JP2000190275A - 位置決めロボットのアーム機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置決めロボットの大型化を招くことなくア
ームの剛性を上げ、アームに生じるたわみを防止する。 【解決手段】 位置決めロボットのアーム機構は、その
一端を固定部材１００の表面１１０から一定の距離に支
持されるアーム１０と、そのアームに連結され、そのア
ームと一体となって運動するアシスト部材１２とを備
え、前記アシスト部材１２の一端が固定部材１００の表
面１１０とスライド可能に接触することにより、前記ア
ーム１０に力が作用した際に、そのアーム１０にたわみ
が生じるのを抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば自動車の
組立工程における作業ステーションにおいて、ワークを
所定の位置に位置決め保持する位置決めロボットのアー
ム機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の組立工程を行う作業ステーショ
ンにおいて、ワークを所定の位置に位置決め保持する位
置決めロボットとして、特開平４−２２４０９５号公報
に記載されたものが知られている。この位置決めロボッ
トは、ワークを保持するためのワーク保持用治具を先端
に備えたワーク位置決め部材（アーム）を、ワーク位置
決め部材を支持する支持部より張り出させることにより
所定の位置にワーク保持用治具を位置決めするアーム機
構について開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
位置決めロボットでは、ワークの自重や作業ロボットか
らの外力によりワーク位置決め部材（アーム）がたわむ
という問題があった。ワーク位置決め部材がたわむと、
ワークの位置決め位置がずれることとなり、作業精度に
影響を与える。このようなワーク位置決め部材（アー
ム）のたわみを防止するには、ワーク位置決め部材（ア
ーム）自体の剛性を上げることにより可能であるが、こ
れでは位置決めロボットが大型化し好ましくない。

【０００４】したがって、本発明は、上述した問題点を
解決するためになされたものであり、その目的は、位置
決めロボットの大型化を招くことなくアーム（ワーク位
置決め部材）の剛性を上げることができる技術を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載した位置決めロボットのアーム機構
が創作された。請求項1 のアーム機構によれば、アーム
に連結されたアシスト部材が固定部材の表面に接触する
ため、アームにワークの重量が作用しても、アームはア
シスト部材により固定部材に支持されるため、アームの
剛性を上げることができる。また、アームは、アシスト
部材の一端が固定部材の表面にスライド可能に接触する
ように運動が拘束されるだけなので、アームは固定部材
の表面から一定の距離を保ちながら、直線運動、旋回運
動、アームの軸周りの回転運動を行なうことができる。
したがって、比較的広い動作範囲を採ることができる。

【０００６】また、請求項1 記載のアーム機構において
さらにアームの剛性を上げたい場合は、請求項2 記載の
アーム機構が有効である。請求項2 記載のアーム機構に
よれば、アシスト部材が固定部材の表面に設けた案内部
材に案内されるため、アームに力が作用した場合に、ア
シスト部が固定部材の表面を滑ること無く一定の位置に
維持されるためアームの剛性を上げることができる。な
お、この場合、アームの運動は、直線運動と旋回運動の
両者を同時に行うことはできないが、アームの自由度を
下げることによりアームの剛性を上げることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態に係る
アーム機構の概略について説明する。図1 （ａ）に示す
ように、本発明のアーム機構では、固定部材１００から
所定の距離に支持部材１６によってアーム１０が支持さ
れる。アーム１０には、支持部材１６から張り出した部
分にアシスト部材１２が連結され、アシスト部材１２の
一端は固定部材１００の表面１１０にスライド可能に接
触する。したがって、図1 に示すようにアーム１０は、
支持部材１６に対しての直線運動、旋回運動、アーム１
０の軸周りの回転運動を行なうことができる。ここで、
アシスト部材１２の一端が固定部材１００に接触するた
めには、アーム１０と固定部材１００の距離が一定でな
ければならない。すなわち、アーム１０の直線運動の方
向は表面１１０と平行となり、また、アーム１０の旋回
運動は固定部材１００の表面１１０に対して垂直な軸の
軸周りの旋回運動となる。このようなアーム機構によれ
ば、アーム１０は支持部材１６とアシスト部材１２の2
点により固定部材１００に支持されるため、アーム１０
にワークの自重等の力が作用してもアーム１０のたわみ
を防止することができる。すなわち、アーム１０、アシ
スト部材１２、支持部材１６、固定部材１００によって
閉じた面を形成するためアーム１０自体の剛性を高くし
なくてもアーム１０の剛性を高くすることができる。こ
の場合、アーム１０のたわみを有効に防止するために
は、アシスト部材１２を設ける箇所をアーム１０に力が
作用する点（ワークを保持する位置）の近傍に設けるこ
とが好ましい。このようにすれば、アーム１０に作用す
る力をアシスト部材１２で主に受けることができるから
である。なお、請求項でいう固定部材１００は必ずしも
固定されている必要はなく、例えばスライドテーブルが
アクチュエータにより移動可能に構成されて、このスラ
イドテーブル上に上述したような機構のアームを設ける
ような場合は、このスライドテーブルが固定部材とな
る。また、アーム１０は、支持部材１６に対して、直線
運動又は旋回運動のどちらか一方のみできるようにする
ことが好ましい。これは、アーム１０の自由度が大きい
と、その分位置決め誤差が発生するためである。以下の
本発明の実施の形態では、アーム１０の運動が支持部材
１６に対して直線運動又は旋回運動の両者の内どちらか
一方を行なうものについて説明する。

