(57)【要約】  重力補償トルク特性の設計自由度が高い重力補償機構（３０）及びロボット（１０）を提供する。  重力補償機構（３０）は、ロボット（１０）のアーム部（１４）の回転軸（Ｌ）回りに、アーム部（１４）とともに回転する第１の非円形歯車（３１）と、第１の非円形歯車（３１）によって駆動される第２の非円形歯車（３２）と、第２の非円形歯車（３２）に一端部が接続され、第２の非円形歯車（３２）の回転に従って伸縮して力を発生する伸縮体（３４）と、を備える。
2013161006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットのアーム部の回転軸回りに、該アーム部とともに回転する第１の非円形歯車と、  前記第１の非円形歯車によって駆動される第２の非円形歯車と、  前記第２の非円形歯車に一端部が接続され、該第２の非円形歯車の回転に従って伸縮して力を発生する伸縮体と、を備えた重力補償機構。
【請求項２】
請求項１記載の重力補償機構において、  前記伸縮体が、コイルばねである重力補償機構。
【請求項３】
請求項１記載の重力補償機構において、  前記伸縮体が、空気ばねである重力補償機構。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の重力補償機構において、  前記ロボットが、鉛直軸と交差する旋回軸回りに旋回する旋回部を有し、  前記アーム部に代えて、前記旋回部とし、  前記アーム部の回転軸に代えて、前記旋回部の旋回軸とした重力補償機構。
【請求項５】
該ロボットのアーム部の回転軸回りに、該アーム部とともに回転する第１の非円形歯車と、  前記第１の非円形歯車によって駆動される第２の非円形歯車と、  前記第２の非円形歯車に一端部が接続され、該第２の非円形歯車の回転に従って伸縮して力を発生する伸縮体と、を有する重力補償機構を備えたロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、重力補償機構及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１には、多関節型ロボット等の重力作用方向に駆動されるアーム装置において、広い動作範囲で駆動モータ所要トルクを低減する重力バランス装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−６９３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  ここで一般に、重力補償機構の出力トルク特性（重力補償トルク特性）が、設計者の意図した通りに設定されることが望まれる。  本発明は、重力補償トルク特性の設計自由度が高い重力補償機構及びロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、ロボットのアーム部の回転軸回りに、該アーム部とともに回転する第１の非円形歯車と、  前記第１の非円形歯車によって駆動される第２の非円形歯車と、  前記第２の非円形歯車に一端部が接続され、該第２の非円形歯車の回転に従って伸縮して力を発生する伸縮体と、を備えた重力補償機構が適用される。【０００６】  また、他の観点によれば、該ロボットのアーム部の回転軸回りに、該アーム部とともに回転する第１の非円形歯車と、  前記第１の非円形歯車によって駆動される第２の非円形歯車と、  前記第２の非円形歯車に一端部が接続され、該第２の非円形歯車の回転に従って伸縮して力を発生する伸縮体と、を有する重力補償機構を備えたロボットが適用される。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によれば、重力補償トルク特性の設計自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施例に係るロボットの説明図である。
【図２】同ロボットが有する重力補償機構を模式化した基本構成図である。
【図３】同ロボットが有する重力補償機構の第２の非円形歯車の変形例を示す説明図である。
【図４Ａ】同ロボットの動作を示す第１の説明図である。
【図４Ｂ】同ロボットの動作を示す第２の説明図である。
【図４Ｃ】同ロボットの動作を示す第３の説明図である。
【図５】同ロボットが有する重力補償機構の非円形歯車の減速比を示す説明図である。
【図６Ａ】同ロボットが有する重力補償機構の第１の構成例を示す説明図である。
【図６Ｂ】同ロボットが有する重力補償機構の第２の構成例を示す説明図である。
【図７Ａ】天吊された同ロボットを示す説明図である。
