JPS60263689A - 重力に基づく力と釣合わせるための釣合わせ装置 - 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】 この発明は、水平軸線の回シに回動するようにヒンジで
取り付けたロボットアーム又はこれに類似する構造物に
於て重力にょるカと釣合わせるだめの装置に関するもの
である。

ロボットアームが重力に対して釣合わされていないとき
は、このアームを駆動する電動機又は作動装置は、重力
にょるカがら生ずるトルクに打ち克たなければならない
。又他方に於て、ロボットアームが重力に対して釣合わ
されているときは、電動機又は駆動装置のエネルギは、
慣性及び摩擦と関連して構成る場合妬は磁気的抵抗と関
連して、アームの駆動に全面的に費される。

従って、現時点で作られているロボットアームは通常釣
合い装置を備えている。しかし従来提案されている釣合
い装置は近似的のものであるに過ぎない。

この発明の総合目的は、ロボットアームに於ける重力に
よる力と釣合わせるための装置であって、この装置によ
ってアームに大きな角度の揺動の生ずる可能性をはらみ
ながらも厳格に正確な釣合いが得られるようにした装置
を提供しようとするにある。又、このような釣合わせ装
置は、著しい妨害になる力学的現象をもたらすものでな
いことが望まれている。

この発明によれば、水平軸線の回りに回動するようにヒ
ンジ止めしたロボットアーム又はこれに類似する構造物
に於て重力による力と釣合わせるための装置は、その特
徴として次のものを組合わせ備え且つ調整されている。

即ち、 （イ）　ロボットアームの軸線と平行する第２の水平軸
線の回りにヒンジで取り付けた剛ｉ生の補助構成部材ニ
ーこの補助構成部材は第２の軸線の両側に延びる２個の
横向きアームを備えており、これらの２岡の横向きアー
ムの両端部は第２の軸線に対して対称であり第２の軸線
と交る直線を形成すると共に、又これらの両端部は、並
進運動により可動であり且つ最初の位置に向う戻［−力
を受ける可動部材の直線部分に向ってもたれかがること
ができるよう如してあり、この戻しカはこの最初の位置
と可動部材が占める位置との間の距離に比例する。

（ロ）補助構成部材を駆動するだめの駆動装置ニー即ち
絶対値がロボットアームの角速度の］ｌ／１に等しい角
速度で第２の軸線の回りに補助構成部材を回動駆動する
駆動装置である。

（ハ）　この装置は、ロボットアームが鉛直状態にある
とき横向きアームの２つの端部が、最初の位置を占めて
いる直線部分に向って同時にあたりその場合可動部材が
なんらの戻し力をも受けていないように角度的に目盛定
めをし、戻し力と可動部材の変位の振幅との間の比例定
数Ｋ及び第２の軸線Ｂｏがら横向きアームの端部に至る
距離すは、釣合いが確保される方法で選択する。

Ｐを重力によりロボットアームにかかる鉛直力の合計と
し、Ｒを重力によるこれらの力のロボットアームに及ぼ
す作用の中心とロボットアームの回動軸線との間の距離
とすれば、Ｋ及びｂを％Ｋｌ）２’　＝　Ｐ　Ｒの関係
が満たされるように選択した場合に、釣合わせが達成さ
れる。

一般に、並進運動をして移動することのできる可動部材
は、第２の軸線と交りこの第２の軸線に対して直角をな
す方向に沿う直線並進運動機構により案内する。横向き
アームの端部がもたれてあたることのできる直線部分は
、この並進運動の方向に直角である。並進運動をする前
記可動部材には、その並進運動方向に平行な対称軸線を
持たせるのがよい。この可動部材の並：強運動方向は鉛
直方向にするのが有利である。

並進運動をして移動することのできる１ｌｊＪ動部材に
戻し力を及ぼす装置には、一定のこわさ又は強さを持つ
少くとも１個のばねを組入れる。

横向きアームの各端部には、可動部材の直線部分上を転
動することのできるローラ或いはこれに類似のものを設
ける。

ロボットアームの角速度の半分に等しい角速度で補助構
成部材を回動駆動するための装置には、二等辺三角形を
形成する機構を組入れ、この二等辺三角形の２個の等辺
のうちの一方の辺でロボットアームの回動軸を補助構成
部材の回動軸と連結し、又その他方の辺でロボットアー
ムの回動軸を可変長さの回転滑り装置のヒンジと連結し
、この滑り装置の他端部を補助構成部材の回動軸線上に
ヒンジ止めする。

