(57)【要約】      （修正有）【課題】ロボットアームのような多関節リンク機構部において、重力等の重さによって生じる影響を吸収する重力補償機構を提供すること。【解決手段】重力補償機構は、３自由度を有する回転可能なリンク部材に設置されるものであって、前記リンク部材の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、前記第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３自由度を有する回転可能なリンク部材に設置される重力補償機構であって、
前記リンク部材の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、
前記第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備することを特徴とする重力補償機構。
【請求項２】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けられることを特徴とする、請求項１記載の重力補償機構。
【請求項３】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、
前記１自由度重力補償器の他端は、前記回転べベルギア又は回転べベルギアに連結されたカムプレートに固定されることを特徴とする、請求項１記載の重力補償機構。
【請求項４】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、
前記１自由度重力補償器の他端は、前記第２回転軸上に固定された固定べベルギアと連結される、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに固定されることを特徴とする、請求項２記載の重力補償機構。
【請求項５】
前記１自由度重力補償器は、
一端は前記リンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び、
一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項１記載の重力補償機構。
【請求項６】
請求項１記載の重力補償機構を含むロボットアーム。
【請求項７】
請求項１記載の重力補償機構を複数連結して、３自由度以上の重力補償が可能であるロボットアーム。
【請求項８】
一端は３自由度回転が可能であり、他端は２自由度回転が可能な、ロボットアームに設置される重力補償機構であって、
前記ロボットアームの一端の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、
前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の第１回転べベルギアの軸に一対の第１カムプレートが固定され、それぞれの第１カムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備し、
前記ロボットアームの他端の２自由度回転の出力リンクである第２回転リンクは、前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転によってそれぞれ拘束され、前記ロボットアームの一端と平行に運動することを特徴とする重力補償機構。
【請求項９】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けることを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１０】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記第１回転べベルギアの外側に配置された第１カムプレート又は第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギア又は前記第２回転べベルギアに連結された第２カムプレートに固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、第１回転リンクに固定されることを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１１】
前記ロボットアームの他端の２自由度の回転は、差動べベルギアによって拘束されることを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１２】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第５回転軸上に配置された第２回転リンクに固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第１回転リンクに取り付けられることを特徴とする、請求項１１記載の重力補償機構。
【請求項１３】
前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含むことを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１４】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトに連結することを特徴とする、請求項１３記載の重力補償機構。
