(57)【要約】【課題】ロボットの急停止・急加速のためのエネルギーを、平行ばねを応用したロボット機構により回生し、より省エネルギーで駆動可能な産業用ロボットを提供する。【解決手段】平行に配置された第１の板ばね４と、第２の板ばね５と、それぞれの板ばねの上端と下端を接続する、剛体と見なすことのできる上端構造物６と、下端構造物７と、から構成されたロボット機構を備える。このロボット機構について、例えば、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の配置方向と同方向へ動作入力を与えることで、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の変形によってロボット機構全体が、動作入力と同方向へ、揺動運動する。このように平行ばねを応用することにより、ロボット構造内部で運動エネルギーと弾性エネルギーを交換するエネルギー回生サイクルを有し、省エネルギーに高速駆動することが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行ばねにより構成されるロボット機構であり、外部からの動作入力により、弾性エネルギーと運動エネルギーを内部に交換しながら、連続的に揺動運動するロボット機構を備えた産業用ロボット。
【請求項２】
前記ロボット機構は、２枚の板ばねを平行に配置して前記平行ばねを構成し、それぞれのばねの上端と、下端を、剛体と見なすことのできる上端構造物、下端構造物でそれぞれ固定し、構成されていることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボット。
【請求項３】
前記平行ばねにおいて、ばねに切り欠き形状を与えることで、揺動時の変形形状を制御し、前記ロボット機構の揺動時の傾きを制御するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボット。
【請求項４】
前記ロボット機構の揺動運動を、外部からの動作入力により、機構内部に蓄積した、弾性エネルギー、または、運動エネルギーを消散させて、停止するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の産業用ロボット。
【請求項５】
前記ロボット機構を複数搭載し、パラレルメカニズムを構成することにより、多自由度の動作を可能とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の産業用ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行ばねにより構成したロボット構造を揺動運動させることにより、ロボット構造へ弾性エネルギーを蓄積・解放することでエネルギーを回生し、省エネルギーに高速駆動することが可能な、ピックアンドプレース等に用いることができる産業用ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピックアンドプレースとは、移動・搬送物の把持・位置決めを繰り返し行なう作業であり、製造業では広く工程をつなぐ作業として行われている。従来のピックアンドプレースのための産業用ロボットには、サーボモータが広く用いられる。これらの産業用ロボットでは、ピックアンドプレース作業のため、サーボモータは正転・停止・逆転の動作を繰り返し行なうため、サーボモータが急加速・急停止する度に、モータに加えられたエネルギーを一定量損失している。
【０００３】
平行ばねとは、２枚の板ばねを平行に配置した構造であり、一般的には微少距離の位置決め機構などに応用される。従来の平行ばねの応用として、特許文献１、特許文献２、特許文献３などが知られている。平行ばねを使用した移動機構として、非特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３４７１１号公報
【特許文献２】特開２００７−４１２１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６４４１０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉川泰彰、外３名、「振動搬送機械の断続駆動によるワークの高速定量供給（閉ループ制御による実現）」、日本機械学会〔No.06-7〕 Dynamic and Design Conference 2006 CD-ROM論文集、２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の産業用ロボットによるピックアンドプレース作業では、サーボモータは正転・停止・逆転の動作を繰り返し行なうため、サーボモータが急加速・急停止する度に、モータに加えられたエネルギーを一定量損失している。
