WO2022059614A1 - 関節機構及びロボットアーム機構 - Google Patents

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WO2022059614A1
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arm
transmission member
piston rod
joint mechanism
balancer
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慎哉 主税
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ファナック株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices
    • B25J19/0012—Balancing devices using fluidic devices

Definitions

  • the present invention relates to a joint mechanism and a robot arm mechanism.
  • the balancer mechanism is composed of a casing that is tiltably connected to the base and a piston rod that is slidably provided inside the casing.
  • the tip of the piston rod is rotatably connected to the arm and is pulled toward the inside of the casing.
  • the piston rod is pulled out of the casing as the arm rotates, the arm is pulled by the piston rod in the direction opposite to the direction of the load due to gravity, thereby assisting the power of the mechanism that drives the arm. can.
  • the support member of the arm must receive two types of loads, a load due to the weight of the arm and a load due to the traction force generated by the balancer device. Therefore, it is desired to reduce the load acting on the support member of the arm in the industrial robot provided with the balancer mechanism.
  • the joint mechanism is a base, an arm, a support member that rotatably supports the arm with respect to the base, and a load torque applied around the rotation center line of the arm due to the weight of the arm. It is equipped with a balancer mechanism that generates auxiliary torque.
  • the balancer mechanism converts the casing rotatably supported by the base, the piston rod inserted into the casing, the balancer body having the traction means for pulling the piston rod, and the traction force generated by the traction means into auxiliary torque.
  • It has a transmission member that transmits to the arm.
  • the transmission member is rotatably supported on the base via a shaft as a separate body from the support member.
  • the transmission member is engaged with the tip of the piston rod at a first position separated by a first distance from the centerline of the shaft and engaged with an arm at a second position separated by a second distance from the centerline of the shaft.
  • FIG. 1 is a perspective view of a joint mechanism according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the joint mechanism of FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the joint mechanism of FIG.
  • FIG. 4 is a side view showing a reference posture of the arm of the joint mechanism of FIG.
  • FIG. 5 is a side view showing the tilting posture of the arm of the joint mechanism of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a side view showing a reference posture of the arm of the joint mechanism according to the first modification of the embodiment.
  • FIG. 7 is a side view showing a reference posture of the arm of the joint mechanism according to the second modification of the embodiment.
  • the joint mechanism according to the present embodiment can be used alone or as a joint mechanism such as a robot arm mechanism.
  • the joint mechanism 1 includes a base 2, a rod-shaped arm 3 rotatably supported with respect to the base 2, an arm drive mechanism 4 for driving the arm 3, and an arm 3. It has a balancer mechanism 5 that functions as a balancer that reduces the load on the bearings and the like that support the bearing.
  • the base 2 has a rectangular bottom plate 21 and a pair of side plates 23, 25 provided so as to be parallel to both edges of the bottom plate 21.
  • the axis parallel to the thickness direction of the bottom plate 21 is the Z axis
  • the axis parallel to the thickness direction of the side plates 23, 25 is the X axis
  • the X axis and Z is used as the Y axis as appropriate.
  • the arm drive mechanism 4 is supported by one of the pair of side plates 23 and 25.
  • the arm drive mechanism 4 includes a motor 41 that generates power to rotate the arm 3 and a speed reducer 43 that reduces the rotation of the motor 41.
  • the arm drive mechanism 4 is configured such that the center line RA1 (rotating shaft RA1) of the output shaft 45 of the speed reducer 43 is parallel to the X axis.
  • the arm 3 is attached to the case of the speed reducer 43 via a bearing 47, and is fastened to the output shaft 45 of the speed reducer 43 by a fixing tool such as a bolt. As a result, the arm 3 can be rotated around the rotation shaft RA1 parallel to the X axis with the rotation of the output shaft 45 of the speed reducer 43.
  • the balancer mechanism 5 has a balancer main body 50 and a transmission member 55.
  • the balancer main body 50 has a casing 51, a piston rod 53 inserted into the casing 51, and a towing means 52 for pulling the piston rod 53 into the inside of the casing 51.
  • the compression coil spring 52 is housed inside the casing 51 in a compressed state.
  • One end of the piston rod 53 is connected to the compression coil spring 52.
  • the casing 51 is rotatably provided around the X axis with respect to the base 2.