補助構成部材用の第２０回動軸線は、ロボットアームの
回動軸線を通る鉛直平面内に位置させることができ、特
にこの軸線の下方に位置させることができる。

並進運動をして移動することのできる可動部材は、本来
、１字形を表しその横棒部分が横向きアームの端部がも
たれてあたることのできる直線部分に相当するようにし
た部材で構成することができる。

以上に述べた構造配置とは異って、この発明は、以下に
詳細に特定の実施例につき添付図面を参照して説明する
その他のいくつかの構造配置を組入れることもでき、又
この実施例はなんらの制限をもするものではない。

以下この発明をその実施例につき添付図面を用いて詳Ｍ
Ｋ説明する。

添付図に、水平軸線の回りに回動させるためのヒンジを
組入れだロボットアームに於ける、重力による力と釣合
わせることを目途とする装置を示す。ここではこの発明
を単一の水平軸線Ａｏの回りに枢動する単一のロボット
アーム１について説明をするが、この発明は依然水平で
はあるが数個の軸線の回りにヒンジで取り付けたアーム
に関するものでもある。

この発明自体の説明に先立って、次の事項を明示してお
く。

図のＡＯは釣合わせるべきロボットアーム１の水平な枢
動軸線の紙面への投影を示す。θは、上向きの鉛直方向
に対するロボットアーム１の主軸方向りのふれ角を示す
。この主軸方向りは、Ａｏを通ると共に、又重力による
ロボットアーム１への力の作用の中心である点Ｇを通る
。この点Ｇは、ロボットアーム１の重心点であるか又は
重心点よらもＡ。から更に距離のある点かであるが、こ
れはロボットアームの重量及び場合によっては起り得る
次に続く関節運動中の接触により伝えられる力の平衡又
は釣合いによってきまる。あまり重要でない関節運動部
分が釣合っているときは、点Ｇはロボットアーム１上の
固定点としてよい。

ＲをＡｏ−Ｇの距離とし、Ｐを重力によりロボットアー
ム１に生ずるＧ点に於ける矢印で示す鉛直力の合計とす
れば、重力によってロボットアーム１に生ずる力のＡｏ
の回りのモーメントはＰ　Ｒ８ｉｎθという数式表現で
与えられ、この場合ｓｉｎθは上向き鉛直線に対するア
ームＡｏ−Ｇの傾斜角θの正弦である。

この発明による釣合わせ装置は、重力によって生ずる回
転モーメントと同じ振幅であるが反対方向のＡ。の回り
の回転モーメントを、ロボットアーム１に永続的に作用
させるように組立て配置する。

この釣合わせ装置には、第２の水平軸線Ｂ。の回りにヒ
ンジで取り付は添付図の平面内に線で示した剛性の補助
構成部材２を組入れる。この軸線Ｂｏは第１の軸線Ａ。

に平行にし、これをＡｏに対して固定して保持する。こ
の図示の実施例では、軸線Ｂｏは軸線ＡＯと同じ鉛直平
面内にしかもＡＱの下方に位置させである。しかし軸線
Ｂ。は、軸’ｆｆＪＡａを通る鉛直平面外の任意の点に
置くこともできる。

補助構成部材２は、第２の軸線Ｂｏの両側に延びる２個
の（黄向きアーム３，４を備えている。これらの２個の
横向きアーム３，４の端部Ｂ３．Ｂ４は、第２の軸線Ｂ
ｏと交る直線を形成し、第２の軸線Ｂ。に対して互に対
称になっている。アーム３及びアーム４は直線とし且つ
両端部Ｂ３　、　Ｂ４を結ぶ直線に清い一列に並べるの
がよい。この直線は軸線Ｂｏに対して直角にする。横向
きアーム３．４の連結部に線図的に図示したヒンソ受け
５を設け、これらの横向きアームを軸線Ｂｏ上に回動自
在に取イ」ける。各端部Ｂ３　、Ｂ４には回転ローラｇ
を設けることができる。

ロボットアーム１の軸線Ａｏの回りの角速度Ωの各に等
しい角速度ωで補助構成部材２を軸線Ｂｏの回りに回転
駆動するために、駆動装置Ｍを設ける。従って、絶対値
をとればω＝各Ωという関係になる。補助構成部材２は
、ロボットアーム１と同じ方向又はそれと反対の方向に
回動することができる。

