(57)【要約】【課題】ロボットアームの稼動範囲全域でロボットの自重トルクを補償できるバランス機能を備えた自重補償アームを、簡単な構成、かつ安価に提供することを目的としている。【解決手段】少なくとも１つの関節と２つのアームから構成されるロボットであって、第１のアーム１と関節支点３を中心に第１のアーム１に対して回動自在に支持された第２のアーム２と、前記第２のアーム２を任意の角度で静止させるバランス機構７とを備え、前記第１のアーム１の一端に固定溝４を、前記第２のアーム２の一端に可動溝５が備えられ、前記固定溝４と前記可動溝５に沿って動作する可動ピン６により前記第１アーム１と前記第２アーム２が連結されるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの関節と２つのアームから構成されるロボットであって、第１のアームと関節支点を中心に第１のアームに対して回動自在に支持された第２のアームと、前記第２のアームを任意の角度で静止させるバランス機構とを備え、前記第１のアームの一端に固定溝を、前記第２のアームの一端に可動溝が備えられ、前記固定溝と前記可動溝に沿って動作する可動ピンにより前記第１アームと前記第２アームが連結されることを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状は、前記第２のアームの姿勢により生じる自重トルクと、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが一致するように算出された軌跡から求められたことを特徴する請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記バランス機構の一端が前記第１のアームに、他端が前記可動ピンへ固定されていることを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記バランス機構には引っ張りコイルバネが用いられていることを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項５】
予めワークの保持姿勢がわかっている場合、前記第２のアームの自重トルクにワークの自重トルクを足し合わせ、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが足し合わされた前記自重トルクと一致するように算出された軌跡から前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状を形成したことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は作動アームの姿勢角度に関わらず、作動アームの自重トルクをバランス機構の弾性力により補償することのできるロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に機械装置の組立作業などを行うロボットアームは、障害物との接触を容易に回避することができ、狭い環境にも入り込ませることのできる多関節アームがほとんどである。しかしながら、そのような多関節アームでは関節数が増加するに従って、アクチュエータをそのまま関節に設置して構成しようとすると、自重が増加するため、アクチュエータ出力はアーム重量を保持することに大きく消費され、アームの姿勢によっては可搬質量をほとんど出すことができなくなる。また、アクチュエータ容量を大きくし可搬質量を大きく設計しようとすると、関節機構およびアクチュエータが大型化してしまい、更なるアームの質量アップにつながるという問題があった。
【０００３】
これを解消するために、自重補償アームが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなロボットは、自重トルクを補償することによりアクチュエータの容量を小さくし、アクチュエータの小型・軽量化、低コスト化などを図るために用いられる。
また、第２の自重補償アームが提案されている（例えば、特許文献２参照）。ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性を調整できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−３６９１４号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平６−１７０７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で提案された自重補償アームは、引っ張りコイルバネによりアームに加わる自重に基づく重力を補償するものであるが、引っ張りコイルバネのバネ定数および、引っ張りコイルバネの自然長と、回転リンクが土台に対してなす角度θが自重トルクに対して釣り合う条件を満たした時に、その一姿勢でのみ自重トルクと補償トルクが釣り合っていたに過ぎず回転リンクの回動範囲および自重補償範囲が非常に制限されるものであった。