  • the shaft 54 is fixed between the pair of side plates 23 and 25 so that the center line RA3 (rotating shaft RA3) is parallel to the X axis.
  • a casing 51 is attached to the shaft 54 via a bearing or the like. Thereby, the casing 51 can be rotated around the rotation axis RA3 parallel to the X axis.
  • the transmission member 55 is composed of a plate having an L shape. One end of the transmission member 55 is rotatably connected to the other end of the piston rod 53 around an axis RA4 parallel to the X axis. The other end of the transmission member 55 is fixed to the position on the tip end side of the arm 3 via the fixing member 56. The transmission member 55 is rotatably provided around the X axis with respect to the base 2. Typically, the shaft 57 is fixed to the other side plate 25 of the pair of side plates 23, 25 so that the center line RA2 coincides with the rotation axis RA1 of the arm 3. A transmission member 55 is attached to the shaft 57 via a bearing or the like.
  • the transmission member 55 can be rotated around the center line RA2 (rotation axis RA2) that coincides with the rotation axis of the arm 3.
  • the shaft 57 that supports the transmission member 55 is separate from the shaft 57 and the bearing 47 that support the arm 3, and is separated from the shaft 57 and the bearing 47.
  • the arm 3 and the transmission member 55 are fixed at the ends of each other, but the support structure of the transmission member 55 with respect to the base 2 is separate from the support structure of the arm 3 with respect to the base 2.
  • the composition is one feature.
  • the rotation angle of the arm 3 when the center line of the arm 3 is parallel to the Z axis (vertical axis) is 0 degree.
  • This posture is used as the reference posture of the arm 3.
  • the load torque F1 around the rotation shaft RA1 due to the weight of the arm 3 is not generated on the bearing 47 that supports the arm 3.
  • FIG. 5 when the arm 3 is tilted (rotated) from the reference posture, a load torque F1 around the rotation shaft RA1 is generated in the bearing 47 supporting the arm 3 due to the weight of the arm 3. .
  • the balancer mechanism 5 functions as follows.
  • the transmission member 55 is rotated around the rotation shaft RA2.
  • the distance of the rotation shaft RA4 at the connection point between the transmission member 55 and the piston rod 53 and the angle around the X axis change with respect to the rotation shaft RA3 of the casing 51.
  • the casing 51 is rotated around the rotation shaft RA3 so that the piston rod 53 is arranged along a straight line passing through the rotation shaft RA3 and the rotation shaft RA4.
  • the piston rod 53 is pulled out of the casing 51 against the traction force of the compression coil spring 52.
  • the length of the piston rod 53 pulled out from the casing 51 is from the rotation shaft RA3 to the rotation shaft RA4 in the tilting posture of the arm 3 with respect to the distance from the rotation shaft RA3 to the rotation shaft RA4 in the reference posture of the arm 3. Corresponds to the difference in distance.
  • the piston rod 53 pulled out from the casing 51 is pulled inside the casing 51 by the compression coil spring 52.
  • the traction force F2 generated by the compression coil spring 52 is converted into an auxiliary torque F2'around the rotation shaft RA2 (rotation shaft RA1) by the transmission member 55 and transmitted to the arm 3.
  • the balancer mechanism 5 is not directly connected to the arm 3, but is connected to the tip end side of the arm 3 via the transmission member 55, thereby achieving the following effects. That is, in the configuration in which the piston rod 53 of the balancer mechanism 5 is directly connected to the arm 3, the traction force generated by the compression coil spring 52 also acts as a load on the bearing 47 supporting the arm 3. Therefore, the bearing 47 that supports the arm 3 must receive two loads, a load due to the traction force generated by the compression coil spring 52 and a load due to the weight of the arm 3. According to the joint mechanism 1 according to the present embodiment, the traction force generated by the compression coil spring 52 is transmitted to the tip end side of the arm 3 via the transmission member 55.
  • the shaft 57 that supports the transmission member 55 is separate from the bearing 47 that supports the arm 3.
  • the traction force generated by the compression coil spring 52 acts directly on the shaft 57 that supports the transmission member 55 as a load, but does not act directly on the bearing 47 that supports the arm 3 as a load.
  • the balancer mechanism 5 only applies a moment due to the combined torque (F1-F2') described above to the bearing 47 that supports the arm 3.
  • the load on the bearing 47 that supports the arm 3 can be reduced.