【図７Ｂ】壁掛けされた同ロボットを示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係るロボットを正面視した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
【００１０】＜第１の実施例＞  本発明の第１の実施例に係るロボット１０は、例えば図１に示すような、６軸の産業用ロボットである。
【００１１】  ロボット１０は、設置面となる床面Ｆに設置される旋回部１２と、第１のアーム部１４と、第２のアーム部１６と、第３のアーム部１８と、手首部２２と、フランジ部２４と、を備えている。また、ロボット１０は、重力補償機構３０を有している。  旋回部１２は、床面Ｆと交差する方向に延びる旋回軸（回転軸）Ｓ回りに回転できる。  第１のアーム部１４は、一端部が旋回部１２に設けられ、床面Ｆと平行な回転軸Ｌ回りに回転できる。  第２のアーム部１６は、一端部が第１のアーム部１４の先端部に設けられ、回転軸Ｌと平行な回転軸Ｕ回りに回転できる。
【００１２】  第３のアーム部１８は、一端部が第２のアーム部１６の先端部に設けられ、第２のアーム部１６の長手方向に延びる回転軸Ｒ回りに回転できる。  手首部２２は、一端部が第３のアーム部１８の先端部に設けられ、第３のアーム部１８の長手方向と交差する回転軸Ｂ回りに回転できる。  フランジ部２４は、手首部２２の長手方向に延びる回転軸Ｔ回りに回転できる。  図１はロボット１０を側面から見た図であり、同図１に記載した矢印は各軸の回転方向を示す。各軸の回転動作はサーボモータ等を用いた公知の制御システムによって制御される。また便宜上、図１における紙面の右手方向をロボットの前方、紙面の左手方向をロボットの後方と定義する。
【００１３】  重力補償機構３０は、図２に示すように、駆動側の歯車となる第１の非円形歯車３１と、従動側の歯車となる第２の非円形歯車３２と、伸縮体３４を有している。なお、図２においては、第１のアーム部１４、第２のアーム部１６、第３のアーム部１８、手首部２２、及びフランジ部２４について、全体を１つのアームＡＭとして模式化し、アームＡＭの重心ＣＧと共に表している。また、各歯車は模式的に描いたものであり、歯は省略して表している。
【００１４】  第１の非円形歯車３１は、例えば楕円形状である。第１の非円形歯車３１は、第１のアーム部１４の回転軸Ｌ回りに、第１のアーム部１４とともに回転するよう構成されている。回転軸Ｌは、第１の非円形歯車３１を正面視して（第１の非円形歯車３１の回転軸Ｌが延びる方向から見て）、中央部からオフセットした位置を通っている。
【００１５】  第２の非円形歯車３２は、例えば楕円形状である。第２の非円形歯車３２は、第１の非円形歯車３１と噛み合い、第１の非円形歯車３１によって駆動される。第２の非円形歯車３２は、旋回部１２に設けられた連結軸ＣＡＸ１回りに回転できる。連結軸ＣＡＸ１は、第２の非円形歯車３２を正面視して（第２の非円形歯車３２の回転軸である連結軸ＣＡＸ１が延びる方向から見て）、中央部からオフセットして配置されている。
【００１６】  伸縮体３４は、第２の非円形歯車３２の回転に伴って伸縮して、伸縮方向に力を発生できる。伸縮体３４の一例として、コイルばね及び空気ばねが挙げられる。  伸縮体３４の一端部は、第２の非円形歯車３２に設けられた連結軸ＣＡＸ２を介して、第２の非円形歯車３２に回転可能に接続されている。連結軸ＣＡＸ２は、第２の非円形歯車３２を正面視して、中央部からオフセットした位置であって、連結軸ＣＡＸ１とはその中央部を挟んで反対側の位置に配置されている。
【００１７】  なお、図３に示すように、第２の非円形歯車３２が接続部材３６を有し、接続部材３６の先端部に連結軸ＣＡＸ２が設けられていてもよい。すなわち、伸縮体３４の一端部は、接続部材３６に設けられた連結軸ＣＡＸ２を介して、第２の非円形歯車３２に回転可能に接続されてもよい。
【００１８】  伸縮体３４の他端部は、旋回部１２に設けられた連結軸ＣＡＸ３を介して旋回部１２に回転可能に接続される。
【００１９】  次に、ロボット１０の動作について説明する。  図４Ａに示すように、第２の非円形歯車３２と伸縮体３４は、アームＡＭの重心ＣＧが回転軸Ｌの真上に位置する場合、換言すれば回転軸Ｌ回りに重力補償トルクを発生させる必要がない場合に、第２の非円形歯車３２の連結軸ＣＡＸ１と連結軸ＣＡＸ２および旋回部１２に設けられた連結軸ＣＡＸ３とが一直線状に並ぶよう配置されている。この場合において、伸縮体３４は、連結軸ＣＡＸ１及び連結軸ＣＡＸ２を通る直線方向に連結軸ＣＡＸ２を引っ張る力Ｆ１を発生する。しかし、この力Ｆ１は第１の非円形歯車３１を回転させる力としては作用しない。従って、第２の非円形歯車３２を介して第１の非円形歯車３１に回転軸Ｌ回りの重力補償トルクは発生しない。
