WO2015166757A1 - 産業用ロボット - Google Patents

Abstract

　本ロボット(1)は、第１の平行リンク構造を有する下部アーム機構(5)と、第２の平行リンク構造を有する上部アーム機構(12)と、第１の平行リンク構造の下辺部分を形成するベース部(3)と、第２の平行リンク構造の遠位辺部分を形成する手首部(15)と、第１の平行リンク構造の上辺部分および第２の平行リンク構造の近位辺部分を形成する中間連結部(11)と、第２の平行リンク構造の下辺部分を構成する上部アーム(14)に対して、手首部(15)が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力を付与する上部アーム付勢手段(19)と、を備える。本ロボット(1)によれば、アーム駆動用モータの大型化やアーム動作速度の低下をもたらすことなく、対象物の可搬質量の範囲を拡大できる。

Description

産業用ロボット

　本発明は、産業用ロボットに係わり、特に、平行リンク構造を有するアーム機構を備えた産業用ロボットに関する。

　従来、産業用ロボットは、対象物を搬送するための搬送用ロボットや対象物の加工などを行なうための作業用ロボットとして、電気機器、機械や自動車などの各種の生産工場に設置されている。産業用ロボットは、その用途に応じて様々な形態を備えたものがあるが、そのうちの一つのタイプとして、平行リンク構造を有するアーム機構を備えたロボットがある（特許文献１）。

　このタイプのロボットは、平行リンク構造を有する下部アーム機構を備えており、下部アーム機構には上部アーム機構が接続されている。このロボットは、下部アーム機構が平行リンク構造を有することにより、下部アーム機構を構成する下部アームが傾倒動作を行なった場合でも、上部アーム機構の姿勢が変化しないという特徴がある。

　この特徴を利用することにより、例えば、下部アームの傾倒動作に関わらず手首軸を常に下方を向いた状態に維持できる。このため、このタイプのロボットは、手首部に装着したエンドエフェクタで対象物を保持してパレット上に積み上げるような作業（パレタイズ作業）に適している。

　また、このようなパレタイズ用ロボットとしては、下部アーム機構のみならず、上部アーム機構も平行リンク構造を有するものがある（特許文献２）。

特開２００３－３９３５１号公報 特開２０１１－３１３７２号公報

　ところが、上述した従来の産業用ロボットにおいては、搬送可能な対象物の質量（可搬質量）の範囲が比較的限定されており、一台のロボットで質量の異なる様々な対象物に対応することが難しかった。

　可搬質量の範囲の上限を引き上げるためには、アームを駆動するモータの容量を大きくし、或いは、モータの駆動力をアームに伝達する際の減速比を大きくすることが考えられる。しかしながら、モータ容量を大きくすると、モータが大型化し且つコストも増大してしまう。また、減速比を大きくすると、搬送速度が低下して作業効率が低下するという問題がある。

　本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、アーム駆動用モータの大型化やアーム動作速度の低下をもたらすことなく、対象物の可搬質量の範囲を拡大することができる産業用ロボットを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、第１の態様による本発明の産業用ロボットは、第１の平行リンク構造を有する下部アーム機構と、第２の平行リンク構造を有する上部アーム機構と、前記第１の平行リンク構造の下辺部分を形成するベース部と、前記第２の平行リンク構造の遠位辺部分を形成する手首部と、前記第１の平行リンク構造の上辺部分および前記第２の平行リンク構造の近位辺部分を形成する中間連結部と、前記第２の平行リンク構造の下辺部分または上辺部分を構成する上部アームに対して、前記手首部が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力を付与するための上部アーム付勢手段と、を備えたことを特徴とする。

　第２の態様による本発明は、第１の態様による本発明において、前記上部アームは、前記上部アームの近位端側に、前記上部アームの回転軸線を超えて延在するアーム延長部を有し、前記上部アーム付勢手段は、前記アーム延長部に付勢力を付与するように構成されている、ことを特徴とする。

　第３の態様による本発明は、第２の態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段の前記付勢力は、前記アーム延長部を押し込む方向に作用する、ことを特徴とする。

　第４の態様による本発明は、第２の態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段の前記付勢力は、前記アーム延長部を引き付ける方向に作用する、ことを特徴とする。

　第５の態様による本発明は、第１乃至第４のいずれかの態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段は、ガススプリングを有する、ことを特徴とする。

　第６の態様による本発明は、第５の態様による本発明において、前記ガススプリングは、前記中間連結部側に接続されたシリンダと、前記アーム延長部側に接続されたピストンと、を有する、ことを特徴とする。

