JPS6251880B2 - - Google Patents

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JPS6251880B2
JPS6251880B2 JP10764478A JP10764478A JPS6251880B2 JP S6251880 B2 JPS6251880 B2 JP S6251880B2 JP 10764478 A JP10764478 A JP 10764478A JP 10764478 A JP10764478 A JP 10764478A JP S6251880 B2 JPS6251880 B2 JP S6251880B2
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JP
Japan
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arm
gear
sub
balance device
force generating
Prior art date
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Application number
JP10764478A
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Japanese (ja)
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JPS5535735A (en
Inventor
Haruaki Ootsuki
Moritomo Ando
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5535735A publication Critical patent/JPS5535735A/en
Publication of JPS6251880B2 publication Critical patent/JPS6251880B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は揺動運動する作業腕(以下アームと称
す)に働く重力モーメントを軽減もしくは相殺す
るための重力バランス装置に係り、特に関節型ロ
ボツトのような作業機械のアームに使用するに好
適な重力バランス装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a gravity balance device for reducing or canceling out the gravitational moment acting on a swinging working arm (hereinafter referred to as an arm), and particularly for an arm of a working machine such as an articulated robot. The present invention relates to a gravity balance device suitable for use in.

関節型ロボツトのアームには自重による重力モ
ーメントが作用する。この重力モーメントはアー
ムの回転角に応じて余弦波状に変化するため位置
決め精度にばらつきが生じる。また重力モーメン
トは下方に向け作用するため、アームの上傾時の
応答は下傾時より遅くなり、制御特性上良くな
い。またロボツトに対するテイーチ方法には種々
あるが、作業者がロボツト先端部をもつて直接操
作する方法を考えると、この場合は重いロボツト
のアームを動かさなければならないため、大変な
時間と労力を必要とし、非能率的である。
A gravitational moment due to its own weight acts on the arm of an articulated robot. This gravitational moment changes in a cosine wave shape depending on the rotation angle of the arm, resulting in variations in positioning accuracy. Furthermore, since the gravitational moment acts downward, the response when the arm is tilted upward is slower than when it is tilted downward, which is not good in terms of control characteristics. Additionally, there are various methods for teaching a robot, but considering the method in which the operator directly operates the robot by holding the robot's tip, this requires a great deal of time and effort since the operator must move the heavy robot arm. , is inefficient.

そこで従来、重力モーメントを軽減するために
バランスウエイトを用いる方法やロボツトのアー
ムをばねで吊る方法が採用されている。しかしバ
ランスウエイトの場合は、慣性負荷の増大により
制御特性が低下すると共に、構造上装置をコンパ
クトにまとめることができないといつた問題があ
る。これに対しばねでバランスをとる方法は、装
置をコンパクトにできるが、アームの回転角全域
に亘つて良好なバランスをとることは難しい。こ
の理由について本発明者が検討した結果を図面を
用いて説明する。まず第1図に、従来のばねバラ
ンス装置を備えたロボツトの構造図を示す。すな
わち、床500の上に置かれたボツクス部510
の上面には、このボツクス部510に対して旋回
可能に支持された旋回ベース520が設けられて
いる。旋回ベース520に対しては回動可能に第
1アーム530が支持されていて、この第1アー
ム530の先端部に、第2アーム540がやはり
回動可能に支持され、この第2アーム540の先
端に手先550が取り付けられている。第1アー
ム530及び第2アーム540と旋回ベース52
0との間には、それぞれ第1アーム駆動シリンダ
532及び第2アーム駆動シリンダ542があ
り、各々当該アームの位置ぎめを行つている。第
1アームバランスばね570は第1アーム530
及び旋回ベース520とに両端に係止され、第1
アーム530に対して、重力に抗するモーメント
を与えている。第2アームバランスばね572
は、一端を第2アーム540に、他端を三角プレ
ート562に係止されており、この三角プレート
562は第1アーム530及び平行リンク532
によつて支持され、第1アームが回動しても傾動
することがないようになつている。
Conventionally, methods of using balance weights or suspending robot arms with springs have been adopted to reduce the gravitational moment. However, in the case of balance weights, there are problems in that control characteristics are degraded due to an increase in inertial load, and the device cannot be made compact due to its structure. On the other hand, the method of balancing using a spring allows the device to be made compact, but it is difficult to maintain good balance over the entire rotational angle of the arm. The reason for this will be explained using the drawings as a result of studies conducted by the present inventor. First, FIG. 1 shows a structural diagram of a robot equipped with a conventional spring balance device. That is, the box part 510 placed on the floor 500
A pivot base 520 is provided on the upper surface of the box portion 510 so as to be pivotable. A first arm 530 is rotatably supported on the swing base 520, and a second arm 540 is also rotatably supported at the tip of the first arm 530. A hand 550 is attached to the tip. First arm 530 and second arm 540 and rotating base 52
0, there are a first arm drive cylinder 532 and a second arm drive cylinder 542, respectively, which position the respective arms. The first arm balance spring 570 is the first arm 530
and a rotating base 520 at both ends, and the first
A moment is applied to the arm 530 to resist gravity. Second arm balance spring 572
is locked at one end to the second arm 540 and at the other end to a triangular plate 562, which is connected to the first arm 530 and the parallel link 532.
, so that even if the first arm rotates, it will not tilt.