  • the risk of failure of the bearing 47 that supports the arm 3 and the speed reducer 43 (motor 41) that drives the arm 3 can be reduced, and a longer life can be realized.
  • the load applied to the bearing 47 supporting the arm 3 is small, the size of the bearing 47 can be reduced. This contributes to the reduction of component costs.
  • the static torque generated in the motor 41 can be reduced. This contributes to the reduction of the power consumption of the joint mechanism 1 and the robot including the joint mechanism 1.
  • the transmission member 55 is visually separated from the arm 3.
  • the rotation shaft RA2 of the transmission member 55 coincides with the rotation shaft RA1 of the arm 3
  • the transmission member 55 can be easily accommodated inside the arm 3.
  • the joint mechanism 1 can be miniaturized, but also the effect of simplifying the appearance and enhancing the aesthetics and the cable wired to the outside of the joint mechanism 1 can be obtained. This has the effect of avoiding a situation in which the striatum is complicatedly inserted between the arm 3 and the transmission member 55 and the wire is broken.
  • the joint mechanism 1 has a coil spring type balancer main body 50 that employs a compression coil spring 52 as the traction means 52.
  • the configuration of the balancer main body 50 is not limited to this as long as it can generate a traction force that pulls the piston rod 53 back into the casing 51.
  • the balancer main body 50 has a gas spring system in which when the piston rod 53 is pulled out from the casing 51, the compressible gas enclosed in the casing 51 is compressed and the piston rod 53 is pulled back into the casing 51 by the repulsive force.
  • Known methods such as a method using an air cylinder and a method using hydraulic pressure can be adopted.
  • the shape of the transmission member 55 is not limited to this embodiment. If the transmission member 55 can be fixed at the position on the tip end side of the arm 3, can be rotatably supported coaxially with the rotation shaft RA1 of the arm 3, and can be rotatably connected to the piston rod 53,
  • it may be a plate having a dogleg shape or an arch shape.
  • the transmission member 55 is typically configured so that the second distance L2 is longer than the first distance L1. However, it does not deny that the second distance L2 is equal to or less than the first distance L1, and the transmission member 55 is used in terms of the magnitude of the traction force, the magnitude of the required auxiliary torque, the installation space of the balancer mechanism 5, and the like. These parameters L1 and L2 can be determined.
  • the support structure of the arm 3 with respect to the base 2 is not limited to this embodiment.
  • the arm 3 may be configured to be connected to the base 2 via a bearing 47, or the arm 3 may be configured to be directly connected to the output shaft 45 of the speed reducer 43.
  • the balancer mechanism 5 functions to reduce the load applied to the output shaft 45 of the speed reducer 43 that supports the arm 3.
  • the support structure of the transmission member 55 with respect to the base 2 is not limited to this embodiment.
  • the support structure of the transmission member 55 may be different from the support structure of the arm 3.
  • the shaft 57 to which the transmission member 55 is fixed may be rotatably attached to the base 2.
  • the transmission member 55 may be rotatably supported around the X axis by another member whose position is fixed with respect to the base 2. Similar to the support structure of the transmission member 55 for the base 2, the support structure of the casing 51 for the base 2 is not limited to this embodiment.
  • one end of the transmission member 55 is rotatably connected to the piston rod 53 of the balancer mechanism 5, and the other end is fixed to the position on the tip end side of the arm 3.
  • the balancer mechanism 5 can function by tilting the arm 3 from the reference posture even at a small angle.
  • the balancer mechanism 5 may be configured to function when the arm 3 rotates from the reference posture to a predetermined angle or more.
  • the first modification shows a configuration in which the engagement structure between the other end of the transmission member 55 and the arm 3 is changed
  • the second modification shows a configuration in which the engagement structure between the piston rod 53 and one end of the transmission member 55 is changed. The configuration is shown.
  • the other end of the transmission member 55 is a free end.
  • the arm 3 is provided with protrusions 31 and 33 that engage with the transmission member 55 when the arm 3 is tilted from a reference posture to a predetermined angle. Since the other end of the transmission member 55 is not fixed at the position on the tip end side of the arm 3, the rotation shaft RA2 of the transmission member 55 does not need to match the rotation shaft RA1 of the arm 3.
