WO1998017443A1

WO1998017443A1 - Articulated robot

Info

Publication number: WO1998017443A1
Application number: PCT/JP1997/003668
Authority: WO
Inventors: Shinichi Kaido; Tsuyoshi Tanoue; Manabu Okahisa; Seiji Ogata; Koichi Yamaguchi
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 1999-04-18
Also published as: JPH10118967A

Description

明細書

多関節ロボット

[技術分野]

本発明は産業用ロボット、特に比較的に距離の離れた 2台の加工機の問でヮークの搬送を行う水平多関節ロボットに関する。

[背景技術]

ハンドリング用ロボット、特に比較的に距離の離れた 2台の加工機の問でヮークの搬送を行う口ボットでは、非加工時間の短縮の為に 2点問の移動時問の短縮が求められている。

従来技術の第 1の例として図 5に示すような、いわゆるスカラー型のロボットがあった。

図 5は前記スカラー型ロボッ卜の構成を示す平面図であり、図 6は同じく側面図である。図 5にしたがって前記スカラー型ロボッ卜の構成を説明する。

1は固定べ一スであり、設置場所に固定されている。固定ベース 1には、第 1 の旋回軸 2が垂直に設けられ、旋回へッド 3が第 1の旋回軸 2を中心に回動自在に取り付けられている。旋回ヘッド 3は、旋回ヘッド 3内に取り付けられた第 1 の駆動用モータ 4によって駆動される。旋回ヘッド 3には、第 1のアーム 5が固着されている。第 1のアーム 5の先端には、第 2の旋回軸 1 1が垂直に設けられ、第 2のアーム 1 2が第 2の旋回軸 1 1を中心にして、回動自在に取り付けられている。第 2のアーム 1 2は第 1のアーム 5上の第 2の駆動用モータ 1 3によつて駆動される。

この第 1の従来技術には、次のような問題があった。

まず、第 2のアーム 1 2の先端の基準点 Pが、始点 Aから終点 Bまで、最短経路すなわち直線の軌跡をたどって、移動する場合を考える。

基準点 Pが始点 Aから終点 Bまで移動するには、まず第 1のアーム 5が角度 _α だけ旋回する必要がある。第 2のアーム 1 2は、第 1のアーム 5と成す角度 ]3を保ったまま第 1のアーム 5と一緒に旋回するから、第 1のアーム 5が角度 _αだけ旋回すると、基準点 Ρは点 Cまで移動する。基準点 Ρが点 Cから終点 Βまで移動するには、第 2のアーム 1 2を角度 γだけ旋回する必要がある。したがって、基準点 Pを始点 Aから終点 Bまで直線経路で移動させるには、第 1のアーム 5を角度 c だけ旋回させる間に第 2のアーム 1 2を角度 1/だけ旋回させる必要がある。第 2のアーム 1 2の動作角 γは、点 Αにおける第 2のアーム 1 2の固定べ一ス 1 に対する角度と点 Bにおける第 2のアーム 1 2の固定べ一ス 1に対する角度との差に第 1のアーム 4の動作角 Pを加えた角度であるから、動作角度 13に比べて大きい。言い換えれば、第 2のアーム 1 2は、第 1のァ一ム 5に比べて高速で旋回する必要がある。また、第 1のアーム 5と第 2のアーム 1 2が同時に旋回するので、干渉トルクが第 1の駆動用モータ 4と第 2の駆動用モータ 1 3の問で生じる。すなわち、干渉トルクは第 1の駆動用モータ 4の負荷を増加させ、第 2の駆動用モータ 1 3の負荷を軽減する。まとめると、次のような問題が第 1の従来技術に！ 'まある。

( 1 ) 第 2のアーム 1 2の動作角が大きいので、 2点問の直線動作させるためには、第 2のアーム 1 2の旋回速度を高速にする必要があり、第 2の駆動用モータ 1 3の容量が大きくなる。

( 2 ) 第 1の旋回軸 2に第 2のアーム 1 2の旋回による干渉トルクが負荷として、加わるので、第 1の駆動用モータ 4の容量を大きくする必要がある。

第 2の従来技術の例として、これらの問題を解決するために提案された、実開平 6— 4 2 0 8 9に示された平行四辺形リンク機構付きの水平多関節ロボットがある。図 7は実開平 6 - 4 2 0 8 9の水平多関節口ボットの第 3軸以降の構造を省略した平面図であり、図 8は同じく側面図である。図 7にしたがって平行四辺形リンク機構付き水平多関節ロボッ卜の構成を説明する。

1は固定ベースであり、設置場所に固定されている。固定ベース 1には、第 1 の旋回軸 2が垂直に設けられ、旋回へッド 3が第 1の旋回軸 2を中心に回動自在に取り付けられている。旋回ヘッド 3は、その内部に取り付けられた第 1の駆動用モータ 4によって駆動される。