【請求項１５】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することを特徴とする、請求項１３記載の重力補償機構。
【請求項１６】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第３回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することを特徴とする、請求項１３記載の重力補償機構。
【請求項１７】
前記１自由度重力補償器は、
一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び
一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１８】
前記ロボットアームの一端の第１回転、第２回転及び第３回転を起こすように、３つのモーターがそれぞれ独立して連結されることを特徴とする、請求項８記載の重力補償機構。
【請求項１９】
請求項８記載の重力補償機構を含むロボットアーム。
【請求項２０】
請求項８記載の重力補償機構を複数連結して、３自由度以上の重力補償が可能であるロボットアーム。
【請求項２１】
３自由度を有する回転可能なリンク部材と、重力補償機構とを含むロボットアームであって、
前記リンク部材の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、
前記第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備し、
１つのモーターが前記第１回転のために独立して配置され、２つのモーターが前記第２回転及び第３回転のために前記差動べベルギアに連結されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２２】
前記２つのモーターは、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結されることを特徴とする、請求項２１記載のロボットアーム。
【請求項２３】
一端は３自由度回転が可能であり、他端は１自由度回転が可能なロボットアームに設置される重力補償機構であって、
前記ロボットアームの一端の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第２回転及び第３回転は、それぞれのロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、
前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、
前記複数の差動べベルギアのうち、回転移動する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、
前記ロボットアームの他端の第４回転軸上に、複数のプーリーと第２リンク部材が自由に回転可能に配置され、
前記複数のプーリーは、前記ロボットアームの一端の第３回転に拘束されて回転し、
前記複数のプーリーと第２リンク部材との間には、複数の１自由度重力補償器が具備されることを特徴とする重力補償機構。
【請求項２４】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けられることを特徴とする、請求項２３記載の重力補償機構。
【請求項２５】
前記１自由度重力補償器は、
一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び
一端は前記カムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、
前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮されることを特徴とする、請求項２３記載の重力補償機構。
【請求項２６】
前記複数のプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアを同一に回転させる装置をさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の重力補償機構。
【請求項２７】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することを特徴とする、請求項２６記載の重力補償機構。
【請求項２８】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することを特徴とする、請求項２６記載の重力補償機構。
【請求項２９】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することを特徴とする、請求項２６記載の重力補償機構。
【請求項３０】
前記複数のプーリーと前記第２リンク部材の間に具備される１自由度重力補償器の一端は、前記第２リンク部材に固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、前記複数のプーリーに固定されることを特徴とする、請求項２３記載の重力補償機構。
【請求項３１】
請求項２３記載の重力補償機構を有するロボットアームであって、
第１回転、第２回転、第３回転及び第４回転のために、４つのモーターがそれぞれ独立して連結されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項３２】
請求項２３記載の重力補償機構を有するロボットアームであって、