  • the arm 3 is tilted by a predetermined angle or more from the reference posture in a state where the end portion of the transmission member 55 is in contact with the protrusions 31 and 33 provided on the arm 3.
  • the balancer mechanism 5 can be made to function.
  • the balancer mechanism 5 does not function until the end of the transmission member 55 comes into contact with the protrusions 31 and 33 provided on the arm 3 and the arm 3 is tilted from the reference posture to a predetermined angle. Since the range of the rotation angle in which the balancer mechanism 5 functions can be narrowed, the stroke length required for the piston rod 53 can be shortened, and the balancer mechanism 5 can be miniaturized.
  • the balancer mechanism 5 does not function until the arm 3 is tilted from the reference posture to a predetermined angle, in which the piston rod 53 is slid along the slit 59 of the transmission member 55. Since the range of the rotation angle in which the balancer mechanism 5 functions can be narrowed, the stroke length required for the piston rod 53 can be shortened, and the balancer mechanism 5 can be miniaturized.

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Abstract

目的は、バランサ機構を備えた産業用ロボットにおいてアームの支持部材に作用する負荷を軽減することにある。関節機構１は、アーム３の重量により支持部材４５にかかるアームの回動中心線周りの負荷トルクに対抗する補助トルクを発生するバランサ機構５を備える。バランサ機構は、ベースに回動自在に支持されるケーシング５１、ケーシングに挿入されるピストンロッド５３、及びピストンロッドを牽引する牽引手段５２を有するバランサ本体５０と、牽引手段により発生された牽引力を補助トルクに変換してアームに伝達する伝達部材５５とを有する。伝達部材は、支持部材とは別体としてベースに回動自在に軸支され、その一端側がピストンロッドの先端に係合され、他端側がアームに係合される。

Description

関節機構及びロボットアーム機構
　本発明は、関節機構及びロボットアーム機構に関する。
　多関節型の産業用ロボットでは、重力による負荷の方向とは反対方向に力を発生させてアームを駆動する機構の動力を補助するバランサ機構を備えた産業用ロボットが知られている（例えば、特許文献１）。例えば、バランサ機構は、ベースに傾動可能に連結されたケーシングとケーシングの内部を摺動自在に設けられるピストンロッドとから構成される。ピストンロッドは、その先端がアームに回転可能に接続され、ケーシングの内部に向かって牽引されている。アームの回転に伴って、ピストンロッドがケーシングから引き出されることにより、アームは、ピストンロッドにより重力による負荷の方向とは逆向きに引っ張られ、それによりアームを駆動する機構の動力を補助することができる。
特許第２５４３５３９号公報
　従来の構造において、アームの支持部材は、アームの重量による負荷とバランサ装置により発生された牽引力による負荷との２種類の負荷を受けなくてはならない。そのため、バランサ機構を備えた産業用ロボットにおいてアームの支持部材に作用する負荷を軽減することが望まれている。