【０００８】まず、アーム１０が支持部材１６に対して
直線運動する場合のアーム機構について、図２に基づい
て説明する。図２は、アームが支持部材に対して直線運
動を行なうような位置決めロボットの一例の概略構成を
示す図面である。図２に示すように、この位置決めロボ
ットのアーム機構では、固定部材１００に固定された支
持部材１６と、支持部材１６に一方向に直動可能に支持
されるアーム１０を有する（この図では紙面に対して垂
直方向）。支持部材１６内には、ボールネジが配設され
ており、アーム１０にはこのボールネジと係合するネジ
溝が形成されている。したがって、支持部材１６内に配
設されたボールネジが図示省略したサーボモータにより
駆動されることにより、アーム１０が支持部材１６に沿
って直線運動を行なう。また、アーム１０内にもボール
ネジが配設されており、Ｙ方向スライドテーブル１７に
このボールネジと係合するネジ溝が形成されている。し
たがって、アーム１０内のボールネジを図示省略したサ
ーボモータにより駆動することにより、Ｙ方向スライド
テーブル１７がアーム１０に沿って図２に示す矢印Ａの
方向に直線運動を行なう。そして、このアーム１７に
は、ワーク５０を保持する治具が設けられている。ここ
で、図２に示す位置決めロボットでは、直交型ロボット
機構を採用した。直交型ロボット機構は、位置決め精度
が高いからである。

【０００９】ここで、上述した位置決めロボットでは、
Ｙ方向スライドテーブル１７が支持部材１６上にある場
合は、ワーク５０の自重によってアーム１０がたわむこ
とはない。しかしながら、Ｙ方向スライドテーブル１７
が点線で示す位置に移動した場合には、ワーク５０の自
重によりアーム１０がたわむこととなる。そこで、本実
施の形態では、アーム１０と固定部材１００の間にアシ
スト部材１２を設けた。これにより、アーム１０を支持
部材１６とアシスト部材１２により支持することとな
り、アーム１０の剛性を上げ、アームのたわみを少なく
することができる。この場合、アシスト部材１２は固定
部材１００の表面１１０上に形成したサポートレール等
の案内部材によりその運動が案内されていることが好ま
しい。これは、アシスト部材１２と固定部材１００の表
面１１０との接点を、回転ころのような自由度の大きい
ものとするより、案内部材によりその自由度を減らした
方がアーム１０の剛性を高めることができるためであ
る。例えば、ワーク５０がアーム１０の中間にある場
合、アシスト部材１２は、図２の矢印Ｂ方向にずれよう
とする。しかし、アシスト部材１２が案内部材によりそ
のようなずれが規制されていると、このような動きがで
きずアーム１０の剛性を上げ、アームのたわみを少なく
することができるのである。また、図２に示すアーム機
構においては、アーム１０にアシスト部材１２を設けた
が、これに限られず、アシスト部材１２をＹ方向スライ
ドテーブル１７に設けて、Ｙ方向スライドテーブル１７
と一体となって移動するものであっても良い。このよう
にすれば、ワーク５０の重力を直接アシスト部材１２で
支持することができるため、たわみを画期的に少なくす
ることができる。