１つのモーターが前記第１回転及び第４回転のために独立して配置され、２つのモーターが第２回転と第３回転のために前記差動べベルギアにそれぞれ連結されることを特徴とするロボットアーム。
【請求項３３】
前記２つのモーターは、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結されることを特徴とする、請求項３２記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力補償機構及びこれを利用するロボットアームに関し、より詳細には、ロボットアームのような多関節リンク機構部において、重力等の重さによって生じる影響を吸収する重力補償機構及びこれを利用するロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の生活環境を便利にしたり、産業現場での作業を補助するための多様なロボットが開発されている。特に、塗装、溶接などをはじめ、多様な産業分野において活用されるロボットアームが多数開発されている。こうした産業用多関節ロボットアームは、高重量の作業物を移送及び支持しなければならないため、高いトルクを出せることが非常に重要である。
【０００３】
このような多関節ロボットアームは、自重や作業物の重量により負荷トルクを受けることとなり、こうした負荷トルクは、駆動モーターなどの駆動機の容量を設計する上で直接的な影響を及ぼす。特に、駆動モーターに作用する荷重の中で、ロボットアームの自重によって発生するトルク成分の占める比重は非常に高い。
【０００４】
従来、ロボットアームの駆動機の容量を決定する場合には、作業物によって発生するトルクはもちろん、ロボットアーム自体の自重によって発生する重力トルクも考慮しなければならないため、ロボットアームを駆動するための動力源の容量を大きくする必要があるという問題があった。
また、従来は、ロボットアーム等の自重による重力を補償するという概念の単純なアイデアが理論的には提示されてきていたが、現実的にこれを実践適用した機構は開発されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本公開特許公報 特開1997-216182号
【特許文献２】日本公開特許公報 特開1996-192383号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、多自由度（Ｍｕｌｔｉ  Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｆｒｅｅｄｏｍ）関節からなるロボットアームのようなリンク機構部の自重による重力の影響を相殺させる重力補償機構及びこれを利用するロボットアーム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】
【０００７】
前述した目的を達成するための本発明の一実施例に係る重力補償機構は、３自由度を有する回転可能なリンク部材に設置されるものであって、前記リンク部材の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、前記第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備する。
【０００８】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けることができる。
【０００９】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、前記回転べベルギア又は回転べベルギアに連結されたカムプレートに固定することができる。
【００１０】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記リンク部材に固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、前記第２回転軸上に固定された固定べベルギアと連結される、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに固定することができる。
【００１１】
前記１自由度重力補償器は、一端は前記リンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び、一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
【００１２】
本発明の一実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を含む。
【００１３】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を複数連結して、３自由度以上の重力補償が可能である。
【００１４】
本発明の他の実施例に係る重力補償機構は、一端は３自由度回転が可能であり、他端は２自由度回転が可能なロボットアームに設置されるものであって、前記ロボットアームの一端の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の第１回転べベルギアの軸に一対の第１カムプレートが固定され、それぞれの第１カムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備し、前記ロボットアームの他端の２自由度回転（第４、第５回転）の出力リンクである第２回転リンクは、前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転によってそれぞれ拘束され、前記ロボットアームの一端と平行に運動する。