　第７の態様による本発明は、第１乃至第６のいずれかの態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段は、着脱自在に構成されている、ことを特徴とする。

　第８の態様による本発明は、第１乃至第７のいずれかの態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段は、前記上部アームに対して定常的に付勢力を付与する、ことを特徴とする。

　第９の態様による本発明は、第１乃至第８のいずれかの態様による本発明において、前記上部アーム付勢手段によって前記付勢力が付与される前記上部アームは、駆動源によって直接的に駆動されるアームである、ことを特徴とする。

　第１０の態様による本発明は、第１乃至第９のいずれかの態様による本発明において、前記第１の平行リンク構造は、その前側辺部分を構成する第１下部アームと、その後側辺部分を構成する第２下部アームとを有し、前記第１下部アームと前記第２下部アームとが、それらの捻れに対して同等の強度を有している、ことを特徴とする。

　第１１の態様による本発明は、第１０の態様による本発明において、前記第１下部アームおよび前記第２下部アームの少なくとも一方が、中抜き構造で形成されている、ことを特徴とする。

　第１２の態様による本発明は、第１０または第１１の態様による本発明において、前記第１下部アームおよび前記第２下部アームのうち、駆動源によって直接的に駆動される方のアームが、前記ベース部に対して片持ち構造で接続されている、ことを特徴とする。

　第１３の態様による本発明は、第１乃至第１２のいずれかの態様による本発明において、前記第１の平行リンク構造の前側辺部分または後側辺部分を構成する下部アームに対して、前記下部アームの前方への傾倒動作に対向する付勢力を付与するための下部アーム付勢手段をさらに備えた、ことを特徴とする。

　第１４の態様による本発明は、第１３の態様による本発明において、前記第１の平行リンク構造は、その前側辺部分を構成する第１下部アームと、その後側辺部分を構成する第２下部アームとを有し、前記下部アーム付勢手段は、前記第１下部アームおよび前記第２下部アームのうち、駆動源によって直接的に駆動されるアームとは異なる方のアームに対して付勢力を付与する、ことを特徴とする。

　第１５の態様による本発明は、第１乃至第１４のいずれかの態様による本発明において、前記ベース部は、垂直軸線周りに回転可能であり、前記ベース部に対して回転駆動力を付与するための左右一対の駆動源を有する、ことを特徴とする。

　本発明によれば、アーム駆動用モータの大型化やアーム動作速度の低下をもたらすことなく、対象物の可搬質量の範囲を拡大することができる産業用ロボットを提供することができる。

本発明の一実施形態による産業用ロボットを斜め後方から見たときの斜視図。 図１に示した産業用ロボットを斜め前方から見たときの斜視図。 図１に示した産業用ロボットのリンク機構を説明するための模式図。 図１に示した産業用ロボットの上部アーム機構を拡大して示した側面図。 図４に示した上部アーム機構をその一部を切り欠いて示した上面図。 図１に示した産業用ロボットの下部アーム機構の下半部を拡大して示した側面図。 図６に示した下部アーム機構の下半部の縦断面を前方から見た図。 図６に示した下部アーム機構の下半部の縦断面を後方から見た図。 図１に示した産業用ロボットの一変形例のリンク機構を説明するための模式図。

　以下、本発明の一実施形態による産業用ロボットについて、図面を参照して説明する。

　なお、以下で説明する本実施形態によるロボットは、４つの駆動軸を備えており（４軸ロボット）、例えばパレットの上に複数の対象物を載置するために使用されるパレタイズロボットに適している。但し、本発明による産業用ロボットの適用範囲は、パレタイズロボットに限られるものではなく、平行リンク構造を有するアーム機構を備えた産業用ロボットに広く適用可能である。

　図１乃至図３に示したように、本実施形態によるロボット１は、床面に設置された基台２を有し、基台２の上にベース部３が設けられている。図３に示したように、ベース部３は、基台２に対して、垂直軸線Ｊ１周りに回転可能である。図１および図７に示したように、ベース部３に対する回転駆動力は、垂直軸線Ｊ１を間に挟んで左右に配置された一対のサーボモータ（駆動源）４によって付与される。

　本実施形態によるロボット１は、第１の平行リンク構造を有する下部アーム機構５を備えており、第１の平行リンク構造の下辺部分がベース部３によって形成されている。

　図３に示したように、下部アーム機構５を構成する第１の平行リンク構造は、その前側辺部分を構成する第１下部アーム６と、その後側辺部分を構成する第２下部アーム７とを有する。第１下部アーム６の下端は、水平軸線Ｊ２Ａ周りに回転可能に、ベース部３に接続されている。第２下部アーム７の下端は、水平軸線Ｊ２Ｂ周りに回転可能に、ベース部３に接続されている。図１に示したように、第１下部アーム６は、ベース部３に設けられたサーボモータ（駆動源）８によって、ベース部３に対して、水平軸線Ｊ２Ａ周りに回転駆動される。