旋回ヘッド 3には、第 1のアーム 5が固着されている。第 1のアーム 5の先端には、第 1の回動軸 6が垂直に設けられ、補助リンク 7が第 1の回動軸 6を中心に回動自在に取り付けられている。補助リンク 7の他方の端部には、第 2の回動軸 8が垂直に設けられ、リンク 9が第 2の回動軸 8を中心に回動自在に取付けられている。リンク 9の他方の端は固定ベース 1に垂直に設けられた、第 3の回動軸 1 0に回動自在に取り付けられている。このようにして、固定ベース 1、第 1 のアーム 5、補助リンク 7、及びリンク 9によって平行四辺形リンク機構が構成される。補助リンク 7には、第 2の旋回軸 1 1が第 1の回動軸 6と同軸に設けられている。第 2のアーム 1 2は補助リンク 7に第 2の旋回軸 1 1を中心に回動自在に取り付けられている。第 2のアーム 1 2は補助リンク 7上の第 2の駆動用モータ 1 3によって駆動される。

ところが、第 2の従来技術においても、次のような問題があった。

第 2のアーム 1 2の先端の基準点 Pを、始点 Λから終点 Bまで、直線の軌跡をたどって移動させる場合を考える。前記第 1の従来技術の場合とは異なり、第 1 のアーム 5が旋回するとき、第 2のアーム 1 2は、平行四辺形リンク機構の働きにより、固定べ一ス 1に対する角度を保ったまま移動するので、動作角度が小さくて済む。しかし、第 1の駆動用モータ 4と第 2の駆動用モータ 1 3の間の干渉トルクが発生しないので、第 2の駆動用モータ 1 3の駆動トルクが増大する。したがって、第 2の駆動用モータ 1 3の容量を大きくする必要がある。

また、第 1の駆動用モータ 4は第 2のアーム 1 2以降の構成要素を負荷として旋回するので、大きな駆動トルクが必要になる。

[発明の開示]

そこで、本発明は、第 2のアーム 1 2の動作角度が小さく、かつ第 1の駆動用モータ 4及び第 2の駆動用モータ 1 3の駆動トルクが小さい、水平多関節ロボットを提供することを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明は、固定ベースと、この固定ベース上にあって垂直軸回りに旋回する旋回へッドと、前記旋回へッドに固定された第 1のアームと補助リンクとリンクから成る平行四辺形リンク機構と、前記補助リンク上に、前記第 1のアームと前記補助リンクの速結軸と同軸に、回動自在に取付けられた第 2のアームと、前記第 1のアームと前記第 2のアームの問に張架されたばね装置を備えたものである。

また、前記ばね装置が非線形特性を有するものである。

また、前記ばね装置にブレーキを有するものである。以上のように構成したので、本発明によれば、次のような効果がある。

( 1 ) 水平多関節ロボットを、 ²点問を直線経路で結ぶ動作をさせるとき、第² のアームの動作角度を小さくできるので、高速動作が容易になる。

( 2 ) 第 1及び第 2のアームの起動と停止の際に必要なトルクをばね力で助勢するので、駆動用モータの加減速トルクを小さくできる。すなわちモータの容量を小さくできる。

( 3 ) 減速時にアームの運動エネルギーをばねの歪みエネルギーに変えて蓄え、加速時には、ばねの歪みエネルギーをアームの運動エネルギーに変換するので、加減速に伴うエネルギーのロスが少なく、省エネルギー効果がある。

( 4 ) ブレーキ装置でばね装置の働きを任意に停止できるので、ロボッ卜姿勢保持の為の駆動用モータのトルクが小さくてすみ、省エネルギー効果がある。

[図面の簡単な説明]

図 1は本発明の実施例を示す多関節ロボッ卜の平面図であり、図 2は本発明の実施例を示す多関節ロボットの側面図であり、図 3は本発明の実施例を示すばね装置の側断面図であり、図 4は、ばね装置の変位と力の関係を示す説明図である。図 5は第 1の従来技術の例を示す多関節ロボットの平面図であり、図 6は第 1の従来技術の例を示す多関節口ボットの側面図であり、図 7は第 2の従来技術の例を示す多関節口ボットの平面図であり、図 8は第 2の従来技術の例を示す多関節ロボットの側面図である。

[発明の実施の形態]

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図 1は、本発明の実施例を示す多関節ロボットの第 3軸以降の構造を省略した平面図であり、図 2は同じく側面図である。

図において、 1は固定ベースであり、設置場所に固定されている。固定ベース 1には、垂直に設けられた第 1の旋回軸 2の回りに、旋回ヘッド 3が回動自在に取り付けられている。旋回ヘッド 3は、旋回ヘッド 3内に取り付けられた第 1の駆動用モータ 4によって駆動される。

