WO2013054405A1

WO2013054405A1 - 多関節ロボット

Info

Publication number: WO2013054405A1
Application number: PCT/JP2011/073434
Authority: WO
Inventors: 敦一番ケ瀬; 勇二佐次川
Original assignee: 株式会社安川電機
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-18

Abstract

　消費電力の低減化を図った多関節ロボットを提供すること。第１軸(１１)回りに回転可能な胴体部（３）と、胴体部（３）に対し、第１軸（１１）と直交方向に延在する第２軸（１２）回りに回転可能な基部側アーム（４）と、基部側アーム（４）に対し、第２軸（１２）と平行方向に延在する第３軸（１３）回りに回転可能な先端部側アーム（５）とを備える。第１軸（１１）および第２軸（１２）に連動連結する各伝動機構（７）は、第３軸（１３）に連動連結する伝動機構（７）よりも小減速比である減速機がモータと組み合わせられる。

Description

多関節ロボット

　開示の実施形態は、多関節ロボットに関する。

　従来、この種の多関節ロボットとして、例えば、アーム伝動の先端にアーク溶接用トーチを取り付けたアーク溶接ロボットなどが知られている。かかる多関節ロボットは、その他にも、様々な産業分野で広く利用されている。

　一般に、上述した多関節ロボットは、工場などの現場における設置面に設けられる基台と、基台に対し、第１軸回りに回転可能に立設された胴体部とを備えている。また、胴体部に対し、第１軸と直交方向に延在する第２軸回りに回転可能に設けられた下部アームとを備えている。

　さらに、下部アームに対しては、第２軸と平行方向に延在する第３軸回りに回転可能に設けられた上部アームを備え、さらに上部アームの先端に手首部やエンドエフェクタを具備するハンド部を備えた構成となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１－００５６３５号公報

　特許文献１に示したような多関節ロボットは、上述したように、様々な産業分野で広く利用されており、各分野における工場などでは、製造ラインに設置されるロボット数も増加する傾向にある。そのため、市場からは、ランニングコストを含め、より低コストで運用可能な多関節ロボットが求められている。

　しかし、上述したように、多関節ロボットは様々な分野で広く採用されているため、ロボットが担う作業も各分野において様々である。このような現状において、いかなる分野においても低コストで運用できるような多関節ロボットに関する提案は未だ十分にはなされていない。

　実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、低コストで運用可能な多関節ロボットを提供することを目的とする。

　実施形態の一態様に係る多関節ロボットは、少なくとも、胴体部、基部側アーム、および先端部側アームを備えている。胴体部は、所定の設置面に設けられた基台に対し、第１軸回りに回転可能に設けられ、基部側アームは、前記胴体部に対し、前記第１軸と直交方向に延在する第２軸回りに回転可能に設けられる。また、先端部側アームは、前記基部側アームに対し、前記第２軸と平行方向に延在する第３軸回りに回転可能に設けられる。そして、前記第１軸乃至前記第３軸は、モータと減速機とを備える伝動機構にそれぞれ連動連結している。しかも、前記第１軸および前記第２軸に連動連結する各伝動機構は、前記第３軸に連動連結する伝動機構よりも小減速比である減速機がモータと組み合わせられていることとした。

　実施形態の一態様によれば、モータ損失の低減と、速度低減による、消費されることのない無効電力の低減が図れ、消費電力の低減化に寄与することができる。

図１は、実施形態に係る多関節ロボットの側面視による説明図である。図２は、同多関節ロボットの各可動部位の動きを示す模式的説明図である。図３は、同多関節ロボットのエネルギの流れの概要を示す説明図である。

　以下、添付図面を参照して、本願の開示する多関節ロボットの実施形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施形態における例示で本発明が限定されるものではない。

　図１は本実施形態に係る多関節ロボットの側面視による説明図である。本実施形態における以下の説明では、多関節ロボットを６軸ロボットとするとともに、図１の右側から見た場合を正面視として説明する。また、図２は同多関節ロボットの各可動部位の動きを示す模式的説明図である。