【００１０】以下、図２に示すアーム機構を備えた位置
決めロボットの具体的な構成について図３、図４に基づ
いて説明する。図３は、位置決めロボットの平面図、図
４は位置決めロボットの側面図を示す。図３に示すよう
に、この位置決めロボットはＸ方向サーボモータ２１を
有し、Ｘ方向サーボモータ２１により固定部材２２内に
配設されたＸ方向ボールネジが駆動される。このＸ方向
ボールネジはＸ方向スライドテーブル（アーム）２３と
係合し、上述したＸ方向ボールネジが回転すると、Ｘ方
向スライドテーブル（アーム）２３がＸ方向に移動す
る。このＸ方向スライドテーブル（アーム）２３の底面
には、図４に示すようにＸ方向スライドテーブル（アー
ム）２３のたわみを防止するためのアシスト部材２４が
取り付けられる。このアシスト部材２４は、固定部材
（定盤）１００に固定されたサポートスライド２５に案
内されてＸ方向スライドテーブル（アーム）２３と一体
となってＸ方向に直線運動する。このように、Ｘ方向ス
ライドテーブル（アーム）２３は、固定部材２２とアシ
スト部材２４により固定部材（定盤）１００に支持さ
れ、また、サポートスライド２５によりアシスト部材２
４の運動が一方向に案内されるため、Ｘ方向スライドテ
ーブル（アーム）２３の剛性を高くすることができる。
この位置決めロボットは、さらにＹ方向サーボモータ２
６を有し、Ｙ方向サーボモータ２６の回転は伝達機構２
７を介して、Ｘ方向スライドテーブル（アーム）２３内
のＹ方向ボールネジに伝えられる。このＹ方向ボールネ
ジはＹ方向スライドテーブル２８に形成されたネジ溝に
係合し、Ｙ方向ボールネジの回転によりＹ方向スライド
テーブル２８がＹ方向に移動する。Ｙ方向スライドテー
ブル２８には、ワーク５０を保持するための治具が設け
られ、この治具にワーク５０が保持される。このような
治具としては、既存の種々の治具を用いることができ、
図３，４に示す位置決めロボットではクランプピン２９
を用いた。

【００１１】上述した位置決めロボットの動作を簡単に
説明する。まず、クランプピン２９の位置決め位置が図
示省略した制御装置に与えられると、制御装置はＸ方向
サーボモータ２１を所定量回転駆動することによりＸ方
向スライドテーブル（アーム）２３を所定のＸ座標に、
また、Ｙ方向サーボモータ２６を所定量回転駆動される
ことによりＹ方向スライドテーブル２８（クランプピン
２９）を所定のＹ座標に位置決めする。クランプピン２
９が位置決め位置（Ｘ，Ｙ）に位置決めされた後、ワー
クがクランプピン２９にセットされる。この際、Ｘ方向
スライドテーブル（アーム）２３は、固定部材２２及び
アシスト部材２４により支持されているので、ワークの
自重等によるたわみを少なくすることができる。また、
アシスト部材２４によりＸ方向スライドテーブル（アー
ム）２３の剛性を上げているため、Ｘ方向スライドテー
ブル（アーム）２３自体の剛性を上げる必要が無く、コ
ンパクトでかつ剛性の高い位置決めロボットを形成する
ことができる。

【００１２】次に、アーム１０が支持部材１６に対して
回転運動する場合について、図５乃至図８に基づいて説
明する。図５は、アームが回転する回転系のロボットの
構成を模式的に示した図面である。図５（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように、回転運動系のロボットの
機構としては（ａ）各アーム１０を連結する各関節を旋
回ジョイント１８とし、アーム１０が広範囲に動くこと
ができる開ループ系の機構、（ｂ）固定部材１００に対
して回転ジョイント１９により連結されたアーム１０
と、アーム１０に連結されたアシスト部材１２の端部を
固定部材１００にスライド可能に連結する機構、（ｃ）
アーム１０を連結する関節を旋回ジョイント１８とし、
２本のアーム１０の運動を規制した閉ループ系の機構を
使用することができる。（ａ）の開ループ系の機構で
は、ロボットの動作範囲を広く取れる等の利点はあるが
アームの剛性が低下するという欠点があり、（ｃ）の閉
ループ系の機構では、アームの剛性を高くすることがで
きるという利点はあるが動作範囲が狭いという欠点があ
る。そこで、本発明では両者を組み合わせた、（ｂ）に
示すいわゆるハイブリッド系のロボット機構を創り出し
た。すなわち、アーム１０を固定部材１００に対して旋
回するアーム１０と、アーム１０に連結したアシスト部
材１２とで構成し、アシスト部材１２と固定部材１００
がスライド可能に連結される機構とした。これにより、
アーム１０に連結したアシスト部材１２によりアーム１
０を支持し、アーム１０の剛性を高めるものである。ま
た、アーム１０は回転ジョイント１９により軸周りに旋
回することにより比較的広い動作範囲を確保することが
できる。