　図１、図２、および図７に示したように、ロボット１は、さらに、下部アーム機構５を構成する第１の平行リンク構造の後側辺部分を構成する第２下部アーム７に対して、第２下部アーム７の前方への傾倒動作に対向する付勢力を付与するための下部アーム付勢手段（バランサ）９を備えている。下部アーム付勢手段９は、左右一対のガススプリング１０を備えており、ガススプリング１０のシリンダ１０Ａの後端部が第２下部アーム７に回転可能に接続されると共に、ガススプリング１０のピストン１０Ｂの先端部がベース部３に回転可能に接続されている。

　図２および図４に示したように、下部アーム機構５を構成する第１の平行リンク構造の上辺部分は、中間連結部１１によって構成されている。中間連結部１１は、下方突出部１１Ａと前方突出部１１Ｂと後方突出部１１Ｃとを備えている。第１下部アーム６の上端部が、水平軸線Ｊ２Ｃ周りに回転可能に、中間連結部１１の下方突出部１１Ａに接続されている。第２下部アーム７の上端部が、水平軸線Ｊ２Ｄ周りに回転可能に、中間連結部１１の後方突出部１１Ｃに接続されている。

　図３に示したように、４つの水平軸線Ｊ２Ａ、Ｊ２Ｂ、Ｊ２Ｃ、Ｊ２Ｄを頂点として第１の平行リンク構造が形成されており、サーボモータ８によって第１下部アーム６を前方または後方に傾倒動作させると、第１の平行リンク構造の上辺部分（水平軸線Ｊ２ＣとＪ２Ｄとを結ぶ部分）は、その傾きを維持しながら前後に揺動する。すなわち、下部アーム機構５の傾倒動作に関わらず、中間連結部１１は同じ姿勢を維持する。

　図１乃至図５に示したように、ロボット１は、さらに、第２の平行リンク構造を有する上部アーム機構１２を備えている。上部アーム機構１２を構成する第２の平行リンク構造の上辺部分が、上部補助リンク１３によって構成されている。上部補助リンク１３の近位端部が、水平軸線Ｊ３Ｂ周りに回転可能に、中間連結部１１の前方突出部１１Ｂに接続されている。上部アーム機構１２を構成する第２の平行リンク構造の下辺部分が、上部アーム１４によって構成されている。上部アーム１４の近位端部が、水平軸線Ｊ３Ａ周りに回転可能に、中間連結部１１の中央部分に接続されている。

　上部アーム機構１２を構成する第２の平行リンク構造の遠位辺部分が、手首部１５によって構成されている。すなわち、略三角形状を成している手首部１５の支持部材１５Ａの一つの頂部が、上部アーム１４の先端部に、水平軸線Ｊ３Ｃ周りに回転可能に接続されている。また、手首部１５の支持部材１５Ａの他の一つの頂部が、上部補助リンク１３の先端部に、水平軸線Ｊ３Ｄ周りに回転可能に接続されている。

　図５に示したように、上部アーム１４は、中間連結部１１に設けられたサーボモータ（駆動源）１６によって、中間連結部１１に対して、水平軸線Ｊ３Ａ周りに回転駆動される。図３および図４に示したように、４つの水平軸線Ｊ３Ｂ、Ｊ３Ａ、Ｊ３Ｃ、Ｊ３Ｄを頂点として第２の平行リンク構造が形成されているので、サーボモータ１６によって上部アーム１４を中間連結部１１に対して回転駆動すると、手首部１５は、その姿勢を維持しながら上下に揺動する。

　手首部１５には、支持部材１５Ａに設けられたサーボモータ（駆動源）１７と、サーボモータ１７によって垂直軸線Ｊ４周りに回転駆動される回転体１８とが設けられている。上述したように手首部１４の支持部材１４Ａは、その傾きを維持しながら上下に揺動するので、手首部１４の回転体１８の垂直軸線Ｊ４は常に垂直方向に維持される。

　なお、上述したように下部アーム機構５は平行リンク構造を備えているので、下部アーム機構５が傾倒動作を行なっても、上部アーム機構１２の上部アーム１４の姿勢は変化せず、上部アーム１４に対する重力負荷も変化しない。すなわち、ロボット１の第２軸に対応する水平軸線Ｊ２Ａ周りに下部アーム６を回転駆動しても、ロボット１の第３軸に対応する水平軸線Ｊ３Ａ周りのトルクは変化しない。

