JPWO2008136292A1 - ロボットアーム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットアームに関する。特に、基部とハンドの間に閉リンク機構を有しており、高温のワークをハンドで保持して移動させるロボットアームに関する。
特に閉リンク機構を有するロボットアームの場合、上述したように、基部に連結されている2つのリンクの相対角度を制御してハンドを位置決めする。そのため、基部からハンドまでのリンクの長さの変化が、ハンドの位置に顕著に影響してしまう。基部に連結されている2つのリンクの相対角度を正確に制御しても、基部からハンドまでのリンクの長さの変化によってハンドの位置がずれてしまうからである。
本発明では、基部とハンドの間に閉リンク機構を有するロボットアームにおいて、そのロボットアームを使用して高温のワークを移動させるときに、ハンドの位置ずれを抑制することのできる技術を提供する。
閉リンク機構では、リトラクト位置(アームが縮んだ状態)とエクステンド位置(アームが伸びた状態)で、閉リンクによって形成される多角形の形状が変化する。そのため、リトラクト位置とエクステンド位置では、熱膨張後の多角形の形状の初期状態の形状からのずれがハンドの位置に及ぼす影響が異なる。その結果、リトラクト位置におけるハンドの位置ずれの方向と大きさ(位置ずれのベクトル)と、エクステンド位置におけるハンドの位置ずれのベクトルが異なる。上記したように、閉リンク機構では、基部に連結されている2つのリンクの相対角度を制御することによりハンドを位置決めする。すなわち、閉リンク機構では、基部に連結されている2つのリンクの相対角度のみを制御し、それら2つのリンク以外のリンク間の相対角度は能動的に制御しない。そのため、位置ずれのベクトルがリトラクト位置とエクステンド位置で大きく異なると、一方の位置における位置ずれのベクトルをプログラム上のオフセットにしても、他方の位置における位置ずれのベクトルを小さくすることはできない。このような理由で、閉リンク機構を有するロボットアームを使用して高温のワークを移動させる場合、ハンドの位置ずれを抑制することが困難であることが判明した。
そして本発明では、使用前の温度T0から第1温度T1に変化するときの第1所定リンクの長さの熱膨張による伸び率が、使用前の温度T0から第2温度T2に変化するときの第2所定リンクの長さの熱膨張による伸び率と等しくなるようにする。換言すれば、使用前の温度T0から第1温度T1に変化するときの第1所定リンクの長さの熱膨張による伸び率が、使用前の温度T0から第2温度T2に変化するときの第2所定リンクの長さの熱膨張による伸び率と等しくなるように、ロボットアームの第1所定リンクと第2所定リンクの材質を選定する。
本明細書いう「伸び率が等しい」とは、第1所定リンクの長さの熱膨張による伸び率と第2所定リンクの長さの熱膨張が完全に一致することのみを意図するものではない。上述したように、本発明の意図するものは、閉リンクによって形成される多角形が熱膨張する前と熱膨張した後で相似形を維持するように、各リンクの材質を選定することである。即ち、閉リンクによって形成される多角形が、「許容される範囲内」で相似形を維持するように、伸び率を略等しくすることも含む。なお、「許容される範囲内の相似形」とは、ハンドが伸縮してワークを移動させるときに、閉リンク機構が完全に相似形を維持して熱膨張したときと同じ精度で、ハンドがワークを移動させることが可能な誤差範囲内で相似形を維持することを意味する。
上記第1モータの出力軸と第1上腕リンクは、減速機を介して連結されていてもよい、同じく、上記第2モータの出力軸と第2上腕リンクは、減速機を介して連結されていてもよい。
上記のロボットアームでは、使用時に、閉リンク機構を構成するいずれかのリンクの温度が第1温度T1となり、他のいずれかのリンクの温度が第2温度T2となっても、第1前腕リンクと第2前腕リンクの平行状態を維持することができる。従って、リンクの熱膨張による2つのハンドの位置ずれを低減することができる。