第2図は、第1図の重力バランス装置を一般化
して表わした模式図である。本体10とアーム2
0との間に引張ばね40が係止されている。水平
基準線1に対してアーム側基準線2のなす角を回
転角θとし、アーム側のばね端取付角をα,本体
側のばね端取付角をβ,アーム側のばね端取付長
さをm,本体側のばね端取付長さをnとする。ま
た、引張ばね40のばね定数をk,自由長さをl0
とする。このときばねの復元力にもとづくばね力
モーメントMsの値は次式で計算される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a generalized version of the gravity balance device shown in FIG. Main body 10 and arm 2
A tension spring 40 is locked between the two ends. The angle formed by the arm side reference line 2 with respect to the horizontal reference line 1 is the rotation angle θ, the spring end installation angle on the arm side is α, the spring end installation angle on the main body side is β, and the spring end installation length on the arm side is m, and the installation length of the spring end on the main body side is n. Also, the spring constant of the tension spring 40 is k, and the free length is l 0
shall be. At this time, the value of the spring force moment Ms based on the restoring force of the spring is calculated using the following formula.

なお一例として、(1)式において、k=1Kg/
mm,l0=480mm,m=120mm,n=600mm,β−α
=0゜を代入して計算した結果得られるばね力モ
ーメントのグラフを第3図に示す。
As an example, in equation (1), k=1Kg/
mm, l 0 = 480mm, m = 120mm, n = 600mm, β-α
Figure 3 shows a graph of the spring force moment obtained as a result of calculation by substituting =0°.

ところで重力バランス装置は、アームの回転角
全域(例えば関節型ロボツトの場合約90度のもの
が多い)に亘り、非常に高い近似度で重力モーメ
ントに抗する力を発生する必要がある。そのため
には、重力バランス装置は次の条件を具備しなけ
ればならない。
Incidentally, a gravity balance device needs to generate a force that resists the gravitational moment with a very high degree of approximation over the entire rotational angle of the arm (for example, in the case of articulated robots, it is often around 90 degrees). To this end, the gravity balance device must meet the following conditions:

(a) ばね力モーメントは、アームの回転範囲内に
おいて余弦関数であること。
(a) The spring force moment must be a cosine function within the rotation range of the arm.

(b) ばね力モーメントの振幅は変え得ること。(b) The amplitude of the spring force moment can be varied.

(c) ばね力モーメントの曲線はθ軸方向に平行移
動できること。
(c) The curve of the spring force moment can be moved parallel to the θ-axis direction.

ここで従来の重力バランス装置が、上記条件
(a),(b),(c)を満足するか否かについて考える。(1)
式の形からわかるように従来のバランス装置は、
(β−α)の値を適当に設定することによりθ軸
方向にグラフを平行移動することができる。また
ばね定数kの値を変化させればグラフの振幅を変
化させることができる。従つて条件(b),(c)は満足
する。しかし第3図に示すように、ばね力モーメ
ントは、周期360度の正弦関数曲線(図示しな
い)に比べ大きく否む。なおここで、ばね力モー
メントは正弦関数曲線となつているが、これは、
β−α=0゜としたためである。すでに述べたよ
うにこのバランス装置は条件(c)を満足するのでば
ね力モーメントを余弦関数にすることもできる。
m,n,l0の値を変化させるとこの歪み方を多少
変化させることはできるけれども条件(a)を満足す
ることはできない。すなわち、従来の重力バラン
ス装置では、たわみと軸力との関係が比例関係に
あるばねを用いた場合、ばねの自由長,ばね定
数,本体側のばね端支持位置,アーム側のばね端
支持位置からなる設計時に選択可能な各変数をど
のように選んでも、水平面に対するアームの回転
角に対して余弦関数状に変化する重力モーメント
を、アームの回転角のあらゆる値に対して、完全
に相殺するようなモーメントを発生させることは
不可能である。
Here, the conventional gravity balance device is used under the above conditions.
Consider whether or not (a), (b), and (c) are satisfied. (1)
As you can see from the form of the equation, the conventional balance device is
By appropriately setting the value of (β-α), the graph can be translated in parallel in the θ-axis direction. Furthermore, by changing the value of the spring constant k, the amplitude of the graph can be changed. Therefore, conditions (b) and (c) are satisfied. However, as shown in FIG. 3, the spring force moment is larger than that of a 360 degree period sinusoidal function curve (not shown). Here, the spring force moment is a sine function curve, which is
This is because β−α=0°. As already mentioned, since this balance device satisfies condition (c), the spring force moment can also be made into a cosine function.
Although it is possible to change the distortion somewhat by changing the values of m, n, and l 0 , condition (a) cannot be satisfied. In other words, in conventional gravity balance devices, when using a spring in which the relationship between deflection and axial force is proportional, the free length of the spring, the spring constant, the spring end support position on the main body side, and the spring end support position on the arm side are No matter how you choose the variables that can be selected during design, the gravitational moment, which varies in a cosine manner with respect to the arm's rotation angle with respect to the horizontal plane, can be completely canceled out for all values of the arm's rotation angle. It is impossible to generate such a moment.

