ｐｆ２Ｃ０Ｓα のトルクが加わり、常に上腕２４の自重が補償されるこ
とになる。

また上腕２４が第４図に卦いてＡ１からＡ２方向に回転
され、これに伴い補償アーム２５がＢ１からＢ２方向に
回転され、回転伝達機構３０を通じてカウンタアーム２
６がＣ１からＣ２方向に移動することによつて定張力ば
ね２７が始めの長さＳ１からこれよシ大なる長さＳ２に
引き伸はされた状態でも、前述のごとく伸びＳに無関係
に一定張力Ｐに保持される定張力ばね２７のばね特性に
よつて、前記上腕２４の自重が補償される。

な訃懸張部材に前記定張力ばね２７を採用した場合には
、軽量，小型，低慣性となしうるし、製作，取り付けが
簡単である。つぎに第７図は本発明の第２の実施例を示
すもので、この実施例ではアームベース２１が定量面２
０に対して上腕２４側に９（ｆよジ小さい角度γに傾け
て設けられ、上腕２４と補償アーム２５とのなす角度が
１８σより狭い角度δに形成さへカウンタアーム２６が
補償アーム２５側に傾斜させて取り付けられている。

而して上腕２４が定置面２０の垂直線上より傾いている
Ａ３から垂直線上のＡ４位置へ回転され、上腕２４の自
重による第１の軸２２の周りのトルクが零となるとき、
補償アーム２５がＢ３からアームベース２１に設けられ
た第１，第２の軸２２，２３を結ぶ直線上に重合するＢ
４の位置へ、カウンタアーム２６は回転伝達機構３０を
通じてＣ３から前記第１，第２の軸２２，２３を結ぶ直
線上に重合するＣ４の位置へそれぞれ移動され、定張力
ばね２７の補償トルクが零となるように構成されている
。なおこの実施例においては前記土腕２４が垂直線上以
外の位置に存するときは前記第１の実施例と同じ作用で
上腕２４の自重Ｇが補償されるように構成されておジ、
この実施例では全体の高さを低くできる。ついて第８図
は本発明の第３の実施例を示すもので、上腕２４の力点
端部に補償アーム２５が定置面２０と平行なる面に対し
て角度ε、反時計針方向に傾けて設けられ、カウンタア
ーム２６は同じ平面に対して角度ε、時計針方向に傾け
て設けられている。また上腕２４の作用点端部には第１
の軸２２と平行に軸３７が設けられ、第１の軸２２には
第３のプーリ３８が装着さへ前記軸３７には第４のブ一
り３９が装着されており、第３，第４両プーリ３８，３
９間にはタイミングベルト４０が掛け渡されている。

さらに上腕２４の作用点端部には前腕４１が設けられ、
該前腕４１は定置面２０と平行な面に対して反時計針方
向に角度ε、傾けかつ第４のプーリ３９と一体に回転し
うるように取ジ付けられている。

この実施例のものは上腕２４と前腕４１とで一組の作業
用アームが構成されて卦り、前腕４１が第８図に｝いて
Ａ５からＡ６の方向へ回転されると、第４のプーリ３９
、タイミングベルト４０、第３のプーリ３８を通じて補
償アーム２５がＢ５からＢ６方向へ同一回転角度、回転
され、第３のプーリ３８の回転に伴い回転伝達機構３０
の第１の歯車３２が回転され、回転伝達機構３０の各部
材の連動を介してカウンタアーム２６が補償アーム２５
の反対方向に同一回転角度、回転され、Ｃ５からＣ６方
向へ移動され、始めの長さＳ３の定張力ばね２７がこれ
により短い長さＳ４に巻き締められる。

そして前腕４１の重心αに図示省略のハンドを含む自重
Ｇが下向きに働き、軸３７の周りにトルクが働くと、そ
のトルクは第４のプーリ３９、タイミングベルト４０、
第３のプーリ３８を通じて第１の回転軸２２に伝達され
、補償アーム２５には反時計針方向の力が作用する。

他方前記トルクは第３のプーリ３８を介して回転伝達機
構３０に伝達され、該回転伝達機構３０により方向転換
され、第２の軸２３の周ｖには前記トルクと大きさが同
じで反対方向の力が伝達され、カウンタアーム２６に時
計針方向の力が働き、したがつて定張力ばね２７により
補償アーム２７がν−←去ゾ→ａの力で時計針方向にけ
ん引されることによつて前腕４１に加わる自重が補償さ
れるように構成されている。