　なお、図１および図２には、説明を分かりやすくするために、鉛直上方向（Ｚ方向）、水平右方向（Ｘ方向）、水平紙面裏面方向（Ｙ方向）を正方向とする３次元直交座標系を表示した。

　多関節ロボット１０は、固定部位である基台２と、この基台２に連接される胴体部３をはじめとして、順次連接された基部側アーム４、先端部側アーム５、およびリスト部６を可動部位として備えている。

　すなわち、図１および図２に示すように、本実施形態に係る多関節ロボット１０は、設置面となるフロア面１に略円筒状の基台２を固定状態に設置している。そして、この基台２に胴体部３を連接し、胴体部３に基部側アーム４を、基部側アーム４に先端部側アーム５を、先端部側アーム５にリスト部６を順次連接している。

　胴体部３は、フロア面１に固定状態に設置された基台２に対して、第１関節部２１を介して回転可能に連結されている。

　第１関節部２１は、垂直方向となるＺ方向に延在する第１軸１１を備えている。そして、この第１軸１１は、第１のモータと第１の減速機とを備える第１の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、固定された基台２に対して、胴体部３は、第１のモータおよび第１の減速機の駆動により、第１軸１１回りに水平方向に回転する（図２の矢印３００を参照）。

　胴体部３は、第１軸１１よりも前方斜め上方に伸延する胴部３０を備え、この胴部３０の先端側に第２関節部２２が設けられている。そして、基部側アーム４は、第２関節部２２を介して回転可能に連結されている。

　第２関節部２２は、第１軸１１と直交方向、すなわち、Ｙ方向に延在する第２軸１２を備えている。そして、この第２軸１２は、第２のモータと第２の減速機とを備える第２の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、基部側アーム４は、第２のモータおよび第２の減速機の駆動により、第２軸１２回りに回転、つまり、前後方向に揺動する（図２の矢印４００を参照）。また、基部側アーム４は、第１軸１１に偏心した位置に連結されているため、第１軸１１を中心に旋回することにもなる。

　可動部位の中で最も長尺な基部側アーム４の先端（図１および図２においては上端）側には第３関節部２３が設けられており、この第３関節部２３を介して略Ｌ字状の先端部側アーム５が連結されている。

　第３関節部２３は、第２軸１２と平行方向、すなわち、第１軸１１と直交する第２軸１２と同方向のＹ方向に延在する第３軸１３を備えている。そして、この第３軸１３は、第３のモータと第３の減速機とを備える第３の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、先端部側アーム５は、第３のモータおよび第３の減速機の駆動により、第３軸１３回りに回転、つまり、前後方向に揺動する（図２の矢印５００を参照）。

　また、先端部側アーム５の先端側には第４関節部２４が設けられており、この第４関節部２４を介して、例えば、図示しない溶接トーチなどのような所定のエンドエフェクタを備えるリスト部６が同軸方向に連結されている。

　なお、リスト部６は、第４関節部２４に連結する円筒状の第１リスト部６１と、この第１リスト部６１に連結する第２リスト部６２と、エンドエフェクタを設けた第３リスト部６３とから構成される。

　第１リスト部６１を連動連結する第４関節部２４は、第３軸１３と直行する方向、すなわち、Ｘ方向に延在する第４軸１４を備えている。そして、この第４軸１４は、第４のモータと第４の減速機とを備える第４の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、第４軸１４と同軸方向に連動連結された第１リスト部６１は、第４のモータおよび第４の減速機の駆動により、第４軸１４回りに回転、つまり、第４軸１４回りに自転する（図２の矢印６００を参照）。

　第１リスト部６１の先端側には、第５関節部２５が設けられており、この第５関節部２５を介して、第２リスト部６２が同軸方向に連結されている。

　第５関節部２５は、第４軸１４と同軸方向、すなわち、Ｘ方向に延在する第５軸１５を備えている。そして、この第５軸１５は、第５のモータと第５の減速機とを備える第５の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、第５軸１５と同軸方向に連動連結された第２リスト部６２は、第５のモータおよび第５の減速機の駆動により、第５軸１５回りに回転、つまり、第５軸１５回りに自転する（図２の矢印７００を参照）。