以上の検討より、重力バランス装置にはアーム
の回転角範囲において、ばね力モーメントを余弦
関数(重力モーメントに相当する)に近似させる
ことができるよう、ばね力モーメントの曲線をθ
軸方向に伸縮させる機能が必要であることがわか
つた。
From the above considerations, the gravity balance device has a curve of the spring force moment that is θ so that the spring force moment can be approximated to a cosine function (corresponding to the gravitational moment) in the rotation angle range of the arm.
It was found that a function to expand and contract in the axial direction was necessary.

本発明の目的は、アームに作用する重力モーメ
ントを、アームの回転しうる範囲全域に亘つて、
極めて高い近似度で相殺することのできる重力バ
ランス装置を提供するにある。
The purpose of the present invention is to reduce the gravitational moment acting on the arm over the entire range in which the arm can rotate.
The object of the present invention is to provide a gravity balance device that can perform cancellation with an extremely high degree of approximation.

本発明の特徴は、支持部材に回転自在に軸支し
たアームの自重による重力モーメントを釣り合わ
せる作業機械の重力バランス装置において、前記
アームの回転角を変換する変換手段を設け、該変
換手段と前記支持部材間に前記変換手段を経て伝
達された前記アームの重力モーメントに抗する力
発生手段を介装して設け、更に前記変換手段は前
記アームの回転軸と連結し、かつ前記アームと一
体に回転しうるように設けた変速歯車列を構成す
る第1の歯車と、該第1の歯車と機械的に係合し
て第1の歯車とは歯数の異なる所定の歯車比に設
定された前記変速歯車列を構成する第2の歯車と
から構成し、前記力発生手段は前記変速歯車列の
第2の歯車と一体に回転し、且つ前記アームに対
して任意の相対角度を有するよう設定可能に該第
2の歯車に取付けたサブアームの先端と前記支持
部材の適所との間を連結するように配設されると
共に、該力発生手段の両連結部は該サブアーム及
び支持部材に対して回動可能に軸支されている構
成の作業機械の重力バランス装置にあり、これに
よつて重力に抗するモーメントの曲線をアームの
回転軸方向に伸縮させて該重力によりアームに作
用する重力モーメントをほぼ相殺し、作業機械の
制御性を向上させるものである。
A feature of the present invention is that in a gravity balance device for a work machine that balances the gravitational moment due to the weight of an arm rotatably supported on a support member, a conversion means for converting the rotation angle of the arm is provided, and the conversion means and the A force generating means for resisting the gravitational moment of the arm transmitted through the converting means is interposed between the support members, and the converting means is connected to the rotation axis of the arm and is integrally formed with the arm. A first gear constituting a speed change gear train provided so as to be rotatable; and a gear ratio that is mechanically engaged with the first gear and has a different number of teeth than the first gear. and a second gear constituting the speed change gear train, and the force generating means is set to rotate together with the second gear of the speed change gear train and have an arbitrary relative angle with respect to the arm. The force generating means is arranged to connect the tip of the sub-arm attached to the second gear and a proper position of the support member, and both connecting portions of the force generating means are connected to the sub-arm and the support member. A gravity balance device for a work machine that is rotatably supported by a shaft, which expands and contracts the curve of the moment that resists gravity in the direction of the axis of rotation of the arm, thereby creating a gravitational moment that acts on the arm due to the gravity. This almost cancels out the loss and improves the controllability of the work machine.

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。第4図において、本体10の上部にはA軸1
2がある。アーム20はA軸12によつて支持さ
れ、このA軸12を回転軸として回転可能であ
る。また、A軸12はA歯車102も支持してお
り、A歯車102もA軸12を回転軸として回転
可能である。アーム20とA歯車102との間は
A結合ピン22によつて結合されているので、ア
ーム20とA歯車102は一体となつて回転す
る。A軸12の下方にはB軸14が本体10に取
り付けられている。サブアーム30はB軸14に
よつて支持され、このB軸14を回転軸として回
転可能である。また、B軸14はB歯車104も
支持しており、B歯車104もB軸14を回転軸
として回転可能である。サブアーム30とB歯車
104との間はB結合ピン34によつて結合され
ているのでサブアーム30とB歯車104は一体
となつて回転する。A歯車102とB歯車104
とはかみ合つており、アーム20とサブアーム3
0は、各々の回転量の比率が一定となる関係を保
ちつつ、同期して回転する。サブアーム30に固
定されたCピン32と、本体の下部に固定された
Dピン16との間には引張ばね40があり、この
引張ばね40の両端は各々Cピン32及びDピン
16に回転可能に支持されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 4, the upper part of the main body 10 has an A-axis 1
There are 2. The arm 20 is supported by the A-axis 12 and is rotatable about the A-axis 12 as a rotation axis. Further, the A-axis 12 also supports the A-gear 102, and the A-gear 102 is also rotatable about the A-axis 12 as a rotation axis. Since the arm 20 and the A gear 102 are connected by the A coupling pin 22, the arm 20 and the A gear 102 rotate together. A B-shaft 14 is attached to the main body 10 below the A-shaft 12. The sub-arm 30 is supported by the B-axis 14 and is rotatable about the B-axis 14 as a rotation axis. Further, the B shaft 14 also supports a B gear 104, and the B gear 104 is also rotatable with the B shaft 14 as a rotation axis. Since the sub-arm 30 and the B gear 104 are connected by the B coupling pin 34, the sub-arm 30 and the B gear 104 rotate together. A gear 102 and B gear 104
are interlocked with each other, and arm 20 and sub arm 3
0 rotates synchronously while maintaining a constant ratio of each rotation amount. There is a tension spring 40 between the C pin 32 fixed to the sub-arm 30 and the D pin 16 fixed to the lower part of the main body, and both ends of this tension spring 40 are rotatable to the C pin 32 and the D pin 16, respectively. is supported by