【００２０】  また、図４Ｂに示すように、アームＡＭが後方に傾くと、重心ＣＧに加わる重力により回転軸Ｌ回りに重力トルクＴｃｇ２が発生する。一方で、第１の非円形歯車３１が同図における反時計回りに回転することで、第２の非円形歯車３２が時計回りに回転し、伸縮体３４が伸ばされる。伸びた伸縮体３４は、第２の非円形歯車３２の回転に抗するような力Ｆ２を発生する。この力Ｆ２が第２の非円形歯車３２を介して回転軸Ｌ回りに重力補償トルクＴ２を発生させる。重力補償トルクＴ２は、回転軸Ｌ回りに発生する重力トルクＴｃｇ２を打ち消し、アームＡＭに作用する力が平衡するように作用する。
【００２１】  また、図４Ｃに示すように、アームＡＭが前方に傾くと、重心ＣＧに加わる重力により回転軸Ｌ回りに重力トルクＴｃｇ３が発生する。一方で、第１の非円形歯車３１が同図における時計回りに回転することで、第２の非円形歯車３２が反時計回りに回転し、伸縮体３４が伸ばされる。伸びた伸縮体３４は、第２の非円形歯車３２の回転に抗するような力Ｆ３を発生する。この力Ｆ３が第２の非円形歯車３２を介して回転軸Ｌ回りに重力補償トルクＴ３を発生させる。重力補償トルクＴ３は、回転軸Ｌ回りに発生する重力トルクＴｃｇ３を打ち消し、アームＡＭに作用する力が平衡するように作用する。
【００２２】  ここで、図５に示すように、第１の非円形歯車３１及び第２の非円形歯車３２の回転位置により、減速比がａ１：ｂ１〜ａ２：ｂ２に変化する。この第１の非円形歯車３１及び第２の非円形歯車３２の回転位置と減速比の関係は、両歯車３１、３２のピッチ曲線を適宜設計することで変更可能である。  よって、設計者は、重力補償機構３０に要求される出力トルク特性（重力補償トルク特性）を満たすような回転位置と減速比の関係が決定されれば、第１の非円形歯車３１及び第２の非円形歯車３２の形状を設計できる。換言すれば、設計者は第１の非円形歯車３１及び第２の非円形歯車３２の形状を変更することにより、重力補償トルク特性を変更できるので、重力補償トルク特性について高い設計自由度が確保される。  また、重力補償機構３０は、第１及び第２の非円形歯車３１、３２を用いたシンプルな構成であるため、信頼性が高い。
【００２３】  本実施例に示した重力補償機構３０については、種々の構成例が考えられる。  第１の構成例として、図６Ａに示す重力補償機構３０ａが挙げられる。重力補償機構３０ａの伸縮体３４の一端部は、ガイド４２によって伸縮体３４の長手方向に案内され、リンク４４を介して第２の非円形歯車３２に接続されている。伸縮体３４の他端部は、旋回部１２に固定されている。なお、リンク４４の一端部は、連結軸ＣＡＸ５を介して伸縮体３４の一端部に接続されている。リンク４４の他端部は、連結軸ＣＡＸ２を介して第２の非円形歯車３２に接続されている。
【００２４】  従って、伸縮体３４には、リンク４４を介して第２の非円形歯車３２の回転が伝達されるので、アームＡＭの傾きに応じて伸縮体３４が伸縮する。その結果、重力補償機構３０ａは、予め決められた特性の重力補償トルクを出力できる。
【００２５】  第２の構成例として、図６Ｂに示す重力補償機構３０ｂが挙げられる。  重力補償機構３０ｂの伸縮体３４の一端部は、連結軸を介することなく、第２の非円形歯車３２の中央部に接続され、伸縮体３４全体が第２の非円形歯車３２の回転に伴って連結軸ＣＡＸ１回りに回転する（図６Ｂに示す矢印参照）。伸縮体３４の他端部は、連結軸ＣＡＸ６を介してリンク４６の一端部に接続されている。リンク４６の他端部は、連結軸ＣＡＸ７を介して旋回部１２に接続されている。
【００２６】  従って、第２の非円形歯車３２と共に回転する伸縮体３４の長さが、第２の非円形歯車３２の回転位置（リンク４６の姿勢）によって変化する。すなわち、アームＡＭの傾きに応じて伸縮体３４が伸縮するので、重力補償機構３０ｂは、予め決められた特性の重力補償トルクを出力できる。
【００２７】  ロボットは、図７Ａに示すように、旋回部１２が天井面Ｃに設置された、いわゆる天吊タイプのロボット１０ａであってもよい。また、ロボットは、図７Ｂに示すように、旋回部１２が壁面Ｗに設置された、いわゆる壁掛けタイプのロボット１０ｂであってもよい。
【００２８】＜第２の実施例＞  続いて、本発明の第２の実施例に係るロボット１００について説明する。第１の実施例に係るロボット１０と同一の構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。  ロボット１００は、例えば図８に示すような、６軸の産業用ロボットである。  ロボット１００の旋回部１１２は、壁面に設置され、鉛直軸と交差する旋回軸Ｓ回りに旋回できる。すなわち、ロボット１００は、壁掛けタイプのロボットである。図８は、壁掛けされたロボット１００を、壁に正対して見た状態を示す図である。