本発明では、従来は大きく損失していたと考えられるロボットの急停止・急加速のためのエネルギーを、平行ばねを応用したロボット機構により回生し、より省エネルギーで駆動可能な産業用ロボットを提供する。具体的には、平行ばねを用いた簡便な装置構成で、機構内部で弾性エネルギーと運動エネルギーを交互に交換し、回生する連続揺動動作を行うことが可能な、省エネルギーなピックアンドプレース作業を行う産業用ロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の産業用ロボットは、平行ばねにより構成されるロボット機構であり、外部からの動作入力により、弾性エネルギーと運動エネルギーを内部に交換しながら、連続的に揺動運動するロボット機構を備えている。このロボット機構は、具体的には、２枚の板ばね（第１の板ばね、第２の板ばねという）を平行に配置し、それぞれのばねの上端と、下端を、剛体と見なすことのできる上端構造物、下端構造物でそれぞれ固定し、構成されている。
【０００８】
前記ロボット機構に対して、外部から駆動手段によって動作入力を与えることにより、第１の板ばねと第２の板ばねは変形を繰り返し、前記ロボット機構は、揺動運動を行う。前記第１の板ばね、第２の板ばねは、揺動運動の移動範囲におけるそれぞれの端点において、最も大きく変形し、弾性エネルギーを蓄える。揺動運動端点における運動方向の切り返しにおいて、徐々に前記第１の板ばね、第２の板ばねの弾性エネルギーは解放され、前記ロボット機構の運動エネルギーへと回生される。よって、前記駆動手段は、前記ロボット機構の初期駆動と、前記揺動運動における弾性エネルギーと運動エネルギーの回生における損失分のエネルギーのみを入力するようにすれば、前記ロボット機構を継続して揺動運動させることができる。
【０００９】
前記ロボット機構は、前記上端構造物に把持機構を備えることで、産業用ロボットで広く用いられるピックアンドプレース作業へ応用できる。
【００１０】
前記第１の板ばね、第２の板ばねについて、ばねの一部に切り欠き形状を施すことにより、前記第１の板ばね、第２の板ばね変形時の形状を制御し、前記上端構造物の傾きを抑制することが可能である。
【００１１】
前記ロボット機構の揺動運動は、前記駆動手段による動作入力により、揺動運動において、前記上端構造物が端点に存在するとき、弾性エネルギーを解放する方向へ前記駆動手段を駆動することにより、弾性エネルギーを消散し、瞬時に停止することができる。
【００１２】
前記ロボット機構の揺動運動は、前記駆動手段による動作入力により、揺動運動において、前記上端構造物が揺動運動の中心位置に存在するとき、前記駆動手段を前記上端構造物の運動方向と同方向へ駆動することにより、運動エネルギーを消散し、瞬時に停止することができる。
【００１３】
前記ロボット機構を複数組み合わせることで、パラレルメカニズムを構成し、揺動運動を多軸へ拡張できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来の産業用ロボットと比較して、省エネルギーに動作可能なピックアンドプレース作業用ロボットを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る平行ばねによる省エネルギーに動作可能なピックアンドプレース装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る平行ばねを用いたロボット機構の初期状態、または揺動運動時の動作範囲中央における、ロボット機構の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る平行ばねを用いたロボット機構の揺動運動時の動作範囲端点における、ロボット機構の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る平行ばねの切り欠き形状の実施例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るロボット機構に装着する把持機構を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るロボット機構の運動エネルギー消散による停止手法を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るロボット機構の弾性エネルギー消散による停止手法を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るロボット機構の複合的なパラレルメカニズムの構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係わる平行ばねの揺動運動による高速移動機構システムを示している。
【００１８】
本発明は、平行ばねを用いたロボット機構１と、ロボット機構１の駆動手段２と、この駆動手段２を制御する制御部３と、から構成される。このシステムは、ロボットの産業応用として一般的に行われる、ピックアンドプレース作業のために用いられる。
【００１９】
次に、図２から図４を参照して、ロボット機構１の構成について詳しく説明する。図２は本実施形態におけるロボット機構１の初期状態、または揺動運動時の動作範囲中央におけるロボット機構１の斜視図、図３は本実施形態におけるロボット機構１の揺動運動時の動作範囲端点における斜視図、図４はロボット機構１における、平行ばねを構成する第１の板ばね、第２の板ばねについて、切り欠き形状の実施例を示した図である。
【００２０】
平行ばねを用いたロボット機構１は、平行に配置された第１の板ばね４と、第２の板ばね５と、それぞれの板ばねの上端と下端を接続する、剛体と見なすことのできる上端構造物６と、下端構造物７と、から構成される。