上記したように、第1上腕リンクと第2上腕リンクは、各々モータの出力軸に連結されている。モータは大気側に配置されており放熱されやすいので、モータの出力軸に連結されている上腕リンクは温度が上昇しにくい。それに対して平行リンクは第1前腕リンク又は第2前腕リンクを介して第1上腕リンクと第2上腕リンクに連結されているので、上腕リンクと比較して温度が上昇しやすい。即ち、上腕リンクと平行リンクの温度差が大きくなり易い。温度差が大きくなり易いリンクの材質を異ならせることによって、効率的にハンドの位置ずれを低減することができる。
(第1特徴) 第1モータの出力軸と第2モータの出力軸が、もしくは第1アームの回転軸と第2アームの回転軸が同軸に配置されている。
(第2特徴) ロボットアーム200は、リトラクト位置において、ハンド214とハンド232、平行リンク204と平行リンク220、第1上腕リンク218と第2上腕リンク202がこの順番に重なりあって配置されている。
図面を参照して第1実施例を説明する。第1実施例のロボットアーム100はアームを2本備えており、夫々のアームは上腕リンクと前腕リンクから構成されており、その前腕リンクにハンドが連結されている。夫々のアームの前腕リンクの先端同士が、平行リンクによって連結されている。2本のアームと平行リンクによって、閉リンク機構が形成されている。即ち、本実施例のロボットアーム100は、上腕リンクと前腕リンクとハンドからなるアームを2本備えているが、その2本のアームは平行リンクとともに閉リンク機構を形成しているので、基部からハンドまでの間に閉リンク機構が形成されたロボットアームである。
図1と図2に、ロボットアーム100の概略図を示す。図1は、第1アーム12と第2アーム30が縮んでいる状態(リトラクト位置)を示している。図2は、第1アーム12が伸びている状態(エクステンド位置)を示している。
第1アーム12は、一端が第1モータの出力軸24に連結されている第1上腕リンク18と、一端が第1上腕リンク18の他端に連結されている第1前腕リンク10を備えている。第1前腕リンク10は、第1上腕リンク18に対して自由に回転可能に連結されている。第1前腕リンク10の一端にハンド14が固定されており、第1前腕リンク10の他端に延長部材8が固定されている。
第2アーム30は、一端が第2モータの出力軸22に連結されている第2上腕リンク2と、一端が第2上腕リンク2の他端に連結されている第2前腕リンク28を備えている。第2前腕リンク28は、第2上腕リンク2に対して自由に回転可能に連結されている。第2前腕リンク28の一端にハンド32が固定されており、第2前腕リンク28の他端に延長部材26が固定されている。
第1上腕リンク18、第1前腕リンク10、平行リンク4、平行リンク20、第2前腕リンク28及び第2上腕リンク2によって、閉リンク機構が形成されている。
なお、夫々のリンクは、図1、図2の平面内で回転する。即ち、ロボットアーム100のリンクが形成する閉リンク機構は、その平面内で閉リンク機構が形成する多角形の形状を変化させることができる。閉リンク機構が多角形の形状を変化させることによって、ロボットアーム100は、ハンド14、32の位置をその平面内で変化させることができる。換言すれば、ロボットアーム100は、閉リンク機構によってハンドを平面内で移動させるスカラ型ロボットアームの一種である。
例えばハンド14をリトラクト位置(図1を参照)からエクステンド位置(図2を参照)まで移動させるときは、第1出力軸24と第2出力軸22を異なる方向に異なる回転量で回転させることによって、ハンド14をリトラクト位置からエクステンド位置まで移動させる。このときに、第1出力軸24を大きく右回転させ、第2出力軸22を僅かに左回転させることによって、ハンド14は、ハンド32に対する平行を維持したままリトラクト位置からエクステンド位置まで移動する。リトラクト位置からエクステンド位置まで移動する間、ハンド14は中心線CLに平行な姿勢を維持しながら移動する。ハンド32を移動させるときも同様に、第1出力軸24と第2出力軸22の回転を異なる方向に異なる回転量で回転させることによって、ハンド32は、ハンド14に対する平行を維持したままリトラクト位置からエクステンド位置まで移動する。