【００１５】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けることができる。
【００１６】
前記１自由度重力補償器の一端は、前記第１回転べベルギアの外側に配置された第１カムプレート又は第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギア又は前記第２回転べベルギアに連結された第２カムプレートに固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、第１回転リンクに固定することができる。
【００１７】
前記ロボットアームの他端の２自由度の回転は、差動べベルギアによって拘束することができる。
【００１８】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第５回転軸上に配置された第２回転リンクに固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第１回転リンクに取り付けることができる。
【００１９】
前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含めることができる。
【００２０】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することができる。
【００２１】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することができる。
【００２２】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転する第２回転べベルギアと、第３回転軸を中心に回転する第１回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することができる。
【００２３】
前記１自由度重力補償器は、一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び、一端はカムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
【００２４】
前記ロボットアームの一端の第１回転、第２回転及び第３回転を起こすように、３つのモーターをそれぞれ独立して連結することができる。
【００２５】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を含む。
【００２６】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を複数連結して、３自由度以上の重力補償が可能である。
【００２７】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、３自由度を有する回転可能なリンク部材と、重力補償機構とを含むものであって、前記リンク部材の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記リンク部材の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、前記第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、それぞれのカムプレートに連結される１自由度重力補償器を具備し、１つのモーターが前記第１回転のために独立して配置され、２つのモーターが前記第２回転及び第３回転のために前記差動べベルギアに連結される。
【００２８】
前記２つのモーターは、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結することができる。
【００２９】
本発明の他の実施例に係る重力補償機構は、一端は３自由度回転が可能であり、他端は１自由度回転が可能なロボットアームに設置されるものであって、前記ロボットアームの一端の第１回転は、ヨー（ｙａｗ）回転で重力方向と一致し、前記ロボットアームの一端の第２回転及び第３回転は、それぞれロール（ｒｏｌｌ）回転及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）回転であり、前記ロボットアームの一端の第２回転と第３回転は、複数の差動べベルギアによって拘束され、前記複数の差動べベルギアのうち、回転移動する一対の回転べベルギアの軸に一対のカムプレートが固定され、前記ロボットアームの他端の第４回転軸上に、複数のプーリーと第２リンク部材が自由に回転可能に配置され、前記複数のプーリーは、前記ロボットアームの一端の第３回転に拘束されて回転し、前記複数のプーリーと第２リンク部材との間には、複数の１自由度重力補償器が具備される。
【００３０】
前記複数の差動べベルギアのうち、１つの固定べベルギアは、第２回転軸上に固定され、残りの回転べベルギアは、自由に回転可能に、第３回転軸上に取り付けることができる。
【００３１】