【００１３】すなわち、図６に示すように、このアーム
機構では、固定部材１００の表面１１０から所定の距離
に支持されるアーム１０を有する。アーム１０は、図の
矢印の方向に旋回可能な機構となっている。アーム１０
の先端にはワークをクランプするためのクランプピン４
１が設けられる。また、アーム１０の先端には、アシス
ト部材１２が連結され、固定部材１００の表面１１０と
転がり接触を行なっている。このような構成とすること
により前述した場合と同様に、アーム１０は支持部材１
６とアシスト部材１２の二箇所で支持されることとな
り、アーム１０の剛性が上がり、アーム１０のたわみを
防止することができる。また、この実施の形態のロボッ
トのアーム機構では、ワークを保持するクランプピン４
１をアシスト部材１２の真上に設けている。この場合に
は、アシスト部材１２に真上からワークの重力が作用す
ることとなり、アームのたわみを画期的に少なくするこ
とができる。なお、図６に示すアーム機構では、アシス
ト部材１２と表面１１０の接触を回転ころとしたが、こ
のような構成とすること無くサポートレールにより案内
するような構成とすることもできる。ただし、サポート
レールとするとこのサポートレールを円形状に形成する
必要があり加工が行いにくい。

【００１４】以下、図６に示すアーム機構を備えた位置
決めロボットの具体的な構成について図７、図８に基づ
いて説明する。図７は、位置決めロボットの平面図、図
８は位置決めロボットの側面図を示す。図8 に示すよう
に、この位置決めロボットは固定部材（定盤）１００に
固定された中空のハウジング３２内に、θ方向サーボモ
ータ３１が設置されている。このθ方向サーボモータ３
１の回転は、図示省略した運動伝達機構により伝達部材
３４に伝達され、伝達部材３４及びｒ方向ボールネジ３
５はθ方向サーボモータ３１の軸周りに旋回するような
構造となっている。また、ハウジング３２内には、図7
に示すように、伝達部材３４及びＹ方向ボールネジ３５
をその軸周りに回転させるｒ方向サーボモータ３３が収
容される。すなわち、ｒ方向サーボモータ３３の回転
は、図示省略した運動伝達機構により伝達部材３４に伝
達され、伝達部材３４に連結されたｒ方向ボールネジ３
５がその軸周りに回転することになる。したがって、ｒ
方向ボールネジ３５（アームに相当）は、θ方向サーボ
モータ３１の軸周りに旋回し、かつ、ｒ方向ボールネジ
３５の軸周りに回転するような構造となっている。ま
た、ｒ方向ボールネジ３５は、図7 及び図8 に示すよう
にｒ方向ボールネジ３５のネジ溝に係合するように雌ネ
ジが形成されたスライド部材３６と係合する。スライド
部材３６は、後述するアシスト部材３７に取り付けられ
たリニヤレール３８によりｒ方向ボールネジ３５と一体
となって回転することが規制される。したがって、スラ
イド部材３６は、ｒ方向ボールネジ３５の軸周りの回転
により、ｒ方向ボールネジ３５に沿って半径（ｒ）方向
に直線運動することとなる。また、ｒ方向ボールネジ３
５がθ方向サーボモータ３１の軸周りに旋回することに
より、スライド部材３６はｒ方向ボールネジ３５と一体
となって周（θ）方向に運動することとなる。このスラ
イド部材３６には、図８に示すように、固定部材（定
盤）１００の表面１１０に向って垂下するアシスト部材
３７が設けられ、アシスト部材３７の下端には２本のリ
ニヤレール３８、３８' が組付けられている。（なお、
図７では、リニヤレール３８' がｒ方向ボールネジ３５
と重なるため図示されていない。）この２本のリニヤレ
ール３８、３８' 間は連結部材３８ａにより連結され、
また、この２本のリニヤレール３８，３８' の底面に設
けられた回転ころ４２は、固定部材１００の表面に接触
するようになっている。したがって、ｒ方向ボールネジ
３５が旋回することによりｒ方向ボールネジ３５と一体
となってスライド部材３６が旋回すると、アシスト部材
３７とリニヤレール３８，３８' も一体となって旋回す
る。このとき、回転ころ４２が固定部材１００の表面１
１０上を転がることにより、アシスト部材３７の移動を
スムーズに行うことができる。また、ｒ方向ボールネジ
３５がその軸周りに回転することによりスライド部材３
６及びアシスト部材３７がＹ方向ボールネジ３５に沿っ
て運動する際には、アシスト部材３７の動きをリニヤレ
ール３８が案内することにより、スライド部材３６の運
動がスムーズに行えるようになっている。このように、
図７、８に示す位置決めロボットでは、Ｚ方向サーボモ
ータ３９及びリニヤレール３８によりアシスト部材３７
及びスライド部材３６の移動が滑らかに行なわれる。ま
た、リニヤレール３８の底面に回転ころ４２を設けるこ
とにより、スライド部材３６が平面的（2 次元）に移動
する場合でも、一体となって移動することができる。す
なわち、案内部材の底面に転動部材を設けることにより
アシスト部材を二方向に案内することができる。この場
合、転動部材をタイヤのようなものとし、一方向のみに
転がるようなものとしても良い（図７、８に示す場合
は、半径方向）。このようにすれば、アシスト部材の自
由度が制限されて剛性を上げることができる。また、位
置決め時に、このタイヤにブレーキを掛けるようにすれ
ばさらに剛性を上げることができ好ましい。アシスト部
材３７内には、ｚ方向サーボモータ３９が配設され、ｚ
方向サーボモータ３９の回転によりｚ方向ボールネジ４
０を高さ（ｚ）方向に伸長させる構成となっている。す
なわち、スライド部材３６及びアシスト部材３７内には
ｚ方向ボールネジ４０と係合する雌ネジが形成され、ｚ
方向ボールネジ４０がＺ方向サーボモータ３９により回
転させられることによりｚ方向ボールネジ４０がスライ
ド部材３６の上面から所定の長さ突出することとなる。
そして、ｚ方向ボールネジ４０の先端には、ワークをク
ランプするための治具４１が設けられ、ワークが保持で
きるように形成されている。図７, ８に示す位置決めロ
ボットでは、図示省略した制御装置によりθ方向サーボ
モータ３１、ｒ方向サーボモータ３３、及びｚ方向サー
ボモータ３９を所定量回転させることによりクランプピ
ン４１を所定の位置決め位置に移動させることができ
る。