【００２１】
ロボット機構１について、例えば、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の配置方向と同方向へ、駆動手段２により動作入力を与えることで、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の変形によってロボット機構１全体が、駆動手段２による動作入力と同方向へ、揺動運動する。例えば、駆動手段は、モータとボールねじの組み合わせにより、直動の往復運動を入力することができる。このとき、ロボット機構１の共振周波数と同じ周波数で往復運動を与えることにより、効果的に、継続してロボット機構を揺動運動させることができる
このとき、揺動運動は弾性エネルギーと運動エネルギーが交互に変換されており、例えば、揺動運動の中央においては、第１の板ばね４と、第２の板ばね５は初期状態（図２）となり、上端構造物６は移動しており、運動エネルギーが蓄えられた状態である。一方で、揺動運動における動作範囲の端点では第１の板ばね４と、第２の板ばね５が大きく変形し、弾性エネルギーが蓄えられた状態である（図３）。このように、揺動運動中に運動エネルギーを弾性エネルギーへ交換し、再度運動エネルギーとして回生することで、従来の産業用ロボットと比較して、省エネルギーに動作可能である。
【００２２】
駆動手段２により入力する動作は、ロボット機構１の共振周波数に合わせて入力することにより、効果的に揺動運動を生ずることができる。例えば、ピックアンドプレース作業に用いる場合、搬送する物体の重量などを考慮する必要がある。
【００２３】
揺動運動において、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の変形形状によって、上端構造物６において、動作範囲端点近傍で傾きが生ずる場合がある。このとき、図４に例示するように、第１の板ばね４と、第２の板ばね５について、切り欠き形状を設けて、切り欠き板ばね８とすることにより、切り欠き部に変形が集中し、結果として、平行ばねが、平行四辺形形状に変形することで、上端構造物６の傾きを抑制する働きが得られる。切り欠き形状、寸法については、ロボット機構１の大きさ、駆動周波数、振幅等に依存し、解析により最適化が可能である。
【００２４】
本発明におけるロボット機構１は、揺動運動中に、任意の位置で停止することができない。よって、ピックアンドプレース作業を実施するためには、瞬時に搬送対象物を把持する、また留置する仕組みとして、把持機構９が上端構造物６に必要である。一方で、揺動運動中に交互に交換される、運動エネルギー、または弾性エネルギーを駆動手段２による動作入力により消散し、揺動動作範囲中央で瞬時に停止させることは可能である。例えば、揺動動作範囲中央では、図６のように、ロボット機構１は直立し、運動エネルギーが蓄えられた状態である。このとき、ロボット機構１の運動方向と同方向へ駆動手段２を動作させることで、ロボット機構１の運動エネルギーを消散し、停止することができる。また、図７のように、揺動動作範囲の端点では、第１の板ばね４と、第２の板ばね５において弾性エネルギーが蓄えられた状態である。このとき、第１の板ばね４と、第２の板ばね５の変形を解放する方向へ、駆動手段２を動作させることにより、弾性エネルギーを消散し、ロボット機構１を停止できる。
【００２５】
本発明によるロボット機構１においては、これを機構の一要素として、複合的にパラレルメカニズムを構成することが可能である。図８にその構成例を図示する。本構成例では、基底部１３に対して軸とベアリング等により設けた回転対偶により、２つの剛体部１１を平行に２本配置した板ばね１０により接続したばね機構要素１５を、板ばねと垂直方向へ直列に２連結したアームを、回転対偶によりエンドエフェクタへ連結する。この２つのばね機構要素を連結したアームを３つ用いて、それぞれ基底部１３と、エンドエフェクタ１４と、を回転対偶により接続する。駆動手段として、基底部１３の３つの回転対偶１２について、それぞれ回転動作入力を与えることにより、本発明によるロボット機構１を多自由度に拡張した動作が可能となる。
【００２６】
以上において、本発明を実施形態に則して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の平行ばねによる高速移動機構は、機構内部で弾性エネルギーと運動エネルギーを交互に交換し、回生する連続揺動動作を行うことが可能な、省エネルギーなピックアンドプレース作業を行う産業用ロボットとして利用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  ロボット機構
２  駆動手段
３  制御部
４  第１の板ばね
５  第２の板ばね
６  上端構造物
７  下端構造物
８  切り欠きつき板ばね
９  把持機構
１０  板ばね部
１１  剛体部
１２  回転対偶
１３  基底部
１４  エンドエフェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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