JPS61168491A - 可変バランス力を有するバランス機構を備えたロボツト - 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】 肢」七た顆 本発明は、釣合い機構、を有するロボットに関し、特に
重力の作用を補償するべ（釣合わせなければならない関
節式及び／又は蝶番式のアームを有するロボットに関す
る。

ｉ見返Ｊ 蝶番式及び／又は関節式のアームロボ・７トが、手で動
かされ又はより低いレヘルのある動力源により駆動され
る可能性があるとき、このようなロボットに対して、重
力作用の釣合いが必要とされるのが普通である。このよ
うな事は、典型的には教示中に起る。重力の効果の除去
又は減少は、利用エネルギを減少させ且つロボットアー
ムのようなサーボ制御機構のより良い安定性を可能とす
る、より小さい動力源の使用を可能とする。バランサ機
構をもつ関節式アームロボットは、原動機の使用やロボ
ットの制御装置と関連する複雑さがなく、所望の仕事を
通じて手で動かしうるように設計することができる。そ
の結果として、ロボットアームは、低水準の動力要求の
下で各所望の仕事を通じて手動で動かされることができ
る。

先行技術は、関節式アーム上で用いられる多くの重力バ
ランス機構と蝶番機構とを示している。

このような配置の１つは、ロボットアームを釣り合わせ
るための釣合いおもりを利用している。然しなから、釣
合いおもりの使用は、増加する質量とその結果化ずるア
ームの慣性の増大の故に、しばしば問題がある。例えば
、ロボットアームを異なる方向へ動かすときはいつでも
、釣合いおもりの慣性を克服しなければならない。ロボ
ットアームの制動とその方向の変化は、釣合いおもりの
故に、慣性による減速力と加速力とを受ける。

以下の先行技術の特許は、釣合い機構としての釣合いお
もりの使用を開示している二米国特許第２．３４４．１
０８号（Ｒｏｓｅｌｕｎｄ　）、米国特許第３，５４３
，９８９号（Ｃｏｏｐｅｒ　）、及び米国特許第４．４
０２，６４６号（ＬｅＲｏｕｚｏ　）である。

他の先行技術の特許は、能動型と受動型との両方の油圧
バランサと空圧バランサとの使用を開示している。能動
型バランサは、バランスエネルギを供給又は吸収するた
めの外部動力源を必要とする。受動型バランサは、必要
に応じてバランスエネルギを貯えそして放出する。この
ような油圧式又は空圧式の釣合い機構の多くは、比較的
に複雑で且つコスト高である。例えば、米国特許第４．
２２９，１３６号（Ｐａｍ１ｓｓｉｄｉ　）は、マニピ
ュレータの手が上昇下降されるとき重力軸線の方向に作
動される空気駆動ピストンを含む空気圧バランスシステ
ムを開示している。種々の工具の重量がコンピュータメ
モリの中へプログラムされ、その後、マニピュレータに
よりどの工具が使用されるかに依存して、空気圧制御装
置が釣合い力を調節する。

油圧式又は空圧式の釣合い機構を開示している他の米国
特許には、米国特許第３．３７０，４５２号（５ａｃｋ
等）と第４，３００，１９８号（Ｄａｖｔｎｉ　）とが
含まれる。

バランスが、小さい角度の範囲内で又は四部円弧の範囲
内で（即ち、水平から垂直上向き）必要とされるとき、
ばね又は受動空圧バランサを用いてバランスのレベルを
得ることができる。次の先行技術の特許は、小さい移動
角度の範囲内で有用なばねバランサを開示している：即
ち、米国特許第３，３９Ｌ８０４号（Ｆｌａｔａｎ　）
　、第４．０２４，９６１号（５ｔｏｌｐｅ　）、第４
，２５９，８７６号（Ｂｅ１ｙａｎｉｎ等）、第４．２
８３．１６５号（Ｖｅｒｔｕｔ　）、及び第４，３７８
，９５９号（５ｕｓｎｊａｒａ　）である。

従来のばねバランサの使用に対する１つの問題は、ばね
が通常可変力を与えうるにすぎず、通常、変化する重力
の効果に対する連続的及び／又は適当な補償が存在しな
いことである。また、アームとばねとの組合せの１つ又
は２つの配置に対してのみ完全なバランスが可能である
ことが、大抵のばねバランス方法に固有である。ロボッ
トが、この配置から２つの可能な方向の何れかへ動くと
き、アンバランスが生じて漸進的に変化し、遂には、ア
ームがゼロ重力モーメントの中立の向きに接近する。