なお、上記した熱膨張係数の異なる材料の組み合わせとして、例えば平行リンク4、20をステンレス鋼(SUS304等)とし、他のリンク18、10、2、28をアルミニウム(A5052等)とする例が挙げられる。
前述したように、ロボットアーム100の使用中に、平行リンク4、20の温度はT0からT2まで上昇する。他方、他のリンク18、10、2、28の温度はT0からT1(T1<T2)までしか上昇しない。
図3と図4に、温度がT0(使用前の温度)からT2に変化したときの平行リンク4、20の伸び率が、温度がT0からT1に変化したときの他のリンク18、10、2、28の伸び率と等しいときのロボットアーム100を示す。図中の仮想線(二点鎖線)は、平行リンク4、20の材質が、他のリンク18、10、2、28と同じときのロボットアーム100を示している。この場合、温度がT0からT2に変化したときの平行リンク4、20の伸び率が、温度がT0からT1に変化したときの他のリンク18、10、2、28の伸び率よりも大きい。
ロボットアーム100の使用中に閉リンク機構によって形成される多角形が、使用前に閉リンク機構によって形成される多角形と相似を維持する場合、使用中のハンド14の位置は使用前のハンド14の位置から平行にずれる。他方、閉リンク機構が形成する多角形が相似を維持しない場合、使用中のハンド14が、使用前のハンド14と平行でなくなってしまう。使用前のハンド14と使用中のハンド14の角度のずれは、閉リンク機構によって形成される5角形の形状に依存して変化する。このことは、図3と図4を比較すると明らかである。
他方、使用前と使用中で閉リンク機構によって形成される多角形が相似を維持する場合、ハンド14の位置は平行にずれるだけである。多角形の形状が変化しない(多角形のいずれかの内角が変化しない)ので、リトラクト位置とエクステンド位置におけるハンド14の位置ずれは、相似に変化した多角形の大きさのずれに起因するだけである。従って、両位置におけるハンド14の位置ずれの差が大きく相違することがない。上記の事象は、ハンド32にも共通である。
図5と図6を参照して、ロボットアーム200について説明する。
ロボットアーム200は、ロボットアーム100の変形例であり、ロボットアーム100と実質的に同じ構成については、下二桁に同じ参照番号を付すことによって説明を省略することがある。
図5は、ハンド214とハンド232がリトラクト位置に位置するときのロボットアーム200を示している。図6は、ハンド214がエクステンド位置に位置するときのロボットアーム200を示している。
ロボットアーム200は、第1アーム212と第2アーム230を備えている。第1アーム212は、第1上腕リンク218と第1前腕リンク210と第1先端リンク276を備えている。第2アーム230は、第2上腕リンク202と第2前腕リンク228と第2先端リンク286を備えている。
第1先端リンク276の他端にリンク272の一端が連結され、リンク272の他端にリンク274の一端が連結され、リンク274の他端は延長部材213に連結されている。延長部材213とリンク272は、同じ長さを有しているとともに、平行に配置されている。リンク276とリンク274は、同じ長さを有しているとともに、平行に配置されている。
ロボットアーム200は、延長部材213、248、240及び242と、リンク250、244及び246の連結構造によって、第1上腕リンク218と第2上腕リンク202の相対角度が変化すると、ハンド214が中心線CLに沿って移動する。同様に、ロボットアーム200は、ハンド232を中心線CLに沿って移動させることができる。
ロボットアーム200は、ハンド214、又はハンド232を図5、図6の紙面に平行な面内で移動させることができるスカラ型ロボットアームの一種である。