さらに第９図は本発明の第４の実施例を示すもので、こ
の実施例では定置面５０上に垂直にアームベース５１，
５２，５３が立設されている。

アームベース５１，５２，５３の上部には同じ高さは第
１の軸に相当する軸５４，５５，５６がそれぞれ設けら
れ、アームベース５１，５２の下部には第２の軸に相当
する軸５７，５８が設けられ、またアームベース５２，
５３の下部には前記軸５７，５８よりも高い位置には第
２の軸に相当する軸５９，６０が設けられている。前記
軸５４にはアクチユエータ６１が取ジ付けられ、軸５６
には他のアクチユエータ６２が取り付けられている。

前記軸５４，５５には上腕６３が回転自在に支承され、
上腕６３はアクチユエータ６１により回転操作されるよ
うになつている。

前記上腕６３の力点端部には上腕６３の延長上に補償ア
ーム６４が形成され、作用点端部には軸６８に装着され
たプーリ６９を介して前腕７０が回転自在に取り付けら
れ、前腕７０には・・ンド７１が連結されている。

前記アームベース５２，５３の上部の軸５５，５６には
他の補償アーム６５が設けられてお虱該補償アーム６５
はアクチユエータ６２が駆動されると回転操作され、そ
の回転は軸５５、プーリ６６、タイミングベルト６７、
フ一り６９を通じて前腕７０に伝達され、前腕７０が回
転操作されるようになつている。

またアームベース５１，５２の下部の軸５７，５８には
カウンタアーム７２が設けられ、前記補償アーム６４と
カウンターアーム７２間にはピン７３，７４を介して定
張力ばね７５が取り付けられてお虱この定張力ばね７５
により上腕６３に働く自重を補償しうるようになつてい
る。

他方アームベース５２，５３の下部の軸５９，６０には
他のカウンタアーム７６が設けられ、前記補償．アーム
６５とカウンタアーム７６間にはピンJモV，７８を介し
て他の定張力ばね７９が設けられており、この定張力ば
ね７９によジ前腕７０に働く自重を補償しうるようにな
つている。

前記アームベース５１の上下部に設けられた軸５４，５
７間には回転伝達機構８０が設けられ、この回転伝達機
構８０は軸５４に設けられた歯車８２、中間軸８１に設
けられた歯車８３とプーリ８４、軸５７に設けられたプ
ーリ８５、両プーリ８４，８５間に掛け渡されたタイミ
ングベルト８６とを有し、アクチユエータ６１によジ軸
５４が回転されあるいは軸５４の周りに上腕６３の自重
によるトルクが働いたとき、軸５４に加わる力を方向転
換して軸５７に伝達しうるように構成されている。そし
て前記アームベース５２の上下部に設けられた軸５５，
５９間には他の回転伝達機構８７が設けられており、該
回転伝達機構８７は軸５５に取り付けられた歯車８９、
中間軸８８に設けられた歯車９０とプーリ９１、軸５９
に設けられたプーリ９２、両プーリ９１，９２に掛け渡
されたタイミングベルト９３とを備え、アクチユエータ
６２の駆動によジ軸５６および補償アーム６５を通じて
軸５５が回転されあるいは軸５５の周りに前腕７０の自
重によるトルクが働いたとき、その力を方向転換して軸
５９に伝達しうるようになつている〜 この実施例のものは上腕６３と前腕７０とで作業用アー
ムが構成され、その上腕６３に働く自重は軸５４、補償
アーム６４、回転伝達機構８０、軸５７、カウンタアー
ム５７および定張力ばね７５の協働により補償され、ま
た前腕７０に働く自重は軸６８、ブーリ６９、タイミン
グベルト６７、プーリ６６、軸５５、補償アーム６５、
回転伝達機構８７、軸５９、カウンタアーム７６｝よび
定張力ばね７９の協働により補償されるものである。

なお前記第４図，第７図，第８図および第９図における
回転伝達機構はタイミングベルトを使用するものに限ら
ず、他の巻き掛け伝動部材を用いてもよく、あるいは巻
き掛け伝動部材に代えて歯車伝動またはリンク伝動等、
作業用アームの回転と第１の軸の周りに働くトルクとを
第２の軸に同じ大きさでかつ方向転換して伝達しうるも
のであればいかなる構造のものでもよい。

進んで第１０図は本発明の第５の実施例を示すもので、
この実施例では補償アーム２５とカウンタアーム２６間
に流体圧シリンダ１００が配置され、該流体圧シリンダ
１００に嵌挿されたピストン１０１のロツド１０４は補
償アーム２５の端部に設けられたピン２８に連結され、
流体圧シリンダ１００の外端部に直接取わ付けられたロ
ツド１０５はカウンタアーム２６の端部に設けられたピ
ン２９に連結されている。