ばねバランサは、現在、ロボットアームの広範囲の角運
動にわたりバランスを許容しうるようなレベルを与えな
い。この理由で、特にもしもロボットアームが上方へ動
かされるならば、ロボットアームに作用する重力の効果
を克服するために高い駆動動力要求があることがしばし
ばである。このような高い駆動動力要求は、モーフ動力
が遮断されるとき、もしも機構が重力の作用で落下する
ならば安全に対する危険をもたらす。従って、このよう
な機構は、通常、この潜在的な危険を軽減するためにブ
レーキを備え、さもなければ重力に対してバランスをく
ずされる。

アームの小さい角変位の範囲内でより高度のバランスを
与え、且つアンバランスモーメントの最大値及び／又は
その方向を制限するために、ばねの剛性と、初期張力と
係留点の位置とを調節することができる。この変位を越
えると、アンバランスの程度が比較的急速に増大する。

従来のハネバランサと受動型空圧バランサとは、比較的
に単純で且つ比較的に安価であるにも拘らず、一般に現
在の角度の制限を越えることができない。

発ｙ坏ど」丞 本発明の目的は、バランス機構の形状寸法と重力モーメ
ントとを償うカー撓み特性を有するように選ばれたばね
組立体を有する改良されたバランス機構をもつロボット
を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ロボットのアーム組立体の
広範囲の運動の間、このアーム組立体をバランスさせる
改良されたバランス機構をもつロボット提供することで
ある。

本発明のなおもう１つの目的は、与えられた性能特性に
対し、比較的に安価で且つ単純な改良されたバランス機
構をもつロボットを提供することである。

本発明の上述の目的と他の目的とを遂行する際に、本発
明に従って構成されたロボットは、枢軸結合部を有する
アーム組立体を備え、枢軸結合部は、アーム組立体が枢
軸軸線の周りに運動するように、アーノ、組立体をロボ
ットの残部の上に枢軸旋回可能に支持している。ロボッ
トは、また、ロボットの残部に取付けられたエネルギ貯
蔵パランス機構を有し、このバランス機構は、縦軸線を
もつばね組立体を有する。ばね組立体は、枢軸軸線から
片寄りした取付は点、でアーム組立体に結合されている
。縦軸線は、枢軸軸線の方へ延び、枢軸軸線に対し実質
的に垂直である。枢軸軸線の周りの相対的回転中、ばね
組立体の有効長さが変化する。機構の中に蓄えられるエ
ネルギの量は、ばね組立体の有効長さに左右される。

好ましくは、第１ホイールと第２ホイールと両ホイール
をアーム組立体と互に結合するためのループとが設けら
れる。第１ホイールは、アーム組立体上にそれと共に回
転するように取付けられ、第２ホイールは、ばね組立体
の自由端に回転可能に装着されている。第１ホイールと
第２ホイールとは、枢軸軸線の周りの相対的回転の間、
回転する。

また、好ましくは、ループがリンクチェーンからなり、
第１ホイールと第２ホイールとがスプロケットホイール
からなる。

バランス機構は、中にエネルギを蓄え且つ第２スプロケ
ットホイールを縦軸線に沿って枢軸軸線から離れる方へ
偏倚させるための機械的ばね組立体を含むのが好ましい
が、それに限定されるわけではない。縦軸線は、枢軸軸
線の周りの相対回転中、枢軸軸線の方へ延びている。二
者択一的に、機械的ばね組立体の代りに、受動的空圧装
置を設けてもよい。

更に、本発明の上述の目的と他の目的を遂行する際、本
発明に従って構成されたエネルギ貯蔵バランス機構は、
ロボット上に装着されるようになっており、縦軸線を有
する細長いばね組立体を有する。ばね組立体は、アーム
組立体がロボットの残部に関して枢軸旋回する中心とな
る枢軸軸線から片寄りした取付は点でロボットのアーム
組立体に結合されるようになっている。そのように取付
けられるとき、縦軸線は、枢軸軸線の方へ延び、枢軸軸
線に対し実質的に垂直である。ばね組立体の有効長さは
、枢軸軸線の周りの相対的回転中、変化する。機構の中
に蓄えられるエネルギの量は、ばね組立体の有効長さに
左右される。