前記１自由度重力補償器は、一端はリンク部材に固定されたスプリング固定部に固定され、他端は前記スプリング固定部に取り付けられたガイドバーに沿って移動するスライド部材に固定されるスプリング；及び、一端は前記カムプレートの側面に具備された回転可能な連結具に固定され、他端は前記リンク部材に固定されたアイドルプーリーと、スライド部材の内側に具備された滑車を介して、リンク部材に固定されたワイヤ固定部に連結されるワイヤを含み、前記スライド部材が前記スプリング固定部の方向に移動すると、前記スプリングが圧縮され得る。
【００３２】
前記複数のプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアを、同一に回転させる装置をさらに含めることができる。
【００３３】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれタイミングベルトプーリーを具備して、前記タイミングベルトプーリーをタイミングベルトで連結することができる。
【００３４】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに、それぞれワイヤプーリーを具備して、前記ワイヤプーリーをワイヤで連結することができる。
【００３５】
前記同一に回転させる装置は、前記第４回転軸を中心に回転するプーリーと、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアのそれぞれの円周上に回転部を具備して、前記回転部をリンクで連結することができる。
【００３６】
前記複数のプーリーと前記第２リンク部材の間に具備される１自由度重力補償器の一端は、前記第２リンク部材に固定され、前記１自由度重力補償器の他端は、前記複数のプーリーに固定することができる。
【００３７】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を有し、第１回転、第２回転、第３回転及び第４回転のために、４つのモーターがそれぞれ独立して連結される。
【００３８】
本発明の他の実施例に係るロボットアームは、前記重力補償機構を有し、１つのモーターが前記第１回転及び第４回転のために独立して配置され、２つのモーターが第２回転及び第３回転のために前記差動べベルギアにそれぞれ連結される。
【００３９】
前記２つのモーターは、第３回転軸を中心に回転する回転べベルギアに連結することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る重力補償機構は、ロボットアーム及び多様なリンク部材を駆動するために使用される動力源のパワーを大幅に減らすことができる。こうした動力の減少は、ひいては、ロボットアームの全体的な重量の減少と動力効率の増加につながり、大きなエネルギー節減効果をもたらす。
【００４１】
また、本発明に係る重力補償機構は、相対的に少ない駆動力を必要とするため、製作コストの削減をもたらし、将来的に実用化を通じた価格競争力のある製品開発を可能とする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係る重力補償機構を具備したロボットアームの斜視図である。
【図２】図１に示されたロボットアームの背面図である。
【図３】図１に示されたロボットアームの側面図である。
【図４】１自由度重力補償器の構成を示した図面である。
【図５】図１に示されたロボットアームが連続的に連結された構成を示した図面である。
【図６】本発明の他の実施例に係る、４自由度を有するロボットアームの図面である。
【図７】本発明の他の実施例に係る、４自由度を有するロボットアームの図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下では、添付した図面を参照して、本発明の好適な実施例に係る重力補償機構及びこれを利用するロボットアームについて詳細に説明する。
【００４４】
図１は、本発明の実施例に係る重力補償機構を具備したロボットアームの斜視図、図２は、図１に図示されたロボットアームの背面図、図３は、図１に図示されたロボットアームの側面図である。
【００４５】
図１ないし図３を参照すると、本発明の一実施例に係る重力補償機構を具備したロボットアーム１００は、ロボットアームの基礎骨格をなすリンク部材１０３と、このリンク部材１０３の関節部に設置されてリンク部材１０３の回転移動に応じて動く第１回転部材１０１と第２回転部材１０２、及び、ロボットアーム１００の移動に伴う自重による重力を吸収する１自由度重力補償器１５０を含んでいる。
【００４６】
本実施例において、ロボットアーム１００は、互いに交差する第１回転軸１０５と第２回転軸１０６、第３回転軸１０７を中心に、それぞれ回転することができる３自由度関節ロボットアームである。
【００４７】
まず、ロボットアーム１００の回転について説明する。第１回転のためのモーター１４０を基準フレームに取り付け、モーター１４０の出力軸に第１回転部材１０１を連結する。したがって、第１回転部材１０１は、モーター１４０によって回転する。第２回転軸１０６に対応する連結軸部１１３が第１回転部材１０１に固定される。
【００４８】
第２回転部材１０２の側面には、ベアリングが取り付けられ、前記連結軸部１１３に沿って第２回転部材１０２が自由に回転することができる。第２回転部材１０２の内側には、差動べベルギアが具備される。このうち、固定べベルギア１１０は、前記連結軸部１１３に固定され、残る１対の第１回転べベルギア１１１は、第２回転部材１０２の両側面にベアリングを具備して連結する。すなわち、固定べベルギア１１０は第２回転軸１０６上に、１対の第１回転べベルギア１１１は第３回転軸１０７上に配置される。