旋回ヘッド 3には、第 1のアーム ⁵が固着され、水平に伸びている。すなわち、第 1のアーム 5は第 1の旋回軸 2の回りを、水平面内で旋回する。第 1のァーム 5の先端には、第 1の回動軸 6が垂直に設けられ、補助リンク 7が第 1の回動軸 6の回りに回動自在に取り付けられている。補助リンク 7の一方の端部には、第 2の回動軸 8が垂直に設けられ、リンク 9が回動自在に取付けられている。リンク 9の一方の端は固定べ一ス 1に垂直に設けられた、第 3の回動軸 1 0に回動自在に取り付けられている。このようにして、固定ベース 1、第 1のアーム 5、補助リンク 7、及びリンク 9から平行四辺形リンク機構が構成される。補助リンク 7には、第 2の旋回軸 1 1が第 1の回動軸 6と同軸に設けられている。第 2のアーム 1 2は、第 2の旋回軸 1 1の回りに回動自在に取り付けられて、捕助リンク 7上の第 2の駆動用モ一タ 1 3によって駆動される。

2 0はばね装置であり、一端を第 1のアーム 5に回動自在に枢着し、他端を第 2のアーム 1 2に回動自在に枢着している。

図 3において、ばね装置 2 0の構成を説明する。ばね装置 2 0は、ばね箱 2 1 、ばね受け 2 2、連結棒 2 3、第 1のばね 2 4、第 2のばね 2 5、およびブレーキ 2 4から成る。

ばね箱 2 1の端部には、取付け部 2 1 aが固着されている。また反対側の端部には、底部 2 1 bから円筒状の支持部 2 1 cがばね箱 2 1の長さ方向に仲びている。ばね受け 2 2は、ばね箱 2 1の中にある。連結棒 2 3には、一端に取付け部 2 3 aが設けられている。ばね装置 2 0は、取付け部 2 1 aで第 1のアーム 5に、回動自在に枢着され、また取付け部 2 3 aで第 2のアーム 1 2に、回動自在に枢着される。連結棒 2 3は、取付け部 2 3 aと反対の端部を先頭に、支持部 2 1 cを通ってばね箱 2 1の内部に差し込まれ、ばね受け 2 2と連結されている。第 1のばね 2 4の自然長は、ばね箱 2 1の内法長さより短く、第 2のばね 2 5は、第 1のばね 2 4より短い。第 1のばね 2 4と第 2のばね 2 5は、ばね箱 2 1の内部に同心に配置され、端部をばね受け 2 2に固定されている。連結棒 2 3は、支持部 2 1 cで摺動するから、ばね受け 2 2と連結棒 2 3と第 1のばね 2 4と第 2 のばね 2 5は、一体となって、ばね箱 2 1の内部をばね箱 2 1の長さ方向に自由に動く。第 1のばね 2 4と第 2のばね 2 5は、ばね箱 2 1に比べて短いから、連結棒 2 3がばね箱 2 1に最も深く入った状態、すなわち、ばね装置 2 0が最も縮んだ状態では、第 1のばね 2 4及び第 2のばね 2 5は、ばね箱の底部 2 1 bには接触しない。したがって、連結棒 2 3には、第 1のばね 2 4及び第 2のばね 2 5 の反力は加わらない。この状態は連結棒 2 3がばね箱 2 1の外に引き出され、すなわち、ばね装置 2 0が伸びて、第 1のばね 2 4がばね箱の底部 2 1 bに接触するまで続く。第 1のばね 2 4がばね箱の底部 2 1 bに接触すると、第 1のばね 2 4の反力だけが連結棒に加わる。さらに連結棒 2 3をばね箱 2 1の外に引き出すと、第 2のばね 2 5がばね箱の底部 2 1 bに接触して、第 1のばね 2 4に加えて第 2のばね 2 5の反力が連結棒 2 3に加わる。

以上のことを図 4によつて再度説明する。図 4はばね装置 2 0の変位と力の関係を説明する図である。変位はばね装置 2 0が最も縮んだ状態の長さを 0として、連結棒 2 4がばね箱 2 1の外に引き出され、ばね装置 2 0の長さが伸びると大きくなる。変位が 0から D 1までの問は、力は 0である。変位が D 1より大きくなると、第 1のばね 2 4の変位一反力曲線 3 1にしたがって力が生じる。変位が D 2に達すると、第 2のばね 2 5の変位一反力曲線に従う力が生じる。したがつて、ばね装置 2 0の変位—反力曲線 3 3は、第 1のばね 2 4の変位一反力曲線 3 1 と第 2のばね 2 5の変位—反力曲線を合成した非線形のものになる。 2本のばねの長さとばね定数の組み合わせを選ぶことにより、ばね装置 2 0の変位一反力の特性を所望の形に選べる。