上述のように構成された本発明は、アーム組立体の広範
囲の角運動中、アーム組立体をバランスさせるための比
較的に章価で且つ簡単な方法を提供する。上述の構造は
、アーム組立体に作用する重力の効果を克服するために
高い駆動動力の要求の必要を最少にする。

本発明の他の利点は、以下の詳細な説明を参照して添付
図面と関連して考察するとき容易に理解されるであろう
。

■を　施するための最良のノ態 添付図面を参照して説明する。ここに開示され且つ特許
請求の範囲に記載された本発明を利用する関節式アーム
ロボットが第１図に示されている。

ロボット１０はアーム組立体１２を含み、アーム組立体
１２は、ベース１４上にアーム組立体を枢軸旋回可能に
支持する枢軸結合部を有する。ベース１４は、相対的に
静止した底部１６と、枢軸頂部１８とを有する。アーム
組立体１２は、ベース１４の頂部１８に枢着された内側
アーム２０と、内側アーム２０上に枢軸旋回可能に支持
された外側アーム２２とを有する。外側アーム２２の自
由端には３軸手首関節機構２４が装着され、３軸手首関
節機構２４は、その自由端に塗料スプレーガン２６のよ
うな工具を支持するようになっている。

ロボット１０は、エネルギ貯蔵釣合い機構２８をも有す
る。図示されていないけれども、機構２８は、外側アー
ム２２が受けた重力モーメントを受けるように外側アー
ム２２に結合するのが好ましい。この結合は、従来の４
棒リンク機構又はチェーン駆動装置を備えることにより
形成される。

釣合い機構２８は、第２図と第３図に全体的に３０で示
されているばね組立体を有する。ばね組立体３０は、ば
ね部材３２と、止めねじ３６によりばね部材３２に固定
結合された取付ブロック３４とを有する。ばね部材３２
は、その中に釣合いエネルギを蓄え、ばね組立体３０を
枢軸軸線３８から離れる方へ偏倚させ、アーム組立体１
２は、ロボット１０に関して枢軸軸線３８の周りに回転
する。ばね部材３２は、ばね組立体３０の縦軸線４０に
沿ってばね組立体３０を枢軸軸線３８から離れる方へ偏
倚させる。縦軸ＷＡ４０は、枢軸軸線３８の方へ延び、
枢軸軸線３８の周りに運動中、枢軸軸線３８に対し、実
質的に垂直である。

ばね部材３２は、一対のフランジ付き端部４４を有する
溶接されたばねハウジング４２を含み、ピン９６が、第
３図に示すように、フランジ付き端部４４を通り且つロ
ボット１０の残余部分の取付ブラケット９８を通して延
びている。ばね部材３２は、また、プランジャ４６を含
プランジャ４６は、下方プランジャ部分４８と、そこに
溝付きピン５２により固定された軸５０とを有する。

プランジャ４６は、第２図に示すように、スパイラルば
ね５４により取付ピン９６の方へ偏倚され、スパイラル
ばね５４は、下方プランジャ部分４８と部材３２のキャ
ップ部材５６との間に延び、キャップ部材５６は、ばね
ハウジング４２の対向端でねじ通されて受入れられてい
る。軸５０は、縦軸線４０に沿ってキャップ５６に形成
された開口部５８とばね５４のコイルを通して枢軸軸線
３８の方へ延びている。

ばね組立体３０は、一対のスプロケットホイール６２．
６４と連結リンクチェーン６６とを介してアーム組立体
１２の駆動ギヤ６０に結合されている。スプロケットホ
イール６２は、キー６８によって駆動ギヤ６０上に装着
され、駆動ギヤ６０と共に回転する。スプロケットホイ
ール６４は、ねじ７２によりブロック３４に装着された
軸７０によりブロック３４上に回転可能に装着されてい
る。ニードルベアリング７４は、第３図に示すように、
その上にスプロケットホイール６４を回転可能に支持し
ている。