【００４９】
リンク部材１０３は、所定の間隔を空けて配置される１対の側壁リンク１１４及びこの側壁リンク１１４の間隔を保持する複数のスペーサリンク１１５を具備する。側壁リンク１１４の両端には、ベアリングが具備され、リンク部材１０３の一端に前記第１回転べベルギア１１１の軸を連結する。すなわち、リンク部材１０３は、第２回転部材１０２に対し、第３回転軸１０７に沿って自由に回転することができる。
【００５０】
リンク部材１０３の外側には、１対の第１回転べベルギア１１１の軸に固定される１対の第１カムプレート１１２が具備される。したがって、１対の第１回転べベルギア１１１と１対の第１カムプレート１１２は、同一に回転する。また、リンク部材１０３の回転時、１対の第１カムプレート１１２とリンク部材１０３との間には、相対回転が発生する。
【００５１】
リンク部材１０３の他端にも、差動べベルギアが具備される。リンク部材１０３の他端に具備されたベアリングに、１対の第２回転べベルギア１２１の軸が連結される。１対の第２回転べベルギア１２１の軸には、リンク部材１０３の他端に位置する第１回転リンク１６０がベアリングに連結されて自由に回転することができる。すなわち、リンク部材１０３の他端に位置する第４回転軸１０８に沿って回転可能である。
【００５２】
第１回転リンク１６０の内側に位置する固定べベルギア１２０は、リンク部材１０３の他端に位置する第２回転リンク１０４に固定された固定軸１６１に取り付けられる。第１回転リンク１６０にベアリングが具備されて、固定軸１６１に連結されている。したがって、リンク部材１０３の他端に位置する第２回転リンク１０４は、第２回転べベルギア１２１の回転によって、第４回転軸１０８と第５回転軸１０９に沿って回転することができる。
【００５３】
リンク部材１０３の一端の構成と同様に、リンク部材１０３の他端の外側には、第２回転べベルギア１２１の軸に固定される１対の第２カムプレート１２２が具備される。したがって、第２回転べベルギア１２１と第２カムプレート１２２は、同一に回転する。また、第２回転リンク１０４の回転時、第２カムプレート１２２とリンク部材１０３との間には、相対回転が発生する。
【００５４】
リンク部材１０３の他端に位置する第２カムプレート１２２は、リンク部材１０３の一端に位置する第１カムプレート１１２によって回転することができる。このために、リンク部材１０３の両端に位置する２対のカムプレート１１２，１２２の円周上にタイミングベルト歯型１３０をそれぞれ具備し、図３に示すように、リンク部材１０３の両側に具備されたカムプレート１１２，１２２をそれぞれタイミングベルト１３１で連結する。
【００５５】
本実施例においては、リンク部材１０３の両側に具備されたカムプレート１１２，１２２をタイミングベルトで連結したが、カムプレート１１２，１２２にワイヤ溝を具備して、鋼線ワイヤで連結することができる。また、それぞれのカムプレート１１２，１２２の側面に回転部を構成し、これをリンクで連結する方法も可能である。
【００５６】
図４は、１自由度重力補償器の構成を図示した図面である。
【００５７】
図４を参照すると、重力によるエネルギーを保存するスプリング２１２、ワイヤ２１０、滑車の構造が示されている。スプリング２１２の一端は、リンク部材１０３に固定されたスプリング固定部２１９に固定され、スプリング２１２の他端は、スプリング固定部２１９に取り付けられたガイドバー２１１に沿って移動するスライド部材２１３に固定される。したがって、スライド部材２１３がスプリング固定部２１９の方向に動くと、スプリング２１２は、圧縮される。
【００５８】
鋼線ワイヤ２１０の一端は、第１カムプレート１１２の側面に具備された回転可能な連結具２１７に固定される。鋼線ワイヤ２１０は、リンク部材１０３に固定されたアイドルプーリー２１６，２１５とスライド部材２１３の内側に具備されたプーリー２１４を介して、リンク部材１０３に固定されたワイヤ固定部２１８に連結される。図面に示してはいないが、図４のスプリング２１２及びワイヤ２１０、滑車の配置は、中心線Ａ−Ａを基準にして、対称的に配置される。
【００５９】
本実施例においては、コイルスプリングにより構成したが、これに限定されず、板ばねなど、多様な弾性部材に変形させることができる。また、本実施例においては、ガイドバー２１１とスプリング２１２が２つずつ設置されているが、その数は、多様に増減することができる。また、本実施例においては、バネの変位を作り出するために鋼線ワイヤを使用したが、シリンダの内側にコイルスプリングを具備して、シリンダの一端は回転可能な連結具２１７の位置に、他端はアイドルプーリー２１６の位置に回転可能に固定することができる。
【００６０】
本実施例においては、重力補償のためにスプリング及びワイヤ、滑車で具現しているが、これに限定されず、内側と外側にカムプロファイルが具備された１自由度重力補償器のように、多様な１自由度の重力補償器で代替構成することができる。代替の構成の際、１自由度重力補償器の一端は、リンク部材１０３に固定し、出力である他端は、第１カムプレート１１２に固定することができる。又は、１自由度重力補償器の一端は、カムプレート１１２に固定し、出力である他端は、リンク部材１０３に固定することもできる。又は、１自由度重力補償器の一端は、リンク部材１０３に固定し、出力である他端は、第２カムプレート１２２に固定することができる。又は、１自由度重力補償器の一端は第２カムプレート１２２に、出力である他端はリンク部材１０３に固定することができる。