【００１５】上述した位置決めロボットでは、ワークの
自重等によりスライド部材３６、及びｒ方向ボールネジ
３５に力が作用した場合、スライド部材３６に設けられ
たアシスト部材３７がｒ方向ボールネジ３５を支持する
ため、ｒ方向ボールネジ３５のたわみを小さいものとす
ることができる。また、アシスト部材３７は、ワークの
自重が作用するクランプピン４１の略真下で支持するた
め、ｒ方向ボールネジ３５のたわみを効果的に小さくす
ることができる。したがって、ワークの位置決め精度が
向上する。また、アシスト部材３７はリニヤレール３８
により半径方向の運動が案内されているため、確実に半
径（ｒ）方向に移動することができ、また、リニヤレー
ル３８によりアシスト部材３７の周（θ）方向へのずれ
を防止することができる。したがって、その分Ｙ方向ボ
ールネジ３５の剛性を上げることができる。

【００１６】なお、上述した位置決めロボットは、自動
車の組立を行う溶接ラインに配置されワークを所定の位
置に支持する場合や、加工後のワークを位置決めして検
査する作業ステーション等にも使用することができる。

【００１７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のアーム機
構によれば、アーム自体を大きくすることなく、アーム
の剛性を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアーム機構の基本原理を説明する
ための図面である。

【図２】本発明の一実施の形態に係る位置決めロボット
の構造を簡略に示す図面である。

【図３】本発明の一実施の形態に係る位置決めロボット
の平面図である。

【図４】図３に示す位置決めロボットを側面から見た側
面図である。

【図５】アーム間の結合が、回転系のジョイントで繋が
れたアーム機構の例を示す図面である。

【図６】本発明に係る回転系のアーム機構の一例を説明
するための図面である。

【図７】本発明の他の実施の形態に係る位置決めロボッ
トの平面図である。

【図８】図７に示す位置決めロボットの側面図である。

【符号の説明】

１０・・アーム（Ｘ方向スライドテーブル） １２・・アシスト部材 １４・・スライド １６・・支持部材 １００・・固定部材（定盤）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置決めロボットのアーム機構であり、 その一端を固定部材の表面から一定の距離に支持される
   アームと、 そのアームに連結され、そのアームと一体となって運動
   するアシスト部材とを備え、 前記アシスト部材の一端が固定部材の表面とスライド可
   能に接触することにより、前記アームに力が作用した際
   に、そのアームにたわみが生じるのを抑制する位置決め
   ロボットのアーム機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の位置決めロボットのアー
   ム機構であり、前記アシスト部材は、前記固定部材の表
   面に設けた案内部材に案内されている位置決めロボット
   のアーム機構。