　本開示の一態様に係る関節機構は、ベースと、アームと、アームをベースに対して回動自在に支持する支持部材と、アームの重量によりアームの回動中心線周りにかかる負荷トルクに対抗する補助トルクを発生するバランサ機構とを具備する。バランサ機構は、ベースに回動自在に支持されるケーシング、ケーシングに挿入されるピストンロッド、及びピストンロッドを牽引する牽引手段を有するバランサ本体と、牽引手段により発生された牽引力を補助トルクに変換してアームに伝達する伝達部材とを有する。伝達部材は、支持部材とは別体としてベースにシャフトを介して回動自在に軸支される。伝達部材は、シャフトの中心線から第１距離を隔てた第１の位置においてピストンロッドの先端に係合され、シャフトの中心線から第２距離を隔てた第２の位置においてアームに係合される。
　一態様によれば、バランサ機構を備えた産業用ロボットにおいてアーム支持部材に作用する負荷を軽減することができる。
図１は、一実施形態に係る関節機構の斜視図である。 図２は、図１の関節機構の分解斜視図である。 図３は、図１の関節機構の平面図である。 図４は、図１の関節機構のアームの基準姿勢を示す側面図である。 図５は、図１の関節機構のアームの傾動姿勢を示す側面図である。 図６は、一実施形態の第１変形例に係る関節機構のアームの基準姿勢を示す側面図である。 図７は、一実施形態の第２変形例に係る関節機構のアームの基準姿勢を示す側面図である。
　以下、図面を参照しながら本実施形態に係る関節機構を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
　本実施形態に係る関節機構は、それ単独で使用することができるし、ロボットアーム機構などの関節機構としても使用することができる。
　図１～図４に示すように、関節機構１は、ベース２と、ベース２に対して回動自在に支持される棒状のアーム３と、アーム３を駆動するアーム駆動機構４と、アーム３を支持するベアリング等への負荷を軽減するバランサとして機能するバランサ機構５と、を有する。
　ベース２は、矩形状の底板２１と、底板２１の両縁に互いに平行になるように設けられた一対の側板２３，２５と、を有する。以下の説明において、底板２１の厚み方向に平行な軸をＺ軸、側板２３，２５の厚み方向（一対の側板２３，２５が離された方向）に平行な軸をＸ軸、Ｘ軸とＺ軸とに直交する軸をＹ軸として、適宜使用する。
　アーム駆動機構４は、一対の側板２３，２５のうち一方の側板２３に支持される。アーム駆動機構４は、アーム３を回動させる動力を発生するモータ４１と、モータ４１の回転を減速する減速機４３とを有する。アーム駆動機構４は、減速機４３の出力シャフト４５の中心線ＲＡ１（回動軸ＲＡ１）がＸ軸と平行になるように構成される。アーム３は、減速機４３のケースにベアリング４７を介して取り付けられ、ボルト等の固定具により減速機４３の出力シャフト４５に締結される。それにより、減速機４３の出力シャフト４５の回動に伴って、アーム３をＸ軸と平行な回動軸ＲＡ１周りに回動させることができる。
　バランサ機構５は、バランサ本体５０と伝達部材５５とを有する。　
　バランサ本体５０は、ケーシング５１と、ケーシング５１に挿入されたピストンロッド５３と、ピストンロッド５３をケーシング５１の内部に牽引する牽引手段５２と、を有する。典型的には、牽引手段５２として、ケーシング５１の内部には圧縮コイルバネ５２が圧縮された状態で収容されている。この圧縮コイルバネ５２にピストンロッド５３の一端が接続されている。それにより、ケーシング５１の内部から引き出されたピストンロッド５３を圧縮コイルバネ５２によりケーシング５１の内部に向かって牽引することができる。ケーシング５１は、ベース２に対してＸ軸周りに回動自在に設けられる。典型的には、一対の側板２３，２５の間に、中心線ＲＡ３（回動軸ＲＡ３）がＸ軸と平行になるように、シャフト５４が固定される。このシャフト５４にはベアリング等を介してケーシング５１が取り付けられる。それにより、ケーシング５１をＸ軸と平行な回動軸ＲＡ３周りに回動させることができる。