駆動装置Ｍは、アーム１のＡＯの回りの回動及び補助構
成部材２０Ｂｏの回りの回動間の機械的連結装置から成
る。このような装置は、チェーン、ベルト、その他の伸
びない可焼性の装置を含む機構から、或いは歯車を持つ
機構から、更に或いはヒンジで取り付けた機構から成る
。

図示の場合では、駆動装置Ｍは、二等辺三角形ＡＡｏＢ
ｏを形成するヒンジで取り付けた機構を組入れたものに
しである。この二等辺三角形の２個の等辺部ち一定長さ
ａの等辺は、その一方はＡＡＱでアリ、又他方・はＡｏ
Ｂｏである。従って、ＡＡ。

が鉛直線となす角度は常にｋＢｏが鉛直線となす角度の
２倍であり、角速度も同じ比である。第ろ辺Ａ　Ｂｏは
可変長である。剛性の補助構成部材２はほぼ１字形であ
り、その横棒線はアーム３，４０組合わせから成り、又
その柄６は上向きである。

この柄６には縦向きのハウジング７を設け、このハウジ
ングγの中を市め又はつめ８が滑動し得るようにし、つ
めの中心を直線り上の点Ａに対応させる。このつめ８は
ロボットアーム１に堅く固着し、このアームと共に軸線
Ａ。の回りに回動させるようにする。中心点Ａの軌道は
破線で示すように半径ａつ円弧９で形成される。

補助構成部材２０両端部Ｂ３　、Ｂ４は、並進運動をす
ると共に＠線で図示した直線ＬＯ上に両端部Ｂ３　、Ｂ
４が位置する最初の位［σに向りＣ戻（−力？受ける可
動部材１１の直線部分１０に向って、もたれかかること
ができるようにする。図示の位置に於ては、可動部材１
１はその最初の位置から離れており、直線部分１０にも
た九ている端部Ｂ３だけが、直線Ｌｏに平行に距離ｄだ
け直線り。

から隔つた距離に位置する直線り上にある。可動部材１
１が受ける戻し力はこのように距離ｄに比例する。

との戻し力は、ばね定数Ｋを持つ少くとも１個の弾性ば
ね１２を組入れた装置によって与えられる。このばね１
２は図面では線図的につる巻圧縮ばねで示しである。こ
のような圧縮ばねの代りに引張りばねを使うことも有利
であり、（異った態様で配置する）この場合案内がなく
ても座屈の起る惧れはない。

可動部材１１は丁字形にすることができる。丁字形の横
棒部分から成るまっ直ぐな部分１ｏは水平であって、下
向きで鉛直な１字形の柄１３に対して直角にしである。

可動部材１１は、直線並進運動機構、例えば柄１３が係
合している滑り部材１４によって案内する。この可動部
材１１の移動の方向Δは、柄１３の方向に平行即ち鉛直
方向である。

直線部分１０は水平に対して傾斜させてもよく、又移動
の方向は鉛直でなくてもよいことに留麓する必要がある
。

可動部材１１は一種の板材を形成してｂる。直線部分１
０は、棒材又は板拐で特に長方形又は円形輪廓を持つも
のがよい。即ちここに云う「直線部分」とは、１つの直
線に清い添付図面の平面に投影した１つの部分を云うも
のと解すべきである。

ばね１２によって可動部材１１に作用して補助構成部材
２に伝えられる戻しカは、点Ａを軸線Ａ。

の上方に鉛直に置こうとするが、これは戻し力が点Ｇに
矢印Ｐで示すように働く重力によるカの作用に反対する
ことを意味する。

可動部材１１は並進方向に平行する対称軸線、即ち図示
の場合柄１３の軸線から成る対称軸線を備えるのがよい
。

この装置の角度目盛定めは、ロボットアーム１が鉛直状
態にあるとき、直線Ｂｏ上に在る横向きアームの両端部
Ｂ３　、Ｂ４が、最初の位置を占め且つその場合なんら
の戻し力をも受けていない可動部材１１の直線部分１０
に向って、同時にあたるようになるように行なう。

比例定数Ｋ及び横向きアームの端部Ｂ３又は端部Ｂ４か
らの第２の水平軸線Ｂｏの距離すは、確実に釣合わせを
行なうために、次の式即ち’／、ｇｂ２＝　Ｐ　Ｒ が満足されるように選択する。但しここでＰは重力によ
ってロボットアーム１に作用する鉛直力の合計とし、又
Ｒは作用中心Ｇ及び回動軸線Ａｏ間の距離とする。