ロボットアーム200では、図5のリトラクト位置において、ハンド214とハンド232、平行リンク204と平行リンク220、第1上腕リンク218と第2上腕リンク202が、この順番に重なりあって配置されている。ハンド214、ハンド232で高温のワークを保持して移動させる場合、高温のハンド214とハンド232が、平行リンク204と平行リンク220の直上に位置する。平行リンク204、220は、熱伝達経路の影響に加えてハンド214、ハンド232の影響も受けるため、さらに放熱されにくくなり、リンクの温度が高くなる。
なお、平行リンク204と平行リンク220の温度がT0からT2に変化するときの伸び率と、他のリンクの温度がT0からT1に変化するときの伸び率をほぼ同じにすることによって得られる効果は、ロボットアーム100と実質的に同様のため、詳細な説明を省略する。
延長部材242と延長部材262、延長部材213と延長部材231、延長部材240と延長部材260、延長部材248と延長部材268が各々対応している。第1先端リンク276と第2先端リンク286が対応している。リンク244とリンク264、リンク246とリンク266、リンク250とリンク270、リンク272とリンク282、リンク274とリンク284が各々対応している。
図7を参照して、ロボットアーム300について説明する。
ロボットアーム300は、一端が第1モータの出力軸324に連結されている第1上腕リンク318と、一端が第2モータの出力軸322に連結されている第2上腕リンク302と、一端が第1上腕リンク318の他端に連結されている第1前腕リンク310と、一端が第2上腕リンク302の他端に連結されている第2前腕リンク328と、第1前腕リンク310の他端と第2前腕リンク328の他端を連結している先端リンク370を備えている。先端リンク370にハンド314が接続されている。
ロボットアーム300では、第1上腕リンク318、第1前腕リンク310、先端リンク370、第2前腕リンク328、2上腕リンク302によって、閉リンク構造が形成されている。
ロボットアーム300では、高温のワークを搬送するときに、閉リンクによって形成される形状が相似に変化する。リトラクト位置におけるハンド314の位置ずれの大きさと、エクステンド位置におけるハンド314の位置ずれの大きさの相違を低減することができる。
例えば第1実施例では、ハンドが前腕リンクの一端に固定されている。ハンドが前腕リンクの中間に固定されていてもよい。
第2実施例では、2つのハンドが同じ中心線上を移動する。先端リンクの長さを調整することによって、異なる軸上を移動するようにすることもできる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Claims (3)
- 基部とハンドの間に閉リンク機構を有しており、ロボットアームの使用時に、閉リンク機構を構成するリンク群のうちの第1所定リンクの温度が第1温度T1となり、第2所定リンクの温度が第2温度T2となるロボットアームであり、
第1所定リンクと第2所定リンクは異なる材質で形成されており、
使用前の温度T0から第1温度T1に変化するときの第1所定リンクの長さの熱膨張による伸び率が、使用前の温度T0から第2温度T2に変化するときの第2所定リンクの長さの熱膨張による伸び率に等しいことを特徴とするロボットアーム。 - 基部に第1モータと第2モータが取り付けられており、
一端が第1モータの出力軸に連結されている第1上腕リンクと、
一端が第2モータの出力軸に連結されている第2上腕リンクと、
一端が第1上腕リンクの他端に連結されている第1前腕リンクと、
一端が第2上腕リンクの他端に連結されている第2前腕リンクと、
第1前腕リンクの他端と第2前腕リンクの他端を連結しており、第1前腕リンクと第2前腕リンクを平行に維持する平行リンクと、を備えており、
第1上腕リンク、第1前腕リンク、平行リンク、第2前腕リンク、及び第2上腕リンクによって閉リンク機構が構成されており、
第1前腕リンクと第2前腕リンクのそれぞれにハンドが連結されていることを特徴とする請求項1のロボットアーム。 - 第1上腕リンクと第2上腕リンクが前記第1所定リンクであり、平行リンクが前記第2所定リンクであることを特徴とする請求項2のロボットアーム。
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