アーム20の回転角を変化させると、A歯車1
02及びB歯車104を介してサブアーム30の
回転角が変化し、引張ばね40のたわみ量が変化
する。この結果、引張ばね40のばね力及びB軸
14からこのばね力の作用線までの距離がともに
変化するので、前記ばね力によりサブアーム30
に作用するモーメントの値が変化する。結局、ア
ーム20の回転角の変化に応じてサブアーム30
に作用する前記ばね力によるモーメントが変化す
る。このばね力によるモーメントはB歯車104
及びA歯車102による伝達機構を介してアーム
20に伝達されるが、このB歯車104とA歯車
102との歯数比を適切に設定すれば、アーム2
0が回動しうる範囲全般にわたつて、アーム20
に作用する重力モーメントと前記ばね力によるモ
ーメントとを、高い近似度で相殺されることがで
きる。以下この理由を説明する。ただし、第4図
中歯車対の大小関係については、必ずしも適切な
設計結果を図示したものではない。
When the rotation angle of the arm 20 is changed, the A gear 1
The rotation angle of the sub-arm 30 changes via the 02 and B gears 104, and the amount of deflection of the tension spring 40 changes. As a result, the spring force of the tension spring 40 and the distance from the B-axis 14 to the line of action of this spring force both change, so the spring force causes the sub-arm 30 to
The value of the moment acting on changes. In the end, the sub-arm 30 changes according to the change in the rotation angle of the arm 20.
The moment due to the spring force acting on changes. The moment due to this spring force is the B gear 104.
It is transmitted to the arm 20 via a transmission mechanism using the A gear 102 and the A gear 102. However, if the gear ratio between the B gear 104 and the A gear 102 is set appropriately, the arm 2
The arm 20
The moment of gravity acting on the spring force and the moment due to the spring force can be canceled out with a high degree of approximation. The reason for this will be explained below. However, the size relationship of the pair of internal gears in FIG. 4 does not necessarily represent an appropriate design result.

本発明に基づく重力バランス装置の模式図を第
5図に示す。本体10とサブアーム30との間に
引張ばね40が係止される、サブアーム30とア
ーム20とには、各々A歯車102,B歯車10
4が固定され、A歯車102とB歯車104はか
み合つている。アーム20の回転中心を通る水平
基準線1に対してアーム側基準線2のなす角をθ
とし、このθが零になるとき、すなわち、アーム
側基準線2が水平基準線1に一致する位置までア
ーム20が回転したときのサブアーム30の中心
線4を基準にしこの基準線4とサブアーム30が
変位した後のサブアーム中心線3とのなす角度を
ηとする。引張ばね40のたわみが最も小さい位
置(すなわちサブアーム先端ばね取付位置が、そ
のサブアーム回転中心と、引張ばねの本体10側
の取付位置を結ぶ線上にある場合の位置)に対し
て、θ=0に対応するサブアーム位置4のなす角
をξとする。また、サブアーム側のばね端取付長
さをm,本体側のばね端取付長さをnとする。ま
た、A歯車102とB歯車104の歯数比をi:
1とする。また、サブアームの回転中心を通る水
平線に対してサブアーム位置4のなす角をθ
する。また、サブアームの回転中心を通る中心線
から測つたサブアーム中心線3までの回転角をθ
と定義する。更に、βはサブアーム30の回転
中心を通る水平線に対して、この回転中心と本体
10側の引張ばね40の支持点とを結ぶ直線のな
す角であり、αは前記サブアーム側基準線3がサ
ブアーム30の回転中心とサブアーム上の引張ば
ねの支持点とを結ぶ直線とのなす角であり、第5
図の例では、サブアーム上の引張ばね支持点は、
サブアーム30の中心線上にあるのでα=0であ
る。
A schematic diagram of a gravity balance device based on the present invention is shown in FIG. A tension spring 40 is locked between the main body 10 and the sub-arm 30, and the sub-arm 30 and the arm 20 have an A gear 102 and a B gear 10, respectively.
4 is fixed, and the A gear 102 and the B gear 104 are meshed. The angle formed by the arm-side reference line 2 with respect to the horizontal reference line 1 passing through the rotation center of the arm 20 is θ.
When this θ becomes zero, that is, when the arm 20 rotates to the position where the arm-side reference line 2 coincides with the horizontal reference line 1, the center line 4 of the sub-arm 30 is used as a reference, and this reference line 4 and the sub-arm 30 are Let η be the angle formed by the sub-arm center line 3 after the displacement. With respect to the position where the tension spring 40 has the smallest deflection (that is, the position where the sub-arm tip spring mounting position is on the line connecting the sub-arm rotation center and the tension spring mounting position on the main body 10 side), θ=0. Let the angle formed by the corresponding sub-arm position 4 be ξ. Furthermore, the length of the spring end attached to the sub-arm side is m, and the length of the spring end attached to the main body side is n. In addition, the gear ratio of the A gear 102 and the B gear 104 is i:
Set to 1. Further, the angle formed by the sub-arm position 4 with respect to the horizontal line passing through the rotation center of the sub-arm is θ 0 . Also, the rotation angle from the center line passing through the rotation center of the sub-arm to the sub-arm center line 3 is θ
Define as 1 . Furthermore, β is an angle formed by a straight line connecting this rotation center and the support point of the tension spring 40 on the main body 10 side with respect to a horizontal line passing through the rotation center of the sub-arm 30, and α is an angle between the sub-arm side reference line 3 and the horizontal line passing through the rotation center of the sub-arm 30. It is the angle formed by the straight line connecting the rotation center of No. 30 and the support point of the tension spring on the sub-arm.
In the example shown, the tension spring support point on the sub-arm is
Since it is on the center line of the sub-arm 30, α=0.