　伝達部材５５はＬ字形状を有する板に構成される。伝達部材５５の一端はピストンロッド５３の他端にＸ軸と平行な軸ＲＡ４周りに回動自在に接続される。伝達部材５５の他端はアーム３の先端側の位置に固定部材５６を介して固定される。伝達部材５５は、ベース２に対してＸ軸周りに回動自在に設けられる。典型的には、一対の側板２３，２５のうち他方の側板２５に中心線ＲＡ２がアーム３の回動軸ＲＡ１と一致するようにシャフト５７が固定される。このシャフト５７にはベアリング等を介して伝達部材５５が取り付けられる。それにより、伝達部材５５をアーム３の回動軸と一致する中心線ＲＡ２（回動軸ＲＡ２）周りに回動させることができる。伝達部材５５を支持するシャフト５７は、アーム３を支持するシャフト５７及びベアリング４７とは別体であり、シャフト５７及びベアリング４７に対して分離されている。このように、アーム３と伝達部材５５とは互いの端部箇所において固定されているが、ベース２に対する伝達部材５５の支持構造がベース２に対するアーム３の支持構造とは別体になるように構成したことは１つの特徴である。
　図４に示すように、アーム３の中心線がＺ軸（鉛直軸）と平行なときのアーム３の回動角度を０度とする。この姿勢をアーム３の基準姿勢とする。アーム３が基準姿勢であるとき、アーム３を支持するベアリング４７には、アーム３の重量による回動軸ＲＡ１周りの負荷トルクＦ１は発生しない。一方、図５に示すように、アーム３が基準姿勢から傾動（回動）したとき、アーム３を支持するベアリング４７には、アーム３の重量による回動軸ＲＡ１周りの負荷トルクＦ１が発生する。このとき、バランサ機構５は以下のように機能する。すなわち、アーム３の回動に追従して、伝達部材５５は回動軸ＲＡ２周りに回動される。伝達部材５５の回動に伴って、ケーシング５１の回動軸ＲＡ３に対する、伝達部材５５とピストンロッド５３との接続箇所の回動軸ＲＡ４の距離、Ｘ軸周りの角度が変化する。ケーシング５１は、回動軸ＲＡ３と回動軸ＲＡ４とを通る直線に沿ってピストンロッド５３が配置されるように、回動軸ＲＡ３周りに回動される。ピストンロッド５３は圧縮コイルバネ５２による牽引力に抗ってケーシング５１から引き出される。ケーシング５１から引き出されるピストンロッド５３の長さは、アーム３の基準姿勢時における回動軸ＲＡ３から回動軸ＲＡ４までの距離に対するアーム３の傾動姿勢時における回動軸ＲＡ３から回動軸ＲＡ４までの距離の差に対応する。ケーシング５１から引き出されたピストンロッド５３は圧縮コイルバネ５２によりケーシング５１の内部に牽引される。圧縮コイルバネ５２により発生された牽引力Ｆ２は伝達部材５５により回動軸ＲＡ２（回動軸ＲＡ１）周りの補助トルクＦ２´に変換され、アーム３に伝達される。補助トルクＦ２´は、アーム３の重量による回動軸ＲＡ１周りの負荷トルクＦ１に対して逆向きに作用する。したがって、アーム３を支持するベアリング４７には、負荷トルクＦ１と補助トルクＦ２´との合成トルク（Ｆ１－Ｆ２´）に応じたモーメントがかかる。一方、バランサ機構５を有さない関節機構において、上記の補助トルクＦ２´は生じない。そのため、アーム３を支持するベアリング４７には負荷トルクＦ１に応じたモーメントがかかる。つまり、本実施形態に係る関節機構１によれば、アーム３を支持するベアリング４７にかかる負荷を、補助トルクＦ２´に応じたモーメント分軽減することができる。
　バランサ機構５をアーム３に直接的に接続する構成ではなく、伝達部材５５を介してアーム３の先端側に接続するように構成することにより、以下のような効果を奏する。すなわち、バランサ機構５のピストンロッド５３が直接的にアーム３に接続された構成では、圧縮コイルバネ５２により発生された牽引力がアーム３を支持するベアリング４７に負荷としても作用してしまう。そのため、アーム３を支持するベアリング４７は、圧縮コイルバネ５２により発生された牽引力による負荷とアーム３の重量による負荷との２つの負荷を受けなくてはならない。本実施形態に係る関節機構１によれば、圧縮コイルバネ５２により発生された牽引力は伝達部材５５を介してアーム３の先端側に伝達される。しかも、伝達部材５５を支持するシャフト５７は、アーム３を支持するベアリング４７とは別体である。それにより、圧縮コイルバネ５２により発生された牽引力は伝達部材５５を支持するシャフト５７に負荷として直接的に作用するが、アーム３を支持するベアリング４７には負荷として直接的に作用することはない。
　以上説明した本実施形態に係る関節機構１によれば、バランサ機構５により、アーム３を支持するベアリング４７には、上記で説明した合成トルク（Ｆ１－Ｆ２´）によるモーメントがかかるのみであり、アーム３を支持するベアリング４７への負荷を軽減することができる。それにより、アーム３を支持するベアリング４７及びアーム３を駆動する減速機４３（モータ４１）の故障リスクを低減し、長寿命化を実現し得る。また、アーム３を支持するベアリング４７にかかる負荷が小さいため、ベアリング４７をサイズダウンすることができる。これは、部品コストの抑制に寄与する。さらに、補助トルクを大きくすることで、モータ４１に発生させる静止トルクを小さくすることができる。これは、関節機構１及び関節機構１を含むロボットの消費電力の低減に寄与する。