前記流体圧シリンダ１００の内部に｝けるピストン１０
１によつて区画された一次室１０２は通路１１０を通じ
てタンク１０６に設けられた定圧回路１０７に接続され
ている。

前記定圧回路１０７はポンプ１０８、圧力調整器１０９
とを有し、前記通路１１０を通じて流体圧シリンダ１０
０の一次室１０２側の圧力を一定圧に保ち、一次室１０
２と二次室１０３間の差圧を綻に保持しうるようになつ
ている。

この実施例のものは一次，二次室１０２，１０３間の差
圧が＝定に保たれた流体圧シリンダ１００の作用によシ
、補償アーム２５とカウンタアーム２６間に一定の引張
シカが加えられる。

したがつて流体圧シリンダ１００は前述の第４図に示さ
れる定張力ばね２７と同様に作用し、その結果上腕２４
の自重が第１の軸２２、回転伝達機構３０、第２の軸２
３、カウンタアーム２６、流体圧シリンダ１００、補償
アーム２５の連動によつて補償されるものである。この
実施例のものは設備が比較的大型になるが、自重が大き
い作業用アームあるいは重荷重用のロボツトアーム等の
自重補償に好適である。

本発明は以上説明した構成，作用のもので、作業用アー
ムの自重を確実に補償しうる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図および第３図はそれぞれ従来の自重補償
装置の略示説明図、第４図は本発明の第１の実施例の側
面図、第５図は本発明の一実施例に使用される定張力ば
ねの説明図、第６図は定張力ばねと他のばねとのばね特
性の比較線図、第７図は本発明の第２の実施例の側面図
、第８図は同第３の実施例の側面図、第９図は同第４の
実施例の斜視図、第１０図は同第５の実施例の側面図で
ある。 ２０・・・定置面、２１・・・アームベース、２２，２
３・・・第１，第２の軸、２４・・・上腕、２５・・・
補償アーへ ２６・・・カウンタアーム、２７・・・定
張力ばね、３０・・・回転伝達機構、３７・・・前腕用
の軸、３８，３９・・・第１，第２のプーリ、４０・・
・タイミングベルト、４１・・・前腕、５０・・・定置
面、５１，５２，５３・・・アームベース、５４，５５
，５６，５７，５８，５９，６０・・・軸、６１，６２
・・・アクチユエータ、６３・・・上腕、６４・・・上
腕用の補償アーム、６５・・・前腕用の補償アーム、６
６，６９・・・プーり、６７・・・タイミングベルト、
６８・・・前腕用の軸、７０・・・前腕、７１・・・ハ
ンド、７２・・・上腕用のカウンタアーム、７５・・・
同定張力ばね、７６・・・前腕用のカウンタアーム、７
９・・・同定張力ばね、８０・・・上腕用の回転伝達機
構、８７・・・前腕用の回転伝達機構、１００・・・流
体圧シリンダ、１０１・・・ピストン、１０２・・・流
体圧シリンダの一次室、１０３・・・同二次室、１０４
，１０５・・・ロツド、１０６・・・タンク、１０７・
・・定圧回路、１１０・・・通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アームベースの長さ方向に所定間隔を存して設けら
   れた第１、第２の軸中の、前記第１の軸に作業用アーム
   が回転自在に支承され、また同第１の軸には作業用アー
   ムの力点端部側に位置させて補償アームが設けられ、該
   補償アームは作業用アームの回転方向と反対方向に同一
   回転角度、回転しうるように取り付けられており、前記
   第２の軸には補償アームに対峙させてカウンタアームが
   回転自在に支承されており、前記補償アームとカウンタ
   アームとは一定張力の懸張部材で連結され、前記第１、
   第２の軸間には補償アームの回転時、カウンタアームを
   補償アーミの回転方向と反対方向に同一回転角度、回転
   させる回転伝達機構が設けられていることを特徴とする
   マニピュレータにおける作業用アームの自重補償装置。 ２ 前記懸張部材が定張力ばねであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のマニピュレータにおける作
   業用アームの自重補償装置。 ３ 前記懸張部材が流体圧シリンダとされ、該流体圧シ
   リンダのピストンによつて区画された一次室と二次室間
   の差圧が常に一定に保たれており、前記補償アームとカ
   ウンタアームの一方はピストンに、他方は流体圧シリン
   ダに連結されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のマニピュレータにおける作業用アームの自重
   補償装置。