　第２リスト部６２の先端側には、第６関節部２６が設けられており、この第６関節部２６を介して、第３リスト部６３が連結されている。

　第６関節部２６は、第５軸１５と直行する方向、すなわち、Ｙ方向に延在する第６軸１６を備えている。そして、この第６軸１６は、第６のモータと第６の減速機とを備える第６の伝動機構（図示せず）に連動連結している。したがって、第３リスト部６３は、第６のモータおよび第６の減速機の駆動により、第６軸１６回りに回転、つまり、前後方向に揺動する（図２の矢印８００を参照）。

　このように、本実施形態に係る多関節ロボット１０は、所定の設置面であるフロア面１に設けられる基台２に対し、第１軸１１回りに回転可能に設けられた胴体部３を備えている。また、胴体部３に対し、第１軸１１と直交方向に延在する第２軸１２回りに回転可能に設けられた基部側アーム４を備えている。さらに、基部側アーム４に対し、第２軸１２と平行方向に延在する第３軸１３回りに回転可能に設けられた先端部側アーム５を備えている。さらに、先端部側アーム５の先端部には、所定のエンドエフェクタを備えた第３リスト部６３を含むリスト部６が所定の軸（第４軸１４、第５軸１５および第６軸１６）回りに回転可能に設けられている。

　第１軸１１～第６軸１６が、モータと減速機とを備える伝動機構にそれぞれ連動連結した上述してきた構成のロボットにおいて、本実施形態に係る多関節ロボット１０は、以下のようにして機械的ロスを低減し、低コストで運用可能な構成とした点に特徴がある。

　すなわち、第１関節部２１～第６関節部２６にそれぞれ設けられている、モータと減速機とを備える伝動機構に着目し、モータや減速機の適正な選択を行うことで機械的ロスの低減を図っている。

　ここで、図３を参照しながら、多関節ロボット１０のエネルギの流れについて説明する。図３は、本実施形態に係る多関節ロボット１０を含む一般的な多関節ロボットのエネルギの流れの概要を示す説明図であり、図中の符号７は伝動機構を示している。

　図３に示すように、多関節ロボット１０は、電源８から電力の供給を受けて作動する。電力の消費は、ロボットを制御するための各種制御基板や、ティーチペンダントのバックライト動作などで消費される固定的、普遍的なものと、モータや減速機などを備える伝動機構７やその他の機械動作のために消費されるものとに大きく分けられる。なお、普遍的な消費電力は、消費電力総量の約３０％であることが分かっている。

　そこで、消費電力総量の約７０％にあたる、機械的な消費電力、特に、可動部位におけるモータと減速機とを備える伝動機構７に着目して、モータや減速機の適正な選択を行うことで、機械的ロス低減の実現を図ることとした。

　代表的な機械的な消費電力としては、高速側のイナーシャ加速トルク（Ａ）、低速側のイナーシャ加速トルク（Ｂ）と低速側の重力モーメント支持トルク（Ｃ）、減速機の無負荷ランニングトルク（Ｄ）、オイルシールロストルク（Ｅ）、モータ損失（Ｆ）がある。

　なお、高速側のイナーシャ加速トルク（Ａ）は、モータ出力（加速トルク）などに消費される。また、低速側のイナーシャ加速トルク（Ｂ）および低速側の重力モーメント支持トルク（Ｃ）は、可動部位側の負荷トルクや減速機出力（アーム加速トルク）などに消費される。また、減速機の無負荷ランニングトルク（Ｄ）は、減速機の損失であり、オイルシール損、軸受損、グリス撹拌損などが含まれる。また、オイルシールロストルク（Ｅ）は、胴体部３や基部側、先端部側アーム４，５などの可動部位におけるオイルシール損、軸受損、グリス撹拌損などが含まれる。さらに、モータ損失（Ｆ）は、鉄損、銅損などを主とするもので、モータにおけるオイルシール損、軸受損などの機械損も含まれる。ここで、鉄損は交流で磁化した場合に失われる電気エネルギ、銅損はコイルの導線抵抗によって失われる電気エネルギである。