　本実施形態に係る関節機構１において、伝達部材５５は外観上もアーム３と分離している。しかしながら、伝達部材５５の回動軸ＲＡ２はアーム３の回動軸ＲＡ１と一致していることから、伝達部材５５をアーム３の内部に容易に収容することができる。伝達部材５５をアーム３の内部に収容することで関節機構１の小型化を実現するだけではなく、外観をシンプルにして美観性を高くする効果や関節機構１の外部に配線されたケーブルなどの線条体がアーム３と伝達部材５５との間に複雑に入り込んでしまい断線してしまう事態を回避する効果を奏する。
　本実施形態に係る関節機構１では、牽引手段５２として圧縮コイルバネ５２を採用したコイルバネ方式のバランサ本体５０を有する構成とした。ピストンロッド５３をケーシング５１の内部に引き戻す牽引力を発生させることができるのであれば、バランサ本体５０の構成はこれに限定されない。例えば、バランサ本体５０は、ピストンロッド５３がケーシング５１から引き出されたときに、ケーシング５１に封入した圧縮性ガスが圧縮され、その反発力によりピストンロッド５３をケーシング５１の内部に引き戻すガススプリング方式、エアシリンダを利用した方式、油圧を利用した方式など既知の方式を採用することができる。
　伝達部材５５の形状は本実施形態に限定されない。伝達部材５５は、アーム３の先端側の位置において固定することができ、アーム３の回動軸ＲＡ１と同軸で回動自在に支持でき、ピストンロッド５３に回動自在に接続できるのであれば、例えば、くの字形状又はアーチ形状を有する板であってもよい。
　また、シャフト５４の中心線から伝達部材５５がピストンロッド５３に接続される位置までの距離を第１距離Ｌ１、シャフト５４の中心線から伝達部材５５がアーム３に固定される位置までの距離を第２距離Ｌ２とした場合、典型的には、伝達部材５５は、第２距離Ｌ２が第１距離Ｌ１よりも長くなるように構成される。しかしながら、第２距離Ｌ２が第１距離Ｌ１以下であることを否定するものではなく、牽引力の大きさ、必要な補助トルクの大きさ、バランサ機構５の設置スペース等の観点で、伝達部材５５のこれらのパラメータＬ１、Ｌ２を決めることができる。
　ベース２に対するアーム３の支持構造は本実施形態に限定されない。例えば、アーム３がベアリング４７を介してベース２に接続されるように構成してもよいし、アーム３が減速機４３の出力シャフト４５に直接的に接続されるように構成してもよい。この場合、バランサ機構５は、アーム３を支持する減速機４３の出力シャフト４５にかかる負荷を軽減するように機能する。
　ベース２に対する伝達部材５５の支持構造は本実施形態に限定されない。伝達部材５５の支持構造は、アーム３の支持構造とは別体であればよい。例えば、伝達部材５５が固定されたシャフト５７をベース２に回動自在に取り付けてもよい。また、ベース２に対してその位置が固定された他の部材に伝達部材５５がＸ軸周りに回動自在に支持されてもよい。ベース２に対する伝達部材５５の支持構造と同様に、ベース２に対するケーシング５１の支持構造は本実施形態に限定されない。
　本実施形態に係る関節機構１では、伝達部材５５の一端がバランサ機構５のピストンロッド５３に回動自在に接続され、他端がアーム３の先端側の位置に固定される。それにより、小さい角度であっても、アーム３が基準姿勢から傾くことで、バランサ機構５を機能させることができる。しかしながら、アーム３が基準姿勢からわずかに傾いた場合などの、アーム３の重量による回動軸ＲＡ１周りの負荷トルクが小さいときに、必ずしもバランサ機構５を機能させる必要がない場合がある。このような場合においては、バランサ機構５は、アーム３が基準姿勢から所定の角度以上まで回動したときに機能するように構成してもよい。以下、バランサ機構５が機能する角度範囲を限定する構成について第１変形例、第２変形例で説明する。第１変形例は、伝達部材５５の他端とアーム３との係合構造を変更した構成を示し、第２変形例は、ピストンロッド５３と伝達部材５５の一端との係合構造を変更した構成を示す。
　（第１変形例）　