リンクチェーン６６の一端は、スプロケットホイール６
２に場所７６で枢軸固定され、そこの適所に保持されて
いる。リンクチェーン６６は、第２スプロケットホイー
ル６４の上で動かされ、その対向端は取付はリンク７８
によりギヤ６０の面に枢軸固定され、取付リンク７８は
、ねじ８０によってギヤ６０の面に装着されている。

ギヤ６０は、ピニオンギヤ８２を通して駆動され、ピニ
オンギヤ８２はギヤ８４により駆動される。何故ならば
、ギヤ８２と８４とが同じ軸（図示せず）上に取付けら
れその軸と共に回転するためである。ギヤ８４は１．サ
ーボモータ（図示せず）の駆動軸上に取付けられたピニ
オンギヤ（図示せず）から駆動される。ギヤ６０．８２
及び８４は、駆動ハウジング８６内に収容され、サーボ
モータの励磁に基きアーム組立体１２を駆動する。

リンクチェーン６６は、アーム組立体１２とロボット１
０の残部との間での枢軸軸線３８の周りの相対的回転の
間、スプロケットホイール６２上に交互に巻かれそして
巻きを解かれる。リンクチェーン６６の巻かれた位置に
おいて、プランジャ部分４８は、第２図に示すように、
その最も左の仮想線の位置にある。駆動ギヤ６０が時計
方向に回転するとき、第２スプロケットホイール６４は
、アイドラホイールとして機能し、ばね組立体３０及び
リンクチェーン６６と共にその最も右の位置（第２図に
仮想線で示す）へ移動する。チェーン６６とばね組立体
３０とがその最右方位置へ移動すると、プランジャ部分
４８もその最右方位置へ移動し、それによってスパイラ
ルばね５４のコイルをプランジャ部分４８とキャップ５
６との間で圧縮する。それ故、ばね５４の中に蓄えられ
るエネルギは、ばね組立体３０の有効長さに左右される
ことが容易に理解できる（即ち、ねじ７２とピン９６と
の間の距離が大きい程、バランス機構２８内に蓄えられ
るエネルギがより多くなる）。

すべての重力バランス機構における如く、この機構の有
効性は、貯蔵要素と、ばねと、バランスアームの重力モ
ーメントとの間のエネルギの交換に依存する。ブロック
３４の最右方位置は、垂直にぶら下るロボットアーム（
即ち、アームの中立位置）によりギヤ６０に加えられる
重力モーメントがゼロであることに対応する。ブロック
３４の最左方位置は、水平より上へ角度９９°だけ傾斜
した位置へ−１一方へ変位した同じロボットアームに対
応する。それ故、バランスアームの全移動は、実質的に
９０度より上になりうる。

上述の構造の利点は多い。この利点には、広範囲にわた
ってアーム組立体１・２がバランスを保つて角運動可能
なことである。例えば、この機構は、垂直下方へぶら下
る中立即ち平衡位置から水平に伸ばされた不釣合い位置
へ外側アームをバランスさせる際に有効である。更に、
この機構は、上述の限界の各々を越える小さい角運動に
対し不均衡の量が比較的に小さいときに有効である。

図示されている好ましい実施態様において、ばね５４は
、エネルギ貯蔵要素として示されている。

ばね５４は、力と移動距離が近似した関係を持つような
、カー撓み特性を有するように選ばれる。

ばねを選ぶために、スプロケットと、スプロケットの直
径と、リンク７８が取付けられている枢軸軸線からの距
離と、外側アーム上の重力モーメントとを考慮しなけれ
ばならない。

受動的空気圧装置を含む他のエネルギ貯蔵要素をも利用
しうろことが理解されるべきである。上述の本発明は、
容易に理解しうるように、外部動力源と組み合わせて利
用することができる。

本発明のもう１つの利点は、たれ下るアームが下方へ延
びる位置から実質的に水平より上の位置へ動く全過程を
通して、アームに対してほとんど完全なバランスを与え
ることである。