【００６１】
第１回転軸１０５は、第１回転モーター１４０によって駆動される。また、第２回転軸１０６及び第３回転軸１０７のために、１対の第１カムプレート１１２の円周面にギアを具備してピニオンギヤと連結し、前記ピニオンギヤに固定されたタイミングベルトプーリーを具備した後、リンク部材１０３に固定されたモーター１４１，１４２の軸に固定されたタイミングベルトプーリーと、タイミングベルトで連結することができる。本実施例において説明した、第１カムプレート１１２をモーター１４１，１４２で駆動する動力伝達方法は、例示に過ぎず、これに限定されない。
【００６２】
また、本実施例においては表現されていないが、第２回転のために、モーターの一端は、第１回転部材１０１に固定され、出力である他端は、ギアプーリー等の手段により第２回転部材１０２に固定することができる。同様に、第３回転のために、リンク部材１０３と第２回転部材１０２との間にモーターを直結することができる。
【００６３】
以上、重力補償機構を具備したロボットアーム１００の各構成について説明してきたが、以下では、重力補償機構を具備したロボットアーム１００の動作について説明する。
【００６４】
第１回転軸１０５が重力方向と平行であれば、リンク部材１０３の第１回転軸１０５に作用するトルクは変化がない。したがって、第１回転方向の重力補償については考慮しない。
【００６５】
第２回転軸１０６を基準に回転するロボットアーム１００の動作を見てみると、互いに対向するモーター１４１とモーター１４２を同じ方向に（実際の回転方向は反対である）回転させると、リンク部材１０３は、第２回転軸１０６を中心に回転する。
【００６６】
リンク部材１０３の回転によって、第２回転部材１０２が固定べベルギア１１０の連結軸部１１３を基準に回動することになる。このとき、第２回転部材１０２の回動によって、１対の第１回転べベルギア１１１が固定べベルギア１１０と噛合しつつ回転することになる。これにより、前記回転ベベルギア１１１と一体に連結された１対の第１カムプレート１１２もともに回転する。
【００６７】
第１カムプレート１１２が回転すると、第１カムプレート１１２に装着された連結具２１７が移動しつつ鋼線２１０を引っ張り寄せ、これにより、スライド部材２１３は、鋼線２１０の張力によってスプリング固定部２１９側に移動しつつスプリング２１２を圧縮する。この圧縮されたスプリング２１２の力が、ロボットアーム１００の自重による重力を相殺させる。したがって、ロボットアーム１００は、一定の角度で第２回転軸１０６を中心に回転しても、重力によってそれ以上下方に移動せず、無重力のような状態でその姿勢をそのまま維持することができる。
【００６８】
次に、第３回転軸１０７を基準に回転するロボットアーム１００の動作について見てみる。リンク部材１０３を、第３回転軸１０７を基準に回転させると、リンク部材１０３は、第２回転軸１０６を基準に回転する。このとき、第２回転部材１０２及びべベルギア１１０，１１１は回転せず、元の姿勢をそのまま維持する。
【００６９】
したがって、スプリング２１２が装着されたリンク部材１０３のみが回動し、鋼線２１０には、スライディング部材２１３を引っ張り寄せる張力が発生し、これにより、スプリング２１０が圧縮される。この圧縮されたスプリング２１２の力が、ロボットアーム１００の自重による重力を相殺させる。したがって、ロボットアーム１００は、一定の角度で第３回転軸１０７を中心に回転しても、重力によってそれ以上下方に移動せず、無重力のような状態で、その姿勢をそのまま維持することができる。
【００７０】
一方、スプリング２１２の弾性係数は、ロボットアーム１００の自重、長さなどを考慮して、適切に設計することができる。
【００７１】
次に、第２カムプレート１２２付近に位置する第２回転リンク１０４の動作について見てみる。第１カムプレート１１２と第２カムプレート１２２は、タイミングベルト１３１により連結されている。したがって、第２カムプレート１２２は、リンク部材１０３に対して、第１カムプレート１１２と同一の角度で回転する。
【００７２】
リンク部材１０３の第３回転軸１０７を基準にロボットアーム１００を回転させると、第１カムプレート１１２は、相対的に、リンク部材１０３に対して反対方向に回転する。また、第２カムプレート１２２と、第２カムプレート１２２に連結された１対の第２回転べベルギア１２１も、リンク部材１０３に対して反対方向に回転する。このとき、固定べベルギア１２０の軸に連結された第１回転リンク１６０も、リンク部材１０３に対して反対方向に回転する。したがって、第１回転リンク１６０は、ロボットアーム１００の第３回転軸１０７に対して反対方向に回転する。
【００７３】
リンク部材１０３の第２回転軸１０６を基準にロボットアーム１００を回転させると、１対の第２カムプレート１２２に連結された１対の第２回転べベルギア１２１は、互いに反対方向に回転する。固定べベルギア１２０は、ロボットアーム１００の回転と反対方向に回転する。また、固定べベルギア１２０に固定された第２回転リンク１０４も、ロボットアーム１００の回転と反対方向に回転する。
【００７４】
したがって、第２回転リンク１０４は、ロボットアーム１００の第２回転及び第３回転に対して、第１回転部材１０１と平行に動作する。
【００７５】
多自由度ロボットアームにおいて３自由度回転に対する重力補償のみを考慮する場合、ロボットアーム１００において、差動べベルギア１２０，１２１に関係したすべての部品１０４，１２２，１３１，１６０，１６１は省いても差し支えない。すなわち、重力補償において、３自由度以上の多自由度の拡張の場合、差動べベルギア１２０，１２１に関係した部品が装着される。