このとき、各角度の定義からθ,η,ξ,
β,α、およびθの間には次の関係時が成り立
つ。
At this time, from the definition of each angle, θ 1 , η, ξ,
The following relationship holds between β, α, and θ0 .

従つてθ−(β−α)=ξ+ηとなる。この結
果を(1)式に代入すれば、サブアームに作用するば
ね力モーメントMsは次のように求まる。ただ
し、l0は引張ばね40の自由長である。
Therefore, θ 1 −(β−α)=ξ+η. By substituting this result into equation (1), the spring force moment Ms acting on the sub-arm can be found as follows. However, l 0 is the free length of the tension spring 40.

このモーメントMsが歯車による伝達機構を経
てアーム20に作用する。サブアームの回転角η
とアーム20に回転角θとの間には、η=−iθ
の関数がある。また、アーム20に作用するモー
メントはサブアーム30に作用するばね力モーメ
ントMsに比し大きさは1/i、向きは逆にな
る。従つてアーム20に作用するモーメントを
Maとすれば、結局 となる。(4)式の形からわかるように、ξの値を適
当に設定することにより、θ軸方向にグラフを平
行移動することができるし、kの値を変化させれ
ばグラフの振幅を変化させることが可能である。
また、m,n,l0の値を変化させると、正弦関数
曲線に対するグラフの歪みを多少変化させること
ができる。以上は、従来用いられている重力バラ
ンス装置においても得られる効果であるが、本発
明に基づく重力バランス装置では、(4)式中のiの
値を変化させることにより、θ軸方向にグラフを
伸縮させることができる。一例として、(4)式にお
いて、k=1Kg/mm,l0=480mm,m=120mm,n
=600mm,ξ=115.3゜とした場合のサブアームに
作用するモーメントMsは、ηに対して第6図に
示すようなグラフとなる。これに対し、i=0.75
とするとアーム20に作用するモーメントMa
は、曲線の形は同一であるが座標軸の数値が異
り、θに対して第6図のように表わせる。この
際、振幅も変化するが、これについてはkの値を
修正することにより補償できる。
This moment Ms acts on the arm 20 via a gear transmission mechanism. Rotation angle η of sub-arm
and the rotation angle θ of the arm 20, η=−iθ
There is a function. Further, the moment acting on the arm 20 is 1/i in magnitude and opposite in direction to the spring force moment Ms acting on the sub-arm 30. Therefore, the moment acting on arm 20 is
If Ma, then after all becomes. As can be seen from the form of equation (4), by setting the value of ξ appropriately, the graph can be moved in parallel in the θ-axis direction, and by changing the value of k, the amplitude of the graph can be changed. Is possible.
Furthermore, by changing the values of m, n, and l 0 , it is possible to change the distortion of the graph with respect to the sine function curve to some extent. The above effects can also be obtained with conventionally used gravity balance devices, but in the gravity balance device based on the present invention, by changing the value of i in equation (4), the graph can be adjusted in the θ-axis direction. It can be expanded and contracted. As an example, in equation (4), k = 1Kg/mm, l 0 = 480mm, m = 120mm, n
The moment Ms acting on the sub-arm when = 600 mm and ξ = 115.3 degrees becomes a graph as shown in Fig. 6 versus η. On the other hand, i=0.75
Then, the moment Ma acting on the arm 20 is
The shapes of the curves are the same, but the values of the coordinate axes are different, and they can be expressed with respect to θ as shown in FIG. At this time, the amplitude also changes, but this can be compensated for by modifying the value of k.