　図１および図２に示したように、本実施形態によるロボット１は、さらに、上部アーム機構１２の第２の平行リンク構造の下辺部分を構成する上部アーム１４に対して、手首部１５が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力を付与するための上部アーム付勢手段（バランサ）１９を備えている。なお、上述したように上部アーム１４は、サーボモータ１６によって直接的に駆動されるアームである。

　図３に示したように、上部アーム１４は、上部アーム１４の近位端側に、上部アーム１４の回転軸線である水平軸線Ｊ３Ａを超えて延在するアーム延長部１４Ａを有し、上部アーム付勢手段１９は、アーム延長部１４Ａに付勢力を付与するように構成されている。

　上部アーム付勢手段１９は、ガススプリング２０を備えており、ガススプリング２０のシリンダ２０Ａの後端部が、中央連結部１１に一端が固定されたガススプリング支持体２１の他端に、水平軸線Ｌ０周りに回転可能に接続されている。ガススプリング２０のピストン２０Ｂの先端部は、アーム延長部１４Ａに接続されており、ガススプリング２０の付勢力が、定常的にアーム延長部１４Ａを押し込む方向に作用する。

　なお、ガススプリング支持体２１は、中央連結部１１とは別体に形成した後に中央連結部１１に接続しても良いし、最初から中央連結部１１と一体に形成しても良い。

　上部アーム付勢手段１９は、着脱自在に構成されている。すなわち、ガススプリング２０のシリンダ２０Ａの後端部は、ガススプリング支持体２１に対して分離可能に接続されており、ガススプリング２０のピストン２０Ｂの先端部は、アーム延長部１４に対して分離可能に接続されている。これにより、上部アーム付勢手段１９は、必要に応じて適宜取り外し可能とされている。

　なお、図４に示したように、ガススプリング支持体２１は中間連結部１１から上方に突出しているが、その突出範囲は、ロボット１の作業に支障の無い範囲に限定されている。

　本実施形態によるロボット１においては、下部アーム機構５を構成する第１下部アーム６と第２下部アーム７とが、それらの捻れに対して同等の強度を有している。すなわち、図１および図６に示したように、第１下部アーム６と第２下部アーム７とが、略同じ太さの部材で形成されている。

　また、第１下部アーム６および第２下部アーム７は、それぞれ、断面コ字状の中抜き構造で形成されている。これにより、鋳造時の両アームの鋳込み性が改善されている。

　図８に示したように、サーボモータ８によって直接的に駆動される第１下部アーム６の下端部が、ベース部３に対して単一の支持部材２２によって片持ち構造で接続されている。この構成は、上述したように第１下部アーム６と第２下部アーム７とを略同じ太さの部材で形成することにより、第１下部アーム６を従来よりも細くすることで実現が容易となったものである。

　図１および図７に示したように、下部アーム付勢手段９は、サーボモータ８によって直接的に駆動される第１下部アーム６ではなく、第２下部アーム７に対して付勢力を付与するように構成されている。この構成は、上述したように第１下部アーム６と第２下部アーム７とを略同じ太さの部材で形成することにより、第２下部アーム７を従来よりも太くすることで実現が容易となったものである。

　図９は、上述した実施形態の一変形例を示しており、この例においては、上部アーム付勢手段１９の付勢力が、アーム延長部１４Ａを引き付ける方向に作用し、これにより、手首部１５が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力が上部アーム１４に付与されるように構成されている。すなわち、上部アーム付勢手段１９のガススプリング２０は、そのピストン２０Ｂを引き込む方向に作用している。

　また、他の変形例としては、下部アーム付勢手段９を、後側の第２下部アーム７ではなく、前側の第１下部アーム６に付勢力を付与するように設けることもできる。

　また、他の変形例としては、上部アーム付勢手段１９において、ガススプリング２０に代えて、バネを使用したバランサ、或いは錘を使用したカウンターバランス機構を用いることもできる。

　上述した実施形態およびその変形例によれば、上部アーム付勢手段１９によって、手首部１５が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力を上部アーム１４に付与するようにしたので、上部アーム１４を駆動するサーボモータ１６の容量を大きくしなくても、或いは減速比を大きくしなくても、対象物の可搬質量の範囲の上限を引き上げることができる。すなわち、アーム駆動用モータの大型化やアーム動作速度の低下をもたらすことなく、対象物の可搬質量の範囲を拡大することができる。