この釣合わせ装置の操作・作動は次の通りである。

ロボットアーム１が上向鉛直に対して角度θで傾斜して
いるときは、補助構成部材２は、使用する伝動機構次第
で同一方向又は反対方向に、最初の位置に対して輪の角
度で傾斜している。可動部材１１は、端部の１つ例えば
図示の場合端部Ｂ３の作用によって、最初の位置に対し
て距離ｄだけ変位している。従って ａ　＝＝　ｂ　ｓｉｎ　ｆｌ／２　。

弾性はね１２は、可動部材１１に対して、Ｋをばねのば
ね定数として、 Ｋ−ａ＝Ｋｂ　ｓｉｎ　Ｏ／２ に等しい戻し力な加える。この戻しカは、可動部材１１
の直線部分１０によって補助構成部材２の横向きアーム
の端部の１つ、例えば図では端部Ｂ３に伝わる。

この力Ｎは、軸線Ｂ。からｈ二ｂ　ｃｏｓ　０／２で表
わされる距離りの所に加わる。又補助構成部材２に加わ
る軸線Ｂ。の回りのこの力Ｎのモーメントは、三角法の
公式ｓｉｎθ−２６ｉｎ　ｏ／／２”　ＣＯ８ＯＡを適
用して次のようになる。

Ｎｈ　＝　Ｋｂ　ｓｉｎ　０／／２−ｂ　ＣＯ８０／２
＝　’／２　Ｋｂ”ｓｉｎθロボットアーム１の回動速
度は補助構成部材２０回動速度の２倍でらろので、駆動
装置Ｍによってこの構成部材２からロボットアーム１に
伝わるトルクは、２で割ったものになる。即ちロボット
アーム１に加わる重力による力に対抗するトルクは ’７’２　（’／２　Ｋｂ２ｓ１ｎθ）　＝　’／４　
Ｋｂ２ｓｉｎθに等しい。このトルクは次のような式が
真実であるならば重力による力で生ずるトルクと釣合う
。

Ｐ　Ｒｓｉｎθ＝　蚤Ｋｂ２ｓｉｎθ この等式は、Ｋ及びｂの値を′Ｖ４Ｋｂ”　＝　Ｐ　Ｒ
のように選択することによって常に満足される。

この発明による釣合わせ装置は、上向きの鉛直に対して
一１５０°ないし＋１５０°という大きな角度揺動につ
いて厳格に正確な釣合わせを得ることができる。この釣
合わせ装置は比較的簡単な構造を持ち、本来的に弾性ば
ねを使用している。又この釣合わせ装置は著しい妨害に
なる力学的現象をもたらすことはない。