次に本発明の効果を具体例により説明する。第
7図は、アーム20に対する重力によるモーメン
ト及びバランス装置によるモーメントMaをグラ
フとして示した図である。θはアーム20の回転
中心を通る水平線すなわち水平基準線1から、ア
ーム20の重心と回転中心とを結ぶ直線すなわち
アーム側基準線2までの角度であり、回転角と呼
ぶことにする。第7図ではアーム20は回転角が
−100゜ないし5゜の部分を回動しうるものとし
ている。アーム20に作用する重力モーメントの
符号を反転させた値−Mgは、水平面に対するこ
のアーム20の回転角θの変化に対して余弦関数
曲線にしたがつて変化する。これに対し、本発明
に基づく重力バランス装置を用いてθ軸方向に伸
長した形のグラフをもつモーメントを得るように
すると、第7図中のMaのようなグラフとなり、
重力モーメントに極めて近似度の高いものを得る
ことができる。ただしMaは(4)式においてk=
1.84Kg/mm,l0=640mm,m=200mm,n=800mm,
ξ=115.3゜,i=0.719,−100゜≦θ≦5゜とし
て計算したものである。
Next, the effects of the present invention will be explained using specific examples. FIG. 7 is a graph showing the moment due to gravity and the moment Ma due to the balance device relative to the arm 20. θ is an angle from a horizontal line passing through the center of rotation of the arm 20, that is, a horizontal reference line 1, to a straight line connecting the center of gravity of the arm 20 and the center of rotation, that is, an arm-side reference line 2, and is referred to as a rotation angle. In FIG. 7, the arm 20 can be rotated within a rotation angle of -100° to 5°. The value -Mg, which is the inverted sign of the moment of gravity acting on the arm 20, changes according to a cosine function curve with respect to a change in the rotation angle θ of the arm 20 with respect to the horizontal plane. On the other hand, if the gravity balance device based on the present invention is used to obtain a moment with a graph extending in the θ-axis direction, the graph will look like Ma in Fig. 7,
A very close approximation to the gravitational moment can be obtained. However, Ma is k=
1.84Kg/mm, l 0 = 640mm, m = 200mm, n = 800mm,
It was calculated as follows: ξ=115.3°, i=0.719, −100°≦θ≦5°.

第7図中の曲線Ms1のグラフは従来用いられて
いる重力バランス装置により得られるモーメント
の一例である。ただし、このグラフは(1)式におい
てk=1.3Kg/mm,l0=640mm,m=200mm,n=
800mm,β−α=95゜,−100゜≦θ≦5゜として
計算したものであるが、これは、種々パラメータ
を変更して求めたものの中から重力モーメント曲
線に最も近似しているものを選んだものである。
グラフMs1とMaを比較すれば、本発明の効果は
顕著であることがわかる。
The graph of curve Ms 1 in FIG. 7 is an example of a moment obtained by a conventional gravity balance device. However, this graph shows that in equation (1), k = 1.3Kg/mm, l 0 = 640mm, m = 200mm, n =
800mm, β-α=95°, -100°≦θ≦5°, which is calculated by changing the various parameters and selecting the one that most closely approximates the gravitational moment curve. This is what I chose.
Comparing the graphs Ms 1 and Ma, it can be seen that the effects of the present invention are remarkable.

以上の実施例は、力発生手段として引張ばね4
0を用いたものであるが、第8図の例のように、
アーム20とは反対側に配したサブアーム30に
圧縮ばね42を取付けたものであつてもよい。た
だし、第8図及び引き続く図の中の歯車列におけ
る歯車の大小関係については、必ずしも適切な設
計結果を図示したものではない。
In the above embodiment, the tension spring 4 is used as the force generating means.
0 is used, but as in the example in Figure 8,
A compression spring 42 may be attached to a sub-arm 30 disposed on the opposite side of the arm 20. However, the size relationship of the gears in the gear train in FIG. 8 and subsequent figures does not necessarily represent an appropriate design result.

また、第9図の例のように、片側に一定の油圧
をかけた油圧シリンダ50を力発生手段として用
いてもよい。この油圧シリンダ50の一方の側に
一定の油圧をかけるには、油圧源52,逆止弁5
4,リリーフ弁56,油タンク58で油圧回路を
構成すればよい。
Further, as in the example shown in FIG. 9, a hydraulic cylinder 50 to which a constant hydraulic pressure is applied to one side may be used as the force generating means. In order to apply a constant hydraulic pressure to one side of the hydraulic cylinder 50, the hydraulic pressure source 52, the check valve 5
4. The relief valve 56 and the oil tank 58 may constitute a hydraulic circuit.

この場合の特性を考えるため、第2図におい
て、引張ばね40に代えてシリンダ50を用いた
場合を考える。油圧シリンダの収縮力をFとする
と、式(1)は次の式(5)に置き換えられる。
In order to consider the characteristics in this case, consider the case in which a cylinder 50 is used in place of the tension spring 40 in FIG. When the contraction force of the hydraulic cylinder is F, equation (1) can be replaced with the following equation (5).

この場合も、やはり得られるモーメントは余弦
関数に比べて大きく歪む。第5図において、引張
ばね40に代えてシリンダ50を用いた場合、式
3、次の式(6)に置き換えられる。
In this case, the obtained moment is also greatly distorted compared to the cosine function. In FIG. 5, when a cylinder 50 is used in place of the tension spring 40, equation 3 is replaced by the following equation (6).

式(4)は次の式(7)に置き換えられる。 Equation (4) can be replaced with the following equation (7).

油圧シリンダを用いた場合は、ばねを用いた場
合に比べモーメントの歪み方が異るが、この場合
もiの値を変化させることにより、θ軸方向にグ
ラフを伸縮させることができる。
When a hydraulic cylinder is used, the moment is distorted differently than when a spring is used, but in this case as well, the graph can be expanded or contracted in the θ-axis direction by changing the value of i.