【００７６】
図５は、図１のロボットアーム１００を適用した、３自由度以上の多自由度ロボットアームの構成を示す。ロボットアーム１００の第２回転リンク１０４に同一構造の第２ロボットアーム２００を連結する。すなわち、第２ロボットアーム２００は、ロボットアーム１００の第２回転リンク１０４に対して３自由度回転が可能である。また、ロボットアーム１００の第２回転リンク１０４は、ロボットアーム１００の第１回転部材１０１と平行に動作するため、第２ロボットアーム２００も、ロボットアーム１００と同様に、完全な重力補償が可能である。
【００７７】
図６及び図７は、本発明の他の実施例に係る４自由度を有するロボットアームの図面である。
【００７８】
図６及び図７を参照すると、図１におけるロボットアーム１００と同様に、第１回転軸３１０と第２回転軸３１１、第３回転軸３１２を基準に第１リンク部材３２１が動き、さらに、第４回転軸３１３を構成して第２リンク部材３２２を回転させる。
【００７９】
図１における差動べベルギアは、第２回転リンク３２０に具備され、第２回転軸３１１の方向に回転するべベルギアに一対の第１カムプレート３１４，３１５が固定される。１自由度重力補償器３３０，３３１の一端は、第１カムプレート３１４，３１５に回転可能に固定され、１自由度重力補償器３３０，３３１の他端は、第１リンク部材３２１に固定される。
【００８０】
第２リンク部材３２２の重力補償のために、第２カムプレート３１６，３１７が第４回転軸３１３上に自由に回転可能に具備される。また、１自由度重力補償器３３２，３３３の一端は、第２カムプレート３１６，３１７に回転可能に固定され、１自由度重力補償器３３２，３３３の他端は、第２リンク部材３２２に固定されている。
【００８１】
第１カムプレート３１４，３１５と第２カムプレート３１６，３１７の円周面にワイヤ溝が具備され、両側の第１カムプレート３１４，３１６と第２カムプレート３１５，３１７は、それぞれワイヤ３４０で連結される。したがって、第１カムプレート３１４が回転すると、第２カムプレート３１６も同一角度で回転するようになる。
【００８２】
図７の４自由度ロボットアームは、図１の３自由度の構成に第４回転のための設定を追加して、すべての姿勢において完全な重力補償が可能である。また、図１の実施例と同様に、それぞれのカムプレート３１４，３１５，３１６，３１７は、タイミングベルトプーリーを具備して、タイミングベルトで連結することができる。また、それぞれのカムプレート３１４，３１５，３１６，３１７の側面に回転部が構成され、前記回転部をリンクで連結する方法も可能である。
【００８３】
第１リンク部材３２１を回転させるために、モーター３５０，３５１が第１リンク部材３２１に具備され、第２回転軸３１１の方向に回転するべベルギアに連結される。したがって、第３回転と第２回転を、前記モーター３５０，３５１によって具現することができる。第１回転のためのモーターは、図７には示されていないが、図１におけるモーターと同様に配置することができる。
【００８４】
第４回転のためのモーター３５２は、第２リンク部材３２２に具備されて、ベルトにより第４回転軸３１３に連結されている。図７のモーターの配置は、一の実施例であり、多様な構成が可能である。
【００８５】
以上、本発明の好適な実施例について説明してきたが、本発明は、これに限定されるものでなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内において多様に変形して実施することが可能であり、それらもまた、本発明の範囲に属することは当然である。
【符号の説明】
【００８６】
１００：ロボットアーム
１０１：第１回転部材
１０２：第２回転部材
１０３：リンク部材
１０４：第２回転リンク
１０５：第１回転軸
１０６：第２回転軸
１０７：第３回転軸
１０８：第４回転軸
１０９：第５回転軸
１１０：固定べベルギア
１１１：第１回転べベルギア
１１２：第１カムプレート
１１３：連結軸部
１１４：側壁リンク
１１５：スペーサリンク
１２０：固定べベルギア
１２１：第２回転べベルギア
１２２：第２カムプレート
１３０：タイミングベルト歯型
１３１：タイミングベルト
１４０，１４１，１４２：モーター
１５０：１自由度重力補償器
１６０：第１回転リンク
１６１：固定軸
２００：第２ロボットアーム
２１０：ワイヤー
２１１：ガイドバー
２１２：スプリング
２１３：スライディング部材
２１４：滑車
２１５，２１６：アイドルプーリー
２１７：連結具
２１８：ワイヤ固定部
２１９：スプリング固定部
３１０：第１回転軸
３１１：第２回転軸
３１２：第３回転軸
３１３：第４回転軸
３１４，３１５：第１カムプレート
３１６，３１７：第２カムプレート
３２０：第２回転リンク
３２１：第１リンク部材
３２２：第２リンク部材
３３０，３３１，３３２，３３３：１自由度重力補償器
３４０：ワイヤー
３５０，３５１，３５２：モーター
【図１】
2012240191.tif 000003
【図２】
2012240191.tif 000004
【図３】
2012240191.tif 000005
【図４】
2012240191.tif 000006
【図５】
2012240191.tif 000007
【図６】
2012240191.tif 000008
【図７】
2012240191.tif 000009