　このような電力の消費形態を有する多関節ロボット１０において、第１、第２関節部２１，２２に設けられた第１伝動機構、第２伝動機構は、第３関節部２３に設けられ第３伝動機構よりも小減速比である減速機がモータと組み合わせられた構成としている。

　すなわち、第１伝動機構、第２伝動機構については、第３関節部２３に設けられて第３軸１３に連動連結する第３伝動機構よりも、小減速比である減速機をモータと組み合わせて構成している。

　このとき、減速比を落とすこと（１に近づける）に伴って、モータの回転数も低速化するとよい。すなわち、減速機の減速比を小さくしても、出力側の回転数を不変とするために低速なモータとしてモータの回転数を落とすのである。

　このように、減速比を小さくした場合にモータの回転数を落とすことで、減速機の出力側の回転数を不変としながら高速側、すなわちモータ側での加速トルクを減少させることができる。電力は、「トルク×回転数」で表されるが、ここでは低速モータを用いて回転数が減少しているため、消費電力は当然ながら減少することになる。

　表１に、本実施形態に係る多関節ロボット１０における機械的な消費電力の減少率を示している。なお、機械的な消費電力の項目（Ａ）～（Ｆ）については図３におけるＡ～Ｆと関連付けられている。

　本実施形態に係る多関節ロボット１０では、低速なモータと小減速比である減速機との組み合わせにより構成した伝動機構７（図３参照）を第１伝動機構および第２伝動機構に採用している。したがって、表１からも分かるように、少なくとも、（Ａ）高速側のイナーシャ加速トルク、および（Ｆ）モータ損失は減少し、機械的ロスの低減化が実現されている。また、（Ｅ）オイルシールロストルクはモータ回転数に略比例するため、これも減少し、機械的ロスの低減化に寄与している。

　また、本実施形態に係る多関節ロボット１０では、第２関節部２２の第２伝動機構に関し、第２軸１２に連動連結するモータを、定格トルクを上回る低速高トルクモータとしている。なお、低速高トルクモータとしては、ダイレクトドライブモータとすることが好ましい。

　通常、低速高トルクモータのように、大型で重量の嵩むモータは、消費電力の低減化には不向きと考えられがちである。したがって、低速高トルクモータは、どの関節に対してでも無差別に採用することはできない。

　しかし、低速高トルクモータであっても、モータの回転数は機械的ロスに直結するため、モータの配設位置を適切に定めれば、トータル的には消費電力の低減化に寄与することになると考えられる。

　そこで、低速高トルクモータを適用するに相応しい関節について検討することとした。図１および図２からも分かるように、第１関節部２１および第２関節部２２は、フロア面１に近く位置しており、しかも、重量モーメントの影響を大きく受けるような可動部位を支持する関節部ではない。

　つまり、第１関節部２１および第２関節部２２は、基準となる姿勢では起立している長尺の基部側アーム４の先端側以降に位置し、かつ基本姿勢として水平方向に延在する可動部位に設けられる第３関節部２３～第６関節部２６とは、配設位置の条件も、支持対象の条件も異なっている。

　第１関節部２１および第２関節部２２は、第３関節部２３～第６関節部２６に比べて、モータ自身の重量の増加による重量モーメントの増加によって、可動部位の動作に影響を与える可能性は比較的低い。

　このように、本実施形態に係る多関節ロボット１０における第１関節部２１および第２関節部２２の位置は、第３関節部２３～第６関節部２６に比べ、可動部位の動作に対する重量の影響が比較的小さいことが分かった。

　こうして、本実施形態に係る多関節ロボット１０では、低速高トルクモータを、第１関節部２１の第１軸１１および第２関節部２２の第２軸１２の一方または双方に連動連結することとした。

　なお、本実施形態では、第２関節部２２の第２軸１２に連結するモータのみを低速高トルクモータとし、第１関節部２１については減速機を小減速比化することのみで対応している。

　しかし、上述したように、低速高トルクモータは、第１関節部２１の第１軸１１および第２関節部２２の第２軸１２の一方または双方に連動連結すればよい。したがって、第１関節部２１のモータのみを低速高トルクモータとし、第２関節部２２については減速機を小減速比化することのみで対応することもできる。あるいは、第１関節部２１および第２関節部２２のいずれについても低速高トルクモータとしてもよい。