本発明は、例示として説明した。用いられた用語は、説
明の語の性質をもち、限定の語の性質をもつようには意
図されていないことが理解されるべきである。

明らかに、本発明の多くの修正と変更とが、上述の教示
に照らして可能である。それ故、特許請求の範囲内にお
いて、本発明は、上述した以外の方法で実施しうろこと
が理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組み込んだロボットの側面図で、ア
ーム組立体の種々の位置が仮想線で示されている。 第２図は、本発明に従って構成されたバランス機構の側
面図で、バランス機構の構成部品を示すため一部破断し
てあり、２つの作動位置を示している。 第３図は、第２図のバランス機構の一部破断の上面平面
図で、その一端でのアーム組立体への取付けと、その反
対の端部でのロボットの残部への取付けとを示している
。 １０・・・ロボット、工２・・・アーム組立体、２８・
・・エネルギ貯蔵バランス機構、３０・・・ばね組立体
、３２・・・ばね部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、枢軸軸線の周りに動くようにアーム組立体をロボッ
   トの残部上に枢軸支持する枢軸結合部を有するアーム組
   立体と； ロボットの残部上に装着され、縦軸線を有するばね組立
   体を含むエネルギ貯蔵バランス機構と；を含み、 ばね組立体が、前記枢軸軸線から片寄りした取付け点で
   前記アーム組立体に結合され、前記縦軸線は、枢軸軸線
   の方へ延び且つ枢軸軸線に対し実質的に垂直であり、ば
   ね組立体の有効長さが、枢軸軸線の周りの相対的回転中
   変化し、バランス機構内に蓄えられるエネルギの量が、
   ばね組立体の有効長さに左右されること； からなるロボット。 ２、第１ホィールと第２ホィールと両ホィールをアーム
   組立体と互に結合するためのループとを含み、第１ホィ
   ールが、アーム組立体上にそれと共に回転するように装
   着され、第２ホィールが、ばね組立体の自由端に回転可
   能に装着され、前記第１ホィールと第２ホィールとが、
   枢軸軸線の周りの相対的回転中、回転する、特許請求の
   範囲第１項に記載のロボット。 ３、前記ループがリンクチェーンからなり、前記第１ホ
   ィールと第２ホィールとがスプロケットホィールからな
   り、チェーンの一端が、第１スプロケットホィールの周
   りに巻かれて枢軸軸線の周りの相対的回転中交互に巻か
   れそして解かれ、チェーンの対向端が、アーム組立体上
   にそれと共に枢軸軸線の周りに回転するように取付けら
   れ、チェーンの中間部分が、第２スプロケットホィール
   の上を動かされ、第２スプロケットホィールがアイドラ
   ーホィールからなる、特許請求の範囲第２項に記載のロ
   ボット。 ４、前記ばね組立体が、ばねハウジングと、前記ハウジ
   ング内に受入れられて保持された単一のばねとを含み、
   前記ばねが、その中にバランスエネルギを蓄えてばね組
   立体を枢軸軸線から離れる方へ縦軸線に沿って偏倚させ
   、前記縦軸線は、枢軸軸線の周りの相対的回転中、前記
   枢軸軸線の方へ延びている、特許請求の範囲第１項、第
   ２項又は第３項に記載のロボット。 ５、前記ばねが、ばねハウジング内に取付けられたスパ
   イラルばねからなり、前記ばね組立体が、前記ばねハウ
   ジングを通して延びるプランジャと、アーム組立体の枢
   軸軸線の周りの第１方向への運動中前記ばねを圧縮する
   ための前記ばねのコイルとを更に含む、特許請求の範囲
   第４項に記載のロボット。 ６、前記アーム組立体が、枢軸軸線の周りに回転するよ
   うに枢着された駆動ギヤを含み、前記ループが、枢軸軸
   線の周りに一緒に動くように取付け点で前記駆動ギヤに
   結合されている、特許請求の範囲第２項に記載のロボッ
   ト。 ７、アーム組立体と、アーム組立体を枢軸軸線の周りに
   動くようにロボットの残部上に枢軸支持する枢軸結合部
   と、を有するロボットと共に用いるようになっているエ
   ネルギ貯蔵バランス機構であって、前記バランス機構が
   、縦軸線を有するばね組立体を含み、ばね組立体が、枢
   軸軸線から片寄りした取付け点でアーム組立体に結合さ
   れるようになっており、そのように取付けられたとき、
   縦軸線は、枢軸軸線の方へ延び且つ枢軸軸線に対し実質
   的に垂直であり、ばね組立体の有効長さは、枢軸軸線の
   周りの相対的回転中、変化し、バランス機構内に蓄えら
   れるエネルギの量が、ばね組立体の有効長さに左右され
   ること、からなるエネルギ貯蔵バランス機構。