以上この発明を実施例について詳細に説明したが、これ
らの実施例はこの発明の精神を逸脱することなく、種々
の変化変型をなし得ることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、この発明による、ロボットアームに於ける
重力に基づく力と釣合わせるだめの釣合わせ装置の線図
的側面図でおる。 １・・・ロボットアーム、２・・・補助構成部材、３，
４・・・２の横向きアーム、５・・・ヒンジ受け、６・
・・２の柄、γ・・・６のハウジング、８・−・止め、
つめ、１０・・・１１の直線部分、１１・・・可動部材
、１２・・・ばね、１３・・・１１の柄、１４・・・す
べり部材、Ａｏ、Ａｏ・・・水平軸線、Ｂ３．Ｂ４・・
・３，４の端部、Ｍ・・・２の駆動装置、ｇ・・・回転
ローラ、Ｎ・・・１２の戻しカ、Ｌｏ・・・　Ｂ３．Ｂ
４の最初位置線。 代理人中島宣彦Ｏ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）水平軸線の回妙に回動するようにヒンジで取り付
   けたロボットアーム又はこれに類する構造物の重力に基
   づく力と釣合わせるだめの釣合わせ装置に於て、 （イ）　この釣合わせ装置に、前記ロボットアーム（１
   ）の軸線（Ａｏ　）と平行する第２の水平軸線（Ｂｏ　
   ）の回りにヒンジで取り付けた剛性の補助構成部材（２
   ）を設け、この補助構成部材に、前記第２の水平軸線の
   両側ＩＣ延びる２個の横向きアーム（３）（４）を設け
   、これらの２１固の横向きアームの端部（Ｂ３）（Ｂ４
   ）を、前記第２の水平軸線（ＢＯ）に対して対称にする
   と共にこれらの端部により前記第２の水平軸線と交差す
   る直線を形成す−るようにし、又これらの横向きアーム
   の端部を、並進運動をして移動することができ又最初の
   位置の方に向う戻し力を受ける可動部材（１１）の直線
   部分（１０）に向って該アーム端部があだってもたれか
   かることができるようにし、前記戻し力を前記最初の位
   置とこの可動部材が占めている位置との間の距離（（Ｌ
   ）に比例するようにし、 （ロ）又前記釣合わせ装置に、絶対値が前記ロボットア
   ーム（１）の角速度の％に等しい角速度で前記第２の水
   平軸線（Ｂｏ　）の回りに前記補助構成部材（２）を回
   動駆動するための駆動装置（Ｍ）を設け、 （ハ）　このように組立てたものを、前記ロボットアー
   ム（１）が鉛直状態にあるとき前記横向きアームの２個
   の端部（Ｂ３）（Ｂ４）が前記最初の位置を占めている
   前記直線部分（１０）に向つ”Ｃ同時にあたり、この場
   合前記可動部材はなんらの戻し力をも受けていないと云
   うように角度的に目盛定めし、更に又前記戻し力と前記
   可動部材の変位の振幅との間の比例定数（Ｋ）及び前記
   第２の水平軸１８　（Ｂｏ　）から前記横向きアームの
   端部て至る距離＋ｂ＞を釣合いが得られるように選択す
   る、 ようにしたことを特徴とする釣合わせ装置。 （２）比例定数（Ｋ）及び前記第２の水平軸線（Ｂｏ）
   から前記横向きアームの端部に至る距離（ｂ）を、Ｐを
   重力によって前記ロボットアーム（１）に生ずる鉛直力
   の合計を表わすものとし又Ｒをこれらの重力による力の
   前記ロボットアーム（１）への作用の中心（Ｇ）とこの
   ロボットアームの回動＋ｔｌＩＩ線（Ａｏ）との間の距
   離を表わすものとした場合、％　Ｋｌ）２　＝　ＰＲと
   いう式が成り立つように選択したことを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項記載の釣合わせ装置。 （３）並進運動により移動することのできる前記可動部
   材（１１）を、前記第２の水平軸線（Ｂｏ　）と交差し
   目、つこの水平軸線と直角をなす方向（Δ）に沿って、
   直線並進機構（１４）で案内するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項又は第１２）項に記載
   の釣合わせ装置。 （４）　前記可動部材の並進運動の方向（Δ）を鉛直方
   向としたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項な
   いし第（３）項のいずれかの項に記載の釣合わせ装置。 （５）前記第２の水平軸線（Ｂｏ　）を、前記ロボット
   アームの回動軸線（Ａｏ）と同じ鉛直平面内に、そして
   特にこの軸線（ＡＯ）よりも下方に位置させたことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１１項ないし第（４）項の
   いずれかに記載の釣合わせ装置。 （６）並進運動により可動な前記可動部材に戻しカを作
   用させるための装置に、ばね定数（Ｋ）を備えた少くと
   も１個のばね（１２）を設けたことを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項ないし第（５）項のいずれかに記載
   の釣合わせ装置。 （力　前記横向きアームの端部（Ｂ３）（Ｂ４．）に、
   前記可動部材（１１）の直線部分（１ｏ）に向って転動
   することのできるローラ（ｇ）又はこれに類似の部材を
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ない
   し第（６）項のいずれかに記載の釣合わせ装置。 （８）前記補助構成部材（２）を前記ロボットアームの
   角速度のＡに等しい角速度で回動駆動するだめの駆動装
   置（Ｍ）に、二等辺三角形（ＡＡｏＢｏ　）を形成する
   機構を設け、２個の等しい辺のうちの一方の辺により前
   記ロボットアーム（１）の回動軸線（Ａｏ）を前記補助
   構成部材（２）の回動軸線（ＢＯ）と連結し、２個の等
   しい辺のうちの他方の辺により前記ロボットアームの回
   動軸ｍ（Ａｏ）を可変の長さを備えた回転滑り装置（７
   ）（８）のヒンジ（Ａ）と連結し、この回転滑り装置の
   他端を前記補助構成部材（２）の回動軸線（ＢＯ）にヒ
   ンジで取り付けるようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項ないし第（刀項のいずれかに記載の釣
   合わせ装置。 （９）並進・運動によって移動することのできる前記可
   動部材（１１）を、本来７字形を持つ部材から構成し、
   ７字形の横向き分枝を前記横向きアームの端部（Ｂ３）
   （Ｂ４）があたってもたれかがることのできる直線部分
   （１ｏ）に相当するようにしだことを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項ないし第（８）項のいずれかに記載
   の釣合わせ装置。