　また、本実施形態に係る多関節ロボット１０は、図２に示すように、胴体部３と、当該胴体部３に対して揺動自在に支持された基部側アーム４との間にバランサ９を配設している。ここで、バランサ９は、例えば、シリンダとロッドとバネから構成されたものが一般的であるが、圧縮バネとして機能するものであればよい。

　バランサ９を配設したことにより、基部側アーム４の重力モーメントとバランスする力を当該基部側アーム４に付与することができるため、図３および表１から分かるように、重力モーメント支持トルク（Ｃ）が小さくなる。

　以上、説明してきたように、本実施形態に係る多関節ロボット１０は、以下の（１）～（３）の構成を備えている。

　（１）第１軸１１および第２軸１２に連動連結する各伝動機構７を、第３軸１３～第６軸１６に連動連結する伝動機構７よりも小減速比である減速機をモータと組み合わせた構成。

　（２）第２軸１２には定格トルクを上回る低速高トルクモータを連動連結した構成。

　（３）胴体部３と、当該胴体部３に対して揺動自在に支持された基部側アーム４との間にバランサ９を配設した構成。

　したがって、表２に示すように、第１軸１１および第２軸１２における電力消費量が低減し、結果的に、多関節ロボット１０としての消費電力の低減化が実現されることになる。

　なお、この表２や先に説明した表１に掲載された数値はあくまでも一例であり、多関節ロボットとしての仕様や構成の違い、あるいは使用条件などによって異なってくることは当然である。

　また、消費電力の低減が図られたロボットを実現するためには、必ずしも上記（１）～（３）の構成すべてを併せもつ必要はなく、少なくとも（１）を備えていればよい。あるいは、（１）と（２）、または（１）と（３）とを備える構成であってもよい。

　ところで、上述してきた実施形態では、多関節ロボット１０を６軸としたが、軸数が限定されるものではない。また、多関節ロボット１０をフロア面１から立設されたものとして説明したが、側壁面や天井面に設けられた多関節ロボットであってもよい。

　また、多関節ロボット１０の各可動部位（胴体部３、基部側アーム４、先端部側アーム５、およびリスト部６）には、減速機とモータとが組み合わされた伝動機構キットを取替可能とする装着部（図示せず）を設けることもできる。

　かかる装着部が設けられた多関節ロボット１０では、適切な回転数のモータと適切な減速比の減速機とが予め組み合わされた伝動機構キットを容易に取付けることができる。

　上述した実施形態のさらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

　１　　フロア面（設置面）
　２　　基台
　３　　胴体部
　４　　基部側アーム
　５　　先端部側アーム
　６　　リスト部
　７　　伝動機構
　９　　バランサ
　１０　　多関節ロボット
　１１　　第１軸
　１２　　第２軸
　１３　　第３軸

Claims

　所定の設置面に設けられる基台に対し、第１軸回りに回転可能に設けられた胴体部と、
　前記胴体部に対し、前記第１軸と直交方向に延在する第２軸回りに回転可能に設けられた基部側アームと、
　前記基部側アームに対し、前記第２軸と平行方向に延在する第３軸回りに回転可能に設けられた先端部側アームと、
を少なくとも備え、
　前記第１軸乃至前記第３軸は、モータと減速機とを備える伝動機構にそれぞれ連動連結しており、
　前記第１軸および前記第２軸に連動連結する各伝動機構は、
　前記第３軸に連動連結する伝動機構よりも小減速比である減速機がモータと組み合わせられている
　ことを特徴とする多関節ロボット。
　前記先端部側アームの先端部には、所定のエンドエフェクタを備えたリスト部が所定の軸回りに回転可能に設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の多関節ロボット。
　前記第１軸および前記第２軸の一方または双方に、定格トルクを上回る低速高トルクモータを連動連結した
　ことを特徴とする請求項２に記載の多関節ロボット。
　前記胴体部と、当該胴体部に対して揺動自在に支持された前記基部側アームとの間に、当該基部側アームの重力モーメントとバランスする力を当該基部側アームに付与するバランサを配設したことを特徴とする請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の多関節ロボット。