【００２９】  第１の実施例では回転軸Ｌ回りに重力補償機構３０を適用したが、第２の実施例では旋回軸Ｓ回りに重力補償機構１３０を適用している。  重力補償機構１３０は、駆動側の歯車である第１の非円形歯車１３１と、従動側の歯車である第２の非円形歯車１３２と、伸縮体１３４を有している。  第１の非円形歯車１３１は、例えば楕円形状であり、旋回部１１２の旋回軸Ｓ回りに、旋回部１１２とともに回転するよう構成されている。旋回軸Ｓは、第１の非円形歯車１３１を正面視して、中央部からオフセットした位置を通っている。
【００３０】  第２の非円形歯車１３２は、例えば楕円形状であり、第１の非円形歯車１３１と噛み合い、第１の非円形歯車１３１によって駆動される。第２の非円形歯車１３２は、連結軸ＣＡＸ１１回りに回転できる。連結軸ＣＡＸ１１は、第２の非円形歯車１３２を正面視して、中央部からオフセットして配置されている。また、連結軸ＣＡＸ１１は、設置面となる壁面に固定された固定部材１４０に設けられている。
【００３１】  伸縮体１３４は、第２の非円形歯車１３２の回転に伴って伸縮して、伸縮方向に力を発生できる。伸縮体１３４の一例として、コイルばね及び空気ばねが挙げられる。  伸縮体１３４の一端部は、第２の非円形歯車１３２に設けられた連結軸ＣＡＸ１２を介して、第２の非円形歯車１３２に回転可能に接続されている。連結軸ＣＡＸ１２は、第２の非円形歯車１３２を正面視して、中央部からオフセットした位置であって、連結軸ＣＡＸ１１とはその中央部を挟んで反対側の位置に配置され、第２の非円形歯車１３２に固定された接続部材１３６に設けられている。  伸縮体１３４の他端部は、固定部材１４０に設けられた連結軸ＣＡＸ１３を介して固定部材１４０に回転可能に接続される。
【００３２】  旋回部１１２が旋回すると、旋回軸Ｓの軸方向から見て、旋回角度に応じてアームの重心位置が変動する。その結果、重心に加わる重力により旋回軸Ｓ回りに重力トルクが発生する。その際、旋回部１１２の旋回に伴って、伸縮体１３４は伸縮して力を発生するので、重力補償機構１３０は、重力トルクを打ち消すような重力補償トルクを発生できる。  重力補償機構１３０は、第１の非円形歯車１３１及び第２の非円形歯車１３２を有しているので、これら非円形歯車の形状を変更することにより、重力補償トルク特性について高い設計自由度が確保される。
【００３３】  なお、本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述の実施例や変形例の一部又は全部を組み合わせて発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３４】  前述の実施例において、ロボットは６軸の産業用ロボットに限定されるものではない。ロボットの関節数は、任意でよい。重力補償機構は、例えばヒューマノイドロボットの腕部や脚部に対しても適用できる。
【符号の説明】
【００３５】１０、１０ａ、１０ｂ：ロボット、１２：旋回部、１４：第１のアーム部、１６：第２のアーム部、１８：第３のアーム部、２２：手首部、２４：フランジ部、３０：重力補償機構、３０ａ：重力補償機構、３０ｂ：重力補償機構、３１：第１の非円形歯車、３２：第２の非円形歯車、３４：伸縮体、３６：接続部材、４２：ガイド、４４、４６：リンク、１００：ロボット、１１２：旋回部、１３０：重力補償機構、１３１：第１の非円形歯車、１３２：第２の非円形歯車、１３４：伸縮体、１３６：接続部材、１４０：固定部材、ＡＭ：アーム、Ｃ：天井面、ＣＡＸ１：連結軸、ＣＡＸ２：連結軸、ＣＡＸ３：連結軸、ＣＡＸ５：連結軸、ＣＡＸ６：連結軸、ＣＡＸ７：連結軸、ＣＡＸ１１：連結軸、ＣＡＸ１２：連結軸、ＣＡＸ１３：連結軸、ＣＧ：重心、Ｆ：床面、Ｓ：旋回軸、Ｌ、Ｕ、Ｒ、Ｂ、Ｔ：回転軸、Ｗ：壁面
【図１】
2013161006.tif 000003
【図２】
2013161006.tif 000004
【図３】
2013161006.tif 000005
【図４Ａ】
2013161006.tif 000006
【図４Ｂ】
2013161006.tif 000007
【図４Ｃ】
2013161006.tif 000008
【図５】
2013161006.tif 000009
【図６Ａ】
2013161006.tif 000010
【図６Ｂ】
2013161006.tif 000011
【図７Ａ】
2013161006.tif 000012
【図７Ｂ】
2013161006.tif 000013
【図８】
2013161006.tif 000014
【国際調査報告】
2013161006.tif 000015
2013161006.tif 000016
2013161006.tif 000017
2013161006.tif 000018