　図６に示すように、第１変形例に係る関節機構７では、伝達部材５５の他端を自由端とする。アーム３には、アーム３が基準姿勢から所定の角度まで傾いたときに、伝達部材５５に係合する突起３１，３３が設けられる。伝達部材５５の他端がアーム３の先端側の位置において固定されていないため、伝達部材５５の回動軸ＲＡ２は、アーム３の回動軸ＲＡ１と一致させる必要はない。第１変形例に係る関節機構７によれば、伝達部材５５の端部がアーム３に設けられた突起３１，３３に接触した状態である、アーム３が基準姿勢からの所定の角度以上に傾いたときに、バランサ機構５を機能させることができる。一方、伝達部材５５の端部がアーム３に設けられた突起３１，３３に接触するまでの、アーム３が基準姿勢から所定の角度まで傾くまでの間において、バランサ機構５は機能しない。バランサ機構５が機能する回動角度の範囲を狭くできるため、ピストンロッド５３に必要とされるストローク長を短くすることができ、バランサ機構５の小型化を実現し得る。
　（第２変形例）　
　図７に示すように、第２変形例に係る関節機構８では、伝達部材５５の一端に回動軸ＲＡ２を中心とした円弧状のスリット５９が形成され、ピストンロッド５３の先端がスリット５９に摺動自在に係合される。スリット５９の円弧長は、バランサ機構５を機能させないアーム３の傾動角度に対応する。第２変形例に係る関節機構８によれば、スリット５９の端部にピストンロッド５３が当接した状態である、アーム３が基準姿勢から所定の角度以上に傾いたときにバランサ機構５を機能させることができる。一方、ピストンロッド５３が伝達部材５５のスリット５９に沿って摺動されている、アーム３が基準姿勢から所定の角度まで傾くまでの間において、バランサ機構５は機能しない。バランサ機構５が機能する回動角度の範囲を狭くできるため、ピストンロッド５３に必要とされるストローク長を短くすることができ、バランサ機構５の小型化を実現し得る。
　いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　１…関節機構、２…ベース、２１…底板、２３，２５…側板、３…アーム、４…アーム駆動機構、４１…モータ、４３…減速機、４５…出力シャフト、４７…ベアリング、５…バランサ機構、５０…バランサ本体、５１…ケーシング、５２…牽引手段（圧縮コイルバネ）、５３…ピストンロッド、５４、５７…シャフト、５５…伝達部材、５６…固定部材、ＲＡ１…アームの回動軸、ＲＡ２…伝達部材の回動軸。
 

Claims (8)

  1. 　ベースと、
    　アームと、
    　前記アームを前記ベースに対して回動自在に支持する支持部材と、
    　前記アームの重量により前記支持部材にかかる前記アームの回動中心線周りの負荷トルクに対抗する補助トルクを発生するバランサ機構とを具備し、
    　前記バランサ機構は、
    　前記ベースに回動自在に支持されるケーシング、前記ケーシングに挿入されるピストンロッド、及び前記ピストンロッドを牽引する牽引手段を有するバランサ本体と、前記牽引手段により発生された牽引力を前記補助トルクに変換して前記アームに伝達する伝達部材とを有し、
    　前記伝達部材は、前記支持部材とは別体として前記ベースに回動自在に軸支され、前記伝達部材の回動中心線から第１距離を隔てた第１の位置において前記ピストンロッドの先端に係合され、前記伝達部材の回動中心線から第２距離を隔てた第２の位置において前記アームに係合されるロボットの関節機構。
  2. 　前記第２距離は前記第１距離よりも長い請求項１記載のロボットの関節機構。
  3. 　前記伝達部材は、Ｌ字形状、くの字形状又はアーチ形状を有する請求項１又は２記載のロボットの関節機構。
  4. 　前記伝達部材の回動中心線は前記アームの回動中心線に一致する請求項１乃至３のいずれか一項記載のロボットの関節機構。
  5. 　前記伝達部材は前記第１の位置において前記ピストンロッドの先端に回動自在に接続され、前記第２の位置において前記アームに固定される請求項１乃至４のいずれか一項記載のロボットの関節機構。
  6. 　前記アームにおける前記第２の位置に対応する位置には前記アームの傾動に伴って前記伝達部材に接する部材が設けられる請求項１乃至４のいずれか一項記載のロボットの関節機構。
  7. 　前記伝達部材には前記伝達部材の回動中心線を中心とした円弧状のスリットが形成され、前記ピストンロッドの先端は前記スリットに摺動自在に係合される請求項１乃至４のいずれか一項記載のロボットの関節機構。
  8. 　請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載のロボットの関節機構を備えるロボットアーム機構。
     
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