ブレーキ 2 6は、ばね箱 2 1の底部 2 1 aの外側に取り付けてあり、外部からの指令により連結棒 2 3のばね箱 2 1に対する摺動を拘束する。

さて、つぎに第 2のアーム 1 2の先端の基準点 Pを、点 Aから点 Bまで移動させる場合を考える。基準点 Pが点 Λにあるとき、ばね装置 2 0は、引き延ばされているから、第 2のアーム 1 2と第 1のアーム 5を互いに引き寄せる方向に、張力を生じている。したがつてばね装置 2 0の張力は、第 2のアーム 1 2を第 2の旋回軸 1 1を中心に、時計回りに旋回させるトルクを発生させる。また第 2のァーム 1 2は、補助リンク 7に取付けられているので、ばね装置 2 0の張力は、補助リンク 7を第 1のアーム 5に対して第 1の回動軸 6を中心に、時計回りに回動させるトルクも発生させる。平行四辺形リンクが構成されているから補助リンク 7の時計回りの回動は、第 1のアーム 5の反時計回りの旋回を生じさせる。つまり、ばね装置 2 0の張力は、第 1のアーム 5を第 1の旋回軸 2回りに反時計回り方向に旋回するトルクとしても働く。このようにして、ばね装置 2 0は、基準点 Pが点 Aから点 Bに向かうとき、加速トルクを助ける力として働く。ばね装置 2 0には、前記のような非線形の変位一反力特性を与えているので、基準点 Pが加速区問 L 1にある時は大きな力を発生し、定速区問 L 2にあっては、力を発生しない。定速区間 L 2では、元々大きなトルクを必要としないし、基準点 Pが点 A と点 Bの区問の中間の M点を過ぎると、ばね装置 2 0の力はアームを減速する方向に働くので、これを避ける為、前記のような非線形の変位—反力特性を与えているのである。さらに進んで、基準点 Pが减逨区問 L 3に入ると、第 1のアーム 5と第 2のアーム 1 2はばねの力に抵抗しながら、ばね装置 2 0を伸ばすように動く、つまり、ばね装置 2 0は、今度は第 1のアーム 5と第 2のアーム 1 2の減速を助けるように働く。言い換えれば、ばね装置 2 0は、アームの運動エネルギ —をばねの歪みエネルギーに変換して蓄える働きをしている。逆に基準点 Pが点 Bから点 Aに戻る時、ばねに蓄えられた歪みエネルギーは再び、アームの運動ェネルギ一に変換される。

基準点 Pが点 Aまたは点 Bにあって、ワークの着脱等のため、一時その位置を保持するとき、ばね装置 2 0の張力に抵抗して位置を保持するために、第 1の駆動用モータ 4及び第 2の駆動用モータ 1 3に大きな保持トルクが必要になる。この時、ロボット制御装置（図示せず）の指令により、ブレーキ 2 6で連結棒 2 3 を緊縛して、大きな保持トルクの発生を抑える。

ばね装匱 2 0は、単純な引っ張りばね、あるいはこれと同等の機能を持つ装置であっても良いし、ばねと同様な機能を持つ物であれば、ゴムのような固体の弹性体であっても、流体の圧縮性を利用した装置であっても良い。

また、ブレーキ 2 6を省いて、構造を簡易にした構成も考えられる。

本実施例では、説明の煩雑さを避けるため、水平面内で旋回する第 1のアーム 5と第 2のアーム 1 2からなる 2軸の多関節ロボットを採り上げた。 3軸以上の多関節ロボットであっても、その一部に本発明と同様の水平 2軸の構成があれば、本発明の実施は可能である。

[産業上の利用可能性]

本発明は産業用ロボット、特に比較的に距離の離れた 2台の加工機の問でヮ一クの搬送を行う水平多関節ロボットに適用できる,

Claims

請求の範囲

l . 水平面内で旋回する複数のアームを備えた多関節ロボットにおいて、固定べースと、この固定ベース上にあって垂直軸回りに旋回する旋回ヘッドと、前記旋回へッドに固定された第 1のアームと補助リンクとリンクから成る平行四辺形リンク機構と、前記補助リンク上に、前記第 1のアームと前記補助リンクの連結軸と同軸に、回動自在に取付けられた第 2のアームと、前記第 1のアームと前記第 2のアームの間に張架されたばね装置を有することを特徴とする多関節ロボット

2 . 前記ばね装置が非線形特性を有することを特徴とする請求項 1に記載の多関節ロボット。

3 . 前記ばね装置にブレーキを有することを特徴とする請求項 1または請求項 2 に記載の多関節ロボット。