また、ロボットアームを床設置する場合には自重補償としての機能を果たすが、他の設置姿勢(例えば天井設置やヒューマノイドタイプのロボットのような下向き設置)の場合には自重補償が機能しないという問題点があった。
【０００７】
特許文献２で提案された自重補償アームは、ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性の調整が可能ではあるが、特許文献１同様に回転リンクが土台に対してなす角度θが自重トルクに対して釣り合う条件を満たした時にその一姿勢でのみ自重トルクと補償トルクが釣り合っているにすぎず、自重補償の精度が高くない。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットアームの可動範囲全域でロボットの自重トルクを高精度で補償でき、ロボットアームの設置方向にあわせて自重補償特性の調整が可能なバランス機能を備えたロボットを、簡単な構成で実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明は次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの関節と２つのアームから構成されるロボットであって、第１のアームと関節支点を中心に前記第１のアームに対して回動自在に支持された第２のアームと、前記第２のアームを任意の角度で静止させるバランス機構とを備え、前記第１のアームの一端に固定溝を、前記第２のアームの一端に可動溝が備えられ、前記固定溝と前記可動溝に沿って動作する可動ピンにより前記第１アームと前記第２アームが連結されるものである。
請求項２に記載の発明は、前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状は、前記第２のアームの姿勢により生じる自重トルクと、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが一致するように算出された軌跡から求められたものである。
請求項３に記載の発明は、前記バランス機構の一端が前記第１のアームに、他端が前記可動ピンへ固定されているものである。
請求項４に記載の発明は、前記バランス機構には引っ張りコイルバネが用いられているものである。
請求項５に記載の発明は、予めワークの保持姿勢がわかっている場合、前記第２のアームの自重トルクにワークの自重トルクを足し合わせ、前記第１アームに備えられたバランス機構の自重補償トルクが足し合わされた前記自重トルクと一致するように算出された軌跡から前記可動ピンが動作する前記可動溝の形状を形成したものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、ロボットアームの動作範囲全域において、ロボットアームの自重トルクに釣り合うよう自重を補償できるようになるため、関節数が増加してアームの自重が大きくなってもアクチュエータの出力は自重補償に費やされることなく、ワークの可搬重量を確保することができる。また、各関節に配置するアクチュエータの容量を小さくでき、アームの小型軽量化にすることができる。
また、マニピュレータの設置方向にあわせて重力補償特性の調整が可能であるため、天井設置するロボットアームやヒューマノイドタイプのロボットアームなどにも適用可能である。特にサービスロボットのようなアームを有するバッテリ駆動のロボットにおいては、省エネルギー化に貢献できロボット全体の長時間稼動を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】アームの伸展時の側面図である。
【図２】アームの屈曲時の側面図である。
【図３】アームの概念図である。
【図４】アームの重力トルクおよびバネによる補償トルクを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明のアームの伸展時の側面図、図２は屈曲時の側面図である。固定部に支持された第１のアーム１と関節支点３を中心に第１のアーム１に対し回動自在に支持された第２のアーム２と、第２のアーム２を回動させるアクチュエータ(図示せず)と、第２のアーム２を任意の角度で静止させるバランス機構７とを備えており、また関節支点３近傍の第１のアーム１に固定溝４、第２のアーム２に可動溝５が設置されており、前記、固定溝４および可動溝５に沿って動作できるよう可動ピン６が設置されており、固定溝４および可動溝５の溝形状により可動ピン６の位置は一意に決定される。またバランス機構７はカバー８、カバー８内部に納められたスプリング９から構成され、スプリング９の一端が第１のアーム１に掛止され、他端が可動ピン６に固定されており、これにより第２のアーム２の揺動位置に応じてバランス機構７内部のスプリング９長が変化し、張力を発生する。