以下では、以上に説明した重力バランス装置を
実際にロボツトに適用する場合の例について説明
する。第10図が、本発明に基づく重力バランス
装置を適用すべきロボツトの機構の模式図であ
る。床200の上に置かれたボツクス部210の
上面に、このボツクス部200に対して旋回可能
に支持された本体コラム222があり、この本体
コラム222に対して回動可能に第1アーム23
0が支持されていて、この第1アーム230の先
端部に、第2アーム240がやはり回動可能に支
持され、この第2アーム240の先端に手先25
0が取り付けられている。前記第1アーム230
と本体コラム222とに両端を係止された第1ア
ーム駆動シリンダ232が第1アームの位置ぎめ
を行う。第2アーム駆動シリンダ242は一端を
本体コラム222に係止され、他端はL形プレー
トA264に係止されており、このL形プレート
A264及び平行リンク260を介して第2アー
ム240の位置決めを行う。前記手先250は、
手先支持リンクB294,L形プレートB290
及び手先支持リンクA292を介して本体コラム
222に支持されている。
Below, an example in which the above-described gravity balance device is actually applied to a robot will be described. FIG. 10 is a schematic diagram of the mechanism of a robot to which the gravity balance device according to the present invention is applied. A main body column 222 is supported on the upper surface of the box part 210 placed on the floor 200 so as to be rotatable with respect to the box part 200, and a first arm 23 is rotatably supported with respect to the main body column 222.
A second arm 240 is also rotatably supported at the tip of the first arm 230, and a hand 25 is supported at the tip of the second arm 240.
0 is attached. the first arm 230
A first arm drive cylinder 232 whose both ends are locked to the main body column 222 positions the first arm. The second arm drive cylinder 242 has one end locked to the main body column 222 and the other end locked to an L-shaped plate A264, and the second arm 240 is positioned via this L-shaped plate A264 and the parallel link 260. conduct. The hand 250 is
Hand support link B294, L-shaped plate B290
and is supported by the main body column 222 via a hand support link A292.

このような機構をもつロボツトにおいては、第
1アーム230の回動角φが変化しても第2アー
ム240の回動角ξは変化しないので、第2アー
ム240の作用する重力モーメントの値はξのみ
の関数となる。また、第2アーム240に作用す
る重力モーメントは、平行リンク260を介して
支持されるので、第1アーム230側には第2ア
ームの重量のみが負荷され、第1アーム230に
作用する重力モーメントの値は水平基準線より測
つた第1アーム230の回動角φのみの関数とな
る。したがつて各々のアームに対して独立に、本
発明に基づく重力バランス装置を適用することが
できる。
In a robot with such a mechanism, even if the rotation angle φ of the first arm 230 changes, the rotation angle ξ of the second arm 240 does not change, so the value of the gravitational moment acting on the second arm 240 is It is a function only of ξ. Further, since the moment of gravity acting on the second arm 240 is supported via the parallel link 260, only the weight of the second arm is loaded on the first arm 230 side, and the moment of gravity acting on the first arm 230 The value of is a function only of the rotation angle φ of the first arm 230 measured from the horizontal reference line. Therefore, the gravity balance device according to the invention can be applied independently to each arm.

第1アームに対して、本発明に基づく重力バラ
ンス装置を適用した場合の構成を示す図が第11
図である。第1アーム230にはD歯車300が
固定ピン320で固定されており、このD歯車3
00はアイドルギヤとして作用するE歯車302
を介してF歯車304を回転させる。このF歯車
304にはサブアーム310が1体となつてお
り、このサブアーム310と本体コラム222と
の間には第1アームバランスばね270が係止さ
れている。
The 11th diagram shows the configuration when the gravity balance device based on the present invention is applied to the first arm.
It is a diagram. A D gear 300 is fixed to the first arm 230 with a fixing pin 320.
00 is the E gear 302 that acts as an idle gear
The F gear 304 is rotated via the . A sub-arm 310 is integrated into this F gear 304, and a first arm balance spring 270 is locked between this sub-arm 310 and the main body column 222.

次に、第2アームに対して本発明に基づく重力
バランス装置を適用した場合の構成を示す図が第
12図である。G歯車400は、固定ピン420
でL形プレートA264に固定されており、第2
アーム240は平行リンク260を介してL形プ
レートA264に係合されている。前記G歯車4
00はアイドルギヤとして作用するH歯車402
を介してI歯車404を回転させる。このI歯車
404にはサブアーム410が1体となつてお
り、このサブアーム410と本体コラム222と
の間には第2アームバランスばね472が係止さ
れている。
Next, FIG. 12 is a diagram showing a configuration when the gravity balance device based on the present invention is applied to the second arm. The G gear 400 has a fixed pin 420
is fixed to the L-shaped plate A264, and the second
Arm 240 is engaged to L-shaped plate A264 via parallel link 260. Said G gear 4
00 is the H gear 402 that acts as an idle gear
The I gear 404 is rotated via. This I gear 404 is integrated with a sub-arm 410, and a second arm balance spring 472 is locked between this sub-arm 410 and the main body column 222.

但し、ロボツトの構造は第10図に示すものに
限定されない。例えば第1図に示す構造の第2ア
ームに本発明を適用するには、第2アーム540
の回転を歯車(図示しない)で変速し、サブアー
ム(図示しない)と三角プレート562間に第2
アームバランスばね572を連結すればよい。
However, the structure of the robot is not limited to that shown in FIG. For example, in order to apply the present invention to the second arm having the structure shown in FIG.
The rotation of
The arm balance spring 572 may be connected.