　１　ロボット
　２　基台
　３　ベース部
　４、８、１６、１７　サーボモータ（駆動源）
　５　下部アーム機構
　６　第１下部アーム
　７　第２下部アーム
　９　下部アーム付勢手段（バランサ）
　１０、２０　ガススプリング
　１０Ａ、２０Ａ　ガススプリングのシリンダ
　１０Ｂ、２０Ｂ　ガススプリングのピストン
　１１　中間連結部
　１１Ａ　中間連結部の下方突出部
　１１Ｂ　中間連結部の前方突出部
　１１Ｃ　中間連結部の後方突出部
　１２　上部アーム機構
　１３　上部補助リンク
　１４　上部アーム
　１４Ａ　アーム延長部
　１５　手首部
　１５Ａ　手首部の支持部材
　１８　回転体
　１９　上部アーム付勢手段（バランサ）
　２１　ガススプリング支持体
　２２　第１下部アームの支持部材
　Ｊ１、Ｊ４　垂直軸線
　Ｊ２Ａ、Ｊ２Ｂ、Ｊ２Ｃ、Ｊ２Ｄ、Ｊ３Ａ、Ｊ３Ｂ、Ｊ３Ｃ、Ｊ３Ｄ、Ｌ０　水平軸線
 

Claims (15)

1. 　第１の平行リンク構造を有する下部アーム機構と、
   　第２の平行リンク構造を有する上部アーム機構と、
   　前記第１の平行リンク構造の下辺部分を形成するベース部と、
   　前記第２の平行リンク構造の遠位辺部分を形成する手首部と、
   　前記第１の平行リンク構造の上辺部分および前記第２の平行リンク構造の近位辺部分を形成する中間連結部と、
   　前記第２の平行リンク構造の下辺部分または上辺部分を構成する上部アームに対して、前記手首部が降下する方向への回転動作に対抗する付勢力を付与するための上部アーム付勢手段と、を備えた産業用ロボット。
2. 　前記上部アームは、前記上部アームの近位端側に、前記上部アームの回転軸線を超えて延在するアーム延長部を有し、
   　前記上部アーム付勢手段は、前記アーム延長部に付勢力を付与するように構成されている、請求項１記載の産業用ロボット。
3. 　前記上部アーム付勢手段の前記付勢力は、前記アーム延長部を押し込む方向に作用する、請求項２記載の産業用ロボット。
4. 　前記上部アーム付勢手段の前記付勢力は、前記アーム延長部を引き付ける方向に作用する、請求項２記載の産業用ロボット。
5. 　前記上部アーム付勢手段は、ガススプリングを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
6. 　前記ガススプリングは、前記中間連結部側に接続されたシリンダと、前記アーム延長部側に接続されたピストンと、を有する、請求項５記載の産業用ロボット。
7. 　前記上部アーム付勢手段は、着脱自在に構成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
8. 　前記上部アーム付勢手段は、前記上部アームに対して定常的に付勢力を付与する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
9. 　前記上部アーム付勢手段によって前記付勢力が付与される前記上部アームは、駆動源によって直接的に駆動されるアームである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
10. 　前記第１の平行リンク構造は、その前側辺部分を構成する第１下部アームと、その後側辺部分を構成する第２下部アームとを有し、
    　前記第１下部アームと前記第２下部アームとが、それらの捻れに対して同等の強度を有している、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
11. 　前記第１下部アームおよび前記第２下部アームの少なくとも一方が、中抜き構造で形成されている、請求項１０記載の産業用ロボット。
12. 　前記第１下部アームおよび前記第２下部アームのうち、駆動源によって直接的に駆動される方のアームが、前記ベース部に対して片持ち構造で接続されている、請求項１０または１１に記載の産業用ロボット。
13. 　前記第１の平行リンク構造の前側辺部分または後側辺部分を構成する下部アームに対して、前記下部アームの前方への傾倒動作に対向する付勢力を付与するための下部アーム付勢手段をさらに備えた、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
14. 　前記第１の平行リンク構造は、その前側辺部分を構成する第１下部アームと、その後側辺部分を構成する第２下部アームとを有し、
    　前記下部アーム付勢手段は、前記第１下部アームおよび前記第２下部アームのうち、駆動源によって直接的に駆動されるアームとは異なる方のアームに対して付勢力を付与する、請求項１３記載の産業用ロボット。
15. 　前記ベース部は、垂直軸線周りに回転可能であり、
    　前記ベース部に対して回転駆動力を付与するための左右一対の駆動源を有する、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
     

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