【００１４】
次に本発明のアームの動作について説明する。まず第２のアーム２が図１に示す伸展位置にあり、自重トルク及び補償トルクともに０で釣り合っている。そして図２に示すように第２のアーム２が正方向に回動すると、第２のアーム２の自重トルクは、第２のアームの重力方向の自重が作用するのでｓｉｎカーブを描いて増加するため、これに伴いバランス機構の発生する自重補償トルクを同様に増加させることで釣り合いは保たれる。しかしながら角度θが正方向に大きくなるにつれてスプリング９の伸びは戻され、スプリング９に依る張力が減少していく。このため、あらかじめ任意の角度θの姿勢での自重トルクと釣り合う補償トルクが得られるよう、スプリング９に依る張力の減少を考慮して、固定溝４のレバー長を算出し、固定溝４の形状を適用する。これにより自重トルクと補償トルクを第２のアーム２の動作範囲全域において、常に同等に保つことが可能になる。図４に上記動作の第１のアーム１と第２のアーム２のなす角θと自重トルク、スプリング９の張力及び固定溝４のレバー比を表したグラフを示す。本実施例では第２のアーム２は正方向に１３０°回動可能となっているが１８０°まで補償が可能である。なお、本明細書中においては、説明の便宜上、反時計方向の回転を正、図示時計方向の回転を負として表すこととする。
【００１５】
次に図３に示す、本発明の実施例による自重補償アームの概念図を用いて固定溝形状の設計方法を詳細に説明する。図において、第２のアーム２の質量Ｍ１０、及び第２のアーム２の姿勢θより自重トルクは以下の如く算出される。
(自重トルク)＝Ｍ・ｇ・Ｌ1・Ｓｉｎθ(式中ｇは重力加速度を表す)      （１）
【００１６】
続いて補償トルクの算出を行う。関節支点３から関節支点３の鉛直上方に設置されスプリング９の一方を取り付けている固定端１１までの距離をＬ0  、関節支点３から第２のアーム２の重心位置までの距離をＬ1  、関節支点３からスプリング９までの垂直距離をｒとおく。また関節支点３を原点とし本図右側をＸ方向正、本図下側をＹ方向正とした時、可動ピン６の座標(Ｘ，Ｙ)で表すと、補償トルクは以下の如く算出される。
(補償トルク)＝Ｋ・ｒ・［｛Ｘ2＋（Ｌ0＋Ｙ）2｝1/2−Ｌ］        （２）
(式中Ｌはスプリング９の自然長、Ｋはスプリング９のバネ定数を表す。)
【００１７】
上記、自重トルク及び補償トルクが常に釣り合うことつまり下記式が成り立つことで、第２のアーム２の可動範囲全域において、自重補償効果が得られることとなる。
Ｍ・ｇ・Ｌ1・Ｓｉｎθ＝Ｋ・ｒ・［｛Ｘ2＋（Ｌ0＋Ｙ）2｝1/2−Ｌ］      （３）
ここで、ＳｉｎθおよびｒをＸ、Ｙ、Ｌ0で表すことで以下の式が得られる。
Ｍ・ｇ・Ｌ1  /（Ｘ2＋Ｙ2）1/2＝Ｋ・Ｌ0・［１−Ｌ/｛Ｘ2＋（Ｌ0＋Ｙ）2｝1/2］    （４）
上記式を満たすＸ、Ｙの軌跡を固定溝４の形状として反映すれば、自重トルクと補償トルクは常に釣り合った状態で可動することができる。
また、スプリング９に初期張力Ｔ0を与えた場合は、以下の式が得られる。
Ｍ・ｇ・Ｌ1  /（Ｘ2＋Ｙ2）1/2＝Ｌ0・［Ｋ＋(Ｔ0−ＫＬ)/｛Ｘ2＋（Ｌ0＋Ｙ）2｝1/2］  (５)
【００１８】
本発明が従来例と異なる点は、あらかじめ任意の角度θの姿勢において自重トルクと釣り合う補償トルクが得られるよう、固定溝４の形状を上記式によって算出し、固定溝４に沿って動作する可動ピン６へとバランス機構７の一端を固定することで、可動範囲域においてアーム自重を補償することができる点である。またロボットアームがワークを保持した状態でとる姿勢をあらかじめ決めておけば、ワーク保持姿勢でのみバランス機構７の補償力を必要となる自重トルクにワークの自重トルクを足し合わせて、バランス機構の自重補償トルクを算出できるように可動ピンが動作する可動溝を形成するとともにスプリングを強化しておくことで、ワーク保持時のアクチュエータ出力を抑えることも可能である。
【符号の説明】
【００１９】
１    第１のアーム
２    第２のアーム
３    関節支点
４    固定溝
５    可動溝
６    可動ピン
７    バランス機構
８    カバー
９    スプリング
１０  第２のアームの質量Ｍ
１１  固定端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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