以上詳述したように、本発明によれば、アーム
に作用する重力モーメントを、アームが回転する
範囲全域にわたつて極めて高い近似度で相殺する
ことのできる重力バランス装置が得られる。
As described in detail above, according to the present invention, a gravity balance device can be obtained that can cancel out the gravitational moment acting on the arm with an extremely high degree of approximation over the entire range in which the arm rotates.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の重力バランス装置が適用されて
いる関節型ロボツトの構造図、第2図は従来の重
力バランス装置を一般化して表わした模式図、第
3図は従来の重力バランス装置によつて得られる
ばね力モーメントのグラフの一例を示す図、第4
図及び第5図は本発明の一実施例を示す模式図、
第6図はアーム及びサブアームに作用するばね力
モーメントのグラフの一例を示す図、第7図は重
力モーメントと重力バランス装置によるばね力モ
ーメントの関係を示す図、第8図及び第9図は本
発明の他の実施例を示す図、第10図は本発明を
適用した関節型ロボツトの構造図、第11図は及
び第12図はそれぞれ第1アーム、第2アームに
対する重力バランス装置の適用を示す図である。 10…本体、12…A軸、14…B軸、20…
アーム、30…サブアーム、40…引張ばね、4
2…圧縮ばね、102…A歯車、104…B歯
車、222…本体コラム、230…第1アーム、
240…第2アーム、264…L形プレートA、
270…第1アームバランスばね、300…D歯
車、302…E歯車、304…F歯車、310,
410…サブアーム、400…G歯車、402…
H歯車、404…I歯車、472…第2アームバ
ランスばね。
Figure 1 is a structural diagram of an articulated robot to which a conventional gravity balance device is applied, Figure 2 is a generalized schematic diagram of the conventional gravity balance device, and Figure 3 is a schematic diagram of a conventional gravity balance device. Figure 4 shows an example of a graph of the spring force moment obtained by
5 and 5 are schematic diagrams showing an embodiment of the present invention,
Fig. 6 is a diagram showing an example of a graph of the spring force moment acting on the arm and sub-arm, Fig. 7 is a diagram showing the relationship between the gravitational moment and the spring force moment due to the gravity balance device, and Figs. Figures showing other embodiments of the invention, Figure 10 is a structural diagram of an articulated robot to which the invention is applied, Figures 11 and 12 are diagrams showing the application of a gravity balance device to the first arm and second arm, respectively. FIG. 10...Main body, 12...A axis, 14...B axis, 20...
Arm, 30...Sub arm, 40...Tension spring, 4
2... Compression spring, 102... A gear, 104... B gear, 222... Main body column, 230... First arm,
240...Second arm, 264...L-shaped plate A,
270...First arm balance spring, 300...D gear, 302...E gear, 304...F gear, 310,
410...Sub arm, 400...G gear, 402...
H gear, 404...I gear, 472...2nd arm balance spring.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 支持部材に回転自在に軸支したアームの自重
による重力モーメントを釣り合わせる作業機械の
重力バランス装置において、前記アームの回転角
を変換する変換手段を設け、該変換手段と前記支
持部材間に前記変換手段を経て伝達された前記ア
ームの重力モーメントに抗する力発生手段を介装
して設け、更に前記変換手段は前記アームの回転
軸と連結し、かつ前記アームと一体に回転しうる
ように設けた変速歯車列を構成する第1の歯車
と、該第1の歯車と機械的に係合して第1の歯車
とは歯数の異なる所定の歯車比に設定された前記
変速歯車列を構成する第2の歯車とから構成し、
前記力発生手段は前記変速歯車列の第2の歯車と
一体に回転し、且つ前記アームに対して任意の相
対角度を有するよう設定可能に該第2の歯車に取
付けたサブアームの先端と前記支持部材の適所と
の間を連結するように配設されると共に、該力発
生手段の両連結部は該サブアーム及び支持部材に
対して回動可能に軸支されていることを特徴とす
る作業機械の重力バランス装置。 2 特許請求の範囲第1項において、前記力発生
手段は、ばねからなることを特徴とする重力バラ
ンス装置。 3 特許請求の範囲第1項において、前記力発生
手段は、ヘツド側又はロツド側のいずれか一方に
一定油圧を供給した油圧シリンダからなることを
特徴とする重力バランス装置。
[Scope of Claims] 1. A gravity balance device for a work machine that balances the gravitational moment due to the weight of an arm rotatably supported on a support member, comprising a conversion means for converting the rotation angle of the arm, the conversion means and A force generating means for resisting the gravitational moment of the arm transmitted through the converting means is interposed between the supporting members, and the converting means is connected to the rotation axis of the arm and is integral with the arm. a first gear constituting a transmission gear train provided so as to be able to rotate; and a first gear mechanically engaged with the first gear and set to a predetermined gear ratio having a different number of teeth from the first gear. and a second gear constituting the transmission gear train,
The force generating means rotates together with the second gear of the speed change gear train, and includes a tip of a sub-arm attached to the second gear and the support so as to be settable at an arbitrary relative angle with respect to the arm. A working machine characterized in that the force generating means is arranged so as to be connected to a proper position of the member, and both connecting parts of the force generating means are rotatably supported by the sub-arm and the supporting member. gravity balance device. 2. The gravity balance device according to claim 1, wherein the force generating means comprises a spring. 3. The gravity balance device according to claim 1, wherein the force generating means comprises a hydraulic cylinder that supplies a constant hydraulic pressure to either the head side or the rod side.
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